Влияние токсикантов на активность ферментов. 2 страница

Хелаты или клешневидные соединения широко распространены в природных водах. По сродству к хелатообразованию металлы располагаются в следующей последовательности:

Hg²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Cd²⁺, Mn²⁺

Мелкодисперсные взвеси связывают на единицу веса больше металлов, чем крупнодисперсные. Поверхность большинства частиц взвесей и коллоидов имеет отрицательный заряд, что способствует их взаимодействию с катионами.

Для распределения металлов между фазами основополагающее значение имеет рН среды. Например: Zn при рН=7 осаждается в виде Zn(OH)₂, ZnO, Zn₃(PO₄)₂, ZnCO₃. В результате осаждения концентрация большинства металлов быстро снижается с удалением от источника загрязнения. В пресных водах быстро убывает концентрация Pb, Zn, Cr, Cd (уже в сотнях метров от источника загрязнения), но не Ni, Cu, Со, Mn. В морской воде концентрация многих загрязняющих веществ снижается быстрее, чем в пресной.

Основная часть исчезнувшего из воды вещества переходит в грунт, в результате чего грунты часто содержат необычайно высокие уровни загрязняющих веществ, в то время как концентрация их в воде может и не быть повышенной. В донных осадках металлы содержатся в виде карбонатов, сульфидов и в связанной с органическими осадками состоянии. Важная роль в концентрировании ртути, цинка, марганца, железа, мышьяка отводится детриту. Взмучивание и изменение комплексообразующих свойств водной среды приводит к изменению концентрации ионов в воде при естественном изменении условий. Уровень металлов в воде повышается в период паводков и дождей.

Все эти превращения изменяют поступление токсических веществ в водные организмы. Повышенные концентрации вещества, способного связывать ионы и молекулы токсического агента, и прочность этих связей снижают «биодоступность» или «физиологическую доступность» токсиканта для гидробионтов.

Органические соединения также проходят в водной среде разнообразные превращения. Важную роль в превращении пестицидов играют температура, растворенный кислород, активность водородных ионов, свет, особенно в коротковолновой области. Окисление кислородом воздуха может приводить к образованию гидроперикесей. Реакции окисления приводят в основном к разрыву двойных связей, дехлорированию, изомеризации, фотоминерализация.

Различные химические вещества могут выступать в роли химических модификаторов. Металлы способствуют восстановлению пестицидов. Причем в присутствии разных металлов ассортимент промежуточных и конечных продуктов бывает различным. Такие реакции в присутствии металлов в верхних слоях воды могут ускоряться ультрафиолетовой радиацией солнца.

Важное значение в превращении органических соединений имеют реакция гидролиза. Гидролиз приводит к быстрому превращению органических хлоридов в гидроксиды, к быстрому разрушению карбаматов и другим превращениям.

Разнообразие этих превращений приводит к тому, что зачастую не известно, в каком виде исходное соединение вступает в контакт с тканями организма.

9.2. Пути поступления токсикантов в тела гидробионтов. Накопление веществ компонентами водных экосистем. Коэффициент биомагнификация, коэффициент распределения.

Поступать в организм гидробионтов вещества могут непосредственно через поверхность клетки или тела, через жабры и через желудочно-кишечный тракт. Препятствием к поглощению через поверхность тела служат чешуя рыб, раковины и панцири беспозвоночных.

У рыб некоторые вещества, а особенно тяжелые металлы, активно связываются муцином слизи и накапливаются на поверхности тела. Вероятно, через кожу непосредственно поступления не происходит.

Иногда тот или иной орган служит преимущественным путем поступления вещества. Так, описано преимущественное накопление свинца микроскопической зеленой водорослью Platymonas subcordifomis через жгутик. Лишенные жгутиков особи накапливали металла гораздо меньше, чем нормальные клетки. Дафния способна накапливать вещества особенно активно через поверхность антенн.

Транспорт веществ через клеточные мембраны происходит путем простой диффузии по градиенту концентрации фильтрацией через поры в мембране, что важно для небольших гидрофильных молекул радиусом менее 4А, путем пиноцитоза или через активный транспорт с участием переносчиков и с затратой энергии.

Скорость проникновения через мембраны ионов и заряженных молекул зависит от молекулярного объема: с увеличением объема скорость проникновения снижается. Если заряд иона совпадает по знаку с зарядом участка мембраны, он отталкивается, а если знаки противоположны, то происходит фиксация иона на этом участке.

Вследствие большого объема, а также в связи с взаимодействием зарядов, прохождение иона через мембрану затрудняется и он оказывает местное поверхностное действие. В связи с этим многие металлы поражают прежде всего жабры. По этой причине неорганические соединения ртути, способные диссоциировать, нарушают проницаемость жаберного эпителия, нейтральные молекулы ртутьорганических соединений, проникая через внешние мембраны, легко достигают внутренних органов, где быстро проявляется их эффект. По этой же причине хелаты металлов, несущие меньший заряд, активнее проникают в ткани гидробионтов, чем их ионы. Легко в клетку проникают ионы, для которых в мембране существует механизм избирательной проницаемости или которые могут переноситься в связанном состоянии. Некоторые ионы проникают через транспортную систему, предназначенную для других соединений. Так, мышьяк проникает в клетку через транспортную систему фосфатов, в результате чего в водах, бедных фосфором, накопление мышьяка идет активнее.

Высокой проникающей способностью обладают липофильные соединения или неэлектролиты. За счет липофильности эти вещества активно переходят из водной фазы окружающей среды и тканевых жидкостей в структуры клеток, накапливаясь здесь до высоких уровней. Обратный переход затруднен, поэтому липофильные соединения концентрируются в тканях и долго могут здесь сохраняться, что делает их особо опасными. Допускают, что электролиты проникают только в клеточную оболочку и не проходят внутрь клетки. Однако такую возможность следует признать лишь для части липофильных соединений, обладающих очень высокой гидрофобностыо.

Проникновение неполярных молекул или молекул со слабовыраженными полярными свойствами в значительной степени не ограничено их молекулярным объемом. Если такие молекулы имеют не более трех гидрофильных групп и молекулярный вес не более 130, они легко проникают через мембраны. Проникающая активность молекул, несущих полярные группировки, зависит от соотношения полярной и неполярной частей и возрастает с увеличением неполярной.

Проникающая способность органических молекул возрастает с удлинением углеводородной цепи, с увеличением числа метил-, этил- и фенил-групп и быстро падает с введением гидрокси- и карбоксил-групп.

Если скорость поступления вещества в клетку превосходит скорость его выхода из клетки, происходит его накопление в тканях. Задержка вещества в клетке происходит за счет химических и физико-химических взаимодействий.

Все больше значение придается возможности активного накопления различных веществ клеткой и организмом.

Через стенки кишечника водных животных тяжелые металлы могут переноситься ди- и трипептидами и первичными аминами, однако часть их в связанном виде, не ассимилируясь, выводится из организма.

Hа активность накопления веществ гидробионтами влияют как факторы абиогенной природы, так и биологические характеристики организма. Увеличение концентрации ионов кальция или других щелочноземельных катионов в среде понижает, а преобладание щелочных – увеличивает проницаемость мембран. Кальций ингибирует накопление кадмия и это служит причиной обратного соотношения их содержания в тканях гидробионтов. Кадмий снижает накопление цинка, ртути и других металлов.

Взаимовлияние металлов может служить причиной корреляции их содержания в тканях гидробионтов. Так, например, показана количественная связь содержания в моллюсках цинка и меди, меди и серебра, кадмия и цинка. В крабах положительная корреляция отмечена для содержания меди и цинка, кадмия и стронция. Подобная взаимосвязь отмечена у рыб для содержания меди и цинка, железа и марганца, кадмия и цинка, селена и ртути. Особым вниманием пользуется характерная для многих гидробионтов более или менее постоянная пропорция содержания селена и ртути (1:1). Полагают, что селен выполняет некоторую детоксирующую роль при отравлении ртутью.

Повышение температуры увеличивает проникновение веществ через мембрану. Однако такое повышение проявляется лишь до некоторого предела температуры.

Способность гидробионтов накапливать вещества может изменяться с возрастом. Например, ни личинки устриц, ни молодые особи не накапливали цинк. Эта способность развивалась между 50 и 100 днями после оседания. Возможно, что активным накопление становится с возрастанием роли некоторых ферментов, содержащих металлы. Характерна способность гидробионтов повышать с возрастом и размерами способность к накоплению липотропных агентов.

Кинетику возрастания уровня загрязняющих веществ в тканях обычно объясняют, как результат равновесного состояния между процессами включения и выведения вещества, происходящими в одно и тоже время.

