Тяжелые металлы в костной ткани

Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека

библиографическое описание:
Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека / Зинина О.Т. // Избранные вопросы судебно-медицинской экспертизы. — Хабаровск, 2001. — №4. — С. 99-105.

Одними из наиболее вредных для биосферы Земли загрязнений, имеющих самые разнообразные вредные последствия, как для здоровья людей, так и для жизнедеятельности живых организмов, являются загрязнения тяжелым и металлами. Наряду с пестицидами, диоксинами, нефтепродуктами, фенолами, фосфатами и нитратами тяжелые металлы ставят под угрозу саму существование цивилизации. Увеличивающийся масштаб загрязнений окружающей среды оборачивается ростом генетических мутаций, раковых, сердечно-сосудистых и профессиональных заболеваний, отравлений, дерматозов, снижением иммунитета и связанных с этим болезней. В подавляющем большинстве случаев первоисточником загрязнений является экологически безграмотная деятельность человека. Среди опасных для здоровья веществ тяжелые металлы и их соединения занимают особое место, та к как являются постоянными спутниками в жизни человека.

Очень часто многоэлементный анализ используют в медицине при выяснении причин острых и хронических отравлений, а так же при лечении профессиональных болезней, связанных с хроническим воздействием тяжелых металлов на организм в условиях реального производства и экологических особенностей.

В химико-токсикологическом анализе применяется метод минерализации при исследовании биологического материала (органов трупов, биологических жидкостей, растений, пищевых продуктов и др.) на наличие та к называемых «металлических ядов». Эти яды в виде солей, оксидов и других соединений в большинстве случаев поступают в организм через пищевой канал, в соответствующих отделах которого они всасываются в кровь и вызывают отравления.

Важнейшим и «металлическими ядами » являются соединения бария, висмута, кадмия, марганца, меди, ртути, свинца, серебра, таллия, хрома, цинка и соединения некоторых неметаллов (мышьяка, сурьмы). Ряд перечисленных выше химических элементов, соединения которых являются токсичными. В небольших количествах содержатся в тканях организма как нормальная их составная часть, В виду незначительных количеств этих химических элементов. Содержащихся в организме, их называют микроэлементами.

Установлены предельно-допустимые концентрации микроэлементов в организме.

Амплитуда содержания того или иного элемента у разных организмов может значительно выходить за пределы указанных концентраций. Фактор концентрации имеет определяющий характер для оценки физиологического действия элемента. Уже почти 85 лет известно, что:

Каждый элемент имеет присущий ему диапазон безопасной экспозиции, который поддерживает оптимальные тканевые концентрации и функции;
У каждого элемента имеется свой токсический диапазон, когда безопасная степень его экспозиции превышена [Mertz, 1982].

Правила Мертца особенно важны для токсикологической химии. Металлы с малыми значениями диапазона концентраций условно отнесены в разные группы по «степени опасности» (чем меньше диапазон, тем «опаснее»):

As, Be, Cd, Hg, Pb, Tl, Zn;
B, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Sb, Sc;
Ba, Mn, Sr, V, W.

Общепризнанно, что наиболее опасными элементами для человека, да и вообще для теплокровных животных, являются кадмий, ртуть и свинец (Cd, Hg, Pb).

Кадмий вызывает отравление, описанное в Японии как болезнь «итаи-итаи» (ох-ох). Название болезни происходит от боли в спине и ногах, сопровождающей остеомаляцию (декальцификацию) костей, что приводит к ломкости костей. Хроническое отравление кадмием разрушает печень и почки, приводя к сильнейшему нарушению функции почек. Избыток кадмия нарушает метаболизм металлов, особенно железа и кальция, нарушает действие цинковых и иных металло-ферментов, блокирует сульфгидрильные группы ферментов, нарушает синтез ДНК. Кадмий легко замещает металлфлавопротеиновых комплексах, где главенствующую роль играют железо и молибден, нарушая двухстадийный процесс окисления.

Ртуть токсична в любой своей форме. Ртуть в природных условиях довольно быстро превращается в летучее токсическое соединение — хлорид метилртути. В организме ионы метилртути быстро попадают в эритроциты, печень и почки, оседают в мозге, вызывая серьезные необратимые кумулятивные нарушения ЦНС. Это приводит, к конце концов, к общему и церебральному параличу, деформации конечностей, особенно пальцев, затрудненному глотанию, конвульсиям и смерти. Ртуть блокирует активность ряда важнейших ферментов, в частности карбоангидразы, карбоксипептидазы, щелочной фосфатазы. Легко замещает кобальт в корриноидах, извращая метаболические реакции, связанные с витамином В12. Повреждение механизма биосинтеза ДНК из-за недостаточности витамина В12 является причиной мегалобластических анемий и наиболее распространенной формы — пернициозной анемии, что приводит к дегенеративным изменениям нервной системы.

Свинец известен как токсическое вещество почти 5 тысяч лет среди греческих и арабских ученых. В современных условиях наибольшим источником загрязнения свинцом среды обитания считаются выхлопы бензиновых двигателей автомашин, поскольку в бензин добавляется тетраэтилсвинец для повышения октанового числа. Свинец препятствует одной из ступеней биосинтеза гема, считается сильнейшим нейротоксином, вызывает повышенную агрессивность. Хроническое отравление свинцом постепенно приводит к нарушениям функций почек, нервной системы, анемии. Токсичность свинца увеличивается при недостатке в организме кальция и железа. Свинец блокирует SH-группы белков, образуя комплексы с фосфатными группами рибозы у нуклеотидов, особенно у цитидина, и тем самым быстро разрушает РНК, ингибирует ферменты, в частности карбоксипептидазу.

Читайте также: Множественные узлы в мягких тканях

Мышьяк относится к числу наиболее сильных и опасных ядов. В присутствии кислорода быстро образует очень ядовитый мышьяковистый ангидрид. При пероральном отравлении высокая концентрация мышьяка наблюдается в желудке, кишечнике, печени, почках и поджелудочной железе, при хроническом отравлении постепенно накапливается в коже, волосах и ногтях. Из-за ингибирования различных ферментов нарушает метаболизм. В процессе отравления первыми страдают аксоны, что приводит к периферической нейропатии и параличу конечностей. Мышьяк считается канцерогенным для человека.

Таллий очень токсичен, зачастую его называют «химическим СПИДом». Таллий, проникая через клеточные мембраны, образует сильные комплексы, например, нерастворимый комплекс с рибофлавином. Это приводит к нарушению метаболизма серы и разрушению иммунной системы. Отравление таллием приводит к гастроэнтеритам, периферической нефропатии, при большой абсорбции к смерти. Через 2-3 недели после небольшого отравления у человека выпадают волосы.

Цинк в виде двухвалентного элемента входит в состав свыше 20 ферментов, включая участвующие в обмене НК. Большая часть цинка в теле человека находится в мышцах, а самая высокая концентрация — в простате. В крови он присутствует в эритроцитах как кофактор в карбоангидразе. Избыток цинка может разбалансировать метаболические равновесия других металлов. Разбалансировка отношения цинк/медь является главным причинным фактором в развитии ишемической болезни сердца. Избыточное потребление солей цинка может приводить к острым кишечным отравлениям с тошнотой. В общем, цинк не очень опасен, а возможность отравления, вероятнее всего зависит от совместного присутствия токсичного кадмия.

Медь является необходимым кофактором для нескольких важнейших ферментов, катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции, без которых нормальная жизнедеятельность невозможна. Медь входит в качестве необходимого элемента в состав цитохромоксидазы, тироназы и других белков. Их биологическая роль связана с процессами гидроксилирования, переноса кислорода, электронов и окислительного катализа. В тканях здорового организма концентрация меди в течение всей жизн и поддерживается строго постоянной. В норме существует система, препятствующая непрерывному накоплению мед и в тканях путем ограничения ее абсорбции ил и стимуляции ее выведения. Хронический избыток меди в тканях При соответствующих заболеваниях вызывают токсикоз : ведет к остановке роста, гемолизу, снижению содержания гемоглобина, к деградации тканей печени, почек, мозга. Около 95 % меди в организме присутствует в составе гликопротеина крови церулоплазмина. Известен факт недостатка этого белка При болезни Вильсона-Коновалова — врожденном дефиците метаболизма (гепатолентикулярная дегенерация). Из-за генетического дефекта в синтезе церулоплазмина его содержание в крови резко снижено. В результате медь не связывается в комплекс с нормальной для организма константой устойчивости. Это приводит к недостатк у мед и в цеп и реакций метаболизма, приводящей к естественному для здорового организма синтез у соединительной ткани. Для осуществления нормального процесса сшивки мономеров эластина и коллагена не хватает активной Си-лизолоксидазы. С другой стороны «освободившиеся» ионы меди, лишившись по сути единственного нормального потребителя, откладываются в специфических тканях (печень, ядра мозга, почки, эндокринные железы, радужная оболочка глаз), где оказывают прямой токсический эффект. Создается парадоксальная ситуация избытка меди в специфических тканях при ее недостатке в нормальной цепи метаболизма.

Хром один из наименее токсичных элементов. При острых отравлениях накапливается во внутренних органах. Считается, что трехвалентный хром в виде комплекса с никотиновой кислотой и алифатическим и аминокислотам и работает в организме в качестве «фактора толерантности к глюкозе». Его действие заключается в усилении гипогликемического действия инсулина. В обычных условиях отрицательным является недостаток хрома в организме.

Сурьма — менее токсичный элемент, чем мышьяк. При отравлении накапливается в скелете, почках, селезенке.

Барий в виде двухвалентного катиона ядовит из-за его антагонизма с калием (но не с кальцием). У обоих ионные радиусы подобны. Барий является мускульным ядом. Абсорбированный барий откладывается в костях и в пигментной оболочке глаз.

Марганец — элемент почти нетоксичен, особенно в виде двухвалентного иона. В виде перманганат-иона токсичен из-за окислительной способности. Отравление происходит в случае вдыхания оксида в промышленном производстве.

Серебро. Элемент накапливается в печени и в меньших количествах, но равномерно, в остальных органах и тканях. Отложения серебра отмечено в клубочках почек и в субэпителиальных слоях кож и («аргироз» — голубоватое окрашивание кожи).

При различных патологиях имеет место изменение содержания микроэлементов в организме. Исследование сыворотки больных острым вирусным гепатитом, а также при постгепатитном циррозе показало, что у пациентов с острым гепатитом концентрация цинка почти не менялась, концентрация кадмия значительно увеличивалась. Концентрация меди и марганца незначительно уменьшалась. При хроническом гепатите и постгепатитном циррозе содержание меди и цинка в сыворотке уменьшалось, а кадмия увеличивалось. Содержание марганца почти не менялось. Выделение с мочой меди, превышающее 115 мкг/сутки и сопровождаемое низким содержанием в крови, свидетельствует о синдроме системного заболевания, например, болезни Вильсона-Коновалова. Повышенное содержание в крови и моче алюминия, особенно у пожилых людей, может сопровождать энцефалопатию, болезнь Альцгеймера и другие формы слабоумия, а при почечной недостаточности также остеомаляцию и микроцитарную гипохромную анемию. Повышенное содержание в крови и моче лития характерно для больных с патологией мочевыделительной системы, нефропатиями.

Читайте также: Ретикулярная ткань строма кроветворных органов

Повышенное относительно ПДК содержание в биологических жидкостях отдельных тяжелых металлов может свидетельствовать о хроническом воздействии токсикантов на организм и перенапряжении работы почек и печени. Это требует мер по очистке организма от избытка тяжелых металлов, например, с помощью препаратов с полианионами (морская капуста) в незапущенных случаях.

Повышенное содержание в крови и моче наиболее токсичных тяжелых металлов (кадмия, ртути, свинца) требует энергичных мер по их выведению, поскольку их избыток разрушает нервную, сердечно-сосудистую и иммунную системы.

Повышенное содержание в крови и моче таллия и селена может пролить свет на причины облысения и плохое самочувствие таких больных.

Повышенное содержание в организме бора должно привлечь внимание к тяжелым металлам, содержание которых не превышает ПДК, т.к. он оказывает синергистское (усиливающее) влияние на их токсические свойства.

Токсичность «металлических ядов» объясняется связыванием их с соответствующими функциональными группами белковых и других жизненно важных соединений в организме. В результате нарушаются нормальные функции соответствующих клеток и тканей в организме, и наступает отравление, которое в ряде случае в заканчивается смертью.

Тяжелые металлы в костной ткани

Экологические проблемы – это одно из основных условий развивающейся цивилизации

[16]. Следствием ускоренного экономического роста является нарушение экологического равновесия. При этом убыстряется экономическое освоение природы, интенсифицируется использование природных материалов и всех ресурсов [2]. Повсеместно наиболее опасные загрязнители окружающей среды – это соединения химической природы, включая и тяжелые металлы [1,27,28].

Многие авторы изучали содержание тяжелых металлов в кормах [29], органах и тканях различных видов животных [14,15, 32, 35], в пище человека [12,30,34] и их влияние на генетическую структуру популяций [9].

По мнению ряда авторов, рыбы – это идеальный объект исследований [7,10,36]. Они доступны для отбора проб статистически достаточного объема; относительно долгоживущие организмы, что позволяет оценивать долговременные хронические воздействия неблагоприятных условий окружающей среды; удобны для оценки физиологического состояния; обладают схожестью многих фундаментальных биохимических процессов с человеком, что позволяет прогнозировать данный тип загрязнений и для людей; обитают в районах с различной степенью загрязнения; обладают определенной резистентностью к сублетальному воздействию загрязняющих веществ [5, 17, 19, 31].

Изучение содержания тяжелых металлов в рыбах Сибири – это важный аспект общеэкологического мониторинга региона [22]. Это дает возможность выявлять адаптивные механизмы рыб к высокому содержанию в их организмах тяжелых металлов и использовать ряд параметров экологии и физиологии рыб в качестве индикаторов качества воды и качества рыбопродуктов для питания человека.

Материалы и методы

Работа выполнена на базе лаборатории биохимии ГНУ СибНИИЖ. Исследования были проведены на судаке обыкновенном в возрасте 3,3+-4,4+ года. Судак был пойман в период с ноября по декабрь 2011 г. в Новосибирском водохранилище. Новосибирское водохранилище – крупнейшее в Западной Сибири [4]. Общая площадь водоема равна 1082 км2, средняя глубина составляет 8,3 м, наибольшая глубина – 25 м. Для исследования были взяты 30 проб костной ткани. Концентрации тяжелых металлов определялись методом атомно-абсорбционной спектрометрии (АСС) на атомно-абсорбционном спектрометре АА-7000 Shimadzu по ГОСТ 30178-96.

Полученные данные обработаны методом вариационной статистики [20] с использованием программы Microsoft Excel. Тестирование соответствия имеющихся распределений нормальным проводили при помощи критерия Колмогорова—Смирнова. Достоверность разности между средними значениями оценивали с помощью критерия Стьюдента (td -критерий) и Фишера F (φ).

Результаты и обсуждение

Данные по содержанию тяжелых металлов в костной ткани судака обыкновенного представлены в таблице 1.

± S

Отношение крайних вариантов

Выявлены значительные различия между способностью костной ткани судака к аккумуляции микроэлементов. Ранее нами изучалось содержание тяжелых металлов в чешуе и мышцах судака Новосибирского водохранилища [13 19, 31]. Исследованиями установлено, что в костной ткани судака концентрация железа меньше, чем в чешуе, в 2,5 раза, марганца – в 1,2 раза. Концентрация меди и цинка превышает содержание данных микроэлементов в чешуе в 4,4 и 1,2 раза соответственно. Аккумуляция железа и марганца в больших количествах в чешуе – это не случайное явление, а закономерность, которую можно объяснить тем, что это сильно минерализованное белковое вещество играет определенную роль в депонировании и обмене микроэлементов между организмом рыбы и окружающей средой. Так, при изучении накопления тяжелых металлов радужной форелью было обнаружено, что чешуя радужной форели накапливает железо, медь, марганец и цинк, когда в мышцах и жабрах содержание этих элементов уменьшается [26]. Высокую концентрацию меди в костной ткани можно объяснить значительной ролью меди в процессах роста костей и необходимостью достаточной концентрации для нормального развития скелета и дифференциации костной ткани. Цинк в свою очередь значительно влияет на рост и развитие организма, является активатором ряда ферментов, включая щелочную фосфатазу костной ткани. При недостатке цинка суставы становятся малоподвижными, конечности отекают [24]. В мышечной ткани в сравнении с костной в 1,73 раза больше железа, содержание свинца примерно на одном уровне. Остальные химические элементы по концентрации преобладают в костной ткани. Давыдовой с соавт. [7] при изучении содержания ряда металлов в мышечной и костной ткани рыб Магнитогорского водохранилища был сделан вывод о том, что большинство изученных металлов накапливаются в костной ткани. По данным А.С.Ваганова [3], в мышечной ткани судака Куйбышевского водохранилища в сравнении с костной железа больше в 1,38 раза, свинца – в 2 раза, цинка – в 1,23 раза соответственно. По мнению данного исследователя, на аккумуляцию и динамику накопления тяжелых металлов в органах и тканях рыб оказывают влияние гидрохимические показатели воды, пол, возраст и занимаемая экологическая ниша.

Читайте также: Аппарат для обработки костной ткани аокт он

Содержание микроэлементов в костной ткани судака Новосибирского водохранилища уменьшается в ряду: Zn>Fe>Mn>Cu и Pb˃Сd, что сопоставимо с содержанием химических элементов в чешуе судака, где ранжированный ряд выглядел так: Zn >Fe>Sr>Mn> Cu [12]. По данным Галатовой Е.А. [6], в чешуе судака реки Уй ранжированный ряд можно представить следующим образом: Zn>Fe>Mn и Рb>Co. В мышцах судака Новосибирского водохранилища ранжированный ряд был Fe>Zn>Cu>Mn в соотношении 27,6:13:11,9:1 [19, 31]. По количеству тяжелых металлов в костной ткани судака доминируют цинк, железо и марганец, в мышцах – железо и цинк, а в чешуе — железо, цинк и стронций. Это связано с закономерностями распределения химических элементов в разных органах и тканях рыб. Распределение химических элементов в костной ткани изучаемого вида рыбы характеризуется неоднородностью и зависит от геохимии среды обитания, функционального состояния организма и характера пищевых цепей водоемов.

Железо играет важную роль в процессах выделения энергии, в ферментативных реакциях, в обеспечении иммунных реакций [23]. Железо находится во всех органах и тканях и входит в состав гемоглобина и нуклеопротеидов ядерной субстанции клеток. Этот металл является жизненно важным в регуляции различных уровней обмена в организме [8, 18]. Во многих исследованиях было установлено, что производные кожи волос, щетина могут быть использованы как прижизненные маркеры накопления тяжелых металлов в органах и тканях животных [11, 21, 25]. В таблице 2 показано, что между содержанием некоторых химических элементов в костной ткани судака и уровнем тяжелых металлов в мышцах и чешуе существует связь. В костной ткани судака выявлена средняя положительная корреляция концентраций железа и свинца, а также железа и меди.

Корреляция между уровнями тяжелых металлов в костной ткани

Так, коэффициент корреляции между концентрацией железа в чешуе и уровнем марганца в кости был равен 0,409. Это означает, что концентрация марганца в чешуе может быть малоинвазивным прижизненным маркером накопления железа в костной ткани судака.

Установлены средние популяционные значения тяжелых металлов в костной ткани судака Новосибирского водохранилища, которые могут быть использованы в экологии, ветеринарии и зоотехнии при оценке интерьера судака по элементному составу. Содержание микроэлементов в костной ткани судака Новосибирского водохранилища уменьшается в ряду: Zn>Fe>Mn>Cu˃Pb˃Сd. Высокие положительные корреляции наблюдались между содержанием железа и свинца, а также железа и меди

По количеству тяжелых металлов в костной ткани судака доминируют цинк и железо. Концентрация железа в костной ткани меньше, чем в чешуе, в 2,5 раза, марганца – в 1,2 раза. Концентрация меди и цинка превышает содержание данных микроэлементов в чешуе в 4,4 и 1,2 раза соответственно. В мышечной ткани в сравнении с костной железа было больше в 1,73 раза.

Солошенко В.А., д.с.-х.н, профессор, директор Сибирского научно-исследовательского и проектно-технологического института животноводства, Новосибирская область, п. Краснообск;

Желтиков А.И., д.с.-х.н, профессор, профессор кафедры разведения, кормления и частной зоотехнии Новосибирского государственного аграрного университета, г. Новосибирск.

Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом

Тяжелые металлы в костной ткани

Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека

похожие статьи

Тяжелые металлы в костной ткани