CC BY
41
УДК 612.014.46+61259:82.11
A.T. MUSAEV, ZH.S. KISEBAYEV, K.M. TURLANOV, M. RYSULY, R.B. LESBEKOVA, A.A. FATEEVA, Y.S. MARCHUK, R.M. DYUSEMBEKOV, K.K. ZHAISHEV
KazNMU, KazAST, Institute Of Cardiology & Internal Diseases, Almaty, Kazakhstan
CHANGES IN THE CELL MEMBRANES OF THE BRAIN UNDER THE INFLUENCE OF EXTREME STRESSORS
In the present work studied metabolic indices of cell membranes of rat brain under the influence of extreme stressors. Studies have shown that rat intoxication with pesticides against overheating rats leads to inhibition of cell membrane protecting the brain. Keywords: brain, experiment, cell membrane, metabolism.
Among the variety of extreme factors acting on the body, we can select a group of substances, known as persistent organic pollutants including pesticides, dioxins, polychlorobyphenyls, etc [1]. As biologically active substances, pesticides, despite their use in allowable concentrations, may have pronounced toxic effects on humans and animals under certain conditions. These conditions may include: high air temperature, high humidity, simultaneous effects of heavy metal salts, electromagnetic fields, radiation, noise, etc. In all cases, getting into the body pesticides cause the development of oxidative stress, which can ultimately lead to the development of various pathologies [2, 3, 4]. The hanges in autonomic parameters which occur in oxidative stress, including the state of biological membranes, to a certain extent depend on the individual and typological features of the higher nervous activity of the body [5, 6, 7].
The aim of the study was to investigate the metabolic indices of cell membranes of rat brain under the influence of extreme stressors
In connection with the intended aim the following task was set - to investigate the level of lipid peroxidation (LPO), the activity of catalase (CA) and proteolytic enzymes in rat brain under the influence of the pesticide and hyperthermia. Materials and methods. The experiments were performed using 120 adult white outbread rats of both sexes weighing
The state of the pro-oxidant system of cell membranes was assessed according to the content of the intermediate products (diene conjugates, DC) and the end products (malondialdehyde, MDA) of lipid peroxidation (LPO) in the supernatants of brain homogenates. The obtained values were expressed in nmol / mg protein. The state of the
protective system of cell membranes was assessed according to the catalase activity (CA) (primary link) and the total proteolytic activity (TPA - secondary link) of the supernatants of brain homogenates. CA was expressed in gH202/mg protein. The level of TPA of brain homogenates was determined according to the methodology [8]. The calibration curve was plotted using the amino acid -phenylalanine (FEN) and the obtained data were expressed in mcgFen / ml x h.
Results and discussion. We assessed the state of the cell membranes according to the ratio of pro-oxidant and protective systems of the cell membranes of the left and right hemispheres of the rat brain. At that, in the control experiments of the rats with strong, intermediate and weak types of HNA, we obtained the following results. The rats of the strong type had minimum concentrations of malondialdehyde and diene conjugates, but maximum activities of catalase and proteases in the microsomes, both in the left and right hemispheres of the brain. At that, the lateralization in the content of both MDA and DC in the rats of all the types of the HNA was determined: high concentrations of lipid peroxidation products were identified in the left hemisphere, the activity of catalase was higher in the right hemisphere, but of proteases, on the contrary, in the left one.
During the 2-week oral introduction of the pesticide into the rats, the suppression of the activity of the antioxidant enzyme - catalase in the tissues of the both cerebral hemispheres was found. Thus, the activity of this enzyme in the supernatant of homogenate of the left hemisphere of the brain in the rats of strong, intermediate and weak type of the HNA decreased, compared to the control, by16.7%, 17.4% and 17.6% (all p <0.05), as can be seen in Figure 1.
g H2O2/ mg white LP
g H2O2/ mg white РP
г Н2О2/МГ белка 0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
ЛП
г Н2О2/МГ белка 0,3
ПП
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
ПЬп
3
7
г-, контроль UFУФ
control r ^
L - The dynamics of the of strong (1) intermedi
mcgFen/mg whitesxhour
nконтроль ^УФ
control
Figure 1 - The dynamics of the catalase activity in the supernatants of brain homogenates (nmol / mg protein) in the rats of strong (1) intermediate (2), and weak (3) types of the HNA after the intoxication with the pesticide "UF"
мкгФен/мг белка час 35
LP
ЛП
mcgFen/mg whitesxhour мкгФен/мг белка час
PP
ПП
30 25 20 15 10 5 0
i
_ j!__
35 30 25 20 15 10 5 0
контроль UF УФ control
контроль ^УФ coiitiol
Figure 2 - The dynamics of the total proteolytic activity of the supernatants of brain homogenates (mcgFen / mg protein x h) in the rats of strong (1) intermediate (2), and weak (3) types of the HNA after the intoxication with the pesticide "UF"
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
The catalase activity in the supernatants of homogenates of the right hemisphere of the brain under the influence of long-term intake of "Uragan-forte" by the rats, decreased by 14.3%, 16.7% and 15.0% (all p <0.05). In the conducted experiments, the activity of proteolytic enzymes in the supernatant of homogenate of the left
cerebral hemisphere in the rats of strong, intermediate and weak type of the HNA under the influence of the pesticide decreased by 20.0%, 22.1% and 21.2% (all cases, p <0.01) compared to the control, as shown in Figure 2.
g H2O2/ mg white LP
г Н2О2/мг белка ЛП 0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
g H2O2/ mg white РР
г Н2О2/МГ белка 0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
ПП
контроль GTrT Control
контроль GTrT Icontroi
Figure 3 - The dynamics of the catalase activity in the supernatants of brain homogenates (gH202/ mg protein) in the rats of strong (1) intermediate
(2), and weak (3) types of the HNA after the impact of hyperthermia (HT)
LP
mcgFen/mg whitesxhour
мкгФен/мг белка час
35 34 33 32 31 30 29 28 27 26
1 2
контроль GTrT control
ЛП
mMtfr$mMrhftèa!fia сч^
35
PP
ПП
30 25 20 15 10 5 0
1
2
контроль GTrT control
Figure 4 - The dynamics of the total proteolytic activity in the supernatants of brain homogenates (mcgFen / mg protein x h) in the rats of strong (1) intermediate (2), and weak (3) types of the HNA after the impact of hyperthermia (HT)
The level of the total proteolytic activity of the supernatants of homogenates of the right cerebral hemisphere under the influence of long-term intake of the pesticide by the rats, decreased a little to a lesser extent - by 17.4%, 15.9% and 18.1%, respectively (all p <0.05) .
In experiments with overheating the rats for 2 weeks, the opposite changes in the activity of catalase and proteolytic enzymes of the rat brain tissues were recorded. Thus, the
hyperthermia led to the decrease, however, unreliable one, in the catalase activity in the supernatant of homogenate of the left half of the brain in the rats of strong, intermediate and weak types of the HNA, compared to the controls -by 8.3%, 8, 7% and 11.8%, respectively (all p <0.01), as shown in Figure 3. The catalase activity in the supernatants of homogenates of the right cerebral hemisphere under the
1
2
3
1
2
3
3
3
influence of long-term overheating of the rats, decreased by 7.1%, 8.3% and 10.0% (all p <0.05).
The conducted studies showed that the 2-week poisoning of the rats with the herbicide "Uragan-forte", led to the suppression of the activity of the primary (catalase) and secondary (total proteolytic activity) protective systems of the brain membranes.
