Chelatori ai ionilor metalici cu valență variabilă. Complexe triple enzimă-metal-substrat

După studierea acestui capitol, studentul ar trebui:

stiu

Date ecologice și fiziologice de bază ale ionilor de metale alcaline și alcalino-pământoase, impactul plumbului asupra corpului uman, forme de migrație atomică metale greleîn atmosferă și hidrosferă;

a fi capabil să

Determinarea caracterului adecvat al apei pentru utilizare în diverse scopuri;

proprii

- metode de protecție împotriva impactului antropic al ionilor metalici toxici.

În funcție de comportamentul în sistemele vii, substanțele, inclusiv ionii metalici, sunt împărțite în cinci tipuri: necesare organismului; stimulente; inert, inofensiv; agenți terapeutici; toxic. Este considerată necesară organismului o substanță, a cărei lipsă provoacă tulburări funcționale în organism, care sunt eliminate prin introducerea acestei substanțe în ea. Necesitatea este o proprietate dependentă de organism și trebuie să fie distinsă de stimulare. Sunt multe exemple de unde stimulente apar atât ionii metalici esenţiali, cât şi neesenţiali. Unele metale și ioni metalici la anumite concentrații sunt inert, inofensivși nu au niciun efect asupra organismului. Prin urmare, metalele inerte - Ta, Pt, Ag, Au - sunt adesea folosite ca implanturi chirurgicale. Mulți ioni metalici pot servi agenţi terapeutici;

Pe fig. 6.1 oferă o idee despre răspunsul biologic al țesuturilor corpului la o creștere a concentrației de ioni metalici furnizați în cantități suficiente, de exemplu, cu alimente.

Orez. 6.1. Răspuns biologic în funcție de concentrația necesarului(curba solida)si periculos(curba întreruptă)substante

(dispunerea reciprocă a celor două curbe în raport cu scara de concentrare este condiționată)

curbă solidă indică un răspuns pozitiv imediat cu creșterea concentrației, începând de la zero (se presupune că substanța necesară care intră își saturează locurile de legare și nu intră în alte interacțiuni care sunt de fapt destul de posibile). Această curbă solidă descrie nivelul optim care acoperă o gamă largă de concentrații pentru mulți ioni metalici. Efectul pozitiv al creșterii concentrației unui ion metalic trece printr-un maxim și începe să scadă la valori negative: răspunsul biologic al organismului devine negativ, iar metalul trece în categoria substanțelor toxice.

curbă întreruptăîn fig. Figura 6.1 demonstrează răspunsul biologic al organismului la o substanță complet dăunătoare care nu prezintă efectele unei substanțe necesare sau stimulatoare. Această curbă vine cu o oarecare întârziere, ceea ce indică faptul că un organism viu este capabil să „suportă” cantități mici de substanță toxică (concentrație de prag) până când efectul său toxic prevalează.

Pe fig. 6.1 prezintă, desigur, o anumită imagine generală; fiecare substanță are propria curbă specifică în coordonatele „răspuns biologic – concentrație”. De asemenea, din figură rezultă că substanțele esențiale pot deveni chiar toxice dacă sunt consumate în exces. Aproape orice substanță în exces devine inevitabil periculoasă (chiar dacă această acțiune este indirectă), de exemplu, din cauza restrângerii digestibilității altor substanțe necesare. Organismul animal menține concentrația de substanțe în intervalul optim printr-un complex de procese fiziologice numite homeostaziei. Concentrația tuturor, fără excepție, a ionilor metalici necesari este sub control strict al homeostaziei; mecanismul detaliat al homeostaziei pentru mulți ioni metalici rămâne domeniul de cercetare actuală.

Lista ionilor metalici necesari corpului uman (și animalelor) este prezentată în tabel. 6.1. Pe măsură ce cercetările continuă și tehnicile experimentale se îmbunătățesc, unele dintre metalele considerate anterior toxice sunt acum considerate esențiale. Adevărat, încă nu s-a dovedit că Ni 2+ este necesar pentru corpul uman. Se presupune că alte metale, cum ar fi staniul, pot fi, de asemenea, clasificate ca fiind esențiale pentru mamifere. A doua coloană din tabel. 6.1 indică forma în care un anumit ion metalic există la pH = 7 și poate apărea în plasma sanguină până când este combinat cu alți liganzi. FeO(OH) și CuO în formă solidă nu se găsesc în plasmă, deoarece atât Fe 3+ cât și Cu 2+ formează complexe cu macromoleculele proteice. În a treia coloană a tabelului. Tabelul 6.1 arată cantitatea totală tipică a fiecăruia dintre elementele necesare care este prezentă în mod normal în corpul unui adult. În consecință, concentrațiile de ioni metalici din plasmă sunt date în a patra coloană. Și ultima coloană recomandă cantitatea de aport zilnic pentru fiecare dintre ionii metalici necesari, dar aceste recomandări pot fi modificate.

Tabelul 6.1

Ioni metalici esențiali

	Forma la pi I = 7		Concentrația plasmatică, mmol	Consumul zilnic, g

Ca răspuns la intervenția din exterior, organismul viu are anumite mecanisme de detoxifiere care servesc la limitarea sau chiar eliminarea substanței toxice. Studiul mecanismelor specifice de detoxifiere în raport cu ionii metalici este într-un stadiu incipient. Multe metale trec în forme mai puțin dăunătoare în organism în următoarele moduri: formarea de complexe insolubile în tractul intestinal; transportul de metal prin sânge către alte țesuturi unde poate fi imobilizat (cum ar fi Pb 2+ în oase); conversie de către ficat și rinichi într-o formă mai puțin toxică sau mai liberă. Deci, ca răspuns la acțiunea ionilor toxici Cd 2+ , Hg 2+ , Pb 2+ și alții, ficatul și rinichii umani cresc sinteza metalotionilor - proteine ​​cu greutate moleculară mică, în care aproximativ 30 (din 61) resturile de aminoacizi este cisteina. Conținutul ridicat și aranjarea reciprocă bună de sulfhidril SH-rpynn oferă posibilitatea unei legături puternice a ionilor metalici.

Mecanismele prin care ionii metalici devin toxici sunt în general ușor de imaginat, dar dificil de identificat pentru un anumit metal. Ionii metalici stabilizează și activează multe proteine; aparent, pentru acțiunea Y 3 toate enzimele necesită ioni metalici. Concurența dintre ionii metalici esențiali și toxici pentru locurile de legare a proteinelor este ușor de imaginat. Multe macromolecule proteice au grupări sulfhidril libere care pot interacționa cu ioni metalici toxici, cum ar fi Cd2+, Hg2+, Pb2+; se crede larg că această reacție este calea de manifestare a toxicității ionilor metalici enumerați.

Cu toate acestea, nu este stabilit exact care macromolecule proteice cauzează cele mai grave daune unui organism viu. Ionii metalici toxici sunt distribuiți între multe țesuturi și nu există nicio garanție că daunele cele mai mari au loc acolo unde un anumit ion metalic este cel mai abundent. Acest lucru, de exemplu, se arată pentru ionii Pb 2+: fiind mai mult de 90% (din cantitatea lor din organism) imobilizați în oase, ei rămân toxici datorită distribuirii în proporție de 10% în alte țesuturi ale corpului. Într-adevăr, imobilizarea ionilor de Pb 2+ în oase poate fi considerată ca un mecanism de detoxifiere. Acest tip de toxicitate, care se datorează bolilor genetice (de exemplu, anemie Cooley, însoțită de conținut excesiv de fier), nu este luat în considerare în acest capitol.

Revizuirea noastră nu acoperă posibila activitate cancerigenă a ionilor metalici. Captzerohepposity - acesta este un fenomen complex, în funcție de tipul de animal, organ și nivelul de dezvoltare a acestuia, de sinergia cu alte substanțe. Ionii metalici și complecșii lor pot servi și ca agenţi anticancerigen. Toxicitatea unui ion metalic nu este de obicei asociată cu nevoia acestuia pentru organism. Cu toate acestea, toxicitatea și necesitatea au un lucru în comun: de regulă, există o interdependență a ionilor metalici unul de celălalt, precum și între ionii metalici și nemetalici, în contribuția lor generală la eficacitatea acțiunii lor. Disponibilitatea ionilor metalici necesari depinde de interactiunea acestora cu alimentele consumate; simpla adecvare a dietei nu satisface aceasta prevedere. De exemplu, fierul din legume este slab absorbit din cauza prezenței liganzilor de complexare în ele, iar un exces de ioni de Zn 2+ poate inhiba absorbția Cu 2+. În mod similar, toxicitatea Cd 2+ este mai pronunțată într-un sistem cu deficit de Zn 2+, iar toxicitatea Pb 2+ este exacerbată de deficiența de Ca 2+. Un astfel de antagonism și interdependență complică foarte mult încercările de a urmări și explica cauzele necesității și toxicității.

Pentru mulți ioni de metal, toxicitatea acută apare atunci când o „lovire” bruscă cu o doză mare de metal; in acelasi timp apar si alte efecte si simptome decat in cazul intoxicatiei cronice; intoxicația cronică apare atunci când se primesc doze mici de metal, dar pe o perioadă lungă de timp.

Cele mai grave efecte toxice ale ionilor metalici rezultă din inhalarea prafului, care apare de obicei pe întreprindere industrială. Deosebit de periculoase sunt particulele cu un diametru de 0,1 - 1 microni, care sunt absorbite eficient de plămâni. Rețineți că plămânii absorb ionii metalici, care apoi intră în mediul lichid al organismului, de zece ori mai eficient decât tractul gastrointestinal. Astfel, de exemplu, cel mai mare pericol al plutoniului-239 radioactiv (care emite particule active a cu un timp de înjumătățire de 24,4 mii de ani) nu provine din absorbția plutoniului cu alimente, ci din adsorbția pulberii de plutoniu de către plămâni. tesut.

Compușii metalici volatili, cum ar fi compușii carbonilici și alchilici ai mercurului, plumbului și staniului, sunt ușor absorbiți de plămâni și pot provoca otrăvire acută cu metale. De aici concluzia: orice inhalare cu ioni metalici trebuie evitată!

ionii Metale alcaline. Niciunul dintre metalele alcaline nu este deosebit de toxic. Homeostazia menține concentrația atât a ionilor necesari de Na + și K + (vezi Tabelul 6.1) la un nivel fiziologic normal. Rolul ambelor elemente este important în digestie. Pe lângă acțiunea lor specifică, acești ioni metalici joacă două roluri importante în organismele vii: ei determină echilibrul osmotic pe ambele părți ale membranei și oferă contraioni pozitivi pentru anioni precum HPO|, HCO3 și molecule organice, dintre care multe sunt doar anionii Astfel, Na+ și respectiv K+, servesc ca principalii contraioni intercelulari și intracelulari.

Alți ioni de metale alcaline pot concura cu ionii Na + , K + în unele procese fiziologice. În corpul uman, fluidul intracelular, împreună cu ionii K 1, conține aproximativ 0,3 g de Rb +. Pot fi conținute și cantități mici de Cs+; o cantitate semnificativă de 37 Cs (T| 2 = 30 ani) apare doar în cazul expunerii radioactive. Cea mai mare doză de radioactivitate a gonadelor din surse interne este în mod normal de 20 mrem pe an și se obține din potasiu natural, care este în mod necesar prezent în fluidele intracelulare.

