Предмет ксенобиологии, проблемы и задачи, связь с другими науками

Ксенобиотиками (от греческих слов xenos - чужой, biotos - жизнь) на­зывают чужеродные, ранее не встречавшиеся в организме органические и неорганические соединения. К таким веществам относятся, например, ле­карственные препараты, пестициды, промышленные яды, отходы произ­водств, пищевые добавки, косметические средства и пр. Так как в тканях обычно в следовых количествах присутствуют многие неорганические элементы, биологическая функция которых неизвестна, поэтому неоргани­ческие вещества можно относить к ксенобиотикам только в том случае, ес­ли они не являются необходимыми для метаболических процессов.

Термин «ксенобиотик» довольно условный, поскольку для одних орга­низмов то или иное вещество может быть естественным (алкалоиды для растений), а для других - чужеродным (алкалоиды для животных), не­которые соединения, например этиловый спирт, могут быть одновременно чужеродными и естественными для одного и того же организма. В связи с этим термин «ксенобиотики» используется в широком смысле, если рас­сматриваемое вещество является чужеродным по отношению к конкрет­ному виду организмов, и в узком смысле, если вещество чужеродно по от­ношению ко всей биосфере. В курсе дисциплины «Основы ксенобиологии» термин «ксенобиотик» используется в широком смысле.

Живой организм - это открытая система. Среди веществ, поступающих из окружающей среды в организм, различают естественный поток (пита­тельные вещества) и поток веществ природного и синтетического проис­хождения, которые не входят в состав данного организма. Эти потоки взаимодействуют на всех уровнях организма (молекулярном, клеточном, органном). Избыток токсических чужеродных соединений (ксенобиотиков) вызывает замедление или остановку процессов роста, развития, размноже­ния. Для поддержания гомеостаза в организме существуют регуляторные механизмы.

Ксенобиология изучает закономерности и пути поступления, выведения, распространения, превращения чужеродных химических соединений в живом организме и механизмы вызываемых ими биологических реакций.

Ксенобиология подразделяется на более узкие области - ксенобиофизи-ку, ксенобиохимию, ксенофизиологию и др. Это означает, что ксенобиоло­гия неразрывно связана с такими дисциплинами, как биохимия, биофизика, физиология и т. д. Действие различных веществ на организм или отдельные структуры изучается фармакологией и токсикологией.

Задачами ксенобиофизикиявляются изучение процессов взаимодействия экзогенных ксенобиотиков с транспортными системами организма, с различными клеточными структурами, в первую очередь с плазмолеммой, и механизмов поступления ксенобиотиков.

Предметом изучения ксенобиохимииявляется метаболизм ксенобиотиков в организме. Это направление ксенобиологии включает ряд разделов биологической, органической и аналитической химии, фармакологии, ток­сикологии и других наук. В задачу статической ксенобиохимии входит ус­тановление структуры молекул метаболитов ксенобиотиков, образующихся в организме, изучение их распространения, локализации в организмах и тканях. Динамическаяксенобиохимия исследует механизмы превращения ксенобиотиков в организме, структуру и каталитические свойства фермен­тов, участвующих в этих превращениях.

Ксенофизиологияизучает процессы жизнедеятельности, и функции жи­вых организмов на всем протяжении их развития в условиях действия ксе­нобиотиков. Ксенофитофизиологияизучает особенности поступления и выделения, специфику процессов биотрансформации и аккумулирования ксенобиотиков в растительном организме.

Задачи в ксенобиологииопределяются прежде всего общими задачами биологии, химии и медицины. Особое значение имеют данные по ме­таболизму микроорганизмов, растений и животных, которые играют суще­ственную роль в обезвреживании веществ антропогенного происхождения. Результаты изучения процессов аккумуляции ксенобиотиков и механизмов адаптации организмов к повышенному содержанию чужеродных веществ в окружающей среде и внутри самого организма учитывают при рас­смотрении экологических проблем, например, при проведении мероприятий по охране окружающей среды.

Ксенобиология связана с биотехнологией, которая использует принципы метаболизма ксенобиотиков, в частности ферментный катализ, в синтезе органических веществ. Связь ксенобиологии с медициной обеспечивает безопасность лечения в результате изучения механизма действия и мета­болизма новых лекарственных препаратов.

