Эссенциальные микроэлементы Fе, Cu, Mn, Zn, Se, As) в печени и легких при алиментарном ожирении в эксперименте Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

experimental gastroenterolog

ЭССЕНЦИАЛЬНЫЕ МИКРОЭЛЕМЕНТЫ (FЕ, CU, MN, ZN, SE, AS) В ПЕЧЕНИ И ЛЕГКИХ ПРИ АЛИМЕНТАРНОМ ОЖИРЕНИИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ

Чурин Б.В.14,Асташов В.В.24, Трунова В.А.34, Зверева В.В.3, Старкова Е.В.24

1 НИИ региональной патологии и патоморфологии СО РАМН, Новосибирск

2 НИИ клинической и экспериментальной лимфологии СО РАМН, Новосибирск

3 Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН

4 Новосибирский государственный университет

Старкова Елена Владимировна 630117, Новосибирск, ул.ак.Тимакова, д. 4 Тел.: 8(383) 213 6253; 8(383) 335 9532, Е-та'1Ыаг\епа2000@таН.ги

РЕЗЮМЕ

Цель — установить роль легких в обменных процессах в норме и при алиментарном ожирении. Методом рентгенофлуоресцентного анализа с использованием синхронного излучения проведено определение концентраций Fe, Cu, Mn, Zn, Se, As в ткани легких и печени у 19 контрольных крыс и у 19 крыс с алиментарным ожирением. На основании многочисленных сильных и очень сильных положительных корреляционных связей между содержанием химических элементов показано, что у контрольных крыс натощак метаболизм в легких более напряженный по сравнению с печенью, который при ожирении существенно снижается. После приема свиного сала в легких резко снижается количество корреляционных связей между концентрациями этих микроэлементов у контрольных животных, при ожирении меняется их характер, что свидетельствует о переключении метаболизма в связи с утилизацией триглицеридов в этом органе у контрольных крыс и о нарушении этого процесса при ожирении. Ключевые слова: ожирение; легкое; печень; микроэлементы.

SUMMARY

The purpose — to establish the role of lungs in the metabolic processes in normal and alimentary obesity. The method of X-ray fluorescence analysis using synchrotron radiation, the determination of concentrations Fe, Cu, Mn, Zn, Se, As in the tissue of the lungs and liver in 19 control rats and 19 rats with alimentary obesity. On the basis of many strengths and very strong positive correlation between the content of chemical elements shows that in the control rats, fasting metabolism in the lung more intense than the liver, which in case of obesity is significantly reduced. After receiving the lard in the lungs decreases the number of correlations between the concentrations of microelements in the control animals. Obesity changing their character, indicating a switch of metabolism in connection with the utilization of triglycerides in the body of the control rats, and a malfunction of this process in obesity. Keywords: obesity; lung; liver, trace elements.

ВВЕДЕНИЕ

Ожирение — одно из наиболее распространенных хронических заболеваний. К концу ХХ века людей с избыточной массой тела и ожирением было около 30% всех жителей планеты [1-3]. Причины ожирения остаются недостаточно изученными,

основными считаются переедание и снижение физической активности.

Одним из принципов организации биологической системы является множественность функций, то есть каждая сложная система имеет более

о

1-Л

сэ о

чем одну функцию [4]. Известно, что легкие выполняют множество функций, не связанных непосредственно с процессами дыхания. Наряду с печенью они играют важную роль в метаболизме. Как и печень, легкие имеют полный набор ферментативных систем, обеспечивающих процессы окисления, восстановления, метилирования [5-8]. Легкие богаты ферментами и их активаторами, участвующими в липидном обмене, в них синтезируется основная структура аэрогематического барьера — сурфактант, простагландины и лейкотриены [7]. Сурфактант на 80-95% состоит из липидов (95% которых приходится на фосфолипиды и холестерин). Обновляется сурфактант быстро (через 7-28 часов), и поэтому потребность в нем очень высока [9].

Легкие являются первым органом на пути хило-микронов, поступающих из тонкой кишки в лимфатическую систему после приема жирной пищи, и благодаря большому содержанию в капиллярах легких гепарина и липопротенинлипазы происходит отщепление триглицеридов и их последующий гидролиз.

Целью настоящего исследования явилось изучение роли легких в обменных процессах в норме и при алиментарном ожирении. Сравнивалось содержание эссенциальных микроэлементов (Бе, Си, Мп, Zn, Se, Аз) в ткани печени и легких у контрольных крыс и у крыс с алиментарным ожирением как натощак, так и вскоре после приема жирной пищи.

Выбор этих микроэлементов обусловлен их активным участием в метаболизме, тканевом дыхании, образовании перекисей в мембранах клеток, в антиоксидантной защите тканей [10-13] и обмене липидов [10].

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проведено на нелинейных крысах-самцах Вистар с исходной массой тела 200-220 г. Эксперимент проводили в соответствии с правилами гуманного обращения с животными («Правила проведения работ с использованием экспериментальных животных»), кормление животных проводилось в соответствии с нормами, утвержденными приказом МЗ РФ. Животные I серии (19 крыс) в течение 2,5 месяца получали стандартный рацион вивария. Животным II серии (19 крыс) к стандартному рациону питания добавляли свиное сало из расчета 3,0-3,5 г на одну крысу в сутки. Крысы каждой серии подразделялись на две группы: получавшие и не получавшие свиное сало за 2 часа до острого эксперимента (из расчета 1 г на 100 г массы тела). Две другие группы не получали пищу в течение 12 часов до острого эксперимента.

Животные забивались под этаминаловым наркозом (4 мг/100 г массы тела), и проводился забор тканей печени и легкого. Образцы тканей высушивались на воздухе при температуре 35 °С в течение 48 часов и более до постоянного веса.

Концентрация химических элементов (ХЭ) выражалась в мкг на 1 г сухой ткани. Определение количественного содержания Бе, Си, Мп, 7п, 8е и Аз в тканях печени и легких осуществлялось методом рентгено-флуоресцентного анализа с использованием синхротронного излучения на станции элементного анализа в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения (ИЯФ СО РАН).

Полученные данные обрабатывались методом вариационной статистики с использованием критериев Фишера и Стьюдента. Вычислялись коэффициенты ранговой корреляции Спирмена (р = 0,01) между концентрациями ХЭ в легких и печени.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Средняя масса тела к концу эксперимента в контрольной серии составила 280 г, в опытной — 360 г (р < 0,0001). Масса опытной серии крыс нарастала за счет увеличения объема подкожной жировой клетчатки и жира в области большого и малого сальников и почечного ложа.

Концентрации микроэлементов как в печени, так и в легких при сравнении средних величин в группе животных с ожирением достоверно не отличались от контрольных (р > 0,05). Это имело место у крыс как натощак, так и после употребления свиного сала (табл. 1). При проведении корреляционного анализа установлены положительные сильные (0,7 < г < 0,9) и очень сильные (г > 0,9) связи между содержанием отдельных микроэлементов в тканях как печени, так и легких в обеих сериях животных натощак и после употребления свиного сала (табл. 2). Натощак в печени контрольных крыс имели место сильные корреляционные связи между концентрациями Си и Мп, Си и Se, Zn и Бе. У крыс с ожирением натощак в печени обнаружены сильные корреляционные связи между концентрациями Си и Мп, Си и Se. В отличие от контрольных животных нет корреляционных связей между концентрациями Zn и Бе и выявлены взаимозависимости между Se и Мп, Zn и Си.

Через два часа после приема сала характер взаимозависимостей между концентрациями ХЭ в тканях печени у крыс существенно изменился — в контрольной серии сохранились сильные корреляционные связи между Zn и Бе, Си и Se, имевшие место натощак. Исчезла взаимозависимость между Мп и Си. Появились очень сильные связи между Си и Zn, Си и Бе и сильная связь между Zn и Se.

У крыс с ожирением после употребления сала в печени исчезли все корреляционные связи, установленные натощак, и появилась сильная зависимость между Си и Бе. Характер взаимосвязей в легких между концентрациями ХЭ существенно отличался от таковых в печени (табл. 3). Корреляционных связей между концентрациями микроэлементов в ткани легкого натощак в контрольной серии оказалось больше, чем в печени.

Таблица 1

КОНЦЕНТРАЦИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПЕЧЕНИ И ЛЕГКИХ У КОНТРОЛЬНЫХ КРЫС И С АЛИМЕНТАРНЫМ ОЖИРЕНИЕМ (В МКГ/Г СУХОЙ ТКАНИ)

Группы животных Химические элементы

Mn Fe Zn As Se

Печень

Контрольная натощак (п = 9) 4,8 ± 1,5 500 ± 230 11 ± 3,4 90 ± 30 0,30 ± 0,11 2,3 ± 0,7

после еды (п = 10) 4,9 ± 1,0 490 ± 220 11 ± 4,4 90 ± 34 0,50 ± 0,28 2,3 ± 0,7

Опытная натощак (п = 9) 4,9 ± 1,7 470 ± 104 10 ± 3,3 100 ± 30 0,30 ± 0,22 2,4 ± 0,9

после еды (п = 10) 5,4 ± 3,6 500 ± 203 10 ± 3,9 100 ± 35 0,20 ± 0,13 2,3 ± 0,7

Легкие

Контрольная натощак (п = 11) 1,4 ± 0,5 400 ± 190 4,0 ± 2,0 50 ± 23 1,0 ± 0,80 1,3 ± 0,6

после еды (п = 12) 1,6 ± 0,4 440 ± 67 5,0 ± 1,0 70 ± 15 1,3 ± 0,65 1,5 ± 0,4

Опытная натощак (п = 9) 1,7 ± 0,4 440 ± 89 4,5 ± 0,9 60 ± 13 0,8 ± 0,61 1,3 ± 0,2

после еды (п = 11) 1,7 ± 0,4 650 ± 170 5,2 ± 0,9 70 ± 14 1,0 ± 0,60 1,4 ± 0,3

Б >■

о

о 2

си

С £

Ц о

в

I5

Я ^

О ¡о

о &

а

и га

б га х

л

<

га н

X

ш 2 5 а ш с У

т

Таблица 2

КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ КОРРЕЛЯЦИЙ СПИРМЕНА МЕЖДУ КОНЦЕНТРАЦИЯМИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ТКАНИ ПЕЧЕНИ У КРЫС КОНТРОЛЬНЫХ И С АЛИМЕНТАРНЫМ ОЖИРЕНИЕМ № = 0,01)

Группы животных Голодные Сытые

Mn Fe Cu Zn As Se Mn Fe Cu Zn As Se

Контрольная Fe

Ои 0,88 0,92

гп 0,83 0,89 0,98

Аэ

8е 0,88 0,79 0,80

Опытная (с ожирением) Ре

Ои 0,83 0,84

гп 0,93

Аэ

8е 0,88 0,88

Как и в печени, в легких установлены корреляции между Zn и Fe, Ои и Se, причем первая очень сильная. Обнаружены очень сильные связи между концентрациями Fe и Ои и сильные между Fe и Mn, Fe и Se, Fe и As, Zn и Mn, Zn и Cu, Zn и Se, Se и As. В ткани легкого в отличие от печени не обнаружена корреляция между Mn и Ои. У крыс с ожирением натощак в ткани легкого обнаружена единственная взаимозависимость — между As и Mn, которая отсутствовала у контрольных животных.

Через 2 часа после приема сала представленные корреляционные связи между ХЭ в ткани легкого

натощак в контрольной серии исчезли, за исключением одной сильной связи — между гп и Ои. Новые корреляционные связи не появились. У животных с ожирением после употребления сала исчезла связь между Mn и As, но появились две новые — между Se и Fe, Se и Ои.

Полученные данные свидетельствуют о том, что средние показатели концентраций Fe, Ои, Mn, Zn, Se и As в тканях как печени, так и легких в опытной и контрольной серии крыс натощак достоверно не различаются. Не изменяются концентрации элементов в обеих сериях в ответ на прием сала.

Активное участие ХЭ при алиментарном ожире-^ нии и после употребления сала в обеих сериях под-

тверждается появлением сильных и очень сильных ^ корреляционных связей между их концентрациями

1 в тканях легких и печени. Объяснений таких ре-

= зультатов несколько.

¡! Во-первых, в организме животных для микроэ-

^ лементов существуют оборотный и резервный пулы

^ 5 [14], например, концентрация Си и Бе в печени здо-= § рового человека может различаться в 10 и более раз е ё [15], что, вероятно, связано с различными резервами £ 2 этих микроэлементов в тканях организма. При уме-¡3 § ренном изменении метаболизма оборотный пул | микроэлементов может быстро пополниться за счет * тканевых резервов, что не отразится на общей концентрации микроэлемента в ткани. Накопление микроэлементов в тканях не всегда свидетельствует В о более активном их участии в обменных процессах. ™ Например, в старости, при снижении обменных

° процессов, количество Zn в тканях увеличивается

[16], что связано с накоплением ХЭ в резервном пуле.

Во-вторых, между ХЭ в организме имеют место как синергические, так и антагонистические отношения в процессе биохимических реакций. Это отчасти связано с теми ферментативными системами, в которых микроэлементы связаны непрочно с активным центром и между ними может происходить конкуренция за встраивание в систему.

В-третьих, у химических элементов с переменной валентностью (Бе, Мп, Си, Se, Аз) биологическая роль существенно зависит от валентности, которая обычно не учитывается в исследованиях на биологических объектах.

