Периоды и этапы формирования представлений о биологической активности химических соединений

Интересно остановиться на историческом экскурсе развития наших знаний о биологической активности веществ. В этом процессе выделяют несколько периодов и этапов.

Первый период – освоение новых природных источников биологически активных веществ предками человека (период до завершения формирования второй сигнальной системы). Он занимает около 600–800 тыс. лет и распространяется до появления человека разумного. События этого периода могут быть охарактеризованы в рамках понятий биологической эволюции. В первом периоде, таким образом, отсутствовали письменная традиция, биологически активные вещества использовались прежде всего как пища: накопление и передача знаний осуществлялась в пределах узких групп.

Второй период – первичное накопление знаний о биологически активных веществах человеком разумным (период доминирования мифологического мышления) относится к истории человека: от первых сообществ человека разумного до античного мира (40–2,5 тыс. лет до н. э.). Реальное накопление знаний о биологической активности веществ осуществляется, как и в предыдущем периоде, в основном путем случайной выборки или «проб на зуб». Однако добавляемые сведения осознаются посредством мышления и передаются с помощью устной, а далее и письменной речи. Этот период включает два этапа: первый – до новых разделений труда; второй этап – начало профессионализма в передаче знаний о биологически активных веществах. В этом периоде появляется письменность, формируются преемственные группы людей, добывающие, хранящие и передающие знания о биологически активных веществах, активно развиваются технологии получения новых веществ. Накопление эмпирических сведений, как правило, – удел узкой кастовой группы.

Третий период: от античных времен до современности. Для него характерно все возрастающее доминирование логического мышления, стремление к систематизации знаний о биологически активных веществах, совершенствование письменной традиции передачи знаний, развитие экспериментальных и теоретических способов поиска и определения биологической активности, постоянное увеличение числа задач, для решения которых применяются биологически активные вещества. Этот период можно подразделить на четыре этапа: первый – становление системы знаний о биологически активных веществах; второй – слияние химии и медицины; третий – формирование фармакологии на основе достижений химии, биологии, медицины; четвертый – современные биотехнологии и ЭВМ в сфере поиска и создания новых биологически активных веществ.

На первом этапе систематизируются достигнутые ранее знания, предпринимаются отдельные попытки ввести экспериментальные модели для определения биологически активных веществ, получение новых активностей конструированием смесей в соответствии с опытом и умозрительными концепциями. Основной целью поиска новых биологически активных веществ является создание лекарств. Этот этап завершается в первой половине ХVI в.

На втором этапе (начало его совпадает с обращением алхимии к проблемам создания разнообразных панацей и лекарств) возрастает осознанный поиск новых химических веществ с заданными свойствами и проводится их испытание на биологическую активность. Основная цель – создание лекарств.

Третий этап проходит под знаком возрастающего прогресса химии: неорганической, потом органической и биоорганической. Создается мощный арсенал новых химических соединений, в т. ч. и не существовавших в природе. Их получение и синтез происходят на основе все более строгих концепций, с использованием различных методов. Разрабатываются количественные, экспериментально доказанные концепции различных видов биологической активности. Постоянно расширяется сфера применения биологически активных веществ: фармакология, сельское хозяйство, пищевая промышленность, парфюмерия и т. д. Создаются системы экспериментальных моделей для испытания веществ на биологическую активность, совершенствуются приемы использования моделей для определения разных видов активностей, развивается конструирование молекул с заданным видом биологической активности на основе научных концепций.

Четвертый этап – промежуток с 1950-х гг. до настоящего времени. С начала 50-х гг. происходит стремительное накопление знаний о молекулярном строении основных компонентов живого. Разрабатываются методы синтеза белков и нуклеиновых кислот. Успехи молекулярной биологии и молекулярной генетики, развитие технологий генной, клеточной и биохимической инженерии способствовали созданию совершенно новой концепции в понимании механизма действия биологически активных веществ, в их химическом и биоинженерном синтезе. Открылись принципиально новые возможности для конструирования молекул с заданной структурой и биологической активностью. Увеличилась эффективность поиска и создания веществ с определенными видами биологической активности на основе научных концепций.

