1 Жебентяев Александр Ильич
 Скачать 5.46 Mb.
|
|
ГЛАВА 6 ВЕЩЕСТВА, ИЗОЛИРУЕМЫЕ МЕТОДОМ МИНЕРАЛИЗАЦИИ Соединения металлов широко применяются в промышленности, сельском хозяйстве и медицине. В организме соединения металлов присутствуют в различных количествах (макро- и микроэлементы). Различают необходимые (эссенциальные, незаменимые) микроэлементы (Cu, Zn, Co, Mn, Mo, Fe) и условно необходимые (V, Ni, Cr ), биологическая роль которых изучена недостаточно. Такое деление является условным, так как в организме могут происходить нежелательные явления как при недостатке, так и при избытке необходимого элемента. При повышенном содержании в организме некоторые элементы проявляют канцеро- (As, Cr, Ni), нефро- (Cd) и терато- (Hg) токсичность. Возможные канцерогены – соединения кадмия, бериллия и платины. 6.1. Общая характеристика ионов металлов Потенциально опасные металлы. В таблице 6.1 представлен список элементов, потенциально опасных даже в следовых количества. Этот список включает большинство этих элементов, которые регулярно циркулируют и воздействуют на биосферу. Таблица.6.1. Потенциально опасные элементы Металл Ионный радиус, нм IP , нм -1 Склонность к поляризации по Мисоно, нм Cr(III) 0,062 48,4 0,226 Mn(II) 0,083 24,1 0,273 Fe(II) 0,078 25,6 0,291 Co(II) 0,075 26,7 0,270 Ni(II) 0,069 29,0 0,252 Cu(II) 0,073 27,4 0,284 Zn(II) 0,075 26,7 0,240 Sr(II) 0,113 17,7 0,202 Mo(VI) 0,042 142,9 0,092 111 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ Ag(I) 0,115 8,7 0,405 Cd(II) 0,095 21,1 0,303 Sb(III) 0,077 39,0 0,254 Hg(II) 0,102 19,6 0,396 Pb(II) 0,118 16,9 0,393 Третья колонка в табл. 6.1 содержит ионный потенциал IP = Z/R, где Z – степень окисления металла. Этот параметр можно использовать для классификации ионов металла по природе их взаимодействия с соседними молекулами воды в разбавленном водном растворе при равновесии с атмосферным CO 2 ( рН 5,6) . Если Z/R < 30, катион металла может быть только сольватирован молекулами воды; если 95> Z/R > 30, то катион металла может быть достаточно сильно отталкиваться от сольватирующей молекулы воды вплоть до гидролиза; если Z/R >95, достаточно сильное отталкивание приводит к образованию оксичастиц. Четвертая колонка в табл. 6.1 содержит параметр Мисоно Y : Y= 10I z R/(I z+1 √Z) (6.1) где I z – потенциал ионизации (но не потенциал иона IP) металла с числом окисления Z, а R – его ионный радиус в нанометрах. Параметр Мисоно представляет собой количественную меру склонности катиона металла к поляризации. Y может использоваться для получения количественного значения при классификации катионов металла на «жесткие» (или класс «а») и мягкие (или класс «b») кислоты Льюиса. Жесткие кислоты Льюиса характеризуются высокой плотностью заряда, высокой электроотрицательностью и низкой способностью к поляризации. Они образуют стабильные комплексы с большим увеличением энтропии и с электростатическим взаимодействием. Мягкие кислоты Льюиса характеризуются низкой плотностью заряда, малой электроотрицательностью и высокой способностью к поляризации. Они образуют стабильные комплексы с уменьшением энтальпии и ковалентным взаимодействием. Жесткие кислоты соответствуют Y<0,25, промежуточные кислоты попадают в интервал 0,25< Y< 0,32, и для мягких кислот Y > 0,32 (Y – в нанометрах). Глобальный перенос следовых количеств потенциально опасных металлов идет через атмосферу и большие реки, несущие воды в океаны. Земля, ложа рек, океаны являются как бы резервуаром для скопления металлов. 112 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ Необходимые ионы металлов. Необходимым для организма считают вещество, при недостатке которого в организме возникают функциональные нарушения, устраняемые путем введения в организм этого вещества. При высоких концентрациях большинство металлов становятся токсичными, причиняют вред организму, иногда необратимый, что ведет к функциональным нарушениям, деформациям, смерти. Перечень ионов металлов, необходимых для организма человека (и животных), представлен в таблице 6.2. Во второй колонке в таблице 6.2 указана форма, в которой данный ион металла находится при рН 7 и может встречаться в плазме крови, пока не соединится с другими лигандами. FeO(OH) и CuO в твердой форме не встречаются в плазме, поскольку как Fe 2+ , так и Cu 2+ образуют комплексы с белковыми макромолекулами. В третьей колонке таблицы 6.2 приводится типичное общее количество каждого из необходимых элементов, присутствующее в норме в организме взрослого человека. Концентрации металлов в плазме приведены в четвертой колонке. Таблица 6.2. Необходимые ионы металлов Ион металла Форма при рН 7 Содержание в организме человека Концентрация в плазме Дневное потребление Na + Na + 100 г 141 мМ 1- 3 г K + K + 140 г 4 мМ 2- 5 г Mg 2+ Mg 2+ 25 г 0,9 мМ 0,7 г Ca 2+ Ca 2+ 1100 г 1,3 мМ 0,8 г Cr 3+ Cr(OH) 2 + 6 мг 0,5 мкМ 0,1 мг Mn 2+ Mn 2+ 12 мг 1 мкМ 4 мг Fe 3+ FeO(OH)↓ 4- 5 г 20 мкМ 10- 20 мг Fe 2+ Fe 2+ 4- 5 г 20 мкМ 10- 20 мг Co 2+ Co 2+ 1 мг 0,5 мкМ 2 мкг Ni 2+ Ni 2+ 10 мг 0,05 мкМ Cu 2+ CuO↓ 0,1 г 19 мкМ 3 мг Zn 2+ Zn 2+ 2 г 46 мкМ 15 мг Ионы металлов участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, входят в состав ферментов и витаминов (таблица 6.3). 113 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ Таблица 6.3. Некоторые функции необходимых ионов тяжелых металлов Элемент Функции Ванадий Фиксация азота; окислительно-восстановительный катализ в превращениях эфиров; метаболизм железа Хром В животных организмах кофактор инсулина (глюкозный фактор толерантности) Марганец Окислительно-восстановительные реакции; фотосистема-2 в фотосинтезе; метаболизм жиров в диатомеях; мукополисахариды, их синтез в хрящах Железо Обратимые реакции Fe(II)/Fe(III), фундаментальные для многих процессов, метаболизм О 2 ; в концевых оксидазах, оксидазах, пероксидазах; необходимо для синтезов порфирина, в гемоглобине, миоглобине Кобальт В составе витамина В 12 ; необходим для метилирования, фиксации азота в сине-зеленых водорослях Никель Содержится в уреазе; стабилизирует структуру РНК и ДНК и структуру рибосом Медь Содержится в окислительно-восстановительных системах хлоропластов (пластоцианин); в аскорбат- и полифенолоксидазе, участвующих в метаболизме фенольных соединений; переносчик О 2 в реакциях сшивания коллагена и в образовании пигментов Цинк Входит в состав 70 Zn-содержащих известных ферментов, включая карбоангидразу, дегидрогеназы, щелочную фосфатазу; участвует в усвоении силикатов, метаболизме нуклеиновых кислот и клеточном делении Молибден В составе нитратредуктазы, альдегидоксидазы; антагонист меди К факторам, влияющим на токсичность соединений металлов, усвоение и их воздействие на организм относятся: 1) химические факторы (химические свойства, окислительно- восстановительные потенциалы, частота воздействия); 2) физические факторы (освещенность, температура, турбулентность в растворах); 3) биологические факторы (размеры, стадия развития, состояние здоровья, акклиматизация). 114 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ В таблице 6.4 и 6.5 приведено количественное содержание некоторых микроэлементов в органах, тканях и биологических жидкостях человека. Таблица 6.4. Содержание некоторых элементов в органах и тканях Элемент Содержание, мг/кг печень почки мышцы кости волосы Висмут 0,005 0,3-0,5 0,032 0,2 2 Кадмий 0,3-4,1 13-85 0,14 -3,2 1,8 0,35-2,43 Марганец 0,5-5,0 0,56 0,5-2,1 0,2-1,0 0,2-4,4 Медь 2,5-(9,9) 35 1,07-4,19 10 1-26 7,5-39(80) Мышьяк 0,001- 0,053 - 0,009-0,65 0,08-1,6 0,005-0,5 Ртуть 0,14-1,3 - 0,02-0,7 0,45 0,5-1,5 Свинец 0,05-2,5 - 0,23-3,3 3,6-250 0,05-52 Серебро 0,005- 0,02 - 0,009-0,28 0,001-0,44 0,005-0,02 Сурьма 0,2 (0,36) 0,09 (0,3) Таллий 0,0005- 0,002 - 0,07 0,002 0,02 Хром 0,001- 0,002 0,06 0,024-0,84 0,1-33 0,15-1,5 Цинк 15-150 17-62 240 75-170 50-400 Таблица 6.5. Содержание некоторых элементов в биологических жидкостях Элемент Содержание, мг/л Токс. доза, мг Летал. доза, г кровь Плазма Моча Висмут 0,001-0,05 0,001 - - - Кадмий 0,003-0,009 0,0001- 0,0015 0,002 3-300 1,5-9 Марганец 0,0016-0,75 0,0003-0,1 0,015 40 - 115 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ Медь 0,8-1,3 0,8-1,5 0,025 ›250 - Мышьяк 0,0017-0,023 0,0017- 0,0154 0,01- 0,03 5-50 0,05-0,34 (As 2 O 3 ) Ртуть 0,003-0,011 0,02-0,058 0,002 0,4 0,15-0,3 Свинец 0,008-0,269 - 0,025 1 10 Серебро 0,003-2,7 0,002 0,004 - - Сурьма 0,0002 0,00014- 0,001 0,001- 0,01 Таллий ,00005-0,0005 0,0002-0,001 0,00025 - 0,6 Хром 0,0007- 0,0028 0,0001- 0,0002 0,0005 200 ›3 Цинк 4-8,6 0,55-1,3 0,25 150-600 6 Границы естественного содержания элементов в органах и тканях человека значительно колеблются. Например, при некоторых заболеваниях (цирроз печени) содержание меди в печени возрастает в 2– 15 раз, в головном мозге в 4–8 раз. У маленьких детей до 5 лет содержание меди в печени достигает 2,4 мг в 100 г. В группу токсикантов, изолируемых методом минерализации входят соединения тяжелых металлов (ртуть, свинец, марганец, хром, серебро, медь, висмут, цинк, кадмий, таллий), барий (плотность 3,74 г/см 3 ), а также некоторые неметаллы (сурьма и мышьяк). Эти вещества входят в перечень веществ для обязательного исследования при подозрении на отравление неустановленным ядом. Токсикологическое значение имеют и соединения бериллия, ванадия, железа, кобальта, никеля, лития, молибдена, олова, селена, теллура и др. Исследование на эти «яды» проводят при расширенном общем анализе в зависимости от клинической и секционной картины, результатов гистологического и гистохимического исследования, особенностей течения некоторых реакций, а также при наличии методических и технических возможностей. 6.2. Пути поступления, распределение и выведение «металлических» токсикантов из организма Соединения металлов широко применяются в промышленности и быту, что обуславливает их появление в объектах окружающей среды (вода, воздух, почва), растениях и организме животных. В организм 116 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ человека соединения металлов поступают через ЖКТ, органы дыхания и кожу. После всасывания в кровь соединения элементов распределяются по органам и тканям. Всасывание, распределение в тканях и выделение металлов из организма осуществляется в результате проникновения их через множество пограничных поверхностей: слизистой ЖКТ, эпителия верхних дыхательных путей и альвеол, эндотелия сосудов и других биомембран. Основным источником поступления элементов в кровь является кишечник, так как ионные формы элементов плохо всасываются из желудка. Диффузия и активный транспорт являются основными механизмами переноса различных форм элементов через слой эпителиальных клеток кишечника. Интенсивное поступление соединений некоторых металлов в организм через дыхательные пути объясняется большой площадью внутренней поверхности легких (около 60 м 2 ). Всасывание соединений металлов в ЖКТ происходит в разных отделах и в неодинаковой степени, но преимущественно в верхнем отделе тонкого кишечника. Многие металлы мало или почти не абсорбируются в пищеварительном тракте, т.к. образуют плохо растворимые соединения. Всасывание кадмия в ЖКТ менее 30%. Всасывание зависит от формы, в виде которой металлы поступают в организм: хорошо всасываются соединения металлов из пищи, где они находятся в виде комплексов с органическими соединениями. Превращения. В ЖКТ соединения металлов подвергаются различным превращениям. В желудке соединения свинца под действием HCl желудочного сока превращаются в хлориды. В толстом кишечнике образуются сульфиды, например, PbS. Элементы с переменной степенью окисления подвергаются в организме восстановлению: As(VI) восстанавливается до As(III), который более токсичен; Cr(VI) до Cr 3+ , дающий комплексы с белками. Транспорт. Соединения металлов переносятся кровью и тканевой жидкостью в различном состоянии. Хорошо растворимые соли металлов находятся в крови в виде ионов. В ионной форме циркулирует в крови значительная часть Mn, Pb, Hg. Некоторые металлы находятся в связанном состоянии с биокомплексонами. Многие металлы накапливаются в клетках крови, главным образом, в эритроцитах. В эритроцитах находится почти весь мышьяк, значительная часть селена, свинца. Длительность циркуляции в крови определяется формой, в которой находится металл. Свободные ионы быстро удаляются из крови, дисперсные коллоидные комплексы циркулируют в кровяном русле значительно дольше. 117 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ Распределение. Различают две группы элементов по распределению их в организме: 1. Распределяющиеся в мягких тканях (As, Hg, Sb, Cd, Bi, Zn, Fe, Se, Au, Ag). 2. Локализующиеся в костях (Be, Pb, Ba и др.). Распределение элементов по органам и тканям определяется физико-химическими свойствами образующихся соединений. Крупные коллоидные частицы захватываются ретикулоэндотелиальной системой печени, почек, костного мозга, где они временно задерживаются. Более прочным депо является скелетная система, где оказываются металлы, поступающие в виде хорошо растворимых и полностью диссоциирующих соединений. Избирательное накопление металлов в некоторых органах объясняется содержанием лигандов, с которыми металлы образуют комплексы. Таким органом для ртути, кадмия и таллия являются почки, белки которых богаты SH-группами. Железы внутренней секреции содержат также много металлов, что связано с интенсивным кровоснабжением желез. Распределение ртути в организме зависит от пути ее введения: при остром пероральном отравлении небольшие количества ртути содержатся в желудке и печени, при хроническом отравлении большие количества находят в почках, при отравлении парами ртути – в ткани мозга. Выделение металлов из организма происходит в основном через ЖКТ и почки. Наиболее быстро выделяются металлы, находящиеся в организме в ионной форме, затем лабильно связанные и, в последнюю очередь, фракция металлов, образующих прочные комплексы. Путь преимущественной элиминации резорбированного металла через почки или ЖКТ в определенной степени зависит от формы его циркуляции и депонирования. Металлы, находящиеся в крови в молекулярно- дисперсном состоянии, в виде ионов или в виде слабых комплексов, выделяются преимущественно с мочой. Многие тяжелые металлы, в том числе Pb, Mn, Hg и др., частично циркулируют в крови и тканевой жидкости в виде ионов и слабых комплексов и образуют в тканях лабильные соединения. Поэтому другие металлы, выделение которых происходит, в основном, через ЖКТ, частично элиминируются и через почки. На примере радиоактивных изотопов установлено, что металлы, откладывающиеся в печени, характеризуются низким выделением с мочой и высоким через кишечник. К основным объектам, содержащим соединения металлов относятся кровь, моча, волосы. Волосы обычно исследуют при хронических отравлениях соединениями мышьяка, таллия и др. 118 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ Лечение при отравлении соединениями металлов включает как прием антидотов, так и комплекс методов естественной (промывание желудка и кишечника) и искусственной (гемодиализ, гемосорбция и др.) детоксикации организма. В качестве антидотов используют хелатообразующие лекарственные средства (унитиол, ЭДТА, диэтилдитиокарбамат, пеницилламин, димеркаптоянтарная кислота и др.) 6.3. Взаимодействие ионов металлов с белками, пептидами и аминокислотами Обнаружение и определение «металлических» ядов производится после минерализации исследуемых объектов. Использование минерализации объясняется тем, что ионы металлов взаимодействуют с белками, пептидами или аминокислотами и образуют с ними довольно прочные комплексов. Ионы металлов в них находятся в связанном состоянии и не могут быть обнаружены, а значит и определены без предварительной минерализации химическими и спектральными методами. Прочность образующихся комплексов зависит от природы металлов, наличия функциональных групп в молекулах белков, пептидов и аминокислот, а также природы связи в образующихся соединениях. Аминокислоты относятся к амфотерным соединениям. В кислой среде они находятся в виде катионов, в щелочной среде – в виде анионов: H + OH - H 3 N + -R- COOH ← NH 2 -R- COOH → H 2 N-R-COO - + H 2 O (6.2) Аминокислоты взаимодействуют с ионами металлов с образованием прочных химических соединений, причем, ионы металлов взаимодействуют как с аминогруппой, так и карбоксильной группой, а также образуют ковалентную связь с тиольными группами. При этом образуются прочные комплексные соединения металлов: HS COOH NH 2 цистеин + Me 2+ S HN O O Me + 2H + (6.3) 119 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ С ионами металлов взаимодействуют концевые амино- и карбоксильные группы, а также боковые функциональные группы аминокислот (-SH, -NH 2 , -COOH ). Большой способностью связывать ионы металлов обладает гистидин, содержащий имидазольное кольцо. Связи пептидов (продукты конденсации двух или нескольких аминокислот) с катионами металлов менее прочные, т.к. в атомах азота уменьшаются электронодонорные свойства (атомы азота участвуют в образовании пептидной связи -NH-CO-). Пептиды, содержащие более 10 остатков аминокислот, называются полипептидами, их молекулярная масса достигает 6000. Полипептиды с большей молекулярной массой – это белки, которые составляют до 75% сухой массы клеток. В состав белков входят около 60 аминокислот, связанных между собой пептидными (амидными) связями. С белками металлы связываются в основном за счет боковых реакционоспособных функциональных групп (-COOH, -SH, -OH, -NH 2 ), так как число концевых групп в молекулах белков незначительно. К белкам, для которых характерно специфическое связывание с металлами относятся трансферрин (Fe 3+ , Mn 2+ , Al 3+ ), ферритин (Cd 2+ , Zn 2+ , Be 2+ ), цероплазмин (Сu 2+ ). Неспецифическое связывание многих металлов (Pb 2+ , Bi 3+ , Hg 2+ и др.) характерно с альбумином и гемоглобином. В организме металлы могут образовывать прочные связи и с другими соединениями. К таким соединениям относятся нуклеиновые кислоты, пурины, рибофлавин, птеридин и др. |