Реферат: Химизм токсичности металлов
Помимо электролитической диссоциации, происходит и гидролиз солей, а именнов том случае, когда происходит обменная реакция вещества с водой и ионы растворенного вещества способны образовывать мало диссоциированные соединения с Н и ОН [дописать вверху знаки] или с обоими (образуются кислоты и основания).
Таким образом, сила действия металла может быть связана как со степенью диссоциации, так и со способностью его соединений к гидролизу, так как от результата этих процессов будет зависеть число свободных ионов или стойких соединений металла.
Существует несколько точек зрения на значение аниона в неорганической соли. Как уже упоминалось, Mathews (1904) считал, что для действия солей важны оба иона, а эффект является суммой действия катиона и аниона. По его мнению, действие, например, хлорида, сульфата, нитрата, ацетата натрия примерно одинаково не в силу эффекта, зависящего только от катиона, а потому, что все указанные анионы имеют одинаковое или близкое значение нормальноно потенциала, а последний связан с токсичностью обратной зависимостью.
Loeb (1901), а также Frankel (1928) склонялись скорее к тому, что токсичность солей металлов в основном зависит от катиона, мало изменяясь от наличия того или иного кислотного радикала соли. Однако, по мнению Frankel, бактерицидное действие солей зависит и от анионов, так как здесь вступают в силу различия в степени диссоциации или гидролиза солей.
Позднее Seifritz (1949), анализируя экспериментальные данные, пришел к выводу, что токсичность соединений металлов (солей) определяется только свободным ионом металла и мало изменяется при замене кислотного радикала.
Таким образом, современные даные говорят, что в токсическом действии солей металлов основное значение принадлежит самому металлу – катиону. Кислотный радикал может изменять этот эффект в незначительной степени (в силу изменения растворимости или степени диссоциации соли). Например, это существенно, когда речь идет о карбонатах. Эти соли менее токсичны в силу слабой растворимости и такой же слаюой диссоциации. Исключение составляяют карбонаты металлов первой группы.
Не только общая токсичность,
определяемая по DL50, но и другие, часто специфические, эффекты солей металлов
связаны с действием и дозой именно металла. Это показано на примере
специфического эпилирующего действия таллия, которое одинаково при равных дозах
металла, введенного в виде разнообразных солей (Vuillaum, 1953). Как
установлено (Bamann, 1954), специфическое действие редкоземельных элементов на
свертываемость крови определяется только ионом металла и не зависит от аниона.
Имеются данные, указывающие, что степень окисления овновного элемента в аниона может влиять на токсичность солей. Так, токсичность анионов, содержащих галоиды, увеличивается с возрастанием степени окисления галоида, а ядовитость анионов, включающих элементы V-VI групп периодической системы элементов (азот, серу), наоборот, снижается приповышении валентности.
Для галоидных соединений металлов большое значение имеет степень диссоциации и главным образом гидролиза с образованием кислот. Такой гидролиз известен для галогенидов многих металлов: олова, титана, тантала, ниобия, германия и др. Их токсическое, а именно раздражающее, действие связано с гидролизом этих соединений как в водных растворах, во влажном воздухе, так и при соприкосновении с влажными средами организма, в первую очередь – на слизистых оболочках дыхательных путей (И.В.Саноцкий, 1961; Н.В.Мезенцева, 1963).
Биологический и токсический эффект солей, как указано выше, может изменяться в силу специфичности действия анионов, например, галогенов, а также из-за гидролиза, сопровождающегося образованием свободных кислот или оснований. Ведущая же роль принадлежит катиону металла.
Не совсем одинаково действие простых и комплексных солей редкоземельных элементов. Первые действуют фазно: после депрессии происходит нормализация состояния животных, но затем наблюдается резкое его ухудшение; комплексные же соли сразу вызывают резкую депрессию и быструю гибель животных. Однако хелатные комплексы так же, как и цитратные комплексы редкоземельных металлов, менее токсичны, чем их соли (Kyker, Cress, 1957; Graga и соавт., 1958).
Токсическое действие металлов в виде окислов.Большая часть промышленных ядов – металлов встречается в природе и производственных условиях в виде окислов. В основном из окислов состоит огромное количество руд, таких, как железные, марганцовые, ванадиевые, кобальтовые, титановые, алюминиевые и целый ряд других. Окислы образуются при процессах электросварки, что связано как с высокой температурой нагрева свариваемого материала, так и с составом сварочных электродов и флюсов. Окислы металлов образуются, выделяютя в воздушную среду и вдыхаются чаще всего в виде аэрозолей, характер и степень дисперсности которых весьма различна.
Такие физические свойства, как точка плавления и точка кипения, более важны как факторы, определяющие интенсивность испарения и возможность достижения известных концентраций. Такое же физико-химическое свойство окислов, как растворимость, имеет непосредственное значение для токсичности. Растворимость окислов металлов, проникающих в организм черех дыхательные пути, влияет на быстроту действия, так как растворение и резорбция могут происходить уже при соприкосновении со слизистыми верхних дыхательных путей. Растворимостью же может определяться локализация местного действия, как и быстрота и степень резорбции из легочного депо, из желудка и т.п.
 |
Как хорощо известно, окислы металлов за малым исключением плохо растворимы. В химических руководствах они относятся к практически нерастворимым соединениям (Н.А.Глинка, 1953; Б.Н.Некрасов, 1965). Все же и эта малая растворимость позволяет создаваться концентрациям, достаточным для биологического, в частности, токсического эффекта.
Обычно растворимость окислов в биологических жидкостях, чаще всего в крови, выше, чем в воде. Некоторые данные о растворимости окислов металлов в крови, сыворотке и плазме.
Химические окислы металлов состоят из положительно заряженных ионов металлов и отрицательных ионов кислорода. При контакте с водой окислы переходят в гидроокислы, которые постепенно диссоциируют, освобождая ион металла. Например для окислов двухвалентных металлов:
ЭО + H2O Э/ОН2 Э/ОН+ + ОН-
Таким образом, быстрота и степень диссоциации окислов также могут отражаться на ядовитости. Как и ядовитость солей, токсичность окислов коррелирует с рядом физических свойств. Токсичность окислов находится в удовлетворительной зависимости также от стабильности гидратных комплексов. Ядовитость окислов солей металлов изменяется в одном направлении. Токсичности тех и других линейно связаны.
Всасывание, транспорт и распределение металловДля токсического действия необходим контакт яда с биологическим субстратом – объектом этого действия. Контакт может осуществляться при циркуляции яда во всех жидких средах организма (крови, ликворе, межтканевой жидкости и т.п.), а также при непосредственном соприкосновении с оболочками клеток, цитоплазмой и её составными элементами.
В силу этого в токсическом действии металлов, как и других ядов, большое значение имеют их транспорт, распределение, концентрация в месте действия, метаболизм, скорость и пути выделения. Вопросы метаболизма ядов, имеющие большое значение для понимания действия органических веществ, мало изучены в отношении металлов. Однако некоторые данные о превращении металлов в живом организме все же имеются. Известны происходящие в организме восстановительные процессы, при которых металлы и неметаллы из состояния высшей валентности переходят в состояние низшей валентности. Это установлено для железа, марганца, молибдена, ванадия, хрома, мышьяка.
Концентрация металлов в месте действия, как ивообще любых ядов или фармакологических средств, является результатом динамических процессов всасывания из места поступления, проникания в жидкие среды, транспорта, распределения в органах и тканях, химических превращений в последних и процессов выведения из организма.
Последнее осуществляется с различной скоростью и различными путями.
Резорбция и распределение, а также выделение металловы, как и вообще экзогенных ядов, в конечном итоге схематически представляют как ряд процессов распределения между внешней средой(вода, воздух) и биосредами. В свою очередь в последних происходит перераспределение между фазами: кровью и тканевыми и межклеточными жидкостями, между последними и клетками, между внутриклеточными структурами.
Для осуществления непосредственного контакта любого яда с тканями, клетками, рецепторами и т.д. ему приходится проникать через множество пограничных поверхностей – биологических мембран . Роль последних играет кожа, слизистая желудочно-кишечного тракта, эндотелии сосудов, альвеолярный эпителий, вообще гистогематические барьеры, оболочка клеток, внутриклеточных структур и т.д. По современным представлениям биологические мембраны имеют белково-липидную структуру. Клеточные мембраны представляют самостоятельный структурный элемент, активно участвующий в процессах обмена веществ. Мембраны рассматриваются как биологические, динамические структуры, содержащие ряд важных энзимных систем. Повреждения, вызываемые ядами, нарушение функций энзимов приводят к изменению проницаемости транспорта через эти оболочки(см.Bersin,1963).
Поверхность клеточных оболочек несет отрицательный заряд, что показано на примере эритроцитов, сперматозоидов, многих бактерий; но в тоже время на отдельных участках заряд может меняться. Ионы(катионы), достигнув поверхности клетки, либо фиксируются на ней, либо отталкиваются в силу одноименности заряда. Например, полагают, что анионы проходят эритроциты через положительно заряженные поры; положительно заряженные ионы не могут проникнуть через них, с чем связана плохая проницаемость эритроцитов ( и других клеток) для катионов (П.В.Макаров, 1948; Schanker, 1962). Одни анионы (хлор, бром) проникают в эритроциты почти мгновенно, но ряд других более сложных ( например JO3, селеновая кислота) накапливаются в эритроцитах очень медленно.
Схематически транспорт веществ через пограничные поверхности можно разделить на: а) поступление веществ в клетки путем диффузии через водные и липидные барьеры; б) вода и растворенные в ней вещества как бы фильтруются в клетки ( вступают в силу гидродинамические и осмотические законы); в) перенос липоидонерастворимых веществ объясняется образованием их соединений с компонентами мембраны. Например, полагают, что двухвалентные металлы проникают через пограничные мембраны в виде фосфатных комплексов.
Клеточные оболочки могут играть и защитную роль в отношении вредного действия ядов, в частности металлов. Последние в первую очередь фиксируются на поверхности и лишь медленно проникают вглубь клетки. Это продемонстрировали Passow и сотр. (1961), а также Rothstein и Clarkson (1959) на примере солей ртути и меди. При действии последних первоначально нарушается сорбция глюкозы у мышей, позже – дыхание.
Соли металлов как хорошо растворимые и диссоциирующие соединения, попадая в организм, распадаются на ионы.
Скорость и полнота резорбции зависят от соотношения между ионизированной и неионизированной частью молекулы.
Металлы высшей валентности и так называемые тяжелые металлы, склонные к образованию очень трудно растворимых гидроокислов, фосфатов, альбуминатов или весьма стойких комплексов, плохо всасываются из желудочно-кишечного тракта или при любых других путях введения.
Плохо растворимые окислы металлов резорбируются относительно медленно, так как можно полагать, что вначале образуются медленно диссоциирующие гидроокислы по схеме (Э – означает элемент; ЭО – окислы):
ЭО + Н2О Э(ОН)2 Э(ОН)+ + ОН-
Э++ ОН— Таким образом, упомянутые свойства металлов и их соединений, способность к диссоциации, образование свободных ионов, гидроокисей, образование прочных альбуминатов, гидратов, фосфатов определяют количество и состояние металла в организме, в первую очередь в крови. Свободные ионы металлов быстро удаляются из крови; по данным Д.И.Семенова и И.П.Трегубенко (1958), - в течение 5 минут. Они также быстро выделяются из организма или накапливаются в скелете. Последнее, так же как и быстрое выделение с мочой, обычно указывает на то, что металл в организме циркулирует в ионизированном или молекулярно-дисперсном состоянии.
Так, благодаря способности к комплексообразованию металлы в тканях откладываются в виде комплексных соединений с белками, аминокислотами. Однако распределение их по большей части неравномерно, а в ряде случаев избирательно. Например, высокое содержание в почках ртути, таллия, урана, кадмия или бария, рубидия, лития в мышцах, преимущественное накопление в эритроцитах калия, рубидия, свинца, шестивалентного хрома, мышьяка, селена и некоторых других.
Заключение.
Изложенные в предыдущих главах материалах представляют первую попытку обобщений в области токсикологии металлов. Для такого обобщения прежде всего имело большое значение выявления связи токсического действия металлов с рядом физических, химических и физико-химических свойств. Наиболее важным можно считать то. Что такие связи с удовлетворительной корреляцией установлены между токсичностью металлов и рядом показателей, характеризующих фундаментальные свойства атомов и ионов металлов( и неметаллов ), их заряды, электронную структуру, особенности строения последней и т.д. Такие связи установлены также между токсичностью и степенью прочности соединения металла с неметаллической частью молекулы в разнообразных соединениях металлов.
Анализ материалов о транспорте, распределении, путях выведения металлов из организма показал, что они, в свою очередь , связаны с рядом тех же физических, химических свойств как самих металлов, так и поступающих в организм соединений. Основное значение имеет циркуляция металлов в виде свободных ионов, прочность образуемых ими связей с биокомплексами, растворимость последних и химические превращения поступивших соединений – быстрота диссоциаций, растворимость образующихся после диссоциации или гидролиза соединений и т.д.
Прочность связей, степень сродства катионов металлов к функциональным химическим группировкам в организме, также может определять не только общую токсичность, но избирательность или специфичность действия. Это можно проследить на примере такой распространенной во всех тканях и вместе с тем такой биологически важной функциональной группе – сульфгидридной. Так, специфическое повреждение почек такими металлами как, как ртуть или кадмий, объясняют высоким сродством их к SH-группам ткани почек ( также и особо высоким содержанием последних в почках ).
Приведенные примеры указывают, что возможны закономерности специального влияния металлов, однако для их выявления нужно изучать механизмы влияния отдельных металлов на отдельные ферментные системы, отдельные звенья «обменных процессов, деятельность желез внутренней секреции и т.д.
Список литературы:
1. ЛужниковЕ.А., «Клиническая токсикология», изд. Медицина, 1999;
2. Учебно-методическое пособие по общей химии для студентов лечебных и медико-профилактических факультетов, ч.2, Москва, 1993;
3. ЛевинаЭ.Н., «Общая токсикология металлов», Москва, 1972;
4. ПузаковС.А., «Химия», изд. Медицина, Москва 1995;
5. ГлинкаН.Л., «Общая химия», изд. Химия, Москва 1977;
6. ”Chemestry today”, BBC,Вашингтон, 1999;
Содержание:
Вступление..................................................................................................................................................................................... 2
Корреляция ряда физических, химических, физико-химических свойств с токсичностью металлов.......................................................................................................................................................................................... 2
Токсичность комплексных соединений металлов................................................................................ 6
Сравнительная токсичность металлов в виде катионов анионов........................................ 11
Токсическое действие металлов в виде окислов.................................................................................. 14
Всасывание, транспорт и распределение металлов............................................................................. 16
Заключение................................................................................................................................................................................. 18
Список литературы:............................................................................................................................................................. 20
