Ксенобиотик — это химическое вещество, обнаруженное в организме , которое не вырабатывается естественным путем и не ожидается , что оно будет присутствовать в организме. Он также может охватывать вещества, которые присутствуют в гораздо более высоких концентрациях , чем обычно. Природные соединения также могут стать ксенобиотиками, если они поглощаются другим организмом, например, при поглощении естественных человеческих гормонов рыбой, обитающей ниже по течению от сбросов очистных сооружений, или при химической защите, вырабатываемой некоторыми организмами в качестве защиты от хищников. [1] Термин «ксенобиотик» также используется для обозначения органов, трансплантированных от одного вида к другому.
Однако термин «ксенобиотики» очень часто используется в контексте таких загрязнителей, как диоксины и полихлорированные дифенилы, и их воздействия на биоту , поскольку под ксенобиотиками понимают вещества, чуждые всей биологической системе, т.е. искусственные вещества, которых не существовало в природе. природе до их синтеза человеком. Термин «ксенобиотик» происходит от греческих слов ξένος (ксенос) = чужеземец, незнакомец и βίος (биос) = жизнь, а также греческого суффикса прилагательных -τικός, -ή, -όν (-тикос, -ē, -он). Ксенобиотики можно разделить на канцерогены , лекарства, загрязнители окружающей среды, пищевые добавки , углеводороды и пестициды.
Организм удаляет ксенобиотики путем метаболизма ксенобиотиков . Это заключается в дезактивации и выведении ксенобиотиков и происходит главным образом в печени. Пути выведения — моча, кал, дыхание и пот. Ферменты печени ответственны за метаболизм ксенобиотиков, сначала активируя их (окисление, восстановление, гидролиз и/или гидратация ксенобиотика), а затем конъюгируя активный вторичный метаболит с глюкуроновой кислотой , серной кислотой или глутатионом с последующей экскрецией в желчь или моча. Примером группы ферментов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков, является печеночный микросомальный цитохром Р450 . Эти ферменты, метаболизирующие ксенобиотики, очень важны для фармацевтической промышленности, поскольку они отвечают за расщепление лекарств. Видом с этой уникальной системой цитохрома P450 является Drosophila mettleri , которая использует устойчивость к ксенобиотикам для использования более широкого диапазона гнездования, включая как почву, увлажненную некротическими экссудатами, так и сами некротические участки.
Хотя организм способен удалять ксенобиотики, восстанавливая их до менее токсичной формы посредством метаболизма ксенобиотиков и затем выводя их из организма, в некоторых случаях также возможно их преобразование в более токсичную форму. Этот процесс называется биоактивацией и может привести к структурным и функциональным изменениям микробиоты. [2] Воздействие ксенобиотиков может нарушить структуру сообщества микробиома за счет увеличения или уменьшения размера определенных бактериальных популяций в зависимости от вещества. Функциональные изменения, которые возникают в результате, варьируются в зависимости от вещества и могут включать повышенную экспрессию генов, участвующих в реакции на стресс и устойчивость к антибиотикам , изменения в уровнях вырабатываемых метаболитов и т. д. [3]
Организмы также могут эволюционировать , чтобы переносить ксенобиотики. Примером может служить совместная эволюция выработки тетродотоксина у грубокожего тритона и эволюция устойчивости к тетродотоксину у его хищника, обыкновенной подвязочной змеи . В этой паре хищник-жертва эволюционная гонка вооружений привела к высокому уровню токсина у тритона и, соответственно, к высокому уровню резистентности у змеи. [4] Эта эволюционная реакция основана на том, что змея развивает модифицированные формы ионных каналов , на которые действует токсин, и становится устойчивой к его воздействию. [5] Другим примером механизма толерантности к ксенобиотикам является использование транспортеров АТФ-связывающей кассеты (ABC) , который в основном проявляется у насекомых. [6] Такие переносчики способствуют устойчивости, обеспечивая транспортировку токсинов через клеточную мембрану, тем самым предотвращая накопление этих веществ внутри клеток.
Ксенобиотические вещества представляют собой проблему для систем очистки сточных вод, поскольку их много, и каждое из них представляет свои проблемы с тем, как их удалить (и стоит ли пытаться это сделать).
Некоторые вещества ксенобиотики устойчивы к деградации. Ксенобиотики, такие как полихлорированные бифенилы (ПХД), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и трихлорэтилен (ТХЭ), накапливаются в окружающей среде из-за своих неподатливых свойств и стали проблемой для окружающей среды из-за своей токсичности и накопления. Это происходит, в частности, в подземной среде и водных источниках, а также в биологических системах, потенциально способных повлиять на здоровье человека. [7] Некоторые из основных источников загрязнения и попадания ксенобиотиков в окружающую среду происходят из крупных отраслей промышленности, таких как фармацевтика, добыча ископаемого топлива, отбеливание целлюлозы и бумаги и сельское хозяйство. [8] Например, это могут быть синтетические хлорорганические соединения , такие как пластмассы и пестициды, или встречающиеся в природе органические химикаты, такие как полиароматические углеводороды (ПАУ) и некоторые фракции сырой нефти и угля.
Микроорганизмы могут быть жизнеспособным решением проблемы загрязнения окружающей среды в результате разложения ксенобиотиков; процесс, известный как биоремедиация . [9] Микроорганизмы способны адаптироваться к ксенобиотикам, попадающим в окружающую среду посредством горизонтального переноса генов , чтобы использовать такие соединения в качестве источников энергии. [8] Этот процесс можно дополнительно изменить, чтобы манипулировать метаболическими путями микроорганизмов, чтобы разлагать вредные ксенобиотики в определенных условиях окружающей среды с более желательной скоростью. [8] Механизмы биоремедиации включают как генно-инженерные микроорганизмы, так и выделение встречающихся в природе микробов, разлагающих ксенобиотики. [9] Были проведены исследования с целью выявления генов, ответственных за способность микроорганизмов метаболизировать определенные ксенобиотики, и было высказано предположение, что эти исследования могут быть использованы для создания микроорганизмов специально для этой цели. [9] Не только можно спроектировать существующие пути для экспрессии в других организмах, но и создание новых путей является возможным подходом. [8]
Ксенобиотики могут быть ограничены в окружающей среде и труднодоступны в таких областях, как подземная среда. [8] Деградирующие организмы могут быть созданы для увеличения подвижности, чтобы получить доступ к этим соединениям, включая усиление хемотаксиса . [8] Одним из ограничений процесса биоремедиации является то, что для правильного метаболического функционирования определенных микроорганизмов необходимы оптимальные условия, которые может быть трудно достичь в окружающей среде. [7] В некоторых случаях один микроорганизм может оказаться неспособным выполнять все метаболические процессы, необходимые для разложения ксенобиотического соединения, и поэтому могут использоваться «синтрофные бактериальные консорциумы». [8] В этом случае группа бактерий действует совместно, в результате чего тупиковые продукты одного организма подвергаются дальнейшему разложению другим организмом. [7] В других случаях продукты одних микроорганизмов могут подавлять активность других, и поэтому необходимо поддерживать баланс. [8]
Многие ксенобиотики оказывают разнообразные биологические эффекты, что используется при их характеристике с помощью биоанализа . Прежде чем их можно будет зарегистрировать для продажи в большинстве стран, ксенобиотические пестициды должны пройти тщательную оценку на предмет факторов риска, таких как токсичность для человека, экотоксичность или стойкость в окружающей среде. Например, в процессе регистрации было обнаружено, что гербицид клорансулам-метил относительно быстро разлагается в почве. [10]
Термин «ксенобиотик» также используется для обозначения органов , трансплантированных от одного вида к другому. Например, некоторые исследователи надеются, что сердца и другие органы можно будет пересадить от свиней человеку. Ежегодно умирает множество людей, чьи жизни можно было бы спасти, если бы критический орган был доступен для трансплантации. Почки в настоящее время являются наиболее часто пересаживаемым органом. Ксенобиотические органы необходимо будет развивать таким образом, чтобы они не были отвергнуты иммунной системой .
Метаболизм лекарств . Метаболизм ксенобиотиков перенаправлен на особый случай: метаболизм лекарств.