К вопросу об использовании в мониторинге окружающей среды анализа физико-химических параметров ксенобиотиков Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 575.1/.2:574.2

К ВОПРОСУ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В МОНИТОРИНГЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ АНАЛИЗА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КСЕНОБИОТИКОВ

© 2010 Е С. Селезнева, Е.И. Теньгаев

Самарский государственный университет

Поступила в редакцию 28.04.2010

Выявлена связь между биологической активностью (токсичность, цитотоксичность и мутагенность) и липофильностью, величинами энергии гидратации и дипольного момента 38 гетероциклических азолов для Allium cepa, что свидетельствует о необходимости использования в мониторинге ксенобиотиков анализа их физико-химических параметров.

Ключевые слова: Allium cepa, токсичность, цитотоксичность, мутагенность, гетероциклические азолы

Высокая биологическая активность природных гетероциклических азолов послужила причиной использования их синтетических аналогов в качестве пестицидов и фармакологических препаратов [1, 2]. Большинство из синтезированных веществ обладает различными побочными действиями. Особенно опасны отдаленные последствия производимые антропогенными азолами. Вмешательство их в природные экосистемы приводит к исчезновению видов, неустойчивых к их действию и широкому распространению устойчивых, что может стать причиной возникновения эпидемий и эпизоотий. Необходимы мониторинговые исследования, включающие анализ связей между структурой соединений и биологическими ответами вызываемыми ими. Ранее проведенные нами исследования показали что влияние гетероциклических азолов на метаболизм растений, выражающееся в ингибиро-вании ростовых процессов цито- и геноток-сичности зависит от их строения и наличия в молекуле высоко активных химических групп. Для того чтобы выявить, какие из физико-химических параметров являются наиболее значимыми в развитии негативного ответа, мы провели ряд корреляционных анализов. Результаты исследований представлены ниже.

Материалы и методы. Исследовали 38 соединений производных имидазола, триазо-ла, бензимидазола, бензотриазола и индола, отличающихся высокоактивными химическими группами. Биологическую активность оценивали по влиянию исследуемых соединений на всхожесть семян Allium cepa, длину корней относительно контроля на пятый день

роста, на пролиферативную активность (изменение величины митотического индекса) и по способности индуцировать хромосомные аберрации в клетках корневой меристемы. Были использованы методы корреляционного и регрессионного анализа, с помощью которых оценивали связь между биологической активностью и физико-химическими параметрами. С помощью автоматизированного пакета анализа химических соединений «HyperChem» рассчитывались следующие физико-химические параметры: молекулярный вес, молекулярный объем, величина суммарного дипольного момента, величина энергии гидратации и липофильность.

Результаты и обсуждения. Первичная попытка провести анализ связи между физико-химическими параметрами гетероциклических азолов и их биологической активностью показала невозможность включить все исследуемые соединения в один корреляционный ряд. Причина отсутствия корреляции связана со специфичностью действия синтезированных веществ на объект исследования и с различиями в метаболизме, которому подвергаются гетероциклические азолы разных групп. Поэтому мы исследовали связь между физико-химическими свойствами различных групп азолов и их биологической активностью. В ходе исследований была выявлена корреляция между всхожестью семян Allium cepa и величиной липофильности для всех групп исследуемых соединений (кроме три-азолов). Данный параметр может использоваться для проведения мониторинговых исследований токсичности ксенобиотиков, т.к.

позволяет с высокой степенью прогнозировать негативное воздействие на экологическую систему. Коэффициент корреляции для производных имидазола был отрицательным и чаще всего нелинейным (г=-0,77; р<0,01). Для группы триазола и его производных связь между всхожестью и липофильностью была слабой (г=0,35). Однако для сульфурильного ряда триазола и имидазола корреляция между всхожестью и липофильностью является линейной и положительной (г=0,74; р<0,05). Для девятичленных гетероциклических соединений, производных индола, бензимидазола и бензотриазола, корреляция между липофиль-ностью и всхожестью семян, подвергнутых воздействию этих соединений, носит отрицательный нелинейный характер (рис. 1). Величина коэффициента корреляции между липо-фильностью и всхожестью семян меняется от -0,64 (р<0,05) до -0,91 (р<0,01) в зависимости от группы и концентрации анализируемых веществ.

Рис. 1. Зависимость всхожести семян лука

от липофильности ряда девятичленных гетероциклических азолов в концентрации 0,001 мг/мл

(ось Х - липофильность, ось У - всхожесть в долях, ломаная линия - экспериментальные данные, прямая линия - линейная аппроксимация, кривая -параболическая аппроксимация).

Для триазолидов влиянием на всхожесть обладают молекулярная масса (г=0,90; р<0,01) и величина молекулярного объема (г=0,83 р<0,01). Обнаружена отрицательная линейная корреляция между всхожестью семян лука и величиной энергии гидратации девятичлен-ных гетероциклических азолов. Коэффициент

корреляции колебался от -0,77 до -0,99 (0,05<р<0,01).

Определяющим физико-химическим пара-метром в способности гетероциклических азолов ингибировать рост корней является величина энергии гидратации, за исключением имидазолидов (у них определяющим была величина липофильности). Выявленная достоверная отрицательная нелинейная корреляция между величиной энергии гидратации и длиной корней относительно контроля лежит в интервале от -0,77 до -0,81 (р<0,05) (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость длины корней лука относительно контроля от энергии гидратации ряда девятичленных гетероциклических

азолов в концентрации 0,001 мг/мл (ось Х - величина энергии гидратации, ось Y - длина относительно контроля, ломаная линия -экспериментальные данные, прямая линия -линейная аппроксимация, кривая - параболическая аппроксимация)

Обнаруженные корреляции между физико-химическими параметрами гетероциклических азолов и их токсичностью для Allium cepa свидетельствуют о том, что развитие токсического ответа зависит от скорости, с которой соединения абсорбируются на семенной кожуре, и способности проникать внутрь семян, преодолевая различные мембранные преграды. Подобные корреляции были выявлены многими авторами при исследовании зависимости токсичности у животных от физико-химических параметров других веществ. Например, в экспериментах по определению чувствительности кожи человека к различным токсикантам показана линейная зависимость между токсическим ответом и такими параметрами, как липофильность и

молекулярный вес [5, 6]. Значимость параметров, ответственных за проведение азолов через мембраны, наиболее ярко выражена в исследовании такого ответа, как способность ингибировать пролиферативную активность клеток корневой меристемы, что является показателем цитотоксичности.

Мы предположили, что пятичленные и девятичленные гетероциклы используют различные пути попадания внутрь клеток, используя как рецепторные системы, так и свою способность растворяться в мембранах. Проведенный корреляционный анализ показал, что для всех имидазолидов определяющим в ингибировании пролиферативной активности является липофильность, а для производных триазола и сульфурильных производных имидазола и триазола существенное влияние оказывает величина суммарного ди-польного момента. Коэффициент корреляции между величиной митотического индекса и липофильностью колеблется от 0,77 (р<0,05) до 0,83 (р<0,01) и носит положительный нелинейный характер. Коэффициент корреляции между величиной митотического индекса и величиной суммарного дипольного момента составляет от 0,77 (р<0,05) до 0,88 (р<0,01) и так же носит положительный нелинейный характер. Полученные зависимости свидетельствуют в пользу предложенной гипотезы о существовании двух путей проникновения данных соединений внутрь клетки.

Рис 3. Зависимость величины митотического

индекса от дипольного момента ряда сульфурильных производных бензимидазола и

бензотриазола (ось Х - величина дипольного момента, ось У -величина митотического индекса, ломаная линия -экспериментальные данные, прямая линия -линейная аппроксимация, кривая - параболическая аппроксимация).

Для сульфурильных производных бензи-мидазола и бензотриазола дипольный момент является основным физико-химическим показателем, определяющим влияние на пролифе-ративную активность клеток корневой меристемы (коэффициент корреляции «г» колеблется в зависимости от используемой концентрации от 0,69 р<0.05 до 0,81 р<0,01) (рис. 3).

Для производных индола нам не удалось выявить однозначного влияния какого-либо па-раметра. Это может свидетельствовать в пользу гипотезы об использовании синтетическими индолами описанных природных ауксиновых рецепторов [3]. Дополнительным доказательством является тот факт, что микро воздействие синтетическими индолами (по аналогии с фитогормонами) стимулирует пролиферативную активность, а в высоких концентрациях ингибирует. Бензимидазолиды и бензотриазолиды во всех концентрациях выступают как ингибиторы пролиферативной активности [4]. Число хромосомных аберраций чаще нелинейно коррелирует с величиной дипольного момента для пятичленных гетероциклических соединений (г=0,74 р<0,05) (рис. 4), а для всех девятичленных гетероциклов - с липофильностью (г=0,69 р<0,05). Цитогенетическая активность только группы безимидазолидов положительно и нелинейно коррелирует с энергией гидратации (г от 0,69 до 0,81 р<0,05).

Рис 4. Зависимость хромосомных аберраций от дипольного момента для соединений имидазольного ряда в концентрации 0,001 мг/мл

(ось X — дипольный момент, ось У - хромосомные аберрации; ломаная линия — экспериментальные данные, прямая линия — линейная аппроксимация, кривая — параболическая аппроксимация)

Выводы: можно утверждать, что биологическая активность гетероциклических азолов коррелирует с отдельными физико-химическими параметрами. Общая токсичность соединений для растений коррелирует с величинами липофильности и энергии гидратации, цитотоксичность - с липофильностью и дипольным моментом, а мутагенность - с величинами энергии гидратации и дипольного момента. Именно поэтому при мониторинговых исследованиях необходим анализ физико-химических параметров ксенобиотиков, таких как липофильность, энергия гидратации и дипольный момент.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Машковский, М.Д. Лекарственные средства. -М.: Медицина, 1993. - Т. 2. - 736 с.

2. Мельников, И.Н. Пестициды, химия, технология и применение. - М.: Химия, 1987.

- 721 с.

3. Романов, Г.А. Рецепторы фитогормонов. // Физиология растений. - Т.49. - №4. - С. 615-625.

4. Селезнева, Е.С. Проблемы экологической опасности производных бензимидазола и бензотриазола. // Экология и промышленность России. - 2007, ноябрь. - С. 25-27.

5. Flynn, G.L. Physicochemical determinants of skin absorption / T.R. Gerrity, C.J. Henry eds. Principles of route-to-route extrapolation for risk assessment. - New York: Elsevier Science, 1990.

- P. 93-127.

6. Potts, R.O. Predicting skin permeability / R.O. Potts, R.H. Guy // Pharm. Res. - 1992. - V.9. -P.663-669

TO THE QUESTION ON USE IN ENVIRONMENTAL MONITORING THE ANALYSIS OF PHYSICAL AND CHEMICAL PARAMETERS OF

XENOBIOTICS

© 2010 E.S. Selezneva, E.I. Tengaev Samara State University

Connection between biological activity (toxicity, cytotoxicity and mutagenicity) and lipophelicity, magnitudes of hydration energy and dipole moment of 38 heterocyclic azoles for Allium cepa is revealed, that testifies to necessity of use for xenobiotic monitoring the analysis of their physical and chemical parameters.

Key words: Allium cepa, toxicity, cytotoxicity, mutadenicity, heterocyclic azoles

Ekaterina Selezneva, Candidate of Biology, Associate Professor at the Zoology, Genetics and Common Ecology Department. E-mail: catana7@yandex.ru Evgeniy Tengaev, Candidate of Biology, Associate Professor at the Zoology, Genetics and Common Ecology Department. E-mail: tenev@ssu.samara.ru