Современные яды: Дозы, действие, последствия

Колок Алан

Глава 9

Металлы: дар и проклятие

 

 

В предыдущей главе мы рассматривали природные яды, которые синтезируются живыми организмами ради определенной цели. Большинство оставшихся глав этой книги посвящены химическим веществам антропогенного происхождения, которые могут отрицательно влиять как на окружающую природную среду, так и на здоровье человека. Эти вещества могут быть природными соединениями, изменяемыми в результате человеческой деятельности; продуктами синтеза или очистки; побочными продуктами такого синтеза или конечными продуктами использования каких-либо веществ человеком (например, сжигания ископаемого топлива).

Если рассматривать различные классы веществ, которые очищает или синтезирует человек, по ряду причин будет логичным начать с металлов. Первая причина – историческая, так как металлы были одними из первых веществ, которые древние цивилизации научились добывать, очищать и обрабатывать. Вторая причина – их простота. Металлы в своей наиболее биоактивной форме – одиночные атомы или ионы (в водном растворе). Поэтому с химической точки зрения они являются самыми простыми из токсичных веществ.

Почему же металлы исторически имели столь большое значение? Металлы как промышленное сырье обладают большой эластичностью и ковкостью: их можно вытянуть в проволоку или расплющить в тонкий лист. К тому же они хорошо проводят тепло и электричество. Металлы позволили древним цивилизациям достичь такого уровня ремесел, который был невозможен при использовании дерева или камня. Из металла, в отличие от дерева, камня или глины, можно создавать изделия самой разной формы. Более того, ценность металла никогда не падает, потому что, даже если сосуд помнется или у меча отломится кончик, их всегда можно переплавить и сделать новую вещь. Выражение «перековать мечи на орала» на самом деле имело буквальный смысл задолго до того, как стало идиомой. Металлургия изменила древнюю историю так же, как современную историю изменила органическая химия. Удобные в обращении и пригодные для вторичной переработки металлические изделия проникли во все сферы жизни и решили множество проблем, мучивших человечество на протяжении многих поколений.

К несчастью, оказалось, что металлы, которые использовались человеком для производства различных предметов и орудий, могут быть токсичными при неправильном обращении; поэтому за развитие методов их очистки и переработки пришлось заплатить свою цену: увеличением частоты случаев отравления ионами металлов. Возьмем, к примеру, истории свинца, вина и концентрированных сахаров в Римской Империи. 2000 лет назад римляне предпочитали сладкие и крепкие вина. Так как концентрированный сахар был в то время редкостью, вина подслащивали медом или сгущали кипячением, в результате которого они превращались в сладкий сироп – сапу. Сапу делали в плоских покрытых свинцом сосудах, и при этом процессе также образовывался ацетат свинца – сладкий на вкус нейротоксин. Поэтому, хотя использование таких сосудов удовлетворяло потребность в концентрированных сахарах, одновременно оно совершенно очевидно приводило к отравлению любителей такого продукта.

Еще один, хотя и менее драматический, пример одновременного дара и проклятия очищенных металлов для древних цивилизаций связан с амуркой, водянистой жидкостью, которая вытекает из оливок при первичном легком отжиме. Раньше ее концентрацию увеличивали с помощью кипячения в медных котлах. Сгущенная амурка использовалась для разных целей, в том числе для борьбы с насекомыми и сорняками. При кипячении ионы меди из металлической посуды попадали в раствор, усиливая его токсичность и эффективность в качестве инсектицида и гербицида.

По сей день использование металлов связано с токсикологией. Низкая температура плавления свинца и его высокая пластичность обусловили его ценность как припоя, способного соединять другие металлы. Свинцовые спайки использовались при производстве консервных банок и в сантехнике, несмотря на то что в обоих этих случаях ионы свинца потенциально могли отравлять пищу и воду. Токсичные свойства свинца были известны уже давно, однако законы, ограничивающие его применение в производстве водопроводных труб, были приняты в США лишь в 1986 г., а запрет на использование свинцового припоя в консервных банках – лишь в 1995 г. Так что использование металлов всегда было и до сих пор остается сопряжено с риском токсичного воздействия.

 

Металлы и их ионы

Практичность использования металлов как материала для изготовления различных изделий, основана на их металлургических свойствах, в то время как токсичность определяется их свойствами как химических элементов – атомной структурой самих ионов. Понять закономерности этой структуры помогает периодическая таблица элементов. К металлам в периодической системе относятся щелочные (группа 1 – самая левая колонка), щелочноземельные (группа 2), переходные (группы 3–12), а также расположенные «лесенкой» семь «прочих» металлов, в том числе олово, алюминий и свинец в правой части таблицы. Положение металлов в периодической таблице говорит нам о свойствах их ионов. Например, у щелочных металлов самое простое строение атомов, так что, оказавшись в водном растворе, каждый атом теряет один отрицательно заряженный электрон и становится положительно заряженным ионом. Поэтому ионы натрия и калия в водном растворе несут заряд +1, являются одновалентными и имеют степень окисления 1. Атомы щелочноземельных металлов в водном растворе теряют два электрона, являются двухвалентными (2+) и имеют степень окисления 2.

В средней части периодической таблицы находятся переходные металлы. Они отличаются от других тем, что имеют не одну стабильную степень окисления. Например, ионы меди могут иметь заряд +1 и +2 и в обоих этих состояниях одинаково стабильны.

Среди переходных металлов имеются микроэлементы, необходимые для существования и роста организмов. К таким металлам относятся, в частности, медь, цинк, марганец и железо. Эти металлы можно найти в большинстве мультивитаминов. В организме они играют роль хелирующих, или связывающих, агентов для ферментов и клеточных мембран; например, железо – незаменимый компонент гемоглобина, переносящего кислород белка эритроцитов у позвоночных животных. Менее известный, чем железо, цинк, также является необходимым для жизнедеятельности, так как служит кофактором более чем в 300 белках. Эти металлы обязательно должны поступать в клетки, поэтому в ходе эволюции были выработаны специализированные и эффективные механизмы для получения их из среды.

Наряду с жизненно необходимыми, в тех же самых группах находятся металлы, не требующиеся живым существам. Так, например, медь принадлежит к той же группе, в которой мы видим серебро и золото, являющиеся токсичными, а цинк – к той же, что и ядовитые ртуть и кадмий. Металлы сгруппированы в периодической таблице отнюдь не произвольно; группы отражают структурное сходство между ними. Элементы одной группы имеют одинаковое распределение электронов на внешнем электронном уровне и поэтому обладают сходными химическими свойствами. Очень важно, что большинство транспортных белков, доставляющих металлы в клетку или из нее, не «видят» разницы между членами одной группы. И получается, что усилия, направленные на обеспечение клетки необходимыми металлами, например цинком, также могут приводить к поступлению в нее ненужных и даже высокотоксичных ионов, например кадмия или ртути.

 

Пути абсорбции металлов

Токсичность многих переходных металлов определяется превращением их атомов в ионы или ионные комплексы и взаимодействие этих ионов с клеточными рецепторами. Так как ионизация происходит в водных растворах, абсорбция металлов в организм животных обычно идет путем транспорта ионов с помощью белков-переносчиков из водной среды (воды или раствора внутри пищеварительного тракта) в кровь. Следовательно, основной путь воздействия металлов на организм наземных животных – через поглощение содержащей ионы пищи или воды. У водных животных к этому процессу добавляется абсорбция через жабры.

В отношении переходных металлов нужно помнить о том, что животные подвергаются риску как дефицита микроэлементов, так и токсичного воздействия (см. главу 1). Наземные животные могут получать необходимые микроэлементы только с пищей, в которой их количество (неважно, в растительной или в животной пище) достаточно мало – именно поэтому они в первую очередь и называются микроэлементами. Поэтому в ходе эволюции и возникли белки, обеспечивающие эффективный транспорт этих элементов, попадающих с пищей в пищеварительный тракт.

Задача белков-переносчиков в кишечнике очевидна: перенос необходимых металлов из кишечника в кровь, однако эта задача усложняется гетерогенностью природы содержимого пищеварительного тракта, а также разнообразием пищеварительных процессов. На транспорт ионов необходимых металлов влияет ряд факторов, в том числе содержимое желудочно-кишечного тракта, химическая форма и среда, в которой содержится металл, а также индивидуальные пищевые привычки и состояние организма.

Когда ион металла освобождается из содержимого кишечника, он может проникать дальше. Как уже говорилось, транспорт ионов осуществляется с помощью специальных белков-переносчиков. Со стороны кишечной полости свободный ион должен вступить в контакт с белком определенного типа, чтобы преодолеть двойной липидный слой и оказаться в клетке кишечного эпителия. Затем он снова должен пройти через клеточную мембрану и попасть в кровь. Интересно, что этот второй этап транспорта обычно осуществляется иными белками.

Если необходимые металлы имеются в избытке, они могут запасаться в организме в форме металлотионеинов. Это белки, богатые аминокислотой цистеином, которые могут агрессивно связываться с положительно запряженными ионами металлов. Совершенно очевидно, что эти соединения имеют огромное значение, так как их можно обнаружить в самых разных организмах. Эти небольшие, богатые цистеином белковые молекулы, несущие функцию обратимого связывания и хранения металлов, имеются и у животных, и у растений, и у бактерий. Кроме того, структуры металлотионеинов у всех позвоночных животных обладают большим генетическим постоянством.

Для ионов многих металлов, особенно тех, которые находятся в одной и той же группе периодической системы, потребность в необходимых элементах идет вразрез с необходимостью организма минимизировать потребление токсичных ионов. Например, кишечному эпителию необходимо поддерживать эффективность транспорта меди и цинка, но это становится проблемой, если в организм попадают такие родственные металлы, как серебро, золото, кадмий и ртуть. Эти родственные элементы (а также некоторые другие переходные металлы) могут связываться с теми же самыми транспортными белками и попадать из кишечника в кровь. Аналогичным образом металлотионеины способны эффективно накапливать и хранить как необходимые организму, так и токсичные ионы металлов.

Металлотионеины возникли, вероятно, как механизм секвестрации необходимых металлов, но они также оказываются полезны для замедления поступления ненужных ионов к внутриклеточным мишеням. Если клетке хватает металлотионеинов для связывания этих вредных ионов, токсическое воздействие в значительной степени блокируется. Ученые предполагают, что повышенная устойчивость к негативному воздействию металлов у человека и других животных может объясняться повышенной экспрессией генов, кодирующих синтез металлотионеинов. В присутствии токсичных ионов белок действует подобно губке, накапливая их в связанной и безопасной форме. Токсический эффект будет проявляться лишь тогда, когда количество ионов металлов в клетке превысит количество доступных мест связывания в металлотионеинах, и токсичные ионы смогут беспрепятственно связываться с рецепторами, приводя к различным нарушениям и даже смерти.

Абсорбция необходимых металлов из содержимого кишечника в кровь контролируется обратной связью, так что дефицит металлов в организме может повысить их всасывание из пищи. К несчастью, это может привести к негативным последствиям при несбалансированном рационе. Например, известно, что дефицит железа у плохо питающихся детей связан с повышением концентрации ионов свинца в крови. В лабораторных экспериментах на животных (например, крысах) было показано, что дефицит железа повышает всасывание свинца в кишечнике, вероятно, из-за увеличения количества белков, предназначенных для транспорта ионов железа. В отсутствие железа эти белки начинают переносить свинец. Нечто подобное наблюдается у алкоголиков, когда с развитием болезни человек получает все больше и больше калорий из спиртного. Недостаток в рационе таких микроэлементов, как цинк, увеличивает эффективность транспорта ионов этого металла, несмотря на то что их нет в обедненном содержимом кишечника. Поскольку алкоголики также нередко являются потребителями табака, в котором содержится достаточно много кадмия, транспортные белки кишечного эпителия начинают переносить вместо необходимого цинка токсичный кадмий.

Металлы и загрязнение ими водной среды представляет иной тип риска для рыб, так как их жабры выполняют функции дыхания и осморегуляции одновременно. Жабры рыбы выглядят как радиатор, с выростами, которые максимально увеличивают площадь поверхности. Из-за такой большой площади и малого расстояния для диффузии между кровью и омывающей жабры водой постоянно происходит транспорт ионов в обоих направлениях.

В морской воде концентрация ионов (в основном щелочных и щелочноземельных металлов, таких как натрий, калий, магний и кальций) выше, чем в крови у рыбы, и ионы путем диффузии через белковые поры и каналы постоянно попадают в организм. Однако в крови должна поддерживаться определенная концентрация этих ионов, и без регуляции такой приток ионов из воды был бы фатальным. Поэтому рыба постоянно и активно выводит ионы щелочных и щелочноземельных металлов из организма обратно в воду. Рыба, обитающая в пресной воде, наоборот, постоянно теряет те же самые ионы, которые совершенно беспрепятственно выходят из ее крови в воду, поэтому ей необходим активный обратный транспорт этих ионов с помощью белков.

В загрязненной морской или пресной воде концентрация вредных ионов переходных металлов может быть так высока, что их поступление через жабры может быть смертельным для рыбы. Учитывая, что жабры пресноводных рыб предназначены для обратного всасывания потерянных ионов, в загрязненной водной среде рыба вынуждена решать две противоречащие друг другу задачи: получение необходимых ионов, например натрия и калия, из воды и предотвращение поступления вредных ионов переходных металлов. При наличии в воде токсичных металлов животное может потерпеть поражение на обоих фронтах, как покажут приведенные ниже примеры.

Среди белков, участвующих в транспорте ионов в жабрах, важное место занимают так называемые насосы: натриево-калиевый и кальциево-магниевый. Для их функционирования необходима энергия и атом цинка, который должен быть связан с белком. В загрязненной воде с повышенной концентрацией меди или серебра (обратите внимание, что эти элементы принадлежат к одной и той же группе периодической системы) ионы этих металлов присоединяются к натриево-калиевому насосу, разрывая связь белковой молекулы с атомом цинка, таким образом «выключая» насос.

В данном случае пресноводная рыба испытывает обессоливание (недостаток натрия) и умирает. В загрязненных водоемах с повышенной концентрацией кадмия или ртути (снова металлов из одной и той же группы!) их ионы будут связываться с кальциево-магниевым переносчиком, кровь рыбы декальцинируется, что тоже приведет к смерти.

Если рыба переживет первоначальный приток ионов переходных металлов, возможно, у нее разовьется акклиматизационный ответ, который снизит всасывание этих ионов через жабры. Это может произойти, если ей удастся уменьшить уровень поступления металлов в клетки жабр. Кроме того, рыба может изменить синтез металлотионеинов так, чтобы ионы токсичных металлов связывались до того, как они присоединятся к транспортным белкам. Рыба выживет, если приток ионов изменится таким образом, чтобы натриево-калиевый и кальциево-магниевый насосы продолжали функционировать. Но если приток ионов преодолеет защитные механизмы клеток, ионы соединятся с насосами, нарушат их работу, и рыба умрет.

В природных водах токсичность ионов неоднозначна, так как на нее сильно влияет качество воды. Ткань жабр можно считать местом присоединения, или лигандом, для переносимых водой ионов. (Конечно, в реальности все сложнее, так как жабры представляют собой не гомогенный лиганд; однако в данном случае мы может рассматривать их так.) В воде, где содержится мало коллоидов, жабры могут быть доминантным лигандом, связывающим простые ионы, растворенные в протекающей по ним воде. Всасывание этих ионов происходит совершенно беспрепятственно, с максимальной скоростью, которую допускают белки жабр, так как никаких конкурентных лигандов не существует.

Ионы токсичных металлов, например кадмия или ртути, также могут проникать в организм рыбы тем же самым путем – активного транспорта через жабры, и их токсичность часто связана с составом частиц, имеющихся в воде. Если там имеются другие лиганды (например, коллоидный материал), они конкурируют с жабрами в присоединении простых ионов. Подобно тому, как белки плазмы крови влияют на поступление липофильных стероидов к тканям-мишеням в организме животных, гуминовые кислоты и другие водорастворимые органические соединения могут снижать концентрацию свободных ионов металлов в воде, уменьшая таким образом их токсичность для рыбы. Это основная предпосылка модели биотических лигандов, теории, согласно которой токсичность металлов в воде не всегда постоянна, а зависит от качества воды и других веществ, в ней растворенных.

В древние времена использование переходных металлов произвело революцию в развитии разнообразных орудий, а кроме того, изменило геохимические циклы ионов этих достаточно редко встречающихся в природе металлов. В результате человек и другие животные оказались в среде, где вдыхание паров и поглощение ионов металлов через желудочно-кишечный тракт изменили положение вещей с точки зрения токсикологии. В то же самое время процессы добычи этих металлов породили экологические проблемы, которых не существовало до начала промышленной разработки. Коротко говоря, токсичность металлов оказалась дьяволом, кроющимся в деталях добычи и использования их человеком, и продолжает оставаться им по сей день.