Chélateurs d'ions métalliques de valence variable. Complexes triples enzyme-métal-substrat

Après avoir étudié ce chapitre, l'étudiant doit :

connaître

Données écologiques et physiologiques de base des ions alcalins et alcalino-terreux, impact du plomb sur le corps humain, formes de migration atomique métaux lourds dans l'atmosphère et l'hydrosphère;

être capable de

Déterminer la pertinence de l'eau pour une utilisation à diverses fins ;

propres

- méthodes de protection contre les impacts anthropiques des ions métalliques toxiques.

Selon le comportement dans les systèmes vivants, les substances, y compris les ions métalliques, sont divisées en cinq types : nécessaire pour le corps; excitants; inerte, inoffensif; agents thérapeutiques; toxique. Une substance est considérée comme nécessaire pour le corps, dont le manque provoque des troubles fonctionnels dans le corps, qui sont éliminés en y introduisant cette substance. La nécessité est une propriété dépendante de l'organisme et doit être distinguée de la stimulation. Il existe de nombreux exemples où stimulants des ions métalliques essentiels et non essentiels apparaissent. Certains métaux et ions métalliques à certaines concentrations sont inerte, sans danger et n'ont aucun effet sur le corps. Par conséquent, les métaux inertes - Ta, Pt, Ag, Au - sont souvent utilisés comme implants chirurgicaux. De nombreux ions métalliques peuvent servir agents thérapeutiques;

Sur la fig. 6.1 donne une idée de la réponse biologique des tissus corporels à une augmentation de la concentration d'ions métalliques fournis en quantité suffisante, par exemple avec de la nourriture.

Riz. 6.1. Réponse biologique en fonction de la concentration du produit requis(courbe pleine)et dangereux(courbe en pointillés)substances

(la disposition mutuelle des deux courbes par rapport à l'échelle de concentration est conditionnelle)

courbe solide indique une réponse positive immédiate avec une concentration croissante, à partir de zéro (on suppose que la substance nécessaire entrante sature ses sites de liaison et n'entre dans aucune autre interaction qui est en fait tout à fait possible). Cette courbe pleine décrit le niveau optimal couvrant une large gamme de concentrations pour de nombreux ions métalliques. L'effet positif d'une augmentation de la concentration d'un ion métallique passe par un maximum et commence à tomber à des valeurs négatives : la réponse biologique de l'organisme devient négative, et le métal passe dans la catégorie des substances toxiques.

courbe en pointillés En figue. La figure 6.1 montre la réponse biologique du corps à une substance complètement nocive qui ne présente pas les effets d'une substance nécessaire ou stimulante. Cette courbe s'accompagne d'un certain retard, ce qui indique qu'un organisme vivant est capable de « supporter » de petites quantités d'une substance toxique (concentration seuil) jusqu'à ce que son effet toxique l'emporte.

Sur la fig. 6.1 présente, bien sûr, une certaine image générale ; chaque substance a sa propre courbe spécifique dans les coordonnées "réponse biologique - concentration". Il découle également de la figure que les substances essentielles peuvent même devenir toxiques si elles sont consommées en excès. Presque toute substance en excès devient inévitablement dangereuse (même si cette action est indirecte), par exemple en raison de la restriction de la digestibilité d'autres substances nécessaires. L'organisme animal maintient la concentration de substances dans la plage optimale grâce à un ensemble de processus physiologiques appelés homéostasie. La concentration de tous, sans exception, les ions métalliques nécessaires est sous contrôle strict de l'homéostasie ; le mécanisme détaillé de l'homéostasie de nombreux ions métalliques reste le domaine de recherche actuel.

La liste des ions métalliques nécessaires au corps humain (et aux animaux) est présentée dans le tableau. 6.1. Au fur et à mesure que la recherche se poursuit et que les techniques expérimentales s'améliorent, certains des métaux auparavant considérés comme toxiques sont désormais considérés comme essentiels. Certes, il n'a pas encore été prouvé que le Ni 2+ est nécessaire au corps humain. On suppose que d'autres métaux, tels que l'étain, peuvent également être classés comme essentiels pour les mammifères. La deuxième colonne du tableau. 6.1 indique la forme sous laquelle un ion métallique donné existe à pH = 7 et peut apparaître dans le plasma sanguin jusqu'à ce qu'il soit combiné avec d'autres ligands. FeO(OH) et CuO sous forme solide ne se trouvent pas dans le plasma, puisque Fe 3+ et Cu 2+ forment des complexes avec des macromolécules protéiques. Dans la troisième colonne du tableau. 6.1 montre la quantité totale typique de chacun des éléments nécessaires normalement présents dans le corps d'un adulte. En conséquence, les concentrations plasmatiques en ions métalliques sont données dans la quatrième colonne. Et la dernière colonne recommande la quantité d'apport quotidien pour chacun des ions métalliques requis, mais ces recommandations sont susceptibles de changer.

Tableau 6.1

Ions métalliques essentiels

	Forme à pi I = 7		Concentration plasmatique, mmol	Consommation quotidienne, g

En réponse à une intervention extérieure, l'organisme vivant dispose de certains mécanismes de détoxification qui permettent de limiter voire d'éliminer la substance toxique. L'étude des mécanismes spécifiques de détoxification vis-à-vis des ions métalliques en est à ses débuts. De nombreux métaux passent sous des formes moins nocives dans le corps de la manière suivante : la formation de complexes insolubles dans le tractus intestinal ; le transport du métal par le sang vers d'autres tissus où il peut être immobilisé (comme le Pb 2+ dans les os) ; conversion par le foie et les reins en une forme moins toxique ou plus libre. Ainsi, en réponse à l'action des ions toxiques Cd 2+ , Hg 2+ , Pb 2+ et autres, le foie et les reins humains augmentent la synthèse de métallothiones - protéines de faible poids moléculaire, dont environ 30 (sur 61) résidus d'acides aminés est la cystéine. La teneur élevée et le bon arrangement mutuel du sulfhydryle SH-rpynn offrent la possibilité d'une forte liaison des ions métalliques.

Les mécanismes par lesquels les ions métalliques deviennent toxiques sont généralement faciles à imaginer, mais difficiles à identifier pour un métal en particulier. Les ions métalliques stabilisent et activent de nombreuses protéines ; apparemment, pour l'action de Y 3, toutes les enzymes ont besoin d'ions métalliques. La concurrence entre les ions métalliques essentiels et toxiques pour les sites de liaison aux protéines est facile à imaginer. De nombreuses macromolécules protéiques ont des groupes sulfhydryle libres qui peuvent interagir avec des ions métalliques toxiques tels que Cd 2+ , Hg 2+ , Pb 2+ ; il est largement admis que c'est cette réaction qui est à l'origine de la manifestation de la toxicité des ions métalliques répertoriés.

Néanmoins, il n'est pas exactement établi quelles macromolécules protéiques causent les dommages les plus graves à un organisme vivant. Les ions métalliques toxiques sont répartis dans de nombreux tissus et rien ne garantit que les dommages les plus importants se produisent là où un ion métallique donné est le plus important. C'est par exemple le cas pour les ions Pb 2+ : étant à plus de 90 % (de leur quantité dans l'organisme) immobilisés dans les os, ils restent toxiques à raison de 10 % répartis dans les autres tissus de l'organisme. En effet, l'immobilisation des ions Pb 2+ dans les os peut être considérée comme un mécanisme de détoxification. Ce type de toxicité, qui est dû à des maladies génétiques (par exemple, l'anémie de Cooley, accompagnée d'une teneur excessive en fer), n'est pas traité dans ce chapitre.

Notre examen ne couvre pas l'éventuelle activité cancérigène des ions métalliques. Captzerohepposity - il s'agit d'un phénomène complexe, dépendant du type d'animal, d'organe et de son niveau de développement, en synergie avec d'autres substances. Les ions métalliques et leurs complexes peuvent également servir de agents anticancéreux. La toxicité d'un ion métallique n'est généralement pas associée à son besoin pour le corps. Cependant, la toxicité et la nécessité ont un point commun : en règle générale, il existe une interdépendance des ions métalliques entre eux, ainsi qu'entre les ions métalliques et non métalliques, dans leur contribution globale à l'efficacité de leur action. La disponibilité des ions métalliques nécessaires dépend de leur interaction avec les aliments consommés ; la simple adéquation du régime alimentaire ne satisfait pas à cette disposition. Par exemple, le fer des légumes est mal absorbé en raison de la présence de ligands complexants, et un excès d'ions Zn 2+ peut inhiber l'absorption de Cu 2+. De même, la toxicité du Cd 2+ est plus prononcée dans un système non déficient en Zn 2+ et la toxicité du Pb 2+ est exacerbée par une carence en Ca 2+ . Un tel antagonisme et une telle interdépendance compliquent grandement les tentatives de retracer et d'expliquer les causes de la nécessité et de la toxicité.

Pour de nombreux ions métalliques, la toxicité aiguë se produit lors d'un "coup" soudain avec une forte dose de métal; en même temps, d'autres effets et symptômes apparaissent qu'en cas d'intoxication chronique ; l'empoisonnement chronique se produit lors de la réception de faibles doses de métal, mais sur une longue période de temps.

Les effets toxiques les plus graves des ions métalliques résultent de l'inhalation de poussières, se produisant généralement sur entreprise industrielle. Les particules d'un diamètre de 0,1 à 1 micron, qui sont efficacement adsorbées par les poumons, sont particulièrement dangereuses. Notez que les poumons absorbent les ions métalliques, qui pénètrent ensuite dans les milieux liquides du corps, dix fois plus efficacement que le tractus gastro-intestinal. Ainsi, par exemple, le plus grand danger du plutonium radioactif 239 (qui émet des particules a actives avec une demi-vie de 24,4 milliers d'années) ne provient pas de l'absorption de plutonium avec de la nourriture, mais de l'adsorption de poudre de plutonium par les poumons tissu.

Les composés métalliques volatils tels que les composés carbonylés et alkylés du mercure, du plomb et de l'étain sont facilement absorbés par les poumons et peuvent provoquer une intoxication aiguë aux métaux. D'où la conclusion : toute inhalation avec des ions métalliques est à proscrire !

des ions métaux alcalins. Aucun des métaux alcalins n'est particulièrement toxique. L'homéostasie maintient la concentration des ions Na + et K + nécessaires (voir tableau 6.1) à un niveau physiologique normal. Le rôle de ces deux éléments est important dans la digestion. En plus de leur action spécifique, ces ions métalliques jouent deux rôles cruciaux dans les organismes vivants : ils déterminent l'équilibre osmotique de part et d'autre de la membrane et fournissent des contre-ions positifs pour les anions tels que HPO|, HCO3 et les molécules organiques, dont beaucoup ne sont que anions Ainsi, Na+ et K+, respectivement, servent de principaux contre-ions intercellulaires et intracellulaires.

D'autres ions de métaux alcalins peuvent entrer en compétition avec les ions Na + , K + dans certains processus physiologiques. Dans le corps humain, le liquide intracellulaire, avec les ions K 1, contient environ 0,3 g de Rb +. De petites quantités de Cs + peuvent également être contenues ; une quantité significative de 37 Cs (T| 2 = 30 ans) n'apparaît qu'en cas d'exposition radioactive. La plus forte dose de radioactivité des gonades de sources internes est normalement de 20 mrem par an et est obtenu à partir de potassium naturel, nécessairement présent dans les fluides intracellulaires.

Lithium. Depuis plus de 50 ans, le Li* est utilisé pour traiter la psychose maniaco-dépressive ; au Royaume-Uni, en moyenne, il y en a un pour deux mille personnes qui le reçoivent comme médicament. L'apport oral de Li 2 C0 3 augmente la concentration de lithium dans le plasma sanguin à 1 mm, ce qui atténue sensiblement les changements d'humeur de nombreux patients. Mais le niveau de métal nécessaire pour un effet thérapeutique peut malheureusement avoir un effet toxique tel que l'inhibition de la fonction rénale et des troubles du système nerveux central. La nature même de l'action des ions lithium n'a pas encore été élucidée ; peut-être modifie-t-il les relations intracellulaires. Li+ agit sur de nombreuses enzymes, dont celles impliquées dans la glycolyse. De nombreux biochimistes pensent que Li + remplace les ions Na b ou K + , mais ils sont respectivement trois ou six fois plus volumineux que le lithium. Par conséquent, une telle substitution dans les macromolécules protéiques devrait entraîner une modification de la structure des cavités métalliques correspondantes ; d'autre part, l'ion Li + est un peu plus grand que l'ion Mg 2+. Le lithium forme généralement des complexes plus forts que Na + et K + , mais beaucoup plus faibles que Mg 2+ . Dans le traitement de la psychose, le lithium et le magnésium sont utilisés à des concentrations comparables, et Li + occupe les sites de liaison qui ne sont pas occupés par Mg 2+ ; si toutes les places possibles sont occupées par le magnésium, Li* déplace Na + et K + . Tous ces ions alcalins entrent dans des réactions d'échange plus de 10 3 fois plus rapides que l'ion Mg 2+. C'est ce facteur qui peut expliquer la modification de l'activité des enzymes contenant du Mg lors de l'introduction du lithium.

