EN

Физический механизм токсического воздействия тяжелых металлов на белки и ферменты




В результате активного воздействия цивилизации на окружающую среду степень ее загрязнения возрастает с каждым годом. Главной причиной ухудшения экологической обстановки можно считать колоссальное потребление и переработку минеральных ресурсов, являющихся источником металлов, необходимых для производства.
Особенно опасным является все возрастающее загрязнение природных источников воды токсическими веществами, включающими ионы тяжелых металлов (ТМ). Поскольку человек за год выпивает примерно две тонны питьевой воды, то даже малые концентрации этих веществ, которые накапливаются в организме человека, могут привести к различным тяжелым заболеваниям, включающим онкологические и сердечно-сосудистые патологии.
В условиях активной антропогенной деятельности загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами стало особенно опасным потому, что не существует надежных механизмов самоочищения среды (период полувыведения из почвы цинка — до 500 лет, свинца — до нескольких тысяч лет). Попадая в окружающую среду с газовыми выбросами, твердыми отходами и сточными водами предприятий, удобрениями и пестицидами, ТМ загрязняют почвенный покров, воды и воздух, причем из водной и воздушной среды прямыми или косвенными путями попадают в почву. Особенно опасны загрязнения изотопами металлов, которые, как показала Чернобыльская катастрофа, могут быть радиоактивными.
Главными источниками поступления в биосферу большинства металлов являются предприятия теплоэнергетики, поскольку в угле и нефти присутствуют все металлы. Количество ртути, кадмия, кобальта, мышьяка в атмосферных выбросах при сжигании угля, нефти, торфа и другого горючего может в 3-8 раз превышать количество добываемых металлов.
Для пригородных и сельских районов характерно поступление ТМ в окружающую среду в составе сточных вод и отходов. Существенным источником загрязнения почвы является применение удобрений из шламов, полученных из промышленных и канализационных очистных сооружений. Даже обычные моющие средства могут быть источником ионов цинка и селена.
Кроме того, к основным источникам токсических загрязнений необходимо отнести и автотранспорт. Автомобили кроме оксидов азота, углерода и серы выбрасывают в атмосферу соли свинца. Содержание свинца в организме жителей США, например, в настоящее время приближается к предельно допустимой концентрации (ПДК).
Физический механизм воздействия тяжелых металлов на живые организмы
До недавнего времени было непонятно, почему сравнительно малые концентрации тяжелых металлов вызывают тяжелые отравления.
Последние годы в работах, проводимых на физическом факультете, было обнаружено новое физическое явление — образование надмолекулярных структур — дипольных белковых кластеров в растворах различных белков и ферментов, содержащих ионы тяжелых металлов. Принято называть тяжелыми металлами те элементы, атомный вес которых превышает 40.
Образование белковых нано структур было изучено нами в растворах различных протеинов, содержащих ионы тяжелых щелочных металлов — цезий, рубидий, а также медь, кадмий, свинец, европий и др. различными оптическими методами (рассеяние света, фотонно-корреляционная спектроскопия и поляризация флуоресценции).
Как показали эти исследования, особую роль играет взаимодействие белков и ферментов с таким важным для жизнедеятельности организма элементом, как калий. Оказалось, что наличие в растворах белков ионов калия K+ также приводит к возникновению дипольных нанокластеров.
Таблица. Металлы и их ионные радиусы
МЕТАЛЛNa+ K+ Cs+ Rb+ Cd+Pb2+ Eu3+ Сe+
ВЕЛИЧИНА ИОННОГО РАДИУСА 0,87 A 1,33 A 1,67 A 1,47 A 1,14 A 1,2 A 0,95 A 1,27 A

Было выявлено, что на процесс кластерообразования влияет величина ионного радиуса металла. В случаях, когда в растворах белков имеются малые ионы типа Na+, образование дипольных кластеров не наблюдается, поскольку ион натрия находится у поверхности белка в окружении молекул воды и не может соединиться непосредственно с противоположным зарядом на белке.
Ионы с большим радиусом (смотри таблицу), такие как Cs+, Rb+, Cd+, Ce+, Pb2+, Eu3+ а также К+, не могут удерживать на своей поверхности воду, т.к. энергия взаимодействия заряд иона — дипольная молекула воды обратно пропорциональна четвертой степени ионного радиуса и может быть сравнима с тепловой энергией. Поэтому такие ионы присоединяются к отрицательным зарядам на поверхности белка непосредственно без водной оболочки (рис.1).
Когда концентрация перечисленных выше ионов увеличивается, наступает момент электрической разрядки поверхности белка. При этом вместо кулоновского отталкивания между макромолекулами белка возникает диполь-дипольное притяжение. Этот процесс возможен только для белков и ферментов, поскольку только у них наблюдаются гигантские дипольные моменты, достигающие величины в тысячу D (дебай).
Смена характера межмолекулярного взаимодействия приводит к появлению в растворах белков надмолекулярных наноструктур — дипольных белковых кластеров, масса которых растет в области изоэлектрической точки белка с ростом концентрации тяжелых ионов.


             
Рис.1. Схема возможного процесса образования дипольной белковой наноструктуры

Роль калия и натрия в жизнедеятельности организма очень важна. Электрические свойства (потенциал покоя — потенциал действия) большинства клеток определяются этими двумя ионами, а также ионом кальция Ca+, поэтому они называются потенциало — образующими. Как известно, натрий содержится в крови, в плазматической жидкости межклеточного пространства, в то время как калий в организме человека, в основном, находится внутри клеток. Так внутри мышечных клеток калия почти в 50 раз больше, чем в межклеточном пространстве. Для поддержания такой концентрационной неравновесности затрачивается большая энергия. С помощью молекулярных «машин» — Атфаз — натрий из клеток выкачивается, и в клетки закачивается калий. При патологическом состоянии у человека может происходить разрушение клеточных мембран (лизис клеток). В этом случае выходящий из клеток калий нарушает процесс синтеза белков и ферментов и приводит к кластеризации макромолекул.
Безусловный интерес представляют собой исследования свойств водных растворов основных белков крови (альбумина и гамма-глобулина), а также белков являющихся основными структурными элементами тканей живых организмов, к которым относится фибриллярный белок — коллаген.
В наших работах с помощью методов статического и динамического рассеяния света (фотонно-корреляционной спектроскопии) было показано, что размер ионного радиуса металла влияет на межмолекулярные взаимодействия и подвижность молекул коллагена в растворе. Воздействие ионов калия, имеющих больший ионный радиус по сравнению с ионами натрия, аналогично воздействию ионов тяжелых металлов, т.к. приводит к агрегации молекул коллагена вблизи изоэлектрической точки (pH 6). Это проявляется в уменьшении примерно в два раза величины коэффициента трансляционной подвижности, при этом масса рассеивающих частиц увеличивается на порядок.
Рост массы частиц в растворах белков при воздействии ионов металлов с большими ионными радиусами было подтверждено также с помощью метода поляризации флуоресценции.
Следует отметить, что по данным наших экспериментов начало кластерообразования в растворах альбумина, содержащих ионы свинца, меди, кадмия и др., соответствуют значениям ПДК для этих металлов.
В 2009 году в дипломной работе Т.Н. Тихоновой с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) были впервые получены изображения молекул основных белков сыворотки крови — альбумина и гамма-глобулина, а также изображения белковых кластеров, которые образуются в растворах при добавлении ионов с большими ионными радиусами.
В качестве примера на фотографиях показаны снимки молекул альбумина и белковых агрегатов в растворах альбумина с ионами калия и европия.


Рис.2. Строение молекулы альбумина, отснятой на АСМ
Рис.3. 2D-изображение частиц образующихся в растворе альбумина при добавлении KCl, полученного с помощью АСМ

Данная фотография, полученная с помощью АСМ, дает представление о размере молекулы альбумина (~10 нм).
Как можно видеть, размер частицы увеличился почти на порядок.

            
Рис. 4. 2D-изображение белковых кластеров в растворе альбумина, содержащем соль Eu(NO3)3

На фотографии (рис 4.), полученной с помощью АСМ, показано изображение частиц, образующихся в растворе альбумина при добавлении соли Eu(NO3)3 .
Таким образом, нами обнаружен и объяснен механизм образования наноразмерных дипольных кластеров в растворах белков, содержащих ионы тяжелых металлов и калия.
Можно предполагать, что образование белковых кластеров в крови человека под действием ТМ, приводит к нарушениям как транспортной, так и иммунной функций основных белков крови.
Возникает вопрос, каким способом можно обезопасить человека от отравления тяжелыми металлами.
Наиболее эффективным методом очистки от ТМ может служить сорбция металлических ионов на пористых средах, например на активированном угле. Подобные фильтры применяются во всех современных системах очистки водопроводной воды.
Г.П. Петрова, Ю.М. Петрусевич, И.А. Сергеева,
Т.Н. Тихонова, К.В. Федорова,
(кафедра молекулярной физики,
кафедра медицинской физики)

Литература
1. G.P. Petrova, Yu.M.Petrusevich, A.N.Evseevicheva.// Gen. Phys. and Biophys. 1998, V.17(2), C. 97
2. Петрова Г.П., Петрусевич Ю.М. // Биомед. радиоэлектроника. 2000, №3, С. 41.
3. Петрова Г.П., Петрусевич Ю.М., Тен Д.И. // Квант. Электроника. 2002, 32, №10, С. 897.
4. И.А. Сергеева, Н.В. Сокол, М.С. Иванова, Г.П. Петрова, Ю.М. Петрусевич// ВМУ. Серия 3 Физика. Астрономия. 2009, №4, С. 85

Назад