Переписка с читателем

Организм человека и вещества окружающей среды

Дидактический театр · Пресс-конференция

Ведущий. Уважаемые зрители, наша пресс-конференция посвящена химическим веществам окружающей среды и их влиянию на организм человека. Согласитесь, этот вопрос актуален для каждого из нас. На сегодняшний день известно около 12 млн химических соединений, поэтому загрязнение ими окружающей среды – одна из острых глобальных проблем современности.
Для участия в пресс-конференции мы пригласили различных специалистов. Представляю наших гостей: токсиколог, врач, фармацевт, биолог, химик, эколог, историк, офицер войск противохимической защиты.
Итак, кто выступит первым?
Биолог. Естественно, разговор начну я, ведь биология – главная наука о жизни. И основным признаком живых организмов биология считает метаболизм, т. е. обмен веществ и энергии с окружающей средой. Так что все живое и вещества тесно связаны изначально.
Химик. Существует теория, что биологической эволюции предшествовала химическая, состоявшая из четырех этапов.
Первый этап – из наиболее распространенных в космическом пространстве атомов водорода и гелия под влиянием ионизирующих космических излучений образовались атомы двадцати первых химических элементов периодической системы.
Второй этап – из этих 20 атомов образовались бинарные молекулы: Н₂О, СО₂, О₂, N₂, NO, NH₃, CH₄.
Третий этап – образование из простых молекул более сложных – углеводов, аминокислот, нуклеотидов.
Четвертый этап – из низкомолярных соединений возникли биологически активные полимеры: полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты.
Историк. До сих пор остается загадкой, как же произошел последний шаг от сложной, но неживой макромолекулы к простейшему, но живому организму. По словам английского астрофизика Ф.Хойла, «...представить себе спонтанную сборку живого организма из отдельных молекул – все равно, что пронесшийся над свалкой мусора ураган в мгновение ока соберет новенький действующий “Боинг-747”». Но факт остается фактом: живой организм и химические вещества связаны исторически.
Ведущий. С точки зрения человека, далекого от науки, вещества, поступающие в организм человека извне, могут быть либо пищей, либо ядом, либо лекарством.
Токсиколог. Эта классификация условна: индифферентный для организма человека при обычных условиях азот у подводников и водолазов может вызвать кессонную болезнь. Поваренная соль, без которой невозможно представить наш стол, становится смертельным ядом при превышении нормы употребления в 20 раз...
Офицер. Боевое отравляющее вещество иприт, разведенное в 20 000 раз вазелином, используется для лечения кожных заболеваний.
Историк. Основоположник фармацевтической химии Парацельс говорил: «Все есть яд, и ничто не лишено ядовитости, одна лишь доза делает вещество ядом или лекарством...»
Ведущий. Значит, в первую очередь поговорим о ядах?
Биолог. Мои американские коллеги выделили три механизма воздействия ядовитых веществ на живые организмы. Первый образно назвали «Слон в посудной лавке», когда ядовитое вещество действует на многие биохимические структуры (схема 1).

Схема 1

Токсиколог. Так действуют вещества, вызывающие любые изменения белка – денатурацию, сильные окислители и восстановители: фенол, формальдегид, уксусная кислота (иногда глотают по ошибке), перманганат калия, когда пытаются им лечить кишечные расстройства вместо специально предназначенных для этого лекарств. Кстати, отравления метиловым спиртом связаны с тем, что в организме человека первые стадии окисления метилового спирта превращают его в формальдегид и муравьиную кислоту.
Химик. Вещества, способствующие денатурации белков, разрывают водородные связи в структуре белка.
Биолог. Второй принцип действия ядовитых веществ называется «Стрела, летящая точно в цель» (см. схему 1). Молекулы ядовитых веществ воздействуют на строго определенные биохимические структуры, соответствующие им по строению, аналогично тому, как ключ подходит к замку. Такие молекулярные структуры живого организма, обладающие структурным или физико-химическим сродством к молекулам вторгающегося в организм вещества и поэтому очень быстро с ним взаимодействующие, мой немецкий коллега Пауль Эрлих назвал биохимическими рецепторами. Рецепторный механизм взаимодействия более быстрый и требует меньшей дозы вещества.
Мы уже говорили, что центральное место в живом организме занимает обмен веществ, который осуществляется с участием ферментов.
Химик. Ферменты – биологические катализаторы, высокоэффективные и высокоспецифичные: ускоряют только одну конкретную реакцию до 10⁸ раз, что гораздо больше, чем обычные катализаторы. Фермент – белковая молекула, имеющая активный центр, структурно соответствующий молекуле субстрата – вещества, вступающего в биохимическую реакцию.
Офицер. Ярким примером ядовитого вещества, действующего по второму принципу, являются фосфорорганические соединения (ФОС) – производные безвредной ортофосфатной кислоты.
Биолог. Не просто безвредной, а необходимой для энергетического обмена организма.
Химик. О веществах лучше говорить на языке формул. В фосфорорганических соединениях две гидроксильные группы ортофосфорной кислоты

замещены на два органических радикала, а третья – на галоген или цианогруппу (цианид-анион), т. е. электронно-насыщенную группу:

Офицер. ФОС липофильны, т. е. растворимы в жирах. И могут проникать в организм через кожу, слизистые оболочки и дыхательные пути. В организме ФОС блокируют активный центр фермента ацетилхолинэстеразы, обеспечивающей гидролиз ацетилхолина, приводящий к смене нервного возбуждения на торможение (т. е. нервная система функционирует нормально).
Биолог. Передача нервного импульса осуществляется следующим образом. Аксон¹ предыдущего нерва передает нервный импульс дендриту следующего нерва, который он принимает. Между ними – синаптическая щель² (схема 2). Как же нервный импульс ее преодолевает? Аксон заканчивается синаптическим пузырьком с ацетилхолином, который под действием импульса рвется, ацетилхолин заполняет синаптическую щель, достигает постсинаптической мембраны и возбуждает специальные рецепторы, которые называются холинэргическими. Возникает состояние возбуждения. Ацетилхолинэстераза гидролизует ацетилхолин, возбуждение сменяется торможением.
Ацетилхолин гидролизуется до ацетат-аниона и витаминоподобного вещества холина, которые возвращаются в синаптические пузырьки, где взаимодействуют, и молекулы ацетилхолина восстанавливаются. Возбуждение нервной системы сменяется торможением.

Схема 2

ФОС необратимо блокируют активный центр ацетилхолинэстеразы, гидролиз ацетилхолина не осуществляется, нервная система находится в постоянном возбуждении, в результате – судороги, смерть от удушья...
Токсиколог. Для фосфорорганических ядов не существует эффективных противоядий. В токсикологии противоядия называются «антидот». Спасти человека можно только своевременным введением больших доз ацетилхолинэстеразы. Ее производят на мясокомбинатах из бычьей крови.
Офицер. Обезвреживают ФОС щелочным гидролизом.
Ведущий. Утешает, что хотя бы можно обезвреживать эти ужасные ФОС. Но для меня – человека, далекого от биологии и химии, первая ассоциация при слове «яд» – цианистый калий...
Химик. Совершенно верно, цианид-анион очень опасен для организма.
Биолог. Он опасен вследствие высокого сродства к активному центру фермента окисленной цитохромоксидазы, участвующей в последней стадии клеточного окисления (схема 3).

Схема 3

Образование одной молекулы воды в этой реакции сопровождается аккумуляцией энергии Q в четырех молекулах АТФ (аденозинтрифосфат).
Химик. Цианид-анион вступает в донорно-акцепторное взаимодействие с ионом трехвалентного железа в окисленной цитохромоксидазе, фермент блокируется, и организм утрачивает способность усваивать кислород.
Биолог. Мой немецкий коллега Отто Варбург в 1920-е гг. описал парадокс: у животных, отравленных цианидом, венозная кровь такая же алая, как артериальная; организм погибает от кислородного голодания в условиях избытка кислорода!
Историк. Хуже, чем танталовы муки... Кстати, возможно, господа ученые разъяснят мне исторический парадокс: в 1914 г. Г.Распутина пытались отравить, подсыпав буквально лошадиную дозу цианида в крем пирожных, которые он съел, и остался жив. Этот случай современники посчитали доказательством «святости» «сибирского старца».
Химик. Ну, это вам объяснит любой десятиклассник, хорошо усвоивший химические свойства глюкозы:

Токсиколог. Глюкоза – противоцианидный антидот. Люди, в силу своей профессии соприкасающиеся с цианидами, – ювелир, золотодобытчик – за щекой постоянно держат таблетку глюкозы.
Историк. Жаль, что этого не знал К.В.Шееле, впервые получивший синильную кислоту в лаборатории, что стоило ему жизни...
Фармацевт. Кстати, способность цианидов обратимо блокировать дыхательные ферменты используется для их защиты от радиации, например при облучении опухолей больному вводят амигдалин.
Химик. Это возможно, т. к. реакция образования комплекса цианид–фермент обратима. Если яда в организм попадает много, равновесие в соответствии с принципом Ле Шателье сдвинуто в сторону образования комплекса. Если яда мало, концентрация цианид-аниона в крови уменьшается, комплекс диссоциирует, и фермент восстанавливается в неизменном виде.
Фармацевт. Очень важно рассчитать дозу лекарства с учетом таких факторов, как масса тела больного, длительности облучения и др. Все это требует от врача настоящего мастерства.
Эколог. Те, кто имеет дело с экологией, при слове «яд» сразу подумают об угарном газе...
Химик. СО – оксид углерода(II).
Эколог. Жители больших городов часто забывают, что на улице с активным автомобильным движением их может подстерегать «экологическая ловушка» – место с концентрацией СО более 0,05 г/л воздуха.
Химик. Этому способствуют физические свойства оксида углерода: газ без цвета и запаха, с плотностью по воздуху примерно единица.
Биолог. Оксид углерода(II) специфически связывается с гемоглобином крови в прочный комплекс карбоксигемоглобин, в результате чего гемоглобин утрачивает свою ценнейшую способность связывать и переносить кислород. Сродство двухвалентного железа, входящего в состав гемоглобина, к оксиду углерода в несколько сотен раз больше его сродства к кислороду.
Химик. С химической точки зрения гемоглобин – протеид, состоящий из белковой части – глобина и небелковой – гема.
В геме железо связано двумя ковалентными и двумя координационными связями с атомами азота пиррольных колец. Из двух неиспользованных координационных связей одна идет на соединение с белком, другая – с молекулой О₂ или СО (схема 4).

В реакции

константа равновесия равна 210!

