Влияние ионов металлов на растения. Бионеорганическая химия ионов металлов. антропогенные воздействия токсичных ионов металлов. глобальные биогеохимические циклы элементов Тройные комплексы фермент-металл - субстрат

Исследования особенностей аккумуляции тяжелых металлов древесными растениями связаны с необходимостью оценки биосферных и средостабилизирующих функций древесных, выполняющих роль фитофильтра на пути распространения поллютантов в окружающей среде. Древесные растения поглощают и нейтрализуют часть атмосферных поллютантов, задерживают пылевые частицы, сохраняя прилегающие территории от пагубного воздействия экотоксикантов.

Взаимодействие растений с металлами, которые находятся в атмосфере и почвогрунтах, с одной стороны, обеспечивает миграцию элементов в пищевых цепях, при том, что эти элементы являются необходимыми составными компонентами растений; с другой стороны - происходит перераспределение избытков некоторых элементов, в основном техногенного происхождения, в биосфере. Способность растений концентрировать в своих органах и тканях часть промышленных эксгалатов используется человеком уже многие десятилетия.

Особенности перераспределения металлов в системе "почва-растения" позволяют сделать вывод, что аккумулирующая способность древесных растений во многом зависит от условий произрастания и способности растений препятствовать проникновению металлов внутрь организма

Показано, что насаждения березы бородавчатой и лиственницы Сукачева по сравнению с насаждениями сосны обыкновенной обладают наибольшей способностью к аккумуляции техногенных металлов.

Накопление металлов растениями, несомненно, определяет их средостабилизирующую и биосферную функции. Однако основы устойчивости и адаптивного потенциала растений в условиях техногенеза во многом остаются неизученными. Полученные данные о морфофизиологических изменениях в древесных растениях в техногенных условиях позволяли сделать заключение об отсутствии специфических реакций растений на различных уровнях организации - молекулярном, физиологическом, клеточном и тканевом.

Изучение влияния металлов на содержание пигментов в листьях тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) показало, что сумма хлорофиллов и каротиноидов к концу эксперимента в опытных образцах снижается (в случае ионов К+, Са2+, Mg2+ и Рb2+), увеличивается (ионы Ва2+ и Zn2+) и не изменяется (ионы Na+, Mn2+ и Си2+) по сравнению с контрольными. При действии на растения ионов металлов изменяется соотношение пигментов. Известно, что основным из фотосинтетических пигментов растений является хлорофилл А. При уменьшении содержания хлорофилла А в листьях происходит увеличение доли вспомогательных пигментов - хлорофилла В или каротиноидов, что может рассматриваться как адаптивная реакция ассимиляционного аппарата растений тополя бальзамического на избыток ионов металлов в растительном субстрате.

Установлено, что изменения в соотношении различных пигментов в листьях опытных растений в результате действия ионов К+ в длительном эксперименте выглядит следующим образом: снижается доля хлорофилла А и каротиноидов и резко увеличивается количество хлорофилла В, затем отмечается значительное снижение доли хлорофилла В при увеличивающемся количестве каротиноидов, к концу эксперимента соотношение пигментов несколько отличается от контрольного - возрастает доля каротиноидов при снижении доли хлорофиллов в листьях. Ионы Na+ и Са2+ в целом обуславливают сходный характер изменений соотношения отдельных пигментов за исключением 12- и 24-х суток эксперимента, когда доля хлорофилла В значительно возрастает по отношению к хлорофиллу А и каротиноидам при действии Са2+. Действие ионов Mg2+ характеризуется довольно резкими изменениями в соотношении отдельных пигментов в листьях тополя бальзамического на протяжении всего эксперимента. Следует отметить, что к концу эксперимента доля хлорофилла А в листьях опытных растений по сравнению с контролем снижается.

При действии Ва2+, Zn2+ и Рb2+ происходят скачкообразные изменения содержания пигментов в листьях тополя бальзамического. Показано, что большую часть эксперимента количество хлорофилла А в листьях опытных растений было меньше относительно контрольных образцов. К концу эксперимента отмечается снижение доли хлорофилла А при увеличении долей хлорофилла В и каротиноидов в листьях опытных растений относительно контрольных образцов.

Ионы Мn2+ и Сu2+ оказывают угнетающее действие на пигментный комплекс листьев тополя бальзамического в первой половине эксперимента, что выражается в снижении относительного количества хлорофилла А и увеличении доли второстепенных пигментов; во второй половине эксперимента доля хлорофилла А по сравнению с другими пигментами увеличивается относительно контроля (в отличие от других металлов). При этом доля хлорофилла В и каротиноидов снижается.

Ионы металлов оказывают различное влияние на дыхание листьев тополя бальзамического (Populus balsamifera L.). Исследования в этом направлении позволили выделить несколько типов ответных реакций, выражающихся в изменении дыхания листьев: 1) после воздействия металлов (до 9-х суток) дыхание листьев опытных растений тополя резко снижается относительно контроля, затем отмечается увеличение дыхания (15-е сутки), повторное резкое снижение (24-е сутки) и нормализация дыхания к концу эксперимента - для ионов Ва2+, Mg2+ и Рb2+; 2) сразу после обработки растений значение дыхания листьев резко снижается, затем наблюдается увеличение, после чего отмечается повторное незначительное снижение и нормализация дыхания - для ионов К+ и Сu2+; 3) вначале происходит увеличение, затем резкое снижение, а на 15-е сутки нормализация дыхания листьев опытных растений - для ионов Na+ и Мn2+ и 4) ионы металлов не оказывают значительного влияния на дыхание листьев, происходят лишь незначительные изменения дыхания опытных растений в ходе эксперимента для ионов Zn2+.

По характеру изменений дыхания листьев тополя Са2+ можно отнести к первой группе. Однако в отличие от бария, магния и свинца, отнесенных к этой группе, при действии Са2+ не происходит нормализации дыхания листьев опытных растений к концу эксперимента.

Выживание растений в условиях солевого стресса, каковым может считаться избыточное содержание катионов в окружающей среде, неизбежно сопряжено с увеличивающимися затратами энергии, высвобождающейся при дыхании. Эта энергия расходуется на поддержание баланса элементов между растением и окружающей средой. Интенсивность дыхания и изменения дыхания растений, таким образом, могут служить интегративными показателями состояния организма в условиях стресса. Установлено, что при действии ионов К+, Na+, Ba2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+ и Рb2+ происходит полное восстановление дыхания листьев тополя бальзамического в течение 30 суток. Лишь в случае с Са2+ отмечается 30 %-е снижение дыхания листьев опытных растений.

Обнаружение поливариантности ответных реакций тополя на резкое увеличение концентрации металлов в окружающей среде, выражающейся в изменении дыхания и содержания пигментов фотосинтеза в листьях, позволяет сделать заключение о функционировании комплекса адаптивных механизмов на молекулярно-физиологическом уровне, работа которого направлена на стабилизацию энергетических затрат в условиях стресса. Следует отметить, что полное восстановление дыхания происходит как в случае с высокотоксичными ионами (Рb2+ и Сu2+), так и в случае с ионами макроэлементов (Na+ и К+) и микроэлементов (Mg2+ и Мn2+). Кроме того, механизмы интоксикации высокотоксичных ионов (Рb2+ и Сu2+) сходны с механизмами интоксикации малотоксичных ионов (Mg2+ и К+).

Металлы являются неотъемлемой составной частью природных биогеохимических циклов. Перераспределение металлов происходит за счет процессов выветривания и вымывания горных пород, вулканической деятельности, природных катаклизмов. В результате этих природных явлений нередко формируются природные геохимические аномалии. В последнее столетие интенсивная хозяйственная деятельность человека, связанная с добычей и переработкой полезных ископаемых привела к образованию техногенных геохимических аномалий.

На протяжении многих веков древесные растения приспосабливались к изменениям, которые естественным образом происходили в окружающей среде. Формирование адаптивного комплекса растений к условиям обитания связаны с масштабами этих изменений и скоростью их протекания. В настоящее время антропогенный пресс по интенсивности и своим масштабам нередко превосходит влияние экстремальных природных факторов. На фоне выявления феномена экологической видоспецифичности древесных растений установление факта отсутствия у растений металл-специфических ответных реакций имеет эколого-эволюционное значение, ставшее основой успешного их роста и развития в условиях действия экстремальных природных и техногенных факторов..

Понятие о металлах жизни. Натрий и калий. Строение атомов и особенности гидратации катионов, определяющие их содержание во внеклеточной и внутриклеточной среде.

Металлы жизни – десять элементов:K,Na,Ca,Mg,Mn,Fe,Co,Cu,Zn,Mo. На их долю в организме приходится 2,4 %. Все металлы жизни в организме или находятся в виде свободных катионов, или являются ионами – комплексообразователями, связанными с биолигандами. Принимают активное участие в обмене веществ.

Натрий и калий – элементы группыIA. Атомы элементов этой группы имеют во внешнем слое один электрон наs- подуровне, который они стремятся отдать в соединениях партнеру, образуя устойчивые симметричные монокатионы с электронной конфигурацией ближайшего благородного газа.

Благодаря устойчивости электронной структуры и низкой плотности положительного заряда на поверхности катионов Na + иK + их свободные атомные обитали внешнего уровня не могут эффективно взаимодействовать с неподеленными парами электронов ближайших молекул воды, из-за чего они удерживаются в гидратной оболочке катиона только электростатически. Поэтому катионы натрия и калия не подвергаются гидролизу в водной среде и практически не проявляют склонность к комплексообразованию.

Основное различие в свойствах катионов натрия и калия связано с различием в плотности положительного заряда на их поверхности: у катиона Na + она выше, поэтому его электростатическое поле сильнее удерживает молекулы воды. Вследствие этого для катиона натрия характерна положительная гидратации, а для катиона калия – отрицательная гидратация. Именно этим, по мнению Слесарева Валерий Ивановича, можно объяснить, почему катионыNa + иK + в живых системах являются антагонистами и почему катионы калия являются преимущественно компонентом внутриклеточных, а катионы натрия – межклеточных жидкостей.

Концентрация ионов K + внутри клетки примерно в 35 раз выше. Чем вне ее, а концентрация ионовNa + во внеклеточной жидкости в 15 раз больше, чем внутри клетки. Для осуществления многих важных биологических процессов необходимо постоянно поддерживать такое неравномерное распределение этих ионов, на что требуется затрата энергии, так как перенос ионов через мембрану должен происходить против градиента их концентраций. Это реализуется с помощью калий – натриевого насоса, который за счёт энергии гидролиза одной молекулы АТФ выводит три катионаNa + из клетки, а два катионаK + посылает внутрь клетки. Вследствие дисбаланса переносимых электрических зарядов внутренняя поверхность мембрану заряжается отрицательно, а внешняя положительно.

Высокая внутриклеточная концентрация ионов Kпрежде всего обеспечивает осмотическое давление внутри клетки, активацию ферментативных систем для синтеза белка на рибосомах и окисление углеводов. В эритроцитах ионыKучаствуют в работе гемоглобиновой и оксигемоглобиновой буферных систем, а так активируют фермент карбоангидразу оксида углерода.

Ионы K + иNa + активируют аденозинтрифосфатазу (АТФ – аза) клеточных мембран, обеспечивающую энергией калий- натриевый насос. Эти ионы оказывают существенное влияние на деятельность центральной нервной системы (ЦНС). Избыток ионовNa + в клетках коры головного мозга вызывают депрессию, т.е. угнетение деятельности ЦНС. Избыток катионовKв этих клетках, наоборот, возбуждает ЦНС, вызывая маниакальное состояние.

Учебник : 338–341.

Магний и кальция, строение атомов и особенности гидратации их ионов. Формы существования, местонахождение и роль катионов магния и кальция в организме. Реакция образования и разрушения костной ткани и ее функции.

В организме взрослого человека содержится катионов магния около 20 г, а кальция – 1000г. Половина катионов магния и почти 99 % кальция находится в костной ткани, остальное – в мягких тканях. Суточная потребность в катионах магния составляет около 0,3 г, кальция – 1 г, причем у женщин в период беременности потребность в катионах кальция возрастает в 3-4 раза.

Магний и кальция – элементы IIAгруппы периодической системы. Атомы элементов этой группы имеют во внешнем слое два электрона наs– подуровне (12 Mg: 3s 2 ; 20 Ca: 4s 2), которые стремятся отдать в соединениях партнеру.

Различие с свойствах катионов магния и кальция в водной среде связано с различием в плотности положительного заряда на их поверхности. Поскольку катион Mg 2+ имеет меньший радиус, чемCa 2+ (66 и 99 соответственно), то он гидратируется лучше, а кроме того, его свободные атомные орбитали внешнего уровня, включая 3d– орибтали, способны взаимодействовать с неподеленными парами электронов молекул воды, образуя достаточно устойчивые аквакомполексы 2+ .

Катион магния способен образовывать ковалентные связи по сравнению с катионом кальция. В связи с этим катионы магния, в отличие от катионов кальция, способны к гидролизу:

Mg 2+ +H 2 O⇌ Mg(OH) + + H +

Основная масса катионов магния, находящегося вне костей, сосредоточена внутри клеток. Ионы магния играют важную роль в поддержании осмотического давления внутри клеток. Основная масс магния в крови содержится в ионизованной форме, т.е. в виде акваиона (55-60 %), приблизительно 30 % связано с белками, а 10-15 % входит в состав комплексных соединений с фосфолипидами и нуклеотидами.

Катионы магния за счет комплексообразования являются одним из основных активаторов ферментативных процессов. Так, они активируют ферменты окислительного фосфолилирования, репликации ДНК и минерализации костной ткани.

В отличие от ионов магния, катионы кальция преимущественно сосредоточены в межклеточных жидкостях. Обмен кальция контролируется гормонами паращитовидных и щитовидной желез, а также витаминов D.

Основным минеральным компонентом костной ткани является гидрофосфат кальция

Ca 5 (PO­ 4) 3 OH (гидроксиапатит). костная ткань обеспечивает поддержание концентрации ионов Ca 2+ в биологических жидкостях на определенном уровне, поэтому ее можно рассматривать как кальциевый буфер организма.

Компактная костная ткань (компактное вещество ) - один из двух типов костной ткани, формирующих кость. Обеспечивает поддерживающую, защитную функции кости, служит хранилищем химических элементов.

Компактное вещество формирует корковый слой большинства костей. Оно значительно плотнее, тяжелее и прочнее губчатого вещества. Компактная костная ткань составляет около 80 % общего веса человеческого скелета. Первичной структурно-функциональной единицей компактного вещества является остеон.

Учебник : 341 – 344.

Железо и кобальт, строение атомов и характерные степени окисления. Кислотно – основные, окислительно – восстановительные и комплексообразующие свойства соединений этих металлов. Роль соединений этих металлов живом организме.

В организме человека содержатся около 5г железа и 1,2 мг кобальта. Большая часть железа (70 %) сосредоточена в гемоглобине крови; 14 % кобальта находится в костях, 43 % - в мышцах и остальная часть – в мягких тканях. Ежедневное потребление железа – 10-20 мг, а кобальта – 0,3 мг.

Железо и кобальт – элементы 4 периодаVIIIБ группы периодической системы с электронными конфигурациями 26 Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 ; 27 Co: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 4s 2

Наиболее характерные степени окисления для железа и кобальта +2 и +3 .

В водных растворах катионы Fe 2+ ,Fe 3+ ,Co 2+ иCo 3+ гидратируются с образование шестикоориданционных аквакомплексов.

Fe 2+ - сильный восстановитель, способный окисляться даже кислородов воздуха.

Co 3+ - настолько сильный окислитель, что окисляет даже воду:

4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3

2Co 2 (SO 4) 3 + 2H 2 O = 4CoSO 4 + 2H 2 SO 4 + O 2

Оксиды и гидроксиды железа и кобальта независимо от степени окисления проявляют слабые амфотерные свойства с преобладанием основных свойств, особенно в случае двухвалентного состояния, когда взаимодействие протекает только с концентрированными растворами щелочей и при нагревании.

Катионы железа и кобальта очень склонны к комплексообразованию. Для них наиболее вероятно координационное число шесть:

Комплексообразованию катионов железа и кобальта сильно, но по-разному влияет на их окислительно – восстановительные свойства в зависимости от соотношения устойчивости комплексов окисленной и восстановленной форм с одними и теми же лигандами.

Комплексообразование Co 3+ с лигандами более активными, чем молекулы воды, делает его устойчивым в водных растворах.

Кобальт , один из микроэлементов, жизненно важных организму. Он входит в состав витамина В 12 (кобаламин). Кобальт задействован при кроветворении, функциях нервной системы и печени, ферментативных реакциях. В теле человека содержится 0,2 мг кобальта на каждый килограмм массы человека. При отсутствии кобальта развивается акобальтоз.

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине - важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

Существует большая группа, около 50 видов , железосодержащих ферментов – цитохромов, которые катализируют процесс переноса электронов в дыхательной цепи за счет изменения степени окисления железа Fe 3+ + e -   Fe 2+

Учебник: 349 – 352.

Свыше 25% всех ферментов содержат прочно связанные ионы металлов или активны только в их присутствии. Для изучения функций ионов металлов используются методы рентгеновской кристаллографии, ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В сочетании со сведениями об образовании и распаде

Металлоферменты и ферменты, активируемые металлами

Металлоферменты содержат определенное количество ионов металлов, имеющих функциональное значение и остающихся связанными с молекулой фермента в ходе его очистки. Ферменты, активируемые металлами, связывают последние менее прочно, но для своей активности требуют добавления металлов в среду. Таким образом, разграничение между металлоферментами и ферментами, активируемыми металлами, основано на сродстве данного фермента к иону «своего» металла. Механизмы, основанные на участии ионов металлов в катализе, в обоих случаях, по-видимому, сходны.

Тройные комплексы фермент-металл - субстрат

Для тройных (трехкомпонентных) комплексов, включающих каталитический центр ион металла (М) и субстрат (S) со стехиометрией 1:1:1, возможны четыре различных схемы образования:

В случае ферментов, активируемых металлами, реализуются все четыре схемы. Для металлофермен-тов образование комплекса невозможно, иначе они не могли бы удерживать металл в процессе очистки (они находятся в форме ). Можно сформулировать три общих правила.

1. Большинство (но не все) киназ (-трансферазы) образуют комплексы с мостиковым субстратом типа -нуклеозид-М.

2. Фосфотрансферазы, использующие в качестве субстрата пируват или фосфоенолпируват, другие ферменты, катализирующие реакции с участием фосфоенолпирувата, а также карбоксилазы образуют комплексы с мостиковым металлом.

3. Данный фермент может быть способен к образованию мостикового комплекса одного типа с одним субстратом и другого типа - с другим.

Комплексы с мостиковым ферментом (М-Enz-S)

Металлы в комплексах с мостиковым ферментом, по-видимому, выполняют структурную роль, поддерживая активную конформацию (примером служит глутаминсинтаза), или образуют мостик с другим субстратом (как в пируваткиназе). В пируваткиназе ион металла играет не только структурную роль, но и удерживает один из субстратов (АТР) и активирует его:

Комплексы с мостиковым субстратом

Образование тройных комплексов с мостиковым субстратом, которое наблюдается при взаимодействии ферментов с нуклеозидтрифосфатами, по-видимому, связано с выстеснением из координационной сферы металла, место которой занимает АТР.

Затем субстрат связывается с ферментом, образуя тройной комплекс:

В фосфотрансферазных реакциях ионы металлов, как полагают, активируют атомы фосфора и образуют жесткий полифосфат-адениновый комплекс в соответствующей конформации, который включается в состав активного четырехкомпонентного комплекса.

Комплексы с мостиковым металлом

Кристаллографические данные, а также анализ первичной структуры показывают, что в активных центрах многих белков в связывании металла участвует остаток гистидина (примерами служат карбоксипептидаза А, цитохром с, рубредоксин, метмиоглобин и метгемоглобин; см. гл. 6). Лимитирующей стадией образования бинарных (двухкомпонентных) комплексов Enz-М во многих случаях является вытеснение воды из координационной сферы иона металла. Активация многих пептидаз ионами металла является медленным процессом, длящимся несколько часов. Эта медленная реакция,

по всей вероятности, состоит в конформационной перестройке бинарного комплекса Enz-М, приводящей к формированию активной конформации. Этот процесс можно представить таким образом:

Перестройка с образованием активной конформации (Enz:

В случае металлоферментов образование тройного комплекса с мостиковым металлом должно происходить путем присоединения субстрата к бинарному комплексу:

Роль металлов в катализе

Ионы металлов могут участвовать в каждом из четырех известных типов механизмов, с помощью которых ферменты ускоряют химические реакции: 1) общий кислотно-основный катализ; 2) ковалентный катализ; 3) сближение реактантов; 4) индукция напряжения в ферменте или субстрате. Помимо ионов железа, которые функционируют в гемсодержащих белках, в ферментативном катализе чаще всего участвуют , хотя в работе некоторых ферментов важную роль играют и другие ионы (например, ).

Ионы металлов, как и протоны, являются льюисовыми кислотами (электрофилами) и могут образовывать со своими лигандами -связь за счет поделенной электронной пары. Ионы металлов можно рассматривать также как «сверхкислоты», поскольку они устойчивы в нейтральном растворе, часто несут положительный заряд (> 1) и способны к образованию -связей. Кроме того (в отличие от протонов), металлы могут служить трехмерной матрицей, ориентирующей основные группы фермента или субстрата.

Ионы металлов могут функционировать как акцепторы электронов с образованием или -связей, активируя электрофилы или нуклеофилы (общий кислотно-основный катализ). Металлы могут активировать нуклеофилы, отдавая электроны, или же сами действовать как нуклеофилы.

Таблица 9.1. Примеры, иллюстрирующие роль ионов металлов в механимс лсйсгвия ферментов

Координационная сфера металла может обеспечивать контактирование фермента и субстрата (сближение) либо путем образования хелатов переводить фермент или субстрат в напряженное состояние. Ион металла может маскировать нуклеофил, предотвращая побочные реакции. Наконец, возможен стереохимический контроль хода ферментативной реакции, который обеспечивается способностью координационной сферы металла играть роль трехмерной матрицы, удерживающей реагирующие группы в нужной пространственной ориентации (табл. 9.1).

ЛИТЕРАТУРА

Crane F. Hydroquinone dehydrogenases, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 439.

Fersht A. Enzyme Structure and Mechanism, 2nd ed., Freeman, 1985. [Имеется перевод 1-го издания: Фёршт Э. Структура и механизм действия ферментов.- М.: Мир, 1980.]

Kraut J. Serine proteases: Structure and mechanism of catalysis, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 331.

Mildvan A. S. Mechanism of enzyme action, Annu. Rev. Biochem., 1974, 43, 357.

Purich D.L. (ed.) Enzyme kinetics and mechanisms. Parts A and B. In: Methods in Enzymology, Vol. 63, 1979; Vol. 64, 1980, Academic Press.

Wimmer M.J., Rose I. A. Mechanisms of enzyme-catalyzed group transfer reactions, Annu. Rev. Biochem., 1978, 47, 1031.

Wood H.G., Barden R.E. Biotin enzymes, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 385.

Изучено влияние ионов тяжелых металлов (Pb2+, Co2+, Zn2+) на мембранную устойчивость эритроцитов крови здорового человека и различных больных. Установлено, что ионы тяжелых металлов приводят к уменьшению мембранной устойчивости эритроцитов крови. Уменьшение стойкости эритроцитов зависит от концентрации и длительности экспозиции ионов металлов: чем выше концентрация и время воздействия, тем больше уменьшается плотность эритроцитов. При обследованнии заболеваний (острая пневмония, опухоль щитовидной железы, сахарный диабет) наблюдается снижение стойкости эритроцитов крови больных к кислотному гемолизу. Скорость кислотного гемолиза уменьшается в эритроцитах крови больного по сравнению с эритроцитами крови здорового человека и зависит от характера болезни. Полученные данные позволяют считать, что изменение физико-химического состава эритроцитов, проявляющееся в непостоянстве их стойкости, является следствием повреждения мембраны эритроцитов при воздействии ионов тяжелых металлов.

эритроциты

ионы тяжелых металлов

1. Большой Д.В. Изучение распределения металлов между различными фракциями крови при экспозиции Zn,Cd, Mn и Pb in vitro // Актуальные проблемы транcпортной медицины. – 2009. – Т.18, №4. – С. 71–75.

2. Гительзон М.И. Эритрограммы как метод клинического исследования крови / М.И. Гительзон, И.А. Терсков. – Красноярск: Изд-во Сибирского отделения АН СССР, 1954. – 246 с.

3. Новицкий В.В., Молекулярные нарушения мембраны эритроцитов при патологии разного генеза являются типовой реакцией организма контуры проблемы / отсосе // Бюллетень Сибирской медицины. – 2006. – Т.5, №2. – С. 62–69.

4. Охрименко С.М. Влияние триптофана на некоторые показатели азотистого обмена у крыс при оксидативном стрессе, вызванном солями кобальта и ртути // Вестник Днепропетровского университета. Биология, Экология. – 2006. – Т.2, №4– С. 134–138.

5. Трусевич М.О. Изучение гемолиза эритроцитов под воздействием тяжелых металлов. Экология человека и проблемы окружающей среды в постчернобыльский период // материалы респуб. научн. конференции. – Минск, 2009. – С. 50.

6. Тугарев А.А. Влияние кадмия на морфофункциональные характеристики эритроцитов: автореф. дис. ... д-ра. биол. наук. – М., 2003.– 28 с.

7. Davidson T., Ke Q., Costa M. Transport of Toxic Metals by Molecular/Ionic Mimicry of Essential Compounds. – In: Handbook on the toxicology of metals / ed. By G.F. Nordberg et all. – 3-d ed. – Acad. Press. – London/New York/Tokyo, 2007. – pp. 79–84

В последнее время большое внимание уделяется изучению влияния ионов тяжелых металлов на устойчивость эритроцитов крови человека.

Основной мишенью токсического воздействия тяжелых металлов является биологическая мембрана .

Эритроцит - универсальная модель для изучения процессов, происходящих в клеточной мембране под действием самых различных агентов. Детальное исследование изменений морфофункциональных показателей эритроцитов под влиянием различных химических раздражителей, с которыми человек сталкивается в процессе естественных взаимоотношений с природой, позволяет полнее установить возможные последствия и определить наиболее эффективные пути их коррекции в условиях действия эколого-химических факторов окружающей среды. Токсическое действие различных соединений тяжелых металлов преимущественно обусловлено взаимодействием с белками организма, поэтому их называют белковыми ядами. Одним из таких металлов является кадмий .

А.А. Тугаревым предложен комплекс информативных критериев для оценки токсического влияния ионов кадмия на морфофункциональные показатели эритроцитов периферической крови человека и животных .

Д.В. Большим изучено распределение металлов между различными фракциями крови при экспозиции Zn, Cd, Mn, Pb in vitro . Автором подтверждены данные литературы о преимущественном первичном связывании металлов в крови с альбумином. По проникающей способности исследованные металлы распределились Cd > Mn > Pb > Zn.

Внешняя оболочка клеток крови богата функциональными группами, способными связывать ионы металлов .

Биологическая роль вторичного связывания металлов весьма разнопланова и зависит как от природы металла, так и его концентрации и времени экспозиции .

В работах С.М. Охрименко показано повышение степени гемолиза эритроцитов после введения животным солей CaCl и HgCl2 .

Ионы кобальта способны непосредственно инициировать перекисное окисление липидов (ПОЛ), вытеснять железо из гема и гемопротеинов, в то время как механизм действия ртути заключается в связывании SH-групп белковых и небелковых тиолов. Предварительно введенный триптофан частично ограничивает усиление спонтанного гемолиза эритроцитов, вызванное ввдением хлорида кобальта. Отсутствие такого эффекта в случае введения в организм хлорида ртути свидетельствует о наличии другого механизма, видимо, связанного с высоким сродством ионов ртути к тиогруппам мембранных белков .

М.О. Трусевичем изучено влияние тяжелых металлов (хлориды Со, Mn, Ni, Zn) в конечных концентрациях от 0,008 до 1 мМ. На основании полученных результатов авторами сделан вывод о том, что все тяжелые металлы в концентрации свыше 0,008 мМ оказывают токсическое воздействие на резистентность эритроцитарной мембраны, исключая значения концентрации 0,04 мМ. Для хлорида Zn отмечено снижение уровня гемолиза эритроцитов в концентрации 0,04 мМ .

Материалы и методы исследования

В настоящей работе изучено влияние тяжелых металлов (Pb2+, Co2+, Zn2+) на мембранную устойчивость эритроцитов крови здорового человека и различных больных (сахарный диабет, опухоль щитовидной железы, острая пневмония).

Для опытов использовали кровь, взятую из пальца. Набирали 20 мм3 крови в 2 мл физиологического раствора.

Эритрограмма строилась по методу кислотных эритрограмм, предложенных Гительзоном и Терсковым .

Для наблюдения за кинетикой гемолиза использовали фотоэлектрический колориметр КФК-2. За стандартную принята концентрация эритроцитов, оптическая плотность которой в данных условиях составляла 0,700.

Результаты исследования
и их обсуждение

В суспензию эритроцитов добавляли растворы тяжелых металлов (хлориды Pb, Co, Zn) в конечных концентрациях от 10-5 до 10-3 М. Полученные образцы инкубировали в течение 10-60 минут. Затем определялась оптическая плотность эритроцитов в зависимости от концентрации и времени воздействия ионов тяжелых металлов. Кроме того, изучена кинетика кислотного гемолиза эритроцитов в крови здорового человека и крови больных в зависимости от концентрации ионов тяжелых металлов. Известно, что в зависимости от возраста человека изменяется мембранная устойчивость эритроцитов крови. В связи с этим при взятии крови учитывали возраст.

Установлено, что использованные ионы тяжелых металлов оказывают влияние на мембранную устойчивость эритроцитов, которая выражается в изменении плотности последних. Так, например плотность суспензии эритроцитов, подвергнутых воздействию ионов Pb2+ в концентрации 10-3 М в течение 60 минут, уменьшается на 90 %, а при влиянии ионов Co2+ и Zn2+ соответственно на 70 и 60 % (время действия 60 минут, концентрация 10-3 М), тогда как плотность суспензии эритроцитов необработанных ионами не изменяется.

Таким образом, установлено, что плотность суспензии эритроцитов изменяется в зависимости от концентрации и длительности воздействия ионов тяжелых металлов - чем выше концентрация и время воздействия, тем больше уменьшение плотности эритроцитов.

Из эритрограммы, характеризующей кислотный гемолиз эритроцитов крови здорового человека, видно, что начало гемолиза на 2-й минуте, длительность гемолиза составляла 8 минут, максимум 6 минут. Скорость кислотного гемолиза крови изменяется при действии ионов тяжелых металлов. Так, если сравним эритрограммы образцов крови, которые подвергались влиянию ионов Pb2+ (концентрация 10-3 М, время воздействия 30 минут), то можно заметить, что гемолиз длится в среднем 4 минуты и максимум распределения эритроцитов 2 минуты; по сравнению с ионами Pb2+ и Co2+ ионы Zn2+ оказывают слабое воздействие, и кислотный гемолиз длится 6, 5 минут, максимум 4 минуты (рис. 1, 2).

В представленной работе также изучена кинетика кислотного гемолиза эритроцитов крови больных сахарным диабетом, опухолью щитовидной железы и острой пневмонией. Как видно из полученных данных, в крови больных пневмонией и опухоли щитовидной железы происходит накопление в группе пониженно-стойких, среднестойких эритроцитов и уменьшение количества повышенно-стойких эритроцитов. А у больных сахарным диабетом эритрограмма крови с правой стороны приподнята. Это указывает на увеличение уровня эритропоэза в крови .

Влияние использованных в работе ионов тяжелых металлов на эритроциты крови больных отличается (рис 3, 4, 5). Так, например, ионы Zn2+ оказывают сильное воздействие на эритроциты крови больного острой пневмонией и опухолью щитовидной железы по сравнению с эритроцитами крови здорового человека. Подтверждением наших данных явились результаты исследований, проведенных у больных со злокачественными опухолями различной локализации, где были выявлены выраженные нарушения белкового состава (снижение содержания высокомолекулярных полипептидов при одновременном увеличении доли низкомолекулярных белков), а также показано, что с низкомолекулярными белками в основном связываются ионы Zn2+ . При влиянии ионов Pb2+ на эритроциты крови больных наблюдается смещение всей эритрограммы влево, следовательно, теряет стойкость вся масса эритроцитов.

Рис. 1. Эритрограмма крови здорового человека после воздействия ионов Co2+:
Время воздействия 30 мин P < 0,5

Рис. 2. Эритрограмма крови здорового человека после воздействия ионов Zn2+:
1 - контроль; 2 - 10-5 M; 3 - 10-4 M; 4 - 10-3 M.
Время воздействия 30 мин P < 0,5

Полученные данные позволяют считать, что изменение физико-химического состава эритроцитов, проявляющееся в непостоянстве их стойкости, является следствием повреждения мембраны эритроцитов при воздействии ионов тяжелых металлов. Влияние ионов тяжелых металлов (Pb2+, Co2+, Zn2+) зависит от концентрации, длительности их экспозиции и предшествующего состояния здоровья человека.

Рис. 3. Эритрограмма крови больных пневмонией после воздействия ионов тяжелых металлов:
1 - кровь больных пневмонией; 2 - Co2+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M); 4 - Pb2+(10-5 M).
Время воздействия 30 мин P < 0,3

Рис. 4. Эритрограмма крови больных опухолью щитовидной железы
после воздействия ионов тяжелых металлов:
1 - кровь больных опухолью щитовидной железы; 2 - Co2+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M); 4 - Pb2+ (10-5 M). Время воздействия 30 мин P < 0,4

Рис. 5. Эритрограмма крови больных сахарным диабетом после воздействия ионов тяжелых металлов:
1 - кровь больных дибетом; 2 - Zn2+ (10-5 M); 3 - Co2+ (10-4 M); 4 - Pb2+(10-3 M).
Время воздействия 30 мин P < 0,3

Рецензенты:

Халилов Р.И.Х., д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник лаборатории радиоэкологии Института радиационных проблем Национальной академии наук Азербайджана, г. Баку;

Гусейнов Т.М., д.б.н., руководитель лаборатории экологической биофизики Института физики Национальной академии наук Азербайджана, г. Баку.

Работа поступила в редакцию 17.09.2012.

Библиографическая ссылка

Год выпуска: 1993

Жанр: Токсикология

Формат: DjVu

Качество: Отсканированные страницы

Описание: Значение ионов металлов для жизненно важных функций живого организма - для его здоровья и самочувствия - становится все более и более очевидным. Вот почему столь долго отвергаемая как самостоятельная область бионеорганическая химия развивается сейчас бурными темпами. Организованы и творчески работают научно-исследовательские центры, занятые синтезом, определением устойчивости и констант образования, структурой, реакционной способностью биологически активных металлсодержащих соединений как низкой, так и высокой молекулярной массы. Исследуя метаболизм и транспорт ионов металлов и их комплексов, конструируют и опробывают все новые модели сложных природных структур и процессы, с ними протекающие. Ну и, конечно, главное внимание уделяется взаимосвязи между химией ионов металлов и их жизненно важной ролью.
Нет сомнений в том, что мы в самом начале пути. Именно с целью связать координационную химию и биохимию в самом широком смысле этих слов и задумана была серия «Ионы металлов в биологических системах», покрывающая широкое поле бионеорганической химии. Итак, мы надеемся, что именно наша серия поможет сломать барьеры между исторически сложившимися сферами химии, биохимии, биологии, медицины и физики; мы ожидаем, что большое число выдающихся открытий будет сделано в междисциплинарных сферах науки.
Если книга «Некоторые вопросы токсичности ионов металлов» окажется стимулом для возникновения новой активности в этой области, то она послужит хорошему делу, равно как и доставит удовлетворение за труд, затраченный ее авторами.

«Некоторые вопросы токсичности ионов металлов»

Г. Спозито. Распределение потенциально опасных следов металлов

1. Потенциально опасные следы металлов
2. Токсичность ионов металла и атомная структура

Распределение следовых металлов в атмосфере, гидросфере и литосфере

1. Концентрация в атмосфере
2. Концентрация в гидросфере
3. Концентрация в литосфере

1. Факторы обогащения металлом
2. Скорость переноса металла

1. Ионные радиусы
2. Ряды устойчивости
3. Сравнение устойчивости соединений металлов
4. Гидролиз иона металла
5. Жесткие и мягкие кислоты и основания
6. рН-зависимость устойчивости
7. Преимущественные места связывания иона металла
8. Скорости лигандного обмена

Обзор по ионам металлов

1. Ионы щелочных металлов
2. Литий
3. Магний
4. Кальций
5. Барий и стронций
6. Бериллий
7. Лантаноиды
8. Алюминий
9. Молибден
10. Марганец
11. Железо
12. Кобальт
13. Никель
14. Кадмий
15. Ртуть
16. Таллий
17. Свинец

1. Требования к необходимым металлам
2. Недостаток металлов в природной окружающей среде

1. Поступление металлов
2. Роль пищи и питьевой воды для поступления металлов
3. Роль хелатообразователей, выделяемых водными организмами

1. Механизм токсичности металлов
2. Чувствительность к необходимым металлам
3. «Функциональные выражения токсичности
4. Факторы окружающей среды, влияющие на токсичность

1. Толерантность в природе
2. Механизм толерантности

1. Лабораторные исследования простых цепей питания
2. Реакции в сложной полуприродной популяции
3. Взаимодействие необходимых металлов с железом

1. Соединения кадмия в почве
2. Доступность кадмия
3. Токсичность Cd сравнительно с Сu, Ni и Zn
4. Коррекция содержания Cd в почве

1. Соединения меди в почве
2. Доступность меди для растений
3. Симптомы и диагностика
4. Коррекция содержания Сu в почве

1. Соединения цинка в почве
2. Доступность цинка для растений
3. Симптомы и диагностика
4. Коррекция содержания Zn в почве

1. Соединения марганца в почве
2. Доступность для растений
3. Симптомы и диагностика
4. Коррекция содержания марганца в почве

1. Формы никеля в почве
2. Доступность для растений
3. Симптомы и диагностика
4. Коррекция содержания никеля в почве

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция свинца в организме
3. Токсичность свинца

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция мышьяка в организме
3. Токсичность мышьяка

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция ванадия в организме
3. Токсичность ванадия

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция ртути в организме
3. Токсичность ртути

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция кадмия в организме
3. Токсичность кадмия

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция никеля в организме
3. Токсичность никеля

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция хрома в организме
3. Токсичность хрома

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция урана в организме
3. Токсичность урана

1. Необходимость, функции, эффекты недостаточности и потребности организма
2. Абсорбция, метаболизм и экскреция в организме
3. Токсичность селена для животных
4. Токсичность селена для человека
5. Взаимодействия селена с компонентами пищи человека

1. Необходимость, функция, эффекты недостаточности, потребность
2. Влияние избытка цинка на организм животных
3. Влияние избытка цинка на организм человека
4. Взаимодействие цинка с компонентами пищи человека

1. Общие характеристики системы периферических лимфоцитов крови
2. Структурные хромосомные аномалии, вызываемые кластогенами
3. Обмен сестринских хроматид
4. Помехи для цитогенетического анализа культуры лимфоцитов

1. Мышьяк
2. Кадмий
3. Свинец
4. Ртуть
5. Никель
6. Другие металлы

1. Селективный фагоцитоз металлсодержащих частиц
2. Поглощение ионов металлов и важность механизма поступления металла
3. Локализация канцерогенных ионов металлов в ядре и ядрышке

1. Токсикология in vitro
2. Ионы металлов в системах in vitro

1. Биохимическая оценка цитотоксичности ионов металла
2. Биохимическая оценка генотоксичности иона металла

1. Оценка металлоионной цитотоксичности
2. Оценка «генотоксичности» иона металла

1. Жидкие образцы
2. Отбор образцов тканей

1. Обработка кислотой
2. Комплексообразование, экстракция и обогащение
3. Минерализация

1. Непрофессиональные источники
2. Профессиональные источники

1. Очистка никеля путем его карбонилирования
2. Клиническая оценка действия никеля и лечение
3. Патогенез и механизм токсического действия

1. Клинические аспекты контактных никелевых дерматитов
2. Иммунный механизм контактных никелевых дерматитов
3. Профессиональная астма под действием никеля

1. Эпидемиологические данные и опыты на животных
2. Определяющие факторы и модель никелевого канцерогенеза

1. Задачи исследования
2. Мутагенность в прокариотических и эукариотических системах
3. Трансформация культуры клеток млекопитающих
4. Хромосомные и ДНК-нарушения и связанные с этим эффекты

1. Токсичность для почек
2. Влияние на воспроизводство и развитие
3. Иммунотоксичность
4. Кардиотоксичность

1. Алюминий в окружающей среде
2. О роли избытка алюминия при почечной недостаточности

1. Диализная энцефалопатия
2. Диализная остеодистрофия
3. Подавление функции околощитовидной железы
4. Микроцитарная анемия

1. Введение обработки воды
2. Заменители гидроксида алюминия
3. Поиски других источников

1. Алюминийсодержащие лекарственные препараты
2. Диализат