По сей день использование металлов связано с токсикологией. Низкая температура плавления свинца и его высокая пластичность обусловили его ценность как припоя, способного соединять другие металлы. Свинцовые спайки использовались при производстве консервных банок и в сантехнике, несмотря на то что в обоих этих случаях ионы свинца потенциально могли отравлять пищу и воду. Токсичные свойства свинца были известны уже давно, однако законы, ограничивающие его применение в производстве водопроводных труб, были приняты в США лишь в 1986 г., а запрет на использование свинцового припоя в консервных банках – лишь в 1995 г. Так что использование металлов всегда было и до сих пор остается сопряжено с риском токсичного воздействия.

Практичность использования металлов как материала для изготовления различных изделий, основана на их металлургических свойствах, в то время как токсичность определяется их свойствами как химических элементов – атомной структурой самих ионов. Понять закономерности этой структуры помогает периодическая таблица элементов. К металлам в периодической системе относятся щелочные (группа 1 – самая левая колонка), щелочноземельные (группа 2), переходные (группы 3–12), а также расположенные «лесенкой» семь «прочих» металлов, в том числе олово, алюминий и свинец в правой части таблицы. Положение металлов в периодической таблице говорит нам о свойствах их ионов. Например, у щелочных металлов самое простое строение атомов, так что, оказавшись в водном растворе, каждый атом теряет один отрицательно заряженный электрон и становится положительно заряженным ионом. Поэтому ионы натрия и калия в водном растворе несут заряд +1, являются одновалентными и имеют степень окисления 1. Атомы щелочноземельных металлов в водном растворе теряют два электрона, являются двухвалентными (2+) и имеют степень окисления 2.

В средней части периодической таблицы находятся переходные металлы. Они отличаются от других тем, что имеют не одну стабильную степень окисления. Например, ионы меди могут иметь заряд +1 и +2 и в обоих этих состояниях одинаково стабильны.

Среди переходных металлов имеются микроэлементы, необходимые для существования и роста организмов. К таким металлам относятся, в частности, медь, цинк, марганец и железо. Эти металлы можно найти в большинстве мультивитаминов. В организме они играют роль хелирующих, или связывающих, агентов для ферментов и клеточных мембран; например, железо – незаменимый компонент гемоглобина, переносящего кислород белка эритроцитов у позвоночных животных. Менее известный, чем железо, цинк, также является необходимым для жизнедеятельности, так как служит кофактором более чем в 300 белках. Эти металлы обязательно должны поступать в клетки, поэтому в ходе эволюции были выработаны специализированные и эффективные механизмы для получения их из среды.

Наряду с жизненно необходимыми, в тех же самых группах находятся металлы, не требующиеся живым существам. Так, например, медь принадлежит к той же группе, в которой мы видим серебро и золото, являющиеся токсичными, а цинк – к той же, что и ядовитые ртуть и кадмий. Металлы сгруппированы в периодической таблице отнюдь не произвольно; группы отражают структурное сходство между ними. Элементы одной группы имеют одинаковое распределение электронов на внешнем электронном уровне и поэтому обладают сходными химическими свойствами. Очень важно, что большинство транспортных белков, доставляющих металлы в клетку или из нее, не «видят» разницы между членами одной группы. И получается, что усилия, направленные на обеспечение клетки необходимыми металлами, например цинком, также могут приводить к поступлению в нее ненужных и даже высокотоксичных ионов, например кадмия или ртути.

Токсичность многих переходных металлов определяется превращением их атомов в ионы или ионные комплексы и взаимодействие этих ионов с клеточными рецепторами. Так как ионизация происходит в водных растворах, абсорбция металлов в организм животных обычно идет путем транспорта ионов с помощью белков-переносчиков из водной среды (воды или раствора внутри пищеварительного тракта) в кровь[5]. Следовательно, основной путь воздействия металлов на организм наземных животных – через поглощение содержащей ионы пищи или воды. У водных животных к этому процессу добавляется абсорбция через жабры.

В отношении переходных металлов нужно помнить о том, что животные подвергаются риску как дефицита микроэлементов, так и токсичного воздействия (см. главу 1). Наземные животные могут получать необходимые микроэлементы только с пищей, в которой их количество (неважно, в растительной или в животной пище) достаточно мало – именно поэтому они в первую очередь и называются микроэлементами. Поэтому в ходе эволюции и возникли белки, обеспечивающие эффективный транспорт этих элементов, попадающих с пищей в пищеварительный тракт.

Задача белков-переносчиков в кишечнике очевидна: перенос необходимых металлов из кишечника в кровь, однако эта задача усложняется гетерогенностью природы содержимого пищеварительного тракта, а также разнообразием пищеварительных процессов. На транспорт ионов необходимых металлов влияет ряд факторов, в том числе содержимое желудочно-кишечного тракта, химическая форма и среда, в которой содержится металл, а также индивидуальные пищевые привычки и состояние организма.

Когда ион металла освобождается из содержимого кишечника, он может проникать дальше. Как уже говорилось, транспорт ионов осуществляется с помощью специальных белков-переносчиков. Со стороны кишечной полости свободный ион должен вступить в контакт с белком определенного типа, чтобы преодолеть двойной липидный слой и оказаться в клетке кишечного эпителия. Затем он снова должен пройти через клеточную мембрану и попасть в кровь. Интересно, что этот второй этап транспорта обычно осуществляется иными белками.

Если необходимые металлы имеются в избытке, они могут запасаться в организме в форме металлотионеинов. Это белки, богатые аминокислотой цистеином, которые могут агрессивно связываться с положительно запряженными ионами металлов. Совершенно очевидно, что эти соединения имеют огромное значение, так как их можно обнаружить в самых разных организмах. Эти небольшие, богатые цистеином белковые молекулы, несущие функцию обратимого связывания и хранения металлов, имеются и у животных, и у растений, и у бактерий. Кроме того, структуры металлотионеинов у всех позвоночных животных обладают большим генетическим постоянством.

Для ионов многих металлов, особенно тех, которые находятся в одной и той же группе периодической системы, потребность в необходимых элементах идет вразрез с необходимостью организма минимизировать потребление токсичных ионов. Например, кишечному эпителию необходимо поддерживать эффективность транспорта меди и цинка, но это становится проблемой, если в организм попадают такие родственные металлы, как серебро, золото, кадмий и ртуть. Эти родственные элементы (а также некоторые другие переходные металлы) могут связываться с теми же самыми транспортными белками и попадать из кишечника в кровь. Аналогичным образом металлотионеины способны эффективно накапливать и хранить как необходимые организму, так и токсичные ионы металлов.