Изучение токсического влияния кадмия на активность аминотрансфераз у потомства белых крыс

Изучение токсического влияния кадмия на активность аминотрансфераз у потомства белых крыс

7

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Кадмий, как основной источник загрязнения, пути поступления в окружающую среду и действие на метаболические процессы в организме

1.2 Роль и структура аспартатаминотрансферазы и аланинаминотрансферазы

1.2.1 Краткая история открытия реакции переаминирования

1.2.2 Структура аспартатаминотрансферазы

1.2.3 Механизм реакции переаминирования

1.2.4 Биологическая роль трансаминаз

2. Материалы и методы

2.1 Экспериментальная часть

2.1.1 Экспериментальные животные

2.1.2 Подготовка биологического материала

2.1.2.1 Подготовка сыворотки крови

2.1.2.2 Подготовка гомогенатов тканей и органов

2.2 Определение активности аминотрансфераз методом Райтмана -Френкеля

2.2.1 Ход определения активности аспартатаминотрансферазы и аланинаминотрансферазы в сыворотке крови

2.2.2 Определение активности аспартатаминотрансферазы и аланинаминотрансферазы в гомогенатах органов

3. Результаты и обсуждение

Выводы

Список использованных источников

Приложение

СПИСОК СОКРАЩЕННЫХ НАЗВАНИЙ

АСТ - аспартатаминотрансфераза

АЛТ - аланиаминотрансфераза

ПДК - предельно допустимая концентрация

ВОЗ - Всемирная организация здравоохранения

ПОЛ - перекисное окисление липидов

АМ - альвеолярные макрофаги

ПНЛ - полиморфонуклеарные лейкоциты

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота

ПЛФ - пиридоксальфосфат

ПМФ - пиридоксаминфосфат

ПВК - пировиноградная кислота

2,4-ДНФГ - 2,4 динтрофенилнидразин

ЦТК - цикл трикарбоновых кислот

АДФ - аденозиндифосфат

Введение

Известно, что тяжелые металлы обладают выраженными кумулятивными свойствами, высокой биохимической активностью по отношению к сульфгидрильным, тиоловым, карбоксильным и другим активным группам белков и аминокислот. Принимая во внимание способность тяжелых металлов к трансплацентарному переходу и высокую чувствительность организма на ранних этапах онтогенеза, становиться очевидным, что новорожденные и дети грудного возраста составляют группу риска развития предпатологических и патологических состояний/1/.

Кадмий (Cd) является одним из опасных загрязнителей природной среды. Адсорбируясь через легкие и желудочно-кишечный тракт, уже через несколько минут он обнаруживается в крови. Кадмий обладает канцерогенным, гонадотропным, эмбриотропным, мутагенным и нефротоксическим действием. Реальная угроза неблагоприятного воздействия на население даже при низких уровнях загрязнения связана с высокой биологической кумуляцией этого металла. Последствия короткого контакта с высокими концентрациями кадмия в воздухе приводят к легочному фиброзу, стойкому нарушению легочных и печеночных функций. В легких оседает до 50% Cd, попавшего в организм ингаляционным путем. В желудочно-кишечном тракте адсорбция Cd в среднем состовляет 5%. Органами - мишенями Cd являются печень, почки, костный мозг, сперма, трубчатые кости и отчасти селезенка. Кадмий депонируется в печени и почках, где его содержится до 30% от общего количества в организме/2/.

Токсическое влияние Cd сказывается, прежде всего, на потомстве, поскольку, проникая через плаценту, кадмий способен изменять ее ферментативный статус/3/. систем. При введении Cd per os беременным и кормящим крысам, у потомства обнаруживают повреждения репродуктивной системы и задержке физического развития/4/. Результатом пренатального и постнатального воздействия Cd является скелетные нарушения, нарушения обмена белков, липидов, ингибирование ряда ферментативных

Одним из наиболее распространенных видов биологического действия химических веществ является их способность влиять на белковый и аминокислотный обмен в организме. Наиболее важными с практической точки зрения и хорошо изученными ферментами являются аспартатаминотрансфераза и аланинаминотрансфераза - ферменты, катализирующие межмолекулярный перенос аминогрупп между амино - и кетокислотами/5/.

Целью данной работы являлось изучение влияния азотнокислого кадмия на активность аланинаминотрансферазы и аспартатаминотрансферазы в сыворотке крови и тканях органов у потомства белых крыс, подвергшихся токсическому действию в неонатальный период.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1) определить активность АСТ и АЛТ в сыворотке крови, тканях печени, головного мозга, сердца, почках потомства крыс, подвергшихся хроническому действию ионами кадмия в период лактации;

2) изучить влияние различных доз токсиканта на активность АСТ и АЛТ в сыворотке крови и тканях.

1. Литературный обзор

1.1 Кадмий, как основной источник загрязнения, пути поступления в окружающую среду и действие на метаболические процессы в организме

Современный уровень развития промышленных технологий не позволяет перейти к экологически чистому производству/6/.Одним из наиболее распространенных загрязнителей окружающей среды являются ионы тяжелых металлов, в частности кадмий. Индустриальное загрязнение кадмием характерно для многих промышленных районов России. Кадмий способен адсорбироваться на твердых частицах и переноситься на большие расстояния.

Источниками большинства антропогенных загрязнений являются отходы от металлургических производств, со сточными водами гальванических производств (после кадмирования), других производств, в которых применяются кадмийсодержащие стабилизаторы, пигменты, краски и в результате использования фосфатных удобрений. Кадмий присутствует в воздухе крупных городов вследствие истирания шин, эрозии некоторых видов пластмассовых изделий, красок и клеящих материалов /1/. Однако больше всего в окружающую среду кадмий поступает в виде побочного продукта металлургического производства (например, при выплавке и электролитической очистке цинка), а также при хранении и переработке бытовых и промышленных отходов /7/. Даже в незагрязненных районах с содержанием кадмия в воздухе менее 1 мкг/м, его ежедневное поступление в организм человека при дыхании составляет около 1% от допустимой суточной дозы /2/.

Дополнительным источником поступления кадмия в организм является курение. Одна сигарета содержит 1-2 мкг кадмия, и около 10% его поступает в органы дыхания. У лиц выкуривающих до 30 сигарет в день, за 40 лет в организме накапливается 13-52 мкг кадмия, что превышает его количество, поступающее с пищей /7/.

В питьевую воду кадмий попадает вследствие загрязнения водоисточников производственными сбросами, с реагентами, используемыми на стадии водоподготовки, а также в результате миграции из водопроводных конструкций. Доля кадмия, поступающего в организм с водой, в общей суточной дозе составляет 5-10% /8/. Среднесуточное потребление кадмия человеком составляет примерно 50 мкг с отдельными отклонениями в зависимости от индивидуальных и региональных особенностей /2/.Предельно допустимая концентрация (ПДК) кадмия в атмосферном воздухе составляет 0,3 мкг/м, в воде водоисточников - 0,001мг/л, в почвах песчаных и супесчаных кислых и нейтральных 0,5, 1,0 и 2,0 мг/ кг соответственно /2/.

Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) установлен допустимый уровень содержания кадмия в организме 6,7- 8 мкг/кг /2,8/. Обмен кадмия в организме характеризуется следующими основными особенностями/9/: отсутствием эффективного механизма гомеостатического контроля; длительным удержанием (кумуляцией) в организме. На задержку кадмия в организме оказывает влияние возраст человека. У детей и подростков степень его всасывания в 5 раз выше, чем у взрослых /2/. Выведение кадмия происходит медленно. Период его биологической полужизни в организме колеблется, по разным оценкам, в пределах 10-47 лет /10,11/. От 50 до 75% кадмия от попавшего количества удерживается в организме. Основное количество кадмия из организма выводится с мочой (1-2 мкг /сут) и калом(10-50 мкг/сут) /2/.

Хроническое воздействие кадмия на человека приводит к нарушениям почечной функций легочной недостаточной, остёомаляций, анемий и потери обоняния. Существует данные о возможном канцерогенном эффекте кадмия и о вероятном участии его в развитии сердечно-сосудистых заболеваний /12/. Наиболее тяжелой формой хронического отравления кадмием является болезнь “итай-итай” характеризующаяся деформацией скелета с заметным уменьшением роста, поясничными болями, болезненным явлениями в мышцах ног, утиной походкой. Кроме того, отмечаются частные переломы размягчённых костей, а также нарушение функций поджелудочной железы, изменения в желудочно-кишечном тракте, гипохромная анемия, дисфункция почек и др./9/. Кадмий способен накапливаться в организме человека и животных, так как сравнительно легко усваивается из пищи и воды и проникает в различные органы и ткани. Токсическое действие металла проявляется уже при очень низких концентрациях /6/. В современной научной литературе изучению токсического действия кадмия посвящено немало работ. Наиболее типичным проявлением отравления кадмием является нарушение процессов поглощения аминокислот, фосфора и кальция в почках. После прекращения действия кадмия повреждения, вызванные его действием в почках, остаются необратимыми. Показано, что нарушение процессов обмена в почках может привести к изменению минерального состава костей /8/. Известно, что кадмий накапливается преимущественно в корковом слое почек, а его концентрация в мозговом слое и почечных лоханках значительно ниже /13/, что связано с его способностью депонироваться в паренхиматозных органах и медленным выведением из организма.

Предположительно проявление токсического действия ионов кадмия связано синтезом в организме белка металиотеонеина, который связывает и транспортирует его в почки. Там белок почти полностью реадсорбируется и быстро деградирует с освобождением ионов кадмия, стимулирующих металлиотионеина в клетках эпителия проксимальных канальцев. Деградация комплекса кадмий-металлиотионеин приводит к повышению уровня ионов кадмия вначале в лизосомальной фракций, а затем в цитозоле, где происходит связывание с почечным металлиотионеином. При этом в клетках появляются везикулы, и повышается число электронно-плотных лизосом, появлением низкомолекулярной протеинурии и кальцийурией /9,14/.

Роль белка металиотинеина в снижении токсичности кадмия весьма значительна. Экспериментальное внутривенное введение кадмия, связанного с данным белком, предотвращает развитие некроза в почечной ткани у мышей, тогда как аналогичные дозы неорганического кадмия вызывает развитие некроза в почках. Это доказывает участие металиотионеина в снижении токсичности металла. Однако этот механизм ограничен в количественном отношении, потому что при длительном поступлении кадмия также развивается повреждение тубулярного эпителия /14/.

Многочисленными исследованиями была показана возможная связь между кадмийиндуцированным повреждением клеток почек, межклеточным изменением содержания ионов кадмия и индукцией синтеза стрессовых белков. Первым кандидатом на роль стрессового белка является кальмодулин, так как in vitro показано, что кадмий активирует секрецию этого гормона, который через усиление потока кальция в клетку может повреждать цитоскелет /9/.

Кадмий вызывает развитие протеинурии, глюкозурии, аминоацидурии и другие патологические процессы. При длительном поступлении кадмия в организм развивается почечный тубулярный ацидоз, гиперкальцийурия и формируются камни в мочевом пузыре. В тяжелых случаях хронической кадмиевой интоксикации может также наблюдаться нефрокальцидоз. Накопление кадмия в клетках культуры почек происходит параллельно повышению степени его токсичности. Однако характер распределения его в клетке не зависит от выраженности цитотоксического действия: более 90% металла связано с цитозолем, остальная часть - микросомной, митохондриальной, ядерной фракциями и клеточными фрагментами /8/.

Изучение субклеточного распределения кадмия в печени позволило расшифровать механизм возникновения толерантности к данному металлу. Установлено, что снижение чувствительности к кадмию обусловлено изменением его распределения не в тканях, а цитозольной субклеточной фракции печени, являющиеся органом - мишенью, где происходит связывание его с металиотионеином. В дозе 2,4 мг/кг кадмий снижает синтез белка в микросомальной фракции печени крыс, не нарушая его в ядрах и митохондриях. Накапливаясь на внутренних мембранах митохондрий, данный металл уменьшает энергоснабжение и стимулирует перекисное окисление липидов (ПОЛ) при концентрациях 10 - 100 мкмоль /15,16/.

