Важнейшими тиоловыми (“металлическими”) ядами являются соединения бария, висмута, кадмия, меди, ртути, свинца, хрома, цинка, серебра, таллия и некоторых других. К этой группе относят также соединения мышьяка и сурьмы.
Ряд элементов (кобальт, калий, натрий, кальций) в незначительных количествах находятся в тканях организма как нормальная их составная часть (микроэлементы), но при повышении содержания их в крови и тканях они вызывают отравления.
Токсичность “металлических” ядов объясняется связыванием их с соответствующими функциональными группами белковых и других жизненно важных соединений в организме. В результате связывания катионов металлов белками и другими веществами нарушается нормальное функционирование клеток и тканей и развивается патологический процесс.
Причину отравлений соединениями тяжелых металлов долгое время объясняли лишь образованием в организме так называемых альбуминатов (комплекс металлов с белком альбумином). Сейчас доказано связывание ионов металлов не только с альбумином, но и с аминокислотами, пептидами и другими веществами. Прочность образующихся комплексов зависит от природы металлов, наличия соответствующих функциональных групп в молекулах веществ, связывающихся с металлами, природы связи.
Связывание с аминокислотами. Аминокислоты - структурные элементы, из которых построены белки и которые определяют многие важные свойства этих белков. В состав белков входит 20 аминокислот. Все аминокислоты, кроме пролина, входящие в состав белков, содержат свободную карбоксильную группу и свободную незамещенную аминогруппу у a-углеродного атома:
NH2
½
R ¾ C ¾ COOH.
½
H
Способность ионов металлов взаимодействовать с аминокислотами зависит от наличия в их составе определенных атомов и функциональных групп. С ионами металлов могут взаимодействовать концевые амино- и карбоксильные группы. Участвовать в образовании связи металл - аминокислота могут и боковые функциональные группы (R). К числу боковых функциональных групп относятся, например спиртовые группы в молекулах серина и треонина, фенильная группа в тирозине, дисульфидная в цистине, вторая карбоксильная группа в аспарагиновой кислоте. В зависимости от наличия функциональных групп в молекулах аминокислот, а также в зависимости от природы и химических свойств металлов при взаимодействии между ними могут образоваться связи различной прочности.
Аминокислоты являются амфотерными соединениями. В кислой среде они диссоциируют как основания, а в щелочной - как кислоты:
| NH3+ ½ R ¾ C ¾ COOН ½ H | ® ¬ | NH2 ½ R ¾ C ¾ COO-. ½ H |
При взаимодействии катионов металлов с аминогруппой аминокислот между катионом металла и азотом аминогруппы (азот имеет неподеленную пару электронов) образуется ковалентная связь (координационная). При взаимодействии катионов металлов с карбоксильной группой, а точнее, с кислородом карбоксильной группы, могут образовываться как ионные, так и ковалентные связи.
Ионные связи образуются при взаимодействии отрицательно заряженных атомов кислорода в карбоксильных группах с катионами щелочных металлов, а с катионами тяжелых металлов - ковалентные связи.
Катионы металлов, являющиеся комплексообразователями, с аминокислотами образовывают внутрикомплексные соединения (хелаты). Катионы металлов также могут связываться с боковыми реакционно-способными функциональными группами -SH, -NH2, -COOH аминокислот с образованием внутрикомплексных соединений. Например
NH2 NН––––Me
½ ½ ½
- CH2 - C - COOH + Me2+ ® - CH2 - C - COO + H+.
½ ½
H H
Cвязывание с пептидами. Пептиды - белки, содержание несколько остатков аминокислот, которые связаны между собой пептидными (амидными) связями (-NH-CO-). Приставки ди, три, тетра соответствуют числу остатков аминокислот. Пептиды, включающие 20 и более остатков аминокислот, - полипептиды. Ди- и три- пептиды могут связывать катионы металлов за счет образования связей с концевыми карбоксильными и аминными группами. Пептиды большие (10 и более остатков аминокислот) связываются с катионами металлов за счет образования связей с боковыми функциональными группами.
Полипептиды, молекулярная масса которых от 5000 до нескольких миллионов дальтон, называются белками. Белки составляют до 75% сухой массы клеток.
Говоря о связывании металлов аминокислотами, пептидами и белками, следует указать, что металлы могут связываться в организме и с другими соединениями, играющими важную роль в клетках (витамины, нуклеиновые кислоты и т.д.). С этими соединениями металлы также образуют прочную ковалентную связь.
На производстве и в быту человек довольно часто сталкивается с тиоловыми ("металлическими") ядами - ртутью, свинцом, мышьяком, кадмием, сурьмой и др. (некоторые из этих элементов входят в состав лекарственных препаратов). Всех их объединяет избирательная способность вступать в химическое взаимодействие (наряду с аминогруппой, гидроксильной и карбоксильной группами ) с сульфгидрильными (-SH), или тиоловыми ( отсюда и название ), группами различных макромолекул организма, в первую очередь - ферментных и других белковых структур, а также серосодержащих аминокислот (цистеин). Сульфгидрильная аминокислота цистеин обеспечивает посредством образования дисульфидных мостиков прочную пространственную конформацию (третичную структуру) белкам, и поэтому ей принадлежит исключительная роль в осуществлении ферментативных биохимических процессов и поддержании жизнедеятельности клеток и организма. В настоящее время известно более 100 ферментов, активность которых может тормозиться при блокировании в их молекулах SH-групп. С молекулами, содержащими сульфгидрильные группы, связано проведение нервного импульса, тканевое (клеточное) дыхание, мышечное сокращение, проницаемость клеточных мембран и другие важнейшие функции. Именно по этой причине за счет избирательного сродства ядовитых соединений к SH-группам происходит блокирование (нарушение) течения ряда биохимических процессов, что и лежит в основе развития соответствующих тяжелых отравлений.