Litiu. De peste 50 de ani, Li* este folosit pentru tratarea psihozei maniaco-depresive; în Marea Britanie, în medie, există unul la fiecare două mii de oameni care îl primesc ca medicament. Aportul oral de Li 2 C0 3 crește concentrația de litiu din plasma sanguină la 1 mm, ceea ce atenuează vizibil schimbările de dispoziție ale multor pacienți. Dar nivelul de metal care este necesar pentru un efect terapeutic, din păcate, poate avea un efect toxic precum inhibarea funcției renale și tulburările sistemului nervos central. Însăși natura acțiunii ionilor de litiu nu a fost încă elucidată; poate că modifică relaţiile intracelulare. Li + acționează asupra multor enzime, inclusiv asupra celor implicate în glicoliză. Mulți biochimiști cred că Li + înlocuiește ionii Na b sau K +, dar aceștia sunt de trei sau, respectiv, de șase ori mai mari ca volum decât litiul. Prin urmare, o astfel de înlocuire în macromoleculele proteice ar trebui să provoace o schimbare în structura cavităților metalice corespunzătoare; pe de altă parte, ionul Li + este ceva mai mare decât ionul Mg 2+. Litiul formează de obicei complecși mai puternici decât Na + și K + , dar mult mai slab decât Mg 2+ . În tratamentul psihozei, litiul și magneziul sunt utilizate în concentrații comparabile, iar Li + ocupă acele locuri de legare care nu sunt ocupate de Mg2+; dacă toate locurile posibile sunt ocupate de magneziu, Li* înlocuiește Na + și K + . Toți acești ioni de metale alcaline intră în reacții de schimb de mai mult de 10 3 ori mai repede decât ionul Mg 2+. Acest factor poate explica modificarea activității enzimelor care conțin Mg la introducerea litiului.

Magneziu. Acest metal sub formă de ion Mg 2+ este necesar atât pentru organismele vegetale, cât și pentru animale. La plante, Mg 2+ este chelat cu patru atomi de azot în inelele pirolice ale structurii ciclice a clorofilei, un caz rar de coordonare a magneziului cu azotul. În organismele animale, Mg 2+ este un cofactor necesar în fiecare reacție care implică adenozin trifosfat (ATP). De asemenea, joacă rolul unui contraion pentru a stabiliza dubla helix ADN, care are grupări fosfat încărcate negativ în fiecare verigă a lanțului. Prezența ionilor de magneziu crește probabilitatea unei împerecheri adecvate a legăturilor. Atunci când este coordonat cu fosfații nucleozidici, cum ar fi ATP, Mg 2+ se leagă numai de grupări fosfat. Ionii de Mg 2+ sunt esențiali pentru transmiterea neuromusculară și contracția musculară. Homeostazia stabilă menține nivelul de Mg 2+ din plasma sanguină la nivelul de 0,9 mm pentru persoanele aparent sănătoase. Lipsa Mg 2+ este mult mai frecventă, iar în alcoolism, aparent, aceasta este o situație obligatorie. Deoarece deficiența severă de magneziu este rară, există puține date despre simptome. Simptomele acestui lucru sunt delirium tremens și manifestări neuromusculare, inclusiv frisoane, convulsii, amorțeală a extremităților, tremor. Nivelurile scăzute de Mg 2+ pot provoca hipocalcemie, în care mineralul labil din punct de vedere metabolic nu poate fi mobilizat din oase. Atât nivelurile de Mg 2+ cât și Ca 2+ sunt controlate de hormonul paratiroidian printr-un negativ părere. Magneziul este destul de slab toxic. Luarea unor cantități mari de săruri de Mg 2+ provoacă vărsături. Pacienții cu insuficiență renală care au primit magneziu ca parte a medicamentelor de neutralizare a acidului pot prezenta simptome de otrăvire pe termen lung. Acesta din urmă poate afecta sistemul nervos central, organele respiratorii și sistemul cardiovascular.

Calciu. Doi ioni alcalini Na~ și K + și doi ioni alcalino-pământoși Mg 2+ și Ca 2+ alcătuiesc împreună mai mult de 99% din cantitatea de ioni de metal din corpul uman. Calciul sub formă de Ca 2+ este conținut în organism mai mult decât alți ioni metalici. Mai mult de 99% din acesta este inclus în compoziția oaselor și a smalțului dinților sub formă de hidroxoapatită Ca 5 (P0 4) 3 (0H). În soluții, calciul joacă un rol critic în multe procese, inclusiv contracția musculară, coagularea sângelui, livrarea impulsului nervos, formarea microtubulilor, comunicarea intercelulară, răspunsurile hormonale, exocitoza, fertilizarea, mineralizarea, precum și fuziunea celulară, aderența și creșterea. Multe dintre activitățile enumerate ale ionului de calciu sunt implicate în interacțiuni cu macromoleculele proteice, pe care ionul Ca 2+ le poate stabiliza, activa și modula. Toate situsurile de legare cunoscute până acum în proteine ​​pentru ionii de Ca 2+ constau din atomi de oxigen. Gradientul de concentrație al Ca 2+ în fluidele intercelulare și intracelulare depășește semnificativ gradienții celorlalți trei ioni de metal alcalino și alcalino-pământos importanți biologic (Na +, K, Mg 2+).Concentrația liberă de Ca 2+ în fluidele intercelulare este aproximativ 1,3 mM, în timp ce în multe fluide intracelulare este uimitor de scăzut (0,1 µM sau chiar mai mic pentru un gradient de concentrație de 20.000 de ori). Când este stimulată, o concentrație intracelulară scăzută poate crește de 10 ori, ceea ce este însoțit de modificări conformaționale ale proteinei. macromolecule care au o constantă de disociere în micromoli. Sensibilitatea conformațională a unor proteine ​​intracelulare la modificările concentrației de calciu la nivel micromolar a condus la înțelegerea rolului Ca 2+ ca mediator intracelular de al doilea fel. doza zilnică (800 mg) de Ca 2+ poate fi obținută la aportul unui litru de lapte - singura sursă bogată în calciu. Se exprimă deficiența de calciu se găsesc în pirozie, dinții răni și alte defecte mai puțin evidente. Un astfel de defect latent este absorbția crescută a ionilor metalici nedoriți sau toxici într-un sistem cu deficit de Ca2+. Mecanismul de homeostazie care guvernează absorbția din intestin controlează nivelurile de Ca 2+ la oameni. Calciul este considerat netoxic. Depunerea mineralelor osoase în țesuturile moi nu este cauzată de un exces de ioni de Ca 2+, ci de un conținut crescut de vitamina D. Cu toate acestea, un nivel ridicat de Ca 2+ în dietă poate inhiba absorbția intestinală a altor metale necesare de către corpul.

bariu și stronțiu. Ba 2+ este otrăvitor datorită antagonismului său cu K + (dar nu și cu Ca 2+). Această relație este un exemplu clar al importanței mai mari a similitudinii razelor ionice ale lui Ba 2+ și K + decât identitatea sarcinii (cei doi ioni alcalino-pământoși Ba 2+ și Ca 2+ au raze diferite). Ionul de bariu este o otravă musculară, tratamentul aici constă în administrarea intravenoasă de săruri K+. În timp ce ionii Ba 2+ sunt încă în intestine, aportul de săruri solubile SO | _ duce la formarea sulfatului de bariu insolubil, care nu este absorbit. BaSO| folosit ca material radioopac pentru studii gastrointestinale. Corpul uman conține aproximativ 0,3 g de Sr 2+ în oase. O astfel de sumă nu reprezintă niciun pericol; totuși, stronțiul a devenit o contaminare extinsă în ultimii ani sub formă de 90 Sr (G 1/2 = 28 de ani) de la precipitații radioactive.

Beriliu. Be 2+ în medii acide formează hidroxid de Be(OH) 2 insolubil, care reduce absorbția intestinală. Inhalarea de praf care conține beriliu provoacă granulomatoză pulmonară cronică (numită berilioză) sau leziuni la nivelul plămânilor; boala se dezvoltă lent și se termină adesea cu moartea. Lucrătorii din fabricile care produc lămpi fluorescente, unde oxidul de beriliu este folosit ca substanță fosforescentă, au devenit victime ale beriliozei. (O astfel de producție a fost deja suspendată.) O doză de o milioneme dintr-o greutate corporală de beriliu este deja letală. Be 2+ circulă în organism sub formă de fosfat coloidal și este încorporat treptat în scheletul osos. Formarea complecșilor de hidroxid și fosfat se desfășoară conform principiilor prezentate mai sus (pentru ioni divalenți de dimensiuni mici, dar cu o densitate mare de sarcină). Be 2 ~ inhiba multe enzime precum fosfataza, este cel mai puternic inhibitor cunoscut pentru fosfataza alcalina. De asemenea, beriliul inhibă enzimele activate de magneziu și potasiu, perturbă replicarea ADN-ului. „Terapia de chelare” (luând medicamente chelatoare, cum ar fi etilendiaminotetra- acid acetic) s-a dovedit a fi ineficient în scopul eliminării Be 2+ din corpul persoanelor care suferă de otrăvire cronică cu beriliu. Este evident că o substanță atât de periculoasă cu toxicitate latentă (prelungită) precum beriliul trebuie tratată cu mare precauție și este mai bine să o scoateți din circulație cu totul.

Lantanide. Lantanidele includ 15 elemente, de la lantan cu număr atomic 57 până la lutețiu cu număr atomic 71. Toate se găsesc în sistemele biologice doar în starea de oxidare +3. Pentru gadoliniu Gd 3+ - membrul mijlociu al acestei serii (numărul atomic 64) - raza ionică corespunde îndeaproape cu raza ionică a lui Ca 2+ . Deoarece asemănarea dimensiunii atomice este mai importantă decât egalitatea de sarcină, lantanidele înlocuiesc calciul în multe sisteme biologice. O astfel de substituție de lantanidă nu este semnificativă atunci când ionul metalic joacă un rol predominant structural, dar poate avea un efect inhibitor sau activator atunci când ionul metalic se află în situsul activ. Ionii de lantanide au fost folosiți pe scară largă în determinarea situsurilor de legare ale ionilor de Ca 2+ în macromoleculele proteice. Niciunul dintre elementele lantanide nu este esențial din punct de vedere biologic. Plantele rezistă acumulării de lantanide, blocând astfel transferul lantanidelor către oameni, în principal prin lanțul trofic. Lantanidele sunt sub forma unui acvaion (3+) până la pH=6, când începe formarea hidroxocomplecșilor și precipitatelor. Fosfații lor sunt, de asemenea, insolubili. Ca urmare, lantanidele formează complexe insolubile în intestin și, prin urmare, sunt slab absorbite. Niciuna dintre ele nu este considerată toxică.

Aluminiu. Fiind cel mai comun metal din scoarța terestră, aluminiul se găsește rar în organismele vii, probabil pentru că este greu de accesat, deoarece face parte din zăcăminte minerale complexe. De obicei, un corp uman adult conține 61 mg de aluminiu și parte principală- în plămâni ca urmare a inhalării. Singurul cation de aluminiu A1 3+ din soluții neutre formează hidroxidul insolubil A1(OH) 3 și compuși hidroxo și oxo reticulati puternic pe baza acestuia. Formarea unor astfel de particule și A1P0 4 insolubil limitează absorbția A1 3+ în tractul digestiv. După absorbție, cea mai mare concentrație de aluminiu se află în creier. Deteriorarea stării activității renale reduce semnificativ capacitatea organismului de a excreta A1 3+. Nivelurile ridicate de aluminiu cauzează epuizarea fosfatului datorită formării de A1PO 4 . Doar niveluri scăzute ale acestui metal sunt posibile în apă și alimente, iar la astfel de concentrații A1 3+ nu este deloc deosebit de toxic. Introducerea de Al 3+ (precum și Hg 2+ și Pb 2+ ) în alimentarea cu apă urbană de ploaie acide duce la un conținut mai mare de metale, ceea ce devine deja o problemă. Ionii metalici care intră în apă pot reprezenta un pericol pentru pești mult mai grav decât aciditatea. Cantitățile limitate de Ca 2+ și Mg 2+ par să crească potențiala toxicitate a aluminiului. Efectul toxic al A1 3+ se manifestă sub formă de constipație și anomalii nervoase. O creștere a concentrației de aluminiu în creier este asociată cu boala Alzheimer, tulburări de tip demență și chiar moartea, în principal la vârstnici. Cu toate acestea, conform ideilor moderne ale medicilor, cel mai probabil aluminiul nu este Motivul principal boală, dar se acumulează într-un creier deja nesănătos sau acționează ca unul dintre mulți factori. În orice caz, faptul că generația mai în vârstă folosește antiperspirante care conțin aluminiu și, de asemenea, ingerează cantități mari de antiacide (medicamente neutralizante acide) este un semn foarte îngrijorător. Pacienții dializați cu o concentrație mare de A1 3+ în apă pot suferi „demență de dializă”.

