Fizjologiczne funkcje i działanie toksyczne As, Cd, Pb oraz Ni

Arsen

Doświadczenia przeprowadzone na zwierzętach (kurczakach, chomikach, kozach i świniach) polegające na wyłączeniu z ich diety As wykazały, że nastąpiło osłabienie wzrostu tych zwierząt, zaburzenia płodności oraz wzrost śmiertelności okołoporodowej. Poza tym u kóz zaobserwowano zmniejszenie zawartości trójglicerydów w surowicy krwi oraz uszkodzenie mięśnia sercowego. Wśród innych objawów wynikających z pozbawienia zwierząt As stwierdzono zmiany w stężeniach składników mineralnych w poszczególnych organach np. zwapnienie nerek u samic szczurów. Reakcja organizmu na brak tego pierwiastka może być zmieniona i uwydatniona w obecności innych czynników, co w konsekwencji może wpływać na metabolizm aminokwasów siarkowych (Nielsen 2000).

W badaniach in vitro wykazano, że As aktywuje pewne enzymy, prawdopodobnie działa jako substytut fosforanów. Inna aktywność in vitro As to indukcja białek znanych jako „heat shock”, wzrost metylacji promotora p35, czy DNA w ludzkich komórkach płuc.

Najważniejsze z biochemicznego punktu widzenia są formy As zawierające grupy metylowe.

Wśród form zawierających te grupy znajdują się: arsenocholina, arsenobetaina, kwasy dimetyloarsoniowy i metyloarsoniowy. Arsenotłuszcze i arsenocukry występują w wielu

morskich organizmach. Wśród niższych form życia biologiczna funkcja As nie została zidentyfikowana, jednakże mikroorganizmy określane jako MIT-13 redukują As⁺⁵ do As⁺³ i w ten sposób pozyskują energię do wzrostu. Pomimo, że uwaga w stosunku do As zwrócona jest głównie w stronę jego toksyczności, w szczególności jeśli chodzi o związek pomiędzy chronicznym narażeniem na As a rakiem skóry, istnieje szereg pośrednich dowodów świadczących o jego „niezbędności” w organizmie. Zmniejszenie stężenia As w surowicy krwi ludzi powoduje uszkodzenie centralnego układu nerwowego i choroby naczyniowe prawdopodobnie poprzez spadek stosunku zawartości S-adenozylometionina/S-adenozylocysteina w niektórych tkankach. Zmniejszenie tej zależności powoduje obniżenie aktywności metylacji DNA, co w konsekwencji prowadzi to powstania pewnych typów nowotworów (Nielsen 2000).

Toksyczność związków As zmniejsza się w następującym szeregu: As (III) > As (V) >

kwas monometyloarsoniowy (MMA) > kwas dimetyloarsoniowy (DMA) > tlenek trimetyloarsoniowy (TMAO). Organiczne połączenia tego pierwiastka: arsenobetaina (AB), arsenocholina (AC), uznane za jego nietoksyczne formy, spotykane są głównie w owocach morza i rybach. Stanowią one ok. 90% całkowitej zawartości As w tych organizmach (Capar i Szefer 2005, Nabrzyski 2002).

Na podstawie badań przeprowadzonych na zwierzętach ustalono, że przypuszczalne zapotrzebowanie wynosi 12-15 µg As · dzień^-1. Ze względu na różnice w poglądach toksykolodzy i żywieniowcy uznają inne wartości dawki dotyczące bezpiecznego pobrania As. Ustalono, że dawka referencyjna (RfD), czyli ilość As, pobierana przez cały okres życia, przy której istnieje małe prawdopodobieństwo spowodowania niekorzystnego efektu zdrowotnego wynosi 0,3 µg As · kg masy ciała^-1, co dla osoby o masie ciała 70 kg stanowi 21 µg · dzień^-1. Żywieniowcy sugerują, że bezpieczny najwyższy limit dziennego pobrania mógłby wynosić 140-250 µg · dzień^-1. Dane światowe na temat średniego dziennego pobrania As mieszczą się w granicach 12-60 µg. W Stanach Zjednoczonych średnie dzienne pobranie As z całym pożywieniem, włączając owoce morza, wynosi 30 µg · dzień^-1. Ryby, zboże i produkty mleczne są źródłem największej ilości As w diecie (Nielsen 2000, Nabrzyski 2002, Protasowicki 2005).

Kadm

Dowody pośrednie świadczące o niezbędności Cd są bardzo ograniczone.

Prawdopodobnie brak tego pierwiastka powoduje obniżenie wzrostu u kóz i szczurów. Jest on składnikiem metalotionein uczestniczących w regulacji i dystrybucji Cd w organizmie, niezbędnym na bardzo niskim poziomie. Uważany jest za antagonistę wielu niezbędnych składników mineralnych jak np. Zn, Cu, Fe i Ca. Ze względu na długi czas półtrwania, w organizmie może ulegać akumulacji, co prowadzi do uszkodzenia poszczególnych organów, głównie nerek. Oprócz zaburzenia czynności nerkowej, z wysokim stężeniem Cd wiążą się takie choroby jak nadciśnienie oraz pewne typy nowotworów. WHO ustanowiła bezpieczny poziom pobrania Cd jako 70 µg · dzień^-1 dla osoby o średniej masie ciała 70 kg. Średnie dzienne pobranie Cd wynosi 10-20 µg. Głównym źródłem Cd w pożywieniu są owoce morza, zboża uprawiane na glebach bogatych w Cd i zielone warzywa (Nabrzyski 2002, Nielsen 2000).

