Токсическое действие ионов тяжелых металлов на метаболизм кальция в составе комплексов с биолигандами

ХИМИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 1. С. 46-50.

УДК 543:541.1

Ш.К. Амерханова, Р.М. Шляпов, О.А. Голованова, А.С. Уали

ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА МЕТАБОЛИЗМ КАЛЬЦИЯ В СОСТАВЕ КОМПЛЕКСОВ С БИОЛИГАНДАМИ

Потенциометрическим методом определены константы равновесия процессов комплексообразования ионов кальция с аминокислотами на примере глицина. Показано, что взаимодействие ионов кальция с глицином протекает с максимальной интенсивностью при низких ионных силах. Рассчитаны температурно-зависимые и температурно-независимые составляющие термодинамических характеристик, установлено образование электростатического комплекса. Впервые рассчитаны константы реакций замещения иона кальция на ионы токсикантов (Cu2+, Ni2+, Fe2+), выявлена высокая канцерогенная активность ионов меди вследствие формирования более устойчивого комплекса биолиганда (глицина) с участием ионов тяжелых металлов.

Ключевые слова: потенциометрический метод, процесс комплексообразования, температурно-зависимые составляющие, токсиканты, константы реакций замещения, ионы меди.

Введение

Кальций играет огромную роль в жизнедеятельности человеческого организма. Можно смело сказать, что из всех элементов кальций является главным не только в количественном, но и в функциональном отношении. Содержание Са2+ в организме составляет ~1 %. Кальций - 5-й по распространённости in vivo элемент после C, H, O, N. В организмах млекопитающих 95 % кальция приходится на твердые ткани: кости и зубы, где он находится в виде фторапатита Са5(РО4)зК и гидроксилапатита Са5(РО4)зОН; в организмах птиц и моллюсков преобладает СаСО3. В стенках сосудов и артерий кальций присутствует в виде СаСО3 или комплекса с холестерином, а в почках - в виде оксалатов или уратов (солей мочевой кислоты) [1]. Кальций играет важнейшую роль в формировании костей. Он участвует в процессах передачи нервных импульсов, обеспечивает равновесие между процессами возбуждения и торможения в коре головного мозга, участвует в регуляции сократимости скелетных мышц и мышцы сердца, влияет на кислотно-щелочное равновесие организма, активность ряда ферментов. Однако количество усвояемого кальция зависит от качества воды и пищи. Согласно данным литературы, в Казахстане качество питьевой воды в промышленных районах достаточно неудовлетворительное по содержанию в ней ионов тяжелых металлов, которое негативно влияет на здоровье людей, вызывая ряд серьёзных заболеваний. Так, накопление в организме меди при соответствующих заболеваниях вызывает токсикоз: ведет к остановке роста, гемолизу, снижению содержания гемоглобина, к деградации тканей печени, почек, мозга [2].

Поскольку одним из первых указано влияние ионов меди на рост организма, следовательно, в первую очередь ионы меди взаимодействуют с ионами кальция в составе аминокислотных комплексов. В большинстве случаев концентрация меди в природных водах не превышает десятой доли 1 мг/л, а вот в водопроводной воде она может быть существенно увеличена. Повышенное содержание ионов меди в питьевой воде, а точнее в водопроводной, можно объяснить вымыванием этого металла из труб и арматуры [3].

*Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ, грант № 14-33-50817мол_нр.

© Ш.К. Амерханова, Р.М. Шляпов, О.А. Голованова, А.С. Уали, 2015

Токсическое действие ионов тяжелых металлов на метаболизм кальция...

47

В связи с этим целью работы было установление влияния токсичных металлов на поведение биологически важных комплексов кальция. Также были поставлены следующие задачи: определение констант устойчивости комплексов ионов кальция с глицином; расчет термодинамических параметров процесса связывания ионов кальция в гли-цинатный комплекс; проведение сравнительного термодинамического анализа комплексообразования в системе: s-металл -аминокислота - d-металл;

Экспериментальная часть

В работе использованы аминоуксусная кислота (глицин, Gly) («х.ч.»), хлорид кальция CaCl2. Взаимодействие органических лигандов с ионами кальция (II) исследовали при температурах 298-318 К (шаг 5 К) потенциометрическим и рН-метрическим методами с помощью электрода марки ЭМ-Са-01, правомерность использования пленочного электрода в качестве селективного к ионам кальция изложена в работе [4]. В качестве измерительного прибора использовали рН-метр марки «Анион 7010». Хлорсеребряный электрод сравнения ЭВЛ-1М был всегда отделен от рабочего раствора электролитическим мостиком, заполненным гелем агар-агара в 0,1 М NaNO3. Отсчет показаний вели после установления значения потенциала, не изменяющегося в пределах погрешности измерительного прибора в течение 1,5 мин. Электродные потенциалы, приведенные в тексте или в таблицах, пересчитаны относительно нормального водородного электрода. Градуировочные графики строили в координатах E-lgC по стандартным растворам, приготовленным методом последовательных разбавлений. Исходный раствор обычно готовили из точной навески соли [5]. Все стандартные растворы содержали фоновый электролит концентрацией

(0,075-0,75 М) NaCl. Растворы перемешивались при помощи магнитной мешалки. Титрования проводились поэтапно, а именно ориентировочно и точно по методу капель, конечную точку титрования находили по интегральным и производным кривым.

