Отдаленные влияния тяжелых металлов на организм

Не совсем одинаково действие простых и комплексных солей  редкоземельных элементов. Первые действуют  фазно: после депрессии происходит нормализация состояния животных, но затем наблюдается резкое его ухудшение; комплексные же соли сразу вызывают резкую депрессию и быструю гибель животных. Однако хелатные комплексы так же, как и цитратные комплексы редкоземельных металлов, менее токсичны, чем их соли (Kyker, Cress, 1957; Graga и соавт., 1958).

По мнению Seifritz, наиболее вероятным физическим фактором, с которым связана большая токсичность тяжелых металлов, является электроотрицательность: она может влиять на легкость взаимодействия металла с протоплазмой. В периодической системе элементов электроотрицательность, в общем, увеличивается слева направо в каждом периоде; таким образом, подтверждается общая тенденция к увеличению ядовитости с увеличением атомного веса. Но, по мнению Seifritz, нельзя выделить одно доминирующее свойство, не учитывая влияния других и их взаимную связь.

 Возможно, отдельные характеристики  свойств металлов связаны с  их токсическим действием разными  путями. Например, с селективностью  или большим сродством к отдельным  химическим группам, таким, как  способность многих металлов  образовывать ковалентные связи  с атомом серы. Это может определить  механизм действия.

Однако при достаточной  дозе введенного металла большое  количество катионов поступает в  циркуляцию и распределяется по всему  организму, вступает в контакт со всеми тканями, нарушая их нормальную функцию, чем обуславливается токсический  и летальный эффект. При этом большое  значение может иметь как быстрота, так  и прочность образующихся в биологических средах комплексов металлов с такими биологически важными  образованиями, как белки, ферменты, субстраты клеточных оболочек. Токсичность  тяжелых металлов связана, в частности,  с тем, что они блокируют активные центры ферментов и выключают  их из управления метаболизмом. Общетоксическое действие металлов может быть связано с неспецифическим торможением ряда ферментов в силу денатурации белков вообще. Но ряду металлов в то же время свойственно специфическое угнетение определенных ферментов уже в очень малых концентрациях. Поэтому особенности отравления отдельными металлами выявляются преимущественно при длительном контакте с ними.

ТОКСИЧНОСТЬ ТЯЖЕЛЫХ  МЕТАЛЛОВ           В  ОРГАНИЗМЕ  ЧЕЛОВЕКА И  ЖИВОТНЫХ

Токсичность  – это  мера несовместимости вредного вещества с жизнью. Степень токсического эффекта  зависит от биологических особенностей пола, возраста и индивидуальной чувствительности  организма; строения и физико-химических свойств яда; количества попавшего  в  организм  вещества; факторов внешней  среды (температура, атмосферное давление).

Понятие об экологической  патологии.

Возросшая нагрузка на организм, обусловленная широким производством  вредных для человека химических продуктов, попадающих в окружающую среду, изменила иммунобиологическую  реактивность жителей городов, включая  детское население. Это приводит к расстройствам основных регуляторных систем организма, способствуя массовому  росту заболеваемости, генетическим нарушениям и другим изменениям, объединенных понятием - экологическая патология.

В  условиях экологического неблагополучия раньше других систем реагируют иммунная, эндокринная  и центральная нервная системы, вызывая широкий спектр функциональных расстройств. Затем появляются нарушения  обмена веществ и запускаются  механизмы формирования экозависимого патологического процесса.

Среди ксенобиотиков важное место занимают тяжелые металлы и их соли, которые в больших количествах выбрасываются в окружающую среду. К ним относятся известные токсичные микроэлементы (свинец, кадмий, хром, ртуть, алюминий и др.) и эссенциальные микроэлементы (железо, цинк, медь, марганец и др.), также имеющие свой токсический диапазон.

Основным путем поступления  тяжелых металлов в организм является желудочно-кишечный тракт, который  наиболее уязвим к действию техногенных  экотоксикантов.

Спектр экологических  воздействий на молекулярном, тканевом, клеточном и системном уровнях во многом зависит от концентрации и длительности экспозиции токсического вещества, комбинации его с другими факторами, предшествующего состояния здоровья человека и его иммунологической реактивности. Большое значение имеет генетически обусловленная чувствительность к влиянию тех или иных ксенобиотиков. Несмотря на разнообразие вредных веществ, существуют единые механизмы их воздействия на организм, как у взрослого человека, так и у ребенка.

 Отравления соединениями  тяжелых металлов известны с  древних времен. Упоминание об  отравлениях «живым серебром»  (сулема) встречается в IV веке. В середине века сулема и мышьяк были наиболее распространенными неорганическими ядами, которые использовались с криминальной целью в политической борьбе и в быту. Отравления соединениями тяжелых металлов часто встречались в нашей стране: в 1924-1925 гг. Было зарегистрировано 963 смертельных исхода от отравлений сулемой. Отравления соединениями меди преобладают в районах садоводства и виноделия, где для борьбы с вредителями используется медный купорос. В последние годы наиболее распространены отравления ртутью. Нередки случаи массовых отравлений, например, гранозаном после употребления семян подсолнечника, обработанного этим средством.

Всасывание, транспорт и  распределение металлов.

Для токсического действия необходим контакт яда с биологическим  субстратом – объектом этого действия. Контакт может осуществляться при  циркуляции яда во всех жидких средах организма (крови, ликворе, межтканевой  жидкости и т.п.), а также при  непосредственном соприкосновении  с оболочками клеток, цитоплазмой  и её составными элементами.

В силу этого  в токсическом  действии  металлов, как и других ядов, большое значение имеют их транспорт, распределение, концентрация в месте действия, метаболизм, скорость и пути выделения. Вопросы метаболизма  ядов, имеющие большое значение для  понимания действия органических веществ, мало изучены в отношении металлов. Однако некоторые данные о превращении  металлов в живом организме все  же имеются. Известны происходящие в  организме восстановительные процессы, при которых металлы и неметаллы  из состояния высшей валентности  переходят в состояние низшей валентности. Это установлено для  железа, марганца, молибдена, ванадия, хрома, мышьяка.

Концентрация металлов в  месте действия, как и вообще любых  ядов или фармакологических средств, является результатом динамических процессов всасывания из места поступления, проникания в жидкие среды, транспорта, распределения в органах и  тканях, химических превращений в  последних и процессов выведения  из организма.

Резорбция и распределение, а также выделение металлов, как  и вообще экзогенных ядов, в конечном итоге схематически представляют как  ряд процессов распределения  между внешней средой и биосредами. В свою очередь в биосредах - организмах - происходит перераспределение между фазами: кровью и тканевыми и межклеточными жидкостями, между последними и клетками, между внутриклеточными структурами.

Для осуществления непосредственного  контакта любого яда с тканями, клетками, рецепторами и т.д. ему приходится проникать через множество пограничных  поверхностей – биологических мембран. Роль последних играет кожа, слизистая  желудочно-кишечного тракта, эндотелии  сосудов, альвеолярный эпителий, вообще гистогематические барьеры, оболочка клеток, внутриклеточных структур и  т.д. По современным представлениям биологические мембраны имеют белково-липидную структуру. Клеточные мембраны представляют самостоятельный структурный элемент, активно участвующий в процессах  обмена веществ. Мембраны рассматриваются  как биологические, динамические структуры, содержащие ряд важных энзимных систем. Повреждения, вызываемые ядами, нарушающими функции энзимов, приводят к изменению проницаемости транспорта через эти оболочки.

Поверхность клеточных оболочек несет отрицательный заряд, что  показано на примере эритроцитов, сперматозоидов, многих бактерий; но в тоже время  на отдельных участках заряд может  меняться. Ионы, достигнув поверхности  клетки, либо фиксируются на ней, либо отталкиваются в силу одноименности  заряда. Например, полагают, что анионы проходят эритроциты через положительно заряженные поры; положительно заряженные ионы не могут проникнуть через них, с чем связана плохая проницаемость  эритроцитов (и других клеток) для  катионов. Одни анионы (хлор, бром) проникают  в эритроциты почти мгновенно, но ряд других более сложных (например, JO3, селеновая кислота) накапливаются  в эритроцитах очень медленно.

Схематически транспорт  веществ через пограничные поверхности  можно разделить на:

а) поступление веществ в клетки путем диффузии через водные и липидные барьеры;

б) вода и растворенные в  ней вещества как бы фильтруются  в клетки (вступают в силу гидродинамические  и осмотические законы);

в) перенос липоидонерастворимых веществ объясняется образованием их соединений с компонентами мембраны. Например, полагают, что двухвалентные металлы проникают через пограничные мембраны в виде фосфатных комплексов.

Клеточные оболочки могут  играть и защитную роль в отношении  вредного действия ядов, в частности  металлов. Последние в первую очередь  фиксируются на поверхности и  лишь медленно проникают вглубь клетки. Это продемонстрировали Passow и сотр. (1961), а также Rothstein и Clarkson (1959) на примере солей ртути и меди. При действии последних первоначально нарушается сорбция глюкозы у мышей, позже – дыхание.

Соли металлов как хорошо растворимые и диссоциирующие соединения, попадая в организм, распадаются на ионы. Скорость и полнота резорбции зависят от соотношения между ионизированной и неионизированной частью молекулы.     

Металлы высшей валентности  и так называемые тяжелые металлы, склонные к образованию очень  трудно растворимых гидроокислов, фосфатов, альбуминатов или весьма стойких комплексов, плохо всасываются из желудочно-кишечного тракта или при любых других путях введения.

Таким образом, упомянутые свойства металлов и их соединений, способность  к диссоциации, образование свободных  ионов, гидроокисей, образование прочных  альбуминатов, гидратов, фосфатов определяют количество и состояние металла в организме, в первую очередь в крови.       Свободные ионы металлов быстро удаляются из крови; по данным Д.И.Семенова и И.П.Трегубенко (1958), - в течение 5 минут. Они также быстро выделяются из организма или накапливаются в скелете. Последнее, так же как и быстрое выделение с мочой, обычно указывает на то, что металл в организме циркулирует в ионизированном или молекулярно-дисперсном состоянии.

Благодаря способности к  комплексообразованию металлы в тканях откладываются в виде комплексных соединений с белками, аминокислотами. Однако распределение их по большей части неравномерно, а в ряде случаев избирательно. Например, высокое содержание в почках ртути, таллия, урана, кадмия или бария; рубидия, лития в мышцах; преимущественное накопление в эритроцитах калия, рубидия, свинца, шестивалентного хрома, мышьяка, селена и некоторых других.

Прочность связей, степень  сродства катионов металлов к функциональным химическим группировкам в организме, также может определять не только общую токсичность, но избирательность  или специфичность действия. Это  можно проследить на примере такой  распространенной во всех тканях и  вместе с тем такой биологически важной функциональной группе – сульфгидрильной. Так, специфическое повреждение  почек такими металлами как, как  ртуть или кадмий, объясняют высоким  сродством их к SH-группам ткани  почек.

Приведенные примеры указывают, что возможны закономерности специального влияния металлов, однако для их выявления нужно изучать механизмы  влияния отдельных металлов на отдельные  ферментные системы, отдельные звенья обменных процессов, деятельность желез  внутренней секреции и т.д.

Токсичность тяжелых металлов для животных.     

Тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, мышьяк, ртуть, кадмий, хром, алюминий и др.) в микроколичествах необходимы организму и в основном они находятся в активных центрах коферментов.

Количество биологически активных химических элементов в  организмах животных и тканях в основном зависит от их места обитания и  особенностей потребления кормов. В  большинстве случаях сельскохозяйственные животные страдают от дефицита и несбалансированности микроэлементов.

При содержании тяжелых металлов в почве выше допустимых норм отмечают повышение поступления указанных  металлов в рационы и соответственно в продукцию животноводства, ухудшение  качества сельскохозяйственной продукции. Например, в пригородных хозяйствах при содержании в рационе тяжелых  металлов - свинца, никеля, хрома в 2-7 раз выше ПДК содержание их в молоке оказалось в 1,25-2 раза выше допустимых норм. В Вологодской области из-за нехватки селена при избытке железа, марганца, кадмия отмечено поступление  молока на молокозаводы с низкой титруемой  кислотностью. Наличие тяжелых металлов влияет на качество сыра, при этом нарушается технология производства. В частности, ухудшается его вкус, запах становится нечистым, сыр легко крошится, творог становится мажущим. У овец, разводимых в промышленной зоне Ирака, отмечается депонирование в организме ртути, кадмия и свинца. У пятилетних овец содержание ртути и кадмия в мускулатуре  выше МДУ (максимально допустимого  уровня). На ингаляционное поступление  этих тяжелых металлов указывали  повышенные содержания кадмия и свинца в легких. У овец, разводимых в  сельскохозяйственных районах Ирака, содержание тяжелых металлов в тканях и органах оказались в 2-7 раз  меньше, чем у животных, разводимых в промышленной зоне.