Magnésium. Ce métal sous forme d'ion Mg 2+ est nécessaire aux organismes végétaux et animaux. Chez les plantes, Mg 2+ est chélaté avec quatre atomes d'azote dans les cycles pyrrole de la structure cyclique de la chlorophylle - un cas rare de coordination du magnésium avec l'azote. Dans les organismes animaux, Mg 2+ est un cofacteur nécessaire dans chaque réaction impliquant l'adénosine triphosphate (ATP). Il joue également le rôle de contre-ion pour stabiliser la double hélice d'ADN, qui possède des groupes phosphate chargés négativement dans chaque maillon de la chaîne. La présence d'ions magnésium augmente la probabilité d'un bon appariement des liaisons. Lorsqu'il est coordonné avec des phosphates nucléosidiques tels que l'ATP, Mg 2+ se lie uniquement aux groupes phosphate. Les ions Mg 2+ sont essentiels à la transmission neuromusculaire et à la contraction musculaire. Une homéostasie stable maintient le niveau de Mg 2+ dans le plasma sanguin au niveau de 0,9 mm pour les personnes apparemment en bonne santé. Le manque de Mg 2+ est beaucoup plus courant, et dans l'alcoolisme, apparemment, c'est une situation obligatoire. Les carences sévères en magnésium étant rares, il existe peu de données sur les symptômes. Les symptômes en sont un delirium tremens et des manifestations neuromusculaires, notamment des frissons, des convulsions, un engourdissement des extrémités, des tremblements. De faibles niveaux de Mg 2+ peuvent provoquer une hypocalcémie, dans laquelle le minéral métaboliquement labile ne peut pas être mobilisé à partir des os. Les niveaux de Mg 2+ et de Ca 2+ sont contrôlés par l'hormone parathyroïdienne par le biais d'un Rétroaction. Le magnésium est plutôt faiblement toxique. La prise de grandes quantités de sels de Mg 2+ provoque des vomissements. Les patients insuffisants rénaux qui ont reçu du magnésium dans le cadre de médicaments neutralisant l'acide peuvent présenter des symptômes d'empoisonnement à long terme. Ce dernier peut affecter le système nerveux central, les organes respiratoires et le système cardiovasculaire.

Calcium. Deux ions alcalins Na~ et K + et deux ions alcalino-terreux Mg 2+ et Ca 2+ représentent ensemble plus de 99 % de la quantité d'ions métalliques dans le corps humain. Le calcium sous forme de Ca 2+ est contenu dans le corps plus que les autres ions métalliques. Plus de 99% de celui-ci entre dans la composition des os et de l'émail dentaire sous forme d'hydroxoapatite Ca 5 (P0 4) 3 (0H). Dans les solutions, le calcium joue un rôle essentiel dans de nombreux processus, notamment la contraction musculaire, la coagulation sanguine, l'influx nerveux, la formation de microtubules, la communication intercellulaire, les réponses hormonales, l'exocytose, la fécondation, la minéralisation, ainsi que la fusion cellulaire, l'agrégation et la croissance cellulaire. Bon nombre des activités énumérées de l'ion calcium sont impliquées dans des interactions avec des macromolécules protéiques, que l'ion Ca 2+ peut stabiliser, activer et moduler. Tous les sites de liaison connus jusqu'à présent dans les protéines pour les ions Ca 2+ sont constitués d'atomes d'oxygène. Le gradient de concentration de Ca 2+ dans les fluides intercellulaires et intracellulaires dépasse de manière significative les gradients des trois autres ions de métaux alcalins et alcalino-terreux biologiquement importants (Na +, K, Mg 2+).La concentration libre de Ca 2+ dans les fluides intercellulaires est environ 1,3 mM, alors que dans de nombreux fluides intracellulaires, elle est étonnamment faible (0,1 µM ou même moins pour un gradient de concentration de 20 000 fois). Lorsqu'elle est stimulée, une faible concentration intracellulaire peut augmenter d'un facteur 10, ce qui s'accompagne de changements conformationnels dans les macromolécules protéiques qui ont une constante de dissociation à l'intérieur des micromoles. dose quotidienne (800 mg) de Ca 2+ peut être obtenue à la consommation d'un litre de lait - la seule source riche en calcium.La carence en calcium est exprimée trouvé dans le retard de croissance, les mauvaises dents et d'autres défauts moins évidents. Un tel défaut latent est l'absorption accrue d'ions métalliques indésirables ou toxiques dans un système déficient en Ca2+. Le mécanisme d'homéostasie qui régit l'absorption par l'intestin contrôle les niveaux de Ca 2+ chez l'homme. Le calcium est considéré comme non toxique. Le dépôt de minéraux osseux dans les tissus mous n'est pas causé par un excès d'ions Ca 2+ , mais par une teneur accrue en vitamine D. Cependant, un niveau élevé de Ca 2+ dans l'alimentation peut inhiber l'absorption intestinale d'autres métaux nécessaires à le corps.

baryum et strontium. Ba 2+ est toxique en raison de son antagonisme avec K + (mais pas avec Ca 2+). Cette relation est un exemple clair de l'importance plus grande de la similarité des rayons ioniques de Ba 2+ et K + que de l'identité de la charge (les deux ions alcalino-terreux Ba 2+ et Ca 2+ ont des rayons différents). L'ion baryum est un poison musculaire, le traitement consiste ici en l'administration intraveineuse de sels de K+. Alors que les ions Ba 2+ sont encore dans les intestins, l'apport de sels solubles SO| _ conduit à la formation de sulfate de baryum insoluble, qui n'est pas absorbé. BaSO| utilisé comme matériau radio-opaque pour les études gastro-intestinales. Le corps humain contient environ 0,3 g de Sr 2+ dans les os. Un tel montant ne représente aucun danger ; cependant, le strontium est devenu une contamination importante ces dernières années sous la forme de 90 Sr (G 1/2 = 28 ans) à partir des retombées radioactives.

Béryllium. Le Be 2+ dans les environnements acides forme de l'hydroxyde de Be(OH) 2 insoluble, ce qui réduit l'absorption intestinale. L'inhalation de poussières contenant du béryllium provoque une granulomatose pulmonaire chronique (appelée bérylliose) ou des lésions pulmonaires ; la maladie se développe lentement et se termine souvent par la mort. Les travailleurs des usines produisant des lampes fluorescentes, où l'oxyde de béryllium est utilisé comme substance phosphorescente, ont été victimes de la bérylliose. (Cette production a déjà été suspendue.) Une dose d'un millionième de poids corporel de béryllium est déjà mortelle. Le Be 2+ circule dans l'organisme sous forme de phosphate colloïdal et s'incorpore progressivement au squelette osseux. La formation de complexes d'hydroxyde et de phosphate se déroule selon les principes exposés ci-dessus (pour des ions divalents de petite taille, mais avec une densité de charge élevée). Be 2~ inhibe de nombreuses enzymes comme la phosphatase, c'est le plus puissant inhibiteur connu de la phosphatase alcaline. Le béryllium inhibe également les enzymes activées par le magnésium et le potassium, perturbe la réplication de l'ADN. "Thérapie par chélation" (prise de médicaments chélateurs tels que l'éthylènediaminetétra- acide acétique) s'est avéré inefficace pour éliminer le Be 2+ de l'organisme des personnes souffrant d'intoxication chronique au béryllium. Il est évident qu'une substance aussi dangereuse à toxicité latente (prolongée) que le béryllium doit être traitée avec beaucoup de prudence, et il est préférable de la retirer complètement de la circulation.

Lanthanides. Les lanthanides comprennent 15 éléments, du lanthane de numéro atomique 57 au lutétium de numéro atomique 71. Tous ne se trouvent dans les systèmes biologiques qu'à l'état d'oxydation +3. Pour le gadolinium Gd 3+ - le membre central de cette série (numéro atomique 64) - le rayon ionique correspond étroitement au rayon ionique de Ca 2+ . Étant donné que la similitude de taille atomique est plus importante que l'égalité de charge, les lanthanides remplacent le calcium dans de nombreux systèmes biologiques. Une telle substitution de lanthanide n'est pas significative lorsque l'ion métallique joue un rôle structurel prédominant, mais elle peut avoir un effet inhibiteur ou activateur lorsque l'ion métallique est dans le site actif. Les ions lanthanides ont été très largement utilisés pour déterminer les sites de liaison des ions Ca 2+ dans les macromolécules protéiques. Aucun des éléments lanthanides n'est biologiquement essentiel. Les plantes résistent à l'accumulation de lanthanides, bloquant ainsi le transfert des lanthanides à l'homme, principalement à travers la chaîne alimentaire. Les lanthanides se présentent sous la forme d'un ion aqua (3+) jusqu'à pH=6, moment auquel commence la formation de complexes hydroxo et de précipités. Leurs phosphates sont également insolubles. De ce fait, les lanthanides forment des complexes insolubles dans l'intestin et sont donc mal absorbés. Aucun d'entre eux n'est considéré comme toxique.

Aluminium. Étant le métal le plus courant de la croûte terrestre, l'aluminium est rarement présent dans les organismes vivants, probablement parce qu'il est difficile d'accès, car il fait partie de gisements minéraux complexes. Typiquement, un corps humain adulte contient 61 mg d'aluminium, et partie principale- dans les poumons par inhalation. Le seul cation aluminium A1 3+ dans les solutions neutres forme de l'hydroxyde insoluble A1(OH) 3 et des composés hydroxo et oxo fortement réticulés à base de celui-ci. C'est la formation de telles particules et d'A1P0 4 insoluble qui limite l'absorption d'A1 3+ dans le tube digestif. Après absorption, la concentration la plus élevée d'aluminium se trouve dans le cerveau. La détérioration de l'état de l'activité rénale réduit considérablement la capacité du corps à excréter A1 3+. Des niveaux élevés d'aluminium provoquent un appauvrissement en phosphate dû à la formation d'A1PO 4 . Seuls de faibles niveaux de ce métal sont possibles dans l'eau et les aliments, et à de telles concentrations, l'A1 3+ n'est pas du tout particulièrement toxique. L'introduction de A1 3+ (ainsi que Hg 2+ et Pb 2+ ) dans le réseau d'approvisionnement en eau des villes avec des pluies acides conduit à une teneur plus élevée en métal, ce qui devient déjà un problème. Les ions métalliques pénétrant dans l'eau peuvent constituer un danger pour les poissons bien plus grave que l'acidité. Des quantités limitées de Ca 2+ et de Mg 2+ semblent augmenter la toxicité potentielle de l'aluminium. L'effet toxique de l'A1 3+ se manifeste sous forme de constipation et d'anomalies nerveuses. Une augmentation de la concentration d'aluminium dans le cerveau est associée à la maladie d'Alzheimer, à des troubles de type démence et même à la mort, principalement chez les personnes âgées. Cependant, selon les idées modernes des médecins, l'aluminium n'est probablement pas raison principale maladie, mais s'accumule dans un cerveau déjà malsain ou agit comme l'un des nombreux facteurs. Dans tous les cas, le fait que l'ancienne génération utilise des anti-transpirants contenant de l'aluminium et consomme également de grandes quantités d'antiacides (médicaments qui neutralisent l'acide) est un signe très inquiétant. Les patients dialysés avec une forte concentration d'A1 3+ dans l'eau peuvent contracter une "démence de dialyse".

