Организмідегі шетелдік химиялық заттар

Кіріспе

Ксенобиотик – организмде табиғи түрде өндірілмейтін немесе оның құрамында болуы күтилмейтін химиялық зат. Ол әдеттегіден гөрі әлдеқайда жоғары концентрацияда кездесетін заттарды да қамти алады. Табиғи қосылыстар да, егер оларды басқа организм қабылдаса, ксенобиотиктерге айналуы мүмкін, мысалы, канализация тазарту қондырғыларының төгілген жерлеріндегі балықтардың табиғи адам гормондарын сіңіруі, немесе кейбір организмдердің хищниктерден қорғану үшін шығаратын химиялық қорғаныс шаралары. Ксенобиотик термині сондай-ақ бір түрден екінші түрге трансплантталған органдарды да білдіреді. Дегенмен, ксенобиотиктер термині көбінесе диоксиндер және полихлорирленген бифенилдер сияқты ластағыштар мен олардың биотаға тигізетін әсері контекстінде қолданылады, себебі ксенобиотиктер – бүкіл биологиялық жүйеге жат, яғни адам жасағаннан бұрын табиғатта болмаған жасанды заттар ретінде түсініледі. Ксенобиотик термині грек сөздері ξένος (ксенос) = шетелдік, бейтаныс және βίος (биос) = өмір, сондай-ақ сөзбейін түзетін τικός, ή, όν (тикос, ē, on) жұрнақтарынан құралған. Ксенобиотиктерді канцерогендер, дәрілер, қоршаған орта ластағыштары, тағамдық қоспалар, көмірсутектер және пестицидтер деп жіктеуге болады.

Ксенобиотиялық метаболизм

Организм ксенобиотикті ксенобиотиктік метаболизм арқылы шығарады. Бұл ксенобиотиктердің белсенділігін жоғалтуы және организмнен шығарылуы процесін қамтиды және көбінесе бауырда жүзеге асады. Шығарылу жолдары – несеп, нәжіс, тыныс және тер. Бауыр ферменттері ксенобиотиктердің метаболизміне жауапты, олар оларды алдымен белсендіреді (ксенобиотиктің тотығуы, тотығудан кері айналуы, гидролизі және/немесе гидратациясы), содан кейін белсенді екінші метаболитті глюкуроникалық қышқылмен, күкірт қышқылымен немесе глутатионмен біріктіреді, одан кейін өт немесе несеп арқылы шығарылады. Ксенобиотиктік метаболизмге қатысатын ферменттер тобының мысалы – бауыр микросомалық цитохром P450. Ксенобиотиктерді метаболизмдейтін ферменттер фармацевтикалық өнеркәсіп үшін өте маңызды, өйткені олар дәрі-дәрмектердің ыдырауына жауапты. Осы ерекше цитохром P450 жүйесіне ие түрлердің бірі – Drosophila mettleri, ол ксенобиотиктерге төзімділікті пайдаланып, некроздық шырыштармен ылғалданған топырақ және тікелей некроздық участақтарды қоса алғанда, кеңірек ұялау аумағын пайдаланады. Организм ксенобиотиктерді ксенобиотиктік метаболизм арқылы оларды аз зиянды формаға дейін азайту арқылы шығарып тастаса да, кейбір жағдайларда олардың зияндылығы артуы мүмкін. Бұл процесс биоактивация деп аталады және микробиотаның құрылымдық және функционалдық өзгерістеріне әкелуі мүмкін. Ксенобиотиктерге ұшырау микробиом қауымдастығының құрылымын бұзуы мүмкін, заттың түріне байланысты белгілі бір бактериялық популяциялардың мөлшерін арттыру немесе азайту арқылы. Соның салдарынан болатын функционалдық өзгерістер заттың түріне байланысты әр түрлі болуы мүмкін және стресске жауап беретін және антибиотиктерге төзімділікке қатысты гендердің экспрессиясының жоғарылауын, метаболиттер деңгейінің өзгеруін және т.б. қамтуы мүмкін. Организмдер ксенобиотиктерге төзімділікке қарай эволюциялай алады. Мысалы, терісі қалың тритонның тетродотоксин өндіру эволюциясы және оның жыртқышы – жалпақбас иланның тетродотоксинге төзімділігінің эволюциясын қарастыруға болады. Бұл жыртқыш-олжа жұбындағы эволюциялық бәсекелестік тритонның жоғары деңгейдегі токсиніне және иланның оған сәйкес келетін жоғары деңгейдегі төзімділігіне әкелді. Бұл эволюциялық жауап иланның токсин әсер ететін иондық каналдардың өзгертілген формаларын дамытуына негізделген, осылайша оның әсеріне төзімділікке ие болуына мүмкіндік берді. Ксенобиотиктерге төзімділік механизміне тағы бір мысал – АТФ байланыстыру кассетасы (ABC) тасымалдаушыларының қолданылуы, бұл көбінесе жәндіктерде кездеседі. Мұндай тасымалдаушылар токсиндерді жасуша мембранасы арқылы тасымалдауға мүмкіндік береді, осылайша жасушалар ішіндегі осы заттардың жиналуын болдырмайды.

The body removes xenobiotics by xenobiotic metabolism. This consists of the deactivation and the excretion of xenobiotics and happens mostly in the liver. Excretion routes are urine, feces, breath, and sweat. Hepatic enzymes are responsible for the metabolism of xenobiotics by first activating them (oxidation, reduction, hydrolysis, and/or hydration of the xenobiotic), and then conjugating the active secondary metabolite with glucuronic acid, sulfuric acid, or glutathione, followed by excretion in bile or urine. An example of a group of enzymes involved in xenobiotic metabolism is hepatic microsomal cytochrome P450. These enzymes that metabolize xenobiotics are very important for the pharmaceutical industry because they are responsible for the breakdown of medications. A species with this unique cytochrome P450 system is Drosophila mettleri, which uses xenobiotic resistance to exploit a wider nesting range including both soil moistened with necrotic exudates and necrotic plots themselves. Although the body is able to remove xenobiotics by reducing it to a less toxic form through xenobiotic metabolism then excreting it, it is also possible for it to be converted into a more toxic form in some cases. This process is referred to as bioactivation and can result in structural and functional changes to the microbiota. Exposure to xenobiotics can disrupt the microbiome community structure, either by increasing or decreasing the size of certain bacterial populations depending on the substance. Functional changes that result vary depending on the substance and can include increased expression in genes involved in stress response and antibiotic resistance, changes in the levels of metabolites produced, etc. Organisms can also evolve to tolerate xenobiotics. An example is the co evolution of the production of tetrodotoxin in the rough skinned newt and the evolution of tetrodotoxin resistance in its predator, the Common Garter Snake. In this predator–prey pair, an evolutionary arms race has produced high levels of toxin in the newt and correspondingly high levels of resistance in the snake. This evolutionary response is based on the snake evolving modified forms of the ion channels that the toxin acts upon, so becoming resistant to its effects. Another example of a xenobiotic tolerance mechanism is the use of ATP binding cassette (ABC) transporters, which is largely exhibited in insects. Such transporters contribute to resistance by enabling the transport of toxins across the cell membrane, thus preventing accumulation of these substances within cells.