CC BY
14
УДК 61 1.7+613.632|:546.3+61о.916:546.3
М. П. Чеку нова, А. Д. Фролова
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ДЕЙСТВИИ МЕТАЛЛОВ
Ленинградский НИИ гигиены труда и профзаболеваний
Проблема воздействия металлов на человека становится все более актуальной в связи с постоянным ростом их народнохозяйственного использования и увеличением загрязнения окружающей среды.
Следует сказать, что причины высокой биологической активности металлов объясняются исследователями с разных позиций. Ранее большое внимание уделялось сопоставлению токсичности металлов с их строением и физико-химиче-скими свойствами, что в обобщенном виде нашло отражение в отечественных монографиях [1, 3]. Установление P. Bienvenu [5] периодичности в изменении токсичности катионов металлов в зависимости от расположения в системе Д. И. Менделеева явилось предпосылкой для поиска связей между показателями физико-химических свойств (молекулярной массой, плотностью, температурой кипения, первичным потенциалом ионизации, электроотрицательностью) и параметрами токсичности. Эти работы не дали полного объяснения причин периодичности и избирательности токсических свойств для элементов одной и той же группы, объединенных сходными физико-химическими свойствами. В настоящее время наиболее принято мнение о значимости не отдельных характеристик физико-химических свойств, а целого комплекса, определяющего поведение металлов в организме.
В этом плане многообещающим подходом для понимания биологической активности металлов является развиваемое в последнее десятилетие в бионеорганической химии направление — химия координационных соединений. Если в предыдущих исследованиях ведущая роль в ток-сичнбсти отводилась катиону металла, то теперь основное внимание уделяется изучению свойств второго партнера в комплексообразова-нии — рецептора, т. е. биологической структу: ры, с которой взаимодействует металл.
Исходя из предпочтительности в комплексо-образовании, выделяют 3 класса металлов: жесткие (класс А), мягкие (В) и пограничные [4]. Аналогичную классификацию (схема 1) имеют рецепторы (или лиганды). Как правило, жесткие ионы металлов предпочитают координировать жесткие лиганды, а мягкие ионы — мягкие лиганды, при этом образуются устойчивые комплексы. Как ионы металлов, так и рецепторы класса А характеризуются малым ионным радиусом, большим положительным и отрицательным зарядом и как следствие — образова-
нием прочных стабильных комплексов. В связи с этим ионы таких металлов названы жесткими кислотами Льюиса, а рецепторы — жесткими основаниями. К этому классу относятся ионы щелочных и шелочно-земельных металлов.
Наоборот, металлы с большими ионными радиусами, низкой электроотрицательностью и нестабильностью образующихся комплексов объединены в класс В (так называемые «мягкие кислоты» и «мягкие основания» Льюиса). Сюда относятся высокотоксичные металлы — Ag, Нё, Т1, Вк
Ионы металлов, занимающих по жесткости и мягкости промежуточное положение, относятся к пограничному классу. Они характеризуются широким сродством к лигандам обоих классов и включают большинство микроэлементов: Мп2+, Ре2+, Со2+, Си2+, 2п2+. Особенностью этого класса является то, что большинство двухвалентных металлов легко реагируют практически со всеми рецепторами при трудной предсказуемой устойчивости образующихся комплексов. Они вступают активно в реакции с амино-имино-Н-группами протеинов. Некоторые из них
Деление катионов и лиганд на классы по вйхгорну
Схема!
?+ 2+ 2+ Ве , Мд , Са
srz: Мпгиг
Sc3:ca3\ln3^
La ,6d , lu „ з+ „ з+ _ з* Cr , Со , Fe
4+ 4+ 4+
Si ,Ti , Sn 2*
Wo ,Vo
Жесткие или класс A
НгО, ОН, F
Cl', снэсо{ poj.sof'
СОэ,СЮ~ NOq J roh rzo,nh3 rnhz,n2h4
2+ 2+ 2* Fe , Со , Ni 2+ 2+ 2+ Си ,Zn , Pb 2+ 3+ 3+
Sn ,Sb ,BÏ
Промежуточные
cgh5nhz
CSHsN, N3 Br~, NOz
sol, Ni
Си , Ад , Au
■h 2* 2+ Tl , Hg , Hg£ .
pd ,Pt~ , Pt 3+
Tl
Мягкие или классе
RZS,RS, I SCN, szo3~ ft3P> (*o3)p R3As,CN~ RNC, CD, H~ Fi , C2H4
Ряды биологической активности металлов
Сссема 2
Ш,
•50
Ш >мп, Еп, №,Ре, Сг> У, всЯ&ЛТМ1
м
Собственные данные'
ЕД<
50
№> Ш >1л> Сс1>Мп>РЪ >Со> Сл>мд
Собственен ныв
данные
ЕД50 зритроцитарных мембран Сб>Со> 8а > 2п>А/г>РЬ >Мп > Юа>Мд= —и—
мембраны макросом
Си>Со>Сс/>РЬ > №> 2п>
■ИВ
м
Предпочтительность связывания с лиган-дами мембран
СОО- Си>Ш>Со>Мп
ЫН2-
>Си>Ы1>РЪ>1п>Со>Са>Мп>
т..
вн- §ЦЩ >Си>РЪ> Сб>Еп> Со >N1 >Мп
М
Устойчивость КОМ-1_ _
плексов с (рос- ^Са<Ва<вг<Мд! <Со<Мп<1л<№<Си<РЬ< фотными ¡>пипп/уМ = ми_
-жесткие кислоты Льюиса (класс А) 3-мягкие кислоты Льюиса (класс В) □ -амеротерныв кислоты Льюиса (промежуточный класс)
(С<3, Нд) могут конкурировать с и вытеснять его из цинксодержаших металлоферментов, либо подобно Аэ конкурировать за специфические места связывания (Р, Б), образуя малоактивные недиссоциирующие комплексы (преципитаты) .
Таким образом, следует отметить, что в организме имеются все предпосылки для активного взаимодействия металлов с различными функциональными группами, особенно с аминокислотами белков, ферментами, нуклеиновыми кислотами, что определяет биологическую активность металлов.
Деление на классы получило большую весомость при определении места катионов жестких, мягких и промежуточных классов в периодической системе Д. И. Менделеева [10]. По значениям ЬО50 исходя из принадлежности к тому или иному классу, катионы распределяются определенным образом (схема 2). Как правило, наиболее агрессивны представители класса В в связи с образованием легко поляризуемых комплексов, что облегчает доступность катионов практически в отношение всех уязвимых рецепторов клетки. Биологически агрессивны и металлы промежуточного класса, объединяющие большую часть широко распространен-
ных металлов. Наименее токсичны металлы класса А, образующие прочные комплексы, способствующие более быстрому освобождению организма от них. Действительно, установленная в ряду токсичности металлов закономерность имеется на смертельном уровне. Однако попытка перенести эти соотношения на эффекты при более низких (несмертельных) уровнях воздействия металлов оказывается неправомочной. Не проявляя смертельного эффекта, представители класса А благодаря способности образовывать прочные недиссоциирующие комплексы, в частности с сульфатами и фосфатами (связь через О2), являются сильными конкурентами для биоэлементов, тем самым оказывая влияние на метаболические процессы в клетке.
В наших экспериментах по установлению интегральных порогов вредного действия, полученных для 9 растворимых солей металлов, с использованием показателей специфического и общетоксического действия металлов и привлечением для обработки методов многомерной математической статистики, оказалось возможным расположить металлы по степени выраженности суммарного порогового эффекта (см. схему 2). Представленный ряд убедительно показывает, что катион жесткого класса А барий занял в
ряду одно из первых мест в противовес предлагаемому по смертельному эффекту положению. Изменилось расположение катионов и пограничного класса; 2п, переместились на передние позиции по сравнению с последовательностью, установленной по смертельному эффекту. Причиной этого может быть изменение качественной стороны сложных взаимоотношений катионов в организме.
Современные работы по изучению биологической активности, металлов представляют собой попытки объяснения повреждающего действия с позиций комплексообразования. Клеточные мембраны, имея множество чувствительных рецепторов, могут быть уникальным местом проявления действия любых ксенобиотиков, в том числе металлов. Ионы металлов, реагируя с мембранами клеток, будут легко связываться с доступными ионизированными рецепторами наружных поверхностей, в первую очередь с карбоксильными группами сиаловой, нейраминовой кислот и фосфатными группами гликокаликса. Местами связывания металлов могут быть БН-группы, карбоксильные и аминогруппы белкового компонента мембран и фосфатные группы мембранных фосфолипидов.
Исследуя связывание ряда металлов с лиган-дами мембран, а именно с карбоксильными, амино- и БН-группами, О. 0]ипс [7] ранжировал двухвалентные катионы по их предпочтительности связывания с этими группами (см. схему 2).
Исходя из предпочтительности связывания катионов с теми или иными лигандами, мы попытались оценить и расположить изученные нами катионы металлов в зависимости от их ЕД50 по влиянию на устойчивость эритроцитарных мембран (щелочную резистентность эритроцитов). Полученная зависимость в изменении эффекта (см. схему 2) не позволяет установить четкую связь между предпочтительностью связывания с той или иной группой в соответствии с рядами по О. 0]иг1с и выраженностью эффекта по гемолитической стойкости эритроцитов.
Итак, природой металла, доступностью рецептора, концентрацией циркулирующего иона определяется взаимодействие между катионами и мембраной. Можно ожидать, что следствием такого связывания является нарушение функции мембран, а именно изменение проницаемости, ионного распределения, трансмембранного потенциала, блокада активного транспорта, т.е. нарушение клеточного ионного гомеостаза.
В тесной связи с проблемой ионного гомеостаза находится функционирование ионных насосов, особое место среди которых занимает кальциевый. Он имеется в мембранах почти во всех клетках и поддерживает низкую концентрацию свободного Са в цитоплазме. Известно, что поступление Са2+ в клетку является пусковым моментом для сокращения мышц, инициа-
ции клеточного деления, секреции и др. Таким образом, один и тот же ион Са служит регулятором метаболизма клетки. В клетке имеется целая система регуляции постоянного внутриклеточного уровня кальция (гликокаликс, Са2+-зависимая транспортная АТФаза, специализированный белок — кальмодулин). Нарушение катионами металлов одного из звеньев регуляции содержания внутриклеточного Са будет приводить к изменению метаболизма клетки и ее повреждению [11, 13].
Для возбудимых тканей, таких как мышечная и нервная, состояние данного регулятора метаболизма особенно важно и может послужить предпосылкой для понимания избирательности повреждения. В нашем эксперименте мы попытались оценить роль изменения обмена Са в кардиотоксическом действии ряда двухвалентных металлов. По повреждающему действию, оцененному на основании условно-балльной шкалы (по морфологическим и морфометриче-ским показателям), металлы расположились в следующий ряд: Со, Сё, РЬ, №, Си. Использование фармакологических препаратов, в частности изоптина (веропомила), блокирующего пассивный транспорт Са2+ через сарколемму, показало, что при совместном воздействии металлов и изоптина кардиотоксическое действие несколько ослабляется лишь при действии кобальта, а повреждающий эффект Сс1 к особенно РЬ существенно усиливается. Таким образом, по степени повреждения миокарда катионы металлов в присутствии изоптина расположились в иной последовательности: РЬ, Сс1, N1, Со. Усиление и некоторое ослабление кардиотоксич-ности металлов в присутствии изоптина указывает на участие обмена Са в повреждающем действии металлов на миокард. Усиление повреждения позволяет предполагать сходство в механизме действия РЬ и Сс1 с изоптином, т. е. влияние металлов на пассивный транспорт Са2+ через мембраны.
Изучение состояния активного транспорта в нашем эксперименте путем определения активности катионзависимых АТФаз показало, что Со и Сс1 снижают их общую активность, мало изменяя Са2+-зависимую АТФазу. По-видимому, активный транспорт Са в условиях данного эксперимента существенно не страдал.
Местами избирательного связывания Са через кислород являются карбоксильные, фосфатные, сульфатные лиганды. Отсюда можно ожидать, что металлы, конкурирующие за связывание с указанными функциональными группами, могут проявлять свое повреждающее действие через кальциевый механизм. Наиболее прочные комплексы с фосфатными группами АТФ образуют катионы класса В, промежуточное положение занимает пограничный класс, наименее устойчивые комплексы — у класса А. Из данного ряда прослеживается конкурентоспособность катио-
нов с Са как внутри класса, так и между металлами других классов. Практически все металлы могут вытеснять его из мест связывания в фосфатных группах.
В противовес связыванию металловс фосфатными группами АТФ [8] прослежена■ иная зависимость связывания ионов металлов с каль-модулином мембран мозга. Наибольшим сродством к кальмодулину обладает РЬ. Он практически является заместителем Са в кальмоду-линзависимых реакциях. Примерно одинаковым сродством с Са обладают Бг, в меньшей степени — Сс1, А^, Ва и весьма слабое комплексо-образование с этим белком у Бп, N4, Со и Ре. Это еще раз показывает сложность процесса комплексообразования и многогранность проявления избирательности действия металлов.
Примером сложных взаимоотношений между металлами и внутриклеточными мембранами является действие металлов на метаболизирую-щую систему клетки. Исследования по выяснению влияния металлов на состояние метаболи-зирующей системы показали, что введение солей двухвалентных катионов вызывает глубокие изменения метаболизма гема как результат ингибирования тиоловых ферментов, ответственных за биосинтез порфиринов. Эти изменения приводят к резкому уменьшению содержания ци-тохрома Р-450 в печени и, как следствие, изменению НАДФН цитохромредуктазной активности, ответственной за метаболизм ксенобиотиков [6].
Исследования ряда металлов [9] показали, что через 24 ч после их подкожного введения лишь Си, Со, Сё, РЬ и N1 оказывали сходное ингибирующее действие на ферменты микросом, что сопровождалось снижением уровня цитохро-ма Р-450 при неизменяющемся уровне цитохро-ма В5.
В противовес представлениям о первичности поражения тяжелыми металлами метаболизи-рующей системы ряд авторов высказывают предположение о вторичности этих нарушений и первичности индуцирования металлами свободных радикалов и их производных, вызывающих стимуляцию перекисного окисления липи-дов [2, 12]. Это подтверждалось увеличением образования продуктов первичного и вторичного окисления липидов и возрастанием уровня малонового диальдегида (при воздействии Нд,
Мо, Сг, Мп при отсутствии эффектов при действии Cd, РЬ и Zn).
В заключение следует сказать, что наряду с большими достижениями в изучении причин биологической активности металлов, а именно выявление действия соединений металлов на специфические ферментные системы, метаболизм ксенобиотиков — микросомальную систему многоцелевых оксидаз, на биологическое окисление, проницаемость мембран, влияние на кальцийза-висимые биологические процессы, все еще не находят объяснения вопросы избирательного эффекта металлов. Вероятно, ключом к пониманию причин избирательности и возможности ее прогнозирования могут явиться достижения в химии координационных соединений. Выявление избирательности в свою очередь особенно актуально в связи с ориентацией токсикологов-ги-гиенистов на ускоренное гигиеническое регламентирование.
Литература
1. Брахнова И. Т. Токсичность порошков металлои и их соединений. — Киев, 1971.
2. Желязков Д., Марков М. // Експер. мед. морфол. — 1984, —Т. 23, № 3. — С. 127—133.
3. Левина Э. Н. Общая токсикология металлов. — Л., 1972.
4. Неорганическая биохимия / Под ред. Г. Эйхгорна.: Пер. с англ. — М„ 1973. — Т. 1.
5. Bieuveuu P., Nojre Ch. // С. R. Acad. Sci. (Paris). — 1963. — Vol. 256. —P. 1043-1044.
6. David L„ Stacey £., Woug K.-L., Klasseu C. //Toxicol, appl. Pharmacol. — 1980. — Vol. 56. — P. 393—402.
7. Djuric D. Molecular-Cellular Aspects of Toxicology. — Belgrad, 1979.
8. Hebermann F„ Crowell K-, Sanicki P. //Arch. Toxicol — 1983, —Bd 54, —S. 61—70.
9. Kadiiska M., Stoytchev T. // Ibid.— 1980. — Suppl. 4,— S. 363—365.
10. Niefboer E., Richardson D. // Environm. Pollut., Ser. В.— 1980, — Vol. 3, —P. 3—26.
11. Phillis J., Limacher .'., Can /.//Physiol, a. Pharmacol. — 1974. — Vol. 52. —P. 566-574.
12. Rana S„ Ajay K./J Curr. Sci. — 1984. — Vol. 53.— P. 933—934.
13. Rozear M., Degroof R. //J. Pharmacol, exp. Ther.'— 1971, —Vol. 176. —P. 109—118.
Поступила 10.12.85
Summary. In the light of modern concepts on chemistry of coordination bonds the impact of metals on specific enzy-mic systems, microsomal multipurpose oxidase system, membrane permeability, and calcium-dependent biological processes is considered.
