Коэффициент накопления. Одно- и многокомпартментные системы. Однократное и многократное дозирование.

Одноячеечная система.Разовая доза и период полувыведения из организма. Введение в организм разовой дозы вещества приводит к появлению определенного количества этого вещества в тканях. В процессах метаболизма и экскреции это вещество выводится из организма с определенной скоростью. Многократное дозирование. В природной среде воздействие вещества на организм редко ограничивается разовой дозой. Если в окружающей среде вещество распределено повсеместно, организм подвергается его воздействию непрерывно. Многоячеечная система.Одноячеечную систему можно распространить на значительно более сложную систему, включающую ряд различных взаимосвязанных ячеек. Каждая ткань животного – почки, печень, сердце, мозг или жировые отложения (ткани) – рассматривается как ячейка. После того как вещество попадает в организм, оно начинает перемещаться током крови. Каждая ячейка характеризуется своим размером, содержанием жира, скоростью тока крови, коэффициентом распределения, определяющим способность вещества перемещаться из крови в ткань. Определив скорость поглощения и скорость выведения (обычно включающую скорость метаболизма в печени) вещества, а также подобрав соответствующие математические соотношения, можно с помощью ЭВМ создать модели многоячеечной системыОрганизмы, обитающие в окружающей среде, содержащей относительно низкую концентрацию какого-либо вещества, могут накапливать его в своих тканях до концентраций, на несколько порядков больших, чем в среде обитания.Способность накапливать различные элементы даже при очень низком содержании их в среде известна давно. Это явление обычно называется аккумулированием вещества организмом (кумулятивный эффект).Способность организмов к накоплению веществ характеризуется таким параметром, как коэффициент накопления-отношение содержания (концентрации) вещества в организме к содержанию в окружающей среде

32. Факторы, влияющие на аккумулирование ксенобиотиков организмами (устойчивость, площадь поверхности, распределение веществ, биологические эффекты, цепь питания) и их характеристика.Поскольку явление аккумулирования включает взаимодействие вещества с организмом, то факторы, определяющие степень его накопления, должны включать характеристики как самого ксенобиотика, так и организма. Одной из характеристик самого вещества является устойчивость. Для того чтобы ксенобиотик мог накапливаться в организме, его воздействие на организм должно быть достаточно длительным, особенно когда оно осуществляется через цепь питания. Следовательно, любое аккумулирующееся вещество должно быть устойчивым к возможным в данной среде процессам разрушения. Площадь поверхности. Если процесс аккумулирования включает физические стадии (адсорбция, диффузия), степень накопления чужеродного вещества в большей мере зависит от площади поверхности контакта организма с окружающей средой. Величина поверхности на единицу массы или объема повышается при уменьшении размера частицы. Следовательно, если адсорбция в процессе аккумулирования играет значительную роль, то можно ожидать, что более мелкие организмы будут накапливать в единице объема большее количество вещества, чем более крупные.Доступная для вещества поверхность относится к лимитирующим факторам, особенно в тех случаях, когда адсорбция является определяющим процессом в накоплении.Распределение. Большинство организмов содержит значительные жировые отложения; в этих тканях накапливаются ксенобиотики с большими значениями коэффициента распределения. Содержание жира в организме также указывает на его способность аккумулировать данный тип веществ. Устойчивые в окружающей среде ксенобиотики очень плохо растворяются в воде. Следовательно, среда обитания конкретного организма может существенно влиять на его способность аккумулировать ксенобиотики. Организмы, обитающие на дне среди осадков, подвергаются воздействию более высоких концентраций ксенобиотика, чем находящиеся в верхних слоях того же самого участка водоема.На процесс аккумулирования может влиять и размер частиц, проглатываемых организмами. Поскольку на более мелких частицах, как уже отмечалось, адсорбированное на их поверхности чужеродное вещество содержится в более высоких концентрациях, организмы, проглатывающие такие частицы, будут подвергаться воздействию более высокого содержания ксенобиотика.Важным фактором является и количество потребляемой пищи. Организмы, нуждающиеся в относительно большом количестве пищи, могут аккумулировать чужеродное вещество из окружающей среды в большей степени при условии, что процесс накопления ксенобиотика не компенсируется более активным процессом его выведения.Цепь питания. Ксенобиотики в массовых количествах поступают в неорганические элементы биосферы (воздух, воду, почву). Находясь во внешней среде, чужеродные соединения взаимодействуют с различными органическими элементами биогеоценозов – микроорганизмами, растениями, животными, поступая в конечном итоге по трофическим цепям в организм человека. В этих условиях суммарное количество ксенобиотиков, поступающих в организм человека, в значительной степени определяется интенсивностью их разрушения под действием физико-химических факторов среды (света, воды, тепла и др.), скоростью их деструкции в предшествующих элементах трофических цепей и закономерностями биоконцентрации.

