1.Какие типы метаболических превращений и рецепторной связи возможны с «металлическими ядами»? Приведите примеры, химизм.
Попадая в организм в токсических концентрациях, металлические яды вызывают острые или хронические отравления. В организме металлы связываются не только с белками, но и с аминокислотами, пептидами и рядом других жизненно важных веществ, образуя комплексы. Это вызывает нарушения в ферментных системах, и приводит к дисфункции соответствующих клеток и тканей, наступает отравление, которое в ряде случаев заканчивается смертью.
Металлы связываются с белками главным образом через концевые амино - и карбоксильные группы:
Также катионы металлов могут связываться с другими боковыми реакционноспособнными группами аминокислот, пептидов (-SН, - NН2 и т. д.).
Например, ртуть на 90—98% связывается с цистеином, образуя прочные комплексы с пятичленными циклами.
Активно связывается с сульфгидрильными группами мышьяк.
Цинк связывается с аминокислотой гистидином с образованием прочного комплекса, образуя шестичленные циклы.
Свинец реагирует с карбоксильной группой аминокислот других жизненно важных соединений организма:
Попадая в организм, соединения металлов задерживаются на длительный срок, преимущественно в печени, почках, селезенке, легких, ткани мозга. Многие металлы обладают способностью кумулировать в определенных органах и тканях. Например, свинец, барий, мышьяк накапливаются в костной ткани, мышьяк - в волосах и ногтях, ртуть, свинец - в почках. Некоторые металлы в организме меняют свою степень окисления. Например, Аs5+ восстанавливается до более токсичного Аs+3, а Сr6+ превращается в Сr+3, который токсичнее и способен прочнее связывается с белками. Выделение «металлических ядов» из организма в незначительной степени происходит через легкие, основная часть выделяется с мочой и через желудочно - кишечный тракт в виде различных комплексных соединений.
Взаимодействие токсиканта с молекулярными мишенями происходит по лиганд-рецепторному механизму.
Рецептор токсичности — это химически активная группировка, в норме участвующая в метаболизме клетки, к которой способна присоединиться молекула ксенобиотика.
Без высокой химической специфичности в системе токсикант—рецептор трудно представить себе подобные реакции. Действительно, размер иона Нg2+ порядка 100 пкм, а размер (длина) клетки в 106 раз больше (-100 мкм). Без специфичности взаимодействия ион Нg2+ был бы не способен отыскать нужный рецептор.
Рис.1 Механизмы взаимодействия соединений металлов с клеткой.
а — связывание с мембраной; б — восстановление и/или метилирование с образованием летучих соединений; в — комплексообразование с металлотионеином (МТ); г — выведение ионов через ионные каналы.
Специфические и неспецифические рецепторы — мишени токсичности — могут быть локализованы в области клеточной мембраны (активные центры С-белков, ионные каналы, мембранные переносчики, ферменты, белки, липиды), во внутриклеточном пространстве (цито-плазматические, митохондриальные, ядерные рецепторы) или вне клетки (любые химические структуры, вступающие во взаимодействие с токсикантом).
Связывание с молекулами-мишенями иногда приводит к нелинейной зависимости между дозой и свободной (активной) формой токсиканта.
Взаимодействия в системе токсикант - белок могут обеспечить межмолекулярные силы, например при образовании водородных связей или действии сил Ван-дер-Ваальса.
Например, в молекуле фенилбутазона центрами образования водородных или ван-дер-ваальсовых связей с белком могут быть атомы кислорода и азота, характеризующиеся высокой относительной электроотрицательностью и избыточным отрицательным зарядом.
Сродство токсиканта к рецептору можно оценить долей занятых рецепторов (отношение числа занятых рецепторов к общему числу рецепторов: Nзан/Nобщ).
Согласно «оккупационной» теории, максимальный токсический эффект наблюдается при полном заполнении рецепторов токсикантом.
Сродство токсиканта к рецептору определяется прочностью возникающей химической связи и количественно может быть оценено энергией химической связи или величиной константы равновесия К образования комплекса Тох—R:
Тox+R→Tox -R
K=[Tox-R]/[Tox]х [R]
где К — константа равновесия; [Тох] — равновесная концентрация токсиканта (молекулы, иона, радикала); [R] — равновесная концентрация рецептора (молекулярного, клеточного); [Тох—R] — равновесная концентрация продукта взаимодействия.
Прочность связывания токсиканта с рецептором можно оценить на основе квантово-механической трактовки образования химической связи.
Наиболее прочная химическая связь — ковалентная — образуется при формировании молекулрной орбитали из атомных орбиталей атомов токсиканта Тох и рецептора R. Энергия ковалентной связи в зависимости от природы элементов изменяется от 400 до 450 кДж/моль.
Рис.2. Образование ковалентной связи между атомами токсиканта и рецептора по методу молекулярных орбиталей (МО) из р-орбиталей токсиканта Тох и рецептора R.
1 — линейная комбинация атомных орбиталей;
2 — энергетическая диаграмм
Ковалентная связь образуется, например, между мышьяком и углеродом Аs—С при детоксикации соединений мышьяка алкилированием:
Практически необратимое ковалентное связывание может привести к необратимому изменению состояния эндогенных молекул.
Примеры таких взаимодействий рассмотрены выше: взаимодействие электрофильных токсикантов — ионов тяжелых металлов с нуклеофильными центрами эндогенных соединений — тиоловыми группами белков, аминокислот и нуклеиновых кислот.
Молекулярная орбиталь образуется также при линейной комбинации свободных атомных орбиталей ионов необходимых d-элементов и полностью заполненной орбитали атома — лиганда эндогенного или лекарственного соединения. Например, изониазид, противотуберкулезное лекарственное средство, образует настолько прочные комплексы с медью, что это приводит к разрушению медьсодержащих ферментов Е-Си(II):
В этом случае образование ковалентной связи протекает по донорно-акцепторному механизму, а образующиеся продукты называются координационными соединениями. Такой тип связывания возможен также при протонировании многочисленных эндогенных аминосоединений и азотсодержащих гетероциклов в случае отравления кислотами:
Нейтральные свободные радикалы также могут образовывать кова-лентную связь с биомолекулами. Кроме того, эти радикалы легко отнимают водород от эндогенных соединений, превращая их в токсичные радикалы:
R:H +HOO. → R. + H2O2
Нековалентное связывание обычно обратимо, так как имеет низкую энергию химической связи. Например, энергия водородной связи (10-40 кДж/моль) в десятки раз меньше энергии ковалентной связи. Ионная и водородная связь, а также ван-дер-ваальсовы силы характеризуют обратимое взаимодействие с токсикантом.
2. Минерализация смесью серной и азотной кислот. Достоинства и недостатки метода. Химизм процесса денитрации. Какие металлы будут находиться в осадке после минерализации биоматериала? Идентификация и количественное определение свинца и бария.
При отравлениях соединениями металлов на химико-токсикологическое исследование могут поступать органы трупов, физиологические жидкости и другие объекты.
Поскольку ионы металлов образуют в организме прочные соединения типа альбуминатов,, металлы не могут быть обнаружены или определены без предварительной минерализации (разрушения) биологического объекта.
Минерализация представляет собой окисление (сжигание) органического вещества для освобождения неорганических соединений из их комплексов с белками. Окисление часто не проходит до полного сжигания органического вещества, т. е. до образования угольного ангидрида, воды и других простых веществ, но в результате минерализации сложные соединения металлов с белком разрушаются, образуя более простые и менее прочные комплексы, способные при дальнейшем химическом исследовании разрушаться. Таким образом, создаются условия для обнаружения количественного определения искомых соединений.
(1785-1858) впервые обосновал необходимость минерализации объектов при исследовании на «металлические яды» и предложил метод изолирования с применением азотной кислоты при нагревании.
В настоящее время используют различные виды минерализации. Выбор метода зависит от свойств исследуемых элементов, количества и характера биологического объекта, поступившего на исследование и др.
Методы минерализации по технике исполнении можно разделить на две группы:
•Минерализация путем простого сжигания, или «сухое озоление». Метод сухого озоления основан на нагревании органических веществ до высокой температуры при доступе воздуха.
• Минерализация окислением различными реагентами в присутствии кислот, или «мокрое озоление» («мокрая минерализация», «влажная минерализация»). Из большого количества разнообразных методов «мокрого озоления» практическое значение приобрела минерализация с применение различных окислителей в присутствии серной кислоты.
В основе того и другого метода лежит реакция:
[o] t
Белок-Ме→ СО2↑+NO↑+NO2↑+SO2 + H2O + Men+
Метод разрушения биологического материала азотной и серной кислотами является основным методом, применяемым в химико-токсикологических лабораториях России.
В начале минерализации концентрированная серная кислота играет роль водоотнимающего средства. Ее роль как водоотнимающего средства усиливается с повышением температуры. Благодаря водоотнимающему действию концентрированная серная кислота нарушает структуру клеток и тканей биологического материала. При повышении температуры (выше 110°С) и концентрации (до 60—70 %) серной кислоты она проявляет окислительные свойства и разлагается с выделением оксида серы (IV).
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
