CC BY
64
Раздел VII. Биоинформатика
З.Х.-М. Хашаев, Л.М. Чайлахян, А.Л. Туманова, Т.В. Чайлахян-Свиридова,
Т.З. Хашаев
ВЛИЯНИЕ СУПЕРТОКСИКАНТОВ НА ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН
Причины глобального загрязнения окружающей среды супертоксикантами и угрожающие последствия этого загрязнения.
В связи с ростом, выбросов в окружающую среду (ОС) отработанных продуктов химической промышленности, гипертрофии автотранспорта, ростом свалок бытовых и промышленных отходов в густонаселенных районах, исследование механизма проникновения отравляющих веществ через биологические мембраны приобретает огромное значение, конечным результатом которого является изыскание эффективной научной методологии защиты людей от токсикантов различного .
Актуальность и практическое значение рассматриваемой проблемы связано в первую очередь с тем, что в результате выброса и попадания в атмосферу опас-
( ),
особенности столь ядовитых веществ как полихлорированные дибензо-п-диоксины (ПХДД) и диоксинподобные токсиканты (ДПТ). Основным источником выбросов этих веществ в ОС являются нефтехимические, металлургические, целлюлознобумажные и машиностроительные предприятия, выхлопные газы автотранспорта, производства органического синтеза, процессы сжигания промышленных отходов, , , , -тегического химического оружия.
Под экотоксикантами понимают такие вредные вещества, которые распространяются в ОС далеко за пределы своего первоначального местонахождения и, , -низмы животного и растительного мира. Во-первых, пространственная неоднородность биосферы по химическому составу связана с отличиями химических процессов в пределах каждого из материков и океанов. Во-вторых, причиной неоднородности является космическое влияние и, в-третьих, она возникает как результат химических взаимоотношений организмов как друг с другом, так и с физическими средами обитания [1]. Нельзя не согласиться и с доводами о том, что в результате необдуманных действий человечества может возникнуть опасность преобразования биосферы в хемосферу из-за неспособности организма быстро обезвреживать поступившие извне экотоксиканты, которые негативно воздействуют даже в очень . ,
веществ любыми организмами от самых простых до самых сложных, включая и человека. Усвоение токсических веществ особями тех видов, которые расположены на низшем уровне трофической цепи, неминуемо приводит к их накоплению в организме тех видов, которые стоят на более высоких уровнях [2]. В конце концов, токсические вещества в тканях морских организмов могут достигнуть такой степе-
ни концентрации, которая уже будет представлять опасность и для людей, употребляющих их в пищу. В частности, рыбы, питающиеся организмами низшей трофической цепи и совершающие далёкие миграции, переносят токсические вещества и радиоактивность в самые отдалённые районы океана [3].
Появление в биосфере большого количества ксенобиотика было причиной множества трагических последствий, примером которого может служить более 200 тысяч промышленных аварий происшедших в США в период с 1971 г. по 1986 г. и унесших тысячи жизней. Десятки тысяч человек получили интоксикации различных степеней. Крупнейшие катастрофы в 1976 г. в городе Севезо (Италия) и в 1984 г. в Бхопале (Индия). Катастрофа в Индии была самой гигантской - более 3 000 , 20 000 , 200 000 . -зо (взорвался котёл с трихлорфенолом - веществом сходным с 2,4,5)
100 . , -
ся данные о дальних последствиях подобных катастроф. Подобные катастрофы не обходят и нашу страну. Так, в 1997 г. в 86 городах России уровень загрязнения воздуха превышал предельно допустимые нормы в 10 и более раз. Еще в 1991 году сенсацией мирового масштаба стало известие о наличии в питьевой воде миллионной Уфы от 23 до 53 предельно допустимых концентраций (ПДК) диоксинов. Спе-
, 97% -
, 40% -
ли суммарную долю, превышающую ПДК. Наиболее загрязненными диоксинами считаются отечественные куриное мясо и масло, с которыми человек потребляет 54 24,5% . 7,6%, -
дуктами - 6,4%, т.е. каждый башкирец за сутки получает 1,5 нормы диоксина. Для сравнения - куриное мясо США содержит диоксинов 0,19, Великобритании - 0,13, башкирское - 1,5 нг/кг [4].
По тяжести катастрофических последствий диоксины занимают не последнее место в ряду таких глобальных опасностей, как проникающая радиация, разрушение озонового слоя, парникового эффекта и др.
История диоксина начинается с 30-х годов прошлого века, когда химическая компания Monsanto (США, штат Алабама) впервые занялась производством поли-хлорбифенила (ПХБ), которое, в конечном счете, продуцирует ДПТ. Развитие широкомасштабного производства и применения полихлорфенолов привело к появлению у большинства рабочих компании массовых профессиональных заболеваний хлоракне (опасное системное заболевание выражающееся в появлении тяжелой , ). -канта можно было наблюдать совсем недавно на лице одного из претендентов на
2004 . , , ,
.
В последующем было показано, что рецидивы хлоракне у многих пораженных проявлялись даже спустя несколько десятилетий после отравления. В тех же , , -фенолов из полихлорбензолов щелочным гидролизом при температуре 165-180 С0 под давлением и показано, что эти препараты являются эффективными средствами для консервации древесины. Однако, позже стало известно, что в качестве побочного продукта при этом процессе образовывается 2,3,7,8-тетрахлордибензо-пара-, 220 ,
побочной реакции резко возрастает и конечным продуктом при этом является ди-, , , .
Расширение масштабов поражения токсикантами было инициировано применением их в военных целях. Во время второй мировой войны в США были получены гербицидные препараты гормоноподобного действия на основе 2,4-дихлор-и 2,4,5-трихлорфеноксиуксусных кислот (ДХФ и ТХФ). В норме препарат ТХФ служит регулятором роста растений, но во время второй мировой войны в Японии, а затем и позже во Вьетнаме ТХФ использовался американцами для уничтожения лесов, в которых могли скрываться самураи и красные партизаны - вьетконговцы. Если производство и применение ДХФ не имели отрицательных последствий для , ,
импульсом к становлению современной химии гербицидов, то совсем по-иному , -. , из 22 изомеров тетрахлордибензо-п-диоксина (ТХДД) - одного из сильнейших ядов. Это - вещества с диоксиновым кольцом, содержащем в своей молекуле различное число атомов хлора (три-, тетра-, пента-, гекса-, гепта-...). Они оказывают ингибирующее воздействие на окислительное фофорилирование в организме, бло-- , , , . . Эйхлера [5] над Вьетнамом было распылено около 5 тонн диоксина. Последствия
20
окончания «грязной» агрессии. Исследования совместного Российско-
( ) , 2- -китайской войны произошло разрушение гербицидами тропических экосистем и их естественной основы - тропических лесов. Работникам Тропоцентра впервые удалось аргументировано показать, что даже незначительные воздействия диоксина приводит к медленно развивающейся экологической катастрофе. Экспонированное ими население и их дети становятся ««адожниками» специфических гормонопо-, , .
При остром отравлении животных наблюдаются признаки общетоксического действия диоксина: потеря аппетита, физическая и половая слабость, депрессия и потеря веса. Кроме поражения сальных желез, приводящее к заболеванию кожи -
,
- -
лезосодержащих ферментов (цитохромов). По уровню токсичности диоксины превосходят убийственные отравы вроде кураре и синильной кислоты [6]. Даже одна молекула диоксина может вызвать метаболические процесс в субклеточных системах и вызвать цепь реакций, нарушающих функции организма и приводящее к активации железосодержащего фермента - цитохрома Р-448. Наиболее интенсивно этот цитохром активируется в плаценте и в плоде, в связи с чем диоксин вызывает генетические изменения в клетках пораженного организма и может повышать частоту возникновения канцерогенных заболеваний, а также может привести к эндокринным и гормональным растройствам. Под действием диоксина в организме изменяется содержание половых гормонов, гормонов щитовидной и поджелудочной желе, что увеличивает риск развития сахарного диабета, нарушение процессов полового созревания и развития плода. В связи с последним обстоятельством, японское правительство пошло на беспрецедентное решение - рекомендовало беременным женщинам и кормящим матерям есть как можно меньше рыбы или вообще не употреблять её в пищу. Соединения с эстрогенной активностью, не являющиеся
натуральными женскими половыми гормонами, получили название ксеноэстроге-ны или эстрогены ОС. Усилиями исследователей удалось установить, эстрогенной активностью обладают фито- и микостероиды, а также соединения нестероидной
- , ( ), диоксины, триазеновые гербициды и т.д.
Экспериментальные данные свидетельствуют, что диоксины и ПХБ могут, , . гормональный дисбаланс в утробный период может привести к различным отклонениям у потомства.
Отмечено ухудшение качества спермы, возрастание частоты рака яичек, частота гипоспадий (аномалии пениса) и частоты крипторхизма (неопущение яи-). -. « », -ной системы мужчин могут быть обусловлены воздействием веществ с эстрогенной активностью в эмбриональный и ранний постнатальный периоды при лечении матерей эстрогенами в ранние сроки беременности, либо при контакте с ксеноэст-рогенами - загрязнителями ОС [7].
Этим же обстоятельством объясняют и прогрессирующую феминизацию животного мира (от рыб до млекопитающих) и связанное с ней угнетение воспро-. 80-
ксеноэстрогенов было установлено у птиц. Так, ДПТ вызывают феминизацию эм-
( ). изменения у разных видов животных. Под действием ксеноэстрогенов поражаются развитие и функция клеток Сертоли в семенниках плода, что приводит к уменьшению количества сперматозоидов. Ксеноэстрогены угнетают также репликацию клеток Лейдига и, соответственно, продукцию тестостерона, что и вызывает гипос-падию и криптохизм.
Проблема ухудшения репродуктивного статуса мужчин (и самцов живот)
тревогу в научном обществе [8].
Экспериментальные подходы к выяснению механизмов действия супертоксикантов на животные организмы.
Долгие годы биологов многих стран интересовал вопрос о влиянии ОС на клетку. К настоящему времени стало очевидно, что решающую роль во множестве механизмов влияния ОС на клетку играют различные типы биологических мембран, выполняющих ряд важнейших функций. Это и выполнение барьерной функ,
, , -мощью ионных каналов и мембранных насосов, и рецепторная функция, которая осуществляется белковыми рецепторами, встроенными в мембрану.
В ИППИ РАН под руководством профессора Е.А.Либермана группой сотрудников были детально исследованы механизмы действия ряда рассмотренных нами выше веществ на клетку, и в первую очередь было обращено основное внимание на мембраны [9]. Так, во-первых, было показано, что под действием жирных кислот происходит резкое снижение сопротивления искусственных фосфолипид-ных мембран (БФМ). Далее было установлено, что жирные кислоты и 2,4 - динит-( ) -( ), , , , долгие годы оставался неясным. Согласно гипотезе, предложенной Митчелом [11],
ДНФ и другие РОФ не являются ингибиторами специфических ферментативных реакций, а, включаясь в митохондриальную мембрану, увеличивают её проницаемость для ионов водорода. С целью выяснения механизма разобщения группа ученых изучала действие РОФ на проницаемость БЛМ для ионов водорода [12] и проводилось сопоставление эффекта разобщителей с их действием на митохондрии [13] и их влияние на синаптическую передачу в нервно-мышечных соединениях тепло- и холоднокровных животных [14]. Показано, что проницаемость для водорода возникает под действием целого класса РОФ, которые являются жирорастворимыми донорами протонов, проникающих в мембрану в виде аниона (Т-) и в нейтральной форме (ТН). Анион Т- переносит электрический ток через мембрану и на границе мембрана - раствор происходит реакция Т- + Н+ = ТН. Образовавшаяся форма ТН проникает сквозь мембрану по градиенту концентрации [12]. Авторы предположили, что помимо переносчиков Н+ типа Т- - ТН могут существовать и переносчики водорода типа Т - ТН+ [не связанная с протоном нейтральная форма (Т) и связанная форма, которая положительно заряжена (ТН+)]. Проведенные эксперименты показали правильность высказанного предположения о типах переноса . -ния митохондрий и на частоту миниатюрных потенциалов концевой пластинки ( ) - .
Сопоставив полученные данные на разных объектах, можно сказать, что все исследованные РОФ содержат в своей молекуле подвижный протон, наличие которого является необходимым условием для проявления разобщающей активности соединения. В то же время показано, что химическая структура остатка носителя патрона не влияет на качественные характеристики явления разобщения. Для количественной характеристики разобщителя решающее значение имеет растворимость разобщителя в органической фазе [15]. Согласно хемиосмотической гипотезе Митчела [11] на мембране митохондрий, в которых происходит окислительное фосфо-,
, ,
2+
.
2+
механизма выделения квантов медиатора.
При введении в окружающий m. cutaneus pectoris Rana temporaria раствор
,
2-3 порядка (рис.1) и увеличение средней амплитуды МПКП в два - три раза. В присутствии РОФ квантовый выход МПКП во всех опытах был примерно пропорционален начальной частоте МПКП и при увеличении концентрации РОФ существенно не менялся. Максимум на кривых зависимости частоты МПКП от времени действия РОФ определяется, по-видимому, количеством ионов Са, вышедших из митохондрий в протоплазму нервного окончания. Следующий за максимумом спад частоты МПКП может объясняться уменьшением количества синаптических пу-, . -кое падение частоты МПКП в присутствии высоких концентраций РОФ, вызывающих первоначальное быстрое и очень сильное повышение частоты. Постепенное падение частоты МПКП в присутствии РОФ может происходить вследствие
2+ -
.
Рис.1. Влияние РОФ на проводимость БЛМ из фосфолипидов митохондрий (А), на дыхание митохондрий (Б) и на частоту МПКП (В). Ось абсцисс: концентрация разобщителей, Ось ординат: А - проводимость искусственных мембран; Б -потребление кислорода (субстрат - сукцинат+ротенон);В - относительная частота МПКП. f, - частота в растворе Рингера, f - частота через 30 минут после смены растворов.1 - тетрахлор-2-трифторметилбензимидазол; 2 -дикумарол; 3 - 2,4-динитрофенол; 4 - м-нитрофенол.
В ряду эффективности действия РОФ на синаптическую передачу не последнее место занимают интересующие нас с точки зрения супертоксикантов такие препараты, как - 2,4-дихлорфенол, пентахлорфенол, 2,4,5-трихлорфенол и 2-метил-4-хлорфенол.
Как токсикант ОС, пентахлорфенол (ПХФ) вызывает раздражение слизистых оболочек, потерю аппетита, рвоту, сердцебиение, поражение печени и даже . -
качестве консерванта древесины поступали жалобы на причинение вреда здоровью людей. В моче лиц, живших в зоне обработки, определялось больше ПХФ, чем у . ,
средств защиты древесины с использованием ПХФ-содержащих препаратов, за.
В числе механизмов развития экологической патологии, вызванной диоксинами и ДПТ, определенная роль принадлежит нарушениям клеточного состава лимфоцитов [16], которая может служить одним из тестов нарушения функциональной активности клеток. Токсическое действие на животных и человека экотоксиканта ТХДД реализуется на молекулярном уровне через его специфическое связывание с ариуглеводородным (Ah) рецептором. Этот рецептор является лиганд-активируемым транскрипционным фактором, принадлежащим к суперсемейству ДНК-связывающих белков, имеющих симметричный элемент третичной структуры типа «спираль-петля-спираль» [17]. ( ) h-
рецептор регулирует транскрипцию специфических генов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков, среди которых цитохромы Р-450, 1А1 и 1А2 на сегодняшний день являются наиболее изученными. Исследования показали, что диоксиновый рецептор и его естественный лиганд являются регуляторами многих важнейших , . свойства диоксинов - их токсикологич еская активность, связывают с высокой ли-пофильностью и стабильностью в живых организмах и объектах ОС. Проявление высокой токсичности диоксинов способствует их высокое сродство к специфичному белковому Ah-рецептору (aromatic hydrocarbonhydrooxilase). Благодаря высокой стабильности диоксина в клетке и прочности его комплекса с биорецептором, каждая его молекула многократно участвует в индукции синтеза окислительных фер-. , h- , -ренесенным в ядро, участвует в активации генов, контролирующих синтез гемопротеинов. Предполагается, что в ядре данный комплекс активирует определенный ( h- ). , ,
формы цитохрома Р-450 (Р-448), накопление которых в организме считается наи.
В заключении можно отметить, что приведенные экспериментальные подходы по анализу механизмов действия ряда супероксикантов на животные орга-, , этап в попытках найти адекватные пути в борьбе со всеобщим глобальным загряз.
клетку, следующий главный вопрос, который ждет своего ответа - поможет ли это знание в поисках противоядий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Слепян ЭМ. Диоксины. Ж. Жизнь и безопасность. 1 4, 1996. - 172 с.
2. Claude Riffaud. Demain la mer. Paris, 1972.
3. Зенкевич Л., Коровкина Г., Михайлов С., Штейман Р. Дары моря. - М., 1968.
4. Хашаев Т.З., Шекшеев Э.М. и др. //Изучение действия супертоксикантов на информационные системы биологических мембран//. Материалы Международного семинара «Информационные сети, системы и технологии». - М.-Ярославль, ч. 2, 1997.- C. 16-17.
5. Эйхлер В. Яды в нашей пище. - М.: Мир, 1993.
6. Стоцкая Л. Москва: диоксины оскалили «волчью пасть». Газета СЕГОДНЯ,14.06.1999.
7. . . // -
// , 2, 1998. - C. 2-5.
8. Умнова Н.В., Туэт XT., Румак B.C. // Эколого-генетические последствия воздействия
// -
центр-98, кн. 2, ч. 3, с.113, - М.: Ханой, 1997.
9. Бабаков A.B., Ермишкин Л.H., Либерман КА. //Физические свойства фосфолипидных моделей клеточных мембран и влияние на них электрического поля//. Ж. Эволюционной биохимии и физиологии. Т. 2, i 2, 1966. - C. 102.
10. Borst P., Loos J.A., Christ E.J., Slater E.C. // Uncoupling activity of long-chain fatty acids//. BBA, 62, - p. 509, 1962.
11. Mitchell P. //Chemiosmotic coupling in oxidative and photosynthetic phosphorylation//. Bod-win. Glynn Res., 1966.
12. . ., . . // -
сификация РОФ//. Ж. Биофизика, XIII, в. 6, 1968. - C. 1025.
13. Либерман КА., Мохова ЕМ., Скулачев В.П., Топалы В.П. //Действие РОФ на БЛМ//. Ж. Биофизика, XIII, 1968. - C. 188. *
14. Глаголева КМ., Либерман КА., Хашаев З.Х. //Влияние РОФ на выход ацетилхолина из нервных окончаний. Ж. Биофизика, XV, в. 1, 1970. - C. 76.
15. Скулачев В.П.// Аккумуляция энергии в клетке//. - М.: Наука, 1969.
16. Балмасоеа К.П., Никитина Т.П., Лавров О.В. //Чувстветельность лимфоидных субпопуляций к биогенным аминам при патологий, вызванной диоксинами//. Сб. трудов «Современные проблемы аллергологии». 2-й Национальный конгресс РААКИ, 22-24 сентября 1998. - М., 1998. - 222 с.
17. Dolwick K.M., Schmidt J.V., e.c.t. //Cloning and expression of human Ah receptor cDNA//. Mol. Pharmacol. V. 44, P. 911, 1993.
AX. Базян
КОДИРОВАНИЕ ЭМОЦИОНАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ МОЗГОМ ЖИВОТНЫХ: МОЛЕКУЛЯРНО-ХИМИЧЕСКИЙ КОД
До настоящего времени считалось, что головной мозг кодирует информацию двумя способами: это синаптический частотный код и код по модальности. Интенсивность любого периферического стимула: зрительного, слухового и т. д. кодируется частотой синаптической передачи и передается по специфическим анатомическим путям и структурам, которые и являются кодом по модальности. Синаптическая связь строго специфична. Терминали миелинизированы. Скорость проведения импульса - 50 м/сек. Обязательным условием является наличие пост-синаптических ионотропных рецепторов - Na+ или Cl- каналы, генерирующие ВПСП (возбуждающий постсинаптический потенциал) или ТПСП (тормозной постсинаптический потенциал). ВПСП или ТПСП характеризуются: синаптической задержкой - максимум 0,5 мс; максимальная амплитуда ПСП наступает на 2-3 мс; общая длительность ПСП - 10 мс [Куффлер, Николс, 1996]. В головном мозге млекопитающих эти требования удовлетворяются в основном только двумя системы: глютаматергическая система, генерирующая ВПСП и ГАМКергическая система, генерирующая ТПСП. Постсинаптический ионотропный холинорецептор, ни-KOTHHOBbrn-Na+ канал, обнаружен только на вставочных и промежуточных нейронах: locus coeruleus, habenula (одно из ядер таламуса), стриатум, супраоптическое . -
ма [Базян, 2001].
Все остальные системы мозга (моноамины, мускариновая холинергическая система ретикулярной формации и коры, нейропептиды и нейрогормоны) являют-
[ , 1987].
компактно локализованы в определенных структурах, а терминали иннервируют многочисленные структуры мозга. Терминали диффузных систем немиелинизиро-ваны, обладают варикозными расширениями, наполненными пузырьками. Нейромодуляторы выделяются (в ответ на деполяризацию) по всей длине аксонов. Скорость проведения импульса 0,5 м/сек. Рецепторы этих систем метаботропные: через процессы фосфорилирования модулируют потенциал-зависимые ионные кана, -ронов. Латентный период медленных потенциалов (МП) - более 250 мс. Максимальная амплитуда МП достигается на 3-4 с. Общая длительность МП более 10 . ,
1000 . -