50. Роль природы превращений и процессов перемещения ксенобиотиков для функционального состояния экосистемВ связи с неспособностью экосистем к полной биодеградации, а точнее, к полной детоксикации ксенобиотиков, создается экологиче-ская опасность, обусловленная наличием как устойчивых (перси-стентных) или вообще неразлагающихся в окружающей среде ксено-биотиков, так и биодеградабельных ксенобиотиков. В этой связи возникает несколько возможных ситуаций:– нарушение функционирования экосистем, обусловленное наличием устойчивых, неразлагающихся или разлагающихся крайне медленно ксенобиотиков; вредное действие на экосистемы здесь очевидно, поскольку в конечном итоге они, постоянно накапливаясь, будут оказывать негативное воздействие на экосистемы;

– нарушение нормального функционирования экосистем, связанное с наличием биодеградабельных ксенобиотиков и обусловленное следующими причинами: природой превращений и аккумуляцией ксенобиотиков; опасностью воздействия больших доз; воздействием малых (сублетальных) концентраций.

Рассмотрим каждую из указанных причин на отдельных приме-рах.

Природа превращений и аккумуляция ксенобиотиков. Способ-ность ксенобиотиков распространяться в окружающей среде создает проблемы, связанные с длительностью их сохранения в природных условиях. Поэтому сведения о скорости разрушения веществ биоло-гическими системами являются весьма необходимыми и ценными. Особенно важны эти сведения для органических ксенобиотиков. Легко разрушаемые соединения большей частью не считаются потенциально опасными для окружающей среды. Тем не менее необходимо проводить сравнительный анализ и знать способность различных организмов разрушать то или иное вещество. Данное вещество может легко разрушаться в одной среде, но может быть устойчивым в других условиях.

Наряду с определением скорости разрушения вещества очень важно также изучить, какие типы веществ образуются в процессе разрушения. Если органическое вещество разрушается полностью с образованием углерода и воды, как это происходит во многих микробных системах, такого вопроса не возникает.

ДДТ оказывает очень большое влияние на природную среду; он очень устойчив к метаболическому разрушению, характеризуется низкой растворимостью в воде, липофилен. Однако, согласно уста-новленной последовательности реакций, ДДТ все же распадается на ряд производных (рис.10.1). Так, например, при удалении атома хлора ДДТ превращается в ДДД, при отщеплении НCl – образуется ненасыщенное соединение ДДЭ. Оказывается, что ДДЭ – более опасное вещество для окружающей среды, чем ДДТ, поскольку оно еще медленнее метаболизируется и разрушается.

Превращение ДДТ в ДДЭ – основная причина возникновения экологической проблемы. Если ДДТ превращается в ДДД, то последнее вещество быстро разрушается; однако чаще ДДТ превращается в ДДЕ – соединение исключительно устойчивое, и именно этот метаболит обычно обнаруживается в окружающей среде. Если бы процесс разрушения ДДТ можно было отрегулировать так, чтобы направить его в сторону образования не ДДЭ, а только ДДД, то проблема, обусловленная попаданием ДДТ в окружающую среду, была бы значительно менее острой.

В некоторых микробиологических системах при разрушении ДДТ образуются диоксид углерода и вода, однако реальная последо-вательность протекающих при этом реакций не установлена.

Как мы уже говорили, ключевым фактором в проблеме загрязнения окружающей среды ртутью является не только ее медленное перераспределение в биосфере, но и биотрансформация, например превращение микроорганизмами неорганической ртути в метилртуть. Если бы этот процесс не происходил, то поступление ртути в окружающую среду не представляло бы такой опасности по сравнению с существующей.

При оценке экологической опасности необходимо учитывать природу и процессы метаболических превращений. Важно помнить тот факт, что почти любой органический ксенобиотик может метабо-лизироваться в каком-либо организме, и часто в результате довольно сложных последовательностей реакций образуются многочисленные метаболиты. Степень накопления метаболитов в организме зависит от относительных скоростей их образования и последующего метаболизирования и (или) вывода из организма. Метаболит накапливается в организме, если он вырабатывается с относительно высокой скоростью, а последующие метаболические реакции идут с меньшей скоростью или скорость вывода его из организма мала по сравнению со скоростью образования.

Природу метаболических превращений следует учитывать при разработке аналитических методов. Например, при определении остатков 2,4-Д (дихлорфеноксиуксусной кислоты) в обработанных этим гербицидом растениях надо учитывать следующие факты. Вещество можно экстрагировать в виде соли в водном растворе, затем снизить рН, чтобы перевести кислоту в неионизированную форму, и в такой форме экстрагировать неполярным растворителем, а затем очистить и проанализировать. В растениях обычно протекают реакции конъюгирования, и 2,4-Д может быть связан с остатками некоторых углеводов. Образованное соединение весьма полярно, и если его проэкстрагировать и подкислить, то извлечь его неполярным растворителем невозможно. Если этот факт не учитывать, то ксенобиотик можно вообще не обнаружить. Поэтому до экстракции вещества необходимо определить возможность образования конъюгатов и разрушить их. В противном случае можно получить неадекватные данные.

Экологическая опасность больших доз биоразрушаемых ксено-биотиков и остатков неразложившихся ксенобиотиков связана с возможностью нарушения практически всех аспектов структуры и функционирования экосистем, видовое богатство и разнообразие видов, структуру популяций, стабильность и продуктивность экосистем. Необходимо подчеркнуть следующие положения: во-первых, большие дозы могут нести огромную экологическую опасность, поскольку они отравляют организмы раньше, чем эти организмы успевают их метаболизировать; во-вторых, опасность, связанная с накоплением ксенобиотиков организмами. В результате биоконцентрации может усиливаться токсическое воздействие, ухудшаться качество кормовой базы для организмов вышестоящих трофических уровней.

Опасность сублетальных (малых) концентраций (доз) обуслов-лена следующими факторами:

а) может происходить хроническое отравление малыми концен-трациями (дозами), ведущее к падению репродуктивной способности. Например, отравление ПХБ и пестицидами способствовало бесплодию популяций тюленя в Балтийском море, что в конечном итоге может привести к вымиранию популяции (т. к. понижается рождаемость);

б) сублетальные концентрации ксенобиотиков могут нарушать тонкую регуляцию межвидовых и внутривидовых взаимодействий, которая опосредована различными хемомедиаторами и хеморегуля-торами;

в) сублетальные концентрации, оказывая неодинаковое влияние на конкурентные друг с другом виды одного трофического уровня, могут нарушать естественный экологический баланс в экосистемах;

г) малые дозы ряда пестицидов, как оказалось, могут даже сти-мулировать воспроизводство популяций некоторых крайне нежела-тельных видов, наносящих экономический ущерб в агроэкосистемах. Так, в одной из серии опытов сублетальные дозы ДДТ, диэльдрина и паратиона увеличивали откладку яиц колорадским жуком на 50,33 и 65 % соответственно.

Итак, изучение путей биотрансформации ксенобиотиков в экосистемах и входящих в их состав организмах показывает, что экологическая опасность ксенобиотиков-поллютантов определяется не только их непосредственной токсичностью, но и токсичностью и персистентностью продуктов их биотрансформации, а также способностью ксенобиотиков и продуктов их биотрансформации влиять на биохимические и физико-химические процессы в экосистемах.

Принципиальное значение имеет соотношение между скоростью поступления ксенобиотиков в конкретные экосистемы и скоростью их деградации.

Один из путей снижения нежелательных последствий загрязне-ния биосферы – разработка, производство и применение биодеграда-бельных соединений, т. е. материалов и веществ, относительно быст-ро разлагаемых в экосистемах без образования токсичных или персистентных продуктов распада.

Еще один важный путь – использование природных веществ для регуляции различных физиологических процессов и создания инте-грированной системы защиты растений.

Схема действия ксенобиотиков в экосистемах представлена на рис. 10.2.

Завершая очень сжатое изложение поведения ксенобиотиков в экосистемах и возможные последствия этих взаимодействий, отметим некоторые основные положения:

– ксенобиотики включают многие классы веществ, они способны мигрировать по всей биосфере и переходить из одной среды в другую: из атмосферы в океан, с суши в водоемы и т. д.;

– биологическое действие многих ксенобиотиков, действующих совместно, усиливается, т. е. в функциональном смысле мы наблюда-ем эффект, больший суммы отдельных веществ, кроме того, многие ксенобиотики или продукты их метаболизма оказываются более ток-сичными и канцерогенными, чем исходные;

– действию ксенобиотиков подвергаются такие структурно-функциональные системы клетки, как генетический аппарат, био-мембраны, белки и их обмен;

– трансформация ксенобиотиков в объектах окружающей среды может приводить к появлению более персистентных и остатков не-разложившихся соединений

– многие ксенобиотики (например, гидрофобные пестициды, не-которые металлы и их соединения) способны аккумулироваться в живых организмах в более высоких концентрациях, чем в окружающей среде;

– экологическую опасность представляют даже низкие, субле-тальные концентрации ксенобиотиков, которые (особенно при дли-тельном воздействии) могут в течение ряда поколений снижать вос-производство в популяциях и тем самым приводить к вымиранию этих популяций.