Chrome. Le chrome est traditionnellement inclus dans les listes d'oligo-éléments nécessaires. Le corps humain contient environ 6 mg de chrome, répartis dans de nombreux tissus. Bien que les doses requises n'aient pas été établies, elles doivent être très faibles. Le niveau de chrome requis est difficile à estimer par des méthodes chimiques ou biochimiques. La raison du besoin de chrome reste également inconnue. Bien que cela fasse 25 ans que Cr 3+ a été proposé pour la première fois comme composant du facteur de tolérance au glucose, la nature du complexe lui-même reste inconnue et certaines des structures proposées pour un tel complexe semblent sans fondement. A pH = 7, le composé le plus courant est le Cr(OH)2, mais sous sa forme inerte, polynucléaire et complexe. Même sous forme d'ion hexaaqua chrome (III), l'échange d'une molécule d'eau avec un solvant prend plusieurs jours. C'est précisément cette inertie qui limite apparemment le rôle du Cr(III) aux seules fonctions structurelles. Si le chrome est néanmoins impliqué dans des réactions rapides, alors il y agit comme Cr(II). Les sucres peuvent agir comme des ligands potentiels pour le chrome. Le glucose n'est qu'un ligand relativement médiocre pour lier ce métal, mais cette restriction peut ne pas jouer de rôle dans certains complexes de chrome trivalent. Le Cr(III) trivalent est l'un des ions métalliques les moins toxiques ; un oxydant fort hexavalent Cr(VI) est déjà plus toxique. Au pH

Molybdène. Ce métal se trouve généralement sous forme de Mo(VI) et le molybdate MoO|“ est adsorbé dans le tractus gastro-intestinal. Le molybdène est présent dans les plantes en tant que cofacteur de l'enzyme nitrogénase. La xanthine oxydase (qui catalyse la formation d'acide urique chez les animaux) a deux atomes de Mo, huit atomes de Fe et deux cycles de flavine dans le cadre des cofacteurs dinucléosides adénine. La toxicité du molybdène se situe au niveau de la toxicité du cuivre ou du soufre. Les ruminants nourris avec des aliments riches en molybdène et appauvris en cuivre développent des tumeurs, qui s'accompagnent d'un retard de croissance, d'anémie et de maladies osseuses. Chez l'homme, un régime avec un rapport similaire de molybdène et de cuivre provoque des symptômes de goutte. Prendre des préparations de cuivre est utile pour les animaux empoisonnés au molybdène. Ni le molybdène ni son tungstène apparenté, qui n'est pas essentiel à l'organisme et inhibe l'activité de la xanthine oxydase, ne sont considérés comme des métaux particulièrement toxiques.

Manganèse. Plusieurs états d'oxydation sont connus pour le manganèse, mais il est prouvé que ce métal ne participe pas aux réactions redox, et seul Mn 2+ est important ; Mn 3+ est instable en tant qu'ion aqua à pH > 0 et, à moins qu'il ne soit sous une forme complexe, il est facilement réduit dans des solutions neutres en Mn 2+ . Il n'y a pas de données sur ce qu'entraîne un manque de manganèse dans le corps humain. Chez les animaux, sa carence entraîne une détérioration de la croissance osseuse, une diminution de la fonction productive et éventuellement une suppression de la synthèse du cholestérol. Le manganèse peut être un cofacteur pour les enzymes. Bien que de nombreuses enzymes soient activées par Mn 2+ , cette activation est spécifique puisque d'autres ions métalliques, tels que Mg 2+ , sont également efficaces à cette fin. La concentration de Mn 2+ dans le plasma sanguin n'est que d'un millième de la concentration de Mg 2+ . Le manganèse est presque non toxique, en particulier sous la forme de l'ion Mn 2+. L'ion permanganate MnOj est toxique en raison de sa nature oxydante. L'intoxication au manganèse la plus courante est due à l'inhalation d'oxyde de manganèse dans production industrielle. Une exposition chronique de ce type peut conduire au manganisme, dans lequel il existe déjà une atteinte grave et irréversible du système nerveux central et du cerveau. Apparemment, un excès de manganèse dans le corps a un effet sur les systèmes enzymatiques du cerveau. Malheureusement, il n'existe pas d'antidotes universels et efficaces, ils essaient simplement d'éliminer la cause initiale.

Fer. La teneur en fer dans le corps humain est de 4 g, dont environ 70%, c'est-à-dire 3 g entrent dans la composition des globules rouges sous forme d'hémoglobine, la majeure partie du reste est dans les protéines de fer et une petite quantité dans certaines enzymes. Sur les besoins quotidiens en fer recommandés de 10 à 20 mg, seuls 10 à 20 % sont absorbés, une quantité légèrement supérieure chez les personnes carencées en fer avec une bonne homéostasie. L'absorption du fer est inhibée par la formation d'hydroxydes insolubles, de phosphates, de complexes avec des acides gras ; elle est favorisée par les sucres solubles et les chélates d'acide ascorbique. La quasi-totalité des 25 mg de fer libérés quotidiennement par la dégradation de l'hémoglobine est efficacement recyclée par le foie, de sorte que la demi-vie du fer dans le corps humain dépasse 10 ans. C'est pourquoi l'absorption de moins de 1 mg par jour est suffisante pour une personne (à l'exception de la période de menstruation, au cours de laquelle une femme perd environ 20 mg de fer). La carence humaine la plus courante dans le monde est la carence en fer, affectant jusqu'à 10 % des femmes préménopausées vivant dans des zones industrielles ; dans certains groupes, ce chiffre monte à 100 %. La carence en fer conduit à l'anémie. Le fer est absorbé sous forme de Fe(II) et oxydé en Fe(III) dans le sang. Etant donné que Fe 3+ forme des précipités complètement insolubles même dans des solutions aqueuses acides, la protéine de transferrine transporte Fe 3+ dans le sang. Lorsque la capacité de transport de Pe 3+ de la transferrine est épuisée, Fe(OH) 3 précipite dans le sang. La toxicité ferreuse apparaît pour des groupes spécifiques : aux États-Unis, sur un millier d'enfants, environ 10 meurent chaque année en avalant des comprimés de minéraux FeSO 4 préparés pour leur mère ; où la cuisine se fait dans des marmites en fer ; chez les alcooliques souffrant de troubles hépatiques sévères. La toxicité ferreuse est associée à une maladie gastro-intestinale, un choc et des lésions hépatiques.

Cobalt Connu comme un composant essentiel de la vitamine B 12, chélaté dans un macrocycle corrine complexe avec quatre cycles pyrrole liés. exigence quotidienne une personne en vitamine B 12 n'en contient que 3 mcg, et sa carence entraîne une anémie et un retard de croissance. Plusieurs formes de vitamine B 12 sont connues pour servir de cofacteurs enzymatiques dans les réactions de transfert de groupe méthyle, ainsi que dans d'autres réactions où le cobalt subit un changement d'état d'oxydation. N'étant pas lié au cycle corrinoïde de la vitamine B 12 , le cobalt se retrouve dans les systèmes biologiques sous la forme de l'ion Co 2+ . Cet ion est capable de lier quatre, cinq et même six atomes donneurs dans différents types de polyèdres de coordination. Zn 2+ a également une capacité similaire. Ces deux ions ont les mêmes rayons ioniques effectifs pour tous les nombres de coordination, ainsi que des constantes de stabilité tout à fait comparables. Dans les complexes avec de nombreux ligands, le Co 2+ remplace le Zn 2+ dans certaines enzymes, donnant souvent également des enzymes actives. Parce qu'il a des électrons ^/ non appariés, il est utile dans certaines méthodes spectrales d'utiliser Co 2+ pour étudier les propriétés du zinc spectralement inactif dans les protéines contenant du zinc. L'excès de Co 2+ stimule la moelle osseuse à produire des globules rouges ; il réduit également la capacité de la glande thyroïde à accumuler de l'iode, c'est-à-dire le goitre peut être une conséquence de la prise de sels de cobalt avec anémie. Le cobalt a montré une cardiotoxicité pour certains buveurs de bière avides consommant plus de trois litres par jour. (Dans certains pays, des sels de cobalt divalent de 10 -4% sont ajoutés à la bière pour stabiliser la mousse, afin d'éteindre l'effet des détergents résiduels.) Bien que le nombre de victimes ait été moindre que dans le cas de la prise de médicaments au Co 2+ pour l'anémie, il est encore clair que l'alcool éthylique augmente la sensibilité de l'organisme à l'intoxication au cobalt, et que le SO 2 contenu dans la bière en bouteille détruit la thiamine (la carence en cette vitamine exacerbe la cardiotoxicité causée par le Co 2+).

Nickel. Dans les systèmes biologiques, le nickel se présente presque exclusivement sous forme de Ni(II). Bien que l'état d'oxydation +3 soit possible pour le nickel dans certaines conditions, il est peu probable pour les organismes hautement évolués. Le corps humain contient environ 10 mg de Ni 2+ , et le niveau dans le plasma sanguin se situe dans une fourchette assez étroite, ce qui indique l'homéostasie et, éventuellement, le besoin de nickel. De faibles niveaux de Ni 2 * sont stimulants pour les animaux. Il sert de cofacteur à l'enzyme végétale uréase. Avec d'autres ions métalliques, Ni 2 * active certaines enzymes dans le corps des animaux, mais sa nécessité pour l'homme n'a toujours pas été prouvée. L'ion Ni 2+ est un autre exemple de métal relativement non toxique. Pourtant, les fumées industrielles, en particulier celles impliquant le nickel carbonyl Ni(CO) 4 (dans lequel le nickel est formellement à l'état zérovalent), sont facilement absorbées dans les poumons et sont hautement toxiques. Lorsqu'il est ingéré, l'ion Ni 2+ provoque une gêne gastro-intestinale aiguë. L'intoxication chronique au nickel entraîne la destruction du cœur et d'autres tissus. Les raisons de la toxicité du nickel nous sont inconnues ; il bloque les enzymes et réagit avec les acides nucléiques.

Cuivre. La concentration de cuivre dans le corps est régulée par l'homéostasie et ses concentrations optimales se situent dans de larges limites. C'est pourquoi ni la carence en cuivre ni sa toxicité ne sont courantes. Le cuivre est un cofacteur essentiel pour plusieurs enzymes qui catalysent une variété de réactions redox. Sa carence entraîne une anémie, un mauvais état des os et des tissus conjonctifs, ainsi qu'une perte de pigmentation des cheveux. Il est possible que la prise de Zn 2+ , par exemple sous forme de comprimés, provoque une carence en cuivre. Le cuivre dans les deux états de valence, Cu (I) et Cu (II), se lie bien au groupe sulfhydryle dans le glutathion et les protéines contenant du soufre. Cu (II) oxyde le groupe sulfhydryle non protégé en un groupe disulfure, s'auto-cicatrisant en Cu (I), de sorte que l'organisme doit se lier à Cu (I) avant que l'oxydation du groupe sulfhydryle n'ait lieu. Environ 95 % du cuivre présent dans le plasma sanguin se trouve dans la protéine céruloplasmine. Bien qu'il ait un groupe sulfhydryle, le site principal de liaison du cuivre dans les solutions d'albumine plasmatique neutre est l'extrémité amine de la molécule de protéine, qui contient l'azote de l'amine, deux azotes peptidiques déprotonés et un autre azote du cycle imidazole dans la chaîne latérale de le troisième acide aminé; tous ces atomes d'azote chélatent le cuivre, formant un système cyclique plan. L'hexaaqua-Cu 2+ devient plus tétragonal (planaire) à mesure que le nombre d'atomes donneurs d'azote augmente. Une quantité importante de cuivre qui pénètre dans le tractus gastro-intestinal irrite les terminaisons nerveuses de l'estomac et des intestins et provoque des vomissements. Un excès chronique de cuivre entraîne un retard de croissance, une hémolyse et une faible teneur en hémoglobine, ainsi que des lésions tissulaires dans le foie, les reins et le cerveau. Il y a un manque de céruloplasmine chez la plupart des patients souffrant de la "maladie de Wilson" - une anomalie congénitale du métabolisme. Ces patients trouvent niveaux élevés cuivre dans le foie avec son dysfonctionnement. La toxicité du cuivre peut être réduite en prenant du MoO|.

Zinc. Chez l'homme, l'ion Zn 2+ fait partie de plus de 20 enzymes métalliques, dont des acides nucléiques impliqués dans le métabolisme. La plupart des ions Zn 2+ dans le sang se trouvent dans les érythrocytes en tant que cofacteur nécessaire pour l'enzyme anhydrase carbonique. Pour le zinc, un seul état d'oxydation est connu en solution. Le rôle de Zn 2+ dans la composition de l'enzyme est : a) soit dans la liaison directe et la polarisation du substrat ; b) soit en interaction indirecte par l'intermédiaire d'eau liée ou d'ion hydroxyde, comme dans le cas des catalyseurs acide-base conventionnels et des nucléophiles. La majeure partie du Zn 2+ dans le corps humain se trouve dans ses muscles, et la plus forte concentration de zinc dans les gonades est la prostate. Le niveau de Zn 2+ est sous le contrôle de l'homéostasie. Une carence en zinc a été notée chez les alcooliques, ainsi que chez les personnes des pays en développement dont le régime alimentaire est riche en aliments fibreux et visqueux. La carence en zinc se traduit par une violation de la peau, un retard de croissance, une altération du développement sexuel et des fonctions sexuelles chez les jeunes. Bien qu'il n'y ait pas d'aphrodisiaque connu pour les humains, des quantités adéquates de Zn 2+ sont nécessaires pour un comportement sexuel masculin normal. La spermatogenèse humaine étant un processus en plusieurs étapes, la correction des troubles et la restauration de la santé sexuelle en augmentant la concentration de Zn 2+ nécessitent un certain temps. La supplémentation en zinc peut déséquilibrer les équilibres métaboliques d'autres métaux, de telles interventions doivent donc être effectuées dans des conditions strictes. surveillance médicale. Nous insistons particulièrement sur ce conseil, car l'hypothèse sur le rapport Zn 2+ /Cu 2+ comme principal facteur causal dans le développement de la maladie coronarienne (arrêt local du flux sanguin artériel) s'est avérée tout à fait correcte. L'apport de zinc divalent favorise la cicatrisation des plaies chez les patients déficients en zinc, mais il n'aide pas s'il y a une quantité adéquate de Zn 2+ dans le corps. Il y a beaucoup de zinc dans la viande et le poisson, de sorte que ses suppléments ne sont pas nécessaires pour les résidents des pays industriels ; de plus, ces additifs peuvent être dangereux s'ils sont administrés en quantités qui interfèrent avec l'absorption du cuivre, du fer et d'autres ions métalliques essentiels.

La consommation de quantités excessives de sels de zinc peut entraîner des troubles intestinaux aigus, accompagnés de nausées. Intoxication aiguë cet élément s'est produit lors de la consommation de jus de fruits acides emballés dans des contenants en acier galvanisé (revêtus de zinc). Les cas d'intoxication chronique au zinc chez l'homme sont généralement méconnus, mais ils peuvent se manifester de manière floue, indistincte. Ainsi, par exemple, lorsque le zinc et le cuivre entrent en compétition, un excès de zinc peut provoquer une carence en cuivre si ce dernier est présent en quantité minime. De même, un excès de zinc peut ralentir le développement du squelette squelettique chez les animaux si Ca et P sont présents en quantités minimes. En général, l'ion zinc n'est pas dangereux et, apparemment, la principale possibilité d'empoisonnement par celui-ci est la présence conjointe avec du cadmium toxique (sous forme de pollution).

Cadmium. Très rarement, le cadmium est présent dans les minéraux et le sol avec du zinc à raison d'environ 0,1 %. Comme le zinc, cet élément n'existe que sous la forme de l'ion divalent Ccl 2+ . L'ion cadmium est plus grand que l'ion zinc; sa taille est plus proche de celle de l'ion calcium, ce qui lui permet d'être utilisé comme test dit Ca. Néanmoins, en termes de capacité à lier les ligands, le cadmium ressemble davantage au zinc et, par conséquent, par rapport au zinc, le nombre d'empoisonnements a été observé en quantité beaucoup plus importante. Contrairement à l'ion Ca 2+, les deux ions de ces métaux forment des liaisons fortes avec les atomes donneurs d'azote et de soufre des ligands. Un excès de cadmium perturbe le métabolisme des métaux, perturbe l'action du zinc et d'autres enzymes métalliques, ce qui peut entraîner une redistribution du zinc dans l'organisme. Le mécanisme exact de la toxicité du cadmium est inconnu, bien qu'il comporte certainement plusieurs étapes.

Contrairement à l'ion CH 3 Hg +, l'ion cadmium ne peut pas traverser facilement la barrière placentaire et cet élément est totalement absent chez les nouveau-nés. Chez la plupart des gens, le cadmium s'accumule lentement à partir des aliments. Le corps libère très lentement le Cd 2+ absorbé, avec une demi-vie de plus de 10 ans. En conséquence - une augmentation de la teneur en cadmium dans les reins au cours de la vie d'une personne de zéro à la naissance à environ 20 mg chez les personnes âgées (pour les non-fumeurs) et jusqu'à 40 mg pour un fumeur adulte. La majeure partie de cet élément est associée aux métallothionéines, qui sont de petites molécules protéiques à substituants sulfhydryle, dont la présence dans la chaîne est stimulée par le cadmium lui-même.

L'intoxication aiguë au cadmium se manifeste par des vomissements, des spasmes intestinaux, des maux de tête ; ça peut même venir de boire de l'eau ou d'autres liquides, particulièrement acides, qui ont été en contact avec des composés contenant du Cd dans des conduites d'eau, des machines ou des plats émaillés au cadmium. Une fois dans le corps avec de la nourriture, le cadmium est transporté par le sang vers d'autres organes, où il se lie au glutathion et à l'hémoglobine érythrocytaire. Le sang des fumeurs contient environ sept fois plus de cadmium que celui des non-fumeurs. L'empoisonnement chronique au cadmium détruit le foie et les reins, entraînant une grave altération de la fonction rénale. Hélas, il n'existe pas de thérapie spécifique pour l'empoisonnement au cadmium, et les agents chélatants ne peuvent redistribuer le cadmium que vers les reins (ce qui est également dangereux). Un apport élevé en zinc, calcium, phosphate, vitamine D et un régime protéiné peuvent atténuer quelque peu l'empoisonnement au cadmium. Une forme particulièrement grave d'empoisonnement au cadmium a été décrite au Japon sous le nom de maladie "itai-itai" (l'équivalent japonais de "oh-oh"). Le nom de la maladie vient des douleurs dans le dos et les jambes qui accompagnent l'ostéomalacie ou la décalcification des os (généralement chez les femmes âgées), ce qui entraîne une fragilité osseuse (un cas est connu avec 72 fractures chez une personne). Un dysfonctionnement rénal sévère a également été noté en raison d'une protéinurie (l'apparition de protéines dans l'urine), qui persiste même après l'arrêt du contact avec le cadmium. Cette maladie entraîne la mort.

Le mercure est toxique sous toutes ses formes. La libération mondiale de mercure associée aux gaz de la croûte terrestre et des océans dépasse d'au moins cinq fois la quantité de mercure produite par l'homme, mais sa libération industrielle est plus localisée et concentrée. En moyenne, le corps humain contient 13 mg de mercure, ce qui ne lui apporte aucun bénéfice. Divers sels de mercure ont été utilisés dans le passé comme agents thérapeutiques (par exemple, le benzoate mercurique a été utilisé pour traiter la syphilis et la gonorrhée). L'utilisation de réactifs au mercure comme insecticides et fongicides a entraîné des intoxications légères et graves touchant des milliers de personnes. Par conséquent, l'empoisonnement au mercure est un problème mondial.

Le mercure peut être trouvé sous les trois formes les plus courantes et une, moins courante, comme l'ion mercure Hg2 + , qui se disproportionne en mercure élémentaire et en mercure divalent :

Pour cette réaction, la valeur de la constante d'équilibre

indique que la réaction se déroule de préférence de droite à gauche. Mais en réalité, la réaction se déroule de gauche à droite en raison de la forte capacité de complexation de l'ion Hg 2+ avec de nombreux ligands. La troisième forme courante de mercure est son composé organique méthylmercure CH 3 Hg + .

Le mercure est un métal liquide à température ambiante. Bien que son point d'ébullition soit de 357°C, il est très volatil et donc plus dangereux qu'on ne le croit généralement. Un mètre cube d'air saturé (à 25°C) contient 20 mg de Hg. Cet élément est presque insoluble dans l'eau ; limite de solubilité 0,28 µM à 25°C - 56 µg/l, soit 56 parties de mercure pour un milliard de parties d'eau.

Les deux cations mercure (Hg 2+ et méthylmercure CH 3 Hg +) préfèrent la coordination 2 linéaire. Ils forment des complexes plus forts (que la plupart des ions métalliques) avec des ligands qui ont un seul atome donneur, en particulier N ou S. De tous les ions métalliques considérés dans ce chapitre, seul le mercure est capable de remplacer l'hydrogène dans les amines (mais pas dans l'ion ammonium ) dans des solutions alcalines. ).

En effet, le mot même "mercaptan" est dérivé de la forte capacité du mercure à se lier aux thiols. Dans les érythrocytes, les ions Hg 2+ se lient aux groupes sulfhydryle du glutathion et de l'hémoglobine en complexes mixtes; seule la proportion de mercure habituellement contenue dans le corps humain reste dans le sang. Malgré le fait que l'interaction avec les groupes sulfhydryle est considérée comme la base moléculaire de la toxicité de l'ion Hg 2+ , on ne sait toujours pas quelles protéines subissent une métallation.

L'échange rapide de Hg 2+ et CH 3 Hg + avec un excès de ligands donneurs, tels que les groupes sulfhydryle, est d'une grande importance en toxicologie. C'est lui qui détermine la distribution rapide du mercure sur les résidus sulfhydryles dans les tissus. Dans le sang, l'ion CH 3 Hg' est distribué dans la même proportion que le groupement SH est représenté : environ 10 % dans le plasma et 90 % dans les érythrocytes, qui possèdent à la fois des groupements hémoglobine et glutathion sulfhydryle. Pour inverser les effets du mercure, le BAL (2,3-dimercaptopropanol) est administré comme antidote à l'empoisonnement au mercure, ce qui facilite une répartition uniforme du mercure dans tout le corps ; une hémodialyse avec des agents chélatants tels que la cystéine ou la L-acétylpénicillamine est également utilisée.

Lorsqu'elles sont inhalées, les vapeurs de mercure sont activement absorbées et accumulées dans le cerveau, les reins et les ovaires. Mercure traverse la barrière placentaire ; l'empoisonnement aigu provoque la destruction des poumons. Dans les tissus corporels, le mercure élémentaire est converti en un ion, qui se combine avec des molécules contenant des groupes SH, y compris des macromolécules protéiques. L'empoisonnement chronique au mercure consiste en une perturbation permanente des fonctions du système nerveux, provoque de la fatigue et, à des niveaux d'empoisonnement plus élevés, provoque également un tremblement de mercure caractéristique, lorsque de fins tremblements sont interrompus toutes les quelques minutes par des secousses perceptibles. Prendre seulement 1 g de sel de mercure est fatal. Les sels de mercure s'accumulent dans les reins, mais ils sont incapables, comme le mercure élémentaire, de traverser rapidement la barrière hémato-placentaire. L'intoxication aiguë par ingestion de mercure précipite les protéines des membranes muqueuses du tractus gastro-intestinal, provoquant des douleurs, des vomissements et des diarrhées. Si le patient survit en même temps, l'organe critique est le foie. Il y a une certaine hémolyse des globules rouges. L'empoisonnement chronique s'exprime en violation de la fonction du système nerveux central; Le personnage d'Alice au pays des merveilles de Lewis Carroll, Crazy Hutter, est un excellent exemple de victime d'une maladie professionnelle due à l'empoisonnement au sel Hg(N0 3) 2 utilisé dans le traitement de la fourrure.

Les dérivés organiques du mercure tels que le chlorure de méthylmercure CH 3 HgCI sont très toxiques en raison de leur volatilité. Les micro-organismes présents dans l'eau contaminée contenant du mercure convertissent facilement les composés inorganiques du mercure en monométhylmercure CH 3 Hg + . Et la majeure partie du mercure dans le corps des poissons se trouve sous cette forme, qui peut persister pendant des années. Des niveaux élevés de CH 3 Hg + ne semblent pas être aussi toxiques pour les poissons que pour les humains, dans lesquels les ions CH 3 Hg + sont activement absorbés lorsqu'ils sont inhalés ou ingérés, pénètrent dans les érythrocytes, le foie et les reins et se déposent dans le cerveau (y compris dans le cerveau du fœtus), provoquant un grave dysfonctionnement cumulatif irréversible du système nerveux central. Dans le corps humain, la demi-vie du mercure varie de plusieurs mois à plusieurs années. L'effet toxique peut être latent et les symptômes d'empoisonnement peuvent n'apparaître que plusieurs années plus tard.

Les deux exemples les plus célèbres d'empoisonnement massif au mercure ont été causés précisément par le CH 3 Hg + . En 1956, la maladie de Minamata a été découverte dans le sud du Japon, près de la baie du même nom. En 1959, il a été démontré que cette maladie est causée par la consommation de poisson empoisonné au mercure sous forme de chlorure CH 3 HgCl, qui est rejeté par une entreprise chimique directement dans les eaux de la baie. La concentration de mercure était si élevée que les poissons sont morts, les oiseaux qui ont mangé ce poisson sont tombés directement dans la mer et les chats qui ont goûté la nourriture empoisonnée se sont déplacés, "tournant et rebondissant, zigzagant et s'effondrant". Déjà en 1954, de telles «danses» réduisaient sensiblement la population de chats ici. Mais aucune mesure de la pollution au mercure des eaux de la baie n'a été effectuée dans cette zone jusqu'en 1959. Et ce n'est que grâce à l'ancienne coutume japonaise de conserver le cordon ombilical séché de leurs nouveau-nés qu'il est devenu possible de prouver que la pollution de la baie au mercure a commencé dès 1947. Mais jusqu'en 1968, le rejet des eaux usées dans la baie n'a pas été suspendu !

Pour une personne, la maladie de Minamata, due à l'ingestion de méthylmercure, a commencé par un engourdissement des membres et du visage, une sensibilité cutanée altérée et une activité motrice des mains, par exemple lors de l'écriture. Plus tard, il y avait un manque de coordination des mouvements, une faiblesse, des tremblements et une démarche incertaine, ainsi que des troubles mentaux, des troubles de la parole, de l'ouïe et de la vision. Et enfin, paralysie générale, déformation des membres, surtout des doigts, difficulté à avaler, convulsions et mort. Il est également tragique que des enfants nés de mères peu touchées par cette maladie, qui n'en auraient peut-être pas du tout détecté les symptômes, soient morts d'infirmité motrice cérébrale ou soient devenus idiots (généralement l'infirmité motrice centrale n'est pas associée à un net retard de développement mental) . Apparemment, le CH 3 Hg + dans le corps de la mère pénètre à travers la barrière placentaire dans le corps très sensible du fœtus. Les femmes à des stades plus graves de la maladie sont devenues incapables d'avoir des enfants.

Thallium. L'absorption par l'organisme de composés extrêmement toxiques du thallium entraîne une gastro-entérite, une neuropathie périphérique et souvent la mort. Avec l'action prolongée et chronique du thallium, on observe une calvitie. L'utilisation de TI2SO4 contre les rongeurs a été suspendue en raison de sa forte toxicité pour les autres animaux domestiques et sauvages. La principale forme de thallium dans le corps est l'ion T1+, bien que T1C1 soit légèrement soluble ; le thallium dans le corps existe aussi sous forme de T1 3+. Les ions thallium ne sont pas beaucoup plus gros que le potassium, mais ils sont beaucoup plus toxiques et le thallium a la même perméabilité à travers les membranes cellulaires que le potassium. Bien que les ions T1 + et K + soient de taille proche, le premier est presque quatre fois plus polarisable et forme des complexes puissants. Ainsi, par exemple, il donne des complexes insolubles avec la riboflavine et peut donc perturber le métabolisme du soufre.

Le plomb est connu depuis près de cinq mille ans et les scientifiques grecs et arabes connaissaient déjà sa toxicité. Haut niveau L'empoisonnement au plomb a été noté chez les Romains, car ils stockaient le vin et cuisinaient des aliments dans des ustensiles en plomb. Goya, comme d'autres artistes, a souffert d'inhalation et de contact accidentel avec des peintures au plomb. De nos jours, les niveaux élevés de plomb représentent un danger pour les enfants des villes car ils entrent souvent en contact avec des objets peints avec des colorants au plomb, jouent avec des piles usagées et fabriquent des objets à partir de feuilles de magazines (les colorants d'impression couleur contiennent 0,4 % de Pb). Et surtout, pour la raison qu'ils respirent de l'air pollué par les gaz d'échappement des voitures contenant des produits de combustion de plomb tétraéthyle Pb (C 2 H 5) 4, qui est ajouté à l'essence pour augmenter indice d'octane le carburant.

La principale source de pollution par le plomb est l'alimentation. Heureusement, l'absorption du plomb ingéré est faible en raison de la formation de phosphate insoluble Pb 3 (P0 4) 2 et de carbonate basique Pb 3 (CO 3) 2 (0H) 2 . Le plomb absorbé s'accumule dans les os, d'où il est ensuite libéré en raison de l'ostéoporose, provoquant une toxicité retardée. Aujourd'hui, en moyenne, un gel humain contient environ 120 mg de plomb, soit dix fois plus que dans les momies égyptiennes. En l'absence d'ions causant des précipitations, à pH = 7, le plomb est présent sous la forme de l'ion Pb 2+. Selon les accords internationaux, la concentration de plomb dans l'eau potable ne doit pas dépasser 50 µg/l. L'empoisonnement aigu au plomb se traduit d'abord par une perte d'appétit et des vomissements; l'intoxication chronique conduit progressivement à des troubles du fonctionnement des reins, à l'anémie.

question test

• 1. Quel est l'objet et le sujet de l'étude de la chimie bioinorganique des ions métalliques ?
• 2. Énumérez les ions de métaux alcalins (lithium, sodium, potassium, rubidium, césium). Quelles sont leurs principales données écologiques et physiologiques ?
• 3. Énumérez les ions de métaux alcalino-terreux (magnésium, calcium, baryum, strontium, béryllium, lanthanides). Quelles sont leurs principales données écologiques et physiologiques ?
• 4. Expliquer les effets du plomb sur le corps humain. Quelles mesures peut-on proposer pour protéger la santé humaine du plomb ?
• 5. Comment le cadmium, le mercure, l'arsenic pénètrent-ils dans le corps humain ; quel est leur impact ?
• 6. Pourquoi l'apport de sélénium est-il nécessaire à un organisme vivant ?
• 7. Définir la chimie bioinorganique et indiquer sa place parmi les autres sciences de l'environnement.
• 8. Définir les termes « composant contaminant » et « xénobiotique ». Nommez les xénobiotiques typiques inclus dans le groupe des métaux lourds.
• 9. Pourquoi les médecins de Moscou et de la région de Moscou recommandent-ils la consommation régulière de produits contenant de l'iode aux étudiants et aux écoliers ?
• 10. Nommez les principales voies de migration des atomes de métaux lourds dans l'atmosphère et l'hydrosphère.
• 11. Décrire les différentes formes de migration en termes de biodisponibilité des atomes de métaux lourds.
• 12. Nommer les principaux processus chimiques qui déterminent les formes de présence des atomes de métaux lourds dans le milieu aquatique. Quelle est la principale différence entre la géochimie des atomes de métaux lourds dans les eaux de surface des continents et dans les eaux marines ?
• 13. Comment la présence de composés humiques dans l'eau affecte-t-elle la biodisponibilité des atomes de métaux lourds ? Nommez les mécanismes biochimiques qui protègent les organismes vivants (plantes et animaux) des effets toxiques des atomes de métaux lourds.
• 14. Définir les métaux lourds. Quel est leur rôle dans la biosphère ?
• 15. Décrivez les cycles du chrome et du mercure.
• 16. Quels sont les schémas de distribution des éléments chimiques dans la biosphère ?
• 17. Quelles sont les conséquences environnementales de la pollution industrielle de la biosphère.
• 18. Définir les concentrations maximales admissibles (quantités).
• 19. Comment déterminer l'aptitude de l'eau à être utilisée à diverses fins?
• 20. Donnez les valeurs MPC pour les contaminants dans les produits alimentaires.

Le concept des métaux de la vie. sodium et potassium. La structure des atomes et les caractéristiques d'hydratation des cations, qui déterminent leur contenu dans l'environnement extracellulaire et intracellulaire.

Métaux de la vie- dix éléments : K, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo. Leur part dans l'organisme représente 2,4 %. Tous les métaux de la vie dans le corps sont soit sous forme de cations libres, soit sont des ions - agents complexants associés à des bioligands. Ils participent activement au métabolisme.

sodium et potassium sont des éléments du groupe IA. Les atomes des éléments de ce groupe ont un électron dans la couche externe au sous-niveau s, qu'ils ont tendance à donner dans des composés à un partenaire, formant des monocations symétriques stables avec la configuration électronique du gaz rare le plus proche.

En raison de la stabilité de la structure électronique et de la faible densité de la charge positive à la surface des cations Na + et K +, leurs habitants atomiques libres du niveau externe ne peuvent pas interagir efficacement avec les paires d'électrons isolées des molécules d'eau les plus proches. , grâce à quoi ils ne sont retenus dans la couche d'hydratation du cation que de manière électrostatique. Par conséquent, les cations sodium et potassium ne subissent pas d'hydrolyse en milieu aqueux et ne présentent pratiquement pas de tendance à la formation de complexes.

La principale différence dans les propriétés des cations sodium et potassium est due à la différence de densité de la charge positive à leur surface: le cation Na + en a une plus élevée, donc son champ électrostatique retient plus fortement les molécules d'eau. En conséquence, le cation sodium est caractérisé par une hydratation positive, tandis que le cation potassium est caractérisé par une hydratation négative. Ceci, selon Slesarev Valery Ivanovich, peut expliquer pourquoi les cations Na + et K + dans les systèmes vivants sont des antagonistes et pourquoi les cations potassium sont principalement un composant des cations intracellulaires et sodium - les fluides intercellulaires.

La concentration d'ions K + à l'intérieur de la cellule est environ 35 fois plus élevée. Qu'à l'extérieur, et la concentration d'ions Na + dans le liquide extracellulaire est 15 fois plus élevée qu'à l'intérieur de la cellule. Pour la mise en œuvre de nombreux processus biologiques importants, il est nécessaire de maintenir constamment une telle répartition inégale de ces ions, ce qui nécessite de l'énergie, car le transfert des ions à travers la membrane doit se produire à contre-courant de leurs concentrations. Ceci est réalisé à l'aide d'une pompe potassium-sodium qui, en raison de l'énergie d'hydrolyse d'une molécule d'ATP, élimine trois cations Na + de la cellule et envoie deux cations K + dans la cellule. En raison du déséquilibre des charges électriques transférées, la surface interne de la membrane est chargée négativement et la surface externe est chargée positivement.

Une concentration intracellulaire élevée d'ions K fournit principalement une pression osmotique à l'intérieur de la cellule, l'activation des systèmes enzymatiques pour la synthèse des protéines sur les ribosomes et l'oxydation des glucides. Dans les érythrocytes, les ions K participent au travail des systèmes tampons d'hémoglobine et d'oxyhémoglobine et activent ainsi l'enzyme anhydrase carbonique du monoxyde de carbone.

Ions K+ et Na+ Activer l'adénosine triphosphatase (ATP - aza) des membranes cellulaires, qui fournit de l'énergie à la pompe potassium-sodium. Ces ions ont un impact significatif sur l'activité du système nerveux central (SNC). Un excès d'ions Na + dans les cellules du cortex cérébral provoque une dépression, c'est-à-dire inhibition de l'activité du système nerveux central. Un excès de cations K dans ces cellules, au contraire, excite le système nerveux central, provoquant un état maniaque.

Cahier de texte: 338–341.

Magnésium et calcium, la structure des atomes et les caractéristiques d'hydratation de leurs ions. Formes d'existence, localisation et rôle des cations magnésium et calcium dans l'organisme. La réaction de formation et de destruction du tissu osseux et ses fonctions.

Le corps d'un adulte contient environ 20 g de cations de magnésium et 1000 g de calcium. La moitié des cations de magnésium et près de 99 % du calcium se trouvent dans le tissu osseux, le reste se trouve dans les tissus mous. Les besoins quotidiens en cations magnésium sont d'environ 0,3 g, calcium - 1 g, et chez les femmes pendant la grossesse, les besoins en cations calcium augmentent de 3 à 4 fois.

Magnésium et calcium - éléments du groupe IIA système périodique. Les atomes des éléments de ce groupe ont dans la couche externe deux électrons au sous-niveau s (12 Mg : 3s 2 ; 20 Ca : 4s 2), qui ont tendance à céder dans les composés au partenaire.

La différence de propriétés des cations magnésium et calcium en milieu aqueux est associée à une différence de densité de la charge positive à leur surface. Étant donné que le cation Mg 2+ a un rayon plus petit que Ca 2+ (66 et 99, respectivement), il s'hydrate mieux et, de plus, ses orbitales atomiques libres du niveau externe, y compris les orbitales 3d, sont capables d'interagir avec des paires isolées d'électrons de molécules d'eau, formant des aquacomplexes assez stables 2+ .

