лекции токсикхим. Лекция Предмет, разделы и задачи токсикологической химии. Пищеварение и метаболизм посторонних веществ ядов. Вещества, которые изолируются минерализацией биологического материала (металлические яды)
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
Токсикологическая химия -- это наука, изучающая методы выделения, очищения, обнаружения и количественного определения ядовитых и сильнодействующих веществ, а также их метаболитов в объектах различнойприроды: биологическом материале животного и растительного происхождения, выбросах промышленных предприятий в виде стоковых вод, выбросов в атмосферу и на почву, в сельскохозяйственной продукции и др. Задание токсикологическойхимии: 1. Разработка новых методов анализа ядов и их метаболитовв разнообразных объектах, а также усовершенствование существующих методов. 2. Разработка эффективных метедов очистки вытяжек, полученных из объектов при xимико-токсикологическоманализе. 3. Внедрение в практику xимико-токсикологическогоанализа новых чувствительных и специфических реакций и методов (хроматографии, спектроскопии и др.) выявления токсичных веществ, выделенных из соответствующихoбъектов. 4. Разработка и внедрение в практику химико-токсикологического анализа чувствительных методов количественного определения токсичных веществ. 5. Изучение метаболизма токсичных веществ в opraнизмеи разработка методов анализа метаболитов. Xимико-токсиколгический анализ -- это совокупность научно обоснованных методов, которые применяются на практике для выделения, обнаружения и количественного определения токсичных веществ. Целью химико-токсикологического анализа разнообразных объектов является предоставление помощи: суду и следствию в делах расследования убийств или несчастных случаев; медицинской службе в спасении жизни людей; экологической службе в бopьбе за чистоту воды, земли, еды, воздуха, который влияет на здоровье людей. В настоящий момент продукты питания (овощи, молоко) исследуют на наличие ядо-xимикатов. Разделы токсикологической химии В зависимости от избранных для анализа объектов и вопросов, которые необходимо решить в ходе анализа, можно выделить такие разделы: 1. Судебная химия изучает методы исследования в биологическом материале ядовитых веществ, которые вызывали гибель человека, а также разных вещественных доказательств (средства убийства, деньги, ценности, одежда -- все, что используется в ходе расследования дела). 2. Лабораторный експресс-анализ острых интоксикаций рассматривает методы исследования ядовитых веществ в биологических веществах живых людей с целью предоставления помощи врачу в их спасении. 3. Анализ остаточныхколичеств пестицидов вивчае методы исследования ядовитых веществ в воде, земле, едес целью предотвращения заболеваний и гибели людей. 4. Санитарно химический анализ уделяет внимание методам исследования ядовитых веществ в воздухе заводов, фабрик с целью предотвращения профессинальных заболеваний людей. Объекти химико-токсикологического анализа можно разделить на такие группы: 1. Объекты, изъятые из трупов лиц, которые умерли в результате отравлений (ткани и органы трупов, биологического вещества, -- кровь, моча, рвотные массы и др.). 2. Объекты, взятые у живых лиц, которые употребили несмертельные дозы ядовитых веществ (кровь, моча, промывные воды желудка, рвотные и каловые массы). Перечислены выше объекты химико-токсикологического анализа - биологический материал. 3. Объекты, которые могли быть причиной отравлений (пищевые продукты, вода, напитки, части растений, медикаменты, разнообразные химические вещества, воздух жилищных и рабочих помещений, в которых находились потерпевшие до отравлению). 4. Части одежды, пятна, на одежде, флаконы из-под лекарств, посуда, из которой были употреблены ядовитые вещества, и другие объекты, а также предметы, которые сохранили на cебе следы преступлений. ЯДЫ И ИX КЛАССИФИКАЦИЯ Яды - это соединения, которые при определенных условиях (избыточная доза, изменение реактивности организма и др.) могут вредно повлиять на людей и животных, в нарушая жизненно важные функции организма, вызывая патологические изменения, а в ряде случаев и смерть. Яды разделяются на две группы: общие, основанные на любом общем принципе оценки, что подходит для всех химических веществ, и специальные, которые отображают связь между отдельными физико-химическими и другими свойствами веществ и проявлениями их токсичности. Общие классификации ядов: химическая -- по химическому строению (органические, неорганические и елементоорганические вещества); практическая -- по цели применения (промышленные яды, ядохимикаты, лекарственные средства, бытовые химикалии, биологические, яды растительного и животного происхождения и боевые ядовитые вещества); гигиеническая -- по ступени токсичности (чрезвычайно токсичные, высокотоксичные, умеренно токсичные, малотоксичные); токсикологическая -- по виду токсичности действия (нервно-паралитическая, кожно-резорбтивная, общетоксическа, слезоточивая и раздражающая, психотическая); за «избирательной токсичности» -- сердечные, нервные, печеночные, почечные, кровяные и желудочно-кишечные яды. Специальные классификации ядов: патофизиологическая-- по типу развивающейся гипоксии; патохимическая-- по механизму взаимодействия с ферментными системами; биологическая -- по характеру биологического следствия отравлений; канцерогенная -- по ступени канцерогенной активности. КЛАССИФИКАЦИЯ ЯДОВ В XИMИKO-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОМAHAJIИЗЕ Классификация ядов основана на методах изолирования ядов из биологического материала: 1. «Летучие» яды -- вещества, которые изолируются путем перегонки с водяной парой (спирты, фенолы, альдегиды, галогенсодержащие углеводороды). 2. «Металлические» яды -- вещества, которые изолируются методом минерализации биологического материала (цинк, марганец, ртуть). 3. Лекарственные яды -- вещества, которые изолируются полярными растворителями (подкисленной водой или спиртом), -- барбитураты, алкалоиды и др. 4. Пестициды (ядохимикаты) -- вещества, которые изолируются органическими растворителями (хлоро- и фосфорсодержащие ядохимикаты). 5. Вещества, которые изолируются методом экстракции водой, -- некоторые соли, щелочи, кислоты. 6. Вещества, которые изолируются особенными методами, -- фториды. 7. Вещества, которые анализируются без изолирования, -- угарный газ, сероводород. Токсикологическая характеристика и методы выделения металлов. Дробный метод анализа для осадка в минерализата. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГРУППЫ «МЕТАЛЛИЧЕСКИХ» ЯДОВ Вещества, объединенные в группу «металлические» яды, содержат в coбе соединения бария, кобальта, таллия, марганца, хрома, цинка, серебра, свинца, кадмия, меди, висмута, ртути, олова, а также мышьяка и сурьмы. Соединения металлов распространены в природе входят в состав организма человека (Мn, Сu, Со и другие, является биогенными). Метали и их соединения нашли широкое применение в народном хозяйстве: производстве металлических сплавов, стекла, керамики, лаков, краски, резины, химических реактивов, в сельском хозяйстве как пестициды (барию хлорид, гранозан, меди сульфат и др),в медицине как лекарственные препараты (бария сульфат, калия перманганат, серебра нитрат, осарсол и тому подобное). Причины отравлений «металлическими» ядами: — неправильное использование медной, оцинкованной, кадмированной посуды при хранении пищевых продуктов; — попадание мелкодисперсних частиц при обработке металлов; — попадание в еду при обработке растений пестицидами, которые содержат «металлические» яды; — медикаментозные отравления (неправильное хранение, передозировка). ОСНОВНЫЕ 3AKОHОMЕPHОCTИ ПОВЕДЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ Изучение закономерностей поведения соединений металлов в организме необходимо для правильного выбора метода изолирования, для определения объектов исследования и времени удерживания в них ядов. Пути поступления в организм «металлических» ядов: 1) ЖКТ (через рот в желудочно-кишечный тракт); 2) органы дыхания (характерное для летучих соединений: сурьмянистого водорода, сурьмы сульфида, ртути и их соединений, мелкодисперсного состояния веществ); 3) сквозь кожу (препарата ртути, таллия, кадмия); 4) сквозь плаценту и слизевые оболочки (мышьяк). Всасывание ионов металлов больше всего происходит в верхнем отделе тонкого кишечника. Некоторые соединения металлов не всасываются в ЖКТ в связи с их малой растворимостью, например барию сульфат. Металлы могут присутствовать в крови в ионном виде (тогда происходит активный транспорт) или в виде комплексов (возможно неактивное всасывание). В процессе метаболических превращений «металлические» яды в организме поддаются окислению, восстановлению, конъюгации, гидролизу. Распределяются металлы в желудке, кишечнике, печени и почках. Для большинства металлов характерно накопление в мягких тканях, особенно в тех, что богатые сульфогидрильними группами (печень, почки); кроме того, cеpебрo накапливается в коже, а свинец, бaрий, кадмий, мышьяк — в плоских костях. Имеет значения характер отравлений. Так, мышьяк, ртуть при острых отравлениях оказываются в почках, печени, при хронических — в ногтях, волосах, костях. Выделяются из организма метали в основном почками (с мочой), ЖКТ (через кишечник), некоторые из них (мышьяк, ртуть) — потовими и молочными железами. Токсическое действие обсловлены тем, что катионы металлов связываются с аминокислотами, пептидами и белками организма, образовывая при этом крепкие комплексы за счет реакционноспособных функциональных групп (— SH, — NH2, — СООН, — ОН). Токсичное действие отдельных «металлических» ядов: марганец — протоплазматический яд, поражает ЦНС, почки, легкие, органы кровообращения; хром — нефротоксическое, прижигающее действие, блокирует ряд ферментов; серебро — прижигающее действие, поражает ряд капилляров; медь — нейро-, гемо-, нефротоксическое, местное прижигающее действие; цинк — ентеротоксична действие; висмym — метгемоглобинобразующее, нейро-, гепатотоксическое действие; ртуть — нейро-, нефротоксическое действие; мышьяк — повышает проницаемость и влечет паралич капилляров; вызывает гемолиз, блокирует тиоловые ферменты; таллий — протоплазматична яд; нейротоксичное действие; барий — повышает проницаемость клеточных мембран и капилляров (смерть от сердечно-сосудистой недостаточности); свинец — нефротоксическое действие; блокирует ряд ферментов. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ МИНЕРЛИЗАЦИИ Выбор объекта химико-токсикологического анализа на «металлические» яды зависит от их распределения и депонирования в органах и тканях. При ненаправленном анализе на все «металлические» яды берут желудок с содержанием, тонкую и толстую кишки с содержанием, печень, почки, мочу, селезенку. При направленном анализе на некоторые «металлические» яды дополнительно к вышеназванным объектам добавляют: — прямую кишку, волосы (соединения ртути); — плоские кости (соединения свинца); — плоские кости и волосы (соединения таллия); — волосы, ногти, плоские кости (соединения мышьяка); — мозг, легкие (тетраэтилсвинец). Подготовка объекта к минерализации. Выбранные объекты измельчают отдельно и подвергают исследованию. Жидкие объекты, например мочу, измеряют. Если объект консервирован этиловым спиртом (применение с этой целью формальдегида или фенола не допускается), его слабо подщелачивают натрия карбонатом (для разложения летучих мышьяка и ртути хлоридов), помещают в фарфоровую чашку и спирт отгоняют на водяной бaні при температуре не выше 50°С. Навеска зависит от общего веса объекта исследования, обстоятельств дела и других факторов. Например, если известно, что пострадавший жил после отравления достаточно длительное время, в течение которого происходило выделение употребленного вещества, или есть данные на малую дозу такого вещества, необходимо брать наибольшее количество объекта, а если такие указания отсутствуют, в большинстве случаев берут по 100граммов органов. При малых количествах объектов появляется необходимость в использовании для минерализации также остатков после дистилляции с водяным паром, избыток воды удаляют осторожным выпариванием на водяной бане. Параллельно с проведением минерализации исследуемого объекта иногда возникает необходимость в «слепом» опыте для контроля чистоты реактивов. Необходимость минерализации объектов исследования при изолировании «металлических» ядов вызвана тем, что катионы металлов способны вступать в соединение с белками, аминокислотами, пептидами, и образовывать с ними достаточно стойкие комплексы. Метали в таких комплексах находятся в связанном состоянии и не могут быть обнаружены без предворительной минерализации биологического материала. Минерализация представляет собой окисление (сжигание) органического вещества, которое является объектом исследования, с целью разрушения комплексов металлов с белками, после чего «металлические» яды переходят в раствор в ионном состоянии. Существуют методы «сухой» и «мокрой» минерализации. К методам «мокрой» минерализации относится жидкофазное окисление смесями кислот (серной и азотной; серной, азотной и хлорной), к «сухой» минерализации — сжиганию, сплавления с содой и селитрой. Методы минерализации можно разделить на общие и частичные. К общим методам обычно относят минерализацию с помощью кислот. Методы «сухой» минерализации применяются главным образом как частный. До частных методов принадлежит также деструктивная минерализация, которая необходима для изолирования неорганических соединений ртути. Наиболее широкое применени приобрел метод минерализации смесью серной и азотной кислот, за рубежом также широко используется метод минерализации смесью серной, азотной и хлорной кислот. Оба метода характеризуются относительной скоростью, полнотой разрушения органических веществ, позволяют получить достаточно малые объемы минерализата. Недостатком этих методов является значительная потеря ртути из-за летучести их соединений. Kpоме того, метод с использованием смеси серной, азотной и хлорной кислот, которые являются экспрессным, взрывоопасный. Методы «сухой» минерализации используют в качестве частного при исследовании на некоторые «металлические» яды (серебро, свинец, марганец, цинк) в небольших навесках объектов (волосы, кожа). Однако здесь тоже теряются соединения ртути. МИНЕРАЛИЗАЦИЯ СМЕСЬЮ СЕРНОЙ И АЗОТНОЙ КИСЛОТ В колбу Къельдаля вместимостью 500—800мл вносят 100граммов измельченного биологического материала, добавляют 75мл смеси, которая состоит из равных объемов концентрированных азотной и серной кислот и воды. Над колбой Къельдаля закрепляют делительную воронка, которая содержит концентрированную азотную кислоту, разведенную равным объемом воды, нагревают с помощью газовой горелки. В начале минерализации концентрированная серная кислота играет роль водоотнимающего средства, нарушает структуру клеток и тканей. При повышении температуры (выше 110 °С) и концентрации (до 60—70%) серной кислоты она ведет себя как сильный окислитель и разлагается с выделением серы (ІV) оксида: Азотная кислота в начале минерализации выступает слабым окислителем. С образованием азота оксидов и азотистой кислоты, а также с повышением температуры она ведет себя как сильный окислитель. В процессе минерализации образуется определенное количество нитрозилсерной кислоты, которая мешает выявлению некоторых металлов При нагревании ароматических веществ со смесью серной и азотной кислот начинаются нежелательные побочные процессы нитрирования исульфирования, которое осложняет минерализацию. Предварительное разведение водой серной и азотной кислот перед минерализацией значительно уменьшает степень нитрирования и сульфирования. Минерализация происходит в две стадии. На первой стадии, которая называется деструкцией, разрушается структура биологического материала под воздействием кислотокислителей (без полного разрушения органических веществ), а также комплексы металлов с белками, в результате чего металлы переходят в раствор-деструктат в виде ионов. В деструктате также находятся продукты разложения органических веществ: белковые молекулы, пептиды, аминокислоты, липиды инекоторые другие вещества, которые входят в состав тканей организма. Стадия деструкции заканчивается через 30—40 мин ипроходит при слабом нагревании. Деструктат представляет собой тяжелую прозрачную жидкость, которая имеет желтоватый или бурый цвет. На второй стадии минерализации происходит полное разрушение органических веществ. Эта стадия более длительна (лимитируется временами разрушение жиров), проходит при большем нагревание (колбу Къельдаля помещают на асбестовую сетку) и с добавлением каплями азотной кислоты. Минерализацию считают законченной, когда после прекращения добавления азотной кислоты при нагревании колбы начнут выделяться белые пары серной кислоты ине происходит почернения минерализата. Денитрация Денитрация — процесс освобождения минерализатов от азотной, азотистой, нитрозилсерной кислот и азота оксидов. Эти вещества являются окислителями, которые мешают последующему анализу на «металлические» яды. Разработаны разнообразные методы денитрации. Гидролизный метод (применяется на первых этапах) основан на разведение минерализатов водой с последующим нагреванием полученных жидкостей. При этом «летят» азотная и азотистая кислоты, азоту окислы, а нитрозилсерная кислота поддается гидролизу: Метод длительный, требуется 15—17 час. Для денитрации минерализатов были предложены восстановители (мочевина, натрию сульфит, формальдегид). Наилучшим реагентом является формальдегид, поскольку разрушение окислителей происходит быстро (1—2 хв), а избыток восстановителя легко удаляется кипячением в течение нескольких минут. Xимизм процессов, которые происходят, такой:  Для разрушения нитрозилсерной кислоты предварительно минерализат разводят водой и нагревают до 110°С, а затем добавляют формалин. Проверку полноты денитрации делают по реакциии с дифениламином. При наличии окислителей появляется синяя окраска:  Необходим «слепой» опыт, потому что в серной кислоте (в которой растворяют дифениламин для опыта) может содержаться азотная кислота. По внешнему виду минерализат в большинстве случаев являет собой бесцветную, прозрачную и достаточно тяжелую жидкость. Иногда минерализат бывает окрашенный в желтоватый — за счет катионов железа (ІІI), которое входит в состав тканей организма, зеленоватый — при наличии хрома (III) или голубоватый (за счет меди (II)) цвета. Достаточно часто минерализат содержит осадки: белый — за счет свинца, бария или кальция сульфатов, или грязно-зеленый — за счет соосадження хрома (III) сульфата. 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДРОБНОГО МЕТОДА АНАЛИЗА. ПРИЕМЫ «МАСКИРОВКИ» МЕШАЮЩИХ ИOHОB В химико-токсикологическом анализе для обнаружения ионов металлов в минepaлизaтax применяются систематический ход анализа и дробный метод. Систематический ход анализа (кислотный или сероводородный) основан на последовательном распределении катионов на аналитические группы, подгруппы и выделенные отдельных ионов из подгрупп. Систематический метод длителен, опасен, связан с большими потерями ядов, потому его практически вытеснил из практики химико-токсикологического анализа дробный метод. Дробный метод основывается на использовании реакций, с помощью которых в любой последовательности можно обнаружить ионы металлов в отдельных небольших порциях исследуемого раствора. Дробний метод быстрый, чувствительный, позволяет определить «металлические» яды без предыдущего отделения их одна от другой. Основателем дробного метода анализа является М. А. Тананаев, большая заслуга в разработке методик дробного метода и внедрения их в практику химико-токсикологического анализа принадлежит О. М. Криловой. В основе дробного метода лежат такие приемы: — замена осаждения жидкофазними реакциями комплексообразования с последующими экстракцией и реэкстракцией; использование наиболее чувствительных и специфических реакций (например, на марганец — окисления до перманганат-иoнов, на хром — образование надхромовых кислот и тому подобное); — при недостаточной специфичности реакций сначала проводят предварительную пробу, потом — подтверждающие исследование; — «маскировка» ионов, которые мешают анализу, при этом устраняют влияние ионов как естественных, так и введенных к организму. |