55. Влияние тяжёлых металлов и их соединений на живые орг-мы.

Термин “тяжёлые металлы”, характеризующий широкую группу загрязняющих в-в, получил в последнее время значительное распространение. Кол-во элементов, относимых к группе тяжёлых металлов, варьирует в широких пределах. Тяжелыми называют металлы с атомной массой более 40 атомных единиц и относительной плотностью превышающей 5 г/см³: железо, медь, серебро, ртуть, свинец, цинк, кобальт и др. По степени участия металлов в биохим-их процессах жизнедеятельности живых орг-ов их условно можно разделить на три группы: 1. Играющие важную роль в процессах жизнедеятельности, удаление к-ых из орг-ма или их истощение м-т привести к неблагоприятным биол-им аномалиям (н-р, железо и магний). 2. Участвующие в процессах роста, развития и репродукции, однако при высоких концентрациях оказывающие неблагоприятное токсикологическое воздействие на орг-м. К ним относятся молибден, висмут, марганец, кобальт, медь и цинк. Первые две группы называют типичными микроэлементами. 3. Обладающие высокотоксичными св-ми при относительно низких концентрациях, способные аккумулироваться в орг-ме при длительном воздействии и не играющие существенной роли в процессах жизнедеят-ти. Яркими представителями таких металлов являются кадмий, свинец и ртуть. Эти металлы получили название ультрамикроэлементы.

Тяжелые металлы явл-ся главными составляющими многих металлоферментов, участвующих в природной селекции аэробных клеток, в окислительно-восстановительных процессах тканей, иммунной реакции, стабилизации рибосом и мембран клеток. Они участвуют в процессах синтеза орг-их соединений и как все катализаторы, удовлетворяют потребности орг-ма, поступая в него в малых количествах. Так, н-р, медь входит в состав ряда ферментов, белков, участвует в кроветворении, в частности в синтезе гемоглобина, необходима для нормального течения таких физиол-их процессов как пигментации, кератинизации, остеогенеза, воспроизводительной ф-ции. Марганец необходим для активизации нек-ых ферментов (пролидазы), участвует в эритропоэзе, гемоглобинообразовании, в синтезе инсулина и использовании глюкозы. Цинк входит в состав отдельных ферментов (карбоксипептидазы, карбоангидразы), участвует в синтезе белков и РНК. Железо входит в состав гемоглобина (норма в крови 36.5 мкг %). Кобальт стимулирует эритропоэз, повышает активность нек-ых ферментов, способствует синтезу мышечных белков. Главным природным источником тяжёлых металлов явл-ся магматические и осадочные породы и минералы. Значительные кол-ва ионов тяжёлых металлов, находятся в атмосфере в составе аэрозолей. Океанический аэрозоль, поступающий на поверхность суши существенно обогащён тяжёлыми металлами. Частицы вулканического аэрозоля содержат атомы тяжёлых металлов в составе мин-ых соединений, из к-ых они с трудом извлекаются водой. Нек-ые эл-ты проникают в биосферу с космической и метеоритной пылью, с вулканическими газами, горячими источниками, газовыми струями. Важное значение из пр-ых источников имеют лесные пожары, выделение раст-тью, морская пена и морская пыль. Все крупные природные источники отступают на второй план по сравнению с привнесением металлов в биосферу в результате деятельности ч-ка. Естественно, что, добывая, обрабатывая и очищая металлы от примесей, ч-ек не только дает им новую жизнь, но и способствует их интенсивному рассеиванию в окр. среде. Развитие промышленности, с/х, энергетики и транспорта, интенсивная добыча полезных ископаемых – всё это привело к поступлению в воздух, воду, почву, р-ия сотен высокотоксичных хим-их в-в, в том числе «металлических» загрязнителей. За этим следует их проникновение в орг-зм ч-ка и ж-ых, что является «достижением» последних десятилетий. В последнее время накоплению т.м. в орг-зме ч-ка сильно способствовало повсеместное применение бытовых хим-их средств – растворителей, моющих и чистящих составов, пищевых красителей, ароматизаторов и консервантов. Особую опасность представляют так называемые распределённые в пространстве источники тяжёлых металлов, поскольку именно они загрязняют сравнительно большие территории. К этой группе относятся автомобильный транспорт, с/х угодья (после обработки смешанными синтетическими удобрениями или содержащими металлы пестицидами), домашние печи, использующие уголь, дрова, содержащие т.м. Таким образом, можно сказать, что микроэл-ты распределяются в окр-ей среде в результате первичного рассеивания (вулканическая деятельность) и вторичного рассеивания (воздействие атм-ых ф-ров). Третий процесс (третичное рассеивание) возник в результате человеческой деят-ти, что привело к перераспределению микроэл-ов и возникновению загрязнений.