Однако довольно часто на практике не удается получить столь однозначной закономерности. Отклонения особенно заметны у мелких организмов, имеющих высокое значение соотношения поверхности тела к объему. Очевидно, это отклонение не случайно, так как процесс включения вещества определяется не только закономерностями абсорбции и диффузии, но и зависит от механизмов активного транспорта и систем выведения организма. Активность этих систем изменяется как функция состояния организма в целом.

Активность накопления различных веществ из окружающей среды выражается через соответствующие коэффициенты.

Коэффициент, описывающий отношение содержания вещества в тканях гидробионтов к концентрации в воде, как известно, называется коэффициентом накопления.

В случаях, когда необходимо определить относительную избирательность накопления двух веществ, используется коэффициент накопления по пищевой цепи, или коэффициент биомагнификации, который представляет собой отношение количества вещества в тканях хищника к количеству вещества в тканях жертвы. Накопление по пищевой цепи присуще соединениям липофильным или имеющим сродство к некоторым молекулам биосубстрата и в экологическом отношении оказывается опасным явлением. Такое накопление обусловлено следующими причинами. Для построения единицы массы некоторого трофического уровня организмы этого уровня должны потреблять в среднем десятикратное количество пищи. Вместе с этим количеством пищи организмы потребляет соответствующее количество токсического вещества, накопленного пищевым организмом. Из пищи усваивается только часть массы и почти все количество токсиканта. Аналогичная передача произойдет и на следующем трофическом уровне.

Для примера: биомагнификация ДДТ в компонентах пищевой цепи болота Южной Флориды характеризуется следующими данными: вода – 0,02 мкг/кг, перифитон – 7 мкг/кг, донный грунт – 16 мкг/кг, раки – 23 мкг/кг, рыбы – 19 мкг/кг, аллигатор – 352 мкг/кг, яйца хищных птиц – 16500 мкг/кг.

Кроме хлорорганических соединений и ртути способность к накоплению по пищевой цепи проявила медь, кадмий, марганец, кобальт, железо.

Иногда в экспериментальной практике исследуются коэффициенты распределения между тканями гидробионтов. Чаще других рассчитывается коэффициент распределения "ткань-кровь". Такой коэффициент может отражать локализацию вещества в той или иной ткани и выявить наиболее поражаемый орган гидробионта. Перераспределение вещества между тканями с течением времени может быть использовано для оценки сроков, прошедших после загрязнения водоема.

Способность вещества накапливаться в тканях связывают, как уже отмечалось, с их липофильностью. В качестве показателя липофильности часто используется коэффициент распределения вещества между несмешивающимися средами, например: вода – оливковое масло, вода – н-октанол. Связь коэффициента распределения между водой и н-октанолом (КР) и коэффициентом накопления (КН) в тканях может быть описана некоторыми уравнениями. Так для рыб Pimephalee promelas такое уравнение имеет вид:

Ig KH = 0,85 IgKP - 0,7

Величина коэффициента различна для разных условий опыта, видов гидробионтов и групп веществ.

Распределение веществ в тканях зависит как от специфических свойств элемента, так и от химической формы соединения, в котором находится элемент в среде. Показано, что при загрязнении водоема ртутью содержание хлористой ртути и метил-ртутьхлорида в жабрах, печени, сердце лосося составляло свыше 10 мкг/кг, в почках и мышцах – свыше 15 мкг/кг, в желудке, кишечнике и крови – менее 5 мкг/кг.

В природных условиях в моллюсках наибольший уровень меди обнаружился в крови и в левой почке. Высокий уровень никеля отмечался в поверхностных тканях (мантия, эпидермис ноги). Основная масса других металлов обнаруживалась в пищеварительной железе или правой почке, которая функционально, вероятно, отличается от левой.

У большинства видов высших водных растений в корнях тяжелые металлы накапливаются интенсивнее, чем в листьях.

У устриц в клетках кишечного эпителия и пищеварительной железы кадмия было больше, чем в жабрах и почках.

В тканях гидробионтов металлы находятся в связанном состоянии. У моллюсков металлы включаются в комплекс с таурином и представляют собой подвижный, легкодоступный резерв металлов. При появлении повышенных уровней металла в тканях у водных животных стимулируется синтез специфических протеинов, способных связывать ионы металлов в большом количестве. Эти протеины называют металлотионеинами и полагают, что они выполняют детоксицирующую задачу. Накопление металлов в составе металлотионеинов может достигать необычайно высоких уровней. Так, устрицы в естественных условиях могут накапливать цинка до 10%от сухого веса тканей без заметного вреда для себя.

