вара

Лекарят, алхимик и астролог Парацелз (1493–1541) - който е широко смятан за бащата на токсикологията - известен писа, „[всички] неща са отрова и нищо не е без отрова, само дозата позволява нещо да не е отровно. ” И все пак, ако човек вярва на съвременния поток от здравна литература, диетични съвети и реклами от нарастващата индустрия на хранителни добавки, хората трябва да приемат повече микроелементи - като селен, цинк или желязо -, за да им помогнат да отблъснат болестите и уврежданията. Нарастващите изследвания на биологичната роля на много метални йони обаче доказват, че прозрението на Парацелз все още е вярно: твърде много от очевидно „добрия“ метал е токсичен. Още по-изненадващо изглежда, че хората и други организми може дори да се нуждаят от някои „лоши“ метали, за да функционират правилно.

все по-голям брой доказателства показват, че отровните метали могат да бъдат основни хранителни вещества в малки дози

Въпреки че някои преходни метали, като мед и цинк, са основни хранителни вещества, други, особено живакът, са чисто токсични. Но разликата между това дали даден метал е от съществено значение или токсичен е до известна степен само една степен. В действителност, все повече доказателства показват, че отровните метали могат да бъдат основни хранителни вещества в малки дози. Например, „установено е, че кадмият е от съществено значение за диатомовия водород Thalassiosira weissflogii“, отбелязва Уте Крамер, специалист по хранителни вещества за растенията в университета в Хайделберг, Германия. Тези едноклетъчни водорасли имат особено търсене на цинк, но тъй като този метал има дефицит в морската среда, организмът е кооптирал кадмий, за да катализира превръщането на CO2 в бикарбонат вместо това (Lane & Morel, 2000).

По същия начин оловото - исторически основен замърсител във въздуха и питейната вода и доказано, че възпрепятства развитието на невроните, особено при кърмачетата - може да е от съществено значение за широк кръг организми, дори ако неговата биологична роля все още не е определена. „Интересното е, че оловото е оказало благоприятен ефект върху животните“, каза Сабиеха Мърчант, която изследва биохимията и генетиката на метаболизма на металите в Института за молекулярна биология на UCLA (Лос Анджелис, Калифорния, САЩ). „Молекулната цел на оловото не е известна. Но оловен дефицит е причинил анемия и дефекти в растежа при плъхове от второ поколение, в проучване от 1981 г. "

Дори арсенът, отровата, избрана за много измислени убийци, вече е близо до квалификацията като микроелемент при животните. Изглежда, че арсенът има роля в метаболизма на аминокиселината метионин и в заглушаването на гените (Uthus, 2003). Друга работа предполага, че има положително взаимодействие с по-важния микроелемент селен (Zeng et al, 2005).

Всъщност, ако арсенът е от съществено значение за хората, препоръчителният му дневен прием би бил малко по-различен от селена, което е толкова важно, че еволюцията го включи в рядката аминокиселина селеноцистеин - решаващият компонент на антиоксидиращите селенопротеини, които помагат за възстановяването на други протеини от окислително увреждане. Препоръчителната доза селен е 40 μg на ден, докато екстраполациите от проучвания върху бозайници предполагат, че хората може да се нуждаят между 12,5 μg и 25 μg арсен. Това е до известна степен академично; нормалната диета ще съдържа 12-50 μg арсен в повечето части на света, но показва, че арсенът - известната отрова - и селенът - един от най-широко изследваните елементи в диетичния контекст - могат да имат почти идентични нива на хранителна необходимост и токсичност.

Животът е развил глад за тези метали много рано, може би веднага щом са се появили първите форми на живот. Много просто, това беше споразумение за удобство; ензимите разчитат на метални йони, тъй като те са били в изобилие по време на ранния анаеробен етап на еволюция. По-късното оксигениране на атмосферата, дължащо се на фотосинтезата, обаче намали наличността на някои преходни метали за биологична употреба и увеличи изобилието на други; казано по-просто, планетата ръждяса. Желязото се превърна в неразтворими оксиди и по този начин животът, който вече беше пристрастен към елемента като кофактор за голямо разнообразие от реакции, беше сериозно оспорен. Следователно ранните организми са разработили сложни средства за намаляване на железните оксиди и тяхното усвояване. За разлика от това, медта стана по-лесно достъпна и се използва заедно с желязото в широк спектър от окислително-възстановителни реакции като част от клетъчния метаболизъм.

