Отдаленные влияния тяжелых металлов на организм

Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) в рамках Международной программы  химической безопасности опубликованы «Гигиенические критерии состояния  окружающей среды» для Hg, Be, Pb, Sn, Mn, Ti и других  металлов.

Токсичность тяжелых  металлов в организме человека.

В таблице показана зависимость  здоровья человека от уровня загрязнения  тяжелыми металлами:

Уровень В почве Влияние на здоровье человека. (медицинская статистика)

Допустимый Меньше 16 у.е. -

Умеренно опасный 16-32 у.е. Увеличение общей заболеваемости

Опасный 32-128 у.е. Увеличение хронической заболеваемости (ССС)

Чрезвычайно опасный > 128 у.е. Увеличение детской заболеваемости, токсикозы беременности, недоношенности, выкидыши, уродства

По опасности для здоровья человека тяжелые металлы делятся  на следующие классы:

1 класс (самый опасный): Cd, Hg, Se, Pb, Zn

2 класс: Co, Ni, Cu, Mo, Sb, Cr (цветная металлургия – город Никель Кольский п-ов)

3 класс: Ba, V, W, Mn, Sr

Тяжелые  металлы  и  их соединения могут поступать в  организм   человека  через  легкие, слизистые оболочки, кожу и  желудочно-кишечный тракт. Механизмы  и скорость проникновения их через  разные биологические барьеры и  среды зависят от физико-химических свойств указанных веществ, химического  состава и условий внутренней среды  организма. В результате взаимопревращений  между поступившими в  организм   металлами  или их соединениями и  химическими веществами различных  тканей и органов могут образоваться новые соединения  металлов, обладающие иными свойствами и по-другому  ведущие себя в  организме. При  этом в разных органах, вследствие особенностей обмена, состава и условий среды, пути превращения исходных соединений  металлов  могут быть различными. Отдельные  металлы  могут избирательно накапливаться в определенных органах  и длительно задерживаться в  них. В результате накопление  металла  в том или ином органе может  быть или первичным, или вторичным.

На примере отдельных  металлов  рассмотрим пути их поступления  в  организм через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) с продуктами питания (животного  и растительного происхождения), а также токсическое действие.

Два d-элемента - кобальт и  никель, широко используют в современных  промышленных технологиях. При высоком  содержании их в окружающей среде  эти элементы могут поступать  в повышенных количествах в  организм   человека, вызывая отравления с тяжелыми последствиями.

Кобальт является биоэлементом, который принимает активное участие  в ряде биохимических процессов. Однако избыточное его поступление  вызывает токсический эффект с разными  повреждениями в системах окислительных  превращений. Данный эффект обусловлен способностью кобальта вступать в связь  с атомами кислорода, азота, серы, в конкурентные отношения с железом  и цинком, входящими в состав активных центров многих ферментов. Соединения Cо(III) обладают сильной окислительной комплексообразовательной способностью.

В отношении скорости сорбции  чистого кобальта, его оксидов  и солей в ЖКТ сведения разноречивы. В одних исследованиях отмечено слабое всасывание (11…30%) даже хорошо растворимых солей кобальта, в других указано на высокую сорбцию солей кобальта в тонком кишечнике (до 97%) в связи с хорошей их растворимостью в нейтральной и щелочной средах. На уровень сорбции влияет также величина дозы, поступившей перорально: при малых дозах сорбция больше, чем при больших.

Ni(II) преобладает в биологических средах, образуя разные комплексы с химическими компонентами последних. Металлический никель и его оксиды из ЖКТ всасываются медленнее, чем его растворимые соли. Поступивший с водой никель абсорбируется легче, чем входящий в виде комплексов в состав пищи. В целом количество всосавшегося из ЖКТ никеля составляет 3…10%. В его транспорте участвуют те же белки, которые связывают железо и кобальт.

 Цинк, также относящийся  к d-элементам и имеющий состояние  окисления +2, является сильным  восстановителем. Соли цинка хорошо  растворимы в воде. При их поступлении  наблюдается задержка на некоторое  время с последующим постепенным  попаданием в кровь и распределением  в  организме. Цинк может  вызывать «цинковую» (литейную) лихорадку.  Абсорбция цинка из ЖКТ достигает  50% от введенной дозы. На уровень  абсорбции оказывает влияние  количество цинка в пище и  ее химический состав. Пониженный  уровень цинка в пище способствует  увеличению абсорбции этого   металла  до 80% от введенной  дозы. Увеличению абсорбции цинка  из ЖКТ способствуют белковая  диета, пептиды и некоторые  аминокислоты, которые, вероятно, образуют  хелатные комплексы с металлом, а также этилендиаминтетраацетатом. Высокое содержание фосфора и меди в пище снижает абсорбцию цинка. Наиболее активно цинк всасывается в двенадцатиперстной кишке и верхней части тонкого кишечника.

Ртуть (d-элемент) – единственный  металл, который находится в обычных  условиях в виде жидкости и интенсивно выделяет пары. Может находиться в  состояниях окисления +1 и +2 (в последнем  встречается чаще) и в виде не только неорганических соединений, но и органических производных двухвалентной  ртути, в частности таких, как  метил-, этил- и пропилртуть, которые оказываются токсичнее и опаснее, чем неорганические соединения, благодаря своей более высокой проницаемости через биологические барьеры и тропности к тканевым субстратам и структурам. Из неорганических соединений ртути наиболее опасны металлическая ртуть, выделяющая пары, и хорошо растворимые соли Hg(II), образующие ионы ртути, действием которых и определяется  токсичность. Соединения двухвалентной ртути токсичнее, чем одновалентной. Выраженная  токсичность ртути и ее соединений, отсутствие данных о сколько-нибудь заметных положительных физиологических и биохимических эффектах указанного микроэлемента заставляли исследователей относить его не только к биологически ненужным, но и опасным даже в ничтожных количествах из-за его широкой распространенности в природе. В последние десятилетия, однако, появляется все больше свидетельств и мнений о жизненно важной роли ртути. Надо отметить, что ртуть – один из самых токсичных металлов, она постоянно присутствует в природной среде (почве, воде, растениях), может в избытке поступать в организм   человека  через ЖКТ вместе с пищей и водой. Неорганические соединения ртути слабо всасываются в ЖКТ, в то время как органические, например метилртуть, абсорбируются почти полностью.

Таллий (р-элемент), хотя и редкий элемент, но в связи с широким применением в электронной, химической промышленности и сельском хозяйстве в качестве функциональных и зооцидных  препаратов может в значительной степени загрязнять окружающую среду. Попадая в ЖКТ, растворимые соли таллия очень быстро проникают в кровь и разносятся в органы и ткани, нерастворимые – практически не всасываются при пероральном пути поступления.

 Олово (р-элемент) может в заметных количествах поступать через ЖКТ при употреблении пищи, особенно соков, в случае хранения в посуде, содержащей олово в составе сплавов, из которых она изготовлена. Нерастворимые соединения олова почти не всасываются в ЖКТ, но и растворимые соединения абсорбируются очень слабо и преимущественно в виде соединений с белками. При этом соли двухвалентного олова всасываются легче и в больших количествах по сравнению с четырехвалентным оловом.

Свинец, относящийся, как  и олово, к p-элементам и являющийся в современную эпоху одним  из наиболее распространенных металлозагрязнителей окружающей среды и, прежде всего, воздуха, к сожалению, в значительных количествах может поступать в организм   человека  ингаляционным путем.  Свинец в виде нерастворимых соединений (сульфидов, сульфатов, хроматов) плохо всасывается из ЖКТ. Растворимые соли (нитраты, ацетаты) всасываются в несколько больших количествах (до 10%). При дефиците кальция и железа в пищевом рационе абсорбция свинца увеличивается.

Сурьма – p-элемент, существующий в состояниях окисления –3, +3, +5. Образует в основном устойчивые катионные  соединения. Способен образовывать комплексы. Трехвалентные соединения сурьмы оказываются более токсичными, чем пятивалентные. Сурьму относят к тяжелым металлам  с очень низкой сорбцией из ЖКТ.

Поступая в организм человека, тяжелые  металлы  с током крови  разносятся в разные органы и ткани. Характер их распределения и степень  накопления зависят от сродства к  различным структурам и биохимическим  компонентам тканей и органов, прочности образуемых комплексов и скорости их элиминации.

 Ванадий, как один  из наиболее легких среди тяжелых   металлов, весьма активный в химическом  отношении (сильный окислитель  имеет сродство к фосфатам, жирам  и т.д.) относительно быстро обменивается  в  организме. При любом пути  поступления ванадий вскоре появляется  в крови, где соединяется с  трансферрином, транспортируется в разные органы и ткани, и в первые же часы его обнаруживают в моче. Скорость распространения и величина накопления  металла зависит от пути поступления, растворимости и реакционоспособности его соединений. В первые же сутки ванадий вследствие быстрой абсорбции тканями почти полностью исчезает из крови, но через несколько суток вновь в очень малых количествах может появляться в крови, очевидно, из-за перераспределения между органами. Преимущественные места его накопления – костная ткань, почки, печень. Костная ткань, а также зубы и эмаль аккумулируют ванадий вследствие большого сродства последнего к фосфатам.

Из общего количества ванадия  в  организме  31% его сосредоточен в жировой ткани, что обусловлено, по-видимому, сродством ванадия к  биогенным жирам, особенно к аминовой и линолевой кислотам, и 17% - в скелете. По содержанию ванадия органы и ткани располагаются в убывающем порядке: костная ткань, почки, печень, кровь, селезенка, костный мозг, надпочечники, легкие, кожа, мышцы.

Никель в крови находится  в виде комплексов с низко молекулярными соединения, в частности с аминокислотами, в основном с гистидином, альбумином, а также со специфическим белком, названным никелеплазмином, относящимся к макроглобулиновой фракции. Из крови никель проникает в ткани при участии металлотионеинов. наиболее распространенным  металлом  в организме является Ni(II).

В  организме   человека  никель входит в состав некоторых  ферментов. Его обнаруживают постоянно  в рибонуклеиновой кислоте (РНК), что может быть связано с онкогенностью никеля. Около 50% никеля откладывается во внутренних органах и крови, 30% - в мышцах и жировой ткани, 15% - в костях и соединительной ткани.

Медь в крови находится  в связанном с белками состоянии. Основной формой меди в тканях является двухвалентная медь, которая создает  наиболее прочные хелатные комплексы с белками. Медь может вступать в соединения с разными аминокислотами благодаря сродству к SH–группам, образует также комплексы с гиутатионом, снижая его концентрацию в клетках.

При избыточном поступлении  меди в  организм  в связи с  ее высокой биохимической активностью  происходят серьезные нарушения  в обмене веществ, проявляющиеся в токсических эффектах. Существуют конкуренция и негативное влияние цинка, марганца, никеля на обмен меди.

Неорганическая ртуть  в крови приблизительно одинаково  распределяется между эритроцитами и плазмой в крови, но органические соединения превалируют в эритроцитах. В частности, концентрация метилртути в эритроцитах в 10 раз превышает ее в плазме. Распределение ртути в органах и тканях зависит от пути поступления и формы соединения ртути, но в целом больше ртути накапливается в почках.

Таллий частично связывается  альбумином и другими белками  крови, но преимущественно находится  в виде свободных ионов. Из крови  он распределяется в различные органы и ткани. После перорального поступления таллий обнаруживают преимущественно в ЖКТ и печени, костном и головном мозге, легких, надпочечниках, селезенке, почках, мышцах и волосах. Длительность сохранения в тканях невелика, период полувыведения составляет 3…4 суток. С течением времени происходит перераспределение таллия в организме.

Из приведенных выше данных о распределении, накоплении и превращении  ряда тяжелых  металлов  видно, что  указанные процессы имеют много  особенностей. Несмотря на различия в  естественной биологической значимости разных  металлов, все они при  избыточном поступлении в  организм  вызывают токсические эффекты, сопряженные  с нарушением нормального хода биохимических  процессов и физиологических  функций.

Следует особо отметить то, что избирательное накопление и  длительность задержки  металлов  в ткани или органе в значительной степени определяют поражение того или иного органа. Например, эндемические заболевания щитовидной железы в  отдельных биогеохимических провинциях связывают с избыточным поступлением некоторых  металлов  и высоким  содержанием их в самой железе. К таким  металлам  относят  кобальт, марганец, хром, цинк. Еще хорошо известно поражение центральной  нервной системы при отравлениях  ртутью, марганцем, свинцом и таллием.

Выведение  металлов  из  организма  в основном осуществляется через ЖКТ и почки. При этом следует иметь в виду, что небольшое  количество  металлов  может выделяться с грудным молоком, потом и  волосами. Скорость выведения и количество выделившегося  металла  за определенный промежуток времени зависит от пути поступления, дозы, свойства каждого  конкретного соединения  металла, прочности связи последнего с  биолигандами и длительности его действия на  организм.

Например, разные соединения хрома выделяются из  организма  через кишечник, почки, с грудным  молоком. Так соединения Cr(VI) превосходят по скорости выделения Cr(III). Лучше растворимый хромат натрия выделяется преимущественно через почки, а слаборастворимый хлорид хрома – кишечным и почечным путями. К другим  металлам, которые выводятся двумя основными путями (через ЖКТ и почки), относят никель, ртуть и др. Нерастворимые соединения никеля даже при разных путях поступления в большем количестве выделяются через кишечник.

Таким образом, выведение  избыточных количеств разных  металлов  из  организма   человека  является сложным биокинетическим процессом. Во многом он зависит от путей трансформации металлов  в органах и тканях и скорости элиминации из них.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Неконтролируемое загрязнение  окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) угрожает здоровью людей. Прием  токсических веществ приводит к необратимым изменениям внутренних органов. В результате развиваются неизлечимые болезни: нарушения желудочно-кишечного тракта, печени, почечные и печеночные колики, параличи. Нередки смертельные случаи.