Токсичные металлы 1 группы опасности

05 Августа в 23:46 5521 0


Среди этих металлов наиболее широко распространён свинец Pb. Отравление его соединениями занимает первое место по частоте среди всех соединений металлов. Свинец принадлежит к 14 группе 6-го периода. В соединениях проявляет степень окисления +2 и +4. Уникальной особенностью Pb среди элементов 14 группы является образование оксида Рb3О4 («сурик»), в молекулах которого сосуществуют обе указанные валентности. При этом Рb2+ (r = 132 пм) обладает повышенным сродством к S в любых ее формах, тогда как Рb4+ (г = 84 пм) к S практически индифферентен. Рb2+ образует устойчивые комплексы с карбоксильными и фосфатными группами биополимеров; в частности, отмечена высокая устойчивость его комплексов с пиримидинами, особенно с цитидином. Это свойство проявляется в ингибировании пиримидин-5-нуклеотидазы, которая в физиологических условиях дефосфорилирует пиримидин-5-рибозо-монофосфат; в результате накопления этого субстрата в лейкоцитах крови появляется базофильная зернистость.

Как токсичное вещество Рb известен почти пять тысяч лет. Впервые его токсическое действие («сатурнизм») описали греческие и арабские ученые. Высокая частота отравлений Рb описана у древних римлян, которые пили воду из свинцового водопровода и хранили вино в сосудах из свинец-содержащих сплавов. Посудное олово, из которого изготовляли тарелки и пивные кружки, содержало 10-20% Pb. В современных условиях наибольшее загрязнение среды обитания свинцом вызывают выхлопы бензиновых двигателей автомашин, поскольку в бензин для повышения октанового числа добавляют тетраэтилсвинец Рb(С2Н5)4.

Отравление свинцом проявляется поражением ЦНС (клинически сопровождающимся агрессивностью), почек и печени, анемией, подагрой. У мужчин снижается воспроизводительная функция. Согласно одной из гипотез, именно свинцовое отравление явилось причиной физического вымирания римлян и падения Римской империи.

На субклеточном уровне повреждающее действие Pb зависит от его распределения среди органелл клетки. Например, в гепатоцитах 85% металла находится в митохондриях, около 5% — в эндоплазматическом ретикулуме, лизосомах и ядре, еще 8% связано с фосфолипидами, белками, АТФ и другими компонентами цитозоля, остальное — в плазматической мембране. Показано, что Pb блокирует активные центры ионных насосов клеток, кардинальным образом изменяя проницаемость мембран, а также резко снижает их устойчивость к осмотическому шоку и увеличивает механическую жесткость из-за связывания SH-, ОН- и РО3Н- групп мембран. Кроме того, Pb подавляет энергетическую функцию мембран, как клеточных, так и субклеточных (митохондриальных, ядерных и других).

Pb препятствует одной из ступеней биосинтеза гема, ингибируя в митохондриях порфобилиногенсинтазу (дегидратазу δ-аминолевулиновой кислоты) и прекращая синтез порфобилиногена. Поэтому при остром отравлении свинцом в крови и моче обнаруживают повышенную концентрацию 5-аминолевулината. Кроме того, ионы Pb2+ препятствуют включению ионов Fe2+ в молекулы протопорфирина IX, ингибируя феррохелатазу, что блокирует образование хелатной структуры гема. Отметим, что спирт EtOH является синергистом ионов свинца.

Хроническое отравление Pb постепенно приводит к нарушениям функций почек (аминоацидурия, гипофосфатемия), нервной системы (полинейропатия, энцефалопатия), развитию микроцитарной анемии, кардиомиопатии. Токсичность Pb увеличивается при недостатке в организме Са и Fe.

Pb блокирует SH-группы белков, образует комплексы с фосфатными группами рибозы у нуклеотидов (особенно у цитидина) и тем самым быстро разрушает РНК, ингибирует ферменты, в частности, карбоксипептидазу. Большую роль в токсических проявлениях действия свинца играет его накопление в костной ткани, в частности, в остеокластах. Они значительно быстрее и активнее, чем остеобласты, абсорбируют ионы Pb из питательной среды, в результате чего метаболизм Са в организме нарушается. Классификация степени отравления в зависимости от уровня Pb в крови у человека приведена в табл. 1.