Ołów

W wyniku badań przeprowadzonych na świniach i szczurach stwierdzono, że usunięcie Pb z diety tych zwierząt powoduje obniżenie wzrostu, anemię, podwyższony poziom cholesterolu w surowicy krwi, fosfolipidów, kwasów żółciowych, a także uszkodzenia metabolizmu Fe, zmniejszenie stężenia glukozy w wątrobie, trójglicerydów, LDL-cholesterolu i fosfolipidów. Zwiększa się natomiast zawartość LDL-cholesterolu w wątrobie oraz ulegają modyfikacji enzymy wątrobowe. W badaniach in vitro wykazano, że Pb wpływa na biochemiczne układy poprzez wiązanie z anionowymi ligandami jak grupy sulfhydrylowe, karboksylowe czy fosforanowe. W wyniku przyłączenia się do enzymów, Pb powoduje ich inhibicję. Może zastąpić inne metale, co w konsekwencji powoduje zatrzymanie ich aktywności np. fosfatazy alkalicznej. W niższych formach życia nie jest znana funkcja Pb potwierdzająca zapotrzebowanie organizmów na ten pierwiastek (Nielsen 2000).

Uwaga w stosunku do Pb jest zwrócona głównie w stronę jego toksyczności. Pb jest uznawany za jeden z głównych czynników zanieczyszczających środowisko ze względu na jego dodatek do farb oraz do paliw. Toksyczne działanie Pb powoduje anemię, uszkodzenia nerek oraz centralnego układu nerwowego. Pobranie z pokarmem dużych ilości Pb powoduje u dzieci spadek inteligencji i osłabia ich funkcje motoryczne. Toksyczność Pb jest zwiększona przy braku Fe i Ca (Nabrzyski 2002). Bezpieczne pobranie Pb wynosi 5-50 µg · dzień^-1, co odpowiada jego średniej zawartości w diecie. Źródłem pokarmowym tego pierwiastka są

owoce morza oraz rośliny uprawiane na glebach charakteryzujących się dużą zawartością Pb (Wang i Rainbow 2005).

Nikiel

Doświadczenia prowadzone na zwierzętach potwierdzają uczestnictwo Ni, jako pierwiastka niezbędnego w wielu procesach życiowych. Wykluczenie tego pierwiastka z diety kóz i szczurów zaburza ich wzrost, reprodukcję, a także dystrybucję innych składników mineralnych jak Ca, Fe, Zn. Podobnie jak w przypadku innych ultraśladowych pierwiastków, niedobór Ni jest uwidoczniony dopiero w obecności innych składników diety, jakimi są np.

witamina B12 i kwas foliowy. U mikroorganizmów anaerobowych Ni uczestniczy w reakcjach takich jak enzymatyczne uwodornienie i karboksylacja. U roślin i mikroorganizmów jest potrzebny do aktywności enzymu - ureazy. W badaniach in vitro wykazano, że u wyższych zwierząt Ni może wiązać wiele substancji spełniających funkcje biologiczne, a także aktywować szereg enzymów. Jest on również obecny w makroglobulinach krwi zwanych

„nickeloplasmin”. Ponieważ pierwiastek ten nie jest związany z żadnymi przewlekłymi chorobami, nie poświęca się mu zbyt dużo uwagi. Jednak podejście to może niebawem się zmienić, gdy potwierdzone zostaną doniesienia na temat współdziałania Ni z witaminą B₁₂ i kwasem foliowym. Witaminy te mają wpływ na stężenie homocysteiny we krwi, której wysokie stężenie jest związane ze wzrostem ryzyka zachorowania na choroby układu krążenia. Co więcej, niedobór kwasu foliowego powoduje zaburzenia uszkodzenia w kształtowaniu się cewki nerwowej u noworodków.

Zagrożenie zdrowia związane z toksycznością Ni poprzez pobranie tego pierwiastka z pożywieniem jest mało prawdopodobne. Z drugiej strony pierwiastek ten wykazuje działanie toksyczne już przy dawkach tylko kilka razy większych niż postulowane dzienne zapotrzebowanie oparte na wynikach badań przeprowadzonych na zwierzętach. Ni, w dawce toksycznej, powoduje głównie podrażnienia jelitowe, może wywoływać również chorobowe zmiany skórne zwane alergiami niklowymi. Sugerowane dzienne zapotrzebowanie na Ni wynosi 25-35 µg. Określenie górnego bezpiecznego pobrania jest trudne ze względu na wyżej wspomniane alergie i prawdopodobnie powinno być niższe niż 600 µg · dzień^-1. Całkowite pobranie Ni z pożywieniem zależy od ilości pokarmów pochodzenia zwierzęcego (o niskiej zawartości Ni) w stosunku do produktów roślinnych (o wysokiej zawartości Ni). Bogatym źródłem tego pierwiastka są: czekolada, orzechy, suszona fasola, groszek i zboża. Dieta bogata w te produkty może dostarczać więcej niż 900 µg Ni · dzień^-1. Przeciętnie wraz z pożywieniem do organizmu trafia 100-150 µg Ni · dzień^-1 (Nielsen 2000).