33. Избирательная токсичность ксенобиотиков. Различия в распределении как фактор избирательной токсичности ксенобиотиков.Избирательная токсичность (селективность) – способность вещества поражать один вид живых организмов без повреждения какого-либо другого вида, даже если оба они находятся в тесном контакте, или способность действовать на одни структуры (физиологические процессы), не затрагивая других, даже непосредственно с ними связанных.О явлении избирательной токсичности говорят в медицине и животноводстве, однако чаще всего это понятие находит свое применение в растениеводстве, при определении свойств пестицидов, уничтожающих вредные организмы (бактерии, грибы, насекомые, сорняки и т.д.).Избирательно токсичное вещество может оказывать действие тремя путями:1)Накапливаться во вредных организмах;2)Взаимодействовать с клеточными структурами, которые имеются только у вредного вида;3)Повреждать какую-нибудь жизненно важную химическую систему для вредного вида и не иметь большого значения для полезного растения.Для полезных растений, грибов, насекомых, человека и животных пестициды должны быть малотоксичны. В ряде случаев этого достичь очень трудно из-за схожей природы биохимико-физиологических процессов вредных и полезных организмов, или потому, что вредитель живет внутри защищаемого растения.В данном случае избирательная токсичность может определяться особенностями применения токсического действующего вещества, морфологии и поведения организмов, а также процессами проникновения пестицида, его превращения и выведения. Данную токсичность можно частично регулировать приготовлением специальных препаративных форм (микрокапсулированные суспензии, гранулы), направленного применения пестицидов на растения.

34. Биохимические и цитологические факторы, определяющие избирательную токсичность ксенобиотиков. Успехи применения избирательно токсических агентов.Показатель селективности или коэффициент избирательности (КИ) характеризуют, соответственно, степень выраженности селективности или избирательности. Показатель селективности определяется отношением среднетоксических доз (ЛД50):ПС = ЛД50 одного организма / ЛД50 другого организма.Избирательность действия пестицида зависит от величины этого показателя. Во время разработки защитных мероприятий необходимо максимально сохранить энтомофагов, поэтому очень важно знать избирательность широко используемых пестицидов по отношению к наиболее распространенным в агроценозе энтомофагам. Для этого нужно определение отношения ЛД50 энтомофагов к ЛД50 вредителей. Чем больше это отношение превышает единицу, тем более безопасен препарат для энтомофагов.Препараты считаются для энтомофагов малоопасными, если они в течение десяти дней уменьшают их численность не выше, чем на 20%, умеренно опасными - на 20 – 50 %, опасными – более, чем на 50 % на протяжении 20 дней.Причинами избирательности служат биохимические и топографические факторы.Биохимическая избирательность обусловлена способностью организмов детоксицировать действующее вещество или образовывать с ним неактивные комплексы (конъюганты) до того, как пестицид проникнет к месту действия(гербицид Атразин (производное симмтриазина) быстро детоксицируется после поступления из почвы в корни кукурузы. Он превращается в гидроксиформу, вследствие чего не проникает в неизменном виде в хлоропласты, где реализуется его токсичность. Только этим обусловлена устойчивость кукурузы к данному препарату;-инсектицид Малатион является малотоксичным для теплокровных, поскольку в их организме он детоксицируется, превращаясь при этом в водорастворимые продукты, которые выводятся из организма. Но в организме насекомых он окисляется, и при этом образуется продукт еще более токсичный, чем действующее вещество Карбофоса)Топографическая избирательность обусловлена тем, что препарат по некоторым причинам не может проникнуть в организм или не попадает на устойчивый объектКпримеру:устойчивость щитовки к инсектицидам объясняется тем, что она покрыта щитком, через который большинство препаратов не может проникнуть;древесница въедливая находится внутри одревесневших тканей, поэтому инсектициды на нее не попадают; ягодные кустарники и плодовые деревья имеют устойчивость ко многим гербицидам, потому что их корневая система залегает глубоко, куда гербициды почвенного действия не могут проникнуть.

