Реферат на тему 5 связь строения и состава химических веществ с их токсическим действием

Обновлено: 30.06.2024

В настоящее время установлено, что химический состав и структура органических соединений определяют их основные токсические свойства. Наименее токсичны углеводороды. Замена в молекуле углеводорода одного или нескольких атомов водорода на атомы галогенов, кислорода, азота, фосфора, мышьяка, серы или на атомы тяжелых металлов (свинца, ртути) увеличивает токсичность и соответственно уменьшаются ПДК производных углеводородов.

Сильнейшими ядами являются отравляющие вещества, содержащие в составе молекулы атомы мышьяка (люизит), фосфора (зарин), хлора (фосген). Высокая токсичность этого ряда сочетается с большой скоростью их реагирования в организме, приводящей к образованию за короткое время высокореакционных, вредно действующих на организм продукты.

В ряду кислородсодержащих производных углеводородов встречаются высокотоксичные ( метанол, формальдегид), и малотоксичные ( диэтиловый

эфир, ацетон) соединения.

Повышенной токсичностью обладают азотсодержащие производные: амины, нитрозосоединения, нитрилы, алкилгидразины. Гетерофункциональные соединения, содержащие две и более функциональные группы разной химической природы, обладают более сильным токсическим действием, чем монофункциональные производные.

Металлорганические соединения, содержащие атомы тяжелых металлов ( свинец, ртуть) обладают чрезвычайно сильным действием. Например, для этилртути ПДК_р.з.5 мкг/м 3 .

Сочетание в молекуле соединения ароматического радикала с реакционноспособными функциональными группами ( -ОН, -СООН, -NН₂

) существенно повышает токсические свойства органических соединений.

Соединения с открытой цепью ( гексан) менее токсичны, чем циклические ( циклогексан); последние уступают по токсичности соединениям, содержащим бензольное кольцо (бензол). С увеличением степени ненасыщенности углеродной цепи возрастает реакционная способность органических соединений и соответственно увеличивается их токсичность.

Для большинства органических соединений общими являются следующие закономерности зависимости их токсичности от химического состава и строения:

- токсичность зависит от элементарного состава соединений; большинство производных токсичнее исходных углеводородов;

- в гомологическом ряду токсичность возрастает ;

- токсичность возрастает в ряду: ациклические, циклические, ароматические соединения;

- соединения с углеродной цепью нормального строения токсичнее их изомеров.

Токсические свойства органических соединений разных классов наряду с общими закономерностями, рассмотренными ранее, имеют специфические особенности, обусловленные химическим составом, строением функциональных групп, характерными физическими ( растворимость, летучесть) и химическими свойствами.

Тема 3. Токсиканты пищи.

Пища –это совокупность неорганических и органических веществ, получаемых организмом человека из окружающей среды и используемых для питания.

Основными компонентами пищи человека являются: белки, жиры, углеводы, а также микроэлементы и витамины. Белки и частично жирыотносятся к пластическим веществам , т.е. они используются в организме для построения новых и замены старых клеток и тканей. К ним же относятся некоторые минеральные вещества, содержащие фосфор, кальций и др.

Углеводы (сахара) и жиры обеспечивают энергетические потребности организма. Микроэлементы, витаминыи ряд других веществ осуществляют каталитические и регуляторные функции.

Кроме того, в пище содержится большое количество различных по структуре соединений, представляющих потенциальную опасность для здоровья. В связи с повсеместным загрязнением окружающей среды , наличие токсикантов в пищевых продуктах – весьма актуальная проблема. Химтоксиканты пищи можно разделить на следующие группы:

Известный русский токсиколог Е.П.Пеликан в середине прошлого века писал: “Действие ядов определяется их химическим составом или свойством, числом и расположением частиц, их образующих; поэтому вещества, аналогично составленные и представляющие симметричные реакции, оказывают аналогию в образе действия”. Таким образом, проблема зависимости токсического эффекта от строения и состава химических веществ была четко очерчена дастаточно давно. Для ее молекулярно-структурного обоснования важное значение имели работы П.Эрлиха по химеотерапии, который в 1909 г. сформулировал положение о функциональном значении отдельных частей молекул биологически активных соединений. Суть концепции П.Эрлиха в том, что он считал несомненным факт протекания обычных химических реакций между компонентами живой клетки и лекарственными веществами. При этом впервые декларировалось существование в клетках химически активных воспринимающих структур (рецепторов), специфичных по отношению к определенным группам в молекулах лекарственных препаратов. Для понимания сущности биологической активности вещества, по концепции П.Эрлиха, необходимо раскрыть молекулярную природу его взаимодействия с рецептором и оценить эти два реагирующих между собой компонента по структурным параметрам. Исследованиями проблемы взаимодействий “рецептор - вещество” было установлено, что незначительно различающиеся по химическому строению вещества нередко оказывают противоположное действие, тогда как ряд соединений, принадлежавших к разным классам, часто приводят к сходному эффекту. Кроме того, одно и то же вещество может проявлять себя по-разному в зависимости от того, на какую биоструктуру оно воздействует. Совершенно очевидно, что получение необходимой токсикологической информации в отношении громадного числа новых веществ весьма затруднительно. Отсюда важное значение придается изучению общих закономерностей связи строения химических веществ с их токсикологическим действием на живые объекты.

Химические модификации структуры вещества могут приводить к изменения его токсикологических свойств, по крайней мере, в двух основных аспектах:

1) по физико-химическим параметрам, от которых зависят транспортно-распределительные отношения в системе “ксенобиотик - организм” (имеется в виду характер и условия поступления, накопления, распределения в организме и взаимодействия с определенными чувствительными структурами модифицированного вещества, а также эффективность его выведения из организма);

2) по способности вступать в химические (биохимические) взаимодействия с компонентами внутренней среды организма, в том числе и с такими, которые приводят к биотрансформации (обезвреживанию) ксенобиотика.

Связь токсичности химических веществ с их молекулярной массой, размерами молекул и их структурной сложностью

Сопоставление эффективности биологического действия большого количества принадлежащих к разным классам химических соединений с их молекулярной массой позволило установить закономерность, получившую название “эффект аггравации”. Его суть состоит в том, что при прочих равных условиях чем больше размер молекулы вещества, тем выше его биологическая активность. С эффектом “аггравации ” согласуется правило Ричардсона, согласно которому наркотические свойства и токсичность углеводородов возрастают с увеличением их молекулярной массы. В дальнейшем это правило, установленное еще в 1869 г., многократно подтверждалось и для других гомологических групп. По современным представлениям, в основе механизма повышения токсичности веществ по мере увеличения молекулярной массы лежит то, что чем больше молекула, тем она более прочно и с большей долей вероятности связывается со специализированными клеточными рецепторами за счет возрастания сил электростатического притяжения благодаря образованию водородных мостиков, а также все большего включения в этот процесс ван-дер-ваальсовых сил. Например, добавление каждой новой метиленовой (-СН₂-) группы в молекулу углеводорода создает возможность возникновения дополнительной межмолекулярной связи. Указанная закономерность четко прослеживается у спиртов, у которых наркотическое действие нарастает от низших гомологов к высшим (исключение составляет лишь метанол). В частности, возрастание молекулярной массы (примерно в 2 раза) при превращении этилового спирта (СН₃-СН₂-ОН) в амиловый (СН₃-(СН₂)₃-СН₂-ОН) делает последний в 20 раз более сильным токсическим агентом, а превращение амилового спирта в октиловый (СН₃-(СН₂)₆-СН₂-ОН) при увеличении молекулярной массы в 1,5 раза уже увеличивает токсичность по сравнению с этиловым в 1000 раз. Но если наращивать молекулярную массу спиртов посредством увеличения числа не углеводородных, а гидроксильных групп, то это, наоборот, приводит к резкому снижению их наркотическое действие - многоатомные спирты, как правило, наркотическим действием не обладают (например трехатомный спирт глицерин).