Дори арсенът, отровата, избрана за много измислени убийци, вече е близо до квалификацията като микроелемент при животните

Освен това всички преходни метали стават токсични при доста ниски нива, веднага щом растенията и цианобактериите започнат да отделят кислород в атмосферата. Първоначалното предизвикателство за всички организми, включително растенията и бактериите, беше да се справят с новата способност на металните йони да пренасят електрони в окислително-редукционни реакции, което представляваше заплаха, както и възможност. „Всеки от тези основни метали, като манган, желязо, кобалт, никел, мед, цинк и молибден, стана смъртоносен с кислорода, така че организмите трябваше да развият механизми на хелатиране“, казва Джонатан Гитлин, професор по педиатрия и генетика в Медицинско училище във Вашингтонския университет (Сейнт Луис, Мисури, САЩ) и специалист по метаболизма на металите. След това организмите освобождават тези хелатирани метали чрез контролирани пътища, за да предотвратят съпътстващо увреждане на протеините по пътя към местоназначението им. „Тези механизми на хелатиране са толкова ефективни, че поне за медта и най-вероятно за всички други метали са необходими шаперони, за да спасят металите от хелаторите и да ги разпределят за употреба“, каза Гитлин.

Тези механизми са разработени рано по време на кислородната ера и те са станали толкова важни за биохимичните реакции, че са останали силно запазени в цялата биота. "Например медните транспортери (АТФази) в бактериите работят в човешките клетки, а човешките транспортери - които причиняват човешки заболявания, ако са мутирали - работят в растенията", каза Гитлин. Значението на преходните метали се отразява и във факта, че те присъстват в една трета от всички протеини.

Дори и с хелатни механизми, които ги контролират в клетките, преходните метали все още са опасни при доста ниски дози. Това води до важна характеристика на микроелементите: относително нисък диапазон между препоръчителното дневно количество (RDA) и минималното токсично ниво - въпреки че действителните количества варират значително от елемент на елемент. Типичното съотношение между полезност и токсичност варира между 1:10 и 1:30 според Merchant, но може да бъде само 1: 5 в случай на два от най-важните елементи: селен и желязо. За селен, RDA за възрастни е 40 μg и минималното токсично ниво е 200 μg, докато за желязото количествата са съответно 10 mg и 50 mg. В случая на желязо някои групи имат дори по-висок RDA, намалявайки още повече съотношението - RDA за бременни жени е 18 mg.

Тези тесни полета обаче не са толкова опасно близки, колкото може да изглежда; от хранителна гледна точка, за повечето хора в по-богатите нации RDA съвпада с нивата, получени от балансирана диета. Но ситуацията накара изследователите да поставят под съмнение не само ефикасността, но и безопасността на хранителните добавки, които много хора са взели почти като застрахователна полица срещу лошо здраве.

В исторически план има широко разпространено предположение - първоначално споделено от много диетолози - че тъй като микроелементите са от съществено значение, те трябва да бъдат безопасни в доста широк диапазон от дози и че освен това може да има предимства приемането им на значително по-високи нива от RDA. Носителят на Нобелова награда химик Линус Полинг - който през по-късните си години приема около 50 пъти препоръчителното количество витамин С и твърди, че никога не е имал толкова настинка като резултат - първоначално подклажда подобни идеи, но тази констатация вече са до голяма степен дискредитирани. Според Saverio Stranges, доцент по сърдечно-съдова епидемиология в Медицинското училище в Warwick във Великобритания, най-добре би било да избягват хранителни добавки, ако се хранят балансирано. „Няма сериозни доказателства в подкрепа на [широкото] използване на антиоксиданти, включително мултивитамини, както и микроелементи“, каза той.

