Марганец – токсикант и/или эссенциальный элемент?

Марганец - токсикант та/або есенціальний елемент? (огляд і дані власних досліджень)

Пихтєєва О.Г., Большой Д.В., Пихтєєва О.Д. Український НДІ медицини транспорту* Одеський обласний клінічний центр

марганец биохимический клеточный

Проведен анализ современных данных о биохимической роли марганца, источниках его поступления и механизмах клеточного транспорта. Изучали содержание марганца в биосредах людей (кровь (94 образца), моча (53 образца), волосы (293 образца)), продуктов питания, объектов окружающей среды атомно-эмиссонным методом. Показано, что марганец является кофактором декарбоксилазы, гидролазы и киназы, супероксиддисмутазы, а также ферментов, участвующих в синтезе и метаболизме нейромедиаторов. Нормальное (сбалансированное) содержание Mn в организме человека имеет важное значение. Избыточное содержание марганца может оказывать нейротоксическое действие.

Поступление марганца с выхлопными газами незначительно, и не приводит к росту содержания его в биосубстратах. Основным источником для непрофессионального контакта является пыль. Содержание марганца в биосубстратах жителей Украины разнородно. У 1019 % наблюдается сниженное содержание, у 5-7% - превышенное. Случаи резкого превышения связаны с нарушением правил безопасности на производстве (сварщики и др. работники, выполняющие свои обязанности в непосредственной близости от них). Снижение марганца наблюдается у детей и подростков во время активного роста, пожилых людей, у ожоговых больных и пациентов з заболеваниями ЖКТ

Ключевые слова: марганец, клеточный транспорт, кровь, моча, волосы.

Введение

В последние десятилетия в связи с запретом использования в качестве антидетонатора для топлива тетраэтилсвинца, крупнейшие производители бензина стали использовать для этих целей соединения марганца (циклопен- тадиенилтрикарбонилмарганец (ЦТМ) C5H5Mn(CO)3 и метилциклопентадие-нилтрикарбонилмарганец (МЦТМ) СН3С5Н4Мп(СО)3) в качестве присадок к автомобильному топливу. Таким образом, в воздух густонаселенных городов автомобильный транспорт поставляет значительное количество соединений марганца, который обычно не контролируется и не рассматривается как природный поллютант. По инерции экологические службы делают упор на контроль свинца в воздухе, в то время как при отсутствии производства, использующего свинец (а они есть лишь в нескольких крупных промышленных центрах Украины), гораздо более актуальным становится контроль выбросов соединений марганца.

С общетеоретических позиций особенно интересно рассмотреть транспорт и обмен марганца, поскольку этот микроэлемент жизненно необходим в малых количествах и высокотоксичен при избыточном поступлении (и поглощении). Именно для этого элемента так важен баланс с эссенциаль- ными элементами -- железом, цинком, кальцием и даже медью, поскольку Mn транспортируется, в основном, с помощью транспортеров других эссенциаль- ных металлов (железо, цинк, медь (в меньшей степени)). Особенностью регуляции поглощения и транспорта марганца является включение разных механизмов в зависимости от концентрации этого элемента во внеклеточном пространстве, потребности клеток в микроэлементе и степени обеспеченности клетки другими основными эссенциальными элементами.

Материалы и методы

Изучали содержание марганца в биосредах людей (кровь (94 образца), моча (53 образца), волосы (293 образца)), продуктов питания, объектов окружающей среды атомно-эмиссонным методом. Пробоподготовку и измерение содержания марганца проводили в соответствии с ГОСТ 30823-2002. Количественное измерение проводили на атомно-эмиссионном спектрометре ЭМАС-200 CCD (прибор был поверен в течение всего времени проведения исследований). В качестве разбавителя использовалась стандартная спектральная буферирующая смесь по ГОСТ 30823-2002. Количественное определение марганца в анализируемых объектах производилось на длине волны 280,108 нм. Сила тока в дуге 15 А, величина оптической щели прибора 0,2.

Содержание в природе ииспользование в промышленности

В земной коре содержание марганца достаточно высоко и составляет около 0,1 % по массе, причем в свободном виде он не встречается. В морской воде содержится около 1,0-10-8 % марганца.

Марганец широко используется в металлургии, в процессе производства сталей и сплавов. Покрытия из марганца на металлических поверхностях обеспечивают их антикоррозионную защиту. Для нанесения тонких покрытий из марганца используют легко летучий и термически нестабильный биядерный декакарбонил Mn2(CO)10. Соединения марганца (карбонат, оксиды и другие) используют при производстве ферритных материалов, они служат катализаторами многих химических реакций, входят в состав микроудобрений.

Биологические функции итранспорт марганца

Марганец -- микроэлемент, постоянно присутствующий в живых организмах. Этот переходной металл является эссенциальным и необходим для нормального роста и развития клеток, в то же время проявляет токсичность в высоких концентациях. Содержание марганца в растениях составляет 10-4-10-2 %, в животных 10-3-10-5 %, некоторые растения (водяной орех, ряска, диатомовые водоросли) и животные (муравьи, устрицы, ряд ракообразных) способны концентрировать марганец. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 12 мг марганца.

Марганец необходим животным и растениям для нормального роста и размножения. Обычно суточное поступление у взрослых составляет 2-9 мг/ день, у детей до 10 лет -- 0,3-2 мг/день. Из желудочно-кишечного тракта всасывается примерно 3-5 % Mn, поступающего преимущественно в виде Mn2+ (соли марганца) и Mn4+ (оксид MnO2 и некоторые комплексные соединения). Недостаток и избыток марганца для человеческого организма вредны.

При отравлении соединениями марганца происходит поражение нервной системы, развивается так называемый марганцевый паркинсонизм.

ПДК в расчете на марганец для воздуха 0,03 мг/м3. Экспозиция марганцем происходит преимущественно пероральным путём в естественных условиях и ингаляционным -- на производстве [1].

Марганец необходим для нормального протекания различных физиологических процессов, в том числе обмена аминокислот, липидов, белков и углеводов [2], и служит кофактором декарбоксилазы, гидролазы и киназы [3, 4]. Mn также играет существенную роль в функционировании иммунной системы, регуляции клеточной энергии, роста костной и соединительной ткани и свертывания крови [5]. В мозге Mn является важным кофактором для различных ферментов, в т.ч. супероксиддисму- тазы [6], а также ферментов, участвующих в синтезе и метаболизме нейромедиаторов [7]. Марганец был обнаружен в форме Mn2 +, Mn3 + и Mn4+ в тканях животных и человека [8].

Функции марганца изучены недостаточно, несмотря на то, что он является важнейшим микроэлементом для человека и животных [9]. Это связано с низкой концентрацией марганца в живых тканях. Во многих тканях человека и животных концентрация марганца составляет менее 1 мкг/г сырой ткани [10].

На уровне организма марганец поглощается, в основном, в желудочнокишечном тракте, но поглощение происходит также с помощью легких [11]. Учет именно этого пути поступления приобретает особую важность в больших городах с интенсивным движением автотранспорта.

Как правило, в биомолекулах марганец образует прочные комплексы с координационным числом 6 [12]. В результате в плазме и тканях он не существует в несвязанном виде [13]. При повышении уровня Mn выше определенного уровня (вероятно, в значительной мере индивидуального, определяемого генетическими и эпигенетическими особенностями белкового синтеза основных транспортеров металлов) он проявляет нейротоксическое действие. В литературе сложилось представление, что токсический эффект имеет место лишь при высоких уровнях Mn.

Последствия дефицита Mn в организме изучали по биохимическим и морфологическим изменениям у лабораторных животных. При этом нарушается синтез гиалуроновой кислоты, хонд- роитин-сульфата, гепарина и др. муко-полисахаридов, необходимых для процессов роста, а также развития соединительной ткани, костей и хрящей [14]. Митохондриальная супероксиддисмута- за -- известный марганецсодержащий фермент и существует повсеместно [15]. Глутаминсинтетазы -- марганецсодержащие ферменты, обнаруженные только в глии в мозге [16].

Поскольку Mn 2 + напоминает Mg 2 + по некоторым физико-химическим свойствам, в ряде ферментов он может заменять магний в магний-зависимых ферментах.

В экспериментальных исследованиях на грызунах и обезьянах накоплен большой объем информации относительно абсорбции, биодоступности и распределения в тканях значительного числа соединений Mn с разной растворимостью и степенью окисления. Уровень Mn в органах, тканях и клетках экспериментальных животных относительно постоянен, т.к. его гомеостаз обеспечивается тонкими регуляторными механизмами, а также соотношением абсорбции и экскреции. Разработанные модели токсикокинетики отражают характер накопления его в мозге и могут служить основой гигиенического нормирования и оценки риска интоксикаций [17]. Тем не менее, многие аспекты физиологии и патологии марганца остаются недостаточно изученными и активно разрабатываются в разных странах.

Сложность дифференцированной оценки марганцевых интоксикаций связана с поливалентностью его физиологических функций и клинической значимости наблюдаемых неврологических, нейропсихологических и нейроповеден- ческих изменений, поэтому надежных биомаркеров нейротоксических эффектов для низких и умеренных уровней воздействия Mn до сего времени не установлено. Поскольку в эксперименте показано, что уровень марганца в крови и мозге слабо коррелирует между собой (при разовой дозе 10 мг/кг 8 введений), возникла необходимость поиска другого периферического маркера. В качестве такого маркера предложен пролактин в крови, повышение уровня которого указывает на изменения в целостности дофаминергической системы [18]. Тем не менее, мы считаем, что уровень марганца в крови (так же, как и подавляющего большинства тяжелых металлов) очень лабильный показатель, который быстро снижается после острого воздействия. И скорость этого снижения определяется множеством сложнозависимых параметров. Таким образом, без учета кинетики процессов межорганного переноса марганца некорректно судить о возможности использования содержания марганца в крови как маркера экспозиции. Этот вопрос требует дальнейшего исследования.

Основным органом-мишенью марганца является мозг, именно он максимально реагирует на избыток или недостаток поступления марганца.

Нейротоксичность Mn впервые наблюдалась как экстрапирамидальный синдром у шахтеров, подвергшихся воздействию высоких концентраций марганцевой руды [19]. Воздействие чрезмерного количества Mn вызывает целый ряд психических и двигательных нарушений [20]. В середине прошлого века было установлено, что признаки поражения высокими дозами марганца включают постуральную нестабильность, колебания настроения и психиатрические изменения (например, депрессия, возбуждение, галлюцинации)

[21] , паркинсонизм, такие симптомы, как брадикинезия, ригидность, тремор, нарушения походки, постуральная нестабильность и дистония и/или атаксия

[22] , когнитивный дефицит, ухудшение памяти, снижение способности к обучению, снижение психической гибкости, снижение познавательной активности

Интоксикация марганцем приводит к развитию заболевания, симптоматика которого подобна болезни Паркинсона (типичными являются экстрапира- мидальные поражения с явлениями тремора, ригидности и гипокинезии)[24, 25]. Этот металл аномально сосредоточен в головном мозге, особенно в базальных ганглиях, у пациентов с неврологическими расстройствами, похожими на болезнь Паркинсона [26, 27].

Mn необходим в более высоких концентрациях для детей в связи с важной ролью в процессах развития мозга. Около 80 % Mn в плазме крови связано с b1 -глобулином и альбумином и только небольшая фракция Mn связана с трансферрином (Tf). Таким образом, Mn3+ использует транспортную систему железа. Процесс связывания с транс- феррином является время-зависимым. В этом комплексе Mn представлен исключительно трехвалентной формой. При нормальном содержании железа в плазме (0,9-2,8 мг/л), железосвязывающей способности (2,5-4 мг/л) и нормальной концентрации Tf (3 мг/мл) с двумя связывающими ионы металлов сайтами на молекулу (М = 77000), из которых только 30 % занято Fe3+), Tf связывают 50 мкмоль/л Mn3+. Рецепторы Tf присутствуют на поверхности церебральных капилляров, где и происходит его эндоцитоз. Детальные исследования зависимого от рецепторов эндо- цитоза комплекса Tf-Mn были проведены на культуре клеток нейробластомы Suarez N, Eriksson H. [28]. Следует полагать, что для Mn2+ должны существовать дополнительные механизмы транспорта, поскольку плазма крови, несмотря на наличие в довольно больших концентрациях Fe2+, Zn2+, Cd2+ все же активно связывает Mn2+. Процесс распределения Mn в тканях изучался с помощью меченого 54MnCl2 на мутантных мышах с гипотрансферринемией [29]. У этих мышей с мутацией гена Tf уровень экспрессии Tf был менее 1 % от нормального уровня мышей дикого типа. 54Mn накапливался в необычно высоких концентрациях в печени, тогда как его уровень в ЦНС не изменялся. Эти данные свидетельствуют не только о поражении других органов этим токсикантом, но и указывают на наличие не связанных с трансферрином механизмов транспорта марганца, особенно для поступления в мозг. Следует подчеркнуть, что в отличие от многих других ионов металлов Mn2+ не проявляет высокой аффинности ни к одному из известных эндогенных лигандов. В частности, у него нет тенденции к комплексо- образованию с сульфгидрильными и аминными группами. Не удивительно поэтому, что его константы устойчивости для комплексов с эндогенными лигандами, такими как глицин, цистеин, рибофлавин, гуанозин являются близкими (lgK = 3, 4, 3, 3 соответственно). Близки и другие термодинамические параметры этих комплексов.

Комплекс Mn2+ с белком диссоциирует на липидной мембране, создавая достаточно устойчивое во времени содержание «свободного» марганца в плазме.

Распределение Tf рецепторов в ЦНС не полностью соответствует накоплению марганца, тем не менее, таламические ядра, палладиум и черная субстанция содержат наивысшие концентрации Mn. В то же время даже в областях мозга с низким содержанием Tf-рецепторов уровень марганца и железа может быть значительным. Вероятно, эти области могут накапливать марганец путём аксонального транспорта. Например в области nucleus accumbens и caudate-putamen (где находится много рецепторов Tf) проходят эфферентные волокна к тем областям (см.выше), которые богаты марганцем.

Кинетика транспорта марганца в ЦНС изучена крайне недостаточно. Имеющиеся работы касаются в основном моделей на грызунах. Причем крысы являются далеко не лучшими моделями для изучения нейротоксичности марганца. Тем не менее, известные транспортные системы для марганца у грызунов и приматов не имеют принципиальных различий. В нормальных физиологических условиях Mn поступает в ЦНС преимущественно через эндотелий капилляров, тогда как при высоких концентрациях в плазме -- через хори- оидные сплетения. Mn накапливается в ольфакторной луковице, а также в коре, гипоталамусе, стриатуме и гиппокампе при трансназальном введении. При ингаляции Mn может всасываться по ольфакторным путям, однако точность определения механизмов абсорбции и важность отдельных путей поступления в мозг остается неопределенной.

Влияние длительного воздействия малых доз продуктов горения метил- цинклопентандиенила марганца, который применяется в США и Канаде в качестве антидетонатора вместо тетраэтилсвинца в топливе, привело к росту Mn в воздухе городов до 0,02 мкг/м3, а 10-летнее исследование в Монреале показало содержание на уровне 2,5 мкг/ м3. Двигатели выбрасывают смесь фосфата и сульфата марганца, а также его тетраоксида Mn304. Интратрахеальное, внутрижелудочное и интраперитонеаль- ное введение MnCl2 и MnO2 показало, что распределение иона металла происходит преимущественно в стриатуме, коре и мозжечке. Однако концентрации Mn были низкими. Более растворимый MnCl2 накапливался быстрее в ЦНС и более значительно при ингаляции, чем при пероральном введении. Существенных различий между накоплением разных форм Mn не наблюдалось. При введении препаратов Mn мышам в течение 14 дней, 13 недель и 2 лет не наблюдали проявлений нейротоксичности даже при довольно высоких дозах Mn [30, 31].

Других данных по токсикокинети- ке фосфата, сульфата, тетраоксида марганца в ЦНС не найдено. С позиций вероятного длительного воздействия низких уровней марганца из продуктов горения и данных о его транспорте через гематоэнцефалический барьер можно сделать вывод о вовлечении в этот процесс разных механизмов:

- потенциально возможна диффузия или энергонезависимый пассивный процесс, регулируемый с участием переносчиков и наличием градиента за счёт электрохимического потенциала [32]

- активный энергозависимый транспорт [30]

- Tf -зависимый транспорт [30, 33]

Проведенные исследования показывают, что разные соли Mn транспортируются в разной степени и создают концентрации в разных отделах мозга. Тем не менее, конкретных данных по кинетике транспорта через ГЭБ нет.

Хотя далеко не все переходные металлы, эссенциальные для человека и животных, обладают известными функциями нейронной активности, марганец, как известно, необходим для развития и функционирования головного мозга [34]. Концентраций марганца в человеческом мозге выше, у взрослых (около 0,25 мкг/г сырого веса), чем у детей в возрасте до одного года [35]. Дефицит марганца в рационе может повлиять на гомеостаз марганца в мозге, о чем свидетельствует появление судорог у крыс, лишенных марганца [36]. Вполне вероятно, что перемещения марганца связаны с нейронной активностью в мозге [37] и [38].

В обзоре [39] обобщены данные о транспорте и действии марганца в головном мозге, особенно в синапсах.

Двухвалентный Mn вероятно транспортируется в мозг через эндотелиальные клетки капилляров и клеток эпителия сосудистой оболочки через неопределенный транспортер (T) (вероятно, DMT-1). Механизм секреции марганца этими клетками неизвестен. Трехвалентный марганец, который может связываться с трансферрином, вероятно, перемещается через гематоэнцефалический барьер мозга путём ре- цептор-опосредованного эндоцитоза через рецепторы трансферрина.

Возможно, металлотионеин также задействован в транспорте марганца. Японские ученые получили линию устойчивых к кадмию клеток от нокаутных по МТ мышей и показали, что уровень накопления марганца в них был также существенно снижен [40]. Единственным известным транспортером у млекопитающих, который одинаково включается в процесс клеточного накопления обоих металлов, является DMT-1 однако высоко афинная транспортная система Mn/Cd не идентична DMT-1, поскольку выявлены существенные различия в оптимальном рН и сродстве к субстратам. Это позволяет предположить наличие транспортеров Mn у млекопитающих, отличных от DMT-1. Для подтверждения этой гипотезы авторы исследовали подавление накопления Mn и Cd в клетках другими дивалентными металлами. При добавлении Co, Ni, Fe (II), Cu (II) никаких изменений не на блюдалось. Частичное ингибирование происходило при добавлении цинка [41]. Более того, если у DMT-1 оптимум рН 5,5, то максимальное накопление Mn и Cd в клетках отмечено при рН 7,4. Это также подтверждает наличие в фибробластах мыши другой транспортной системы Mn/Cd. Такой же эффект обнаружен у клеток Hela, PC12, KAKO-2. Однако накопление Cd этими клетками ингибировалось вдвое, а Mn -- в 5 раз, что свидетельствует о существовании системы транспорта Cd, независимой от Mn. Оптимальный высокоаффинный транспортер Mn и Cd при оптимуме рН 7,4 может не быть эффективным в дуо- денуме. Гипотеза авторов была проверена на клетках немлекопитающих, что позволило углубить представления о работе систем транспорта Mn и их взаимосвязи с кадмием. Так у дрожжей обнаружена экспрессия гена SMF1, который причастен к мутациям митохондриально-синтезируемой пептидазы. Активность последней обеспечивает высокоактивный транспорт Mn в дрожжевые клетки. Разрушение гена SMF1 существенно снижает поступление Mn в клетки, а гиперэкспрессия -- усиливает. Оказалось, что ген SMF1 является гомологом белков семейства Nramp у млекопитающих, в частности SMF1 является дополнительным кофактором экспрессии Nramp2 у млекопитающих (DMT-1), но не Nramp1 [42].

Экспрессия гена SMF1 негативно регулируется геном BSD2, подавление которого приводит к повышенному накоплению Mn в клетках, зависимых от SMF1. Подобные соотношения обнаружены у растений и бактерий, где нарушение экспрессии IRT1 при дефиците Fe2+ связано с одновременным ростом поглощения кадмия, марганца, кобальта и цинка.

Таким образом, в транспорте марганца важную роль играет несколько систем транспортеров. Характеристики

3 видов транспорта Mn и их механизмы подобны таковым при накоплении железа эритроидными клетками. Полагают, что оба металла транспортируются с помощью одинаковых механизмов:

1. Использование мембранного транспортера DMT1 [43] для Mn2+.

2. Трансферрин и трансферриновые рецепторы Mn3+. Накопление связанного с Tf Mn имеет место только в ретикулоцитах и зависит от регулируемого рецептором эндоцитоза Mn-Tf.

3. Высокоаффинный транспорт Mn2+ присущ только ретикулоцитам, активен при низкой ионной силе среды, например в изотоническом р-ре сахарозы и имеет Км 0,4 мкМ. Подавляется метаболическими ингибиторами и некоторыми ионами металлов.

4. Низкоаффинный транспорт Mn2+ происходит как в эритроцитах так и ретикулоцитах с примерной величиной Км 20 и 50 мкМ для указанных типов клеток соответственно. Уровень транспорта Mn2+ максимален в изотоническом растворе KCl, RbCl или CsC и ингибируется NaCl, ами- лоридом, валиномицином, диэтил- сильбестролом, и др. ингибиторами транспорта ионов. Направление транспорта Mn2+ реверсивно, и отвечает за его выведение из клеток.

5. Низкоаффинный транспорт, вероятно, происходит путём описанного ранее Na+/Mg2+ антипорта и может функционировать в процессе регуляции внутриклеточной концентрации Mn путём его выведения из клетки [44].

Применительно к красным клеткам крови ранее были описаны 2 механизма поступления Mn в клетку: путём пассивной диффузии [45] и путём Na+/Mg2+ антипорта [46]. В этих исследованиях использовали ионы Mn2+ и зрелые эритроциты. Однако известно, что практически весь находящийся в плазме Mn связан с трансферрином в комплексе Mn3+-Tf [47]. Возникает вопрос: может ли Mn2+ поглощаться клетками в виде иона, в первую очередь незрелыми клетками эритроидного ряда, которые имеют рецепторы Tf. Кроме того, если ответ положительный, то является ли этот механизм идентичным с таковым для железа. Поскольку Mn и Fe имеют много одинаковых физико-химических свойств и одинаково участвуют как минимум в одном трансмембранном процессе транспорта (кишечная абсорбция) [48], возникает вопрос могут ли свободные от Tf формы металлов транспортироваться в эритроидные клетки с использованием однотипных процессов.

Собственные результаты анализаобмена марганца у жителейУкраины

Приведенные выше данные свидетельствуют о необходимости контроля содержания марганца в доступных для анализа биосредах людей (кровь, моча, волосы). Действительно, практикующие врачи разных специальностей (кардиологи и врачи общей практики, аллергологи, эндокринологи, детские психиатры) проявляют интерес к содержанию марганца у пациентов как с подозрением на интоксикацию, так и с клиническими признаками дефицита марганца.

Примерно половина обследованных - практически здоровые люди, желающие проверить обеспеченность марганцем, с целью здорового долголетия. По направлениям врачей за последние 3 года нами проанализированы 427 биосубстратов (кровь 94 образца, моча 53 образца, волосы 293 образца). Заметим еще раз, что полученные нами данные не могут рассматриваться как среднепопуляционные значения, а лишь позволяют оценить тенденцию обеспеченности данным микроэлементом.

Данные статистической обработки содержания марганца у обследованных жителей Украины приведены в табл. 1.

Таблица 1. Данные статистической обработки содержания марганца у обследованных жителей Украины