Биохимический катализ.

Третий механизм токсического действия заключается в каталитическом или тормозящем воздействии наноматериалов на биохимические процессы. Известно, что за счет большой площади поверхности реакционная способность катализаторов в биохимических реакциях увеличивается. Например, при добавлении к соли кадмия наночастиц ТЮ2 поглощение кадмия карпами вырастает в 2,5 раза [3.38]. Присутствие углеродных нанотрубок подавляет процессы пролиферации и ингибирует выделение жиров из клеток [3.36].

Образование свободных радикалов[1]. Четвертый механизм заключается в участии наночастиц в процессе образования кислородных радикалов и зависит от поверхностных свойств наночастиц и ряда факторов (фотохимических свойств, электрического поля, плотности заряда и электронной проводимости). Образование свободных радикалов приводит к разрушению макромолекул (например, фосфолипидов, нуклеиновых кислот и белков) [3.39], нарушению клеточных процессов (например, выработке энергии в митохондриях[2]) [3.40].

В силу различий в химической природе и свойствах углеродных и металлических наноматериалов, механизмы их токсического воздействия не идентичны.

Механизм образования свободных радикалов с участием частиц на основе металлов. Некоторые соединения металлов с полупроводниковыми свойствами (ТЮ2, МпО, W03, Fe203, ZnS, ZnO) поглощают ультрафиолет, что приводит к возбуждению валентных электронов с переходом их в зону проводимости. Электроны и дырки взаимодействуют с растворенным молекулярным кислородом (02), поверхностными ОН--группами и адсорбированными молекулами воды (Н20) с образованием гидроксил-радикалов (•ОН) и супероксид-радикалов («02):

• образование электрон-дырочных пар

• рекомбинация электрон-дырочных пар

• образование супероксидных ион-радикалов

• образование ОН-радикалов

где h*b — дырки; е~ср — электроны проводимости. Подобные механизмы имеют место в случае взаимодействия наночастиц с бактериями в присутствии света [3.41].

По данным ряда исследований именно по этому механизму наночастицы ТЮ2 проявляют генотоксичность, т. е. способность разрывать нити ДНК в клетках человека, грызунов и рыб [3.42-3.45].

Механизм образования свободных радикалов с участием углеродных наноматериалов. Механизм действия углеродных нанообъектов заключается в образовании радикалов (синглетного[3] кислорода, гидроксил-радикалов и др.) под действием ультрафиолета в присутствии кислорода или других доноров электронов. Немаловажную роль при этом играет высокая абсорбционная способность фул- лереновых структур по отношению к свету в УФ-области. Например, образование гидроксил-радикалов на углеродных нанотрубках протекает следующим образом [3.46]:

  • 1) возбуждение электрона в углеродной нанотрубке;
  • 2) захват возбужденного электрона адсорбированным кислородом с образованием пероксид-радикала

с последующими превращениями

или разложение 02 с образованием атомов кислорода, которые сами являются сильными окислителями или образуют ОН-радикалы

3) разложение пероксида светом в растворе или на поверхности с образованием ОН-радикалов

Образующиеся активные формы кислорода (О, ОН», •О2, Н02, Н202, 03) являются сильными окислителями биологических молекул [3.47], что может вызывать повреждение и даже разрушение клеточных структур.

Компьютерная модель связывания фуллеренов молекулами ДНК [3.48]

Рис. 3.6. Компьютерная модель связывания фуллеренов молекулами ДНК [3.48]

Многие авторы склонны полагать, что молекулы фул- лерена способны образовывать прочные комплексы с молекулами ДНК, что может приводить к дисфункции этих молекул (рис. 3.6) [3.48].

  • [1] Свободные радикалы — нестабильные атомы и соединения,действующие как агрессивные окислители и в результате повреждающие жизненно важные структуры организма. Стремясь к более энергетически выгодному состоянию, свободныерадикалы отрывают частицу (электрон) у других молекул,вследствие чего «пострадавшая» молекула сама становитсясвободным радикалом. Развивается разрушительная цепнаяреакция, которая уничтожает живую клетку. Этот процесс называют «перекисное окисление липидов» или «окислительный(оксидативный) стресс». Свободные радикалы образуются впроцессе клеточного дыхания, и прежде всего в здоровойклетке повреждаются клеточные мембраны. Свободные радикалы участвуют в одном из механизмов развития тяжелых заболеваний, таких как рак, варикозное расширение вен, атеросклероз, болезни сердца, болезнь Паркинсона, флебиты,депрессии, катаракта, артриты, астма, болезнь Альцгеймера,ускоряют старение организма, провоцируют неправильноефункционирование систем организма и воспалительные процессы во всех тканях, включая нервную систему и клеткимозга. Самое главное, они нарушают функцию иммунной системы. Свободные радикалы могут повлиять на структуруДНК, что приводит к изменению наследственной информации.При воздействии неблагоприятных факторов окружающей
  • [2] Митохондрии — это органеллы размером с бактерию (около1x2 мкм). Обычно в клетке содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25% общего объемаклетки. Митохондрия ограничена двумя мембранами — гладкойвнешней и складчатой внутренней, имеющей очень большуюповерхность. Митохондрии являются «силовой станцией»клетки, поскольку за счет окислительной деградации питательных веществ в них синтезируется большая часть необходимого клетке аденозинтрифосфата — нуклеотида, которыйиграет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах.
  • [3] Синглетный кислород — общее название для двух метаста-бильных состояний молекулярного кислорода (02) с более высокой энергией, чем в основном, триплетном состоянии. Синглетный кислород может существовать в состояниях, для которых характерно излучение с длиной волны 381, 476, 634,762 или 1269 нм. По литературным данным чаще всего наблюдается излучение при 634 и 1269 нм. Синглетный кислород — высокоактивная электрофильная частица, оказывающая биологическое действие в зависимости от условий — антиоксидантное или разрушение биологических центров.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >