Ксенобиотик
Ксенобиотик организме — это химическое вещество, обнаруженное в , которое не вырабатывается естественным путем и не ожидается, что оно будет присутствовать в организме. Он также может охватывать вещества, которые присутствуют в гораздо более высоких концентрациях , чем обычно. Природные соединения также могут стать ксенобиотиками, если они поглощаются другим организмом, например, при поглощении естественных человеческих гормонов рыбой, обитающей ниже по течению от сбросов очистных сооружений, или при химической защите, вырабатываемой некоторыми организмами в качестве защиты от хищников. [ 1 ] Термин «ксенобиотик» также используется для обозначения органов, трансплантированных от одного вида к другому.
Однако термин «ксенобиотики» очень часто используется в контексте таких загрязнителей, как диоксины и полихлорированные дифенилы , и их воздействия на биоту , поскольку под ксенобиотиками понимают вещества, чуждые всей биологической системе, т.е. искусственные вещества, которые не существуют в природе до их синтеза человеком. Термин «ксенобиотик» происходит от греческих слов ξένος (ксенос) = чужеземец, незнакомец и βίος (биос) = жизнь, а также греческого суффикса прилагательных -τικός, -ή, -όν (-тикос, -ē, -он). Ксенобиотики можно разделить на канцерогены , лекарства, загрязнители окружающей среды, пищевые добавки , углеводороды и пестициды.
Метаболизм ксенобиотиков
[ редактировать ]Организм удаляет ксенобиотики путем метаболизма ксенобиотиков . Это заключается в дезактивации и выведении ксенобиотиков и происходит главным образом в печени. Пути выведения — моча, кал, дыхание и пот. Печеночные ферменты отвечают за метаболизм ксенобиотиков, сначала активируя их (окисление, восстановление, гидролиз и/или гидратация ксенобиотика), а затем конъюгируя активный вторичный метаболит с глюкуроновой кислотой , серной кислотой или глутатионом с последующей экскрецией в желчь или моча. Примером группы ферментов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков, является печеночный микросомальный цитохром Р450 . Эти ферменты, метаболизирующие ксенобиотики, очень важны для фармацевтической промышленности, поскольку они отвечают за расщепление лекарств. Видом с этой уникальной системой цитохрома P450 является Drosophila mettleri , которая использует устойчивость к ксенобиотикам для использования более широкого диапазона гнездования, включая как почву, увлажненную некротическими экссудатами, так и сами некротические участки.
Хотя организм способен удалять ксенобиотики, восстанавливая их до менее токсичной формы посредством метаболизма ксенобиотиков и затем выводя их из организма, в некоторых случаях также возможно их преобразование в более токсичную форму. Этот процесс называется биоактивацией и может привести к структурным и функциональным изменениям микробиоты. [ 2 ] Воздействие ксенобиотиков может нарушить структуру сообщества микробиома либо за счет увеличения, либо за счет уменьшения размера определенных бактериальных популяций в зависимости от вещества. Функциональные изменения, которые возникают в результате, варьируются в зависимости от вещества и могут включать усиление экспрессии генов, участвующих в реакции на стресс и устойчивость к антибиотикам , изменения в уровнях вырабатываемых метаболитов и т. д. [ 3 ]
Организмы также могут эволюционировать , чтобы переносить ксенобиотики. Примером может служить совместная эволюция выработки тетродотоксина у грубокожего тритона и эволюция устойчивости к тетродотоксину у его хищника, обыкновенной подвязочной змеи . В этой паре хищник-жертва эволюционная гонка вооружений привела к высокому уровню токсина у тритона и, соответственно, к высокому уровню резистентности у змеи. [ 4 ] Этот эволюционный ответ основан на том, что змея развивает модифицированные формы ионных каналов , на которые действует токсин, и становится устойчивой к его воздействию. [ 5 ] Другим примером механизма толерантности к ксенобиотикам является использование транспортеров АТФ-связывающей кассеты (ABC) , которое в основном проявляется у насекомых. [ 6 ] Такие переносчики способствуют устойчивости, обеспечивая транспортировку токсинов через клеточную мембрану, предотвращая тем самым накопление этих веществ внутри клеток.
Ксенобиотики в окружающей среде
[ редактировать ]Ксенобиотические вещества представляют собой проблему для систем очистки сточных вод, поскольку их много, и каждое из них представляет свои проблемы с тем, как их удалить (и стоит ли это пытаться).
Некоторые вещества-ксенобиотики устойчивы к деградации. Ксенобиотики, такие как полихлорированные дифенилы (ПХД), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и трихлорэтилен (ТХЭ), накапливаются в окружающей среде из-за своих неподатливых свойств и стали проблемой для окружающей среды из-за своей токсичности и накопления. Это происходит, в частности, в подземной среде и водных источниках, а также в биологических системах, которые потенциально могут влиять на здоровье человека. [ 7 ] Некоторые из основных источников загрязнения и попадания ксенобиотиков в окружающую среду происходят из крупных отраслей промышленности, таких как фармацевтика, добыча ископаемого топлива, отбеливание целлюлозы и бумаги и сельское хозяйство. [ 8 ] Например, это могут быть синтетические хлорорганические соединения, такие как пластмассы и пестициды, или встречающиеся в природе органические химикаты, такие как полиароматические углеводороды (ПАУ) и некоторые фракции сырой нефти и угля.
Микроорганизмы могут быть жизнеспособным решением проблемы загрязнения окружающей среды в результате разложения ксенобиотиков; процесс, известный как биоремедиация . [ 9 ] Микроорганизмы способны адаптироваться к ксенобиотикам, попадающим в окружающую среду посредством горизонтального переноса генов , чтобы использовать такие соединения в качестве источников энергии. [ 8 ] Этот процесс можно дополнительно изменить, чтобы манипулировать метаболическими путями микроорганизмов, чтобы разлагать вредные ксенобиотики в определенных условиях окружающей среды с более желательной скоростью. [ 8 ] Механизмы биоремедиации включают как генно-инженерные микроорганизмы, так и выделение встречающихся в природе микробов, разлагающих ксенобиотики. [ 9 ] Были проведены исследования по выявлению генов, ответственных за способность микроорганизмов метаболизировать определенные ксенобиотики, и было высказано предположение, что эти исследования можно использовать для создания микроорганизмов специально для этой цели. [ 9 ] Мало того, что существующие пути могут быть сконструированы для экспрессии в других организмах, но создание новых путей является возможным подходом. [ 8 ]
Ксенобиотики могут быть ограничены в окружающей среде и труднодоступны в таких областях, как подземная среда. [ 8 ] Деградирующие организмы могут быть созданы для увеличения подвижности, чтобы получить доступ к этим соединениям, включая усиление хемотаксиса . [ 8 ] Одним из ограничений процесса биоремедиации является то, что для правильного метаболического функционирования определенных микроорганизмов требуются оптимальные условия, которые может быть трудно обеспечить в окружающей среде. [ 7 ] В некоторых случаях один микроорганизм может оказаться неспособным выполнять все метаболические процессы, необходимые для разложения ксенобиотического соединения, и поэтому могут использоваться «синтрофные бактериальные консорциумы». [ 8 ] В этом случае группа бактерий действует совместно, в результате чего тупиковые продукты одного организма подвергаются дальнейшему разложению другим организмом. [ 7 ] В других случаях продукты одних микроорганизмов могут подавлять активность других, поэтому необходимо поддерживать баланс. [ 8 ]
Многие ксенобиотики оказывают разнообразные биологические эффекты, что используется при их характеристике с помощью биоанализа . Прежде чем их можно будет зарегистрировать для продажи в большинстве стран, ксенобиотические пестициды должны пройти тщательную оценку на предмет факторов риска, таких как токсичность для человека, экотоксичность или стойкость в окружающей среде. Например, в процессе регистрации было обнаружено, что гербицид клорансулам-метил относительно быстро разлагается в почве. [ 10 ]
Межвидовая трансплантация органов
[ редактировать ]Термин «ксенобиотик» также используется для обозначения органов , трансплантированных от одного вида. другому. Например, некоторые исследователи надеются, что сердца и другие органы можно будет пересадить от свиней человеку. Ежегодно умирает множество людей, чьи жизни можно было бы спасти, если бы критический орган был доступен для трансплантации. Почки в настоящее время наиболее часто пересаживаемый орган. Ксенобиотические органы необходимо будет развивать таким образом, чтобы они не были отвергнуты иммунной системой.
См. также
[ редактировать ]Метаболизм лекарств . Метаболизм ксенобиотиков перенаправлен на особый случай: метаболизм лекарств.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мансуй Д. (2013). «Метаболизм ксенобиотиков: полезные и побочные эффекты» . Биол Ожурдуи . 207 (1): 33–37. дои : 10.1051/jbio/2013003 . ПМИД 23694723 . S2CID 196540867 .
- ^ Парк, Британская Колумбия; Лаверти, Х.; Шривастава, А.; Антуан, диджей; Нейсбитт, Д.; Уильямс, ДП (2011). «Биоактивация лекарств и образование белковых аддуктов в патогенезе токсичности, вызванной лекарствами». Химико-биологические взаимодействия . 192 (1–2): 30–36. дои : 10.1016/j.cbi.2010.09.011 . ПМИД 20846520 .
- ^ Лу, Кун; Махбуб, Ридван; Фокс, Джеймс Г. (31 августа 2015 г.). «Ксенобиотики: взаимодействие с микрофлорой кишечника» . Журнал ИЛАР . 56 (2): 218–227. дои : 10.1093/ilar/ilv018 . ISSN 1084-2020 . ПМЦ 4654756 . ПМИД 26323631 .
- ^ Броди ЭД, Риденхур Б.Дж., Броди ЭД (2002). «Эволюционная реакция хищников на опасную добычу: горячие и холодные точки в географической мозаике коэволюции подвязочных змей и тритонов». Эволюция . 56 (10): 2067–82. doi : 10.1554/0014-3820(2002)056[2067:teropt]2.0.co;2 . ПМИД 12449493 .
- ^ Джеффни С., Броди ЭД, Рубен ПК, Броди ЭД (2002). «Механизмы адаптации в гонке вооружений хищник-жертва: устойчивые к ТТХ натриевые каналы». Наука . 297 (5585): 1336–9. Бибкод : 2002Sci...297.1336G . дои : 10.1126/science.1074310 . ПМИД 12193784 . S2CID 8816337 .
- ^ Брохан, Гуннар; Крегер, Тобиас; Лоренцен, Марсе; Мерцендорфер, Ганс (16 января 2013 г.). «Функциональный анализ семейства генов-переносчиков АТФ-связывающей кассеты (ABC) Tribolium castaneum» . БМК Геномика . 14 :6. дои : 10.1186/1471-2164-14-6 . ISSN 1471-2164 . ПМК 3560195 . ПМИД 23324493 .
- ^ Перейти обратно: а б с Сингх, Аджай; Уорд, Оуэн П., ред. (2004). Биодеградация и биоремедиация . Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3540211013 . OCLC 54529445 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Диас, Эдуардо (сентябрь 2004 г.). «Бактериальная деградация ароматических загрязнителей: парадигма метаболической универсальности». Международная микробиология . 7 (3): 173–180. ISSN 1139-6709 . ПМИД 15492931 .
- ^ Перейти обратно: а б с Синглтон, Ян (январь 1994 г.). «Микробный метаболизм ксенобиотиков: фундаментальные и прикладные исследования». Журнал химической технологии и биотехнологии . 59 (1): 9–23. дои : 10.1002/jctb.280590104 .
- ^ Уолт Дж.Д., Смит Дж.К., Симс Дж.К., Дубельбейс Д.О. (1996). «Продукты и кинетика аэробного метаболизма клорансулам-метила в почве». Дж. Агрик. Пищевая хим . 44 : 324–332. дои : 10.1021/jf9503570 .