Подобным образом удлинение углеродной цепочки кетонов, альдегидов, органических кислот существенно усиливает их раздражающее действие на слизистые оболочки и способность вызывать отек тканей.

Правило Ричардсона в ряде случаев полностью не подтверждается. Так, у некоторых органических соединений серы (меркаптанов и др.) токсичность вначале убывает по мере увеличения молекулярной массы от С₁ к С₃ и относительного снижения содержания серы, но в последующем при увеличении углеродной цепочки до шести атомов токсичность нарастает. Однако у других веществ этого класса - органических сульфидов - постепенный рост токсичности наблюдается при увеличении числа атомов углерода до 9, а начиная с С₁₀, это их свойство ослабляется.

Существует следующее объяснение физико-химической сущности таких отклонений. Во-первых, в гомологических рядах растворимость в воде снижается быстрее, чем нарастает биологическая активность соединений, а, как известно, сила неэлектролитного действия вещества на клетки центральной нервной системы прямо пропорциональна его липидотропности. С другой стороны, необходимая для реагирования с макромолекулами цитоплазмы концентрация вещества достигается в зависимости от его растворимости в воде, и, значит, этот показатель также может то усиливать, то ослаблять способность химического агента проявлять свойственное ему биологическое действие. Немаловажное значение играют в этом плане и процессы биотрансформации ксенобиотиков, при которых образование высокотоксичных метаболитов часто напрямую зависит от величины молекул вводимых в организм веществ. И, в-третьих, необходимо учитывать, что с увеличением размера молекулы усиливается влияние стерических факторов в процессе ее контакта с рецептором, что приводит к возрастанию специфичности (избирательности) действия вещества. Однако это происходит до определенного предела: увеличение молекулярной массы сверх достигнутого оптимума ведет к снижению избирательной активности ксенобиотика.

Токсичность органических соединений зависит от их строения и свойств. Соединения с нормальной углеродной цепью оказывают более выраженный токсический эффект по сравнению с разветвленными изомерами (пропиловый и бутиловый спирты оказывают более выраженное токсическое действие, чем изопропиловый и изобутиловый спирты) . Циклические ц/в с одной боковой цепью более токсичны, чем их изомеры с 2 и более боковыми цепями(диметилциклогексан действует слабее, чем этилциклогексан). Замыкание цепи углеродных атомов увеличивает силу действия вещества при их ингаляторном поступлении (пары циклопропана действуют сильнее, чем пропана). При введении в молекулу гидроксильной группы увеличивается растворимость и ослабляется сила действия соединения, поэтому спирты менее токсичны, чем соответствующие ц/в.Введение в молекулу галогена усиливает токсичность соединений, возможно появление новых свойств у данного соединения. Введение в молекулу нитро(-NO₂), нитроза или аминогруппы (-NH₂) редко изменяет токсические свойства соединении. Группы NO₂ ,NO оказывают сосудорасширяющее и гипотензивное (падение давления)действие. Появление нитрозогруппы в соединении действует на ЦНС и вызывает метгемоглобинообразование. Особая токсичность присуща соединениям, содержащим аминогруппу( анилин). Введение в молекулу соединений кратных связей ведет к усилению их способности к химической реакции и повышает их токсичность.

Нет ничего плохого в том, когда человек владеет богатством. Но плохо, если богатство завладевает человеком. © Билли Грэм ==> читать все изречения.

Ключевые слова Химическая структура и характер действия ядов. Связь между токсическим действием веществ и их физическими свойствами. Биологические особенности организма, влияющие на токсический процесс

Степень токсичности вещества зависит от биологических особенностей вида, пола, возраста, индивидуальной чувствительности организма, строения и физико-химических свойств яда, количества попавшего в организм вещества, факторов внешней среды (температуры, атмосферного давления и других).

