CC BY
158
УДК 574.24
ВЛИЯНИЕ СОЛЕЙ СВИНЦА И НИКЕЛЯ НА ФЕРМЕНТАТИВНУЮ АКТИВНОСТЬ ЯЧМЕНЯ
© С.Е. Синютина, А.В. Можаров, М.А. Зайченко
Ключевые слова: никель; свинец; полифенолоксидаза; активность фермента.
Изучено влияние солей тяжелых металлов на активность полифенолоксидазы ячменя. Показано увеличение активности полифенолоксидазы при раздельном и совместном присутствии солей никеля и свинца.
В современном мире техногенное загрязнение стало одним из наиболее значимых экологических факторов, определяющих новые условия существования и эволюции всей биоты. В биосферу Земли поступает более 500 тыс. химических веществ - продуктов техногенеза, большая часть которых аккумулируется в почве. Особое место среди них занимают тяжелые металлы, которые по степени опасности уступают только пестицидам. Многие из этих металлов обладают высоким сродством к серосодержащим лигандам и образуют с ними прочные соединения. В клетках они могут взаимодействовать с функциональными группами белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, что приводит к различным нарушениям метаболизма.
Одним из опасных экотоксикантов являются соединения свинца. Свинец и его соединения вызывают изменения в нервной и сердечнососудистой системах, нарушения ферментативных реакций, витаминного обмена, снижают иммунобиологическую активность человека. Анемия при свинцовом отравлении возникает в результате нарушения синтеза порфиринов. Также усиливается активность оксигеназы гема, что усиливает его биодеградацию. Свинец действует на периферическую и центральную нервную систему. Даже при низком уровне поступления свинца в организм у детей может отмечаться гиперактивность, пониженная концентрация внимания, умственные растройства, сужение поля зрения. Свинец активно влияет на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат, оказывает воздействие на контроль кровяного давления, на мужскую и женскую репродуктивную функцию [1-3].
Никель в крови человека связывается преимущественно с у-глобулином сыворотки. Влияет на активность ряда ферментов (аргиназы, карбоксилазы, 5-нуклеозид-фосфатазы и др.). Ускоряет переход сульфгидрильных групп в дисульфидные, окисление аскорбиновой кислоты. Никель связывается с РНК и ДНК, вызывая нарушения структуры и функции нуклеиновых кислот. Никель имеет особое сродство к легочной ткани и при любом пути введения поражает ее. Повышенное содержание никеля в окружающей среде приводит к развитию бронхиального рака. Соединения никеля относят к 1 группе канцерогенов. Избыточное поступление в организм никеля вызывает нарушение кроветворения, дистрофию печени и почек, нарушение репродуктив-
ной функции, деятельности дыхательного центра, дисбаланс фосфора, магния, кальция и йода. Наблюдаются изъязвления роговицы, нарушение сердечного ритма, изменение щитовидной железы. Может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давление. Соли № вызывают поражение кожи человека с развитием повышенной чувствительности к металлу. Избыточное поступление никеля в организм вызывает вити-лиго. Особенно вредны летучие соединения никеля, в частности его тетракарбонил №і(СО)4. Он ингибирует цитохром-450, угнетает синтез РНК, белков, возможно, за счет подавления активности РНК-полимеразы в ядрах клеток [1, 2, 4].
Новыми перспективными научными направлениями, позволяющими оценивать состояние окружающей среды, являются биоиндикация и биотестирование. Совмещение химического анализа объектов природной среды с токсикологическими испытаниями на простейших организмах обеспечивает максимально достоверную оценку состояния окружающей среды. Для биоиндикации широко используются растительные организмы [5-6]. Они обладают широким спектром защитно-приспособительных реакций, способствующих развитию их устойчивости к разнообразным стрессовым факторам внешней среды. Среди биохимических тестов, получивших широкое распространение для оценки состояния окружающей среды, большое значение имеет антиоксидантная система растений. При стрессовых воздействиях происходит ее активация [7]. Многие тяжелые металлы обладают высоким сродством к серосодержащим лигандам и образуют с ними прочные соединения. Поэтому, попадая в клетки, они взаимодействуют с SH-группами, инактивируя многие ферменты. Токсическому действию высоких концентраций тяжелых металлов подвержены многие физиологические и биохимические процессы. Изучению механизмов ответа клеток на соли ТМ посвящено немало работ. Так, многие авторы считают, что снижение уровня фотосинтеза у растений в присутствии тяжелых металлов связано, в первую очередь, с их негативным влиянием на фотосинтетические пигменты, в частности с непосредственным действием металлов на активность ферментов биосинтеза хлорофилла [8-10]. Дыхание является центральным звеном клеточного метаболизма. В довольно широком диапазоне концентраций металлы не вызывают у растений каких-либо изменений в
Рис. 1. Зависимость активности ПФО в тканях ячменя от концентрации солей никеля
Рис. 2. Зависимость активности ПФО в тканях ячменя от концентрации солей никеля и свинца. 1 - контроль; 2 - М/№ 50/10 ПДК; 3 - М/№ 10/50 ПДК. Продолжительность эксперимента - 5 суток
его интенсивности. Дальнейшее повышение их содержания в окружающей среде приводит к усилению дыхания, и лишь концентрации, близкие к пороговым, замедляют его. Основными причинами усиления интенсивности дыхания под влиянием тяжелых металлов являются: активация некоторых ферментов, увеличение энергетических затрат организма на репарацию повреждений в клетках, необходимость увеличения синтеза органических кислот, которые являются хела-тофорами тяжелых металлов [11-14].
В ряде работ рассмотрено влияние одновременного присутствия нескольких металлов в почве на процессы усвоения и накопления тяжелых металлов в растениях. Так, показано, что при усвоении никеля растениями происходит взаимодействие с содержащимися в почве железом, кобальтом, хромом, магнием, медью, цинком, марганцем; при этом ионы марганца и магния не ингибируют, а ионы кобальта, меди, железа и цинка - ингибируют абсорбцию никеля. Никель быстрее, чем свинец, проникает во внутреннюю кору, эндодерму, пери-цикл и проводящие пучки корней ряда растений. Нарастающие концентрации тяжелых металлов приводят к торможению роста растений в целом, угнетению развития корневой системы, а также гибели растений. Установлено более сильное токсическое действие никеля на рост корня, чем РЬ [15-17]. Однако многие вопросы до сих пор остаются мало изученными.
Целью данной работы явилось выяснение влияния солей тяжелых металлов разных концентраций на активность полифенолоксидазы (ПФО) тканей ячменя. Полифенолоксидаза - медьсодержащий фермент, катализирующий в растениях окисление в присутствии молекулярного кислорода не только разнообразных полифенолов, но и монофенолов (в частности, тирозина), о-дифенолов с образованием соответствующих хинонов. Система «полифенол ^ хинон» является промежуточным звеном при окислении органических соединений в процессе дыхания растений. Показано изменение активности ПФО в онтогенезе растений (активация ПФО при старении), в ответ на окислительный стресс, при повреждениях и патогенезе. Методы определения активности окислительных ферментов (пероксидазы, полифенолоксидазы, аскорбатоксидазы) являются простыми и доступными [18-20]. Данная работа является продолжением проводимых ранее исследований [21-24]. Ранее было показано увеличение активности ПФО в присутствии солей свинца.
Объектом исследования служили семена ячменя (Hordeum vulgare L.) сорта Белгородец, выдержанные на растворах соединения никеля (1 ПДК, 5 ПДК, 10 ПДК, 50 ПДК), никеля/свинца (10/10 ПДК, 50/10 ПДК, 10/50 ПДК, 50/50 ПДК). Контрольные растения выращивали на дистиллированной воде. Полифенолокси-дазную активность определяли спектрофотометрическим методом [19].
Показаны достоверные увеличения активности полифенолоксидазы между биологическими объектами контрольных групп и объектами, находившимися в среде с добавлением соединения никеля всех концентраций за время эксперимента (рис. 1). За первые сутки активность полифенолоксидазы в тканях ячменя, подвергшихся влиянию токсиканта в концентрации 1 ПДК, возросла в 1,3 раза по сравнению с активностью в контрольных группах. Увеличение концентраций ксенобиотика приводит к увеличению активности полифенолоксидазы (при 50 ПДК в 2,3 раза по сравнению с контролем). С 1 по 5 сутки активность ПФО в целом возрастает, однако при 50 ПДК после 4 суток наблюдается снижение активности фермента. Устойчивость растений к тяжелым металлам зависит от эффективности функционирования антиоксидантной системы. Однако при сильном стрессе ферментная защита может ослабевать.
Совместное влияние никеля и свинца на ферментативную активность тканей ячменя характеризуют данные рис. 2. Как и в предыдущей серии экспериментов, отмечено увеличение активности ПФО с 1 по 5 сутки. В присутствии Ni/Pb 50/10 ПДК активность фермента возрастает в большей степени, что в целом согласуется с литературными данными. Таким образом, ткани ячменя испытывают стресс в ответ на действие ионов никеля и свинца. Их присутствие достоверно влияет на ферментативную активность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бингам Ф.Т., Коста М., Эйхенбергер Э. [и др.] Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. М.: Мир, 1993. 368 с.
2. Титова В.И., Дабахов М.В., Дабахова Е.В. Экотоксикология тяжелых металлов: учеб. пособие. Н. Новгород: Изд-во ВВАГС, 2002. 135 с.
3. Доклад о свинцовом загрязнении окружающей среды Российской Федерации и его влиянии на здоровье населения (Белая книга) / под ред. В.В. Снакина. М.: РЭФИА, 1997. 233 с.
4. Носков С.Н. Влияние растворимых и нерастворимых неорганических соединений никеля на продуктивную функцию: автореф. дис. ... канд. мед. наук, СПб., 2007.
5. Беляева Л.В.,. Николаевский В.С., Маренова Г.А. Биохимические показатели для характеристики загрязнения атмосферы и состояния растений // Экологические и физиолого-биохимические аспекты антропотолерантности растений. Таллин, 1986. Т. 2. С. 52-54.
6. Николаевский В.С., Николаевская Т.В. Методика определения предельно допустимых концентраций вредных газов для растительности. М., 1988. 15 с.
7. Половинкина Е.О., Синицына Ю.В. Окислительный стресс и особенности воздействия слабых стрессоров физической природы на перекисный гомеостаз растительной клетки: учеб.-метод. пособие. Н. Новгород: Нижегород. гос. ун-т, 2010. 62 с.
8. Khudsar T., Mahmooduzzafar, Iqbal M. Cadmium-induced changes in leaf epidermis, photosynthetic rate and pigment concentrations in Caja-nus cajan // Biol. Plant. 2001. V. 44. № 1. P. 59-64.
9. Horvath G., Droppa M., Oravecz A., Raskin V.I., Marder J.B. Formation of the photosynthetic apparatus during greening of cadmium-poisoned barley leaves // Planta. 1996. V. 199. P. 238-243.
10. Molas J. Changes in morphological and anatomical structure of cabbage (Brassica oleracea L.) outer leaves and in ultrastructure of their chloroplasts caused by an in vitro excess of nickel // Photosynthetica. 1997. V. 34. № 4. P. 513-522.
11. Vassilev A., Iordanov I., Tsonev T. Effect of Cd2+ on the physiological state and photosynthetic activity of young barley plants // Photosynthe-tica. 1997. V. 34. № 2. P. 293-302.
12. Rauser W.E. Structure and function of metal chelators produced by plants // Cell Biochem. Biophys. 1999. V. 31. P. 19-48.
13. Romanowska E., Igamberdiev A.V., Parys E., Gardestrom P. Stimulation of respiration by Pb2+ in detached leaves and mitochondria of C3 and C4 plants // Physiol. Plant. 2002. V. 116. № 2. P. 148-154.
14. Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам / отв. ред. Н.Н. Немова; Ин-т биологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: Карел. науч. центр РАН, 2007. 172 с.
15. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. Усиление накопления и ростин-гибирующего действия никеля и свинца на проростки амаранта в присутствии кальция // Физиология растений. 2009. Т. 56. С. 92-96.
16. Лескова О.А., Якимова Е.П. Влияние катионов железа и свинца на рост и развитие растений // Естествознание и гуманизм / под ред. Н.Н. Ильинских. 2006. Т. 3. Вып. 4.
17. Шемякина Е.А. Поглощение свинца и никеля растениями в условиях модельного опыта // Экология: от Арктики до Антарктики:
материалы конф. молодых ученых, 16-20 апреля 2007 г. / ИЭРиЖ УрО РАН. Екатеринбург: Изд-во «Академкнига», 2007. С. 364-365.
18. Зарипова Н.Р., Стефанович КЮ. Сравнение влияния ионов кадмия, меди и никеля на растения ячменя на ранних этапах развития // Вестник Тверского государственного университета. Серия Биология и экология. 2008. Вып. 1. С. 116-122.
19. Физиологические и биохимические методы анализа растений: практикум / сост. Г.Н. Чупахина. Калининград, 2000. 59 с.
20. Давыдова С.Л., Тагасов В.И. Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века: учеб. пособие. М.: Изд-во РУДН, 2002. 140 с.
21. Синютина С.Е., Шубина А.Г., Емельянов А.В., Киреев А.А. Определение активности полифенолоксидазы в осине (Populus tremula L.), произрастающей на территории ГПЗ «Воронинский» // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 1. С. 77-78.
22. Можаров А.В., Рязанов А.В., Завершинский А.Н. Triticum durum как потенциальный тест-объект пригодный для определения ряда тяжелых металлов // Актуальные проблемы естественных наук: материалы междунар. заочной науч.-практ. конф. Тамбов, 2011. С. 118-123.
23. Рязанов А.В., Можаров А.В., Поздняков А.П. Влияние соединений некоторых тяжелых металлов на процесс формирования проростков пшеницы // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2009. Т. 14. Вып. 1. С. 196-197.
24. Шубина А.Г., Синютина С.Е., Попова (Бирюкова) Е.Д. Активность полифенолоксидазы в хвое ели голубой (Picea pungens) и картофеле (Sol^num tubemsum) как фитоиндикационный маркер состояния окружающей среды // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2012. Т. 17. Вып. 1. С. 347-348.
Поступила в редакцию 16 октября 2012 г.
Sinyutina S.E., Mozharov A.V., Zaichenko M.A. INFLUENCE OF LEAD AND NICKEL SALTS ON ENZYMATIC ACTIVITY OF BARLEY
The influence of heavy metals on the activity of polypheno-loxidase of barley was studied. Increase of the polyphenoloxidase activity in the separate and combined presence of nickel and lead salts was shown.
Key words: nickel; lead; polyphenoloxidase; enzymatic activity.