Le cation magnésium est capable de former des liaisons covalentes par rapport au cation calcium. A cet égard, les cations magnésium, contrairement aux cations calcium, sont capables d'hydrolyse :

Mg 2+ +H 2 O⇌ Mg (OH) + + H +

La masse principale de cations de magnésium, qui se trouve à l'extérieur des os, est concentrée à l'intérieur des cellules. Les ions magnésium jouent un rôle important dans le maintien de la pression osmotique à l'intérieur des cellules. La majeure partie du magnésium dans le sang est contenue sous forme ionisée, c'est-à-dire sous la forme d'un ion aqua (55-60%), environ 30% sont associés à des protéines et 10-15% font partie de composés complexes avec des phospholipides et des nucléotides.

Les cations de magnésium sont l'un des principaux activateurs des processus enzymatiques en raison de la formation de complexes. Ainsi, ils activent les enzymes de la phosphorylation oxydative, de la réplication de l'ADN et de la minéralisation osseuse.

Contrairement aux ions magnésium, les cations calcium sont principalement concentrés dans les fluides intercellulaires. Le métabolisme du calcium est contrôlé par les hormones parathyroïdiennes et thyroïdiennes, ainsi que par la vitamine D.

Le principal composant minéral du tissu osseux est l'hydrogénophosphate de calcium.

Ca5(PO4)3OH (hydroxyapatite). le tissu osseux maintient la concentration d'ions Ca 2+ dans les fluides biologiques à un certain niveau, il peut donc être considéré comme un tampon calcique de l'organisme.

tissu osseux compact (matière compacte) - l'un des deux types de tissu osseux qui forment l'os. Fournit des fonctions de soutien et de protection de l'os, sert de référentiel d'éléments chimiques.

Une substance compacte forme la couche corticale de la plupart des os. Il est beaucoup plus dense, plus lourd et plus résistant que la substance spongieuse. Le tissu osseux compact représente environ 80 % du poids total du squelette humain. L'ostéon est l'unité structurelle et fonctionnelle principale de la substance compacte.

Cahier de texte: 341 – 344.

Fer et cobalt, structure atomique et états d'oxydation caractéristiques. Acide - propriétés basiques, redox et complexantes des composés de ces métaux. Le rôle des composés de ces métaux dans un organisme vivant.

Le corps humain contient environ 5 g de fer et 1,2 mg de cobalt. La majeure partie du fer (70 %) est concentrée dans l'hémoglobine du sang ; 14% du cobalt se trouve dans les os, 43% dans les muscles et le reste dans les tissus mous. L'apport quotidien de fer est de 10 à 20 mg et celui de cobalt de 0,3 mg.

fer et cobalt- éléments de la 4ème période du groupe VIIIB du système périodique avec configurations électroniques 26 Fe : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 ; 27 Co : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 4s 2

Les états d'oxydation les plus caractéristiques du fer et du cobalt +2 et +3.

Dans les solutions aqueuses, les cations Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ et Co 3+ sont hydratés pour former des complexes aqua à six coordonnées.

Fe 2+ est un réducteur puissant capable d'oxyder même l'oxygène atmosphérique.

Le Co 3+ est un oxydant si puissant qu'il oxyde même l'eau :

4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3

2Co 2 (SO 4) 3 + 2H 2 O \u003d 4CoSO 4 + 2H 2 SO 4 + O 2

Les oxydes et hydroxydes de fer et de cobalt, quel que soit le degré d'oxydation, présentent de faibles propriétés amphotères avec une prédominance des propriétés basiques, en particulier dans le cas de l'état divalent, lorsque l'interaction ne se produit qu'avec des solutions concentrées d'alcalis et lorsqu'elles sont chauffées.

Les cations de fer et de cobalt sont très sujets à la formation de complexes. Pour eux, il est fort probable numéro de coordination six:

complexation les cations de fer et de cobalt affectent fortement, mais différemment, leurs propriétés redox, en fonction du rapport de stabilité des complexes de formes oxydées et réduites avec les mêmes ligands.

formation complexe Le Co 3+ avec des ligands plus actifs que les molécules d'eau le rend stable dans les solutions aqueuses.

Cobalt, l'un des oligo-éléments vitaux pour l'organisme. Il fait partie de la vitamine B 12 (cobalamine). Le cobalt est impliqué dans l'hématopoïèse, les fonctions du système nerveux et du foie, les réactions enzymatiques. Le corps humain contient 0,2 mg de cobalt pour chaque kilogramme de poids humain. En l'absence de cobalt, une acobaltose se développe.

dans les organismes vivants le fer est un oligo-élément important qui catalyse les processus d'échange d'oxygène (respiration). Normalement, le fer pénètre dans les enzymes sous la forme d'un complexe appelé hème. En particulier, ce complexe est présent dans l'hémoglobine, la protéine la plus importante qui assure le transport de l'oxygène avec le sang vers tous les organes des humains et des animaux. Et c'est lui qui tache le sang d'une couleur rouge caractéristique.

Exister grand groupe, environ 50 sortes, enzymes contenant du fer - cytochromes, qui catalysent le processus de transfert d'électrons dans la chaîne respiratoire en modifiant l'état d'oxydation du fer Fe 3+ + e -   Fe 2+

Cahier de texte: 349 – 352.

Plus de 25 % de toutes les enzymes contiennent des ions métalliques fortement liés ou ne sont actifs qu'en leur présence. Pour étudier les fonctions des ions métalliques, les méthodes de cristallographie aux rayons X, de résonance magnétique nucléaire (RMN) et de résonance paramagnétique électronique (RPE) sont utilisées. Combiné avec des informations sur la formation et la désintégration

Métal-enzymes et enzymes activées par des métaux

Les métalloenzymes contiennent une certaine quantité d'ions métalliques qui ont une signification fonctionnelle et restent associés à la molécule d'enzyme pendant sa purification. Les enzymes activées par les métaux lient moins fortement ces derniers, mais pour leur activité elles nécessitent l'ajout de métaux dans le milieu. Ainsi, la distinction entre les métalloenzymes et les enzymes activées par un métal est basée sur l'affinité d'une enzyme donnée pour son "propre" ion métallique. Les mécanismes basés sur la participation des ions métalliques à la catalyse sont apparemment similaires dans les deux cas.

Complexes triples enzyme-métal-substrat

Pour les complexes ternaires (à trois composants), comprenant un centre catalytique, un ion métallique (M) et un substrat (S) avec une stoechiométrie de 1:1:1, quatre schémas de formation différents sont possibles :

Dans le cas d'enzymes activées par des métaux, les quatre schémas sont réalisés. Pour les métalloenzymes, la formation d'un complexe est impossible, sinon elles ne pourraient pas retenir le métal pendant le processus de purification (elles sont sous la forme). Trois règles générales peuvent être formulées.

1. La plupart (mais pas toutes) des kinases (-transférases) forment des complexes avec un substrat de pontage tel que le nucléoside-M.

2. Les phosphotransférases utilisant le pyruvate ou le phosphoénolpyruvate comme substrat, d'autres enzymes qui catalysent les réactions impliquant le phosphoénolpyruvate, ainsi que la carboxylase forment des complexes avec le métal du pont.

3. Une enzyme donnée peut être capable de former un type de complexe pontant avec un substrat et un autre type avec un autre.

Complexes enzymatiques pontés (M-Enz-S)

Les métaux dans les complexes avec une enzyme de pontage semblent jouer un rôle structurel, en maintenant une conformation active (la glutamine synthase en est un exemple), ou forment un pont avec un autre substrat (comme dans la pyruvate kinase). Dans la pyruvate kinase, l'ion métallique joue non seulement un rôle structurel, mais retient également l'un des substrats (ATP) et l'active :

Complexes de substrats pontés

La formation de complexes triples avec un substrat pontant, qui est observée lors de l'interaction des enzymes avec les nucléosides triphosphates, est apparemment associée au déplacement du métal de la sphère de coordination, qui est remplacé par l'ATP.

Le substrat se lie alors à l'enzyme, formant un triple complexe :

Dans les réactions de phosphotransférase, on pense que les ions métalliques activent les atomes de phosphore et forment un complexe polyphosphate-adénine rigide dans la conformation appropriée, qui est inclus dans le complexe actif à quatre composants.

Ponts métalliques complexes

Les données cristallographiques, ainsi que l'analyse de la structure primaire, montrent qu'un résidu histidine est impliqué dans la liaison des métaux dans les centres actifs de nombreuses protéines (par exemple, la carboxypeptidase A, le cytochrome c, la rubrédoxine, la metmyoglobine et la méthémoglobine ; voir le chapitre 6). L'étape limitante dans la formation de complexes Enz-M binaires (à deux composants) est dans de nombreux cas le déplacement de l'eau de la sphère de coordination de l'ion métallique. L'activation de nombreuses peptidases par des ions métalliques est un processus lent qui dure plusieurs heures. Cette réaction lente

consiste très probablement en un réarrangement conformationnel du complexe binaire Enz-M, conduisant à la formation d'une conformation active. Ce processus peut être représenté comme suit :

Réarrangement avec formation d'une conformation active (Enz :

Dans le cas des métalloenzymes, la formation d'un complexe ternaire avec un métal pontant doit se produire en ajoutant un substrat à un complexe binaire :

Le rôle des métaux dans la catalyse

Les ions métalliques peuvent participer à chacun des quatre types de mécanismes connus par lesquels les enzymes accélèrent les réactions chimiques : 1) catalyse acido-basique générale ; 2) catalyse covalente ; 3) convergence des réactifs ; 4) induction de stress dans l'enzyme ou le substrat. En plus des ions de fer, qui fonctionnent dans les protéines contenant de l'hème, ils sont le plus souvent impliqués dans la catalyse enzymatique, bien que d'autres ions (par exemple) jouent également un rôle important dans le travail de certaines enzymes.

Les ions métalliques, comme les protons, sont des acides de Lewis (électrophiles) et peuvent former une liaison avec leurs ligands via une paire d'électrons partagée. Les ions métalliques peuvent également être considérés comme des "superacides" car ils sont stables en solution neutre, portent souvent une charge positive (> 1) et sont capables de former des liaisons -. De plus (contrairement aux protons), les métaux peuvent servir de matrice tridimensionnelle orientant les groupes principaux d'une enzyme ou d'un substrat.

Les ions métalliques peuvent fonctionner comme accepteurs d'électrons pour former des liaisons ou, activant des électrophiles ou des nucléophiles (catalyse acide-base générale). Les métaux peuvent activer les nucléophiles en donnant des électrons, ou ils peuvent eux-mêmes agir comme nucléophiles.

Tableau 9.1. Exemples illustrant le rôle des ions métalliques dans le mécanisme d'action enzymatique

La sphère de coordination du métal peut assurer le contact entre l'enzyme et le substrat (rapprochement) ou, par la formation de chélates, transférer l'enzyme ou le substrat dans un état stressé. L'ion métallique peut masquer le nucléophile, empêchant les réactions secondaires. Enfin, un contrôle stéréochimique du déroulement d'une réaction enzymatique est possible, ce qui est assuré par la capacité de la sphère de coordination métallique à jouer le rôle d'une matrice tridimensionnelle qui maintient les groupes réactifs dans l'orientation spatiale souhaitée (tableau 9.1).

LITTÉRATURE

Crane F. Hydroquinone déshydrogénases, Annu. Tour. Biochem., 1977, 46, 439.

Fersht A. Enzyme Structure and Mechanism, 2e éd., Freeman, 1985.

Protéases de Kraut J. Serine : Structure et mécanisme de catalyse, Annu. Tour. Biochem., 1977, 46, 331.

Mildvan A. S. Mécanisme d'action enzymatique, Annu. Tour. Biochem., 1974, 43, 357.

Purich D.L. (éd.) Cinétique et mécanismes enzymatiques. Parties A et B. Dans : Methods in Enzymology, Vol. 63, 1979; Vol. 64, 1980, presse académique.

Wimmer M.J., Rose I. A. Mécanismes des réactions de transfert de groupe catalysées par des enzymes, Annu. Tour. Biochem., 1978, 47, 1031.

Wood H.G., Barden R.E. Enzymes de biotine, Annu. Tour. Biochem., 1977, 46, 385.

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L'effet des ions de métaux lourds (Pb2+, Co2+, Zn2+) sur la résistance membranaire des érythrocytes sanguins d'une personne en bonne santé et de divers patients a été étudié. Il a été établi que les ions de métaux lourds entraînent une diminution de la stabilité membranaire des érythrocytes sanguins. La diminution de la résistance des érythrocytes dépend de la concentration et de la durée d'exposition aux ions métalliques : plus la concentration et le temps d'exposition sont élevés, plus la densité des érythrocytes diminue. Lors de l'examen de maladies (pneumonie aiguë, tumeur thyroïdienne, diabète sucré), il y a une diminution de la résistance des érythrocytes dans le sang des patients à l'hémolyse acide. Le taux d'hémolyse acide diminue dans les érythrocytes du sang du patient par rapport aux érythrocytes du sang d'une personne en bonne santé, selon la nature de la maladie. Les données obtenues permettent de considérer que la modification de la composition physico-chimique des érythrocytes, qui se manifeste par l'incohérence de leur résistance, est une conséquence de l'endommagement de la membrane érythrocytaire lorsqu'elle est exposée aux ions de métaux lourds.

érythrocytes

ions de métaux lourds

1. Grand DV Etude de la distribution des métaux entre différentes fractions sanguines lors d'une exposition au Zn, Cd, Mn et Pb in vitro // Problématiques actuelles de la médecine des transports. - 2009. - V.18, n° 4. – S. 71–75.

2. Gitelzon M.I. Érythrogrammes comme méthode de test sanguin clinique / M.I. Gitelzon, I.A. Terskov. - Krasnoïarsk : Maison d'édition de la branche sibérienne de l'Académie des sciences de l'URSS, 1954. - 246 p.

3. Novitsky VV, Les perturbations moléculaires de la membrane érythrocytaire dans les pathologies de genèse différente sont une réaction typique des contours corporels du problème / aspiration // Bulletin of Siberian Medicine. - 2006. - V.5, n° 2. – P. 62–69.

4. Okhrimenko S.M. L'effet du tryptophane sur certains indicateurs du métabolisme de l'azote chez les rats soumis à un stress oxydatif causé par les sels de cobalt irtut.Bulletin de l'Université de Dnepropetrovsk. Biologie, Ecologie. - 2006. - V.2, n° 4 - S. 134-138.

5. Trusevitch M.O. Etude de l'hémolyse des érythrocytes sous l'influence des métaux lourds. Ecologie humaine et problèmes environnement dans la période post-Tchernobyl // matériaux de la république. scientifique conférences. - Minsk, 2009. - P. 50.

6. Tugarev A.A. Influence du cadmium sur les caractéristiques morphofonctionnelles des érythrocytes : auteur. dis. ... dr. biol. Les sciences. - M., 2003. - 28 p.

7. Davidson T., Ke Q., Costa M. Transport de métaux toxiques par mimétisme moléculaire/ionique de composés essentiels. – Dans : Manuel de toxicologie des métaux / éd. Par G. F. Nordberg et tous. – 3e éd. – Acad. Presse. – Londres/New York/Tokyo, 2007. – pp. 79–84

Récemment grande attention se consacre à l'étude de l'influence des ions de métaux lourds sur la stabilité des érythrocytes humains.

La cible principale de la toxicité des métaux lourds est la membrane biologique.

L'érythrocyte est un modèle universel pour étudier les processus se produisant dans la membrane cellulaire sous l'action de divers agents. Une étude détaillée des modifications des paramètres morphofonctionnels des érythrocytes sous l'influence de divers stimuli chimiques qu'une personne rencontre dans le processus de relations naturelles avec la nature permet d'établir plus complètement les conséquences possibles et de déterminer les moyens les plus efficaces de les corriger sous l'influence des facteurs environnementaux et chimiques de l'environnement. L'effet toxique de divers composés de métaux lourds est principalement dû à l'interaction avec les protéines corporelles, ils sont donc appelés poisons protéiques. Un de ces métaux est le cadmium.

A.A. Tugarev a proposé un ensemble de critères informatifs pour évaluer l'effet toxique des ions cadmium sur les paramètres morphologiques et fonctionnels des érythrocytes du sang périphérique humain et animal.

DV Large a étudié la distribution des métaux entre différentes fractions sanguines lors d'une exposition au Zn, Cd, Mn, Pb in vitro. L'auteur a confirmé les données de la littérature sur la liaison primaire prédominante des métaux dans le sang à l'albumine. Selon le pouvoir pénétrant, les métaux étudiés se répartissaient Cd > Mn > Pb > Zn.

L'enveloppe externe des cellules sanguines est riche en groupes fonctionnels capables de se lier aux ions métalliques.

Le rôle biologique de la liaison secondaire des métaux est très diversifié et dépend à la fois de la nature du métal, de sa concentration et du temps d'exposition.

Dans les travaux de S.M. Okhrimenko a montré une augmentation du degré d'hémolyse des érythrocytes après l'administration de sels de CaCl et de HgCl2 à des animaux.

Les ions cobalt sont capables d'initier directement la peroxydation lipidique (LPO), de déplacer le fer de l'hème et des hémoprotéines, tandis que le mécanisme d'action du mercure consiste à lier les groupes SH des thiols protéiques et non protéiques. Le tryptophane pré-administré limite partiellement l'augmentation de l'hémolyse spontanée des érythrocytes provoquée par l'introduction de chlorure de cobalt. L'absence d'un tel effet dans le cas de l'introduction de chlorure de mercure dans l'organisme indique la présence d'un autre mécanisme, apparemment associé à la forte affinité des ions mercure pour les groupes thio des protéines membranaires.

MO Trusevich a étudié l'effet des métaux lourds (chlorures de Co, Mn, Ni, Zn) à des concentrations finales de 0,008 à 1 mM. Sur la base des résultats obtenus, les auteurs ont conclu que tous les métaux lourds à des concentrations supérieures à 0,008 mM ont un effet toxique sur la résistance de la membrane érythrocytaire, à l'exclusion des concentrations de 0,04 mM. Pour le chlorure de Zn, une diminution du niveau d'hémolyse des érythrocytes a été notée à une concentration de 0,04 mm.

Matériels et méthodes de recherche

Dans ce travail, nous avons étudié l'effet des métaux lourds (Pb2+, Co2+, Zn2+) sur la stabilité membranaire des érythrocytes sanguins chez une personne saine et divers patients (diabète sucré, tumeur thyroïdienne, pneumonie aiguë).

Pour les expériences, du sang prélevé sur un doigt a été utilisé. 20 mm3 de sang ont été prélevés dans 2 ml de sérum physiologique.

L'érythrogramme a été construit selon la méthode des érythrogrammes acides proposée par Gitelson et Terskov.

Pour surveiller la cinétique de l'hémolyse, un colorimètre photoélectrique KFK-2 a été utilisé. On a pris comme étalon la concentration en érythrocytes dont la densité optique dans ces conditions était de 0,700.

Résultats de recherche
et leur discussion

Des solutions de métaux lourds (chlorures de Pb, Co, Zn) ont été ajoutées à la suspension d'érythrocytes à des concentrations finales de 10–5 à 10–3 M. Les échantillons résultants ont été incubés pendant 10–60 minutes. Ensuite, la densité optique des érythrocytes a été déterminée en fonction de la concentration et du temps d'exposition aux ions de métaux lourds. De plus, la cinétique de l'hémolyse acide des érythrocytes dans le sang d'une personne en bonne santé et le sang de patients a été étudiée en fonction de la concentration en ions de métaux lourds. On sait que, selon l'âge d'une personne, la résistance membranaire des globules rouges change. À cet égard, l'âge a été pris en compte lors de la prise de sang.

Il a été établi que les ions de métaux lourds utilisés affectent la stabilité membranaire des érythrocytes, ce qui se traduit par une modification de la densité de ces derniers. Par exemple, la densité d'une suspension d'érythrocytes exposée aux ions Pb2+ à une concentration de 10-3 M pendant 60 minutes diminue de 90 %, et sous l'influence des ions Co2+ et Zn2+, respectivement, de 70 et 60 % (temps d'action 60 minutes, concentration 10-3 M), tandis que la densité de la suspension d'érythrocytes non traitée avec des ions ne change pas.

Ainsi, il a été constaté que la densité de la suspension d'érythrocytes varie en fonction de la concentration et de la durée d'exposition aux ions de métaux lourds - plus la concentration et le temps d'exposition sont élevés, plus la diminution de la densité des érythrocytes est importante.

D'après l'érythrogramme caractérisant l'hémolyse acide des érythrocytes sanguins d'une personne en bonne santé, on peut voir qu'au début de l'hémolyse à la 2ème minute, la durée de l'hémolyse était de 8 minutes, maximum 6 minutes. Le taux d'hémolyse acide du sang change sous l'action des ions de métaux lourds. Ainsi, si l'on compare les érythrogrammes d'échantillons de sang qui ont été exposés aux ions Pb2+ (concentration 10-3 M, temps d'exposition 30 minutes), alors on peut voir que l'hémolyse dure en moyenne 4 minutes et la distribution maximale des érythrocytes est de 2 minutes ; par rapport aux ions Pb2+ et Co2+, les ions Zn2+ ont un effet faible et l'hémolyse acide dure 6,5 minutes, maximum 4 minutes (Fig. 1, 2).

Le travail présenté a également étudié la cinétique de l'hémolyse acide des érythrocytes chez les patients atteints de Diabète, tumeur thyroïdienne et pneumonie aiguë. Comme le montrent les données obtenues, dans le sang des patients atteints de pneumonie et de tumeurs thyroïdiennes, il y a une accumulation dans le groupe d'érythrocytes peu résistants et moyennement résistants et une diminution du nombre d'érythrocytes hautement résistants. Et chez les patients atteints de diabète sucré, l'érythrogramme du sang du côté droit est élevé. Cela indique une augmentation du niveau d'érythropoïèse dans le sang.

L'effet des ions de métaux lourds utilisés dans le travail sur les érythrocytes du sang des patients est différent (Fig. 3, 4, 5). Par exemple, les ions Zn2+ ont un fort effet sur les érythrocytes d'un patient atteint de pneumonie aiguë et d'une tumeur de la glande thyroïde par rapport aux érythrocytes d'une personne en bonne santé. Nos données ont été confirmées par les résultats d'études menées chez des patients atteints de tumeurs malignes de diverses localisations, où des violations prononcées de la composition protéique ont été révélées (une diminution de la teneur en polypeptides de haut poids moléculaire avec une augmentation simultanée de la proportion de bas poids moléculaire protéines), et il a également été montré que les ions Zn2+ se lient principalement aux protéines de faible poids moléculaire. Sous l'influence des ions Pb2+ sur les érythrocytes du sang des patients, on observe un déplacement de l'ensemble de l'érythrogramme vers la gauche, par conséquent, toute la masse d'érythrocytes perd sa stabilité.

Riz. 1. Érythrogramme sanguin d'une personne en bonne santé après exposition aux ions Co2+ :
Temps d'exposition 30 min P< 0,5

Riz. 2. Érythrogramme du sang d'une personne en bonne santé après exposition aux ions Zn2+ :
1 - contrôle ; 2 - 10-5M ; 3 - 10-4 M; 4 - 10-3M.
Temps d'exposition 30 min P< 0,5

Les données obtenues permettent de considérer que la modification de la composition physico-chimique des érythrocytes, qui se manifeste par la variabilité de leur résistance, est une conséquence de l'endommagement de la membrane érythrocytaire lorsqu'elle est exposée aux ions de métaux lourds. L'effet des ions de métaux lourds (Pb2+, Co2+, Zn2+) dépend de la concentration, de la durée de leur exposition et de l'état antérieur de la santé humaine.

Riz. 3. Érythrogramme sanguin de patients atteints de pneumonie après exposition à des ions de métaux lourds :
1 - sang de patients atteints de pneumonie; 2 - Co2+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M) ; 4 - Pb2+(10-5 M).
Temps d'exposition 30 min P< 0,3

Riz. 4. Érythrogramme sanguin de patients atteints de tumeur thyroïdienne
après exposition aux ions de métaux lourds :
1 - sang de patients atteints d'une tumeur de la glande thyroïde; 2 - Co2+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M) ; 4 - Pb2+ (10-5 M). Temps d'exposition 30 min P< 0,4

Riz. 5. Érythrogramme sanguin de patients diabétiques après exposition à des ions de métaux lourds :
1 - sang de patients diabétiques; 2 - Zn2+ (10-5 M) ; 3 - Co2+ (10-4 M) ; 4 - Pb2+(10-3 M).
Temps d'exposition 30 min P< 0,3

Réviseurs :

Khalilov R.I.Kh., docteur en sciences physiques et mathématiques, chercheur principal du Laboratoire de radioécologie de l'Institut des problèmes de rayonnement de l'Académie nationale des sciences d'Azerbaïdjan, Bakou ;

Huseynov T.M., docteur en sciences biologiques, chef du laboratoire de biophysique écologique de l'Institut de physique de l'Académie nationale des sciences d'Azerbaïdjan, Bakou.