Возрастание актуальности проблем, рассматриваемых в ксенобиологии, обусловлено быстрым увеличением количества синтетических соединений, вовлекаемых в круговорот веществ в природе. Среди ксенобиотиков существует ряд полезных веществ, необходимых медицине, растениевод­ству, животноводству и т. д. Поэтому одной из задач ксенобиологии явля­ется разработка приемов и подходов для создания системы определения биологической активности ксенобиотиков.

Ксенобиология стремится с одной стороны, анализировать массив уже существующих чужеродных соединений, а с другой - проектировать веще­ства, еще не существующие, но необходимые для управления определен­ными процессами в биосфере.

3.Виды ксенобиотиков, их классификация по степени опасности и токсичностиВыделяют следующие типы веществ, вызывающих глобальное химическое загрязнение биосферы:

-газообразные вещества;

-тяжелые металлы;

-удобрения и биогенные элементы;

-органические соединения;

-радиоактивные вещества (радионуклиды) — предмет изучения ра­диобиологии.

Многие из ксенобиотиков и поллютантов являются сильнодействую­щими ядовитыми веществами.

В самом широком смысле яды — это химические вещества экзогенного происхождения (синтетические и природные), которые после проникно­вения в организм вызывают структурные и функциональные изменения, сопровождающиеся развитием характерных патологических состояний.

В зависимости от источника происхождения и практического приме­нения токсические вещества (яды) подразделяют на следующие группы:

-промышленные яды: органические растворители (дихлорэтан, тетрахлорметан, ацетон и др.), вещества, применяемые в качестве топлива (метан, пропан, бутан), красители (анилин и его производные), фреоны, химические реагенты, полупродукты органического синтеза и др.;

-химические удобрения и средства защиты растений, в том числе пестициды;

-лекарственные средства и полупродукты фармацевтической промыш­ленности;

-бытовые химикаты, используемые в качестве инсектицидов, красителей, лаков, парфюмерно-косметических средств, пищевых добавок, анти-оксидантов;

-растительные и животные яды;

-боевые отравляющие вещества.

В зависимости от преимущественного поражения соответствующих органов и тканей человека яды подразделяют на следующие категории:сердечные яды,нервные яды, печеночные яды почечные яды, кровяные (гемические) яды, желудочно-кишечные яды,легочные яды, яды,поражающи иммунную систему, яды, поражающие кожу.

При характеристике негативного действия ксенобиотика различают по­нятия «токсичность» и «опасность».

Токсичность — мера несовместимости вещества с жизнью, величина, обратная абсолютному значению среднесмертелъной дозы (1/LD₅₀) или концентрации (1/LCso)- Величины LC50 или LD₅o - это соответственно концентрация или доза вещества, вызывающая половинное подавление ре­гистрируемой реакции (например, гибель 50 % организмов).

Опасность чужеродного вещества - вероятность появления вредных для здоровья эффектов в реальных условиях их производства и применения.

Вредные вещества, с которыми контактирует человек, по степени опас­ности (токсичности) подразделяют на четыре класса:

I.чрезвычайно опасные (чрезвычайно токсичные);

II.высокоопасные (высокотоксичные);

III.умеренно опасные (умеренно токсичные);

IV.низкоопасные (низкотоксичные).

Критерии классификации ксенобиотиков по степени их токсичности:

-значение величин LD₅o или LC50;

-пути поступления (ингаляционно, через кожу);

-время воздействия;

-свойство разрушаться в окружающей среде или претерпевать превра­щения в живых организмах (биотрансформация).

Помимо токсичности и опасности всякое влияние ксенобиотика на объ­ект можно охарактеризовать по некоторым особенностям его биологиче­ского действия:

1/по типу биологического воздействия на мишень (мембранотропные вещества, разобщители дыхания, ингибиторы биосинтеза ДНК, РНК и др.);

2/по показателям LD₅o или LC50;

3/по видам токсичности и опасности (эмбриональная, мутагенная, канцерогенная). Критериями характеристики по видам опасного действия должны служить период действия и срок проявления эффекта (кратковре­менный, длительный);

4/по избирательности действия ксенобиотиков (вещества могут быть токсичными для одних организмов и нетоксичными - для других);

5/по концентрационным пределам (пороговым значениям) токсиче­ского и/или опасного воздействия;

6/по характеру фармакологического действия (снотворные, нейролеп­тики, гормональные и т. д.).