Только в самое последнее время сравнительная токсичность металлов в виде комплексных соединений была изучена в прямых опытах. Так, C. Нофре в 1963г. определил ядовитость ряда металлов в виде хелатов с ЭДТА при внутрибрюшинном введении белым мышам и сравнил ее с токсичностью солей тех же металлов, как оказалось, в большинстве случаев хелаты металлов менее токсичны, чем соли.
По мнению некоторых авторов группа металлов, в том числе «тяжелых», может быть охарактеризована как группа токсических агентов не только с универсальной активностью, но и с индивидуальной специфичностью их действия.
Как уже указывалось выше, токсичность металлов связана как со строением самого металла, так и с функциональной и структурной организацией биологического объекта. С другой стороны, каждая функциональная единица, реагирующая с металлом, может иметь большее или меньшее значение для нормальной жизнедеятельности, что сказывается на силе токсического эффекта. Это обстоятельство может определить и особенности действия и объяснить специфичность поражения отдельными металлами.
Общетоксическое действие металлов может быть связано с неспецифическим торможением ряда ферментов в силу денатурации белков вообще. Но ряду металлов свойственно специфическое угнетение определенных ферментов уже в очень малых концентрациях. Поэтому особенности отравления отдельными металлами выявляются преимущественно при длительном контакте с ними.
Установленная корреляционная связь между острой ядовитостью металлов и рядом физических, физико-химических, химических свойств металлов – их атомов и ионов – подтверждает наличие таких связей для химических соединений разных классов. Такие связи позволят по отдельным характеристикам металла представить силу его токсического действия. Они создают предпосылки для предвидения сравнительной токсичности неорганических соединений металлов, для ориентировочного суждения о силе действия одного металла по известной токсичности другого. Разумеется, такие суждения имеют лишь приближенный характер, но они могут быть использованы как в экспериментальной токсикологии, так и в гигиенической практике.
Математическая обработка данных о корреляционных связях между токсичностью и той или иной характеристикой атомов или ионов металлов привела к разработке эмпирических уравнений, позволяющих предвидеть токсические дозы металлов, например, для объектов, находящихся в водной среде. Подобная обработка данных о токсичности для теплокровных животных (мышей) позволила Е.И.Люблиной в 1965г., предложить эмпирические формулы, связывающие токсичность солей металлов с такими показателями, как молекулярный вес (М), нормальный потенциал элемента (Н.П.); растворимость сульфидов в воде (lg S) (Крылов, 1988).
Предложенные ею формулы (при значимости коэффициентов корреляции > 0,999) приводятся ниже:
1) lg DL50 = 0,9 – 0,006 M, где М – молекулярный вес;
2) lg DL50 = - 0,67 Н.П. – 1,0, где Н.П. – нормальный потенциал;
3) lg DL50 = - 0,2 lg S + 0,75, где lg S – константа стабильности сульфидов и металлов.
Такие же эмпирические формулы получены для соотношений между токсичностью и значениями электроотрицательности, работы выхода электрона, первого потенциала ионизации, размерами атомных радиусов:
1) lg DL50 в мА/кг = 2,8 – 0,4 П.И., где П.И. – значение потенциала ионизации;
2) lg DL50 мА/кг = 2,8 – 2,2 Э, где Э – значение электроотрицательности;
3) lg DL50 мА/кг = 3,6 – А, где А – работа выхода электрона (эв);
4) lg DL50 мА/кг = - 9,28 + 5,3 AR, где AR – значение атомных радиусов (А).
Одни и те же элементы – металлы и неметаллы, последние особенно часто, встречаются в соединениях и в виде катионов, и в виде анионов. В свое время Н.В.Лазарев в 1938г. указывал на возможность неодинаковой токсичности катионов и анионов одних и тех же элементов, приводя пример разной токсичности бихроматов и хроматов и солей хрома ( Мишин, 1985).
Делались попытки сопоставить токсичность одних и тех же элементов в зависимости от того, играют ли они роль катионов или анионов, в равных условиях, и учитывая дозы элемента. Полученные данные оказались неравнозначными. Только для хрома и мышьяка их токсичность в виде аниона убедительно выше, чем при введении в организм в виде катиона.
В вопросе по сравнительной токсичности самих элементов в виде анионов можно сослаться на данные C.Нофре полученные им в 1963г., говорящие о том, что сила действия ряда неметаллов – анионов зависит от степени окисления элемента в соединении. Как показано в экспериментах, токсичность снижается с повышением степени окисления, исключение составляет бор (Левина, 1982).
