ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 436, № 4, с. 566-568
^ ОБЩАЯ ^^^^^^^^^^^^^^
БИОЛОГИЯ
УДК 597.2/5:577.151.04:574.24
ГЛУТАТИОН^-ТРАНСФЕРАЗА У РЫБ СЕВЕРНЫХ ВОДОЕМОВ: ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ВОДНОЙ СРЕДЫ
© 2011 г. Е. В. Борвинская, член-корреспондент РАН Н. Н. Немова, Л. П. Смирнов
Поступило 05.08.2010 г.
Жизнь в водоеме в отличие от наземных условий характеризуется большей зависимостью гид-робионтов от факторов среды. Водные экосистемы, сообщества, организмы особо чувствительны к нарушению химического состава среды [1]. Выживание последних в неблагоприятных условиях во многом зависит от диапазона адаптивных возможностей различных систем организма, в частности системы биотрансформации ксенобиотиков, обеспечивающей защиту внутренней среды от химически индуцированного стресса. Важным этапом обезвреживания токсичных соединений в клетке является их конъюгация с восстановленным глутатионом посредством фермента глутати-он^-трансферазы (GST) во второй фазе биотрансформации. Модифицирующее действие на активность GST многих соединений техногенного происхождения таких, как полициклические ароматические углеводороды, полихлорирован-ные бифенилы, тяжелые металлы и др., сделало возможным широкое применение этого фермента в качестве биомаркёра антропогенного загрязнения [2]. В то же время всевозможные стрессор-ные состояния, вызванные изменением абиотических факторов среды, прежде всего таких, как соленость, pH, температура, прозрачность и др., могут влиять на показатели GST [3, 4]. В литературе практически отсутствуют данные о влиянии изменения минерального состава среды на активность GST. Кроме того, очень мало работ, связанных с изучением особенностей функционирования этого фермента у видов рыб, являющихся сочленами пресноводных экосистем Субарктики.
В данном исследовании на трех видах пресноводных рыб таких, как щука (Esox lucius L.), сиг (Coregonus lavaretus L.) и плотва (Rutilus rutilus L.), впервые показано влияние высокого уровня минерализации водной среды на активность GST, которая играет важную роль в преодолении разного рода стрессов, в том числе осмотического [5]. Показатели активности GST имеют видовую, органную и половую специфику.
Институт биологии Карельского научного центра Российской Академии наук, Петрозаводск
Сбор материала проводили в июне 2009 г. в озерах, расположенных на территории Республики Карелия. Оз. Костомукшское (54°61' с.ш., 30°47' в.д.) используется Костомукшским горнообогатительным комбинатом для сброса промывных вод и для захоронения размолотой до пылеобразного состояния пустой породы ("хвостов обогащения"). В настоящее время вода в озере характеризуется аномально высокой минерализацией (до 532 мг/л) в основном за счет ионов K+, Na+, Ca2+,
SO; , HCO
3 , а также большим количеством мел-кодиперсной минеральной взвеси (1.34 мг/л) [6]. Размерно-массовые характеристики (АС, масса) пойманных в этом озере рыб: щука — 31.5—50 см, 264-923 г; сиг - 22-32.5 см, 101-770 г; плотва -13-17.5 см, 50-71 г. Возраст рыб составлял 4-12 лет для сига, 3-8 лет для щуки и 5-8 лет для плотвы.
В качестве контроля использовали рыбу, выловленную в тот же период из чистого озера Каменное (64°28' с.ш., 30°13' в.д.), которое расположено на территории Костомукшского государ -ственного заповедника и считается эталонным водоемом таежной зоны [7]. Размерно-массовые характеристики пойманных в этом озере рыб: щука -46-78 см, 815-3000 г; сиг - 19-31 см, 51-292 г; плотва - 15.8-24.6 см, 61-284 г. Возраст рыб составлял 2-6 лет для сига, 5-9 лет щуки и 5-11 лет для плотвы.
Активность GST определяли в печени, мышцах, почках и жабрах рыб. Органы извлекали сразу после вылова и хранили до анализа в жидком азоте. Образцы ткани измельчали в 0.125 М калий-фосфатном буферном растворе (pH 6.5), взятом в соотношении 1 : 10-1 : 900 в зависимости от типа ткани с помощью гомогенизатора Поттера -Эльвейма. Гомогенат центрифугировали при 11000g в течение 1 ч при 4°С на ультрацентрифуге Optima 80L ("Beckman", США). Активность фермента определяли по стандартной методике [8], по поглощению продуктов конъюгации 1-хлоро-2,4-динитробензола(CDNB) и глутатиона (GSH). Концентрацию белка в супернатанте оценивали по поглощению при 205 нм [9], используя бычий сывороточный альбумин и восстановленный глу-
ГЛУТАТИОН^-ТРАНСФЕРАЗА
567
Таблица 1. Активность GST в тканях рыб из озер с разным уровнем минерализации (мкмоль CDNB-GSH/мин • мг белка)
Щука Сиг Плотва
Орган оз. Косто-мукшское оз. Каменное оз. Косто-мукшское оз. Каменное оз. Косто-мукшское оз. Каменное
Печень 699.87 704.62 123.23 75.98* 98.07 71.88
Мышцы 7.37 6.35 10.37 7.78 8.22 8.50
Почки 31.96 6.58* 16.22 45.71* 3.79 13.55
Жабры 819.92 465.95* 9.41 8.94 16.03 29.71
* Различия между вариантами эксперимента статистически значимы прир < 0.05. Приводятся средние данные для самцов и самок вместе.
татион в качестве стандартов при построении калибровочного графика.
Математический анализ полученных результатов производили с помощью непараметрических критериев: Манна—Уитни и рангового коэффициента корреляции Спирмена. Порог доверительной вероятности при оценке достоверности различий принят равным 0.95.
Проведенные исследования показали, что у щуки вне зависимости от того, в каком водоеме была выловлена рыба, между активностью GST в почках, жабрах и линейно-массовыми характеристиками выявлена отрицательная коррелятивная зависимость (rs = —0.55, —0.62). Снижение активности GST при увеличении массы и длины рыб была выявлена также в почках сигов и плотвы (rs = —0.61 и —0.93 соответственно), в печени плотвы (rs = —0.58, —0.74), а также в жабрах плотвы из опытного водоема (rs = —0.83). В отличие от полученных нами результатов другие исследователи не выявили зависимости между активностью GST и размерами у таких рыб, как окунь, ряпушка [10] и камбала [11].
Обнаружено, что в печени и жабрах щуки, об-лигатного хищника, независимо от места вылова активность GST была максимальной и в 10—92 раза превышала таковую в соответствующих тканях сига и плотвы, для которых характерно смешанное питание (табл. 1). Так как щука является конечным хищником в субарктических пресных водоемах, у нее могли эволюционно выработаться механизмы усиленной защиты от накопления токсикантов, циркулирующих по пищевой пирамиде, что подтверждается данными других исследований по влиянию пищевой ориентации на активность ферментов детоксикации [12].
Активность GST в почках щук из загрязненного водоема имеет выраженную половую специфику и у самок она была гораздо выше, чем у самцов (рис. 1). В других тканях этот эффект не выявлен. Гендерные отличия в проявлении активности GST были показаны как для рыб, так и млекопитающих и человека, что указывает на существова-
ние механизмов гормональной регуляции некоторых изоформ GST [13].
Сравнительный анализ активности GST в тканях рыб, выловленных из оз. Костомукшское, показал ее повышенный уровень в жабрах и почках щук, а также в печени сигов и плотвы по сравнению с контролем (табл. 1). В почках сига, напротив, была зафиксирована более низкая активность GST. Эти данные свидетельствуют о влиянии на активность фермента повышенного уровня минерализации водоема и об участии данного фермента в адаптации к изменяющемуся осмотическому фону в водоеме. Кроме того, имеет место реакция на окислительный стресс, который связан, главным образом, с нарастанием уровня ионов калия в водной среде. Это приводит к ее за-щелачиванию и соответственно увеличению концентрации гидроксид-радикалов, как одной из активных форм кислорода, являющихся стимуляторами активности GST [5].
Степень минерального загрязнения в исследованном водоеме, по-видимому, еще не достигла критического уровня, поэтому в силу разной чув-
Активность GST,
мкмоль CDNB-GSH/мин • мг белка 80 г
1
60 40 20
0
2
*
1
оз. Костомукшское оз. Каменное
Рис. 1. Активность GST в почках самок (1) и самцов (2) щуки, выловленной из озер Костомукшское и Каменное. Звездочкой отмечены — различия между вариантами эксперимента, статистически значимые приp < 0.05.
1
2
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 436 № 4 2011
568
БОРВИНСКАЯ и др.
ствительности тканей рыб к этому фактору и их таксономической принадлежности эти вариации имеют разнонаправленный характер.
Тем не менее по нашей оценке из трех видов рыб, обитающих в оз. Костомукшское, плотва наиболее чувствительна к исследуемому фактору, так как у нее не развивается адекватная реакция GST на внешнее воздействие, что может указывать на неспособность поддерживать гомеостаз в изменяющихся условиях среды. Соотношение полов в популяции плотвы из оз. Костомукшское, где в уловах преобладают самки (у щук и сигов соотношение между полами близко к 1 : 1) [14], свидетельствуют в пользу более низкого адаптационного потенциала детоксикационной системы самцов данного вида; самки, как правило, обладают большей резистентностью к негативным факторам и начинают преобладать в водоемах, испытывающих значительную техногенную нагрузку [15].
Таким образом, изменение активности GST, участвующей в детоксикации широкого ряда ли-пофильных органических токсикантов, при росте уровня минерализации может указывать на неспецифическую реакцию организма в ответ на стресс, вызванный изменением ионного состава среды. Использование живыми системами неспецифических реакций в адаптациях к тем или иным факторам является благоприобретенной эволюционной особенностью, которая способствует минимизации метаболических трат при развитии защитных механизмов и повышает адаптивные возможности организмов.
Данная работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ "Ведущие научные школы Российской Федерации" НШ 3731.2010.4; программы ОБН РАН "Биологические ресурсы России: оценка состояния и фундаментальные основы мониторинга" на 2009—2011 г.; программы фундаментальных исследований Президиума РАН "Биологическое разнообразие" на 2009—2011 гг.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Немова Н.Н., Высоцкая Р.У. Биохимическая индикация состояния рыб. М.: Наука, 2004. 215 с.
2. Van der Oost R, Beyer J., Vermeulen N.P.E. // Environ. Toxicol. Pharmacol. 2003. V. 13. P.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.