ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ КАК ТОКСИКАНТОВ
Металлы обнаруживают широкое токсикологическое действие. Они легко взаимодействуют с белковыми макромолекулами, так как ионы металлов высокореакционноспособны, а в белках имеются многочисленные функциональные группы. Некоторые из металлов (например, свинец) оказывают явно выраженное действие на многочисленные органы-мишени примерно в одинаковых дозах. В таких случаях наиболее чувствительный орган (его называют критическим) бывает трудно идентифицировать. Другие металлы имеют более ограниченную токсическую область, и различие чувствительности к ним отдельных органов значительно более заметна. Так, например в случаях кадмия, почка – явно критический орган (хотя и другие органы могут пострадать от кадмия). Металлы отличаются и по схеме метаболизма (например, ртуть в организме подвергается метилированию, превращаясь в очень токсическое соединение: метилртуть).
Большинство людей подвергается действию не одного определенного металла, а смеси мутагенов из окружающей среды. Поэтому чрезвычайно трудно бывает порой установить связь между нарушением здоровья человека и каким-то одним из многих компонентов, находящихся в окружающей среде. Однако можно сделать единственный главный вывод: условия работы в промышленности этих металлов, а также проживания в специфических по металлам местностях может приводить к тяжелым патологиям у человека, и поэтому содержание этих металлов должно строго контролироваться.
Попав в живую клетку, соединение металла первоначально осуществляет некоторую простейшую химическую реакцию, играя роль пускового фактора, на которую затем следует патологический отклик все более сложных биологических молекул и ансамблей молекул, и как конечный результат – введение металла влияет на организм в целом.
Представители всех групп металлов в дозах, превышающих минимальные, отчетливо ядовиты для организма, но если для металла I группы организм более или менее резистентен, то есть имеет определенные молекулярные механизмы, компенсирующие перепады в количествах попадающих в него металлов, то для металлов II и III групп таких механизмов нет, и уже очень небольшие избыточные дозы оказываются фатально неприемлемы.
В целом в отношении почти всех металлов можно утверждать, что они опасны и часто ядовиты. Однако очень быстро выясняется, что активность металлов как ядов в сильнейшей степени зависит от формы, в которой они попадают в живой организм, то есть от физических и химических свойств металлического соединения и, как следствие, от химических реакций, в которые они вступают в организме.
Основа токсического действия лежит в самом общем случае во взаимодействии между металлами и биологически активными белками. И механизм токсичности аналогичен механизму, ответственному за действие металлов. Отрицательный эффект взаимодействия токсичных металлоионов с биологически активными макромолекулами связан следующими процессами:
- вытеснением необходимых металлов из их активных мест токсическим металлом;
- связыванием части макромолекулы, необходимой для нормальной жизнедеятельности организма;
- сшиванием с образованием биологических агрегатов, вредных для организма.
Главными физико-химическими факторами, влияющими на ответ организма по отношению к токсикантам, являются температура, растворенный кислород, рН, жесткость и щелочность воды, присутствие хелатирующих агентов и других загрязнителей в воде. В общем случае чувствительность к металлам понижается с увеличением рН и жесткости воды, а также с падением парциального давления кислорода. Возрастные размеры, питательный статус, акклиматизация – все это важные переменные, определяющие чувствительность животных и растений. Крупные экземпляры более устойчивы к отравлению.
Токсическое действие металлов на организм вызывается и тем, что ионы этих металлов вступают во взаимодействие с различными рецепторами, например с сульфидными SH-группами белков, ферментов, аминокислот. Блокирование SH-групп приводит к подавлению активности ферментов и, как следствие, к нарушениям в организме.
Рассмотрим простейшие химические процессы и по возможности укажем, как они сказываются на свойствах и функционировании биологически важных молекул.
Можно рассмотреть несколько аспектов:
1) целый ряд металлов входит в различные процессы метаболизма, иными словами, эти металлы являются жизненно важными для живых организмов. Так, например, железо и медь являются переносчиками кислорода в организме, натрий и калий регулируют клеточное осмотическое давление, магний, калий и другие активизируют энзимы – биологические катализаторы.
2) много металлов в виде строго конкретных соединений нашло применение в медицине и биологии, в частности, в качестве лекарственных и диагностических средств. Таким образом, для них найдены не только безвредные, но даже и полезные формы существования в живых организмах.
3) некоторые металлы, будучи крайне нежелательными для организмов, проникают туда из естественных природных источников, прежде всего, с водой и пищей, а также из-за промышленного загрязнения окружающей среды.