Храненето обаче никога не е черно-бяло. Например, много изследователи вярват, че допълнителният селен - ако се поддържа в безопасни нива - може да повиши резистентността към редица видове рак, сърдечни заболявания и диабет тип II, като всички те могат да бъдат предизвикани от оксидативен стрес или са свързани с него. Такива вярвания изглеждаха съвместими с известната роля на селена в имунната система, но определянето на ниво, при което повишеният селен е полезен, се оказа трудно. Както отбелязва Питър Хофман от Отдела за клетъчна и молекулярна биология към Университета на Хавай, „[i] увеличаването на селеновия статус на индивида от нисък до адекватен със сигурност изглежда повишава повечето видове имунитет [. ] Въпреки това, повишаването от адекватен до висок статус на селен с добавки може да увеличи някои видове имунитет, но не и други. "

това беше уговорка за удобство; ензимите разчитат на метални йони, тъй като те са били в изобилие по време на ранния анаеробен етап на еволюция

Според Stranges има доказателства, че допълнителният селен осигурява защита срещу някои видове рак, особено рак на простатата, въпреки че засегнатите механизми все още не са известни (Duffield-Lillico et al, 2002). Неотдавнашно проучване обаче установи, че допълнителният селен не дава допълнителна защита срещу сърдечни заболявания, нито оказва значително влияние върху свързаните тригери като образуването на тромбоцити в кръвта. Това противоречи на много очаквания и въпреки това констатациите от друго проучване върху селена и диабет тип II изглеждаха още по-объркващи. Проучването, в което участваха над 1300 души в рандомизирани двойно-сляпи тестове, установи, че тези, на които се дава допълнителен селен със скорост от 200 μg на ден - близо до максимално безопасното ниво - имат малко по-висока честота на диабет тип II от тези, които приемат плацебо. „Това подчертава възможния вреден ефект на селена върху метаболизма на глюкозата и инсулиновата резистентност“, каза Стренджс Има и нови доказателства от животински модели, че приемът на селен над препоръчаното ниво има вредно въздействие върху метаболизма на глюкозата (Satyanarayana et al, 2006).

повечето хора би било най-добре да избягват допълнителни хранителни добавки, ако се хранят балансирано

Както отбелязва Стренджс, тези констатации са важни, тъй като много хранителни добавки осигуряват нива на селен, подобни на тези, взети в опитите, и следователно може да изложат на някои хора допълнителен риск от развитие на усложнения на метаболизма на глюкозата. И все пак, ако защитният ефект на селена срещу някои видове рак се потвърди, може да има случай за даване на добавки на хора, за които е известно, че са изложени на висок риск, например мъже със силна фамилна анамнеза за рак на простатата.

Не всички микроелементи обаче са летални във високи дози. Някои от преходните метали имат по-структурна роля в стабилизирането на протеините, отколкото в катализиращите реакции. Най-поразителният пример е цинковият пръст, открит в много по-малки протеини, включително ДНК транскрипционни фактори. Обикновено протеините постигат достатъчна сила и стабилност във висшата си форма чрез относително слаби водородни връзки и хидрофобните сили между аминокиселините. Такива връзки са подходящи за по-големи протеини поради кумулативния им ефект, но не са достатъчни за малки протеини, съдържащи може би 20 или повече аминокиселини. Еволюционното решение беше да се набере метален йон. Според Мърчант цинкът се появява като предпочитан метал заради комбинацията му от афинитет към страничните вериги на аминокиселините и липсата на реактивност, което придава имунитет от окислително увреждане на протеина. „Предполагам, че бих казал, че не искате металът да бъде„ реактивен “при окислително-възстановителни реакции, като мед и желязо, и следователно нещо като цинк е по-добро“, каза търговецът.

Неотдавнашната работа също хвърли светлина върху мистериозните преди процеси, чрез които микроелементите се доставят безопасно до целите си. Медта е изследвана най-задълбочено поради нейната уникална роля в окислително-възстановителните реакции, нейната гъвкавост и способността да катализира много биохимични реакции. „Медта навлиза в клетките на транспортьори от тип Ctr1 [меден транспортер 1] (вероятно тези транспортьори взимат и сребърни йони в допълнение към правилния субстрат, т.е. медни йони), след като е вътре, той се улавя от„ меден шаперон “ “, Обясни търговецът. „Този ​​протеин доставя мед до транспортер, който я изпомпва в лумена (канала) на секреторния път, където медта може да бъде заредена в медни протеини, които се секретират или свързват с плазмената мембрана.“

