Įvadas
Šiame straipsnyje nagrinėjami geležies metalo jonų vaidmuo oksidacinio streso mechanizmuose. Oksidacinis stresas yra procesas, susijęs su laisvaisiais radikalais ir antioksidantais organizme. Straipsnyje siekiama išanalizuoti geležies metalo jonų poveikį, susijusį su oksidaciniu stresu.
Sunkieji metalai ir aplinkos užterštumas
Didėjant pramonės plėtrai, aplinkos užterštumas tampa vis didesne problema. Sunkieji metalai, naudojami pramonėje, daro didelį poveikį gyviesiems organizmams. Cheminės medžiagos, naudojamos žemės ūkyje, didina maisto produktų užterštumą sunkiaisiais metalais, pesticidais ir detergentais. Sunkieji metalai yra vieni didžiausių ekologinių nuodų.
Į sunkiųjų metalų sąrašą patenka elementai, kurie yra būtini normaliam organizmo vystymuisi, tokie kaip geležis, kobaltas, cinkas, varis, manganas, molibdenas, selenas, chromas ir magnis. Kai kurie iš jų vadinami mikroelementais. Viršijus būtiną mikroelementų kiekį organizme, jie tampa toksiški.
Sunkieji metalai ir jų poveikis
Sunkieji metalai yra vieni toksiškiausių elementų, todėl jie užima ypatingą vietą tarp gamtinės aplinkos cheminės kontrolės rodiklių. Sunkiaisiais metalais vadinami elementai, kurių 1 cm3 sveria daugiau nei 5 g. Biologiniu požiūriu, sunkiaisiais metalais teisingiau vadinti elementus, kurių atominė masė didesnė nei 40. Tačiau ne visi jie yra besąlygiškai toksiški. Toksiški gali tapti bet kurie elementai, reikalingi normaliam ląstelių funkcionavimui, priklausomai nuo jų koncentracijos ir cheminio junginio formos.
Pagal pavojingumą gyvajam organizmui, sunkieji metalai išsidėsto tokia tvarka: Hg, As, Cu, Cd, Zn, Cr, Mn, Fe, Ti, Pb. Priklausomai nuo koncentracijos ir cheminio junginio formos, toksiški gali tapti bet kurie elementai. Kai kurie sunkieji metalai neatlieka jokios svarbios biologinės funkcijos ir pasižymi toksiniu poveikiu (pvz., kadmis ar arsenas), bet dauguma jų yra būtini gyvajam organizmui (17 iš 30 svarbiausiųjų organizmui elementų yra metalai). Tačiau ir būtini metalai, esant didelėms koncentracijoms, gali pasižymėti toksiniu poveikiu.
Taip pat skaitykite: Metalų taršos poveikis
Veikiant sunkiesiems metalams žmonėms, pasireiškia hipofosfatemija, širdies ligos, kepenų pažeidimai, urologiniai sutrikimai, centrinės nervų sistemos, reproduktyvinės funkcijos pažeidimai, vėžys, augimo ir vystymosi nukrypimai, imuniteto susilpnėjimas. Buvo nustatyta, kad sunkieji metalai sutrikdo lytinę funkciją, pagreitina aterosklerozę, piktybinių navikų atsiradimą, pažeidžia genetinį aparatą. Lytines ląsteles veikia kadmis, cinkas, chromas, nikelis, švinas, arsenas, kobaltas ir kiti. Švinas pažeidžia nervų sistemą, stroncis sukelia kremzlinio ir kaulinio audinio distrofiją, selenas sutrikdo kepenų ir virškinimo trakto veiklą.
Sunkieji metalų jonai įeina į biologiškai svarbių molekulių sudėtį ir dalyvauja kaip katalitiniai centrai (pvz., kobaltas vitamino B12, geležis hemoglobino, citochromų sudėtyje). Daugelyje fermentų metalai atlieka kofaktorių vaidmenį. Be to, jie reikalingi chromatino stabilizacijai (cinkas, magnis, varis). Vien tik cinkas yra būtinas daugiau nei 300 fermentų struktūrai ir veikimui. Tiriant sunkiųjų metalų įtaką žmogui, prieinami tik klinikiniai duomenys, kurie neatspindi visų apsinuodijimo patogenezės grandžių.
Kadmis
Kadmis (Cd) yra sunkusis metalas, kurio atominė masė yra 112,41, o atomas numeris 48. Jis priklauso tai pačiai grupei kaip ir cinkas (Zn) bei gyvsidabris (Hg). Kadmio pavadinimas yra kilęs iš lotyniško žodžio cadmia ir graikiško žodžio kadmeia, kuris reiškia kalaminą (cinko karbonatas ZnCO3). Pagrindinis kadmio oksidacijos laipsnis yra (II) - Cd2+. Kadmis į aplinką patenka natūraliais ir antropogeniniais būdais. Natūralūs šaltiniai apima uolienų dūlėjimą, vulkaninę veiklą ir miškų gaisrus. Antropogeniniai šaltiniai apima pramoninę veiklą, tokią kaip metalų lydymas, atliekų deginimas ir fosforo trąšų naudojimas. Kadmis yra labai toksiškas sunkusis metalas, sukeliantis neurotoksinius, hepatotoksinius bei nefrotoksinius efektus. Jis taip pat gali sukelti plaučių, širdies, sėklidžių ir CNS intoksikaciją. Kadmis gali sukelti inkstų vėžį, osteoporozę, mažakraujystę, eozinofiliją, negrįžtamus inkstų kanalėlių pakitimus, gali sumažėti ar net visai išnykti uoslės pojūtis. Kadmis kaupiasi kepenyse ir inkstuose. Jis konkuruoja su variu (Cu), kalciu (Ca), cinku (Zn) ir kitais metalais. Kadangi apsinuodijimas sunkiaisiais metalais dažnas, prevencinės strategijos bei veiksmingo gydymo poreikis išlieka aktualus.
Į aplinką kadmis patenka kartu su iškastinio kuro degimo produktais, fosforo trąšomis, pesticidais, tabako dūmais, automobilių padangų dulkėmis. Tabako dūmai taip pat yra kadmio šaltiniai. Daug kadmio yra tabako lapuose. Viename grame sausų tabako lapų vidutiniškai kadmio randama 1-2 µg. Tai atitinka 0,5-1 µg kadmio vienoje cigaretėje. Degant cigaretei, susidaro gerai organizmo įsisavinamas CdO. Apie 10 proc. įkvepiama, 30-40 proc. patenka į sisteminę kraujotaką. Nustatyta, jog su maistu Europos šalių gyventojai kadmio gauna nuo 10 iki 30 µg per dieną. Apie 1/3 viso su maistu gaunamo kadmio kiekio patenka su gyvulinės kilmės maisto produktais. Patekęs į kraują, kadmis jungiasi su didelės molekulinės masės baltymais, ypatingai albuminais, sudaro junginius su metalotioneinais (MT) (angl.- metallothioneins) ir raudonaisiais kraujo kūneliais. Iki 75 proc. Kadmio molekuliniai taikiniai yra gerai žinomi. Jis veikia nukleobazes. Į ląstelę Cd2+ lengvai patenka per Ca2+ kanalus dėl panašaus molekulinio dydžio ir krūvio. Sferinis atitikmuo leidžia Cd2+ dalyvauti biologiniuose procesuose kaip ir Ca2+, todėl kadmis gali pakeisti Ca2+ jonus, aktyvuoti proteinkinazę C, kuri dalyvauja perduodant tarpląstelinius signalus, reguliuoja ląstelių diferenciaciją, genų raišką ir kaulų formavimąsi. Kadmis slopina DNR atsinaujinimo (reparacijos) procesą.
Patekęs į organizmą, kadmis veikia daugelį organų taikinių, o sukeliami molekuliniai ir ląsteliniai pažeidimai priklauso nuo jo koncentracijos ir apsinuodijimo trukmės. Jis trikdo baltymų sintezę, sukelia chelatuotų baltymų ir peptidų gamybą. Kadmis taip pat sutrikdo ląstelinio Ca2+ ir Zn2+ homeostazę, aktyvuoja įvairius signalus perdavimo kelius bei normalų ląstelių augimą bei diferenciaciją. Didelėmis (milimoliarinėmis) koncentracijomis šis sunkusis metalas sukelia daugybę citotoksinių poveikių, tiesiogiai slopina DNR, RNR atsinaujinimo procesą, baltymų biosintezę, slopina įvairių fermentų aktyvumą, didina mitochondrijų membranos laidumą, gali netiesiogiai sukelti reaktingsias deguonies formas (angl.- reactive oxygen species (ROS)): superoksidinius radikalus (O2" "), vandenilio peroksido (H2O2), hidroksilo radikalus (OH" ) gamybą. Kadmis sukelia oksidacinį poveikį baltymams, lipidams ir nukleorūgštims. Kadmio jonai labiausiai pažeidžia inkstus, sėklidžių audinius. Kadangi kadmiui būdingas ilgas biologinio gyvavimo pusperiodis, šio metalo jonai labiausiai pažeidžia inkstus. Inkstų nepakankamumas (nefropatija) išsivysto, kadmio koncentracijai pasiekus 200 µg/g inkstų audinio masės. Gliukozės, fosfato medžiagų ir mažos molekulinės masės baltymų ekskrecija ir reabsorbcija rodo gretimų kanalėlių ląstelių pažeidimus. Dėl veiklos sutrikimų vystosi ne tik inkstų, bet taip pat kvėpavimo, kraujotakos nepakankamumas, kepenų pažeidimai, sutrinka kaulų formavimasis, susilpnėja imunitetas. Kadmis sukelia obstrukciją. Paveikus žiurkes vienintele kancerogenine kadmio doze (30 µmol/kg), sėklidėse išsivysto stiprus kraujavimas (hemoragija), sėklidžių Leidigo ląstelėse randama vandenilio peroksido, padidėja glutationperoksidazės aktyvumas, sumažėja katalazės ir glutationo reduktazės aktyvumas. Tyrimuose su gyvūnais nustatytas bei imunotoksinis kadmio poveikis. Tyrimais su gyvūnais in vivo ir in vitro nustatyta, jog kadmis sukelia apoptozę ir nekrozę.
Taip pat skaitykite: Taršos įtaka oksidaciniam stresui
Apoptozė - tai programuota ląstelių žūties forma, kurios paskirtis - nepageidaujamų ląstelių pašalinimas suaktyvinant iš anksto užprogramuotus ląstelinius mechanizmus, kurių veikimą lemia tam tikri ląstelių genų produktai. Pagrindinis mechanizmas, kuriuo kadmis sukelia apoptozę, yra jo poveikis sukelti ROS gamybą. Nustatyta, jog susikaupę laisvieji radikalai pažeidžia mitochondrijos membraną. Kadmis veikia fermentų veiklą, aktyvuodamas redukcijos procesui jautrius transkripscijos faktorius ir veikdamas glutationo metabolizmą. Be to, kinta ląstelių paviršiuje sužadinamų molekulių sudėtis. Ląstelės pradeda trauktis, atsiskiria nuo kaimyninių ląstelių. Branduolys traukiasi ir subyra į mažas daleles, chromatinas kondensuojasi ir išsidėsto šalia branduolio membranos. Endonukleazės skaldo DNR į atskirus fragmentus. Dėl nepakankamos apoptozės susergama autoimuninėmis, virusinėmis infekcinėmis, kai kuriomis onkologinėmis ligomis (folikuline limfoma, karcinoma su p53 mutacijomis, hormoninės kilmės augliais).
Oksidacinis stresas
Oksidacinio streso sukeliami patologiniai procesai yra susiję su nevaldomu aktyvių deguonies formų didėjimu. O2" - reakcijos su lipidais, sacharidais ir nukleorūgštimis nėra labai pavojingos. Tačiau jos gali pažeisti prostetines pereinamųjų metalų grupes - hemus ir FeS sankaupas. Hidroksilo radikalas (OH" ) yra stipriausias oksidatorius. Dėl jo poveikio peroksiduojami lipidai, inaktyvinami fermentai, mutuoja DNR, sutrinka organelių funkcijos. Vandenilio peroksidas (H2O2) pats savaime nėra radikalas. Jis gali pažeisti prostetines grupes. Taip pat jis gali sąveikauti su superoksidu, geležies jonais ar kitais fermentais, virsti OH" . Kadmio jonai yra svarbus oksidacinio streso veiksnys. Jo metu padidėja kepenų lipidų oksidacija, sumažėja kepenų glutationo kiekis, pažeidžiama kepenų branduolio DNR ir su šlapimu išsiskiria šlapimo apykaitos metabolitai, tokie kaip malondialdehidas, formaldehidas, acetaldehidas ir acetonas. Oksidacinis stresas sukeliamas atsiradus disbalansui tarp susidariusių laisvųjų radikalų ir antioksidantinės organizmo sistemos, kai padidėjęs laisvųjų radikalų kiekis siejamas su antioksidantinių fermentų slopinimu ar antioksidantinių molekulių išeikvojimu. Kadmio jonai tiesiogiai nesukelia laisvųjų radikalų susidarymo. Jie gali paveikti antioksidantinių fermentų aktyvumą ir sukelti reaktingsias deguonies formas kaupimąsi. Susidaręs azoto oksidas, įvairūs superoksido, hidroksilo radikalai sukelia oksidacinį stresą. Yra duomenų, jog kadmis gali sukelti oksidacinį stresą stipriai jungdamasis prie -SH grupių ir sutrikdydamas viduląstelinį oksidacinį/antioksidacinį balansą.
Laisvieji radikalai sukelia ląstelių DNR pažaidas bei jos vijos įtrūkius. Atsiradę DNR pažeidimai gali būti ląstelių mutacijos bei sutrikusios programuotos ląstelių mirties - apoptozės - priežastimi. Gausus laisvųjų radikalų kiekis išeikina ląstelių gynybines jėgas ir žeidžia jos organoidus, citoplazmos membranas, trikdo normalias ląstelių funkcijas. Lipidų peroksidacija pažeidžia ląstelių membranas. Kaupiantis lipidų peroksidams susidaro membranų struktūriniai defektai, susiformuoja transmembraniniai laidumo kanalai, pro kuriuos eina nekontroliuojamas katijonų ir kitų molekulių srautas į ląstelę ir iš jos. Laisvieji radikalai atima elektronus iš polinesočiųjų riebalų rūgščių liekanų ir susidaro lipidų peroksidai, kurie patys yra reaktyvūs, ir prasideda grandininė laisvųjų radikalų susidarymo reakcija. Kaip galinis lipidų peroksidacijos produktas susidaro malondialdehidas (angl.- malondialdehyde (MDA)), pasižymintis mutageniniu poveikiu bakterijoms ir žinduolių ląstelėms bei karcinogeniniu poveikiu žiurkėms. Kadmis didina malondialdehido kiekį. Eksperimentas parodė, jog antioksidantinio fermento - superoksido dismutazės kiekis buvo žymiai sumažėjęs. Glutationo (GSH) kiekis taip pat buvo nustatytas mažesnis lyginant su kontroline grupe. Daugiausiai kadmis sukelia toksinius efektus išeikvodamas glutationą ir jungdamasis prie baltymų -SH grupių. Glutationas yra vienas veiksmingiausių ir reikšmingiausių antioksidantų, sintetinamas žinduolių ląstelėse. Jo apsauginis poveikis grindžiamas sugebėjimu pagauti radikalus. Tiek oksidacinis stresas, tiek sukelta ląstelių apoptozė gali būti svarbi neurodegeneracinių ligų kaip Parkinsono, Alzheimerio, amiotrofinės lateralinės sklerozės, AIDS demensijos patogenezei. Kadmis sukelia neuronų žūtį. Oksidacinis stresas yra susijęs su emfizema, nervų sistemos ligomis, navikiniais procesais, senėjimu, katarakta, išemijos-perfuzijos sindromu.
Cinkas
Cinkas, be kalio ir magnio, yra labiausiai paplitęs viduląstelinis metalo jonas. Jis atlieka fermentinę, struktūrinę ir reguliacinę funkcijas daugiau kaip 300 metalofermentų. Kaip kofaktorius, cinkas įeina į daugelio fermentų ir transkripcijos faktorių sudėtį, dalyvauja imuninėse reakcijose, prostaglandinų gamyboje, atsake į oksidacinį stresą, apoptozės ir senėjimo procese. Cinkas svarbus normaliam ląstelių augimui ir diferenciacijai, baltymų metabolizmui, ląstelės membranų vientisumui, genų raiškai, kolageno sintezei, imuninei sistemai bei apsaugai nuo apoptozės ląsteliniame lygmenyje. Cinkas svarbus daugeliui gyvybinių funkcijų, įskaitant augimą, apetito reguliavimą, virškinimą, baltymų sintezę, žaizdų gijimą. Cinkas stimuliuoja prostatos darbą, svarbus vyrų vaisingumui. Cinko oksidacijos laipsnis +2. Tai pilkas, melsvo atspalvio, minkštas, chemiškai aktyvus metalas. Jo paviršius ore visada apsitraukia plona, tankia plėvele.
Taip pat skaitykite: Apsauga nuo oksidacinio streso augaluose
tags: #gelezies #metalo #jonai #oksidacinis #stresas