С одной стороны, многие соединения тяж. мет. оказывают на живые орг-м положительное воздействие, входя в состав ферментов, витаминов, гормонов, участвуя во многих жизненно важных процессах и реакциях, то есть, выполняя роль микроэл-ов. С другой стороны индивидуальная потребность орг-ов в тяжелых металлах очень мала, а поступление из внешней среды избыточных кол-в этих веществ приводит к различного рода токсическим эффектам. Особенно опасными оказываются эл-ты, не входящие в состав биомолекул и образующие прочные соединения с концевыми тиоловыми группами белков. При высоких концентрациях большинство металлов становятся токсичными, причиняют вред орг-му, иногда необратимый, что ведёт к функциональным нарушениям, деформациям и нередко к смерти. Важно, что переход от недостатка определённого металла к его токсичности происходит в сравнительно узком интервале. Большая часть характеристик, с к-ми коррелирует токсичность, связана со структурой атомов или ионов, их электронных оболочек. Значение последних можно показать на примере сравнительной токсичности переходных и непереходных металлов. Переходные эл-ты отличаются от непереходных тем, что в них происходит заполнение не наружных слоев, а более внутренних, расположенных ближе к ядру. В своих соединениях они сохраняют только частично заполненные d-электронные орбиты, что отражается на их хим-ой, а также биологической активности. Т.о., особенностью электронных оболочек наиболее ядовитых элементов является наличие незаполненной наружной орбиты. Тяжёлые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность к-ых возрастает по мере увеличения атомной массы. Причём эта токсичность проявляется по-разному. Многие металлы при высоких уровнях концентрации ингибируют деятельность ферментов (медь, ртуть). Нек-ые т.м. образуют хелатоподобные комплексы с обычными метаболитами, нарушая нормальный обмен веществ (железо). Такие металлы, как кадмий, медь, железо, взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость и другие свойства (например, разрыв клеточных мембран). Так, в связи со способностью ртути проникать через плаценту известны многочисленные случаи эмбриотоксического эффекта. Некоторые т.м. конкурируют с необходимыми живым организмам элементами, нарушая их функциональные роли. Например, кадмий замещает цинк, что приводит к цинковой недостаточности, вызывая нарушение физиологических функций и даже гибель. Токсичность, ртути зависит от вида её химических соединений. Наиболее токсичны органические соединения метил-, диметил- и этилртуть. Высокие содержания свинца могут, например, подавлять рост растений, вызывать хлороз, обусловленный нарушением поступления железа. Тяжелым металлам свойственно вступать в связь с белками посредством карбоксильных, амино- и SH- групп, имидазольной группировки гистидина. Они вступают в связь со свободными аминокислотами, органическими и нуклеиновыми кислотами, фосфатами и другими соединениями, могут подвергаться метилированнию, ацетилированию и другим превращениям. Электрохимические свойства тяжелых металлов (величина заряда, степень валентности, характер кристаллической решетки) определяют их реакционную способность, участие в окислительных превращениях соединений металлов в биосредах и с биохимическими компонентами этих сред. В данном случае соединения металлов могут переходить из состояния низкой валентности в высокую и наоборот, изменяя свои свойства, что сказывается на их возможности к накоплению, перераспределению в организме. Живой организм обладает несколькими механизмами детоксикации, которые служат для ограничения или даже полного устранения токсиканта: наличие специфичных белков, связывающих металлы; барьеры, мешающие войти во внутреннюю среду организма и защищающие особо важные органы (мозг, половые и другие железы внутренней секреции); транспортные механизмы для выведения металлического токсиканта из организма; ферментные системы, которые превращают любой токсикант в соединения менее токсичные и легче удаляемые из организма; тканевые депо, где как бы под «арестом» могут накапливаться некоторые токсичные металлы. В первую очередь в ответ на действие токсичных ионов кадмия, ртути, свинца на печень и почки человека увеличивается связывание их в металлотионеины – это низкомолекулярные (около 10000 тыс. Дальтон) белки, включающие примерно 20 аминокислотных остатков и принимающие участие в регулировании внутриклеточного содержания металлов. Они обнаружены у животных всех типов, включая прокариот. Высокое сродство данных белков к ионам металлов обусловлено значительным содержанием в их составе цистеина. Таким образом, поступление металлов в организм живых организмов, их распределение и выделение – процессы не пассивные, а в значительной степени регулируемые механизмами гомеостаза, которые позволяют поддерживать относительное постоянство элементного состава органов и тканей.