LIETUVOS SVEIKATOS MOKSLŲ UNIVERSITETAS VETERINARIJOS AKADEMIJA
Veterinarijos fakultetas
Kristina Liekytė
Aliuminio ir seleno jonų poveikis katalazės aktyvumui
pelių organuose.
An influence of aluminium and selenium ions on activity of
calalase in the mice organs.
Veterinarinės medicinos vientisųjų studijų MAGISTRO BAIGIAMASIS DARBAS
Darbo vadovas: dr. Prof. Judita Žymantienė
2 DARBAS ATLIKTAS ANATOMIJOS IR FIZIOLOGIJOS KATEDROJE
PATVIRTINIMAS APIE ATLIKTO DARBO SAVARANKIŠKUMĄ
Patvirtinu, kad įteikiamas magistro baigiamasis darbas „ Aliuminio ir seleno jonų poveikis katalazės aktyvumui pelių organuose“.
1. Yra atliktas mano paties/pačios;
2. Nebuvo naudotas kitame universitete Lietuvoje ir užsienyje;
3. Nenaudojau šaltinių, kurie nėra nurodyti darbe, ir pateikiu visą panaudotos literatūros sąrašą.
2015-01-15 Kristina Liekytė
(data) (autoriaus vardas, pavardė) (parašas)
PATVIRTINIMAS APIE ATSAKOMYBĘ UŽ LIETUVIŲ KALBOS TAISYKLINGUMĄ ATLIKTAME DARBE
Patvirtinu lietuvių kalbos taisyklingumą atliktame darbe.
2015-01-15 Kristina Liekytė
(data) (autoriaus vardas, pavardė) (parašas)
MAGISTRO BAIGIAMOJO DARBO VADOVO IŠVADOS DĖL DARBO GYNIMO
2015-01-15 Judita Žymantienė
(data) (darbo vadovo vardas, pavardė) (parašas)
MAGISTRO BAIGIAMASIS DARBAS APROBUOTAS KATEDROJE/KLINIKOJE
2015-01-15 Judita Žymantienė
(aprobacijos data) (katedros/klinikos vedėjo/jos vardas, pavardė)
(parašas)
Magistro baigiamojo darbo recenzentas
(vardas, pavardė) (parašas)
Magistro baigiamųjų darbų gynimo komisijos įvertinimas:
(data) (gynimo komisijos sekretorės (-riaus) vardas, pavardė) (parašas)
Magistro baigiamasis darbas yra įdėtas į ETD IS
3 TURINYS SANTRAUKA ... 5 SUMMARY ... 6 SANTRUMPOS ... 7 ĮVADAS ... 8
DARBO TIKSLAS IR UŽDAVINIAI... 10
1. LITERATŪROS APŽVALGA ... 11
1.1. Oksidacinis stresas ir jo biologinis vaidmuo ... 11
1.2. Aktyviosios deguonies formos, jų susidarymo šaltiniai ir vaidmuo ląstelėje ... 12
1.3. Antioksidacinė ląstelės sistema ir jos komponentai ... 15
1.3.1.Antioksidacinio poveikio mechanizmai ... 18
1.4. Katalazė ... 19
1.4.1. Katalazės struktūra ... 19
1.4.2. Katalazės katalizuojamos fermentinės reakcijos mechanizmas ... 20
1.4.3. Katalazės vaidmuo ląstelėse ... 21
1.4.4. Katalazės reikšmė klinikinėje biochemijoje ... 22
1.5. Organizmui būtini ir toksiški metalai, jų poveikis organizmui ... 23
1.5.1. Aliuminis ... 27
1.5.2. Selenas ir jo biologinė svarba... 30
2. TYRIMO MEDŽIAGA IR METODAI ... 32
2.1. Vidutinės LD50 dozės nustatymas ... 32
2.2. Audinių homogenato paruošimas ... 33
2.3. Katalazės aktyvumo nustatytmas ... 33
2.4. Eksperimentuose naudoti reagentai ... 34
2.5. Statistinė analizė ... 34
3. REZULTATAI ... 35
3.1. Aiuminio ir /arba seleno jonų poveikis katalazės aktyvumui pelių smegenyse po vienkartinės dozės injekcijos ... 35