Crom. Cromul este inclus în mod tradițional în listele de oligoelemente necesare. Corpul uman conține aproximativ 6 mg de crom, distribuit în multe țesuturi. Deși nu au fost stabilite dozele necesare, acestea ar trebui să fie foarte mici. Nivelul necesar de crom este dificil de estimat prin metode chimice sau biochimice. Motivul necesității de crom rămâne, de asemenea, necunoscut. Deși au trecut 25 de ani de când Cr 3+ a fost sugerat pentru prima dată a fi o componentă a factorului de toleranță la glucoză, natura complexului în sine rămâne necunoscută și unele dintre structurile propuse pentru un astfel de complex par nefondate. La pH = 7, compusul cel mai comun este Cr(OH)2, dar în forma sa inertă, polinucleară, complexă. Chiar și sub formă de ion hexaaqua de crom (III), schimbul unei molecule de apă cu un solvent durează câteva zile. Tocmai această inerție limitează aparent rolul Cr(III) doar la funcțiile structurale. Dacă cromul este totuși implicat în reacții rapide, atunci acesta acționează în ele ca Cr (II). Zaharurile pot acționa ca potențiali liganzi ai cromului. Glucoza este doar un ligand relativ slab pentru legarea acestui metal, dar această restricție poate să nu joace un rol în unele complexe de crom trivalent. Cr(III) trivalent este unul dintre cei mai puțin toxici ioni de metal; un agent oxidant puternic Cr (VI) hexavalent este deja mai toxic. La pH

Molibden. Acest metal se găsește de obicei ca Mo(VI), iar molibdatul MoO|“ este adsorbit în tractul gastrointestinal. Molibdenul apare în plante ca cofactor pentru enzima nitrogenază. Xantin oxidaza (care catalizează formarea acidului uric la animale) are doi atomi de Mo, opt atomi de Fe și două inele de flavină ca parte a cofactorilor adenin dinucleozidici. Toxicitatea molibdenului este la nivelul toxicității cuprului sau sulfului. Rumegătoarele hrănite cu furaje bogate în molibden și sărace în cupru dezvoltă tumori, care sunt însoțite de suprimarea creșterii, anemie și boli osoase. La oameni, o dietă cu un raport similar de molibden și cupru provoacă simptome de gută. Luarea preparatelor de cupru este utilă pentru animalele cu otrăvire cu molibden. Nici molibdenul, nici wolframul înrudit, care nu este esențial pentru organism și inhibă activitatea xantinoxidazei, nu sunt considerate metale deosebit de toxice.

Mangan. Mai multe stări de oxidare sunt cunoscute pentru mangan, dar există dovezi că acest metal nu ia parte la reacțiile redox și doar Mn 2+ este important; Mn 3+ este instabil ca un acvaion la pH > 0 și, cu excepția cazului într-o formă complexă, este ușor redus în soluții neutre la Mn 2+. Nu există date despre ce duce lipsa de mangan în corpul uman. La animale, deficiența acestuia duce la o deteriorare a creșterii osoase, la scăderea funcției productive și, eventual, la suprimarea sintezei colesterolului. Manganul poate fi un cofactor pentru enzime. Deși multe enzime sunt activate de Mn2+, această activare este specifică, deoarece alți ioni metalici, cum ar fi Mg2+, sunt de asemenea eficienți în acest scop. Concentrația de Mn 2+ în plasma sanguină este doar o miime din concentrația de Mg 2+. Manganul este aproape netoxic, mai ales sub forma ionului Mn 2+. Ionul permanganat MnOj este toxic datorită naturii sale oxidative. Cea mai frecventă intoxicație cu mangan se datorează inhalării de oxid de mangan în productie industriala. Expunerea cronică de acest fel poate duce la manganism, în care există deja o afectare gravă, ireversibilă, a sistemului nervos central și a creierului. Aparent, un exces de mangan în organism are un efect asupra sistemelor enzimatice ale creierului. Din păcate, nu există antidoturi universale, eficiente, pur și simplu încearcă să elimine cauza inițială.

Fier. Conținutul de fier din corpul uman este de 4 g, din care aproximativ 70%, adică. 3 g sunt în compoziția globulelor roșii sub formă de hemoglobină, cea mai mare parte a restului este în proteine ​​de fier, iar o cantitate mică este în unele enzime. Din necesarul zilnic de fier recomandat de 10-20 mg, doar 10-20% este absorbit, o cantitate ceva mai mare la indivizii cu deficit de fier cu o homeostazie bună. Absorbția fierului este inhibată prin formarea de hidroxizi insolubili, fosfați, complecși cu acizi grași; este promovat de zahărul solubil și chelații de acid ascorbic. Aproape toate cele 25 mg de fier eliberate zilnic din descompunerea hemoglobinei sunt reciclate eficient de ficat, astfel încât timpul de înjumătățire al fierului în corpul uman depășește 10 ani. De aceea, pentru o persoană este suficientă o absorbție mai mică de 1 mg pe zi (excepția este perioada menstruației, în care o femeie pierde aproximativ 20 mg de fier). Cea mai frecventă deficiență umană la nivel mondial este deficitul de fier, care afectează până la 10% dintre femeile aflate în premenopauză care trăiesc în zone industriale; în unele grupuri această cifră se ridică la 100%. Deficitul de fier duce la anemie. Fierul este absorbit ca Fe(II) și oxidat în Fe(III) în sânge. Deoarece Fe 3+ formează precipitate complet insolubile chiar și în soluții apoase acide, proteina transferină transportă Fe 3+ în sânge. Când capacitatea de transport Pe 3+ a transferinei este epuizată, Fe(OH) 3 precipită în sânge. Toxicitatea fierului apare la anumite grupuri: în SUA, dintr-o mie de copii, aproximativ 10 mor în fiecare an din cauza înghițirii comprimatelor minerale FeSO 4 preparate pentru mamele lor; unde gătitul are loc în oale de fier; printre alcoolicii care suferă de disfuncție hepatică severă. Toxicitatea fierului este asociată cu boli gastrointestinale, șoc și leziuni hepatice.

Cobalt cunoscută ca o componentă esențială a vitaminei B 12, chelatată într-un macrociclu complex de corine cu patru inele pirol legate. necesar zilnic o persoană în vitamina B 12 are doar 3 mcg, iar deficiența acesteia are ca rezultat anemie și pirozie. Se știe că mai multe forme de vitamina B 12 servesc ca cofactori enzimatici în reacțiile de transfer al grupării metil, precum și în alte reacții în care cobaltul suferă o schimbare a stării de oxidare. Nefiind legat de inelul corinoid al vitaminei B 12, cobaltul se găsește în sistemele biologice sub forma ionului Co 2+. Acest ion este capabil să lege patru, cinci și chiar șase atomi donatori în diferite tipuri de poliedre de coordonare. Zn 2+ are, de asemenea, o capacitate similară. Acești doi ioni au aceleași raze ionice efective pentru toate numerele de coordonare, precum și constante de stabilitate destul de comparabile. În complexele cu mulți liganzi, Co 2+ înlocuiește Zn 2+ în unele enzime, dând adesea și enzime active. Deoarece are electroni ^/-nepereche, este util în unele metode spectrale să se utilizeze Co 2+ pentru a studia proprietățile zincului inactiv spectral în proteinele care conțin zinc. Excesul de Co 2+ stimulează măduva osoasă să producă globule roșii; reduce, de asemenea, capacitatea glandei tiroide de a acumula iod, adică. gușa poate fi o consecință a luării de săruri de cobalt cu anemie. Cobaltul a demonstrat cardiotoxicitate pentru unii pasionați de băutori de bere care consumă mai mult de trei litri pe zi. (În unele țări, la bere se adaugă săruri divalente de cobalt de 10 -4% pentru a stabiliza spuma, pentru a stinge efectul detergenților reziduali.) Deși numărul victimelor a fost mai mic decât în ​​cazul consumului de medicamente Co 2+ pentru anemie, este încă clar că alcoolul etilic crește sensibilitatea organismului la intoxicația cu cobalt, iar SO 2 conținut în berea îmbuteliată distruge tiamina (deficitul acestei vitamine exacerba cardiotoxicitatea cauzată de Co 2+).

Nichel. În sistemele biologice, nichelul apare aproape exclusiv ca Ni(II). Deși starea de oxidare +3 este posibilă pentru nichel în anumite condiții, este puțin probabilă pentru organismele foarte evoluate. Corpul uman conține aproximativ 10 mg de Ni 2+, iar nivelul din plasma sanguină este într-un interval destul de îngust, ceea ce indică homeostazia și, eventual, nevoia de nichel. Nivelurile scăzute de Ni 2 * sunt stimulatoare pentru animale. Acesta servește ca cofactor pentru enzima ureaza vegetală. Împreună cu alți ioni metalici, Ni 2 * activează anumite enzime din corpul animalelor, dar totuși necesitatea lui pentru oameni nu a fost dovedită. Ionul Ni 2+ este un alt exemplu de metal care este relativ netoxic. Cu toate acestea, fumurile industriale, în special cele care implică nichel carbonil Ni(CO) 4 (în care nichelul este în mod oficial în stare zerovalentă), sunt ușor absorbite în plămâni și sunt foarte toxice. Când este ingerat, ionul Ni 2+ provoacă disconfort gastrointestinal acut. Intoxicația cronică cu nichel duce la distrugerea inimii și a altor țesuturi. Motivele toxicității nichelului ne sunt necunoscute; blochează enzimele și reacționează cu acizii nucleici.

Cupru. Concentrația de cupru din organism este reglată de homeostazie, iar concentrațiile optime ale acestuia sunt în limite largi. De aceea, nici deficiența de cupru și nici toxicitatea acestuia nu sunt comune. Cuprul este un cofactor esențial pentru mai multe enzime care catalizează o varietate de reacții redox. Deficiența acestuia duce la anemie, la starea proastă a oaselor și a țesuturilor conjunctive, precum și la pierderea pigmentării părului. Este posibil ca administrarea de Zn 2+, de exemplu sub formă de pastile, să provoace deficiență de cupru. Cuprul în ambele stări de valență, Cu(I) și Cu(II), leagă bine gruparea sulfhidril din glutation și proteinele care conțin sulf. Cu(II) oxidează gruparea sulfhidril neprotejată într-o grupare disulfură, autovindecându-se la Cu(I), astfel încât organismul trebuie să se lege de Cu(I) înainte să aibă loc oxidarea grupării sulfhidril. Aproximativ 95% din cuprul din plasma sanguină se află în proteina ceruloplasmină. Deși are o grupare sulfhidril, locul principal de legare a cuprului în soluțiile neutre de albumină plasmatică este capătul amin al moleculei de proteină, care conține azotul aminic, doi azoti peptidici deprotonați și un alt azot al inelului imidazol din lanțul lateral de la al treilea aminoacid; toți acești atomi de azot chelează cuprul, formând un sistem inelar plan. Hexaaqua-Cu 2+ devine mai tetragonal (planar) pe măsură ce crește numărul de atomi donatori de azot. O cantitate semnificativă de cupru care a intrat în tractul gastrointestinal irită terminațiile nervoase din stomac și intestine și provoacă vărsături. Un exces cronic de cupru duce la pipernicie, hemoliză și conținut scăzut de hemoglobină, precum și leziuni tisulare la nivelul ficatului, rinichilor și creierului. Există o lipsă de ceruloplasmină la majoritatea pacienților care suferă de „boala lui Wilson” - un defect congenital al metabolismului. Astfel de pacienți găsesc niveluri ridicate cuprul în ficat împreună cu disfuncția acestuia. Toxicitatea cuprului poate fi redusă prin luarea de MoO|.

