Организационно-методический раздел

А.Н. Дударев, А.А. Чиркин, И.М. Прищепа

Основы

Ксенобиологии

ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

для специальностей:1-33 01 01 Биоэкология. Общая экология

1-31 01 01 Биология

Витебск 2012

УДК 577(075)

ББК 28.072я73

Ч65

Авторы-составители: старший преподаватель кафедры анатомии и физиологии УО «ВГУ им. П.М. Машерова» А.Н. Дударев, заведующий кафедрой химии УО «ВГУ им. П.М. Машерова», доктор биологических наук, профессор А.А. Чиркин;проректор по наукеУО «ВГУ им. П.М. Машерова», доктор биологических наук, профессор И.М. Прищепа

Рецензенты:

Литвенкова И.А. – заведующий кафедрой экологии и охраны природы УО «ВГУ им. П.М. Машерова», кандидат биологических наук, доцент

УМК написан в соответствии с разделом «Ксенобиология». В нем даны основные представления о чужеродных веществах и их свойствах. Затронуты проблемы стресса и метаболической терапии. Освещены вопросы биологического действия ионизирующего излучения и токсинов на организм. Пособие предназначено для студентов и преподавателей биологических специальностей.

Карта электронного учебно-методического комплекса «Основы ксенобиологии»

Введение

Загрязнением в узком смысле слова считается привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде.

С экологических позиций те или иные компоненты вносятся не просто в воду, атмосферный воздух или почву – объектом загрязнения всегда является экосистема (биогеоценоз). Кроме того, избыток одних веществ в природной среде или просто наличие в ней других веществ (новых примесей) означает изменение режимов экологических факторов, поскольку вредные вещества по сути дела являются экологическими факторами. Следовательно, режим этих факторов (или их состав) отклоняется от требований экологической ниши того или иного организма (или звена в пищевой цепи). При этом нарушаются процессы обмена веществ, снижается интенсивность ассимиляции продуцентов, а значит, и продуктивность биогеоценоза в целом.

Загрязняющим агентом окружающей среды может быть любое вещество, находящееся в составе воздуха, воды, почвы. Они могут иметь как природное (например, вулканические извержения, пыльца растений, поднимаемая ветром пыль и т.п.), так и антропогенное (в результате деятельности человека) происхождение.

Загрязнение среды представляет собой сложный, многообразный процесс. Химические соединения, находящиеся в отходах производств, оказываются обычно там, где изначально их не было. Многие из них химически активны и способны взаимодействовать с молекулами, входящими в состав тканей живого организма, или активно окисляться на воздухе. Понятно, что такие вещества оказываются ядами по отношению ко всему живому. Привнесение в экосистему и размножение чуждых ей видов организмов является биологическим загрязнением. Загрязнение микроорганизмами называют также бактериологическим или микробиологическим загрязнением.

С развитием науки и техники, ускорением процессов индустриализации и урбанизации влияние человека на окружающую среду многократно возросло. Антропогенными традиционно называют факторы среды, возникающие в результате хозяйственной деятельности человека. Чаще всего под ними понимают различные виды загрязнений окружающей среды поскольку они имеют довольно отчетливые проявления в изменении функционального состояния организма. Так, при превышении предельно допустимых концентраций химических веществ в атмосфере в полтора раза регистрируют достоверные сдвиги иммунологических, биохимических и физиологических параметров, а при двух- и трехкратном превышении предельно допустимых норм отмечают статистически значимые сдвиги показателей острой заболеваемости. Кроме того, данные многих исследований свидетельствуют о связи различных заболеваний даже с незначительным загрязнением окружающей среды. Например, выявлена зависимость между заболеваниями нервной системы и органов чувств и содержанием в воздухе угольной пыли, нарушениями зрения и концентрацией соединений фтора. Следует отметить, что химическое воздействие, обусловленное массовым загрязнением природной среды продуктами хозяйственной деятельности человека, является наиболее распространенной формой антропогенного воздействия.