In the conducted studies the level of total proteolytic activity in the supernatant of homogenate of the left half of the brain in the rats of strong, intermediate, and weak types of the HNA, increased under the influence of hyperthermia for 2 weeks, compared to the control values - 6.5%, 5.8% and 9.8% (all p <0.01), respectively, as shown in Figure 4. At that, the protease activity in the supernatants of homogenates of the right cerebral hemisphere under the
influence of long-term overheating of the rats' bodies, increased by 7.3%, 4.5% and 3.5% (all p <0.05). Thus, the conducted studies showed that the intoxication of the rats with the pesticide "Uragan-forte" secondary to the overheating of rats led to the suppression of the protective system of the brain cell membranes. At that, the decrease in the catalase activity in the brain membranes of the rats in the combined action of the extreme factors was the highest compared to their isolated action. At the same time, the changes in the level of total proteolytic activity of the tissues of the both cerebral hemispheres depended on the operative factor: the intoxication suppressed the activity of proteolytic enzymes, and the hyperthermia, on the contrary, increased that indicator.
REFERENCES
1 Калоенова-Сименова Ф. Пестициды. Токсическое действие и профилактика. - М.: Медицина, 1980. - 304 с.
2 Нагорный П.А. Комбинированное действие химических веществ и методы его гигиенического изучение. - М., 1994. -184 с. (P.A. Nagornyi. The combined effect of chemical substances and methods of its hygienic study. - M., 1994. - p.184)
3 Gupta A., Nigam D., Gupta A. e.a. Effect of pyrethroid-based liquid mosquito repellent inhalation on the blood-brain barrier function and oxidative damage in selected organs of developing rats // J. Appl. Toxicol. - 1999. - Vol. 19, N 1. - P. 67-72.
4 Куценко С.А. Основы токсикологии: научно-методичекое издание. - СПб: Изд-во Фолиант, 2010. - 720 с. (S.A. Kutsenko. Basics of toxicology: scientific and methodical edition. - St. Petersburg: Folio Publishing House, 2011. - p.720)
5 Капышева У.Н., Колбай И.С., Куанышбекова Г.А., Байдалинов А.И. Зависимость стрессоустойчивости у крыс от типа высшей нервной деетельности // Известие НАН РК. Сер. биол. и мед. - 2004. - № 2. - С. 49-56.( U.N. Kapysheva, I.S. Kolbai, G.A. Kuanyshbekova, A.I. Baydalinov. The dependence of the resistance to stress in rats on the type of higher nervous activity / / Proceedings of the National Academy of Sciences of Kazakhstan. Ser. biol. and med. - 2010. - № 2. - p. 49-56.)
6 Кольбай И.С., Капышева У.Н., Бахтиерова Ш.К., Баимбетова А. Зависимость состоение клеточных мембран от индивидуально-типологических особенностей высшей нервной деетельности // Известие НАН РК. Сер. биол. и мед. -2006. - № 4. - С. 67-69. (I.S. Kolbay, U.N. Kapysheva, Sh.K. Bakhtiyarova, A. Baimbetova The dependence of the state of the cell membranes on the individual-typological characteristics of higher nervous activity / / Proceedings of the National Academy of Sciences of Kazakhstan. Ser.biol. and med. - 2006. - № 4. - p. 67-69)
7 Колбай И.С., Капышева У.Н., Бахтиерова Ш.К. Состоение лимфо-гемодинамики, клеточного и белкового состава крови у крыс с различными индивидуально-типологическими особенностями поведение // Омский научный вестник. - 2007. -№ 1 (53). - С. 26-28. (I.S. Kolbay, U.N. Kapysheva, Sh.K. Bakhtiyarova. The state of lymph hemodynamics, cellular and protein composition of the blood of rats with different individual-typological characteristics of the behavior / / Omsk Scientific Bulletin. - 2007. - № 1 (53). - p. 26-28)
g Kolbay I.S., Seitkulova L.M. Level of total proteolytic activity in rat intestinal lymph, lymph nodes, and lymphocytes // Acta Medica et Biologica (Japan). - 2012. - Vol. 50, N 3. - P. 111-116.