Le travail a été reçu par les éditeurs le 17 septembre 2012.

Lien bibliographique

Kocharli N.K., Gummatova S.T., Abdullaev Kh.D., Zeynalova N.M. INFLUENCE DES IONS DE MÉTAUX LOURDS SUR LA STABILITÉ MEMBRANAIRE DES ÉRYTHROCYTES DANS LA NORME ET DANS DIFFÉRENTES PATHOLOGIES DE L'ORGANISME // Recherche basique. - 2012. - N° 11-2. – S. 299-303 ;
URL : http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30524 (date d'accès : 17/12/2019). Nous portons à votre connaissance les revues publiées par la maison d'édition "Academy of Natural History"

Année d'émission : 1993

Le genre: Toxicologie

Format: DjVu

Qualité: Pages numérisées

La description: L'importance des ions métalliques pour les fonctions vitales d'un organisme vivant - pour sa santé et son bien-être - devient de plus en plus évidente. C'est pourquoi la chimie bioinorganique, longtemps rejetée en tant que domaine indépendant, se développe aujourd'hui à un rythme effréné. Des centres de recherche organisés et créatifs sont engagés dans la synthèse, la détermination des constantes de stabilité et de formation, la structure, la réactivité de composés contenant des métaux biologiquement actifs de poids moléculaire faible et élevé. En étudiant le métabolisme et le transport des ions métalliques et de leurs complexes, ils conçoivent et testent de nouveaux modèles de structures naturelles complexes et de processus qui s'y produisent. Et, bien sûr, l'attention principale est portée sur la relation entre la chimie des ions métalliques et leur rôle vital.
Il ne fait aucun doute que nous sommes au tout début de notre voyage. C'est dans le but de lier chimie de coordination et biochimie au sens le plus large de ces termes qu'a été conçue la série "Metal Ions in Biological Systems", couvrant un large domaine de la chimie bioinorganique. Ainsi, nous espérons que c'est notre série qui aidera à briser les barrières entre les domaines historiquement établis de la chimie, de la biochimie, de la biologie, de la médecine et de la physique ; nous nous attendons à ce qu'un grand nombre de découvertes exceptionnelles soient faites dans les domaines interdisciplinaires de la science.
Si le livre "Some Issues in the Toxicity of Metal Ions" s'avère être un stimulant pour une nouvelle activité dans ce domaine, il servira une bonne cause, ainsi qu'une satisfaction pour le travail dépensé par ses auteurs.

"Quelques problèmes de toxicité des ions métalliques"

G. Sposito. Répartition des traces métalliques potentiellement dangereuses

1. Traces métalliques potentiellement dangereuses
2. Toxicité des ions métalliques et structure atomique

Répartition des métaux traces dans l'atmosphère, l'hydrosphère et la lithosphère

1. Concentration atmosphérique
2. Concentration dans l'hydrosphère
3. Concentration dans la lithosphère

Enrichissement en métaux et transfert de métaux

1. Facteurs d'enrichissement en métal
2. Taux de transfert de métal

R.Martin. Chimie bioinorganique des ions métalliques toxiques
Nécessité et toxicité des ions métalliques
Propriétés des ions métalliques

1. Rayons ioniques
2. Série stabilité
3. Comparaison de la stabilité des composés métalliques
4. Hydrolyse des ions métalliques
5. Acides et bases durs et mous
6. Dépendance au pH de la résistance
7. Sites de liaison aux ions métalliques préférés
8. Taux de change des ligands

Vue d'ensemble des ions métalliques

1. Ions de métaux alcalins
2. Lithium
3. Magnésium
4. Calcium
5. baryum et strontium
6. Béryllium
7. Lanthanides
8. Aluminium
9. Molybdène
10. Manganèse
11. Fer
12. Cobalt
13. Nickel
14. Cadmium
15. Mercure
16. Thallium
17. Mener

Modes d'exposition des métaux au corps
E. Eichenberger. Relation entre le besoin et la toxicité des métaux dans les écosystèmes aquatiques
Métaux requis

1. Exigences pour les métaux nécessaires
2. Manque de métaux dans le milieu naturel

Réception et assimilation des métaux

1. Réception des métaux
2. Le rôle de la nourriture et de l'eau potable dans l'apport en métaux
3. Le rôle des agents chélateurs libérés par les organismes aquatiques

Toxicité due à un excès de métaux essentiels

1. Mécanisme de la toxicité des métaux
2. Sensibilité aux métaux essentiels
3. "Expressions fonctionnelles de la toxicité
4. Facteurs environnementaux affectant la toxicité

Tolérance envers les métaux

1. Tolérance dans la nature
2. Mécanisme de tolérance

Effets des métaux essentiels sur les populations aquatiques

1. Études en laboratoire de chaînes alimentaires simples
2. Réactions dans une population semi-naturelle complexe
3. Interaction des métaux essentiels avec le fer

G. K. Pagenkopf. Type d'ion métallique et sa toxicité dans les systèmes aquatiques
Modèle chimique de toxicité
Application du modèle à la toxicité du cuivre
Application du modèle à la toxicité du cadmium
Application du modèle à la toxicité du plomb
Application du modèle à la toxicité du zinc
FT Bingham, FD Pera, W.M. Jerel. Toxicité des métaux dans les cultures
Cadmium

1. Composés de cadmium dans le sol
2. Disponibilité du cadmium
3. Toxicité du Cd par rapport à Cu, Ni et Zn
4. Correction de la teneur en Cd dans le sol

Cuivre

1. Composés de cuivre dans le sol
2. Disponibilité du cuivre pour les plantes
3. Symptômes et diagnostic
4. Correction de la teneur en Cu dans le sol

Zinc

1. Composés de zinc dans le sol
2. Disponibilité du zinc pour les plantes
3. Symptômes et diagnostic
4. Correction de la teneur en Zn dans le sol

Manganèse

1. Composés de manganèse dans le sol
2. Disponibilité pour les plantes
3. Symptômes et diagnostic
4. Correction de la teneur en manganèse dans le sol

Nickel

1. Formes de nickel dans le sol
2. Disponibilité pour les plantes
3. Symptômes et diagnostic
4. Correction de la teneur en nickel dans le sol

P. B. Hammond, E.K. Gens. Toxicité des ions métalliques chez l'homme et l'animal
Mener

1. Aspects généraux
2. Absorption, distribution et excrétion du plomb dans l'organisme
3. Toxicité du plomb

Arsenic

1. Aspects généraux
2. Absorption, distribution et excrétion de l'arsenic dans l'organisme
3. Toxicité de l'arsenic

Vanadium

1. Aspects généraux
2. Absorption, distribution et excrétion du vanadium dans l'organisme
3. Toxicité du vanadium

Mercure

1. Aspects généraux
2. Absorption, distribution et excrétion du mercure dans l'organisme
3. Toxicité du mercure

Cadmium

1. Aspects généraux
2. Absorption, distribution et excrétion du cadmium dans l'organisme
3. Toxicité du cadmium

Nickel

1. Aspects généraux
2. Absorption, distribution et excrétion du nickel dans l'organisme
3. Toxicité du nickel

Chrome

1. Aspects généraux
2. Absorption, distribution et excrétion du chrome dans l'organisme
3. Toxicité du chrome

Uranus

1. Aspects généraux
2. Absorption, distribution et excrétion de l'uranium dans l'organisme
3. Toxicité de l'uranium

MADAME. Renard, PM Jacob. Nourriture humaine et toxicité des ions métalliques
Apport alimentaire et état nutritionnel aux États-Unis
Sélénium

1. Nécessité, fonctions, effets de la carence et besoins de l'organisme
2. Absorption, métabolisme et excrétion dans le corps
3. Toxicité du sélénium chez les animaux
4. Toxicité du sélénium pour l'homme
5. Interactions du sélénium avec les composants de l'alimentation humaine

Zinc

1. Nécessité, fonction, effets de carence, besoin
2. L'effet de l'excès de zinc sur le corps des animaux
3. L'effet de l'excès de zinc sur le corps humain
4. Interaction du zinc avec les composants de l'alimentation humaine

Alain Léonard. Anomalies chromosomiques causées par les métaux lourds
Modifications génétiques des lymphocytes du sang périphérique

1. Caractéristiques générales du système lymphocytaire du sang périphérique
2. Anomalies chromosomiques structurelles causées par des clastogènes
3. Échange de chromatides sœurs
4. Interférences pour l'analyse cytogénétique des lymphocytes en culture

Résultats du suivi cytogénétique des personnes exposées aux métaux lourds

1. Arsenic
2. Cadmium
3. Mener
4. Mercure
5. Nickel
6. Autres métaux

M. Costa, J.D. Heck. Cancérogénicité des ions métalliques
Absorption cellulaire et distribution intracellulaire des ions métalliques

1. Phagocytose sélective des particules contenant des métaux
2. Absorption des ions métalliques et importance du mécanisme d'absorption des métaux
3. Localisation des ions métalliques cancérigènes dans le noyau et le nucléole

Troubles de l'ADN causés par des métaux cancérigènes
Effet des ions métalliques sur la croissance cellulaire, la réplication et la réparation de l'ADN
Activité tumorale des métaux et relation entre mutagenèse et carcinogenèse
Inhibition de la transformation et de la carcinogenèse par les ions métalliques divalents
J.D. Heck, M. Casta. Méthodes d'évaluation de la toxicité des ions métalliques in vitro

1. Toxicologie in vitro
2. Ions métalliques dans les systèmes in vitro

Méthodes biochimiques

1. Évaluation biochimique de la cytotoxicité des ions métalliques
2. Évaluation biochimique de la génotoxicité d'un ion métallique

Méthodes microbiologiques
Méthodes utilisant la culture de cellules de mammifères

1. Évaluation de la cytotoxicité des ions métalliques
2. Évaluation de la "génotoxicité" d'un ion métallique

G.Seiler. Quelques problèmes de l'analyse des matériaux biologiques pour la teneur en éléments toxiques à l'état de traces
Aspects généraux de l'analyse des éléments en traces
Choix des instruments et des réactifs
Échantillonnage

1. Échantillons liquides
2. Prélèvement de tissus

Stockage, séchage, homogénéisation
Prélèvement d'échantillons et d'aliquotes
6. Préparation des échantillons

1. Traitement acide
2. Complexation, extraction et enrichissement
3. Minéralisation

E. Nieboer, F.E. Rossetto, K.R. Ménon. Toxicité des composés de nickel
Sources d'exposition au nickel du corps humain

1. Sources non professionnelles
2. Sources professionnelles

Empoisonnement au nickel carbonyle

1. Purification du nickel par sa carbonylation
2. Évaluation clinique des effets et du traitement du nickel
3. Pathogenèse et mécanisme d'action toxique

Hypersensibilité au nickel

1. Aspects cliniques de la dermatite de contact au nickel
2. Mécanisme immunitaire de la dermatite de contact au nickel
3. Nickel Asthme professionnel

Cancérogénicité du nickel

1. Données épidémiologiques et expérimentations animales
2. Déterminants et modèle de cancérogénèse du nickel

Toxicologie des effets sur les gènes

1. Objectifs de recherche
2. Mutagénicité dans les systèmes procaryotes et eucaryotes
3. Transformation de la culture de cellules de mammifères
4. Troubles chromosomiques et de l'ADN et effets connexes

Autres effets du nickel sur le corps

1. Toxicité rénale
2. Impact sur la reproduction et le développement
3. Immunotoxicité
4. Cardiotoxicité

D. Kerr, M.K. Salle. L'intoxication à l'aluminium : l'histoire de sa définition clinique
Histoire de la découverte de la toxicité de l'aluminium

1. L'aluminium dans l'environnement
2. Sur le rôle de l'excès d'aluminium dans l'insuffisance rénale

Reconnaissance de la maladie causée par l'aluminium

1. encéphalopathie de dialyse
2. Ostéodystrophie de dialyse
3. Suppression de la fonction parathyroïdienne
4. anémie microcytaire

Régulation de la toxicité de l'aluminium dans l'insuffisance rénale

1. Introduction du traitement de l'eau
2. Substituts de l'hydroxyde d'aluminium
3. Recherche d'autres sources

MONSIEUR. Wills, J. Savory. Toxicité aluminique et insuffisance rénale chronique
Sources d'aluminium

1. Médicaments contenant de l'aluminium
2. Dialysat

Absorption de l'aluminium dans le tractus gastro-intestinal