Токсична та канцерогенна дія важких металів на організм людини
Дослідження показали, що у людини метали становлять близько 3% за масою, тобто. при масі людини 60-70 кг це - 1,8-2кг. Більшість складають: кальцій (1700г), калій (250г), натрій (70г), магній (42г), залізо (5г), цинк (3г). Решта припадає на мікроелементи. Якщо концентрація елемента в організмі перевищує 10 -2 %, то його вважають макроелементом. Мікроелементи знаходяться в організмі в концентраціях 10 -5 ... 10 -3 %. Якщо концентрація елемента нижче 10 -5 %, його вважаютьультрамікроелементом.
Уявлення про обов'язкову токсичність усіх ТМ у допустимих концентраціях не відповідає дійсності, оскільки доведено, що токсичні метали в низьких дозах не шкідливі. У той самий час всі мікроелементи, навіть життєво необхідні, надмірних дозах токсичні. Такі метали, як Hg, Cd, Pb, As, Ве, дуже токсичні при найнижчих концентраціях і не виконують будь-якої корисної функції.
За токсичністю важкі метали поділяються на три класи:
I – найбільш токсичні (Cd, Hg, Ni, Pb, Co, Ве, As);
II – помірковано токсичні (Cu, Zn, Mn, Cr, Mo, Sb);
III – малотоксичні (Ba, V, Sr та інші).
До хімічних канцерогенів відносять хром, миш'як, нікель, кадмій берилій; потенційними канцерогенами є кобальт, ртуть, свинець та деякі інші метали. Поняття «канцерогенність металу» відноситься не до елемента як такого у вигляді простої речовини, а до його певного фізико-хімічного стану.
Канцерогенез- це здатність речовини (металу) проникати в клітину і реагувати з молекулою ДНК, викликаючи хромосомні порушення клітини. Канцерогенез залежить як від механізму надходження канцерогенних речовин у клітину, так і від їхньої кількості в клітині.
Унайбільше на механізм канцерогенезу впливають: рН середовища, температура, наявність у клітині амінокислот. У кислій ділянці рН спостерігається найбільша розчинність канцерогенів у клітині. Якщо в клітинах знаходяться амінокислоти, які добре пов'язують метали (наприклад, цистеїн, гістидин), суттєво знижується здатність канцерогенів (зокрема, нікелю) проникати в такі клітини. Підвищення температури прискорює процес канцерогенезу.
Особливості впливу ТМ на організм наведені нижче.
Залізо - життєво важливий біомікроелемент. Бере участь у освіті гемоглобіну та деяких ферментів. Добова потреба у залізі для дорослої людини становить 14...20 мг. Неорганічні сполуки заліза можуть виявляти токсичність залежно від дози, розчинності, здатності до комплексоутворення за конкретних умов. Багато заліза міститься в білому хлібі, печінці, нирках та бобових. Летальна доза – 7…35 г/добу.
Токсикологічне значення сполук міді невелике. Отруєння міддю нерідко є комбінованими (переважно при поєднанні міді з цинком або міді зі свинцем). Зазвичай іон двовалентної міді може зв'язуватися з SH-з'єднаннями і оборотно реагувати з утворенням одновалентної міді і дисульфіду. Викликає порушення функції печінки та нирок, розлад нервової системи, біль у м'язах, мутагенну дію. Летальна доза – 10 г/кг.
Кобальт - життєво необхідний біомікроелемент. Відомо його сприятливий вплив на кровотворення, активність вітамінів, гормонів, білковий, жировий, вуглеводний та мінеральний обмін, а також на функцію розмноження та зростання. Кобальт в організмі не накопичується у великих кількостях і тому необхідно, щоб він регулярно надходив з їжею. Вміст кобальту вхарчових продуктах рослинного походження варіює в межах 8…100 мг/кг сухої маси, при цьому найвищі значення характерні для капусти (100…160 мг/кг), томатів (60…200 мг/кг), а найнижчі – для яблук ( 8…16 мг/кг) та апельсинів (19…45 мг/кг). Цей мікроелемент займає особливе місце у комплексі засобів для профілактики раку шлунка. По-перше, він є складовою (до 4%) вітаміну В12 і має безпосереднє відношення до лікування такого передракового захворювання, як перніціозна анемія. Добова доза вітаміну В12 в людини дорівнює 0,001 мг. По-друге, при додаванні в їжу має помітний позитивний вплив на секреторну діяльність шлунка. По-третє, він уповільнює зростання пухлин: у хворих на рак відзначається суттєве зниження вмісту кобальту та вітаміну В12 у сироватці крові.
У токсичних дозах кобальт спричинює поліцитемію. Його надлишок пригнічує абсорбцію заліза, блокуючи його транспортні системи. Іони двовалентного кобальту пригнічують споживання кисню в мітохондріях клітин серця. Солі двовалентного кобальту пригнічують окислювальні ферменти. Токсичність кобальту пов'язують з інактивацією тіолових груп (наприклад, ліпоєвої кислоти) у тканинах. Чинить загальнотоксичну, алергічну та мутагенну дію. Летальна доза – понад 0,5 г на добу.
Марганець є біологічно необхідним мікроелементом і тісно пов'язаний з ферментами, вітамінами та гормонами. Він відіграє важливу роль у процесах утворення сполучної тканини та кісток, зростання організму, у ліпідному та вуглеводному обміні та необхідний для реалізації репродуктивної функції організму. Основні шляхи надходження марганцю в організм – респіраторний та шлунково-кишковий тракт. Ступінь абсорбції марганцю, що надійшов інгаляційним шляхом, невідомий, але вшлунково-кишковому тракті всмоктується трохи більше 5%. Марганець швидко оновлюється в організмі, період напіввиведення з організму становить 22,5 діб. У багатьох біологічних системах діє як окислювач. У малих дозах солі марганцю підвищують окислювальні процеси, у великих – мають зворотний ефект.
Забруднення атмосферного повітря марганцем викликає алергічні реакції та респіраторні захворювання, у тому числі пневмонію.
Нікель – у невеликих кількостях для організму людини необхідний. У харчових продуктах зазвичай середня концентрація нікелю не перевищує 0,5 мг/кг, хоча в окремих випадках він міститься і у великих кількостях: у маргарині – 1 мг/кг, у горіхах – 5,1 мг/кг, какао – 0,98 мг/кг, чаю – 8 мг/кг. нікель, Що Потрапив усередину з харчовими продуктами і питною водою, всмоктується в кількості 3 ... 10%.
Внаслідок змінного ступеня окиснення цього хімічного елемента солі двовалентного нікелю є інгібіторами окисних ферментів. Змінюючи хімічні властивості РНК та нуклеопротеїнів при комплексоутворенні, нікель може чинити канцерогенну дію. Викликає рак носоглотки, бронхів, дерматит, порушення кровотворення, ембріотоксикоз; виявляє мутагенну та тератогенну дію.
Іони двовалентного свинцю утворюють міцні зв'язки із сульфгідрольними групами органічних речовин. Ця реакція викликає блокування SH містять ферментів. Свинець утворює також стабільні комплекси з карбоксильними та фосфатними групами біополімерів. Зазначені процеси зумовлюють токсичний вплив сполук свинцю: ураження печінки, нирок, судин, статевих органів, центральної та периферичної нервової системи, церебральний параліч, викидні, мертвонародження, анемії, паралічі, атрофію зорового нерва, тератогенний ефект.Летальна доза – 10 г/добу.
Кадмій – розчиняється в органічних кислотах і легко переходить у харчові продукти. З усіх важких металів, що забруднюють харчові продукти та напої, кадмій відноситься до найбільш небезпечних не тільки
через високу токсичність, але і у зв'язку з його широким поширенням та застосуванням. До біомікроелементів кадмій не належать. При вступі до харчових продуктів організмом засвоюється 6…8% кадмію. У дітей та підлітків процес всмоктування кадмію відбувається у
5 разів інтенсивніше, ніж у дорослих. Період напіввиведення останнього з організму сягає 15...47 років. У харчових продуктах кадмій міститься, мкг/кг: у зернових – 28…35; у хлібі – 2…4; картоплі – 12…50; капусті - 2 ... 26; томатах - 10 ... 30; салаті - 17 ... 23; цукрі - 5 ... 31; фруктах – 9…42, олії – 10…50. Значна кількість кадмію містять гриби – 0,1…5,0 мг/кг, а також устриці, омари, краби – 3…16 мг/кг. З харчовим раціоном доросла людина отримує 15...30мкг кадмію на добу.
Токсична дія кадмію, що надходить в організм із харчовим раціоном та питною водою, пов'язана з його кумулятивною дією та фізіологічним антагонізмом до цинку. Викликає підвищення кров'яного тиску, анемію, хвороби нирок та легень, рак підшлункової та передміхурової залози, цироз печінки, розпад кісткової тканини. Виявляє мутагенну, гонадотропну, ембріотропну та тератогенну дію. Летальною дозою для людини можуть виявитися 30-40 мг кадмію. Тому навіть споживання напоїв із пластмасової тари, матеріал якої містить кадмій, є надзвичайно небезпечним. При отруєнні кадмієм великі дози вітаміну D діють як протиотруту.
Ртуть не входить до числа біомікроелементів. Рівень ртуті у добовому раціоні людини вбирається у 25 мкг. Періоднапіввиведення сполук ртуті з організму становить: неорганічні – 40, органічні – 76 діб. Надходження ртуті в організм дорослої людини не повинно перевищувати 0,3 мг на тиждень. Найбільша кількість ртуті міститься: у какао-порошку та шоколаді – 0,1мг/кг, у чаї –
0,1мг/кг, у яєчному порошку – 0,1мг/кг, у рибі – 0,1…0,2мг/кг.
Ртуть загалом негативно впливає організм. Блокуючи SH-групи білків, ртуть порушує біологічні властивості тканинних білків та інактивує ряд гідролітичних та окисних ферментів. Ртуть, проникнувши в клітину, може включитися до структури ДНК, що відбивається на потомстві. Мозок виявляє особливу спорідненість до ртуті і може акумулювати її в 6 разів більше за інші органи. Дуже характерне відкладення ртуті у волоссі, що є однією з перших ознак отруєння. Її неорганічні сполуки, розчинні у питній воді, порушують обмін аспарагінової кислоти, піридоксину, кальцію, міді, цинку, селену; органічні – низки білків, цистеїну, аскорбінової кислоти, токоферолу, заліза, міді, марганцю. З точки зору токсикології, найважливішою з металоорганічних сполук є підклас алкілртутних препаратів з коротким ланцюгом: метил-, етил-, пропілртуть. Метилртуть має здатність проникати через клітинні мембрани.
Ртуть викликає інтоксикацію, хворобу Мінамату, паралічі, ураження центральної нервової системи та периферичних нервів, стоматити, порушення репродуктивних функцій, ураження нирок та печінки, деякі онкологічні захворювання.
Як мікроелемент, хром необхідний для нормального жирного та вуглеводного обміну. При його нестачі розвивається діабет та захворювання серцево-судинної системи. Крім того, швидкість вимивання холестерину з відкладень в аорті прямо залежить від вмісту хромуорганізм. Його дефіцит відзначається переважно в осіб похилого віку. Зниження вмісту хрому в організмі провокують різні стреси та фізичні травми. Зазвичай стреси викликають зміни у метаболізмі глюкози, що призводить до зниження реабсорбції хрому нирками та швидкого виведення його з організму із сечею. Вимиванню хрому з організму сприяють також важкі фізичні навантаження. Материнство (особливо на перших його етапах) пов'язане з частковою втратою хрому жіночим організмом і для повного відновлення його колишнього рівня може знадобитися понад три роки.
Для організму людини є отруйними сполуки шестивалентного хрому. Менш токсичні сполуки тривалентного хрому. Вплив сполук шестивалентного хрому на організм людини має різнобічний характер.
Канцерогенні властивості шестивалентного хрому пояснюють в такий спосіб. За допомогою сульфатної транспортної системи цей елемент у вигляді хромат-аніону проникає через клітинну мембрану, тоді як іон тривалентного хрому через неї не проходить. Клітинна метаболічна система відновлює хромат до тривалентного хрому, який, на відміну від оксоаніону шестивалентного хрому, утворює міцні комплекси всередині клітини з нуклеїновими кислотами, протеїнами та нуклеозидами, викликаючи пошкодження ДНК.
Сполуки шестивалентного хрому мають тератогенну та канцерогенну дію (рак бронхів), викликають алергічну екзему, патологічні зміни в нирках, дерматити, бронхіальну астму.