Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет

имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Курсовая работа по теме:

«Метаболические превращения загрязняющих веществ в окружающей среде и их экологическое значение»

Студент: Захаров В.В Гр х-390702

Преподаватель: Рыжкова Н.М.

Екатеринбург 2011



Оглавление

метаболизм загрязняющий органический вещество

Введение

Метаболические превращения загрязняющих веществ в окружающей среде

Метаболизм

Методы исследования метаболизма

Метаболизм углеводов и липоидов

Метаболизм белков

Общие представления о метаболизме органических веществ

Метаболизм чужеродных соединений

Окисления чужеродных веществ

Восстановление чужеродных веществ

Гидролиз чужеродных веществ

Дезалкилирование, дезаминирование и десульфирование чужеродных соединений

Другие метаболические превращения

Загрязняющие вещества

Загрязняющие вещества в разных средах

Вещества, загрязняющие воду

Влияние веществ, загрязняющих воду на атмосферу

Влияние веществ, загрязняющих воду на литосферу и биосферу

Загрязняющие вещества в сточных водах

Загрязняющие вещества в атмосфере

Перечень загрязняющих веществ

Коды загрязняющих веществ

Некоторые примеры загрязняющих веществ

Заключение

Список литературы



Введение

Загрязняющие вещества являются разрушителями общей экологической обстановки на планете. Проникая во все экосистемы, они видоизменяют их в худшую сторону, что несет в себе угрозу человечеству в виде крупномасштабных природных катастроф (ярким примером служит глобальное потепление). Чтобы избежать поражения всех экосистем планеты (атмосфера, гидросфера, литосфера, биосфера), необходимо не только производить контроль над выбросами загрязняющих веществ, но и пересмотреть в целом отношение людей к экологии.

В последние годы мы часто слышим и употребляем слово «экология», но вряд ли можно считать, что все понимают под ним одно и то же. Термин «экология» (от греческих «ойкос» -- дом, место обитания, и «логос» -- наука) был придуман в 1866 году немецким зоологом Эрнстом Геккелем, который ввел его в обиход для обозначения «общей науки об отношениях организмов к окружающей среде», куда мы относим в широком смысле все «условия существования».

Но сейчас понятие «экология» уже далеко вышло за рамки того, что вкладывалось в него Эрнстом Геккелем. Теперь это уже самостоятельная наука об окружающей среде (с точки зрения ее взаимодействий с живыми организмами и, прежде всего с людьми).

Целью моей курсовой работы является понять актуальную проблему метаболических превращений загрязняющих веществ в окружающей среде и их экологическое значение. Чтобы достичь поставленной цели нужно решить задачи:

1) Понять суть метаболизма. Что это такое.

2) Знать виды, пути метаболизма.

3) Выявить метаболизмы чужеродных веществ

4) Расширить свои знания о загрязняющих веществах.

5) Их виды и источники.

6) Дать оценку сегодняшней ситуации.

7) Написать заключение.



Метаболические превращения загрязняющих веществ в окружающей среде

Для превращения большинства органических токсичных загрязняющих веществ существуют определенные биохимические механизмы. Превращение осуществляется с участием ферментов. Главным итогом поглощения в тканях является повышение их растворимости в воде, благодаря чему происходит выведение веществ из организма. Превращение чужеродных органических соединений идет через двухфазный процесс: метаболическое превращение и конъюгацию. Метаболические превращения включают процессы окисления, восстановления, реакции гидролиза, способствующие появлению групп, повышающих полярность молекулы. Конъюгация - это взаимодействие с серной кислотой, аминокислотами, метильными и другими алкил-группами. Эти превращения в конечном счете и приводят к возрастанию полярности. Конъюгация ведет также к блокированию функциональных групп молекул токсиканта (-COOH, -OH, -NH2, -SH и др), снижая тем самым их токсичность.

МЕТАБОЛИЗМ - это обмен веществ, химические превращения, протекающие от момента поступления питательных веществ в живой организм до момента, когда конечные продукты этих превращений выделяются во внешнюю среду. К метаболизму относятся все реакции, в результате которых строятся структурные элементы клеток и тканей, и процессы, в которых из содержащихся в клетках веществ извлекается энергия. Иногда для удобства рассматривают по отдельности две стороны метаболизма - анаболизм и катаболизм, т.е. процессы созидания органических веществ и процессы их разрушения. Анаболические процессы обычно связаны с затратой энергии и приводят к образованию сложных молекул из более простых, катаболические же сопровождаются высвобождением энергии и заканчиваются образованием таких конечных продуктов (отходов) метаболизма, как мочевина, диоксид углерода, аммиак и вода.

Метаболизм

Клеточный метаболизм

Живая клетка - это высокоорганизованная система. В ней имеются различные структуры, а также ферменты, способные их разрушить. Содержатся в ней и крупные макромолекулы, которые могут распадаться на более мелкие компоненты в результате гидролиза (расщепления под действием воды). В клетке обычно много калия и очень мало натрия, хотя клетка существует в среде, где натрия много, а калия относительно мало, и клеточная мембрана легко проницаема для обоих ионов. Следовательно, клетка - это химическая система, весьма далекая от равновесия. Равновесие наступает только в процессе посмертного автолиза (само переваривания под действием собственных ферментов).

Потребность в энергии

Чтобы удержать систему в состоянии, далеком от химического равновесия, требуется производить работу, а для этого необходима энергия. Получение этой энергии и выполнение этой работы - непременное условие для того, чтобы клетка оставалась в своем стационарном (нормальном) состоянии, далеком от равновесия. Одновременно в ней выполняется и иная работа, связанная со взаимодействием со средой, например: в мышечных клетках - сокращение; в нервных клетках - проведение нервного импульса; в клетках почек - образование мочи, значительно отличающейся по своему составу от плазмы крови; в специализированных клетках желудочно-кишечного тракта - синтез и выделение пищеварительных ферментов; в клетках эндокринных желез - секреция гормонов; в клетках светляков - свечение; в клетках некоторых рыб - генерирование электрических разрядов и т.д.