Некоторые заболевания приобретают особое значение, становясь фактором отбора, если их частота нарастает вместе с ростом загрязнения. Установлено, что значительное давление негативных факторов окружающей среды способно постепенно изменять генотип организмов, создавая причудливые варианты генотипа. Так, в регионах широкого распространения малярии возникли и наследуются генетические дефекты глюкоза-6-фосфатдегидрогеназы эритроцитов. Люди с таким дефектом менее подвержены заболеванию малярией, поскольку эритроциты разрушаются быстрее, чем необходимо для жизненного цикла малярийного плазмодия. Эти люди выживали, являясь устойчивыми к малярии, но они оказались более подвержены действию химических веществ окружающей среды из-за низкой устойчивости эритроцитов. Считается, что на менее загрязненных территориях уровень биологической приспособленности населения остается выше. Однако длительные исследования показали, что жители загрязненных районов оказались наиболее устойчивыми к воздействию окружающей среды. Этот факт объясняют тем, что в результате генетико-демографических процессов у населения, проживающего на более загрязненной территории, расширился диапазон адаптивной нормы, то есть можно говорить об имеющем место процессе приспособления к условиям окружающей среды. Так, по данным А.А. Чиркина и соавторов, у 85% ликвидаторов аварии на ЧАЭС развиваются, начиная с 1987 года, адаптационные изменения в системе транспорта липидов в крови. Но надо помнить, что за механизмы адаптации надо платить на популяционном уровне. И, действительно, возникла угроза, что у 15% ликвидаторов может развиться метаболический синдром Х (ожирение, гипертензия, инсулинорезистентность, гипо-альфа-липопротеинемия и гипертриглицеридемия); развивающийся метаболический синдром Х является наиболее частой причиной внезапных смертей среди кажущегося полного здоровья. В процессе приспособления напрягаются адаптационные механизмы, что часто ведет к истощению физиологических резервов, перенапряжению и сбоям этих механизмов. В целом ухудшение экологической ситуации приводит к выраженному напряжению демографических процессов, увеличению интенсивности миграции населения, неблагоприятным изменениям состояния здоровья всей популяции, проживающей в данных условиях.

Антропоэкологическое воздействие приводит к напряжению и следующему за ним утомлению организма вследствие нарушения нормального функционирования регуляторных и гомеостатических систем и исчерпания их ресурсов. В ответ на утомление происходит направленная компенсация – перераспределение резервных функций организма.

Таким образом, можно заключить, что на современном этапе развития человеческого общества загрязнение становится одним из ведущих факторов изменений природы, а вместе с ней и самого человека. В связи с этим проблемам антропогенных загрязнений и путям их предотвращения уделяется большое внимание.

Так, ежегодное количество промышленных, транспортных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых выбросов оценивается более чем в 600 млн. тонн. С ними в окружающую среду попадает огромное количество химических соединений. В зависимости от свойств и условий среды химические вещества транспортируются в ней, трансформируются и разлагаются, или аккумулируются, поскольку не могут быть утилизированы. Первичные токсичные элементы (ртуть, мышьяк, селен, хром), используемые в технологических процессах, и вторичные токсические соединения на основе азота, серы и некоторых других элементов, появляющиеся в результате сжигания и переработки отдельных видов промышленного сырья и отходов, загрязняют почвенно-растительный слой и, кроме того, могут переходить и аккумулироваться в растениях. Такое накопление вредных веществ в почве, тканях растений и животных, а соответственно и в пище людей является очень опасным, особенно учитывая тот факт, что человек в большинстве случаев занимает высшее звено в пищевых цепях. Миграция антропогенных загрязнений по неразрывным природным цепям способствует быстрому распространению и проникновению загрязняющих веществ во все компоненты окружающей среды. Таким образом, загрязнению подвержены все основные среды жизни. Все живые существа постоянно подвергаются многократному, а часто и непрерывному, действию химических веществ. Чем совершеннее организм, чем подвижнее образ жизни, тем разнообразнее химическое окружение. В наибольшей степени это касается человека: он, в дополнение к естественным химическим продуктам, которые неизменно присутствуют в воздухе, воде, почве и пище, создал и продолжает изобретать все новые и новые соединения для производственной деятельности, быта и лечения. Все эти вещества чужеродны организму, а многие – чужды ему. Чтобы им противостоять, в процессе эволюции у животных и человека возникли приспособительные реакции. Без них животный организм не смог бы развиваться, воспроизводить себе подобных, словом, существовать.