Биологическая активность химических веществ в значительной степени зависит от химической структуры молекулы. По правилу Ричардсона в гомологическом ряду сила наркотического действия возрастает с увеличением числа атомов углерода в молекуле.

Так, например, наркотическое действие усиливается от пентана (С5Н12) к октану (С8Н18), от метилового спирта (СН3ОН) к аллиловому (С4Н9СН2ОН). Если принять силу наркотического действия этилового спирта за 1, то сила наркотического действия остальных спиртов выражается следующим образом: метиловый спирт (СН3ОН) – 0,8; этиловый спирт (С2Н5ОН) – 1; пропиловый спирт (С2Н5СН2ОН) – 2; бутиловый спирт (С3Н7СН2ОН) – 3; аллиловый спирт (С4Н9СН2ОН) – 4.

Это правило верно для большой группы углеводородов (кроме углеводородов ароматического ряда) и может служить ориентиром для выбора органического растворителя в гомологическом ряду с меньшим наркотическим действием.

С усилением наркотического действия возрастает и гемолитическое действие веществ. Важно также правило разветвленных цепей.

Соединения с нормальной углеродной цепью оказывает более выраженный токсический эффект по сравнению со своими разветвленными изомерами. Так, нормальный пропиловый и бутиловый спирты – более сильные наркотики, чем изопропиловый и изобутиловый, пропилбензол сильнее изопропилбензола, октан – изооктана.

Замыкание цепи углеродных атомов усиливает действие вещества: Пары циклопентана и циклогексана действуют сильнее, чем соответствующие метановые соединения.

Правило кратных связей. Биологическая активность вещества увеличивается с увеличением кратных связей, т.е. с увеличением непредельности соединения. СН) токсичнее этилена (СН2=СН2) и еще в большей степени токсичнее?Ацетилен (СН этана (СН3-СН3). С увеличением числа кратных связей в молекулах веществ наряду с наркотическим усиливается и раздражающее действие.

Введение в молекулу гидроксильной группы (ОН) приводит, как правило, к ослаблению токсичности веществ. Спирты, например, менее токсичны по сравнению с соответствующими углеводородами. Резко возрастает наркотическое действие при введении атомов хлора в молекулы гомологического ряда углеводородов. Например, от метана (СН4) к хлористому метилу (СН3Cl), хлористому метилену (СН2Cl2), хлороформу (СНCl3). Исключение представляет четыреххлористый углерод (СCl4), который обладает меньшим наркотическим действием, чем хлороформ.

Введение в молекулу бензола или толуола нитрогрупп NO, NO2 или аминогруппы NH2 резко меняет характер действия указанных веществ. Наркотическое действие бензола и толуола не проявляется, на первый план выдвигается специфическое действие на кровь (образование метгемоглобина), на центральную нервную систему, на паренхиматозные органы (дегенеративные изменения).

Для алкилэфиров азотной и азотистой кислот, где группы NO2 и NO связаны с кислородом, типично сосудорасширяющее и гипотензивное действие (этилнитрит, амилнитрит, этилнитрат, нитроглицерин). Перечисленные закономерности широко используются для разработки ускоренных (математических) методов оценки токсичности и опасности новых химических веществ.

Связь между токсическим действием веществ и их физическими свойствами Опасность отравления в значительной степени зависит от физических свойств вещества: летучести, агрегатного состояния, растворимости и др.

Наркотическое действие углеводородов в гомологическом ряду возрастает с увеличением числа углеродных атомов. Так как при этом параллельно увеличивается молекулярный вес, повышается точка кипения, снижается летучесть веществ, то в результате, при прочих равных условиях, уменьшается опасность отравления ими через дыхательные пути и увеличивается опасность отравления через кожу.

