Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Молекулярные механизмы действия экотоксикантов. Метаболические предпосылки нарушения здоровья населения

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Автореферат диссертации по теме "Молекулярные механизмы действия экотоксикантов. Метаболические предпосылки нарушения здоровья населения"

РГ6

23

оа

ноя гл

На правах рукописи

ШАФРАНСКИЙ Игорь Евгеньевич

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ЭКОТОКСИКАНТОВ. МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ НАРУШЕНИЯ ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ

03.00.04 -биохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Уфа, 1998

Работа выполнена на кафедре биологической и клинической химии Самарского государственного медицинского университета ректор - Лауреат государственной премии РФ доктор медицинских наук, профессор Г.П. Котельников

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент РАЕН, доктор медицинских наук, профессор Ф.Н.Гильмиярова

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук,

профессор Шараев П.Н.

кандидат медицинских наук,

старший преподаватель Сагидуллин Ф.А.

Ведущее учреждение:

Омская государственная медицинская академия

Защита состоится "_"_199_ г. в _ часов, на

заседании диссертационного совета Д 084.35.01 при Башкирском государственном медицинском университете по адресу: г. Уфа, ул. Ленина, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного медицинского университета.

Автореферат разослан "_"_199_г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор медицинских наук Э.Г. Давлетов

АКТУАЛЬНОСТЬ. В настоящее время множественные проблемы, связанные с антропогенным загрязнением жизненного пространства, находятся в центре внимания (Голин В.И., Албаров И.Д., 1995; Беляев E.H., 1996; Ревич H.A., Гурвич Е.Б., 1996; Гейпо О.И. с соавт., 1996; Литвинов И.Н., 1996; 1997; Любченко П.Н., 1996; Кожин А А., Закрутаин В.Е., 1997; Спирин В.Ф., Герштейн Е.Г., 1997; Лебедев Г.П., 1997). Стремительно увеличивается число химических веществ, потенциально опасных для здоровья человека. Их количество ориентировочно составляет 10 миллионов. Чужеродные соединения присутствуют в воздухе, в воде, в пищевых продуктах. Их эмиссия в окружающую среду происходит с промышленными отходами (Мудрый И.В., 1995; Довжанский И.С. с соавт., 1996; Авдеев И.А. с соавт., 1996; Гоженко Л.И. с соавт. 1996; Хасанова В.М., Асилбекова Х.Т., 1997; Щарафутдинова М.Х., 1997; Гильманов М.А. с соавт., 1997). Ими являются различные биоциды, применяемые в сельском хозяйстве (Мудрый И.В., 1995; Авдеев И.А. с соавт., 1996; Гоженко А.И. с соавт., 1996). Они по пищевым цепям поступают в организм человека. Кроме того, моющие, косметические средства, медикаменты, а также пищевые добавки служат поставщиками ксенобиотиков (Кулкыбаев Г.А., 1994; Силаев Л.Л. с соавт., 1996; Луценко Л.А. с соавт., 1997). Многие из этих соединений достаточно устойчивы или могут превращаться в устойчивые токсические производные. Изобилие разнообразных агрессивных соединений, поступающих различными путями в организм, загружает системы детоксикации, наводняет неизмененными и трансформированными молекулами ксенобиотиков органы и структуры. Спектр их действия очень широк - от канцерогенного, мембраноповрезвдающего, мутагенного, прооксидантного до широкого модулирующего эффекта на ферментные системы, в том числе за счет неферментативного взаимодействия с биомолекулами в организме (Борисенкова Р.В., 1996; Мустафина O.E. с соавт., 1996; Сетко Н.П., 1996; Артюкина Г.П., 1996; Бутинов М.Г. с соавт., 1997; Токмубина Е.В. с соавт., 1997). Проживание в экологически неблагополучных регионах ведет к повторяющемуся, то есть хроническому воздействию комплекса экотоксикантов на организм человека (Сидоренко Г.И., Люжаев Е.А., 1995; Тимашева Г.П., Валишин В.Ш., 1997; Крочаков C.B., 1997; Талыпова Л.В. с соавт., 1997). Естественно, что одной из наиболее актуальных проблем является изучение причинно-следственных отношений между состоянием здоровья населения и факторами техногенного загрязнения внешней среды. Поэтапно от констатации зависимости уровня здоровья от экологической обстановки, выявляется специфика нарушений, обусловленная не только количеством, но и качественным соотношением агрессивных соединений в конкретном регионе; исследуются патохимические механизмы, лежащие в основе химической патологии (Сулейманов P.A., 1997; Кузьмина Л.П. с соавт., 1997). Негативное влияние дестабилизированной экотоксикантами окружающей среды реализуется на разных уровнях биологической иерархии - от популяционного до субклеточного и молекулярного.

Новые достижения в теоретической биохимии позволили приоткрыть пласт происходящих в норме в организме молекулярных событий, оценка которых выходит за пределы молекулярной логики живого (Голубев А.Г., 1996). Параметаболические процессы в органах и тканях являются источником новых органических соединений, вносящих вклад в саморазрушение организма. Образуются они в результате неферме1гтативного химического взаимодействия биомолекул (Draper Н.М., Hadley M., 1996). Известно, что в условиях техногенного загрязнения внешней относительно человека и его собственной внутренней среды агрессивными химическими веществами происходит нарушение гомеостаза. Есть основания полагать, что процесс дестабилизации организма обеспечивается также химическим взаимодействием нативных и активированных в процессе биотрансформации экотоксикантов с низко- и высокомолекулярными компонентами биосред и тканей, что сопровождается изменением их морфологии и функции.

ЦЕЛЬ настоящего исследования состоит в том, что бы оценить возможность и характер влияния некоторых ксенобиотиков на функциональное состояние молекулярных и клеточных объектов.

ЗАДАЧИ:

1. Оценить значимость отдельных компонентов техногенного загрязнения в регионе с развитой нефтехимической промышленностью в нарушении здоровья населения.

2. Выяснить характер действия промышленного стока НК НПЗ - одного из основных источников промышленного загрязнения, на молекулярные системы жизнеобеспечения.

3. Изучить влияние экотоксикантов, служащих одним из причинных факторов развития заболеваний, наиболее характерных для данного региона, на интегральные показатели метаболизма в модельных опытах.

4. Провести анализ результатов действия экотоксикантов на параметры метаболизма в системах разного уровня организации с экстраполяцией данных на организм и оценить значимость выявленных нарушений для дестабилизации здоровья жителей экологически неблагополучных регионов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Получены новые сведения о взаимосвязи качественного состава промышленных выбросов со спецификой структуры заболеваемости жителей региона с развитой нефтехимической промышленностью. Впервые установлена значимость в формировании отдельных нозологических форм конкретных экотоксикантов. Новыми являются сведения о нарушении структурнопласггических процессов, энергопродукции под влиянием промышленных выбросов НК НПЗ. Установлены конкретные участки метаболических повреждений, вызываемых ксилолом, фенолом, двуокисью марганца, шггиокисью ванадия. Получены новые данные о патогенезе химической болезни путем использования новой методологии в оценке здоровья.

На основании данных о распространении заболеваемости населения и о составе промышленных выбросов в конкретном регионе установлена степень взаимосвязи между ними. Выявлена тесная коррелятивная зависимость между показателями здоровья и экотоксикантами органической и неорганической природы. В экспериментах in vitro определена специфика повреждающего действия ксилола, двуокиси марганца и пягиокиси ванадия.

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Выявленные закономерности влияния химических веществ, связанных с нефтеперерабатывающей промышленностью, на показатели состояния здоровья жителей можно использовать для организации лечебно-профилактических мероприятий в регионах с аналогичным промышленным потенциалом. Эти сведения позволяют незамедлительно осуществлять комплекс лечебно-профилактических мероприятий, направленных на коррекцию сдвигов, вызываемые экотоксикантами. Кроме того, полученные данные могут быть использованы для руководства в проведении природоохранной политики.

Располагая данными о характере повреждающего действия химических агрессивных соединений и конкретных звеньев метаболических нарушений, целесообразно в качестве мер профилактики экопатологии использование натуральных биодобавок с свойствами экопротекгоров и адаптогенов.

ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Соотношение общего уровня, качественного состава и антропогенного загрязнения в регионе с развитой нефтехимической промышленностью со спецификой структуры заболеваемости.

2. Патохимическая основа нарушения здоровья жителей экологически неблагоприятного региона формируется за счет вклада в общий техногенный фонд индивидуальных химических агентов, обладающих общетоксическим и специфическим действием.

3. Молекулярные механизмы деструктивного действия экотоксикантов реализуются на уровне мембран с повреждением их структур и функций путем ферментативного и химического взаимодействия с естественными и чужеродными интермедиатами.

4. Изучение экопатологии на современном этапе науки предполагает оценку не только процессов, лежащих в зоне биохимической логики превращений, но и параметаболнческих явлений, обусловленных полиреакционной способностью ксенобиотиков.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследования были представлены на Всероссийской научно-практической конференции "Экология и здоровье человека" (Самара, 1994); на И Международном симпозиуме "Неинвазивные методы диагностики" (Москва, 1995); межгосударственной научно-технической конференции "Малоотходные и энергосберегающие технологии в системе водного хозяйства" (Пенза, 1995); на втором Национальном конгрессе по профилактической медицине (Санкт-Петербург, 1995); на международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и наука - третье тысячелетие" (Москва, 1995); на международном симпозиуме "Лабораторная диагностика и лекарственная терапия" в рамках

"Национальных дней лабораторной медицины России" (Москва, 1998); на совместном заседании кафедры биохимии с Самарским отделением Всероссийского биохимического и нейрохимического обществ (Самара, 1998).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 11 работ. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, главы, посвященной описанию материалов и методов исследования, 3 глав собственных данных, заключения, выводов, практических рекомендаций и списка литературы. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, иллюстрирована 20 рисунками, содержит 11 таблиц. В работе цитировано 269 источников, из них 180 отечественных и 89 зарубежных авторов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Работа включала несколько этапов. Была изучена экологическая обстановка в одном из регионов экологического неблагополучия - г. Новокуйбышевске Самарской области. Проанализирована заболеваемость, проведен корреляционный анализ между уровнем техногенного загрязнения окружающей среды и состоянием здоровья населения, проживающего в данном регионе. Кроме того, исследовано влияние отдельных экотоксикантов (компонентов стоков Новокуйбышевского нефтеперерабатывающего завода, фенола, ксилола, оксида марганца и .шггиокиси ванадия) на метаболические процессы в печеной ткани, скелетной мышце и эритроцитах 97 кроликов в условиях in vitro.

Ткань животных измельчалась ножницами, растиралась с мелко измельченным стеклом до гомогенного состояния, заливалась фосфатным буфером pH 7,4 в соотношении 1:3. Инкубация в течение 10 минут. От остатков ткани освобождались центрифугированием в течение 15 минут в рефрижераторной центрифуге при 800 g. Надосадок делили на 3 части. Одну инкубировали с фосфатным буфером pH 7,4, вторую часть - со сточной водой после очистки, третью - с раствором фенола (концентрация 18 мг/л). Соотношение реагентов 5:1. Время инкубации 10 мин, температура - 37°С. Затем проба помещалась в лед. Активность ферментов определялись до и через 10 минут после инкубации. Взятие крови осуществлялось из ушной вены кроликов в пробирки с гепарином. Для выделения эритроцитов образцы крови центрифугировали в течение 15 минут при 600 g и температуре +4°С. Осадок эритроцитов дважды промывали двойным объемом 0,85% хлорида натрия. Надосадочную жидкость и лейкоцитарный слой отбрасывали. Ксилол, пятиокись ванадия и оксид марганца вносили в инкубационную смесь в концентрации 10"4 и I0"3 г/л, время инкубации 10 минут. Были изучены осмотическая резистентность эритроцитов (Идельсон Л.И., 1974); кинетика метгемоглобинообразования по методу А.И. Громова, В.В. Соколова (1968) в модификации В.О. Щепанского (1996); электродиффузионный пробой мембран эритроцитов (Владимиров Ю.А. с соавт., 1973). Кроме того, определялись активность каталазы (Holmes R.S., Masters C.Y., 1970); малатдегидрогиназы (Ochoa S., 1955); лактатдегидрогеназы (Romberg F., 1955); глицерофосфатдегидрогеназы (Beizenherz G. et al., 1955); глутаматдегидрогеназы (Hogeboom J., Schneider M.H., 1953); гексокиназы (Перцева M.H., 1969); глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Glock С.A., Lean P.M., 1953). Активность аланинаминотрансферазы и аспартатаминотрансферазы исследовалась с использованием наборов Еио - Lachema, - Тест. Содержание белка определялась биуретовым методом (Кочетов Г.А., 1980). Результаты исследования обработаны методом вариационной статистики на ЭВМ IBM PC AT процессор 486.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Приступая к обсуждению полученных намн результатов, хотелось бы подчеркнуть, что внутренняя среда организма, его гомеостаз образованы строгой и динамичной соподчиненностью различных подсистем в эволюционно сформированной иерархии взаимодействия и регуляции. Низко-и высокомолекулярные соединения составляют естественный микромир клеток, образующих внутреннее содержание и структуру. Бесперебойное действие ферментных систем обеспечивает биотрансформацию имеющихся соединений, создавая в метаболических потоках их взаимопревращение и служа биохимической основой реализации функций конкретных органов и тканей.

Наряду с ферментативными превращениями в организме не исключено непосредственное взаимодействие химических веществ (Голубев А.Г., 1988, 1996). В клеточной и внеклеточной среде организма человека содержатся множество различных по строению и свойствам органических и неорганических соединений с различным потенциалом реакционных возможностей.

В современных условиях насыщения жизненного пространства химическими веществами искусственно синтезированными, а также извлеченными из недр и создающими диспропорцию распределения, формируются новые условия жизнедеятельности организма.

Организм, будучи открытой системой, доступен для чужеродных соединений в их неизменном и трансформированном виде, что создает предпосылки для перегрузки метаболических путей и контакта с элементами структур и свободными биомолекулами.

Не вдаваясь в подробности молекулярных взаимодействий остановимся на оценке здоровья жителей экологически неблагополучного региона, в частности, г. Новокуйбышевска Самарской области.

Население этого города равно 113755 человек, составляя разнородную по возрасту, полу и индивидуальным особенностям популяцию. Гетерогенность ее определяет специфическую картину заболеваемости, связь которой с экологической обстановкой в городе достаточно отчетливо прослеживается. Эмиссия химических соединений в жизненное пространство в последние годы имеет явную тенденцию к снижению, колеблясь в пределах 83-74 тыс. тонн; в 1991 году уровень их составлял 123 тыс. тонн. Снижение интенсивности различных производств, активная природоохранная политика, безусловно, вносят вклад в улучшение экологической обстановки. Тем не менее уровень техногенного напряжения создает высокую плотность химических соединений, испытывая организм жителей на толерантность к экотоксикантам.Временная шкала ответа на химическую агрессию имеет свою (индивидуальную, немедленную или отсроченную) специфику проявления. Общее загрязнение воздушного бассейна города служит очевидной причиной высокого удельного веса острых и хронических заболеваний респираторной системы. В общей структуре заболеваемости оии занимают первое место. Патология сердечно-сосудистой системы находится на втором месте.

Характерно, что при снижении в последние годы общего количества промышленных выбросов в атмосферу, заболеваемость органов кровообращения неуклонно растет. Очевидно, кумуляция экотоксикантов, ранее поступивших в окружающую среду, служит постоянным негативным фоном, что имеет значение для регистрации других факторов доминантных значений в развитии данной патологии.Последовательно рассматривая структуру заболеваемости, видится, что заболеваемость органов пищеварения н онкологические болезни относятся к разряду широко распространенных и зависящих от уровня общего загрязнения в городе. Этот перечень не позволяет выяснить наличие конкретной связи между нарушением здоровья у жителей и конкретными причинами вызывающих его.Что стоит за понятием валового промышленного выброса, чем он образован? Согласно официальным данным, приоритетным загрязнителем в городе Новокуйбышевске является бензол. Например, в 1996 г. эмиссия бензола составила 549,5 тонн, далее по значимости последовательно идут - бутан, диоксид марганца, сероводород, аммиак, углеводороды и др. Еще до поступления в организм человека эти реагенты способны взаимодействовать друг с другом, с многочисленными химическими веществами, присутствующими в окружающей среде. Кроме того, они подвергаются биотрансформации в растениях, микробных сообществах, в организме животных.

Совокупность биотрансформированных модифицированных химических и неизмененных экотоксикантов по пищевым цепям, с выдыхаемым воздухом и водой, через кожу поступают в организм человека. Не вызывает сомнений, что организм человека не остается индифферентным к этому потоку чужеродных информационных соединений, разнообразных по структуре и свойствам. Безусловно, последствия встречи ксенобиотиков в каждом конкретном случае зависят от индивидуальных особенностей метаболизма, генетических предпосылок, образа жизни человека. Целый рад факторов в организме можно расценить как меру здоровья. За адаптационными возможностями организма кроется система молекулярных процессов с индивидуальной емкостью и подвижностью, особенностями регуляции. Антропогенное загрязнение послужило одной из главных причин перехода основной части населения в третье - преморбидное состояние (Брехман М.И., 1995). На фоне широкого распространения третьего состояния, как показали наши исследования в Новокуйбышевске, оно имеет тенденцию к переходу не в здоровье, а в конкретные нозологические формы (рис. 1).

+1,0 1 * 1 • ] 4 А а т - * . * ША • И • яв яв

г 5 Болезни органов 1 зыхания Заболевания крое« Болезни органов пищеварения Онедзогическяе заболевания Осложненные беременжмгги

2 а 1 i "" : А л л - •Та *т • в к | А 00

• сера

• окись углерода

• окислы азота

• углеводорода летучие органические соединении

■Ш серная кислота

нв соединения фтора

М ксилол

" аммиак

ЯШ ияти01СнС1> ванадия

А <мтсяы железа £ соединения марганца

а фенол ацетон А бензин

г - хоэффициент парной линейной корреляции Гис.2. Взак«ос«я-}ь заболеваний различных систем с компонешзми техногенного загрязнения

Следует отметить, что общин уровень загрязнения является определяющим. Подтверждением является выявленная нами сильная корреляционная зависимость в структуре общей заболеваемости двух составляющих от валовых промышленных выбросов. Это касается онкопатологии и преждевременных родов. В данном случае прослеживается отчетливая связь с количеством токсических веществ в окружающей среде. Оценивая специфическую роль отдельных компонентов техногенного загрязнения в развитии заболеваний нами установлено, что наибольшее влияние оказывают ксилол, шггиокись ванадия, оксид азота, углерода, серы, фтор, сероводород (рис. 2.).В общем спектре химически активных соединений компонентов фона техногенного загрязнения нами выявлены прочные корреляционные зависимости между серой (г = 0,73), оксидом углерода (г = 0,90), оксидом азота (г = 0,88), серной кислотой (г = 0,86) и фтором (г = 0,63), пятиокисью ванадия (г = 0,86) и сероводородом (г = 0,91), ксилолом (г = 0,42) и онкологическими заболеваниями. Эти данные свидетельствуют о том, что вещества с различным строением и свойствами обладают общетоксическим механизмом повреждающего действия, усиливая в организме процессы, лежащие в основе канцерогенеза.Пищеварительный тракт, являясь воротами для экотоксикантов различного агрегатного состояния и структурных характеристик, реагирует ростом числа хронических гастритов, язвенной болезнью, хронических панкреатитов, гепатитов. Установлено, что органические соединения, в частности углеводороды, являются существенным негативным фактором, обуславливающим увеличение заболеваемости органов пищеварения (г = 0,96). Высокая реакционоспособность, возможность трансформации в организме человека в активные производные оксида азота, очевидно, обуславливает тесную корреляционную зависимость между этим соединением и патологией гастроинтестинальной системы (г = 0,92). Обращает внимание вклад ароматических гомологов бензола, в частности, ксилола в в развитие заболеваний органов пищеварения (г = 0,79). Защитная функция желудочно-кишечного тракта и органов, сопряженных с его деятельностью осуществляется при первичном контакте с ксенобиотиками и достигается частичным ограничением сферы биодоступности их для внутренней среды организма. Таким образом, возможно непосредственное действие поступающих химических реагентов с гетерогенными структурными компонентами стенки пищеварительного тракта, биоактивными секретами. Кроме того, взаимодействие с жидкой внутренней средой организма обуславливает повторный контакт пищеварительной системы с трансформированными токсикантами, что фактически увеличивает риск повреждения. Как видно из данных математического анализа, раскрывающих связь заболеваемости и структурой фона техногенного загрязнения, патология органов пищеварения занимает одно из ведущих мест.

