Биология ва тиббиёт муаммолари 2018, №2 (100) 155
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК: 576.311.347.3
ВЛИЯНИЕ ИОНОВ СОЛИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ДЫХАНИЕ И ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ МИТОХОНДРИЙ ПЕЧЕНИ КРЫС
А.С. ИЛЬЯСОВ, К.Р. ОЧИЛОВ
Бухарский государственный медицинский институт, Республика Узбекистан, г. Бухара
ОҒИР МЕТАЛЛ ТУЗЛАРИ ИОНЛАРИНИНГ КАЛАМУШ НАФАСИ ЖИГАР
МИТОХОНДРИЙЛАРИ ОКСИДЛАНИШ-ФОСФОРЛАНИШ ЖАРАЁНЛАРИГА ТАЪСИРИ
А.С. ИЛЬЯСОВ, К.Р. ОЧИЛОВ
Бухоро давлат медицина институти, Ўзбекистон Республикаси, Бухоро шаҳри
THE INFLUENCE OF IONS OF SALTS OF HEAVY METALS ON RESPIRATION AND
OXIDATIVE PHOSPHORYLATION OF MITOCHONDRIA OF RAT LIVER
A.S. IL'YASOV, K.R. OCHILOV
Bukhara State Medical Institute, Republic of Uzbekistan, Bukhara
Тажрибада (in vitro) оғир металлар Co
2
+ ва Cd
2
+ ҳужайра нафас олиши ва митохондриядаги
оксидлангиш – фосфорлаш (ОФ) жараёнларига таъсир кўрсатади. Co2+ ионлари ОФ жараёнидан
ташқари V
3
и V
4
, ҳолатда митохондрия нафас олишини ингибациялайди. Cd
2
+ нинг митохондриялар
нафас олиши ва ОФ жараёнларига таъсири Co2+ га нисбатан фарқ қилиб, Cd
2
+ кичик
концентрацияларда ҳужайра митохондрияси нафас олишини яқхшиласа, юқори концентрацияларда –
ингибациялайди.
Калит сўзлар:
оғир металл ионлари, оксидланиш-фосфорланиш, митохондрия, гепатоцитлар.
In experiments in vitro it is established, that heavy metals Co
2
+ and Cd
2
+ effectively influence breath
and system of mitochondriosome. Ions Co
2
+ inhibits breath mitochondriosome in conditions V
3
and V
4
, sepa-
rating oxidizing phosphorylation (OPh). Effect Cd
2
+ on breath and OPh mitochondriosome differs from action
Co
2
+ and other heavy metals. Thus, Cd
2
+ in low concentration increases breath mitochondriosome, in high
concentration inhibits it. The results received in the present work expand traditional representations about var-
ious mechanisms of action of heavy metals on a biopower metabolism of a cell.
Key words:
Ions heavy metals, oxidative phosphorylation, mitochondrios, hepatices.
Актуальность.
Соли тяжелых металлов
присутствуют в окружающей среде и являются
причиной многих хронических заболеваний чело-
века и животных [1]. В основе токсического дей-
ствия тяжелых металлов на живой организм ле-
жит повреждение клеток и их органелл, сопро-
вождающееся их функциональными, либо струк-
турно-функциональными изменениями. Среди
тяжелых металлов опасными для жизни и здоро-
вья являются кадмий, кобальт, свинец, цинк,
алюминий, хром и др.
Кадмий способен оказывать мутагенный и
тератогенный эффекты на организм, которые
приводят к незначительным разрушениям клеточ-
ного аппарата плаценты и эмбриональных тканей
на ранних этапах органогенеза [2].
Увеличение гепатосоматического индекса и
наличие выраженных некротических изменений в
печени, является основным проявлением влияния
высоких доз кадмия [3]. В труде [4] было дано
объяснение, что гепатотоксическое действие кад-
мия, приводит к формированию значительных
изменений в биохимических показателях крови
человека. В условиях хронического отравления,
кадмий приносит к деструкции печени и повре-
ждению почек, так как обладает выраженным ге-
патоксическим и нефротоксическим действием
[5].
Токсического действия кадмия, приводя к
развитию митохондриальной дисфункции. Рост
ишемических явлений, возникающих из-за по-
вреждения эндотелиальных клеток сосудов пече-
ни, приводящих к формированию гепатоцеллю-
лярной травмы [6]. В экспериментальном иссле-
довании [7], было установлено, что наибольшей
чувствительностью к токсическому влиянию кад-
мия обладают митохондрии и эндоплазматиче-
ская сеть гепатоцитов.
