21 Л- 2. Особенности химии биологических молекул. (Вопрос 1) 1. Живая система обязательно химически гетерогенна. 2. Разнообразие организмов определяется разнообразием сочетаний атомных групп (групп атомов) и их взаимодействий. Живая природа характеризуется единством химического строения. 3. Строение и свойства клетки и организма в конечном счете диктуются нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК), которыми задается генетическая программа синтеза белков. В то же время ни одна химическая реакция в клетке не идет без участия специального фермента. 4. Биохимические процессы и биологические молекулы являются результатом эволюционного развития. Биологической эволюции предшествовала химическая, далее они были связаны неразрывно. Виды и организмы характеризуется биохимической, молекулярной адаптацией к условиям среды. 5. Жизнь характеризуется точной и тонкой индивидуализацией. Биологические молекулы и макромолекулы имеют строго определенные состав и строение. 6. Химические реакции в организмах строго регулируются как прямыми и обратными связями в многостадийных процессах метаболизма, так и пространственным разделением реакций вследствие компартментации, реализуемой клеточными и внутриклеточными мембранами. Поддерживаются тонкие концентрационные градиенты. 7. Биологические молекулы построены из атомов легких элементов: С, Н, О, N, Р, S. Кроме того, в организмах универсальна функциональность ионов щелочных и щелочноземельных металлов Na, К, Ca, Мg. Важнейшую, хотя и не универсальную, роль играют малые количества других металлов — Fе, Zn и т. д., вплоть до Мо. 22 (Вопрос 2) Биологической активностью (БА) химического соединения называют его способность изменять функциональные возможности всех компонентов организма или живого организма в целом. Понятие «биологическая активность» охватывает широкий круг явлений. С точки зрения химического воздействия под биологически активными веществами (БАВ) принято понимать вещества, которые могут действовать на биологические системы (в том числе на организм человека), регулируя их жизнедеятельность. (Вопрос 3) Так, по своему происхождению они делятся на cледующие типы: косные (минералы); биокосные (нефть, уголь и др.); компоненты живой природы (белки, нуклеиновые кислоты и др.); антропогенные (капрон, нейлон, амидопирин); вещества смешанного происхождения (ДНК, выделенная из клеток и используемая в качестве лекарственного препарата, является компонентом живой природы и антропогенным веществом). (Вопрос 4) Кроме такой классификации по своему происхождению биологически активные вещества можно разделить на вещества, преднамеренно созданные для контакта с человеком (нейлон, аспирин), и вещества, которые попадают в организм человека вследствие неконтролируемых обстоятельств (остаточные пестициды в сельскохозяйственных продуктах). По способу контакта с человеком вещества этих двух групп можно разделить на попадающие внутрь (лекарства); вступающие в наружный контакт (капрон); вступающие в символический контакт (любое вещество, вид которого вызывает рефлекторную реакцию организма). (Вопрос 5) 1) огромное множество биологических объектов, их состояний и индивидуальное воздействие каждого химического соединения на живой организм; 23 2) зависимость проявления биологической активности химическим соединением от способа и условий попадания в организм; 3) наличие или отсутствие дополнительных воздействий других химических соединений в совокупности с данным; 4) зависимость проявления биологической активности от способа наблюдения; 5) возможность проявления разных видов биологической активности одним веществом, сочетание различных видов биологической активности; 6) зависимость воздействия химических соединений на организм от его состояния. (Вопрос 6) Установлено, что каждое химическое соединение, обладающее биологической активностью, взаимодействует с рецептором определенной частью (био- или фармакофором) за счет образования слабых химических связей, за которые отвечают определенные центры. Взаимодействия химического соединения и рецептора определяются, в основном, слабыми невалентными взаимодействиями. Среди них основную роль играют взаимодействия за счет образования водородных связей и ван-дер-ваальсовых сил, которые для молекул, обладающих дипольным моментом, складываются из ориентационного, индукционного и дисперсионного взаимодействий. Силы электростатического притяжения, ван-дер-ваальсовы и водородные связи возникают при частичном переносе электронов от молекулы донора к акцептору с образованием комплекса с переносом заряда. Такие взаимодействия считают комплексными слабыми взаимодействиями. По-видимому, для некоторых лекарственных и токсических веществ (особенно ингибиторов различных процессов) могут оказаться очень важными ковалентные взаимодействия. Так, например, многие антибиотики и мутагены связываются с ДНК ковалентно. 24 (Вопрос 7) При сопоставлении силы биологического действия химических соединений различных классов с их молекулярной массой была установлена закономерность, названная "эффектом агравации". Ее суть состоит в следующем: чем больше размер молекулы вещества, тем выше его биологическая активность. В качестве примера приводится изменение биологической активности в ряду алкалоидов: эфедрин – акрихин – атропин. С этим согласуется правило Ричардсона: наркотические свойства и токсичность углеводородов возрастают с увеличением их молекулярной массы. Позже это правило, установленное в 1869 году, было подтверждено и для других гомологических рядов. Обоснование этого правила состоит в следующем: чем больше молекула, тем она более прочно и с большей вероятностью связывается со специализированными клеточными рецепторами за счет возрастания сил электростатического притяжения благодаря образованию водородных мостиков и участия в этом процессе ван-дерваальсовых сил. (Вопрос 8) Токсичность вещества существенно зависит от присутствия в его молекулах атомов галогенов. Введение в молекулу какого-либо вещества атома галогена усиливает его химическую активность, увеличивает растворимость вещества в воде и его способность окислять биомолекулы посредством дегидрирования. Кроме того, токсичность вещества зависит от величины электрического заряда и размера атома галогена, от его подвижности и местоположения в молекуле. Кроме того, биологическая активность вещества зависит и от количества атомов галогенов в молекуле: в большинстве случаев чем их больше, тем больше биологическая активность вещества. Но при этом важную роль играет и расположение атомов в молекуле. Одной из важных молекулярных характеристик, определяющих особенности строения и разнообразные свойства химических соединений, 25 является энергия химических связей. Следует заметить, что присутствие разных атомов галогенов в одном соединении приводит к снижению его токсичности. Б.Сондерсом и М.Сартори была установлена зависимость между химической структурой и биологической активностью (токсичностью) эфиров фторкарбоновых кислот. Эти соединения проявляют слабую токсичность и практически неопасны только в том случае, когда n – нечетное число, тогда как при четном n они являются сильными синтетическими ядами, как и прочие производные фторкарбоновых кислот. При включении в структуру химического соединения атомов галогенов может изменяться его биологическая активность, например, могут усиливаться характерные лекарственные свойства препаратов. Включение атома серы, не обладающего биологической активностью, в отличие от галогенов, в молекулу углеводорода, изменяет его токсичность. Так, сила наркотического действия серопроизводных гексана в 25 раз выше, чем у исходного вещества, а у октана даже в 350 раз. Важное значение для проявления биологической активности имеет валентность атома серы, входящего в состав химического соединения. При увеличении от 2-х до 6-ти токсичность снижается, при этом параллельно снижается растворимость вещества в липидах, и значит, его способность проникать в глубь клетки. Но есть случаи, когда увеличение валентности серы при ее окислении, наоборот, усиливает токсичность вещества, что свидетельствует о неоднозначности данной зависимости. При оценке "поведения" молекул нужно учитывать и присутствие других активных атомов и групп; особенности внутримолекулярных связей и пути биотрансформации, приводящей как к усилению, так и к ослаблению действия; пространственную конфигурацию молекул. (Вопрос 9) Токсичность неорганических соединений зависит от химической природы катионов и состава и природы анионов, их образующих. Ядовитые катионы, 26 как правило, обладают положительным окислительно-восстановительным потенциалом. Так, Сu2+, Hg2+, Bе2+, Cd2+ – наиболее токсичные катионы. Катионы с сильным отрицательным потенциалом, например, Na+, К+, Cs+, Sr2+, практически неядовиты. Среди анионов наибольшей токсичностью обладают NO2– , F– , AsO43– , CN– , AsO32– , но в некоторых солях (ртути, свинца и др.) анионы не играют существенной роли в формировании токсичности. Кроме того, токсичность нерганических соединений зависит от растворимости соединений в воде и липидах. Токсичность тем выше, чем интенсивнее его всасывание в пищеварительном тракте организма. На степень токсичности вещества влияет и его способность к ионизации, т.к. токсическое действие по отношению к используемой биоструктуре оказывают именно катионы и анионы. (Вопрос 10) 1. Доза, концентрация, время, эффект. Доза вещества и время его действия. Понятие дозы используют для количества вещества, введенного в организм, или количества ионизирующей радиации, поглощеннолй тканями живых организмов. Доза – общее количество и количественная единица массы. Время действия - период, в течение которого организм находится под воздействием токсического вещества. Изменение показателя во времени прослеживается при воздействии одной и той же дозы или концентрации. Для получения равного токсического эффекта с уменьшением дозы необходимо увеличениеивремени воздействия. ПДК – предельно допустимая концентрация для воздуха рабочей зоны (моль/л). Разновидности ПДК: ПДК р.з. – предельно допустимая концентрация рабочей зоны – (г/м3) – эта концентрация не должна вызывать у рабочих при ежедневном вдыхании в пределах 8 часов в течение всего рабочего стажа заболеваний или отклонений в состоянии здоровья. 27 ПДК м.р. – предельно допустимая максимальная разовая концентрация (г/м3) не должна вызывать в течение 30 мин. Рефлекторных реакций в организме человека. И др. В настоящее время используются также средняя эффективная доза лекарства (DE50) и терапевтический индекс, который измеряет степень безопасности лекарства
