Биотрансформация неорганических ксенобиотиков

О метаболизме чужеродных неорганических соединений имеется значительно меньше сведений по сравнению с органическими.

Рассмотрим примеры некоторых из известных в настоящее время реакций биотраснформации неорганических ксенобиотиков.

Реакции восстановления атомов с переменной валентностью. Трансформация арсенатов As⁵⁺ в арсениты с As³⁺, селенатов с Se⁶⁺ в селениты Se⁴⁺, хлоратов Cl⁺⁶ в хлориты Cl⁺⁴. При трансформациях этого типа токсичность вещества нередко возрастает.

Реакции метилирования. Недавно было доказано, что микроорганизмы могут использовать реакции метилирования для превращения металлов в металлорганические соединения. Особое значение имеет способность некоторых микроорганизмов превращать ионы ртути в метил- и диметилртуть:

Hg²⁺ + донор метильной группы ® CH₃ – Hg⁺,

CH₃ – Hg⁺ + донор метильной группы ® CH₃ – Hg⁺ – CH₃.

Организмы, способные осуществлять эти реакции, в своих обычных метаболических процессах используют трансметилирование, образуя такие соединения, как метан; в этих системах могут реагировать также и металлы.

В этой связи повышается опасность отравления живых организмов. В отличие от металлической ртути метилртуть почти полностью поглощается организмом и лишь незначительная часть выводится из него. Метилртуть распределяется во всех тканях, тогда как неорганическая ртуть накапливается главным образом в печени и почках. Кофактором, принимающим участие в переносе метильной группы к иону ртути, является метилкорриноид – вещество, содержащее витамин В₁₂.

Неорганическое соединение мышьяка трансформируется с образованием триметилированного производного:

 

 

 

На основании представлений об условиях протекания процесса метилирования была предпринята попытка оценить способность других металлов участвовать в этой реакции. Считают, что олово, палладий, золото, серебро и таллий также могут метилироваться, тогда как свинец, кадмий и цинк не способны вступать в эту реакцию. Такой вывод обусловлен тем, что алкины свинца, кадмия и цинка в водных растворах неустойчивы, а также тем, что витамин В₁₂ не переносит метильные группы к этим элементам. Очевидно, что способность металлов участвовать в метаболических процессах и превращаться в металлорганические соединения должна учитываться в оценке их потенциальной значимости для окружающей среды.

Реакции конъюгации. Неорганический цианид обезвреживается в живых организмах конъюгацией с серой, в результате которой образуется тиоцианит:

SSO₃^2- + CN^- ® SO₃^2- + SCN^-

 

Процесс катализирует роданаза. Фермент находится в митохондриях печени различных видов животных и растений. Донорами серы служат тиосульфаты, тиосульфонаты, полисульфиды.

Цианиды также обезвреживаются при взаимодействии с глюкозой. Глюкоза, соединяясь с синильной кислотой (HCN) и другими цианидами, образует нетоксичное соединение – цианигидрин:

 

 

Метгемоглобин способен быстро присоединять к себе цианид-ион, связывая его в кровяном русле и предохранять таким образом дыхательные ферменты. Реакция взаимодействия метгемоглобина (нитрит натрия – сильный метгемоглобин- образователь) с цианид-ионом, приводящая к образованию нетоксичного комплекса – цианметгемоглобина, протекает по схеме:

 

Белки с низкой молекулярной массой и высоким содержанием цистеина (металлотионины) связывают ионы тяжелых металлов. Наиболее изучено связывание ими кадмия, хотя они могут связывать и др. металлы.

Путь биотрансформации сернистого газа (SO₂). Довольно подробно изучен в растениях. Первая стадия – окисление в сульфиты (SO₃^2-) и сульфаты (SO₄^2-) происходит в клеточной стенке при участии пероксидазы, затем происходит включение в фотосинтетический метаболизм серы (рис. 9.4.).

Рис. 9.4. Биотрансформация сернистого газа растениями. Пояснения в тексте

 

Аденозинфосфосульфат (АФS) – первый продукт в реакции взаимодействия SO₄^2- с АТФ. Активированный сульфат (фосфо-АФS) связывается с серосодержащим переносчиком белковой природы (СS) и образуется комплекс C–SO₃, который восстанавливается до сульфида (CS–SH) при участии света через ферродоксин (Fd_восст, Fd_окисл). При переносе на о-ацетилсерин (AS) образуется цистеин и метионин. В случае высокого содержания сульфаты аккумулируются в виде глутатиона.

Если восстанавливающая сила превышает имеющиеся в наличии источники углерода, сера, соединяясь с водородом, образует дисульфид (H₂S), который теряется в результате газового обмена.

Тем не менее эффективность реакций детоксикации ограничена. При продолжительном поглощении SO₂ и увеличении кислотности буферная способность цитоплазмы становится недостаточной, уровень сульфитов в хлоропластах увеличивается, и SO₂ занимает места связывания СО₂ на рибулозодифосфаткарбоксилазе. В результате этого происходит ингибирование вторичных процессов фотосинтеза и разрушение третичной структуры ферментов.

Таким образом, как мы уже упоминали, наши познания в процессах метаболического превращения неорганических ксенобиотиков по сравнению с органическими соединениями весьма ограничены; основные причины были указаны в процессе изложения. Однако в связи с нарастающим техногенным прессом (радиоактивное загрязнение – при распаде урана образуются рутений, церий, плутоний, америций и др.) необходимо углубление наших знаний в области биотрансформации неорганических ксенобиотиков.