Хроническое воздействие ксенобиотика
приводит к формированию структурных измене-
ний в клетках печеночной ткани, что проявляется
в виде набухания и изменения формы митохон-
дрий, а также в появлении признаков их биоде-
градации. Токсическое действие кадмия способ-
ствует развитию тотальной гидропической дис-
трофии гепатоцитов, местами переходящей в бал-
Влияние ионов соли тяжелых металлов на дыхание и окислительное фосфорилирование …
156 2018, №2 (100) Проблемы биологии и медицины
лонную дистрофию. При острой интоксикации
солями кобальта обнаружено: лейкоцитоз, эрит-
роцитоз, повышение концентрации гемоглобина в
крови; при хронической: лейкопения, эритроци-
тоз, повышение концентрации гемоглобина. При
интоксикации солями металлов выявлено разру-
шение мембран эритроцитов крыс [8].
В связи с вышеизложенным становится ак-
туальным изучение конкретных механизмов вли-
яния ионов тяжелых металлов на энергопреобра-
зующие функции биомембран. В настоящей рабо-
те изучены влияния солей тяжелых металлов –
хлористого кобальта и хлористого кадмия на ды-
хание и окислительное фосфорилирование (ОФ)
митохондрий печени крыс в опытах in vitro.
Материалы и методы.
Митохондрии вы-
деляли из печени крыс массой 150-200 г. методом
дифференциального
центрифугирования
по
Шнайдеру в среде выделения, содержащей 250
мМ сахарозы, 10 мМ трис-хлорида, 1 мМ ЭДТА,
рН 7,4. Содержание белка митохондрий опреде-
ляли колориметрически по биуретовому методу.
Скорость дыхания митохондрий в состоя-
ниях V3 и V4 измеряли при помощи полярографа
ОН - 102 (Венгрия, Radelkis) с открытым плати-
новым электродом. Величины ДК и АДФ/О опре-
деляли по методу Чанса [5].
Исходя из того, что количество кислорода в
0,5 мл среды инкубации при 26о С составляет 250
нг - атом кислорода. В экспериментах использо-
вали среду инкубации (СИ): сахароза - 125 мМ,
KCI - 60 мМ, KH2PO4 - 2,5 мМ, сукцинат - 5 мМ,
трис-НСI - 5 мМ, рН -7,4; добавки АДФ до конеч-
ной концентрации 0,2 мМ; концентрация белка
Мх 3 мг/мл. В инкубационную среду вносили ро-
тенон, для предотвращения накопления щавеле-
воуксусной кислоты, конкурентного ингибитора
окисления сукцината.
Результаты и их обсуждения.
При изуче-
нии действия ионов кобальта на дыхание и ОФ
митохондрий в экспериментах in vitro (табл. 1),
показано, что ионы Co
2
+ ингибируют дыхание в
метаболических состояниях V
3
и V
4
. При этом
снижаются показатели дыхательного контроля
(ДК) и АДФ/О. Однако полное разобщение ОФ не
наблюдается. Достоверное ингибирование дыха-
ния и разобщения ОФ митохондрий отмечается и
при воздействии более высоких концентраций
Co
2
+ (5
10-5М - 10-4М).
Известно, что в отличие от Zn
2
+, низкие
концентрации Co
2
+ не влияют на дыхательную
цепь, тогда одной из причин угнетения дыхания и
разобщения ОФ ионами Co
2
+, возможно, является
снижение потенциала мембран в результате уве-
личения пассивной проницаемости для заряжен-
ных частиц мембран или изменение состояния
ЦсА-чувствительной поры.
По мнению профессора К.Т. Алматова и со-
авт. [9] ионы Cо
2
+ являются активаторами цито-
хром с -оксидазной и ротеноннечувствительной
НАД.Н -оксидазной системы мембран митохон-
дрий. Этими авторами показано, что повышение
активности этих ферментов зависит от концен-
трации CoCl
2
. Ионы Cо
2
+ также активируют сук-
цинатоксидазные системы дыхательной цепи ми-
тохондрий. Авторы делают вывод, что присут-
ствие ионов Cо
2
+ в среде приводит к значитель-
ным изменениям в цепи переноса электронов ми-
тохондрий [10, 11].
С.М. Коротковым и соавторами [12] выяв-
лено, что действие ионов Cd
2
+ на дыхание и ОФ
Мх является своеобразным: сравнительно низкие
концентрации стимулируют дыхание в состояни-
ях V3 и V4, при этом коэффициенты ДК и АДФ/О
незначительно снижаются.
В этих условиях высокие концентрации
этого катиона ингибируют дыхание в обоих со-
стояниях и приводят к полному разобщению ОФ
со снятием механизма ДК. В опытах in vitro нами
изучено влияние Cd
2
+ на дыхание и ОФ митохон-
дрий печени крыс (табл. 2).
Таблица 1.
Действие ионов кобальта на дыхание и окислительное фосфорилирование митохондрий печени крыс*
Условия опыта
Скорость потребления О
2
,
нг-атом О/мин. мг. белка
ДК
АДФ/О
V
3
V
4
Контроль
74,0±1,22
19,6±0,24
3,78
2,00±0,03
Co
2
+ 1
10-5М
65,8±1,82
P<0,02
19,0±0,31
P>0,05
3,46
1,85±0,05
P<0,05
Co
2
+ 2
10-5М
58,6±2,82
P<0,01
18,4±0,24
P<0,02
3,19
1,74±0,04
P<0,01
Co
2
+ 5
10-5М
52,4±3,55
P<0,01
16,4±0,81
P<0,02
3,16
1,70±0,08
P<0,03
Co
2
+ 1
10-4М
48,0±5,18
P<0,01
14,4±1,96
P<0,05
3,3
1,62±0,03
P<0,001
Примечание*. СИ: Сахароза - 125 мМ, KCI - 60 мМ, KH2PO4 - 2,5 мМ, сукцинат - 5 мМ, трис-НСI
- 5 мМ, рН - 7,4; добавки АДФ до конечной концентрации 200 мкМ, концентрация белка 3 мг/мл.
А.С. Ильясов, К.Р. Очилов
Биология ва тиббиёт муаммолари 2018, №2 (100) 157
Таблица 2.
Действие ионов кадмия на дыхание и окислительное фосфорилирование митохондрий печени крыс
(опыты in vitro)*
Условия опыта
Скорость потребления О
2
, нг-атом О/мин.мг белка ДК
АДФ/О
V
3
V
4
Контроль
70,9±0,98
18,3±0,21
3,87 2,0±0,02
Сd
2
+ 5,0
10-6 М
75,8±1,13
P<0,05
20,1±0,40
P<0,02
3,77
1,9±0,02
P<0,05
Сd
2
+ 1,0
10-5 М
83,6±2,99
P<0,01
22,5±0,80
P<0,001
3,72
1,9±0,02
P<0,05
Сd
2
+ 2,0
10-5 М
23,3±3,78
P<0,001
14,5±0,84
P<0,01
1,61
1,3±0,20
P<0,02
Сd
2
+ 2,0
10-5 М +ДТТ400мкМ
46,3±4,86
P<0,01
20,7±0,21
P<0,001
2,24
1,6±0,10
P<0,02
Сd
2
+ 7,5
10-5 М
14,0±2,92
P<0,001
14,0±0,93
P<0,01
1,00
-
Примечание*. Среда инкубации: Сахароза - 125 мМ, KCI-60 мМ, KH2PO4 - 2,5 мМ, сукцинат - 5
мМ, трис-НСI-5 мМ, рН -7,4; добавки АДФ до конечной концентрации 0,2 мМ.
Ионы Cd
2
+ в сравнительно низких концен-
трациях увеличивали показатели V
3
и V
4
, однако
при этом коэффициенты ДК и АДФ/О незначи-
тельно снизились. Добавление к суспензии мито-
хондрий Cd
2
+ до конечной концентрации 1
10-5
М также вызывало одновременную стимуляцию
дыхания в состояниях V
3
и V
4
, при этом величины
ДК и АДФ/О были чуть ниже уровня контроля.
Дальнейшее увеличение концентрации Cd
2
+ в
среде приводило к угнетению дыхания. При уве-
личением концентрации Cd
2
+ до 2
10-5 М дыха-
ние митохондрий в состоянии V3 угнеталось на
67%. Подавление дыхания наблюдалось и в со-
стоянии V4. Вследствие отмеченного угнетения
уменьшалась величина коэффициента ДК до 1,61;
АДФ/О-1,3. При концентрации Cd
2
+ 7,5
10-5 М
коэффициент ДК уменьшился до 1, т.е. происхо-
дило полное разобщение ОФ со снятием меха-
низма ДК.
В наших экспериментах дитиотреитол
(ДТТ) снимает эффект Cd
2
+ на дыхание и систему
ОФ (табл. 2). Известно, что ДТТ защищает тиоло-
вые группы митохондриальных мембран. Можно
предположить, что эффект Cd
2
+ на функцию
мембран митохондрий опосредован через тиоло-
вые группы мембран.
Механизмы действия Cd
2
+ на дыхание и
ОФ митохондрий достаточно сложны и привле-
кают многих исследователей. Еще в 80 годы было
показано, что Cd
2
+ увеличивает проницаемость
мембран митохондрий для катионов и активирует
дыхание. Более высокие концентрации Cd
2
+ ин-
гибируют дыхание в присутствии разобщителей
ОФ.
Действие Cd2+ на функции митохондрий
зависит от его концентрации. По-видимому, в
присутствии высоких концентраций ингибируют-
ся активности сукцинатдегидрогеназы, цитохром
С - оксидазы и др. ферментов, в результате чего
подавляется дыхание.
Эффект Cd
2
+ на дыхание частично снимает-
ся ионами тяжелых металлов и классическим ин-
гибитором транспорта Са2+ в Мх - рутениевым
красным [10], однако механизмы действия этих
агентов окончательно не выяснены.
Необходимо отметить, что эффекты Cd
2
+ на
дыхание и ОФ Мх отличается от влияния Co
2
+. В
более высоких концентрациях Co
2
+ полностью не
разобщает ОФ (табл. 1), в то время Cd
2
+ полно-
стью разобщает ОФ митохондрий.
Проведенными нашими исследованиями в
настоящей работе установлено, что ионы Со2+ и
Сd
2
+ разобщают ОФ. Однако, механизмы разоб-
щения ОФ тяжелыми металлами окончательно не
установлены. К настоящему времени установлены
механизмы действия разобщителей ОФ. Все ме-
ханизмы и постулаты действия разобщителей ОФ
полагают, что они облегчают переход протонов
(Н+) или других заряженных частиц непосред-
ственно через мембрану митохондрий.
Двигателем же процесса образования АТФ
из АДФ и неорганического фосфата как раз и яв-
ляется градиент протонов по обе стороны мем-
браны Мх, не проницаемой для Н+, поддержива-
емый реакциями биологического окисления. Од-
нако, молекулы разобщителей - протонофоров
могут связать Н+, а ионофоры какой-либо катион
и переносить их через внутреннюю мембрану, в
результате чего наблюдается снижение МП мем-
бран и разобщение ОФ.
Возможно, в наших экспериментах ионы
тяжелых металлов взаимодействуют с мембрана-
ми митохондрий и индуцируют пассивную их
проницаемость. В результате чего наблюдается
снижение мембранного потенциала и разобщение
ОФ митохондрий.
Влияние ионов соли тяжелых металлов на дыхание и окислительное фосфорилирование …
158 2018, №2 (100) Проблемы биологии и медицины
Таким образом, в экспериментах in vitro
установлено, что исследуемые нами тяжелые ме-
таллы Co
2
+ и Cd
2
+ эффективно влияют на дыха-
ние и систему ОФ митохондрий. Ионы Co
2
+ ин-
гибируют дыхание митохондрий в состояниях V
3
и V
4
, разобщая ОФ. Эффект Cd
2
+ на дыхание и
ОФ митохондрий отличается от действия Co
2
+ и
других тяжелых металлов.
При этом, Cd
2
+ в низких концентрациях
увеличивает дыхание митохондрий, в высоких
концентрациях ингибирует его. Полученные в
настоящей работе результаты расширяют тради-
ционные представления о различных механизмах
действия тяжелых металлов на биоэнергетиче-
ский метаболизм клетки.
Литература:
1.
Алматов К.Т., Саидходжаев Г.М., Клемешева
Л.С., Иргашев М.С. Защитное действие кобальта
при инактивации сукцинатоксидазы и НАД.Н-
оксидазы дыхательной цепи митохондрий фосфо-
липазой А2 // Узб.биол.журн. – Ташкент, 1998. №
2. – С. 32-35.
2.
Гутникова, А.Р. Возможность восстановле-
ния структуры печени при интоксикации солями
тяжелых металлов / А.Р. Гутникова, И.М. Байбе-
ков, Д.Д. Ашурова, Б.А. Саидханов, К.О. Махму-
дов // Медицина труда и промышленная экология,
—2012. — № 6. – С. 32—35.
3.
Ибрагимова К.М., Алматов К.Т. Действие
ионов кобальта на дыхательной функции мито-
хондрий // Наука, образование, техника. Между-
народный научный журнал. – Министерство обра-
зования и культуры Кыргызской Республики,
2003. – № 1-2. – С. 104-109.
4.
Орипов Ф. С., Дехканов Т. Д., Блинова С. А.
Функциональная морфология апудоцитов тощей
кишки кроликов при антенатальном воздействии
пестицидом //Здоровье, демография, экология
финно-угорских народов. – 2015. – №. 4. – С. 41-
42.
5.
Орипов Ф. С. Адренергические нервные
структуры тощей кишки крольчат в раннем пост-
натальном онтогенезе //Морфология. – 2008. – Т.
133. – №. 2. – С. 100a-100a.
6.
Хантурина Г.Р. Сравнительное действие со-
лей кобальта на баланс белков и жидкости в орга-
низме крыс [Текст] // Современные наукоемкие
технологии: Мат. межд. конф. (Египет, 2011) //
Между народный журнал приклад. И фундамент.
исследований.- 2011.- №5.- С. 61-62.
7.
Adams, S.V. Cadmium exposure and cancer
mortality in the Third National Health and Nutrition
Examination Survey cohort // S.V. Adams, M.N.
Passarelli, P.A. Newcomb // Occupational and Envi-
ronmental Medicine. — 2012. — Vol. 69. — № 2. –
Р. 153—156.
8.
Chen, K.L. Mercuric compounds induce pancre-
atic islets dysfunction and apoptosis in vivo / K.L.
Chen, S.H. Liu, C.C. Su // International Journal of
Molecular Sciences. — 2012. — Vol. 13. — № 10. –
P.12349—12366.
9.
Chen, K.L. Mercuric compounds induce pancre-
atic islets dysfunction and apoptosis in vivo / K.L.
Chen, S.H. Liu, C.C. Su // International Journal of
Molecular Sciences. — 2012. — Vol. 13. — № 10. –
P.12349—12366.
10.
Hodgson E., Levi P.E. Pesticides: An important
but underused model for the environmental health
sciences // Environ. Health Persp. – 1996. – Vol. 104.
– № 1. – P. 97-106.
11.
Mazzei, V. Bioaccumulation of cadmium and
lead and its effects on hepatopancreas morphology in
three terrestrial isopod crustacean species / V.
Mazzei, G. Longo, M.V. Brundo, F. Sinatra, C. Co-
pat, C.G. Oliveri, M. Ferrante // Ecotoxicology and
Environmental Safety. — 2014. — Vol. 30. № 110. –
Р. 269—279.
12.
Blum J. L. Short-term inhalation of cadmium
oxide nanoparticles alters pulmonary dynamics asso-
ciated with lung injury, inflammation, and repair in a
mouse model / J.L. Blum, L.K. Rosenblum, G.
Grunig, M.B. Beasley, J.Q. Xiong // Inhalation Toxi-
cology. — 2014. — Vol. 26. — № 1. – Р. 48—58.
ВЛИЯНИЕ ИОНОВ СОЛИ ТЯЖЕЛЫХ
МЕТАЛЛОВ НА ДЫХАНИЕ И
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ МИТОХОНДРИЙ
ПЕЧЕНИ КРЫС
А.С. ИЛЬЯСОВ, К.Р. ОЧИЛОВ
Бухарский государственный медицинский
институт, Республика Узбекистан, г. Бухара
В экспериментах in vitro установлено, что
тяжелые металлы Co2+ и Cd2+ эффективно влия-
ют на дыхание и систему ОФ митохондрий. Ионы
Co2+ ингибируют дыхание митохондрий в состо-
яниях V3 и V4, разобщая ОФ. Эффект Cd2+ на
дыхание и ОФ митохондрий отличается от дей-
ствия Co2+ и других тяжелых металлов. При
этом, Cd2+ в низких концентрациях увеличивает
дыхание митохондрий, в высоких концентрациях
ингибирует его. Полученные в настоящей работе
результаты расширяют традиционные представ-
ления о различных механизмах действия тяжелых
металлов на биоэнергетический метаболизм клет-
ки.
Ключевые слова:
ионы тяжелых металлов,
окисление-фосфорилирование,
митохондрия,
гепатоциты.