Ксенос – чужой, биос – жизнь. Значит, ксенобиотик – это чужеродное и чуждое организму химическое вещество. Оно физиологически активно, так как может взаимодействовать с биомишенями – с белками, липидами и т.д., входящими в состав клеток. С биомишенями клеток обычно вступают в контакт естественные биорегуляторы: нейромедиаторы (химические посредники, передающие информацию от клетки к клетке) и биомодуляторы (посредники иного свойства, которые подстраивают работу клеток, выводят их на оптимальный режим жизнедеятельности). А когда с биомишенями взаимодействуют не естественные, а чужеродные вещества, то изменяются функции самих клеток, органов, систем и даже организма в целом.

Химическое строение и биологическое действие ксенобиотиков разнообразны. Практически все ксенобиотики в организме животных, растений и человека претерпевают превращения, которые происходят спонтанно или катализируются ферментами. Ферменты, осуществляющие химическое изменение молекулыксенобиотика, обнаружены во многих органах и тканях. Ксенобиология изучает пути поступления, распространения, выведения и превращения чужеродных соединений в живом организме и механизмы вызываемых ими биологических реакций.

Ксенобиологиякак наука сформировалась в XX в., хотя самое раннее упоминание о метаболизме чужеродных соединений относится к тридцатым годам XIX в. В свою очередь ксенобиологию как науку можно подразделить на более узкие области – ксенобиофизику, ксенобиохимию, ксенофизиологию и др. Кроме того, действие различных веществ на организм или отдельные структуры изучается фармакологией и токсикологией. Прежде чем попасть в клетку, ткань и организм в целом, ксенобиотик взаимодействует с плазматической мембраной, вызывая различного рода биологические эффекты.

Физико-химическое описание процессов взаимодействия экзогенных ксенобиотиков с клеточными структурами, в первую очередь с первичной мишенью их атаки – плазматической мембраной, а также механизмов их поступления входит в одну из задач ксенобиофизики. Попав в организм, большинство ксенобиотиков подвергается в организме ферментативному превращению, которое по аналогии с процессами классической биохимии называют метаболическим. Метаболизм ксенобиотиков является предметом изучения наиболее бурно развивающейся отрасли ксенобиологии – ксенобиохимии. Ксенофизиология изучает процессы жизнедеятельности и функции живых организмов на всем протяжении их развития в условиях действия ксенобиотиков.

В настоящее время постановка задач в ксенобиологии диктуется, прежде всего, общими задачами биологии, химии и медицины. Особое значение для биологии имеют данные по метаболизму микроорганизмов, растений и животных, которые играют существенную роль в обезвреживании веществ антропогенного происхождения.

Исходные органические соединения и их метаболиты могут передаваться по трофической цепи питания от одного организма к другому, что приводит к чрезмерной их аккумуляции. В этой ситуации адаптация организмов к новым условиям зависит от набора и мощности ферментов, катализирующих метаболизм ксенобиотиков, что следует учитывать при проведении мероприятий по охране окружающей среды, т.е. при рассмотрении экологических проблем. Принципы метаболизма ксенобиотиков и особенно ферментов, принимающих участие в этих процессах, с успехом используются в синтезе органических веществ. Сейчас известны ферментативные реакции превращения большинства классов органических соединений живыми организмами. Специфичность и эффективность делают их более выгодными по сравнению с химическим синтезом. Таким образом, отмечается связь с другой бурно развивающейся отраслью науки – биотехнологией.

Создание новых лекарственных препаратов и установление механизма их действия неясно без всестороннего изучения их метаболизма, что в конечном итоге обеспечивает безопасность лечения и указывает на тесную связь ксенобиологии с медициной.

Ксенобиотики воздействуют на живой мир, и на человека, в частности, в самых различных комбинациях не только друг с другом, но и с факторами окружающей среды. Поэтому многие из ксенобиотиков, вошедших в сегодняшнюю практику, могут оказывать опасное биологическое воздействие.

Все лекарственные препараты, за исключением средств заместительной терапии (скажем, гормонов или ферментов), – ксенобиотики. Однако – и это очень важно – в фармацевтических дозах вызываемые ими изменения не выходят за те пределы, в которых еще возможна нормальная работа органов. Поэтому многие из лекарств применяются с немалой пользой. Но при увеличении дозы, например, при неоправданном бесконтрольном употреблении лекарств, нарушается работоспособность клеток, тканей, органов и лекарство оказывает уже токсическое действие...

