Вплив кадмію на показники азотного і вуглеводного обміну в організмі щурів різного віку

Інтенсивність азотного обміну має виражену вікову залежність і визначається насамперед фізіологічним станом організму та нейрогуморальними факторами (Oldam J. D., 1983). Метаболізм амінокислот залежить від ряду факторів як ендогенних (вік, нейрогуморальний статус, функціонування ферментних систем), так і екзогенних (екологічна ситуація, раціон та ін) (Западнюк В.И. и др., 1982). Вивчення закономірностей обміну амінокислот на певному етапі онтогенезу є необхідною умовою для правильного вибору діагностичних і терапевтичних заходів щодо усунення патологічних процесів, характерних для певного вікового періоду. Дослідження пулу вільних амінокислот у крові є відображенням інтенсивності обміну білків та амінокислот, а також їх змін під впливом різних факторів, зокрема сполук важких металів.

У крові щурів усіх дослідних груп виявлено 18 амінокислот: аланін, аргінін, аспарагінова кислота, валін, гістидин, гліцин, глутамінова кислота, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, пролін, серин, тирозин, треонін, триптофан, фенілаланін, цистин.

В результаті проведених досліджень, які наведені в табл.1, виявлено відмінності в кількісному складі вільних амінокислот у крові щурів як залежно від віку, так і за умов уведення кадмію сульфату.

Порівняльний аналіз концентрації вільних амінокислот у крові щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку свідчить про поступове зменшення з віком метаболічного пулу вільних амінокислот. Так, у крові тварин 3-місячного віку відмічено найвищу концентрацію вільних амінокислот, яка становить 330,25 мкг/мл.

Такий характер кількісних змін амінокислотного складу крові у щурів 6 - та 18-місячного віку, можливо, пов'язаний з підвищеною деструкцією білкових молекул за умов посилення катаболізму, пригніченням інтенсивності процесів біосинтезу білка та зниженням активності ферментних систем, що беруть участь в обміні амінокислот. Результати проведених досліджень узгоджуються з даними інших авторів, які показали, що у старих тварин концентрація амінокислот знижується, а інтенсивність метаболізму амінокислот залежить від віку (Богданова Е.В., Толкачева Г.М., 1968; Agrawal H. C. et al., 1968).

Встановлено, що в крові щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку за умов уведення кадмію знижується загальна концентрація вільних амінокислот відносно відповідних показників у крові тварин інтактних груп (табл.1).

При цьому за умов уведення кадмію сульфату у крові щурів усіх вікових груп підвищується концентрація аспарагінової та глутамінової кислот, ізолейцину, лізину відносно цих показників у крові інтактних тварин. Відомо, що глутамін в організмі є резервною та транспортною формою аміаку, і підвищення його концентрації в крові, очевидно, є свідченням посилення глутамінсинтетичної функції печінки отруєних щурів (Кричевска А.А. и др., 1983).

Показано, що в умовах кадмієвої інтоксикації у крові щурів усіх досліджуваних груп знижується концентрація аланіну, аргініну, валіну, гістидину, лейцину, метіоніну, проліну, серину, тирозину, треоніну, триптофану і цистину порівняно з цими показниками у крові щурів інтактних груп.

Таблиця 1. Концентрація вільних амінокислот у крові щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку за умов отруєння кадмію сульфатом, мкг/мл (M ± m, n = 8)

Примітка. Тут і далі * Р < 0,05, результати вірогідні порівняно зі значеннями в інтактних тварин.

З вищезгаданих амінокислот за умов уведення кадмію сульфату найбільше знижується концентрація сірковмісних - метіоніну і цистину.

Виявлене зниження концентрації вільних амінокислот у крові отруєних щурів різного віку може бути пов'язане з порушенням процесів їхнього транспорту, зменшенням надходження амінокислот із кишечнику в кров, а також інтенсивним поглинанням амінокислот тканинами, насамперед печінкою (Любченко П.Н., Герасименко Л.И., 1978).

Отримані дані свідчать про вікові зміни вмісту вільних амінокислот у крові отруєних щурів під дією іонів кадмію, що, очевидно, пов'язано з різною інтенсивністю процесів синтезу та окисної деструкції білка, порушенням механізму транспорту амінокислот у клітини внаслідок деструктивного впливу кадмію на біологічні мембрани (Трахтенберг І.М., 2005; Trinchella F. et al., 2006).

Порівняльна характеристика загальної концентрації вільних амінокислот у крові щурів різного віку при введенні кадмію сульфату дозволяє стверджувати, що зниження концентрації вільних амінокислот має виражену вікову залежність і найбільшою мірою проявляється в крові отруєних щурів 3-місячного віку.

Встановлено якісний склад вільних амінокислот у печінці, нирках, легенях, серці та селезінці інтактних щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку і за умов уведення кадмію сульфату. При цьому виявлено таку ж кількість амінокислот, як і у крові, але в кількісному відношенні вони мають свої особливості. Для оцінки функціонального стану печінки за умов отруєння важкими металами застосовують численні методи біохімічних досліджень. При цьому провідна роль належить вивченню вмісту амінокислот і білкових компонентів печінки. Це обумовлено тим, що біохімічні та функціональні зміни печінки, у тому числі протеїнсинтетична функція, призводить до кількісних та якісних змін амінокислотного спектра в цьому органі (Мищенко В.П. и др., 1999).

Встановлено, що отруєння кадмієм призводить до збільшення загального вмісту вільних амінокислот у печінці щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку відносно відповідних показників у печінці інтактних тварин (табл.2).

Слід зазначити, що вміст вільних амінокислот у печінці визначається її функціональною спроможністю. Процес утилізації цих сполук у печінці відбувається найбільш активно. Очевидно, цим можна пояснити зменшення вмісту глутамату і аспартату - субстратів реакцій переамінування, які беруть участь у процесах сечовиноутворення та знешкодження аміаку.

Збільшення вмісту сірковмісних амінокислот, очевидно, пов'язано з їх участю в процесах детоксикації і може розглядатись як прояв захисної реакції гепатоцитів на введення важкого металу. Авторами робіт показано, що інгібування реакції утилізації сірковмісних амінокислот є однією з найбільш ранніх ознак порушення функціонування печінки (Chawla R. K. et al., 1990).

Таким чином, аналіз вмісту вільних амінокислот у печінці щурів за умов уведення кадмію сульфату дає змогу встановити вікові особливості токсичного впливу кадмію. Так, при отруєнні кадмієм вміст вільних амінокислот збільшується у печінці щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку на 16,6, 14,7 і 10,5% відповідно, а вміст аспарагінової і глутамінової кислот зменшується відносно цих показників у печінці щурів інтактних груп.

Таблиця 2. Вміст вільних амінокислот у печінці щурів різного віку за умов отруєння кадмію сульфатом, мкг/г (M ± m, n = 8)

Отже, найбільш виражені кількісні зміни виявлено в печінці отруєних щурів 3-місячного віку, що, очевидно, пов'язано з високою інтенсивністю азотного метаболізму в молодому організмі.

Порушення ниркової функції призводить до чисельних метаболічних розладів і, особливо, до порушень обміну білків і амінокислот. Ці зміни визначаються віком, здатністю нирок синтезувати або руйнувати певні амінокислоти, пептиди і низькомолекулярні білки, інтенсивністю екскреції та транспорту амінокислот (Fowler B. A. et al., 1993; Гордієнко В.В., 2004).

Відомо, що сполуки важких металів і кадмію, зокрема, проявляють нефротоксичний ефект, порушуючи процеси обміну і тубулярної реабсорбції в нирках, що призводить до підвищення виділення загального білка (Кухарчук О.Л. та ін., 2001; Нейко Є.М. та ін., 2003).

Враховуючи значення функціонального стану нирок та їхню роль у метаболізмі азоту, досліджено вміст вільних амінокислот у даному органі та за умов отруєння щурів кадмію сульфатом залежно від віку (табл.3). Результати проведених досліджень свідчать, що за умов отруєння кадмієм у нирках щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку збільшується загальний вміст вільних амінокислот, відносно відповідних показників у нирках щурів інтактних груп на 18,4, 13,4 і 8,9% відповідно. Найбільших змін зазнає вміст сірковмісних амінокислот - метіоніну і цистину. Вміст останніх у щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку, отруєних кадмієм, вірогідно збільшується на 61,5 і 60,9%, 56,4 і 63,9%, 34,7 і 56,5% відповідно відносно цих показників у нирках інтактних щурів.

Отже, найбільших змін зазнає організм тварин 3-місячного віку, що узгоджується з роботами інших авторів (Мельничук Д.О., Мельникова Н.М., Деркач Є.А., 2004) і, очевидно, пов'язано з високим рівнем кумуляції цього важкого металу в нирках, зокрема у корковому шарі (Uriu K. et al., 2000; Yadav N. et al., 2006).

Досліджуючи вплив кадмію сульфату на метаболічний пул вільних амінокислот у легенях щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку встановлено зменшення загального вмісту вільних амінокислот у легенях отруєних тварин відносно відповідних показників у інтактних щурів. Такий характер змін узгоджується зі зниженням концентрації вільних амінокислот у крові, внаслідок порушення процесів транспорту за умов кадмієвої інтоксикації.

Аналізуючи результати цієї серії досліджень, слід зазначити, що введення кадмію сульфату в організм щурів 3-, 6 - та 18-місячного віку призводить до змін пулу вільних амінокислот у легенях отруєних щурів. Ступінь прояву цих змін значною мірою залежить від віку тварин. Найменш виражені порушення вмісту вільних амінокислот у легенях за умов отруєння кадмієм спостерігаються в групі щурів 18-місячного віку і становлять 10,5%, тоді як у легенях тварин 3 - і 6-місячного віку - 16,1 і 13,3% відповідно, відносно цих показників у легенях щурів інтактних груп, що, можливо, пов'язано передусім із пригніченням інтенсивності метаболічних процесів.

Водночас виявлено, що молодий організм найбільш чутливий до токсичної дії кадмію порівняно з тваринами 6 - і 18-місячного віку.

Таблиця 3. Вміст вільних амінокислот у нирках щурів різного віку за умов отруєння кадмію сульфатом, мкг/г (M ± m, n = 8)

В результаті проведених досліджень показано, що при отруєнні кадмію сульфатом у серці щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку спостерігається зменшення загального вмісту вільних амінокислот відносно цих показників у серці тварин інтактних груп.

Можливо, що такий характер змін метаболічного пулу вільних амінокислот у серці отруєних щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку може бути обумовлений втратою можливості клітин міокарду акумулювати амінокислоти з плазми крові. Водночас, зменшення загального вмісту амінокислот у серці, можливо, пов'язане з активацією метаболічних процесів у серцевому м'язі у відповідь на введення токсичної речовини, а саме кадмію сульфату. При цьому молодий організм характеризується більш високою інтенсивністю метаболічних перетворень порівняно із щурами 6 - і 18-місячного віку. В результаті зменшується загальний вміст вільних амінокислот за умов отруєння кадмієм, що найбільшою мірою проявляється в серці щурів 3-місячного віку і становить 16,0%, тоді як у тварин 6 - і 18-місячного віку - 14,3 і 11,9% відповідно відносно цих показників у серці інтактних тварин.

Аналіз одержаних результатів свідчить, що отруєння кадмієм призводить до зміни метаболічного пулу вільних амінокислот у селезінці щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку. Встановлено, що за умов отруєння кадмію сульфатом зменшується загальний вміст вільних амінокислот у селезінці отруєних щурів усіх дослідних груп відносно цих показників у селезінці інтактних тварин. Встановлено, що найбільших змін при отруєнні зазнає молодий організм. Так вміст вільних амінокислот у селезінці щурів 3-місячного віку за умов отруєння кадмієм зменшується на 15,5% відносно інтактних тварин.

Відомо, що вільні амінокислоти є сполучною ланкою між обміном білків і проміжним обміном нітрогену (Bender D. A., 1975; Мельничук С.Д. та ін., 2001).

У зв'язку з цим досліджено концентрацію показників азотного обміну - аміаку, креатиніну, сечовини та загального білка в організмі щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку та за умов отруєння кадмію сульфатом (рис.1).

Одержані дані свідчать, що введення кадмію сульфату в організм щурів різного віку, призводить до зміни концентрації показників, які характеризують стан азотного обміну. Так, у крові отруєних тварин 3-, 6 - і 18-місячного віку виявлено тенденцію до зниження концентрації загального білка на фоні вірогідного підвищення концентрації аміаку в 2,1, 2,1 і 1,7 раза, сечовини - у 2,0, 1,6 і 1,2 раза та креатиніну - у 2,5, 1,6 і 1,4 раза відповідно відносно цих показників у крові тварин інтактної групи, що є свідченням посилення амонієгенезу та сечовиноутворення в тканинах, оскільки кадмій є одним із визначальних факторів, що опосередковано, в результаті низки складних метаболічних перетворень, призводить до виникнення метаболічного ацидозу (Мельничук Д.О., Любецька Т.В. та ін., 1987; Мельникова Н.М. та ін., 2004). При цьому в організмі отруєних тварин відбувається процес окисної модифікації білків, який призводить до агрегації або фрагментації білка. Такі окиснені білки є субстратом для протеолітичних ферментів, які, в свою чергу, також обумовлюють зниження у крові концентрації загального білка (Simpson J. A. et al., 1992; Levine R. L. et al., 1999). Найбільш виражені зміни концентрації показників азотного обміну відмічено в крові отруєних щурів 3-місячного віку, що можна пояснити пригніченням з віком метаболічних процесів.

Обмін амінокислот контролюють біохімічні та фізіологічні механізми, що забезпечують відносно стабільний їх рівень у крові та тканинах, а надлишок утилізується в реакціях глюконеогенезу, синтезі ацетил-КоА та утворення проміжних продуктів циклу трикарбонових кислот (Бенсон Дж. и др., 1984). Таким чином, амінокислоти в процесі тканинного обміну утворюють субстрати циклу трикарбонових кислот. Вуглеводи, що зазнають перетворення в результаті гліколізу, є джерелами пірувату і лактату.

Зважаючи на те, що в процесі онтогенезу відбуваються значні зміни окисно-відновних реакцій і, зокрема, зміни гліколізу та циклу трикарбонових кислот (Доліба М.М., Кургалюк Н.М. та ін., 1993), вивчено вікові особливості токсичного впливу кадмію на окремі ланки цих метаболічних шляхів, як одних із найважливіших у процесах біологічного окиснення і генерації макроергічних зв'язків.

За результатами проведених досліджень встановлено, що отруєння щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку кадмію сульфатом призводить до порушення метаболізму вуглеводів і проявляється підвищенням концентрації глюкози, метаболітів гліколізу та циклу трикарбонових кислот у крові отруєних тварин (рис.2).

Досліджуючи концентрацію метаболітів гліколізу у крові отруєних щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку, встановлено вірогідне підвищення концентрації лактату на 33,7, 24,2 і 17,2%, пірувату - на 77,8, 75,0 і 73,3% відповідно відносно цих показників у крові інтактних тварин. Надлишок концентрації лактату за умов отруєння кадмієм, імовірно вказує на активацію анаеробних процесів гліколізу. Водночас, підвищена концентрація пірувату в крові отруєних щурів може свідчити, що процеси вуглеводного розщеплення гальмуються на стадії окиснення пірувату.

При дослідженні концентрації метаболітів циклу трикарбонових кислот у крові за умов уведення виявлено їхні зміни у щурів усіх вікових груп. Встановлено, що в отруєних щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку вірогідно підвищується концентрація малату на 40,2, 33,8 і 24,6%, б-кетоглутарату - на 79,4, 63,3 і 50,0%, оксалоацетату - у 2,1, 1,9 і 1,8 раза відповідно відносно цих показників у крові щурів інтактних груп. Такий характер змін концентрації метаболітів циклу трикарбонових кислот у крові отруєних щурів, можливо, пов'язаний з пригніченням функціонування аеробного шляху розщеплення вуглеводів і, як наслідок, - зниження використання зазначених метаболітів у циклі трикарбованих кислот.

На підставі аналізу одержаних даних можна зробити висновок про відмінності інтенсивності процесів вуглеводного обміну залежно від віку тварин.

Отже, результати проведених досліджень свідчать, що з віком чутливість організму до токсичного впливу важких металів знижується. Зміна біохімічних процесів в організмі щурів на різних етапах онтогенезу лежить в основі адаптаційних реакцій організму до дії ксенобіотиків і є одним із механізмів пристосування до існування за умов отруєння кадмієм (Трахтенберг І.М., 2005). Встановлено, що в крові отруєних щурів 3-місячного віку ступінь активації гліколізу є значно вищою порівняно з відповідними показниками у крові отруєних тварин 6 - та 18-місячного віку.