А.Т. МУСАЕВ, Ж.С. КИСЕБАЕВ, К.М. ТУРЛАНОВ, М. РЫСУЛЫ, Р.Б. ЛЕСБЕКОВА, А.А. ФАТЕЕВА, Ю.С. МАРЧУК, Р.М. ДЮСЕМБЕКОВ, К.К. ЖАЙШЕВ
%аз¥МУ, ^азСТА, Kmiaf3^ Алматы, ^азацстан
КЕЗДЕЙСОК СТРЕСС ЭСЕРЛЕР1НЕН БАС МИЫНЫН ЖАСУША МЕМБРАНА ЖН ЙЕС1Н1Н Э ЗГЕР1СТЕР1
Тн жн: Бц> л жц> мыста тыш^ан бас миыньщ жасуша мембранасыныц метаболизм кэ pceTKiorrepi аны^талды. Зерттеу нэтижесшдi тышкандардыц пестицидтармен улануы жогары температура нэтижесшде бас миыныц жасуша мембранасыныц ^органыс жн йеанщ томендеуЫе алып келдк Тн шнд сэ здер: ми, эксперимент, жасуша мембранасы, метаболизм.
А.Т. МУСАЕВ, Ж.С. КИСЕБАЕВ, К.М. ТУРЛАНОВ, М. РЫСУЛЫ, Р.Б. ЛЕСБЕКОВА, А.А. ФАТЕЕВА, Ю.С. МАРЧУК, Р.М. ДЮСЕМБЕКОВ, К.К. ЖАЙШЕВ
КазНМУ, КазАСТ, НИИКиВБ, Алматы, Казахстан
ИЗМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН ГОЛОВНОГО МОЗГА ПРИ ДЕЙСТВИИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ
СТРЕСС-ФАКТОРОВ
Резюме: В настоещей работе изучены показатели метаболизма клеточных мембран мозга крыс при действии экстремальных стресс-факторов. Проведенные исследование показали, что интоксикацие крыс пестицидами на фоне перегревание крыс приводит к подавления защитной системы клеточных мембран головного мозга. Ключевые слова: мозг, эксперимент, клеточнае мембрана, метаболизм.
УДК *599.325.1:615.777.9+-08:612.273.2(001.13)
А.Н. НУРМУХАМБЕТОВ, Н.Н. РЫСПЕКОВА, М.К. БАЛАБЕКОВА, А.А. АКАНОВ
КазНМУ им. С.Д. Асфендиярова, кафедра патофизиологии, Алматы, РК
СОВРЕМЕННЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ К ГИПОКСИИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
В статье представлены молекулярные механизмы адаптации к гипоксии, структура и функции фактора,
индуцируемого гипоксией (Нэритропоэтина. Обсуждается использование гипоксического прекондиционирования в комплексном лечении анемий
Ключевые слова: гипоксия, адаптация, фактор, индуцируемый гипоксией - HIF, эритропоэтин, анемия
Адаптацие организма к нехватке кислорода и возможность использовать феномен акклиматизации к горным условием с лечебной целья давно привлекали внимание специалистов. Известно, что еще Гиппократ и Авиценна отправлели своих пациентов дле лечение в горы. В мировой литературе накоплены довольно обширные сведение, касаящиесе основных путей приспособление организма к дефициту кислорода, и, тем не менее, вопрос влиении кислородной
недостаточности на организм продолжает оставатьсе одной из актуальных медико-биологических проблем [1-
Ис следованиеми последних лет показано, что ведущуя роль в процессах адаптации к гипоксии играет гипоксие-индуцибильный фактор (HIF-1). Семейство HIF регулирует более 200 генов, ответственных за процессы адаптации организма, вклячае глякозный и
энергетический метаболизм, ангиогенез, эритропоэз, гомеостаз железа, процессы пролиферации дифференцировки клеток, апоптоз, воспаление [9,10]. С.и Peyssonnaux et al. [11] предложили разделить гены, в активации которых принимает участие HIF, на три группы, в зависимости от того, какие белки кодируят эти гены. Первае группа вклячает гены, кодируящие синтез белков, участвуящих в эритропоэзе (ЭПО, трансферин, рецептор трансферина, гемоксигеназа-1, ферропортин и др.); вторае - синтез белков, улучшаящих снабжение тканей кислородом (NO- синтаза, сосудистый фактор роста, Ngb и др.); третье - синтез белков, необходимых дле адаптации к гипоксии (транспортеры глякозы, ферменты гликолиза и др.).
