Химические элементы в окружающей среде и в организме человека

Третья причина. Нарушение  баланса микроэлементов, возможно в  результате не поступления или недостаточного поступления, что также может  быть связано и с особенностями  биогеохимических провинций, либо с  производством. Например, почти две  трети территории нашей страны характеризуются  недостатком йода, в частности, в  гори­стых местностях, по долинам рек это вызывает эндемическое увеличение щитовидной же­лезы и зоба у людей и животных. Профилактическое йодирование способствует предотвращению эндемий и эпизоотии. Недостаток фтора приводит к флюорозу. В местах добычи нефти наблюдаются дефицит иона кобальта. 

Четвертая причина. Повышение концентрации токсичных  комплексообразуюших групп, содержащих азот, фосфор, кислород и серу, способных образовывать прочные связи с ионами биометаллов (СО, CN-, –SH). В системе несколько лигандов и один ион металла способный образовывать комплексное соединение с данными лигандами. При этим наблюдаются конкурирующие процессы – конкуренция между лигандами за ион металла. Преобладающим будет процесс образования наиболее прочного комплекса. 

MбLб + Lт « MбLт + Lб  

Комплекс образует лиганд, обладающий большей комплексообразующей способностью. Кроме того имеется возможность образования разнолигандного комплекса например, ион железа (II) гемоглобином – Fe (ННbН2О) образует с монооксидом углерода – СО разнолигандный комплекс, который в триста раз прочнее, чем комплекс  с кислородом, т.е. 

KyFe(НHbH2O) < KyFe(ННbО2) < KyFe(НHbCO)  

Токсичность монооксида углерода объясняется с точки зрения конкурирующего комплексообразования, возможности смещения лиганднообменного равновесия. 

Пятая причина. Изменения  степени окислении центрального атома микроэлемента или изменения  конформационной структуры биокомплекса, изменения его способности к образованию водородных связей. Например, токсичное действие нитратов и нитритов проявляется и в том, что под их воздействием гемоглобин превращается в метгемоглобин, который не способен транспортировать кислород. Попадая в кровь они приводят к гипоксии организма. 

3. 4. Механизм защиты  внутренней среды организма от  ксенобиотиков 

Природа проявила большую  заботу о поддержании металлолигандного гомеостаза ор­ганизма, о сохранении чистоты внутренней среды организма. Обеспечить удаление отхо­дов, порой даже важнее, чем накормить клетку. Питательные вещества доставляет одна система – кровеносная, а отходы удаляют две: кровеносная и лимфатическая. Мелкий «мусор» как бы уходит прямо в кровь, а крупный – в лимфу. В лимфатических узлах лим­фа очищается от токсических отходов. 

Существуют следующие  механизмы защиты внутренней среды  организма: 

1) Барьеры, мешающие  ксенобиотикам войти во внутреннюю  среду организма и в особо  важные органы (мозг, половую и  некоторые другие железы внутренней  секреции). Эти барьеры образованны  одно- или многослойными пластами  клеток. Каждая клетка одета мембраной,  непроницаемой для многих веществ.  Роль барьеров у животных и  человека, выполняет кожа, внутренняя  поверхность желудочно-кишечного  тракта и дыхательных путей.  Если ксенобиотик проникает в  кровь, то в центральной нервной  системе, железах внутренней секреции, его встретят гистогематические  барьеры, то есть, барьеры между  тканью и кровью. 

2) Транспортные механизмы  обеспечивают выведение ксенобиотиков из организма. Они обнаружены во многих органах человека. Наиболее мощные находятся в клетках печени и почечных канальцах. Особые образования обнаружены в желудочках головного мозга, которые перемещают чужеродные вещества из ликвора (жидкость, омывающая мозг) в кровь. Имеется как бы два вида выведения ксенобиотиков: те, что очищают внутреннюю среду всего организма, и те, что поддерживают чистоту внутренней среды одного органа. Принцип работы системы выведения одинаков: транспортные клетки образуют слой, одна сторона которого граничит с внутренней средой организма, а другая с внешней. Мембрана клеток не пропускает ксенобиотики, но в этой мембране имеется белок-переносчик, который опознает «вредное» вещество и переводит его во внешнюю среду. Анионы выводятся одним видом переносчиков, а катионы – другим. Описано более двухсот переносчиков, комплексонаты s-элементов относятся к их числу. Но транспортные системы не всесильны. При высокой концентрации яда в крови они не успевают утилизировать полностью токсичные частицы и на помощь приходит третий механизм защиты. 

3) Ферментные системы,  которые превращают ксенобиотики  в соединения, менее токсичные  и легче удаляемые из организма.  Они катализируют процессы взаимодействия  ксенобиотика с молекулами других  веществ. Продукты взаимодействия  легко удаляются из организма.  Наиболее мощные ферментные системы  находятся в клетках печени. В  большинстве случаев она может  справляться с этой задачей  и обезвреживать опасные вещества. 

4) Тканевое депо, где как бы под арестом,  могут накапливаться нейтрализованные  ксенобиотики и сохраняться там  длительное время.  Но это не  является средством полной защиты  от ксенобиотиков в экстремальных условиях. 

Поэтому возникла мысль  искусственно создать системы защиты, аналогичные лучшим образцам природных  биологических систем. Химическая экология дает реальные возможности справиться с проблемой загрязнения среды  и нарушением экологического равновесия. 

3. 5. Дезинтоксикационная терапия 

Дезинтоксикационная терапия – это, комплекс лечебных мер, имеющих целью выведение яда из организма или обезвреживание яда с помощью антидотов. Вещества, устраняющие последствия взаимодействия ядов на биологические структуры и инактивирующие яды посредством химических реакций, называют антидотами. 

Развитие физико-химической биологии создало возможности разработки и применения разнообразных методов  очищения организма от токсичных  молекул и ионов. Для дезинтоксикации организма применяют методы диализа, сорбционные и химические реакции. Диализ относят к почечным методам. При гемодиализе, кровь от диализата отделяется полупроницаемой мембраной и токсичные частицы из крови пассивно переходят через мембрану в жидкость в соответствии с градиентом концентрации. Применяют компенсационный диализ, вивидиализ. Сущность компенсационного диализа заключается в том, что жидкость в диализаторе отмывается не чистым растворителем, а растворами с различными концентрациями веществ. На принципе компенсационной вивидиффузии был сконструирован аппарат, получивший название «искусственная почка», при помощи которой можно очищать кровь от продуктов обмена веществ и, следовательно, временно защищать функцию больной почки. Показаниями к применению «искусственной почки» является острая почечная недостаточность, при уремии после переливания крови, при ожогах, токсикозе беременности и так далее. Моделирование естественных механизмов детоксикации крови в различных сорбционных устройствах с использованием углеродных сорбентов, иммунносорбентов, ионообменных смол и других, называется гемосорбцией. Она так же, как и ее разновидности плазмо- и лимфосорбция используется для удаления из крови различных токсичных веществ, вирусов, бактерий. Созданы высокоспецифические сорбенты на конкретные метаболиты, ионы, токсины. Они обладают уникальной способностью удалять из организма гидрофобные крупномолекулярные соединения, среди которых много высоко токсичных и балластных веществ (холестерин, билирубин и другие). Сорбционные методы позволяют воздействовать на иммунореактивность организма, путем удаления иммуноглобулинов, комплемента, комплексов антиген-антитело. 

Из сорбционных  методов нашла широкое применение энтеросорбция [9]. Энтеросорбция (ЭС) – метод основанный на связывании и выведении из желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) с лечебной или профилактической целью эндогенных и экзогенных веществ, надмолекулярных структур и клеток. Энтеросорбенты – лечебные препараты различной структуры осуществляют связывание экзо- и эндогенных веществ в ЖКТ путем адсорбции, абсорбции, ионообмена и комплексообразования. 

Классифицируются  энтеросорбенты по химической структуре: активированные угли, силикагели, цеолиты, алюмогели, алюмосиликаты, оксидные и другие неорганические сорбенты, пищевые волокна, органоминеральные и композиционные сорбенты. 

Бактериальные токсины, биоактивные кишечные пептиды, токсичные  метаболиты, ра­дионуклиды удаляются из организма методом энтеросорбции с помощью угольных сор­бентов или углеродминеральных сорбентов с положительно заряженной поверхностью. Используется в комплексной терапии ряда заболеваний: псориаза, бронхиальной астмы, желудочно-кишечных заболеваний. Хорошие результаты дала плазмосорбция, сочетающая два способа детоксикации: гемосорбцию и плазмоферез. 

Одно из важнейших  направлений решения проблемы детоксикации организма – разра­ботка и применение искусственных органов очистки: «искусственная почка» и «вспомогательная печень». Аппарат «вспомогательная печень», разработанный профессо­ром Рябининым В. Е., берет на себя большую часть работы по детоксикации организма и улучшению обмена веществ. Им создан препарат, изготовленный из свиной печени, который взаимодействует с кровью пациента через полупроницаемую мембрану. Действие препарата основано на принципах функционирования цитохрома Р-450. Он сохраняет свою функциональную активность при непрерывной работе в печени 6-8 часов. Уже через час после начала эксперимента из крови удаляется до 84% аммиака, а через два часа - 91%. Данный метод может применяться при острых и хронических заболеваниях печени, инфекционных заболеваниях, при травмах и ожогах. 

Одним из наиболее широко применяемым, доступным и простым  методом детоксикации является химический метод. Химические методы биотрансформации «вредных» для организма частиц весьма разнообразны: 1. обезвреживание токсиканта путем химическою взаимодействия с ним. то есть непосредственного действия на токсичную частицу; 2. устранение токсического эффекта путем влияния на ферменты, рецепторы организма, кото­рые управляют физиологическими процессами утилизации токсикантов в организме, то есть опосредованное воздействие на токсикант.  

Вещества, используемые с качестве детоксикантов, позволяют изменить состав, размер, знак заряда, свойства, растворимость токсичной частицы, превратить ее в малотоксичную, купировать ее токсическое действие на организм, вывести ее из организма. 

Из химических методов  детоксикации широко используется хелатотерапия, основанная на хелатировании токсичных частиц комплексонатами s-элементов (смотри методическое пособие по теме «Комплексные соединения»). Хелатирующие агенты обеспечивают детоксикацию организма путем их непосредственного взаимодействия с токсикантом, образования связанной, прочной формы подходящей для транспортировки и выведения из организма. Таков механизм детоксикации ионов тяжелых металлов тетацином, тримефацином и пентацином [4,8 ]. 

Для дезоксидации используются и реакции осаждения. Простейшим противоядием ионов бария, стронция является водный раствор сульфата натрия. Окислительно-восстановительные реакции  также применяют для детоксикации. С солями тяжелых ме­таллов тиосульфат натрия дает плохо растворимые сульфиды и его применяют в качестве антидота при отравлениях тяжелыми металлами: 

Na2S2O3 + HgCl2 + Н2O ® Na2SO4 + HgS? + 2НСl 

Тиосульфат-ион отдает атом серы цианид-иону, тем самым превращая его в нетоксичный роданид-ион. 

Na2S2O3 + KCN ® Na2SO3 + KCNS 

В качестве противоядия  соединений тяжелых металлов применяют  и водные растворы сульфида натрия, так называемое щелочное сероводородное питье. В результате образования  малорастворимых соединений токсичные  ионы изолируются и выводятся  из желудочно-кишечного тракта. При  отравлении сероводородом пострадавшему  дают подышать увлажненной хлорной  известью, из которой выделяются небольшие  количества хлора. При отравлении бромом дают вдыхать пары аммиака. 

Разрушительными для  белков являются биотрансформации, связанные с действием сильных окислителей, которые переводят соединения серы до степени окисления +6. Такие окислители, как например, пероксид водорода, окисляют дисульфидные мостики и сульфгидрильные группы белков в сульфогруппы R-SO3H, что означает их денатурацию. При лучевом поражении клеток изменяется их окислительно-восстановительный потенциал. Для сохранения потенциала в качестве радиопротектора – препарата, предохраняющего организм от лучевого поражения, применяют бета-меркаптоэтиламин (меркамин) NH4CH2CH2SH, окисление которого активными формами кислорода при радиолизе воды приводит к образованию цистамина: 
 

Сульфидная группа может участвовать в гомолитических процессах с образованием мало реакционноспособных радикалов R-S. Это свойство меркамина также служит зашитой от действия свободнорадикальных частиц – продуктов радиолиза воды. Следовательно, равновесие тиол-дисульфид связано с регуляцией активности ферментов и гормонов, приспособлением тканей к действию окислителей, восстановителей и радикальных частиц.  

В интенсивной терапии  эндотоксикозов используются совместно химические методы (протекторы, антидоты) и эфферентные методы детоксикации - плазмаферез с непрямым, электрохимическим окислением крови и плазмы. Данный комплекс методов детоксикации образует своеобразный аппарат «печень-почка», что уже находит применение в клинике.