ИЗМЕНЧИВОСТЬ АНТИОКСИДАНТНОГО СТАТУСА МЕЛКИХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ Одним из механизмов адаптационных процессов организма млекопитающих к радиоактивному загрязнению являются структурно-функциональные изменения, характеризующие метаболический гомеостаз организма, к которым следует отнести процесс перекисного окисления липидов (ПОЛ). ПОЛ и его регуляция, играет ведущую роль в модификации структуры и функции биологических мембран как в процессах нормальной жизнедеятельности, так при действии факторов физической и химической природы [1, 2, 3], в том числе и ионизирующей радиации [4, 5]. Изменчивость и гетерогенность ответных реакций различных биологических систем на действие факторов низкой интенсивности являются одними из типичных ответов, ее способности к самоорганизации, адаптации [6]. Стационарность процесса ПОЛ в норме обеспечивается физико-химической системой регуляции окислительных реакций в липидах мембран, параметрами которой являются антиокислительная активность (АОА) и состав фосфолипидов (ФЛ), что ранее было изучено у лабораторных животных при действии факторов разной природы [1-5]. ПОЛ и его продукты в эволюционном плане представляют один из наиболее ранних регуляторных механизмов и выступают в роли «первичного медиатора» стресса и модификация его лежит в основе устойчивости и адаптационных возможностей организма [7]. Изучение изменчивости антиоксидантного статуса в тканях мышевидных грызунов, обитающих в условиях повышенного уровня радиации, позволят более полно оценить процессы адаптации или степень повреждений у мелких млекопитающих и судить об изменении всей системы клеточного метаболизма организма в условиях техногенного радиоактивного загрязнения среды. Цель исследований - сравнить изменчивость антиокислительной активности и состава фосфолипидов в печени у мышевидных грызунов при обитании их на территориях в условиях техногенного радиоактивного загрязнения в Республике Коми и 30-км зоне отчуждения на Чернобыльской АЭС. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ В Республике Коми объектом изучения был наиболее распространенный и доминирующий вид - полевка-экономка (Аlexandromys oeconomus Pallas) [8], обитающий на стационарных участках в Ухтинском районе на территории бывшего радиевого производства. Исследования на радиевом и урано-радиевом участках, дублировали на условно контрольных участках с аналогичными экологическими условиями, но с нормальным радиационным фоном и кларковым (фоновым) содержанием радионуклидов в почве и растениях. Радиационный γ-фон на контрольных участках варьировал в пределах от 0.08 до 0.10 мкЗв/ч, на радиевом участке - в среднем от 1.4 мкзв/ч до 1.8 мкзв/ч, на урано-радиевом участке от 0.5 до 38 мкзв/ч [9]. В зоне отчуждения Чернобыльской АЭС (ЧАЭС) исследования проводили на семи участках, отличающихся по мощности дозы внешнего γ-излучения друг от друга на четыре порядка от 0.02-0.2 мкЗв/ч и 200 мР/ч-2000 мкЗв/ч. В зоне аварии исследовали пять видов мышевидных грызунов: полевку-экономку (Аlexandromys oeconomus Pall.), полевую мышь (Apodemus agrarius Pall.), европейскую рыжую полевку (Cletrionomys glareolus Schreb.), обыкновенную полевку (Microtus arvalis Pall.), желтогорлую мышь (Apodemus flavicollis Melchior). В первый год после аварии в 30-км зоне ЧАЭС были отобраны семь участков. По уровню внешнего γ-излучения участки разделены на сильнозагрязненный: 1 участок, среднезагрязненные: 2-4 участки, слабозагрязненные: 5-7 участки. Выбор участков и их подробная радиоэкологическая характеристика и дозовые нагрузки на организм животных на этих территориях приведены в работе [10]. Участки в зоне аварии на ЧАЭС отличались от радиевого и урано-радиевого стационаров в Республике Коми не только генезисом, но и широким многообразием состава радионуклидов разной природы, высокой мощностью экспозиционной дозы, особенно в первый поставарийный период (1986-1989гг.), что по данным [11] соответствует острому радиационному воздействию. Длительность воздействия радиационного фактора на территории бывшего радиевого производства в Республике Коми в отличие от техногенного загрязнения в зоне аварии ЧАЭС, продолжается уже