Взаимосвязи между ХЭ не ограничиваются только ферментативными системами. Изменениям обменных процессов способствует свойство Си,

Zn, Мп и Бе образовывать комплексы с белками, нуклеиновыми кислотами, АТФ, АДФ, отдельными аминокислотами, что нарушает функцию этих веществ. Некоторые микроэлементы (Си, гп) связывают сульфгидрильные группы, что резко нарушает течение биохимических процессов.

Между ХЭ в тканях организма существуют количественные взаимозависимости. Например, известно, что дефицит в организме ведет к сидерозу печени и селезенки [17], а избыточное поступление Zn в организм приводит к дефициту Бе и Си [10]. Поэтому при выяснении роли каждого ХЭ в метаболизме целесообразно рассматривать большую группу микроэлементов, особенно со сходными физико-химическими свойствами [18].

Выявленные в проведенном исследовании взаимозависимости между концентрациями ХЭ в печени и легких контрольной серии крыс в состоянии физиологического голода, учитывая их активную роль в биологическом окислении и обмене липидов, свидетельствуют об изменении метаболизма в этих органах. Металлы с переменной валентностью (Бе, Мп, Си) в составе ферментов участвуют в различных окислительно-восстановительных реакциях [12; 13; 19]. Цинк не проявляет переменной валентности, но активно участвует в процессах тканевого дыхания [11] и является компонентом карбоангидразы, без которой нормальный газообмен в тканях был бы затруднен.

Бе, Мп, Си и гп играют важную роль в липидном обмене [10; 16], что подтверждают обнаруженные положительные корреляции между содержанием этих элементов и липидов в печени [20]. Селен участвует в антиоксидантной защите и окислительных реакциях, является компонентом системы цитохром Р450, входит в состав активных центров

Таблица 3

о

КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ КОРРЕЛЯЦИЙ СПИРМЕНА МЕЖДУ КОНЦЕНТРАЦИЯМИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ТКАНИ ЛЕГКИХ У КОНТРОЛЬНЫХ КРЫС И С АЛИМЕНТАРНЫМ ОЖИРЕНИЕМ

№ = 0,01)

Группы животных Голодные Сытые

Mn Fe Zn As Se Mn Fe Zn As 8в

Контрольная Бе 0,76

Си 0,91

гп 0,81 0,94 0,82 0,73

Аз 0,75 0,81

8е 0,88 0,80 0,84 0,87

Опытная (с ожирением) Бе

Си

гп

Аз 0,80

8е 0,79 0,77

глютатионредуктазы и глютатионпероксидазы, разрушающей перекись водорода и липидные перекиси [10; 12; 21; 22]. Мышьяк в небольших количествах необходим для нормального функционирования живых систем, он связывается с гидратирован-ными SH-группами белков, разрушая их вторичную структуру [10], и участвует в окислительно-восстановительных реакциях [11].

После употребления жирной пищи в печени контрольных крыс увеличивалось число и изменялся характер корреляционных связей между концентрациями ХЭ. Установленные корреляции концентрации Си с Мп, Бе, Zn и 8е свидетельствуют об активном участии этих ХЭ в усвоении жира, поступающего с пищей.

После употребления свиного сала у контрольных крыс обнаружена лишь одна корреляционная связь из 11 (между концентрациями 7п и Си), что свидетельствует о переключении метаболизма в легких в связи с утилизацией ими триглицеридов [23]. Полученные данные, вероятно, являются отражением более высокой активности окислительно-восстановительных процессов в легких натощак у контрольных крыс и снижении их после приема свиного сала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Отсутствие достоверных различий между средними величинами концентраций Бе, Си, Мп, 7п, Se и Аз соответственно в легких и печени в опытной серии

животных по сравнению с контрольной не означает, что в становлении алиментарного ожирения эти ХЭ не играют активной роли, последняя подтверждается появлением положительных сильных и очень сильных корреляционных связей между их концентрациями в тканях. Более многочисленные корреляционные связи, обнаруженные в легких, по сравнению с печенью у контрольных животных натощак свидетельствуют о достаточно напряженном метаболизме в этом органе.

Резкое снижение числа корреляционных связей между концентрациями исследуемых ХЭ в ткани легкого в состоянии натощак при алиментарном ожирении по сравнению с контрольными животными свидетельствует о нарушении обменных процессов в этом органе. Вскоре после приема свиного сала у контрольных крыс резко уменьшается количество корреляционных связей между концентрациями микроэлементов в легких, а у крыс с ожирением меняется их характер, что свидетельствует о быстром переключении метаболизма в легких после приема жирной пищи в связи с утилизацией в них триглицеридов и о нарушении этого процесса при ожирении.

Полученные данные указывают на активное участие легких в обменных процессах натощак и на снижении метаболизма в органе при ожирении.