Таблица 1. Классификация степеней накопления свинца в организме человека, предложенная CDC (США)

Степень (класс) накопления

Уровень свинца в крови (мкг/дл)

Примечание:

1

менее 10

Отравления свинцом нет

10-14,9

Рекомендуются частое проведение повторных анализов и профилактические меры

15-19,9

Диетические и воспитательные меры

3

20-44

Оценка состояния окружающей среды, проведение терапии хелатами

4

45-69

Предотвращение неблагоприятного воздействия факторов окружающей среды, терапия хелатами

5

более 69

Неотложная медицинская помощь

ПДК свинца в крови равно 25 мкг/дл. При анализе крови у примерно 300 пациентов-москвичей обнаружена тесная связь среднего содержания Pb (7,96 мкг/дл) с наличием артериальной гипертонии (АГ); в контрольной группе содержание Pb составило 5,49 мкг/дл.

Таллий Tl — очень токсичный металл 13 группы 6 периода. Из-за высокой токсичности получил прозвище «химический СПИД». Отравление Tl поражает нервную систему, вызывает гастроэнтериты, периферическую нефропатию, а при дозах 6-10 мг/кг массы тела может быть смертельным. Через 2-3 недели после контакта с небольшим количеством металла у человека выпадают волосы.

В природе Tl содержится главным образом в виде одновалентного иона, хотя может находиться и в форме менее токсичного Tl3+. По размеру ионы Тl+ близки к К+ (соответственно, 149 и 133 пм), аналогична и их проницаемость для клеточных мембран, но Tl вчетверо более поляризуем. При попадании в организм животных он нарушает электролитный гомеостаз, ионный баланс между Na+ и К+, что приводит к ингибированию натриевого ионного насоса и энергетики клеток. Отмечено выраженное сродство Tl к сульфгидрильным группам, незначительное — к карбоксильным, амино- и фосфатным группам. Хотя Тl+ считают слабым комплексообразователем, с рибофлавином, например, он образует нерастворимый комплекс, нарушая метаболизм S и функции иммунной системы. В молекуле пируваткиназы он взаимодействует с центральным атомом фермента Мп, блокируя перенос концевой фосфорильной группы от АТФ к молекуле акцептора.

Из металлов 12 группы наиболее токсичны Cd (5 период) и Hg (6 период).

Ртуть Hg, как более тяжёлый элемент, во всех формах оказывается токсичнее. Токсическая доза для человека равна 0,4 мг, порог токсичности 50 мкг, а летальная доза 150-300 мг. Токсичность ртути зависит от химической формы, в которой она попадает в организм. В Южной Японии отравление этим металлом описано как «болезнь Минамото» (меркуриализм). Минамото — это залив, жители которого питались рыбой, содержавшей большое количество металла из сбросов находящегося на берегу завода уксусной кислоты. Технологически ртуть использовали в этом процессе как катализатор. Использование ртутных реагентов в терапии (например, бензоата для лечения сифилиса и гонореи), а также в качестве инсектицидов и фунгицидов привело к отравлениям тысяч людей. Поэтому ртутное загрязнение считается всемирно значимой проблемой.

Hg образует прочные комплексы с большинством лигандов, обладающих единственным донорным атомом (особенно с N и S). Молекулярный механизм токсического действия Hg2+ связан с его взаимодействием с сульфгидрильными группами, а также с С5-атомами в молекулах пиримидинов. Ртуть блокирует ряд важнейших ферментов, в частности, карбоангидразу, карбоксипептидазу, щелочную фосфатазу. Она легко замещает Со в корриноидах, извращая метаболические реакции, связанные с витамином В12 (мутазы аминокислот, диол- и глицерин-дегидратазы, этаноламиндезаминазы, ацетатсинтетазы, метилтрансферазы и др.). Нарушение синтеза ДНК при недостаточности витамина В12 приводит к дегенеративным изменениям в нервной системе и развитию мегалобластной анемии (в том числе ее наиболее распространенной формы — пернициозной анемии).

