Биохимия и токсикология соединений мышьяка, сурьмы и висмута

Мышьяк - элемент V группы периодической системы с атомным номером 33. Открыт Альбертом Великим в XIII в. Название произошло от греч. arsenikon (желтый пигмент). Иногда его производят от греческого «арсен» - сильный, мощный. Русское название этому элементу дало слово «мышь», поскольку препараты мышьяка применялись для истребления мышей и крыс.

Мышьяк является неметаллом и существует в нескольких аллотропных формах. Серая форма мышьяка по своему внешнему виду представляет собой мягкий и хрупкий металл. Мышьяк устойчив к воздействию воды, кислот и щелочей.

Мышьяк встречается в природе в элементном состоянии, а также в виде арсенидов и арсеносульфидов тяжелых металлов. Добывают мышьяк из сульфидных руд.

Уникален мышьяк тем, что он встречается повсюду - в минералах, горных породах, почве, воде, растениях и животных, недаром его называют «вездесущным». Распределение мышьяка по разным регионам земного шара во многом определялось в процессах формирования литосферы летучестью его соединений при высокой температуре, а также процессами сорбции и десорбции в почвах и осадочных породах. Мышьяк легко мигрирует, чему способствует достаточно высокая растворимость некоторых его соединений в воде. Во влажном климате мышьяк вымывается из почвы и уносится грунтовыми водами, а затем - реками. Среднее содержание мышьяка в реках - 3 мкг/л, в поверхностных водах - около 10 мкг/л, в воде морей и океанов - всего около 1 мкг/л. Это объясняется сравнительно быстрым осаждением его соединений из воды с накоплением в донных отложениях, например, в железомарганцевых конкрециях.

В почвах содержание мышьяка составляет обычно от 0,1 до 40 мг/кг. Но в области залегания мышьяковых руд, а также в вулканических районах в почве может содержаться очень много мышьяка - до 8 г/кг, как в некоторых районах Швейцарии и Новой Зеландии. В таких местах гибнет растительность, а животные болеют. Это характерно для степей и пустынь, где мышьяк не вымывается из почвы. Обогащены по сравнению со средним содержанием и глинистые породы - в них содержится вчетверо больше мышьяка, чем в среднем. В нашей стране предельно допустимой концентрацией мышьяка в почве считается 2 мг/кг.

Мышьяк может выноситься из почвы не только водой, но и ветром. Но для этого он должен сначала превратиться в летучие мышьякорганические соединения. Такое превращение происходит в результате так называемого биометилирования - присоединения метильной группы с образованием связи C-As; этот ферментативный процесс (он хорошо известен для соединений ртути) происходит при участии кофермента метилкобаламина - метилированного производного витамина В₁₂ (он есть и в организме человека). Биометилирование мышьяка происходит как в пресной, так и в морской воде и приводит к образованию мышьякорганических соединений - метиларсоновой кислоты CH₃AsO(OH)₂, диметиларсиновой (диметилмышьяковой, или какодиловой) кислоты (CH₃)₂As(O) OH, триметиларсина (CH₃)₃As и его оксида (CH₃)₃As = O, которые также встречаются в природе. С помощью ¹⁴С-меченого метилкобаламина и ⁷⁴As-меченого гидроарсената натрия Na₂HAsO₄ было показано, что один из штаммов метанобактерий восстанавливает и метилирует эту соль до летучего диметиларсина. В результате в воздухе сельских районов содержится в среднем 0,001 - 0,01 мкг/м³ мышьяка, в городах, где нет специфических загрязнений - до 0,03 мкг/м³, а вблизи источников загрязнения (заводы по выплавке цветных металлов, электростанции, работающие на угле с высоким содержание мышьяка, и др.) концентрация мышьяка в воздухе может превысить 1 мкг/м³. Интенсивность выпадения мышьяка в районах расположения промышленных центров составляет 40 кг/км² в год.

Образование летучих соединений мышьяка (триметиларсин, например, кипит всего при 51° С) вызывало в 19 в. многочисленные отравления, поскольку мышьяк содержался в штукатурке и даже в зеленой краске для обоев. В виде краски раньше использовали зелень Шееле Cu₃(AsO₃)₂ · nH₂O и парижскую, или швейфуртскую зелень Cu₄(AsO₂)₆(CH₃COO)₂. В условиях высокой влажности и появления плесени из такой краски образуются летучие мышьякорганические производные. Предполагают, что этот процесс мог быть причиной медленного отравления Наполеона в последние годы его жизни (как известно, мышьяк был найден в волосах Наполеона спустя полтора столетия после его смерти).

Мышьяк в заметных количествах содержится в некоторых минеральных водах. Российские нормативы устанавливают, что в лечебно-столовых минеральных водах мышьяка должно быть не более 700 мкг/л. В Джермуке его может быть в несколько раз больше. Выпитые один-два стакана «мышьяковой» минеральной воды человеку вреда не принесут: чтобы смертельно отравиться, надо выпить сразу литров триста… Но понятно, что такую воду нельзя пить постоянно вместо обычной воды.

Химики выяснили, что мышьяк в природных водах может находиться в разных формах, что существенно с точки зрения его анализа, способов миграции, а также разной токсичности этих соединений; так, соединения трехвалентного мышьяка в 25-60 раз токсичнее, чем пятивалентного. Соединения As(III) в воде присутствуют обычно в форме слабой мышьяковистой кислоты H₃AsO₃ (рК_а = 9,22), а соединения As(V) - в виде значительно более сильной мышьяковой кислоты H₃AsO₄ (рК_а = 2,20) и ее депротонированых анионов H₂AsO₄- и HAsO₄^2-.

В живом веществе мышьяка в среднем содержится 6·10-⁶%, то есть 6 мкг/кг. Некоторые морские водоросли способны концентрировать мышьяк в такой степени, что становятся опасными для людей. Более того, эти водоросли могут расти и размножаться в чистых растворах мышьяковистой кислоты. Такие водоросли используются в некоторых азиатских странах в качестве средства против крыс. Даже в чистых водах норвежских фьордов водоросли могут содержать мышьяк в количестве до 0,1 г/кг. У человека мышьяк содержится в мозговой ткани и в мышцах, накапливается он в волосах и ногтя

Метаболическая функция мышьяка достаточно ясно не определена. Мышьяк относят к условно эссенциальным, иммунотоксичным элементам.

Известно, что мышьяк взаимодействуют с тиоловыми группами белков, цистеином, глутатионом, липоевой кислотой. Возможно, мышьяк участвует в некоторых ферментативных реакциях. Как активатор фермента мышьяк, вероятно, действует как заместитель фосфата. Как ингибитор, мышьяк очевидно реагирует с сульфгидрильными группами ферментов.

Мышьяк оказывает влияние на окислительные процессы в митохондриях и принимает участие во многих других важных биохимических процессах.

Мышьяк и все его соединения ядовиты в той или иной степени. При остром отравлении мышьяком наблюдаются рвота, боли в животе, понос, угнетение центральной нервной системы. Сходство симптомов отравления мышьяком с симптомами холеры длительное время позволяло успешно использовать соединения мышьяка (чаще всего, триоксид мышьяка) в качестве смертельного яда. Существует предположение, что соединениями мышьяка был отравлен Наполеон на острове Святой Елены.

На территориях, где в почве и воде избыток мышьяка, он накапливается в щитовидной железе у людей и вызывает эндемический зоб.

Мышьяк в малых дозах канцерогенен. Однако мышьяк в течение долгого времени (вплоть до середины 1950-х гг.) использовали в качестве лекарства, «улучшающего кровь». Исследование последствий этого использования и внесло свой весомый вклад в развитие онкологических заболеваний. Считалось, что «микродозы мышьяка, вводимые с осторожностью в растущий организм, способствуют росту костей человека и животных в длину и толщину, в отдельных случаях рост костей может быть вызван микродозами мышьяка в период окончания роста». Однако эти данные не нашли научного подтверждения. Тем не менее, в настоящее время исследуется влияние микродоз мышьяксодержащих препаратов в качестве противоракового средства.

Существует достаточно количество доказательств канцерогенности неорганических соединений мышьяка. Высокий уровень смертности от рака легких зарегистрирован среди рабочих, занятых на производстве пестицидов, добыче золота и выплавке сплавов мышьяка с другими металлами, а также цветных металлов и особенно меди. В результате длительного употребления загрязненной мышьяком воды или лекарственных препаратов, нередко наблюдается развитие низкодифференцированного рака кожи (рак Боуэна). Вероятно, гемангиоэндотелиома печени также является арсенозависимой опухолью.

Широкую огласку получила техногенная экологическая катастрофа на юге Индии - из-за повышенного отбора воды из водоносных горизонтов, мышьяк стал поступать в питьевую воду. Это вызвало токсическое и онкологическое поражение у десятков тысяч людей.

Всего в организме человека содержится около 15 мг мышьяка. В организм человека соединения мышьяка поступают с питьевой и минеральной водой, виноградными винами и соками, морепродуктами, медицинскими препаратами, пестицидами и гербицидами.

Около 80% мышьяка всасывается в желудочно-кишечном тракте, 10% поступает через легкие и около 1% - через кожу.

Более 90% неорганических соединений мышьяка растворимы и хорошо абсорбируются. Далее неорганический мышьяк перемещается в печень, где он метилируется. Мышьяк накапливается в легких, печени, коже и тонком кишечнике. Депонируется мышьяк преимущественно в ретикуло-эндотелиальной системе, вероятно в результате связи арсенита с SH-группами белков, которых относительно больше в этих тканях. Через 24 часа после поступления, из организма выводится 30% мышьяка с мочой и порядка 4% с фекалиями.

Полагают, что оптимальная интенсивность поступления мышьяка в организм составляет 50-100 мкг/день. Дефицит этого элемента в организме может развиться при его недостаточном поступлении (1 мкг/день и менее).

Основанная на вычислениях, возможная потребность мышьяка для людей с рационом 2000 ккал составила бы приблизительно 12-15 мкг ежедневно

Рыба, зерно и продукты хлебных злаков обеспечивают достаточное содержание мышьяка в рационе. Значительные количества мышьяка содержатся в рыбьем жире и морской рыбе (до 10 мг/кг), винах (до 1 мг/л и более).

Мышьяк может поступать в организм в повышенных количествах с атмосферным воздухом. Так, в городах при сжигании угля, концентрация мышьяка в воздухе составляет порядка 1-20 нг/м3; около медеплавильных предприятий, котельных и ТЭЦ, работающих на угле, это значение может достигать 70-500 нг/м3, тогда как в экологически чистых районах концентрация мышьяка не превышает 1 нг/м3. В почвах около медеплавильных комбинатов, обжиговых заводов, где налажено производство сплавов мышьяка, его концентрация достигает 100-3000 и более мкг/г.

Токсическая доза мышьяка для человека: 5-50 мг. Порог токсичности определен как 20 мг в сутки. Летальная доза для человека: 50-340 мг. ПДК в воздухе для мышьяка 0,5 мг/м³.

Токсичность мышьяка при пероральном потреблении относительно низка; он фактически менее ядовит, чем селен. Ядовитые количества неорганического мышьяка вообще составляют миллиграммы. Некоторые формы органического мышьяка фактически неядовиты. Токсичность более присуща неорганическим соединения мышьяка.

Симптомы острого и хронического отравления мышьяком у людей включают: развитие различных типов дерматита; депрессию гемопоэза; повреждение печени, характеризующееся желтухой, портальным циррозом печени и асцитом; сенсорные нарушения.

Фармакокинетическими индикаторами экспозиции мышьяка являются его концентрации в моче. Норма этих показателей у детей составляет не более 1 мг/кг и 3 мг/кг у взрослых.

Хотя биохимические и физиологические функции мышьяка достаточно изучены, в настоящее время не удается связать расстройства этих функций с нутритивным дефицитом мышьяка.

Мышьяк относится к так называемым «тиоловым ядам». Механизм его токсичности связан с нарушением обмена серы, селена и фосфора. Токсичность мышьяка зависит от его химических свойств и снижается в следующем порядке ряда: арсин > неорганический As³⁺ > органический As³⁺ > неорганический As⁵⁺ > соединения арсония > элементарный мышьяк

Отравление мышьяком происходит при употреблении отравленной пищи и воды, вдыхании соединений мышьяка в виде пыли в производственных условиях, применении некоторых медикаментов.

Органами-мишенями при избыточном содержании мышьяка в организме являются костный мозг, желудочно-кишечный тракт, кожа, легкие и почки.

o Причины избытка мышьяка

§ Избыточное поступление (постоянный контакт с мышьяком, загрязнение окружающей среды, табакокурение, злоупотребление виноградным вином, длительное введение препаратов сальварсана).

§ Нарушение регуляции обмена мышьяка.

§ Усиленное накопление в организме мышьяка при недостатке селена.

o Основные проявления избытка мышьяка

§ Раздражительность, головные боли.

§ Нарушение функций печени, развитие жирового гепатоза.

§ Кожные аллергические реакции, экзема, дерматит, зуд, язвы, депигментация кожи, ладонно-подошвенный гиперкератоз.

§ Конъюнктивит.

§ Поражение системы дыхания (фиброз, аллергозы, прободение носовой перегородки, опухоли).

§ Поражение сосудов (в первую очередь нижних конечностей, - эндоангиит).

§ Нефропатия.

§ Увеличение риска развития новообразований кожи, печени, легких.

§ При острой интоксикации мышьяком развиваются внутрисосудистый гемолиз, острая почечная, печеночная недостаточность, кардиогенный шок.

§ Отдаленные последствия интоксикации мышьяком: снижение остроты слуха у детей, поражения нервной системы (энцефалопатии, нарушения речи, координации движений, судороги, психозы, полиневриты с болевым синдромом), нарушение трофики мышц, иммунодефицит.

Синергисты и антагонисты мышьяка

Мышьяк может усиленно накапливаться в организме при недостатке селена, и тем самым способствовать дефициту селена.

Антагонистами мышьяка являются сера, фосфор, селен, витамины С, Е и аминокислоты.

Помощь и противоядия при отравлении мышьяком: приём водных растворов тиосульфата натрия Na₂S₂O₃, промывание желудка, приём молока и творога; специфическое противоядие - унитиол. При остром и хроническом отравлении мышьяком используют также димеркоптопропан-сульфонат (ДМПС) в качестве антидота. Также следует использовать антагонистические свойства селена, серы, фосфора, цинка, дополнительно вводить препараты витаминов А, С, Е и аминокислот. В случае поражения почек проводят гемодиализ

Применение мышьяка

Мышьяк применяется для производства различных сплавов, полупроводников, красителей, аккумуляторов, пестицидов, составов для пропитки древесины, а также в кожевенной, текстильной и стекольной промышленности.

Соединения мышьяка используются в медицинских целях уже более 2000 лет. В настоящее время неорганические соединения мышьяка в незначительных количествах входят в состав общеукрепляющих, тонизирующих средств.

1. Ершов Ю.А., Плетенева Т.В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М.: Медицина, 1989.

2. Неорганическая биохимия. М.: Мир, 1978. Т. 1, 2 / Под ред. Г. Эйхгорна.

3.www.google.ru

Размещено на Allbest.ru