3.2. Aiuminio ir/arba seleno jonų poveikis katalazės aktyvumui pelių smegenyse po daugkartinės dozės (14 dienų) injekcijos ... 36
3.2.1. Aliuminio jonų poveikis katalazės aktyvumui pelių smegenyse po 14 dienų aliuminio chlorido tirpalų injekcijos... 36
3.2.2. Seleno jonų poveikis katalazės aktyvumui pelių smegenyse po 14 dienų natrio selenito tirpalo injekcijos ... 37
3.2.3. Aliuminio ir seleno jonų poveikis katalazės aktyvumui pelių smegenyse po 14 dienų natrio selenito ir aliuminio chlorido tirpalų injekcijų... 38
3.3. Aiuminio ir/arba seleno jonų poveikis katalazės aktyvumui pelių kepenyse po daugkartinės dozės (14 dienų) injekcijos ... 39
3.3.1. Aliuminio jonų poveikis katalazės aktyvumui pelių kepenyse po 14 dienų aliuminio chlorido tirpalų injekcijos... 39
3.3.2. Seleno jonų poveikis katalazės aktyvumui pelių kepenyse po 14 dienų natrio selenito tirpalo injekcijos ... 40
3.3.3. Aliuminio ir seleno jonų poveikis katalazės aktyvumui pelių kepenyse po 14 dienų natrio selenito ir aliuminio chlorido tirpalų injekcijų... 41
3.4. Sumariniai rezultatai, apibūdinantys aliuminio ir seleno jonų poveikį katalazės aktyvumui pelių smegenyse ir kepenyse po 14 dienų natrio selenito ir aliuminio chlorido tirpalų injekcijų ... 42
4
4. REZULTATŲ APTARIMAS ... 44
5. IŠVADOS ... 48
5. LITERATŪROS SĄRAŠAS ... 49
5 SANTRAUKA
Kristinos Liekytės magistro baigiamasis darbas „Aliuminio ir seleno jonų poveikis katalazės aktyvumui pelių organuose”; mokslinė vadovė prof. dr. Judita Žymantienė. Konsultantė prof. dr. Ilona Sadauskienė; Lietuvos sveikatos mokslų universiteto, Medicinos akademijos, Neuromokslų instituto, Molekulinės neurobiologijos laboratorija – Kaunas. Baigiamojo darbo apimtis 57 lapai, 3 lentelės, 11 paveikslų, naudoti 76 literaturos šaltiniai, pridėti 2 priedai.
Atlikto darbo tikslas įvertinti apsauginį seleno jonų poveikį organizmo ląstelių homeostazės palaikymui, esant toksiniam aliuminio jonų veikimui pelių organuose – smegenyse ir kepenyse. Šiam tikslui įgyvendinti buvo iškelti uždaviniai: Nustatyti katalazės aktyvumą pelių smegenyse ir kepenyse po ūmaus vienkartinio (24 val.) ir po kartotinio (14 dienų) aliuminio ir seleno jonų poveikio.
Įvertinti ūmų vienkartinį (24 val.) ir ilgalaikį aliuminio jonų poveikį katalazės aktyvumui pelių smegenyse ir kepenyse. Įvertinti seleno jonų gebą apsaugoti smegenų ir kepenų antioksidacinę sistemą esant toksiniam aliuminio jonų poveikiui.
Eksperimentams atlikti naudotos BALB/c laboratorinės pelės. Bendras pelių skaičius (N) – 58. Metalų druskų tirpalai sušvirkšti į gyvūnų pilvo ertmę. Kontrolinės grupės pelėms sušvirkštas atitinkamas fiziologinio tirpalo tūris. Katalazės aktyvumo nustatymas atliekamas spektrofotometriškai esant 410 nm bangos ilgiui su 4,5 % amonio molibdato tirpalu. Duomenų patikimumas vertintas pagal Stjudento t-testą.