Детальное исследование показало, что в сильно загрязненных водах в тканях моллюсков формируется по крайне мepe 5 комплексов с молекулярным весом менее 3000, один из которых – комплекс с таурином. Металлотионеиноподобные белковые комплексы образуют в тканях водных животных такие металлы, как кадмий, цинк, медь, ртуть.

Однако не все металлы связываются преимущественно с протеинами. Так у тунцов мышьяк концентрируется главным образом в липидной фазе.

Активность и возможность синтеза металлотионеинов зависит от условий воздействия и состояния организма. У краба металлотионеины синтезировались при действии кадмия, но не меди или ртути. При действии кадмия повышается концентрация металлотионеинов и у креветок.

У балянусов цинк осаждался в клетках паренхимы в виде гранул в значительных количествах. Основным компонентам этих гранул является фосфат цинка. В меньших количествах в состав гранул включаются железо и медь. Депонирование цинка в тканях моллюсков осуществляется в виде гранул с белковой природы. У рыб уже в кишечнике образуются гранулы, связывающие металлы и препятствующие их поглощению тканями.

Полагают, что в обычном состоянии некоторый запас металлов сохраняется в организме гидробионтов в виде низкомолекулярных металлоорганических комплексов. При избытке металла, возникающем вследствие нахождения организма в загрязненной среде, его избыточное количество начинает связываться с белковыми молекулами, очевидно, специально синтезируемыми втканях для этих целей. В виде этих металлотионеиноподобных соединений, выполняющих депонирующую роль, избыток металлов сохраняется в тканях. Переизбыток металлов в тканях может быть со временем захоронен в еще более высокомолекулярных соединениях, образующих гранулы в клетках беспозвоночных или в клеточных стенках водных растений.

Выделение остатков поглощенных организмом превращенных в процессе детоксикации чужеродных соединений происходит через печень, почки или заменяющие их органы, через поверхность клеток и тела, через органы дыхания с половыми продуктами и слизью. Содержания веществ в тканях обычно оценивается по периоду «полураспада» и «полувыведения», т.е. по времени снижения содержания вещества вдвое в организме или отдельной ткани. Например, для моллюсков период полувыведения ртути составляет от 15 сут. (в гонадах) до 60 сут. (пищеварительные железы, нога). Нафталин активно выводится мидиями через жабры и почки. Причем, этот процесс активнее проходил у особей, предварительно перенесших экспозицию нафталином в меньших концентрациях.

Таким образом, поглощение веществ из водной среды как и выведение, может происходить многими путями. Активность этих процессов зависит от свойств веществ, таких как липофильность, растворимость в воде, размер молекулы, а также от свойств среды, концентрации вещества и присутствия других соединений, не маловажны биологические свойства вида и индивидуальное состояние особи.

9.3. Биохимические механизмы трансформации токсикантов в телах гидробионтов

Установлено, что чужеродные соединения (ксенобиотики), поступающие в организм млекопитающих, претерпевают превращения, которые идут в два этапа.

На первом этапе (биотрансформация) происходят различного рода метаболические превращения (окисление, восстановление, гидролиз, дегидрохлорирование, десульфирование и др.), ведущие к появлению в молекуле ксенобиотика новых функциональных групп, повышающих ее полярность. В результате токсичность вещества может быть либо ослаблена (детоксикация), либо усилена (токсификация).

Биотрансформациячужеродных соединений катализируется ферментами, локализованными в микросомальной фракции клеток печени и других тканей. У теплокровных животных это – система смешанных оксидаз. Они осуществляют превращения разных по строению органических соединений при участии АДФ-Н₂ и молекулярного кислорода. Активированный НАДФ-Н₂ кислород в присутствии различных микросомальных гидроксилаз окисляет ядовитое соединение, изменяя его токсические свойства в сторону ослабления или усиления. Например, фосфорорганические соединения подвергаются в организме биологической активаций в результате окислительной десульфурации, т. е. отщепления серы и замены ее кислородом.

Доказано, что рыбы имеют все ферменты, необходимые для метаболизма липидорастворимых чужеродных веществ, а реакции, катализируемые этими энзимами, аналогичны таким реакциям у млекопитающих.

Помимо фосфорорганических пестицидов микросомальные ферменты печени рыб катализируют метаболические превращения других ядовитых соединений, в частности различных нефтепродуктов и полициклических ароматических углеводородов.

Акцентируя внимание на принципиальном сходстве ферментных систем, осуществляющих метаболические превращения ксенобиотиков у рыб и млекопитающих, необходимо иметь в виду, что метаболизм чужеродных соединений и организме рыб происходит медленнее, чем у млекопитающих.

Принципиальное сходство между рыбами и млекопитающими в их реакции на токсические вещества заключается в том, что ксенобиотики, поступая в организм рыб, способны индуцировать у них образование ферментов, катализирующих метаболические превращения чужеродных соединений. Например, активность гидроксилаз, металлизирующих растворенные нефтепродукты и некоторые полициклические ароматические углеводороды, заметно возрастает в тканях рыб (печень, жабры, почки), подвергшихся токсическому воздействию этих веществ как в экспериментальных, так и в естественных условиях.

Продукты метаболических превращений, катализируемые микросомальными ферментами печени, могут затем выделяться без каких-либо изменений, вступать в синтетические реакции конъюгации, подвергаться метаболизму с помощью нормальных процессов обмена и, наконец, аккумулироваться в тканях. Реакцию конъюгации справедливо рассматривают как истинную детоксикацию различных ядов.

Второй этап метаболических превращений многих ксенобиотиков, обладающих токсическими свойствами – конъюгация, которая представляет собой биосинтез, при котором чужеродные соединения или их метаболиты соединяются с легкодоступными субстратами (например, глюкуроновая кислота, сульфат, ацетил, метил, глицин), образуя конъюгаты. Конъюгация происходит путем присоединения к функциональной группе чужеродного соединения, в результате этого молекула становится более полярной, менее липидорастворимой и поэтому более легко выделяемой из организма животного. Как и метаболические превращения, реакции синтеза и конъюгации протекают при участии специфических ферментов.

Необходимо отметить, что описываемые процессы, могут иметь место и вне тканей живых организмов. Для превращений, происходящих в водных микроорганизмах, особое значение имеет микрофлора, обитающая в полостях этих макроорганизмов-хозяев. Некоторые превращения, которые ранее относили на счет реакций метаболизма рыб, как оказалось, осуществляется при участии обменных реакций микроорганизмов кишечника.

Так, при участии микроорганизмов происходит окислительно-восстановительное превращение кобальта, хрома. Аэробные микроорганизмы преобразуют вещества путем окисления, а анаэробные путем восстановления.

Считают, что свыше 90% ртути, содержащейся в рыбе, включено в метилртуть. Если метилртуть является продуктом детоксикации, то процесс ее образования является детоксикацией для микроорганизмов, но не для организма-хозяина или других гидробионтов, накапливающих метилртуть из окружающей среды. При участии микрофлоры происходит, в частности, образование хлористых и сернистых соединений ртути, как промежуточных производных в ее обмене.

Превращение большинства соединений осуществляется с участием ферментов нормального метаболизма. Главным итогом превращения соединений в тканях является повышение их растворимости в воде, благодаря которой ускоряется выведение вещества из организма.

Превращение чужеродных органических соединений идет через двухфазный процесс – метаболическое превращение и конъюгацию. Метаболические превращения включают одно или ряд окислений, восстановлений, реакций гидролиза, приводящих к появлению групп, повышающих полярность молекулы. Конъюгация – это взаимодействие с глюкуроновой, серной кислотами, аминокислотами. Эти превращения и приводят к возрастанию полярности и снижению липофильности. Кроме того, конъюгация ведет к блокированию функциональных групп молекул токсиканта, что снижает их токсичность. В результате фенол, например, переходит в фенил-сульфат, бензойная кислота в бензолглюкуронид, цианид в тиоцианат.

Механизм конъюгации различен у морских и пресноводных рыб. У пресноводных рыб реакции конъюгации не так развиты, как у морских, в связи с ограниченным набором ферментов.

При разрушении или превращении чужеродных соединений в организме могут образовываться и более токсичные производные. Это явление называют летальным синтезом. Особенно опасно включение этих производных в состав нуклеиновых кислот и белковых молекул.

ПРИМЕРНЫЕ ВОПРОСЫ К СЕМИНАРАМ

Дата добавления: 2014-11-29