Пути абсорбции металлов.

Токсичность многих переходных металлов определяется превращением их атомов в ионы или ионные комплексы и взаимодействие этих ионов с клеточными рецепторами. Так как ионизация происходит в водных растворах, абсорбция металлов в организм животных обычно идет путем транспорта ионов с помощью белков-переносчиков из водной среды (воды или раствора внутри пищеварительного тракта) в кровь[5]. Следовательно, основной путь воздействия металлов на организм наземных животных – через поглощение содержащей ионы пищи или воды. У водных животных к этому процессу добавляется абсорбция через жабры.

В отношении переходных металлов нужно помнить о том, что животные подвергаются риску как дефицита микроэлементов, так и токсичного воздействия (см. главу 1). Наземные животные могут получать необходимые микроэлементы только с пищей, в которой их количество (неважно, в растительной или в животной пище) достаточно мало – именно поэтому они в первую очередь и называются микроэлементами. Поэтому в ходе эволюции и возникли белки, обеспечивающие эффективный транспорт этих элементов, попадающих с пищей в пищеварительный тракт.

Задача белков-переносчиков в кишечнике очевидна: перенос необходимых металлов из кишечника в кровь, однако эта задача усложняется гетерогенностью природы содержимого пищеварительного тракта, а также разнообразием пищеварительных процессов. На транспорт ионов необходимых металлов влияет ряд факторов, в том числе содержимое желудочно-кишечного тракта, химическая форма и среда, в которой содержится металл, а также индивидуальные пищевые привычки и состояние организма.

Когда ион металла освобождается из содержимого кишечника, он может проникать дальше. Как уже говорилось, транспорт ионов осуществляется с помощью специальных белков-переносчиков. Со стороны кишечной полости свободный ион должен вступить в контакт с белком определенного типа, чтобы преодолеть двойной липидный слой и оказаться в клетке кишечного эпителия. Затем он снова должен пройти через клеточную мембрану и попасть в кровь. Интересно, что этот второй этап транспорта обычно осуществляется иными белками.

Если необходимые металлы имеются в избытке, они могут запасаться в организме в форме металлотионеинов. Это белки, богатые аминокислотой цистеином, которые могут агрессивно связываться с положительно запряженными ионами металлов. Совершенно очевидно, что эти соединения имеют огромное значение, так как их можно обнаружить в самых разных организмах. Эти небольшие, богатые цистеином белковые молекулы, несущие функцию обратимого связывания и хранения металлов, имеются и у животных, и у растений, и у бактерий. Кроме того, структуры металлотионеинов у всех позвоночных животных обладают большим генетическим постоянством.

Для ионов многих металлов, особенно тех, которые находятся в одной и той же группе периодической системы, потребность в необходимых элементах идет вразрез с необходимостью организма минимизировать потребление токсичных ионов. Например, кишечному эпителию необходимо поддерживать эффективность транспорта меди и цинка, но это становится проблемой, если в организм попадают такие родственные металлы, как серебро, золото, кадмий и ртуть. Эти родственные элементы (а также некоторые другие переходные металлы) могут связываться с теми же самыми транспортными белками и попадать из кишечника в кровь. Аналогичным образом металлотионеины способны эффективно накапливать и хранить как необходимые организму, так и токсичные ионы металлов.

Металлотионеины возникли, вероятно, как механизм секвестрации необходимых металлов, но они также оказываются полезны для замедления поступления ненужных ионов к внутриклеточным мишеням. Если клетке хватает металлотионеинов для связывания этих вредных ионов, токсическое воздействие в значительной степени блокируется. Ученые предполагают, что повышенная устойчивость к негативному воздействию металлов у человека и других животных может объясняться повышенной экспрессией генов, кодирующих синтез металлотионеинов. В присутствии токсичных ионов белок действует подобно губке, накапливая их в связанной и безопасной форме. Токсический эффект будет проявляться лишь тогда, когда количество ионов металлов в клетке превысит количество доступных мест связывания в металлотионеинах, и токсичные ионы смогут беспрепятственно связываться с рецепторами, приводя к различным нарушениям и даже смерти.

Абсорбция необходимых металлов из содержимого кишечника в кровь контролируется обратной связью, так что дефицит металлов в организме может повысить их всасывание из пищи. К несчастью, это может привести к негативным последствиям при несбалансированном рационе. Например, известно, что дефицит железа у плохо питающихся детей связан с повышением концентрации ионов свинца в крови. В лабораторных экспериментах на животных (например, крысах) было показано, что дефицит железа повышает всасывание свинца в кишечнике, вероятно, из-за увеличения количества белков, предназначенных для транспорта ионов железа. В отсутствие железа эти белки начинают переносить свинец. Нечто подобное наблюдается у алкоголиков, когда с развитием болезни человек получает все больше и больше калорий из спиртного. Недостаток в рационе таких микроэлементов, как цинк, увеличивает эффективность транспорта ионов этого металла, несмотря на то что их нет в обедненном содержимом кишечника. Поскольку алкоголики также нередко являются потребителями табака, в котором содержится достаточно много кадмия, транспортные белки кишечного эпителия начинают переносить вместо необходимого цинка токсичный кадмий.

Металлы и загрязнение ими водной среды представляет иной тип риска для рыб, так как их жабры выполняют функции дыхания и осморегуляции одновременно. Жабры рыбы выглядят как радиатор, с выростами, которые максимально увеличивают площадь поверхности. Из-за такой большой площади и малого расстояния для диффузии между кровью и омывающей жабры водой постоянно происходит транспорт ионов в обоих направлениях.

В морской воде концентрация ионов (в основном щелочных и щелочноземельных металлов, таких как натрий, калий, магний и кальций) выше, чем в крови у рыбы, и ионы путем диффузии через белковые поры и каналы постоянно попадают в организм. Однако в крови должна поддерживаться определенная концентрация этих ионов, и без регуляции такой приток ионов из воды был бы фатальным. Поэтому рыба постоянно и активно выводит ионы щелочных и щелочноземельных металлов из организма обратно в воду. Рыба, обитающая в пресной воде, наоборот, постоянно теряет те же самые ионы, которые совершенно беспрепятственно выходят из ее крови в воду, поэтому ей необходим активный обратный транспорт этих ионов с помощью белков.

В загрязненной морской или пресной воде концентрация вредных ионов переходных металлов может быть так высока, что их поступление через жабры может быть смертельным для рыбы. Учитывая, что жабры пресноводных рыб предназначены для обратного всасывания потерянных ионов, в загрязненной водной среде рыба вынуждена решать две противоречащие друг другу задачи: получение необходимых ионов, например натрия и калия, из воды и предотвращение поступления вредных ионов переходных металлов. При наличии в воде токсичных металлов животное может потерпеть поражение на обоих фронтах, как покажут приведенные ниже примеры.

Среди белков, участвующих в транспорте ионов в жабрах, важное место занимают так называемые насосы: натриево-калиевый и кальциево-магниевый. Для их функционирования необходима энергия и атом цинка, который должен быть связан с белком. В загрязненной воде с повышенной концентрацией меди или серебра (обратите внимание, что эти элементы принадлежат к одной и той же группе периодической системы) ионы этих металлов присоединяются к натриево-калиевому насосу, разрывая связь белковой молекулы с атомом цинка, таким образом «выключая» насос.

В данном случае пресноводная рыба испытывает обессоливание (недостаток натрия) и умирает. В загрязненных водоемах с повышенной концентрацией кадмия или ртути (снова металлов из одной и той же группы!) их ионы будут связываться с кальциево-магниевым переносчиком, кровь рыбы декальцинируется, что тоже приведет к смерти.

Если рыба переживет первоначальный приток ионов переходных металлов, возможно, у нее разовьется акклиматизационный ответ, который снизит всасывание этих ионов через жабры. Это может произойти, если ей удастся уменьшить уровень поступления металлов в клетки жабр. Кроме того, рыба может изменить синтез металлотионеинов так, чтобы ионы токсичных металлов связывались до того, как они присоединятся к транспортным белкам. Рыба выживет, если приток ионов изменится таким образом, чтобы натриево-калиевый и кальциево-магниевый насосы продолжали функционировать. Но если приток ионов преодолеет защитные механизмы клеток, ионы соединятся с насосами, нарушат их работу, и рыба умрет.

В природных водах токсичность ионов неоднозначна, так как на нее сильно влияет качество воды. Ткань жабр можно считать местом присоединения, или лигандом, для переносимых водой ионов. (Конечно, в реальности все сложнее, так как жабры представляют собой не гомогенный лиганд; однако в данном случае мы может рассматривать их так.) В воде, где содержится мало коллоидов, жабры могут быть доминантным лигандом, связывающим простые ионы, растворенные в протекающей по ним воде. Всасывание этих ионов происходит совершенно беспрепятственно, с максимальной скоростью, которую допускают белки жабр, так как никаких конкурентных лигандов не существует.

Ионы токсичных металлов, например кадмия или ртути, также могут проникать в организм рыбы тем же самым путем – активного транспорта через жабры, и их токсичность часто связана с составом частиц, имеющихся в воде. Если там имеются другие лиганды (например, коллоидный материал), они конкурируют с жабрами в присоединении простых ионов. Подобно тому, как белки плазмы крови влияют на поступление липофильных стероидов к тканям-мишеням в организме животных, гуминовые кислоты и другие водорастворимые органические соединения могут снижать концентрацию свободных ионов металлов в воде, уменьшая таким образом их токсичность для рыбы. Это основная предпосылка модели биотических лигандов, теории, согласно которой токсичность металлов в воде не всегда постоянна, а зависит от качества воды и других веществ, в ней растворенных.

В древние времена использование переходных металлов произвело революцию в развитии разнообразных орудий, а кроме того, изменило геохимические циклы ионов этих достаточно редко встречающихся в природе металлов. В результате человек и другие животные оказались в среде, где вдыхание паров и поглощение ионов металлов через желудочно-кишечный тракт изменили положение вещей с точки зрения токсикологии. В то же самое время процессы добычи этих металлов породили экологические проблемы, которых не существовало до начала промышленной разработки. Коротко говоря, токсичность металлов оказалась дьяволом, кроющимся в деталях добычи и использования их человеком, и продолжает оставаться им по сей день.

Глава 10. Горение.

Я работаю в шахте, спускаюсь вниз, вниз, вниз. Работаю в шахте, ой! Едва не сорвался. На часах пять утра, а я уже иду на работу. Господи, я так устал, не знаю, сколько еще протяну. Аллен Туссен. Я работаю в шахте.

Мы начали с металлов наш разговор о химическом загрязнении, а продолжить его вполне естественно рассказом о сжигании ископаемого топлива. На самом деле две эти темы неразрывно связаны друг с другом, так как для получения чистых металлов из руд, то есть для переплавки, нужно огромное количество тепла. Горение само по себе – довольно грязное дело, будь то переплавка руды, приготовление пищи или просто обогрев жилища. Когда горит дерево, уголь или нефтепродукты, всегда получается гарь, пепел и дым. Как мы увидим далее, воздействие этих конечных продуктов весьма токсично.

Но хотя история добычи и использования металлов тесно связана с промышленным использованием горения, токсикологические последствия этих процессов различны. Токсичность металлов, рассмотренная в предыдущей главе, связана с неверной идентификацией ионов молекулами или клетками, которые «путают» вредные металлы с металлами, необходимыми для жизнедеятельности. Однако с продуктами горения происходит совершенно другая история: клетки «пачкаются», что затрудняет и нарушает процесс выведения токсичных компонентов и может вести к весьма неприятным токсикологическим последствиям.

Горение.

Один из главных атрибутов жизни – процесс анаболизма, построения сложных органических веществ, органоидов клетки, самих клеток и тканей из более простых составляющих. Аналогично один из главных атрибутов смерти – это процесс метаболизма, разложения сложных веществ живого организма обратно на простые составляющие, из которых они когда-то образовались. Если организм погибает и быстро разлагается в присутствии достаточного количества кислорода (условие аэробного метаболизма), его органический материал может быть полностью разрушен, и его составляющие утилизируются другими организмами. Конечные продукты аэробного метаболизма – углекислый газ и вода, которые поступают в окружающую среду и далее используются другими организмами. Многие формы органической материи, например животные ткани, в аэробных условиях разлагаются быстро, в то время как другие – например, древесина, – относительно устойчивы к разложению. Останки мертвых деревьев могут ждать сгорания долгое время после того, как жизнь в них прекратилась.

Хотя древесина по сравнению с тканями животных устойчива к разложению, в конечном итоге, при наличии достаточно долгого времени, разложение все же произойдет. Однако при определенных условиях разложение древесины и других органических материалов может пойти по нетипичному пути. Если аэробные процессы затормаживаются, органика не распадается полностью, а происходит преобразование одних органических молекул в другие, на что может уходить очень длительное, даже с геологической точки зрения, время. В результате этих анаэробных процессов образуются различные виды ископаемого топлива – природный газ, нефть, горючие сланцы и уголь.

Древесина, природный газ, нефть и уголь – это все топливо, то есть материалы, содержащие потенциальную энергию, которая может быть высвобождена для совершения полезной работы. Процесс высвобождения энергии из топливных материалов называется горением. Например, основной компонент природного газа, метан – самый простой из углеводородов, так как состоит всего лишь из одного атома углерода и четырех атомов водорода. При полном его сгорании получается углекислый газ и вода. Однако даже метан не всегда сгорает полностью. При неполном окислении получаются альтернативные конечные продукты, например угарный газ. При усложнении химической структуры топлива – от газа к нефти, углю и древесине – химические последствия неполного сгорания проявляются в виде выделения дыма, сажи и пепла, содержащих побочные продукты горения.

Токсические последствия горения: английские трубочисты.

Первые документальные свидетельства токсического воздействия побочных продуктов горения относятся к XVIII в., когда такое воздействие было зафиксировано у английских детей, а именно мальчиков-трубочистов. В те времена трубочисты были группой людей, зарабатывавших на жизнь тяжким трудом в очень жестких условиях, и эти трубочисты совсем не были похожи на героев из «Мэри Поппинс». Лондонские печные трубы часто бывали неправильной формы, и скапливающуюся в них сажу нужно было вычищать вручную. Взрослый человек не всегда мог пролезть в трубу; вот почему появились мальчики-трубочисты, часто сироты, которых нанимали в качестве учеников начиная с четырехлетнего возраста для прочистки самых узких и сложных мест. Условия такого труда были хуже некуда. Сажа, сыплющаяся сверху, высокая температура, теснота создавали смертельно опасные условия. Из-за узости труб и жары дети часто залезали туда голыми и вылезали, покрытые потом и сажей.

В 1775 г. английский хирург доктор Персиваль Потт решил обследовать взрослых мужчин, которые когда-то были мальчиками-трубочистами. Во время работы пот стекал по их телам, смывая сажу, которая скапливалась в области мошонки. Гигиена у этих детей была просто ужасной, некоторые в буквальном смысле мылись единожды в год. Следовательно, сажа, содержащая канцерогенные вещества, оставалась в складках кожи очень долгое время и впитывалась в нее. Это воздействие приводило к развитию так называемого рака трубочистов, болезненных язв с твердыми краями. Далее болезнь могла распространяться на яички и живот, и результат был весьма трагичным. Хотя лишь спустя столетие ученые идентифицировали вещество, ответственное за развитие этого вида рака, доктор Потт первым заявил о существовании вредных факторов производства, ведущих к онкозаболеваниям.

Интересно отметить, что рак мошонки, вызываемый сажей из дымоходов, можно было с легкостью предотвращать профилактическими мерами. Оказалось, что трубочисты из континентальной Европы практически не были ему подвержены. Дело в том, что на континенте трубочисты носили защитную одежду и гораздо чаще мылись. Когда этот опыт был заимствован и в Англии, с раком мошонки было покончено.

Токсические последствия горения: полициклические ароматические углеводороды.

Несмотря на результаты изучения здоровья мальчиков-трубочистов, список известных канцерогенных веществ рос медленно. До 1950 г. канцерогенные свойства были доказаны только для трех продуктов: табака, угольной сажи и нафтиламинов, получающихся в процессе производства синтетических красителей.

Канцерогенность табака была установлена еще в XVIII в. другим лондонским врачом, Джоном Хиллом, который первым обнаружил, что злоупотребление нюхательным табаком приводит к развитию рака носа.

В отличие от угольной сажи и табака, канцерогенность нафтиламинов была установлена только в 1870-х гг. До этого времени все промышленные красители добывались из природного сырья. Но когда в Германии стали производить синтетический фуксин, участились случаи рака мочевого пузыря. Во время Первой мировой войны промышленно-торговые связи между Германией и США были разрушены, и американская DuPont Company начала выпускать синтетические красители сама. Подверженность работников этого производства раку мочевого пузыря пересекла Атлантику, и в 1947 г. доктор Артур Мегельсдорф из химической компании Calco с прискорбием объявил, что «рак мочевого пузыря развивается у 100 % работников, контактирующих с бета-нафтиламином».

Канцерогенность этих трех продуктов была установлена в результате эпидемиологических исследований, но потребовалось более 100 лет, прежде чем она была продемонстрирована непосредственно в экспериментах на лабораторных животных. В 1915 г. двое японских ученых, Кацузабуро Ямигива и Коичи Ичикава вызывали у кроликов рак на ушах, намазывая их каменноугольной смолой несколько раз в неделю в течение года. После их революционных экспериментов начались исследования по выделению из угольных смол и сажи конкретных веществ, ответственных за образование опухолей у животных и человека. В 1930 г. были установлены канцерогенные свойства дибензантрацена, а вскоре после этого – похожего вещества бензопирена. К 1940 г. эпидемиологические данные наконец-то получили подтверждение в лабораторных опытах на животных, которые продемонстрировали прямую связь между конкретными веществами и развитием рака. Выяснилось, что канцерогенными являются вещества, принадлежащие к двум классам: ароматические амины (присутствующие в производстве синтетических красителей) и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). С тех пор канцерогенные свойства были выявлены у многих других веществ; но именно ПАУ и ароматические амины были первыми веществами, на примере которых была доказана связь между воздействием химикатов и онкозаболеваниями.

Полициклические ароматические углеводороды – замкнутые кольцевые молекулы, состоящие из углерода и водорода: самые маленькие молекулы ПАУ содержат три кольца. Нафтиламины отличаются от них тем, что состоят всего из двух колец и содержат, помимо углерода и водорода, также азот. ПАУ содержатся в природном ископаемом топливе – нефти, угле и битуме, а также в некоторых съедобных жирах. Они возникают в результате неполного окисления угля или нефти или при сгорании биомассы, например древесины и табачного листа. Канцерогенность табака отчасти объясняется именно возникновением ПАУ при его горении.

Рак и ПАУ.

Чтобы понять связь ПАУ или ароматических аминов с развитием рака, стоит разобраться в том, что же такое рак и как он возникает. Рак – это формирование новообразований: наборов клеток, которые растут относительно независимо. Клетки почти всех типов, за исключением нейронов, проживают свою жизнь, выполняя ту работу, которая свойственна данной ткани: клетки печени выполняют функции печени, клетки кишечника заняты пищеварением и т. д. При этом клетки время от времени делятся надвое с помощью митоза. Жизнь клетки, называемая клеточным циклом, – это постоянное повторение одних и тех же процессов: рост, работа, деление, рост, работа, деление и т. д. Каким бы скучным это ни казалось, на самом деле клеточный цикл – это очень четко скоординированная деятельность, регулируемая внутренними химическими сигналами. Если клетка выпадает из ритма жизни, повреждаясь или прекращая свою работу, включается генетическая программа ее уничтожения – апоптоз. Но если клетка «идет вразнос» и отказывается подчиняться программе самоуничтожения, она может начать автономно и относительно неорганизованно делиться, в результате чего возможно появление новообразований, или опухолей.

Одна из причин развития новообразований – генетические мутации. Генетическая мутация – химическое или физическое изменение структуры ДНК, из-за которого нарушается точность воспроизведения данного участка генома. Когда канцерогенное вещество формирует ковалентную связь с молекулой ДНК, возникает ДНК-аддукт. При формировании ковалентной связи у двух атомов возникает общая пара электронов. Ковалентные связи прочны, и единственный способ удалить ДНК-аддукт – вырезать его из генома вместе с тем материалом, к которому он присоединился. Интересно, что эти аддукты после удаления из ДНК в конечном итоге выводятся с мочой. Более того, концентрация ДНК-аддуктов в моче измеряется как фактор риска развития определенных типов рака.

Однако не все ДНК-аддукты оказываются одинаковыми. Некоторые вырезаются из ДНК, и происходит эффективное ее восстановление. Но в других случаях во время восстановления происходят ошибки, приводящие к мутациям или изменениям нуклеотидной последовательности (кодирующего участка ДНК). Некоторые из таких мутаций обнаруживаются в участках генома, не слишком важных с точки зрения канцерогенеза, поэтому не ведут к новообразованиям. Если же они возникают в важных областях, где нарушения генома с большей вероятностью порождают рак, то могут инициировать развитие опухолей. К таким важным областям относятся те, которые содержат протоонкогены и гены-супрессоры опухолей. Протоонкогены – это эволюционно консервативные гены, кодирующие белки, стимулирующие прохождение клетками их жизненных циклов. В то же время гены-супрессоры опухолей кодируют белки, которые подавляют циклы деления клеток. Таким образом, можно сказать, что протоонкогены служат «педалью газа» для клеточного деления (в том числе и автономного), а гены-супрессоры опухолей – тормозом, контролирующим это деление. Мутация в любом из этих участков может вести к неконтролируемому клеточному делению и автономному клеточному росту, что подготавливает почву для развития новообразований. Такое накопление генетического ущерба в виде мутантных протоонкогенов и генов-супрессоров опухолей является одной из движущих сил превращения организованного клеточного цикла в неконтролируемое деление, или образование опухолей.

Как много ДНК-аддуктов формируется в ответ на воздействие химических канцерогенов, зависит от химической реактивности метаболита. Так что в данном случае «дьявол канцерогенности» кроется в деталях выведения ПАУ в процессе метаболизма.

ПАУ липофильны и поэтому склонны объединяться и накапливаться во внутренней среде организмов или в донных отложениях и реже встречаются в свободном виде в воде. Как мы говорили в главе 5, организмы могут перерабатывать липофильные вещества, в частности ПАУ, в ходе окислительно-восстановительных реакций фазы I и реакций конъюгации фазы II. Метаболизм фазы I лишь незначительно увеличивает растворимость в воде, и, следовательно, скорость выведения большинства ПАУ. Реакции конъюгации фазы II, напротив, значительно сильнее повышают водорастворимость соединений. В отличие от метаболизма фазы II, реакции которой организованны и предсказуемы, метаболизм фазы I – это вариабельный процесс, в котором могут получаться разнообразные метаболиты. Таким образом, при попадании ПАУ в кровь там будут находиться не только исходные вещества, но и набор метаболитов фазы II и фазы I.

ПАУ и ароматические амины канцерогенны и быстро превращаются в печени в разнообразные метаболиты. Поскольку цель метаболизма – изменить растворимость веществ, чтобы можно было их вывести из организма, то логично было бы предположить, что процесс детоксикации должен быть направлен на уменьшение не только жирорастворимости ПАУ, но и на их способности вступать в реакции, то есть формировать ДНК-аддукты. Но на самом деле все происходит как раз наоборот. В метаболизме фазы I часто образуются высокореактивные метаболиты, например эпоксиды и хиноны. Поэтому при метаболизме многих ПАУ и их подготовке к выведению из организма их канцерогенные свойства не снижаются, а напротив, усиливаются.

Тот факт, что наш организм может работать против нас, сталкиваясь с химическими канцерогенами, кажется довольно печальным. Гибкость метаболизма фазы I может давать преимущество в тех случаях, когда в него попадают доселе неизвестные липофильные соединения, которые необходимо преобразовать в водорастворимую форму и вывести из организма. Но в то же самое время эта гибкость позволяет системе производить канцерогенные промежуточные метаболиты. Если найти способ перенаправления метаболизма ПАУ от образования токсичных производных в сторону относительно безвредных водорастворимых метаболитов, связанных с фазой II, то можно существенно снизить риск развития онкозаболеваний.

В древнегреческой мифологии Прометей обманул богов, подарив людям огонь, – и понес за это тяжкое наказание. История показывает, что нам тоже приходится расплачиваться за этот дар: близкое взаимодействие с сажей, смолами и пеплом и скрывающимися в них ПАУ. Мы коллективно платим нашим здоровьем в виде растущей предрасположенности к раковым заболеваниям, порожденным этими веществами.