Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Токсикологическая химия. Часть 1. Фармация . Конспект лекций
.pdf
Не всегда возможно установить различие между жизненно необходимыми и токсичными металлами. Все металлы
могут проявить токсичность, если они потребляются в избыточном количестве. Несмотря на важную положительную
роль, которую играют микроэлементы в жизнедеятельности
человека, например медь или цинк, при избыточном поступлении их с пищей или какими-либо другими путями может
наступить тяжелая интоксикация, признаками которой являет
тошнота, рвота, диарея, боли в животе. Кроме того, токсичность металлов проявляется в их взаимодействии друг с другом. Например, физиологическое воздействие кадмия на организм, в том числе его токсичность, зависят от количества
присутствующего цинка, селена, а функции железа в клетках
определяются присутствием меди, кобальта и в некоторой
степени молибдена и цинка.
Негативное действие «металлических ядов» на организм человека проявляется в их выраженном нейротоксическом действии. Токсичность объясняется тем, что в организме они связываются с функциональными группами белков,
аминокислот, пептидов и других жизненно важных веществ,
в результате чего нарушаются нормальные функции клеток
тканей. Образующиеся в организме комплексы металлов
очень прочные, поэтому изолировать металлы и обнаружить
их невозможно без предварительного разрушения органического вещества, с которым они связаны. Для этих целей и
применяются методы минерализации.
По вопросу металлических загрязнений существует
несколько точек зрения. Согласно одной из них металлы периодической системы делят на 3 группы:
– металлы как незаменимые факторы питания (эссенциальные макро- и микроэлементы);
– неэссенциальные или необязательные для жизнедеятельности металлы;
– токсические металлы.
151
Согласно другой точке зрения все металлы необходимы для жизнедеятельности, но в определенных количествах.
Эта точка зрения выражается формулой: «Все вещества токсичны, но отсутствие веществ также вредно».
По воздействию на организм человека металлы классифицируют следующим образом:
1) металлы, необходимые при питании человека и жи-
вотных (Со, Сu, Cr, Ge, Fe, Mn, Mo, Ni, Se, Si, V, Zn).
2) металлы, имеющие токсикологическое значение
(As, Be, Cd, Cu, Co, Cr, Hg, Mo, Ni, Pb, Pd, Se, Sn, Ti, V, Zn).
При этом следует отметить, что 10 из перечисленных
элементов отнесено к обеим группам.
Биологически эссенциальные металлы имеют пределы
доз, определяющих их дефицит, оптимальный уровень и
уровень токсического действия. Токсические металлы в низких дозах не оказывают вредного действия и не несут биологических функций, однако в высоких дозах оказывают токсическое действие. Тем не менее, существуют металлы, которые проявляют сильно выраженные токсикологические
свойства при самых низких концентрациях и не выполняют
какой-либо полезной функции. К таким токсичным элементам относят ртуть, кадмий, свинец, мышьяк. Они не являются ни жизненно необходимыми, ни благотворными, но даже в
малых дозах приводят к нарушению нормальных метаболических функций организма.
Ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, медь, стронций, цинк,
железо Объединенная комиссия ФАО/ВОЗ по пищевому кодексу (Codex Alimentarius) включила в число компонентов,
содержание которых контролируется при международной
торговле продуктов питания. В России и СНГ подлежат контролю еще 6 элементов (сурьма, никель, хром, алюминий,
фтор, йод), а при наличии показаний могут контролироваться
и некоторые другие металлы. Медико-биологическими требованиями СанПиН 1078-01 определены критерии безопас-
152
ности для следующих металлов: свинец, кадмий, ртуть, медь,
цинк, олово, железо.
Несмотря на широкое распространение d-элементов в
природе (в рудах, почве, воде и воздухе), их суммарное содержание в тканях и органах человека в норме не превышает
1-2 % массы тела. С точки зрения токсического воздействия
металлов на организм наибольшую опасность представляет
постоянно возрастающее антропогенное загрязнение окружающей среды, включая биоту.
Элементы с неизвестной биологической ролью, но постоянно присутствующие в организме, называются примесными. Уровень примесных элементов может колебаться в
пределах нескольких порядков. Для этих элементов, как правило, достоверно установлена токсичность.
Деление элементов на необходимые и примесные в
определенной мере условно. Это объясняется, прежде всего,
тем, что неорганические соединения различных элементов
имеют широкий спектр биологической активности. И дефицит, и избыток жизненно необходимого элемента наносят
вред организму. При дефиците необходимого элемента организму наносится существенный ущерб, например, из-за неактивности ферментов.
Оценка нормы содержания элементов, необходимость
которых пока не доказана, возможна при определении примесных элементов в организме сельских жителей, меньше
подвергающихся антропогенным влияниям окружающей
среды. Полученные результаты используют как нормативные
и сравнивают с ними токсическую нагрузку на организм в
промышленных регионах. Например, были обнаружены
близкие уровни свинца, бария, кадмия, стронция, мышьяка в
костной ткани (эпифиз бедренной кости) жителей разного
возраста и обоего пола, проживающих в одном из регионов
Подмосковья.