Результаты и их обсуждение

Методом потенциометрического титрования определены константы устойчивости комплексов глицина с ионами кальция

(рис. 1).

Видно, что в интервале температур 298308 К стабильность комплексов ионов Са2+ снижается при возрастании содержания фонового электролита в растворе за счет формирования ионных пар [6]. Следовательно, формирование зубных камней или отложений на первой стадии протекает более интенсивно, т. е. внедрение катионов или анионов фонового электролита либо повышение ионной силы будет способствовать разрушению комплексных солей кальция, что повышает вероятность формирования зубных камней. В нашем случае рН среды при титровании достигает следующих значений: 4-7,2. Известно, что рН слюны колеблется от 6,4 до 7,8 в зависимости от гигиены ротовой полости, характера питания, индивидуальных особенностей метаболизма. Оптимальным для процессов минерализации и реминерализации тканей зуба является слабощелочное значение рН слюны - 7,27,8.

Поэтому аминокислотные комплексы кальция имеют состав M:L 1:2, также было установлено существование комплексов состава 1:1, концентрация которых больше в растворе. Далее были рассчитаны термодинамические параметры реакций ионов кальция с глицином (рис. 2) по уравнениям Улиха, Гиббса, Гиббса - Гельмгольца [7].

Рис. 1. Температурная зависимость констант стабильности комплексов ионов Ca2+ с глицином при ионной силе (I):

1 - 0 I; 2 - 0,075 I; 3 - 0,1 I; 4 - 0,25 I; 5 - 0,5 I; 6 - 0,75 I

48

Ш.К. Амерханова, Р.М. Шляпов, О.А. Голованова, А.С. Уали

кДж/ишь

T, K

а

T, K

б

Рис. 2. Термодинамические характеристики процессов комплексообразования в системе «ионы Ca2+- глицин» при ионной силе (I):

1 - 0,1 I; 2 - 0,5 I; 3 - 0,75 I; а - изменение энтальпии, б - изменение энтропии

Исходя из термодинамических данных видно, что процесс солеобразования протекает более интенсивно при низких концентрациях фонового электролита, поэтому данную систему необходимо рассматривать в изотермическом разрезе. В данном случае имеет место тенденция к замедлению разрушения комплексов кальция при температурах, близких к температуре тела, а именно 308 К. Это, в свою очередь, сказывается на изменениях в структуре комплексов. Показано, что высокие положительные значения энтропии указывают на образование более сложного комплекса образованного ионами фонового электролита и ионами кальция, который является внешнесферным [8]. Причем процесс замещения лиганда на ионы фонового электролита протекает с большей интенсивностью при низких температурах.

Результаты комплексообразования с Са2+ были сопоставлены с данными ком-

плексообразования аминоуксусной кислоты с d-металлами, представленной в работе [9].

Температурно-зависимые и температурно-независимые составляющие термодинамических характеристик процессов комплексообразования аминокислот с ионами металлов при I = 0,298 К

Процесс -AGO ~ArH O ~ArGH3 = = ~ArH°H3 -AGO

кДж/моль Дж/моль- К

Cu2+ + 2Gly = = CuGly22- 64,91 -23,01 2,46 -295,07

Ca2+ + Gly = = CаGly+ -231,46 73,56 221,51 943,14

Fe2++ 2Gly = = FeGly22- 74,68 26,48 10,50 -339,45

Ni2+ + 2Gly = = NiGly22- 32,14 -11,39 19,95 -146,08

Токсическое действие ионов тяжелых металлов на метаболизм кальция...

49

Сравнение изменений стандартной энергии Гиббса при образовании аминокислотных комплексов меди показывает, что не зависящий от температуры вклад комплексов меди с глицином имеет наименьшую величину (-ArG°m = 2,46) и существенный

электростатический вклад (~ArG3 = 64,91), при переходе к CaGly22- электростатическое слагаемое значительно уменьшается по сравнению с CuGly22-, а неэлектростатическое - резко возрастает. Четко проявляется влияние электростатических характеристик ионов металлов Fe2+, Ni2+ в случае образования комплексов с глицином. Как можно видеть, при образовании этих комплексов с уменьшением радиуса иона температурнозависимый вклад в изменение стандартной энергии Гиббса и энтальпии увеличивается. Энергетика процессов практически целиком определяется электростатическим вкладом.

Поскольку в организме постоянно происходят взаимодействия биометаллов (Мб) и биолигандов (La), образование и разрушение жизненно необходимых биокомплексов (M5L5) можно описать так:

Мб + Ьб = МбЬб.

Роль аминокислот в этих процессах значительна, так как они выполняют строительные и защитные функции от различных токсичных металлов. Поступление в организм ионов тяжелых металлов, таких как Cu(II), приводит к возникновению нового равновесия с образованием более прочных

1§Кобм

комплексов металла - токсиканта и биолиганда, которые не выполняют необходимых биологических функций.

Поэтому были рассчитаны величины константы равновесия процесса замещения ионов кальция ионами переходных металлов для водных растворов комплексов глицина при влиянии температуры для нулевой ионной силы по формуле

1§Кобм 1g^AmM 1g^AmCa.

Как видно из данных рис. 3, процесс замещения ионов кальция в комплексе с глицином на ионы меди (II) и никеля (II) с повышением температуры протекает с высокой интенсивностью. Это связано с высокой комплексообразующей способностью ионов меди по отношению к аминокислотам, для ионов никеля процесс обусловлен возрастанием жесткости при температуре 318 К, следствием чего является упрочнение связи металл-лиганд.

В данном случае имеет место процесс обмена жесткого катиона на мягкий катион с изменением структуры комплекса от мо-нодентатного к бидентантному с усложнением цикла [10]. Таким образом, наиболее токсичными являются ионы меди, которые в большей степени способствуют разрушению комплексов кальция и выделению его в двукратном количестве, растворимость вновь образующихся комплексов выше, чем ионов кальция.

T, K

Рис. 3. Изменение констант обмена ионов кальция на ионы тяжелых металлов в составе глицинатных комплексов

Выводы

Таким образом, в работе проведены исследования процессов комплексообразования глицина с ионами кальция в широком интервале температур и ионных сил. Рассчитаны температурно-зависимые и температурно-независимые вклады в энергию Гиббса и другие термодинамические параметры реакций комплексообразования

ионов кальция с глицином. Показано, что на стабильность комплекса кальция оказывает влияние донорный атом кислорода карбоксильной группы, с чем связано возрастание температурно-независимого вклада в энергию Гиббса. Проведена количественная оценка процесса замещения ионов кальция в глицинатных комплексах, выявлена высокая токсичность ионов меди (II), которые

50

Ш.К. Амерханова, Р.М. Шляпов, О.А. Голованова, А.С. Уали

приводят к нарушению металлолигандного гомеостаза, вызывают нарушения процесса обмена веществ, ингибируют активность ферментов, разрушают важные метаболиты, такие как АТФ, клеточные мембраны, нарушают градиент концентрации ионов в клетках.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Добрынина Н. А. Бионеорганическая химия. М. : МГУ. 2007. 36 с.

[2] Зинина О.Т. Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека // Избр. вопр. судебно-медицинской экспертизы. 2001. № 4. С. 99-105.

[3] Асхадуллина А. Р. Проблема загрязнения вод тяжелыми металлами и их движение по пищевым цепям // Happy Pills. 2013. March.

[4] Никольский Б. П., Матерова Е. А. Ионоселективные электроды. Л. : Химия. 1980. 240 с.

[5] Амерханова Ш. К. Халькогениды металлов в потенциометрии. Теория, методика, практика :

монография. Караганда : Профобразование,

2002. 141 с.

[6] Курочкин В. Ю., Черников В. В. Лыткин А. И. Комплексообразование l-аспарагина, l-глутамина с ионом кальция в водном растворе // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 2010. Т. 53. № 11. С. 6-9.

[7] Васильев В. П. Термодинамические свойства растворов электролитов. М. : Высшая школа, 1982. 320 с.

[8] Холин Ю. В. Количественный физико-химический анализ комплексообразования в растворах и на поверхности химически модифицированных кремнеземов: содержательные модели, математические методы и их приложения. Харьков : Фолио, 2000. 288 с.

[9] Амерханова Ш. К. Электрохимические и физико-химические свойства халькогенидов подгруппы меди и металлов первого переходного ряда : автореф. дис. ... д-ра хим. наук. Караганда, 2004. 50 с.

[10] Бакеев М. И. Теория гидратации и свойства растворов электролитов. Караганда : КарГУ, 2007. 221 с.