Источники энергии

В любом из перечисленных выше примеров непосредственным источником энергии, которую клетка использует для производства работы, служит энергия, заключенная в структуре аденозинтрифосфата (АТФ). В силу особенностей своей структуры это соединение богато энергией, и разрыв связей между его фосфатными группами может происходить таким образом, что высвобождающаяся энергия используется для производства работы. Однако энергия не может стать доступной для клетки при простом гидролитическом разрыве фосфатных связей АТФ: в этом случае она расходуется впустую, выделяясь в виде тепла. Процесс должен состоять из двух последовательных этапов, в каждом из которых участвует промежуточный продукт.

Обмен веществ

Термин «обмен веществ» вошел в повседневную жизнь с тех пор, как врачи стали связывать избыточный или недостаточный вес, чрезмерную нервозность или, наоборот, вялость больного с повышенным или пониженным обменом. Для суждения об интенсивности метаболизма ставят тест на «основной обмен». Основной обмен - это показатель способности организма вырабатывать энергию. Тест проводят натощак в состоянии покоя; измеряют поглощение кислорода (О₂) и выделение диоксида углерода (СО₂). Сопоставляя эти величины, определяют, насколько полно организм использует («сжигает») питательные вещества. На интенсивность метаболизма влияют гормоны щитовидной железы, поэтому врачи при диагностике заболеваний, связанных с нарушениями обмена, в последнее время все чаще измеряют уровень этих гормонов в крови.

Методы исследования метаболизма

При изучении метаболизма какого-нибудь одного из питательных веществ прослеживают все его превращения от той формы, в какой оно поступает в организм, до конечных продуктов, выводимых из организма. В таких исследованиях применяется крайне разнообразный набор биохимических методов. Использование интактных животных или органов. Животному вводят изучаемое соединение, а затем в его моче и экскрементах определяют возможные продукты превращений (метаболиты) этого вещества. Более определенную информацию можно получить, исследуя метаболизм определенного органа, например печени или мозга. В этих случаях вещество вводят в соответствующий кровеносный сосуд, а метаболиты определяют в крови, оттекающей от данного органа. Поскольку такого рода процедуры сопряжены с большими трудностями, часто для исследования используют тонкие срезы органов. Их инкубируют при комнатной температуре или при температуре тела в растворах с добавкой того вещества, метаболизм которого изучают. Клетки в таких препаратах не повреждены, и так как срезы очень тонкие, вещество легко проникает в клетки и легко выходит из них. Иногда затруднения возникают из-за слишком медленного прохождения вещества сквозь клеточные мембраны. В этих случаях ткани измельчают, чтобы разрушить мембраны, и с изучаемым веществом инкубируют клеточную кашицу. Именно в таких опытах было показано, что все живые клетки окисляют глюкозу до СО₂ и воды и что только ткань печени способна синтезировать мочевину.



Использование клеток

Даже клетки представляют собой очень сложно организованные системы. В них имеется ядро, а в окружающей его цитоплазме находятся более мелкие тельца, т.н. органеллы, различных размеров и консистенции. С помощью соответствующей методики ткань можно «гомогенизировать», а затем подвергнуть дифференциальному центрифугированию (разделению) и получить препараты, содержащие только митохондрии, только микросомы или прозрачную жидкость - цитоплазму. Эти препараты можно по отдельности инкубировать с тем соединением, метаболизм которого изучается, и таким путем установить, какие именно субклеточные структуры участвуют в его последовательных превращениях. Известны случаи, когда начальная реакция протекает в цитоплазме, ее продукт подвергается превращению в микросомах, а продукт этого превращения вступает в новую реакцию уже в митохондриях. Инкубация изучаемого вещества с живыми клетками или с гомогенатом ткани обычно не выявляет отдельные этапы его метаболизма, и только последовательные эксперименты, в которых для инкубации используются те или иные субклеточные структуры, позволяют понять всю цепочку событий.

Использование радиоактивных изотопов

Для изучения метаболизма какого-либо вещества необходимы: 1) соответствующие аналитические методы для определения этого вещества и его метаболитов; и 2) методы, позволяющие отличать добавленное вещество от того же вещества, уже присутствующего в данном биологическом препарате. Эти требования служили главным препятствием при изучении метаболизма до тех пор, пока не были открыты радиоактивные изотопы элементов и в первую очередь радиоактивный углерод 14C. С появлением соединений, «меченных» 14C, а также приборов для измерения слабой радиоактивности эти трудности были преодолены. Если к биологическому препарату, например к суспензии митохондрий, добавляют меченную 14C жирную кислоту, то никаких специальных анализов для определения продуктов ее превращений не требуется; чтобы оценить скорость ее использования, достаточно просто измерять радиоактивность последовательно получаемых митохондриальных фракций. Эта же методика позволяет легко отличать молекулы радиоактивной жирной кислоты, введенной экспериментатором, от молекул жирной кислоты, уже присутствовавших в митохондриях к началу эксперимента.

Хроматография и электрофорез

В дополнение к вышеупомянутым требованиям необходимы и методы, позволяющие разделять смеси, состоящие из малых количеств органических веществ. Важнейший из них - хроматография, в основе которой лежит феномен адсорбции. Разделение компонентов смеси проводят при этом либо на бумаге, либо путем адсорбции на сорбенте, которым заполняют колонки (длинные стеклянные трубки), с последующей постепенной элюцией (вымыванием) каждого из компонентов.

Разделение методом электрофореза зависит от знака и числа зарядов ионизированных молекул. Электрофорез проводят на бумаге или на каком-нибудь инертном (неактивном) носителе, таком, как крахмал, целлюлоза или каучук. Высокочувствительный и эффективный метод разделения - газовая хроматография. Им пользуются в тех случаях, когда подлежащие разделению вещества находятся в газообразном состоянии или могут быть в него переведены.