Одним из источников техногенного загрязнения в г. Новокуйбышевске является нефтеперерабатывающий завод.

Проведенные ранее исследования выявили последствия токсического действия промышленных выбросов на зеленые насаждения и микробные биоценозы в почве на этой территории (Клейман М.С., 1997). Как нами было установлено, четко прослеживается связь между заболеваемостью в городе и целым рядом экотоксикантов в окружающей среде данного района, характерных для нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

В связи с этим нами изучен механизм действия очищенных промышленных стоков НК НПЗ. Мы рассматривали их как модель многокомпонентного техногенного загрязнения. В данном случае в водной среде имеется набор полициклических, ароматических, алифатических углеводородов, в том числе фенол, ксилол, бензол и другие. Оценку действия осуществляли на гомогенатах печеночной и мышечной ткани, представляющих собой полиферментаую, полисубстратную систему с частично сохраненными органеллами. Таким образом, в эксперименте создавались условия прямого и опосредованного действия токсикантов на биомолекулы и структуры.

Нагрузка тканей ксенобиотиками ведет к разбаланснровке метаболических процессов. Сам характер эксперимента позволяет получить материал для экспертной оценки потенциала негативного действия, сосредоточенного в данном промышленном выбросе. Вместе с тем, это раскрывает возможность экстраполирования полученных результатов к другим антропогенным загрязнениям, содержащим смесь гидрофильных и гидрофобных экотоксикантов в различных соотношениях. Тканевые объеюы, изолированные из организма, находятся в непосредственном контакте с химическими веществами, испытывая на собственных составляющих прямую химическую агрессию. Отсутствие межорганных взаимодействий системой биотрансформации и

многоуровневой защиты, свойственных целостному организму, обуславливает незащищенность клеточной популяции от прямого действия токсикантов. Характерно, что использование непосредственно промышленного стока позволяет дать оценку действия нетрансформированных химических реагентов в присущей им конформацни, конфигурации.

По активности гексогеназы, лакгатдегидрогеназы, малатдегидрогеназы, глкжозо-6-фосфатдегидрогеназы, а - глицерофосфатдегидрогеназы, аснартатаминотрансферазы, аланинаминотрансферазы, глутаматдегидрогеназы, дана оценка характера влияния промышленного стока нефтеперерабатывающего завода и одного из постоянно присутствующих в нем компонентов -фенола на системы жизнеобеспечения клеток.

Результаты свидетельствуют о том, что ксенобиотики нарушают естественный ход метаболических процессов (табл. 1, 2). Возможно, что химическая активность чужеродных соединений препятствует каталитическому действию ферментов, что проявляется в снижении активности гликолитических ферментов (-33,8%, р < 0,01) и биокатализаторов, участвующих в аэробном окислении (-53,8%, р< 0,01). Снижается удельный вес непрямого дезаминнрования аминокислот. Наряду с этим отмечается увеличение активности глутаматдегидрогеназы в 2,2 раза (р < 0,01), что может отражать мембранодеструктивное действие компонентов стока. Повышение активности глутаматдегидрогеназы создает условия для усиления образования аммиака, затрудняющего работу клеток. При этом, нарушен процесс шунтирования углеводных катаболктов с участием глицерофосфатдегидрогеназы (-47,2 - 49,3%, р < 0,01) в липидные компоненты. Метаболическая ситуация формирует дефицит структурного материала для биосинтеза глицеролипидов, создавая предпосылки для неполного восстановления мембранных структур.

Снижение интенсивности дегидрогеназных реакций является причиной уменьшения генерации и реализации восстановленных эквивалентов. Реальность использования их в процессах восстановительного синтеза и образования субстратов для элеюротранспортной цепи митохондрий и эндоплазматической сети нарушается.

Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о наличии высокого потенциала повреждения стоков НПЗ. Нарушая естественный ход метаболических процессов, токсиканты служат причиной энергодифицита, реальной патохимической основы расстройства анаболических и катаболических процессов. Специфика их действия дана в модельной системе и состоит в активации начального звена апотомического пути окисления углеводов. Это, как известно, сопряжено с усилением продукции НАДФН2, необходимого источника водорода в редукгазных реакциях первой фазы детокснкации ксенобиотиков.

Такие сдвиги являются свидетельством первоочередности биотрансформацни гидрофобных чужеродных субстратов и отвлечения молекулярных ресурсов клеток на процессы обезвреживания даже в ущерб другим жизненно важным превращениям.

Выявленная направленность метаболических реакций особенно выражена в ткани печени, органа, выполняющего в организме многогранные функции по поддержанию гомеостаза. В соответствии с данными анализа структуры заболеваемости патология пищеварительной системы и, в том числе, печени, часто встречаются у жителей неблагополучных регионов. Это и является закономерным результатом негативного воздействия экотоксикантов, создающих метаболическую основу для нарушения энерго-пластических процессов.

