CC BY
289
БИОХИМИЯ
УДК 577.121:б15.917:547.112.387.222.52/59 © Ф^. Камилов, 2007
Ф.Х. Камилов ПАТОХИМИЯ ТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ХЛОРОРГАНИЧЕСКИХ И АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
ГОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет Росздрава», г. Уфа
В статье обобщены результаты экспериментальных исследований влияния диоксинсодержащих гербицидов на основе дихлорфеноксиуксусной кислоты, полихлорированных бифенилов (совол, совтол), пиромеллитового диангидрида и циклических углеводородов, используемых в его производстве, на метаболические процессы в тканях: состояние свободнорадикального окисления, активность транскрипции генов и содержание цитохромов Р-450-СУР 1А1, СУР 1А2, в5, характеристику антиоксидантной системы, активности ферментов цикла лимонной кислоты, дыхательной функции митохондрий, мембраносвязанных транспортных АТФ-аз, энергетического потенциала клетки и др.
Ключевые слова: гербициды, полихлорированные бифенилы, метаболизм, тиреоидная система
F.Kh. Kamilov PATHOCHEMISTRY OF TOXIC EFFECTS OF CHLORORGANIC AND AROMATIC COMPOUNDS
The focus of this paper is on the results of experimental studies of the impact of dioxin containing herbicides based on dichlor-phenenoxiacetic acid, polychlorinated biphenyls (sovol, sovtol), pyromellitic diangidrid and cyclic hydrocarbons applied in its production on metabolic processes in tissues. They include free-radical oxidation conditions, activity of genes’ transcription and P-450-CYP 1A1, CYP 1A2, cytochroms content, antioxidant system characteristics, enzyme activity of a citric acid cycle, mytochondri respiratory function, membrane connected transport ATF-asa, cellular energy potential, etc.
Key words: dioxin containing herbicides, polychlorinated biphenyl, metabolism, thyroid system.
Республика Башкортостан является одним из крупнейших в России производителей циклических и галогенированных углеводородов и продуктов, синтезируемых на их основе. Крупнотоннажные производства на основе хлорорганического синтеза существуют с 60-х годов в городах Уфе, Стерлитамаке, Салавате. В результате, как свидетельствуют многолетние наблюдения, для региона характерны специфические промышленные выбросы глобальных суперэкотоксикантов с широким спектром биологического действия - га-логенированные диоксины, фураны, бифенилы [5], относящиеся, благодаря своим свойствам, к группе стойких органических загрязнителей (СОЗ) [17]. Хотя среднегодовые выбросы диоксинов на предприятиях г. Уфы существенно снизились по сравнению с 70-90-ми годами прошлого столетия и не превышают 50 г/год, среднее содержание этих экотоксикантов в крови уфимцев не снижается и, более того, имеет тенденцию к нарастанию [14]. Столь же реальную угрозу составляют полихлорированные бифенилы (ПХБ) и фенолы, использование которых, несмотря на резкое сокращение и прекращение их производства, в отдельных отраслях промышленности продолжается. По некоторым данным [12], даже через 5 лет после прекращения производственного контакта уровень ПХБ в плазме кро-
ви рабочих вдвое превышает допустимые референтные значения.
Реальную опасность для жителей наших крупных промышленных центров, сельскохозяйственных рабочих, связанных с использованием хлорсодержащих гербицидов, представляет хроническое действие СОЗ. Именно при небольшом, но постоянном, подчас ежедневном поступлении в организм человека диоксинов, ПХБ развивается ряд симптомов поражения, поскольку даже в ничтожных количествах они обладают эмбриотическим и тератогенным действием, канцерогенным, иммуносупрессирующим, репротоксическим эффектами [15, 16], что и обусловливает их чрезвычайную опасность.
В этой связи проводились целенаправленные исследования метаболических нарушений при хроническом действии таких соединений, как диоксинсодержащие гербициды на основе 2, 4 - дихлорфеноксиуксусной кислоты (2, 4 - Б), полихлорированные бифенилы (ПХБ), пиромеллитовый диангидрид и его производные, с целью разработки мер профилактики и коррекции патохимических изменений.