В природных условиях металлическая Hg быстро превращается в летучее высокотоксичное соединение — хлорид метилртути CH3HgCl и метилртуть Hg(СН3)2. В организме ионы метилртути CH3Hg+ быстро поступают в эритроциты, печень и почки, а также оседают в головном мозге, вызывая тяжелые необратимые кумулятивные изменения в центральной нервной системе (ЦНС, вплоть до общего и церебрального паралича), деформацию конечностей, особенно пальцев, нарушения глотания, судороги, смерть. Метилртуть (канцероген и нейротоксикант) накапливается в гидросфере и по пищевым цепям попадает в рыбу. В Финляндии беременным женщинам запрещено питаться рыбой, так как в её мясе содержание Hg превышает европейские ПДК (0,5 мг/кг). Здоровым людям при потреблении такой рыбы не рекомендовано употреблять её чаще 1 раза в неделю.

Отмечена связь аутизма, акродинии и болезни Альцхаймера с содержанием металла в организме (Haley, 2005). Антагонистами Hg являются пепсин, аминокислоты, Se, Zn и витамин С. Поэтому при его незначительном накоплении в организме больным можно назначать мочегонные средства и препараты, содержащие эти антагонисты. Лечение комплексонами, как правило, неэффективно.

Кадмий Cd — мягкий ковкий серебристый металл 5 периода с высокой токсичностью. Растворимые соединения Cd после всасывания в кровь поражают ЦНС, печень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Является кумулятивным ядом, вызывает отравление, описанное в Японии как болезнь «итай-итай» (в переводе — «ох-ох»). Название болезни связано с сопровождающими ее болями в спине и ногах вследствие остеомаляции (декальцификации) костей. При этом заболевании увеличивается ломкость костей; описан пациент с 72 переломами одновременно.

Cd содержится в организме здоровых людей. Он легко накапливается в быстроразмножающихся клетках, например, в опухолевых или половых, что привлекло к нему внимание, как к возможному антиканцерогенному препарату. Однако он повреждает цитоплазматический и ядерный материал клеток, легко связываясь с сульфгидрильными группами многих гормонов и ферментов, с металлотионеином и с α2 глобулином крови. Cd накапливается в почках (30-60%) и печени (20-25%).

Хроническое отравление Cd приводит к анемии и разрушению костей, повреждает ткань печени и почек, вызывая почечную недостаточность. Избыток Cd нарушает метаболизм металлов, особенно Fe и Са, действие цинксодержащих и иных металлоферментов, синтез ДНК. Cd легко замещает другие металлы (главным образом, Zn2+, Fe2+ и Мо2+) в составе металлофлавопротеиновых комплексов, нарушая движение электронов от металла к лиганду, и останавливая двухстадийный процесс окисления. Среди важнейших Fe-содержащих флавиновых ферментов, блокируемых Cd, можно назвать сукцинат-, глицерофосфат-, дигидрооротат-, холин-, НАДН-дегидрогеназы, сульфат- и сульфитредуктазы. Среди Мо-содержащих флавиновых ферментов — ксантин- и альдегид-оксидазы, а также нитратредуктазу.

Одним из наиболее значимых источников поступления Cd в организм людей оказывается табачный дым. Вместе с Sr, присутствующим в дыме, он, по законам межэлементного взаимодействия, замещает ковалентно-связанный Са2+ (r = 174 пм) в костях. Поскольку радиус ковалентно-связанных атомов Cd2+ (141 пм) меньше радиуса Са2+, а радиус Sr2+ (192 пм) больше него, кристаллическая решетка костей чисто механически разрыхляется. Результатом становится декальцификация костей и остеомаляция, с одной стороны. С другой — ковалентно-связанный Са2+, вытесненный из костей, в ионной форме резко уменьшается в размерах до 106 пм. Этот ион цитотоксичен, и в условиях отсутствия в костной ткани гормонов гомеостаза Са вызывает нарушения метаболизма, которые могут приводить, в конечном счёте, к раку.

Алюминий Аl — легкий элемент 13 группы 3 периода, наиболее распространённый металл и третий по распространённости элемент на Земле. В земной коре больше содержится лишь O2 и Si. Аl связан диагональным соотношением с Be. Авцын и др. (1991) относят Аl к токсическим элементам. Он «недружелюбен» ко всем формам жизни. Широкое распространение алюминия в результате промышленного развития человечества чревато неблагоприятными последствиями для жизни. Вероятно, механизм вовлечения Аl в биохимические реакции связан с его способностью легко формировать гидроксилалюмосиликаты с имеющимися во всех биологических средах слабыми кремниевыми кислотами.