Далеко не только чужеродные вещества чужды организму; и некоторые свойственные организму, возникающие в нем при обмене веществ естественные химические соединения могут оказаться для него чуждыми. Вот почему все вещества, даже природного происхождения, обязательно подвергаются токсикологическому обследованию. Для ксенобиотиков введены строго контролируемые предельно допустимые дозы и концентрации – в воздухе, воде, почве, пище, предметах домашнего обихода. Для лекарственных препаратов установлена предельная величина разовых, суточных, а иногда курсовых доз. По той же причине категорически не рекомендуется применять лекарственные препараты (в том числе и свойственные организму, наподобие витаминов и гормонов) без назначения врача.

При длительном воздействии химических соединений организм непременно должен приспособиться к чужеродным и к чуждым веществам. Есть несколько способов, как это сделать: вывести ксенобиотики из организма, обезвредить их в самом организме, утилизировать чужеродные вещества для собственных нужд, уменьшить восприимчивость биомишеней. Приспособление утрачивается, если сила повреждающего действия ксенобиотиков превышает мощность защитных механизмов.

Организм располагает несколькими механизмами выведения чуждых веществ в неизмененном виде через легкие, почки, пищеварительный тракт, потовые железы, а у кормящих матерей и через молочные железы. Однако возможности этого способа весьма ограничены, поскольку пропускная способность выделительных систем не беспредельна. Впрочем, именно такое удаление веществ часто используется в медицине. Например, при ингаляционном наркозе летучие вещества выводятся через легкие вместе с выдыхаемым воздухом. Для удаления нелетучих отходов обмена веществ, а также при отравлениях искусственно усиливают отделение мочи; этот прием называют форсированным диурезом. Однако гораздо чаще ксенобиотики выводятся из организма иными способами.

В печени содержатся глюкуроновые кислоты, назначение которых состоит в том, чтобы связывать низкомолекулярные отходы метаболизма в организме. Они могут образовать парные соединения с ксенобиотиками, лишая их физиологической активности. Это свойство характерно для ворсинчатой поверхности эритроцитов и для некоторых белков крови (альбумины), которые, кстати, по разнообразию намного превосходят глюкуроновые кислоты. В любом случае связанные гидрофильные ксенобиотики удаляются через почки, гидрофобные – переносятся в печень и там постепенно метаболизируются ферментами до неактивных форм, легко выводимых из организма.

Когда в организм попадают антигены (вирусы, токсины бактериального происхождения, другие чужеродные биополимеры, в частности, белки из пересаженных органов и тканей), в борьбу с ними вступает иммунная система. Она вырабатывает белки – иммуноглобулины, выполняющие роль антител. Глобулины накапливаются в крови и взаимодействуют именно с теми чуждыми организму антигенами, против которых направлен иммунный ответ. Так образуются комплексы антиген – антитело, в составе которых антигены уже неспособны воздействовать на биомишени. Эти комплексы захватываются затем фагоцитами. Иммунный ответ – одна из важнейших приспособительных реакций. Антитела могут вырабатываться и к низкомолекулярным веществам, но лишь в тех случаях, когда они искусственно присоединены к полимерам. Этот прием используют для очень тонких иммунных методов определения веществ в крайне малых концентрациях. Более того, такие объединенные антигены дают возможность получить строго специфические искусственные вакцины.

Ферментативное разрушение ксенобиотиков осуществляется в крови и в различных органах, главным образом, в печени. Суть этой приспособительной реакции в том, что усиливается выработка, или, как говорят, индукция, ферментов. Естественно, действие ксенобиотиков при этом существенно укорачивается, однако оно практически не ослабевает. Индукция как бы подгоняет ферменты к новым условиям жизнедеятельности при появлении избытка тех или иных веществ. И когда в организм попадают ксенобиотики, структурно похожие на естественные субстраты, они быстро деградируют. И лишь в редких случаях под действием ферментов некоторые ксенобиотики превращаются в еще более ядовитые соединения – происходит так называемый летальный синтез. Это одна из главных причин обязательной токсикологической оценки всех без исключения новых веществ, в том числе и природных.

