CC BY
9
Обзоры
УДК 914.7-07:611.018.2/.S
Доктор биол. наук Р. В. Меркурьева
СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СУБКЛЕТОЧНЫХ СТРУКТУР КАК ОДНО ИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ГИГИЕНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Институт общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР, Москва
Достижения последних лет в области биохимии и молекулярной биологии способствовали широкому использованию современных методов биохимического анализа в работах гигиенического профиля. Тем не менее ощущается настоятельная потребность в пересмотре некоторых научных направлений биохимических исследований в гигиене на основе разработки и внедрения в практику новых, теоретически обоснованных биохимических критериев нормирования токсических веществ в окружающей среде. Остаются нерешенными вопросы, касающиеся взаимосвязи изменений обмена веществ на органном, клеточном и субклеточном уровне с фазами развития адаптационного синдрома к воздействию загрязнителей окружающей среды. Практически отсутствуют четко обоснованные биохимические критерии (особенно на уровне биологических жидкостей), с помощью которых можно было бы с известной долей риска установить переход первичных защитно-приспособительных реакций организма в стадию усиленного напряжения компенсации и затем в состояние предпатологии или болезни при длительном действии загрязнителей, поступающих в организм из различных сред (с атмосферным воздухом, питьевой водой, пищей и т. д.). Недостаточно полно определены общие закономерности и специфические особенности нарушения метаболизма, характеризующие не только явно выраженный токсический эффект, но и отдаленные последствия (эмбриотоксическое, мутагенное, гонадотоксическое, аллергенное действие), что позволило бы прогнозировать появление отдаленных эффектов при изучении состояния здоровья населения в зависимости от влияния загрязнителей окружающей среды.
С учетом изложенного представляется перспективным развитие научного направления, посвященного сравнительному биохимическому исследованию функционального состояния различных субклеточных структур в гигиене окружающей среды. Перспективность этого направления обусловлена прежде всего успехами биологической химии, продемонстрировавшими важную роль бномембран в ответной реакции организма на различного рода внешние и внутренние воздействия (С. Я. Давыдова; Barale и соавт.; Keisari и Witz, и др.). Убедительно подтвержден также тот факт, что биомембраны наряду со специфическими функциями в клетке (контроль за поступлением и использованием питательных веществ, генерация нервного импульса, взаимосвязь с механизмами превращения энергии, участие в процессах детоксикации ксенобиотиков и аномальных продуктов обмена) обладают общими свойствами, связанными с регуляцией, дифференцировкой и молекулярной организацией клеток (Dauphinee и соавт.; Alan; Van Barkel и соавт., и др.).
В Институте общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР в последние годы получило развитие новое научное направление биохимических исследований, основанное на сравнительном изучении функционального состояния разных субклеточных органелл (лизосомы, митохондрии, микросомы, цитоплазматические мембраны и др.) при воздействии факторов окружающей среды. С этой целью проводится определение ак-
3 Гипена н санитария № 3
65
тивности специфических ферментных систем—маркеров субклеточных структур, изучается состояние фермент-субстратных комплексов, относящихся к классу углеводсодержащих биополимеров, обмен которых осуществляется при участии исследуемых энзимов, а также используются разнообразные биохимические методы, позволяющие оценивать стабильность, проницаемость и степень поврежденности биомембран. Другим методическим подходом является исследование обмена мембраносвязанных углеводов, которые, согласно современным представлениям, наряду с фосфоли-пидами в составе минорного компонента участвуют в структурной организации биомембран и ответственны в известной степени за проявление их функциональных свойств (Milson и Wynn; Kawasaki и соавт.). Это направление, развитие которого также получило начало в Институте общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сыснна АМН СССР, является относительно новым и малоизученным разделом биологической химии. Тем не менее сведения литературы последних лет, показавшие важную роль мембраносвязанных углеводов в процессах трансформации и канцерогенного перерождения клетки, иммунного ответа организма, проникновения вирусов в клетку и других явлениях (Hayashi и соавт.; Nakashima и Ogino; Ostrowski и соавт., и др.), а также результаты, полученные нами, убедительно свидетельствуют о перспективности дальнейшего развития этого направления.
Следует отметить, что некоторые из указанных методических подходов, например исследование ферментов субклеточных органелл, широко распространены в биохимии, причем отдельные методы, касающиеся мнкросо-мальных и митохондриальных ферментов, находят применение в исследованиях гигиенического профиля (Ю. С. Ротенберг; В. В. Андрашко и соавт., и др.). Однако необходимо указать, что объекты изучения в большинстве работ подобного плана ограничены лишь тканями экспериментальных животных, и, кроме того, в них, как правило, отсутствуют теоретически обоснованные рекомендации методов исследования ферментов или метаболитов в биологических жидкостях, что является необходимым условием для внедрения биохимических методов в широкую практику гигиены. Биохимические методы, используемые в работах гигиенического профиля, чаще всего были направлены на изучение ферментных систем какой-либо одной локализации в клетке, что не позволяло составить целостное представление о взаимосвязи и степени повреждаемости различных субклеточных структур под влиянием того или иного фактора воздействия.
В данной работе представлены и некоторые итоги развития указанного выше научного направления биохимических исследований в Институте общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР. Изложены результаты изучения энзиматических систем различной локализации в клетке — связанные с субклеточными органеллами (лизосомы) и растворимые в цитозоле, а также определения отдельных фермент-субстратных комплексов. При изучении функционального состояния лизосом мы исходили из того, что основная биологическая роль кислых гидролаз лизосо-мального происхождения заключается в осуществлении катаболической фазы обмена различных соединений (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), многие из которых относятся к числу биологически активных веществ — гликозаминогликанам, гликопротеинам, гликоцереброзидам и т. д. (А. А. Покровский, 1974; Duve и Wattiaux; Cohn и Park). Лизосомальные ферменты различаются по степени прочности связи с мембранами — прочно связанные (ß-глюкозидаза, КФ 3.2.1.21 и гиалуронидаза, КФ 3.2.1.35), частично или слабо связанные (ß-галактозндаза, КФ 3.2.1.23; N-ацетил-ß-D-глюкозаминидаза, КФ 3.2.1.30 и кислая фосфатаза, КФ 3.2.3.2). Исследуемые гидролазы различаются по участию их в процессах метаболизма. Гликаногидролазы (гиалуронидаза и гексозаминидаза) катализируют последовательное ферментативное расщепление углеводсодержащих биополимеров (гликозаминогликаны). Гликозидазы (ß-глюкозидаза и ß-галак-тозидаза) осуществляют распад более низкомолекулярных полисахаридов,
кислая фосфатаза является представителем фосфогидролаз. Активность отдельных ферментов определяли как в гомогенате ткани, так и в выделенной фракции лизосом с добавлением клеточного детергента тритона Х-100, что позволяет судить о степени прочности связи ферментов с мембранами лизосом. С целью изучения ферментных систем, не связанных с клеточными структурами, исследована активность альдолазы N-ацетилнейраминовой кислоты (НК) — растворимого фермента цитозоля, осуществляющего распад свободной НК. Определяли также фермент-субстратные комплексы, а именно: НК— альдолаза НК и гликозаминогликаны (по уровню гексу-роновых кислот) — гиалуронидаза — гексозаминидаза. Кроме того, определяли содержание ряда других углеводов, связанных с белками (амн-носахара, гексозы) и являющихся структурными компонентами углевод-содержащих биополимеров. В работе применяли ранее описанные методы (А. А. Покровский, 1969; Bonner и Cantey; Г. В. Виха и соавт.; Р. В. Меркурьева и Е. А. Базанов).
В качестве материалов для исследования использованы печень, почки, головной мозг, аорта, гонады, плацента, кожа и биологические жидкости (кровь, моча, амниотическая, семенная жидкость) экспериментальных животных (крысы, кролики) при различных факторах воздействия. К числу последних относились химические вещества неодинаковой природы при разном пути поступления в организм— инфляционно (четыреххлорнстый углерод, сероуглерод, окись меди) и перорально (бром, бор), изолированно и сочетанно на модели перорального поступления химического аллергена — динитрохлорбензола (ДНХБ) и физического фактора воздействия в виде различных доз ультрафиолетового (УФ) облучения
Сравнительный анализ полученных данных при различных методических подходах к постановке эксперимента (использование функциональных нагрузок химическим веществом и голоданием), восстановительного периода, сопоставление результатов биохимического исследования с функциональным состоянием отдельных органов и систем позволило подойти к гигиенической оценке биологической значимости изменений активности ферментов разной локализации в клетке в зависимости от дозы, времени и способа воздействия указанных факторов. Результаты исследования показали, что понижение активности лизосомальных ферментов в тканях и сыворотке крови при воздействии изученных факторов может быть оценено как неблагоприятный биологический эффект. Несомненным является тот факт, что изменение активности исследуемых энзимов, а также нарушение состояния фермент-субстратных комплексов может быть обусловлено фазовым развитием адаптационного синдрома. В то же время возникновение «парадоксальных» (необычных, ранее не проявляющихся) метаболических реакций, установленных со стороны гексозаминидазы печени крыс при соче-танном действии химического аллергена на уровне пороговой дозы (ДНХБ) и физического фактора (3 эритемные дозы УФ-облучения), связано, очевидно, с переходом компенсаторных реакций в биологически неблагоприятную стадию интоксикации. Указанный феномен может быть в известной мере обусловлен важной ролью лизосомальных энзимов в иммунологических реакциях при развитии аллергии замедленного типа под воздействием ДНХБ (Н. М. Данциг и соавт.). Биологический смысл такого явления, очевидно, заключается в участии кислых гидролаз лизосомного происхождения в ферментативном расщеплении веществ с антигенными свойствами, в частности при развитии аллергии замедленного типа, что отмечалось в указанном эксперименте.
Наиболее неблагоприятным признаком, свидетельствующим, как мы полагаем, о срыве защитно-приспособительных реакций, является сочета-
1 Экспериментальная часть работы выполнена совместно с лабораториями гигиены атмосферного воздуха, физиологии, гигиены опресненных вод, лучистой энергии Института общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН ОХР, а также с кафедрой коммунальной гигиены Центрального института усовершенствования врачей.
3*
67
ние угнетения активности фермента с эффектом солюбилизации, т. е. освобождением энзима от связи с мембранами лизосом и выходом его в цито-плазматическое пространство. Теоретическим обоснованием тому служат данные, свидетельствующие о зависимости активности мембраносвязанных ферментов от функционального состояния биомембран (А. И. Арчаков, и др.). Исходя из этого, можно предполагать,что выявленное нами сочетание снижения активности ряда лизосомальных ферментов с эффектом солюбилизации может быть обусловлено изменением связи энзимов с мембранами лизосом при действии изученных факторов окружающей среды. В пользу этого положения свидетельствуют наиболее существенные и ранние (по эффекту проявления) изменения активности ферментов, прочно связанных с мембранами лизосом, что обнаружено при воздействии действующих доз четыреххлористого углерода и сероуглерода. Следует при этом отметить, что повышенная активность лизосомальных гидролаз также может быть, очевидно, причиной неблагоприятных последствий, поскольку интенсивный выход ферментов лизосом в цитоплазматическое пространство, по-видимому, способствует солюбилизации других ферментных систем, дезорганизация которых в конечном итоге является одной из причин трансформации и гибели клеток при воздействии ксенобиотиков.
Таким образом, наряду с участием ферментов лизосомального происхождения в защитной функции клеток, что проявляется в энзиматическом расщеплении и удалении чужеродных продуктов обмена, возникших в результате нарушенного метаболизма под влиянием ксенобиотиков, длительное и системное изменение активности кислых гидролаз может быть одной из причин развития вторичных реакций токсического эффекта, приводящих клетку к гибели. Именно этот фактор в сочетании с изменением фермент-субстратных комплексов может способствовать нарушению функционального состояния центральной нервной системы, печени, выделительной функции почек, развитию атерогенного эффекта и других видов отдаленных последствий, в частности гонадотоксического эффекта. Свидетельством тому являются данные, полученные нами при экспериментальном изучении влияния действующих доз окиси меди на гликозидазы гонад крыс. С учетом данных литературы о важной роли кислых гидролаз лизосом в осуществлении нормальной функции репродуктивных клеток в процессах оплодотворения (Н. Т. Плишко и Р. В. Меркурьева, и др.), а также полученных нами результатов исследования можно полагать, что одним из метаболических механизмов отдаленных последствий, и в частности гонадотоксического эффекта, является дискоординация ферментных систем субклеточных органелл (лизосом) в гонадах.
Не менее важная роль принадлежит лизосомам и в появлении эмбрио-токсического эффекта под влиянием факторов окружающей среды. Так, материальной основой эмбриотоксического эффекта, установленного под влиянием сероуглерода в эксперименте, может быть закрепление в поколениях обнаруженного нами уменьшения активности ферментов лизосомального происхождения (Ы-ацетнл-р-О-глюкозаминидаза, р-галактозидаза в печени и почках) у кроликов через 6 нед постоянной ингаляционной затравки сероуглеродом (2 мг/м3). Существенное значение в развитии различных биологических эффектов, в частности нейротропного действия сероуглерода, принадлежит, согласно нашим данным, также и растворимому энзиму ци-тозоля — альдолазе НК и углеводсодержащим биополимерам в различных отделах головного мозга (А. И. Бокина и соавт.).
О целесообразности применения новых методических подходов к изучению метаболических механизмов действия химических факторов окружающей среды свидетельствуют и результаты исследования биологического эффекта различного солевого и микроэлементного состава опресненной питьевой воды (Р. В. Меркурьева и соавт.).
Особую гигиеническую значимость представленные результаты приобретают с учетом перспективы использования новых биохимических методов
исследования лизосомальных ферментов в биологических жидкостях с целью прогностической оценки возможности отдаленных последствий при разработке новых гигиенических критериев состояния здоровья населения, поскольку известны врожденные и наследственно обусловленные заболевания у человека, связанные с генетической блокадой ферментов лизосом (Brady и соавт.; Suzuki и соавт.).
На данном этапе исследования мы не располагаем окончательными данными, которые позволили бы установить непосредственную связь энзима-тических сдвигов в репродуктивных и других жизненно важных органах с возникновением врожденных и наследственных энзимопатий под влиянием химических веществ, загрязняющих окружающую среду. Тем не менее, учитывая рост врожденной патологии у человека, проявление гетерозиготного носнтельства патологического гена, которое клинически, как известно, не проявляется, а также увеличение частоты наследственной предрасположенности к различным заболеваниям, мы считаем чрезвычайно актуальным в области гигиены окружающей среды биохимическое изучение метаболических механизмов возникновения и передачи наследственных дефектов.
Таким образом, первые итоги сравнительного биохимического изучения функционального состояния различных субклеточных структур, впервые начатого в Институте общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сыси-на АМН СССР, показали перспективность развития дальнейших исследований в этой области с целью изыскания Дополнительных, теоретически обоснованных критериев гигиенического нормирования, прогнозирования отдаленных последствий, изучения заболеваемости и состояния здоровья населения в зависимости от уровня загрязнения окружающей среды.
ЛИТЕРАТУРА. АндрашкоВ. В., ЛевенюкВ. Ф., КампоМ. Ф. и др. — «Фармакол. и токсикол.», 1975, № 2, с. 208. — Арчаков А. И. Микро-сомалыюе окисление. М., 1975. — Бокина А. И., Э к с л е р Н. Д., Семенен-ко А. Д. и др. —В кн.: Материалы 1-го итогового советско-американского симпозиума по проблеме «Гигиена окружающей среды». М., 1975, с. 44—53. — В и х а Г. В. и др. — «Биохимия», 1971, т. 36, № 1, с. 33—42.—Д а в ы д о в а С. Я-— В кн.: Биологические мембраны. Под ред. П.В.Сергеева. М., 1973, с. 189—205.—Дании г H. М., Забалуева А. П., Прокопенко Ю. И. и др. — В кн.: Научно-технический прогресс и актуальные вопросы коммунальной гигиены. М., 1975, с. 44— 45. — Меркурьева Р. В., Базанов Е. А. — «Вопр. мед. химии», 1968, № 1, с. 95—98. — Меркурьева Р. В., РахмаиинЮ. А., К у л ы г и н а А. А. и др. — В кн.: Гигиенические вопросы опреснения воды. М., 1975, с. 31—35. —П л и ш-коН. Т., Меркурьева Р. В.—«Бюлл. экспер. биол.», 1974, №11, с. 111— 113. — Покровский А. А. — В кн.: Асатиани В. С. Ферментные методы анализа. М., 1969, с. 471.—Он же. Роль биохимии в развитии науки о питании. М., 1974.— РотенбергЮ. С. — «Бюлл. экспер. биол.», 1974, № 7, с. 65—70. — Bonner W. M., С a n t е у J. — «Clin. chim. Acta», 1966, v. 13, p. 746—752. — В г a -dyR. О., JonsonW. G., W h 1 о n d о г f W. — «Am. J. Med.», 1971, v. 51, p. 423—431. — В а г a 1 e R., DucciM., В о г о n с е 1 1 i S. — «Mutât. Res.», 1971, v. 21, p. 277.—Co h n Z. A., ParkE. — «J. exp. Med.», 1967, v. 125, p. 1091.— D a u p h i n e e M. J., TolalN., WitzJ. P. — «J. Immunol.», 1974, v. 113, p. 948—953. —Dean R. T. — «Europ. J. Biochem.», 1975, v. 58, p. 9—14. —De DuveC., W a t t i a u x R. — «Ann. Rev. Physiol.», 1966, v. 28, p. 435. — H a-y ash i M., H i г о i J., N a t о r i J. — «Nature, New Biol.», 1973, v. 242, p. 163— 166. — Kawasaki T., Sugahara K., J a m a s h i n a Z. — «J. Biochem.», 1974, v. 75, p. 437—439. — К e i s a г i J., W i t z J. P. — «Immunochemistry», 1973, v. 10, p. 565. — M i I s о n D. W., W y n n C. H. — «Biochem. Soc. Transactions», 1973, v. 1, p. 426—428. — N a k a s h i m a K., Ogino R. — «J. Biochem. Tokyo», 1974, v. 75, p. 336—265.—Ostrowski W-, WasylZ., W e b e r M. et a. — «Bio-chim. biophys. Acta», 1970, v. 221, p. 297—306. — S u z u k i K., Schneider Z., Epstein Eh.—«Biochem. biophys. Res. Commun.», 1971, v. 45, p. 1363—1366.— Van Berkel T., К г u i j t J. К., К о s t e г J. T. — «Europ. J. Biochem.», 1975, v. 58, p. 145—152.
Поступила 3/VIII 1976 r-
