Экологические аспекты устойчивого развития

В зависимости от степени ионизации вещества обладают различной биологической активностью и их можно разделить на три большие группы:

1)     ксенобиотики, обладающие большей биологической активностью в ионизированном состоянии;

2)     ксенобиотики, более активные в неионизированном состоянии;

3)     ксенобиотики, проявляющие биологическое действие в виде ионов и неионизированных молекул.

Вещества, обладающие большей биологической активностью в ионизированном состоянии. В начале XX в. было обнаружено, что многие органические катионы обладают антибактериальной активностью. Так алифатические амины, существующие при рН 7 главным образом в виде катионов, проявляют бактерицидное действие в отличие от ароматических аминов, которые существуют при рН 7 в основном в виде неионизированных молекул и таким действием не обладают.

Тогда антибактериальная активность подобных антисептиков объяснялась щелочностью их водных растворов. Однако при этом не учитывалось то обстоятельство, что те же основания, находящиеся в забуференном растворе, также обладают бактерицидными свойствами. В 30-х годах XX в. было высказано предположение о том, что антибактериальная активность трифенилметановых красителей объясняется взаимодействием катиона красителей с определенными анионными группами на поверхностях бактерий. Было доказано, что при повышении рН среды антибактериальное действие усиливается за счет повышения степени ионизации (анионной) рецепторов бактерий.

Позднее выяснилось, что один из аминоакридинов (антибактериальные средства) − профлавин, или 3,6-диаминоакридин токсичен по отношению к широкому ряду грамположительных и грамотрицательных бактерий, но безвреден для тканей человека. Исследования серии аминоакридинов показали, что существует коли­чественная связь между их антибактериальным действием и степенью ионизации по катионному типу. Позднее эта корреляция была подтверждена на примере многих других соединений.

Вещества, более активные в неионизированнот состоянии. Неионизированные вещества могут обладать очень сильным физиологическим действием (эфир, хлороформ и др.). Пример: ингибирования деления клеток яиц иглокожих салициловой кислотой.

В 1921 г. Вермст обнаружил, что многие слабые кислоты наиболее полно проявляют физиологическую активность в наименее ионизированном состоянии. Исследования проводились в интервале рН от 5 до 8. Степень (количество) ионизированных молекул растет в направле­нии увеличения рН. Оказалось, что кислота наиболее активна при рН 5. В этом случае количество неионизированной салициловой кислоты (рК_а 3,0) составляет 0,99 %, что значительно больше, чем при остальных исследуемых значениях рН. Самое простое объяснение заключается в том, что нейтральные молекулы, а не анионы, салициловой кислоты ингибируют деление клеток.

При изучении действия слабых кислот на биологические объекты доказано, что количество вещества, необходимое для достижения эффекта, остается постоянным независимо от рН среды при условии, что рН по меньшей мере на одну единицу ниже, чем рК_а; в этом случае не происходит ионизации токсического агента.

В других опытах было также доказано, что эффективность слабых оснований возрастает с повышением рН, т. е. пропорционально снижению их ионизации, эффективность слабых кислот повышается при уменьшении рН, что также связано с уменьшением ионизации.

Вещества, проявляющие биологическое действие в виде ионов и неионизированных молекул. Многие вещества, особенно со значениями рК_а в пределах от 6 до 8, проникнув в клетки в виде неионизированных молекул, проявляют свое биологическое действие как ионы. Например, доказано, что поступление бензойной кислоты в клетки дрожжей обратно пропорционально степени ионизации.

Ряд азотсодержащих гетероциклов, ионизирующихся с образованием аниона, сильно ингибируют реакцию Хилла при фотосинтезе. Однако было обнаружено, что при слишком высокой степени ионизации активность этих соединений теряется полностью. Это явление объясняется проникновением ингибиторов через мембрану в виде неионизированных молекул, а затем действием их как анионов. Такой механизм характерен для некоторых гербицидов.

Подобные результаты были получены и для оснований. Так, триметиламин (хлоридин), имеющий рК_а 7,2, лучше поглощается клетками из достаточно щелочных растворов, где он находится в виде неионизированных молекул. Однако ингибирование ключевого фермента (дигидрофолатредуктаза), находящегося внутри клетки, осуществляют только катионы.

Степень ионизации (образование анионов) многих проти­вовоспалительных средств положительно коррелирует с их биологическим действием, если ионизации подвергаются не все молекулы и их липофильности достаточно для достижения места действия.

Большинство алкалоидов имеют рК_а около 8, поэтому при рН 7,3 примерно 16 % этих соединений остаются неионизированными. Они проникают в клетки в виде неионизированных молекул, а биологическое действие осуществляют в виде катионов.

Известно много ксенобиотиков, биологическая активность которых определяется действием неионизированных молекул и ионизированной части вещества.

При изучении биологической активности слабой кислоты обычно оказывается, что для получения стандартной реакции необходимо одинаковое количество ксенобиотика при любых значениях рН, которые на единицу и более ниже значения рК_а. В этих условиях кислота слабо ионизирована и ее биологическая активность определяется прежде всего ионизированными молекулами.

Таким образом, среди последней группы соединений следует различать вещества, проявляющие биологическую активность в виде ионов и неионизированных молекул, и вещества, проходящие через мембрану в неионизированном состоянии и вызывающие биологический эффект внутри клеточного компартмента в виде ионов.