Вступление. Отравления соединениями тяжелых металлов известны с древних времен. Упоминание об отравлениях «живым серебром» (сулема) встречается в IV веке. В середине века сулема и мышьяк были наиболее распространенными неорганическими ядами, которые использовались с криминальной целью в политической борьбе и в быту. Отравления соединениями тяжелых металлов часто встречались в нашей стране: в 1924-1925 гг. Было зарегистрировано 963 смертельных исхода от отравлений сулемой. Отравления соединениями меди преобладают в районах садоводства и виноделия, где для борьбы с вредителями используется медный купорос. В последние годы наиболее распространены отравления ртутью, входящей в состав серой ртутной мази, применяемой для лечения педикулеза. Нередки случаи массовых отравлений, например, гранозаном после употребления семян подсолнечника, обработанного этим средством.
Летальность при отравлениях соединениями тяжелых металлов и мышьяка, ранее достигавшая 64-84%, при современных методах лечения равна 15-19%.
Корреляция ряда физических, химических, физико-химических свойств с токсичностью металлов. 
Уже давно, еще в прошлом веке, делались попытки связать токсическое действие металлов с отдельными их свойствами. Так, Richet (1882) сопоставил токсичность солей металлов в опытах на изолированном сердце лягушки и на рыбах. В его опытах степень токсичности металлов (судя по действующим концентрациям растворов) и их атомные веса расположились следующим образом:
Выяснилось, однако, что строгого соответствия между атомным весом и действующей концентрацией нет. Кроме того, токсичность одних и тех же металлов была неодинаковой в зависимости от объекта действия. Автор пришел к заключению, что токсичность металлов не строго соответствует их атомному весу даже для металлов одного семейства. Например, палладий токсичнее платины (при сопоставлении действия их солей), цезий менее токсичен, чем рубидий, и т.д. На связь токсичности металлов с их атомным весом и на нарастание силы действия с увеличением атомного веса указывал также Rambuteau (1892). Но все же имеется тенденция к увеличению токсичности с увеличением атомного веса, хотя есть и явные исключения, например бериллий, медь. Последняя для многих клеток много токсичнее, чем такие металлы, как барий, стронций и др., несмотря на меньший атомный вес. Различна и сила действия железа в двух- и трехатомном состоянии, несмотря на одинаковый в обоих случаях атомный вес элемента, что также говорит против преимущественного значения атомного веса для токсичности металлов.
М.П.Николаев (1948), анализируя и суммируя литературные данные о связи ядовитого действия металлов с их атомным весом, не нашел достаточно убедительных доказательств существования общей закономерности увеличения токсичности с ростом атомного веса. Другие авторы видели связь действия металлов с их атомным весом в том, что по мере увеличения последнего в данной группе элементов уменьшается их содержание в животном организме и увеличивается токсичность (В.И.Вернадский, 1940; А.И. Войнар, 1960). Действительно, токсичность металлов с большим атомным весом, таких, как свинец, ртуть, золото, серебро и др., велика, а наличие их в животном организме либо оспаривается, либо очень невысоко.
В основу классификации элементов и периодической системы легли характеристики, вытекающие из самой природы элемента и его основного, «фундаментального», свойства. Таким свойством является положительный заряд атома.
Malstrom и Rosenberg (1959) считали такие показатели, как электроотрицательность, ионный радиус, наиболее надежными параметрами в характеристике элементов. Эти же свойства, по мнению авторов, могут иметь влияние на биологическую активность металлов или связаны с последней, в частности при образовании ими комплексов в биосредах, так как стабильность комплексов, в свою очередь, является функцией электронных свойств металлов.
Одним из первых Mathews (1904) сделал попытку связать токсичность металлов с физическими свойствами, иными, чем их атомный вес. Он предположил, что физиологическая активность металла определяется легкостью, с которой он отдает свой электрон, степенью сродства последнего к заряду элемента. Более прочная связь обуславливает малую активность элемента. В качестве физического показателя этой связи Mathews избрал нормальный потенциал. Последний характеризует способность металла переходить в раствор в виде ионов. Нормальный потенциал определяется как разность потенциалов между металлом в напряженном состоянии и раствором, содержащим его ионы при активности, равной единице. Чем отрицательнее нормальный потенциал металла, тем легче этот металл растворяется.
Связь нормального потенциала металлов с вилой их действия Mathews проверял в опытах по изучению влияния растворов хлоридов разных металлов на изолированный нерв и яйца морского ежа. В результате изучения действия 27 металлов автор пришел к заключению, что их токсичность меняется обратно значению нормального потенциала.
В результате своих расследований Mathews предложил эмпирическую формулу для расчета силы действия раствора любой соли, если известна ядовитость раствора какой-нибудь иной соли:
где Vа – искомая концентрация неизвестной соли, вызывающая нужный эффект; Vо – эффективная концентрация известной соли; Еа – нормальный потенциал металла неизвестной соли; Ео – нормальный потенциал металла известной соли; 0,14 – разница нормальных потенциалов двух последовательных солей.
Mathews обнаружил также обратную зависимость между токсичностью металлов и величиной их атомных объемов. Так как значение нормальных потенциалов и атомных объемов изменяются периодически, то и в токсичности металлов должна отмечаться такая же периодичность.
Соли металлов в растворах могут образовывать ионы, гидраты, комплексы. В свою очередь последние могут вновь диссоциировать, образуя ионы. Поэтому токсичность прежде всего может быть связана с действием ионов и со свойствами атомов и ионов металлов, характеризующими их активность, способность вступать в связь с протоплазмой, с отдельными ее компонентами.
Seifritz (1949) показал, что действие солей связано с рядом свойств именно ионов (катионов), с некоторыми характеристиками металлов как атомов или ионов. Этими характеристиками, по его данным, были атомный вес, радиус ионов, электроотрицательность, а также степень гидратации ионов. Последняя играет как бы защитную роль, создавая вокруг ионов оболочку, препятствующую реакции с компонентами окружающей среды, но не влияет на токсичность самого металла. Порядок токсичности обратен степени гидратации. Так, литий гидратирован сильно, а цезий – мало; последний и более токсичен.
Так как и степень гидратации, и подвижность ионов снижаются с повышением атомного веса, то для более тяжелых элементов эти характеристики имеют меньшее значение.
По мнению Seifritz, наиболее вероятным физическим фактором, с которым связана большая токсичность тяжелых металлов, является электроотрицательность: она может влиять на легкость взаимодействия металла с протоплазмой. В периодической системе элементов электроотрицательность, в общем, увеличивается слева направо в каждом периоде; токсичность связана с электроотрицательностью, и таким образом подтверждается общая тенденция к увеличению ядовитости с увеличением атомного веса. Но, по мнению автора, нельзя выделить одно доминирующее свойство, не учитывая влияния других и их взаимную связь. Возможно, отдельные характеристики свойств металлов связаны с их токсическим действием разными путями. Например, с селективностью или большим сродством к отдельным химическим группам, таким, как способность многих металлов образовывать ковалентные связи с атомом серы. Это может определить механизм действия.
Используя накопленные экспериментальные данные о токсичности металлов, некоторые исследователи сделали попытку установить сравнительную токсичность металлов для теплокровных животных, а также связь между ядовитостью и теми или иными физическими и физико-химическими свойствами металлов и их соединений. Так, Lewis (1958) по степени токсичности для белых мышей разделил металлы на три группы, взяв в качестве критерия дозы, которые вызывают гибель половины животных, взятых в опыт (DL50) при внутрибрюшинном или подкожном введении хлористых солей:
1) Hg, In, Tl, Au, As, Cd, V, Ba.
2) Mn, Co, Cu, Fe, Mo, W, Cs, Sr, U.
3) Ca, Li, K, Sm, Ce, Na, Mg.
Наиболее ядовитыми оказались катионы ртути, индия, кадмия, меди, серебра, таллия, платины и урана, т.е. те же металлы, что и для организмов, обитающих в водной среде, или для плесеней.
Сопоставляя порядок токсичности металлов с их положением в периодической системе элементов, Bienvenu и соавторы (1963) сделали заключение о периодических изменениях токсичности металлов, связанных с положением последних в этой системе:
Токсичность комплексных соединений металлов. Не обнаружено сколько-нибудь значительной корреляции (взаимосвязи, взаимозависимости) между токсичностью солей металлов и их растворимостью. Однако установлено, что способность к комплексообразованию в известной степени характеризует поведение катионов в биологических средах.
Зависимость токсичности хлористых солей от стабильности комплексов металлов отмечал также Rolf-Dieter (1962). Токсичность солей в его опытах нарастала в порядке: Mo а стабильность комплексов этих металлов: Mo < Fe < Co < Zn < Ni < Cu.
Константы стабильности металлов с разными лигандами в биологических субстратах коррелируют в известной мере с константой стабильности металлов с ЭДТУ. Это показал Matsushita (1964), а также Williams (1953) для хелатов и комплексов двухвалентных металлов с аспаргиновой кислотой, глицилглицином, триптофаном, аланином и др. Так, например, порядок стабильности комплексов металлов с ЭДТУ таков: Fe > Ga > Cu > Ni > Pb > Y > Cd > Co > Mn > Ca, а порядок стабильности их комплексов с аминокислотами следующий: Hg > Cu > Ni > Pb > Zn > Co > Cd > Mn > Ca. Прочность комплексов $IMAGE6$металлов с ЭДТУ всегда больше, чем стабильность комплексов тех же металлов с такими комплексонами организма, как белки, аминокислоты, карбоновые кислоты, гидроксилы (Clement, 1962). Поэтому допустимо переносить закономерности, касающиеся корреляции между токсичностью катионов металлов и константой стабильности их хелатов с ЭДТУ, также и на стабильность комплексов металлов с рядом других лигандов, возникающих в биологических средах, в живых объектах.
Для осуществления токсического действия имеют большое значение растворимость, определенная избирательность накопления и действия, степень «сродства» металла к той или иной функциональной группе клеток, к имеющимся в последних химических группировках и т.д.
Однако при достаточной дозе введенного металла большое количество катионов поступает в циркуляцию т распределяется по всему организму, вступает в контакт со всеми тканями, нарушая их нормальную функцию, чем обуславливается токсический и летальный эффект. При этом важное значение может иметь как быстрота, так и прочность образующихся в биологических средах комплексов металлов. Поэтому, видимо, острая токсичность и оказывается коррелирующей со стабильностью комплексов металлов с ЭДТУ или гидроксилами и др., со степенью нерастворимости сульфидов металлов. Степень прочности комплексов металлов с ЭДТУ в свою очередь коррелирует со способностью металлов образовывать комплексы с такими биологически важными образованиями, как белки, ферменты, субстраты клеточных оболочек. Токсичность таких сильных ядов, как ртуть, кадмий, индий, линейно возрастает с увеличением их константы стабильности в комплексах с ЭДТУ, а также с прочностью их сульфидов. Эти металлы образуют с атомами серы более прочные соединения, чем ионы биометаллов. Они блокируют активные центры ферментов и выключают их из управления метаболизмом. Тяжелые металлы часто называют тиоловыми ядами.
Стабильность комплексов коррелирует линейно с потенциалом ионизации и поэтому может влиять на степень взатмодействия катионов с биологическим субстратом. Связана со стабильностью комплексов и электроотрицательность, которая является мерой реакции ионов металлов с элементами клеточной мембраны (Danielli, Davis, 1951). Этим может быть объяснена корреляция токсичности с электроотрицательностью. Но электроотрицательность и потенциал ионизации в свою очередь связаны с положением элемента в периодической системе, со строением электронной оболочки. Так, первичный потенциал ионизации уменьшается по мере увеличения атомного номера элемента в своей группе. В свою очередь потенциал ионизации и атомные радиусы связаны между собой: как правило, потенциал уменьшается при увеличении атомного радиуса (легче происходит отрыв внешнего электрона).
Прочность комплексов тем выше, чем меньше радиус как центрального иона, так и аддентов. Устойчивость комплексов связана также и с электронной конфигурацией прежде всего металла, но, в известной мере, и лигандов. Константа стабильности (или нестабильности) комплексного соединения коррелирует с его электронной структурой: она тем выше, чем больше электросродство катиона, чем ниже его потенциал ионизации, меньше атомный радиус. Однако наиболее устойчивы соединения с циклическими лигандами, содержащими пяти- и шестичленные кольца. На устойчивость комплексов в значительной степени влияет рН среды.
$IMAGE7$Только в самое последнее
