6.9.2. Связь между структурой вещества и его особенностями как поллютанта

Данный вопрос имеет большое значение, поскольку выявление связи между химической структурой соединения и его физико-химическими свойствами, с одной стороны, и его характеристиками как БАВ и как загрязняющего биосферу вещества, с другой, позволило бы прогнозировать степень экологической опасности того или иного соединения. Ценность подобных прогнозов, если их окажется возможным делать, была бы очень значительна, поскольку они сэкономили бы большие средства, необходимые на дорогостоящие токсикологические и экотоксикологические испытания. Хотя полной теории пока нет, на качественном уровне можно сделать определенные обобщения о роли некоторых особенностей структуры молекул ксенобиотиков для их значения как загрязнителей биосферы; подробнее эти проблемы освещены в обширной литературе, в том числе, например, в работах [Geyer et al., 1984; Govers et al., 1984; Le Blanc, 1984; Баренбойм, Маленков, 1986; Boethling, 1986; Bossert, Bartha, 1986; Devillers et al., 1986; Niemi et al., 1987; Preussmann, Wiessler, 1987].

Для анализа связи между структурой веществ и их биологической активностью (quantitative structure-activity relationships, QSAR) используется более 40 различных физических и химических характеристик веществ. В самом кратком виде отметим некоторые особенности связей между структурой веществ и их биологической активностью.

Во-первых, немалую роль имеет гидрофобность (липофильность) вещества, определяемая соотношением в структуре молекулы гидрофобных и гидрофильных групп.

Экотоксикологическое значенние гидрофобности было показано, в частности, в работах по изучению ПАВ с различной длиной углеводородной цепи в гидрофобной части молекулы.

В случае водных экосистем существенное значение имеет не столько сама гидрофобность, сколько сочетание двух свойств: гидрофобности и стабильности молекул в воде. Именно сочетание последних двух качеств приводит к высокой биоаккумуляции веществ в рыбах.

В случае наземных позвоночных организмов также есть указания на корреляцию между гидрофобиостыо вещества (которую определяют по коэффициенту распределения в системе октанол- вода) и способностью к биоаккумуляции в жировой ткани, хотя некоторые исследования указывают на отсутствие простой и общей Для всех ксенобиотиков закономерности [Garten, Trabalka, 1983].

Во-вторых, существенное значение имеет содержание галогенов в молекуле загрязняющего вещества. Замена атомов водорода в молекуле вещества на атомы галогенов увеличивает химическую устойчивость данного соединения в биосфере. При увеличении числа атомов галогенов в молекуле ее персистентность (устойчивость) растет.

В-третьих, немаловажна роль эпоксигрупп. Показано, что у ряда инсектицидов замена двойной связи в молекуле на эпоксигруппу приводит к увеличению биологической активности вещества. Появление эпоксигруппы в молекуле вещества может увеличивать его персистентность.

В-четвертых, немаловажную роль может иметь конформация молекул. Так, двумя пестицидами, отличающимися друг от друга только конформацией, являются альдрин и изодрин. При их эпоксидации образуются продукты окисления, содержащие эпоксигруппу и также отличающиеся друг от друга только конформацией. Эти продукты окисления носят следующие названия: производное изодрииа, содержащее эпоксигруппу, называется эндрином; аналогичное производное альдрина называется дильдрином. Доступность молекул для атаки ферментами, а следовательно, и биодеграда-бельность этих молекул зависит от конформации данных молекул.

Так, оказалось, что структура изодрина и его эпоксипроизводного - эндрина легче атакуется ферментами, чем конформационно несколько иначе "вывернутая" структура альдрина и его эпоксипроизводного - дильдрина. Именно этим, по-видимому, можно объяснить то, что у млекопитающих эндрин метаоолизируется быстрее, чем альдрин.

У растений изодрин расщепляется несколько легче, чем отличающийся от него конформацией альдрин. Показано, что изодрин разрушается с образованием продукта, имеющего на три атома углерода меньше, чем сам изодрин. В то же время более "устойчивый" альдрин претерпевает всего лишь разрыв одной из связей между двумя атомами углерода. Получается довольно стабильный продукт, содержащий ровно столько же атомов углерода, сколько исходный альдрин. Таким образом, конформация молекулы может иметь принципиальное значение для ее способности разрушаться при биохимических реакциях, т. е. для ее биодеградабельности.

Перспективная задача исследований в данной области создание теории, которая позволит лучше распознавать "недеградабельные" или превращающиеся в более токсичные (в том числе генотоксичные) вещества непосредственно по их химической структуре.

Для некоторых групп веществ, загрязняющих биосферу, уже удается выявить субъединицы (элементы структуры) молекул, ответственные за мутагенные свойства данных веществ. Так, одной из групп загрязняющих веществ, содержащей мутагенпые и канцерогеппые соединения, являются питроарены - полициклические вещества, которые входят в состав эмиссий мусоросжигательных печей и дизельных двигателей. На основе анализа структур 53 нитроаренов, из которых 26 имели выраженную мутагенную активность для сальмонелл, были выявлены два элемента их структур, ответственные за мутагенность молекул, их содержащих [Klopman, Rosenkranz, 1984]. Эти фрагменты молекул содержали нитрогруппу и четыре или шесть прилежащих атомов углерода. Интересно, что одновременно были выявлены также два других элемента структуры молекул, наличие которых как бы деактивировало проявление действия фрагментов, ответственных за мутагенность. При одновременном сосуществовании в молекуле фрагментов обоих типов такое вещество либо вообще не было мутагеном, либо проявляло лишь слабую (маргинальную) мутагенную способность.

По-видимому, в системах in vivo и тем более в природных экосистемах количественное предсказание биологической активности ксенобиотиков на основе знаний их структуры и даже их биологической активности на других биообъектах невозможно или весьма сильно ограничено. Одна из возможных причин - очень значительные межвидовые различия в активности ферментов, важных для биотрансформации ксенобиотиков (например., [Watkins Кlаassen, 1986]).

Среди различных параметров веществ, изучаемых в рамках QSAR,- энтропия жидкости и газа, скорость изменения температуры кипения при изменении давления, молекулярная масса, плотность, критическая плотность, молекулярный объем, критическое давление, коэффициент теплопроводности, теплоемкость, температура плавления, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, вязкость, логарифм распределения вода-воздух, дипольный момент, первый потенциал ионизации и др.