Chelatorer av metallioner med variabel valens. Biouorganisk kjemi av metallioner

Metallioner med variabel valens (Fe2+, Cu+, Mo3+, etc.) spiller en dobbel rolle i levende organismer: på den ene siden er de nødvendige kofaktorer for et stort antall enzymer, og på den annen side utgjør de en trussel mot celleliv, siden deres tilstedeværelse øker dannelsen av svært reaktive hydroksyl- og alkoksyradikaler:

H202 + Me"n > OH' + OH" + Me(n+|)+

ROOOH + Men+ > 10* + OH" + Me(n+|>+.

Derfor chelatforbindelser (fra gresk "chelat" - "krabbeklo"), som binder metallioner med variabel valens (ferritin, hemosiderin, transferriner; ceruloplasmin; melke- og urinsyrer; noen peptider) og derved forhindrer deres involvering i nedbrytningen reaksjoner av peroksider, representerer er en viktig komponent i kroppens antioksidantforsvar. Det antas at chelatorer er de viktigste for å beskytte serumproteiner og cellulære reseptorer mot oksidasjon, siden den enzymatiske nedbrytningen av peroksider, som penetrerer godt gjennom cellemembraner, er fraværende eller betydelig svekket i intercellulære væsker. Den høye påliteligheten av sekvestrering av metallioner med variabel valens ved bruk av chelaterende forbindelser er bevist av det faktum avslørt av gruppen Thomas W. O'Halloran (gjærceller ble brukt som modell) at konsentrasjonen av frie* kobberioner i cytoplasmaet ikke overstiger 10"18 M - dette er mange størrelsesordener mindre enn 1 Cu-atom per celle.

I tillegg til "profesjonelle" chelatorer med høy ionebindende kapasitet, er det såkalte "jernkelatorer aktivert av oksidativt stress." Affiniteten til disse forbindelsene for jern er relativt lav, men under forhold med oksidativt stress blir de stedsspesifikt oksidert, noe som gjør dem til molekyler med sterk jernbindende evne. Denne lokale aktiveringsprosessen antas å minimere den potensielle toksisiteten til "sterke chelatorer" i kroppen, som kan forstyrre jernmetabolismen. Noen chelatorer, som metallothioneiner, binder tungmetallatomer (Chn, Sb, Sh,...) hos pattedyr og deltar i deres avgiftning.

Mer om emnet CHELATERS AV METALLIONER MED VARIABEL VALENS:

NovikA. A., Ionova T.I.. Veiledning til studiet av livskvalitet i medisin. 2. utgave / Utg. acad. RAMS Y.L. Shevchenko, - M.: JSC "OLMA Media Group" 2007, 2007
KAPITTEL 3 TERAPEUTISK BRUK AV MIDDELS OG HØYFREKVENS VEKSELSTRØM
Test med endring av kroppsstilling (ortostatisk test)
Spektrum av farmakologisk aktivitet av tungmetallsalter

Etter å ha studert dette kapittelet, skal studenten:

vet

Grunnleggende økologiske og fysiologiske data om alkali- og jordalkalimetallioner, virkningene av bly på menneskekroppen, former for migrering av tungmetallatomer i atmosfæren og hydrosfæren;

være i stand til

Bestem egnetheten til vann for ulike formål;

egen

- metoder for beskyttelse mot menneskeskapte påvirkninger av giftige metallioner.

Avhengig av deres oppførsel i levende systemer, er stoffer, inkludert metallioner, delt inn i fem typer: nødvendig for kroppen; sentralstimulerende midler; inert, ufarlig; terapeutiske midler; giftig. Et stoff anses som nødvendig for kroppen, hvis mangel forårsaker funksjonelle forstyrrelser i kroppen, som kan elimineres ved å introdusere dette stoffet i det. Nødvendighet er en organismespesifikk egenskap og bør skilles fra stimulering. Det er mange eksempler når, som sentralstimulerende midler Både essensielle og ikke-essensielle metallioner vises. Noen metaller og metallioner i visse konsentrasjoner er inert, harmløs og har ingen effekt på kroppen. Derfor brukes inerte metaller - Ta, Pt, Ag, Au - ofte som kirurgiske implantater. Mange metallioner kan tjene terapeutiske midler;

I fig. 6.1 gir en idé om den biologiske responsen til kroppsvev på en økning i konsentrasjonen av metallioner tilført i tilstrekkelige mengder, for eksempel fra en tigger.

Ris. 6.1. Biologisk respons avhengig av nødvendig konsentrasjon(heltrukken kurve)og farlig(stiplet kurve)stoffer

(den relative plasseringen av de to kurvene i forhold til konsentrasjonsskalaen er vilkårlig)

Solid kurve indikerer en umiddelbar positiv respons med økende konsentrasjon, fra null (det antas at det innkommende nødvendige stoffet metter bindingsstedene og ikke inngår andre interaksjoner, som faktisk er ganske mulige). Denne solide kurven beskriver et optimalt nivå som dekker et bredt spekter av konsentrasjoner for mange metallioner. Den positive effekten av økende metallionkonsentrasjoner går gjennom et maksimum og begynner å falle til negative verdier: kroppens biologiske respons blir negativ, og metallet blir et giftig stoff.

Stiplet kurve i fig. 6.1 demonstrerer kroppens biologiske respons på et fullstendig skadelig stoff som ikke viser effekten av et nødvendig eller stimulerende stoff. Denne kurven følger et visst etterslep, noe som indikerer at en levende organisme er i stand til å "holde ut" små mengder av et giftig stoff (terskelkonsentrasjon) til dens giftvirkning blir dominerende.

I fig. 6.1 presenterer selvfølgelig et visst generaliserende bilde; Hvert stoff har sin egen spesifikke kurve i "biologisk respons - konsentrasjon"-koordinater. Det følger også av figuren at essensielle stoffer til og med kan bli giftige hvis de konsumeres i overkant. Nesten ethvert stoff i overkant blir uunngåelig farlig (selv om denne effekten er indirekte), for eksempel på grunn av begrenset absorpsjon av andre nødvendige stoffer. Dyrekroppen opprettholder konsentrasjonen av stoffer i det optimale området gjennom et kompleks av fysiologiske prosesser kalt homeostase. Konsentrasjonen av alle essensielle metallioner er uten unntak under streng kontroll av homeostase; Den detaljerte mekanismen for homeostase for mange metallioner er fortsatt et område for nåværende forskning.

Listen over metallioner som er nødvendige for menneskekroppen (og dyrene) er presentert i tabellen. 6.1. Etter hvert som forskningen fortsetter og eksperimentelle teknikker blir mer raffinerte, blir noen av metallene som tidligere ble ansett som giftige, nå ansett som essensielle. Riktignok er det ennå ikke bevist at Ni 2+ er nødvendig for menneskekroppen. Det antas at andre metaller, som tinn, også kan anses som essensielle for pattedyr. Andre kolonne i tabellen. 6.1 indikerer i hvilken form et gitt metallion eksisterer ved pH = 7 og kan forekomme i blodplasma inntil det kombineres med andre ligander. FeO(OH) og CuO i fast form finnes ikke i plasma, siden både Fe 3+ og Cu 2+ danner komplekser med proteinmakromolekyler. I den tredje kolonnen i tabellen. Tabell 6.1 viser den typiske totale mengden av hvert essensielt element som normalt finnes i den voksne menneskekroppen. Følgelig er metallionekonsentrasjonene i plasma gitt i den fjerde kolonnen. Og den siste kolonnen anbefaler mengden daglig inntak for hver av de nødvendige metallionene, men disse anbefalingene kan endres.

Tabell 6.1

Essensielle metallioner

Form ved pi I = 7	Konsentrasjon i blodplasma, mmol	Daglig forbruk, g

Som svar på ytre forstyrrelser har en levende organisme visse avgiftningsmekanismer som tjener til å begrense eller til og med eliminere det giftige stoffet. Studiet av spesifikke avgiftningsmekanismer i forhold til metallioner er på et tidlig stadium. Mange metaller omdannes til mindre skadelige former i kroppen på følgende måter: dannelse av uløselige komplekser i tarmkanalen; transport av metallet i blodet til andre vev, hvor det kan immobiliseres (som Pb 2+ i bein); omdannelse av lever og nyrer til en mindre giftig eller friere form. Som svar på virkningen av toksiske ioner Cd 2+, Hg 2+, Pb 2+ og andre, øker den menneskelige leveren og nyrene syntesen av metallothioneiner - proteiner med lav molekylvekt, hvor ca. 10 (av 61) aminosyrerester er cystein. Det høye innholdet og gode innbyrdes arrangement av sulfhydryl SH-rpynn gir mulighet for sterk binding av metallioner.

Mekanismene som gjør at metallioner blir giftige er generelt enkle å forestille seg, men vanskelige å finne for et bestemt metall. Metallioner stabiliserer og aktiverer mange proteiner; Tilsynelatende krever alle enzymer metallioner for virkningen av U 3. Konkurransen mellom essensielle og giftige metallioner om bindingssteder i proteiner er ikke vanskelig å forestille seg. Mange proteinmakromolekyler har frie sulfhydrylgrupper som kan interagere med giftige metallioner som Cd 2+, Hg 2+, Pb 2+; Det er allment antatt at denne reaksjonen er veien for manifestasjonen av toksisiteten til de listede metallionene.

Det er imidlertid ikke nøyaktig fastslått hvilke proteinmakromolekyler som forårsaker den alvorligste skaden på en levende organisme. Giftige metallioner er fordelt på mange vev, og det er ingen garanti for at den største skaden oppstår der metallionet er mest rikelig. Dette er for eksempel vist for Pb 2+ ioner: er mer enn 90 % (av mengden i kroppen) immobilisert i beinene, forblir de giftige på grunn av de 10 % fordelt i andre vev i kroppen. Faktisk kan immobilisering av Pb 2+ -ioner i bein betraktes som en avgiftningsmekanisme. Denne typen toksisitet, som er forårsaket av genetiske sykdommer (for eksempel Cooleys anemi, ledsaget av overskytende jernnivåer), er ikke diskutert i dette kapittelet.

Vår gjennomgang gjelder ikke den mulige kreftfremkallende aktiviteten til metallioner. Captseroheppost - dette er et komplekst fenomen, avhengig av typen dyr, organ og utviklingsnivå, på synergisme med andre stoffer. Metallioner og deres komplekser kan også tjene som kreftmidler. Giftigheten til et metallion er vanligvis ikke relatert til dets behov for kroppen. Imidlertid har toksisitet og nødvendighet én ting til felles: det er generelt en gjensidig avhengighet av metallioner med hverandre, så vel som mellom metall- og ikke-metallioner, i deres samlede bidrag til deres effektivitet. Tilgjengeligheten av essensielle metallioner avhenger av deres interaksjon med maten som konsumeres; Den enkle tilstrekkeligheten av dietten tilfredsstiller ikke denne situasjonen. For eksempel absorberes jern fra grønnsaker dårlig på grunn av tilstedeværelsen av kompleksdannende ligander i dem, og et overskudd av Zn 2+ ioner kan hemme absorpsjonen av Cu 2+. Tilsvarende er Cd 2+-toksisitet mer uttalt i et system med Zn 2+-mangel, og Pb 2+-toksisitet forverres av Ca 2+-mangel. Slik antagonisme og gjensidig avhengighet kompliserer i stor grad forsøk på å spore og forklare årsakene til nødvendighet og toksisitet.

For mange metallioner oppstår akutt toksisitet når det oppstår et plutselig "treff" med en stor dose av metallet; i dette tilfellet vises andre effekter og symptomer enn ved kronisk forgiftning; Kronisk forgiftning oppstår når man mottar lave doser av metallet, men over lang tid.

De alvorligste giftvirkningene av metallioner oppstår ved innånding av støv, vanligvis i industrielle omgivelser. Spesielt farlige er partikler med en diameter på 0,1 - 1 mikron, som effektivt adsorberes av lungene. Legg merke til at lungene absorberer metallioner, som deretter kommer inn i kroppsvæskene, ti ganger mer effektivt enn mage-tarmkanalen. For eksempel kommer den største faren fra radioaktivt nlutonium-239 (som avgir aktive alfapartikler med en halveringstid på 24,4 tusen år) ikke fra absorpsjon av plutonium i mat, men fra adsorpsjon av plutoniumpulver av lungevev.

Flyktige metallforbindelser, som karbonyl- og alkylforbindelser av kvikksølv, bly og tinn, absorberes lett av lungene og kan forårsake akutt metallforgiftning. Derav konklusjonen: enhver innånding av metallioner bør unngås!

Alkalimetallioner. Ingen av alkalimetallene er spesielt giftige. Homeostase opprettholder konsentrasjonen av både essensielle ioner Na + og K + (se tabell 6.1) på normale fysiologiske nivåer. Rollen til begge disse elementene er viktig i fordøyelsen. I tillegg til deres spesifikke handlinger, spiller disse metallionene to kritiske roller i levende organismer: de bestemmer den osmotiske balansen på begge sider av membranen og gir positive motioner til anioner som HPO, HCO3 og organiske molekyler, hvorav mange er anioner. Dermed er de viktigste intercellulære og intracellulære motionene henholdsvis Na + og K +.

Andre alkalimetallioner kan konkurrere med Na+- og K+-ioner i noen fysiologiske prosesser. I menneskekroppen inneholder den intracellulære væsken, sammen med K1-ioner, omtrent 0,3 g Rb+. Små mengder Cs+ kan også være tilstede; en betydelig mengde på 37 Cs (T| 2 = 30 år) vises kun ved radioaktiv bestråling. Den høyeste dosen av radioaktivitet av gonadene fra indre kilder er normalt 20 mrem per år og er hentet fra naturlig kalium, som nødvendigvis finnes i intracellulære væsker.

Litium. Li* har blitt brukt i over 50 år for å behandle manisk-depressiv psykose; I Storbritannia mottar i gjennomsnitt hver to tusen mennesker det som medisin. Oralt inntak av Li 2 C0 3 øker konsentrasjonen av litium i blodplasmaet til 1 mM, noe som betydelig jevner ut endringer i humøret til mange pasienter. Men nivået av metall som er nødvendig for en terapeutisk effekt, kan dessverre ha en toksisk effekt som hemming av nyrefunksjonen og forstyrrelser i sentralnervesystemet. Selve arten av virkningen av litiumioner er fortsatt ikke klar; det kan endre intracellulære interaksjoner. Li+ virker på mange enzymer, inkludert de som er involvert i glykolyse. Mange biokjemikere tror at Li+ erstatter Na b- eller K+-ioner, men de er henholdsvis tre eller seks ganger større i volum enn litium. Derfor bør en slik substitusjon i proteinmakromolekyler forårsake en endring i strukturen til de tilsvarende metallhulene; på den annen side er Li+-ionet litt større enn Mg 2+-ionet. Litium danner vanligvis sterkere komplekser enn Na + og K + , men mye svakere enn Mg 2+ . Ved behandling av psykose brukes litium og magnesium i sammenlignbare konsentrasjoner, og Li + okkuperer de bindingsstedene som ikke er okkupert av Mg 2+; hvis alle mulige plasser er okkupert av magnesium, fortrenger Li* Na + og K +. Alle disse alkalimetallionene inngår utvekslingsreaksjoner mer enn 10 3 ganger raskere enn Mg 2+-ionet. Det er denne faktoren som kan forklare endringen i aktiviteten til Mg-holdige enzymer ved introduksjon av litium.

Magnesium. Dette metallet i form av Mg 2+ ion er nødvendig for både plante- og dyreorganismer. I planter er Mg 2+ chelatert med fire nitrogenatomer i pyrrolringene i den sykliske klorofyllstrukturen, et sjeldent tilfelle av magnesiumkoordinering med nitrogen. I dyreorganismer er Mg 2+ en nødvendig kofaktor i hver reaksjon som involverer adenosintrifosfat (ATP). Det spiller også rollen som et motion for å stabilisere DNA-dobbelthelixen, som har negativt ladede fosfatgrupper i hvert kjedeledd. Tilstedeværelsen av magnesiumioner øker sannsynligheten for korrekt sammenkobling av lenker. Når det koordineres med nukleosidfosfater som ATP, binder Mg 2+ seg kun til fosfatgrupper. Mg 2+ ioner er helt nødvendige for nevromuskulær overføring og muskelkontraksjon. Vedvarende homeostase opprettholder nivået av Mg 2+ i blodplasmaet på nivået 0,9 mM for praktisk talt friske mennesker. Mg 2+-mangel er mye mer vanlig, og ved alkoholisme ser det ut til å være en obligatorisk situasjon. Siden alvorlig magnesiummangel er et ganske sjeldent fenomen, er det lite data om symptomene. Symptomer på dette er delirium tremens og nevromuskulære manifestasjoner, inkludert frysninger, kramper, nummenhet i ekstremitetene og skjelvinger. Lave nivåer av Mg 2+ kan forårsake hypokalsemi, hvor det metabolsk labile mineralet ikke kan mobiliseres fra beinene. Både Mg 2+ og Ca 2+ nivåer kontrolleres av parathyroidhormon gjennom en negativ tilbakemeldingsmekanisme. Magnesium er ganske mildt giftig. Inntak av store mengder Mg 2+ salter forårsaker oppkast. Pasienter med nyresvikt som fikk magnesium i syrenøytraliserende legemidler kan oppleve langtidssymptomer på toksisitet. Sistnevnte kan påvirke sentralnervesystemet, luftveiene og det kardiovaskulære systemet.

Kalsium. De to jordalkaliionene Na~ og K+ og de to jordalkaliionene Mg 2+ og Ca 2+ utgjør til sammen mer enn 99 % av mengden metallioner i menneskekroppen. Kalsium i form av Ca 2+ finnes i kroppen mer enn andre metallioner. Mer enn 99 % av det er en del av bein og tannemalje i form av hydroxoapatitt Ca 5 (P0 4) 3 (0H). I løsning spiller kalsium en kritisk rolle i mange prosesser, inkludert muskelkontraksjon, blodkoagulasjon, nerveimpulser, mikrotubulidannelse, intercellulær kommunikasjon, hormonelle responser, eksocytose, befruktning, mineralisering, samt cellefusjon, adhesjon og vekst. Mange av de listede aktivitetene til kalsiumionet er involvert i interaksjoner med proteinmakromolekyler, som Ca2+-ionet kan stabilisere, aktivere og modulere. Alle bindingsseter kjent så langt i proteiner for Ca 2+ -ioner består av oksygenatomer. Konsentrasjonsgradienten av Ca 2+ i intercellulære og intracellulære væsker overstiger gradientene til de tre andre biologisk viktige alkali- og jordalkalimetallionene (Na +, K, Mg 2+) betydelig.Den frie konsentrasjonen av Ca 2+ i intercellulære væsker er 1,3 mM, mens den i mange intracellulære væsker er slående lav (0,1 µM eller enda lavere for en 20 000 ganger konsentrasjonsgradient). makromolekyler som har en dissosiasjonskonstant innenfor mikromol. Konformasjonssensitiviteten til noen intracellulære proteiner for endringer i kalsiumkonsentrasjon på mikromolarnivå har ført til en forståelse av rollen til Ca 2+ som en intracellulær mediator av den andre typen. Anbefalt daglig dose ( 800 mg) Ca 2+ kan oppnås ved å drikke en liter melk - den eneste kilden som er rik på kalsium. Kalsiummangel kommer til uttrykk i hemmet vekst, dårlige tenner og andre mindre tydelige feil. En slik skjult defekt er økt absorpsjon av uønskede eller giftige metallioner i et Ca 2+ -mangelsystem. Homeostasemekanismen, som kontrollerer absorpsjon fra tarmen, kontrollerer Ca 2+ nivåer hos mennesker. Kalsium anses som ikke-giftig. Avsetningen av benmineraler i bløtvev er ikke forårsaket av overskudd av Ca 2+ -ioner, men av økte nivåer av vitamin D. Høye nivåer av Ca 2+ i kosten kan imidlertid hemme tarmens absorpsjon av andre metaller som kroppen trenger.

Barium og strontium. Ba 2+ er giftig på grunn av sin antagonisme med K + (men ikke med Ca 2+). Dette forholdet er et tydelig eksempel på den større betydningen av likheten mellom de ioniske radiene til Ba 2+ og K + enn identiteten til ladningen (de to jordalkali-ionene Ba 2+ og Ca 2+ har forskjellige radier). Bariumion er en muskelgift, behandling her består av intravenøs administrering av K + salter. Mens Ba 2+ ionene fortsatt er i tarmen, tar løselige salter SO| _ fører til dannelse av uløselig bariumsulfat, som ikke absorberes. BaSO| brukes som røntgentett materiale for gastrointestinale studier. Menneskekroppen inneholder omtrent 0,3 g Sr 2+ i bein. Dette beløpet utgjør ingen fare; Strontium har imidlertid blitt omfattende forurenset de siste årene i form av 90 Sr (G 1/2 = 28 år) fra radioaktivt nedfall.

Beryllium. Be 2+ i sure miljøer danner uløselig hydroksid Be(OH) 2, som reduserer tarmabsorpsjonen. Innånding av berylliumholdig støv forårsaker kronisk pulmonal granulomatose (kalt beryllium) eller lesjoner i lungene; sykdommen utvikler seg sakte og er ofte dødelig. Arbeidere ved fabrikker som produserer lysstoffrør, hvor berylliumoksid brukes som et fosforescerende stoff, har blitt ofre for berylliumsykdom. (Slik produksjon er allerede stanset.) En dose beryllium på en milliondel av kroppsvekten er allerede dødelig. Be 2+ sirkulerer i kroppen i form av kolloidalt fosfat og inkorporeres gradvis i beinskjelettet. Dannelsen av hydroksyd- og fosfatkomplekser fortsetter i henhold til prinsippene skissert ovenfor (i forhold til toverdige ioner av liten størrelse, men med høy ladningstetthet). Be 2 ~ hemmer mange fosfatase-type enzymer og er den sterkeste kjente hemmeren av alkalisk fosfatase. Beryllium hemmer også enzymer aktivert av magnesium og kalium og forstyrrer DNA-replikasjonen. "Kelasjonsterapi" (inntak av chelaterende midler som etylendiamintetraeddiksyre) har vist seg å være ineffektiv for å fjerne Be 2+ fra kroppen til personer som lider av kronisk berylliumforgiftning. Det er åpenbart at et så farlig stoff med latent (langvarig) toksisitet som beryllium bør behandles med stor forsiktighet, og det er bedre å fjerne det fra sirkulasjonen helt.

Lantanider. Lantanidene inkluderer 15 grunnstoffer, fra lantan med atomnummer 57 til lutetium med atomnummer 71. Alle finnes i biologiske systemer kun i +3 oksidasjonstilstand. For gadolinium Gd 3+ - det midterste medlemmet av denne serien (atomnummer 64) - samsvarer den ioniske radien nøye med den ioniske radiusen til Ca 2+. Fordi likhet i atomstørrelse er viktigere enn likhet i ladning, erstatter lantanider kalsium i mange biologiske systemer. Denne lantanidsubstitusjonen er ikke signifikant når metallionet spiller en overveiende strukturell rolle, men den kan ha en hemmende eller aktiverende effekt når metallionet er i det aktive stedet. Lantanidioner ble brukt veldig mye for å bestemme bindingssetene til Ca 2+ -ioner i proteinmakromolekyler. Ingen av lantanidelementene er biologisk essensielle. Planter motstår akkumulering av lantanider, og blokkerer dermed overføringen av lantanider til mennesker hovedsakelig gjennom næringskjeden. Lantanider er i form av aqua ion (3+) opp til pH = 6, når dannelsen av hydroxokomplekser og sedimenter begynner. Deres fosfater er også uløselige. Som et resultat danner lantanider uløselige komplekser i tarmen og absorberes derfor dårlig. Ingen av dem anses som giftige.

Aluminium. Siden det er det metallet som finnes mest i jordskorpen, finnes aluminium sjelden i levende organismer, antagelig fordi det er vanskelig å få tak i som en del av komplekse mineralforekomster. Vanligvis inneholder den voksne menneskekroppen 61 mg aluminium, med hoveddelen i lungene som et resultat av innånding. Det eneste aluminiumkationet A1 3+ i nøytrale løsninger danner uløselig hydroksyd A1(OH) 3 og, på grunnlag av det, sterkt tverrbundne hydrokso- og oksoforbindelser. Det er dannelsen av slike partikler og uløselig A1P0 4 som begrenser absorpsjonen av A1 3+ i fordøyelseskanalen. Etter absorpsjon er den høyeste konsentrasjonen av aluminium i hjernen. Forverring av nyrefunksjonen reduserer kroppens evne til å skille ut A1 3+ betydelig. Høye nivåer av aluminium forårsaker fosfatutarming på grunn av dannelsen av AlP0 4 . Bare lave nivåer av dette metallet er mulig i vann og mat, og ved slike konsentrasjoner er A1 3+ ikke spesielt giftig i det hele tatt. Inntreden av Al 3+ (samt Hg 2+ og Pb 2+) i vannforsyningsnettet til byer med sur nedbør fører til et høyere metallinnhold, som allerede er i ferd med å bli et problem. Metallioner som kommer inn i vann kan utgjøre en fare for fisk som er mye mer alvorlig enn surhet. Begrensede mengder Ca 2+ og Mg 2+ ser ut til å øke den potensielle toksisiteten til aluminium. Den toksiske effekten av A1 3+ viser seg i form av forstoppelse og nervøse lidelser. Økte konsentrasjoner av aluminium i hjernen er assosiert med Alzheimers sykdom, lidelser som demens, og til og med død, hovedsakelig hos eldre mennesker. Imidlertid, ifølge moderne medisinske konsepter, er aluminium mest sannsynlig ikke hovedårsaken til sykdommen, men akkumuleres i en allerede usunn hjerne eller fungerer som en av mange faktorer. Det faktum at den eldre generasjonen bruker antiperspiranter som inneholder aluminium og også inntar store mengder syrenøytraliserende midler (legemidler som nøytraliserer surhet) er et svært alarmerende tegn. Pasienter dialysert med høye konsentrasjoner av A1 3+ i vann kan utvikle «dialysedemens».

Krom. Krom har tradisjonelt blitt inkludert i lister over nødvendige sporstoffer. Menneskekroppen inneholder omtrent 6 mg krom, fordelt på mange vev. Selv om de nødvendige dosene ikke er fastslått, bør de være svært små. Det nødvendige kromnivået er vanskelig å estimere ved bruk av kjemiske eller biokjemiske metoder. Årsaken til behovet for krom er også ukjent. Selv om det har gått 25 år siden Cr 3+ først ble foreslått å være en komponent i glukosetoleransefaktoren, er selve kompleksets natur ukjent, og noen av strukturene som er foreslått for et slikt kompleks ser ut til å være ubegrunnede. Ved pH = 7 er den vanligste forbindelsen Cr(OH)2, men i sin inerte, polynukleære, komplekse form. Selv i form av krom(III)-heksaaqua-ion tar utvekslingen av et vannmolekyl med et løsningsmiddel flere dager. Det er nettopp denne tregheten som tilsynelatende begrenser rollen til Cr(III) til kun strukturelle funksjoner. Hvis krom likevel er involvert i raske reaksjoner, virker det i dem som Cr (II). Sukker kan fungere som potensielle ligander for krom. Glukose er en relativt dårlig ligand for å binde dette metallet, men denne begrensningen spiller kanskje ikke noen rolle i noen trivalente kromkomplekser. Trivalent Cr(III) er et av de minst giftige metallionene; det sterke oksidasjonsmidlet hexavalent Cr (VI) er allerede mer giftig. Ved pH

Molybden. Dette metallet forekommer typisk som Mo(VI), og molybdat MoO|“ adsorberes i mage-tarmkanalen. Molybden forekommer i planter som en kofaktor for enzymet nitrogenase. Xanthinoksidase (som katalyserer dannelsen av urinsyre hos dyr) har to Mo-atomer, åtte Fe-atomer og to flavinringer som en del av adenindinukleotid-kofaktorer. Molybdentoksisitet er på nivå med kobber- eller svoveltoksisitet. Hos drøvtyggere som fôres med fôr anriket på molybden og utarmet på kobber, oppstår svulster, som er ledsaget av undertrykt vekst, anemi og beinsykdommer. Hos mennesker forårsaker en diett med et lignende forhold mellom molybden og kobber symptomer på gikt. Å ta kobberpreparater er gunstig for dyr når de er forgiftet med molybden. Verken molybden eller dets beslektede wolfram, som ikke er essensielt for kroppen og hemmer xantinoksidaseaktivitet, anses som spesielt giftige metaller.

Mangan. Det er kjent flere oksidasjonstilstander for mangan, men det er bevis på at dette metallet ikke deltar i redoksreaksjoner, og kun Mn 2+ er viktig; Mn 3+ er ustabilt som et akva-ion ved pH > 0 og reduseres lett til Mn 2+ i nøytrale løsninger, med mindre det er i kompleks form. Det er ingen data om hva mangel på mangan fører til i menneskekroppen. Hos dyr fører mangelen til forringelse av beinvekst, en reduksjon i produktiv funksjon og muligens undertrykkelse av kolesterolsyntese. Mangan kan være en kofaktor for enzymer. Selv om mange enzymer aktiveres av Mn 2+, er denne aktiveringen spesifikk, siden andre metallioner, som Mg 2+, også er effektive for dette formålet. Konsentrasjonen av Mn 2+ i blodplasma er bare en tusendel av konsentrasjonen av Mg 2+. Mangan er nesten ikke giftig, spesielt i form av Mn 2+ ion. Permanganationet MnOj er giftig på grunn av dets oksiderende egenskaper. Den vanligste manganforgiftningen oppstår på grunn av innånding av dets oksid i industriell produksjon. Kronisk virkning av denne typen kan føre til manganisme, hvor det oppstår alvorlige, irreversible skader på sentralnervesystemet og hjernen. Tilsynelatende har overflødig mangan i kroppen en effekt på enzymsystemene i hjernen. Dessverre er det ingen universelle, effektive motgift, de prøver ganske enkelt å eliminere den opprinnelige årsaken.

Jern. Jerninnholdet i menneskekroppen er 4 g, hvorav ca 70 %, dvs. 3 g finnes i røde blodceller i form av hemoglobin, mesteparten av resten i jernproteiner, og en liten mengde i noen enzymer. Av anbefalt daglig jernbehov på 10-20 mg absorberes kun 10-20%, noe større mengde hos individer med jernmangel med god homeostase. Jernabsorpsjon hemmes av dannelsen av uløselige hydroksyder, fosfater og komplekser med fettsyrer; det fremmes av løselig sukker og askorbinsyrechelater. Nesten alle de 25 mg jern som frigjøres daglig ved nedbrytning av hemoglobin blir effektivt resirkulert av leveren, slik at levetiden til jern i menneskekroppen overstiger 10 år. Det er derfor absorpsjon på mindre enn 1 mg per dag er tilstrekkelig for en person (unntaket er menstruasjonsperioden, hvor en kvinne mister omtrent 20 mg jern). Den vanligste menneskelige mangelen på verdensbasis er jernmangel, som rammer opptil 10 % av premenopausale kvinner som bor i industriområder; i noen grupper stiger dette tallet til 100 %. Jernmangel fører til anemi. Jern absorberes i form av Fe(II) og oksideres til Fe(III) i blodet. Siden Fe 3+ danner fullstendig uløselige utfellinger selv i sure vandige løsninger, overfører proteinet transferrin Fe 3+ til blodet. Når Fe 3+-bæreevnen til transferrin er oppbrukt, avsettes Fe(OH) 3 i blodet. Jerntoksisitet påvirker spesifikke grupper: i USA, av tusen barn, dør omtrent 10 årlig av å svelge FeS0 4 mineraltabletter tilberedt for mødre; hvor matlagingen foregår i jerngryter; blant alkoholikere som lider av alvorlig leverdysfunksjon. Jerntoksisitet er assosiert med gastrointestinale sykdommer, sjokk og leverskade.

Kobolt kjent som en essensiell komponent av vitamin B12, chelatert inn i den komplekse corrin-makrosyklusen av fire koblede pyrrolringer. En persons daglige behov for vitamin B 12 er bare 3 mcg, og mangelen resulterer i anemi og hemmet vekst. Det er kjent flere former for vitamin B12, som fungerer som kofaktorer for enzymer i metylgruppeoverføringsreaksjonen, samt i andre reaksjoner der kobolt gjennomgår en endring i oksidasjonstilstand. Uten å være bundet i vitamin B 12 -korrinoidringen, finnes kobolt i biologiske systemer i form av Co 2+ ion. Dette ionet er i stand til å binde fire, fem og til og med seks donoratomer i forskjellige typer koordinasjonspolyedre. Zn 2+ har også en lignende evne. Disse to ionene har samme effektive ioniske radier for alle koordinasjonstall, samt ganske sammenlignbare stabilitetskonstanter. I komplekser med mange ligander erstatter Co 2+ Zn 2+ i noen enzymer, og gir ofte også aktive enzymer. Fordi den har uparrede ^/- elektroner, bruker noen spektralmetoder Co 2+ for å studere egenskapene til spektralt inaktiv sink i sinkholdige proteiner. Overskudd av Co 2+ stimulerer benmargen til å produsere røde blodlegemer; det reduserer også skjoldbruskkjertelens evne til å akkumulere jod, dvs. Struma kan være en konsekvens av å ta koboltsalter for anemi. Kobolt har vist kardiotoksisitet for noen ivrige øldrikkere som bruker mer enn tre liter per dag. (I noen land tilsettes koboltsalter til øl i nivåer på 10 -4 % for å stabilisere skummet for å motvirke effekten av gjenværende vaskemidler.) Selv om antallet ofre var mindre enn med Co2+-anemimedisiner, er det fortsatt klart at etyl alkohol øker kroppens følsomhet for koboltforgiftning, og SO 2 som finnes i flaskeøl ødelegger tiamin (mangel på dette vitaminet forverrer kardiotoksisiteten forårsaket av Co 2+).

Nikkel. I biologiske systemer forekommer nikkel nesten utelukkende som Ni(II). Selv om +3-oksidasjonstilstanden er mulig for nikkel under noen forhold, er det usannsynlig at den forekommer i høyt utviklede organismer. Menneskekroppen inneholder ca. 10 mg Ni 2+, og nivået i blodplasmaet er innenfor ganske snevre grenser, noe som indikerer homeostase og muligens behov for nikkel. Lave nivåer av Ni2* er stimulerende for dyr. Den fungerer som en kofaktor for planteenzymet urease. Sammen med andre metallioner aktiverer Ni 2 * visse enzymer i dyrekroppen, men nødvendigheten av det for mennesker er ennå ikke bevist. Ni 2+-ionet er et annet eksempel på et metall som er relativt ikke-giftig. Og likevel absorberes industrielle røyk, spesielt de som involverer nikkelkarbonyl Ni(CO) 4 (hvor nikkel formelt er i en nullvalent tilstand), lett i lungene og er svært giftig. Ved inntak forårsaker Ni 2+ ion akutt gastrointestinalt ubehag. Kronisk nikkelforgiftning fører til ødeleggelse av hjerte- og annet vev. Årsakene til nikkeltoksisitet er ukjente for oss; det blokkerer enzymer og reagerer med nukleinsyrer.

Kobber. Konsentrasjonen av kobber i kroppen reguleres av homeostase, og dens optimale konsentrasjoner varierer mye. Det er derfor verken kobbermangel eller dets toksisitet er vanlige tilfeller. Kobber er en essensiell kofaktor for flere enzymer som katalyserer en rekke redoksreaksjoner. Dens mangel fører til anemi, dårlig tilstand av bein og bindevev, samt tap av hårpigmentering. Det er mulig at inntak av Zn 2+, for eksempel i piller, kan forårsake kobbermangel. Kobber i begge valenstilstander, Cu(I) og Cu(II), binder seg godt til sulfhydrylgruppen i glutation og svovelholdige proteiner. Cu(II) oksiderer den ubeskyttede sulfhydrylgruppen til en disulfidgruppe, selvreduserende til Cu(I), så kroppen må binde Cu(I) før oksidasjon av sulfhydrylgruppen skjer. Omtrent 95 % av kobberet i blodplasma finnes i proteinet ceruloplasmin. Selv om den har en sulfhydrylgruppe, er det primære bindingsstedet for kobber i nøytrale løsninger av plasmaalbumin aminoenden av proteinmolekylet, som inneholder aminnitrogenet, to deprotonerte peptidnitrogener, og også nitrogenet til imidazolringen i siden. kjede av den tredje aminosyren; alle disse nitrogenatomene chelaterer kobber og danner et plan syklisk system. Hexaaqua-Cu 2+ blir mer tetragonal (plan) ettersom antallet nitrogendonoratomer øker. En betydelig mengde kobber som kommer inn i mage-tarmkanalen irriterer nerveender i mage og tarm og forårsaker oppkast. Og et kronisk overskudd av kobber fører til vekststopp, hemolyse og lavt hemoglobininnhold, samt vevsskade i lever, nyrer og hjerne. Det er en mangel på ceruloplasmin hos de fleste pasienter som lider av Wilsons sykdom, en medfødt metabolismedefekt. Slike pasienter viser forhøyede kobbernivåer i leveren sammen med leverdysfunksjon. Kobbertoksisitet kan reduseres ved å ta MoO.

Sink. Hos mennesker er Zn 2+-ionet en del av over 20 metallenzymer, inkludert nukleinsyrer involvert i metabolismen. De fleste av Zn 2+ ionene i blodet finnes i røde blodlegemer som en nødvendig kofaktor for enzymet karbonsyreanhydrase. For sink er bare én oksidasjonstilstand i løsning kjent. Rollen til Zn 2+ i sammensetningen av enzymet er: a) enten i direkte binding og polarisering av substratet; b) enten indirekte gjennom bundet vann eller hydroksidion, som i tilfellet med konvensjonelle syre-base katalysatorer og nukleofiler. Det meste av Zn 2+ i menneskekroppen finnes i musklene, og den høyeste konsentrasjonen av sink er i gonaden - prostata. Nivået av Zn 2+ er under homeostasekontroll. Sinkmangel er notert hos alkoholikere, så vel som hos innbyggere i utviklingsland hvis kosthold er rikt på fibrøs og viskøs mat. Sinkmangel kommer til uttrykk ved hudlidelser, hemmet vekst, nedsatt seksuell utvikling og seksuelle funksjoner hos unge. Selv om afrodisisme ikke er kjent hos mennesker, er det nødvendig med tilstrekkelige mengder Zn 2+ for normal mannlig seksuell atferd. Siden menneskelig spermatogenese er en flertrinnsprosess, krever det en viss tid å korrigere lidelser og gjenopprette seksuell helse ved å øke konsentrasjonen av Zn 2+. Sinktilskudd kan ubalanse den metabolske likevekten til andre metaller, så slike inngrep bør utføres under streng medisinsk tilsyn. La oss spesielt understreke dette rådet, siden hypotesen om Zn 2+ /Cu 2+-forholdet som den viktigste årsaksfaktoren i utviklingen av koronar hjertesykdom (lokal opphør av arteriell blodstrøm) viste seg å være ganske korrekt. Tilskudd med toverdig sink fremmer sårheling hos pasienter med sinkmangel, men det hjelper ikke om tilstrekkelige mengder Zn 2+ er tilstede i kroppen. Det er ganske mye sink i kjøtt og fisk, så kosttilskudd er ikke nødvendig for innbyggere i industrialiserte land; Dessuten kan slike tilsetningsstoffer være farlige hvis de gis i mengder som forstyrrer absorpsjonen av kobber, jern og andre essensielle metallioner.

Inntak av overskytende mengder sinksalter kan føre til akutte tarmlidelser ledsaget av kvalme. Akutt forgiftning med dette elementet har oppstått ved inntak av sur fruktjuice pakket i galvaniserte (sinkbelagte) stålbeholdere. Tilfeller av kronisk sinkforgiftning hos mennesker er generelt ukjente, men det kan virke uskarpt og uklart. For eksempel, når sink og kobber konkurrerer, kan et overskudd av sink forårsake kobbermangel hvis sistnevnte er tilstede i minimale mengder. Tilsvarende kan overflødig sink forsinke skjelettutviklingen hos dyr hvis Ca og P er tilstede i minimale mengder. Generelt er sinkionet ikke farlig, og tilsynelatende er hovedmuligheten for forgiftning fra det dets felles tilstedeværelse med giftig kadmium (i form av forurensning).

Kadmium. Ganske sjelden er kadmium tilstede i mineraler og jord sammen med sink i en mengde på ca. 0,1 %. Som sink forekommer dette grunnstoffet bare som det toverdige ionet Cc1 2+. Kadmiumionet er større enn sinkionet; den er nærmere kalsiumionet i størrelse, noe som gjør at den kan brukes som en såkalt Ca-prøve. Men fortsatt, når det gjelder evnen til å binde ligander, er kadmium mer lik sink, og derfor, sammenlignet med sink, ble antallet forgiftninger observert i mye større mengder. I motsetning til Ca 2+-ionet danner begge ionene av disse metallene sterke bindinger med donor-nitrogen- og svovelatomene til liganden. Overskudd av kadmium forstyrrer metabolismen av metaller, forstyrrer virkningen av sink og andre metallenzymer, noe som kan forårsake en omfordeling av sink i kroppen. Den nøyaktige mekanismen for kadmiumtoksisitet er ukjent, selv om den absolutt er flertrinns.

I fullstendig kontrast til CH 3 Hg + ion, kan ikke kadmium ion lett krysse placentabarrieren, og nyfødte mangler helt dette elementet. Hos de fleste akkumuleres kadmium sakte fra mat. Kroppen frigjør absorbert Cd 2+ veldig sakte, med en halveringstid på mer enn 10 år. Konsekvensen av dette er en økning i kadmiuminnholdet i nyrene gjennom en persons liv fra null ved fødsel til ca. 20 mg i alderdommen (for ikke-røykere) og opp til 40 mg for en voksen røyker. Det meste av dette elementet er assosiert med metallothionein, som er små proteinmolekyler med sulfhydrylsubstituenter, hvis tilstedeværelse i kjeden stimuleres av kadmium selv.

Akutt kadmiumforgiftning manifesterer seg i form av oppkast, tarmspasmer og hodepine; det kan til og med oppstå fra drikkevann eller andre, spesielt sure, væsker som har kommet i kontakt med Cd-holdige forbindelser i vannrør, biler eller kadmiumglaserte tallerkener. Når kadmium kommer inn i kroppen med mat, transporteres det med blodet til andre organer, hvor det binder seg til glutation og hemoglobin i erytrocytter. Blodet til røykere inneholder omtrent syv ganger mer kadmium enn hos ikke-røykere. Kronisk kadmiumforgiftning ødelegger lever og nyrer og fører til alvorlig nyresvikt. Dessverre er det ingen spesifikk terapi for å behandle kadmiumforgiftning, og chelateringsmidler kan bare omfordele kadmium til nyrene (som også er farlig). Rikelig inntak av sink, kalsium, fosfater, vitamin D og et proteinrikt kosthold kan redusere kadmiumforgiftningen noe. En spesielt alvorlig form for kadmiumforgiftning er blitt beskrevet i Japan som "itai-itai" sykdom (den japanske ekvivalenten til "oh-oh"). Navnet på sykdommen kommer fra smertene i rygg og ben som følger med osteomalaci eller beinavkalking (vanligvis hos gamle kvinner), som fører til benskjørhet (et kjent tilfelle av 72 brudd hos én person). Alvorlig nyresvikt ble også notert på grunn av proteinuri (opptreden av protein i urinen), som fortsatte selv etter opphør av kontakt med kadmium. Denne sykdommen fører til døden.

Kvikksølv er giftig i alle former. Det globale utslippet av kvikksølv gjennom gasser fra jordskorpen og havene overstiger mengden kvikksølv produsert av mennesker med minst fem ganger, men det industrielle utslippet er mer lokalt og konsentrert. Den gjennomsnittlige menneskekroppen inneholder 13 mg kvikksølv, noe som ikke gir noen fordel. Ulike kvikksølvsalter ble tidligere brukt som terapeutiske midler (for eksempel ble kvikksølvbenzoat brukt til å behandle syfilis og gonoré). Bruken av kvikksølvreagenser som insektmidler og soppdrepende midler har ført til milde og alvorlige forgiftninger som rammer tusenvis av mennesker. Derfor er kvikksølvforgiftning et verdensomspennende problem.

Kvikksølv kan finnes i de tre vanligste formene og en mindre vanlig form, som kvikksølvionet Hg2+, som er uforholdsmessig delt inn i elementært kvikksølv og toverdig kvikksølv:

For denne reaksjonen er verdien av likevektskonstanten

indikerer at reaksjonen fortrinnsvis går fra høyre til venstre. Men i virkeligheten fortsetter reaksjonen fra venstre til høyre på grunn av den sterke kompleksdannende evnen til Hg 2+-ionet med mange ligander. Den tredje vanlige formen for kvikksølv er dens organiske forbindelse metylkvikksølv CH 3 Hg + .

Kvikksølv er et flytende metall ved romtemperatur. Selv om kokepunktet er 357 °C, er den svært flyktig og derfor farligere enn man generelt tror. En kubikkmeter mettet (ved 25°C) luft inneholder 20 mg Hg. Dette elementet er nesten uløselig i vann; løselighetsgrense 0,28 µM ved 25°C - 56 µg/l, dvs. 56 deler kvikksølv til en milliard deler vann.

Begge kvikksølvkationer (Hg 2+ og metylkvikksølv CH 3 Hg+) foretrekker lineær 2-koordinasjon. De danner sterkere komplekser (enn de fleste metallioner) med ligander som har et enkelt donoratom, spesielt N eller S. Bare kvikksølv, blant alle metallionene som er vurdert i dette kapittelet, kan erstatte hydrogen i aminer (men ikke i ammoniumioner) i alkaliske løsninger).

Faktisk er selve ordet "merkaptan" avledet fra kvikksølvs sterke evne til å binde seg til tioler. I erytrocytter binder Hg 2+ ioner til glutation- og hemoglobinsulfhydrylgrupper til blandede komplekser; Bare andelen kvikksølv som vanligvis finnes i menneskekroppen forblir i blodet. Til tross for at det molekylære grunnlaget for toksisiteten til Hg 2+-ionet anses å være dets interaksjon med sulfhydrylgrupper, er det fortsatt ukjent hvilke proteiner som gjennomgår metallisering.

Den raske utvekslingen av Hg 2+ og CH 3 Hg+ i nærvær av overskytende donorligander som sulfhydrylgrupper er av avgjørende betydning i toksikologi. Det er dette som bestemmer den raske fordelingen av kvikksølv blant sulfhydrylrester i vev. I blodet er CH 3 Hg'-ionet fordelt i samme andel som SH-gruppen er representert: ca. 10 % i plasma og 90 % i erytrocytter, som har både hemoglobin- og glutationsulfhydrylgrupper. For å reversere virkningene av kvikksølv, gis BAL (2,3-dimerkaptopropanol) som en motgift mot kvikksølvforgiftning, det letter en jevn fordeling av kvikksølv i hele kroppen; Hemodialyse med chelateringsmidler som cystein eller L-acetylpenicillamin brukes også.

Ved innånding absorberes kvikksølvdamp aktivt og samler seg i hjernen, nyrene og eggstokkene. Kvikksølv krysser placentabarrieren; Akutt forgiftning forårsaker lungeødeleggelse. I kroppens vev blir elementært kvikksølv omdannet til et ion, som kombineres med molekyler som inneholder SH-grupper, inkludert proteinmakromolekyler. Kronisk kvikksølvforgiftning består av permanent svekkelse av funksjonene i nervesystemet, forårsaker tretthet, og forårsaker ved høyere forgiftningsnivåer den karakteristiske kvikksølvskjelvingen, når en liten skjelving avbrytes av merkbar risting med få minutters mellomrom. Å ta bare 1 g kvikksølvsalt er dødelig. Kvikksølvsalter samler seg i nyrene, men de klarer ikke, som elementært kvikksølv, raskt å passere blod- eller placentabarrieren. Akutt forgiftning fra inntak av kvikksølv fører til utfelling av proteiner fra slimhinnene i mage-tarmkanalen, forårsaker smerte, oppkast og diaré. Hvis pasienten overlever, er det kritiske organet leveren. Noe hemolyse av røde blodlegemer forekommer. Kronisk forgiftning kommer til uttrykk i funksjonssvikt i sentralnervesystemet; Lewis Carrolls "Alice in Wonderland"-karakter Mad Hutter er et levende eksempel på et offer for en yrkessykdom fra forgiftning med Hg(N0 3) 2-salt brukt i pelsbehandling.

Organiske kvikksølvderivater, som metylkvikksølvklorid CH 3 HgCI, er svært giftige på grunn av deres flyktighet. Mikroorganismer i forurenset vann som inneholder kvikksølv omdanner lett uorganiske kvikksølvforbindelser til monometylkvikksølv CH 3 Hg + . Og det meste av kvikksølvet i fiskens kropp er i denne formen, som kan vedvare i årevis. Høye nivåer av CH 3 Hg + er tilsynelatende ikke like giftig for fisk som for mennesker, der CH 3 Hg + -ioner aktivt absorberes og kommer inn i de røde blodcellene, leveren og nyrene ved innånding av damp eller inntak av mat. hjernen (inkludert i fosterhjernen), forårsaker alvorlig kumulativ irreversibel dysfunksjon av sentralnervesystemet. I menneskekroppen varierer halveringstiden til kvikksølv fra flere måneder til flere år. Den toksiske effekten kan være skjult, og symptomer på forgiftning kan ikke vises før flere år senere.

De to mest kjente eksemplene på massekvikksølvforgiftning ble forårsaket av CH 3 Hg + . I 1956 ble Minamata-sykdommen oppdaget i det sørlige Japan, nær havbukten med samme navn. I 1959 ble det vist at denne sykdommen er forårsaket av å spise fisk forgiftet av kvikksølv i form av klorid CH 3 HgCl, sluppet ut av et kjemisk anlegg direkte i vannet i bukten. Konsentrasjonen av kvikksølv var så høy at fisken døde, fuglene som spiste fisken falt rett i havet, og kattene som smakte på den forgiftede maten beveget seg «sirkelt og hoppet, sikksakk og kollapset». Allerede i 1954 reduserte slike "danser" merkbart kattebestanden her. Men det ble ikke gjort målinger av kvikksølvforurensning i vannet i bukten i dette området før i 1959. Og bare takket være den eldgamle japanske skikken med å bevare den tørkede navlestrengen til deres nyfødte, ble det mulig å bevise at forurensningen av bukten med kvikksølv begynte tilbake i 1947. Men frem til 1968 ble avløpsvann sluppet ut i Bukten var ikke suspendert!

For mennesker begynte Minamatas sykdom på grunn av metylkvikksølv som kom inn i kroppen med nummenhet i lemmer og ansikt, nedsatt hudfølsomhet og motorisk aktivitet i hendene, for eksempel ved skriving. Senere dukket det opp mangel på koordinering av bevegelser, svakhet, skjelving og usikkerhet ved gange, samt psykiske lidelser, taleforstyrrelser, hørsel og syn. Og til slutt, generell lammelse, deformasjon av lemmer, spesielt fingrene, vanskeligheter med å svelge, kramper og død. Det er også tragisk at barn født av mødre som var lite påvirket av denne sykdommen, som kanskje ikke har oppdaget symptomene i det hele tatt, døde av cerebral parese eller ble idioter (vanligvis er sentralnervøs parese ikke forbundet med et tydelig etterslep i mental utvikling) . Tilsynelatende trenger CH 3 Hg + i mors kropp gjennom placentabarrieren inn i den svært følsomme kroppen til fosteret. Kvinner i mer alvorlige stadier av sykdommen ble ute av stand til å få barn.

Tallium. Absorpsjon av ekstremt giftige talliumforbindelser i kroppen fører til gastroenteritt, perifer nevropati og ofte død. Ved langvarig, kronisk eksponering for thallium, observeres skallethet. Bruken av TI2SO4 mot gnagere har blitt suspendert på grunn av dens høye toksisitet for andre husdyr og ville dyr. Hovedformen for tallium i kroppen er T1 + ion, selv om T1C1 er lett løselig; Tallium finnes også i kroppen i form av T1 3+. Talliumioner er ikke mye større enn kalium, men de er mye mer giftige, og permeabiliteten til tallium gjennom cellemembraner er den samme som for kalium. Selv om T1+ og K+ ioner er like i størrelse, er førstnevnte nesten fire ganger mer polariserbar og danner sterke komplekser. For eksempel produserer det uløselige komplekser med riboflavin, og kan derfor forstyrre svovelmetabolismen.

Bly har vært kjent i nesten fem tusen år, og greske og arabiske forskere visste allerede om dets giftighet. Romerne hadde høye nivåer av blyforgiftning fordi de lagret vin og kokte mat i blyredskaper. Goya, som andre kunstnere, led av innånding og utilsiktet eksponering for blymaling. I dag utgjør høye nivåer av bly en fare for bybarn på grunn av at de ofte kommer i kontakt med gjenstander malt med blyfargestoffer, leker med brukte batterier og lager håndverk av magasinark (fargestoffer for fargetrykk inneholder 0,4 % Pb) . Og mest av alt, av den grunn at de puster inn luft forurenset av bileksos som inneholder forbrenningsprodukter av tetraetylbly Pb(C 2 H 5) 4, som tilsettes bensin for å øke oktantallet til drivstoffet.

Hovedkilden til blyforurensning er mat. Heldigvis er absorpsjonen av inntatt bly lav på grunn av dannelsen av uløselig fosfat Pb 3 (P0 4) 2 og basisk karbonat Pb 3 (C0 3) 2 (0H) 2. Absorbert bly akkumuleres i beinene, hvor det deretter frigjøres på grunn av osteoporose, noe som forårsaker forsinket toksisitet. I dag inneholder den gjennomsnittlige menneskelige gelen ca 120 mg bly, dvs. titalls ganger mer enn i egyptiske mumier. I fravær av nedbørsfremkallende ioner, ved pH = 7, er bly tilstede i form av Pb 2+-ionet. Ifølge internasjonale avtaler skal konsentrasjonen av bly i drikkevann ikke overstige 50 µg/l. Akutt blyforgiftning fører først til tap av appetitt og oppkast; Kronisk forgiftning fører gradvis til forstyrrelser i nyrefunksjonen og anemi.

Kontrollspørsmål

1. Hva er objektet og emnet for forskning i den biouorganiske kjemien til metallioner?
2. List opp alkalimetallionene (litium, natrium, kalium, rubidium, cesium). Hva er deres grunnleggende økologiske og fysiologiske data?
3. List opp ionene av jordalkalimetaller (magnesium, kalsium, barium, strontium, beryllium, lantanider). Hva er deres grunnleggende økologiske og fysiologiske data?
4. Forklar virkningene av bly på menneskekroppen. Hvilke tiltak kan foreslås for å beskytte menneskers helse mot bly?
5. Hvordan kommer kadmium, kvikksølv og arsen inn i menneskekroppen; hva er deres innvirkning?
6. Hvorfor er selenforbruk nødvendig for en levende organisme?
7. Definer biouorganisk kjemi og angi dens plass blant andre miljøvitenskaper.
8. Definer begrepene "forurensende" og "fremmede". Nevn typiske xenobiotika som inngår i gruppen tungmetaller.
9. 11hvorfor anbefaler leger i Moskva og Moskva-regionen at studenter og skolebarn regelmessig inntar mat som inneholder jod?
10. Nevn de viktigste migrasjonsveiene for tungmetallatomer i atmosfæren og hydrosfæren.
11. Karakteriser ulike migrasjonsformer ut fra et synspunkt om biotilgjengeligheten til tungmetallatomer.
12. Nevn de viktigste kjemiske prosessene som bestemmer formene for forekomst av tungmetallatomer i vannmiljøet. Hva er hovedforskjellen mellom geokjemien til tungmetallatomer i overflatevannet på kontinenter og i sjøvann?
13. Hvordan påvirker tilstedeværelsen av humusforbindelser i vann biotilgjengeligheten til tungmetallatomer? Nevn de biokjemiske mekanismene som beskytter levende organismer (planter og dyr) mot toksiske effekter av tungmetallatomer.
14. Definer tungmetaller. Hva er deres rolle i biosfæren?
15. Beskriv syklusene til krom og kvikksølv.
16. Hva er distribusjonsmønstrene for kjemiske elementer i biosfæren?
17. Nevn miljøkonsekvensene av industriell forurensning av biosfæren.
18. Definer maksimalt tillatte konsentrasjoner (mengder).
19. Hvordan bestemme vannets egnethet til ulike formål?
20. Oppgi verdiene for maksimalt tillatte konsentrasjoner av forurensninger i matvarer.

Konseptet med livets metaller. Natrium og kalium. Strukturen til atomer og trekk ved hydrering av kationer, som bestemmer innholdet i det ekstracellulære og intracellulære miljøet.

Livets metaller– ti grunnstoffer: K, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo. Deres andel i kroppen utgjør 2,4 %. Alle livsmetaller i kroppen er enten i form av frie kationer eller er kompleksdannende ioner assosiert med bioligander. De tar en aktiv del i stoffskiftet.

Natrium og kalium– elementer av groupIA. Atomer av elementer fra denne gruppen har ett elektron i s-undernivået i det ytre laget, som de har en tendens til å gi til en partner i forbindelser, og danner stabile symmetriske monokasjoner med den elektroniske konfigurasjonen til nærmeste edelgass.

På grunn av stabiliteten til den elektroniske strukturen og den lave positive ladningstettheten på overflaten av Na + og K + kationene, kan ikke deres frie atomære innbyggere på det ytre nivået effektivt samhandle med de ensomme elektronparene til de nærmeste vannmolekylene, som Det er grunnen til at de kun holdes elektrostatisk i hydreringsskallet til kationen. Derfor gjennomgår ikke natrium- og kaliumkationer hydrolyse i et vandig miljø og viser praktisk talt ikke en tendens til å danne komplekser.

Hovedforskjellen i egenskapene til natrium- og kaliumkationer er assosiert med forskjellen i tettheten til den positive ladningen på overflaten: Na +-kationen har den høyere, så dets elektrostatiske felt holder vannmolekylene sterkere. Som et resultat er natriumkationet preget av positiv hydrering, og kaliumkationet er preget av negativ hydrering. Dette, ifølge Valery Ivanovich Slesarev, kan forklare hvorfor Na + og K + kationer er antagonister i levende systemer og hvorfor kaliumkationer hovedsakelig er en komponent av intracellulære, og natriumkationer - intercellulære væsker.

Konsentrasjonen av K+ ioner inne i cellen er omtrent 35 ganger høyere. Enn utenfor den, og konsentrasjonen av Na + ioner i den ekstracellulære væsken er 15 ganger større enn inne i cellen. For å utføre mange viktige biologiske prosesser, er det nødvendig å hele tiden opprettholde en slik ujevn fordeling av disse ionene, noe som krever energiforbruk, siden overføringen av ioner gjennom membranen må skje mot deres konsentrasjonsgradient. Dette realiseres ved hjelp av en kaliumnatriumpumpe, som på grunn av energien til hydrolyse av ett ATP-molekyl fjerner tre Na+-kationer fra cellen og sender to K+-kationer inn i cellen. På grunn av ubalansen i overførte elektriske ladninger, er den indre overflaten av membranen ladet negativt, og den ytre overflaten er ladet positivt.

Den høye intracellulære konsentrasjonen av K-ioner sikrer først og fremst osmotisk trykk inne i cellen, aktivering av enzymatiske systemer for proteinsyntese på ribosomer og oksidasjon av karbohydrater. I erytrocytter deltar K-ioner i arbeidet til hemoglobin- og oksyhemoglobinbuffersystemene, og aktiverer dermed enzymet karbonsyreanhydrase av karbonmonoksid.

K+ og Na+ ioner aktivere adenosintrifosfatase (ATP-ase) av cellemembraner, som gir energi til kalium-natrium-pumpen. Disse ionene har en betydelig effekt på aktiviteten til sentralnervesystemet (CNS). Et overskudd av Na + ioner i cellene i hjernebarken forårsaker depresjon, dvs. hemming av sentralnervesystemets aktivitet. Et overskudd av K-kationer i disse cellene, tvert imot, eksiterer sentralnervesystemet, og forårsaker en manisk tilstand.

Lærebok: 338–341.

Magnesium og kalsium, atomstruktur og trekk ved hydrering av deres ioner. Eksistensformer, plassering og rolle for magnesium- og kalsiumkationer i kroppen. Reaksjonen av dannelse og ødeleggelse av beinvev og dets funksjon.

Kroppen til en voksen inneholder omtrent 20 g magnesiumkationer og 1000 g kalsium. Halvparten av magnesiumkationene og nesten 99 % av kalsiumet finnes i beinvev, resten i bløtvev. Det daglige behovet for magnesiumkationer er ca. 0,3 g, kalsium - 1 g, og hos kvinner under graviditet øker behovet for kalsiumkationer 3-4 ganger.

Magnesium og kalsium er elementer i gruppe IIA i det periodiske systemet. Atomer av elementer fra denne gruppen har to elektroner i det ytre laget av nas-subnivået (12 Mg: 3s 2; 20 Ca: 4s 2), som har en tendens til å bli gitt til en partner i forbindelser.

Forskjellen i egenskapene til magnesium- og kalsiumkationer i et vandig miljø skyldes forskjellen i tettheten til den positive ladningen på overflaten. Siden Mg 2+-kationen har en mindre radius enn Ca 2+ (henholdsvis 66 og 99), hydrerer den bedre, og i tillegg er dens frie atomorbitaler på det ytre nivået, inkludert 3d- orbitaler, i stand til å samhandle med ensomme elektronpar av vannmolekyler, som danner ganske stabile akvakomplekser 2+.

Magnesiumkationen er i stand til å danne kovalente bindinger sammenlignet med kalsiumkationen. I denne forbindelse er magnesiumkationer, i motsetning til kalsiumkationer, i stand til hydrolyse:

Mg2+ +H2O⇌ Mg(OH) + + H+

Hovedtyngden av magnesiumkationer plassert utenfor beinene er konsentrert inne i cellene. Magnesiumioner spiller en viktig rolle i å opprettholde osmotisk trykk inne i cellene. Hovedtyngden av magnesium i blodet finnes i ionisert form, dvs. i form av aquaion (55-60%), er ca. 30% assosiert med proteiner, og 10-15% er en del av komplekse forbindelser med fosfolipider og nukleotider.

På grunn av kompleksdannelse er magnesiumkationer en av hovedaktivatorene til enzymatiske prosesser. Dermed aktiverer de enzymer av oksidativ fosforylering, DNA-replikasjon og benmineralisering.

I motsetning til magnesiumioner er kalsiumkationer hovedsakelig konsentrert i intercellulære væsker. Kalsiummetabolismen styres av parathyreoidea- og skjoldbruskhormoner, samt vitamin D.

Den viktigste mineralkomponenten i beinvev er kalsiumhydrogenfosfat

Ca 5 (PO 4) 3 OH (hydroksyapatitt). Benvev sørger for at konsentrasjonen av Ca 2+ -ioner i biologiske væsker holdes på et visst nivå, så det kan betraktes som en kalsiumbuffer for kroppen.

Kompakt beinvev (kompakt stoff) er en av to typer beinvev som danner bein. Gir støttende, beskyttende funksjoner til bein, fungerer som et oppbevaringssted for kjemiske elementer.

Den kompakte substansen danner cortex av de fleste bein. Det er mye tettere, tyngre og sterkere enn svampaktig stoff. Kompakt beinvev utgjør omtrent 80 % av den totale vekten til det menneskelige skjelettet. Den primære strukturelle og funksjonelle enheten til det kompakte stoffet er osteonet.

Lærebok: 341 – 344.

Jern og kobolt, atomstruktur og karakteristiske oksidasjonstilstander. Syre-base, redoks og kompleksdannende egenskaper til forbindelser av disse metallene. Rollen til forbindelser av disse metallene i en levende organisme.

Menneskekroppen inneholder omtrent 5 g jern og 1,2 mg kobolt. Det meste av jernet (70 %) er konsentrert i hemoglobin i blodet; 14 % av kobolt finnes i bein, 43 % i muskler og resten i bløtvev. Daglig jerninntak er 10-20 mg, og kobolt er 0,3 mg.

Jern og kobolt– elementer fra den fjerde periode VIIIB-gruppen i det periodiske systemet med elektroniske konfigurasjoner 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

De mest karakteristiske oksidasjonstilstandene for jern og kobolt +2 og +3.

I vandige løsninger hydratiseres Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ og Co 3+ kationer for å danne seks-koordinerte vannkomplekser.

Fe 2+ er et sterkt reduksjonsmiddel som kan oksideres selv av luftoksygen.

Co 3+ er et så sterkt oksidasjonsmiddel at det til og med oksiderer vann:

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

Oksider og hydroksider av jern og kobolt, uavhengig av oksidasjonsgrad, viser svake amfotere egenskaper med en overvekt av basiske egenskaper, spesielt i tilfelle av den toverdige tilstanden, når interaksjonen bare skjer med konsentrerte løsninger av alkalier og ved oppvarming.

Jern- og koboltkationer er svært utsatt for kompleks dannelse. Mest sannsynlig for dem koordinasjonsnummer seks:

Kompleksering jern- og koboltkationer sterkt, men påvirker deres redoksegenskaper forskjellig avhengig av forholdet mellom stabiliteten til komplekser av oksiderte og reduserte former med de samme ligander.

Kompleksering Co 3+ med ligander mer aktive enn vannmolekyler gjør den stabil i vandige løsninger.

Kobolt, et av mikroelementene som er avgjørende for kroppen. Det er en del av vitamin B 12 (kobalamin). Kobolt er involvert i hematopoiesis, funksjoner i nervesystemet og leveren, og enzymatiske reaksjoner. Menneskekroppen inneholder 0,2 mg kobolt for hvert kilo menneskevekt. I fravær av kobolt utvikles akobaltose.

I levende organismer jern er et viktig sporelement som katalyserer prosessene med oksygenutveksling (respirasjon). Vanligvis går jern inn i enzymer i form av et kompleks kalt hem. Spesielt er dette komplekset tilstede i hemoglobin, det viktigste proteinet som sikrer transport av oksygen i blodet til alle organer hos mennesker og dyr. Og det er han som farger blodet i dets karakteristiske røde farge.

Det er en stor gruppe ca 50 arter, jernholdige enzymer - cytokromer, som katalyserer prosessen med elektronoverføring i respirasjonskjeden ved å endre oksidasjonstilstanden til jern Fe 3+ + e -   Fe 2+

Lærebok: 349 – 352.