Преподавание экологической биохимии на медико-профилактическом факультете

«Организм без внешней среды, поддерживающей его существование, невозможен, поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него» Сеченов И.М., 1861

В лекции рассматриваются вопросы экологической биохимии. Преподавание биохимии на медико-профилактическом факультете включает в себя ряд селективных тем, необходимых для формирования компетенции «Знание» будущих специалистов санитарно-гигиенического профиля. В этой связи сотрудниками кафедрам биохимии КазНМУ разработана лекция, вводящая понятие предмета «экологической биохимии», включающая биохимические аспекты взаимодействия человека с окружающей средой, влияние факторов окружающей среды на метаболизм и механизмы защиты организма от вредных факторов окружающей среды.

Предмет экологической биохимии.

Экологическая биохимия изучает физико-химические реакции организма в ответ на любые воздействия окружающей среды (ОС). Экологическая биохимия изучает не только влияние ОС на метаболизм организма человека, но и классификацию экологических факторов ОС, рассматривает биохимические аспекты взаимодействия человека с ОС, механизмы защиты от воздействия вредных факторов ОС *1+.

Биохимические аспекты взаимодействия человека с окружающей средой.

Если коснуться отношений человека и ОС, то можно увидеть, что есть взаимосвязь между человеком и растениями. Впервые обоснованные сообщения о наличии женских половых гормонов в тканях растений появились в 30-х годах нашего века *2+. Эти гормоны регулируют рост, цветение некоторых растений и созревание плодов. Известна другая версия - растения синтезируют гормоны для того, чтобы использовать их в качестве противозачаточных средств для регулирования численности поедающих их животных. В растениях обнаружены следующие половые гормоны и их аналоги - эстрон (финиковая пальма, гранатовое дерево, яблоня Malus pumila и др.); тестостерон и андростерон - в пыльце сосны и др. описано влияние чеснока, кофе, петрушки, подсолнечника и других продуктов на менструальный цикл у женщин (полагают, что в этих растениях содержатся фитоэстрогены). Примером фитоэстрогена является мирэстрол (в растении Pueraria murifica). Это обнаружилось после того, как выяснилось, что женщины Бирмы и Таиланда используют экстракты из корней этого растения для вызывания аборта. Горох содержит противозачаточные вещества фенольной природы. Интенсивное использование гороха в пище жителями Тибета является регулирующим фактором их численности. В семенах растения Gossipium содержится полифенол госсипол, являющийся мужским контрацептивом. Это вещество воздействует на ЛДГ спермиев, снижая их подвижность. При этом оказывается, что госсипол не влияет на содержание тестостерона и ЛГ в организме и на либидо. Представленные данные указывают на то, что в процессе эволюции растения специально стали синтезировать фитоэстрогены и фитоандрогены, чтобы приспособиться и выжить в контакте с миром животных. Эти вещества также используются растением для отражения атаки болезнетворного организма *3+.

В свете этих открытий стало очевидным, что, поскольку растения содержат половые гормоны или их имитаторы, в природе существуют отработанные механизмы регуляции соответствующих процессов жизнедеятельности человека. Учет этого фактора нужен для решения соответствующих задач медицины. Отсюда очевидна необходимость создания новой области науки - гормональной гигиены питания и диетологии. Количество веществ, проявляющих гормональную активность, в отдельных продуктах должно приниматься во внимание при оценке качества пищи наравне с количеством витаминов, белка, жиров и других биокомпонентов, необходимых для нормальной жизни человека *4+.

Гормональное взаимодействие между растениями и животными является блестящим примером химического взаимодействия человека с ОС.

Загрязнение окружающей среды и метаболизм.

В последние десятилетия экологическая обстановка значительно ухудшилась. В атмосферу ежегодно выбрасывается 4-5млрд тонн СО2, 280млн тонн сернистых газов, около 250млн тонн пыли, 220 млн тонн золы. Отмечается заметное снижение кислорода в атмосфере (ниже 20%). Общая площадь лесов сокращается со скоростью 6 млн га ежегодно. Опасны промышленные отходы, содержащие различные вредные вещества (около 50тыс), к которым живые организмы еще не успели приспособиться, т.к. не встречались с ними на протяжении своей тысячелетней эволюции. В этой связи наблюдается «социальнобиологическая аритмия» - несоответствие адаптационных способностей организма человека к темпу изменения ОС. Это приводит к росту токсических, аллергических, генетических, раковых заболеваний.

В воздухе промышленного города в разных точках наблюдения может определяться до 36-64 токсичных ингредиентов, еще больший набор химических загрязнителей выявляется в воздухе жилых помещений - от 45-70 *5+. Вредное действие обнаруженных в воздухе промышленных городов веществ усугубляется тем, что в условиях солнечной радиации происходят фотохимические реакции, в результате которых образуются новые, нередко более агрессивные химические соединения, но уже с неизвестным характером биологического действия. Кроме этого, эффект многокомпонентных смесей не всегда является простой суммацией действия их компонентов, часто он может проявляться как усиление действия одного вещества за счет другого, менее токсичного (потенциирование) [6].

Загрязнение ОС представляет серьезную опасность для здоровья. Известно, что по соседству со многими промышленными предприятиями образуются постоянно расширяющиеся техногенные биогеохимические провинции с повышенным содержанием в биосфере свинца, мышьяка, фтора, ртути, кадмия, марганца, никеля и других элементов. Однако не только вблизи с промышленными предприятиями определяются элементные загрязнения, но и на значительном отдалении, возникающие в результате трансгрессии загрязнителей воздушными и водными потоками. Перенос элементов может быть эпизодическим, например, в результате природных или техногенных катастроф, либо явиться следствием систематического загрязнения атмо- и гидросферы отходами производства. Типичным примером трансгрессии являются кислотные дожди *7+.

Одни элементы, являясь продуктами промышленного производства, в небольших дозах необходимы для организма. В больших дозах такие элементы токсичны. Такие элементы называются условно-токсичными. К условно-токсичным элементам относятся: бор, бром, фтор, литий, никель, кремний и ванадий. Другие элементы оказывают вредное воздействие на организм и их физиологическое действие почти не исследовано – это токсичные элементы (ртуть, мышьяк, алюминий, кадмий, свинец, бериллий, барий) *1, 8+.

Бор

Бор накапливается в печени, почках, легких, лимфоузлах. Выводится в основном с мочой. Физиологическая функция бора заключается в регуляции активности паратгормона и через него – обмена кальция, магния, фосфора и холекальциферола. Длительное поступление избыточных доз бора сопровождается изменением верхних дыхательных путей и легких, развивается борный энтерит *1+.

Бром

Наибольшие его концентрации определяются в щитовидной железе и почках. Выделение брома происходит с мочой. Скорость выведения брома зависит от содержания в организме хлоридов – при низком содержании хлоридов наблюдается аккумуляция брома. Физиологическая функция брома связана с его избирательным усиливающем действием на тормозные процессы в коре головного мозга.

Поступление с воздухом больших количеств брома может привести к химическому ожогу легких. Попадание жидкого брома на кожу сопровождается ее ожогом, образованием плохо заживающих язв *1+.

Фтор

О месте депонирования, биологическом значении и путях выделения см. лекцию по водно-минеральному обмену. Профессиональный флюороз развивается быстрее в молодом возрасте при небольшом стаже

работы с фтором. Кроме пятнистой эмали развиваются поражения скелета – остеосклероз и остеопороз. У лиц, длительно подвергавшихся интоксикации фтором, наблюдаются признаки раннего старения, несоответствия возраста, определяемого по внешнему виду, с фактическим («фторная прогерия») *1+.

Литий

Депо лития является скелет. Физиологическая роль лития показана в экспериментах – при его дефиците снижается лактация, масса тела, наблюдаются выкидыши, повышается смертность.

Он выделяется с мочой (95%), с потом (5%) и калом (до 1%). Токсическая концентрация лития в плазме крови равна 3-4 мМ/л, летальная – 4-5мМ/л. Длительное поступление больших доз лития вызывает нарушение сердечной деятельности, повышение мышечной возбудимости, болевой и осязательной чувствительности, что указывает на нейротоксическое действие лития. Ион лития угнетает подвижность и метаболизм в сперматозоидах *1+.

Никель

Наибольшее содержание никеля отмечено в костях и легких. Содержание никеля в организме повышается с возрастом. Большая часть никеля выделяется с калом.

По механизму своего биологического действия никель сходен с железом и кобальтом.

Биологическое значение: активирует транскрипцию мРНК металлотионеинов; является активатором следующих ферментов: уреаза, гидрогеназы, кальцийнейрина, белков системы комплемента;

повышает всасывание железа;

необходим для отделения плаценты и предотвращения кровотечений в послеродовом периоде;

входит в состав плазматических мембран; играет важную роль при образовании ЛП; участвует в биосинтезе фосфатидилсерина.

В программе глобального мониторинга, принятой ООН в 1980 году никель упомянут как один из наиболее опасных загрязнителей ОС. Имеются эндемичные районы по избытку никеля (Хибины). Токсический эффект никеля сопровождается снижением активности ряда металлоферментов, нарушением синтеза белка, РНК, ДНК. При избытке никеля проявляется канцерогенный эффект (преимущественно рак легкого) *1+.

Кремний

Много кремния в хрящах, костях, придатках кожи, эмали. Считается, что кремний необходим для нормального роста волос, ногтей. Он является «сшивающим» компонентом между коллагеном и кератином. С возрастом количество кремния уменьшается. Считается, что это является одним из факторов риска развития атеросклероза. В кровеносных сосудах, соединяясь с эластином, препятствует отложению липидов. Кремний – обязательный компонент нуклеиновых кислот, где его содержание составляет 0,15-0,36%. Предполагают, что он заменяет в нуклеиновых кислотах отдельные атомы фосфора. Кремний является обязательным компонентом коллагена, входит в состав силиказы. Выводится с мочой. При дефиците кремния отмечены патологические изменения хрящевой и костной ткани, ускорение атеросклероза.

На производствах, связанных с кварцевой пылью, отмечаются кремниевые болезни - силикозы легких, кожи, сосудов, почек, хрящей, костей, легких и глаз *1+. Ванадий

Откладывается в печени, костях. Выделяется с мочой. При повышенном содержании в крови ванадий может выводиться с желчью.

Ванадий играет важную роль в липидном обмене. Ванадий, накапливаясь в печени и жировой ткани, подавляет холестериногенез, усиливает катаболизм липидов, тормозит развитие атеросклероза, обладает инсулиноподобным действием (имеется препарат ванадил-сульфат, который применяется при лечении сахарного диабета). При нарастании тяжести отравления поражаются легкие *1+.

Ртуть

Независимо от пути поступления ртути и ее формы этот элемент накапливается в почках (до 90% общего содержания в организме). В условиях профессиональной вредности высокое содержание ртути отмечено в головном мозге, печени, щитовидной железе и гипофизе. Приблизительно 90% ртути выделяется из организма с желчью.

Ртуть не является незаменимым микроэлементом, однако в последнее время появляются интересные данные о ее физиологической роли. Показано, что в микродозах ртуть активирует ферменты БО; стимулирует антиопухолевые Т-лимфоциты; повышает выработку интерферона и интерлейкина; повышает фагоцитарную активность лейкоцитов; угнетает рост опухоли (препарат Витурид, 1993 - положительный эффект при лечении рака у 58-67% больных); повышает действие лекарственных трав.

В настоящее время загрязнение ртутью ОС приобрело глобальный масштаб. Крайним выражением хронического ртутного отравления, связанного с экологической проблемой, является болезнь Минамата (впервые описана в Японии). Болезнь Минамата характеризуется поражением ЦНС, нарушением зрения. Наиболее ранними симптомами являются парестезии с покалыванием стоп и рук, а также вокруг рта и в передней части грудной клетки *1+.

Мышьяк

Относительно богаты мышьяком печень, легкие, волосы, ногти. В условиях искусственно создаваемого дефицита в рационе, наблюдается снижение репродуктивной функции, массы тела, прекращение лактации, снижение содержания белка и жира в молоке на 25-30%, гибель потомства.

Мышьяк выводится в основном с мочой, может выводиться с желчью.

Общий характер отравления соединениями мышьяка состоит в действии их на нервную систему и стенки сосудов, что ведет к увеличению проницаемости и параличу капилляров. При хроническом отравлении отмечается поражение нервной системы, ломкость ногтей, преждевременное поседение и выпадение волос, нарушение вкуса и обоняния. Характерными симптомами являются бородавчатый гиперкератоз ладоней и подошв.

Менее известны непрофессиональные интоксикации мышьяком, связанные с употреблением загрязненной питьевой воды, а также мышьяксодержащих пестицидов.

При этом развивается эндемическая болезнь «черных ног». Она описана для районов, где в воде содержится большое количество мышьяка (заболевание напоминает картину облитерирующего эндартериита). Мышьяк и его соединения обладают канцерогенностью для кожи и легких *1+.

Алюминий

Алюминий откладывается в печени, костях и сером веществе головного мозга. Содержание алюминия в мозге и легких увеличивается с возрастом. Выводится в основном с мочой. Определение суточного выделения алюминия с мочой является одним из важных показателей функции почек, так как при их недостаточности, в частности у 80% больных с уремией, концентрация алюминия в моче повышена.

Токсическое действие алюминия проявляется в поражении ЦНС, легких, костей, миокарда *1+.

Кадмий

При выкуривании одной пачки сигарет в организм курильщика поступает около 1мкг кадмия. Кадмий преимущественно накапливается в печени и почках. Кадмий преимущественно выделяется с калом, возможно выделение с мочой и слюной. Кадмий стимулирует аденилатциклазу и угнетает остальные ферменты, разобщает БО и ОФ, уменьшает фагоцитирующую активность макрофагов, снижает биосинтез РНК и белка, снижает активность 1,25[ОН+2холекальциферола, обладает тератогенным действием.

При длительном поступлении кадмия развивается болезнь итаи-итаи (впервые описана в Японии у жителей, использующих воду с высоким содержанием кадмия). При этом снижается масса тела, поражаются половые железы, кожа, легкие, почки, кости (остеомаляция), развивается анемия *1+.

Свинец

Свойства свинца, как кумулятивного яда известны более 4000 лет. Отравление этим элементом было знакомо еще в античном мире и описано Гиппократом как плюмбизм, или сатурнизм. Существует гипотеза, согласно которой упадок Римской империи в значительной мере был обусловлен отравлением ее граждан свинцом. В настоящее время свинец вызывает повышенный интерес как приоритетный загрязнитель ОС. Свинец откладывается в печени, почках, костях, зубах. Свинец выделяется в основном с калом.

При свинцовом токсикозе в первую очередь поражаются органы кроветворения, нервная система, почки. Свинец ингибирует ферменты, участвующие в синтезе миелина. Свинец угнетает образование обменно-активных форм витамина Д, вызывает гипокальциемию *1+.

Бериллий

Легкие, кости, лимфатические узлы, печень и миокард являются депо этого элемента. Бериллий выводится главным образом через кишечник.

В настоящее время доказаны канцерогенный, цитотоксический, сенсибилизирующий, эмбриотоксический эффекты бериллия.

При длительном поступлении бериллия развивается поражение бронхов и легких. Особую форму профессиональной патологии, обусловленной контактом с бериллием, является бериллиоз кожи *1+.

Барий

Барий откладывается в тканях, где депонируется кальций в костях (65%). Своеобразным депо этого элемента является пигментная оболочка глаза. Выделение бария происходит в основном с калом и с мочой.

При длительном поступлении бария наблюдаются поражение верхних дыхательных путей, легких, диарея, повышение артериального давления, облысение *1+. Нитраты, нитриты, нитрозамины

Источником азотного загрязнения ОС являются удобрения (аммиачная селитра, нитрат аммония, калиевая селитра).

Нитраты и нитриты могут поступать в организм человека из воздуха, через кожу, но в основном происходит это из следующих источников: с растительными продуктами (70-80% суточного количества); с питьевой водой; с мясными продуктами. Превышение норм использования азотсодержащих удобрений приводит не только к накоплению в растениях нитратов, но и к снижению пищевой ценности продуктов растениеводства. Это выражается в снижении содержания в них углеводов, витаминов (РР, В2, С, Е), незаменимых аминокислот и нарушении соотношения минеральных веществ. При попадании в желудочно-кишечном тракте нитраты подвергаются действию кишечной микрофлоры. При этом нитраты восстанавливаются в нитриты. Нитриты способствуют образованию метгемоглобина. Нитраты, нитриты и нитрозамины обладают мутагенным и канцерогенным действием *9+.

Главная опасность злоупотребления минеральными удобрениями связана с накоплением в растениях нитрозоаминов - сильных канцерогенов. Нитрозоамины это продукты взаимодействия нитратов с вторичными аминами. Одним из важных источников нитрозаминов являются копченые продукты. Таким образом, спектр продуктов, содержащих нитраты и нитриты, очень широкий. В связи с этим принята допустимая доза нитратов для взрослого человека - 300-325мг/сут; для детей - 5мг/кг/сут *9+.

Радионуклиды

Поступившие в организм радионуклиды могут депонироваться в различных тканях. В мышечной ткани накапливаются радиоизотопы йода и цезия; в скелете - стронций и барий; в печени - йод и др. Большая часть поступивших радионуклидов депонируется в скелете. По способности концентрировать всосавшиеся радионуклиды органы можно расположить в следующий ряд: щитовидная железа - печень - почки - скелет - мышцы. Из продуктов питания больше всего радионуклидов обнаруживается в молоке и яйцах *9+.

Прямое воздействие ионизирующего излучения связано с повреждением белков, ДНК и РНК, мембран. Это приводит к гибели клеток или развитию мутаций и рака. Непрямое действие ионизирующего излучения связано с образованием свободных радикалов и ускорением пероксидного окисления липидов. Наиболее чувствительными к ионизирующей радиации являются органы и ткани с интенсивно делящимися клетками (костный мозг, кожа, селезенка, лимфоузлы, слизистые желудочно-кишечного тракта и дыхательной системы, половые железы) *9+.

Механизмы защиты организма от влияния вредных факторов окружающей среды

Различают следующие механизмы защиты от ксенобиотиков:

• система барьеров, препятствующих проникновению ксенобиотиков во внутреннюю среду организма, а также защищающих особо важные органы - мозг, половые и железы внутренней секреции;
• транспортные механизмы для выведения ксенобиотиков из организма;
• ферментные системы, превращающие ксенобиотики в соединения менее токсичные и легче удаляемые из организма;
• тканевые депо, где накапливаются в неактивной форме ксенобиотики.

гистогематические барьеры образованы одно- или многослойными слоями клеток. Эти барьеры располагаются вокруг наиболее важных систем органов - центральной нервной системы, половых желез и желез внутренней секреции. Некоторые ксенобиотики могут повреждать клетки, образующие эти барьеры, что ведет к заболеванию соответствующих органов. Так, одной из причин бесплодия у мужчин является нарушение гистогематического барьера в семеннике. Из года в год такие нарушения становятся тяжелее, т.е. с ростом загрязнения ОС различными ксенобиотиками не у всех мужчин барьер в семеннике выдерживает. Опыты показали, что сильнее всего повреждают барьер соединения кадмия *4, 9+.

Наиболее мощные транспортные системы для выведения ксенобиотиков находятся в печени и почках. Кроме этого, в органах, защищенных гистогематическими барьерами, имеются особые образования, откачивающие ксенобиотики из тканевой жидкости в кровь. Например, в желудочках головного мозга имеется хориоидное сплетение, клетки которого перемещают ксенобиотики из ликвора (жидкости, омывающей мозг) в кровь, протекающую по сосудам сплетения. Таким образом, имеются 2 системы выведения ксенобиотиков - система, поддерживающая чистоту внутренней среды одного органа (например, система выведения в клетках хориоидного сплетения) и система, очищающая внутреннюю среду всего организма (транспортные системы печени и почек) *5, 9+.

Ферментные механизмы, участвующие в обезвреживании ксенобиотиков преимущественно находятся в печени и почках Некоторые ксенобиотики избирательно накапливаются в определенных тканях и длительное время в них сохраняются. Например, хлорированные углеводороды, предназначавшиеся для борьбы с вредителями полей, хорошо растворимы в жирах и поэтому избирательно накапливаются в жировой ткани. Например, ДДТ до сих пор обнаруживается в жировой ткани человека и животных, хотя его использование было запрещено 20 лет назад *6, 9+.

Изучение экологической биохимии позволяет понять, каким образом влияют факторы ОС на организм, изучить возможные механизмы защиты от вредных факторов ОС и пути их поддержания и стимуляции. Экологическая биохимия - это раздел биохимии, который имеет большое будущее в связи с увеличивающейся урбанизацией и загрязнением ОС. Знания по экологической биохимии формируют основу, которая позволяет дать адекватную оценку происходящим изменениям в организме в условиях современной экологической нагрузки и разрабатывать методы определения экологической чистоты продуктов питания и воды.

Список литературы

1. Авцын А.П. и соавт. «Микроэлементозы человека - этиология, классификация, органопатология» - М.: Медицина, 2012. - С.15.
2. Васнецова А.Л., Гладышев Г.П. «Экологическая и биофизическая химия». - М. : Наука, 1989. - 134с.
3. «Экология и питание» - сборник трудов научно-практической конференции «Социально-гигиеническое нормирование в условиях рынка». - М.: Медицина, 2001. - С.83 - 93.
4. Кулаков В.И., Кирбасова Н.П, Пономарева Л.П., Лопатина Т.В. «Экологические проблемы репродуктивного здоровья» - //Акушерство и гинекология. - № 1. - 1993. - С. 12-14.
5. Ширяева А.С., Петров А.М. «Некоторые социальные и медико-биологические аспекты экологии и генетики человека».// Вестник АМН СССР. - № 4. - 1990. - С. 52-57.
6. Устиненко А.Н., Эглите М.Э., Иванова И.А. «Экология и здоровье».// Фельдшер и акушерка. - №7. - 1991. - С. 9-12.
7. Молдавская Г.К. «О формировании экологического сознания студентов-медиков».//Гигиена и санитария. - №7. - 1988. - С. 23-27
8. «Проблемы экологии в патфизиологии» - Сб.тр. - Алматы: 1995. - С.8.