Единственный стабильный изотоп 27Аl имеет некомпенсированный ядерный спин +5/2. Возбуждение атомов и ионов этого парамагнитного изотопа слабыми магнитными полями (например, от мобильных телефонов), гипотетически может резко снизить гематоэнцефалический барьер, что приводит к проникновению Аl3+ внутрь клеток. Увеличение концентрации Аl в ткани мозга (особенно в ядрах мозга, где велико число нейронов, формирующих нейрофибриллярные клубочки) сопровождается его нейротоксическим действием, по-видимому, связанным с образованием устойчивых комплексов с биомолекулами нервных волокон. Al легко координирует функциональные группы с О и F, образуя комплексные соединения, которые нарушают нормальные биохимические процессы. Кумулятивный эффект накопления металла зависит от того, что в нервные клетки проникает Аl3+, имеющий радиус 51 пм. Ион, вступая в реакции с присутствующими органическими лигандами, образует комплекс с ковалентными (или донорно-акцепторными) связями. В этом случае размер иона увеличивается до 118 пм. Для его изъятия из нервной ткани, таким образом, возникает стерическое препятствие, которое из-за гематоэнцефалического барьера почти непреодолимо.

Показано, что при нейродегенеративном заболевании — болезни Альцхаймера - концентрация Al в головном мозге повышена, и этот факт позволяет предполагать наличие причинной связи (Гладких, Сернов, 2002). Хотя эта гипотеза подвергается сомнению (Rondeau, 2002), свойства Аl и его накопление в височных долях мозга у больных все же не позволяют отвергнуть наличие такой связи.

В костной ткани высокое содержание Аl сопровождается образованием АlРО4 и истощением запаса фосфатов, что нарушает образование кристаллов гидроксилапатита при костной минерализации и приводит к остеомаляции. Поглощенный Аl3+ подавляет активность кислой и щелочной фосфатаз, снижая скорость образования кости, ингибирует синтез коллагена и гема, а в клетках печени соединяется с ДНК, запуская, по-видимому, механизм нарушения синтеза порфирина, подобно порфирии.

В кислых растворах Аl может абсорбироваться в кишечнике, концентрируясь в головном и в костном мозге, а также в ретикулярных клетках островков эритробластов. Вдыхаемый в аэрозоле элементарный Аl вызывает выраженный фиброз легочной ткани (Kerr, Ward, 1993).

В жидкости, используемой для гемодиализа, отмечали наличие Аl. Поэтому у больных, находящихся на гемодиализе (например, при диабете с почечной недостаточностью) уровень Аl в крови повышается, что приводит к заболеванию, называемому «диализной энцефалопатией». Накопление Al в организме при гемодиализе может вызывать также «диализную остеодистрофию» (Wills, Savory, 1993). Оба диализных заболевания представляют собой классические примеры хелатной патологии. При использовании для диализа деионизированной воды, полученной без Al-содержащих ионообменных смол, они не развиваются. Отравление проявляется запорами, неврологическими нарушениями, гипофункцией околощитовидных желез, микроцитарной гипохромной анемией.

Обзор токсичности других элементов, вероятно, не имеет особого смысла, кроме того, по токсикологической химии имеется обширная литература (Ершов, Плетенёва, 1989, Авцын и др., 1991, Плетенёва, 2006, Калетина, 2007). Можно повторить, что все галогены, в том числе I, в свободной форме токсичны. То же относится к ряду соединений углерода, азота, фосфора и серы. Немалую угрозу представляют анионы азотсодержащих кислот в силу их распространённости. Например, в плодах накапливаются нитраты из азотных удобрений в почве. Избыток нитратов в овощах или фруктах может привести в случае однократного употребления к отравлению, проявляющемуся по-разному — от лёгкой тошноты и крапивницы до коматозного состояния, например, в случае употребления ранних арбузов. Если же нитраты попадают в организм длительно, может развиться хроническая интоксикация, чреватая развитием злокачественных опухолей ЖКТ, почечной и сердечной недостаточности, инфаркта миокарда, поражений печени, мозга и иммунной системы.

Проявления токсичности всех элементов и их форм подчиняются правилам Мертца и различаются только деталями. Подчеркнём, что все металлы в свободной форме, то есть в комплексах с обычными неорганическими лигандами, в той или иной степени токсичны.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 73651 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19250 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17042 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы