6 курс / Нефрология / Чиглинцев_Структура_и_состав_мочевых_камней_2010

Глава VI

МИКРОЭЛЕМЕНТНАЯ СПЕЦИФИКА УРОЛИТОВ

Существование зависимости микроэлементного состава биологических организмов от химических особенностей среды обитания сегодня не вызывает сомнений. При всем многообразии микрохимического состава растений и животных для ряда микроэлементов выявляется их прямая зависимость от содержания в среде обитания [Виноградов, 1963; Ковальский, 1974; Добровольский, 1983]. Вместе с тем наследование микрохимического состава в трофических цепях «геологический субстрат – почва – растения – млекопитающие» не строго детерминировано. Биологические системы обладают достаточно эффективными механизмами самозащиты от воздействия элементов-ксенобиотиков. Однако долговременное воздействие токсичных соединений разрушает систему контроля микроэлементного гомеостаза. Наиболее хорошо изучена связь между эндемичными заболеваниями и геохимическим типом провин-

ций [Авцын и др., 1991; Skinner et al., 2003].

В течение последних 100 лет антропогенные потоки вещества приобретают глобальный характер, а индустриальный фактор становится преобладающим в региональных геохимических циклах редких элементов. В ландшафтах, преобразованных деятельностью человека, их содержания могут на порядки превосходить величины, характеризующие естественный геохимический фон. В отличие от природных биогеохимических систем, где влияние ограниченного круга широко распространенных микроэлементов на человека осуществляется через пищевую цепь, в условиях высокой техногенной нагрузки количественное и качественное приращение загрязнений в окружающей среде опережает сменяемость поколений, что приводит к усложнению адаптаций организма к новой геохимической ситуации [Олигер и др., 1994].

6.1. Биотрансформация микроэлементов в организме

Концентрирование живым веществом химических элементов связано как с составом биологической системы и процессов метаболизма в ней, так и со строением и свойствами химических эле-

104

ментов [Ермаков, 1999]. Более подробное обсуждение этой обширной проблемы далеко выходит за рамки представляемой работы и является, в настоящее время, эпицентром эколого-гигиенических исследований. Ограничимся формулировкой общих положений, составляющих основу токсикологии металлов [Левина, 1972; Уланова и др., 1979; Авцын и др., 1991; Зигель и др., 1993; Goyer et al., 1977; Fillastre, 1978], и на этой основе дадим интерпретацию полученных результатов.

Выявляемые в организме человека химические элементы можно разделить на три группы. К одной относятся элементы, содержащиеся постоянно в организме и являющиеся незаменимыми –

O, C, N, Ca, P, K, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Cu, I, Mn, Mo, Co, Se. Во вторую группу входят условно эссенциальные элементы – As, B, Br, F, Li, Ni, Si, V. Третью группу составляют токсичные микро-

элементы – Al, Cd, Pb, Hg, Be, Ba, Bi, Tl, Sb, Ge, Au, In, Pd, Rb, Ag, Ti, Te, U, W, Sn, Zr [Северин и др., 1970; Кирсанов и др., 1998;

Aggett, 1985].

В жизнедеятельности организма ключевая роль принадлежит микроэлементам, и в первую очередь металлам, которые являются активаторами синтеза белка, ферментов, входят в состав витаминов, гормонов. Микроэлементы являются важнейшими катализаторами биохимических процессов и определяют течение адаптации организма. Физиологическая жизнедеятельность возможна лишь в условиях оптимальной концентрации микроэлементов [Авцын и др., 1983; 1991; Куценогий и др., 2001].

Метаболизм микроэлементов в организме человека.

Существуют два метаболических пути взаимодействия микроэлементов с тканями организма человека [Голиков и др., 1986]. Первый путь связан с деятельностью желудочно-кишечного тракта, где выделяют:

1.взаимодействие элемента с эндогенными лигандами содержимого желудочно-кишечного тракта;

2.всасывание микроэлемента через стенку желудочнокишечного тракта;

3.транспорт в кровеносном русле;

4.депонирование;

105

5.включение в состав специфических функционально активных биологических структур (ферментов, гормонов, витаминов, компонентов мембран, нуклеиновых кислот);

6.выделение из организма.

Деление это условно, во-первых, потому, что нарушение каждого отдельного этапа метаболического пути влечет за собой перестройку его на всех остальных этапах, и, во-вторых, потому, что каждый этап в свою очередь состоит из цепи реакций, зависящих каждая от функций целого ряда специфических белков.

Наиболее серьезное токсическое действие возникает при вдыхании пыли, содержащей металлы. Поступление ксенобиотиков через легкие в жидкие среды организма, в 10 раз эффективнее, чем через желудочно-кишечный тракт [Зигель и др., 1993].

Основные этапы метаболического пути элемента разыгрываются на уровне клетки. И здесь необходимо упомянуть о некоторых принципах поведения металлов. Свободные ионы большинства микроэлементов неспособны проникать через клеточную мембрану. Поэтому элемент должен поступить в клетку в составе определенного комплексного соединения, вступить в ней в связь с одним или несколькими специфическими белками, быть перенесенным на другой лиганд с транспортными функциями и выделенным с помощью активного механизма через клеточную мембрану. Ионы всех щелочных, щелочноземельных и лантаноидных металлов, а также трехвалентные Al, Cr и Fe образуют связь в местах белковых молекул, где находятся донорные О-атомы. Двухвалентные ионы металлов первого переходного ряда от Mn2+ до Cu2+ предпочтительно связываются в местах, где находится наибольшее число N-донорских атомов. Ионы Zn2+ предпочтительно образуют связь с донорными атомами N или S в зависимости от степени хелатирования. Cd2+, Hg2+ и Pb2+ предпочитают места связывания с донорными атомами S [Зигель и др., 1993].

При поступлении в организм металлы оказывают влияние на обмен микроэлементов, что связано пержде всего с влиянием вводимых металлов на металлозависимые метаболические процессы. Превалирование ассимиляции одних и диссимиляции других микроэлементов приводит к накоплению вводимых металлов в органах мишенях [Надеенко и др., 1990].

По данным литературы, отмечена следующая преимущественная кумуляция микроэлементов: ядро – цинк, железо, никель,; митохондрии – железо, цинк, магний; лизосомы и аутофагосомы – железо,

106

ртуть, свинец; ядрышко и центриоли – никель; рибосомы – магний, никель [Авцын и др., 1983; 1991]. Влияние токсических микроэлементов на клетку проявляется в том, что даже в ничтожных дозах они подавляют ферментативную активность путем вытеснения эссенциальных микроэлементов из активных центров ферментов [Северин и др., 1970], из разных типов нуклеиновых аминокислот, что ведет к изменению не только третичной, но и матричной активности ДНК. Морфологически это проявляется в выраженных изменениях ультраструктуры клеток. Выделяются два пути поступления металлов в клетки. Один из путей – через ионные каналы при пассивном транспорте и посредством энергозависимых насосов, сопряженных с функционированием Na-, K-АТФазы. Другой путь транспорта металлов – в виде комплексов металлов со специфическими лигандами (низкомолекулярные металлопротеины с молекулярной массой 5-8 тыс. дальтон, высоким содержанием цистеина и отсутствием ароматических аминокислот) [Ковалев и др., 1996]. Этот комплекс подвергается эндоцитозу. При «закислении» содержимого эндоцитозных везикул за счет деятельности ионного насоса происходит отщепление металла и его последующее поступление во внутриклеточный пул с одновременным возвращением рецепторов на поверхность плазмолеммы клеток [Авцын и др., 1991]. Приспособительные механизмы при воздействии химических факторов направлены на снижение содержания в организме за счет включения дополнительных путей выведения и увеличении скорости метаболизма [Уланова и др., 1979].

Основные пути элиминации микроэлементов из организма.

Пути выведения микроэлементов из организма определяются

впервую очередь типом химических соединений, в форме которых они поступают в организм, а также их дальнейшей трансформацией

вцепи биохимических превращений [Авцын и др., 1991]. Выведе-

ние микроэлементов из организма преимущественно осуществляется через кишечник и почки. Через кишечник, главным образом, экскретируются соединения с низким произведением растворимости, биологически мало активные или неактивные. Их доля достигает 97-99 % от общего количества микроэлемента, поступившего в организм. В обменных процессах участвуют и обладают высокой биологической активностью только «доступные» формы микроэлементов. Именно они мигрируют в составе физиологических жидкостей. Очевидно, что в составе мочевых камней способны накапли-

107

ваться только биологически активные формы металлов и неметаллов, которые выводятся из организма в составе ультрафильтрата плазмы крови. На этом основании можно предполагать, что для широкого спектра элементов характер их распределения в почечных тканях и уролитах может служить объективной характеристикой микроэлементного гомеостаза организма в целом.

Преимущественно удаляются через почки металлы, циркули-

рующие в ионном или молекулярно-дисперсном состоянии (Li+, Rb+, Cs+, Ge4+, Hf4+, Be2+, Cd2+, Cu2+). Мочой выводится до 60 % анионных

форм V, Mo, Cr – метаванадатов, молибдатов и хроматов (бихроматов). Катионные формы этих металлов, напротив, обладают малой биологической доступностью. Так, в частности, 99 % хрома удаляется через кишечник в форме нерастворимых соединений, и только 1 % хрома всасывается в желудочно-кишечном тракте. Ультрафильтруемая часть хрома, удаляющаяся из организма в составе мочи, составляет у человека только 6-28 % от общего его количества в плазме крови. Ряду металлов присуща многостадийная схема выделения, обусловленная различными механизмами их циркуляции и депонирования. Это касается Ba2+, Sr2+, Pb2+, а также тяжелых лантаноидов, способных изоморфно замещать ион Ca2+ в структуре апатита и накапливающихся вследствие этого в скелете. Только в первый период своего выделения они преимущественно выводятся через почки. Аналогичная схема выделения характерна и для As. Экскреция почками преобладает для мобильных форм Ga, Te, Co, Ni, In, Bi, Tl, прочие формы этих элементов выводятся через кишечник. Незначительным признано удаление через почки Hg, Sb, Mn, Th и легких лантаноидов. Cложно интерпретировать картину элиминации Zn. Он поступает в мочу из ультрафильтрата плазмы крови и на 95% подвергается реабсорбции в почках. Несмотря на способность кумулироваться в составе апатита костей, избыточный Zn2+ выводится из организма.

В биохимических реакциях он вступает в конкуренцию с ионами

Cd2+, Cu2+, Ca2+.

В общей закономерности элиминации микроэлементов из организма надо отметить, что при поступлении их алиментарным путем, интенсивность выделения зависит от содержания элемента в пище, скорости и степени усвоения в пищеварительном тракте. Ингаляционный путь введения микроэлементов в организм лишен барьерных функций, существующих в желудочно-кишечном тракте. Но при любом пути поступления основная нагрузка по выведе-

108

нию химических элементов из организма в значительной степени принадлежит почкам.

6.2. Кумуляция и распределение микроэлементов в почках

Вследствие постоянного загрязнения среды обитания человека возрастает нагрузка на элиминирующую функцию почек, в этой связи нарушение функционального состояния мочевыделительной системы может рассматриваться как индикатор загрязнения среды [Шакиров, 1998]. Ухудшение экологической обстановки в промышленных регионах влечет наиболее частые нарушения обмена пуринов, щавелевой кислоты и кальция [Бондаренко, 1996]. Так, сравнительный анализ распространенности аномалий развития почек и гипероксалурии в двух различающихся по степени загрязнения промышленных городах Оренбургской области позволил установить, что в более загрязненном городе указанная патология регистрировалась в 2,5 раза чаще, чем в контрольном, и в 6,5 раза больше, чем в среднем по России [Перепелкина, 1995]. При проведении изучения заболеваемости населения в городах Челябинской области [Уральшин и др., 1994; 1999] и последующее ранжирование их по степени эпидемиологического территориального риска, связанным со средовым загрязнением, установлено, что одними из наиболее часто встречающихся патологий, превышающих фоновый уровень более чем в 1,5 раза, являются заболевания мочевыделительной системы. Исследования последних лет убедительно свидетельствуют о том, что районах с преобладанием металлургической и угледобывающей промышленности обнаруживается большинство рецидивов уролитиаза [Kocvara et al., 1999]. По данным И.И. Токаренко с соавт. (1994), А.Ф. Фитина с соавт. (2000) болезни мочевыводящей системы имеют прямую корреляционную связь, в том числе, с содержанием в питьевой воде железа, марганца, алюминия.

Факторы риска токсических нефропатий, связанных с функ-

цией почек.

Уязвимость почки к токсическому действию металлов слагается из нескольких групп факторов риска:

∙поверхность капиллярного эндотелия почек подвергается прямому действию металлов в процессе ультрафилтрации. Дополнительный вклад в уязвимость клубочковых капил-

109