153
У жителей промышленных регионов с возрастом увеличивается содержание некоторых примесных элементов,
особенно у рабочих крупных металлургических и гальванических предприятий. Например, содержание кадмия, бария,
свинца и стронция в образцах костной ткани более чем у
3000 человек, проживавших в разных районах Российской
Федерации, различалось в сотни раз. Наименьшие колебания
и самый низкий уровень этих элементов отмечены у жителей
сельской местности.
Накопление металлов в организме может быть вызвано природными факторами (эндемические провинции) или
техногенными загрязнениями.
6.2. Исследование на «металлические яды»
При попадании в организм человека или животного
высоких доз соединений металлов, а также мышьяка и сурьмы, происходит их связывание со многими биологически активными веществами организма, что приводит к нарушению
протекания биохимических и физиологических процессов. В
ряде случаев это заканчивается не только тяжёлыми отравлениями, но и смертью пострадавшего.
Как уже отмечалось выше, в организме «металлические яды» образуют с белками, пептидами, аминокислотами
и некоторыми другими веществами очень прочные комплексы.
Чтобы обнаружить металлы, необходимо:
1. Разрушить органические вещества, содержащиеся в
исследуемых объектах,
2. Перевести «металлические яды» в ионное состоя-
ние.
Для этой цели используется окисление (сжигание) органического вещества, составляющего объект исследования,
которое приводит к освобождению искомых неорганических
154
веществ. Вероятно, поэтому процесс окисления называется
минерализацией.
Объектами исследования на «металлические яды» являются органы и ткани организма человека, чаще всего это
печень, почки, желудок и др. Количество исследуемого материала зависит от общей массы объекта, от обстоятельств
дела и других факторов. В среднем навеска биоматериала
составляет 100 г. Минерализацию разнохарактерных объектов проводят отдельно, не смешивая их. Это необходимо для
получения объективных результатов анализа и правильной
судебно-медицинской оценки.
6.3. Методы минерализации
Минерализация – это окисление (сжигание) органического вещества (объекта) для освобождения металлов из
комплексов с белками и другими соединениями. Наиболее
широко распространенные методы минерализации можно
разделить на 2 большие группы:
1. Частные методы (методы сухого озоления) – минерализация путем простого сжигания или сплавления со смесью нитратов и карбонатов щелочных металлов. К числу частных методов относится и метод частичной минерализации
(деструкция), служащий для изолирования ртути из биологических объектов.
Метод простого сжигания основан на нагревании органического вещества (объекта) при высокой температуре
при доступе воздуха. Сухое озоление проводят в фарфоровых, платиновых или кварцевых тиглях. На исследование берут небольшие навески (1-3 г), температура нагревания достигает 300-400°С. Метод применяется при специальных заданиях по обнаружению катионов марганца, меди, цинка,
висмута, особенно в тех случаях, когда объект либо очень
155
эластичен, трудноразрушаем, либо его количество ограничено. Метод имеет определенные недостатки:
– при нагревании возможно улетучивание металлов в
виде солей или в индивидуальном виде, т.к. при нагревании в
условиях проведения сухого озоления не всегда удается контролировать температуру. Даже при относительно невысокой
температуре улетучиваются соединения ртути и таллия, а
при температуре свыше 400°С – хлориды кадмия, свинца,
серебра, цинка, марганца, мышьяка.
– возможно взаимодействие некоторых металлов с материалом тигля, например, цинк, свинец, серебро могут реагировать с кварцем и фарфором, а кобальт может сплавляться с платиной.
Метод сплавления с нитратами щелочных металлов в
химико-токсикологическом анализе применяется чаще, чем
классическое сухое озоление. Биологический материал нагревают с расплавленными нитратами щелочных металлов. С
чистыми нитратами окисление идет очень быстро, особенно
при повышенных температурах, при этом может наблюдаться выбрасывание пробы из тигля. Поэтому для предотвращения бурного протекания реакции при сплавлении применяют
смесь нитратов с карбонатами щелочных металлов.
2. Общие методы (методы мокрой минерализации)
применяются при общем (ненаправленном) исследовании на
группу металлических ядов, пригодны для изолирования
всех катионов металлов, кроме ртути. Для минерализации
используют смеси кислот-окислителей (серной и азотной,
серной, азотной и хлорной), а также калия хлорат и пергидроль. Под действием окислителей происходит разрушение
биологического материала с образованием более простых
химических соединений. При этом связи между металлами и
биологическими субстратами организма (белками, аминокислотами и др.) разрушаются, образуются соли этих метал-
156
лов, которые можно обнаружить в минерализате при помощи
соответствующих реакций и методов.
Методы мокрой минерализации
Первый метод минерализации биологического материала при химико-токсикологических исследованиях с использованием в качестве окислителя концентрированной
азотной кислоты предложил русский ученый А.П. Нелюбин.
Этот метод сыграл большую роль в развитии химикотоксикологического анализа. Однако разрушение биологического материала при нагревании с концентрированной HNO3
требует большой затраты времени, реагент слабо окисляет
жиры. В дальнейшем в качестве окислителя использовалась
концентрированная серная кислота, действующая одновременно и как дегидратирующий агент. Однако этот процесс
тоже был весьма продолжительным по времени, и в ходе минерализации образовывались неразлагающиеся обуглившиеся остатки.
Для устранения этих недостатков в 1821 г.
М.Ж. Орфила предложил применять смесь концентрированных серной и азотной кислот. Этот метод был модифицирован и применен для целей химико-токсикологического анализа в 1908 г. П.К. Равданикисом. До настоящего времени
этот метод находит широкое применение на практике и является по сути основным методом минерализации.
При любом способе минерализации следует соблюдать меры предосторожности, т.к. возможны термические
ожоги, выбрасывание горячих кислот из колб и даже взрывы
(особенно при использовании в качестве окислителей пергидроля, хлорной кислоты и хлората калия). Поэтому следует
пользоваться защитными очками, работать в вытяжных шкафах с хорошей тягой.
157
6.3.1. Метод минерализации смесью концентриро-
ванных серной, азотной кислот и воды (1:1:1)
Процесс разрушения биологического объекта протекает в 2 стадии:
1. Стадия деструкции, на которой происходит разрушение биологических субстратов организма (белков, жиров,
углеводов) на составные части: белки разрушаются до аминокислот, углеводы (полисахариды) до ди- и моносахаридов
жиры до глицерина и жирных кислот. Менее всего подвержены разрушению на первой стадии жиры.
На первой стадии нагревание не должно быть сильным, чтобы избежать подгорания объекта или сильного пенообразования и выброса частиц объекта из колбы. Поэтому
в начале процесса колбу Къельдаля закрепляют над плиткой
на расстоянии 1-2 см. Температура не должна превышать
110°С.
На стадии деструкции концентрированная H2SO4 выполняет роль водоотнимающего средства, что приводит к нарушению структуры клеток и тканей, деформирует их. При
этом она способствует повышению температуры кипения
смеси и тем самым повышает окислительное действие концентрированной HNO3.
Роль окислителя на первой стадии выполняет концентрированная HNO3.
Кислота азотная, свободная от окислов азота, что наблюдается в самом начале минерализации, почти инертна.
Под влиянием индуцирующих веществ в процессе окисления
биоматериала часть азотной кислоты разлагается до азотистой кислоты и оксидов азота, которые являются катализаторами окисления. Под их влиянием и с повышением температуры азотная кислота проявляет себя как сильный окислитель. Идет интенсивный автокаталитический процесс окисления органических веществ:
158
Эта стадия непродолжительна по времени, длится от
15 до 40 минут. По окончании деструкции получается про-
зрачная желтовато-бурая жидкость, иногда с пленкой жира,
т.к. на этой стадии все элементы объекта разрушены, кроме
жиров.
2. Стадия глубокого жидкофазного окисления. Колбу
Къельдаля опускают на плитку и усиливают нагревание. На
этой стадии происходит окончательное разрушение органических веществ.
Полностью разрушаются жиры. В процессе окисления
необходимо по каплям постоянно добавлять в колбу разведенную азотную кислоту из капельной воронки, но при этом
скорость добавления реактива должна быть такова, чтобы
бурые пары оксидов азота, образующиеся при минерализации, не выходили из колбы.
Роль окислителя на этой стадии играет концентрированная серная кислота (её концентрация повышается в смеси
до 60-70%, температура превышает 110 °С). Она разлагается
с выделением оксида серы (IV) и активного кислорода.
159
Эта стадия длится 3-4 часа и считается законченной
тогда, когда:
– начинает выделяться белый туман (пары SО2);
– жидкость остается бесцветной;
– минерализат не темнеет в течение 30 минут без до-
бавления азотной кислоты.
В процессе минерализации происходит не только разрушение органических веществ, но и ряд побочных реакций,
имеющих негативное значение:
– серная кислота в высоких концентрациях сульфирует органические вещества, а азотная кислота, особенно в
присутствии серной кислоты, – нитрует их. Сульфо- и нитросоединения очень прочные, трудно поддаются воздействию
окислителей, что влечет за собой неполное разрушение биообъекта.
Эти негативные процессы можно значительно уменьшить. Это достигается использованием не концентрированных кислот, а частично разбавленных добавлением в окислительную смесь воды. При разбавлении Н2SO4 и HNO3 водой
степень нитрования / сульфирования значительно снижается.
– побочная реакция, связанная с образованием нитрозилсерной кислоты при взаимодействии оксидов азота с концентрированной серной кислотой.
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]