Б >■

о

о 2

CU

се Я й

Q о

В

1 5

Я ^

О b О &

S

и га i_ к га х

л

<

га h X

ш

2 s а ш с У

m

ЛИТЕРАТУРА

1. Арон Л. Ожирениев. Общая и врачебная практика по Джонсону Нобелю/Под ред. Дж. Нобеля; пер. с англ. — М.: Практика, 2005. — С. 484-495.

2. Mokdad A. H., Serdula M. K., Dietz W. H. et al. The spead of the obesity epidemic in the United States 1991-1998 // JAMA. — 1999. — Vol. 282. — P. 1519-1522.

3. Мельниченко Г. А., Романцева Т. И. Ожирение: эпидемиология, классификация, патогненез, клиническая симптоматика и диагностика. Ожирение: этиология, патогенез, клинические аспекты/Под ред. И. И. Дедова, Г. А. Мельниченко. — М.: Мед. информагентство, 2006. — 456 с. — С. 16-43.

4. Уголев А. М. Эволюция пищеварения и принципы эволюции функции: Элементы современного функционализма. — Л.: Наука, 1985. — 544 с.

5. Wittmann J. Respiratory and non-respiratory functions of the lungs. Tierarzl Prax. Suppl. — 1987; 2:33-36.

6. Hietanen E., Marniemi J., Liippo K. et al. Role of pulmonary diseases and physical condition in the regulation of vasoactive hormones. Clin. Physiol. — 1988. — 8 (6): 581-590.

7. Сыромятникова Н. В., Гончарова В. А., Котенко Т. В. Метаболическая активность легких. — Л., 1987. — 168 с.

8. ЗильберА.П. Этюды респираторной медицины. — М.: МЕДпресс-информ, 2007. — 792 с.

9. Лепеха Л. Н. Макрофаги и дендритные клетки легких. Респираторная медицина: в 2-х т./Под ред. А. Г. Чучалина. — М.: ГЭОТАР-

Медиа, 2007. — Т. 1. — С. 174-186.

10. ПанченкоЛ. Ф., Маев И. В., Гуревич К. Г. Клиническая биохимия микроэлементов. — М.: ГОУ ВУНМЦ МЗ РФ, 2004. — 368 с.

11. Хьюз М. Неорганическая химия биологических процессов; пер с англ. — М.: Мир, 1983. — 416 с.

12. Combs J. F. Selenium of nutrition // Encyclopedia of human biology. 2nd ed. — 1997. — Vol. 7. — P. 743-754.

13. Гринвуд Н. Химия элементов: в 2-х т./Н. Гринвуд, А. Эрншо; Пер с англ. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — Т. 2. — 670 с.

14. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология: В 3-х т. Т. 1; пер с англ/Под ред. Р. Сопера. — 3-е изд. — М.: Мир, 2001. — 454 с.

15. Ronald J., Thomas S. Thompson&Heanther R. Lynch. Determination of cooper, manganase and zinc in human liver // Bio Metals. — 1998. — № 11. — P. 49-53.

16. Абдурахманов Г.М. Зайцев И.В. Экологические особенности содержания микроэлементов в организме животных и человека. — М.: Наука, 2004. — 280 с.

17. Schumann K., Libean A., Gunther T., Vormann J. Mechanismus und Ausma der Sideroseen — twicklung im magnesiummangel // Vita Main Surp. — 1996. — № 4. — S. 186-194.

18. Zhang P., Chen C., Horvat M. et al. Element content and element correlations in Chinese human liver // Anal. Bional. Chem. — 2004. V. 380. — P. 773-781.

19. МеньщиковаЕ. Б., Ланкин В. З., Зенков Н. К. и др. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты. — М.: Слово, 2006. — 556 с.

20. Kim E. Y., Goto R., Tanabe S. et al. Distribution of 14 elements in tissues and organs of oceanic seabirds/Arch. Environ Contam. Toxo-col. — 1998. — Vol. 35. — P. 638-645.

21. Скальный А. В. Химические элементы в физиологии и экологии человека. — М.: Оникс 21 век: Мир, 2004. — 216 с.

22. Голубкина Н.А., Папазян Т. Т. Селен в питании: растения, животные, человек. М.: печатный город. 2006. — 254 с.

23. Чурин Б. В., Асташов В. В., Старкова Е. В., Чуканов А. С. Роль легких в утилизации триглицеридов из плазмы крови после приема жира в норме и при экспериментальном ожирении // Эксперим. и клин. гастроэнтерол. — 2010. — № 4. — С. 70-72.

m

•о