Влияние хронического воздействия ионов свинца и кадмия на содержание общего белка и его фракций в тканях сеголеток карпа (Cyprinus carpio L.)

За последние годы вследствие антропогенной нагрузки уровень концентрации токсических веществ в природе постоянно повышается. Из широкого спектра загрязнителей особую опасность для гидробионтов представляют тяжелые металлы [1-5]. Тяжелые металлы, поступающие в кровь, быстро поглощаются тканями и, в первую очередь, эритроцитами, тканями почек, костей и печени. Pb и Cd относятся к 1-му классу токсичности. Из всех водных обитателей наибольшее токсическое действие Pb и Cd оказывают на рыб [1, 9]. К эффектам их воздействия относятся образование комплекса «белок-металл» с накоплением металлотионеинов, нарушения процессов образования и транспорта белков и другие реакции, показателями которых могут являться изменения в содержании различных белков в организме, играющих важную роль в метаболизме, росте и развитии, а также адаптации гидробионтов к различным видам токсикологической нагрузки [2, 9].

Целью данной работы явилось изучение влияния хронического загрязнения водной среды ацетатом свинца и хлоридом кадмия на динамику общего белка и белковых фракций в различных тканях и органах (кровь, печень, почки, скелетные мышцы) сеголеток карпа (Cyprinus carpio L.).

Материалы и методы. Работа выполнена на базе лаборатории физиологии и ихтиологии Дагестанского государственного университета. В

Сулейманова Ума 3., аспирантка Адиева Гульмира С., аспирантка модельном эксперименте использованы сеголетки карпа массой 100-150 г., выращенные в прудах Широкольского рыбоводного комбината Республики Дагестан. Рыбы отлавливались перед их переброской в пруды для зимовки и переносились в аквариумы объемом 300 л с содержанием ацетата свинца 0,5 мг/л (ПДК — 0,1 мг/дм3) и хлорида кадмия 0,1 мг/дм3 (ПДК 0,005 мг/дм3). Контролем служили рыбы, содержавшиеся в чистой воде. Изучали динамику содержания общего белка [11] и белковых фракций [8] в сыворотке крови и 1%-ых гомогенатах печени, почек, скелетных мышц сеголеток карпа в разные сроки экспозиции рыб в водной среде с ионами Pb и Cd (5, 15 и 30 дни эксперимента). Полученные результаты подвержены вариационностатистической обработке методом малой выборки [5].

Результаты. Результаты наших исследований по динамике содержания общего белка в крови, печени, почках и скелетных мышцах сеголеток карпа при их интоксикации тяжелыми металлами представлены на рис. 1-5. Изначально содержание общего белка выше в печени (254,0±4,6 мг/г влажной ткани), меньше его количество в красных мышцах (236,0±5,8 мг/г влажной ткани) и почках (234,0±3,7 мг/г влажной ткани), белые мышцы занимают промежуточное положение по содержанию общего протеина (242,0± 15,4 мг/г влажной ткани). На 5-й день пребывания рыб в среде с ацетатом свинца в белых и красных мышцах количество общего белка незначительно снижается (на 9,1 и 6,8% соответственно). Содержание альбуминов снижается в почках на 35,3%, в белых и красных мышцах соответственно на 31,6% и в 1,4 раза. В печени на этом этапе интоксикации ацетатом свинца наблюдается повышение содержания общего белка на 18,1% и альбуминов — на 45,2%. На 30-е сутки отмечается дальнейшее снижение содержания общего протеина в белых мышцах, тогда как в почках и красных мышцах происходит незначительное его повышение относительно контроля. В печени на 15-й день количество общего белка выше на 14,2% и соответствует уровню контроля на 30-й день. Отмеченные изменения в содержании общего белка коррелируют с процентным содержанием альбуминов в белковых фракциях.

Рис. 1. Динамика содержания общего белка и его фракций в печени сеголеток карпа

Разнонаправленные изменения в исследованных органах были отмечены и в содержании глобулиновой фракции. На начальных этапах интоксикации ацетатом свинца (5-й день) было отмечено понижение содержания глобулинов в печени на 37,9% и повышение в почках, белых и красных мышцах на 18,2; 17,5 и 37,7% соответственно. На 15-й день опыта уровень глобулинов остается сниженным (на 23,6%) в печени, продолжает повышаться (на 36,4%) в почках и практически не отличается от контроля в обоих типах мышц. К концу эксперимента (30-й день) содержание глобулинов во всех тканях, кроме почек, возвращается к уровню контроля. В почках их уровень остается повышенным на 37,9%. Содержание белков в сыворотке крови контрольных рыб составляет 24,0±1,2 г/л. На 5-й день экспозиции сеголеток карпа в среде с ацетатом свинца отмечается повышение содержания общего белка в сыворотке крови на 30,4% с последующим понижением на 15-е и 30-е сутки на 12,5% по сравнению с контролем. Определение соотношения белковых фракций показало резкий сдвиг в сторону повышения содержания глобулинов на 15-й и 30-й дни эксперимента (на 26,7 и 30,0% соответственно). Изменения в белковых фракциях сеголеток карпа отразились на величине альбуминно-глобулинового индекса (A/G).

5-й день 15-й день 30-й день

Рис. 2. Динамика содержания общего белка и его фракций в почках сеголеток карпа

5-й день 15-й день 30-й день

Рис. 3. Динамика содержания общего белка и его фракций в белой мышечной ткани сеголеток карпа

На 5-й день интоксикации рыб хлоридом кадмия в печени, почках и красных мышцах отмечается незначительное понижение общего количества белка. В белых мышцах содержание общего протеина практически не отличается от контроля. На 15-й день опыта содержание общего белка снижается во всех тканях, особенно в печени (на 25,2%). Подобная тенденция отмечена и на 30-й день опыта. Так, в печени отмечено понижение содержания протеина на 26,4%, в почках — на 21,8%, в белой мышечной ткани — на 4,9%, в красных мышцах — на 9,3%. Содержание общего белка сыворотки крови при интоксикации хлоридом кадмия значительно повышается на протяжении всего периода эксперимента.

Содержание альбуминов во многих тканях коррелирует со снижением общего количества белка. Так, в печени и почках этот показатель прогрессивно снижается на протяжении всего опыта, причем наиболее выражена эта тенденция на 30-й день опыта в почках (содержание альбуминов снижено на 44,1%). В красных мышцах уровень альбуминов, напротив, увеличивается на протяжении всего периода воздействия хлорида кадмия и на 30-й день это повышение составляет 36,6%, а в белых мышцах - всего 6,7% по сравнению с контролем. При воздействии хлорида кадмия в течение 5, 15 и 30 суток уровень глобулинов возрастает относительно контроля в печени на 12,1; 25,9 и 25,7%; в почках - на 19,7; 21,2 и 22,7% соответственно. В белых мышцах на начальных этапах интоксикации также отмечено повышение содержания глобулинов с последующим понижением к концу опыта, тогда как в красной мышечной ткани их количество снижено на протяжении всего эксперимента.

Изменения в соотношении альбуминов и глобулинов приводят к снижению A/G индекса во всех тканях, за исключением красной мышечной ткани. Разнонаправленная динамика A/G индекса в течение опыта отмечена в печени и белых мышцах, тогда как в почках и красных мышцах соотношение альбуминов к глобулинам остается неизменным на протяжении всего периода воздействия хлорида кадмия. На 5-й и 15й дни интоксикации хлоридом кадмия отмечены незначительные колебания содержания альбуминов и глобулинов в сыворотке крови, не приведшие к изменению A/G индекса. В то же на 30-й день экспозиции рыб в среде с хлоридом кадмия отмечается снижение индекса в 2,1 раза за счет значительного уменьшения (на 40,0%) содержания альбуминов и повышения (на 26,7%) уровня глобулинов.

общий бе лок альбумины глобулины

5-й день 15-й день 30-й день

Рис. 4. Динамика содержания общего белка и его фракций в красной мышечной ткани сеголеток карпа

общий белок альбумины           глобулины

5- й день 15-й день 30-й день

Рис. 5. Динамика содержания общего белка и его фракций в крови сеголеток карпа

Обсуждение результатов. Результаты наших исследований по изучению содержания общего белка и его фракций в различных тканях сеголеток карпа при их интоксикации ацетатом свинца и хлоридом кадмия показали, что степень изменения данных показателей зависит от длительности интоксикации, типа ткани, а также вида токсиканта. Известно, что рассматриваемые органы играют определенную роль в белковом обмене. Так, участие печени в белковом обмене включает в себя ряд функций: синтез и распад белка, трансаминирование и дезаминирование аминокислот, специфический обмен некоторых аминокислот [2]. Печень рыб быстрее других реагирует на изменение внешней среды [7]. Деятельность же почек направлена, главным образом, на поддержание гомеостаза организма. При воздействии на организм химических веществ почки участвуют в выведении продуктов белкового обмена, токсических веществ и продуктов их биотрансформации из организма.