Выделение ферментов

Последнее место в описываемом ряду - животное, орган, тканевой срез, гомогенат и фракция клеточных органелл - занимает фермент, способный катализировать определенную химическую реакцию. Выделение ферментов в очищенном виде - важный раздел в изучении метаболизма.

Сочетание перечисленных методов позволило проследить главные метаболические пути у большей части организмов (в том числе у человека), установить, где именно эти различные процессы протекают, и выяснить последовательные этапы главных метаболических путей. К настоящему времени известны тысячи отдельных биохимических реакций, изучены участвующие в них ферменты.

Поскольку практически для любого проявления жизнедеятельности клеток необходим АТФ, неудивительно, что метаболическая активность живых клеток направлена в первую очередь на синтез АТФ. Этой цели служат различные сложные последовательности реакций, в которых используется потенциальная химическая энергия, заключенная в молекулах углеводов и жиров (липидов).

Метаболизм углеводов и липоидов

Синтез АТФ.

Анаэробный метаболизм (без участия кислорода).

Главная роль углеводов и липидов в клеточном метаболизме состоит в том, что их расщепление на более простые соединения обеспечивает синтез АТФ. Несомненно, что те же процессы протекали и в первых, самых примитивных клетках. Однако в атмосфере, лишенной кислорода, полное окисление углеводов и жиров до CO₂ было невозможно. У этих примитивных клеток имелись все же механизмы, с помощью которых перестройка структуры молекулы глюкозы обеспечивала синтез небольших количеств АТФ. Речь идет о процессах, которые у микроорганизмов называют брожением. Лучше всего изучено сбраживание глюкозы до этилового спирта и CO₂ у дрожжей.

В ходе 11 последовательных реакций, необходимых для того, чтобы завершилось это превращение, образуется ряд промежуточных продуктов, представляющих собой эфиры фосфорной кислоты (фосфаты). Их фосфатная группа переносится на аденозиндифосфат (АДФ) с образованием АТФ. Чистый выход АТФ составляет 2 молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы, расщепленную в процессе брожения. Аналогичные процессы происходят во всех живых клетках; поскольку они поставляют необходимую для жизнедеятельности энергию, их иногда (не вполне корректно) называют анаэробным дыханием клеток.

У млекопитающих, в том числе у человека, такой процесс называется гликолизом и его конечным продуктом является молочная кислота, а не спирт и CO₂. Вся последовательность реакций гликолиза, за исключением двух последних этапов, полностью идентична процессу, протекающему в дрожжевых клетках.

Аэробный метаболизм (с использованием кислорода)

С появлением в атмосфере кислорода, источником которого послужил, очевидно, фотосинтез растений, в ходе эволюции развился механизм, обеспечивающий полное окисление глюкозы до CO₂ и воды, - аэробный процесс, в котором чистый выход АТФ составляет 38 молекул АТФ на каждую окисленную молекулу глюкозы. Этот процесс потребления клетками кислорода для образования богатых энергией соединений известен как клеточное дыхание (аэробное). В отличие от анаэробного процесса, осуществляемого ферментами цитоплазмы, окислительные процессы протекают в митохондриях. В митохондриях пировиноградная кислота - промежуточный продукт, образовавшийся в анаэробной фазе - окисляется до СО₂ в шести последовательных реакциях, в каждой из которых пара электронов переносится на общий акцептор - кофермент никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Эту последовательность реакций называют циклом трикарбоновых кислот, циклом лимонной кислоты или циклом Кребса. Из каждой молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты; 12 пар электронов отщепляется от молекулы глюкозы в ходе ее окисления.

Липиды как источник энергии

Жирные кислоты могут использоваться в качестве источника энергии приблизительно так же, как и углеводы. Окисление жирных кислот протекает путем последовательного отщепления от молекулы жирной кислоты двууглеродного фрагмента с образованием ацетилкофермента A (ацетил-КоА) и одновременной передачей двух пар электронов в цепь переноса электронов. Образовавшийся ацетил-КоА - нормальный компонент цикла трикарбоновых кислот, и в дальнейшем его судьба не отличается от судьбы ацетил-КоА, поставляемого углеводным обменом. Таким образом, механизмы синтеза АТФ при окислении, как жирных кислот, так и метаболитов глюкозы практически одинаковы.

Если организм животного получает энергию почти целиком за счет одного только окисления жирных кислот, а это бывает, например, при голодании или при сахарном диабете, то скорость образования ацетил-КоА превышает скорость его окисления в цикле трикарбоновых кислот. В этом случае лишние молекулы ацетил-КоА реагируют друг с другом, в результате чего образуются в конечном счете ацетоуксусная и b-гидроксимасляная кислоты. Их накопление является причиной патологического состояния, т.н. кетоза (одного из видов ацидоза), который при тяжелом диабете может вызвать кому и смерть.



Запасание энергии

Животные питаются нерегулярно, и их организму нужно как-то запасать заключенную в пище энергию, источником которой являются поглощенные животным углеводы и жиры. Жирные кислоты могут запасаться в виде нейтральных жиров либо в печени, либо в жировой ткани. Углеводы, поступая в большом количестве, в желудочно-кишечном тракте гидролизуются до глюкозы или иных сахаров, которые затем в печени превращаются в ту же глюкозу. Здесь из глюкозы синтезируется гигантский полимер гликоген путем присоединения друг к другу остатков глюкозы с отщеплением молекул воды (число остатков глюкозы в молекулах гликогена доходит до 30 000). Когда возникает потребность в энергии, гликоген вновь распадается до глюкозы в реакции, продуктом которой является глюкозофосфат. Этот глюкозофосфат направляется на путь гликолиза - процесса, составляющего часть пути окисления глюкозы. В печени глюкозофосфат может также подвергнуться гидролизу, и образующаяся глюкоза поступает в кровоток и доставляется кровью к клеткам в разных частях тела.

