CC BY
30
БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ
УДК 577.1: 597
ВЛИЯНИЕ СОЛЕЙ КАДМИЯ И СВИНЦА НА НЕКОТОРЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЛИ-ПИДНОГО ОБМЕНА ОРГАНОВ СЕГОЛЕТКОВ КАРПА (CYPRINUS CARPIO L.)
© 2007 г. М.М. Габибов, Б.С. Мусаев, Г.Р. Мурадова
The catalase activity, peroxide lipid oxidation, contents of phospholipids, cholesterol in liver, kidneys and brain of Cyprinus carpio L. at chronic intoxication by cadmium and lead ions were studied. The tissues were analysed on 5,10,30 and 40-th days of intoxication. Changes of catalase activity and peroxide lipid oxidation, contents of phospholipids, cholesterol in organs depend on duration of heavy metals intoxication.
В настоящее время среди загрязнителей окружающей среды на первое место выходят тяжелые металлы как по масштабам распространения, так и по негативному влиянию на живые системы [1-5].
Токсичность тяжелых металлов в водной среде, отличающейся высокой динамичностью и изменчивостью, зависит от множества факторов, в том числе от химического состава воды, температуры, рН среды, комплексообразования, природы взвесей, минерализации, жесткости воды и наличия конкурирующих ионов в живых системах.
Ионы металлов, мигрируя по трофическим цепям, подвергаются аккумуляции в органах и тканях, их концентрации в высших звеньях могут оказаться значительными и летальными, что представляет определенную опасность и для человека.
В отдельную группу выделены свинец, ртуть и кадмий как особо токсичные металлы [4].
Распространение кадмия в биосфере обусловлено двумя его свойствами: высоким напряжением паров, способствующим быстрому испарению, и хорошей растворимостью, особенно при подкислении водной среды. Источниками его распространения являются промышленные предприятия, использующие кадмий. Кроме того, кадмий выбрасывается с минеральными удобрениями (суперфосфатом) и даже с табачным дымом.
Антропогенное загрязнение биосферы свинцом уже приобрело глобальный характер [1, 4, 6]. Свинцовое отравление человека сопровождается анемией, головными и мышечными болями, психическим расстройством [7].
Накопилось много сведений об избирательной аккумуляции тяжелых металлов в различных органах рыб [2, 8-10]. Однако их влияние на обмен веществ во внутренних органах недостаточно изучено.
В последнее время широко обсуждаются вопросы развития оксидативного стресса гидробионтов под воздействием тяжелых металлов. Материалы по изучению процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) и антиоксидантной системы рыб (АОС) могут быть использованы в мониторинге и биоиндикации состояния водных популяций и оценки здоровья рыб [7, 11-16]. Цель работы - сравнительное изучение влияния загрязнения водной среды ионами кадмия и
свинца на некоторые показатели липидного обмена в печени, почках и головном мозге сеголетков карпа.
Материал и методы исследования
Материалом послужили сеголетки карпа в возрасте 5-6 мес. и весом 100-150 г. Они были отловлены в прудах Широкольского рыбокомбината (Тарумовский район, Республика Дагестан) перед переброской в водоемы для зимовки. Для эксперимента использовали аквариумы емкостью 300 л. Их заполняли водой из р. Сулак, снабжающей водоемы рыбокомбината. В аквариумах поддерживались постоянные газовый и температурный режимы (19-21 °С).
Рыбы были распределены на 3 группы: 1 - контроль; 2 - опытная I (в аквариум добавляли ацетат свинца из расчета 0,5 мг/л, ПДК - 1 мг/м3); опытная II (в аквариум добавляли хлорид кадмия из расчета 1 мг/л, ПДК - 0,03 мкг/кг) [17].
Анализы проводили на 5, 15, 30 и 40-е дни экспозиции рыб в воде с токсикантами по следующим показателям: содержанию в тканях фосфолипидов (ФЛ), холестерина (ХЛ), одного из конечных продуктов ПОЛ - малонового диальдегида (МДА) и активности каталазы (КА).
Содержание ФЛ определяли по методу Фольча с модификациями [18], концентрацию ХЛ в тканях - по цветной реакции Либермана и Бурхарда [19], об активности КА судили по скорости разложения перекиси водорода гомогенатами тканей [20], об интенсивности процессов ПОЛ — по накоплению МДА при инкубации гомогенатов печени, почек и головного мозга, для чего использовали тиобарбитуровый метод [21]. Полученные материалы подвергнуты вариационно-статистической обработке по критерию Стью-дента [22].
Результаты и их обсуждение
На начальных этапах интоксикации рыб (5 дней) обоими металлами наблюдается некоторое увеличение содержания ФЛ в печени и почках, а в мозге, наоборот, их концентрация несколько снижалась (рис. 1—3). При этом эффект повышения содержания ФЛ сильнее выражен под воздействием ионов свинца: на 48 в печени и 11,3 % в почках по сравнению с контролем (рис. 1, 3). Установлено, что в связи с ростом
и развитием содержание суммарных ФЛ в печени ряпушки увеличивается, и их концентрация в ней в 3 раза выше, чем в гонадах [23]. Авторы также обнаружили увеличение содержания суммарных ФЛ в печени данной рыбы почти в 5 раз в результате возрастных перестроек. %
200 150 100 50 0
-50 ФЛ ХЛ КА МДА ФЛ ХЛ -100 Хлорид кадмия Ацетат свинца
□ -5-й; О -15-й; □ -30-й; □ -40-й день
Рис. 1. Динамика показателей липидного обмена в печени сеголетков карпа при хронической интоксикации тяжелыми
металлами
%
300 250 200 150 100 50 0
-50 -100
ФЛ ХЛ КА МДА ФЛ
"ЧГ
ХЛ
КА МДА
Хлорид кадмия Ацетат свинца
□ -5-й; □ -15-й; □ -30-й; □ -40-йдень
Рис. 2. Динамика показателей липидного обмена в мозге сеголетков карпа при хронической интоксикации тяжелыми металлами
%
150 100 50 0
-100
ФЛ ХЛ КА
□ -5-й; □ -15-й; П-30-й; □-40-йдень
Рис. 3. Динамика показателей липидного обмена в почках сеголетков карпа при хронической интоксикации ацетатом свинца
Таким образом, некоторый рост ФЛ во внутренних органах после 5-дневной интоксикации тяжелыми металлами может иметь компенсаторный и адаптивный характер, что обосновано еще и тем, что основной реакцией гидробионтов на хроническое загрязнение водоемов является увеличение индексов внутренних органов [24].
Некоторая стабильность содержания суммарных ФЛ в ткани мозга, вероятно, связана с механизмами защиты нервной системы от токсикантов наличием гематоэнцефалического барьера.
Последующее пролонгирование интоксикации сеголетков карпа ионами кадмия приводит к незначи-
тельному повышению содержания ФЛ в печени (на 9,8 %) и к прогрессивному понижению в мозге (на 32,9 %) по сравнению с контролем. Значительное падение содержания ФЛ (в 2 раза) в печени наблюдается под влиянием ионов свинца на 30 и 40-е дни интоксикации (рис. 1, 2).
Что касается другого структурного компонента мембран - ХЛ, то, по нашим данным, на 5-й день интоксикации сеголетков карпа обоими тяжелыми металлами его содержание в печени увеличивается в 2,5 раза, в почках - на 73,7 %, а в мозге - 36, 6.
Являясь важным компонентом плазматической мембраны, ХЛ оказывает влияние на структурные белки, которые служат ионными каналами, участвуют в трансмембранном переносе ионов, генерации биопотенциалов и выполняют рецепторные функции [25]. В связи с ассиметричностью молекулы ХЛ конденсирует ФЛ ряды, понижает текучесть мембран и уменьшает доступность мембранных липидов окислительным радикалам [26].
Дальнейшее продление интоксикации сеголетков карпа ионами кадмия приводило к падению концентрации ХЛ в тканях и более значительному в мозге (75,5 %) и печени (46,3 %) на 15-й день эксперимента. При пролонгировании интоксикации рыб ионами свинца наблюдалась несколько иная картина: содержание ХЛ на 5-й день возрастало в 2,5 раза в печени, в почках - на 13,8 % на 30-й день и понижалось в мозге на 67,5% на 40-й день (рис. 1—3).
Наблюдаемые нами изменения в содержании ХЛ при длительном воздействии кадмия и свинца следует отнести к патологическим нарушениям в формировании мембранных структур. Они могут иметь серьезные последствия для жизнедеятельности рыб.
Наши результаты показывают, что интенсивность процессов ПОЛ в тканях на начальных этапах интоксикации тяжелыми металлами (на 5-е сут) носит однонаправленный характер. Так, под влиянием ионов кадмия содержание МДА увеличивалось на 47,4 % в печени, на 35,1 - в мозге. Под воздействием другого токсиканта (РЬ) содержание МДА в печени от нормы не отличалось, а в мозге и почках его концентрация увеличивалось на 26,9 и 46,4 % (рис. 1—3).
Активность КА - одного из ферментов АОС - на 5-й день воздействия токсикантов имеет разную динамику: под воздействием ионов кадмия ее активность повышается в печени и мозге соответственно на 22,3 и 44,9 %, а под влиянием свинца - увеличивается в печени на 31,5 %, в мозге не отличается от контроля, в почках наблюдается ее повышение на 17,3 % (рис. 1—3). Эти данные показывают, что интенсификация процессов ПОЛ в тканях на начальных этапах интоксикации сеголетков карпа ионами тяжелых металлов сопровождается не только увеличением содержания ФЛ и ХЛ, но и активацией АОС, о чем свидетельствует рост активности КА в тканях.
Следовательно, на начальных этапах интоксикации сеголетков карпа тяжелыми металлами наблюдается положительная корреляция между ростом МДА и каталазной активностью, что, вероятно, носит компенсаторный или адаптивный характер.
Анализ данных, полученных нами при длительной интоксикации сеголетков карпа тяжелыми металлами
(С^ РЬ) до 40 дней, показывает, что во всех изученных тканях прогрессивно усиливаются процессы перокси-дации липидов с одновременным угнетением активности КА. Только в печени на 15-й день интоксикации активность КА на 22,3 % выше нормы, а концентрация МДА повышена на 47,13 % при кадмиевой и снижена на 52,9 % при свинцовой интоксикации. Это объясняется наличием резервных возможностей АОС печени как органа, обладающего повышенными гомеостатиче-скими механизмами детоксикации, а также мощно развитым гладким эндоплазматическим ретикулумум и высокой активностью цитохрома Р-450. Подтверждением могут служить сведения о более высоком уровне антиоксидантной активности липидов печени карпа как эврибионтной рыбы [16].
Через 30 дней в ткани головного мозга обнаруживается дисбаланс между ростом концентрации МДА в 1,5-2,5 раза и падением активности КА на 27,6 % при кадмиевой интоксикации, повышением содержания МДА в 1,5 раза при одновременном ингибировании активности КА до 53,8 % при интоксикации свинцом (рис. 1—3). Вероятно, это связано с высокой ненасыщенностью жирных кислот липидов ткани мозга рыб [26, 27].
Найденная нами активация процессов ПОЛ в тканях рыб под влиянием тяжелых металлов, очевидно, связана с истощением резерва антиоксидантов (аскорбиновой кислоты, токоферолов, глутатиона), а также подавлением активности ферментов КА и су-пероксиддисмутазы (СОД) [11].
Усиление процессов ПОЛ является неспецифической реакцией рыб на интоксикацию и, как правило, приводит к преимущественному окислению мембранных липидов, в особенности внутренней мембраны митохондрий, ведущему к истощению и смерти клетки.
Важнейшая роль печени состоит в детоксикации организма от различных химических соединений, образующихся в результате обмена веществ и веществ, чуждых организму (ксенобиотиков), поступающих в органы через пищеварительный тракт, покровы тела и жабры. И не случайно в ряду активно аккумулирующих тяжелые металлы, в том числе свинец и кадмий, печень и почки находятся на одном из первых мест [2, 9, 28 -30].
Известно, что при обработке рыб свинцом наблюдается аккумуляция триглицеридов в области портальной вены печени проксимальных и дистальных извитых канальцев почек [31]. Авторы считают, что возможный механизм воздействия токсикантов на липидный обмен состоит в повреждении мембранных структур, а повышение их уровня связывают с нарушением процесса окисления жирных кислот, что отвлекает доступный пул от их катаболизма по пути р-окисления.
Согласно [12], активность КА при воздействии свинца снижается в печени и жабрах, в результате чего в этих органах накапливался пероксид водорода. Последний, в свою очередь, приводит к образованию реакционно-способного гидроксильного радикала, инициирующего наряду с супероксидным радикалом развитие процесса ПОЛ. Это подтверждается увеличением содержания во всех исследуемых нами тканях
МДА. Ионы свинца увеличивают концентрацию МДА во всех исследованных органах: в печени - в 2,3, в жабрах и крови - в 1,4 раза.
Показано, что содержание МДА в селезенке карпа на 20 - 30-й дни при хронической интоксикации хлоридом кадмия превышает норму в 1,7-2 раза [16].
Большинство исследователей, занимающихся изучением липидного обмена гидробионтов, сходятся на том, что под воздействием ксенобиотиков разного происхождения у рыб развивается оксидативный стресс, сопровождающийся усилением процессов ПОЛ с накоплением в тканях продуктов пероксида-ции [15, 16, 27, 32-35].
Между тем ПОЛ, протекающее на мембранах, является одним из важнейших биохимических процессов физиологически нормального функционирования клеток организма. Значительное отклонение этого показателя от нормы может привести к деградации мембран, нарушению их проницаемости, окислению низкомолекулярных тиоловых групп белков и гибели клетки. Однако в нормальных условиях существует равновесие между интенсивностью процессов ПОЛ и антиоксидантной защитой клеток, которая представлена такими ферментами, как СОД, глутатионперок-сидаза, глутатионредуктаза, глутатионтрансфераза и КА, а также широким набором низкомолекулярных антиоксидантов (глутатион, аскорбиновая кислота, токоферолы, тиоловые аминокислоты, каратиноиды, мочевина и др.).
Исходя из полученных нами данных, можно заключить, что на начальных этапах хронической интоксикации сеголетков карпа тяжелыми металлами наблюдалось возрастание количества ФЛ и ХЛ в тканях печени и почек, которые служат органами-мишенями в связи с их структурными особенностями и выполняемыми функциями. Кроме того, на 5-й день эксперимента обнаруживаются коррелятивные изменения в интенсивности процессов ПОЛ и усиление КА активности в тканях, что можно рассматривать как активацию компенсанаторных адаптивных механизмов в этих органах.
Дальнейшее пролонгирование воздействия ионов тяжелых металлов на сеголетков карпа сопровождалось прогрессивным некомпенсированным усилением процессов пероксидации липидов с одновременным ингибированием ферментов АОС и, вероятно, истощением тканевых резервов антиоксидантов.
Полученные данные свидетельствуют о том, что тканевая токсичность изученных тяжелых металлов сводится к двум механизмам: прямому прооксидант-ному влиянию и ингибированию ферментов с последующим истощением резервов АОС.
При этом у подопытных карпов снижается адаптивный потенциал и в тканях развиваются деструктивные процессы, которые характеризуют развитие состояния оксидативного стресса.
Литература
1. Будников Г.К. // Биология. Соросовский журн. 1998. № 5. С. 23-29.
2. Евтушенко Н.Ю., Данилко О.В. // Гидробиол. журн. 1996. Т. 32. № 4. С. 58-66.
3. Линник П.Н., Искра И.В. // Гидробиол. журн. 1997. Т. 33. № 6. С. 72-87.
