Влияние тяжелых металлов на клетки

Понятие «тяжёлые металлы» было предложено немецким химиком Леопольдом Гмелиным в 1817 году. По одному из определений тяжелыми металлами являются металлы с атомной массой больше 50. Таким образом, к этой группе относится железо, медь, цинк, никель, ртуть, серебро и другие.

Многие тяжёлые металлы, такие как железо, медь, цинк, молибден, участвуют в биологических процессах и в определённых количествах являются необходимыми для функционирования микроорганизмов, растений, животных и человека микроэлементами. Однако превышение приемлемого количества тяжелых металлов в окружающей среде и живых системах ведет к негативным последствиям. Наиболее токсичными из которых являются - Cd, Hg, Pb, Cr.

Окружающая среда загрязняется ионами тяжёлых металлом отчасти спонтанно. Например, при выветривании пород (киноварь, медные руды), в результате смыва с почв. Однако антропогенное влияние на накопление тяжелых металлов в природе значительно выше. Сточные воды, дым и пыль с различных химических и металлургических производств несут в себе ионы цинка, кадмия, меди, ртути. Так, металлы попадают в почву, природные водоёмы и атмосферу.

В отдаленных от поселений местообитаниях, где человеческое влияние минимально, тяжелые металлы встречаются в очень малых количествах, поэтому там они не являются опасными для живых существ. При появлении их в концентрации более 1 нМ, каждая клетка суспензии микроорганизмов 10^9/мл получит около 600 ионов. В подобных условиях, микроорганизмы должны уметь справлять с обилием опасных ионов, иначе они, вероятно, погибнут. Так как часть тяжелых металлов является микроэлементами, то есть необходимы в малых количествах для работы биохимических систем (фотосинтез, дыхание, азотфиксация), организмы вынуждены развить некую систему гомеостаза, чтобы обеспечить жесткий контроль над концентрацией ионов тяжелых металлов внутри клеток.

Токсичность по отношению к биологическим системам проявляется следующим образом. Катионы тяжелых металлов легко образуют прочные ковалентные и координационные связи со многими компонентами клеток, имеющими отрицательный заряд. Это могут быть липиды мембраны, белки –ферменты, нуклеиновые кислоты. Связываясь с молекулой, они нарушают ее структуру, а молекула утрачивает свою функцию. Это ведет к нарушению метаболизма.



Физиологические нарушения в результате действия тяжелых металлов наиболее часто связаны с разобщением процессов роста и деления клеток. Они также могут вызывать и другие разнообразные повреждения в ультраструктуре клеток, такие как появление различных включений, увеличение проницаемости мембраны, образование митохондрий неправильной формы, уменьшение числа рибосом. У фотосинтезирующих микроорганизмов под действием тяжелых металлов снижается содержание хлорофилла в клетках.

При более высоком содержании металлов в среде, чем достаточно для замедления роста, происходит ингибирование процессов дыхания. Нарушается работа ферментов дыхательной цепи, нарушается свойства мембраны, необходимые для синтеза АТФ; повреждаются систем транспорта. Ингибируется синтез РНК и белка. Тяжелые металлы могут оказывают мутагенное действие на микроорганизмы.

В развитие металлорезистентности вовлечены следующие механизмы:

1. элиминация металлов барьером проницаемости;
Осуществляется за счет выхода на поверхность протонов, ионов магния и калия. Развитие слизистой капсулы или чехла также является методом, позволяющим удержать металл снаружи.

2. активный транспорт металла из клетки;

3. внутриклеточное обезвреживание металла связыванием с белками;
Ионы металлов попадают через транспортеры внутрь клетки. Они накапливаются в связанной с белками форме. Связывание происходит в основном за счет тиольных групп белков. В клетках может накапливаться до 15-20% от сухой биомассы.

4. внеклеточное обезвреживание за счет осаждения;
Перевод металла из растворимой формы в нерастворимую. Ведущим методом является образование сульфидов.

5. ферментативная детоксикация металла до менее токсичной формы;

6. уменьшение чувствительности клеточных мишеней к металлам.