Ксенобиотик — это химическое вещество, обнаруженное в организме , которое не вырабатывается естественным образом или не должно 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, поглощение естественных человеческих гормонов рыбой, обитающей ниже по течению от сбросов очистных сооружений, или химическая защита, вырабатываемая некоторыми организмами в качестве защиты от хищников. [1] Термин «ксенобиотик» также используется для обозначения органов, пересаженных от одного вида другому.
Термин «ксенобиотики», однако, очень часто используется в контексте загрязняющих веществ, таких как диоксины и полихлорированные бифенилы и их влияние на биоту , поскольку ксенобиотики понимаются как вещества, чуждые целой биологической системе, т. е. искусственные вещества, которые не существовали в природе до их синтеза человеком. Термин ксенобиотики происходит от греческих слов ξένος (xenos) = иностранец, незнакомец и βίος (bios) = жизнь, плюс греческий суффикс для прилагательных -τικός, -ή, -όν (-tikos, -ē, -on). Ксенобиотики можно сгруппировать как канцерогены , лекарства, загрязнители окружающей среды, пищевые добавки , углеводороды и пестициды.
Организм удаляет ксенобиотики путем метаболизма ксенобиотиков . Он состоит из дезактивации и выведения ксенобиотиков и происходит в основном в печени. Пути выведения — моча, кал, дыхание и пот. Печеночные ферменты отвечают 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 , после чего следует выведение с желчью или мочой. Примером группы ферментов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков, является печеночный микросомальный цитохром P450 . Эти ферменты, которые метаболизируют 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 освоения более широкого ареала гнездования, включая как почву, увлажненную некротическими экссудатами, так и сами некротические участки.
Хотя организм способен удалять ксенобиотики, преобразуя их в менее токсичную форму посредством метаболизма ксенобиотиков, а затем выводить их, в некоторых случаях они также могут быть преобразованы 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, либо увеличивая, либо уменьшая размер определенных популяций бактерий в зависимости от вещества. Функциональные изменения, которые возникают, различаются в зависимости от вещества и могут включать повышенную экспрессию генов, участвующих в реакции на стресс и устойчивости к антибиотикам , изменения в уровнях производимых метаболитов и т. д. [3]
Организмы также могут эволюционировать , чтобы переносить ксенобиотики. Примером является коэволюция производства тетродотоксина у тритона с грубой кожей и эволюция устойчивости к тетродотоксину у его хищника, подвязочного ужа . В этой паре хищник-жертва эволюционная гонка вооружений привела к появлению высоких уровней токсина у тритона и, соответственно, высоких уровней устойчивости у змеи. [4] Этот эволюционный ответ основан на том, что змея развивает модифицированные формы ионных каналов , на которые действует токсин, таким образом становясь устойчивой к его воздействию. [5] Другим примером механизма переносимости ксенобиотиков является использование транспортеров АТФ-связывающей кассеты (ABC) , что в значительной степени проявляется у насекомых. [6] Такие транспортеры способствуют устойчивости, обеспечивая транспорт 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 собственные проблемы, связанные с тем, как их удалить (и стоит ли вообще пытаться это делать).
Некоторые ксенобиотические вещества устойчивы к деградации. Ксенобиотики, такие как полихлорированные бифенилы (ПХБ), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и трихлорэтилен (ТХЭ), накапливаются в окружающей среде из-за их стойких свойств и стали экологической проблемой из-за их токсичности и накопления. Это происходит особенно в подземной среде и водных источниках, а также в биологических системах, имея потенциал воздействия на здоровье человека. [7] Некоторые из основных источников загрязнения и внедрения ксенобиотиков в окружающую среду исходят от крупных отраслей промышленности, таких как фармацевтика, ископаемое топливо, отбеливание целлюлозы и бумаги и сельское хозяйство. [8] Например, это могут быть синтетические органохлориды, такие как пластик 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 этой проблемы загрязнения окружающей среды путем деградации ксенобиотиков; процесс, известный как биоремедиация . [9] Микроорганизмы способны адаптироваться к ксенобиотикам, введенным в окружающую среду посредством горизонтального переноса генов , чтобы использовать такие соединения в качестве источников энергии. [8] Этот процесс может быть дополнительно изменен для манипулирования метаболическими путями микроорганизмов с целью деградации вредных ксенобиотиков в определенных условиях окружающей среды с более желательной скоростью. [8] Механизмы биоремедиации включают как генную инженерию микроорганизмов, так и изоляцию встречающихся в природе микробов, деградирующих ксенобиотики. [9] Были проведены исследования для выявления генов, ответственных за способность микроорганизмов метаболизировать определенные ксенобиотики, и было высказано предположение, что эти исследования могут быть использованы для того, чтобы конструировать микроорганизмы специально для этой цели. [9] Можно не только спроектировать текущие 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 сконструированы для повышения мобильности, чтобы получить доступ к этим соединениям, включая улучшенный хемотаксис . [8] Одним из ограничений процесса биоремедиации является то, что для надлежащего метаболического функционирования определенных микроорганизмов требуются оптимальные условия, которые может быть трудно обеспечить в условиях окружающей среды. [7] В некоторых случаях один микроорганизм может быть не способен выполнять все метаболические процессы, необходимые для деградации ксенобиотического соединения, и поэтому могут использоваться «синтрофные бактериальные консорциумы». [8] В этом случае группа бактерий работает совместно, в результате чего тупиковые продукты одного организма далее деградируют другим организмом. [7] В других случаях продукты одного микроорганизма могут подавлять активность другого, и, таким образом, необходимо поддерживать баланс. [8]
Многие ксенобиотики производят различные биологические эффекты, которые используются, когда они характеризуются с помощью биопроб . Прежде чем они могут быть зарегистрированы для продажи в большинстве стран, ксенобиотические пестициды должны пройти обширную оценку 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, пересаженных от одного вида другому. Например, некоторые исследователи надеются, что сердца и другие органы можно будет пересаживать от свиней к людям. Каждый год умирает множество людей, чьи жизни можно было бы спасти, если бы критический орган был доступен для пересадки. Почки в настоящее время являются наиболее часто пересаживаемым органом. Ксенобиотические органы должны быть разработаны таким образом, чтобы они не отторгались иммунной системой.
Метаболизм лекарственных средств – Метаболизм ксенобиотиков перенаправлен на особый случай: метаболизм лекарственных средств.