Агрегатное состояние: твердые органические вещества проникают через кожу медленно и так же медленно могут вызывать отравление. Из неэлектролитов, растворяющихся в жиролипидах, при поступлении через кожу наиболее опасны те, которые имеют маслянистую и кашицеобразную консистенцию. Большое значение имеет дисперсность химических веществ, находящихся в воздухе в виде пыли. С ее увеличением ускоряется сорбция, и яд действует быстрее.

Растворимость твердых веществ в воде и в жидкостях организма также имеет большое значение: чем выше растворимость, тем больше опасность отравления. Например, сернистый свинец плохо растворим и поэтому менее ядовит, чем другие соединения свинца, мышьяк и его сернистые соединения нерастворимы в воде и также неядовиты, окислы же мышьяка растворимы и очень ядовиты. Биологические особенности организма, влияющие на токсический процесс Видовые различия и чувствительность к ядам изучаются для возможности переноса на человека экспериментальных данных, полученных на животных. Например, собаки и кролики могут переносить атропин в дозе, превосходящей в 100 раз дозу, смертельную для человека. С другой стороны, синильная кислота, оксид углерода обладают более сильным действием на отдельные виды животных, чем на человека. Более высокоорганизованные животные в эволюционном ряду, как правило, чувствительнее к большинству нейротропных химических соединений.

Например, одинаково большие дозы ФОС на морских свинок действуют в 4 раза сильнее, чем на мышей, и в сотни раз сильнее, чем на лягушек. Человек, принято считать, в целом более чувствителен к химическим веществам, чем теплокровные животные. Опыты показали, что к токсическому действию соединений серебра человек в 5 раз чувствительнее морских свинок и в 25 раз чувствительнее крыс. К героину, атропину, морфину человек в десятки раз чувствительнее лабораторных животных, а действие некоторых ФОС на человека и животных почти не различалось. На собак морфий оказывал наркотическое действие, как и на человека, а у кошек вызывал сильное возбуждение и судороги.

Даже ближайшие к человеку представители животного мира – обезьяны – значительно отличаются от него по реакции на яды и лекарственные препараты. Вот почему эксперименты на животных (в том числе – высших) по изучению действия лекарственных препаратов и других чужеродных веществ не всегда дают основания для определенных суждений о возможном их влиянии на организм человека. Влияние пола.

Экспериментальные и клинические наблюдения показали, что женский организм более устойчив к действию различных вредоносных факторов внешней среды. К воздействию оксида углерода, ртути, свинца, наркотическим и снотворным веществам более устойчивы самки животных. Самцы устойчивее самок к ФОС, никотину, стрихнину, мышьяковистым соединениям. Биологическая специфика мужских и женских половых гормонов играет роль в формировании устойчивости организма к вредным химическим веществам.

Экспериментально доказано, что у неполовозрелых самок и самцов различия в чувствительности к ядам практически отсутствуют и начинают проявляться лишь при достижении ими половой зрелости. Влияние возраста. Клинико-гигиеническими и экспериментальными данными подтверждена более высокая чувствительность к ядам детей, чем взрослых. Это объясняется своеобразием нервной и эндокринной систем детского организма, особенностью вентиляции легких, процессов всасывания в желудочно-кишечном тракте, проницаемости барьерных структур и т.д.

Но в общем, одни яды оказываются более токсичными для молодых, другие для старых, токсический эффект третьих не зависит от возраста. Опыты на животных показывают, что молодые особи более чувствительны к нитрату натрия, сероводороду; взрослые – к аллиловому спирту, диэтиловому эфиру, гранозану; старые особи к дихлорэтану, фтору, аминазину. Индивидуальная чувствительность к ядам зависит от активности ферментативных систем, от состояния здоровья. Лица с заболеваниями крови более чувствительны к действию кроветворных ядов, с нарушениями со стороны нервной системы – к действию нейротропных ядов, с заболеваниями легких – к действию раздражающих веществ и пыли.

Читайте также: