Словосочетание "тяжелые металлы" большинством людей сейчас воспринимается как синоним понятия "токсичные металлы". Однако надо иметь в виду, что многие из причисляемых к этой группе элементов жизненно необходимы (эссенциальные) для различных живых организмов.
Совершенствование техники химического анализа в сочетании с детальным изучением биохимических процессов позволило установить важную биологическую роль многих элементов, еще совсем недавно причислявшихся к числу ксенобиотиков. Всего в живых организмах к настоящему времени обнаружено 80 элементов. Их биологическая роль определяется положением в Периодической системе, т.е. строением атомов и физико-химическими свойствами. Как известно, в растениях и животных в наибольших количествах содержатся s- и p-элементы первого, второго и третьего периодов. В их числе мы находим почти все элементы-органогены, в сумме составляющие примерно 97 % массы организмов: водород, углерод, азот, фосфор и серу, а также жизненно необходимые натрий, магний и хлор. К эссенциальным относятся также некоторые s-элементы четвертого периода (калий и кальций) и p-элемент йод. К ним же по праву причисляют такие тяжелые металлы, как Мn, Ni, Сu, Сr, Со, V и Zn. Все они наряду с железом, кобальтом и молибденом входят в состав биокатализаторов (ферментов) или их активаторов.
Марганец, например, обнаружен в простетических группах ферментов, ответственных за синтез специфических полисахаридов, входящих в состав хрящей. К важнейшим марганецсодержащим ферментам относится пируваткарбоксилаза; марганец входит в состав супероксиддисмутазы, фосфаттрансферазы, ДНК-полимеразы.
Еще более обширен перечень энзимов (около 200), в которые входит цинк. Среди них один из наиболее распространенных в органическом мире – карбоангидраза, катализирующая обратимую гидратацию СО2 и участвующая в тканевом обмене всех органов. К числу цинксодержащих ферментов относятся карбоксипептидаза, а также типичные катализаторы гликолиза (алкоголь-, лактат- и глицеральфосфатдегидрогеназы) и др.
Медь в живых организмах входит в состав белков: у млекопитающих это в основном белок сыворотки крови церулоплазмин, синтезируемый в печени. В числе тканевых ферментов можно назвать также цитохромкиназу. У беспозвоночных медь содержится в дыхательном пигменте гемоцианине.
Относительно недавно начала проясняться биологическая роль хрома и никеля. Первый из них участвует в липидном, а также в углеводном обмене: при сахарном диабете содержание хрома в тканях человека понижено. Никель обнаружен в уреазах, широко распространенных в растениях и найденных у ряда микроорганизмов. Он присутствует в составе ферментов метанового брожения архебактерий (в организме животных никельсодержащие энзимы не выявлены).
Индивидуальная потребность в эссенциальных тяжелых металлах очень невелика (например, в организме взрослого человека общее содержание марганца составляет всего лишь около 8 мг). Между тем многие живые организмы склонны к их бионакоплению и экологической магнификации, а превышение естественных уровней содержания этих элементов часто приводит к тяжелым нарушениям метаболизма, высшей нервной деятельности, развития плода и т.д.
В число экологически значимых тяжелых металлов, кроме перечисленных, по решению Европейской экономической комиссии ООН включены свинец, кадмий, ртуть и сурьма (а также металлоиды селен и мышьяк). Как видно, большинство из них, за исключением непереходных цинка, кадмия, ртути и свинца, относятся к d-элементам. Благодаря наличию вакансий в электронных оболочках (d-элементы легче образуют комплексные соединения, в том числе и с биолигандами). В этом свойстве проявляется как их положительная, так и отрицательная физиологическая роль.
С одной стороны, эссенциальные металлы из числа d-элементов в составе биомолекул выступают в качестве составляющих эффективных биокатализаторов и участвуют в метаболизме. При этом сходные физико-химические свойства ряда d-элементов (близкие величины ионных радиусов, одинаковые координационные числа) являются причиной некоторого параллелизма их поведения в однотипных процессах. Например, в состав гемоглобина крови почти всех высших животных, выполняющего функцию переносчика кислорода, входит железо, тогда как у некоторых организмов (черви, моллюски, морские хордовые животные асцидии) кислород переносится медью или ванадийсодержащими белками. С другой стороны, это сходство служит предпосылкой к тому, что проникновение в организм из внешней среды избыточных количеств одного или нескольких из них может привести к неравноценной замене комплексообразователя в металлоферментах и простетических группах.
Ионы непереходных металлов Рb2+, Нg2+, СНзНg+ и Сu2+ образуют прочные комплексы с аминокислотами и другими биомолекулами, содержащими концевые тиогруппы (НS-). Например, весьма прочный комплекс с тиогруппой, характеризуемый величиной рК == 15,7, образует катион метилртути СНзНg+. Сейчас установлено, что ионы ртути именно по этому механизму ингибируют более 100 различных ферментов. Из-за такого действия ионы свинца, ртути и кадмия относят, наряду с алкилирующими НS-группу органическими токсикантами, к категории тиоловых ядов.
Другой важный механизм токсического действия ртути и свинца заключается в вытеснении эссенциальных металлов из металлсодержащих комплексов, приводящем к потере последними биологической активности. Так происходит дезактивация участвующих в синтезе гема ферментов карбоангидразы и ами-нолевулинатдегидрогеназы в результате замены содержащегося в них иона Zn2+ на Нg2+ или на Рb2+.
Некоторые комплексы металлов с органическими лигандами близки по своим характеристикам (геометрический размер, распределение зарядов в молекуле и др.) к "обычным" субстратам и поэтому могут проявлять так называемый "эффект мимикрии", подменяя аминокислоты, гормоны и нейромедиаторы. Так, образуемый метилртутью и аминокислотой цистеином комплекс имитирует незаменимую аминокислоту метионин, участвующую в синтезе адреналина и холина. Такая подмена нарушает ход естественных процессов в организме.
Особенно опасны с точки зрения ингибирования синтеза гема ионы Рb2+. Помимо уже упомянутых ферментов (карбоангидразы и аминолевулинатдегидрогеназы) мишенью этих ионов служит феррохелатаза. Кроме того, ионы свинца активируют фермент гемокиназу, разлагающий гем. Таким же действием обладают ионы кобальта и кадмия. Потеря организмом животного гема приводит к дефициту гемоглобина и развитию анемии.
Токсический эффект тяжелых металлов связан также с нарушением синтеза различных форм цитохрома Р-450 монооксигеназ гладкого эндоплазматического ретикулума, содержащих в качестве простетической группы гем. Поскольку цитохром Р-450 отвечает за окисление ксенобиотиков, делающее возможным их последующую конъюгацию и выведение из организма, нарушение этой системы приводит к накоплению органических токсикантов в тканях и органах. Тяжелые металлы ингибируют также и некоторые звенья второй фазы детоксикации, в ходе которой, собственно, и осуществляется конъюгация подвергшегося окислению ксенобиотика с остатком глюкуроновой или серной кислоты.
Цитохромы Р-450 участвуют в метаболизме не только ксенобиотиков, но и эндогенных биологически активных веществ -кортикоидных и тиреоидных гормонов, андрогенов, катехола-минов, витаминов группы В, холестерина и т. д. Поэтому нарушение их синтеза или снижение активности может вызвать глубокие нарушения самых различных процессов в организмах животных.
Активация пероксидного и свободнорадикального окисления отмечена в случае ионов свинца, ртути, хрома, кадмия и других тяжелых металлов. В результате такой активации повреждаются некоторые белки, нуклеиновые кислоты, липиды, а также биомембраны. Частично повреждающий эффект объясняется ингибированием металлами ферментов, защищающих организм от накопления в нем Н2О2. Пероксид водорода является предшественником высокоактивного в реакциях окисления свободного радикала гидроксила.
Таким образом, основными молекулярными и клеточными мишенями для ионов тяжелых металлов служат:
– гемсодержащие белки и ферменты;
– ферменты, участвующие в процессах конъюгации;
– системы пероксидного и свободнорадикального окисления липидов и белков, а также системы антиоксидантной и антипероксидной защиты;
– ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ.
На большом числе примеров было продемонстрировано взаимное усиление токсичности тяжелых металлов. Однако при парном сочетании обнаруживается не только синергизм, но и антагонизм. Так, в опытах с некоторыми видами фитопланктона был установлен антагонизм ртути и кадмия при их концентрациях на уровне 25 и 25-100 мкг/л. В целом же, между физико-химическими свойствами тяжелых металлов и их биологической активностью какие-то общие зависимости не выявлены. Вместе с тем к настоящему времени удалось обнаружить ряд полезных частных соотношений между этими характеристиками.
Для сопоставления токсичности тех или иных химикатов часто прибегают к использованию некоторых биологических видов в качестве тест-объектов (метод биотестирования). В опытах с дафниями {Daphnia таgпа) тяжелые металлы располагались в порядке уменьшения токсичности в следующий ряд:
Нg > Аg > Си > Zn > Сd >> Со > Сг > РЬ > Ni > Sn.
Весьма интересно, что наблюдается очень высокая корреляция между растворимостью сульфидов тяжелых металлов и их токсичностью. Например, в опытах на аквариумных рыбках гуппи и на колюшках коэффициент корреляции составил 0,92. Растворимость сульфидов изменяется в ряду: Нg < Аg < Си < < РЬ < Cd < Ni < Zn < Мn. Между тем в случае многих тяжелых металлов сульфиды образуют основные природные минералы. Из этих фактов вытекает, во-первых, что металлы проявляют токсический эффект в растворенном состоянии (в ионных формах). Во-вторых, малая растворимость основных минералов таких элементов, как ртуть, свинец и кадмий, явилась "виновником" того, что живые организмы не выработали в ходе эволюции механизмы их детоксикации, достаточно эффективные для противодействия современному уровню антропогенного загрязнения ими окружающей среды.