Синтез липидов из углеводов

Если количество углеводов, поглощенных с пищей за один прием, больше того, какое может быть запасено в виде гликогена, то избыток углеводов превращается в жиры. Начальная последовательность реакций совпадает при этом с обычным окислительным путем, т.е. сначала из глюкозы образуется ацетил-КоА, но далее этот ацетил-КоА используется в цитоплазме клетки для синтеза длинноцепочечных жирных кислот. Процесс синтеза можно описать как обращение обычного процесса окисления жирных клеток. Затем жирные кислоты запасаются в виде нейтральных жиров (триглицеридов), отлагающихся в разных частях тела. Когда требуется энергия, нейтральные жиры подвергаются гидролизу и жирные кислоты поступают в кровь. Здесь они адсорбируются молекулами плазменных белков (альбуминов и глобулинов) и затем поглощаются клетками самых разных типов. Механизмов, способных осуществлять синтез глюкозы из жирных кислот, у животных нет, но у растений такие механизмы имеются.

Метаболизм липидов

Липиды попадают в организм главным образом в форме триглицеридов жирных кислот. В кишечнике под действием ферментов поджелудочной железы они подвергаются гидролизу, продукты которого всасываются клетками стенки кишечника. Здесь из них вновь синтезируются нейтральные жиры, которые через лимфатическую систему поступают в кровь и либо транспортируются в печень, либо отлагаются в жировой ткани. Выше уже указывалось, что жирные кислоты могут также синтезироваться заново из углеводных предшественников. Следует отметить, что, хотя в клетках млекопитающих может происходить включение одной двойной связи в молекулы длинноцепочечных жирных кислот (между С-9 и С-10), включать вторую и третью двойную связь эти клетки неспособны. Поскольку жирные кислоты с двумя и тремя двойными связями играют важную роль в метаболизме млекопитающих, они в сущности являются витаминами. Поэтому линолевую (C18:2) и линоленовую (C18:3) кислоты называют незаменимыми жирными кислотами. В то же время в клетках млекопитающих в линоленовую кислоту может включаться четвертая двойная связь и путем удлинения углеродной цепи может образоваться арахидоновая кислота (C20:4), также необходимый участник метаболических процессов.

В процессе синтеза липидов остатки жирных кислот, связанные с коферментом А (ацил-КоА), переносятся на глицерофосфат - эфир фосфорной кислоты и глицерина. В результате образуется фосфатидная кислота - соединение, в котором одна гидроксильная группа глицерина этерифицирована фосфорной кислотой, а две группы - жирными кислотами. При образовании нейтральных жиров фосфорная кислота удаляется путем гидролиза, и ее место занимает третья жирная кислота в результате реакции с ацил-КоА. Кофермент А образуется из пантотеновой кислоты (одного из витаминов). В его молекуле имеется сульфгидрильная (- SH) группа, способная реагировать с кислотами с образованием тиоэфиров. При образовании фосфолипидов фосфатидная кислота реагирует непосредственно с активированным производным одного из азотистых оснований, таких, как холин, этаноламин или серин.

За исключением витамина D, все встречающиеся в организме животных стероиды (производные сложных спиртов) легко синтезируются самим организмом. Сюда относятся холестерин (холестерол), желчные кислоты, мужские и женские половые гормоны и гормоны надпочечников. В каждом случае исходным материалом для синтеза служит ацетил-КоА: из ацетильных групп путем многократно повторяющейся конденсации строится углеродный скелет синтезируемого соединения.

Метаболизм белков

Синтез аминокислот. Растения и большинство микроорганизмов могут жить и расти в среде, в которой для их питания имеются только минеральные вещества, диоксид углерода и вода. Это значит, что все обнаруживаемые в них органические вещества эти организмы синтезируют сами. Встречающиеся во всех живых клетках белки построены из 21 вида аминокислот, соединенных в различной последовательности. Аминокислоты синтезируются живыми организмами. В каждом случае ряд химических реакций приводит к образованию a-кетокислоты. Одна такая a-кетокислота, а именно a-кетоглутаровая (обычный компонент цикла трикарбоновых кислот), участвует в связывании азота.

Азот глутаминовой кислоты может быть затем передан любой из других a-кетокислот с образованием соответствующей аминокислоты.

Организм человека и большинства других животных сохранил способность синтезировать все аминокислоты за исключением девяти т.н. незаменимых аминокислот. Поскольку кетокислоты, соответствующие этим девяти, не синтезируются, незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей.

Синтез белков

Аминокислоты нужны для биосинтеза белка. Процесс биосинтеза протекает обычно следующим образом. В цитоплазме клетки каждая аминокислота «активируется» в реакции с АТФ, а затем присоединяется к концевой группе молекулы рибонуклеиновой кислоты, специфичной именно для данной аминокислоты. Эта сложная молекула связывается с небольшим тельцем, т.н. рибосомой, в положении, определяемом более длинной молекулой рибонуклеиновой кислоты, прикрепленной к рибосоме. После того как все эти сложные молекулы соответствующим образом выстроились, связи между исходной аминокислотой и рибонуклеиновой кислотой разрываются и возникают связи между соседними аминокислотами - синтезируется специфичный белок. Процесс биосинтеза поставляет белки не только для роста организма или для секреции в среду. Все белки живых клеток со временем претерпевают распад до составляющих их аминокислот, и для поддержания жизни клетки должны синтезироваться вновь.

Синтез других азотсодержащих соединений

В организме млекопитающих аминокислоты используются не только для биосинтеза белков, но и как исходный материал для синтеза многих азотсодержащих соединений. Аминокислота тирозин является предшественником гормонов адреналина и норадреналина. Простейшая аминокислота глицин служит исходным материалом для биосинтеза пуринов, входящих в состав нуклеиновых кислот, и порфиринов, входящих в состав цитохромов и гемоглобина. Аспарагиновая кислота - предшественник пиримидинов нуклеиновых кислот. Метильная группа метионина передается ряду других соединений в ходе биосинтеза креатина, холина и саркозина. При биосинтезе креатина от одного соединения к другому передается также и гуанидиновая группировка аргинина. Триптофан служит предшественником никотиновой кислоты, а из валина в растениях синтезируется такой витамин, как пантотеновая кислота. Все это лишь отдельные примеры использования аминокислот в процессах биосинтеза.