Tyrimo rezultatai parodė, kad AlCl3 ir Na2SeO3 junginių skirtingos dozės turėjo įtakos fermento katalazės aktyvumo kitimui pelės modelyje. Aliuminio jonai, po vienkartinio jų sušvirkštimo į pelių pilvo ertmę, praėjus 24 valandoms neturėjo įtakos katalazės aktyvumui, po 14 dienų kasdieninių aliuminio junginio injekcijų į pilvo ertmę fermento aktyvumas pakito ir smegenų, ir kepenų ląstelėse, lyginant su kontroline grupe. Katalazės aktyvumas pelių smegenyse, priklausomai nuo dozės padidėjo nuo 25 proc. Iki 40 proc. ( p<0,001), o kepenų ląstelėse sumažėjo iki 22 proc. (p>0,05).
Na2SeO3 junginio įšvirkštimas į pilvo ertmę po 14 dienų katalazės aktyvumui pelių smegenyse įtakos neturėjo, o kepenų ląstelėse fermento aktyvumas padidėjo 22 proc. (p<0,01), lyginant su kontrole. Seleno jonai stabilizavo katalazės aktyvumą ir smegenų, ir kepenų ląstelėse bei apsaugojo nuo toksinio aliuminio jonų poveikio.
6 SUMMARY
Kristina‘s Liekyte‘s master thesis on „An influence of aluminium and selenium ions on activity of catalase in mice organs” scientific supervisor prof. dr. Judita Zymantiene. Consultant prof. dr. Ilona Sadauskienė Laboratory of Molecular Neurobiology, Neuroscience Institute, Medical Academy, Lithuanian University of Health Sciences – Kaunas. Volume of work 57 pages, 3 tables, 11 images, number of used sources of literature 76, additional documents 2.
The aim of work is to evaluate protective effects of selenium ions support of organism cell homeostasis, with the presence of toxic aluminium ion effect on mice organs – brain and liver. Particular goals were raised to achieve comprehensive results: Determine the activity of catalase in mice brain after acute, single (24h) and repetitive (14 d) aluminuim and selenium injections. Determine acute single (24h) and long term aluminium ion effect on catalase activity in mice brain and liver. Estimate selenium ion capablilties to protect brain and liver antioxidant system while under toxic effect of aluminium ion.
To complete the experiment BALB/c lab-mice were used. The total number of mice -58. Metal saline solutions were injected into animals abdominal cavity. The mice in control group received saline solution injections. Catalase activity was determined spectrofotometrically (yellow complex of molybdate and hydrogen peroxide was measured at 410 nm). Results were valuated by Sjudento t-test.
Resutls have showed that different doses of AlCl3 and Na2SeO3 compunds had effects on catalase enzyme activity and variation in mouse model. Aluminium ions, after being injected once into mice abdominal cavity, had no influence on catalase activity, after 14d. daily injections of aluminium componds in to the abdominal cavity, enzyme activity have changed, in both brain and liver cells. Comparing to control group, the activity of catalase in brain have increased, (depending on the dosage) from 25% to 40% (p < 0.001), and in liver cells have decreased to 22% (p > 0.05).
The injection of Na2SeO3 into abdominal cavity after 14 days had no profound effect on catalase activity in mice brain, but the acticity of liver cells enzymes have increased by 22% (p < 0.01), if controlled to control group. Slenium ions have stabilized catalase avtivity in brain and liver cells, and shielded them from the toxic effects of aluminium ions.