Изучаването на тези пътища също така изясни взаимозаменяемостта на някои метали в случай на недостиг. Всъщност има алтернативи на различни микроелементи, които могат да ги заместват, когато е необходимо: водорасли с дефицит на мед, например, заместват железосъдържащия протеин вместо мед, съдържащ такъв (Merchant & Bogorad, 1987). „Също така знаем, че при дефицит на желязо съдържащата манган супероксидна дисмутаза, която помага за справяне с оксидативния стрес, може да замести желязосъдържаща такава“, каза търговецът. „Има много примери за този тип неща. Това предполага, че има предпочитание към един метал пред друг, ако организмът има избор от всички метали, но в дефицитна среда има резервни копия. "

В други случаи, един метал може просто да поддържа седалката топла за друг, предпазвайки активното място на свързване, докато се появи правилният елемент. Например медта играе тази роля от името на молибден, който действа в рамките на различни ензими. „По време на биогенезата с молибден-кофактор открихме, че медта е резервоар, който защитава силно реактивната дитиоленова група на молибдоптерин, докато молибденът дойде и се замени с мед“, каза Ралф Мендел от Катедрата по растителна биология в Техническия университет в Брауншвайг в Германия (Мендел, 2007).

Много организми също са разработили схеми за нормиране на ключови елементи, когато основните хранителни вещества са оскъдни. Растенията и цианобактериите например първо разпределят наличния манган във фотосистема II поради неговата решаваща роля в разделянето на водата за фотосинтеза. Другият основен консуматор на елемента, антиоксидантният ензим манган супероксид дисмутаза, който се намира във всички организми, заема второ място, тъй като растенията могат да оцелеят по-дълго без активност на манган супероксид дисмутаза, отколкото без фотосинтеза (Allen et al, 2007).

През последните години все повече се акцентира върху разликите между нуждите на растенията и животните по отношение на микроелементите. За разлика от животните, растенията не използват арсен и някои не се нуждаят от селен. Още по-поразително е, че някои растения могат да хиперкумулират преходни метали и селен до концентрации, които са с порядък по-голям от тези, които биха убили животните. Моделното растение Arabidopsis, например, е в състояние да съхранява огромни количества цинк: повече от 1% от сухата му телесна маса. „Отделните таксони на растенията са еволюирали с хиперакумулация на никел, цинк, мед, манган, селен, кадмий и арсен“, каза Крамер. Селективните сили, които им позволиха да развият тези механизми, не са напълно разбрани, но преобладаващата мъдрост, според Краймър, смята, че способността се е развила като защита срещу хищници и нахлуващи патогени.

Способността на растенията да хиперакумулират все повече привлича научен интерес, тъй като има голям потенциал за почистване на токсични метали в замърсени почви

Хиперакумулацията на селен в растението Prince's Plume (Stanleya pinnata) например го предпазва от гъсеници, като действа като незабавен възпиращ фактор за хранене и от токсичните ефекти на селена върху гъсениците (Freeman et al, 2006). Най-интригуващото обаче е, че същото изследване показа, че разновидност на диамантения молец (Plutella xylostella) е обезоръжила тази защита и може да яде растението безнаказано. Още по-поразително е, че островният остров Диадегма от своя страна е еволюирал, за да се храни с молец. И двете насекоми очевидно са развили толерантност към изключително високи нива на селен, което показва, че тази способност не се ограничава само до растенията.

Способността на растенията да хиперакумулират все повече привлича научен интерес, тъй като има голям потенциал за почистване на токсични метали в замърсени почви. Възможните стратегии за фиторемедиация биха могли да включват отглеждане на растения заедно с култури за отделяне на токсични метали от почвата - например в райони за отглеждане на ориз с високи концентрации на арсен в почвата. По-сложният и по-ефективен подход има за цел да развие трансгенни растения с още по-висока толерантност към метални йони, които да се отглеждат в силно замърсена индустриална земя (Peuke & Rennenberg, 2005). По този начин хората могат да се възползват от еволюционната надпревара във въоръжаването между растения и хищници, която е видяла използването на микроелементи като оръжие. За да перифразираме Парацелз, не само дозата, но и употребата определя дали нещо е добро или лошо.