Основную массу белков мышц рыб составляют альбумины и глобулины (85%), всего же у разных рыб выделяют 4-7 фракций белков. Известна депонирующая роль красных мышц, не принимающих активного участия в мышечной работе, а снабжающих энергией белые мышцы [2, 3]. Показана роль белков сыворотки крови в процессе адаптации к действию повышенных концентраций ионов тяжелых металлов [2, 7, 10]. Известно, что Pb активно влияет на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат. Многие факты говорят в пользу денатурационного механизма действия Pb, нарушая синтез порфиринов и гема, угнетая ряд ферментов, участвующих в обмене порфиринов. Влияние Cd проявляется в том, что он блокирует работу ряда важных для жизнедеятельности организма ферментов. Кроме того, он поражает печень, почки.

Наиболее значительные колебания содержания общего белка при действии обоих токсикантов отмечены в печени, почках и в крови сеголеток карпа. Причем действие Cd более выражено в печени и в крови, тогда как Pb — в почках. В печени действие ионов Pb и Cd носит прямо противоположный характер: ионы Pb вызывают повышение содержания общего белка и альбуминов, а ионы Cd — понижение. В остальных тканях оба токсиканта, в основном, оказывают сходное действие.

Увеличение содержания водорастворимых белков в печени сеголеток карпа, подвергшихся воздействию ацетата свинца, вероятнее всего, связано с тем, что при попадании металлов в клетку индуцируется синтез металлотионеинов — белков, связывающих ионы свинца, тем самым уменьшая его токсичность [9]. Кроме того, в качестве одной из причин подобных изменений в тканях сеголеток карпа при действии ацетата свинца можно рассматривать стресс, при котором реализуется эффект высоких концентраций катехоламинов и глюкокортикоидов [10]. Полученные данные о снижении альбуминовой фракции в крови сеголеток карпа при интоксикации ацетатом свинца являются показателем функционального состояния печени, где осуществляется синтез альбуминов. Однако, учитывая, что в печени уровень альбуминов повышается, следовало бы ожидать их увеличения и в крови. Очевидно, уровень альбумина может снижаться по причине уменьшения использования белка для пластических процессов [2]. Кроме того, снижение содержания альбуминов в крови на фоне возрастания их синтеза в печени можно объяснить связыванием ими ионов Pb, поскольку известно, что Pb циркулирует в крови в виде коллоидов альбуми-ната. Повышение концентрации глобулинов в крови может быть следствием понижения скорости их распада.

По нашим данным, в большинстве тканей Cd вызывает снижение общего количества протеинов, тогда как, на белковый состав крови Cd оказывает противоположный эффект. Однако, учитывая то, что Cd способен преимущественно накапливаться в печени и почках гидробионтов [1] и индуцировать синтез металлотионеинов, следовало бы ожидать повышения содержания общего белка, Очевидно, в ответ на воздействие Cd в тканях рыб не вырабатываются связывающие их компоненты белковой природы, что указывает на снижение адаптивных возможностей рыб в условиях интоксикации ионами Cd. Cd, видимо, соединяясь с металлотионеином (являющимся, таким образом, естественной защитой организма), способствует снижению общего количества белка в тканях [2, 5]. Снижение содержания альбуминов в крови сеголеток карпа на 30-й день содержания их в среде с хлоридом кадмия происходит на фоне уменьшения их синтеза в печени на протяжении всего периода эксперимента и, следовательно, может служить показателем функционального состояния печени в условиях интоксикации ионами кадмия. Повышение содержания глобулинов можно рассматривать как защитную реакцию организма при воздействии ионов Cd, поскольку известно, что глобулины являются белками, участвующими в иммунных реакциях организма. Кроме того, альфа2-глобулины связывают ионы Cd, в таком виде они менее токсичны, хотя далеко не безвредны [4]. Очевидно, при воздействии хлорида кадмия повышение содержания глобулинов происходит за счет активации синтеза альфа2-глобулинов.

Указанные различия в содержании белков в печеночной, почечной, мышечной тканях и в крови в зависимости от длительности интоксикации ацетатом свинца и хлоридом кадмия, вероятно, связаны с функциональными особенностями этих органов, неодинаковой интенсивностью биохимических процессов в них и с активностью различных структур, необходимых для реализации защитных свойств организма к действию токсикантов.