Токсическое действие вредных веществ

Экологическая токсикология основывается на изучении молекулярных механизмов воздействия различных загрязняющих веществ на физиологические процессы в клетке и в экосистеме.

В процессе эволюции микроорганизмов всегда присутствовали различные загрязняющие вещества: на раннем этапе эволюции биосферы - природные, и антропогенные - в поздние времена. Микроорганизмы всегда умели поддерживать низкую внутриклеточную концентрацию токсических веществ. Адаптация к токсичным веществам происходит двумя путями. первый путь носит наследственный характер и ведет начало от организмов, которые появились на Земле в экстремальных природных условиях. Например, сейчас имеются популяции бактерий и водорослей, устойчивых к высоким концентрациям тяжелых металлов и высоким температурам, что было характерно для Земли миллиарды лет назад.

Другой путь - создание биохимических механизмов, обеспечивающих устойчивость к токсическим факторам. Например, некоторые организмы синтезируют внутриклеточные полимеры, способные связывать и удалять из клетки ионы металлов (Cd, Cu, Ni, Co). Или осуществляется ферментативное окисление или восстановление токсичных загрязняющих веществ внутри клетки, что приводит загрязняющие вещества в менее токсические формы и т.п.

Токсичность загрязняющих веществ или других факторов окружающей среды рассматривается на уровне организмов, популяций и экосистем. В любом случае необходимо знать элементарные механизмы токсических эффектов. Поэтому изучаются механизмы воздействия токсикантов и физических факторов на внутриклеточные процессы и процессы обмена информацией между клетками.

Клетка - это основная единица живого объекта. От внешней среды клетка отделена мембраной, которая регулирует прохождение ионов и молекул из внешней среды в клетку и обратно. Мембраны создают также и архитектуру клетки. Они составляют до 80% сухих компонентов клетки. Разглядеть мембраны в разрезе можно лишь с помощью электронного микроскопа. Непосредственно к мембране примыкают структуры клетки, составляющие ее скелет. Эти структуры состоят или из белковых мышечных волокон или из микротрубочек из белка-турбулина. Скелет клетки обеспечивает жесткость конструкции клетки.

Клетки являются сложными химико-биологическими системами открытого типа, обмениваясь с внешней средой веществами, они поддерживают процессы жизнедеятельности. Действие любого химического токсиканта начинается с его проникновения внутрь клетки. Первый барьер на этом пути для токсиканта - это плазматическая мембрана, которая обладает различной проницаемостью для разных веществ.

В состав мембраны входят фосфолипиды (эфиры трехатомного спирта) и белки. Важной функцией плазматической мембраны является транспорт веществ.

Обмен с внешней средой может осуществляться путем молекулярного пиноцитоза (от греческого «пино» - пью), при этом образуются вакуоли или микрокапли внеклеточной жидкости. Это возможно благодаря отсутствию жесткого каркаса мембраны. Этот процесс служит важным механизмом проникновения веществ внутрь клетки и выделения их во внешнюю среду.

Аналогично переносятся и твердые частицы через мембрану - фагоцитоз.

В природе широко используется так называемый активный транспорт, когда вещество переносится через мембрану с помощью специальных ферментов-переносчиков (трансфераз) против градиента концентрации или электрохимического потенциала. При этом требуется затрата энергии в виде АТФ. (аденозинтрифосфорная кислота). Благодаря активному транспорту в клетке концентрируются вещества, находящиеся во внешней среде в низких концентрациях.

Ядро клетки служит местом хранения и воспроизведения большей части наследственного материала клетки и представляет собой частицу, ограниченную двойной мембраной. Ядерная мембрана имеет множество каналов - крупных пор (50нм), через которые в цитоплазму могут проходить самые различные вещества, но задерживается хромосомный материал клетки.