35. Судьба ксенобиотиков в биогеоценозах. Взаимодействие биотических и абиотических факторов при превращениях ксенобиотиков в биосфере.Важное значение имеют скорости превращений ксенобиотиков в эко­системе. Высокая скорость превращения обычно приводит к исчезнове­нию вещества и, следовательно, к исчезновению проблемы, связанной с загрязнением окружающей среды; при медленном разрушении вещество сохраняется длительное время, что может приводить к его концентриро­ванию.

Ксенобиотики, попадающие в экосистемы, могут претерпевать сле­дующие основные этапы дальнейшей трансформации:

1,реакции превращения: распад ксенобиотиков, окислительно­восстановительные и гидролитические реакции, реакции конъюгации;

2,адсорбция на частицах биологического и абиотического проис­хождения;

3,переход из одной среды в другую.

Судьба ксенобиотика в экосистеме зависит от целого ряда факторов и их взаимодействия. Например, распад (деградация) ксенобиотиков может осуществляться под действием ферментов, а также чисто физико­химическим путем - вследствие фотолиза (действия света) или гидролиза (взаимодействия с водой).

Фотохимические превращения. Солнечная радиация хорошо погло­щается некоторыми молекулами и во многих случаях способна индуциро­вать изменения в молекуле. Ионизирующее излучение, также присутст­вующее в окружающей среде, но оно менее концентририванное и не мо­жет вызвать заметный эффект. Энергия инфракрасного излучения доста­точна лишь для продуцирования минимальных молекулярных изменений, но не для полного превращения молекул. Ультрафиолетовое излучение также поглощается молекулами некоторых ксенобиотиков. Фотохимиче­ские превращения проходят в три стадии:

1поглощение излучения определенной длины волны и переход моле­кулы ксенобиотика в возбужденное состояние;

2преобразование электронно-возбужденного состояния и переход мо­лекулы в невозбужденное состояние (первичный фотохимический процесс)',

3образования различных веществ в результате первичного фотохи­мического процесса (вторичные, или «темновые»реакции).

Степень деструкции ксенобиотика в фотохимических процессах зависит от:

4его способности перемещаться в атмосфере или оставаться на по­верхности. Ксенобиотики, легко проникающие в глубь почвы, не доступ­ны для фотохимического разрушения;

5от свойств самого ксенобиотика. Вещество должно поглощать элек­тромагнитное излучение в доступном интервале длин волн и, кроме того, обладать потенциальной способностью к химическому изменению, т. е. иметь связи, реагирующие на воздействие излучения, которые при соот­ветствующих уровнях энергии могут перестраиваться или разрываться.

Окислительно-восстановительные превращения.Окислительно­восстановительные процессы имеют важное значение, так как:

-окисленные и восстановленные формы данного ксенобиотика могут существенно различаться по биологическими экологическим свойствам;

-значительная вариация окислительных или восстановительных ус­ловий в окружающей среде влияет на трансформацию ксенобиотиков.

Окислительно-восстановительная способность окружающей среды ха­рактеризуется величиной ре,позволяющей установить, в какой форме в данной среде может существовать ксенобиотик:ре = -lg [е ]где ре - показатель активности электрона, указывающий на способность среды отдавать или принимать электроны.Пример. Ртуть может существовать в виде двухзарядного катиона, способного выпадать в осадок при взаимодействии с рядом анионов или превращаться организмами в производные метилртути. Ртуть, восстанов­ленная до элементарной формы, обладает совершенно другими реакцион­ными свойствами и становится довольно летучей.

Гидролиз.Реакции гидролиза обусловлены способностью вещества вступать в реакции с водой. Гидролиз зависит от распределения зарядов в веществе и от pH среды.

Водородные ионы и другие группы с дефицитом электронов называ­ются электрофильными. Электрофильные группы особенно сильно притя­гиваются к атому с небольшим отрицательным зарядом, к неподеленной электронной паре или электронам двойной связи. Вещества с избытком несвязывающихся электронов являются нуклеофилами. Например, эфиры могут гидролизоваться путем катализа кислотой или основанием либо в результате непосредственного взаимодействия молекулы воды с эфиром в нейтральной среде.

Гидролизу подвержены многие соединения, например эфиры и амиды карбоновых кислот, карбонаты, фосфорорганические соединения и др.

Адсорбция ксенобиотиков на частицах.Доступность ксенобиотика для ферментов и, следовательно, возможность его деградации снижаются в результате сорбции его молекул на частицах биологического или абио­тического происхождения.