7 SANTRUMPOS
ADF aktyvi deguonies forma B-S buferio-substrato mišinys CAT katalazė
E –P elektronų perdavimas
ER endoplazminė retikulinė sistema GPX glutationo peroksidazė,
GR glutationo reduktazė,
GRX glutaredoksinas (redukuotas), GRXo glutaredoksinas (oksiduotas), GSHr redukuotas glutationas
GSSG oksiduotas glutationas H+AP vandenilio atomo perdavimas
HF viršutinis centrifugato sluoksnis (supernatantas) LD50 vidutinė mirtina dozė
Mito-ETC mitochondrijų elektronų transporto grandinė MT metalotioneinas
NOX NADPH oksidazių kompleksas PMSF fenilmetilsulfonilflouridas ROOH organinis hidroperoksidas SM sunkieji metalai
SOD superoksiddismutazė
TRXo tioredoksinas (oksiduotas) TRXr tioredoksinas (redukuotas) XO ksantinooksidazė
8 ĮVADAS
Neurodegeneracinės ligos – tai lėtinės ligos, pažeidžiančios priekinius smegenų pamato branduolius bei smegenų žievę, sukeliančios ryškią smegenų cholinerginę disfunkciją ir pasireiškiančios atminties, kalbos, suvokimo, elgsenos sutrikimais (Valko, 2013). Alzheimerio liga, Parkinsono liga, Huntingtono liga ir kt. gali turėti panašius ląstelinius ir molekulinius išsivystymo mechanizmus, kuriuos svarbu nustatyti siekiant sumažinti šių ligų rizikos veiksnius bei norint sėkmingai jas gydyti. Centrinė nervų sistema yra ypatingai jautri oksidaciniam stresui, nes neuronų ląstelių membranos lipidų sudėtyje yra didelis kiekis polinesočiųjų riebalų rūgščių, kurios yra pagrindinis laisvųjų radikalų „taikinys“. Nerviniame audinyje yra žemas antioksidacinės sistemos fermentų katalazės bei superoksido dismutazės aktyvumai. Cerebrospinaliniame skystyje yra labai maža albumino, galinčio veikti kaip antioksidantas, koncentracija, į nervinį audinį taip pat labai menkai patenka vitaminas E. Kita smegenų jautrumą oksidaciniam stresui lemianti priežastis yra kai kuriose smegenų srityse esantys santykinai dideli geležies, dalyvaujančios susidarant hidroksilo radikalui, kiekiai. Nerviniame audinyje aktyviai vykstant neurotransmitorių autooksidacijai, jų katabolizmą vykdo fermentai išskiriantys vandenilio peroksidą.
Gyvame organizme metalų jonai pasižymi pleiotropiniu veikimu. Jie gali aktyvinti laisvųjų radikalų susidarymą, t.y. veikti kaip prooksidantai, slopindami fermentų aktyvumą, arba slopinti laisvųjų radikalų susidarymą, t.y. veikti kaip antioksidantai, ir aktyvinti fermentus. Toks priešingas jų veikimas priklauso nuo dozės ir veikimo trukmės. Žinoma, kad sunkiųjų metalų poveikyje ląstelėse susidarantys laisvieji radikalai yra svarbūs paveldimų ligų ir senėjimo procesuose. Todėl tyrimai, susiję su sunkiaisiais metalais ląstelėse sukeliamu oksidaciniu stresu bei antioksidacine sistema yra labai svarbūs ir kelia vis didesnį susidomėjimą.
Toksiškų metalų gausu aplinkoje. Žmonėms ir gyvūnams toksinis poveikis pasireiškia dėl sąlyčio su pramoniniais ir buitiniais toksinais, tokiais kaip anglies dūmai, išmetamosios dujos, sąvartynai, cheminės medžiagos, cheminės trąšos, pesticidai, herbicidai, fungicidai, namų dulkės ir tai tik keletas pavyzdžių (David, 2009). Dar visai neseniai, aliuminis buvo laikomas nekenksmingas žmogaus organizmui, nes jis yra lengvai pašalinamas per šlapimą. Tačiau pastarųjų metų tyrimai parodė, kad aliuminis gali būti daugelio žmonių, gyvūnų ir augalų ligų priežastis (Barabasz et al., 2001). Aliuminis buvo apibūdintas kaip protoplazminis nuodas bei neurotoksinas, sukeliantis degeneracinius nervų sistemos pokyčius (David, 2009).
