„механізми самозахисту організму

Спеціальності - 8.070801 Екологія та охорона навколишнього середовища;

5курс; гр.ГЕ-09-1м; гр. ГЕ-09-1с.

ТЕМА: „МЕХАНІЗМИ САМОЗАХИСТУ ОРГАНІЗМУ

ВІД ТОКСИНІВ”

1. ЗАХИСНІ МЕХАНІЗМИ ОРГАНІЗМУ

У ході еволюції Природа забезпечила живу речовину дивно зробленими механізмами захисту, що дозволяють не тільки протистояти дії багатьох природних і антропогенних токсинів, але й уникнути отруєння власними отрутами й продуктами метаболізму. Завдяки цим механізмам, багато тварин мають вражаючу стійкість, до смертельних отрут рослин, про що свідчать наступні приклади:

Птах носоріг харчується насіннями чилібухи, що містять смертельно отрутний стрихнін.

Жайворонки й перепелиці спокійно скльовують насіння отрутної цикути (всі органи цієї рослини сильно отрутні, але особливо токсичне його кореневище, 100-200 г якого досить, щоб убити корову, а 50-10 г - щоб убити вівцю), а багато птахів харчуються отрутними для людини ягодами омели.

Отрутна сафора є кормовою базою деяких жучків, а кролики абсолютно не сприйнятливі до найсильніших отрут блідої поганки (за умови, що вони попадають в організм через рот). Сама ж бліда поганка захищається від власних отрут, завдяки тому, що клітини її тіла, спеціалізуються на виробництві найсильнішого токсину - фаллоідина, одночасно з ним виробляють і протиотруту (антитоксин) -антаманід у кількості 1 мг/кг маси гриба.

Метелики-Монарх здатні накопичувати високо токсичні глікозиди, що вміщуються в молочному соку рослин, яким вони харчуються. У свою чергу, ці глікозиди надійно захищають самого метелика від комахоїдних і птахів. Подібні відносини з токсинами рослин характерні й для інших представників комах. Так, надзвичайно отрутна трава анабазіс, служить їжею волохатій гусениці юлуз-курт, що накопичує у своєму тілі цей токсин і сама стає отрутною.

Токсичні летучі виділення листів черемшини вбивають ґедзів, комарів і кімнатних мух, а черемхова попелиця прекрасно до них пристосувалася Летучі токсини листів дуба отруюють дизентерійну паличку, але в той же час не діють на горіхотворок, личинки яких розвиваються в дубових галлах («горішках»).

Багато мідій можуть пропускати через порожнину тіла воду, що містить нафту в дуже високих концентраціях (50, 100 і 130 мг/л). Це пояснюється їхньою здатністю виводити нафту з псевдофекаліями, а також високою резистентністю (стійкістю) епітелію мантії й зябер до впливу нафти.

Деякі рослини із сім. Бобових містять складну органічну сполуку, що є сильною отрутою для риб і комах, але абсолютно нешкідлива для людини. Украй токсична для людини беладона майже не токсична для собак, кішок і птахів, зовсім слабко діє на коней, свиней і коз й абсолютно нешкідлива для кроликів (але тільки ягоди рослини). Отрутна для людини конвалія й дуже отрутна купина («соломонова печатка») служать кормом для плямистих оленів і алтайських маралів.

Цікаво відзначити той факт, що, якщо отруту беладони ввести кроликові безпосередньо в кров (тобто минаючи шлунково-кишковий тракт), то тварина виявляється беззахисною проти цього алкалоїду. Останнє свідчить про те, що в клітинах травної системи, на відміну від клітин крові, діє механізм, що знешкоджує токсини, які попадають в організм через рот.

Взагалі ж для більшості тваринних організмів характерно те, що перший «удар» токсини звичайно наносять по найбільш динамічній системі внутрішнього середовища організму, якою є кров, тобто рідка тканина, що контактує з усіма клітинами й тканинами тіла.

Серед безлічі захисних механізмів основними в клітині є два:

1. Метаболічна екскреція (те ж, що виділення), яка дозволяє відвести якнайдалі від метаболічно активних (тобто життєво важливих) центрів токсичні продукти обміну речовин, вторинні метаболіти (властиво отрути) і там надійно "сховати" їх на певний час або назавжди (звичайно у вакуолях або у клітинній мембрані);

2. Залучення в процеси метаболізму, тобто активне використання продуктів розкладання токсинів, що надійшли в клітину, поряд з кінцевими й проміжними продуктами власного обміну речовин. Інакше кажучи, такий захист дозволяє клітині метаболізувати токсини, тобто перетворити їх у нешкідливі речовини й використовувати на власні потреби. Звичайно без впливу токсикантів цей механізм буває заблокований, схований і починає діяти тільки при надходженні в клітину ксенобіотиків, у тому числі - токсичних.

Однак варто мати на увазі, що не завжди клітина може метаболізувати токсичні сполуки. Прикладом тому служить відношення харових водоростей до токсичних компонентів стічних вод, що попадають у водойму: у той час, як одні токсиканти (гідрохінон, бензол, ароматичні вуглеводні) успішно метаболізуються клітинами водоростей, інші (роданіди, метиламін, вищі жирні аміни) інтенсивно в них накопичуються.

Взагалі ж водорості характеризуються більшою здатністю до елімінації (руйнуванню) токсичних речовин, хоча вона відрізняється в різних видів і залежить від їхніх біохімічних особливостей.

Цікаво відзначити, що ціаніди, які є найсильнішими отрутами для тварин, виявляються мало токсичними для вищих і нижчих водяних рослин.

Всі перераховані вище механізми становлять основу гомеостатичної реакції організму, тобто реакції, спрямованої на підтримку внутрішньої рівноваги організму, порушеної дією токсинів (і ін. несприятливих факторів середовища), і на забезпечення цілісності клітинних мембран, що є неодмінною умовою ефективної детоксикації.

Піклуючись про підтримку внутрішньої чистоти живої речовини Природа імовірно, виходила з тих міркувань, що не допустити влучення токсинів в організм ззовні й видалити токсичні відходи життєдіяльності важливіше, ніж його нагодувати. Імовірно, цим пояснюється саме той факт, що в багатьох тварин і людини живильні речовини доставляє одна система - кровоносна, а видаляють «відходи» - дві: кровоносна й лімфатична ("дрібне сміття" іде через кров, а "велике" - через лімфу).

2. СТУПЕНІ ЗАХИСТУ ОРГАНІЗМУ ВІД ТОКСИЧНИХ РЕЧОВИН

При цьому організм має кілька ступенів захисту від зовнішніх токсинів, завдяки наявності в нього багаторівневої системи, а саме:

1. Зовнішній рівень: Це початкова "лінія оборони" - зовнішні покриви (шкіра, слизова оболонка ока, шлунково-кишкового тракту, сечовивідних і дихальних шляхів), що безпосередньо відокремлюють організм від зовнішнього середовища;

2. 
   Проміжний рівень: Це гістогематичний бар'єр (перебуває між тканиною й кров'ю). Він "зустрічає" токсичні речовини, яким удалося перебороти зовнішній бар'єр і потрапити в кров, і захищає найважливіші внутрішні органи, центральну нервову систему й залози внутрішньої секреції.
   
3. 
   Мембранно-клітинний рівень: Цей бар'єр є заключним і самим вирішальним. Він має найтонший механізм захисту, що починається із клітинної мембрани й здійснюється практично всіма структурами клітини й, у тому числі:
   

б) транспортною системою, що виводить токсичні сполуки із клітини;

в) системою, що депонує (в основному це вакуолі), куди клітина "відправляє" токсиканти.

Крім того, Природа подбала й про те, щоб спектр завчасно «пізнаваних» людиною й тваринами токсинів і отрутних організмів був як можна ширше:

• 
  наділила багато токсичних речовин різким дурним запахом;
  
• 
  деякі отрутні тварини мають попереджуюче про небезпеку фарбування;
  
• 
  забезпечила багато організмів і людину органами зору, нюху й смаку, а гідробіонтів - ще й хемотаксисом (поведінкова реакція на наявність у середовищі токсину) і ін.
  

- гідробіонти, що мають органи пересування, вчасно залишають забруднену частину акваторії (риби, черевноногі молюски йдуть, наприклад, з тієї частини водойми, що "сигналить" високим умістом токсичних металів);

• 
  гідробіонти, що не мають органів пересування, "використовують термінові заходи" (двостулкові молюски закривають свої раковини й переходять на анаеробний обмін речовин; личинки, що живуть у мулі, коми будують більш товстостінні будиночки й т.д.).
  

Як ксенобіотики, так і продукти детоксикації видаляються з організму людини й тварин спеціальними транспортними системами виведення. Токсичні речовини виводяться через зовнішні покриви, органи подиху й ін. шляхи. Однак найбільш потужні системи виведення знаходяться у печінці, нирках. Частина токсичних речовин може бути вилучена з організму з половими продуктами й слизом.

В організмі людини існують два типи систем виведення, з яких один тип підтримує чистоту внутрішнього середовища окремих органів, а інший очищаує весь організм. У всіх випадках функціонування цієї системи забезпечується мембранно-клітинним механізмом, принцип роботи якого в загальному виді зводиться до наступного:

- на внутрішній стороні клітинної мембрани є спеціальні білки-переносники (відомо понад 200 такі білки), які спочатку «проводять упізнання» шкідливих речовин, а потім їх блокують ("надягають на них наручники"), об’єднуючись з ними в міцні комплекси. Після цього у вигляді таких комплексів токсичні речовини виводяться із клітини (наприклад, у кров).

Незважаючи на високу ефективність системи виведення, процес самоочищення клітини може "застопоритися". Подібне відбувається в тих випадках, коли кількість молекул токсину в клітині перевищує кількість молекул білків-переносників. Інакше кажучи, імовірні ситуації, коли для зв'язування всіх молекул токсину не вистачає молекул транспортних білків. Крім того, деякі токсини здатні ушкоджувати (і навіть руйнувати) ці білки.

Найбільш потужні системи ферментів перебувають у клітинах печінки. Це цілком природно, тому що в печінку надходить кров, що відводиться від кишечника й несе чималу кількість нітратів, пестицидів, важких металів і інших забруднювачів, які присутнім у харчових продуктах і питній воді. Тому на клітини печінки лягає завдання виключити можливість влучення токсинів в обмін речовин організму, з якою в багатьох випадках вони добре справляються.

Однак іноді виникає парадоксальна ситуація, коли в печінці при розкладанні токсинів утворяться більш токсичні сполуки, чим вихідні. У таких випадках печінка із провідної системи детоксикації перетворюється у виробника небезпечних речовин!

У відповідь на надлишок мікроелементів у клітині активізується синтез спеціальних білків - металотіонеїнів, які мають молекулярну масу близько 10000 – 15000 од. і багаті на SH-Групами. Ці білки здатні швидко зв'язати й міцно втримувати велику кількість іонів важких металів, причому, без особливого для організму шкоди.

Деякі метали досить специфічно ініціюють синтез металотіонеїнів. Так, при забрудненні водного середовища Cd у деяких видів крабів клітини активно синтезують ці білки, але в той же час практично "не реагують" на високі концентрації Сu і РЬ.

Функція металотіонеїнів робить організм рослини й тварини стійким до надлишкового умісту в середовищі металів. Однак ця ж функція може сприяти нагромадженню токсичних елементів по харчовому ланцюзі, тобто в умовах високого рівня забруднення середовища толерантність (стійкість) фактично обертається негативною стороною стосовно тварин і людини, які перебувають на вищих щаблях трофічної піраміди.

Незважаючи на ефективну роботу металотіонеїнів і інших біохімічних структур клітин, все-таки вона не гарантує повного захисту організму в цілому, тому що очищення одних клітинних структур, органів і тканин за рахунок акумулювання забруднювачів в інші не вирішує загальної проблеми інтоксикації організму, а лише відтягує її на якийсь час.

Крім того, варто також ураховувати, що синтез металотіонеїнів не може тривати нескінченно, а тому надлишок металів може привести до порушення життєво важливих процесів клітин і організму в цілому.

Всі процеси (у тому числі й детоксикація) у будь-якій клітині й у будь-якому організмі здійснюються з неодмінною участю води, що, наприклад, в організмі людини займає майже 70% маси його тіла. Її баланс в останньому випадку визначається наступними показниками:

- щодобові втрати на подих, з фекаліями й сечею, на випар з поверхні шкіри, у середньому відповідно рівні 0,4 л; 1-1,5 л і 0,6 л;

- щодобове надходження з їжею, питвом і в ході метаболічних процесів - 6-7 л ( у тому числі, у складі слини - до 3 л, шлункового соку - до 3 л, жовчі - майже 0,5 л, кишкового соку - до 2 л).

В організмі тварин і людини є й ендогенна вода, тобто вода, що утворюється за рахунок окислювання жирів (з 100 г жиру - 107 г води) і вуглеводів (з 100 г вуглеводів - 55,5 г води). Завдяки цьому, існують тварини, які взагалі не п'ють воду, і тварини, які можуть обходитися без її досить тривалий час. До числа останніх відноситься верблюд, повне окислювання жирового горба якого дає до 40 л води.

Високою біологічною потребою людини у воді пояснюються необхідність забезпечення населення високо якісною питною водою й той факт, що з 2 тис. техногенних хвороб 80 % викликані її низькою якістю.

Природними джерелами токсичних речовин є абіогенні (вулканічна діяльність, руйнування гірських порід, лісові й степові пожежі й ін.) і біогенні (біологічний синтез, розкладання органічних залишків) процеси.

Згідно Вуду, токсинами варто вважати речовини, здатні порушити нормальний стан і функції протоплазми (довідка: протоплазма – уміст живої клітини).

Умовно біотоксини розділяють на дві групи - екзо- і ендотоксини (приставка "екзо-" означає "зовнішній", "ендо- "внутрішній").

Ендотоксини представлені в основному складними білками, синтез яких відбувається в клітинній мембрані у всіх патогенних бактерій (збудники черевного тифу, паратифів, дизентерії й ін.).

До ендотоксинів відносяться й звичайні "відходи" обміну речовин, а також сполуки, поява яких у клітині пов'язана з різними порушеннями метаболічних процесів, викликуваних дією шкідливих факторів (наприклад, дія ряду токсичних речовин і іонізуючої радіації призводить до утворення високо токсичних окислювачів - ліпоперекисей, вільних радикалів і ін.).

Існують і вторинні екзотоксини, які відрізняються від первинних екзотоксинів тим, що попадають у зовнішнє середовище в процесі мікробіологічного розкладання залишків відмерлих організмів (тобто з посмертними виділеннями).

Одні вчені думають, що антибіотики мають пристосувальне значення й дають мікроорганізмам певні переваги (відіграють роль фактора виживання в природних популяціях). Інші дослідники, навпаки, уважають, що антибіотики це всього лише відходи життєдіяльності клітини, синтез яких не зв'язавний із провідними процесами її росту й розвитку.
2. ОСНОВНІ ПРЕДСТАВНИКИ ПРИРОДНИХ ТОКСИНІВ

Токсини мікроорганізмів. До них відносяться антибіотики, вироблювані, головним чином, бактеріями (переважно актиноміцетами) і мікрогрибами.

У цей час відоме понад 4 тис. антибіотиків, але тільки 60 з них знайшли практичне застосування в медицині, першим з яких був пеніцилін, відкритий А. Флемінгом в 1929 році.

До найсильніших білкових токсинів відноситься токсин-збудник бутулізма - Clostridium botulinum, небілковим - майотоксин, синтезований деякими мікроводоростями, і паліотоксин, як виділяється м'яким коралом. Наприклад, ціанід натрію - сильно діюча хімічна отрута, в 105-109 разів слабкіше двох останніх токсинів.

Відомі патогенні мікроорганізми, здатні синтезувати вкрай токсичні для людини сполуки з ряду лікарських препаратів, прийнятих усередину. У число таких організмів входить Еscherichia coli (кишкова паличка), що є звичайним представником нормальної кишкової флори ссавців, здійснює збражування вуглеводів і продуцює ряд найважливіших для організму людини ферментів. Деякі штами цієї бактерії здатні, наприклад, перетворювати ртутьвмістні лікарські препарати у високо токсичні похідні ртуті й навіть її вивільняти.

Жаби (звичайна європейська й ін.) виробляють буфоталін, буфотиоксин і т.п.

Шкірні залози саламандр виділяють самандарон, самандарин (його токсичність лише в 3 рази слабкіше стрихніну).

Голкочеревні й деякі інші види риб виробляють ряд токсинів, серед яких найбільш відомий тетродотоксин.

Сама отрутна з медуз і, імовірно, найсмертоносніша із всіх відомих мешканців морів і океанів, є "морська оса", названа за свою токсичність "жахом австралійських пляжів".

Деякі членистоногі виробляють токсичні кислоти. Так, наприклад, ряд видів плоских тисячаніжек, захищаючись, викидають синильну кислоту. Мурахи, кусаючи жертву, виділяють (залежно від виду) мурашину кислоту, суміш оцтової, ізовалеріанової і пропіонової кислот.

У число перших можна віднести терпеноїди, флавоноїди, феноли й ін.

Серед фітотоксинів виділяють також групу речовин, об'єднаних загальною назвою "фітоалексини" (від грецького "фітон" - рослина й "алексо" - відбиття атаки). Це особливі антибіотики, що утворюються тільки у вищих рослинах.

До фітотоксинів відносяться й низько молекулярні сполуки, у тому числі:

• 
  синильна кислота (або ціаністий водень - CNS); міститься в насінні яванського дерева, у гіркому мигдалі, ядрах кісточок абрикоса, вишні, персика, яблук;
  
• 
  кавова кислота, міститься в болиголові, смолі хвойних дерев;
  
• 
  саліцилова кислота, міститься в коріннях сенеги;
  
• 
  галлова кислота, одна з найпоширеніших рослинних кислот, міститься в різних видах сумаха, дубовій корі, коріннях гранатового дерева;
  
• 
  пиперінова кислота, міститься в різних видах перцю;
  
• 
  монофторуксусна кислота, вона синтезується дуже отрутною південноафриканською рослиною - Dichapetalum cymosum;
  
• 
  мурашина кислота, виявлена в кропиві, хвої їли, у фруктах;
  
• 
  цикутотоксин і енантотоксин виробляються цикутою й лабазником; останній за свою токсичність ще в стародавності був прозваний "п'ятипалою смертю";
  
• 
  гіперицин виробляється звіробоєм;
  
• 
  тимол (компонент багатьох ефірних масел) має особливо сильні бактерицидні властивості; тому розчин скипидару, що містить незначну кількість тимолу, затримує розвиток цвілевих грибків.
  

Фітонциди дуба, черемшини й жасмину вбивають деякі мікроорганізми за 5-6 мін., а берези, тополі й клена - за 20-25 мін. Летучі виділення бруньок тополі знищують вірус грипу, листів дуба й тополі - збудників дифтерії, хвоя сосни - палички туберкульозу.

Завдяки антимікробним властивостям фітонцидів, в 1 м³ лісового повітря утримується лише 200-300 і не більше 500 патогенних бактерій (довідка: в операційних приміщеннях допускається не більше 500 бактерій/м³).

Усього 2 г фітонцидів здатні очистити від хвороботворних мікробів кілька сотень кубічних метрів повітря. Існує навіть думка, що фітонцидами рослини самі себе «стерилізують», а тому незрівнянно менше, ніж тварини піддаються бактеріальним захворюванням.

Антимікробні властивості фітонцидам пов’язані з вхідними в їхній склад терпенами й альдегідами, а також кумаринами, які ще й виявляють мутагенну активність. Так, сосна і ялина виділяють 5-16% терпенів від їхнього умісту в самій хвої. При цьому найбільш активна хвоя верхньої частини крони.

Присутність у повітрі формальдегіду найбільш характерна для модринових лісів, хоча він виявляється й у хвойних лісах. Цей фітонцид з'являється в повітрі під час масового розпускання листя і досягає максимуму по завершенні його формування.

Найбільша концентрація кумаринів у повітрі приходиться на період основного росту або цвітіння рослин, а також листопаду й розкладання опаду, тобто на літньо-осінній період. Найбільше альдегідів міститься в повітрі березового (49,2 мкг/м), ялинового (30,2 мкг/м³) і соснового (36,9 мкг/м³) лісу. Виділення летучих токсинів рослинами має не тільки сезонну, але й добову динаміку: мінімальним воно буває в ранкові годинники, а максимальним - удень.

Фітонциди деяких трав (полинь, піжма, буркун і ін.) здатні відпугувати комах-шкідників листя і деревини.

Плоди анісу й кропу, листи м'яти й шавлії, квітки ромашки аптечної багаті на летючі ефірні масла, токсичні для більшості мікроорганізмів і вищих рослин. Особливо сильною бактерицидною властивістю володіє тимол - компонент багатьох рослинних ефірних масел.

У ряду вищих рослин активність токсинів змінюється залежно від сезону й умов зростання. Наприклад, хінне дерево, вирощене в оранжереї, втрачає свої токсичні властивості. Залежно від умов зростання стають менш небезпечними маки, чини, люпини, чемериці й борці - одні із самих отрутних рослин у світі. М'ята, що росте поруч із дурманом, знижує уміст токсинів у ньому майже в 2 рази. Козлятник, навпаки, збільшує уміст токсинів у беладони, коли росте поруч із нею.

Деякі рослини отрутні лише в певний період їхнього життя. Так, зонтична рослина - панагос кормовий (сім. Селерових) отруйний тільки до плодоносіння (тобто навесні й раннім літом). Єгипетський лотос - хліб древніх єгиптян - містить у сім'ядолях і молодих листах отрутний нелюмбин, діючий на серцевий м'яз. Однак по міру росту листи лотоса втрачають токсичність.

В організмі ряду тварин виробляються ті ж токсини, що й у рослинах. Наприклад, тригонелін міститься в георгіні, садовому горосі, у каві, вівсі й у насіннях конопель. Вітамін РР (нікотинова кислота) виділений з організму тварин і людини також у вигляді тригонеліну.

Фітопатогенні гриби синтезують також кислоти, які проявляють високу специфічну активність. До їхнього числа відноситься гриб Phoma medicaginis, що виробляє фомову кислоту, яка впливає на насіння льону, люцерни, рапсу, крес-салату й інших рослин. У результаті такі насіння не можуть прорости.

Багато вищих грибів виробляють отрутні циклопептиди (токсини блідої поганки - фаллоідін, L-Аманітин і їхні похідні, а також токсини мухоморів - мускорин і мусказон).

Токсини водоростей (альготоксини). З них найбільш важливе токсикологічне й екологічне значення мають токсини синьо-зелених водоростей.

Синьо-зелені водорості є найбільш древнім примітивним відділом фотосинтезуючих нижчих організмів. Вони класифікуються як цианобактерії й представлені одно-, багатоклітинними й колоніальними формами, що входять до складу планктонів, бентосу й педоценозів.

Поряд з фотосинтезом у синьо-зелених водоростей добре розвинутий міксотрофізм (тобто харчування подібно грибам готовими органічними речовинами), який дозволяє їм харчуватися не тільки мінеральними, але й готовими органічними сполуками, тобто при недоліку в середовищі мінеральних солей вони тимчасово переходять на міксотрофний тип харчування.

Наприклад, при сприятливих умовах (явище "цвітіння" води) активно розвиваються мікроцистіс, афанізоменон і анабена. За вегетаційний період (70 діб) одна материнська клітина водорості може дати близько 10²⁰ дочірніх клітин.

Прижиттєві й посмертні виділення цих водоростей є найсильнішими токсинами, які поєднуються загальною назвою цианотоксини. Цианотоксини добре розчинні у воді, безбарвні, не мають запаху, досить стійкі (не руйнуються кип'ятінням), що сприяє їхньому нагромадженню по харчовому ланцюзі й потраплянню в організм тварин і людини.

• 
  Asterionella - при незначному розвитку водоростей - слабкий землистий запах; при значному - запах герані; при дуже великому – сильний рибний запах;
  
• 
  Tabellaria - ароматний, геранієвий, рибний;
  
• 
  Pandorina- рибний;
  
• 
  Eudorina- слабкий рибний;
  
• 
  Aпаbаeпа - запах цвілі або трави; при великій чисельності водоростей - запах красолі; при розкладанні водоростей – запах свинячого хліва;
  
• 
  Aphanizomenon - запах цвілі, красолі, трави;
  
• 
  Coelosphaerium - запах свіжої трави.