Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Декабря 2014 в 02:48, курс лекций
Экологическая химия находится на стыке целого ряда научных дисциплин и во многом соприкасается и перекрывается со смежными научными направлениями, среди которых можно назвать биологические и геологические науки, в то же время экотоксикология тесно связана с медико-фармакологическими дисциплинами. Экологическая химия изучает изменения химических веществ под воздействием факторов окружающей среды, причем центральной задачей является изучение поведения антропогенных веществ, т.е. их содержания (концентрации в окружающей среде), процессов разложения, превращения и накопления в организмах и окружающей среде.
Определение понятий «экологическая химия» и «экотоксикология».
Задачи и основные понятия в экотоксикологии.
Пространственный фактор определяет пути наружного поступления и распространения яда. Это распространение во многом связано с кровоснабжением органов и тканей, поскольку количество яда, поступающего к определенному органу, зависит от его объемного кровотока, отнесенного к единице массы тканей.
Под временным фактором подразумеваются скорость поступления яда в организм и скорость его выведения из организма, отражая связь между временем действия яда и его токсическим эффектом.
Концентрационный фактор (концентрация яда в биологических средах, в частности, в крови) считается основным в клинической токсикологии. Определение этого фактора позволяет различать токсикогенную и соматогенную фазы отравления и оценить эффективность дезинтоксикационной терапии. Исследование динамики концентрационного фактора помогает обнаружить в токсикогенной фазе отравлений два основных периода: период резорбции (продолжающийся до момента достижения максимальной концентрации токсичного вещества в крови) и период элиминации (от этого момента до полного очищения крови от яда).
Большое значение имеет определение «избирательной токсичности» яда – способности повреждать определенные клетки и ткани, не затрагивая при этом другие, с которыми он находится в непосредственном контакте.
Соответственно степени тяжести определяют легкие, средней тяжести, тяжелые, крайне тяжелые и смертельные отравления, прямо зависящие от выраженности клинической симптоматики и в меньшей степени – от величины принятой дозы.
Острые отравления развиваются при одномоментном поступлении в организм токсической дозы вещества и характеризуются острым началом и выраженными специфическими симптомами.
Хронические отравления обусловлены длительным, часто прерывистым, поступлением ядов в малых (субтоксических) дозах. Заболевания при этом начинаются с появления мало специфических симптомов, отражающих первичное нарушение функций преимущественно нервной и эндокринной систем. Выделяют более редкие по своей распространенности подострые отравления, когда при однократном введении яда в организм клиническое развитие отравления очень замедлено и вызывает продолжительное расстройство здоровья.
Острые отравления целесообразно рассматривать как «химическую травму», развивающуюся вследствие попаданий в организм токсической дозы чужеродного химического вещества. Токсикогенный эффект при этом носит характер патогенной реакции и наиболее ярко проявляется в первой клинической стадии острых отравлений – токсикогенной, когда токсический агент находится в организме в дозе, способной вызвать специфическое действие.
Вторая клиническая стадия острых отравлений – соматогенная, наступает после удаления или разрушения токсического агента в виде «следового» поражения структуры и функций различных органов и систем организма.
Таким образом, общий токсический эффект является результатом специфического токсического действия и неспецифических реакций организма – соматогенного действия.
Токсикокинетика
Данный раздел экотоксикологии рассматривает закономерности всасывания, распределения, накопления, метаболизма (биотрансформации) и выведения ядовитых веществ при остром и хроническом отравлениях.
Основными путями поступления ядовитых веществ в организм человека и животных являются пищеварительный тракт, органы дыхания и кожные покровы. Ядовитые вещества через желудочно-кишечный тракт поступают в основном из-за безконтрольного скармливания кормов, загрязненных токсическими веществами или содержащих завышенные количества некоторых кормовых добавок: поваренной соли, карбамида, хлопкового шрота и др., а также при употреблении ядовитых растений, загрязненной воды. Всасываются вещества в основном в тонком отделе кишечника, однако при загрязнении кормов липидотропными фосфорорганическими пестицидами они поступают в организм, начиная со слизистой оболочки ротовой полости.
Мембранные системы организма имеют одинаковое строение, но отличаются по функциональным свойствам. Они представляют собой подвижные структуры, образованы белково-фосфолипидными комплексами и обладают ограниченной проницаемостью для различных соединений.
Механизм прохождения веществ через мембраны достаточно сложный, так как на него влияют не только функциональные особенности самих мембран, но и определенные функции протоплазмы и клеточных белков. В целях упрощения объяснения этого механизма выделяют четыре основных типа транспортировки различных веществ.
1 тип характерен для нейтральных молекул. Быстрее всего диффундируют молекулы веществ, обладающих высокими липофильными свойствами. Они проникают через клеточные мембраны по законам диффузии, как, например, многие наркотические вещества. Крупные молекулы, например, белки, проникают сквозь мембраны через крупные щели или путем пиноцитоза (везикулярного транспорта).
2 тип транспорта осуществляется посредством молекул - носителей в мембране, которые свободно движутся (осциллируют) между внутренними и наружными ее поверхностями, как, например, транспорт глюкозы в эритроцитах человека.
3 тип мембранного транспорта связан с потреблением энергии, которая образуется в результате метаболизма аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) в самой мембране. Предполагается, что при этом молекула вещества соединяется с носителем. Примером могут служить процессы транспорта ионов калия в клетках млекопитающих, всасывание и выведение веществ в ионизированной форме почечными канальцами и т.д. В качестве носителей обычно служат ферменты, например, калий и натрий – зависимая аденозинтрифосфатаза.
4 тип транспорта касается
В последние годы выделена специальная группа веществ, характеризующаяся специфическим мембранотоксическим действием, так называемые мембранотоксины. К их числу относятся эндогенные и экзогенные вещества, обладающие фосфолипазной активностью, в результате которой происходят дезорганизация и разрушение основной жидкокристаллической структуры мембран с последующей гибелью клеток.
Классификация мембранотоксинов
Механизмы повреждения мембран
В конечном итоге, повреждение мембранных структур приводит к изменению их проницаемости для ионов, что в свою очередь обусловлено изменениями поверхностного заряда на мембране и степени гидрофобности липидной фазы мембран. Причем оба эти фактора действуют одновременно, хотя их относительный вклад в итоговое изменение проницаемости мембран в разных случаях различен. Эти же факторы определяют, в конечном счете, неспецифическое действие на проницаемость мембран различных соединений.
Одним из основных токсикологических показателей является объем распределения, т.е. характеристика пространства, в котором распределяется данное токсическое вещество.
Существует 3 главных сектора распределения чужеродных веществ: внеклеточная жидкость (примерно 14 л для человека массой тела около 70 кг), внутриклеточная жидкость (28 л) и жировая ткань, объем которой значительно варьирует. Объем распределения зависит от трех основных физико-химических свойств данного вещества: водорастворимости, жирорастворимости и способности к диссоциации (ионообразованию). Водорастворимые соединения способны распространяться во всем водном секторе (внеклеточная и внутриклеточная жидкости) организма – около 42 л; жирорастворимые вещества накапливаются (депонируются) преимущественно в липидах.
Основным препятствием для распределения водорастворимых веществ в организме являются плазменные мембраны клеток. Именно процесс диффузии через этот барьер будет определять накопление вещества внутри клеточного объема, т.е. переход от распределения в 14 л воды (внеклеточная жидкость) к распределению в 42 л. Первый из этих обменов соответствует распределению маннита, который не проникает в клетки тканей, а второй – распределению мочевины, которая свободно проходит через мембраны клеток, растворяясь во всем водном секторе. Объемы распределения других веществ можно сравнивать с объемом распределения маннита или мочевины.
В конечном счете, путь вещества, поступающего в организм из желудочно-кишечного тракта и распределяющегося в двухкамерной системе, может быть представлен в виде направленных потоков:
J1
I1
J2ß----Cß---->kC ------>J3,
где J1 – поток вещества, всасывающегося из желудка; J2 – поток экскреции; J – условный поток утилизации препарата в тканях (метаболическое превращение); С – концентрация вещества в плазме; k – коэффициент связи вещества с белками сектора V2. Кроме этих следует учитывать и другие факторы, влияющие на судьбу данного вещества, например, физиологическое состояние организма, его пол, биоритмы и т.д.
Некоторые вещества по мере продвижения в пищевой цепи не рассеиваются, а накапливаются, т.е. это биологическое накопление или кумуляция. Кумуляция – увеличение, накопление, собирание или сосредоточение действующего начала.
Если скорость поступления каких либо веществ выше, чем скорость их разложения, то можно говорить об их кумуляции. Это явление может наблюдаться в окружающей среде (почве, осадках, воздухе, воде) или в отдельном организме.
Коэффициент кумуляции (накопления) рассчитывается по разному для разных веществ. Например, для радиоактивных элементов - отношение содержания вещества в организме к содержанию его в окружающей среде.
Токсичные вещества в организме
Наиболее распространенным способом поступления токсичных веществ в организм является перроральный. Ряд ядовитых жирорастворимых соединений – фенолы, некоторые соли, особенно цианиды – всасываются и поступают в кровь уже в полости рта.
На протяжении желудочно-кишечного тракта существуют значительные градиенты рН, определяющие различную скорость всасывания токсичных веществ. Кислотность желудочного сока близка к 1, вследствие чего все кислоты здесь находятся в неионизированном состоянии и легко всасываются. Напротив, неионизированные основания (например, морфин, ноксирон) поступают из крови в желудок и далее в виде ионизированной - в кишечник. Токсичные вещества в желудке могут сорбироваться и разбавляться пищевыми массами, в результате чего уменьшается их контакт со слизистой оболочкой. Кроме того, на скорость всасывания влияют интенсивность кровообращения в слизистой оболочке желудка, перистальтика, количество слизи и т.д.
В основном всасывание ядовитых веществ происходит в тонкой кишке, содержимое которой имеет рН - 7,5-8,0. В общей форме барьер кишечника «среда – кровь» представляется следующим образом: эпителий, мембрана эпителия со стороны капилляра, базальная мембрана капилляра.
Всасывание летучих соединений начинается уже в верхних дыхательных путях, но наиболее полно осуществляется в легких. Происходит оно по закону диффузии в соответствии с градиентом концентрации. Подобным образом в организм поступают многие летучие неэлектролиты: углеводороды, галогеноуглеводороды, спирты, эфиры и т.д. Скорость поступления определяется их физико-химическими свойствами и в меньшей степени состоянием организма (интенсивность дыхания и кровообращения в легких).
В дыхательных путях происходит два процесса: задержка и выделение поступивших частиц. На процесс задержки влияют агрегатное состояние аэрозолей и их физико-химические свойства (размер частиц, форма, гигроскопичность, заряд и т.д.). В верхних дыхательных путях задерживается 80-90% частиц величиной до 10 мкм, в альвеолярную часть поступает 70-90% частиц размером 1-2 мкм и менее. В процессе самоочищения дыхательных путей эти частицы вместе с мокротой удаляются из организма. В случае поступления водорастворимых и токсичных аэрозолей их резорбция может происходить по всей поверхности дыхательных путей, причем заметная часть через носоглотку попадает в желудок.
Проникновение токсичных веществ через кожу также имеет большое практическое значение. Основные пути поступления токсичных веществ: через эпидермис, через волосяные фолликулы и выводные протоки сальных желез.
Эпидермис рассматривается как липопротеиновый барьер, через который могут диффундировать разнообразные газы и органические вещества в количествах, пропорциональных их коэффициентам распределения в системе «липиды – вода». Это только первая фаза проникновения яда, второй фазой является транспорт этих соединений из дермы в кровь. Если предопределяющие эти процессы физико-химические свойства сочетаются с их высокой токсичностью, то опасность тяжелых кожных отравлений значительно возрастает.
Механические повреждения кожи (ссадины, царапины, раны и т.д.), термические и химические ожоги способствуют проникновению токсичных веществ в организм.
Характер взаимодействия токсичного вещества с организмом зависит от многих факторов, относящихся как к самому токсическому агенту в конкретно сложившейся токсической ситуации, так и пострадавшему организму. Последние можно разделить на две группы: внутренние, присущие пострадавшему, и внешние, влияющие на формирование ответной реакции на химическую травму.
Общая классификация факторов, определяющих развитие отравлений: