Биологические молекулы как эффективные ловушки (лиганды) для связывания металлов

Все основные типы биологических молекул, входящие в состав клетки, являются великолепными лигандами для ионов металлов.

По сути дела, для любого металла в клетке обнаруживаются соответствующие ему лиганды. В зависимости от природы металла образуются комплексы существенно различной прочности.

Например ион бериллия, подавляет активность многих ферментов, активируемых ионом Mg²⁺ в результате замещения ионов магния в его комплексах с ферментами, нуклеиновыми кислотами и другими биолигандами, содержащими фосфатные группы:

Высокопрочные тетраэдрические комплексы бериллия (sp³-гибридизация орбиталей) с фосфатами хорошо растворимы по сравнению с менее прочными октаэдрическими комплексами магния (sp³d²-гибридизация орбиталей). В результате реакции замещения введенный в организм бериллий выводит из организма в виде прочного комплекса фосфор (фосфатные группы). В свою очередь, это приводит к уменьшению содержания кальция в организме. Таким образом, в результате попадания бериллия в организм возникает заболевание «бериллиевый рахит». Так как приведенная выше реакция является обратимой, введение большого избытка солей магния приводит к смещению равновесия влево (принцип Ле Шателье) и восстановлению активности фермента.

Магний и бериллий являются антагонистами, т. е. добавление одного элемента приводит к вытеснению другого. Именно поэтому при отравлении солями бериллия вводят избыток солей магния. Вследствие токсичности соединения бериллия в медицинской практике в качестве лекарственных средств не применяются.

Соединения бериллия токсичны и вызывают ряд заболеваний (бериллиевый рахит, бериллиоз и т.д.). Особенно токсичны летучие соединения бериллия. Как уже было рассмотрено, отрицательное влияние иона Be²⁺ на физиологические процессы можно объяснить его химическими свойствами (способностью образовывать прочные связи с биолигандами и хорошей растворимостью фосфатов бериллия).

Наиболее выражено химическое сродство к SН-группам у ртути. Очевидно, это связано с тем, что комплексообразующие свойства ртути выше, и она образует более прочные связи с серой.

Токсичность ртути связана с агглютинацией (склеиванием) эритроцитов, ингибированием ферментов. Например сулема HgCl₂, вызывает изменение размеров, ос­мотическую хрупкость и снижение деформируемости эритроцитов, которая необходима для их продвижения по капиллярам.

Известно, что токсические свойства элементов зависят от той химической формы, в какой они попадают в организм. Наиболее токсичны те формы, которые растворяются в липидах и легко проникают через мембрану в клетку.

Неорганические соединения ртути под действием ферментов микроорганизмов превращаются в метилртуть. Из-за того, что СНзНg⁺ растворяется в липидах, она накапливается в организме, в том числе и в мозге. Постепенно концентрируясь, метилртуть вызывает необратимые разрушения в организме и смерть.

Токсичность кадмия связана с его сродством к нуклеиновым кислотам. В результате его присоединения к ДНК нарушается ее функционирование.

Хроническая интоксикация кадмием и ртутью может нарушить минерализацию костей. Это связано с близостью ионных радиусов Cd²⁺, Hg²⁺ и Са²⁺.Поэтому токсичные элементы могут замещать кальций. Это приводит к образованию апатита несовершенной структуры вследствие искажения параметров кристаллического компонента костной ткани. В результате снижается прочность костей.

Соединения Zn, Cd, Hg могут вызывать нарушение белкового обмена, что проявляется в выделении белков плазмы через почки (протеинурия).

Избыток бopa вреден для организма человека. Имеются данные, что большой избыток бора угнетает амилазы, протеиназы, уменьшает активность адреналина. Предполагается, что снижение активности адреналина, являющегося производным полифенола, связано с его взаимодействием с ортоборной кислотой.

Таллий – относится к весьма токсичным элементам. Ион Т1⁺ склонен, подобно Ag⁺, образовывать прочные соединения с серосодержащими лигандами:

Тl⁺ + R–SH ® R–S–Tl + Н⁺.

Вследствие этого он очень токсичен, так как подавляет активность ферментов, содержащих тиогруппы -SH. Даже весьма незначительные количества соединений Тl⁺ при попадании в организм вызывают выпадение волос.

Свинец и его соединения относятся к ядам, действующим преимущественно на нервно-сосудистую систему и непосредственно на кровь. Химизм токсического действия свинца весьма сложен. Ионы Рb²⁺ являются сильными комплексообразователями по сравнению с катионами остальных р-элементов IVA-группы. Они образуют прочные комплексы с биолигандами.

Ионы РЬ²⁺ способны взаимодействовать и блокировать сульфгидрильные группы -SH белков, в молекулах ферментов, участвующих в синтезе порфиринов, регулирующих синтез гема и других биомолекул:

R–SH + РЬ²⁺ + HS–R ® R–S–Pb–S–R + 2H⁺.

Токсическое действие соединений серебра, как и в случае меди, обусловлено главным образом тем, что ионы серебра взаимодействуют с тиольными серо- и азотсодержащими группами белков, нуклеиновых кислот и других биоорганических веществ.

В водном растворе существуют только комплексные соли золота, например Na₃[Аu(S₂O₃)₂], и различные тиоловые бионеорганические комплексы.

Механизм токсического действия соединений золота аналогичен механизму токсического действия соединений меди и серебра. В соответствии с общим правилом для тяжелых металлов одной группы токсичность возрастает с увеличением атомного номера в ряду: Cu ® Ag ® Аu.

Токсичность соединений IIБ-группы увеличивается от цинка к ртути. Водорастворимые соединения оказывают раздражающее действие на кожу. При попадании внутрь организма вызывают отравление.

В целом на введение чуждого металла или избыточного количества металла, участвующего в процессах метаболизма, в клетке откликается хотя бы один класс биологических молекул. При этом свойства связанных с металлом и несвязанных с металлом биологических молекул различаются столь сильно, что говорить о металлах, к которым живая клетка оказалась бы безразличной, просто не приходится. Различия в структуре и составе клеток, встречающихся в организме, приводят к тому, что металлы распределяются между всеми тканями равномерно.

 

Контрольные вопросы

1. Что изучает токсикология и каковы основные ее задачи?

2. Охарактеризуйте главные разделы токсикологии.

3. Каковы принципы классификации ядов?

4. Чем занимается токсикометрия?

5. Что понимают под токсичностью вещества? Под опасностью вещества?

6. Перечислите основные экспериментальные (первичные) параметры токсикометрии.

7. Чем отличается среднесмертельная концентрация вещества CL₅₀ от среднесмертельной дозы ДL₅₀?

8. Производные параметры токсикометрии.

9. Классификация производственных вредных веществ по степени опасности. На какие классы опасности подразделяются промышленные яды?

10. Принципы санитарно-гигиенического нормирования веществ.

11. Основные показатели санитарной оценки воздушной среды: ПДК_р-з, ПДК_м.р, ПДК_с.с.

12. Чем отличается нормирование качества воды от нормирования загрязнения почвы?

13. Методы определения параметров токсикометрии.

14. В чем состоит специфика токсического действия вещества (понятие «химической травмы)?

15. Основные положения теории рецепторов.

16. Чем занимается токсикокинетика?

17. Каково строение биологических мембран?

18. Каким путем осуществляется транспорт ядовитых веществ в организме?

19. Основные пути проникновения ядов в организм.

20. Каким образом осуществляется распределение вредных веществ в организме?

21. Что понимают под кумуляцией токсичных веществ в организме?

22. Назовите типы биотрансформаций токсичных веществ, приведите примеры реакций.

23. Каковы пути выведения ядов из организма? Их особенности.

24. Что понимают под острым и хроническим отравлениями?

25. Взаимосвязь строения, состава химических веществ с их токсичностью.

26. Привыкание к ядам как способ адаптации организма.

27. Охарактеризуйте несколько видов комбинированного действия ядов.

28. Антидоты, их механизм действия.

29. Принципы расчетных методов определения ПДК_р.з.

30. Расчеты ПДК_р.з. по показателям токсичности, по физико-химическим показателям веществ и по биологической активности химических связей.

31. Укажите основные стадии токсикологической оценки предприятия.

32. Основные показатели токсикологического паспорта вещества.

33. С чем связана токсичность металлов?

 

 

РАЗДЕЛ 2.

 

Лекция 18

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКСИЧНЫХ КАТИОНОВ,
АНИОНОВ И ТОКСИЧНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
МЕТОДОМ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

 

План лекции

1. Обнаружение токсичных катионов металлов.

2. Обнаружение токсичных анионов.

3. Обнаружение токсичных органических веществ (анилина, фенола, ацетона).

4. Биотестирование летучих токсичных веществ.

 

В лабораторном практикуме предлагается провести качественные реакции обнаружения токсичных катионов, анионов и токсичных органических веществ.

Если в растворе присутствует только одна соль, то её токсичный анион или катион можно обнаружить с помощью каких-либо характерных реакций. Выполнять опыты можно пробирочным или капельным методами. Если же раствор представляет собой сложную смесь ионов, то обнаружение одного из них является более трудной задачей, так как присутствующие в растворе посторонние ионы, вступая в реакцию с реагентом, мешают обнаружению. В этом случае анализ сложных ионов проводят систематическим или дробным методами, известными из курса аналитической химии. Предлагается также обнаружить токсичные органические вещества (анилин, бензол, ацетон).

В лабораторном практикуме предлагается провести опыты по биотестированию летучих неорганических (аммиак) и органических веществ (бензол, ацетон).

 

Обнаружение токсичных катионов металлов