Азот, поглощаемый микроорганизмами и высшими растениями в виде иона аммония, расходуется почти целиком на образование аминокислот, из которых затем синтезируются многие азотсодержащие соединения живых клеток. Избыточных количеств азота ни растения, ни микроорганизмы не поглощают. В отличие от них, у животных количество поглощенного азота зависит от содержащихся в пище белков. Весь азот, поступивший в организм в виде аминокислот и не израсходованный в процессах биосинтеза, довольно быстро выводится из организма с мочой. Происходит это следующим образом. В печени неиспользованные аминокислоты передают свой азот a-кетоглутаровой кислоте с образованием глутаминовой кислоты, которая дезаминируется, высвобождая аммиак. Далее азот аммиака может либо на время запасаться путем синтеза глутамина, либо сразу же использоваться для синтеза мочевины, протекающего в печени.

У глутамина есть и другая роль. Он может подвергаться гидролизу в почках с высвобождением аммиака, который поступает в мочу в обмен на ионы натрия. Этот процесс крайне важен как средство поддержания кислотно-щелочного равновесия в организме животного. Почти весь аммиак, происходящий из аминокислот и, возможно, из других источников, превращается в печени в мочевину, так что свободного аммиака в крови обычно почти нет. Однако при некоторых условиях довольно значительные количества аммиака содержит моча. Этот аммиак образуется в почках из глутамина и переходит в мочу в обмен на ионы натрия, которые таким образом реадсорбируются и задерживаются в организме. Этот процесс усиливается при развитии ацидоза - состояния, при котором организм нуждается в дополнительных количествах катионов натрия для связывания избытка ионов бикарбоната в крови.

Избыточные количества пиримидинов тоже распадаются в печени через ряд реакций, в которых высвобождается аммиак. Что касается пуринов, то их избыток подвергается окислению с образованием мочевой кислоты, выделяющейся с мочой у человека и других приматов, но не у остальных млекопитающих. У птиц отсутствует механизм синтеза мочевины, и именно мочевая кислота, а не мочевина, является у них конечным продуктом обмена всех азотсодержащих соединений.

Общие представления о метаболизме органических веществ

Можно сформулировать некоторые общие понятия, или «правила», касающиеся метаболизма. Приведенные ниже несколько главных «правил» позволяют лучше понять, как протекает и регулируется метаболизм.

1. Метаболические пути необратимы. Распад никогда не идет по пути, который являлся бы простым обращением реакций синтеза. В нем участвуют другие ферменты и другие промежуточные продукты. Нередко противоположно направленные процессы протекают в разных отсеках клетки. Так, жирные кислоты синтезируются в цитоплазме при участии одного набора ферментов, а окисляются в митохондриях при участии совсем другого набора.

2. Ферментов в живых клетках достаточно для того, чтобы все известные метаболические реакции могли протекать гораздо быстрее, чем это обычно наблюдается в организме. Следовательно, в клетках существуют какие-то регуляторные механизмы. Открыты разные типы таких механизмов.

а) Фактором, ограничивающим скорость метаболических превращений данного вещества, может быть поступление этого вещества в клетку; именно на этот процесс в таком случае и направлена регуляция. Роль инсулина, например, связана с тем, что он, по-видимому, облегчает проникновение глюкозы во все клетки, глюкоза же подвергается превращениям с той скоростью, с какой она поступает. Сходным образом проникновение железа и кальция из кишечника в кровь зависит от процессов, скорость которых регулируется.

б) Вещества далеко не всегда могут свободно переходить из одного клеточного отсека в другой; есть данные, что внутриклеточный перенос регулируется некоторыми стероидными гормонами.

в) Выявлено два типа сервомеханизмов «отрицательной обратной связи».

У бактерий были обнаружены примеры того, что присутствие продукта какой-нибудь последовательности реакций, например аминокислоты, подавляет биосинтез одного из ферментов, необходимых для образования этой аминокислоты.

В каждом случае фермент, биосинтез которого оказывается затронутым, был ответствен за первый «определяющий» этап метаболического пути, ведущего к синтезу данной аминокислоты.

Второй механизм хорошо изучен у млекопитающих. Это простое ингибирование конечным продуктом (в нашем случае - аминокислотой) фермента, ответственного за первый «определяющий» этап метаболического пути.

Еще один тип регулирования посредством обратной связи действует в тех случаях, когда окисление промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот сопряжено с образованием АТФ из АДФ и фосфата в процессе окислительного фосфорилирования. Если весь имеющийся в клетке запас фосфата и (или) АДФ уже исчерпан, то окисление приостанавливается и может возобновиться лишь после того, как этот запас вновь станет достаточным. Таким образом, окисление, смысл которого в том, чтобы поставлять полезную энергию в форме АТФ, происходит только тогда, когда возможен синтез АТФ.

3. В биосинтетических процессах участвует сравнительно небольшое число строительных блоков, каждый из которых используется для синтеза многих соединений. Среди них можно назвать ацетилкофермент А, глицерофосфат, глицин, карбамилфосфат, поставляющий карбамильную (H2N-CO-) группу, производные фолиевой кислоты, служащие источником гидроксиметильной и формильной групп, S-аденозилметионин - источник метильных групп, глутаминовую и аспарагиновую кислоты, поставляющие аминогруппы, и наконец, глутамин - источник амидных групп. Из этого относительно небольшого числа компонентов строятся все те разнообразные соединения, которые мы находим в живых организмах.

4. Простые органические соединения редко участвуют в метаболических реакциях непосредственно. Обычно они должны быть сначала «активированы» путем присоединения к одному из ряда соединений, универсально используемых в метаболизме. Глюкоза, например, может подвергнуться окислению лишь после того, как она будет этерифицирована фосфорной кислотой, для прочих же своих превращений она должна быть этерифицирована уридиндифосфатом. Жирные кислоты не могут быть вовлечены в метаболические превращения прежде, чем они образуют эфиры с коферментом А. Каждый из этих активаторов либо родствен одному из нуклеотидов, входящих в состав рибонуклеиновой кислоты, либо образуется из какого-нибудь витамина. Легко понять в связи с этим, почему витамины требуются в таких небольших количествах. Они расходуются на образование «коферментов», а каждая молекула кофермента на протяжении жизни организма используется многократно, в отличие от основных питательных веществ (например, глюкозы), каждая молекула которых используется только один раз.

Метаболизм чужеродных соединений

Вещества, поступившие в организм с пищей, а также лекарственные и другие соединения под влиянием ферментов подвергаются различным превращениям. Процесс превращения поступивших в организм веществ называется метаболизмом, или биотрансформацией, а вещества, образующиеся при этих превращениях, называются метаболитами.

Белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины и некоторые другие вещества, поступившие в организм, являются свойственными организму. Они служат источником энергии или являются структурными элементами для создания клеток, тканей и т. д. Свойственные организму вещества подвергаются метаболизму с помощью специфических ферментных систем, обеспечивающих жизнь тканей и деятельность организма, как говорилось выше.

Кроме свойственных организму веществ в него могут поступать лекарственные препараты, пищевые добавки, химические средства защиты растений, предметы бытовой химии и многие другие вещества, которые не свойственны организму. Они не обеспечивают энергией все нуждающиеся в ней формы жизнедеятельности и не превращаются в компоненты клеток и тканей. В определенных условиях эти вещества могут нарушать нормальные процессы метаболизма белков, жиров и других свойственных организму соединений, вызывать отравления и даже смерть. Такие вещества называются чужеродными, или ксенобиотиками. Ниже остановимся только на описании метаболизма чужеродных соединений.

Преобладающее число метаболитов является менее токсичным, чем чужеродные вещества, из которых они образовались. Метаболиты легко выводятся из организма. Поэтому метаболизм лекарственных веществ и особенно ядов является одним из путей детоксикации.- В связи с этим изучение метаболизма представляет большой интерес для фармакологов, токсикологов, клиницистов и специалистов ряда других отраслей науки.

Интерес химиков-токсикологов к изучению метаболизма ядовитых веществ объясняется рядом причин. Некоторые лекарственные вещества и яды быстро метаболизируются в организме и могут быть обнаружены только в виде метаболитов.

Физические и химические свойства большинства метаболитов отличаются от свойств чужеродных соединений, из которых они образовались. Поэтому методы выделения чужеродных соединений из биологического материала, применяемые в химико-токсикологическом анализе, во многих случаях не пригодны для выделения метаболитов. Не располагая соответствующими методами выделения метаболитов из биологического материала в ходе анализа объектов биологического происхождения на наличие ядов, химики-токсикологи частично или полностью могут потерять метаболиты.

Из-за частичной или полной потери метаболитов в ходе химико-токсикологического анализа заключение химиков-экспертов о наличии и количестве яда в соответствующих органах или биологических жидкостях не могут отражать истинного содержания искомого вещества, поступившего в исследуемые объекты.

Для более полного представления о количестве яда, вызвавшего отравление, при химико-токсикологическом анализе необходимо производить идентификацию и количественное определение не только ядовитого вещества, но и его метаболитов. Однако методы обнаружения и количественного определения многих метаболитов еще не разработаны или разработаны недостаточно.

До настоящего времени достигнуты определенные успехи в области изучения метаболизма ряда лекарственных веществ и ядов. Однако метаболизм этих веществ еще не изучен или изучен недостаточно. В литературе имеются противоречивые данные о метаболитах отдельных ядов. Большинство результатов экспериментальных исследований, посвященных изучению метаболизма чужеродных соединений, приведено в малодоступных источниках литературы. Имеется ограниченное число монографий на русском языке, посвященных метаболизму чужеродных соединений.

Методам анализа метаболитов посвящена книга Ж. Хирца, которая представляет большой интерес для химиков-аналитиков и судебных химиков, изучающих методы исследования ядов и их метаболитов. Однако эта книга не может быть руководством для специалистов указанных областей знаний. В ней приведена сводка методик анализа метаболитов без подробного описания основных этапов их исследования.

Учитывая большое значение методов анализа метаболитов для определения ядов, которые могут вызвать отравление, разработка указанных методов имеет теоретическое и практическое значение. Однако решение указанной задачи связано с некоторыми затруднениями.

Основное затруднение при исследовании метаболитов состоит в том, что они находятся в биологическом материале в малых количествах, для анализа которых требуются специальные методы. Поэтому из объектов биологического происхождения, содержащих различные по химическому составу и свойствам вещества (белки, продукты их разложения и др.), трудно выделить метаболиты количественно. Для выделения метаболитов из биологического материала необходимо применять методы, связанные с проведением ряда сложных, а иногда и трудоемких операций, при выполнении которых может теряться определенное количество этих веществ.

Количество метаболитов, выделяемых из биологического материала с помощью соответствующих методов, в ряде случаев является недостаточным для определения элементного состава, функциональных групп, химического строения, физических и химических свойств выделенных веществ.

Метаболиты, выделенные из биологического материала, необходимо подвергать исследованию с помощью соответствующих реакций и методов. Результаты этих исследований необходимо сравнивать с результатами исследований заведомо известных соединений. Такие соединения в большинстве случаев отсутствуют в химических лабораториях. Их нужно получать синтетическим путем. Синтез предполагаемых метаболитов, как правило, является довольно сложным. Поэтому вопросы исследования метаболитов иногда должны решаться совместно химиками-аналитиками и химиками-синтетиками.

Несмотря на затруднения, возникающие при изучении метаболизма, в этой области уже получены определенные результаты, позволяющие установить состав и строение многих метаболитов и вывести некоторые общие закономерности процессов биотрансформации.

Метаболизм чужеродных соединений (лекарственных препаратов, ядов и др.) в организме людей и животных происходит под влиянием ферментных систем. Большинство из ядов метабо-лизируется в печени, в которой продуцируется значительное число ферментов. Эти ферменты локализуются в митохондриях, микросомах, лизосомах клеток печени. Метаболиты, образующиеся в печени, поступают в желчь, затем в кишки и выводятся с калом или поступают в почки и выделяются с мочой. Метаболизм чужеродных соединений частично происходит в почках, легких, пищевом канале, коже и др.

Многие ферменты, под влиянием которых происходит метаболизм чужеродных соединений, присущи организму. Они катализируют превращение близких по химической природе веществ. Однако некоторые ферменты, необходимые для превращения чужеродных веществ, отсутствуют в организме, но образуются в'процессе метаболизма. В этих случаях чужеродные соединения индуцируют образование ферментов, которые катализируют их метаболизм, Такие ферменты называются индуцированными.

В процессе метаболизма под влиянием ферментов чужеродные соединения подвергаются ряду превращений, в результате которых образуются метаболиты. В молекулах метаболитов содержатся определенные функциональные группы, от наличия которых зависит полярность и растворимость этих веществ. Как правило, метаболиты являются более полярными, чем чужеродные вещества, из которых они образовались. С увеличением полярности метаболитов возрастает их растворимость в воде. Это обстоятельство приводит к увеличению возможности выделения метаболитов из организма через почки с мочой.

За небольшим исключением метаболиты являются менее токсичными, чем чужеродные соединения, из которых они образовались. Таким образом, метаболизм является одним из путей дезактивирования (дезинтоксикации) чужеродных соединений в организме.

Однако в ряде случаев метаболиты могут быть более токсичными, чем чужеродные соединения, из которых они образовались. Известно, что гексаметилентетрамин не обладает антибактериальной активностью, а его метаболит -- формальдегид -- проявляет указанную активность и является токсичным. Метиловый спирт имеет значительно меньшую токсичность, чем формальдегид, являющийся метаболитом этого спирта. При метаболизме кодеина может образовываться морфин, более токсичный, чем кодеин. Хлоралгидрат проявляет снотворное действие только после превращения его в более токсичный метаболит -- трихлорэтанол. Метаболитом фенацетина является парацетамол, который имеет более выраженное фармакологическое действие на организм, чем фенацетин. Примеров образования метаболитов более токсичных, чем чужеродные соединения, можно привести еще много.

Более токсичными, чем исходные вещества, являются продукты летального синтеза. При летальном синтезе из более простых чужеродных соединений в организме образуются более сложные соединения, обладающие токсическим действием. Это можно показать на таком примере: нетоксичная фторуксусная кислота F--СН ₂ --СООН в организме подвергается синтезу, в результате которого образуется фторлимонная кислота



На метаболизм чужеродных соединений влияют различные факторы. Метаболизм одних и тех же чужеродных соединений в организме людей может протекать не так, как в организме некоторых животных. Изменения метаболизма чужеродных веществ могут зависеть от возраста, пола, питания, различных заболеваний, стрессовых состояний, наличия других чужеродных соединений в организме и некоторых других факторов.

Метаболизм ряда чужеродных соединений происходит в две фазы. В первой фазе под влиянием ферментных систем чужеродные соединения превращаются в их метаболиты. Во второй фазе метаболиты и некоторые чужеродные соединения с определенными веществами, находящимися в организме, образовывают конъюгаты.

В первой фазе метаболизма под влиянием ферментных систем чужеродные соединения могут подвергаться окислению, восстановлению, гидролизу, дезаминированию, дезалкилирова-нию, десульфированию и другим превращениям.

Окисления чужеродных веществ

При окислении под влиянием ферментов происходит превращение многих чужеродных соединений в их метаболиты, содержащие гидроксильные (спиртовые, фенольные) группы. Поэтому такие реакции окисления называются реакциями гидроксилиро-еания. При окислении некоторых чужеродных соединений, содержащих азот и серу, образуются оксиды и другие соединения.

Гидроксилирование ароматических соединений. При окислении бензола в организме под влиянием ферментов образуется фенол, а при окислении нафталина -- нафтолы:

Продукты окисления (гидроксилирования) бензола и нафта лина (фенол и нафтолы) выделяются из организма

В алкильных производных бензола в первую очередь подвергается окислению алкильная группа. Так, толуол (метилбензол) окисляется до бензилового спирта, при дальнейшем окислении которого образуется бензойная кислота, выделяющаяся из организма в виде конъюгатов:

При наличии нескольких атомов углерода в боковой цепи алкильных производных бензола гидроксилирование может происходить при различных атомах углерода. Это можно показать на примере гидроксилирования н-пропилбензола:

З-Фенилпропан-1-ол подвергается окислению до фенилпропио-новой кислоты (C ₆ H ₅ CH ₂ CH ₂ COOH), которая при дальнейшем окислении превращается в бензойную кислоту.

Поступившая в организм салициловая кислота может выделяться из него в неизмененном виде и в виде глюкуронида. Однако часть салициловой кислоты под влиянием ферментов печени метаболизируется с образованием гентизиновой (I), диоксибензойной (II) и триоксибензойной (III) кислот:

Гидроксилирование алициклических соединений. Алицикличе-скими называются соединения, содержащие циклы или кольца из атомов углерода (кроме бензола и его производных). В организме алициклические вещества подвергаются гидроксилированию с образованием соответствующих спиртов. Циклогексан (гексагидробензол) метаболизируется в циклогексанол и циклогександиол-1, 2:

Если соединения содержат алициклическое и ароматическое кольца, то насыщенное (алициклическое) кольцо гидроксилиру-ется легче, чем ароматическое. Это можно показать на примере метаболизма тетралина, который метаболизируется с образованием тетралола и незначительного количества 5, б, 7, 8-тетрагидро-2-нафтола:

Гидроксилирование ароматических аминов и их производных

Анилин является аминопроизводным бензола. В организме под влиянием ферментов анилин подвергается гидроксилированию с образованием о -, м- и n -аминофенолов:

Ацетанилид метаболизируется путем гидроксилирования. При этом образуется о -оксиацетанилид:

Анилин также может подвергаться гидроксилированию по аминогруппе. При этом в качестве метаболита образуется фенилгидроксиламин. Этот процесс метаболизма относится к так называемому N-гидроксилированию.

Фенилгидроксиламин, образующийся при метаболизме анилина, может превращаться в нитрозобензол:



Соединения, в молекулах которых содержится азот или cepa, под влиянием ферментов могут окисляться в организме с образованием N-оксидов, сульфоксидов или сульфонов. В зависимости от атомов, подвергающихся окислению, процесс метаболизма подразделяют на N-окисление и S-окисление.

При N-окислении триметиламина образуется триметиламиноксид:

Аналогично метаболизируется диметиланилин, который под влиянием ферментов превращается в диметиланилин -- N-оксид:

Окисление спиртов и альдегидов. Первичные спирты (этиловый, бутиловый, бензиловый и др.) с помощью фермента алкогольдегидрогеназы, которая локализуется в печени, почках и легких, окисляются в соответствующие альдегиды:

СН ₃ СН ₂ ОН ---> СН ₃ СНО.

Алкогольдегидрогеназа млекопитающих имеет незначительное сродство к метиловому спирту, который метаболизируется в основном с помощью ксантиноксидазы и каталазы. Под влиянием этих ферментов метиловый спирт превращается в формальдегид.

Вторичные спирты в организме окисляются в кетоны с помощью алкогольдегидрогеназы. Однако скорость окисления этих спиртов в организме значительно меньше, чем скорость окисления первичных спиртов. Высшие вторичные и третичные спирты в организме окисляются медленно.

Окисление альдегидов. Альдегиды алифатического и ароматического ряда под влиянием ферментов окисляются в соответствующие карбоновые кислоты. Бензальдегид под влиянием альдегидоксидазы превращается в бензойную кислоту:

Хлоралгидрат под влиянием альдегиддегидрогеназы метаболизируется в трихлоруксусную кислоту:

ССl ₃ СН (ОН) ₂ ---> ССl ₃ СООН.

Восстановление чужеродных веществ

Кроме окислительных ферментных систем в печени, почках, крови содержатся ферментные системы, способствующие восстановлению чужеродных соединений в организме. Эти ферментные системы катализируют восстановление ароматических нитросоединений в амины.

С помощью ферментов (редуктаз) происходит восстановление нитробензола в анилин, n -нитрозобензойной кислоты в n -аминобензойную кислоту и т. д.

Восстановление нитросоединений в амины происходит через образование ряда промежуточных продуктов. Это можно показать на примере восстановления м -динитробензола:

Под влиянием соответствующих ферментов в организме происходит восстановление дисульфидов, сульфоксидов, N-оксидов, гидроксамовых кислот и ряда других чужеродных соединений.

Гидролиз чужеродных веществ

В организме ряд чужеродных соединений, к числу которых относятся сложные эфиры, амиды, гидроксамовые кислоты, карбаматы, нитрилы и другие вещества, под влиянием ферментных систем подвергается гидролизу.

С помощью ряда гидролитических ферментов, находящихся в печени и плазме крови, гидролизуются сложные эфиры и амиды. Под влиянием эстеразы сложные эфиры разлагаются на соответствующие кислоты и спирты:

R--COOR' + Н ₂ О ---> RСООН + R'ОН.

В организме людей и животных гидролитические ферменты в различных тканях и биологических жидкостях могут действовать неодинаково. Свидетельством этому является то, что в плазме кроликов атропин и кокаин быстро подвергаются гидролизу, а в плазме крови человека они не гидролизуются (Д. Парк, 1973).

Амиды в организме под влиянием ферментов (амидаз) подвергаются гидролизу. Однако гидролитическое расщепление амидов происходит медленнее, чем расщепление эфиров с помощью эстераз.

Дезалкилирование, дезаминирование и десульфирование чужеродных соединений

Ряд чужеродных соединений в организме под влиянием соответствующих ферментных систем подвергается дезаминированию, дезалкилированию и десульфированию.

Дезалкилирование (деалкилирование). При дезалкилирова-нии происходит отщепление алкильных групп, находящихся в молекулах чужеродных соединений. Наиболее часто дезалкилированию подвергаются соединения, содержащие алкильные группы при атомах кислорода, азота и серы. В зависимости от этого процессы отщепления алкильных групп подразделяются на О-, N- и S-дезалкилирование. При дезалкилировании указанных соединений образуются соответствующие фенолы, амины и тиолы (тиофенолы, тиоспирты).

О-Дезалкилирование. Процесс О-дезалкилирования можно показать на примере фенацетина. При О-дезалкилировании фенацетина образуется парацетамидофенол (парацетамол) и аце-тальдегид:

Путем О-дезалкилирования в организме происходит превращение кодеина в морфин.

N-дезалкилирование. Чужеродные соединения, являющиеся вторичными и третичными аминами, в организме подвергаются N-дезалкилированию. В результате этого образуются соответствующие амины и альдегиды. Так, диметиланилин метаболизируется с образованием метиланилина, превращающегося в анилин и формальдегид:

В организме N-дезалкилированию подвергаются морфин и его производные. При N-дезалкилировании морфина образуются норморфин и формальдегид:

S-дезалкилирование. Под влиянием соответствующих ферментов тиоэфиры подвергаются S-дезалкилированию с образованием тиоспиртов и альдегидов:

RSCH ₃ ---> RSH + HCHO.

Дезаминирование. Ряд чужеродных соединений, содержащих первичные аминогруппы, под влиянием ферментов подвергается дезаминированию. В результате этого от молекулы вещества отщепляется аминогруппа в виде аммиака. Одним из препаратов, подвергающихся дезаминированию, является фенамин, который под влиянием ферментов печени превращается в фенилацетон и аммиак: