6.8. Некоторые особенности метаболизма ксенобиотиков

У многих организмов (включая позвоночных животных, а также членистоногих) описана окислительная активность монооксигеназ- ных систем с участием цитохромов Р-450, которые способны мета- болизировать широкий круг ксенобиотиков, включая пестициды, полихлорбифенилы (ПХБ), полициклические ароматические углеводороды, терпены древесины, фенолы природного и антропогенного происхождения и многие другие вещества. Высшие организмы сохраняют также способность к реакциям конъюгации, которые, как полагают, эволюционно возникли еще у таких беспозвоночных животных, как плоские черви и иглокожие (рис. 40).

У бактерий метаболизм поллютантов происходит под воздействием множества различных ферментов (как и у животных).

Рис. 40. Филогенетическое дерево и наличие в организмах разных таксонов ферментов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков У организмов приведенных на рисунке таксонов встречаются ферменты, осуществляющие те реакции трансформации ксенобиотиков, которые указаны на рисунке с помощью следующих обозначений: О - окисление, В - восстановление, Г - гидролиз, АК - конъюгация с аминокислотами, ГТ - конъюгация с глутатионом, А - ацетилирование, С - конъюгация с сульфатом, Гл - конъюгация с глюкозой, ГУК конъюгация с глюкуроновой кислотой, М - метилирование, Гис - конъюгация с гистидином, Ф - Фосфорилирование

Проблемы бактериального разрушения ксенобиотиков освещены во многих публикациях (см., например, библиографический бюллетень "Человек и биосфера" БЕН АН СССР, 1978-1990).

Среди микроорганизмов встречаются штаммы, осуществляющие неполную деградацию поллютантов. Поэтому полное разрушение, скажем, пестицидов требует, как правило, совместного действия нескольких организмов и абиотических факторов.

Некоторые аспекты проблем деградации ксенобиотиков с участием микроорганизмов водных экосистем рассмотрены во многих работах (например, [Forster, 1985; Яблоков, Остроумов, 1985; Скрябин, Головлева, 1986; Кирсо и др., 1988; Ставская и др., 1988]).

Таблица 44. Примеры плазмид, придающих бактериям способность разрушать органические вещества

Общая картина реакций деградации усложняется тем, что наряду с микроорганизмами большую роль играют реакции с участием свободных радикалов и другие процессы.

Биотрансформация чужеродных веществ под воздействием микроорганизмов и ферментов протекает и в почвах. Изучение этих реакций в почвах в немалой мере затруднено крайней гетерогенностью среды и адсорбцией ксенобиотиков, микроорганизмов и ферментов на частицах и коллоидах почв.

Даже если микроорганизм обладает необходимым для разрушения поллютанта ферментным аппаратом, он не всегда может его полностью использовать из-за отсутствия необходимых дополнительных субстратов или кофакторов. Поэтому многие поллютанты (например, ДДТ и некоторые другие пестициды) могут разлагаться рядом микроорганизмов только в условиях кометаболизма, т. е. при обеспеченности соответствующими косубстратами, кофакторами и т. д. Так, в экспериментальных условиях метаболизм некоторых пестицидов значительно стимулировался добавками этанола, глюкозы и т. д.

Некоторые проблемы исследования кометаболизма ксенобиотиков проанализированы в работах Г. К. Скрябина и Л. А. Головлевой [Головлева, Скрябин, 1979; Скрябин, Головлева, 1986].

Практически очень важен тот факт, что генетически способность некоторых штаммов бактерий разрушать тот или иной ксенобиотик или поллютант зависит от наличия в клетках плазмид (табл. 44).

Установлено, что плазмиды придают бактериям способность Деградировать такие соединения, как октан, нафталин, салицилат (рис. 41) и толуат, пестициды (например, [Боронин, 1984; Боронин, Цой, 1989; Скрябин, Головлева, 1986]) и другие ксенобиотики.

Рис. 41. Последовательность реакций биодеградации нафталина [Yen et al., 1983, с изменениями] Реакции осуществляются ферментами, закодированными в плазмиде NAH7. Плазмида NAH7 выделена из бактерии Pseudomonas putida. Ферменты, закодированные в этой же плазмиде, осуществляют биодеградацию салициловой (salicylic) кислоты. Среди ксенобиотиков, вносимых человеком в биосферу, немалая часть - производные нафталина и салициловой кислоты. Цифрами обозначены биохимические реакции, [осуществляемые следующими фермента- 1 - нафталиндиоксигеназа, 2 - цис-дигидродиолнафналиндегидрогеназа, 3 - 1,2-дио- ксинафталиндиоксигеназа, 4 - 2-оксихромен-2-карбоксилатизомераза, 5 2-оксибен зальпируватальдолаза, 6 - салицилальдегиддегидрогеназа, 7 - салицилатгидроксила- за, 8 - катехолдиоксигеназа, 9 - 2-оксимуконатсемиальдегиддегидрогеназа, 10 - 2- оксимуконаттаутомераза, 11 - 4-оксалилкротонатдекарбоксилаза, 12 - 2-оксо-4-пен- теноатгидратаза, 13 - 2-оксо-4-оксипентаноатальдолаза. 2-оксимуконовый семиальдегид может быть прямо превращен в 2-оксо-4-пентеновую кислоту при действии гидролазы. Полная биодеградация данных ксенобиотиков требует всего набора указанных ферментов. Поскольку плазмиды содержат весь необходимый набор целиком, то приобретение плазмид подобного типа резко увеличивает способность бактерий (и экосистем, их^содержащих) разрушать загрязняющие вещества

В 1977 г. Пембертон и Фишер сообщили о том, что один из штаммов почвенной бактерии Alcaligenes paradoxus содержит плазмиду, придающую ей способность разрушать широко распространенный гербицид 2,4-Д (2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту) . Пембертон считает, что именно благодаря этой плазмиде, способной переходить в новые бактериальные популяции, бактерии со способностью разрушать 2,4-Д довольно широко распространены в природе (Pemberton, 1981; см. [Остроумов, 1986]). Эта же плазмида выделена из другого вида бактерий - A. eutrophus. Показано, что эта плазмида относится к группе плазмид с широким спектром хозяев. С помощью генной инженерии и конструирования плазмид, объединяющих гены, ответственные за отдельные последовательные стадии разрушения устойчивых пестицидов, можно будет придать бактериям способность разрушать эти поллютанты (рис. 42). Возможно, что полезным окажется клонирование (операция, приводящая к накоплению большого числа копий определенного участка ДНК) генов резистентных насекомых, ответственных за детоксикацию пестицидов.

Рис. 42. Метаболизм ДДТ при совместном участии двух видов бактерий Aerobacter и Hydrogenomonas 1 - ДДТ; 2 - дихлордифенилметан; 3 - хлорфенилуксусная кислота. Хлорфенилуксусная кислота значительно менее устойчива в окружающей среде, чем ДДТ. С помощью методов генетической инженерии можно создать бактерию, способную осуществлять обе эти реакции

Использование генной инженерии может оказаться полезным при работе еще в одном направлении - для создания организмов, резистентных к тому или иному типу загрязняющих экосистему веществ. Такой подход интересен для создания сортов сельскохозяйственных растений, устойчивых к определенным гербицидам; использование таких сортов существенно облегчило бы управление соответствующими агроэкосистемами.

Установлено, что резистентность некоторых сорняков к гербициду атразину связана с мутацией в ДНК их хлоропластов, приводящей к замене остатка серина на остаток глицина в одном из белков хлоропластов. Именно этот белок в норме связывает молекулу атразина. Модификация белка, связанная с этой мутацией, влечет потерю способности белка связывать атразин, и растение становится нечувствительным к последнему. Работа по искусственному встраиванию в хлоропласты сельскохозяйственных растений гена, обеспечивающего резистентность к атразину, представляет собой одну из задач биотехнологии.

Необходимо еще раз подчеркнуть две важные особенности трансформации загрязняющих веществ в экосистемах и организмах. Во-первых, высока персистентность (устойчивость) многих ксенобиотиков в биосфере в реальных условиях. Так, по некоторым данным, ДДТ исчезает из почвы за время, доходящее до 30 лет; альдрин и хлордан - за срок до 15 лет, диэльдрин - до 25, гептахлор - до 14, линдан - до 15 лет и т. д. (см. также разд. 6.10.1). Во-вторых, некоторые поллютанты могут подвергаться распаду или трансформации таким образом, что получающиеся продукты оказываются значительно более устойчивыми или токсичными (см. разд. 6.3-6.6).

Последнее привело к появлению в научной литературе нового термина. По аналогии с термином "детоксикация" (detoxication или detoxification) стали говорить "токсификация" (toxification, т. е. процесс, при котором исходно нетоксичный или малотоксичный ксенобиотик подвергается в организме воздействию ферментов и становится более токсичным, канцерогенным или мутагенным. Примерами могут служить некоторые полициклические ароматические углеводороды, которые превращаются в канцерогенные эпоксиды под действием ферментов монооксигеназ, эпоксигидролаз и оксиметилсинтетаз (например, [Pelkonen, Nebert, 1982]), а также многие другие ксенобиотики (например, [Anders, 1985]).

Комнатные цветы объявления Беляевка среди цветов.