CC BY
31
© Попова Т.М., Жарова Н.В., Колесник И.Л., Аполонина А.В., Погорелов В.В., Титкова А.В., Багмут И.Ю., Жуков В. И.
УДК: 613.614.616-004.6-092-02
ТИПОВЫЕ ПАТОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ПОВРЕЖДАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ДЕТЕРГЕНТОВ КАК ИСТОЧНИКОВ ОБРАЗОВАНИЯ РАДИОТОКСИНОВ*
Попова Т.М., Жарова Н.В.*, КолесникИ.Л.*, Аполонина А.В., Погорелов В.В., Титкова А.В., Багмут И.Ю., Жуков В.И.* Харьковская медицинская академия последипломного образования, Харьков, Украина *Харьковский национальный медицинский университет, Харьков, Украина
Досл ¡джено механвм болотно! дн детергентв на орган!зм лабораторних тварин. Детергенти, що володють вла-стивостями поверхнево-активних сполук, стимулюють реакцн вльнорадикального окислення л'п'/д'в. Це призво-дить до накопичення перекисв, пдроперекисв, вльних радикалю, д1енових кон'югатв, малонового дальдепду. Разом з цим, в результат мкросомального окислення детергентв утворюються пропоновий i оцтовий альдепди, ацетон, спирти та ¡нш.i низькомолекулярн! метабол1ти. Во ц продукти е емтерами рад1отоксин1в. Накопичення перекисв, пдроперекиав, вльних радикалю, малонового, оцтового, пропонового альдепдв, ацетона, спирт1в призводить до виснаження антиоксидантноН системи, тобто знижуеться вм'ют SH - груп, глутатону, впамну С, гаптоглобну, адреналну, норадреналну, мкроелементв Fe2 +, Cu2+, Mg2+ в органах тварин. Активнiсть ката-лази, пероксидази, глутатонпероксидази, лактатдепдрогенази, моноамнооксидази, церулоплазмну, Ca2+, Mg2+-АТФази знижувалася при тривалому надходженн поверхносно-активнихречовин в орган!зм експериментальних тварин. Порушення структури мембран, зм.на юльюсних i яксних характеристик Нх фосфолпщного шару приводили до зниження активност. маркерних ферментв цитоплазматичних мембран - Na+, K+ - АТФази, аденлатциклази. Володючи радомметичною дею, детергенти стимулювали вльно радикальну патолопю в орган.¡зм .i, яка е концептуальною моделлю механ .¡зму Нх б1олог1чно1д н.
Ключовi слова: поверхнево-активн речовини, детергенти, втьнорадикальш окислювальн процеси, радютоксини.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) находят широкое применение практически во всех отраслях народного хозяйства как синтетические и технические моющие средства. Особо широко они используются в легкой и химической промышленности, строительстве и сельском хозяйстве, черной и цветной металлургии, парфюмерной, микробиологической и медицинской промышленности и т.д. Большие объемы производства ПАВ предполагают систематический контакт человека, как в процессе производства, так и в быту [1,4,8,10,11,12,20,22]. Многочисленные данные литературы свидетельствуют о многоплановом влиянии детергентов на организм [5,8,11,12].
В данной статье мы остановились на раскрытии механизма патохимического действия детергентов в тесной взаимосвязи со структурно-метаболическими нарушениями различных органов и систем организма. Именно это является важным для обоснования концепции механизма биологического действия ПАВ.
В основе полноценного функционирования организма лежит сложно организованная физиолого-биохимическая система, обеспечивающая гомеостаз. Всякое предпатологическое и патологическое состояние проявляется функциональной или структурной дезорганизацией метаболических систем. Известна ведущая роль рецепторного аппарата биомембран в регуляции процессов жизнедеятельности и их изменений при экологических воздействиях [17]. При этом особо подчеркивается значение цитоплазматических
мембран и их рецепторов, как активных регуляторов внутриклеточного метаболизма через систему вторичных медиаторов, воспринимающих и передающих в клетку сигналы от рецепторного аппарата мембран. Изменения структурных компонентов мембран под действием токсических факторов, могут служить сигналом для вторичных посредников о необходимости функциональной перестройки клетки. Что касается фосфолипидов, то это связано с представлением о них, как о регуляторах активности мембраносвязан-ных липид-зависимых ферментов [6].
Среди причин изменения структуры и функции биомембран при действии токсических факторов важное место занимает нарушение свободнорадикаль-ных реакций перекисного окисления липидов (ПОЛ) (Ю.А. Владимиров, 1989), приводящее к разрушению мембранных систем, модификации клеточных белков и развитию ряда патологических состояний [3].
Учитывая, что по химической структуре ПАВ имеют сходство с биосубстратами организма и в то же время являются чужеродными для организма, было установлено их влияние на липидные и белковые структуры мембран клеток. В исследованиях фосфо-липидного состава эритроцитов и гепатоцитов отмечались изменения соотношения фосфолипидных фракции мембран, а именно под воздействием детергентов достоверно повышалось содержание лизо-фосфатидилхолина, фосфатадилэтаноламина и фосфатидилхолина, что указывало на ускорение
* Цитування при атестацТ кадрв: Попова Т.М., Жарова Н.В., Колесник И.Л., Аполонина А.В., Погорелов В.В., Титкова А.В., Багмут И.Ю., Жуков В.И. Типовые патохимические реакции повреждающего действия детергентов как источников образования радиотоксинов //Проблеми екологТ i медицини. - 2015. - Т. 19, № 5-6. - С. 11-14.
ПОЛ, и накопление токсических продуктов мембрано-повреждающего действия. Прямым подтверждением нарушения структурно-метаболической организации мембран эритроцитов и гепатоцитов являлось накопление лизоформ фосфолипидов, усиление свободно-радикального и ПОЛ [6,7,8, 11].
В биотрансформации ксенобиотиков в организме участвуют печень, легкие, кожа, почки, селезенка, надпочечники, клетки иммунокомпетентной системы и другие органы. Однако главные ферментные системы, участвующие в превращении ксенобиотиков, локализованы в гепатоцитах, где в результате окислительно-восстановительных процессов (ОВП) и реакций конъюгации, чужеродное химическое вещество модифицируется и элиминируется экскреторными системами. Эти ферментные системы локализованы в митохондриях, микросомах, эндоплазматической сети, либо гиалоплазме [6].
Дезинтоксикация химических соединений может происходить по типу химического окисления, восстановления, гидролитичекого превращения или путем конъюгации. Главной лабораторией, осуществляющей эти процессы, является эндоплазматическая сеть клеток печени, в микросомах которой содержится значительное количество рибонуклеиновых кислот, фосфолипидов и белков. Основным функциональным компонентом микросомальной мембраны является ее ферментная система [4,8].
Изучение влияния детергентов на О-деметилазную активность микросом печени крыс показало, усиление деметилирования, наблюдалась до-зовая зависимость активации процессов демети-лирования. Все испытуемые детергенты повышали цитохром с-редуктазную активность, оказывая, тем самым, воздействие на две электронтранспортные микросомальные цепи. Скорость эндогенного дыхания, окисления НАДФН, НАДН повышалась в присутствии данных ксенобиотиков.
Изучаемые ПАВ стимулировали активацию процессов деметилирования в монооксигеназной системе микросом печени, повышали функциональность двух метаболических электроннотранспортных цепей, приводили к увеличению концентрации цитохрома Р450. Таким образом, данные проведенных исследований свидетельствуют о том, что детергенты увеличивали все параметры микросомального окисления, кроме содержания цитохрома Ь5. Это привело к выводам, что в комплексе обнаруженных изменений, имели место усиление процессов детоксикации ксенобиотиков и свободнорадикального перекисного окисления липидов под влиянием детергентов [7, 8, 9].
Анализ гидролитической деструкции, биотрансформации показал, что в основе окисления ПАВ лежит единый механизм свободнорадикального окисления (СРО) с образованием более токсичных метаболитов, обладающих радиомиметическими свойствами [8,9,12].
Продуктами биологического окисления детергентов в монооксигеназной системе были такие соединения, как уксусный альдегид, серный эфир, пропио-новый альдегид, димер формальдегида, метанол, этилацетат, метилэтилкетон, этанол, масляный альдегид, аллиловый альдегид, кротоновый альдегид, диоксан, диацетоновый спирт, изопропиловый спирт [7,8,9]. По мнению многих авторов (А.М. Кузин, Ю.Б. Кудряшов, 1966; А.М. Кузин, В.А. Копылов, 1983; А.М.
Кузин, 1986), данные метаболиты являются эмиттерами радиобиологических эффектов [13, 14, 15, 16, 18, 19, 25]. Радиомиметики обладают мембранотроп-ным действием, ускоряют процессы CРО липидов, подавляют гуморальный и клеточный иммунитет, оказывают мутагенное, гонадотоксичное и эмбриоток-сичное влияние [8,9,10,12,13,14,18,23,27].
Следует отметить, что СРО протекает в норме во всех органах и тканях организма и является важным звеном обмена веществ и энергии. Низкие концентрации перекисей, гидроперекисей просто необходимы для организма, так как ускорение или торможение СРО липидов приводит к патологии. Длительная активация СРО неизбежно приводит к изменениям в составе липидов мембран, их проницаемости, что проявляется в нарушении функции структурных единиц [2,3].
Интенсификация ПОЛ под воздействием радиотоксинов, обнаруженная по увеличению интенсивности поглощения кислорода митохондриями гепатоци-тов, подтверждалась накоплением диеновых конъю-гатов и малонового диальдегида в сыворотке крови и повышением хемилюминесценции мочи опытных групп животных. Диеновые конъюгаты и малоновый диальдегид появляются на стадии образования свободных радикалов и свидетельствуют о накоплении в тканях организма перекисей и гидроперекисей, оказывающих повреждающее действие на клетку [2,3,8,16,18].
Установлено, что при длительном поступлении детергенты вызывают гипохромную анемию и уменьшают количество лейкоцитов в организме экспериментальных животных. Одним из ведущих патогенетических звеньев в снижении содержания белой и красной крови, следует считать накопление в организме опытных животных перекисей, гидроперекисей, свободных радикалов, которые снижали митотиче-скую активность клеток красного костного мозга, уменьшали синтез ДНК, РНК и белка [8]. В развитии гипохромной анемии возможны и другие глубокие нарушения со стороны кроветворной системы. Так, Е.Б. Бурлаковой и соавт., установлена большая роль серосодержащих соединений в разрушении продуктов ПОЛ. Важное значение в этих превращениях принадлежит SН-группам, глутатиону, витамину С, цистеину, гаптоглобину [8]. Детергенты снижали в крови SН-группы, глутатион, гаптоглобин и увеличивали в печени накопление витамина С. Повышение содержания в организме теплокровных животных витамина С связано с усилением биосинтеза его и трактуется как защитно-компенсаторная реакция на вредное воздействие ксенобиотиков. Продолжение влияния радиотоксинов на организм вызывает уменьшение аскорбиновой кислоты в органах и тканях, так как биосинтез витамина С не может обеспечить повышенную потребность [8,9,10].
Экспериментальные исследования состояния ан-тиоксидантной системы и ОВП свидетельствовали о снижении в организме лабораторных животных активности следующих ферментов: креатинфосфокина-зы, фосфофруктокиназы, Са2+-Мg +-АТФаз, перокси-дазы, каталазы, глутатионпероксидазы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, лактатдегирогеназы, альдо-лазы, холинэстеразы. Динамика активности энзимов характеризовалась снижением последней в органах и повышением в сыворотке крови. Качественные показатели нарушения ОВП в организме опытных живот-
Проблеми екологц та медицини
ных под влиянием радиотоксинов, подтверждались количественными изменениями. Они характеризовались усилением выделения белыми крысами в первую половину подострого эксперимента СО2 и уменьшением его количества по окончании хронического воздействия (р<0,05), что свидетельствовало о снижении общего обмена веществ у опытных животных. Анализ состояния ОВП и антиоксидантной системы под влиянием радиотоксинов свидетельствует о глубокой структурно-метаболической перестройке, которая заключается в стимуляции СРО липидов, истощении антиоксидантной системы, нарушении качественных и количественных параметров, отражающих структурно-функциональное состояние биологических мембран и ОВП [8,9,11,12].
В. И. Жуков и соавт. (1984), изучая влияние ПАВ на фонд микро- и макроэлементов установили нарушение их динамики в органах и тканях. Так, наблюдалось снижение меди, железа, цинка, натрия в сыворотке крови; кальция, магния, натрия, калия - в надпочечниках; меди, натрия и калия - в печени; меди, калия, натрия, магния — в семенниках; натрия, калия, меди, цинка - в почках. Вместе с тем, отмечалось увеличение калия в сыворотке крови; кальция - в сердце; магния, цинка, железа, кальция — в селезенке; цинка — в семенниках и надпочечниках [7,8,11,12].
Нейромедиаторы активно вовлекаются в процессы адаптации при воздействии испытуемых ксенобиотиков и играют существенную роль в генезе неспецифических реакций, в частности симпатико-адреналовой и гиптоламо-гипофизарно-
кортикоадреналовой систем. Реакция организма на изменения моноаминов под влиянием радиотоксинов имела одну направленность. В головном мозге опытных животных повышалось содержание дофамина, норадреналина и серотонина; в печени увеличивалась концентрация норадреналина, серотонина и триптофана. Детергенты практически не изменяли уровень ДОФА, адреналина и триптофана в головном мозге, а также дофамина и адреналина в печени. Установленные изменения имели тесную корреляционную связь с состоянием рецепторного звена эндо-плазматических мембран, аденилатциклазной системой и внутриклеточными медиаторами. Выявлена значительная активация системы глутамат-ГАМК. Данные опыты подтверждают, что изменение состояния глутамат-ГАМК-ергической системы может отражать защитно-приспособительную реакцию организма на действие радиомиметических веществ [8,9].
Таким образом, радиотоксины, являясь продуктами биотрансформации, оказывают непосредственное действие на структуру плазматических мембран. Данные многих авторов свидетельствуют, что мембрана является основным звеном в развитии патогенеза биологического действия детергентов. Происходит глубокая перестройка рецепторного звена в структуре плазматических мембран. Это приводит к метаболическим нарушениям функции клетки и дезорганизации внутриклеточных структур. Мембранная патология лежит в основе формирования атерогене-за, сердечно-сосудистой патологии, сахарного диабета, развития злокачественных новообразований и многих других нозологий. Данные материалы могут быть основой системы профилактических мероприятий по предупреждению неблагоприятных сдвигов в организме при действии ПАВ. Наличие у детергентов радиомиметических свойств и общих закономерно-
стей механизмов биологического действия обеспечивает необходимость разработки комплексной системы антирадикальной защиты населения, как одного из важнейших профилактических мероприятий, направленных на улучшение популяционного здоровья населения.
Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о выявлении устойчивой причинно-следственной связи между радиомиметическими свойствами детергентов и развитием свободноради-кальной мембранной патологии, для которой характерными являются специфические признаки развития болезни.
Тема радиотоксинов является интегральной в вопросе изучения патохимичесиких реакций повреждающего действия детергентов. Коллектив авторов, учитывая свойства синтетических ПАВ и закономерности формирования мембранной патологии, планирует совершенствовать и разрабатывать новые лечебно-диагностические и профилактические способы антирадикальной и антиперекисной защиты организма. Внедрение полученных данных открывает широкие возможности для фундаментальной интерпретации механизмов развития экологически обусловленных заболеваний, в основе которых лежит мембранная свободнорадикальная патология.
Литература
1. Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение. -Л.: Химия, 1988. 304 с.
2. Владимиров Ю.А., Оленов В.И., Гаврилов В.Б. Свободные радикалы и хемилюминесценция в липидах биологических мембран // Свободнорадикальное окисление липидов в норме и патологии. Москва. - 1976. -С. 30-31.
3. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических прцессов. - Киев.: Вища школа. 1989. - 196 с.
4. Волощенко О.И., Мудрый И.В. Гигиеническое значение поверхностно-активных веществ. — К.: Здоров'я, 1991. 174 с.
5. Волощенко О.И., Мудрый И.В., Кузьмина А.И., Голен-кова Л.Г. Гигиеническая характеристика поверхностно-активных веществ при комплексном и комбинированном их воздействии на организм // Врачебное дело. 1988. - № 5. — С. 99-101.
6. Губский Ю.И. Перекисное окисление мембранных ли-пидови его регуляция при химическом поражении печени. - Киев: Здоровья. -1989.- С. 93-113.
7. Дехтярь А.В., Жуков В.И., Евтушенко Л.Г. Влияние группы новых поверхностно-активных веществ на окислительно-восстановительные процессы белых крыс в эксперименте // Биологическое действие факторов окружающей среды. Харьков. - 1996. - С. 53-56.
8. Жуков В.И. Медико-биологические аспекты проблемы охраны водных объектов от загрязнения поверхностно активными веществами/ Жуков В.И., Кратенко Р.И., Резуненко Ю.К. [др.] // Харьков, 2000. - 397 с.
9. Жуков В.1., Мпряев А.Б., Кратенко Р.1. Дiя южзувального випромЫення та 12-краун-4 на активнють антиоксидантноТ системи й штенсивнють перекисного окислення лт^в // УкраТнський радюлопчний журнал. — 2001. — № 1. — С. 37-40.
10. Жумабекова, Б.К. Биохимические показатели в оценке функционального состояния печени у рабочих резинотехнического производства /Б.К. Жумабекова, А.М. Байманова, А.М. Рахметова //Медицина труда и про-мэкология.- 2005.-№2.-С.24-28.
11. Зайцева О.В. Влияние макроциклических эфиров и простых полиэфиров на фонд микроэлементов в организме белых крыс // Экспериментальная и клиническая медицина. 2000. - № 2. - С. 43-46.
12. Золотаревская Л.А., Жуков В.И., Зовский В.Н. Биологическая активность детергентов в связи с проблемой охраны водных экосистем. Харьков: РИП Оригинал, 1998.- 174 с.
13. Кудряшов, Ю.Б. Основы радиационной биофизики / Ю.Б. Кудряшов, Б.С. Беренфельд. М.: Изд-во МГУ, 1982. - 302 с.
14. Кузин, A.M. Радиотоксины / A.M. Кузин, В.А. Копылов. М.: Наука, 1983. -173 с.
15. Кузин A.M. Динамика накопления и взаимосвязь ли-пидных радиотоксинов и хинонов / A.M. Кузин, Ю.Б. Кудряшев, Н.Е. Лебедева // Радиотоксины. - Москва, 1966.-С. 186-191.
16. Кузин, A.M. Структурно-метаболическая теория в радиобиологии / A.M. Кузин. М.: Наука, 1986. - 284 с.
17. Северин С.Е. Механизмы действия и биологическая роль циклазной системы.- Москва: Наука, 1981. - 196с.
18. Устинова А.А. Процессы перекисного окисления липи-дов в условиях хронического действия малых доз радиации: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. биол. наук: спец. 03.00.04 «Биохимия» / А.А. Устинова. - Уфа, 1999. - 22с.
19. Эмануэль Я.М. Цепные реакции. / Я.М. Эмануэль, Г.Е. Заиков, В.А. Крицман М.: Наука, 1989. 336с.
20. Evans W.H., David E.J. Biodegradation of mono, di and triethylene glycols in river waters under controlled Laborstory conditions // Water Res. 1974. - Vol. 8, № 2. -P. 97-100.
21. Kuna P. Acute toxicity and radioprotective effects of ami-fostine (WR-2721) or cystamine in single whole body fission neutrons irradiated rats / P. Kuna, M. Dostal, O.
Neruda et al. // J. Appl. Biomed. - 2004. - Vol. 2, № 1. -P. 43-49.
22. Lebret E. Indicators of public health and environment quality // The added value of geographical information systems in public and environment health / M.J.C. de Lepper et al., Kluwer academic publishers netherlands. 1995. - P. 25-39.
23. Mamett L.J. Oxydoradicals and DNA damamge. / L.J. Mamett // Carcinogenesis. 2000.V. 21, №3. P.361-370.
24. Marston H.R., Allen S.H. Function of copper in the metavolism of iron // Nature. -1967.-Vol. 215.-P. 645-647.
25. Parasassi T. Evidence for an increase in water concentration in bilayers after oxidative damage of phospholipids induced by ionizing radiation / T. Parasassi, A.M. Giusti, E. Gratton // Int. J. Rad. Biol. — 1994. — № 65. - p. 329 -334.
26. Regan H.A. Effect of ceruloplasmin on plasma iron in copper deficien swine // Amer. J. Phisiol. 1969. Vol. 217, № 5.-P. 1320-1323.
27. Tappel A.A. Lipids and their oxidation. Westport A.V.J.Publ.Co.Inc., 1962. Schick M.J. Nonionic surfactants. London, 1967. - P. 923-927.
28. Wilson J. Teratogenic effects of environmental chemicals // Fed. Proc. — 1977. — Vol. 36, №5.-P. 1698-1703.
29. Williams F. The formation of free radicals and the consequences of their reactions in vivo // Protochem. And proto-biol. 1972. - Vol. 28, № 4-5. - P. 737-797.
ENGLISH VERSION: THE TYPICAL PATHOCHEMICAL REACTIONS OF THE DAMAGING IMPACT OF DETERGENTS AS SOURCES OF RADIOTOXINS*
T.M. Popova, N.V. Zharova*, I.L. Kolesnik*, A.V. Apolonina, V.V. Pogorelov, A.V. Titkova, I.Yu. Bagmut, V.I. Zhukov* Kharkov Medical Academy Postgraduate Education, Kharkov, Ukraine Kharkov National Medical University, Kharkov, Ukraine
The mechanism of biological impact of detergents to the organisms of laboratory animals was researched. The detergents have properties of surface active agents and stimulate the reactions of free radical oxidation of iipids. This causes to the accumulation of peroxides, hydroperoxides and free radicals, diene conjugates, malonic diaidehyde. At the same time, propionic and acetic aldehyde, acetone, alcohols and other low-molecular-weight metabolites are formed by micro-somal oxidation of the detergents. All these products are emitters of radiotoxins. The accumulation of peroxides, hydroperoxides and free radicals, malonic, acetic, propionic aldehydes, acetone, alcohol leads to depletion of the antioxidant system, i.e. the concentrations of SH - group, glutathione, vitamin C, haptoglobin, epinephrine, norepinephrine, microelements Fe2+, Ctf+, M<f+ are reduced in the organs of the animals. The activity of catalase, peroxidase, glutathione peroxidase, lactate dehydrogenase, monoamine oxidase, ceruloplasmin, Ca2 + M<f + -ATPase is decreased in organisms of experimental animals are treated by surface active agents for a long time. Activity of marker enzymes of cytoplasmic membranes - Na +, K + - ATPase, adenylate cyclase is decreased by disturbance of membrane structure, quantitative and quaiitative changes of characteristics of the phosphoiipid layer. Radiomimetic action of the detergents such as stimulation of free radical pathology in the organism is a conceptual model of the mechanism of their biological action.
Key words: surfactants, detergents, free radical oxidation processes, radiotoxins.
The surfactants have been widely used in all sectors of the economy as the synthetic and technical detergents. In particular, they have been demanded in light and chemical industry, building and agriculture, ferrous and non-ferrous metallurgy, perfumes, microbiological and medical industry etc. A human systematic contacts with surfactants as in manufacture as in household [1,4,8,10,11,12,20,22]. Numerous data of literature evidence about multidimensional impact of surfactants on the living organisms [5,8,11,12].
This review of literature describes the structural and metabolic disorders in different organs and systems of organs caused by surfactants. This is important for creating a concept of mechanism of biological action of the surfactants.
The physiological and biochemical system of complicated organization provides homeostasis.
Any prepathological and pathological condition appears as a structural and functional disorganization of the metabolic systems.
* To cite this English version: T.M. Popova, N.V. Zharova, I.L. Kolesnik, A.V. Apolonina, V.V. Pogorelov, A.V. Titkova, I.Yu. Bagmut, V.I. Zhukov The typical pathochemical reactions of the damaging impact of detergents as sources of radiotoxins // Problemy ekologii ta medytsyny. - 2015. -Vol 19, № 5-6. - P. 14-16.