Zinc. La om, ionul Zn 2+ face parte din peste 20 de enzime metalice, inclusiv acizii nucleici implicați în metabolism. Majoritatea ionilor de Zn 2+ din sânge se găsesc în eritrocite ca un cofactor necesar pentru enzima anhidrază carbonică. Pentru zinc, se cunoaște o singură stare de oxidare în soluție. Rolul Zn 2+ în compoziția enzimei este: a) fie în legarea directă și polarizarea substratului; b) sau în interacțiune indirectă prin apă legată sau ion hidroxid, ca în cazul catalizatorilor convenționali acido-bazici și al nucleofililor. Majoritatea Zn 2+ din corpul uman se află în mușchii săi, iar cea mai mare concentrație de zinc din gonada este prostata. Nivelul de Zn 2+ este sub controlul homeostaziei. Deficiența de zinc a fost observată la alcoolici, precum și la persoanele din țările în curs de dezvoltare a căror dietă este bogată în alimente fibroase și vâscoase. Deficiența de zinc este exprimată prin încălcarea pielii, întârzierea creșterii, dezvoltarea sexuală afectată și funcțiile sexuale la tineri. Deși nu se cunoaște un afrodisiac pentru oameni, sunt necesare cantități adecvate de Zn 2+ pentru comportamentul sexual normal masculin. Deoarece spermatogeneza umană este un proces în mai multe etape, corectarea tulburărilor și restabilirea sănătății sexuale prin creșterea concentrației de Zn 2+ necesită o anumită perioadă de timp. Suplimentarea cu zinc poate dezechilibra echilibrele metabolice ale altor metale, astfel încât astfel de intervenții trebuie efectuate în condiții stricte. supraveghere medicală. Subliniem mai ales acest sfat, deoarece ipoteza despre raportul Zn 2+ /Cu 2+ ca principal factor cauzal în dezvoltarea bolii coronariene (încetarea locală a fluxului sanguin arterial) s-a dovedit a fi destul de corectă. Aportul divalent de zinc favorizează vindecarea rănilor la pacienții cu deficit de zinc, dar nu ajută dacă există o cantitate adecvată de Zn 2+ în organism. Există destul de mult zinc în carne și pește, astfel încât suplimentele sale nu sunt necesare pentru rezidenții țărilor industriale; în plus, astfel de aditivi pot fi periculoși dacă sunt administrați în cantități care interferează cu absorbția de cupru, fier și alți ioni de metal esențiali.

Consumul de cantități excesive de săruri de zinc poate duce la tulburări intestinale acute, însoțite de greață. Intoxicatia acuta acest element a apărut la consumul de sucuri de fructe acide ambalate în recipiente din oțel galvanizat (zincat). Cazurile de intoxicație cronică cu zinc la oameni sunt în general necunoscute, dar se poate manifesta neclar, neclar. Deci, de exemplu, atunci când zincul și cuprul concurează, un exces de zinc poate provoca o deficiență de cupru dacă acesta din urmă este prezent într-o cantitate minimă. În mod similar, un exces de zinc poate încetini dezvoltarea scheletului la animale dacă Ca și P sunt prezenți în cantități minime. În general, ionul de zinc nu este periculos și, aparent, principala posibilitate de otrăvire prin acesta este prezența articulației cu cadmiu toxic (sub formă de contaminare).

Cadmiu. Destul de rar, cadmiul este prezent în minerale și sol împreună cu zincul într-o cantitate de aproximativ 0,1%. La fel ca zincul, acest element apare numai sub forma ionului divalent Ccl 2+. Ionul de cadmiu este mai mare decât ionul de zinc; este mai aproape ca dimensiune de ionul de calciu, ceea ce îi permite să fie folosit ca așa-numitul test Ca. Dar totuși, în ceea ce privește capacitatea sa de a lega liganzii, cadmiul este mai asemănător cu zincul și, prin urmare, în comparație cu zincul, numărul otrăvirilor a fost observat într-o cantitate mult mai mare. Spre deosebire de ionul Ca 2+, ambii ioni ai acestor metale formează legături puternice cu atomii de azot și sulf donatori ai liganzilor. Un exces de cadmiu perturbă metabolismul metalelor, perturbă acțiunea zincului și a altor enzime metalice, ceea ce poate provoca o redistribuire a zincului în organism. Mecanismul exact al toxicității cadmiului este necunoscut, deși este cu siguranță în mai multe etape.

Spre deosebire de ionul CH 3 Hg +, ionul de cadmiu nu poate traversa cu ușurință bariera placentară, iar acest element este complet absent la nou-născuți. La majoritatea oamenilor, cadmiul se acumulează lent din alimente. Organismul eliberează foarte lent Cd 2+ absorbit, cu un timp de înjumătățire de peste 10 ani. Ca o consecință a acestui fapt - o creștere a conținutului de cadmiu în rinichi în timpul vieții unei persoane de la zero la naștere la aproximativ 20 mg la bătrânețe (pentru nefumători) și până la 40 mg pentru un fumător adult. Majoritatea acestui element este asociat cu metalotioneina, care sunt molecule proteice mici cu substituenți sulfhidril, a căror prezență în lanț este stimulată de cadmiul însuși.

Intoxicația acută cu cadmiu se manifestă sub formă de vărsături, spasm intestinal, dureri de cap; poate veni chiar de la bând apă sau alte lichide, în special acide, care au fost în contact cu compuși care conțin Cd în conductele de apă, mașini sau vase glazurate cu cadmiu. Odată ajuns în organism cu alimente, cadmiul este transportat de sânge către alte organe, unde se leagă de glutation și hemoglobina eritrocitară. Sângele fumătorilor conține de aproximativ șapte ori mai mult cadmiu decât al nefumătorilor. Intoxicația cronică cu cadmiu distruge ficatul și rinichii, ducând la afectarea severă a funcției renale. Din păcate, nu există o terapie specifică pentru otrăvirea cu cadmiu, iar agenții chelatori pot doar redistribui cadmiul către rinichi (ceea ce este și periculos). Aportul abundent de zinc, calciu, fosfați, vitamina D și o dietă cu proteine ​​pot atenua oarecum intoxicația cu cadmiu. O formă deosebit de gravă de otrăvire cu cadmiu a fost descrisă în Japonia ca boala „itai-itai” (echivalentul japonez al „oh-oh”). Denumirea bolii provine de la durerea de spate si picioare care insoteste osteomalacia sau decalcificarea oaselor (de obicei la femeile in varsta), care duce la fragilitate osoasa (se cunoaste un caz cu 72 de fracturi la o singura persoana). S-a observat și o disfuncție renală severă din cauza proteinuriei (apariția proteinelor în urină), continuând chiar și după încetarea contactului cu cadmiul. Această boală duce la moarte.

Mercurul este toxic în oricare dintre formele sale. Eliberarea globală de mercur asociată cu gazele din scoarța terestră și oceane depășește de cel puțin cinci ori cantitatea de mercur produsă de oameni, dar eliberarea sa industrială este mai localizată și mai concentrată. În medie, corpul uman conține 13 mg de mercur, ceea ce nu îi aduce niciun beneficiu. Diverse săruri de mercur au fost utilizate anterior ca agenți terapeutici (de exemplu, benzoatul de mercur a fost folosit pentru a trata sifilisul și gonoreea). Utilizarea reactivilor de mercur ca insecticide și fungicide a dus la otrăviri ușoare și severe care afectează mii de oameni. Prin urmare, otrăvirea cu mercur este o problemă la nivel mondial.

Mercurul poate fi găsit în cele mai comune trei forme și una, mai puțin comună, ca ionul de mercur Hg2 + , care se disproporționează în mercur elementar și mercur divalent:

Pentru această reacție, valoarea constantei de echilibru

indică faptul că reacția se desfășoară de preferință de la dreapta la stânga. Dar, în realitate, reacția se desfășoară de la stânga la dreapta datorită capacității puternice de complexare a ionului Hg 2+ cu mulți liganzi. A treia formă comună de mercur este compusul său organic metilmercur CH 3 Hg + .

Mercurul este un metal lichid la temperatura camerei. Deși punctul său de fierbere este de 357°C, este foarte volatil și, prin urmare, mai periculos decât se crede în mod obișnuit. Un metru cub de aer saturat (la 25°C) conține 20 mg de Hg. Acest element este aproape insolubil în apă; limita de solubilitate 0,28 µM la 25°C - 56 µg/l, i.e. 56 de părți de mercur la un miliard de părți de apă.

Ambii cationi de mercur (Hg 2+ și metilmercur CH 3 Hg +) preferă 2-coordonarea liniară. Ele formează complexe mai puternice (decât majoritatea ionilor metalici) cu liganzi care au un singur atom donor, în special N sau S. Dintre toți ionii metalici luați în considerare în acest capitol, numai mercurul este capabil să înlocuiască hidrogenul în amine (dar nu și în ionul de amoniu). ) în soluții alcaline. ).

Într-adevăr, însuși cuvântul „mercaptan” este derivat din capacitatea puternică a mercurului de a se lega de tioli. În eritrocite, ionii Hg 2+ se leagă de grupări sulfhidril de glutation și hemoglobină în complexe mixte; doar proporția de mercur care este de obicei conținută în corpul uman rămâne în sânge. În ciuda faptului că interacțiunea cu grupările sulfhidril este considerată a fi baza moleculară pentru toxicitatea ionului Hg 2+, rămâne necunoscut care proteine ​​sunt supuse metalării.

Schimbul rapid de Hg 2+ și CH 3 Hg + cu un exces de liganzi donatori, cum ar fi grupările sulfhidril, este de mare importanță în toxicologie. El este cel care determină distribuția rapidă a mercurului peste reziduurile de sulfhidril din țesuturi. În sânge, ionul CH 3 Hg' este distribuit în aceeași proporție în care este reprezentată grupa SH: aproximativ 10% în plasmă și 90% în eritrocite, care au atât grupări hemoglobină, cât și glutation sulfhidril. Pentru a inversa efectele mercurului, BAL (2,3-dimercaptopropanol) este administrat ca antidot pentru otrăvirea cu mercur, care facilitează o distribuție uniformă a mercurului în organism; Se folosește și hemodializa cu agenți chelatori precum cisteina sau L-acetilpenicilamina.

Când sunt inhalați, vaporii de mercur sunt absorbiți activ și acumulați în creier, rinichi și ovare. Mercurul traversează bariera placentară; otrăvirea acută provoacă distrugerea plămânilor. În țesuturile corpului, mercurul elementar este transformat într-un ion, care se combină cu molecule care conțin grupări SH, inclusiv macromolecule de proteine. Intoxicația cronică cu mercur constă într-o perturbare permanentă a funcțiilor sistemului nervos, provoacă oboseală, iar la niveluri mai mari de otrăvire provoacă și un tremur caracteristic cu mercur, când tremurăturile fine sunt întrerupte la fiecare câteva minute printr-o tremurătură vizibilă. Luarea a doar 1 g de sare de mercur este fatală. Sărurile de mercur se acumulează în rinichi, dar nu pot, ca mercurul elementar, să treacă rapid prin sânge sau bariera placentară. Intoxicația acută prin ingestia de mercur precipită proteinele din membranele mucoase ale tractului gastrointestinal, provocând durere, vărsături și diaree. Dacă pacientul supraviețuiește în același timp, atunci organul critic este ficatul. Există o anumită hemoliză a celulelor roșii din sânge. Intoxicația cronică este exprimată prin încălcarea funcției sistemului nervos central; Personajul lui Lewis Carroll din Alice în Țara Minunilor, Crazy Hutter, este un prim exemplu de victimă a unei boli profesionale cauzate de otrăvirea cu sare Hg(N0 3) 2 folosită la prelucrarea blănurilor.

Derivații organici de mercur, cum ar fi clorura de metilmercur CH 3 HgCI sunt foarte toxici datorită volatilității lor. Microorganismele din apa contaminată care conțin mercur transformă ușor compușii anorganici ai mercurului în monometilmercur CH 3 Hg + . Și cea mai mare parte a mercurului din corpul peștilor este în această formă, care poate persista ani de zile. Nivelurile ridicate de CH 3 Hg + nu par a fi la fel de toxice pentru pești precum sunt pentru oameni, la care ionii de CH 3 Hg + sunt absorbiți activ atunci când sunt inhalați sau ingerați, pătrund în eritrocite, ficat și rinichi și se instalează în creier. (inclusiv în creierul fetal), provocând grave disfuncție ireversibilă cumulată a sistemului nervos central. În corpul uman, timpul de înjumătățire al mercurului variază de la câteva luni la câțiva ani. Efectul toxic poate fi latent, iar simptomele otrăvirii pot să nu apară decât după câțiva ani.