9 Siekiant giliau išsiaiškinti, kokius patologinius procesus sukelia minėtos ligos ir nustatyti ligų vystymosi mechanizmo ypatumus, mėginama ieškoti įvairių metodų ir siekiama sukurti laboratorinio gyvūno modelį neurodegerecinių ligų tyrimui.
Darbo naujumas. Šis darbas tai įnašas į integruotą biologinę intoksikavimo metalais sampratą, pagilinantis žinias apie Al poveikį organizmui mechanizmus bei padarinius, o tai neabejotinai svarbu klinikiniu požiūriu. Gauti rezultatai pagilins žinias apie ūmaus Al poveikio ir Se kaip antioksidanto poveikį kepenų baltymų sintezės sistemai ir smegenų veiklai.
Dalis tyrimų rezultatų buvo pristatyti Lietuvos neuromokslų asociacijos konferencijoje (I. Sadauskienė, K. Liekytė, I. Stanevičienė, A. Liekis, L. Ivanov. Catalase activity in mice brain: the effects of selenium and aliuminium ions. 6th Lithuanian Neuroscience Conference: 5 December, 2014; Hotel Panorama). Taip pat tyrimų rezultatai pristatyti tarptautinėje farmacijos konferencijoje (K. Liekytė, I. Stanevičienė, A. Liekis, L. Ivanov, I. Sadauskienė. Effects of selenium ions on catalase activity in the brain of aliuminium-treated mice. The 5th International conference on Pharmaceutical sciences and Pharmacy Practice: 22th November, 2014; Kaunas, Lithuania). (Priedas Nr. 1).
10 DARBO TIKSLAS IR UŽDAVINIAI
Darbo tikslas:
Įvertinti apsauginį seleno jonų poveikį organizmo ląstelių homeostazės palaikymui, esant toksiniam aliuminio jonų veikimui pelių organuose – smegenyse ir kepenyse.
Darbo uždaviniai:
1. Nustatyti katalazės aktyvumą pelių smegenyse ir kepenyse po ūmaus vienkartinio (24 val.) aliuminio ir seleno jonų poveikio.
2. Įvertinti ūmų vienkartinį (24 val.) ir ilgalaikį aliuminio jonų poveikį katalazės aktyvumui pelių smegenyse ir kepenyse.
3. Nustatyti katalazės aktyvumą pelių smegenyse ir kepenyse po kartotinės (14 dienų) aliuminio ir seleno jonų dozės įvedimo.
4. Įvertinti seleno jonų gebą apsaugoti smegenų ir kepenų antioksidacinę sistemą esant toksiniam aliuminio jonų poveikiui.
11 1. LITERATŪROS APŽVALGA
1.1. Oksidacinis stresas ir jo biologinis vaidmuo
Oksidacinis stresas atspindi disbalansą tarp aktyvių deguonies formų (ADF arba ROS iš angl. − reactive oxygen species) atsiradimo ir ląstelės biologinės sistemos sugebėjimo efektyviai detoksikuoti šiuos radikalus arba atstatyti atsiradusias pažaidas.
Įprastinėmis sąlygomis ląstelėje yra išlaikomas atitinkamas prooksidantų/antioksidantų balansas. Tokiu būdu ląstelės (jų makromolekulės) yra apsaugomos nuo žalingo ADF poveikio. Tačiau, dėl įvairių vidinių ir išorinių veiksnių, tokių kaip liga, nepalankios aplinkos sąlygos ir t.t., šis balansas gali pasislinkti link prooksidantų (Kohen, Nyska, 2002). Nevaldomas ADF kiekio didėjimas ląstelėje, išsekus antioksidantinės apsaugos sistemos pajėgumams, sukelia svarbiausių ląstelės struktūrų – lipidų, nukleorūgščių, baltymų (Levine, Stadtman, 2001) – oksidacinius pažeidimus. Ši būsena ir vadinama oksidaciniu stresu.
