CC BY
11
УДК 542.973:544.431
ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБРАЗОВАНИЯ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА В МОДЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ С ДИОКСИНОПОДОБНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ИХ ТОКСИЧНОСТИ
П. Е. Кузнецов1, И. А. Власов2, Н. Б. Кузнецова3
1докт. хим. наук, профессор кафедры химии e-mail: kuznetsovpe@mail.ru 2канд. хим. наук, доцент кафедры химии
e-mail: vlasovigor@inbox.ru 3канд. хим. наук, доцент кафедры химии e-mail: moscow1978'a,maiLru
Курский государственный университет
Проведено экспериментальное исследование связи кинетических параметров образования пероксида водорода в модельных системах с диоксиноподобными соединениями (ДПС) и показателей их токсичности. Экспериментально выявлена закономерность изменения показателей острой токсичности исследованных веществ от средних значений максимальных приведенных концентраций перекиси водорода и установлено, что увеличение концентрации образующейся перекиси водорода приводит к повышению токсичности ДПС. Способность инициировать образование пероксида водорода, по-видимому, играет значимую роль в механизме токсического действия 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина и ДПС, так как известно, что диоксиновая интоксикация обусловлена образованием активных форм кислорода.
Ключевые слова: 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин (2,3,7,8-ТХДД), дифениловый эфир (ДФЭ), 2,3-дихлор-1,4-диоксан (ДХД), 1,4-диоксан, образование пероксида водорода, приведенная концентрация, показатели токсичности.
В ряде работ [1; 2] экспериментально и квантово-химическими методами было показано, что диоксины и ДПС могут протонироваться на границе раздела фаз и взаимодействовать с кислородом цитохрома Р-450, продуцируя перекись водорода. Данная реакция, по-видимому, играет определенную роль в механизме токсического действия 2,3,7,8-ТХДД, так как известно, что диоксиновая интоксикация обусловлена образованием активных форм кислорода (АФК) [3].
В настоящей статье обсуждается зависимость количества продуцируемого 2,3,7,8-ТХДД и некоторыми ДПС пероксида водорода от токсичности этих соединений.
Ранее нами исследовалась реакционная смесь, содержащая молекулярный кислород, двухфазную систему вода - углеводородный растворитель, источник протонов (серная или уксусная кислота), источник электронов (смесь мелко раздробленного цинка с его окисью). Было экспериментально показано, что при введении в систему каталитических количеств 2,3,7,8-ТХДД концентрация образующегося пероксида водорода увеличивается на два порядка [1]. Аналогичные
эксперименты были проведены и для ДПС - дифенилового эфира, 2,3-дихлор-1,4-диоксана и 1,4-диоксана, которые проявляют токсичность в различной степени [2]. Было установлено, что с повышением концентрации 1,4-диоксана, 2,3-дихлор-1,4-диоксана и дифенилового эфира в реакционной смеси происходит увеличение концентрации пероксида водорода в несколько раз, но в различной степени, для всех ДПС. Таким образом, показано, что свойство продуцировать пероксид водорода для вышеперечисленных ДПС аналогично таковому для 2,3,7,8-ТХДД.
Было проведено квантово-химическое моделирование реакции образования перекиси водорода в такой системе и показано, что синтез пероксида водорода происходит через образование протонированного 2,3,7,8-ТХДД, а затем катион-радикала 2,3,7,8-ТХДД. Последний может восстанавливаться электроном и вновь катализировать образование пероксида водорода. Таким образом, малые количества диоксина могут создавать эффект высоких концентраций.
Определим количественную зависимость между кинетическими параметрами образования перекиси водорода в модельных системах и показателями токсического действия ДПС. Для этой цели необходимо установить закономерность связи между среднесмертельными токсодозами (LD5o) исследуемых веществ и максимальной концентрацией образовавшейся перекиси водорода. Величины LD50 исследуемых веществ представлены в таблице.
Токсичность диоксиноподобных соединений для белых крыс _при однократном внутрижелудочном введении_
Вещество LD50 , мг/кг
2,3,7,8-тетрахлордибензо-и-диоксин 0,060±0,017
1,4-диоксан 7120±741
2,3 -дихлор- 1,4-диоксан 5050±486
дифениловый эфир 3990±407
Для оценки зависимости средних летальных доз от концентрации H2O2 последние приведены к 1 молю исследуемого вещества (приведенная концентрация).
Величина приведенной концентрации образовавшейся перекиси водорода рассчитывалась по следующей формуле:
]max / л ч
Сприв = J n , (1)
d0
где \_H2C2 ] max - максимальная концентрация перекиси водорода, моль/л; d0 - исходная концентрация ДПС, моль/л; n - порядок реакции по ДПС.
Данная величина отражает концентрацию перекиси водорода, которую может образовывать ДПС с концентрацией в растворе 1 моль/л.
Зависимости средних значений приведенных концентраций от времени для различных ДПС представлены на рисунке 1 [1; 2].