В результате проведенных исследований выявлено, что в развитии интоксикации при действии указанных поллютантов ведущее значение имеет ряд патохимических
сдвигов. Наблюдается усиление микросо-мального окисления с индукцией синтеза проинформационной РНК цитохромов Р450 и в5 [6] (рис. 1) и увеличением содержания мо-нооксидазных энзимов тканей мозга, печени, легких и почек [13] (табл. 1), хотя и имеется органоспецифичная модуляция активности тринскрипции генов исследованных цитохро-мов. Важно отметить, что при введении хлорированных бифенилов, так же как и диоксинов, происходит стимуляция транскрипции гена токсифицирующей изоформы цитохрома Р-450 - СУР 1А1, с которым связаны процессы мутагенеза, тератогеназа, канцерогеназа, изменения метаболизма стероидных соедине-
печень
300 -|
250 ------------------------------------------
200 -------—---------- -----------------------
150 —------ ----—I— --------------------1=|—
100-- _ -----------------------------------
50- ---- ---------------
0
ний и др. Индуцирующее действие стойких галогенированных поллютантов на СУР 1А1 опосредовано цитоплазматическим арилугле-водородным рецептором [16, 21].
В тканях экспериментальных животных наблюдается активация процессов свободнорадикального окисления с пероксидацией мембранных липидов (ПОЛ), нарушением функции транспортных и рецепторных белков клеточных мембран, снижением физиологической антиоксидантной защиты [18, 19]. В табл. 2 представлены результаты определения активности АТФ-аз мембран эритроцитов при воздействии на крыс разными дозами гербицида 2, 4 -ДА.
легкие головной мозг
т—----------------—I-------------------------1—-----------------—Г
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
0,025LД50 0,05LД50 0,025LД50 0,05LД50 0,025LД50 0,05LД50
Рис. 1 Активность транскрипции генов цитохрома СУР 1А 1 (1), СУР 1А 2 (2) и в5 (3) в органах крыс при 14-дневной интоксикации ПХБ (соволом) в суммарных дозах 0,025 ЬД50 и 0,05 ЬД50
Таблица 1
Содержание цитохромов Р450 и в5, НАДФ^Н - цитохром Р450 и НАД^Н - цитохром в5 редуктаз в тканях крыс, подвергнутых воздействию паров диоксана в концентрации 0,1 мг/м3в течение 30 дней______________
Группы животных Ткани Ферменты, нмоль/мг белка
ЦиТОХрОМ Р450 Цитохром в5 НАДФН-цитохром Р450 редуктаза НАДН-цитохром в5 редуктаза
Печень 2,25±0,05 2,37±0,06 4,12±0,24 9,55±0,42
Интактные, п=10 Легкие 1,03±0,04 1,25±0,05 1,54±0,12 4,24±0,12
Почки 1,06±0,04 1,24±0,04 2,25±0,15 6,62±0,26
Печень 5,96±0,33* 4,84±0,32* 12,42±0,98* 25,33±1,24*
Подопытные, п=10 Легкие 2,87±0,24* 3,23±0,31* 3,88±0,33* 9,72±0,65*
Почки 3,53±0,26* 2,86±0,35* 7,07±0,52* 9,55±1,04*
* р<0,05 между сравниваемыми группами в данной и последующих таблицах
Таблица 2
_____Влияние хронического отравления крыс гербицидом 2,4 - ДА на АТФ - азную активность эритроцитарных мембран________
Группы животных Суммарная доза 2, 4 -ДА Активность АТФ-аз, нмоль/мин-мг белка
№+, К+ -зависимая Са2+- активируемая
Интактные, п=12 2,96±0,20 6,33±0,22
Подопытные, п=10 0 0 «О «О 33 ,1 ,5 о" о" 2,05±0,33* 2,11±0,29* 5,06±0,32* 5,03±0,36*
Уровень и выраженность патохимических изменений при действии галогенизиро-ванных и ароматических поллютантов зависят от частоты и интенсивности их поступления. В клетках обнаруживаются сдвиги процессов тканевого дыхания и продукции макроэргов. Динамика изменений содержания АТФ, энергетического заряда клеток, процессов энерго-
продукции и использования АТФ характеризуется определенной закономерностью. При подпороговой или пороговой концентрациях экотоксикантов или их непродолжительном действии энергетическая система клеток компенсирует имеющуюся нагрузку, хотя и наблюдаются изменения соотношения аэробных и анаэробных процессов, интенсивности син-
теза de novo и перефосфорилирования адени-ловых нуклеотидов клеточного фонда. При продолжительном поступлении или действии высоких (надпороговых) концентраций пол-лютантов развивается дефицит АТФ с некомпенсированным, хотя и усиленным его биосинтезом [18].
В митохондриях экспериментальных животных при введении хлоорганических поллютантов снижаются эффективность НАД
- зависимых субстратов (глуамат, малат) и относительная интактность флавинзависимо-
го участка дыхательной цепи (таблица 3) [3].
В тканях при этом наблюдаются повышение содержания лактата и снижение уровня пирувата, значительное (в 1,5 и более раз) падение коэффициента НАД+/НАДН [4]. Выявлено снижение активности ряда ферментов цикла трикарбоновых кислот и глутаматде-гидрогеназы [1, 2]. Эти данные также свидетельствуют об усилении анаэробных процессов и снижении энергетического потенциала клеток.
Таблица 3
Показатели интенсивности тканевого дыхания митохондрий печени крыс при экспериментальной подострой (28 суток) интоксикации гербицидом 2, 4 - ДА в присутствии НАД-зависимых (глутамат, малат) и ФАД-зависимых (сукцинат) субстратов, ___________________________________________________нмоль 02/мин., п=12___________________________________________________
Полярографические параметры Глутамат, малат Сукцинат
Интактные животные Подопытные животные Интактные животные Подопытные животные
У4 покоя 43,5±1,80 43,0±1,41 67,0±5,2 88,0±4,8*
покоя 147,4±8,20 113,0±6,50* 179,0±8,9 215,0±9,4*
У4 отдыха 47,0±1,41 44,0±1,40 70,0±5,1 94,4±5,9*
Коэфф. стимул. дыхания 3,39±0,03 2,63±0,06* 2,67±0,06 2,44±0,02
Коэфф. дыхат. контроля 3,13±0,05 2,56±0,06* 2,56±0,06 2,28±0,04*
V окисл. фосфорилирования 102,4±6,05 67,5±4,95* 112,0±3,74 123,6±4,30
Коэфф. АДФ/О 2,52±0,17 2,00±0,07* 1,76±0,07 1,62±0,05
Одновременно наблюдаются значимое снижение антиокислительной защиты, синтетической фазы детоксикации, нарушения обмена нуклеиновых кислот, белка, гликогена, липидов и другие явления метаболической декомпенсации клеток и тканей.
Помимо непосредственного влияния СОЗ на метаболизм клеток весомый вклад в формирование системных эффектов на фоне действия токсикантов вносит и их эндокрино-токсичность [7, 8]. С этих позиций представляли интерес состояние тиреоидной системы и системы гормональной регуляции репродуктивных функций, поскольку как половые, так и йодированные гормоны щитовидной железы обладают наиболее широким спектром биологических эффектов. Проведенные исследования позволили установить, что в условиях интоксикации хлорированными СОЗ развиваются выраженные сдвиги тиреоидного статуса, отражающие активную элиминацию йодтиронинов из кровотока, замедление их периферического метаболизма и снижение гормонсинтезирующей функции щитовидной железы. У подопытных животных наблюдаются признаки морфофункциональной патологии щитовидной железы, существенное снижение в периферической крови концентрации тиреоидных гормонов и преобладание их метаболически неактивных форм, в тканях
- падение активности тиреоидзависимых ферментов энергетического и азотистого метаболизма [9]. Одной из причин развивающегося гипотиреоидного эффекта является десенси-
тизация компетентных клеток гипоталамо-гипофизарной системы к центральным и периферическим регуляторным действиям, связанным, вероятнее всего, с изменениями их рецепторного аппарата.
Получены также новые данные, раскрывающие действие СОЗ на систему крови и иммунитет. Так, вскрыты механизмы развития гематологических нарушений, сопровождающих интоксикацию гербицидами. У животных наблюдается дозозависимые по выраженности и времени развития гематологические сдвиги, характеризующиеся ускоренным разрушением эритроцитов в результате дестабилизации их мембран, торможением эритро-поэза в костном мозге и как следствие развитием анемии с обширными морфофункциональными нарушениями различных органов и тканей [11, 20]. Показано, что иммунотропное действие феноксигербицидов характеризуется супрессивным эффектом на гуморальное звено, снижением энергетических и пластических процессов в макрофагах с последующими нарушениями их основных функций [10].
Проведенные исследования позволили, во-первых, сформулировать общие молекулярные механизмы токсического действия данной группы химических факторов дезадаптации, уточнить последовательность развития взаимосвязанных биохимических реакций, приводящих к формированию патологического процесса при длительном поступлении малых доз токсиканта - развития премор-бидного состояния (рис. 2).
Рис. 2 Схема общих молекулярных механизмов развития преморбидного состояния при действии стойких органических загрязнителей
Во-вторых, они позволили выявить и обосновать комплекс информативных биохимических показателей ранней донозологиче-ской диагностики проявлений патогенного воздействия исследованных токсикантов, что представляется важным при мониторинговой оценке состояния здоровья лиц, имеющих производственный контакт с этой группой соединений, а также показателей для оценки негативного влияния поллютантов на здоровье работников химического, нефтехимического и нефтеперерабатывающего произ-
водств и населения регионов с выраженной экологической нагрузкой и неблагополучием.
В - третьих, были определены и экспериментально обоснованы методы и схемы фармакологической коррекции развивающихся метаболических и функциональных изменений, разработаны рекомендации по профилактике донозологических сдвигов в состоянии организма при действии исследуемых поллютантов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абдуллина Г.М. Влияние интоксикации гербицидов 2,4 - ДА на активность некоторых ферментных систем печени в эксперименте / Г.М. Абдуллина, А.Ж. Гильманов // Актуальные вопросы прикладной биохимии и биотехнологии: Матер. конф. биохимиков Урала и Зап. Сибири.
- Уфа, 1998. - С. 80-82.
2. Абдуллина Г.М. Тиреоидзависимые сдвиги ферментов печени при интоксикации полихлорированными бифенилами / Г.М. Абдуллина, Ш.Н. Галимов, Т.Р. Зулькарнаев, Ф.Х. Камилов // Токсиколог. вестник. - 2002. - № 2. - С. 10-14.
3. Аглетдинов Э.Ф. Скорость окисления некоторых субстратов в митохондриях печени при экспериментальной интоксикации гербицидом 2,4 - ДА / Э.Ф. Аглетдинов, А.Ж. Гильманов // Актуальные проблемы теоритической и прикладной биохимии. - Челябинск, 1999. - С. 230234.
4. Аглетдинов Э.Ф. Содержание никотинамидных коферментов в печени крыс в условиях интоксикации гербицидом 2,4 - ДА и при коррекции тироксином / Э.Ф. Аглетдинов, А.Ж. Гильманов // Вестник РГМУ. - 2000. - № 2 (12). - С. 135-136.
5. Амирова З.К. Ситуация с диоксинами в Республике Башкортостан /З.К. Амирова, З.А. Круглов. - Уфа: Реактив, 1998.- 116с.
6. Габдуллина Н.Т. Функциональное состояние генов цитохромов Р-450 и в5 в клетках органов крыс при различных сроках введения бромантана / Н.Т. Габдуллина, Ф.Х. Камилов, Ю.В. Вахитова, С.А. Сергеева // Свободные радикалы, антиоксиданты и болезни человека. - Смоленск, 2001. - С. 29-30.
7. Галимов Ш.Н. Влияние диоксинсодержащего гербицида 2, 4-ДА на гормональный статус экспериментальных животных / Ш.Н. Галимов, А.Ж. Гильманов, Ф.Х. Камилов, Э.Г. Давлетов // Медицина труда и пром. экология. - 1997. - № 8. - С. 15-18.
8. Галимов Ш.Н. Гонадотропные эффекты феноксигербицидов в мужском организме / Ш.Н. Галимов, Ф.Х. Камилов. - Уфа, 2001. - 184с.
9. Гильманов А.Ж. Состояние щитовидной железы и тиреоидзависимый метаболизм при воздействии хлорфеноксигербицидов / А.Ж. Гильманов: Автореф. дисс. ...д-ра мед. наук. - Уфа, 2000. - 48с.
10. Имельбаева Э.А. Иммунотропные эффекты феноксигербицидов / Э.А. Имельбаева, С.Н. Теплова, Ф.Х. Камилов, Б.Х. Ахметова.- Уфа, 2000. - 116с.
11. Каюмова А.Ф. Гистоморфологическое исследование органов и тканей экспериментальных животных при воздействии хлорированных фенокислот / А.Ф. Каюмова, Ф.А. Каюмов // Здравоохранение Башкортостана. - 1996. - № 1. - С. 13-17.
12. Клюев Н.А. Полихлорированные бифенилы / Н.А. Клюев // Супертоксиканты XXI века. -М.: ВИНИТИ, 2000. - № 5. - С. 31-40
13. Кудрявцев В.П. Микросомальное и свободнорадикальное окисление при ингаляционном воздействии диоксана - 1, 4 / В.П. Кудрявцев: Автореф. дисс. ... канд. мед. наук. - Уфа, 2004. -25с.
14. Майстренко В.Н. Итоги выполнения республиканской программы «Диоксин» в Республике Башкортостан / В.Н. Майстренко // Матер. Всероссийской конференции «Диоксины и родственные соединения: экологические проблемы и методы контроля».- Уфа, 2001. - С. 15-22.
15. Ревич Б. Полихлорированные бифенилы /Б. Ревич, С. Коррик, Л. Альштуль // Супертоксиканты XXI века. - 2000. - № 5. - с. 104-116.
16. Румак В.С. Основы медико-биологической опасности диоксинов /В.С. Румак, С.П. Позняков, Н.В. Умнова [и др.] // Диоксины - супертоксиканты XXI века. - М.: ВИНИТИ, 1998. - № 4.
- С. 5-15.
17. СОЗ: в опасности наше будущее / Под ред. О. Сперанской, А. Киселева, С. Юфита. - М.: Эко-согласие, 2003. - 144с.
18. Шакиров Д.Ф. Молекулярные механизмы повреждения и резистентности при воздействии
1, 2, 4, 5 - бензолтетракарбоновой кислоты и циклических продуктов ее производства / Д.Ф. Шакиров // Автореф. дисс. ... д-ра мед. наук. - Челябинск, 2001. - 47с.
19. Щепанский В. О. Влияние гербицида 2, 4 - ДА на стабильность мембран эритроцитов крыс in vitro и при экспериментальном отравлении / В.О. Щепанский, Ф.Х. Камилов, Э.Г. Давлетов // Здравоохр. Башкортостана. - 1994. - № 4. - С. 18-21.
20. Kayumova A.F. Effect of Dioxin Derivatives on Erithripoiesis in Erythroblastic islands of Bone Marrow / A.F. Kayumova, F.Kh. Kamilov, Yu.M. Zakharov, A.G. Rassokhin // Organohal. Comp. -1994. - vol. 21. - p. 291-295.
21. Schlezinger J. Oxidative Inactivation of Cytochrome P-450 1A (CYP 1A) Stimulater by 3,3',4, 4' -tetrachlorbifenyl Production of Reactive Oxygen by Vertebrate CYP 1As /J. Schlezinger, R. White, J. Stegeman // Mol. Pharmacol. - 1999. - vol. 56. - p. 588-579.
