Последнее в этой цепочке событий – выключение электрического сигнала. Ацетилхолин обратимо присоединяется к холинэстеразному рецептору и после его активации может высвобождаться снова. Однако, если молекула ацетилхолина остается в синапсе (пространстве между мембранами нейрона и мышечного волокна) неиспользованной, она может реактивировать рецептор. Чтобы окончательно отключить это сигнальное вещество, требуется еще один белковый фермент, ацетилхолинэстераза. Он находится в мембране мышечного волокна. Ацетилхолинэстераза расщепляет молекулу ацетилхолина на ацетат и холин, и, таким образом, рецептор больше не может активироваться.
Если рассматривать всю систему в целом, для возникновения и проведения потенциала действия, стимулирующего скоординированное движение мышц, требуется ни много ни мало шесть белков. Для того чтобы произошло движение, необходима совместная работа натриевых, калиевых и кальциевых каналов, натриево-калиевого насоса, ацетилхолинового рецептора и ацетилхолинэстеразы. Хотя эта система превосходно настроена и универсальна для всех животных, она все же представляет собой «ахиллесову пяту» процесса движения. Вещества, способные нарушить функции любого из этих белков, могут вызвать не только нескоординированные спазмы и тремор, но и быструю гибель при воздействии на мышцы, задействованные в дыхании и кровообращении (сердце). Так что чем элегантнее система, тем проще устроить в ней «засор».
Как мы уже говорили, змеи – это медлительные засадные хищники, охотящиеся на быструю и опасную добычу. Чтобы уравнять шансы, змеи с нейротоксичным ядом вводят жертве вещества, препятствующие коммуникации между нервной и мышечной системами. Укушенная крыса или мышь теряет контроль над своими движениями, так что змее становится легко схватить и проглотить ее. Интересно, что разные змеиные нейротоксины влияют на разные белки и процессы нейромышечного соединения. Например, один из токсинов крайта (а-бунгаротоксин) необратимо освобождает ацетилхолиновые рецепторы, в то время как другой (b-бунгаротоксин) блокирует высвобождение везикул с ацетилхолином из аппарата Гольджи. Яд черной мамбы содержит нейротоксин, который, наоборот, присоединяется к ацетилхолиновым рецепторам, не давая ацетилхолину связываться с ними.
Химическая гонка вооружений – прерогатива не одних лишь змей. Например, улитки-конусы из засады нападают на рыбу, пронзают ее своим выдвижным хоботом и вводят конотоксин, блокирующий приток кальция к нервным окончаниям. Но яд есть не только у хищников. Лягушки-древолазы из тропиков Южной Америки выделяют эпибатидин поверхностью кожи. Этот токсин блокирует ацетилхолиновые рецепторы хищника, рискнувшего напасть на лягушку, блокируя связи между нейронами и мышцами. В растении рода стробантус содержится уабаин, способный инактивировать натриево-калиевый насос. Грибы рода Anabella производят кураре, токсин, блокирующий ацетилхолиновые рецепторы. Токсины можно найти даже у бактерий: ботулотоксин А, продуцируемый бактериями Clostridium botulinum, считается одним из самых сильных известных ядов. Любое воздействие этого вещества, даже в концентрациях порядка нанограмма на литр, смертельно, так как препятствует высвобождению ацетилхолина из нейронов.
Первые яды, с которыми познакомился человек, были природными. Некоторые из них обладают грубым действием, просто разрушая клетки и ткани, но другие более хитроумны и точны. Яды, поражающие тонко организованную нервную систему животных, нарушая работу одного или более простых белков, вызывают драматические последствия. У некоторых организмов в ходе эволюции выработались химические механизмы, нарушающие нейромышечные связи; однако человек тоже способен на это – умышленно или случайно, как мы увидим в последующих главах.
Глава 9
Металлы: дар и проклятие
Создали прежде всего поколенье людей золотое Вечноживущие боги, владельцы жилищ олимпийских.
Гесиод. Труды и дни[3]
В предыдущей главе мы рассматривали природные яды, которые синтезируются живыми организмами ради определенной цели. Большинство оставшихся глав этой книги посвящены химическим веществам антропогенного происхождения, которые могут отрицательно влиять как на окружающую природную среду, так и на здоровье человека. Эти вещества могут быть природными соединениями, изменяемыми в результате человеческой деятельности; продуктами синтеза или очистки; побочными продуктами такого синтеза или конечными продуктами использования каких-либо веществ человеком (например, сжигания ископаемого топлива).
Если рассматривать различные классы веществ, которые очищает или синтезирует человек, по ряду причин будет логичным начать с металлов. Первая причина – историческая, так как металлы были одними из первых веществ, которые древние цивилизации научились добывать, очищать и обрабатывать. Вторая причина – их простота. Металлы в своей наиболее биоактивной форме – одиночные атомы или ионы (в водном растворе). Поэтому с химической точки зрения они являются самыми простыми из токсичных веществ.
Почему же металлы исторически имели столь большое значение? Металлы как промышленное сырье обладают большой эластичностью и ковкостью: их можно вытянуть в проволоку или расплющить в тонкий лист. К тому же они хорошо проводят тепло и электричество. Металлы позволили древним цивилизациям достичь такого уровня ремесел, который был невозможен при использовании дерева или камня. Из металла, в отличие от дерева, камня или глины, можно создавать изделия самой разной формы. Более того, ценность металла никогда не падает, потому что, даже если сосуд помнется или у меча отломится кончик, их всегда можно переплавить и сделать новую вещь. Выражение «перековать мечи на орала» на самом деле имело буквальный смысл задолго до того, как стало идиомой. Металлургия изменила древнюю историю так же, как современную историю изменила органическая химия. Удобные в обращении и пригодные для вторичной переработки металлические изделия проникли во все сферы жизни и решили множество проблем, мучивших человечество на протяжении многих поколений[4].
К несчастью, оказалось, что металлы, которые использовались человеком для производства различных предметов и орудий, могут быть токсичными при неправильном обращении; поэтому за развитие методов их очистки и переработки пришлось заплатить свою цену: увеличением частоты случаев отравления ионами металлов. Возьмем, к примеру, истории свинца, вина и концентрированных сахаров в Римской Империи. 2000 лет назад римляне предпочитали сладкие и крепкие вина. Так как концентрированный сахар был в то время редкостью, вина подслащивали медом или сгущали кипячением, в результате которого они превращались в сладкий сироп – сапу. Сапу делали в плоских покрытых свинцом сосудах, и при этом процессе также образовывался ацетат свинца – сладкий на вкус нейротоксин. Поэтому, хотя использование таких сосудов удовлетворяло потребность в концентрированных сахарах, одновременно оно совершенно очевидно приводило к отравлению любителей такого продукта.
Еще один, хотя и менее драматический, пример одновременного дара и проклятия очищенных металлов для древних цивилизаций связан с амуркой, водянистой жидкостью, которая вытекает из оливок при первичном легком отжиме. Раньше ее концентрацию увеличивали с помощью кипячения в медных котлах. Сгущенная амурка использовалась для разных целей, в том числе для борьбы с насекомыми и сорняками. При кипячении ионы меди из металлической посуды попадали в раствор, усиливая его токсичность и эффективность в качестве инсектицида и гербицида.
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.