Схема 4

Эколог. Даже небольшое содержание СО во вдыхаемом воздухе до 0,1% блокирует 60% гемоглобина организма, что ведет к головной боли, расстройству памяти и внимания, сердечной недостаточности. Возможна потеря сознания, и, если пострадавшего не вынести из «экологической ловушки», могут развиться необратимые нарушения мозгового кровообращения.
Токсиколог. «Угоревшим» дают вдыхать кислород (можно в смеси с аммиаком) для расширения сосудов.
Эколог. А еще опасны экологические яды, проникающие в организм человека с водой, воздухом, пищей, – это ионы тяжелых металлов: Hg²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺. Они обладают высоким сродством к сере (см. схему 1).
Биолог. Группы –SH не менее важны в живых организмах, чем гидроксильные. Тяжелые металлы их блокируют, и ферменты утрачивают свою силу, хотя их активный центр свободен.
Ведущий. Я понимаю, что это один из механизмов действия яда на организм. Первый – блокирование активного центра биохимической структуры, второй – связывание групп –SH.
Офицер. Существуют боевые отравляющие вещества (ОВ), поражающие организм человека именно через блокирование групп –SH, например люизит.
Токсиколог. Для предотвращения действия блокаторов используют вещества, содержащие большое количество групп –SH, например унитиол.
Историк. А знаменитый «антидот Стрижевского»?
Химик. Стабилизированный раствор сульфидов калия и натрия.
Историк. В 1933 г. Стрижевский публично, на лекции принял 0,2 г сулемы.
Химик. Это – хлорид ртути(II).
Историк. Запил яд своим «именным» антидотом – и остался жив!
Офицер. И доказал всем скептикам необходимость и возможность противохимической защиты! Наш человек!
Биолог. Яды следующей группы действуют по такому же механизму, но в противоположном направлении: сероводород, сероуглерод блокируют металлопротеидные центры адренорецепторов, ответственных за гормональный баланс организма.
Фармацевт. Как это ни парадоксально, знание механизмов действия ядов широко используют при создании лекарств. По принципу блокирования активного центра биохимической структуры действует атропин – противоядие при отравлении мускарином – ядом мухоморов. Сердечные гликозиды, содержащиеся в экстрактах ландыша, горицвета, наперстянки, снижают активность фермента аденозинтрифосфотазы через связывание –SH-групп, что стимулирует работу сердца. Антидепресcанты также блокируют сульфгидрильные группы фермента моноаминоксидазы, что приводит к повышению содержания в нервных окончаниях серотонина, который, собственно, и оказывает антидепрессивный эффект.
Химик. Кстати, на серотонин по строению похожи компоненты шоколада, именно поэтому шоколадка улучшает настроение.
Эколог. Это пример третьего механизма действия веществ на организм человека под названием «Подсадная утка» (см. схему 1). Похожие по строению химические структуры замещают, вытесняют, заменяют «родственные» биогенные структуры организма. И этот механизм не всегда такой безобидный, как в примере с шоколадкой. Например, если в питьевой воде содержание иона Мn²⁺ превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК), то ионы Мn²⁺ вытесняют из костной ткани ионы Са²⁺, т. к. активность этих ионов в растворе примерно одинаковая. Кости становятся хрупкими, и, как следствие, множество переломов, высокий травматизм среди новорожденных – тяжелые вывихи бедра, травмы черепа. Кстати, в г. Кургане, где содержание иона Мn²⁺ в питьевой воде превышает ПДК более чем в 20 раз, заболеваемость кариесом в четыре раза выше, чем в целом по России...
Фармацевт. Между прочим, профилактическое средство против кариеса – флюористат – действует именно по механизму замещения.
Химик. Этот механизм присутствует и в воздействии на организм человека наркотиков: по своему химическому строению наркотики – производные пиримидина, т. е. похожи на азотистые основания, а именно: тимин, цитозин, урацил, необходимые для биосинтеза нуклеиновых кислот.
Токсиколог. Да, наркотики похожи на биогенные амины, они легко включаются в обменные процессы и перестраивают их «под себя». В результате энергия организма расходуется на переработку наркотического вещества, а жизненно необходимые процессы страдают. Причем рецепторы, воспринимающие наркотические вещества, так называемые опиатные рецепторы, находятся в нервных сплетениях, связанных с проведением болевых импульсов, поэтому и возникает печально известная наркотическая ломка.
Ведущий. Складывается впечатление, что все болезни у человека от химии.
Врач. Не только. Еще и от микробов. Но бороться с ними как раз помогает химия. Микробы – они живые.
Биолог. Следовательно, построены из белка.
Историк. «Жизнь есть способ существования белковых тел», – сказал Фридрих Энгельс.
Химик. Белки дают цветные реакции, например красно-фиолетовое окрашивание с Сu(ОН)₂; они гидролизуются (так изучают состав их макромолекул), подвергаются денатурации, т. е. разрушаются высшие структуры от высоких температур, радиации, механических воздействий, химических реагентов...
Врач. По этой причине первая группа антимикробных препаратов, можно сказать, денатурирующего действия. Это, например, фенол, формальдегид, но поступающий в организм, конечно, в связанном состоянии, в виде комплексов, расщепляющихся именно там, где они должны проявить свое антимикробное действие. Фенол, например, образуется при щелочном гидролизе салола в кишечнике:

Химик. Салол – фениловый эфир салициловой кислоты.
Фармацевт. А уротропин гидролизуется с образованием формальдегида.
Химик. Химическое название уротропина – гексаметилентетрамин. Вот уравнение его гидролиза:

Фармацевт. Конечно, вещества, вызывающие денатурацию белков, покрывают оболочкой, чтобы они проявили свое действие не сразу, а где нужно.
Историк. Основоположник фармакологии Парацельс при выборе лекарственных средств рассуждал следующим образом: сифилис – болезнь, возникающая от любви; астрологический символ любви – Венера; антогонист Венеры – Меркурий, его алхимическое значение – ртуть. И окуривал больных сифилисом парами ртути. Им почему-то становилось легче...
Врач. Сифилис вызывают белые спирахеты, в белковых структурах которых много –SH-групп. Ртуть, как тяжелый металл, блокирует эти группы, микробы гибнут:

Фармацевт. Вторая группа антимикробных препаратов – химиотерапевтические, т. е. вмешивающиеся в обмен веществ бактериальной клетки. Микробы – они живые...
Биолог. Соответственно «хотят кушать»...
Фармацевт. А химиотерапевтические препараты предлагают микробам вместо нужных для метаболиза веществ похожие по строению, но не те. И микроб погибает «голодной смертью»... Например, сульфаниламидные препараты – сульфазол, сульфадин, сульфазин – производные белого стрептоцида (схема 5). Вот формула стрептоцида, а у его производных один из атомов водорода аминогруппы замещен на различные радикалы. Сам белый стрептоцид имеет вредное побочное свойство: вызывает гемолиз, т. е. гемоглобин выходит из эритроцитов в плазму крови и теряет способность переносить кислород. Производные белого стрептоцида менее токсичны, а их антимикробная активность выше.
Врач. Сульфаниламидные препараты нарушают образование микробами необходимых для их развития факторов: фолиевой и дегидрофолиевой кислот, в состав которых входит пара-аминобензойная кислота. Сульфаниламиды близки к ней по строению. Они захватываются вместо нее микробной клеткой, и происходит нарушение обменных процессов.

Схема 5

Фармацевт. Вам, вероятно, знакома телевизионная реклама крема «Зовиракс»: «При первых симптомах простуды на губах применяйте крем “Зовиракс”».
Ведущий. Не очень-то применишь – цена «кусается».
Фармацевт. «Кусается» не случайно. «Зовиракс» – действительно ценный препарат, созданный на основе генной инженерии. В пропиленгликоле растворено вещество ацикловир – «неправильный» элемент ДНК вируса герпеса. Вирус использует ацикловир в качестве строительного материала для дочерних клеток. Дочерняя клетка получается с дефектом: потеряна способность к размножению. Ацикловир проникает только в те клетки, где поселился вирус герпеса, здоровые не трогает. Разработчики ацикловира являются лауреатами Нобелевской премии.
Врач. Третья группа антимикробных препаратов – это знаменитые антибиотики, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и грибов, высокоэффективные против определенных микроорганизмов, например пенициллин активен против кокков – бактерий в виде шариков.
Фармацевт. Антибиотики ингибируют, т. е. значительно замедляют биосинтез стенки бактериальной клетки, микробы не размножаются, и организм с ними справляется.
Историк. Использование антибиотиков началось еще в Древнем Египте. Письменные источники тех лет свидетельствуют, что лекари использовали зерновую плесень. Археологи обнаружили в останках человека, умершего более 1400 лет назад, природный антибиотик.
О способности плесневых грибков подавлять рост бактерий писали задолго до открытия А.Флеминга профессора Петербургской военно-медицинской академии Полотебнев и Монассеин. А сам Флеминг открыл пенициллин случайно: на одной из чашек Петри с культурой стафилококков появилась зеленая плесень. Внимательный Флеминг, собираясь выбросить культуру, заметил, что там, куда попала плесень, микробы не размножались. Флеминг занялся исследованием этого явления и в 1940 г. выделил кристаллический пенициллин. В 1942 г. под руководством профессора З.В.Ермольевой был получен отечественный пенициллин, спасший тысячи жизней на фронтах Великой Отечественной войны.
Химик. Существуют и полусинтетические антибиотоки, эффективные против различных микроорганизмов, – ампициллин, оксациллин и др.
Фармацевт. Недостатком антибиотиков является подавление ими микрофлоры кишечника.
Врач. В связи с этим принимать их надо, строго следуя указаниям врача и в строго определенной дозе, иначе микробы «привыкают» к антибиотику, и лечение становится неэффективным.
Ведущий. Говоря об экологических проблемах, нельзя обойти вниманием радиоактивное загрязнение.
Биолог. Радиоактивные изотопы, наиболее распространенные из которых цезий-137 и стронций-90, попадая в организм, вызывают вокруг себя разрушение высших структур белков и ДНК.
Химик. Это так называемое прямое, или «пулеобразное», поражение. А еще выделяют косвенное, или химическое: радиация вызывает образование в организме больших количеств ион-радикалов (типа ), которые, блуждая по кровеносной системе, рождают новые ион-радикалы, причем каждый из них способен вызвать денатурацию и окисление белков, раковое поражение клеток, мутации и т. д.
Ведущий. Итак, по данным Всесоюзной организации здравоохранения, 20% населения мира – больны, 15% – практически здоровы, 65% находятся в так называемом третьем состоянии – функциональных нарушений в организме нет, а здоровыми они себя не чувствуют. И причина этого недомогания – чрезмерный контакт с некоторыми веществами.

¹Аксон и дендрит – отростки нервной клетки.
²Пространство, разделяющее мембраны контактирующих клеток.

Е.Г.СМИРНОВА,
учитель химии гимназии № 57
(г. Курган)