Таким чином, виявлене пригнічення з віком активності гліколізу може свідчити про зниження потенціальних резервів гліколітичної системи.

Результати проведених досліджень доводять, що отруєння кадмієм призводить до зміни вмісту глюкози, метаболітів гліколізу і циклу трикарбонових кислот не тільки у крові, а й у печінці щурів 3-, 6 - та 18-місячного віку (рис.3).

Рис.3. Вміст глюкози (А) та метаболітів гліколізу (Б) і циклу трикарбонових кислот (В) у печінці щурів різного віку за умов отруєння кадмію сульфату, ммоль/кг (M ± m, n = 8).

При дослідженні вмісту метаболітів гліколізу - лактату й пірувату в печінці щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку за умов уведення кадмію, встановлено вірогідне збільшення їх вмісту в 1,5, 1,3 і 1,2 раза і 2,4, 2,0 і 1,7 раза відповідно відносно цих показників у печінці тварин інтактних груп. Збільшення вмісту лактату свідчить про активацію гліколітичних процесів анаеробного дихання за умов отруєння важкими металами й узгоджується з високим вмістом пірувату. Таким чином, активація гліколізу при отруєнні кадмієм, можливо, є пристосувальним механізмом внаслідок пригнічення споживання кисню печінкою, а також зниження активності ряду ферментів, які беруть участь у цьому процесі.

Показано, що при отруєнні кадмію сульфатом у печінці щурів усіх досліджуваних груп збільшується вміст метаболітів циклу трикарбонових кислот - б-кетоглутарату, малату, оксалоацетату. Так, вміст б-кетоглутарату в печінці отруєних щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку збільшується у 2,8, 2,3 і 1,7 раза, малату - у 2,7, 2,4 і 1,6 раза та оксалоацетату - у 2,3, 2,1 і 1,8 раза відповідно відносно цих показників у печінці інтактних щурів. Виявлено тенденцію до збільшення вмісту глюкози в печінці всіх досліджуваних щурів при отруєнні кадмію сульфатом відносно цього показника в печінці щурів інтактних груп.

За умов уведення кадмію вміст лактату та пірувату в печінці щурів 3-місячного віку є значно більшим, порівняно з відповідними показниками у тварин 6 - і 18-місячного віку при отруєнні кадмієм, що пов'язано з особливостями обмінних процесів у молодому організмі й може свідчити про зниження інтенсивності окисно-відновних процесів і накопичення недоокиснених продуктів проміжного обміну в організмі при дії кадмію сульфату.

Зміни вмісту цих метаболітів у печінці щурів 3-, 6 - і 18-місячного віку, за умов отруєння кадмієм, порівняно із цими показниками у печінці щурів інтактних груп, узгоджуються зі змінами їх концентрації в крові. При цьому аналіз одержаних результатів дозволяє стверджувати, що такий характер змін є проявом пристосувальної реакції організму тварин різного віку до токсичної дії кадмію сульфату, яка найбільшою мірою виражена у щурів 3-місячного віку.

Отже, наведені в роботі дані свідчать, що при введенні кадмію сульфату ступінь змін біохімічних показників визначається, насамперед, віком і найбільшою мірою проявляється в організмі 3-місячних тварин. Показано, що інтенсивність метаболічних процесів на різних етапах онтогенезу має виражену вікову залежність і визначає чутливість організму щодо токсичного впливу важких металів. Встановлено, що за умов отруєння кадмію сульфатом стостерігаються кількісні зміни вмісту досліджуваних показників, які можна розглядати як компенсаторну відповідь організму на дію кадмію, що призводить до розвитку метаболічного ацидозу. Таким чином, дослідження якісного та кількісного спектра вільних амінокислот, а також метаболітів азотного і вуглеводного обміну в організмі тварин різного віку, отруєних кадмію сульфатом дає можливість корекції вмісту цих показників з метою нормалізації метаболічних процесів в отруєному організмі. У свою чергу, корекція таких біохімічних показників, як вміст вільних амінокислот, метаболітів азотного і вуглеводного обміну в крові та внутрішніх органах отруєних щурів різного віку відіграють важливу роль у формуванні адаптаційних реакцій організму тварин до дії ксенобіотиків і кадмію зокрема.

ВИСНОВКИ