Металлы в живых организмах

Большое число важнейших стадий процессов жизнедеятельности контролируется содержащимися в тканях организма ионами металлов. Поэтому вполне понятно, что нарушения в строгом режиме работы систем, содержащих металлы, тяжело сказываются на общем состоянии организма. Зная, какова роль того или иного металла, можно бороться с болезненными, патологическими явлениями и успешно ликвидировать их.

При недостаточном количестве железа врачи вводят ионы железа в форме молочнокислой соли или соли аскорбиновой кислоты. Суточная потребность здорового человека в железе всего около 5-10 мг и легко покрывается обычным рационом; овсяная мука, шпинат, чечевица, фасоль, салат, мясо, яйца и т. п. содержат достаточное количество железа. В лечебных препаратах железо лучше усваивается, если оно находится в состоянии двухзарядного иона. Поэтому аскорбиновая кислота (восстановитель) способствует всасыванию железа. Карбонат кальция и фосфаты, наоборот, тормозят всасывание из-за образования плохо растворимых осадков. Аналогично действуют сода или магнезия, понижающие кислотность желудочного сока.

Известно много препаратов железа, в том числе и содержащих сульфат железа (II), и даже просто порошок металлического железа; некоторые из них, однако, могут вызвать неприятные побочные явления (раздражение слизистых оболочек желудочно-кишечного тракта). Препараты железа рекомендуются для лечения так называемых гипохромных и железодефицитных анемий. При злокачественной анемии рекомендуется введение (лучше внутримышечно или под кожу) растворов витамина B₁₂ (кобаламина — комплексного соединения кобальта, о котором шла речь выше). Человеку в сутки требуется всего 1-2 мкг, т. е. миллионные доли грамма. Этот витамин не только способствует кроветворению, он принимает участие и в других процессах — в синтезе креатина и метионина, в превращениях жиров, в образовании нуклеиновых кислот. Лечебные дозы, конечно, могут быть больше и достигают 100 и 200 мкг при внутримышечных инъекциях. Витамин В₁₂ синтезируется кишечной флорой, но поступает и с пищей: мясо, яйца и особенно печень содержат значительные количества кобаламина. В лечебных целях его иногда комбинируют с солями железа, фолиевой и аскорбиновой кислотами. Соли магния с аскорбиновой кислотой применяют вместе с глюкозой для лечения гипертонической болезни и при нарушениях мозгового кровообращения. Оксид магния (жженая магнезия) рекомендуется для устранения повышенной кислотности и для лечения отравлений кислотами.

Благотворно влияют на организм и солевые растворы, содержащие смеси солей. Так, известная карловарская соль, используемая для лечения болезни печени, желчного пузыря, желчнокаменной болезни, повышенной кислотности, представляет собой (главным образом) смесь солей гидрокарбонатов, хлоридов, сульфатов натрия и калия.

Однако бесконтрольное введение в организм соединений различных металлов может привести к печальным последствиям. Даже поваренная соль — хлорид натрия — не безвредна. Ежедневная норма соли составляет около 10 г; врачи установили, что постоянное превышение этой нормы в два-три раза ведет к развитию гипертонии, а прием очень большой порции соли может оказаться смертельно опасным. В то же время хлорид натрия — жизненно необходимое вещество. Отсюда, конечно, легко сделать вывод, что все дело в концентрации, которую достигает соединение данного металла в клеточном содержимом организма.

Мы, к сожалению, не знаем, каковы биологические функции многих металлов. Вполне вероятно, что некоторые из них (например, ртуть) вообще не выполняют в организме полезной работы и не являются необходимыми. Но как раз среди них обнаружены высокотоксичные, т. е. опасные даже в очень малых концентрациях. Тщательное изучение свойств соединений таких металлов, с одной стороны, помогает разрабатывать правила техники безопасности, а с другой — дает в руки врачей средства для борьбы с некоторыми болезнями. Дело в том, что бактерии, грибки, вирусы погибают под действием соединений "опасных" металлов, и, подбирая дозу и условия применения, можно успешно использовать бактерицидные (убивающие бактерий) свойства ряда металлов в медицине. Врачи применяют, например, ртутно-салициловую мазь, цианид ртути и др.

Из легких металлов токсичными свойствами обладают бериллий и литий и их соединения. Соединения тяжелых металлов (ртуть, свинец) токсичны — и тем более, чем лучше их растворимость.

Ядовитое действие ионов тяжелых металлов в значительной мере связано с их способностью прочно соединяться с белками и нарушать нормальную работу ферментов и других биологически активных белковых веществ.

Ниже мы рассмотрим токсические свойства некоторых металлов и их соединений. Когда речь идет о ядовитости самого металла, то, как правило, он проявляет токсический эффект в тонкоизмельченном состоянии (в виде пылевых частиц). Попадая в легкие и бронхи, частицы металла вызывают раздражение и, медленно реагируя с клеточным содержимым, превращаются в соединения, которые переходят в кровь.

Аналогичное действие оказывает и вдыхание пылевых частиц оксидов металлов (оксид цинка, оксиды марганца и др.) или солей. Соли некоторых металлов сильно раздражают кожу (соли магния и отчасти натрия) и способны всасываться даже через кожные покровы. Поэтому при любой работе с металлами и их солями, особенно если работа ведется в условиях высокой температуры, необходимо обратить серьезное внимание на соблюдение соответствующих правил техники безопасности.

Опасными, т. е. действующими даже в малых концентрациях, следует считать ртуть, свинец, кадмий, таллий, бериллий, хром, барий, стронций. Конечно, опасен радий — и как источник излучения, и как химически активный металл — аналог бария. Несколько менее опасны марганец, литий, никель, цинк (см. ниже табл. 6).

Ртуть

В условия производства могут встретиться как металлическая ртуть, так и ее соли (хлориды Hg₂Cl₂ и HgCl₂, сульфиды HgS), на основе которых готовят краску киноварь и др. Крайне опасны органические соединения ртути, например этилмеркурхлорид С₂Н₅-Hg-О. В медицине соединения ртути применяются в строгой дозировке (салициловортутные мази, цианид ртути).

Пары ртути задерживаются в легких и могут всасываться в кишечнике, что, по-видимому, связано с относительно хорошей растворимостью металлической ртути в воде.

Как и другие тяжелые металлы (свинец), ионы ртути энергично соединяются с группами SH белков и прочно удерживаются в получившихся комплексах; частично ртуть в тканях организма переходит и в сульфид. Белки, богатые этими группами, содержатся в почках, поэтому ртуть, попадая в организм, сосредоточивается преимущественно в почках и нарушает их нормальную деятельность.

Ртуть задерживается также и в клетках мозга и слизистой оболочки рта. При ртутных отравлениях поражаются почки, при хронических отравлениях серьезно страдает нервная система.

Следует избегать контактов с металлической ртутью. Даже если, например, в комнате разбился медицинский термометр, следует учитывать опасность отравления парами ртути, потому что ее предельно допустимая доза очень мала — 0,00001 мг/л. Раскатившиеся шарики ртути трудно бывает собрать, и лучше засыпать место, где могут оказаться мелкие частицы, порошком серы или залить раствором хлорида железа (III). Поверхность ртути при этом будет окислена и испарение резко уменьшится.

Кадмий

В промышленности и технике применяется как металлический кадмий, так и его соли — сульфат, сульфид и др. Соединения кадмия ядовиты. При переработке кадмия часто образуется оксид кадмия, относительно летучее вещество, которое может попасть в дыхательные пути. Ионы этого металла вступают в соединение с карбоксильными, аминными и сульфгидрильными (-СООН, -NH₂, -SH) группами, имеющимися в молекулах белков, и таким путем задерживаются в организме. Почки, печень, поджелудочная и щитовидная железы служат местами, в которых кадмий может оставаться годами. Известны случаи тяжелых отравлений кадмием, когда человек погибает спустя 9 лет после того, как была прекращена работа с кадмием. Действуя на кожу, кадмий вызывает дерматиты и экземы.

Бериллий

Этот легкий металл применяется в промышленности в виде сплавов (бериллиевые бронзы), используются также оксид и различные соли: фторид, карбонат, хлорид и др.

Пыль, содержащая металлический бериллий, и особенно его растворимые соединения исключительно ядовиты!

Чаще всего отравления происходят в результате вдыхания пыли или дыма бериллия. Бериллий накапливается в тканях легких, вызывая тяжелый бронхит, и может прочно удерживаться и костной тканью.

Животные, пасущиеся на почвах, богатых бериллием, страдают от так называемого "бериллиевого рахита".

Биологическая роль бериллия неясна.

Свинец

Соединения свинца и металлический свинец широко применяются в технике. Из числа соединений большое практическое значение имеют карбонаты и хроматы, используемые как неорганические пигменты (краски), а также различные оксиды и сульфат, с которыми работают в аккумуляторном производстве.

Все соединения свинца и сам металл ядовиты.

Отравление чаще всего носит хронический характер. Обычно оно развивается, при вдыхании пыли, содержащей свинец или его соединения, в условиях недостаточного соблюдения правил техники безопасности. Предельно допустимая концентрация — 0,00001 мг/л. Свинец удерживается белками эритроцитов, затем поступает в плазму крови (в виде комплексов с гамма-глобулином) и наконец достигает почек, печени и других органов.

В костях свинец накапливается постепенно и долго остается там. Время от времени происходит выделение свинца из костей, что может стать причиной неожиданного развития симптомов острого отравления. Долгое время свинец остается и в головном мозге.

Поражения десен, расстройство кишечника, заболевания почек и нервной системы — результаты отравления свинцом.

Таллий

В технике применяют металлический таллий, его оксиды и соли. Этот металл и его соединения также токсичны и в этом отношении несколько напоминают свойства свинца. Особенно токсичны соединения одновалентного таллия.

Таллий, попав в организм, накапливается в волосах, костях, почках, мышцах. Одним из симптомов отравления таллием является выпадение волос. Поражаются желудочно-кишечная система, нервная система и почки.

Хром

Хром, важный для металлургии элемент, применяется как в виде металла, так и в форме соединений со степенями окисления +3 и +6. Степень окисления +2 встречается практически редко. Соединения со степенью окисления +3 и +6 ядовиты, особенно это относится к степени окисления +6 (хроматы и бихроматы). Отравления могут происходить при вдыхании пыли, содержащей соединения хрома; эти соединения всасываются и кожей!

Ион хрома (III) соединяется с белками, содержащими железо, белками печени, костного мозга, нуклеиновыми кислотами и накапливается в легких. Доказано, что соединения хрома вызывают рак легких и различные аллергии.

Предельно допустимая концентрация — всего 0,0001 мг/л.

Магний

Этот металл не является токсичным в том смысле, в каком мы говорили об опасных металлах. Наоборот, присутствие магния необходимо для организма — ионы этого металла выполняют важную работу по регулированию активности многих ферментов.

Но все в меру! Избыточное количество соединений магния может оказать и вредное действие. В легких оксид магния, который легко летуч, вызывает болезненные явления ("литейная лихорадка"); на коже при частых контактах с соединениями магния могут возникнуть раздражения — дерматиты; введение ионов магния под кожу может вызвать паралич мышц.

Цинк

Соединения цинка, так же как и соединения магния играющие важную роль в метаболизме, более опасны, чем соединения магния.

Оксид цинка и пыль металлического цинка в легких вызывают патологические изменения (воспаления); при попадании на кожу соединения этого металла могут стать причиной развития экзем и дерматитов.

Нельзя пить воду, сохранявшуюся в оцинкованных баках: растворимые соединения цинка окажут вредное Действие на желудочно-кишечный тракт. Предельно допустимая концентрация оксида в воздухе — 0,005 мг/л.

Добавим к этому, что все другие металлы второй группы периодической системы, биологическая роль которых нам пока неизвестна, — именно стронций, барий[10], радий[11] — являются сильно токсичными.

Серебро и платина

Соли серебра безусловно ядовиты. На кожные покровы соли серебра оказывают прижигающее действие, и вместе с тем в руках врачей серебро — один из самых полезных металлов. Хорошо известно, что вода, профильтрованная через слой песка, в котором осаждено металлическое серебро ("серебряный песок"), практически стерильна — большинство микроорганизмов в ней убито. По тем же причинам вода, сохраняющаяся в серебряных сосудах, не портится годами. Ничтожного количества ионов серебра, попадающего в воду, достаточно, чтобы обезвредить опасные бактерии. Ионы серебра обладают высокой бактерицидностью.

Проф. П. Е. Ермолаев предложил пользоваться для лечения заболеваний, вызванных стрептококками и стафилококками (воспаления кожных покровов, ангины, гнойные раны и т. п.), очень слабым раствором аммиаката серебра (примерно 1-2 капли двухпроцентного раствора на 100 мл воды); этот раствор под названием "аммарген" оказался весьма полезным. В настоящее время он, к сожалению, почти полностью вытеснен сульфамидами и антибиотиками, хотя имеет по сравнению с ними то преимущество, что бактерии к нему не привыкают.

Назовем еще один металл, соединения которого, может быть, войдут в арсенал средств борьбы с раком. Это платина (отчасти также палладий). Комплексные соединения ионов платины с аммиаком, как доказано недавно тормозят развитие злокачественных опухолей. Несомненно, что медицина будущего сможет широко использовать ценные биологические свойства ионов различных металлов.

Предельно допустимые концентрации соединений металлов в питьевой воде

Таблица 6. Предельно допустимые концентрации соединений металлов в питьевой воде

Полезно обратить внимание на то, что, казалось бы, безвредные металлы в действительности требуют осторожного отношения к тем концентрациям, в которых они могут оказаться в питьевой воде. Соли железа в избытке не только портят вкус воды, но и проявляют вредное действие, и притом более значительное, чем медь. Токсичность никеля практически равна таковой свинца; примеси бериллия или ртути исключительно опасны.

Санитарный надзор должен следить за чистотой воды как с бактериологической, так и с химической точки зрения.