Тема 9,11 – Группа веществ, изолируемых из биологических объектов минерализацией. Экология окружающей среды и распространенность отравлений соединениями тяжелых металлов и мышьяка. Общая характеристика группы. Физико-химические свойства и механизмы токсичности. Вопросы токсикокинетики (всасывание, распределение, выведение).
Цель: Ознакомление студентов с группой веществ, изолируемых из биологических объектов минерализацией их свойствами и механизмами токсичности.
Задачи обучения: сформировать у студентов знания о токсичности «металлических ядов».
Форма проведения: углубленное изучение темы и групповое обсуждение с презентацией.
Задания по теме: презентация по теме
1. Характеристика группы веществ, изолируемых из биологических объектов минерализацией
2. Токсикокинетика металлических ядов: всасывание, распределение, выведение.
Раздаточный материал
Механизмы токсичности металлов. Токсическое воздействие неорганических веществ проявляется как общими неспецифическими, так и специфическими признаками. Имеется много общего в механизмах токсичности разнообразных металлических токсикантов. Прежде всего это касается механизмов транспорта металлов. Для проявления токсических свойств ион металла должен пересечь биологическую мембрану и проникнуть внутрь клетки. Если элемент находится в химической форме, растворимой в липидах (например, мышьяк или ртуть в виде алкильных производных), то диффузия через липидные слои клеточной мембраны происходит беспрепятственно. При связывании металла с белком, например кадмия с металлотионеином, металл попадает в клетку путем эндоцитоза, включающего пиноцитоз и фагоцитоз. Некоторые ионы могут транспортироваться в свободной форме (например, ионы свинца) через кальциевые каналы. Транспорт ионов может осуществляться в виде комплексов с эндогенными лигандами по специфическим транспортным системам, предназначенным непосредственно для их переноса. Токсичные элементы, как и избыточные количества необходимых элементов, могут вызывать необратимые смещения динамических равновесий в биологических системах, приводящие к развитию патологии или к смерти. Повреждающее действие химического агента проявляется на различных структурных уровнях, начиная с молекулярного. Наиболее важными аномальными эффектами неорганических веществ на молекулярном уровне являются ингибирование ферментов, необратимые конформационные изменения макромолекул (белков, нуклеиновых кислот) и как следствие изменение скорости биосинтеза, биотрансформации, а также возникновение мутаций. Действие неорганических ядов на молекулярном уровне вызывает изменения на клеточном уровне, которые выражаются в дефиците жизненно важных метаболитов, нарушении структуры и проницаемости клеточных мембран. Механизмы токсичности ионов металлов в биосредах во многом определяются их химической формой, в которой токсичный элемент имеет характерную степень окисления. Зависимость токсичности соединения от степени окисления элемента при различных значениях рН физиологических сред демонстрируют диаграммы рН — потенциал. Механизмы токсичности ионов металлов определяются также процессами комплексообразования. Существует несколько видов взаимодействия металла с белком. Роль переносчиков играют также аминокислоты и пептиды, образующие комплексные соединения с ионами металлов. Токсичность металлов проявляется при их взаимодействии с клеточными мишенями. Такими мишенями чаще всего являются молекулярные структуры, участвующие в специфических биохимических превращениях, и мембраны субклеточных структур. Токсичные металлы могут разрушать структуру и функцию ряда органелл. Многие металлы канцерогенны для людей и животных. Различные химические формы мышьяка, соединения хрома (VI), никеля (II) известны как канцерогены человека; соединения бериллия, кадмия, платины — возможные канцерогены. Канцерогенность может быть связана с процессами взаимодействия иона металла с ДНК клеток. Токсичность металлов может проявляться нарушением функций органов и систем. Нервная система является мишенью практически для всех токсичных металлов, особенно для органических производных металлов. Есть данные, свидетельствующие о токсическом действии металлов на репродуктивную систему человека, поскольку мужские и женские репродуктивные органы находятся под сложным нейроэндокринным контролем. При профессиональном воздействии металлической пыли дыхательная система становится одной из главных мишеней токсичности.
Молекулярными мишенями воздействия ионных или атомных форм металлов служат:
• гемсодержащие белки и ферменты:
• системы пероксидного и свободнорадикального окисления липидов и белков;
• системы антиоксидантной зашиты;
• ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ;
• белки клеточных мембран и ионные каналы мембран.
Факторы, влияющие на токсичность металлов:
• способность токсиканта конкурентно взаимодействовать с эссенцнальными элементами;
• способность к образованию металл-белковых комплексов с различными кинетическими и
термодинамическими характеристиками;
• возможность длительного воздействия на структуру-мишень:
• наличие различных химических форм металла;
• состояние иммунного статуса организма.
Токсические эффекты металлов обусловлены несколькими механизмами действия.
Рис. 1. Распределение металлических ядов после поступления в организм.
Литература
1. Токсикологическая химия: метаболизм и анализ токсикантов: учебное пособие + СD/ под ред. Н.И. Калетиной. – М., 2008. – 1016 с. Переплет.
2. Токсикологическая химия: учебник / под ред. Т.В. Плетеневой. – 2-ое изд. – М., 2008. – 512 с. Переплет.
3. Лужников Е.А. Клиническая токсикология. -М.,"Медицина", 1994. –189с.
4. Крамаренко В. Ф. Токсикологическая химия / В. Ф. Крамаренко. - Киев, «Высшая школа», 1989.- 272с.
Контрольные вопросы
1. Общая характеристика группы веществ.
2. Токсичность. Вопросы токсикокинетики.
3. Физико-химические свойства и механизмы токсичности.
4. Вопросы токсикокинетики «металлических ядов»:
a) всасывание,
b) распределение,
c) выведение.