Pirmiausia oksidacinio streso metu pažeidžiamos visos ląstelių membranos. Tai surišta su tuo, kad jose yra didelė koncentracija oksidacijai jautrių fosfolipidų (Adly, 2010). Oksidacinio lipidų pažeidimo procesas vadinamas peroksidacija. Šis procesas yra sudėtingas ir daugiapakopis. Sutartinai išskiriamos trys stadijos: pradžia (initiation), sklidimas (propagation) ir baigtis (termination) (Kohen, Nyska, 2002). Peroksidacija nutraukiama, kai du peroksidacijos proceso metu susidarę laisvieji radikalai susijungia ir sudaro produktus, kurie nėra radikalai. Tai dažniausiai yra didelės „susiūtos” riebalų rūgštys ar fosfolipidai, kurie įeina į ląstelių membranų struktūrą. Tokios membranos pasižymi „nelankstumu”, praranda barjerines savybes ir galiausiai ima irti. Reikia pažymėti, kad lipidų peroksidacijos žalingas poveikis neapsiriboja membranų pažeidimu. Procesu metu atsiradę tirpūs vandenyje peroksidacijos produktai difunduoja į kitas ląstelės vietas ir inicijuoja, taip vadinamas, antrines pažaidas. Dėl to vyksta ląstelės baltymų agregacija, slopinamos fermentų funkcijos ir pažeidžiama DNR, kas, savo ruožtu, lemia mutacijas ir genų funkcijų sutrikimus (Jones, 2008).
Nukleorūgščių molekulių oksidaciniai pokyčiai gali sutrikdyti visas genų raiškos proceso stadijas: transkripciją, transliaciją, terminaciją, replikaciją bei lemti mutacijas. Dažniausiai stebimos šios oksidacinio streso sukeltos pažaidos: RNR ir DNR bazių modifikacija, grandinių trūkiai, dezoksiribozės pakitimai ir kt. Labai svarbu yra tai, kad sutrikdoma DNR reparacijos sistema (Adly, 2010). Galutinė šių pokyčiai išdava yra dvigubos DNR spiralės suardymas (Salmon, 2004).
12 Oksidacinio streso metu atsirandantys svarbiausi baltymų pažeidimai yra aminorūgščių oksidavimas, peptidinių grandinių „sukarpymas”, baltymų sąsiuvos ir kt. Redokso streso metu susidarę laisvieji radikalai lengvai oksiduoja metionino ir aromatines grupes. Baltymų -SH grupės formuoja disulfidinius -S-S- tiltelius. Toks „susiuvimas” jau pakeičia baltymo struktūrą ir tai lemia didelių neaktyvių baltymų kompleksų susidarymą (Jones, 2008). Kadangi fermentai yra baltymai, tai dėl oksidacinių pažeidimų jie praranda aktyvumą, ir todėl pakinta vidiniai ląstelės procesai.
Oksidacinis stresas, pažeisdamas ląstelės lipidus, nukleorūgštis ir baltymus, lemia ir visos eilės ligų etiologiją. Manoma, kad žmogaus organizme oksidacinis stresas yra svarbus vėžio (Halliwell, Barry, 2007), Parkinsono ir Alzhaimerio ligų (Valko, 2013), aterosklerozės ir širdies nepakankamumo, miokardo infarkto (Ramond, 2011), X sindromo (de Diego-Otero, 2009), autizmo (James, 2004), infekcijos (Pohanka, 2013), chroninio nuovargio sindromas (Gwen, 2005) ir kitų ligų vystymuisi. Tačiau, iš kitos pusės, ADF gali būti naudingos, kai reikia panaudoti imuninę sistemą, patogenų poveikiui atremti (Segal, 2005). Trumpalaikis oksidacinis stresas gali vaidinti svarbų vaidmenį senėjimo proceso prevencijoje, kai indukuojama, taip vadinama, mitohormezė (Gems, Partridge, 2008).
