2.6. Металолігандний гомеостаз.

Концентрації іонів е ссенциальних d-елементів в організмі підтримуються постійно за рахунок існування механізму металлолігандіого гомеостазу, основними ланками якого є всмоктування, розподіл і транспорт, депонування, лімінация (схема 2) Параметри всмоктування і елімінації в нормі збалансовані, тобто при зменшенні -поступлення в організм того або іншого мікроелемента зменшується і його виведення і навпаки.

Схема 2. Потоки речовин, що підтримують металлолігандний гомеостаз

Ш

Легені

Шкіра

Травний тракт

ляхи надходження

Абсорбція Необсарбірованая

частина

Розподільний пул Кал

(вся абсорбсрованная маса)

Виділення з сечею Виділення з желечью

Депонування в Синтез металлсодержпщих

тканинах і клітках з'єднань

Руйнування металлсодержащих з'єднань

Для підтримки постійної концентрації іонів металів в організмі існують їх форми, що депонують і транспортні. Наприклад, залізо в організмі млекопітаючих депонується у складі ферритину — водорозчинного білка, в якому знаходиться міцеллярне ядро неорганічноі сполуки заліза (III). У де- понірованной формі в організмі знаходиться близько 25% заліза.

Різний ступінь спорідненості іонів до тих або інших біолігандів може бути причиною антагонізму. Антагонізм цинку і міді трактують імовірно таким чином. Обидва іони стимулюють вироблення металлотіонєїна, причому активність цинку виражена більшою мірою, проте міцнішим є комплексна сполука, що утворюється, з міддю. Таким чином, підвищення в організмі концентрації цинку викликає вироблення додаткової кількості металлотіонєїна, який зв'язує іони міді, зменшуючи тим самим їх концентрацію в плазмі.

Регуляція металлолігандного гомеостазу здійснюється також за допомогою нервової, ендокринної і імунної систем.

3. Лігандообменні процеси, що протікають в організмі при патології

Порушення металлолігандного гомеостазу, що виникають в результаті дії зовнішніх чинників, можуть приводити до розвитку патологічних станів. Якщо порушення виникають в результаті дії яких-небудь внутрішніх причин, то вони можуть служити важливою діагностичною ознакою. Виділимо основні групи причин порушення металлолігандного гомеостазу.

Дефіцит ессенциальних мікроелементів. В даний час прояви дійсного дефіциту мікроелементів для людини доведені для заліза, міді, цинку, марганцю, хрому, молібдену, кобальту, а також фтору, йоду і селену. В більшості випадків це пов'язано з особливостями біогеохімічних провінцій (наприклад, у Васюганье — недолік міді, в Бурятії і Прикаспійській низовині — недолік кобальту). Для кожного металлодефіцитного стану характерний ряд клінічно виражених ознак, станів і синдромів, які в певних випадках дозволяють діагностувати металлодефіцитну хворобу. Іноді металлодефіцитни стани можуть бути латентними і виявлятися тільки за допомогою лабораторних досліджень. Наприклад, при зменшенні кон-центрациі Zn²⁺ в плазмі до 12,43 мкмоль/л надаеться діагноз цинкдефіцитной хвороби; зменшення ж концентрації Zn²⁺ до 8,46 мкмоль/л — несприятлива прогностична ознака. У ряді випадків металлодефіцитниє стани розвиваються при недоліку микро¬элементів в їжі. Так, наприклад, в стандартній добовій дієті вміст хрому в межах від 33 до 125 мкг, а добова потреба в хромі складає 50—200 мкг. Збалансована по мікроелементах дієта сприяє зменшенню числа металлодефіцитних станів.

Недолік надходження ессенциальних мікроелементів може бути викликаний також і їх дисбалансом. Відомий, наприклад, антагонізм в організмі цинку і міді (на рівні металлотіонєїна); заліза і хрому (на рівні трансферріна); заліза і марганцю; заліза і кобальту. Тисячократний надлишок кобальту практично повністю пригнічує всмоктування заліза.

Різні речовини, що містяться в їжі, також можуть утрудняти всмоктування ессенциальних елементів. Залізо, наприклад, утворює достатньо міцні комплекси з поліфенольнимі сполуками, тому чай і кава, до складу якої входять такі сролуки, гальмують всмоктування заліза. Аналогічною властивістю володіє соєвий білок.

Надлишок ессенциальних мікроелементів. Практично кожен мікроелемент має діапазон безпечних концентрацій, у якому знаходиться і оптимум концентрацій, що забезпечує нормальну життєдіяльність організму . При збільшенні надходження ессенциальних мікроелементів можливе збільшення їх концентрації в біосередовищах.

Це свідчить про те, що гомеостатічні механізми вже не одужують з корекцією металлолігандного балансу. У надлишок стани які мають(наприклад, надлишок металу гиперсидероз при надлишку заліза, гиперкупреоз при надлишку міді і т. д.) приводять до розвитку різних захворювань.

Це може бути обумовлено, як і при металлодефіците, особливістю біогеохімічних провінцій. Відома, наприклад, хвороба Ковальського — епідемічна молібденова подагра, зв'язана з надміром молібдену в деяких районах Вірменії. Істотне значення мають промислові мікроелементози, що виникають в результаті надмірного надходження мікроелементів в умовах виробництва. Описані професійні сидерози легенів і ока, гиперкупреоз (мідна лихоманка), манганоз (у крайніх випадках з синдромом паркінсонізму), хромові дерматити, молібденоз, кобальтоз і інші хронічні захворювання.

У ряді випадків металлонадлишкові стани наступають при використані недосконалих технологій. При цьому мікроелементи у великій кількості поступають в організм або безпосередньо з їжею, або (найчастіше) спочатку в навколишнє середовище, а потім з водою і їжею в організм людини. Приклад першого типу — хвороба любителів пива. У Канаді, США, Бельгії у свій час в пиво додавали хлорид кобальту(П) в концентрації 1,2—1,5мг/л для поліпшення піноутворення. Хронічне отруєння СОЛЯМИ кобальту приводило до важкої серцевої недостатності іноді із смертельним результатом. Відомо, що в деяких місцевостях Італії вино за традицією готують в залізних, судинах; такі вина містять великі кількості іонів заліза. Прикладом другого типу є підвищена концентрація солей міді в землях виноградніків (соли мідь використовують для боротьби з хворобами винограду) і, як наслідок, збільшення змісту сполук міді в продуктах харчування, вироблених в ціх місцевостях, і у воді.

Надлишок мікроелементів в організмі може виникнути при застосуванні лікарських засобів.

Надходження екзогенних лігандів, що конкурують з біолігандамі. Зміна концентрацій іонів металів виникає в результаті скріплення їх у комплекси з токсичними лігандамі, що потрапляють ззовні. Прикладом може служити латірізм — отруєння, що виникає при споживанні в їжу деяких рослин роду Lathyrus— запашного горошка, кормового гороху (чини). У цих рослинах міститься - а м і н опропіонітріл- ліганд, що має велику спорідненість до іонів міді:

Комплексна сполука міді з -аминопропионитрилом міцніше, ніж фермент л і з і л о к с и д а з а, що містить мідь. В результаті конкуренції каталітична активність ферменту різко падає, що приводить до порушення синтезу колагену і змін в сполучній тканині. Випадки латірізма реєструвалися в Татарії, республіках Середньої Азії, в Індії, Сірії, Алжірі.

Конкуренцію лізілоксидазе складають і деякі ліганди, що є лікарськими препаратами для лікування захворювань, не пов'язаних з порушенням обміну міді:

Ізоніазід Апресин

(гіпертензивний засіб)

(протівотурбекулезний засоби) Дефенін

(протисудомний засіб))

Багато засобів хімічного захисту рослин містять у складі молекул донорніє атоми (азот, сіра, кисень), які також здатні координуватися іонами біометалів.

Конкуренція ендогенних лігандов з біолігандамі. У ряді випадків в організмі утворюються не властиві йому ліганди, так звані фальшиві ліганди. Таке явище часто називають лігандною патологією. Наприклад, при червоному вовчаку відбувається “незаплонованній” гідроліз пептидів, в результаті якого утворюються сполуки, що успішно конкурують з іншими лігандамі, в основному ферментами, за іони міді. Зв'язані “фальшивими лігандамі" іони міді не можуть Утворювати життєво необхідні біологічні комплекси (конкуренція між „фальшивим" і справжнім біолігандом за іон). Надходження іонов-токсикантів. Певною мірою надходження іонов-токсикантів має здібність з металлонадлишковим станами під час вступу надлишку ессенциальних мікроелементів. Більш того, розмежування між ессенциальнимі і токсичними мікроелементами у ряді випадків достатньо умовно. Не виключено, що деякі елементи, які розглядаються зараз як токсичні, є все ж таки життєво необхідними, але з надзвичайно звуженим і низьким діапазоном безпечних концентрацій.

Практично всі іони-токсиканти здатні утворювати міцні комплексні сполуки з біолігандамі, серйозно порушуючи параметри стаціонарного стану. Особливо небезпечні важкі метали: ртуть, свинець, талій.

До складу активних центрів багатьох ферментів разом з донорнимі атомами азоту і кисню (жорсткі підстави) входять атоми сірі (м'яка підстава). При попаданні у організм іонів важких металів виникають суміщені рівноваги і, як наслідок, конкуренція процесів. Іони ртуті, свинцю, талія є м'якими кислотами, вони утворюють з атомами сірі міцніші сполуки, ніж іони біометалів, жорсткіші кислоти, що є. Таким чином, виникає конкуренція за ліганд (—SH) між іонами мікроелементів і іонами металловтоксикантов Останні, виграючи конкуренцію, блокують активні центри ферментів і Вимикають їх з управління метаболізмом Важкі метали часто називають т и о л о в и м и отрутами. Тіоловим отрутою є і миш'як. Арсеніти, наприклад, утворюють вельми міцні сполуки з 1,2-дитиолами:

Арсеніти вимикають з дії багато ферментів, що містять тіолови групи,.

4. Лігандообменні процеси, використовувані для корекції патологічних станів.

При тих або інших відхиленнях в металлолігандну гомеостазі організм включає захисні механізми і з часом повертає основні показники до норми. Проте у ряді випадків виникає необхідність в проведенні фармакотерапії.

Виведення іонів важких металів з організму під дією хелатруючих реагентів називається хелатотерапієй.. Одним з перших лікарських засобів, застосованих для ціїх цілей, був БАЛ (британський анти люїзит); йому по структурі близький той, що застосовується в Росії у н і т і о л:

СН₂—СН—СН₂ СН₂—СН—СН₂

│ │ │ │ │ │

SH SH ОН SH SH SО₃Na

БАЛ Унітіол

Унітіол ефективно виводить з організму миш'як, ртуть, хром, вісмут; препарат менш ефективний при отруєннях свинцем. Для виведення свинцю використовуються лікарські засоби на основі ЕДТА. Через те що ЕДТА утворює міцні комплекси майже зі всіма іонами, введення його в організм у великих дозах небезпечно, оскільки він зв'язуватиме іони кальцію, що може привести до серйозних розладів багатьох функцій. Для детоксикациі організму при отруєнні свинцем використовують т.е т а ц і н - кальцій (подвійна сіль складу CaNa₂Y). Це лікарський засіб застосовують також для виведення з'єднань кадмію, ртуті, урану, ітрію, церію, надмірних іонів кобальту. Побічна дія при застосуванні препарату може виражатися в зниженні змісту гемоглобіну і вітаміну B₁₂, тому при тривалому лікуванні рекомендується приймати лікарські засоби, що містять іони заліза, а також вітамін B₁₂. Разом з тетацин-кальцієм застосовується близький йому по структурі пентацин (кальций-трінатрієвая сіль етілентріамінопентауксусной кислоти). Його призначають при гострих і хронічних отруєннях плутонієм, радіоактивними ітрієм, церієм, цинком, свинцем і для виявлення носійства цих радіонуклідів.

Основні термодинамічні принципи хелатотерапїі можна сформулювати в двох положеннях:

1) детоксикант, що вводиться, повинен ефективно зв'язувати іони -токсиканты ; сполуки що знов утворюються, повинні бути міцніше, ніж ті, які існували в організмі;

2) детоксикант, що вводиться, не повинен руйнувати життєво необхідні комплексні сполуки; сполуки, які можуть утворитися при взаїмодії детоксиканта і іонів біометалів, повинні бути менш міцними,чим що існують в організмі. Приведені принципи хелатотерапії можна сформулювати в термінах термодинаміки. Позначимо: Т— іони-токсиканти; I — іони біометалів, що виконують важливі функції в регуляції метаболізму; Е — біоліганди (активні центри ферментів, порфірінови структури і т. д.); Е — детоксикант (лікарський засіб комплексоутворюючей дії)

Тоді:

а)KH(TD)<K(TE) ....або..... (TD) > (ТE);

б)Кн(ID)>Кн(IE)……або…… (ID)< (IE)

Останнім часом розроблені ефективні хелатоутворюючих засоби, що дозволяють вибірково виводити з організму ті або інші іони. Для виведення іонів заліза застосовують дефероксамін:

Дефероксамін

Для виведення надлишкового заліза (при гемохроматозі, гемосидерозі, гострих отруєннях) необхідно, щоб лікарський засіб вибірково діяв не тільки по відношенню до Ьонам заліза, але і по відношенню до окремих класів железосодержащих біокомплексів. Умовно позначимо Fe-гем — всі життєво необхідні з'єднання заліза (гемоглобін, цитохроми, каталаза і ін.) ; Fe-депо — всі форми заліза, що депонують, зайве накопичення яких і викликає патологічні стани; Fe-ДФА — комплекс, що утворюється між лікарською речовиною і іонами заліза. Термодинамічні умови оптимальної дії лікарської речовини формулюються як:

К_н (Fe-гем) < K_н (Fe-) < K_н (Fe-депо)

Дефероксамін дійсно істотно не впливає на виділення іонів інших металів і не руйнує гем утворюючи сполуки виводячи залізо з його форм, що його депонують (ферритин).

Для виведення міді (при гострих отруєннях і гепатоцеребральной дистрофії) використовується пеніцилламін, або купреніл — D-3,3-диметилцистеин. Пенцилламін є менш специфічним лігандом: крім іонів міді, він зв'язує також іони ртуті, свинцю (що підсилює його достоїнства), але також заліза і кальцію, що може привести до побічної дії лікарського засобу.

Пеніцалламін

Речовини, здатні вступати в реакції комплексоутворювання, використовуються для лікування різних захворювань. Так, наприклад, сполуки золота (крізанол) застосовується для лікування ревматоїдного артриту. Атоми золота в ступені окислення +1, найбільш активні у фізіологічному відношенні, стабілізуються серхувмісними лігандамі. Лікування сполуками золота називається хрізотерапієй. Для лікування деяких форм онкологічних захворювань використовуються сполуки платини. Цис-изомер діхлородіаммінлатіни (плагин) вступає в організмі в конкурентні відносини фрагментами, освіченими донорнимі атомами азоту пурінових і пірімідінових підстав, що входять до складу ДНК:

Реакція приводить до блокування ділянок, що беруть участь в процесі передачі генетичній інформації. Утворення міцних сполук в результаті обміну двох лігандов CI^- в цис-ДДП на атоми азотистих підстав відбувається завдяки геометричній відповідності; відстань між атомами азоту в ланцюзі ДНК приблизно відповідає відстані між атомами азоту в цис-ДДП. Сполуки платини надають цитотоксичну дію: вони ушкоджують клітини не тільки злоякісної пухлини, але і здорові. Пошук лікарських речовин, у тому числі і на основі комплексних сполук платини, гальмуючих або припиняючих зростання клітинок злоякісної пухлини, продовжується.

5.Лігандообменніє процеси, використовувані для діагностики патологічних станів.

Для кількісного визначення іонів ессенциальних елементів і іонов-токсикантов використовують різні реакції комплексоутворювання, які ведуть до утворення забарвлених продуктів, концентрацію яких встановлюють фотометричними методами згідно із законом Бера.

Концентрація іонів магнію уклінічному біохімічному аналізі визначається після перекладу їх в комплексну сполуку з титановим жовтим:

Як ліганда застосовується також ксиліділовий синій II (магон). Кальцій для фотометричного визначення переводять у комплексну сполуку дією гліоксаль-біс-2-оксианила:

Використовуються також крезолфталєїнкомплексон і мурексид. Залізо (II) переводять в комплексну сполуку за допомогою батофенантроліна

Матеріали методичного забезпечення завершального етапу заняття.