Для приспособления к действию ксенобиотиков существует еще сиюминутная регуляция гомеостаза. В ее основе – рефлекторные реакции, которые, однако, не в состоянии работать долго: они быстро истощаются и неспособны помочь организму приспособиться к длительным химическим воздействиям.

Но вот что важно: скоротечные компенсаторные реакции включаются в начальном периоде. С них все начинается и одновременно запускаются другие механизмы адаптации. И если действие чужеродного вещества продолжается (или многократно возобновляется), то в зависимости от самого ксенобиотика и от того, как он действует на биомишени, идут уже известные нам реакции: удаление в неизмененном или в преображенном виде, иммунный ответ, разрушение, утилизация подходящих веществ.

Есть и еще одна приспособительная реакция: толерантность, при которой биомишени становятся нечувствительными к длительному действию ксенобиотиков. Само слово толерантность (или переносимость) означает утрату чувствительности биомишеней к определенной дозе ксенобиотика. Иногда ее обозначают термином «привыкание»; это не просто менее удачно, но, пожалуй, даже неправильно: ведь привыкание означает не состояние организма, а процесс, в результате которого может возникнуть и переносимость, и привычка, и даже пристрастие.

Переносимость развивается постепенно, когда ксенобиотик длительно, непрерывно или часто попадает в организм в одной и той же либо в постепенно увеличивающейся дозе. Она возникает ко многим (но, вероятно, не ко всем) чужеродным веществам, в том числе и к лекарственным препаратам при их ежедневном употреблении в течение двух-трех недель (иногда значительно дольше). Это не стойкая утрата чувствительности: если вещество перестало поступать в организм, то через несколько дней чувствительность к нему восстанавливается. Но как только систематическое воздействие того же вещества возобновляется (скажем, в производственных условиях или при повторении лечебного курса), толерантность возникает еще быстрее, чем вначале.

Толерантность начинается уже после однократного действия ксенобиотика. Это – острая толерантность. Вещество действует заметно слабее при повторном введении в той же дозе (если прошло не менее часа, но не более суток). Ответ организма к разным воздействиям угасает не обязательно одновременно и в равной степени. Толерантность не строго специфична: возможна, перекрестная переносимость к веществу, похожему на ксенобиотик, к которому уже развилась нечувствительность. Переносимость известна очень давно. Так, по преданию, понтийский царь Митридат, опасаясь быть отравленным, длительное время принимал ядовитые вещества в небольших дозах, чтобы выработать у себя нечувствительность к их действию. Но он не знал, что потерянный ответ организма может возобновиться, когда доза ксенобиотика значительно увеличена.

В настоящее время остается ряд вопросов, требующих дальнейшей разработки. Может ли ксенобиотиком или ксенобиотическим фактором считаться не вещество, а организм, который обитает внутри другого (вирусы, паразиты)? Является ли ксенобиотиком вещество, если одни особи вида от него погибают, а другие – абсолютно «равнодушны»? Особого внимания заслуживает проблема неорганических веществ как ксенобиотиков, если их концентрация увеличивается постепенно и естественно.

Завершая введение в УМК, следует высказать фантастическую, но научно обоснованную мысль: организм человека имеет потенциальные возможности к защите от всех созданных и создаваемых ксенобиотиков. Проблема «быть или не быть?» связана с количественными параметрами взаимодействия человека с ксенобиотиком. Некоторые аспекты этой проблемы предлагаются вашему вниманию в данном учебном пособии.

Организационно-методический раздел

1.1. Цель преподавания дисциплиныв изучении изменений функций живых организмов в зависимости от воздействия чужеродных факторов окружающей среды.

1.2. Задачи изучения дисциплины

- выработать негативное отношение к загрязняющим агентам;

- сформировать умение защитить свой организм от воздействия ксенобиотиков;

- изучить действие веществ на отдельные клетки, органы, организм и экосистему.

- обеспечить непрерывность и преемственность биологического образования при общеобразовательной и профессиональной подготовке.

1.3. Перечень дисциплин с указанием разделов (тем), усвоение которых студентами необходимо для изучения данной дисциплины.

2. Содержание разделов и тем учебной дисциплины

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: