О биологической активности ксенобиотиков

Живой организм – упорядоченная во времени и пространстве система взаимосогласованных химических реакций, совокупное течение которых обеспечивает устойчивое поддержание и развитие системы в направлении ее дублирования и воспроизводства.

Для организмов характерно множество протекающих химических реакций, разнообразие физико-химических и структурных свойств веществ, как попадающих, так и слагающих организм. Это создает предпосылку того, что и чужеродные для данного организма вещества обладают способностью воздействовать на живую материю: на ее молекулярные компоненты, молекулярно-мембранные и биохимические процессы, физиологические и психологические проявления жизнедеятельности. При этом биологическое действие веществ может быть ограничено любым из уровней и не проявляться на функциональном уровне организма в целом.

Многообразие химических соединений в организме обусловливает возможность его реакции практически с любым ксенобиотиком, попадающим в организм. Свойство живых систем быть реакционно способным по отношению к любому ксенобиотику приводит к тому, что все химические соединения обладают биологической активностью. Организм в свою очередь не остается безучастным к появлению чужеродного химического соединения, которое независимо от его биологической активности либо используется для своих нужд, либо выводится из него, либо остается в организме чужеродным, что в последнем случае вызывает более глубокую физиологическую реакцию.

Принцип реакции живой материи на ксенобиотик состоит в том, что попадание в организм даже одной молекулы вызывает его ответную реакцию; тип и величина реакции определяются свойствами ксенобиотика, его концентрацией и биологической мишенью.

Данный принцип, который кратко может быть охарактеризован как попадание-реакция, означает, что любое проявление биологической активности ксенобиотика связано с его способностью пройти путь от внешней среды до мишени, связаться с ней и вызвать ее реакцию.

Начало этого пути – первый контакт химического соединения с биологическим объектом может быть случайным (например, через загрязнение среды) или принудительным (например, введение лекарств), после чего чужеродное соединение и биологический объект взаимодействуют по соответствующим закономерностям.

Биологической активностью ксенобиотика называют его способность изменять функциональные возможности либо компонентов организма (in vitro или in vivo), либо живого организма в целом, либо сообщества организмов. Такое определение биологической активности означает, что практически любое химическое соединение или композиция соединений обладает тем или иным видом биологической активности. Это обстоятельство, отметим еще раз, обусловлено огромным разнообразием физико-химических компонентов живой материи, способных вступать во взаимодействие с самыми различными по своим свойствам и структуре веществами.

Было обнаружено, что даже весьма инертные в химическом отношении вещества могут обладать заметным влиянием. Так, например, вещества, не связывающиеся ни с одним поверхностно расположенным структурным элементом, не проникающие в клетки и не взаимодействующие с микромолекулярными компонентами внеклеточных жидкостей, могут вызывать заметные биологические эффекты за счет изменения осмотического давления.

Уже в конце ХIХ в. было доказано, что высокоинертные в обычных физико-химических условиях благородные газы обладают сильным наркотическим эффектом. Даже нерастворимые инертные вещества при попадании в организм в виде мелких частичек могут оказывать заметное биологическое действие (так, например, минерал класса силикатов асбест обладает канцерогенным эффектом).

Целый ряд порошкообразных веществ, характеризующихся сорбционными свойствами, таких, как кремнезем, доломит, каолин, карборунд, кажущиеся на первый взгляд лишенными биологической активности, оказались эффективными инсектицидами. Их влияние обусловлено тем, что они вызывают состояние, подобное стрессу, в результате чего в организме выделяются вещества, оказывающие на него парализующее действие.

Ксенобиотики, попавшие в клетку, могут проявить биологическую активность под влиянием дополнительных физических или химических факторов среды (например, многие красители способны к фотодинамическому эффекту при световом облучении).

Таким образом, вероятность найти биологически активное соединение среди ксенобиотиков близка к единице: однако нахождение чужеродного соединения с заданным видом биологической активности и представляющим практический интерес для человека – событие довольно редкое.

Достаточно общее определение биологической активности ксенобиотиков, большое число потенциальных мишеней приложения чужеродных соединений приводят к огромному разнообразию видов биологической активности, которое определяется факторами:

- множеством биологических объектов, их состояний и протекающих в них реакций. Поскольку любой живой организм индивидуален, можно говорить об индивидуальной реакции на данный ксенобиотик;

- способом попадания в организм (доза, физическая форма вещества, временной режим введения, место введения и т. д.);

- наличием или отсутствием дополнительных воздействий, которые предшествуют, сопутствуют или следуют за введением химического соединения. Такими воздействиями могут быть другие вещества или их комбинации, другие искусственные или естественные факторы (физически-электромагнитные, гравитационные поля, температура, давление и т. д.; биологические, обусловленные влиянием, например, других организмов). Одновременное действие нескольких ксенобиотиков может изменить биологические эффекты каждого из них;

- способом, временем наблюдения, принципом подбора биообъекта, анализом информации и т. д.

Огромное разнообразие видов биологической активности ксенобиотиков приводит к необходимости провести классификацию и отбор типов этой активности применительно к нашим знаниям и целям использования веществ.

Цели определения биологической активности ксенобиотиков весьма широки – от поиска лекарств и химических генно-инженерных приемов до осуществления целенаправленного поиска химических средств управления биогеоценозами и окружающей среды в целом. При этом необходимо постоянно помнить и о всевозможных негативных проявлениях действия ксенобиотиков. В этой связи цели определения биологической активности в общем виде сводятся к следующим:

– Выявление соединений, обладающих полезными для человеческого организма свойствами, например, для профилактики и лечения болезней, расширения физиологических и интеллектуальных возможностей человека и т. д.

– Обнаружение вредных для человеческого организма биологических активностей у испытуемых ксенобиотиков. Особую опасность представляют такие простые виды биологической активности химических соединений, как мутагенная, канцерогенная, эмбриотоксическая и т. п.

– Нахождение ксенобиотиков, влияющих на продуктивность и биологическое равновесие естественных и искусственных экосистем. Такого рода вещества очень нужны сельскому хозяйству, микробиологической промышленности, лесному, рыбному хозяйству.

– Установление таких биологических активностей у испытуемых чужеродных соединений, которые могут вызвать неконтролируемое опасное или недостаточно прогнозируемое нарушение биологического равновесия природных экосистем. Например, способность соединений резко увеличивать вероятность гибридизации вирусов гриппа или какой-либо другой группы вирусов или микроорганизмов.

– Нахождение химических соединений, которые могут быть реактивами для исследовательских работ в биологии и медицине и которые могут привести к развитию принципиально новых методов исследования.

– Накопление знаний, позволяющих предсказать виды биологической активности по химической структуре вещества.

Ранжировка целей приводит к необходимости создания системы классификации ксенобиотиков на ряд групп по характеру вызываемых ими биологических эффектов.