В первые сутки после введения кадмия в дозе 4 мг/кг в мышце сердца крыс по сравнению с контролем увеличились содержание диеновых коньюгантов в 2,1 раз, активность глутатионпероксидазы - на 3,2%. В коре больших полушарий головного мозга содержание шиффовых оснований возрастало в 2,2 раза. На седьмые сутки наблюдения у животных, получавших кадмий, концентрация шиффовых оснований в неокортексе оставалась повышенной на 59,3%, в сердце - увеличилось в 2,4 раза по сравнению с контролем; содержание коньюгантов в миокарде в дозе 1 мкмоль происходит нарушение целостности мембран митохондрий, но стимуляция ПОЛ не наблюдается /16/.

При хроническом ингаляционном воздействии кадмий вызывает тяжелые поражения легких. Как показали проведенные Шоповой В. Л. с сотрудниками исследования /17/, процент альвеолярных макрофагов (АМ) при воздействии кадмия в первый день значительно понижался (до 11,5%). Этот эффект наблюдался и на пятнадцатый день - АМ составил 45,5% от исходных значений. Одновременно резко повышался процент полиморфонуклеарных лейкоцитов (ПНЛ), среди некоторых встречались и незрелые формы. Средняя площадь АМ после химического воздействия увеличивалась за счет повышения процента очень крупных клеток, а не за счет равномерного увеличения площади всех клеток. При этом крупные АМ имели вакуолизированную пенистую цитоплазму. Встречались и клетки с пикнотическими ядрами, кариолизисом и кариорексисом. Все это указывает на то, что соединения кадмия существенно понижают содержание внутриклеточного АТФ и ингибируют клеточное дыхание.

В основе механизма токсического действия ионов тяжелых металлов, в том числе кадмия, лежит их взаимодействие с компонентами клеток, молекулами клеточных органелл и мембран.

Ионы металлов могут влиять на процессы, протекающие в клетке, только проникая внутрь ее и фиксируясь в субклеточных мембранах. Кадмий проникает в клетку через потенциал зависимые кальциевые канальцы. Воздействие кадмия на внутриклеточные процессы весьма разнообразны. Так, металл оказывает заметное влияние на обмен нуклеиновых кислот и белка. Он ингибирует in vivo включение тимидина в ДНК регенерирующей печени, угнетает синтез белка в печени крыс на стадии инициации трансляции, нарушая образования полирибосом, тогда как процесс элонгации, напротив, ускоряется в результате активирования факторов EF - 1 и EF - 2 /9/. Избыток ионов кадмия ингибирует синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот, влияет на активность ферментов, нарушает усвоение и обмен ряда микроэлементов (Zn, Cu, Se, Fe), что может вызывать их дефицит. Следует заметить, что при достаточном поступлении цинка в организм токсичность кадмия снижается/8/.

С помощью электронной микроскопии было установлено, что кадмий вызывает ультраструктурные изменения клеточных мембран, митохондрий, цистерн аппарата Гольджи, сети трубочек, хроматина, ядрышка, микрофиламентов и рибосом/18/.

Поражение клеточной оболочки является наиболее ранним признаком действия данного металла, особенно при длительном поступлении, хотя клетки могли переносить поражения клеточной оболочки, а также митохондрий и в некоторой степени - аппарата Гольджи/16/.

При исследовании воздействия кадмия in vitro на митохондриальную мембрану выявили, что ионы кадмия повышают проницаемость мембраны к ионам H, K, Mg, а это приводит к активации дыхания энергизованных нефосфорилирующих митохондрий/15/.

Известно, что некоторые ферменты в своей структуре имеют ионы металлов. Существует группа ферментов, в состав простетической части которых входят ионы металлов IV периода таблицы химических элементов, которые способны замещаться на любой двухвалентный ион металла (близкий по положению в таблице Д. И. Менделеева) /12/, в частности, к таким ферментам относятся щелочная фосфатаза и ряд протеаз /19/. На основании проведенных экспериментов можно предположить, что в результате замещения ионов в простетической части фермента один на другой происходит изменение пространственной конфигурации активного центра фермента, что приводит к изменению уровня его активности.

Свое токсическое влияние кадмий оказывает и на репродуктивные функции организма /20/. Эффект зависит от дозы вещества и времени воздействия. Основываясь на экспериментальных данных, полагают, что тератогенное действие кадмийсодержащих веществ может быть связано с ингибированием активности карбоангидразы /16/. Так, воздействуя на ткани семенников, кадмий вызывает уменьшение синтеза тестостерона /20/. Данный металл может приводить к гормональным нарушениям у самок, предотвращает оплодотворение, может вызывать кровотечения и даже приводить к смерти эмбрионов/9,21/. Установлено также, что кадмий способен накапливаться в плаценте и вызывать ее повреждение /7/. В исследованиях /9,21/ было выяснено влияние различных доз кадмия на эмбриональную смертность. Так, при введении металла в дозе 5 мг/кг впервые обнаруживаются мертвые эмбрионы, при 10 мг/кг наблюдается снижение средней массы плода, увеличение эмбриональной смертности в 2,8 раза, а при дозе 20 мг/кг - максимальное число мертвых эмбрионов на одно животное/20,22/.

В литературе описано также отдаленное воздействие кадмия на развитие потомства. В частности, в результате введения самкам раствора кадмия во время беременности и в период лактации, у потомства, подвергавшегося действию металла в эмбриогенезе, наблюдались нейрохимические изменения в мозжечке и в полосатом теле, и изменения моторной активности во взрослом состоянии/23/.

Таким образом, основываясь на литературных данных, можно отметить, что токсичность соединений кадмия следует рассматривать двояко. С одной стороны - это непосредственное действие ионов на организм. С другой стороны - влияние на потомство особей, подвергшихся действию соединений этого тяжелого металла.

1.2 Роль и структура аспартатаминотрансферазы и аланинаминотрансферазы

1.2.1 Краткая история открытия реакции переаминирования аминокислот

Реакция переаминирования аминокислот была открыта учёными А.Е.Браунштейном и М.Г. Крицман в 1937 году при изучении дезаминирования глутаминовой кислоты в мышечной ткани /24/. Было замечено, что при добавлении к гомогенату мышц глутаминовой и пировиноградной кислот образуется L-кетоглутаровая кислота и аланин без промежуточного образования аммиака; добавление аланина и - кетоглутаровой кислоты приводило к образованию пировиноградной и глутаминовой кислот. В последующих исследования было показано, что реакции переаминирования широко распространены в живой природе и играют важную роль в сопряжении азотистого и энергетического обмена /25/.

Реакции переаминирования протекают при участии специфических ферментов, названых А.Е. Браунштейном аминоферазами (или по современной классификации, трансаминазами). Теоретически эти реакции возможны между любой амино - и кетокислотой, но наиболее интенсивно они протекают в том случае, когда один из партнеров представлен дикарбоновой амино - или кетокислотой. В тканях животных и у микроорганизмов доказано существование реакции переаминирования также между монокарбоновыми амино - и кетокислотами/26/.

В первых же работах, посвященных к открытию ферментативного переаминирования, А.Е. Браунштейн и М.Г. Крицман высказали предложение об образовании в ходе этой реакции основания Шиффа, подвергающегося таутомерному превращению и гидролизу; при этом указывалось на возможность участия в реакции промежуточного акцептора аминогруппы. Это предположение получило повреждение после открытия в 1944 году американским биохимиком Э. Снеллом новых биологически активных форм витамина - пиридоксаля и пиридоксамина, которым была приписана роль переносчика аминогруппы. В 1945-47г.г. были получены доказательства того, что фосфорилированное производное пиридоксаля- пиродоксаль --фосфат является коферментом аспартат-трансаминаз бактериальной и животного происхождения/27/. В 1954 году А. Майстер и соавторы установили, что частично очищенная апотрансаминаза активируется при помощи пиродоксаль - - фосфата в равной мере. Эти данные согласовались с ранее высказанными предложениями, согласно которым пиридоксальфосфат и пиридоксаминфосфат подвергаются взаимопревращению в ходе катализируемой ферментом реакции, которая может быть представлена в виде суммы двух полуреакций /28/:

L-аппарат + ПЛФ оксалацетат+ПМФ

ПМФ + 2 - оксоглутарат L - глутамат + ПЛФ

ПЛФ - пиридоксальфосфат, ПМФ- пиридоксаминфосфат.

Окончательные доказательства этого механизма были получены в конце 50-х годов получения высокоочищенных препаратов аспартат-трансаминазы из сердца свиньи. Исследуя эти препараты, удалось подтвердить наличие прочно связанного пиридоксальфосфата в трансаминазе и доказать при помощи химических и спектрофотометрических методов, что L- глутамат или L- аспартат вызывает превращение обращается при добавлении 2 - оксоглутарата или оксалацетата/25/. В реакции переаминирования участвует - аминокислота как донор аминогруппы и -кетокислота как акцептор аминогруппы. Донорами могут служить также -,-, - и - аминогруппы ряда аминокислот (например, у орнитина - группа находится в - положении, у -аланина - в -положении/13/.

1.2.2 Структура аспартат-трансаминазы

Трансаминазы имеются во всех животных и растительных клетках, а также в микроорганизмах. В настоящее время известно около 60 трансаминаз, различающихся по субстратной специфичности. Из них лучше всего исследована аспартат-трансаминаза, при изучении которой удалось наиболее близко подойти к раскрытию молекулярного механизма переаминирования. Важным этапом в изучении аспартат-трансаминазы явилось определение её пространственной структуры при помощи метода рентгеноструктурного анализа/29/.

В начале 60-х годов было обнаружено, что в тканях животных содержатся два изофермента аспартат-трансаминазы: цитозольный и митохондриальный; их изоэлектрические точки равны соответственно ~6 и 9/30/. Несмотря на идентичность основного каталитического механизма, цитозольный и митохондриальный изоферменты различаются по многим каталитическим параметрам: удельной активности и сродству к пиродоксальфосфату, сродству к субстратам и PH-оптимуму активности. Оба изофермента имеют большее сродство к субстратам с четырёхуглеродной цепочкой, чем к пятиуглеродным субстратам. Но митохондриальный изофермент связывает L-аспартат в несколько раз лучше, а 2-оксоглутарат существенно хуже по сравнению с цитозольным изоферментом. Изоферменты различаются по способности катализировать переаминирование ароматических аминокислот, сродству к анионам, доступности инактивации трипсином и некоторыми реагентами, термостабильности и ионизации фосфатной группы кофермента.

В 1972 году под руководством Ю.А. Овчинникова и А.Е. Брауцштейна была завершена работа по определению первичной структуры цитозольной аспартат-трансаминазы из сердца свиньи/31/. К настоящему времени определены полные аминокислотные последовательности двух цитозольных изоферментов (из сердца свиньи, курицы, из печени крысы и индюка). Молекулы обоих изоферментов построены из двух идентичных полипептидных цепей (субъединиц), каждая из которых содержит одну молекулу прочно связанного с белком пиридоксальфосфата. Полипептидная цепь цитозольных аспартат-трансаминаз свиньи и курицы состоит соответственно из 412 и 411 аминокислотных остатков и имеет молекулярную массу около 46,5 кДа. Полипептидная цепь митохондриальных изоферментов свиньи и курицы состоит из 401 аминокислотного остатка и имеет молекулярную массу около 45 кДа. Оба изофермента синтезируются на рибосомах в цитоплазме клетки, причём митохондриальный фермент-в виде профермента, который содержит на NH2 -конце дополнительный пептид (“сигнальный”), состоящий из 29 аминокислотных остатков. Образование активной формы фермента связано с отщеплением этого пептида/28/.

Страницы: 1, 2