АДАПТАЦІЇ РИБ ДО МЕТАЛІВ В. Грубінко

1. АДАПТАЦІЇ РИБ ДО МЕТАЛІВ В. Грубінко

2. Процеси, що відбуваються в системі “середовище↔метал↔організм”, включають: проникнення металу в клітини і їх молекулярне зв’язування метаболітами і специфічними переносниками та транспорт і розподіл в клітинах, тканинах, органах; акумуляція; виведення. Баланс в цій системі визначається метаболічною потребою в металі і його акумуляцією, а при неможливості організму контролювати необхідний його рівень (дезадаптація) − визначає токсичність металу.

3. Традиційні підходи до оцінки ушкодження іонами металів 1. Визначення накопичення (концентрації) токсиканту у біологічній системі. 2. Дослідження показників гомеостазу клітини, органу, організму, популяції, екосистеми тощо. 3. Розвиток патологій. 4. Специфічні маркери на окремі типи ураження.

4. 512 2 1 32 Men+ Білкові комплекси Неорганічні комплекси Карбонові кислоти СкС Меn+ - малат; Меn+ -цитрат, Меn+-оксалат, Меn+-органічні комплекси Км ЦТ 4312 • Проникнення металів здійснюється через сайти зв’язування на поверхні клітин з наступним перетворенням речовин, з якими ті взаємодіють, викликаючи ланцюг пошкоджень і адаптивних структурно-функціональних реакцій (Грубінко, Гандзюра, 2008; Грубинко, 2010; Сімчук, 2012). При цьому критичною стадією є проникнення іону металу через клітинну мембрану і структурно-функціональна опірність (первинна детоксикація) на мембранному рівні. Нами експериментально показано, що поглинання іонів міді, цинку, марганцю і свинцю клітинами контактних з середовищем органів риб є регульованим і концентраційнозалежним процесом. Послідовність проникнення металів в клітину така: 1) іммобілізація іону металу мембранними металзв’язуючими хелаторами; 2) проникнення в цитоплазму через ліпідний шар; 3) зв’язування металу в комплекси з метаболітами в цитоплазмі; 4) компартменталізація метал-органічних сполук в субклітинних структурах; 5) зворотний транспорт (виділення) металу.

5. Часова залежність накопичення іонів міді в зябрах карася, М±m, n=4 Часова залежність накопичення іонів цинку в зябрах карася, М±m, n=4 Часова залежність накопичення іонів міді в шкірі карася, М±m, n=4 Часова залежність накопичення іонів цинку в шкірі карася, М±m, n=4

6. Концентраційна залежність поглинання іонів міді зябрами коропа (18 0С, 30 хв). Проникнення іонів важких металів через мембрану здійснюється за рахунок активного транспорту: високоспорідненого з максимумом поглинання при 0,05-0,1 мг/дм3 іонів металів та низькоспорідненого, який реалізується при концентраціях >2 мг/ дм3

7. металу (зябра, короп) ГДК

8. Вмістміді в печінцітварин за попереднього одноразового введенняіонівмарганцю (Mm,n=3) Вмістміді в печінці за попереднього одноразового введенняіонів цинку (Mm,n=3) Вмістміді в кровітварин за попереднього одноразового введенняіонівмарганцю(Mm, n=3) Вмістміді в кровітварин за попереднього одноразового введенняіонів цинку (Mm, n=3) Вмістміді в крові за попереднього одноразового введенняіонівсвинцю (Mm, n=3) Вмістміді в печінцітварин за попереднього одноразового введенняіонівсвинцю (Mm,n=3)

9. Накопичення металів за підвищення їх концентрації, особливо до рівня 5 ГДК, у всіх випадках приводить до зростання їх вмісту як в крові, так в печінці тварин, в окремих випадках у 2-3 рази проти контролю. • Найбільшою мірою тварини накопичують цинк і мідь, менше  свинець та марганець, що пов’язано як з біологічною потребою у цих металах, так і з особливостями фізико-хімічної взаємодії іонів металів з молекулярними структурами клітин, що можуть виступати їх лігандами. • Інтенсивніша акумуляція металів виявлена у ектотермних тварин (риби), очевидно завдяки відомій їх більшій термодинамічній відкритості та особливостям життєдіяльності у водному середовищі існування. • Введення підвищених концентрацій важких металів на фоні присутності в організмі введених попередньо інших іонів металів в цілому зменшує акумулювання в крові та печінці тварин всіх досліджених металів (мідь, марганець, цинк, свинець) навіть за зростання дози, що вводиться, до 2 ГДК та, навіть, 5 ГДК. • Протекторна дія іонів міді, цинку і марганцю є близькою за ступенем вираженості, що можна пояснити їх фізіолого-біохімічною поведінкою та потребами в них організму тварин як важливих мікроелементів. • Свинець за попереднього введення щодо всіх інших досліджених металів виявляв сильнішу протекторну дію, можливо, у зв’язку з його здатністю міцніше зв’язуватися з органічними лігандами, насамперед білками. • На фоні попереднього введення іонів цинку, міді та марганцю, знижується накопичення тваринами свинцю. • Конкуренція металів за структурно-функціональні утворення в клітинах тварин залежить від черговості попадання іонів цих металів в клітини, бо заміна (вибивання) іонів один одного в центрах їх зв’язування, ймовірно, утруднена у зв’язку з високою спорідненістю до них лігандів у центрах зв’язування.

10. Ліганд зв’язування БІОНАКОПИЧЕННЯ Первинні детермінанти біонакопичення металів –концентраційна різниця в середовищі та організмі (тканинах), специфічність відгуків в організмі на первинну дію (спрямованість до тканин змінює хімічні градієнти в їх клітинах, а затримування в них визначається спорідненістю з певними біохімічними компонентами клітин, що зв’язують метали, насамперед білки. Насичення тканин металами мало місце вже за порогових концентрації (2 ГДК), а при значного перевищення (5 ГДК) значного зростання вмісту металів проти рівня дії 2 ГДк не виявлено, що свідчить про насичення металом сайтів зв’язування вже при рівні 2 ГДК. Тому значно вище надходження металу до організму, ймовірно прискорює і його транзитне виведення, а акумулюється та кількість металу, що може бути зв’язана лігандами-рецепторами.

11. Часова залежність накопичення іонів міді в печінці карася, М±m, n=4 Часова залежність накопичення іонів цинку в печінці карася, М±m, n=4 Часова залежність накопичення іонів міді в кишечнику карася, М±m, n=4 Часова залежність накопичення іонів цинку в кишечнику карася, М±m, n=4 Часова залежність накопичення іонів цинку в мязах карася Часова залежність накопичення іонів міді в мязах карася

12. Модель міжорганногорозповсюдженняівиведенняважкихметалів у тварин Інтенсивність органного накопичення представниками окремих металів характеризуються такими рядами: печінка: Fe>Zn>>Ni>Cu~Co~Pb>Mn>Cd; зябра: Zn>Fe>>Ni>Cu~Co~Mn>Pb>Cd; м’язи: Zn~Fe>>Ni>Cu~Co~Mn~Pb>Cd; кістки: Zn>>Fe> Mn>Ni>Cu~Co>Pb >Cd.

13. Регуляція. Взаємодія металів з молекулярними структурами в умовах адаптованості клітин (організму) визначається спорідненістю до лігандів, біологічною потребою в металі і фізико-хімічними параметрами організму. Зниження або втрата функції Зміни метаболізму Зміни складу і будови субклітиннних структур Зміни на молекулярному рівні Зміни Поглинання Апоптоз Накопичення модифікованих і неспецифічних сполук (вторинних токсикантів) Зміна структури і функціональної активності клітин Пошкодження або модифікація мембран Некроз Молекулярні та гомеостатичні зміни у цитоплазмі Накопичення сполук із захисними властивостями Злоякісні утворення

14. Загальні принципи ураження • Системність • Рівневість • Наступність (каскадність) • Пролонгованість • Циклічність (вторинні –аутогенні - ушкоджуючі фактори)

15. Загальна проблема, яка на сьогодні не має свого вирішення: • встановлення кількісних співвідношень взаємопереходу (взаємопов’язаності, причинно-наслідкові зв’язки тощо) прояву негативних впливів на різних рівня організації біологічних систем з одного боку, та • якісна і кількісна оцінка загального пошкоджуючого ефекту шкідливого чинника на досліджувані системи (тобто мова йде не про якісну чи кількісну зміну окремого параметру або функції, а про системну втрату біологічної чи екологічної якості системи в цілому, що можна виразити у нанесеній їй шкоді). • Цю здатність певного чинника, їх групи, або середовища в цілому до спричинення шкідливих ефектів ми пропонуємо назвати • шкодочинністю.

16. Оскільки шкодочинність ми вважаємо як наслідок системних порушень, то її діагностика має встановлюватися за результатами (проявами) інтегральних змін: • Порушення енергетичного та субстратного балансу на метаболічному рівні. • Неадекватність фізіологічних реакцій та прояву основних біологічних функцій (ріст, розмноження, розвиток). • Порушення здатності біологічних систем до адаптацій в змінених умовах (як наслідок двох перших). • Порушення речовинно-енергетичних та інформаційних процесів системи в цілому (зменшення «організованої взаємодії»).

17. Отже,шкодочинність – здатність певного чинника знижувати стан благополуччя системи. Ранжуючи функцію благополуччя системи у відсотках від референційного (природного) стану системи (який приймається за 100%), можна кількісно оцінити шкодочинність за зниженням функції (визначальної, критичної) благополуччя системи до нульових значень, нижче яких система припиняє своє існування. Hf= 1 – Df (determining function)

18. Щодо з’ясування проблеми «норми» і «патології» екосистем, то проблему вдається вивести на кількісний рівень. За основу кількісної оцінки ми пропонуємо взяти не тільки ступінь відхилення показників системи від притаманного їй нативного стану, а й: • можливість повернення цього стану до вихідного (тобто ця проблема розглядається в ключі поняття стійкості). • у випадку резистентної стійкості «норма» близька поняттю «стійкості» системи; • у випадку пружньої (динамічної) стійкості ситуація складніша, оскільки система істотно змінюється, водночас лишаючись «сама собою». Але і в цьому випадку «патологічний» стан можна діагностувати за переходом системою межі, за якою унеможливлюється її повернення до вихідного чи адаптивного стану.

19. Динаміка біологічного процесу Дія фактору первинна відповідь F 2 флуктуація Реакція біологічної системи F 4 адаптація F 1 Елімінація (F0 = 0) F 3 пригнічення t,час > F 1 < F 2 > F 3 < F 4 0

20. Зміна спорідненості гемоглобіну до кисню за дії токсикантів

21. ММФ глутамінсинтетази за дії аміаку

22. Метаболічні адаптації у організмі риб до аміаку г л у т а м і н

23. Особливості метаболічної адаптації мозку до токсикантів

24. Значення показника співвідношення активності глутамінсинтетази в м’язах до активності глутамінази взябрах коропа за дії токсикантів водного середовища Температура, 0С Ф а к т о р контроль NH3 Pb2++ NH3 Ni2++NH3 гіпоксія фенол R 7 9,1 7,5 4,1 6,2 - 5,2 -0,50 20 8,8 8,6 9,4 10,9 1,6 6,3 -0,71 25 11,4 7,2 6,1 10,0 - 8,7 -0,69 R - коефіцієнт кореляції з концентрацією аміаку в мозку.

25. Схема енергозабезпечення організму риб за дії несприятливих факторів середовища. За [Лущак В.І.Уніфікована схема адаптації риб до умов навколишнього середовища/ Наук. записки Терн. нац. пед. ун-ту. ім. В. Гнатюка. Сер. Біологія. Спец. випуск „Гідроекологія”. – 2005. – № 3(26). – С. 264-266.]

26. Коефіцієнт антиоксидантного стану (КАС) • 1. Визначають показники, які свідчать про стан окремих ланок антиоксидантного захисту та прооксидантних змін у двох тканинах організму (печінка і кров). • Коефіцієнт антиоксидантного стану (КАС) тканин обчислюють як : КАС = Σ А/Σ П, де А - сума показників стану антиоксидантних (активність СОД, каталази, вміст небілкових тіолів в тканині); П - сума показників стану прооксидантних факторів (вміст продуктів пероксидації білків і ліпідів). Кожний показник визначають за формулою: 1 ± (Мд – Мк)/Мк, де 1 – характеристика показника в нормі; Мд і Мк – середньоарифметичні значення показників відповідно дослідної і контрольної серій. В нормі КАС становить 2,0.

27. Коефіцієнт антиоксидантного стану за дії токсикантів

28. Граф-схема співвідношення спрямування і швидкості метаболічних перетворень у енергогенеруючих системах клітини

29. Арсан О.М.Состояние и перспективы развития водной экотоксикологии// Гидробиол. журн.− 2007.− Т. 43, № 6.− С. 50−64. • Гандзюра В.П. Продуктивність біосистем за токсичного забруднення середовища важкими металами. – К.: ВГЛ “Обрії”, 2002. – 248 с. • Гандзюра В.П., Грубінко В.В. ПОНЯТТЯ ШКОДОЧИННОСТІ В ЕКОЛОГІЇ// Наук. записки ТДПУ ім. В. Гнатюка. Сер. Біологія. - 2007.- № 1 ( 31).- С. 11-31. • Грубінко В.В. Системна оцінка метаболічних адаптацій у гідробіонтів//Наук. зап. ТДПУ. Сер. Біологія. Спец. вип. “Гідроекологія”.- 2001.- № 4(15).- С. 36-39. • Грубінко В.В. Кінетична модель біохімічної адаптації організму риб до токсикантів//Український біохімічний журнал.-2002.- Т. 74, № 4б(додаток 2).- С. 67-68. • Грубінко В.В. Інтегральна оцінка токсичного ураження у біологічних системах// Наук. записки ТНПУ ім. В. Гнатюка. Сер. Біологія. Спец. випуск „Гідроекологія”. - 2005.- № 3(26).- С. 111-114.

30. Щось, воно …???!!!

31. НЕ ПЕРЕЙМАЙМОСЯ!

32. Деякі закономірності розвитку реакції на параметрично-частотну дію фактора концентраційна дозонечутлива [F, ν] [F, ν] реакція реакція реакція кумулятивна концентраційна з насиченням [F, ν] [F, ν] реакція реакція