Из представленного графика видно, что реакция индуцирования образования перекиси водорода характерна для всех исследуемых ДПС. Однако концентрации образующейся перекиси водорода для различных веществ не одинаковы. Данный научный факт, по нашему мнению, объясняется различной степенью активности протонированных форм ДПС. Экспериментальные данные показывают, что способность к образованию перекиси водорода
Кузнецов П. Е., Власов И. А., Кузнецова Н. Б. Исследование связи кинетических параметров образования пероксида водорода в модельных системах с диоксиноподобными соединениями и показателей их токсичности
Рис. 1. Кинетические кривые образования перекиси водорода в присутствии различных диоксиноподобных соединений: 1 - ТХДД; 2 - ДФЭ; 3 - ДХД; 4 -1,4-диоксана
увеличивается в следующей последовательности: 1,4-диоксан < 2,3-дихлор-1,4-диоксан < дифениловый эфир < 2,3,7,8-тетрахлор-дибензо-п-диоксин.
Математический анализ показателей средних летальных доз и средних значений максимальной приведенной концентрации перекиси водорода для ДПС позволил выявить количественную зависимость, графически представленную на рисунке 2:
^ = -1'"411§()тах - 4'5916 , (2)
где LD50 - средняя летальная доза ДПС, г/кг;
М - молярная масса ДПС, г/моль;
(Спрuв)max - значение максимальной приведенной для ДПС концентрации перекиси водорода.
Из представленного на рисунке 2 графика видно, что с увеличением максимальных значений приведенной концентрации образовавшейся перекиси водорода наблюдается уменьшение средних летальных доз ДПС. Наиболее тесно между собой коррелируют значения (LD5o/М) и (Сnрuв)max для 1,4-диоксана, ДХД и ДФЭ. Коэффициент корреляции составляет R2 = 0,99. При введении в выборку ТХДД происходит снижение степени корреляции. Так, с учетом 2,3,7,8-ТХДД величина коэффициента корреляции R2 = 0,82; стандартное отклонение S = 1,14; критерий Фишера F = 47,12.
По нашему мнению, снижение степени корреляции связано в первую очередь с некоторыми особенностями токсического действия на организм исследуемых веществ.
lg LD' M
0 ♦
-5 -4 -3 -2 -1 0 1
♦ ♦ ♦
0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2 lg (С„рив )max
Рис. 2. Зависимость средних летальных доз ДПС от максимальной приведенной концентрации образовавшейся перекиси водорода
Так, взаимодействие протонированной формы ДПС с кислородом окисленного цитохрома Р-450 в организме приводит к образованию активных форм кислорода -перекиси водорода и гидропероксидного радикала, которые, вступая в реакции дисмутации, приводят к образованию других АФК и интоксикации организма. Однако, если соединения, выступающие в качестве модельных для 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина, через определенное время в организме разрушаются с помощью различных ферментов и выводятся из организма, то ТХДД, для которого характерно отсутствие метаболитов, длительное время задерживается в организме и оказывает свое токсическое действие. При условии восстановления исходного состояния диоксина из его катион-радикала, процесс может принять циклический характер. К тому же поскольку ТХДД является политропным ядом, то следует учитывать вклад и других токсических эффектов, оказывающих в совокупности влияние на токсичность ТХДД в целом и, как следствие, на его среднюю летальную дозу для млекопитающих.
Экспериментально выявлена закономерность изменения показателей острой токсичности исследованных веществ от средних значений максимальных приведенных концентраций перекиси водорода и установлено, что увеличение концентрации образующейся перекиси водорода приводит к повышению токсичности диоксиноподобных соединений.
Таким образом, единичные молекулы диоксина могут активировать множество биохимических реакций окислительно-восстановительных процессов, способствующих образованию АФК.
Представленные результаты экспериментальных исследований и последующий анализ связи кинетических параметров образования перекиси водорода в модельных системах с показателями токсичности ТХДД и его аналогов подтверждают основную роль диоксиноподобных соединений как катализаторов образования активных форм кислорода (перекиси водорода и гидропероксидного радикала) в общем механизме токсического действия диоксинов.
Кузнецов П. Е. , Власов И. А. , Кузнецова Н. Б. Исследование связи кинетических параметров образования пероксида водорода в модельных системах с диоксиноподобными соединениями и показателей их токсичности
Библиографический список
1. Кузнецов П.Е., Кузнецова Н.Б., Власов И.А. Экспресс-метод определения 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина в водных средах // Ученые записки. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2013. № 3(27). Ч. 2. URL: https://api-mag.kursksu.ru/media/pdf/032-014.pdf (дата обращения: 27.08.2019)
2. Кузнецов П.Е., Кузнецова Н.Б., Власов И.А. Реакция образования пероксида водорода, катализируемая диоксиноподобными соединениями // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2016. № 2(10). URL: https://api-mag.kursksu.ru/media/pdf/010-001.pdf (дата обращения: 27.08.2019).
3. Цырлов И.Б. Хлорированные диоксины: биологические и медицинские аспекты. Аналитический обзор. Новосибирск: Наука, 1990. 210 с.