В поисках причин специфической структуры заболеваемости в данном регионе мы проанализировали зависимость ее не только от общего количества промышленных выбросов, но и их от качественного состава. Как указывалось ранее, степень загрязнения среды обитания ксилолом, пягнокисью ванадия, оксидом марганца особенно значимо сказывается на здоровье населения.

Активность ферментов углеводного, белкового и липидного метаболизма (мкмоль НАДН/мин.мг) в печеночной ткани при воздействии компонентов очищенных сточных вод

Таблица 1

Ферменты До инкубации Инкубация

физиологическим раствором сточными водами фенолом

Малатдегид-рогеназа 0,986 ±0,08 1,17 ±0,3 0,511 ±0,007** 0,648 ± 0,009**

Лактатдегид-рогеназа 1,02 ±0,3 1,76 ±0,2* 2,27 ±0,4** 1,95 ±0,2**

Глицерофос-фатдегидроге-наза 0,407 ±0,05 0,511 ±0,1 0,215 ±0,05** 0,303 ±0,07**

Глутаматдегид-рогеназа 0,081 ±0,01 0,093 ±0,01 0,178 ±0,08** 0,163 ±0,03**

Аланинамино-трансфераза (мкмоль / мин.мг) 0,194 ±0,06 0,203 ±0,04 0,054 ±0,009** 0,073 ±0,01**

Аспартатаминотрансфераз а (мкмоль / мин.мг) 0,483 ±0,06 0,503 ± 0,09 1,173 ±0,03** 0,214 ±0,06**

Примечание: * - р < 0,1; ** - р < 0,01

Таблица 2

Активность ферментов углеводного, белкового и липидного метаболизма (мкмоль НАДН/мин.мг) в скелетной мышце при воздействии компонентов очищенных сточных вод Новокуйбышевского нефтеперерабатывающего завода и фенола

Ферменты До инкубации Инкубация

физиологическим раствором сточными водами фенолом

Малатдегид-рогеназа 2,25 ±0,3 3,07 ± 0,7 1,04 ±0,5* 1,84 ±0,3

Лактатдегид-рогеназа 3,17 ±0,4 3,96 ±0,8 2,1 ±0,4* 2,73 ±0,3

Глицерофос-фатдегидроге-наза 0,310 ±0,018 0,395 ±0,08 0,157±0,03** 0,207 ±0,05*

Глутаматдегид-рогеназа 0,084 + 0,01 0,08 ±0,001 0,183 ±0,06* 0,167 + 0,09*

Аланинамино-трансфераза (мкмоль / мин.мг) 2,5 ±0,3 2,8 ±0,5 3,12 ±0,6 2,97 ±0,6

Аспартатами-нотрансфераза (мкмоль / мин.мг) 2,7 ± 0,4 2,97 ±0,6 3,54 + 0,6 3,14 ±0,7

Примечание: * - р < 0,1; ** - р < 0,01

С целью выяснения молекулярных механизмов действия этих компонентов, оценки их первичных и вторичных эффектов было проведено исследование на эритроцитах человека. Создание щадящих условий для эритроцитов обеспечило сохранение нативных свойств мембран, что особенно важно для изучения и интерпретации эффектов химических веществ, этиологически связанных с определенной нозологией, в частости с онкологией, болезнями крови и нарушением репродуктивной функции и гастроинтестинальной системы.

Проведенные исследования показали, что ксилол обладает мембранотропным действием, о чем свидетельствует снижение осмотической резистентности эритроцитов. Снижение осмотической устойчивости эритроцитов при действии ксилола отражает его непосредственное влияние на структурные элементы мембран. При этом отмечено уменьшение величины электродиффузионного пробоя на 16,4 - 48% (р < 0,01) (рис. 3.). Как известно, это интегральный показатель, зависящий от состояния белково-липидных комплексов мембран, проницаемости, толщины бислоя, ориентировки полярных и неполярных функциональных групп. По-видимому, контакт с ксилолом вызывает лабилизацию мембран эритроцитов наряду с изменением величины поверхностного заряда, что приводит к облегчению разрушения клеток при действии повреждающих факторов даже в низких концентрациях. В организме в целом это явление может иметь существенное значение как компонент патогенетической цепи токсического эффекта метилбензола.Не случайно уровень ксилола в окружающей среде отчетливо влияет на развитие патологии пищеварительной, респираторной систем, активирует канцерогенез. В организме, окисляясь в монооксигенозной системе, он служит источником других химических повреждающих агентов - бензойной кислоты, крезола, ксиленолов, нуждающихся в дополнительном обезвреживании с помощью процессов коньъюгации. Это определяет общий токсический потенциал данного агрессивного химического соединения. Он обеспечивается также тем, что на фоне усиления свободнорадикальных процессов ксилол снижает активность супероксидяисмугазы и каталазы в 2,2 - 2,3 раза (р < 0,01). Таким образом, создаются условия для накопления диоксида и распада пероксида по неферментативному пути с образованием гидроксильного радикала, мутагенное и деструктивное действие которого отчетливо выражено (Владимиров Ю.В. с соавт., 1991). Активные формы кислорода, в том числе диоксид и гидроксильный радикал характеризуются полиреактивностью. Они способны к неферментативному взаимодействию с макромолекулами белковой и липидной природы, компонентами полинуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот. Фронтальный эффект ксилола осуществляется, таким образом, множественными механизмами, включающими процессы ферментативного окисления и конъюгирования с образованием активированных продуктов и параллельным усилением свободнорадикальных процессов, универсального молекулярного инструмента повреждения различного биологического материала.

Относительно механизмов действия других экотоксикантов нами установлено, что высокие дозы оксидов марганца и ванадия, превышающие уровень 2-3 ПДК, оказывают общетоксический эффект (рис. 4.), проявляющийся в деструктивном влиянии на эритроцитарные мембраны, ослабляющем их устойчивость и нарушающем проницаемость для ионов и молекул. Они снижают потенциал действия антиоксидентиых ферментов на 17 - 65,8%, чем обеспечивают каскад разрушительных процессов различных биосистем.

Другая картина наблюдается при использовании малых доз оксида марганца (рис.5.). Такая модель раскрывает свойства его как эубиотика. Он способствует повышению экранирующей функции супероксиддисмутазы и каталазы (+19,8, + 23,7%, р < 0,1), отмечается тенденция к увеличению злектродиффузионного потенциала мембран (+22%, р < 0,1). Эти данные раскрывают защитные свойства диоксида марганца. Возможно, его окислительно-восстанавливающая способность способствует активированию функциональных групп индивидуальных белков и белково-липидных комплексов цитоскелета эритроцитов, чем повышает их осмотическую устойчивость. Следовательно, в таких условиях возможно сохранение постоянства среды внутри эритроцита и выполнение им физиологическихфункций. Об этом свидетельствует колебание процесса метгемоглобинообразования в пределах нормы (38,4 + 2,7 и 41,1 + 1,3 %). Сохранение барьерной роли мембран предполагает возможность реализации мембранами других жизненио важных функций.

о о

V

а.

s

Ci.

с в о

&

<3. р>

® Й s 5 X о

§

Б

8

X л

X

о s

2

от

о s

CL

Каталаза ( /\Е/мин.мг)

Электродиффузионный пробой (мВ)

Среднеклеточ ная хрупкость 08 эритроцитов (% Nací)

Супероксид дисмутаза (УЕ)

• Концентрация 10"4 г/л •Исходный уровень Концентрация 1(Г*г/л

Метгемоглобина-

во образование (%)

Рис. 4. Влияние шггаокиси ванадия на функциональное состояние мембран

Каталаза ( / Е/мпш/мг)

Элекгродиф-фузионный пробой (мВ)

во

50

Срсднекл сточная хрупкость эритроцитов (% Иас!)

Супероксид-дисмутаза (УЕ)

~~ Концентрация 10 ^ г/л —Исходный уровень Концентрация 10 * г/л

Метгемо-глобина-30 образование (%)

Рис. 5, Влияние оксида марганца на функциональное состояние мембран

с*

В условиях экологического напряжения организм невольно становится объектом поливалентного воздействия разнообразных физических и химических факторов. Клетки, межклеточное пространство и биосреды организма помимо естественных интермедиатов содержат множество чужеродных соединений. Они характеризуются различными физико-химическими и структурными особенностями. Многие по своим стерическим характеристикам не соответствуют природным метаболитам, оставаясь за пределами ферментативной биотрансформации. В такой ситуации возможно химическое взаимодействие с различными эу- и ксенобиотиками, с биомолекулами по сродству, либо резервирование неизмененного токсиканта в липофильных и соединительно-тканных структурах. Взаимодействие с функциональными группами белков способствует приобретению белками антигенных свойств и запуску механизмов иммунного реагирования. В организме человека генетически не предусмотренные экотоксиканты вмешиваются в молекулярную логику процессов жизнеобеспечения, создавая патохимическую основу заболеваний,

ВЫВОДЫ

1. Из массива экотоксикантов региона с развитой нефтехимической промышленностью методом математического анализа выявлены приоритетные токсические вещества, существенные для нарушения здоровья населения.

2. Найдены коррелятивные зависимости между качественным составом промышленных выбросов и структурой заболеваемости: частота заболеваний желудочно-кишечного тракта связана со степенью загрязнения углеводородами (г = 0,96), оксидами азота (г = 0,92), ксилолом (г = 0,79); онкологические заболевания зависимы от уровня пятиокиси ванадия, серной кислоты (г = 0,86), оксида углерода и азота (г = 0,90), сероводорода (г=0,91); болезни респираторной системы - от количества углеводородов (г=0,9), оксидов азота (г = 0,72), определяющим для перинатальной смертности и преждевременных родов является содержание марганца, оксидов углерода, азота, ванадия, серной кислоты, сероводорода (г = 0,82, г = 0,93, г = 0,90, г = 0,88, г = 0,76, г = 0,95, соответственно).

3. Суммарное действие экотоксикантов вызывает нарушение структурно-пластических процессов за счет угнетения функций глицерофосфатдегидрогеназы, аспартатаминотрансферазы, аланннаминотрансферазы и создает базу для энергетического дефицита, снижая поставку восстанавливающих эквивалентов в систему терминального окисления в связи со снижением активности гексокиназы, лакгатдегидрогеназы, малатдегидрогеназы, а также обеспечивает возможность детоксикации ксенобиотиков путем усиления генерации НАДФН2 глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой.

4. Характерными метаболическими нарушениями, вызываемыми ксилолом является деструктивное воздействие на мембраны: отмечается снижение осмотической резистентности эритроцитов, падение величины электродиффузионного пробоя, усиление метгемоглобинообразования, снижение активности антиокислительных ферментативных систем.

5. Общностью в действии оксида марганца и пятиокиси ванадия в высоких концентрациях является токсический эффект: нарушение барьерной и интегральной функции мембранных структур, преобладание прооксидантных процессов над антаоксидантными; особенностью влияния оксида марганца заключается в мягком воздействии на процессы жизнеобеспечения, что, очевидно, связано с его функцией эубиотика.

6. В оценке механизма действия ксенобиотиков на биосистемы необходимо учитывать возможность токсического воздействия путем вмешательства в обменные процессы, в том числе за счет параметаболических процессов, обусловленных химической активностью чужеродных и естественных интермедиатов.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В оценке состояния здоровья жителей любого региона целесообразно учитывать не только общий фон техногенного загрязнения, но и его качественный состав.

2. В качестве типичной модели для выяснения значения неблагоприятного экологического фона в формировании специфической для данного региона структуры заболеваемости предлагается поэтапное изучение общего техногенного загрязнения, качественного состава, доминантных экотоксикантов, корреляционно прочно связанных с нозологическими

формами, наиболее распространенными в регионе с последующим исследованием механизмов и мишеней повреждающего действия агрессивных химических соединений.

3. На данном этапе развития биохимической науки актуальным является включение в программу курса биохимии материала о параметаболических процессах в организме, обусловленных химической активностью эндогенных и чужеродных соединений.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Уровень энергообеспечения н динамичность обменных процессов в тканях как интегральные показатели эффективности энзимотерапии / И.Е. Шафранский, О.В. Сазонова / / Материалы 61-й итоговой научной студенческой конференции - Самара. - 1993. - С. 37-38.

2. Уровень олигопептидов средней массы в биосредах - показатель воздействия токсических веществ / Н.В. Русакова, И.Е. Шафранский / / Материалы 62-й итоговой научной студенческой конференции - Самара. -1994. - 30 с.

3. Перспективы массовой защиты населения от экотоксикантов: поиски и решения / Ф.Н. Гильмиярова, В.М. Радомская, И.Е. Шафранский и др. // Экология и здоровье человека. - Самара -

1994. - С. 43-44.

4. Новые возможности и перспективы в диагностике заболеваний и мониторинга здоровья / Ф.Н. Гильмиярова, В.М. Радомская, И.Е. Шафранский и др. // Материалы 2 симпозиума "Неинвазивные методы диагностики". - Москва. - 1995. -19 с.

5. Доклиническая оценка влияния экотоксикантов на организм человека / Ф.Н. Гильмиярова, В.М. Радомская, И.Е. Шафранский и др. // Впервые в медицине - Санкт-Петербург. -

1995.-№2-3.-С. 41-42.

6. Многозвеньевая защита организма в условиях экологического неблагополучия. Новые подходы в профилактике и лечении нарушений / В.М. Радомская, JI.H. Виноградова, И.Е. Шафранский и др. // Материалы 2 международной научно-практической конференции. - Самара. -1995. - С.78-79.

7. Новые подходы к поиску средств объективизации комплексного контроля за качеством очистки промышленных сточных вод / АВ. Бабичев, И.Г. Кретова, И.Е. Шафранский и др. / / Материалы межгосударственной научно-технической конференции. - Пенза. - 1995. - С. 41-42.

8. Поиск путей очистки сточных вод от фенола химических производств с целью обеспечения экологической защиты воды и почвы / Ф.Н. Гильмиярова, В.М. Радомская, С.А Маевский, И.Е. Шафранский и др.11 Материалы научно-практической конференции. - Пенза. - 1996. -68 с.

9. Возможности выявления донозологических нарушений здоровья у жителей экологически неблагоприятных регионов / Ф.Н. Гильмиярова, В.М. Радомская, И.Е. Шафранский и др. / / Материалы конференции биохимиков Урала и Западной Сибири. - Уфа. -1998. - С. 33-34.

10. Клиника-лабораторная оценка эффективности применения парафармацевтиков и наранутрицевтиков / Ф.Н. Гильмиярова, В.М. Радомская, И.Е. Шафранский и др.11 Клиническая лабораторная диагностика. -1998. - № 9. - С. 32-33.

11. Изменение оксидазной активности биомассы почвы в условиях тегногенной нагрузки / М.С. Клейман, Н.В. Расцветова, Л.Н. Самыкина, C.B. Симак, И.Е. Шафранский / / Материалы Международной научно-практической конференции. - Пенза. -1998. - С. 13-15.

Шафранский Игорь Евгеньевич

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ЭКОТОКСИКАНТОВ. МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ НАРУШЕНИЯ ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Подписано в печать "15"октября 1998 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Условия печати Л. 2, 7, 9. Уч. изд. Л. 2,56. Тираж 100 экз. Заказ № 96.

Издательский центр ОАО «Новокуйбышевский НПЗ». г.Новокуйбышевск, тел. (846-35) 98-2-70.