более 50 лет. В анализе использованы зверьки обоего пола трех возрастных групп: неполовозрелые, половозрелые сеголетки, перезимовавшие зверьки (более 700 особей) в зоне аварии ЧАЭС и в Республики Коми (более 160 особей). Обобщение показателей антиоксидантного статуса полевок-экономок с территории с повышенным уровнем радиации в Республике Коми проведен по результатам 1990-х гг. (1991-1993 гг.), в 30-км зоне аварии на ЧАЭС на фоновых (контрольных) участках в окрестностях г. Киева и на участках с разным уровнем радиоактивного загрязнения - с 1987 по 1993 гг. и спустя 21 год после аварии. Анализ антиокислительной активности липидов (АОА), состава фосфолипидов (ФЛ), обобщенных показателей липидного обмена проводили в печени, в центральном органе липогенеза, которому принадлежит важная роль в поддержании гомеостаза как в норме, так и при различных патологических процессах. Липиды из печени выделяли по методу Фолча в модификации Кейтса [12]. Величину АОА липидов печени определяли на метилолеатной окислительной модели [4, 7]. Результаты всех анализов по АОА приводили к стандартным значениям. Разделение ФЛ на отдельные фракции осуществляли методом тонкослойной хроматографии с использованием силикагеля типа Н (по Шталю или Woelm) [13]. Данные исследований обработаны общепринятыми методами вариационной статистики [14]. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Анализ величин АОА липидов печени, отловленных на контрольных участках в Республике Коми и в пригородах Киева, показывают, что значения этого показателя существенно различаются в зависимости от возраста, вида грызунов, а также года и сезона их отлова. По уменьшению величин АОА липидов печени грызунов коми (северной) и киевской (южной) популяций виды животных располагаются в следующий ряд: желтогорлые мыши > рыжие полевки > полевые мыши > полевки-экономки. Масштаб изменения и значения АОА липидов печени у сравниваемых популяций грызунов (северной и южной) сопоставим. Отметим, что величины АОА липидов органов диких грызунов в целом ниже, чем соответствующие показатели у лабораторных животных, а во многих случаях их липиды обладают прооксидантными свойствами. Прооксидантная активность липидов, помимо обеднения их антиоксидантами, обусловлена и высокой степенью их ненасыщенности, что способствует адаптации животных к длительному пребыванию в условиях низких температур в среде обитания. Вариабельность АОА липидов печени в 15-25 раз выше у диких грызунов, обитающих в природных условиях, чем у лабораторных животных [ 9, 10]. Анализ изменчивости данного показателя у мышевидных грызунов на участках с повышенным уровнем естественной радиоактивности и в зоне аварии на ЧАЭС показал однотипные сдвиги, которые определяются видом, возрастом грызунов, сезоном отлова и стадией численности животных [15]. Однако у мышевидных грызунов из зоны аварии отмечали различия в зависимости от времени, прошедшего после аварии. Наиболее радиочувствительные полевки-экономки имели самую низкую АОА липидов по сравнению с более радиорезистентными рыжими полевками, полевыми мышами и обыкновенными полевками, что характерно для зверьков, отловленных на участках со средним уровнем радиоактивного загрязнения. Самый высокий размах колебаний АОА липидов печени отмечен у полевки-экономки. С одной стороны, наблюдали самые высокие показатели АОА (9010±2040 ч.мл/г, n=18 животных), с другой стороны, у этого же вида животных - самое сильное обеднение липидов печени антиоксидантами, о чем указывают отрицательные значения показателя, наблюдаемые во второй год после аварии (-800±125 ч.мл/г, n=55 животных). Вариабельность данного показателя у других видов была относительно высокой: у полевых мышей она была в пределах от -260 до 5889 ч.мл/г, у рыжих полевок: от -980 до 2470 ч.мл/г. Наиболее сильная обедненность липидов печени антиоксидантами обнаружена в первые годы после аварии у полевок-экономок со всех участков отлова по сравнению с другими исследованными видами, что непосредственно связано с радиочувствительностью вида. По возрастанию масштаба изменения этого показателя (в течение пяти лет) виды грызунов всех возрастов можно расположить в следующий ряд: полевки-экономки < полевые мыши < полевки обыкновенные < рыжие полевки. В последующие годы (через пять лет после аварии) низкий уровень АОА липидов печени у полевок-экономок и полевых мышей сменился относительно высокими значениями показателя [10]. Изменчивость АОА липидов печени мелких грызунов из зоны аварии сильнее выражена по сравнению с аналогичными данными у полевок-экономок с радиоактивных участков в республике Коми. Масштаб этих изменений сравним и намного превышает масштаб изменения АОА по сравнению с данными у лабораторных мышей после острого облучения в летальных и сублетальных дозах [4, 5]. Высокая вариабельность значений данного показателя у грызунов из зоны аварии указывает на гетерогенность ответной реакции организма. Это способствует сохранению гомеостаза и адаптации животных к радиоактивному загрязнению среды и свидетельствует о разной степени состояния показателей системы антиоксидантной защиты в тканях диких грызунов при хроническом низкоинтенсивном облучении в природной среде. Полученные данные позволяют считать, что исходный антиоксидантный статус в тканях зверьков играет немаловажную при оценке отдаленных последствий низкоинтенсивного облучения, чем при анализе биологических эффектов острого радиационного поражения [10]. Поскольку изменения скорости окисления в липидах органов тесно связаны с уменьшением количества биоантиоксидантов и изменениями в составе фосфолипидов был проведен анализ изменчивости липидов печени у мелких грызунов, играющих важную роль в процессах адаптации клеток к окружающим условиям. К особенностям качественного состава фосфолипидов в тканях диких грызунов, в отличие от лабораторных мышей, следует отнести значительное содержание минорных фракций кардиолипина и фосфатидной кислоты (КЛ+ФК), фосфатидилинозита с фосфатидной кислотой (ФИ+ФС), высокую вариабельность относительного содержания лизо- и фосфатидилхолина (ЛФХ, ФХ) в составе общих липидов. Известно, что повышенное содержание минорных фракций ФЛ, способствует развитию адаптивных реакций на клеточном уровне: так содержание фосфатидной кислоты в клетках увеличивается при различных стрессах [16], а кардиолипин в клетках животных играет важную роль в окислительном фосфорилировании и продукции АТФ [17] а также в развитии апоптоза в клетках [18]. У полевок-экономок с радиоактивных участков в республике Коми наблюдали тенденцию к снижению доли основных фракций ФЛ, повышенное содержание минорной фракции ЛФХ в среднем в 1.5- 2 раза (р≤ 0,05) по сравнению с величинами у полевок с контрольного участка, увеличение размаха колебаний основных обобщенных показателей липидного обмена (ФХ/ФЭ и ∑ЛОФЛ/ТОФЛ) и, как правило, изменение масштаба взаимосвязи между данными показателями. Среднегрупповые значения ФХ/ФЭ в различные годы у полевок контрольного участка варьируют от 1,40 до 2,2 на радиевом и урано-радиевом участках от 0,8 до 2,8 относительных единиц. У полевок с урано-радиевого участка отмечали значительное варьирование по большинству показателей, появляются особи как с чрезвычайно низкими, так и с очень высоким значениями [15]. Обращает внимание, что масштаб вариабельности значений состава фосфолипидов печени и обобщенных показателей липидного обмена у разных видов грызунов из зоны аварии на ЧАЭС может быть не одинаковым. В первый год после аварии из 10 анализируемых показателей состава ФЛ у полевки-экономки (табл. 1) отмечены наиболее значительные изменения как по всем фракциям состава ФЛ, так и по обобщенным показателям липидного обмена. По одним показателям наблюдали как самые низкие значения (по основным фракциям - ФХ, ФЭ и минорным фракциям - ЛФХ, ФИ, ФС), так и самые высокие (по минорным фракциям - СМ, КЛ+ФК). Масштаб изменений по таким показателям как по ФХ и ФС сильно варьировал от 4,1 до 62.5 раз (табл. 1). В первый год после аварии у полевки-экономки в отличие от других видов грызунов зафиксирована значительная изменчивость по обобщенным показателям липидного обмена, а самая низкая - у рыжей полевки. Содержание минорной фракции ЛФХ в печени полевок-экономок достигало уровня значений основной фракции ФХ. Значения минорной фракции КЛ+ФК, которой обычно в клетках печени у лабораторных животных и диких грызунов с фоновых участков составляет в среднем 5-7%, у полевки-экономки и полевой мыши они были более 30%. Размах колебаний значений минорных фракций ФЛ возрастал от 4 до 14 раз (табл. 1). Изменения такой направленности отмечали в эти же сроки исследований по обобщенным показателям липидного обмена. С одной стороны, обнаружено снижение содержания доли ФЛ в составе общих липидов до самих низких значений минорных фракций (5,3%), с другой стороны, размах колебаний значений данного показателя у полевых мышей увеличивается более чем в 6 раз. Такую же направленность вариабельности значений отмечали по обобщенному показателю: отношение фосфатидилхолина к фосфатидилэтаноамину (ФХ/ФЭ), отражающее структурное состояние мембранной системы органа. Размах вариабельности значений этого показателя также высок - в 4.5 раза, который сохраняется в течение 7 лет и лишь спустя 21 год после аварии он уменьшается в среднем в 1.4 раза. В первые годы после аварии у мелких грызунов такой показатель как отношение легкоокисляемых фракций к трудно окисляемым фракциям фосфолипидов (ΣЛОФЛ/ΣТОФЛ), характеризующее способность липидов к окислению, не достигает единицы, что свидетельствует о высокой жесткости клеточной мембраны печени мышей. Через 5-7 лет после аварии это отношение наоборот увеличивается до 2.3 относительных единиц. В целом, изменчивость значений отдельных фракций состава ФЛ и обобщенных показателей липидного обмена в печени у полевых мышей через 21 год после аварии уменьшается [19]. Однако по таким минорным фракциям как содержание ЛФХ и ФИ+ФС остается достаточно лабильным, сохраняется размах колебаний у мышей пределах 6.6-9 раз (табл. 1). Эти данные свидетельствуют о достаточно высокой пластичности показателей состава фосфолипидов, характеризующих уровень адаптивных реакций на клеточном уровне у диких грызунов к изменяющимся условиям обитания. В первые годы после аварии при высокой вариабельности показателей состава фосфолипидов у грызунов наблюдали возрастание гетерогенности самих показателей. В печени самок полевок-экономок у двух возрастных групп, отловленных с одного и того же участка (среднезагрязненный участок 4) в 1987 г. установлены ответные реакции разной направленности (табл. 2). Для первой группы неполовозрелых самок характерно высокое содержание минорных фракций: ЛФХ-32,55% и КЛ+ФК-18,37% и относительно низкое содержание основной фракции ФЭ-7,4%. Вторая группа самок с того же участка отличалась значимым снижением не только содержания ЛФХ в 3 раза (р≤ 0,01), но и основных фракций ФХ и ФЭ, имеющих самые минимальные значения - 9.34% и 1.18% (р≤0,01; р≤ 0,05). При этом содержание минорной фракции фосфатидной кислоты (ФК) в липидах печени молодых самок второй группы превышало 70% (р≤ 0,01). По обобщенным показателям липидного обмена были выявлены значимые разнонаправленные сдвиги: у первой группы молодых особей отношение ФХ/ФЭ, характеризующей жесткость мембраны, доходило до 4 относительных единиц, у второй группы полевок этот показатель был увеличен до 8 единиц (р≤ 0,01), что связано, в первую очередь, с низким содержанием основной фракции ФЭ. У сравниваемых групп мышей, отловленных с одного и того же участка, значения обобщенного показателя: отношение суммы легкоокисляемых фракций к сумме трудноокисляемых фракций липидов (ΣЛОФЛ/ΣТОФЛ) друг от друга отличались в 7,6 раза (р≤ 0,001), что свидетельствует о разной степени окисляемости клеточной мембраны печени у этих групп полевок. Такие же разнонаправленные сдвиги в составе фосфолипидов установлены у перезимовавших полевок-экономок с этого же участка. В некоторых случаях различия между сравниваемыми группами полевок становятся еще более значимыми (р≤ 0,001) и у старых животных сильнее увеличена жесткость мембраны, которая достигает 13 относительных единиц, что свидетельствует о самой низкой окисляемости клеточной мембраны печени. Существенные изменения в составе фосфолипидов, суммарных показателей липидного обмена согласуются с данными по активности ферментов энергетического обмена, показавшие аналогичную гетерогенность значений активности ферментов цикла Кребса и гликолиза в печени полевых мышей, отловленных с одного и тоже радиоактивного участка в первые годы после аварии. Как правило, они зарегистрированы у животных, отловленных с участков со слабым и средним уровнем техногенного загрязнения в зоне аварии [10]. Подтверждением нарушений в регуляции клеточного метаболизма в печени мышевидных грызунов в первые годы после аварии, является выявленный дисбаланс между показателями антиоксидантного статуса печени (АОА, состав фосфолипидов) и энергетического обмена (активность сукцинат-, пируват- и лактатдегидрогеназ). Нарушения в процесах регуляции отдельных звеньев ПОЛ и процессов дегидрирования были отмечены ранее у полевок-экономок, отловленных в условиях повышенного уровня радиации в Республике Коми. Однако размах колебаний показателей ПОЛ их дисбаланс в тканях полевок-экономок были менее значительны, чем наблюдаемые в первые годы после аварии у мелких грызунов из зоны отчуждения ЧАЭС [10]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Полученные данные свидетельствует о возрастании внутрипопуляционной изменчивости показателей антиоксидантного статуса у грызунов, обитающих на территориях в условиях техногенного радиоактивного загрязнения, что особенно выражено у мышевидных грызунов в 30-км зоне аварии на ЧАЭС. Ионизирующая радиация в малых дозах в организме млекопитающих может развивать реакцию, инициирующую развитие общего адаптационного синдрома. У мелких грызунов из зоны аварии ЧАЭС установлена более высокая изменчивость антиокислительной активности и состава фосфолипидов печени, чем у полевок-экономок Ухтинского стационара, особенно отмеченные в первые три года после аварии. Установленные биохимические изменения зависели от многих условий, в том числе от уровня радиоактивного загрязнения, длительности действия радиационного фактора, возраста и вида животных и фазы численности. По показателям антиоксидантного статуса самыми радиочувствительными оказались полевки-экономки, радиоустойчивыми - полевые и желтогорлые мыши. Наличие разнородных групп животных с разной направленностью биохимических сдвигов, отловленных с одного места обитания, следует рассматривать как развитие адаптивных реакций у животных природных популяций на стресс-воздействие: техногенное радиоактивное загрязнение и хроническое облучение в малых дозах в среде обитания. Более стабильное состояние мембраны клеток печени по составу фосфолипидов печени у полевых мышей, установленное спустя 21 год после аварии, свидетельствует о адаптации грызунов на клеточном уровне [19]. Увеличение вариабельности и гетерогенности показателей антиоксидантного статуса в печени у мелких грызунов способствует расширению потенциальных возможностей и адаптации организмов к существованию в новых условиях техногенного радиоактивного загрязнения среды обитания, являются особенностями действия малых доз ионизирующей радиации [20]. Таблица 1. Вариабельность значений состава фосфолипидов (%), обобщенных показателей липидного обмена в печени (отн. ед.) у мышевидных грызунов (данные объединены по возрасту и полу животных), отловленных на участках в 30-км зоне Чернобыльской АЭС Примечание здесь и далее в табл.: фракции состава фосфолипидов: ЛФХ- лизофосфатидилхолин,СМ - сфингомиелин, ФХ - фосфатидилхолин, ФИ+ФС - фосфатидилинозит+фосфатидилсерин, ФЭ - фосфатидилхолин, КЛ+ФК - кардиолипин+фосфатидная кислота; обобщенные показатели липидного обмена: % ФЛ - доля фосфолипидов в составе общих липидов, ФХ/ФЭ - отношение фосфатидилхолина к фосфатидилэтаноламину, ΣЛОФЛ/ΣТОФЛ - отношение легкоокисляемых фракций к трудноокисляемым фракциям фосфолипидов Таблица 2. Гетерогенность изменения состава фосфолипидов печени неполовозрелых и перезимовавших полевок-экономок со среднезагрязненного участка в зоне аварии на ЧАЭС (данные осени 1987 г.) Примечание: n - число повторностей (дорожек). Различия достоверны между сравниваемыми группами при P≤0.05-*; P≤0.01-**, P≤0.001-***.

Об авторах

Алевтина Григорьевна Кудяшева

Институт биологии Федерального исследовательского центра Коми научного центра Уральского отделения РАН

Email: kud@ib.komisc.ru
доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории радиоэкологии животных г. Сыктывкар

Список литературы

Дополнительные файлы