4. Леонова Г.А. и др. // Гидробиол. журн. 1992. Т. 28. № 4. С. 68-75.
5. Мур Дж., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. М., 1987.
6. Пурмаль А.П. // Химия. Соросовский образоват. журн. 1998. № 9. С. 39-51.
7. Трахтенберг И.М. и др. // Экология, токсикология. 2002. Вып. 1. С. 209-214.
8. Заботкина Е.С., Лапирова Т.Б. // Успехи современной биологии. 2003. Т. 123. № 4. С. 401-408.
9. Попов П.А. и др. // Вопросы ихтиологии. 2002. Т. 42. № 2. С. 264-270.
10. Kargin F., Cogun N.Y. // Bull. Environ. Contam. and Toxicol. 1999. Vol. 63. № 4. P. 511-519.
11. Аксенова М.Е. // Нефрология и диализ. 2000. Т. 2. С. 1-2.
12. Грубинко В.В., Леус Ю.В. // Гидробиол. журн. 2001. Т. 37. № 1. С. 64-78.
13. Карагезян К.Ги др. // Биохимия. 1998. Т. 63. Вып. 10. С. 1439-1446.
14. Кашулин Н.А. и др. Рыбы пресных вод Субарктики как биоиндикаторы техногенного загрязнения. Апатиты, 1999.
15. Леус Ю.В., Грубинко В.В. // Гидробиол. журн. 1998. Т. 34. № 2. С. 59-63.
16. Руднева И.И. // Успехи совр. биол. 2003. Т. 123. № 4. С. 391-400.
17. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентированно-безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды, водных объектов, имеющих ры-бохозяйственное значение. М., 1999.
18. Финдлей Дж., Эванз У. Биологические мембраны. М., 1990.
Дагестанский государственный университет, г. Махачкала
19. Прохорова М. И. Методы биохимических исследований (липидный и энергетический обмен): Учеб. пособие. Л., 1982.
20. КоролюкМ.А. и др. // Лаб. дело. 1988. № 1. С. 1619.
21. Андреева Л.И., Кожемякин А.А., Кушкин А.А. // Лаб. дело. 1988. № 11. С. 41-43.
22. Лакин Т.Б. Биометрия. М., 1990.
23. Нефедова З.А. и др. // Вопросы ихтиологии. 2005. Т. 45. № 5. С. 689-694.
24. Моисеенко Т.И. // Экология. 2002. № 1. C. 50-60.
25. Bastiaans E.M. et al. // Cardiov. Pes. 1997. Vol. 33. № 2. P. 272-283.
26. КрепсЕ.М. Липиды клеточных мембран. Л., 1981.
27. Богдан В.В., Кирилюк С.Д., Нефедова З.А. // Тез. докл. VIII конф. по экологической биохимии рыб. Петрозаводск, 1992. С. 33-35.
28. Погодаева Т.В. и др. // Сиб. эколог. журн. 1998. Т. 5. № 5. С. 477-483.
29. Урнышева В.В., Шишкина Л.Н. // Биохимия. Изв. АН. Серия биол. 2004. № 2. С. 163-168.
30. Zyadh M., Chouikhi A. // Int. J. Food Sci. and Nutr. 1999. Vol. 50. № 6. P. 429-434.
31. Gautam R.K., Parihar R. // Uttar. Pradesh. J. Zool. 1996. Vol. 16. № 1. Р. 28-30.
32. Ангелов А., Ангелов Г., Атанасова Р. // Селскостоп. наука. 1996. Т. 34. № 6. С. 47-50.
33. Бобкова А.Н. // Гидробиол. журн. 1997. Т. 33. № 5. С. 87-92.
34. Силкина Н.И., Микряков В.Р. // Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов: Материалы междунар. конф. 2004. Петрозаводск, 2004. С. 128-230.
35. Chaurasia S.S., Kar Anand. // Water Air and Soil Pollut. 1999. Vol. 111. № 1 - 4. Р. 417 - 423.
5 декабря 2006 г.
