Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

The changes in the activity of cathepsin D in the tissues under the influence of carp fingearlings of heavy metals

Kurbanov S.I. 1 Nurmagomedov P.M. 1 Rabazanov N.I. 1
1 Dagestan State University
The paper is devoted to the influence of cadmium chloride (0,25 mg/l) and lead acetate (0,5 mg/l) on the activity of cathepsin D in tissues of the carp fingerlings. Our results indicate a change in the tissue specificity of cathepsin D activity in response to ions of cadmium and lead. Suggests using proteolytic enzymes in fish as a sensitive test for water pollution with heavy metal ions.
cathepsin D
cadmium
lead
carp
fingearlings

В последние десятилетия загрязнение водных экосистем тяжелыми металлами приобретает значительные масштабы. К числу наиболее токсичных металлов относятся: марганец, свинец, кадмий, ртуть, медь, кобальт и др.

Тяжелые металлы аккумулируясь в тканях и включаясь в пищевые цепи гидробионтов оказывают существенное влияние на физиолого-биохимические показатели рыб, обладают канцерогенными, гонадо- и эмбриотоксичными свойствами [6].

Изучение влияния тяжелых металлов на метаболизм тканей обмен рыб актуально для выявления механизмов патогенеза и поиска чувствительных маркеров для мониторинга водных экосистем. В основе патологии лежат нарушения ферментативных процессов.

Весьма чувствительными индикаторами на изменение экологической обстановки являются ферменты лизосом. Система лизосомальных ферментов на 90 % представлена катепсинами, что имеет наиболее важное значение для адаптации белкового состава клеток к изменяющимся условиям окружающей среды [5].

Маркером состояния лизосомальных структур в клетке, является катепсин Д. Поэтому изучение динамики активности катепсина Д в тканях рыб в условиях хронической интоксикации ионами кадмия и свинца, представляется актуальным. На базе этих исследований могут быть разработаны дополнительные высокочувствительные тестовые системы для биохимического мониторинга водных экосистем.

Материал и методы исследования

В качестве объекта исследования использованы сеголетки карпа (Cyprinuscarpio L.) в возрасте 6 месяцев, массой 100–150 г, полученные и выращенные в прудах Широкольского комбината Тарумовского района республики Дагестан, перед их переброской в пруды для зимовки, отлавливались и переносились в аквариумы объемом 300 литров по 15–20 штук.

Для адаптации к аквариальным условиям рыб выдерживали в течение 7–10 суток в аквариумах, где создавались условия постоянного температурного (19–22 °С) и газового режима.

В хронических лабораторных опытах были испытаны:

– хлорид кадмия (CdCl2) с содержанием в водной среде 0,25 мг/дм3 (ПДК – 0,005 мг/дм3)

– ацетат свинца (Pb(CH3COO)2) с содержанием в водной среде 0,5 мг/л (ПДК – 0,1 мг/дм3) [1, 4].

Биохимические анализы проводили на 5, 15, 30 и 40 сутки экспозиции рыб в токсической среде параллельно с контрольной группой. В опыт брали ткани из следующих органов: печень, кишечник, головной мозг, белая и красная мышца. Активность катепсина Д определяли методом Ансона с некоторыми модификациями [7].

Полученные результаты подвержены вариационно – статистической обработке методом малой выборки [3].

Результаты исследования и их обсуждение

Как показывают наши результаты динамика активности катепсина Д в исследованных тканях сеголеток карпа при хроническом воздействии хлорида кадмия и ацетата свинца подвержена значительным отклонениям от нормы (рис. 1, 2).

Они свидетельствуют о наличии тканеспецифичности в изменении активности лизосомальных протеаз в ответ на действие повреждающего агента.

Содержание в водной среде с хлоридом кадмия (0,25 мг/л) и ацетата свинца (0,5 мг/л) в течение 5 суток приводит к повышению активности катепсина Д в печени по сравнению с контролем почти вдвое (рис. 1, 2).

pic_12.wmf

Рис. 1. Изменение активности катепсина Д в тканях сеголеток карпа при хроническом воздействии хлорида кадмия (в % к контролю)

Печень один из самых важных органов живого организма поддерживающих его гомеостаз. Она подвергается наиболее сильному воздействию загрязняющих веществ, которые в нем и обезвреживаются [2].

Активность катепсина Д в кишечнике сеголеток карпа под воздействием ионов кадмия повышается в 2,9 раза и на 51,6 % в среде с ионами свинца. Экспозиция сеголеток карпа в течение 5 дней в токсической среде с хлоридом кадмия приводит к повышению активности катепсина Д по сравнению с контролем в красных мышцах в 2,6 раза, в белых мышцах в 3,4 раза, в то время как ацетат свинца не оказал существенного влияния на активность данного фермента в этих тканях. Многие исследователи указывают, что мышцы рыб благодаря большой массе играют значительную роль в накоплении тяжелых металлов, хотя и занимают среднее место по их содержанию [10].

pic_13.wmf

Рис. 2. Изменение активности катепсина Д в тканях сеголеток карпа при хроническом воздействии ацетата свинца (в % к контролю)

Активность катепсина Д в мозге сеголеток карпа повышается под воздействием ионов кадмия в 1,8 раза, а под воздействием ионов свинца повышается незначительно по сравнению с контролем. Из числа различных систем организма большое значение имеют регуляторные, к которым относится ЦНС, эндокринная, иммунная. Первоначальные нарушения мышечной, сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной систем в процессе интоксикации могут существенно повлиять на функцию регуляторных систем. Например, известны факты, свидетельствующие о расстройстве ЦНС в результате накопления вредных метаболитов, которые при определенном уровне с кровью проникают через ГЭБ в головной мозг [8].

По нашим данным на 15 день интоксикации рыб в токсической среде с хлоридом кадмия и ацетатом свинца наблюдаются, разнонаправленные изменения в динамике активности катепсина Д. В печени карпа активность катепсина Д под воздействием ионов кадмия продолжает повышаться (100,8 %), в то время как под воздействием ионов свинца наметилась тенденция к снижению. На данном этапе интоксикации ионами кадмия активность катепсина Д в кишечнике сеголеток карпа все еще выше контроля в 2,5 раза, а под воздействием ионов свинца она возвращается к норме. Активность катепсина Д в красных и белых мышцах сеголеток карпа под воздействием ионов кадмия выше контроля в 3,4 и 4,2 раза соответственно, а свинца – в 2 раза соответственно. Ионы кадмия и свинца повышает активность катепсина Д в головном мозге сеголеток карпа по сравнению с контролем почти в 2 раза.

Таким образом, результаты начальных этапов экспозиции (5,15 дни) показывают более выраженную активацию катепсина Д во всех тканях сеголеток карпа под воздействием ионов кадмия по сравнению с ионами свинца.

Продление сроков пребывания сеголеток карпа в среде с ионами кадмия и свинца до 30 дней приводит к снижению активность катепсина Д в печени на 39,5 и 29,2 %, соответственно, по отношению к контролю. Тенденция к снижению сохраняется и на 40 день интоксикации.

В кишечнике карпа к 30 дню интоксикации ионами кадмия и свинца активность катепсина Д не отличается от нормы. А уже к 40 дню эксперимента активность фермента в кишечнике сеголеток карпа ниже контроля как под воздействием ионов кадмия (на 41,9 %), так и свинца (на 27,5 %).

Пребывание сеголеток карпа до 30 дней в среде с ионами кадмия повышает активность катепсина Д в красных мышцах на 45,4 %, а с ионами свинца 60 %, в белых мышцах активность в обоих случаях повышена одинаково в 1,8 раза.

При пролонгировании интоксикации до 40 дней активность катепсина Д в красных и белых мышцах снижается.

В мозговой ткани сеголеток карпа активность катепсина Д на 30 день интоксикации ионами кадмия и свинца все еще выше контроля на 78,9 и 27,8 %. При продлении сроков интоксикации до 40 дней ионами кадмия активность катепсина Д в мозге карпа возвращается к норме, а ионами свинца остается выше контрольного уровня.

Из полученных результатов видно, что максимальная активность катепсина Д под воздействием ионов кадмия во всех тканях карпа приходится на 5 и 15 дни эксперимента, а уже к 30 дню она начинает снижаться и к 40 дню практически не отличается от нормы.

Первая реакция на интоксикацию проявляется неспецифической реакцией лизосом и активация лизосомальных ферментов, а степень и временная динамика изменений ферментативной активности зависят от специфики действующего фактора. В данном случае уже на 5 день повышение активности катепсина Д карпа при интоксикации ионами, как кадмия, так и свинца свидетельствуют об этом.

Первоначальное повышение активности катепсина Д в исследуемых тканях и органах, видимо связано с лабилизацией мембран лизосом. К веществам, оказывающим лабилизирующий эффект на мембраны лизосом, относятся ионы кальция и магния, железа, неорганическая ртуть, хлорид кадмия, ацетат свинца, лизолецитин и другие продукты гидролиза липидов кислыми липазами, гормоны, соли желчных кислот и др. [9]. Последующее снижение активности катепсина Д при длительном влиянии ионов кадмия и свинца может быть результатом стабилизации мембран лизосом, однако нельзя исключить и возможность ингибирования активности катепсина Д ионами металлов [11].