Известно, что неорганические соединения, как-то: кислоты, основания, большая часть солей – типичные электролиты и в разбавленных растворах полностью распадаются на ионы при любых значениях рН. В зависимости от валентности металла, а также от аниона, от комбинации их в соединении, степень диссоциации может быть различной. Более полно диссоциируют соли одновалентных катионов и анионов, слабее – соли, образованные двухвалентными металлами и анионами.
Помимо электролитической диссоциации, происходит и гидролиз солей, а именно в том случае, когда происходит обменная реакция вещества с водой и ионы растворенного вещества способны образовывать мало диссоциированные соединения с Н+ и ОН- или с обоими (образуются кислоты и основания).
Таким образом, сила действия металла может быть связана как со степенью диссоциации, так и со способностью его соединений к гидролизу, так как от результата этих процессов будет зависеть число свободных ионов или стойких соединений металла.
Существует несколько точек зрения на значение аниона в неорганической соли. Как уже упоминалось, A.Mазевс считал, что для действия солей важны оба иона, а эффект является суммой действия катиона и аниона. По его мнению, действие, например, хлорида, сульфата, нитрата, ацетата натрия примерно одинаково не в силу эффекта, зависящего только от катиона, а потому, что все указанные анионы имеют одинаковое или близкое значение нормального потенциала, а последний связан с токсичностью обратной зависимостью.
Ж. Лоеб в 1901г., а также P. Франкел в 1928 г. склонялись скорее к тому, что токсичность солей металлов в основном зависит от катиона, мало изменяясь от наличия того или иного кислотного радикала соли. Однако, по мнению P. Франкел, бактерицидное действие солей зависит и от анионов, так как здесь вступают в силу различия в степени диссоциации или гидролиза солей.
Позднее в 1949г. M. Сейфритз , анализируя экспериментальные данные, пришел к выводу, что токсичность соединений металлов (солей) определяется только свободным ионом металла и мало изменяется при замене кислотного радикала.
Таким образом, современные данные говорят, что в токсическом действии солей металлов основное значение принадлежит самому металлу – катиону. Кислотный радикал может изменять этот эффект в незначительной степени (в силу изменения растворимости или степени диссоциации соли). Например, это существенно, когда речь идет о карбонатах. Эти соли менее токсичны в силу слабой растворимости и такой же слабой диссоциации. Исключение составляют карбонаты металлов первой группы.
Не только общая токсичность, определяемая по DL50, но и другие, часто специфические, эффекты солей металлов связаны с действием и дозой именно металла. Это показано на примере специфического эпилирующего действия таллия, которое одинаково при равных дозах металла, введенного в виде разнообразных солей. При этом установлено, что специфическое действие редкоземельных элементов на свертываемость крови определяется только ионом металла и не зависит от аниона. (Мишин, 1985).
Имеются данные, указывающие на то, что степень окисления основного элемента в анионе может влиять на токсичность солей. Так, токсичность анионов, содержащих галогены, увеличивается с возрастанием степени окисления галогена, а ядовитость анионов, включающих элементы V-VI групп периодической системы элементов (азот, серу), наоборот, снижается при повышении валентности.
Для галогенных соединений металлов большое значение имеет степень диссоциации и главным образом гидролиза с образованием кислот. Такой гидролиз известен для галогенов многих металлов: олова, титана, тантала, ниобия, германия и др. Их токсическое, а именно раздражающее, действие связано с гидролизом этих соединений как в водных растворах, во влажном воздухе, так и при соприкосновении с влажными средами организма, в первую очередь – на слизистых оболочках дыхательных путей.
Биологический и токсический эффект солей, как указано выше, может изменяться в силу специфичности действия анионов, например, галогенов, а также из-за гидролиза, сопровождающегося образованием свободных кислот или оснований. Ведущая же роль принадлежит катиону металла.
Не совсем одинаково действие простых и комплексных солей редкоземельных элементов (Пряшин, 1994). Первые действуют фазно: после депрессии происходит нормализация состояния животных, но затем наблюдается резкое его ухудшение; комплексные же соли сразу вызывают резкую депрессию и быструю гибель животных. Однако хелатные комплексы так же, как и цитратные комплексы редкоземельных металлов, менее токсичны, чем их соли.
Для токсического действия необходим контакт яда с биологическим субстратом – объектом этого действия. Контакт может осуществляться при циркуляции яда во всех жидких средах организма (крови, лимфе, межтканевой жидкости и т.п.), а также при непосредственном соприкосновении с оболочками клеток, цитоплазмой и её составными элементами.