Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

IMPACT OF ELEMENTS CONTAINED IN THE COOPPER-ZINC-PYRITE ORE ON LIVER ANTIOXIDANT SYSTEM

Davletgareeva G.R. 1 Farshatova E.R. 1 Kamilov F.K. 1
1 "Bashkir State Medical University" Ministry of Health Russian Federation
При длительном внутрижелудочном введении суспензии порошка медно-цинковой колчеданной руды половозрелым белым крысам изучены изменения содержания основных компонентов неферментативного (глутатион восстановленный, свободных сульфгидрильных группы белков, α-токоферол, аскорбиновая кислота) и ферментативного звена (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза) антиоксидантной защиты в печени. Установлена динамика изменений этих показателей через 1,2 и 3 месяца, указывающая на истощение физиологических механизмов антиокислительной системы. Содержание восстановленного глутатиона к концу 3-го месяца снижается до 67,3 %, свободных тиоловых групп белков до 71,5 %, витаминов Е и С до 88,4 % и 82,2 % соответственно. Также значительно снижается активность ферментативного звена: супероксиддисмутазы до 74,5 %, глутатионпероксидазы до 67,5 % и каталазы до 80,7 %. Результаты исследования указывают на значимость изменений антиоксидантной системы тканей в механизмах токсического влияния элементов, содержащихся в рудах цветных металлов, и ведущее положение системы глутатиона в стабилизации окислительного гомеостаза клеток при их действии.
With long-term intragastric administration of a suspension of a powder of copper-zinc-pyrite ore sexually mature white rats were studied by changing the content of the main components of non-enzymatic (glutathione reduced, free sulfhydryl groups of proteins, alpha-tocopherol, ascorbic acid) and enzymatic unit (superoxide dismutase, catalase, glutathione peroxidase), antioxidant defense in the liver . The dynamics of changes of these indicators by 1.2 and 3 months, indicating depletion of the physiological mechanisms of antioxidant system. The content of reduced glutathione by the end of the 3rd month decreased to 67.3 %, the free thiol groups of proteins up to 71.5 %, vitamins E and C to 88.4% and 82.2 %, respectively. Also significantly reduced the activity of enzymatic chain: superoxide dismutase to 74.5 %, and 67.5 % of glutathione peroxidase and catalase to 80.7 %. The study results indicate the importance of changes in antioxidant system tissue mechanisms toxic effects of elements contained in ores of non-ferrous metals, and a leading position in the glutathione system oxidative homeostasis stabilizing cells in their action.
elements of copper-zinc ore pyrite
liver
reduced glutathione
free sulfhydryl groups
α-tocopherol
ascorbate
superoxide dismutase
catalase
glutathione peroxidase

Металлы, обладая стабильностью, высокой миграционной активностью, склонностью к биоаккумуляции, наличию специфических токсических эффектов представляют опасность для здоровья [11, 14]. Потенциальному риску хронического воздействия группы тяжелых металлов подвержены работники предприятий горнорудной промышленности. Выраженное увеличение содержания ряда элементов (Cu, Zn, Cr, Pb, Hg, Cd, As) в волосах горняков, добывающих медно-цинковую колчеданную руду, демонстрирует их поступление и накопление в организме [1, 5, 16]. При изучении профессиональной и производственно обусловленной заболеваемости горнорабочих на предприятиях по добыче и обогащению цветных металлов установлено значительное распространение болезней органов пищеварения, а уровень заболеваемости коррелировал со стажем работы [1,2,12,13]. Исследования с моделированием интоксикации компонентами медно-цинковой колчеданной руды показали увеличение уровня биохимических маркеров функции печени в плазме крови, многократное повышение концентрации Zn, Cu, Cd и Pb в ткани органа [3, 5]. В механизмах токсического действия группы тяжелых металлов особое значение придается изменениям оксидантно-антиоксидного статуса тканей с развитием окислительного стресса [3,11,14].

Цель исследования: оценить уровень компонентов антиокислительной защиты печени экспериментальных животных при подострой интоксикации элементами, содержащимися в медно-цинковой колчеданной руде. 

Материалы и методы. Опыт проведен на 70 самцах половозрелых белых крыс массой 200–240 г. Для моделирования подострой интоксикации элементами медно-цинковой колчеданной руды (Учалинское месторождение, Республика Башкортостан) животным в течение 3-х месяцев ежедневно внутрижелудочно вводили с помощью металлического зонда суспензию измельченного порошка руды в 2 % растворе крахмала из расчёта 60 мг/100 г массы. При расчёте вводимой дозы исходили из минимальной токсичной дозы меди [14] и среднего её содержания в руде 3,5 %. Крысы контрольной группы ежедневно получали 2 % раствор крахмала. Животные содержались в одинаковых условиях вивария на стандартном питании. Эксперименты проводили в соответствии с этическими нормами и рекомендациями о гуманном отношении к лабораторным животным, изложенными в «Европейской конвенции о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных целях» и в соответствии с требованиями приказа Минздрава РФ № 267 от 19.06.2003 г. «Об утверждении правил лабораторной практики».

Животных выводили из эксперимента под лёгким эфирным наркозом через 1, 2 и 3 месяца. В гомогенатах печени исследовали содержание глутатиона восстановленного (ГВ) по [6], свободных сульфгидрильных групп белков (ССГ) по [17], α-токоферола [19], аскорбиновой кислоты [21], общую антиокислительную активность (ОАА) по [7], активности супероксиддисмутазы (СОД) и глутатионпероксидазы (ГПО) с использованием наборов реагентов фирмы «RandoxLaborLtd.», каталазы [8] и содержание белка по Лоури.

Результаты и обсуждение. Из приведённых в таблице данных следует, что длительное поступление компонентов медно-цинковой колчеданной руды вызывает в печени экспериментальных животных снижение уровня компонентов неферментативного звена и активности основных ферментов антиоксидантной защиты. Содержание глутатиона восстановленного к концу третьего месяца эксперимента уменьшается до 67,3 %, свободных тиоловых групп белков – до 71,5 % от уровня контроля. Концентрации витамина Е и витамин С в печени снижается более умеренно-соответственно до 88,4 % и 82,2 %.

Показатели антиоксидантной защиты печени крыс при интоксикации элементами медно-цинковой колчеданной руды

Показатели

 

Контрольная группа n=10

Опытная группа

 

 

 

 

1 месяц

2 месяца

3 месяца

ГВ, мкмоль/мг белка

10,75

[7,79-13,18]

10,65

[8,10-13,15]

P=0,8445

7,80

[6,05-11,16]

P=0,0604

7,30

[5,71-9,14]

P=0,0409

CСГ белков, мкмоль/мг

16,5

[13,4-19,3]

15,3

[12,8-17, 6]

P=0,5822

14,5

[12,6-15,3]

P=0,1605

11,80

[10,2-14,6]

P=0,0379

α – Токоферол, мкг/мг белка

5,69

[4,95-6,36]

4,91

[4,44-5,62]

P=0,0343

4,90

[4,26-5,72]

P=0,0365

5,03

[4,21-5,37]

P=0,0378

Аскорбиновая кислота, мкг/мг белка

12,4

[10,9-13,8]

12,7

[10,2-13,7]

P=0,7082

11,5

[10,6-12,3]

P=0,3599

10,2

[9,9-11,8]

P=0,0281

СОД, Ед/мг белка

10,2

[7,2-11,4]

8,4

[7,6-10,5]

P=0,0435

7,4

[6,3-8,8]

P=0,0311

7,6

[6,4-8,2]

P=0,0366

ГПО, нмоль/мин/мг белка

7,92

[6,64-9,74]

7,85

[6,15-8,40]

P=0,8282

5,55

[4,4-5,93]

P=0,0262

5,35

[4,33-5,75]

P=0,0178

Каталаза, ммоль/мин/мг белка

8,3

[7,5-8,9]

7,5

[6,3-8,7]

P=0,1532

7,9

[5,7-7,8]

P=0,6161

6,7

[5,4-7,8]

P=0,0192

ОАА,%

41,1

[36,2-48,4]

40,4

[30,8-45, 6]

P=0,7341

35,5

[30,1-41,9]

P=0,0426

34,2

[26,5-38,3]

P=0,0342

 

В то же время падение содержания α-токоферола обнаруживается уже через 1 месяц от начала эксперимента (p=0,0343), а ГВ, СТГ и аскорбата происходит более умеренно, постепенно достигая статистической значимости лишь к третьему месяцу. Аналогичная динамика наблюдается и при измерении общей антиокислительной активности ткани печени. Согласно мнению авторов, предложивших данный метод [7], ОАА характеризует преимущественно состояние неферментативного звена антиоксидантной защиты.

При длительном поступлении в организм элементов, содержащихся в медно-цинковой колчеданной руде, в печени снижается и активность более мощного – ферментативного звена антиокислительной защиты. Активность СОД к завершению второго месяца интоксикации составляет 72,5 % от исходного уровня (р=0,0311) и остается сниженной до конца эксперимента (р=0,0366). Активность ГПО также существенно падает на второй месяц введения суспензии порошка руды (до 70,1 %, р=0,0262) и в последующем продолжает снижаться. Более стабильная динамика изменений выявляется при изучении активности каталазы, которая статически значимого снижения достигает лишь к концу третьего месяца эксперимента.

В руде Учалинского месторождения содержание меди составляет 3,5 %, цинка – 5 %, серы 15–45 %, мышьяка 0,1–3,0 %, сурьмы 0,01–0,5 %, свинца 0,1–0,3 %, бария 0,2–7 %, кадмия 0,06–0,12 %. Постоянными сопутствующими компонентами являются хром, железо, серебро, золото, марганец, ртуть и другие элементы [1,12].

При действии металлов, содержащихся в руде, установленное снижение антиокислительной защиты в печени может быть следствием разных механизмов их действия. Так, ионы многих металлов образуют комплексы с биомолекулами, содержащими тио-(HS-) и алкилтиогруппировки (RS-), разрывают дисульфидные связи (-S-S- связи), нарушая макромолекулярные структуры белков и их функциональную активность [11,13]. Кроме того, такие элементы как Fe, Cu, Pb, Cd, Hg, Mn, Ni, содержащиеся в руде, индуцируют процессы свободнорадикального окисления липидов и белков, инициируя образование активных форм кислорода, и таким образом стимулируют повышенное потребление антиоксидантов в тканях [4,10].

Cистема глутатиона является одной из ведущих в антиоксидантной защите тканей, особенно в печени, где происходит наиболее интенсивный синтез этого трипептида [10,14]. Функции ГВ разнообразные. Он поддерживает в восстановленном состоянии свободные тиоловые группы белков, действует как прямой антиоксидант, инактивируя активные формы кислорода (гидроксил радикал, синглетный кислород, супероксиданион), стабилизирует мембраны перемещением ацилпероксидов, поддерживает клеточный гомеостаз аскорбиновой кислоты и токоферолов, участвуя в их восстановлении, входит в структуру ряда ферментов антиоксидантной защиты [4, 10, 14]. С одной стороны, снижение уровня ГВ при действии металлов может быть результатом выраженной интенсификации его потребления, с другой, может стать причиной снижения активности глутатионзависимых антиоксидантных ферментов – глутатион-пероксидазы, глутатионтрансферазы, липидпероксидглутатионпероксидазы.

Буферная ёмкость тиоловых соединений оказывает влияние на состояние неспецифической резистентности организма, процессы апоптоза и пролиферации, метаболизма клеток, функционирование внутриклеточных механизмов передачи регуляторных сигналов, группы факторов трансляции и их взаимодействия с регулярными боксами ДНК [22]. Выделено более 20 так называемых «редокс-чувствительных» транскрипционных факторов. Реагируя на колебания окислительно-восстановительного статуса, они способны изменять транскрипцию нескольких сотен генов, входящих в систему антиоксидант-респонсивного элемента (АРЭ), являющегося ключевым фактором в поддержании внутриклеточного гомеостаза при токсических и других воздействиях [18]. Выделяют при этом два основных механизма контроля активности факторов транскрипции: окисление серусодержащих цистеиновых и метиониновых остатков и взаимодействие с металлами переменной валентности, входящих в состав молекул таких редокс-сенсоров, как NF –kB, AP-1, Nrf-2 [20]. Действие активных форм кислорода через активацию АРЭ регулирует экспрессию важнейших факторов антиокислительной защиты и биотрансформации: ГПО, глутатионредуктазы, глутатионтрансферазы, СОД, тиоредоксина, тиоредоксинредуктазы, гамма-глутамилцистеинлигазы, глюкуронидтрансферазы и др. [10,18]. АРЭ таким путем контролирует основные факторы синтеза глутатиона и поддержания его восстановленного состояния. Сохранение на уровне контроля в первый месяц воздействия элементов руды содержания ГВ, ССГ белков, активности ГПО и ОАА ткани печени животных опытной группы, вероятно, связано с механизмами активации АРЭ с напряжением систем биосинтеза и редукции глутатиона. Увеличение длительности поступления компонентов руды до трёх месяцев приводит к истощению механизмов поддержания и падению уровня неферментативных антиоксидантов и активности ферментов антиокислительной системы.

Активность и стабильность ключевых ферментов антиоксидантной защиты взаимосвязаны. СОД, каталаза и ГПО инактивируются одним из продуктов их ферментативной реакции, и согласованное действие этих ферментов является необходимым для эффективной защиты их от непосредственного инактивирующего действия образующихся активных форм кислорода [4]. При этом каталаза наиболее длительно сохраняет свою активность, фермент почти не требует энергии активации, и скорость его реакции лимитирует лишь скорость диффузии субстрата к активному центру [10].

ГВ тесно связан с обменом не только свободных тиоловых групп белков, но и с такими прямыми антиоксидантами, как токоферолы – главными перехватчиками радикалов в липидной фазе биомембран и аскорбиновая кислота, обладающей широким спектром действия и функционирующей с глутатионом в цитозоле клеток [4,9]. Хотя крысы и синтезируют аскорбат из глюкуроновой кислоты, но восстановление дегидроаскорбатного радикала осуществляется за счет глутатионового цикла, а сама аскорбиновая кислота важна для регенерации окисленного α-токоферола [10, 14]. Однако в присутствии ионов переменной валентности, особенно железа и меди, аскорбат проявляет прооксидантные свойства, и при избыточном поступлении металлов в условиях недостаточной их секвестрации аскорбиновая кислота может усугублять развитие окислительного стресса [4,10]. Накопление металлов переменной валентности в тканях опасно ещё и тем, что в среде легкоокисляемых соединений происходит их восстановление, и они выступают в качестве прооксидантов. 

Заключение

Полученные результаты указывают на патогенетическую значимость функционирования антиоксидантной защиты ткани печени в условиях длительного поступления в организм элементов медно-цинковой колчеданной руды, что характеризуется снижением концентрации восстановленного глутатиона, свободных сульфгидрильных групп белков, α-токоферола и аскорбиновой кислоты, падением активности ключевых антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза), приводящее к нарушению про- и антиоксидантного статуса и дезорганизации метаболизма. Более детальная характеристика системы глутатиона, занимающей ведущее положение в снижении и предотвращения токсического действия металлов, содержащихся в медно-цинковой колчеданной руде, требует дальнейшего целенаправленного изучения.