Например, многие образующиеся в почве продукты гидролиза пести­цидов адсорбируются на частицах почвы и связываются с гумусом. В ад­сорбированном состоянии они не разлагаются фотохимически и не гидро­лизуются водой, т.е. устойчивость их повышается. По мере разрушения гумуса грибами (что является ферментативным процессом) ранее связан­ные продукты гидролиза пестицида высвобождаются и могут проявлять свое токсическое действие на организмы данной экосистемы.

Конъюгация. Ксенобиотик в форме конъюгата, образовавшегося внутри живого ор­ганизма, попадает в почву или в воду и продолжает циркулировать в био­геоценозе. Продукты конденсации некоторых пестицидов (или их ме­таболитов) с веществами растений разлагаются медленнее, чем исходные вещества (фосфорорганический пестицид винфос).

Одним из типов конъюгации ксенобиотиков считается алкилирование. При алкилировании может существенно изменяться водо- и жирораство­римость (липофильность) данного соединения, а последнее свойство ве­щества определяет его переходы из гидрофильной среды в гидрофобную и обратно.

Эти переходы определяют прохождение ксенобиотика через гидро­фобный слой мембран, окружающий живые клетки, и последующие его воздействия. Кроме того, именно гидрофобность ряда ксенобиотиков (в том числе многих хлорорганических соединений) обусловливает их по­вышенную способность к биоаккумулированию.

Важность перехода ксенобиотиков из гидрофильной среды в гидро­фобную (и обратно) заключается и в том, что при этом изменяется дос­тупность молекулы для ферментов. Подавляющее большинство фермен­тов действует в водной среде. Переход молекулы ксенобиотика из водной среды в гидрофобную означает уменьшение его доступности для фермен­тов, а это в свою очередь снижает вероятность его биотрансформации и детоксикации.

Переходы веществ из одной среды в другую.Таковы переходы ксено­биотиков из воды в воздух и обратно, из организмов в воду и обратно, из почвы в воду и т. д. Например, летучесть ряда пестицидов (особенно хло­рорганических) - переход в результате испарения из почвы или воды в воздух - обусловливает их дальнейший перенос на большие расстояния.

Ксенобиотики переносятся воздушными массами и в значительных количествах выпадают в виде пыли и с атмосферными осадками. Так, ксе­нобиотик может переноситься из южного полушария в северное и загряз­нять среду даже в тех регионах, где его применение полностью запреще­но.

36. Устойчивые и неразлагающиеся поллютанты. Экологическая опасность биоразрушаемых поллютантов и остатков неразложившихся поллютантов.В связи с неспособностью экосистем к полной биодеградации ксено­биотиков создается экологическая опасность, обусловленная наличием в биосфере как устойчивых (персистентных) или вообще не разлагающихся в окружающей среде ксенобиотиков, так и подвергающихся биодегра­дации. В этой связи возникает несколько возможных ситуаций:

-нарушение функционирования экосистем, обусловленное наличием устойчивых, неразлагающихся или разлагающихся крайне медленно ксе­нобиотиков. В конечном итоге ксенобиотики, постоянно накапливаясь, будут оказывать негативное воздействие на экосистемы;

-нарушение нормального функционирования экосистем, связанное с наличием бноразрушаемыхксенобиотиков. Причины такого нарушения: природа превращений и аккумуляции ксенобиотиков; опасностью воз­действия больших доз; воздействием малых (сублетальных) концентраций.

Природа превращений и аккумуляция ксенобиотиков. Способность ксенобиотиков распространяться в окружающей среде создает проблемы, связанные с длительностью их сохранения в природных условиях. Легко разрушаемые соединения большей частью не считаются потенциально опасными для окружающей среды. Конкретный ксенобиотик может легко разру­шаться в одной среде, но может быть устойчивым в других условиях.

ДДТ оказывает очень большое влияние на природную среду; он очень устойчив к метаболическому разрушению, слабо растворяется в воде, ли-пофилен. Однако согласно установленной последовательности реакций ДДТ все же распадается на ряд производных. Так, например, при удале­нии из молекулы ДДТ атома хлора образуется ДДД, а при отщеплении НС1 - ненасыщенное соединение ДДЭ. Оказывается, ДДЭ - еще более опасное для окружающей среды вещество, чем ДДТ, поскольку оно еще медленнее метаболизируется и разрушается.

