CC BY
35
УДК 577.1 597
ПОКАЗАТЕЛИ МЕТАБОЛИЗМА КАРПА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНАМИ МАРГАНЦА И СВИНЦА
© 2011 г. Б.С. Мусаев, А.И. Рабаданова, Г.Р. Мурадова, Д.Н. Магомедгаджиева, А.З. Маржиева
Дагестанский государственный университет, Dagestan State University,
ул. Гаджиева, 43а, г. Махачкала, Gadjiev St., 43a, Makhachkala,
Республика Дагестан, 367000, Republic Dagestan, 367000,
dgu@dgu.ru dgu@dgu.ru
Изучены показатели белкового, липидного, углеводного обмена в крови сеголеток карпа при хроническом загрязнении водной среды ионами тяжелых металлов (Pb2+ — 0,5 мг/дм3 и Mn2+ — 0,01 мг/дм3). Наименее выражено действие обоих металлов, особенно марганца, на содержание белков, наибольшие отклонения необратимого характера отмечены в содержании глюкозы. При действии ионов свинца отмечены стойкие изменения общих липидов и холестерина, тогда как действие ионов марганца на содержание холестерина в сыворотке крови имело обратимый характер. Отмеченные изменения связываются с природой токсиканта и различными механизмами их действия на процессы метаболизма.
Ключевые слова: марганец, свинец, липиды, белки, глюкоза, метаболизм.
The indicators of protein, lipid and carbohydrate exchange in blood of carps at chronic pollution of the water environment by ions of heavy metals (lead — 0,5 mg/dm3 and manganese — 0,01 mg/dm3) are studied. The influence of both metals, especially manganese, on the maintenance ofproteins is least expressed. The greatest deviations of irreversible character in the glucose maintenance are found. At influence of ions of lead the proof changes of the general lipids and cholesterol are found whereas the action of ions of manganese on the cholesterol maintenance in blood whey had reversible character. The noted changes may be connected with the nature of the metals and various mechanisms of their action on metabolism processes.
Keywords: manganese, lead, lipids, squirrel, glucose, metabolism.
Среди многочисленных токсикантов, загрязняющих биосферу, наиболее опасными являются тяжелые металлы, способные вызывать комплекс нарушений в организме, изменяя соотношение белков, липидов и углеводов в организме и извращая процессы метаболизма.
О вредном влиянии тяжелых металлов на содержание белков [1], липидов [2, 3] и углеводов [4] в организме рыб существует достаточное количество публикаций. Так, опасность свинца как тяжелого металла определяется его значительной токсичностью и способностью накапливаться в организме [5]. Однако все
еще мало сведений, касающихся влияния металлов, выступающих в низких концентрациях микроэлементами и проявляющих свойства тяжелых металлов при высоких концентрациях. К таким металлам относится марганец, который как микроэлемент препятствует развитию свободнорадикального окисления, обеспечивает стабильность структуры клеточных мембран, нормальное функционирование мышечной ткани, повышает интенсивность утилизации жиров, снижает уровень липидов в организме, необходимый для нормального роста и развития организма. Вместе с тем при хроническом отравлении соединения марганца выступают как цитоплазматические яды, способные вызывать серьезные нарушения в нервной системе, почках и органах кровообращения [6].
Известно, что система крови в целях поддержания гомеостаза реагирует количественными и качественными изменениями своего состава и может выступать в качестве интегрального показателя физиологического состояния организма и метаболических изменений. Важную роль в метаболизме, росте и развитии, а также адаптации гидробионтов к различным видам токсикологической нагрузки играют белки, липиды и углеводы.
В связи с этим представляется интересным изучение влияния солей марганца и свинца на некоторые показатели белкового, липидного и углеводного обмена сыворотки крови карповых рыб.
Материал и методы исследования
Работа выполнена на базе лаборатории анатомии, физиологии, гистологии и ихтиологии Дагестанского государственного университета. В эксперименте использованы в 3-кратной повторности сеголетки карпа Cyprinus carpio (Linnaeus, 1758 г.) массой 100— 150 г, выращенные в прудах рыбоводного комбината Республики Дагестан. Перед переброской в пруды для зимовки карпы отлавливались и переносились в аквариумы объемом 300 л с содержанием сульфата марганца в концентрации 0,1 мг/дм3 (ПДК -0,01 мг/дм3) и ацетата свинца - 0,5 мг/дм3 (ПДК -0,1 мг/дм3) [7].
Контролем служили рыбы, содержавшиеся в чистой воде. В сыворотке крови исследовали содержание общего белка и альбуминов, общих липидов и холестерина, а также глюкозы [8].
Полученные результаты подвержены вариационно-статистической обработке методом малой выборки [9].
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты исследований представлены на рисунке. По нашим данным на 5, 15 и 40-е сут опыта при воздействии ионов марганца общее количество белка в сыворотке крови сеголеток карпа снижается на 33,3; 12,5 и 16,7 % по сравнению с нормой; на 30-е сут отмечается незначительное его повышение. Содержание альбуминов в сыворотке крови также снижается на 5 и 15-е сут на 15,0 и 10,0 % и практически соответствует контролю на последующих стадиях эксперимента (рисунок).
150 100 50
о
-50 -100
Динамика изменения некоторых показателей белкового, липидного и углеводного обмена в сыворотке крови карповых рыб в условиях хронической интоксикации ионами
марганца и свинца: 1 - общий белок; 2 - альбумины;
3 - общие липиды; 4 - общий холестерин; 5 - глюкоза
При воздействии ионов свинца на 5-е сут эксперимента отмечается повышение содержания общего белка (на 30,4 %) и незначительное снижение количества альбуминов. На последующих этапах наблюдается снижение содержания белков, особенно выражена данная тенденция по отношению к альбуминам, уровень которых к концу опыта ниже контроля на 45,0 %.
Показана роль белков сыворотки крови в процессе адаптации к действию повышенных концентраций ионов тяжелых металлов [10]. Играя важную роль в поддержании гомеостаза, белки легко реагируют на любые изменения в организме качественными и количественными сдвигами.
Вероятно, снижение содержания альбуминов в крови на фоне повышения их синтеза в печени связано со связыванием ими ионов тяжелых металлов для снижения токсического эффекта последних.
На протяжении всего периода содержания рыб в среде с ионами марганца в сыворотке крови сеголеток карпа отмечено повышенное содержание общих ли-пидов на 5, 15, 30 и 40-е сут на 57,8; 83,8; 42,4 и 23,5 % по сравнению с контролем (рисунок).
На начальных этапах опыта (5-е и 15-е сут) наблюдается снижение количества общего холестерина (на 32,9 и 39,2 %), к концу опыта его уровень приближается к контролю. Под воздействием ионов свинца отмечается тенденция к повышению уровня общих липидов в сыворотке крови на 5, 30 и 40-е сут на 21,5; 13,4 и 63,9 %. На 15-е сут их уровень снижен на 15,4 % относительно контроля. Особенно значимые изменения в содержании холестерина наблюдаются на 30 (снижение на 62,5 %) и 40-е (повышение на 17,5 %) сут эксперимента.
Известно, что липиды являются важным энергетическим субстратом, играющим большую роль в процессах адаптации к действию ксенобиотиков и других вредных факторов среды [11].
Снижение уровня холестерина в сыворотке крови связано, вероятно, с усиленной мобилизацией липи-дов тканями в условиях развивающейся интоксикации. Это состояние можно квалифицировать как ката-болический стресс.
%
I 1 1 1 J
Г 1 1' ' 1 1 1
1 2 3 4 5 1 2 3 Марганец Свине 1 5 ц
□ 5-й день ■ 15-й день □ 30-й день □ 40-й день
Можно предположить, что марганец приводит к блокировке молекулярных механизмов биосинтеза холестерина. Существует представление, что холестерин легко образует комплекс с солями марганца, в них на 2 молекулы холестерина приходится 1 молекула соли [6].
Наблюдаемые нами фазные изменения в содержании холестерина и общих липидов в сыворотке крови при действии обоих тяжелых металлов, очевидно, отражают предадаптационные изменения в соотношении липидных компонентов клеточных мембран, связанных со значительными энергетическими тратами в условиях токсического стресса.
Важным показателем углеводного обмена является содержание глюкозы в крови. Как показало проведенное исследование, содержание глюкозы в сыворотке крови контрольной группы рыб не обнаружило заметных изменений на протяжении всего эксперимента и составило 0,952 ± 0,05 ммоль/л. На 5-е сут воздействия сульфата марганца количество глюкозы в сыворотке крови подопытных рыб повысилось на 16,8 %. На 15-е сут экспозиции рыб в токсической среде концентрация глюкозы в сыворотке крови соответствует контролю. При последующей экспозиции выявлены значительные сдвиги в концентрации глюкозы: данный показатель превышал уровень контроля ~ в 2 раза на 30 и 40-е сут опыта.
Содержание глюкозы в сыворотке крови сеголеток карпа при воздействии ионов свинца повышается на 5, 30 и 40-е сут на 45,2; 32,0 и 55,0 % и снижается на 15-е сут на 32,0 % по сравнению с контролем.
Как известно, углеводы являются основным источником энергии, в отличие от белков и жиров они легко подвергаются расщеплению, а следовательно, быстро усваиваются организмом при больших энергетических затратах, представляя наиболее лабильный источник энергии. Параметры углеводного обмена являются одними из чувствительных показателей функционального состояния организма при развитии целого ряда патологий [8].
Изменения уровня глюкозы в сыворотке крови тесно связаны с нарушением гликогенобразователь-ной функции печени. Повышение содержания глюкозы в сыворотке крови сеголеток карпа можно рассматривать как следствие возрастания активности а-амилазы, приводящей к ускорению гидролиза гликогена. Так, при действии ионов марганца отмечено повышение активности а-амилазы в печени на 30 и 40-е сут в 2,2 и 3,4 раза. При действии ионов свинца активность а-амилазы в печени сеголеток карпа повышена на 30-е сут на 61,6 %, на 40-е - на 20,6 %. Тяжелые металлы в зависимости от концентрации и длительности воздействия могут оказывать как активирующее, так и ингибирующее влияние на активность фермента [6].
Другой причиной накопления глюкозы в сыворотке крови при воздействии ионов тяжелых металлов может быть уменьшение его потребления за счет снижения интенсивности энергетических процессов в тканях животных. Известно, что запасы углеводов снижаются при голодании, в условиях интоксикации и при других стрессовых состояниях. Рядом авторов обнаружена кор-
реляция скорости утилизации гликогена со степенью токсичности среды, которая находится в прямой зависимости от концентрации тяжелых металлов и ядов, а также времени их воздействия [4, 12].
Кроме того, уровень глюкозы может повышаться вследствие глюконеогенеза, т.е. образования глюкозы из неуглеводных соединений, преимущественно из аминокислот. Уровень аминокислот в крови в нашем случае может повышаться вследствие распада белков.
При токсических воздействиях первоначально обнаруживаются изменения в печени, принимающей непосредственное участие в поддержании гомеостаза. Так, в наших предыдущих исследованиях при действии ионов свинца отмечено повышение содержания общего белка и альбуминов в печени на 5 и 15-е сут на 18,1 и 14,2 %; уровень альбуминов при этом повышается на 45,2 и 38,05 % [13]. Изменения в липидном обмене печени карпа при действии ионов свинца также характеризуются возрастающей динамикой [14]. При действии ионов марганца в течение 30 сут наиболее значимые изменения содержания общего белка в печени отмечаются на 15 и 30-е сут (повышение в 1,6 и 2,0 раза), тогда как содержание альбуминов повышалось лишь на 30-е сут (на 21,4 %).
Литературные данные свидетельствуют о значительной роли тяжелых металлов в процессах метаболизма [1-3, 5]. Так, известно, что свинец активно влияет на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат. Многие факты говорят в пользу денатурационного механизма действия свинца, нарушающего синтез порфиринов и гема, угнетающего ряд ферментов, участвующих в обмене порфири-нов. К эффектам воздействия свинца относится образование комплекса белок-металл с накоплением ме-таллотионеинов, нарушения процесса образования и транспорта белков [6].
Роль марганца состоит в активном влиянии на обмен белков, углеводов и жиров. Он усиливает действие инсулина и поддерживает определенный уровень холестерина в крови. В присутствии марганца организм полнее использует липиды [6].
Таким образом, сравнивая действие 2 тяжелых металлов на содержание белков, липидов и углеводов в сыворотке крови сеголеток карпа, можно отметить стрессовый характер их воздействия. При этом наименее выражено действие обоих металлов, особенно марганца, на содержание белков, наибольшие отклонения необратимого характера отмечены в содержании глюкозы. Можно отметить необратимые стойкие изменения как общих липидов, так и холестерина при воздействии ионов свинца и обратимый характер действия ионов марганца на содержание холестерина в сыворотке крови.
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что хроническое воздействие на рыб повышенных концентраций сульфата марганца и ацетата свинца может привести к сдвигам в углеводном, белковом и липидном обменах, следовательно, к изменению энергетического статуса организма рыб. Однако из наших данных нельзя делать заключение о патологической модификации метаболизма, поскольку динамика показателей белкового обмена не столь ярко выражена.
Выводы
Полученные в экспериментальных исследованиях данные свидетельствуют об изменениях, возникающих в метаболизме карповых рыб при 40-дневном воздействии ионов Мп2+ и РЬ 2+.
Экспозиция рыб в среде с ионами Мп2+ в течение 5 и 15 сут приводит к снижению содержания общего белка и альбуминов, в дальнейшем (30 и 40-е сут) отмечается относительная стабилизация показателей белкового обмена. Содержание общих липидов в этих условиях повышено на протяжении всего опыта, тогда как уровень холестерина, напротив, снижается. Углеводный обмен при воздействии ионов Мп2+ характеризуется значительным (~ в 2 раза) повышением содержания глюкозы на 30 и 40-е сут.
При воздействии ионов РЬ2+ изменения в белковом обмене более выражены, особенно в содержании альбуминов, уровень которых снижен на протяжении всего периода эксперимента. В содержании липидов в этих условиях отмечаются разнонаправленные изменения. К концу опыта (40-е сут) содержание общих липидов и холестерина повышено на 64,0 и 18,0 %. Уровень глюкозы при воздействии ионов РЬ2+ повышается на 5, 30 и 40-е сут на 45,0; 32,0 и 55,0 %.
Таким образом, на основании полученных данных нельзя сделать заключение о патологической выраженности изменений в метаболизме сеголеток карпа при хроническом действии ионов тяжелых металлов, обладающих разной степенью токсичности.
Литература
1. Коновалов Ю.Д. Связывание кадмия и ртути белками и низкомолекулярными тиоловыми соединениями рыб (Обзор) // Экологическая физиология и биохимия водных животных. 1992. Т. 39, № 1. С. 42 - 51.
2. Адаптационные изменения в спектрах жирных кислот тканевых липидов сига Coregonus ^агейк L. при влиянии антропогенных нагрузок / Л.В. Тойвонен [и др.] // Прикладная биология и микробиология. 2001. Вып. 37, № 3. С. 364 - 368.
3. Особенности состава тканевых липидов сига Coregonus 1ауаге11ш, обитающего в водоемах с разной ан-
Поступила в редакцию_
тропогенной нагрузкой / З.А. Нефедова [и др.] // Вопросы ихтиологии. 2007. Т. 47, № 1. С. 107 - 112.
4. Остроумова Н.И. Особенности углеводного обмена у рыб и его зависимость от температуры среды обитания // Актуальные проблемы экологической физиологии, биохимии и генетики животных : материалы II междунар. науч. конф. Саранск, 2009. С. 113 - 115.
5. Свинец и окислительный стресс / И.М. Трахтенберг [и др.] // Экологическая токсикология. 2002. Вып. 1. С. 209 - 214.
6. Давыдова С.Л. О токсичности ионов металлов // Химия. 1991. № 3. С. 121 - 123.
7. Волошина Г.В. Экологическая оценка состояния поверхностных вод реки Понура // Экол. вестн. Сев. Кавказа. 2006. Т. 2, № 1. С. 118 - 122.
8. Камышников В.С. Справочник по клинико-биохими-ческим исследованиям и лабораторной диагностике. М., 2004. 910 с.
9. Лакин В. Биометрия. М., 1990. 300 с.
10. Богдан В.В., Кирилюк С.Д., Нефедова З.А. Влияние тяжелых металлов на липидный состав мышц сига и осетра // Тез. докл. VIII науч. конф. по экол. биохимии рыб. Петрозаводск, 1992. С. 33 - 35.
11. Моисеенко Т.И. Морфофизиологические перестройки организма под влиянием загрязнения (в свете теории Шварца С.С.) // Экология. 2000. № 6. С. 463 - 472.
12. Динамика содержания белков и их фракций в печени и почках сеголеток карпа при хроническом воздействии ионов Mn2+ / Габибов М.М. [и др.] // Вестн. ДГУ. Естественные науки. 2009. Вып. 6. С. 90 - 95.
13. Мурадова Г.Р. Влияние ионов кадмия и свинца на некоторые показатели липидного обмена и систему антиокси-дантной защиты карпа (Сурппш carpió L.) : автореф. дис. ... канд. биол. наук. Махачкала, 2007. 26 с.
14. Ушакова Н.В. Влияние тяжелых металлов (цинк, медь), температуры и рН на активность протеиназ рыб и их потенциальных объектов питания : автореф. дис. ... канд. биол. наук. Борок, 2009. 24 с.
15. Ерохина И.А. К вопросу об изменчивости белкового состава плазмы крови морских млекопитающих // Актуальные проблемы экологической физиологии, биохимии и генетики животных : материалы II междунар. науч. конф. Саранск, 2009. С. 46 - 48.
_15 ноября 2010 г.