Cele mai faimoase două exemple de otrăvire masivă cu mercur au fost cauzate tocmai de CH 3 Hg + . În 1956, boala Minamata a fost descoperită în sudul Japoniei, lângă golful cu acest nume. În 1959, s-a demonstrat că această boală este cauzată de consumul de pește otrăvit cu mercur sub formă de clorură CH 3 HgCl, care este evacuat de o întreprindere chimică direct în apele golfului. Concentrația de mercur a fost atât de mare încât peștii au murit, păsările care au mâncat acest pește au căzut direct în mare, iar pisicile care au gustat din hrana otrăvită s-au mișcat, „întorcându-se și sărind, făcând zig-zag și prăbușindu-se”. Deja în 1954, astfel de „dansuri” au redus considerabil populația de pisici aici. Dar nu au fost efectuate măsurători ale contaminării cu mercur a apelor golfului în această zonă până în 1959. Și numai datorită vechiului obicei japonez de a păstra cordonul ombilical uscat al nou-născuților lor, a devenit posibil să se dovedească că contaminarea golfului cu mercur a început încă din 1947. Dar până în 1968, evacuarea apelor uzate în golf nu a fost suspendată!

Pentru o persoană, boala Minamata, din cauza ingerării de metilmercur, a început cu amorțeală a membrelor și a feței, sensibilitatea pielii afectate și activitatea motrică a mâinilor, de exemplu, atunci când scrie. Mai târziu, a existat o lipsă de coordonare a mișcărilor, slăbiciune, tremur și incertitudine a mersului, precum și tulburări mentale, tulburări de vorbire, auz și vedere. Și în final, paralizia generală, deformarea membrelor, în special a degetelor, dificultăți la înghițire, convulsii și moarte. De asemenea, este tragic faptul că copiii născuți din mame care au fost puțin afectate de această boală, care ar putea să nu fi detectat deloc simptomele acesteia, au murit din cauza paraliziei cerebrale sau au devenit idioți (de obicei, paralizia nervoasă centrală nu este asociată cu o întârziere clară a dezvoltării mentale) . Aparent, CH 3 Hg + din corpul mamei pătrunde prin bariera placentară în corpul foarte sensibil al fătului. Femeile aflate în stadii mai grave ale bolii au devenit incapabile să aibă copii.

Taliu. Absorbția de către organism a compușilor extrem de toxici cu taliu duce la gastroenterită, neuropatie periferică și adesea moartea. Cu acțiune prelungită, cronică a taliului, se observă chelie. Utilizarea TI2SO4 împotriva rozătoarelor a fost suspendată din cauza toxicității sale mari pentru alte animale domestice și sălbatice. Principala formă de taliu din organism este ionul T1 +, deși T1C1 este ușor solubil; taliul în organism există și sub formă de T1 3+. Ionii de taliu nu sunt cu mult mai mari decât potasiul, dar sunt mult mai toxici, iar permeabilitatea prin membranele celulare a taliului este aceeași cu cea a potasiului. Deși ionii T1 + și K + au dimensiuni apropiate, primii sunt de aproape patru ori mai polarizabili și formează complexe puternice. Deci, de exemplu, dă complexe insolubile cu riboflavină și, prin urmare, poate perturba metabolismul sulfului.

Plumbul este cunoscut de aproape cinci mii de ani, iar oamenii de știință greci și arabi știau deja despre toxicitatea acestuia. Nivel inalt Otrăvirea cu plumb a fost remarcată printre romani, deoarece depozitau vinul și găteau mâncarea în ustensile de plumb. Goya, ca și alți artiști, a suferit din cauza inhalării și a contactului accidental cu vopselele cu plumb. În zilele noastre, nivelurile ridicate de plumb reprezintă un pericol pentru copiii din mediul urban datorită faptului că aceștia vin adesea în contact cu obiecte vopsite cu coloranți de plumb, se joacă cu bateriile uzate și fac lucruri din coli de reviste (coloranții de imprimare color conțin 0,4% Pb). Și mai ales, pentru că respiră aer poluat de gazele de eșapament ale mașinilor care conțin produse de combustie de tetraetil plumb Pb (C 2 H 5) 4, care se adaugă la benzină pentru a crește cifra octanica combustibil.

Principala sursă de poluare cu plumb este alimentele. Din fericire, absorbția plumbului ingerat este scăzută datorită formării de fosfat insolubil Pb 3 (P0 4) 2 și carbonat bazic Pb 3 (CO 3) 2 (0H) 2 . Plumbul absorbit se acumulează în oase, de unde este apoi eliberat din cauza osteoporozei, provocând toxicitate „întârziată”. Astăzi, în medie, un gel uman conține aproximativ 120 mg de plumb, adică. de zece ori mai mult decât în ​​mumiile egiptene. În absența ionilor care cauzează precipitații, la pH = 7 plumb este prezent sub forma ionului Pb 2+. Conform acordurilor internaționale, concentrația de plumb în apa potabilă nu trebuie să depășească 50 µg/l. Intoxicația acută cu plumb are ca rezultat pierderea poftei de mâncare și vărsături; intoxicația cronică duce treptat la tulburări ale activității rinichilor, la anemie.

întrebări de testare

• 1. Care este obiectul și subiectul studiului chimiei bioanorganice a ionilor metalici?
• 2. Enumerați ionii metalelor alcaline (litiu, sodiu, potasiu, rubidiu, cesiu). Care sunt principalele lor date ecologice și fiziologice?
• 3. Enumerați ionii metalelor alcalino-pământoase (magneziu, calciu, bariu, stronțiu, beriliu, lantanide). Care sunt principalele lor date ecologice și fiziologice?
• 4. Explicați efectele plumbului asupra corpului uman. Ce măsuri pot fi propuse pentru a proteja sănătatea umană de plumb?
• 5. Cum intră cadmiul, mercurul, arsenul în corpul uman; care este impactul lor?
• 6. De ce este necesar aportul de seleniu pentru un organism viu?
• 7. Definiți chimia bioanorganică și indicați locul acesteia printre alte științe ale mediului.
• 8. Definiți termenii „component contaminant” și „xenobiotic”. Numiți xenobioticele tipice incluse în grupul metalelor grele.
• 9. De ce medicii din Moscova și regiunea Moscovei recomandă elevilor și școlarilor consumul regulat de produse care conțin iod?
• 10. Numiți principalele căi de migrare a atomilor de metale grele din atmosferă și hidrosferă.
• 11. Descrieți diferitele forme de migrare în ceea ce privește biodisponibilitatea atomilor de metale grele.
• 12. Numiți principalele procese chimice care determină formele de prezență a atomilor de metale grele în mediul acvatic. Care este principala diferență dintre geochimia atomilor de metale grele din apele de suprafață ale continentelor și din apele mării?
• 13. Cum afectează prezența compușilor humici în apă biodisponibilitatea atomilor de metale grele? Numiți mecanismele biochimice care protejează organismele vii (plante și animale) de efectele toxice ale atomilor de metale grele.
• 14. Definiți metalele grele. Care este rolul lor în biosferă?
• 15. Descrieți ciclurile cromului și mercurului.
• 16. Care sunt modelele de distribuție a elementelor chimice în biosferă?
• 17. Care sunt consecințele asupra mediului ale poluării industriale a biosferei.
• 18. Definiți concentrațiile (cantitățile) maxime admise.
• 19. Cum se determină potrivirea apei pentru utilizare în diverse scopuri?
• 20. Dați valorile MPC pentru contaminanții din produsele alimentare.

Conceptul de metale ale vieții. sodiu și potasiu. Structura atomilor și caracteristicile de hidratare a cationilor, care determină conținutul acestora în mediul extracelular și intracelular.

Metalele Vieții- zece elemente: K, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo. Ponderea lor în organism este de 2,4%. Toate metalele vieții din organism sunt fie sub formă de cationi liberi, fie sunt ioni - agenți de complexare asociați cu bioliganzi. Ele iau un rol activ în metabolism.

sodiu și potasiu sunt elemente ale grupului IA. Atomii elementelor acestui grup au un electron în stratul exterior la subnivelul s, pe care au tendința de a-l dona în compuși unui partener, formând monocationi simetrice stabile cu configurația electronică a celui mai apropiat gaz nobil.

Datorită stabilității structurii electronice și densității scăzute a sarcinii pozitive de pe suprafața cationilor Na + și K +, locuitorii lor atomici liberi de la nivelul exterior nu pot interacționa eficient cu perechile singure de electroni ale celor mai apropiate molecule de apă. , datorită cărora sunt reținute în învelișul de hidratare al cationului doar electrostatic. Prin urmare, cationii de sodiu și potasiu nu suferă hidroliză în mediu apos și practic nu prezintă tendință de formare a complexului.

Principala diferență în proprietățile cationilor de sodiu și potasiu se datorează diferenței de densitate a sarcinii pozitive de pe suprafața lor: cationul Na + are unul mai mare, astfel încât câmpul său electrostatic reține mai puternic moleculele de apă. Ca rezultat, cationul de sodiu este caracterizat de hidratare pozitivă, în timp ce cationul de potasiu este caracterizat de hidratare negativă. Acest lucru, potrivit lui Slesarev Valery Ivanovich, poate explica de ce cationii Na + și K + din sistemele vii sunt antagoniști și de ce cationii de potasiu sunt preponderent o componentă a intracelulare, iar cationii de sodiu - fluide intercelulare.

Concentrația de ioni K + în interiorul celulei este de aproximativ 35 de ori mai mare. Decat in afara acestuia, iar concentratia ionilor de Na + in lichidul extracelular este de 15 ori mai mare decat in interiorul celulei. Pentru implementarea multor procese biologice importante, este necesar să se mențină în mod constant o astfel de distribuție neuniformă a acestor ioni, care necesită energie, deoarece transferul ionilor prin membrană trebuie să aibă loc în raport cu gradientul concentrațiilor lor. Acest lucru se realizează cu ajutorul unei pompe de potasiu-sodiu, care, datorită energiei de hidroliză a unei molecule de ATP, elimină trei cationi Na + din celulă și trimite doi cationi K + în celulă. Datorită dezechilibrului sarcinilor electrice transferate, suprafața interioară a membranei este încărcată negativ, iar cea exterioară este încărcată pozitiv.

O concentrație mare intracelulară de ioni de K asigură în primul rând presiunea osmotică în interiorul celulei, activarea sistemelor enzimatice pentru sinteza proteinelor pe ribozomi și oxidarea carbohidraților. În eritrocite, ionii K participă la activitatea sistemelor tampon de hemoglobină și oxihemoglobină și activează astfel enzima anhidrază carbonică a monoxidului de carbon.

Ioni K+ și Na+ Activati adenozin trifosfataza (ATP - aza) a membranelor celulare, care furnizează energie pentru pompa de potasiu-sodiu. Acești ioni au un impact semnificativ asupra activității sistemului nervos central (SNC). Un exces de ioni de Na + în celulele cortexului cerebral provoacă depresie, adică. inhibarea activității sistemului nervos central. Un exces de cationi K în aceste celule, dimpotrivă, excită sistemul nervos central, provocând o stare maniacale.

Manual: 338–341.

Magneziul și calciul, structura atomilor și caracteristicile de hidratare a ionilor lor. Formele de existență, localizarea și rolul cationilor de magneziu și calciu în organism. Reacția de formare și distrugere a țesutului osos și funcțiile acestuia.

Corpul unui adult conține aproximativ 20 g de cationi de magneziu și 1000 g de calciu. Jumătate din cationii de magneziu și aproape 99% din calciu se află în țesutul osos, restul se află în țesuturile moi. Necesarul zilnic de cationi de magneziu este de aproximativ 0,3 g, calciu - 1 g, iar la femei în timpul sarcinii necesarul de cationi de calciu crește de 3-4 ori.

Magneziu și calciu - elemente ale grupului IIA sistem periodic. Atomii elementelor acestui grup au doi electroni în stratul exterior la subnivelul s (12 Mg: 3s 2; 20 Ca: 4s 2), care tind să cedeze în compuși partenerului.

Diferența în proprietățile cationilor de magneziu și calciu într-un mediu apos este asociată cu o diferență în densitatea sarcinii pozitive pe suprafața lor. Deoarece cationul Mg 2+ are o rază mai mică decât Ca 2+ (66 și respectiv 99), se hidratează mai bine și, în plus, orbitalii atomici liberi de la nivelul exterior, inclusiv orbitalii 3d, sunt capabili să interacționeze cu perechile singure. de electroni ai moleculelor de apă, formând acvacomplexuri 2+ destul de stabile.

Cationul de magneziu este capabil să formeze legături covalente în comparație cu cationul de calciu. În acest sens, cationii de magneziu, spre deosebire de cationii de calciu, sunt capabili de hidroliză:

Mg2+ +H2O⇌ Mg (OH) + + H +

Masa principală de cationi de magneziu, care se află în afara oaselor, este concentrată în interiorul celulelor. Ionii de magneziu joacă un rol important în menținerea presiunii osmotice în interiorul celulelor. Cea mai mare parte a magneziului din sânge este conținută în formă ionizată, adică. sub forma unui ion acvatic (55-60%), aproximativ 30% este asociat cu proteine, iar 10-15% face parte din compuși complecși cu fosfolipide și nucleotide.

Cationii de magneziu sunt unul dintre principalii activatori ai proceselor enzimatice datorită formării complexelor. Deci, ele activează enzimele fosforilării oxidative, replicării ADN-ului și mineralizării osoase.

Spre deosebire de ionii de magneziu, cationii de calciu sunt concentrați predominant în fluidele intercelulare. Metabolismul calciului este controlat de hormonii paratiroidieni și tiroidieni, precum și de vitamina D.

Principala componentă minerală a țesutului osos este hidrogenofosfatul de calciu.

Ca5(P04)3OH (hidroxiapatită). țesutul osos menține concentrația ionilor de Ca 2+ din fluidele biologice la un anumit nivel, deci poate fi considerat ca un tampon de calciu al organismului.

țesut osos compact (materie compactă) - unul dintre cele două tipuri de țesut osos care formează osul. Oferă funcții de susținere, de protecție a osului, servește ca depozit de elemente chimice.

O substanță compactă formează stratul cortical al majorității oaselor. Este mult mai dens, mai greu și mai puternic decât substanța spongioasă. Țesutul osos compact reprezintă aproximativ 80% din greutatea totală a scheletului uman. Unitatea structurală și funcțională primară a substanței compacte este osteonul.

Manual: 341 – 344.

Fier și cobalt, structură atomică și stări de oxidare caracteristice. Acid - proprietăți bazice, redox și complexante ale compușilor acestor metale. Rolul compușilor acestor metale într-un organism viu.

Corpul uman conține aproximativ 5 g de fier și 1,2 mg de cobalt. Majoritatea fierului (70%) este concentrat în hemoglobina sângelui; 14% din cobalt se găsește în oase, 43% în mușchi, iar restul în țesuturile moi. Aportul zilnic de fier este de 10-20 mg, iar cobaltul este de 0,3 mg.

fier și cobalt- elemente ale perioadei a IV-a din grupa VIIIB a sistemului periodic cu configuraţii electronice 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

Cele mai caracteristice stări de oxidare pentru fier și cobalt +2 și +3.

În soluții apoase, cationii Fe2+,Fe3+,Co2+ și Co3+ sunt hidratați pentru a forma complexe acvatice cu șase coordonate.

Fe 2+ este un agent reducător puternic capabil să oxideze chiar și oxigenul atmosferic.

Co 3+ este un agent oxidant atât de puternic încât oxidează chiar și apa:

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

Oxizii și hidroxizii de fier și cobalt, indiferent de gradul de oxidare, prezintă proprietăți amfotere slabe cu predominanța proprietăților bazice, mai ales în cazul stării bivalente, când interacțiunea se desfășoară numai cu soluții concentrate de alcaline și la încălzire.

Cationii de fier și cobalt sunt foarte predispuși la formarea complexă. Pentru ei este cel mai probabil număr de coordonareşase:

formare complexă Cationii de fier și cobalt afectează puternic, dar diferit, proprietățile lor redox, în funcție de raportul de stabilitate al complexelor de forme oxidate și reduse cu aceiași liganzi.

complexare Co 3+ cu liganzi mai activi decât moleculele de apă îl face stabil în soluții apoase.

Cobalt, unul dintre oligoelementele vitale pentru organism. Face parte din vitamina B 12 (cobalamina). Cobaltul este implicat în hematopoieza, funcțiile sistemului nervos și ficatului, reacții enzimatice. Corpul uman conține 0,2 mg de cobalt pentru fiecare kilogram de greutate umană. În absența cobaltului se dezvoltă acobaltoza.

în organismele vii fier este un oligoelement important care catalizează procesele de schimb de oxigen (respirație). În mod normal, fierul intră în enzime sub forma unui complex numit hem. În special, acest complex este prezent în hemoglobină, cea mai importantă proteină care asigură transportul oxigenului cu sânge către toate organele oamenilor și animalelor. Și el este cel care colorează sângele într-o culoare roșie caracteristică.

Există grup mare, aproximativ 50 de feluri, enzime care conțin fier - citocromi, care catalizează procesul de transfer de electroni în lanțul respirator prin modificarea stării de oxidare a fierului Fe 3+ + e -   Fe 2+

Manual: 349 – 352.

Peste 25% din toate enzimele conțin ioni de metal puternic legați sau sunt active numai în prezența lor. Pentru a studia funcțiile ionilor metalici se folosesc metodele de cristalografie cu raze X, rezonanță magnetică nucleară (RMN) și rezonanță paramagnetică electronică (EPR). Combinat cu informații despre formare și dezintegrare

Enzime metalice și enzime activate de metal

Metaloenzimele conțin o anumită cantitate de ioni metalici care au o semnificație funcțională și rămân asociate cu molecula de enzimă în timpul purificării acesteia. Enzimele activate de metale leagă pe acestea din urmă mai puțin puternic, dar pentru activitatea lor necesită adăugarea de metale în mediu. Astfel, distincția dintre metaloenzime și enzimele activate de metal se bazează pe afinitatea unei enzime date pentru „propriul” ion metalic. Mecanismele bazate pe participarea ionilor metalici la cataliză sunt aparent similare în ambele cazuri.

Complexe triple enzimă-metal-substrat

Pentru complexele ternare (cu trei componente), inclusiv un centru catalitic, un ion metalic (M) și un substrat (S) cu o stoichiometrie 1:1:1, sunt posibile patru scheme diferite de formare:

În cazul enzimelor activate de metale se realizează toate cele patru scheme. Pentru metaloenzime, formarea unui complex este imposibilă, altfel nu ar putea reține metalul în timpul procesului de purificare (sunt sub formă). Pot fi formulate trei reguli generale.

1. Majoritatea (dar nu toate) kinazele (-transferazele) formează complexe cu un substrat de punte, cum ar fi nucleozidul-M.

2. Fosfotransferazele folosind piruvatul sau fosfoenolpiruvatul ca substrat, alte enzime care catalizează reacțiile care implică fosfoenolpiruvatul, precum și carboxilaza formează complexe cu metalul punte.

3. O enzimă dată poate fi capabilă să formeze un tip de complex de legătură cu un substrat și un alt tip cu altul.

Complexe de enzime cu punte (M-Enz-S)

Metalele din complexele cu o enzimă de punte par să joace un rol structural, menținând o conformație activă (glutamin sintaza este un exemplu), sau formează o punte cu un alt substrat (ca în piruvat kinaza). În piruvat kinaza, ionul metalic joacă nu numai un rol structural, ci reține și unul dintre substraturi (ATP) și îl activează:

Complexe de substrat cu punte

Formarea de complexe triple cu un substrat de punte, care se observă în timpul interacțiunii enzimelor cu trifosfații nucleozidici, este aparent asociată cu deplasarea metalului din sfera de coordonare, care este înlocuită cu ATP.

Substratul se leagă apoi de enzimă, formând un complex triplu:

În reacțiile de fosfotransferază, se crede că ionii metalici activează atomii de fosfor și formează un complex rigid polifosfat-adenină în conformația corespunzătoare, care este inclus în complexul activ cu patru componente.

Complexe metalice de punte

Datele cristalografice, precum și analiza structurii primare, arată că un reziduu de histidină este implicat în legarea metalelor în centrii activi ai multor proteine ​​(exemple sunt carboxipeptidaza A, citocromul c, rubredoxina, metmioglobina și methemoglobina; vezi capitolul 6). Etapa limitativă în formarea complexelor Enz-M binare (bicomponente) în multe cazuri este deplasarea apei din sfera de coordonare a ionului metalic. Activarea multor peptidaze de către ionii metalici este un proces lent care durează câteva ore. Această reacție lentă

cel mai probabil, constă într-o rearanjare conformațională a complexului binar Enz-M, conducând la formarea unei conformații active. Acest proces poate fi reprezentat astfel:

Rearanjare cu formarea unei conformații active (Enz:

În cazul metaloenzimelor, formarea unui complex ternar cu un metal de punte ar trebui să aibă loc prin adăugarea unui substrat la un complex binar:

Rolul metalelor în cataliză

Ionii metalici pot participa la fiecare dintre cele patru tipuri cunoscute de mecanisme prin care enzimele accelerează reacțiile chimice: 1) cataliza generală acido-bazică; 2) cataliză covalentă; 3) convergența reactanților; 4) inducerea stresului în enzimă sau substrat. Pe lângă ionii de fier, care funcționează în proteinele care conțin hem, ei sunt cel mai adesea implicați în cataliza enzimatică, deși alți ioni (de exemplu) joacă, de asemenea, un rol important în activitatea unor enzime.

Ionii metalici, ca și protonii, sunt acizi Lewis (electrofili) și pot forma o legătură cu liganzii lor printr-o pereche de electroni comună. Ionii metalici pot fi considerați și „superacizi” deoarece sunt stabili în soluție neutră, poartă adesea o sarcină pozitivă (> ​​1) și sunt capabili să formeze legături. În plus (spre deosebire de protoni), metalele pot servi ca o matrice tridimensională orientând principalele grupuri ale unei enzime sau substrat.

Ionii metalici pot funcționa ca acceptori de electroni pentru a forma legături sau, activând electrofili sau nucleofili (cataliza generală acido-bazică). Metalele pot activa nucleofilii donând electroni sau pot acționa ca nucleofili înșiși.

Tabelul 9.1. Exemple care ilustrează rolul ionilor metalici în mecanismul de acțiune a enzimelor

Sfera de coordonare a metalului poate asigura contactul între enzimă și substrat (apropiere) sau, prin formarea de chelați, poate pune enzima sau substratul într-o stare tensionată. Ionul metalic poate masca nucleofilul, prevenind reacțiile secundare. În sfârșit, este posibil controlul stereochimic al cursului unei reacții enzimatice, care este asigurat de capacitatea sferei de coordonare a metalului de a juca rolul unei matrice tridimensionale care ține grupurile de reacție în orientarea spațială dorită (Tabelul 9.1).

LITERATURĂ

Crane F. Hidrochinona dehidrogenaze, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 439.

Fersht A. Enzyme Structure and Mechanism, Ed. a 2-a, Freeman, 1985.

Kraut J. Serine proteazele: Structura și mecanismul de cataliză, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 331.

Mildvan A. S. Mecanismul de acțiune a enzimelor, Annu. Rev. Biochem., 1974, 43, 357.

Purich D.L. (ed.) Cinetica și mecanismele enzimelor. Părțile A și B. În: Methods in Enzymology, Voi. 63, 1979; Vol. 64, 1980, Presa Academică.

Wimmer M.J., Rose I. A. Mecanismele reacțiilor de transfer de grup catalizate de enzime, Annu. Rev. Biochem., 1978, 47, 1031.

Wood H.G., Barden R.E. Enzime de biotină, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 385.

1

A fost studiat efectul ionilor de metale grele (Pb2+, Co2+, Zn2+) asupra rezistenței membranei eritrocitelor din sânge ale unei persoane sănătoase și a diverșilor pacienți. S-a stabilit că ionii de metale grele duc la o scădere a stabilității membranei eritrocitelor din sânge. Scăderea rezistenței eritrocitelor depinde de concentrația și durata expunerii la ionii metalici: cu cât concentrația și timpul de expunere sunt mai mari, cu atât densitatea eritrocitelor scade mai mult. La examinarea bolilor (pneumonie acută, tumoră tiroidiană, diabet zaharat), există o scădere a rezistenței eritrocitelor din sângele pacienților la hemoliza acidă. Rata hemolizei acide scade în eritrocitele din sângele pacientului în comparație cu eritrocitele din sângele unei persoane sănătoase, în funcție de natura bolii. Datele obținute ne permit să considerăm că modificarea compoziției fizico-chimice a eritrocitelor, care se manifestă prin inconsecvența rezistenței acestora, este o consecință a deteriorării membranei eritrocitelor atunci când sunt expuse la ioni de metale grele.

eritrocite

ioni de metale grele

1. Big D.V. Studiul distribuției metalelor între diferitele fracții ale sângelui în timpul expunerii la Zn, Cd, Mn și Pb in vitro // Probleme actuale ale medicinei de transport. - 2009. - V.18, nr 4. – S. 71–75.

2. Gitelzon M.I. Eritrogramele ca metodă de analiză clinică a sângelui / M.I. Gitelzon, I.A. Terskov. - Krasnoyarsk: Editura Filialei Siberiei a Academiei de Științe a URSS, 1954. - 246 p.

3. Novitsky VV, Tulburările moleculare ale membranei eritrocitare în patologii de geneză diferită sunt o reacție tipică a contururilor corpului problemei / aspirație // Buletinul de Medicină Siberiană. - 2006. - V.5, nr 2. – P. 62–69.

4. Okhrimenko S.M. Efectul triptofanului asupra unor indicatori ai metabolismului azotului la șobolani sub stres oxidativ cauzat de sărurile irtut de cobalt // Buletinul Universității Dnepropetrovsk. Biologie, Ecologie. - 2006. - V.2, Nr. 4 - S. 134-138.

5. Trusevici M.O. Studiul hemolizei eritrocitelor sub influența metalelor grele. Ecologia umană și probleme mediu inconjuratorîn perioada post-Cernobîl // materiale ale republicii. științific conferințe. - Minsk, 2009. - P. 50.

6. Tugarev A.A. Influența cadmiului asupra caracteristicilor morfofuncționale ale eritrocitelor: autor. dis. ... dr. biol. Științe. - M., 2003. - 28 p.

7. Davidson T., Ke Q., Costa M. Transport of Toxic Metals by Molecular/Ionic Mimicry of Essential Compounds. – În: Manual de toxicologie a metalelor / ed. De G.F. Nordberg și alții. – ed. 3d. – Acad. Presa. – Londra/New York/Tokyo, 2007. – pp. 79–84

Recent mare atentie este dedicat studiului influenței ionilor de metale grele asupra stabilității eritrocitelor umane.

Ținta principală a toxicității metalelor grele este membrana biologică.

Eritrocitul este un model universal pentru studierea proceselor care au loc în membrana celulară sub acțiunea diferiților agenți. Un studiu detaliat al modificărilor parametrilor morfofuncționali ai eritrocitelor sub influența diverșilor stimuli chimici pe care îi întâlnește o persoană în procesul de relații naturale cu natura face posibilă stabilirea mai completă a posibilelor consecințe și determinarea celor mai eficiente modalități de corectare a acestora. influența factorilor de mediu și chimici de mediu. Efectul toxic al diverșilor compuși ai metalelor grele se datorează în principal interacțiunii cu proteinele corpului, de aceea se numesc otrăvuri proteice. Un astfel de metal este cadmiul.

A.A. Tugarev a propus un set de criterii informative pentru evaluarea efectului toxic al ionilor de cadmiu asupra parametrilor morfofuncționali ai eritrocitelor din sângele periferic uman și animal.

D.V. Large a studiat distribuția metalelor între diferitele fracții de sânge în timpul expunerii la Zn, Cd, Mn, Pb in vitro. Autorul a confirmat datele din literatură privind legarea primară predominantă a metalelor din sânge la albumină. După capacitatea de penetrare, metalele studiate au fost distribuite Cd > Mn > Pb > Zn.

Învelișul exterior al celulelor sanguine este bogat în grupe funcționale capabile să lege ionii metalici.

Rolul biologic al legării secundare a metalelor este foarte divers și depinde atât de natura metalului, cât și de concentrația și timpul de expunere a acestuia.

În lucrările lui S.M. Okhrimenko a arătat o creștere a gradului de hemoliză a eritrocitelor după administrarea sărurilor de CaCl și HgCl2 la animale.

Ionii de cobalt sunt capabili să inițieze direct peroxidarea lipidelor (LPO), să înlocuiască fierul din hem și hemoproteine, în timp ce mecanismul de acțiune al mercurului este de a lega grupele SH ale tiolilor proteici și neproteici. Triptofanul pre-administrat limitează parțial creșterea hemolizei spontane a eritrocitelor cauzată de introducerea clorurii de cobalt. Absența unui astfel de efect în cazul introducerii clorurii de mercur în organism indică prezența unui alt mecanism, aparent asociat cu afinitatea ridicată a ionilor de mercur pentru grupele tio de proteine ​​membranare.

M.O. Trusevich a studiat efectul metalelor grele (cloruri de Co, Mn, Ni, Zn) la concentrații finale de la 0,008 la 1 mM. Pe baza rezultatelor obținute, autorii au concluzionat că toate metalele grele în concentrații de peste 0,008 mM au un efect toxic asupra rezistenței membranei eritrocitare, excluzând concentrațiile de 0,04 mM. Pentru clorura de Zn, s-a observat o scădere a nivelului de hemoliză a eritrocitelor la o concentrație de 0,04 mm.

Materiale și metode de cercetare

În această lucrare, am studiat efectul metalelor grele (Pb2+, Co2+, Zn2+) asupra stabilității membranei eritrocitelor din sânge la o persoană sănătoasă și la diverși pacienți (diabet zaharat, tumoră tiroidiană, pneumonie acută).

Pentru experimente s-a folosit sânge prelevat de la un deget. S-au colectat 20 mm3 de sânge în 2 ml de ser fiziologic.

Eritrograma a fost construită după metoda eritrogramelor acide propusă de Gitelson și Terskov.

Pentru a monitoriza cinetica hemolizei, a fost folosit un colorimetru fotoelectric KFK-2. Concentrația de eritrocite a fost luată ca standard, a cărei densitate optică în aceste condiții a fost de 0,700.

Rezultatele cercetării
si discutia lor

Soluții de metale grele (cloruri de Pb, Co, Zn) au fost adăugate la suspensia de eritrocite la concentrații finale de la 10–5 până la 10–3 M. Probele rezultate au fost incubate timp de 10–60 de minute. Apoi a fost determinată densitatea optică a eritrocitelor în funcție de concentrația și timpul de expunere la ionii de metale grele. În plus, a fost studiată cinetica hemolizei acide a eritrocitelor din sângele unei persoane sănătoase și din sângele pacienților, în funcție de concentrația ionilor de metale grele. Se știe că, în funcție de vârsta unei persoane, rezistența membranei celulelor roșii din sânge se modifică. În acest sens, s-a luat în considerare vârsta la prelevarea sângelui.

S-a stabilit că ionii de metale grele utilizați afectează rezistența membranei eritrocitelor, ceea ce se exprimă într-o modificare a densității acestora din urmă. De exemplu, densitatea unei suspensii de eritrocite expuse ionilor de Pb2+ la o concentrație de 10-3 M timp de 60 de minute scade cu 90%, iar sub influența ionilor de Co2+ și respectiv Zn2+ cu 70, respectiv 60% (timp de acțiune). 60 minute, concentrație 10-3 M), în timp ce densitatea suspensiei de eritrocite netratate cu ioni nu se modifică.

Astfel, s-a constatat că densitatea suspensiei de eritrocite variază în funcție de concentrația și durata expunerii la ionii de metale grele - cu cât concentrația și timpul de expunere sunt mai mari, cu atât scăderea densității eritrocitelor este mai mare.

Dintr-o eritrogramă care caracterizează hemoliza acidă a eritrocitelor la o persoană sănătoasă, se poate observa că la debutul hemolizei la al 2-lea minut, durata hemolizei a fost de 8 minute, maxim 6 minute. Viteza hemolizei acide a sângelui se modifică sub acțiunea ionilor de metale grele. Deci, dacă comparăm eritrogramele probelor de sânge care au fost expuse la ioni de Pb2+ (concentrație 10-3 M, timp de expunere 30 minute), atunci putem observa că hemoliza durează în medie 4 minute, iar distribuția maximă a eritrocitelor este de 2 minute. ; comparativ cu ionii Pb2+ și Co2+, ionii Zn2+ au un efect slab, iar hemoliza acidă durează 6,5 minute, maxim 4 minute (Fig. 1, 2).

Lucrarea prezentată a studiat și cinetica hemolizei acide a eritrocitelor la pacienții cu Diabet, tumora tiroidiană și pneumonie acută. După cum se poate observa din datele obținute, în sângele pacienților cu pneumonie și tumori tiroidiene se constată o acumulare în grupul eritrocitelor cu rezistență scăzută, rezistență medie și o scădere a numărului de eritrocite cu rezistență mare. Și la pacienții cu diabet zaharat, eritrograma sângelui din partea dreaptă este crescută. Aceasta indică o creștere a nivelului de eritropoieză din sânge.

Efectul ionilor de metale grele utilizați în muncă asupra eritrocitelor din sângele pacienților este diferit (Fig. 3, 4, 5). De exemplu, ionii de Zn2+ au un efect puternic asupra eritrocitelor unui pacient cu pneumonie acută și o tumoare a glandei tiroide în comparație cu eritrocitele unei persoane sănătoase. Datele noastre au fost confirmate de rezultatele studiilor efectuate la pacienți cu tumori maligne de diferite localizări, unde au fost relevate încălcări pronunțate ale compoziției proteinelor (o scădere a conținutului de polipeptide cu greutate moleculară mare cu o creștere simultană a proporției cu greutate moleculară mică. proteine), și s-a demonstrat, de asemenea, că ionii de Zn2+ se leagă în principal la proteinele cu greutate moleculară mică. Sub influența ionilor Pb2+ asupra eritrocitelor pacienților, se observă o deplasare a întregii eritrograme spre stânga, prin urmare, întreaga masă de eritrocite își pierde stabilitatea.

Orez. 1. Eritrograma de sânge a unei persoane sănătoase după expunerea la ioni de Co2+:
Timp de expunere 30 min P< 0,5

Orez. 2. Eritrograma sângelui unei persoane sănătoase după expunerea la ionii de Zn2+:
1 - control; 2 - 10-5M; 3 - 10-4 M; 4 - 10-3M.
Timp de expunere 30 min P< 0,5

Datele obținute ne permit să considerăm că modificarea compoziției fizico-chimice a eritrocitelor, care se manifestă prin variabilitatea rezistenței acestora, este o consecință a leziunii membranei eritrocitelor atunci când sunt expuse la ioni de metale grele. Efectul ionilor de metale grele (Pb2+, Co2+, Zn2+) depinde de concentrație, de durata expunerii acestora și de starea anterioară a sănătății umane.

Orez. 3. Eritrograma sanguină a pacienților cu pneumonie după expunerea la ioni de metale grele:
1 - sângele pacienților cu pneumonie; 2 - Co2+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M); 4 - Pb2+(10-5 M).
Timp de expunere 30 min P< 0,3

Orez. 4. Eritrograma sanguină a pacienţilor cu tumoră tiroidiană
după expunerea la ioni de metale grele:
1 - sângele pacienților cu o tumoare a glandei tiroide; 2 - Co2+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M); 4 - Pb2+ (10-5 M). Timp de expunere 30 min P< 0,4

Orez. 5. Eritrograma sanguină a pacienților diabetici după expunerea la ioni de metale grele:
1 - sângele pacienților cu diabet; 2 - Zn2+ (10-5 M); 3 - Co2+ (10-4 M); 4 - Pb2+(10-3 M).
Timp de expunere 30 min P< 0,3

Recenzători:

Khalilov R.I.Kh., doctor în științe fizice și matematice, cercetător principal al Laboratorului de Radioecologie al Institutului de Probleme de Radiații al Academiei Naționale de Științe a Azerbaidjanului, Baku;

Huseynov T.M., doctor în științe biologice, șef al Laboratorului de biofizică ecologică al Institutului de fizică al Academiei Naționale de Științe a Azerbaidjanului, Baku.

Lucrarea a fost primită de redactori pe 17 septembrie 2012.

Link bibliografic

Kocharli N.K., Gummatova S.T., Abdullaev Kh.D., Zeynalova N.M. INFLUENȚA IONILOR DE METAL GRE ASUPRA STABILITĂȚII MEMBRANE A ERITROCITELOR ÎN NORMA ȘI ÎN DIVERSE PATOLOGII ALE ORGANISMULUI // Cercetare de baza. - 2012. - Nr. 11-2. – S. 299-303;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30524 (data accesului: 17/12/2019). Vă aducem la cunoștință jurnale publicate de editura „Academia de Istorie Naturală”

Anul emiterii: 1993

Gen: Toxicologie

Format: DjVu

Calitate: Pagini scanate

Descriere: Importanța ionilor metalici pentru funcțiile vitale ale unui organism viu - pentru sănătatea și bunăstarea acestuia - devine din ce în ce mai evidentă. De aceea, chimia bioanorganică, respinsă ca domeniu independent atât de mult timp, se dezvoltă acum într-un ritm rapid. Centrele de cercetare organizate și creative sunt angajate în sinteza, determinarea stabilității și constantelor de formare, structura, reactivitatea compușilor biologic activi care conțin metale cu greutate moleculară mică și mare. Investigând metabolismul și transportul ionilor metalici și al complecșilor acestora, ei proiectează și testează noi modele de structuri naturale complexe și procese care au loc cu aceștia. Și, desigur, atenția principală este acordată relației dintre chimia ionilor metalici și rolul lor vital.
Nu există nicio îndoială că suntem la începutul călătoriei noastre. Tocmai cu scopul de a lega chimia coordonării și biochimia în sensul cel mai larg al acestor cuvinte a fost concepută seria „Ionii metalici în sistemele biologice”, care acoperă un domeniu larg al chimiei bioanorganice. Așadar, sperăm că seria noastră va ajuta la spargerea barierelor dintre domeniile istoric stabilite ale chimiei, biochimiei, biologiei, medicinei și fizicii; ne așteptăm să se facă un număr mare de descoperiri remarcabile în domeniile interdisciplinare ale științei.
Dacă cartea „Unele probleme în toxicitatea ionilor metalici” se dovedește a fi un stimulent pentru o nouă activitate în acest domeniu, ea va servi unei cauze bune, precum și va oferi satisfacție pentru munca depusă de autorii săi.

„Unele probleme de toxicitate a ionilor metalici”

G. Sposito. Distribuția urmelor de metal potențial periculoase

1. Urme de metal potențial periculoase
2. Toxicitatea ionilor metalici și structura atomică

Distribuția urmelor de metale în atmosferă, hidrosferă și litosferă

1. Concentrația atmosferică
2. Concentrația în hidrosferă
3. Concentrația în litosferă

Îmbogățirea metalelor și transferul metalelor

1. Factori de îmbogățire a metalelor
2. Rata de transfer de metal

R. Martin. Chimia bioanorganică a ionilor metalici toxici
Necesitatea și toxicitatea ionilor metalici
Proprietățile ionilor metalici

1. Raze ionice
2. Seria de stabilitate
3. Comparația stabilității compușilor metalici
4. Hidroliza ionilor metalici
5. Acizi și baze tari și moi
6. Dependența stabilității de pH
7. Locuri preferate de legare a ionilor metalici
8. Cursurile de schimb ale ligandului

Prezentare generală a ionilor metalici

1. Ioni de metale alcaline
2. Litiu
3. Magneziu
4. Calciu
5. bariu și stronțiu
6. Beriliu
7. Lantanide
8. Aluminiu
9. Molibden
10. Mangan
11. Fier
12. Cobalt
13. Nichel
14. Cadmiu
15. Mercur
16. Taliu
17. Conduce

Modalități de expunere a metalelor la corp
E. Eichenberger. Relația dintre nevoia și toxicitatea metalelor în ecosistemele acvatice
Metalele necesare

1. Cerințe pentru metalele necesare
2. Lipsa metalelor din mediul natural

Recepția și asimilarea metalelor

1. Recepția metalelor
2. Rolul alimentelor și apei potabile pentru aportul de metale
3. Rolul agenților chelatori eliberați de organismele acvatice

Toxicitate ca urmare a excesului de metale esențiale

1. Mecanismul de toxicitate a metalelor
2. Sensibilitatea la metalele esențiale
3. „Expresii funcționale ale toxicității
4. Factori de mediu care afectează toxicitatea

Toleranta fata de metale

1. Toleranță în natură
2. Mecanismul de toleranță

Efectele metalelor esențiale asupra populațiilor acvatice

1. Studii de laborator ale lanțurilor trofice simple
2. Reacții într-o populație complexă semi-naturală
3. Interacțiunea metalelor esențiale cu fierul

G.K. Pagenkopf. Tipul ionului metalic și toxicitatea acestuia în sistemele acvatice
Model chimic de toxicitate
Aplicarea modelului la toxicitatea cuprului
Aplicarea modelului la toxicitatea cadmiului
Aplicarea modelului la toxicitatea plumbului
Aplicarea modelului la toxicitatea zincului
F.T. Bingham, F.D. Pera, W.M. Jerell. Toxicitatea metalelor în culturi
Cadmiu

1. Compuși de cadmiu în sol
2. Disponibilitatea cadmiului
3. Toxicitatea Cd în comparație cu Cu, Ni și Zn
4. Corectarea conținutului de Cd în sol

Cupru

1. Compuși de cupru în sol
2. Disponibilitatea cuprului pentru plante
3. Simptome și diagnostic
4. Corectarea conținutului de Cu din sol

Zinc

1. Compușii de zinc în sol
2. Disponibilitatea zincului pentru plante
3. Simptome și diagnostic
4. Corectarea conținutului de Zn în sol

Mangan

1. Compuși de mangan în sol
2. Disponibilitate pentru plante
3. Simptome și diagnostic
4. Corectarea conținutului de mangan din sol

Nichel

1. Forme de nichel în sol
2. Disponibilitate pentru plante
3. Simptome și diagnostic
4. Corectarea conținutului de nichel din sol

P.B. Hammond, E.K. Oameni buni. Toxicitatea ionilor metalici la oameni și animale
Conduce

1. Aspecte generale
2. Absorbția, distribuția și excreția plumbului în organism
3. Toxicitatea plumbului

Arsenic

1. Aspecte generale
2. Absorbția, distribuția și excreția arsenului în organism
3. Toxicitatea arsenicului

Vanadiu

1. Aspecte generale
2. Absorbția, distribuția și excreția vanadiului în organism
3. Toxicitatea vanadiului

Mercur

1. Aspecte generale
2. Absorbția, distribuția și excreția mercurului în organism
3. Toxicitatea mercurului

Cadmiu

1. Aspecte generale
2. Absorbția, distribuția și excreția cadmiului în organism
3. Toxicitatea cadmiului

Nichel

1. Aspecte generale
2. Absorbția, distribuția și excreția de nichel în organism
3. Toxicitatea nichelului

Crom

1. Aspecte generale
2. Absorbția, distribuția și excreția cromului în organism
3. Toxicitatea cromului

Uranus

1. Aspecte generale
2. Absorbția, distribuția și excreția uraniului în organism
3. Toxicitatea uraniului

D-NA. Fox, P.M. Iacov. Alimentele umane și toxicitatea ionilor metalici
Aportul alimentar și starea nutrițională în SUA
Seleniu

1. Necesitate, funcții, efecte ale deficienței și nevoi ale organismului
2. Absorbția, metabolismul și excreția în organism
3. Toxicitatea seleniului la animale
4. Toxicitatea seleniului pentru oameni
5. Interacțiunile seleniului cu componentele alimentare umane

Zinc

1. Necesitate, funcție, efecte de deficiență, nevoie
2. Efectul excesului de zinc asupra corpului animalelor
3. Efectul excesului de zinc asupra corpului uman
4. Interacțiunea zincului cu componentele alimentare umane

Alan Leonard. Anomalii cromozomiale cauzate de metale grele
Modificări genetice în limfocitele din sângele periferic

1. Caracteristicile generale ale sistemului limfocitar din sângele periferic
2. Anomalii cromozomiale structurale cauzate de clastogeni
3. Schimbul de cromatide surori
4. Interferențe pentru analiza citogenetică a limfocitelor cultivate

Rezultatele monitorizării citogenetice pentru cei expuși la metale grele

1. Arsenic
2. Cadmiu
3. Conduce
4. Mercur
5. Nichel
6. Alte metale

M. Costa, J. D. Heck. Carcinogenitatea ionilor metalici
Captarea celulară și distribuția intracelulară a ionilor metalici

1. Fagocitoza selectivă a particulelor care conțin metale
2. Absorbția ionilor metalici și importanța mecanismului de absorbție a metalului
3. Localizarea ionilor metalici cancerigeni în nucleu și nucleol

Tulburări ADN cauzate de metale cancerigene
Efectul ionilor metalici asupra creșterii celulelor, replicării și reparării ADN-ului
Activitatea tumorală a metalelor și relația dintre mutageneză și carcinogeneză
Inhibarea transformării și carcinogenezei de către ionii metalici divalenți
J. D. Heck, M. Casta. Metode de evaluare a toxicității ionilor metalici in vitro

1. Toxicologie in vitro
2. Ioni metalici în sisteme in vitro

Metode biochimice

1. Evaluarea biochimică a citotoxicității ionilor metalici
2. Evaluarea biochimică a genotoxicității unui ion metalic

Metode microbiologice
Metode care utilizează cultura de celule de mamifere

1. Evaluarea citotoxicității ionilor metalici
2. Evaluarea „genotoxicității” unui ion metalic

G. Seiler. Câteva probleme ale analizei materialelor biologice pentru conținutul de elemente toxice în urme
Aspecte generale ale analizei elementelor din urme
Alegerea instrumentelor și a reactivilor
Prelevarea de probe

1. Probe lichide
2. Prelevarea de țesut

Depozitare, uscare, omogenizare
Prelevarea de mostre și alicote
6. Pregătirea probei

1. Tratament cu acid
2. Complexare, extracție și îmbogățire
3. Mineralizare

E. Nieboer, F.E. Rossetto, K.R. Menon. Toxicitatea compușilor de nichel
Surse de expunere la nichel pentru corpul uman

1. Surse non-profesionale
2. Surse profesionale

Intoxicație cu nichel carbonil

1. Purificarea nichelului prin carbonilarea acestuia
2. Evaluarea clinică a efectelor și tratamentului nichelului
3. Patogenie și mecanism de acțiune toxică

Hipersensibilitate la nichel

1. Aspecte clinice ale dermatitei de contact cu nichel
2. Mecanismul imunitar al dermatitei de contact cu nichel
3. Astmul profesional cu nichel

Carcinogenitatea nichelului

1. Date epidemiologice și experimente pe animale
2. Determinanți și model de carcinogeneză a nichelului

Toxicologia efectelor asupra genelor

1. Obiectivele cercetării
2. Mutagenicitate în sistemele procariote și eucariote
3. Transformarea culturii celulare de mamifere
4. Tulburări cromozomiale și ADN și efecte aferente

Alte efecte ale nichelului asupra organismului

1. Toxicitate renală
2. Impact asupra reproducerii și dezvoltării
3. Imunotoxicitate
4. Cardiotoxicitate

D. Kerr, M.K. Ward. Intoxicația cu aluminiu: istoria definiției sale clinice
Istoria descoperirii toxicității aluminiului

1. Aluminiu în mediu
2. Despre rolul excesului de aluminiu în insuficiența renală

Recunoașterea bolii cauzate de aluminiu

1. encefalopatie de dializă
2. Osteodistrofie de dializă
3. Suprimarea funcției paratiroidiene
4. anemie microcitară

Reglarea toxicității aluminiului în insuficiența renală

1. Introducerea tratarii apei
2. Inlocuitori de hidroxid de aluminiu
3. Caut alte surse

DOMNUL. Wills, J. Savory. Toxicitatea aluminiului și insuficiența renală cronică
Surse de aluminiu

1. Medicamente care conțin aluminiu
2. Dializat

Absorbția aluminiului în tractul gastrointestinal