Превращение ДДТ в ДДЭ - основная причина возникновения экологи­ческой проблемы. Если ДДТ превращается в ДДД, то последний быстро разрушается; однако чаще ДДТ превращается в ДДЕ - соединение исклю­чительно устойчивое, и именно этот метаболит обычно обнаруживается в окружающей среде.

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

При оценке экологической опасности необходимо учитывать природу и процессы метаболических превращений. Важно помнить: почти любой органический ксенобиотик может метаболизироваться 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, тогда как последующие метаболические реакции идут с меньшей скоростью или скорость выведения метаболита из организма мала по сравнению со скоростью его образования.

Природу метаболических превращений следует учитывать при разра­ботке аналитических методов. Например, при определении остатков 2,4-Д (дихлорфеноксиуксусной кислоты) в обработанных этим гербицидом рас­тениях нужно учитывать следующее. Вещество можно экстрагировать в виде соли в водном растворе, затем необходимо снизить pH, чтобы перевести кислоту в неионизированную форму. В такой форме оно экстра­гируется неполярным растворителем, затем очищается и анализируется. В растениях обычно протекают реакции конъюгирования, и 2,4-Д может быть связан с остатками некоторых углеводов. Образованное соединение обладает значительной полярностью, поэтому после экстрагирования и подкисления извлечь его неполярным растворителем оказывается невоз­можным.

Экологическая опасность больших доз биоразрушаемых ксе­нобиотиков и остатков неразложившшсяксенобиотиков связана с воз­можностью нарушения практически всех элементов структуры и функ­ционирования экосистем, включая видовое богатство и разнообразие ви­дов, структуру популяций, стабильность и продуктивность экосистем. Большие дозы ксенобиотиков могут нести огромную экологическую опас­ность, во-первых, поскольку они отравляют организмы раньше, чем те ус­певают их метаболизировать, и, во-вторых, в связи с накоплением этих веществ организмами. В результате биоконцентрации может усиливаться токсическое воздействие ксенобиотиков и ухудшаться качество кормовой базы для организмов вышестоящих трофических уровней.

Опасность сублеталъных (талых) концентраций (доз) обусловлена следующими факторами:

-может происходить хроническое отравление организмов, ведущее к падению репродуктивной способности. Например, отравление ПХБ и пес­тицидами способствовало развитию бесплодия в популяции тюленя в Бал­тийском море. В конечном итоге это может приводить к вымиранию по­пуляции из-за снижения рождаемости;

-может нарушаться тонкая регуляция межвидовых и внутривидовых взаимодействий, которая опосредована различнымихемомедиаторами и хеморегуляторами;

-су б летальные концентрации, оказывая неодинаковое влияние на конкурентные виды одного трофического уровня, могут нарушать естест­венный экологический баланс в экосистемах;

-малые дозы ряда пестицидов могут даже стимулировать воспроиз­водство популяций некоторых крайне нежелательных видов, наносящих экономический ущерб в агроэкосистемах. Так, в одной из серии опытов сублетальные дозы ДДТ, диэльдрина и паратионаувеличивалиотложение яиц колорадским жуком на 50,33 и 65 % соответственно.

Итак, изучение путей биотрансформацииксенобиотиков 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.

Пути снижения нежелательных последствий загрязнения биосферы

-разработка, производство и применение биоразрушающихся соеди­нений, т. е. материалов и веществ, относительно быстро разлагаемых в экосистемах без образования токсичных или персистентных продуктов распада;

-использование природных веществ для регуляции различных физио­логических процессов и создания интегрированной системы защиты рас­тений.

37. Представление о скрининге и мониторинге. Общие принципы скрининга биологической активности ксенобиотиков. Первичная оценка безопасности ксенобиотиков. В практику должны вводиться только те соединения, которые подверг­лись биологическим испытаниям. Необходимо создание производительной системы испытаний ксенобиотиков на разные виды биологической актив­ности. Назначение системы испытаний - формирование информационного массива фундаментальных научных знаний о биологической активности и паспортизация каждого из ксенобиотиков по видам активности.

Проверка большого массива ксенобиотиков на один или несколько ви­дов биологической активности получила название скрининга.

Идея скрининга возникла давно - в период становления химической индустрии она уже прочно завоевала себе место в умах фармакологов. То­тальная проверка большого массива химических соединений или природ­ных объектов, направленная на выявление потенциальных лекарств, полу­чила в XX в. свое развитие как один из основных методов поиска новых лекарств (и химических соединений вообще) с заданным типом биоло­гической активности. В 1910 г. одна из немецких фирм испытала около 1200 производных акридина. На «сите» оказались три препарата: трифло вин (противопаразитический), риванол (антисептик) и акрихин (противо­малярийный). В поисках заменителя хинина в 30-е годы XX в. было иссле­довано 16тыс.соединений, принадлежащих к различным группам. Среди них 7618-м по счету оказался хлорохин, а 13 272-м - притахин.

В 1966 г. в США в поисках противоопухолевых препаратов испытывал ось около 114тыс. соединений, из которых было отобрано 12 потенциаль­ных лекарств, но ни одно из них не стало достаточно выдающимся в своем классе фармакологических препаратов..

Системное определение биологической активности всего массива со­единений может быть осуществлено путем создания высокопроизводи­тельной системы их классификации по видам биологический активности. Каждый ксенобиотик обладает определенными видами и степенью биоло­гической активности. Необходимо выявить эти свойства и предсказать возможность практического использования данного соединения или его возможную роль в окружающей среде

38. Выбор тест-объектов и тест-реакций для индикации химического загрязнения окружающей среды.Главные методологические трудности при использовании эпиморфных моделей заключаются в том, чтобы определить оптимальный уровень детализации модели по отношению к моделирующему процес­су, т. е. целостному организму. Этого можно достичь исходя из того, что в системе тест-объектов на клеточном уровне организации пред­ставляются все царства живого и основные типы тканей организма че­ловека, а также из того, что у тест-объектов в совокупности определя­ются все основные реакции (гибель, повреждение, адаптация, прони­цаемость, метаболизм ксенобиотиков, синтез белка и ДНК, возбуди­мость и т. д.).Когда мы говорим о биологической активности ксенобиотиков, то для ее определения, естественно, необходимы тест-объекты, на которых реги­стрируются определенные виды биологической реакции (гибель, измене­ние роста, изменение различных метаболических реакций и т. д.) при их действии; эти реакции часто называются тест-реакциями. В этой связи сле­дует рассмотреть принципы отбора и стандартизации тест-объектов при классификации ксенобиотиков по видам биологической активности.Совокупность набора тест-объектов клеточно-тканевого уровня должна удовлетворять главному принципу системы - представительно­сти выбранных биологических тест-объектов (БТО) по отношению к моделям биосферы и организму человека с соответствующим набором характеристик (тест-реакций), т. е. максимально удовлетворять постав­ленным задачам. К настоящему времени разработан достаточно широкий набор тест-объектов и соответствующих тест-реакций, позволяющих классифицировать химические соединения по характеру их действия.Предлагается подбирать тест-объекты по следующим критериям: по молекулярным рецепторам, являющимся мишенями для веществ с данными видами активности; по принципу надмолекулярной организа­ции и молекулярному составу (близость по структуре); по функцио­нальному сходству; по органному или тканевому происхождению; по близости патологического состояния тест-объекта и реального объекта..Классификацияксенобиотиков по видам биологической активности по-новому ставит вопрос о подборе и стандартизации тест-объектов. Система должна обеспечить возможность сопоставления результатов испытаний на биологическую активность разных соединений, прове­денных в разные годы. Очевидно, этого можно достигнуть только в том случае, когда уровень стандартности тест-объектов очень высок в течение многих лет. Именно степень воспроизводимости, стандарт­ность набора тест-объектов непосредственно определяют надежность принимаемых решений и степень автоматизации системы (возможно, в большей степени, чем ЭВМ).В конечном итоге для каждого тест-объекта клеточно-тканевой природы можно создать формализованный стандарт в виде набора ко­личественных параметров, характеризующих стационарные и кинети­ческие показатели тест-объектов.

39. Принципы создания автоматизированной системы скрининга ксенобиотиков.С целью индустриализации процесса тестирования биологической активности ксенобиотиков необходимо иметь автоматизированную систему испытаний. Схема испытаний общего потока соединений на любые виды биологической активности должна включать и систему их предварительной фильтрации. Какие подходы могут быть положены в систему предварительной фильтрации общего потока ксенобиотиков?Для ответа вспомним в самом общем виде путь действия ксенобиоти­ков на живой объект. Попадая в организм, химическое вещество проникает в определенные ткани; в тканях взаимодействует с определенными клет­ками; в клетках - с определенными субклеточными структурами, а в пре­делах этих структур взаимодействует с биополимерами или низкомолеку­лярными соединениями клетки. В обратном порядке развивается реакция целостного организма - от молекулы-мишени до организма. Всю совокупность операций по классификации ксенобиотиков мож­но представить следующим образом.

1.Классификация по видам биологической активности на основа­нии химических, физических и физико-химических свойств испытуе­мых соединений при отсутствии биологического тест-объекта путем расчетных операций над структурой соединения и экспериментального определения их физико-химических свойств.2.Классификация по результатам взаимодействия соединений с моделями клетки, организма, биосферы, включающая последователь­ные иерархические уровни организации биологической матери Моделируемые объекты (клетки, организм, биосфера) предстают в сис­теме в виде представительных наборов тест-объектов, обладающих основ­ными элементарными функциями, присущими целевым объектам.В принципе, модели клетки и организма могут быть нормальными и патологическими.Выборки тест-объектов и их расположение в системе должны отра­жать реальную иерархию элементов природного объекта, иерархию, обусловленную его развитием. Поэтому для организма детализацию видов биологической активности следует строить по тканевой тропности действия, опираясь на чисто генетическую классификацию типов тканей, отражающую ход онтогенеза. Представление биосферы в сис­теме классификации должно основываться на таксономической клас­сификации организмов, отражающей процесс эволюции.Общий принцип организации биологических испытаний чужерод­ных соединений - это многоуровневый набор тестов с повышающейся на каждом уровне сложностью биологического тест-объекта (модели) и соответственно растущей детализацией и надежностью прогноза вида биологической активности. Первый уровень - базовый, через него про­ходят все соединения, которые в соответствии с результатами прохож­дения этого первого уровня направляются затем к специализирован­ным тестам. Поэтому на первом подуровне сведения о структуре и некоторых свой­ствах соединений вводятся в компьютер, который производит первич­ный анализ принадлежности соединения данной структуры к опреде­ленным уже известным классам биологической активности.На втором подуровне эта классификация производится на основании экспериментального определения дополнительных физико-химических характеристик веществ.На третьем подуровне в систему вводятся тест-объекты. Основным тест-объектом этого подуровня является изолированная клетка. Набор клеток (бактерии, простейшие, клетки растений, клетки высших жи­вотных) представляет собой огрубленную модель биосферы.На этом подуровне регистрируется способность чужеродных хими­ческий соединений влиять на такие основные свойства живой клетки, как рост, дыхание, энергетика, биосинтез, способность к генетическим изменениям и т. д.База пропускает весь массив испытуемых ксенобиотиков, выдавая для каждого из них единообразный набор характеристик - основной биологический «паспорт».Биологический «паспорт» ксенобиотика - документ, которым должно снабжаться каждое соединение, поступившее из испытания. «Паспорт» должен содержать сведения о структуре вещества, источни­ке его происхождения, результаты теоретического и эксперименталь­ного изучения соединения, включая первичную оценку безопасности ксенобиотика. Биологический «паспорт» ксенобиотика - это итоговый документ.Второй уровень, меньший по пропускной способности, - надстрой­ка. Надстройка работает в режиме преимущественной ориентации на первые две цели: нахождение химического соединения, обладающего полезными для человеческого организма свойствами, и обнаружение вредных для человеческого организма биологических активностей ис­пытуемых химических соединений..Испытаниюксенобиотиков на множество видов биологической ак­тивности должна предшествовать операция предварительной сорти­ровки на моделях, допускающих создание испытательных систем вы­сокой производительности, т. е. на предварительном этапе на упро­щенных (модельных) системах необходимо предсказать вид биологи­ческой активности и определить ксенобиотики, которые, по вероятным оценкам, не обладают определенными видами активности (резус) или являются токсичными (исключаются из системы испытаний).Во многих случаях можно подобрать объект, ответная реакция ко­торого будет наиболее специфической для определенного класса чуже­родных соединений, несущего соответствующий вид биологической активности. Необходимо отметить, что следует различать специфические и не­специфические модели тест-объектов. Первые как раз и имеют четко выраженные молекулярные мишени-рецепторы , реагирующие на определенные химические соединения, т. е. на определенные виды биологической активности.Однако неспецифическая модель является обязательным компонен­том для классификации ксенобиотиков. С одной стороны, оказывается возможным различать химические соединения, обладающие разными видами активности на полностью неспецифической для этих видов активности модели. Так, разработана аппаратура и методика для реги­страции 16 параметров реакции эритроцитов (параметры получены из кинетических изменений светопропускания, импеданса и рН суспензии эритроцитов) на воздействия химических соединений. При испытаниях таких разных по активности и химической природе веществ, как силитраны, тетрациклины, пенициллины, кортикостероиды, показано, что для каждого из классов этих веществ существует свой характерный портрет, выраженный в терминах 16 параметров .Вещества, представляющие по своим свойствам научный и практиче­ский интерес, проходят тестирование на безопасность. Объекты испыта­ний по-прежнему модельные, но оценке подлежат и такие виды опасного действия, как мутагенность, канцерогенность, эмбриотоксичность и др.

40. Разработка основ промышленного и сельскохозяйственного мониторинга на основе техники испытания биологической активности ксенобиотиков.Большой объем научной информации, получаемой в результате ис­пытания чужеродных соединений на биологические активности, по­зволяет создавать не только эффективные лекарственные препараты, но и вещества для нужд сельского хозяйства и других отраслей. На­пример, в животноводстве — это препараты ветеринарного назначения, включая адаптогены, стимуляторы, криоконсерванты для искусствен­ного осеменения и т. д. В растениеводстве - новые эффективные пес­тициды, ростовые вещества, безопасные для человека, мутагены для выведения новых сортов и т. д.

В пищевой промышленности введение системы испытаний обеспе­чит биологическую безопасность используемых пищевых добавок, консервантов, антибактериальных средств, различных образцов пище­вой продукции как создаваемой у нас, так и за рубежом.

В микробиологии (включая промышленную) можно будет осуще­ствлять эффективный отбор новых стимуляторов и ингибиторов роста бактериальных культур, мутагенов для получения новых продуцентов, а также контроль за биологической безопасностью продуктов микроб­ного синтеза.

При внедрении предлагаемых приемов биологических испытаний ксенобиотиков в процедуру экологического мониторинга окружающей среды представится возможность провести интегральную оценку свойств основного массива ксенобиотиков, с которыми постоянно кон­тактирует человек, и разработать мероприятия по резкому снижению их потенциальной опасности как для отдельных организмов, так и биоценозов в целом. Это позволит ввести в экологию кроме описа­тельных элементов и технологические.

41. Экологический мониторинг окружающей среды. Технологические и технические решения, реализованные в системе биологических испытаний, могут быть широко использованы в кон­кретных системах и комплексах для контроля за состоянием окру­жающей среды и отдельных ее блоков: атмосфера, вода, почва. Обра­щение к этой системе может стимулировать развитие одного из наибо­лее перспективных направлений в процедуре контроля - использова­ние биологических объектов и разработке на их основе биодатчиков.

Все чаще начинают использовать биологические методы контроля, с помощью которых наблюдение ведется за реакцией на загрязнение живого объекта, т. е. объект выступает как составная часть измери­тельной системы.

Возможны три различных подхода к применению биологических объектов в качестве тестовых :

1Использование организмов, входящих в данный биогеоценоз, за состоянием которых ведется слежение (биоиндикаторы).

2Использование организмов, исходно не имеющих отношения к тестируемому биогеоценозу, но вводимых туда искусственно (экзо­генные биоиндикаторы).

3Использование объектов, не имеющих отношения к данному биогеоценозу, выращенных или взятых в контролируемых условиях и применяемых в качестве чувствительных элементов прибора, контро­лирующего состояние среды (биодатчик).

Одной из неотложных задач охраны природы является создание мониторинга - системы непрерывного контроля за химическим загряз­нением среды. В настоящее время в мониторинге предпочтение отда­ется физико-химическим методам контроля, позволяющим измерять концентрации компонентов или других показателей среды. Законода­тельно допустимый уровень загрязнения среды химическими вещест­вами определяется предельно допустимой концентрацией (ПДК) для каждого вещества.

Таким образом, для создания системы мероприятий, обеспечиваю­щей безопасность людей в среде, загрязненной продуктами химической деятельности человека, необходимы: разработка научно обоснованных подходов для выбора критериев, определяющих безопасность человека и других живых компонентов биосферы, а также развитие технологиче­ских и инженерно-технических методов и техники экспресс-анализа, обеспечивающих непрерывный контроль за состоянием среды.

Далеко не последнюю роль в этих процедурах должна играть авто­матизация процесса измерений, сбора и обработки информации.