Впервые HIF, был выделен из нуклеарных экстрактов клеток гепатомы человека в 1992 г. Semenza и Wang как 50-нуклеотидный активатор транскрипции гена ЭПО [12]. Эти же авторы дали название фактору транскрипции -
Далее было показано, что HIF-I евлеетсе физиологическим регулетором экспрессии генов, ответственных за изменение функции клетки в условиех гипоксии [13,14,15].
Семейство HIFs принадлежат к группе helix-loop-helix (спираль-петле-спираль) факторов транскрипции, и у человека вклячает HIF-1a, HIF-1p, HIF-2a, HIF-2P, HIF-3a, HIF-3P. Наиболее хорошо изучены HIF-I. Альфа и бета субъединицы фактора состоет из трех доменов: N-терминаль, образуящае свези с ДНК, Pas-домен, необходимый дле гетеродимеризации, С-терминаль,
образуящае свези транскрипционными
корегулеторными белками [16, 17]. Бета субъединица HIF экспрессируетсе постоенно, имеет важное значение в ответе организма на ксенобиотики. Функцие альфа-субъединицы регулируетсе содержанием кислорода. Показано, что HIF-3a может ингибировать две первые изоформы (HIF-1a и HIF-2a) [18+. Большинство генов, экспрессируемых при гипоксии, требуят дле активации HIF-1a [19], тогда как дле синтеза эритропоэтина необходим и HIF-2a [20].
В условиех нормоксии происходит гидроксилирование пролиновых остатков HIF-1a и присоединение кислорода к аспарагиновому остатку вблизи С-терминали под
пролил-4-гидроксилаза-домен-содержащих ферментов (PHD). Модифицированный таким образом HIF-1a соединеетсе с белком von Hippel—Lindau (VHL), обладаящим убиквитин-лигазной активностья, и разрушаетсе в протеосомах [21]. Кислород активирует также фактор, ингибируящий HIF, который гидроксилирует аспарагин HIF-1a. Такое
гидроксилирование предотвращает свезывание HIF-1a с гипоксие-чувствительными элементами промоторов генов-мишеней HIF и их транскрипция [22,23]. При низком уровне кислорода HIF-1a образует активный комплекс с ß-субъединицей, в результате чего становитсе стабильным присоединеетсе гипоксие-
чувствительным элементам генов промоторов [24]. Ось пролил гидроксилазы (PHD) - белок фон Хиппель-Линдау
рассматриваете как центральный регулетор гоме остаза кислорода [24+. Показано, что HIF может активироватьсе также при фосфорилировании МАР-, PI3-, ERK-киназами [25,26].
Широко обсуждаетсе роль митохондрий в стабилизации HIF в условиех умеренной гипоксии. По данным Bell E.L et al., комплекс III электронно-транспортной цепи митохондрий в условиех гипоксии (1,5% О 2) генерирует активные радикалы кислорода, которые стабилизируят HIF-1a, предупреждае гидроксилирование пролил-гидроксилазами (PHD) [27]. Указанный механизм подтверждаят эксперименты, в которых подавление образование активных радикалов кислорода при помощи сиртуина Sir3, приводило к снижения активности HIF-1a [28]. Снижение активности пролил-гидроксилаз под влиением свободных радикалов кислорода объеснеетсе превращением Fe ,2+ евлеящегосе активатором PHD, в Fe [29]. Второй