Chemiškai oksidacinis stresas yra susijęs su padidėjusiu oksiduojančių veiksnių (radikalų) ląstelėje atsiradimu ir žymiu antioksidacinės apsaugos veiksnių, tokių kaip pvz. glutationas, efektyvumo sumažėjimu (Schafer, Buettner, 2001). Oksidacinio streso efektyvumas labai priklauso nuo aukščiau paminėtų pokyčių lygio, nes esant nedideliems nukrypimams ląstelė gali „įveikti” smulkius sukrėtimus ir atgauti savo pradinį stovį. Tačiau sunkesnio pobūdžio oksidacinis stresas gali sukelti ląstelių žūtį. Taip, vidutinio lygio oksidacinis stresas gali sukelti apoptozę, o dar intesyvesnis stresas – nekrozę.
1.2. Aktyviosios deguonies formos, jų susidarymo šaltiniai ir vaidmuo ląstelėje
Aktyvių deguonies formų (ADF), gamyba ląstelėje yra tik dalinis oksidacinio streso destrukcinis aspektas. Kai kurie mažiau reaktyvūs radikalai (pvz. superoksidas) oksidacinių-redukcinių reakcijų, kuriose dalyvauja metalai ar kiti redokso reakcijas stimuliuojantys komponentai, pagalba gali pavirsti į daug agresyvesnes radikalų rūšis, kurios sukelia didelius ląstelės pažeidimus (Valko, 2005).
13 lentelė. Pagrindinės aktyviosios deguonies (ADF) formos
Oksidantas Aprašymas
1
O2, singulentinis
molekulinis deguonis
Gaunamas, sužadinus O2 elektromagnetinėmis bangomis. Joms laikinai pakeitus vieno iš nesuporuotų elektronų sukinį, jis tampa priešingas kito elektrono sukiniui. Todėl 1
O2 yra geras dvielektronis oksidantas daugeliui biomolekulių, kurios turi elektronų poras. Singuletinis deguonis labai nestabilus.
O2.- - superoksido anijono radikalas
Susidaro, prijungiant vieną elektroną prie deguonies molekulės. Dažniausiai O2•- susidaro elektronų pernašos grandinėse – kvėpavimo ir mikrosominėje, nukrypus elektronams nuo grandinės tarpinių komponentų deguonies link. Fermentinė sistema, formuojanti O2•-, yra oksidazių kompleksas (NADPH, ksantino oksidazės, lipooksigenazė). Superoksido radikalas yra oksidantas, jis gali oksiduoti įvairius junginius (pvz., adrenaliną, askorbo rūgštį), tačiau tuo pačiu turi neryškių redukcinių savybių. Superoksido radikalas reaguoja su baltymais, turinčiais prostetines pereinamųjų metalų grupes – hemus ar FeS sankaupas, todėl gali būti pažeista tokių baltymų biologinė funkcija (pvz., fermentų aktyvumas).
H2O2, vandenilioperoksidas Žmogaus organizme H2O2 susidaro fagocituojančiose ląstelėse, mitochondrijose ir mikrosomose. Tai ne radikalas, tačiau aktyvus deguonies junginys, dalyvaujantis susidarant kitiems radikalams. H2O2 ląstelėje gali susidaryti iš superoksido radikalo minėtos dismutacijos reakcijos metu, taip pat reaguojant hidroksilo jonui ir hidroksilo radikalui su deguonimi. Šis junginys neturi krūvio, bet yra polinis, todėl laisvai keliauja vandeninėje aplinkoje. H2O2 pasižymi silpnomis oksidacinėmis savybėmis, pažeisdamas biologines molekules, turinčias -SH grupes ar FeS.
•OH, hidroksilo radikalas H2O2 skilimas, dalyvaujant pereinamiesiems metalams, yra pagrindinis hidroksilo radikalų susidarymo būdas (Fentono reakcija). Šis radikalas nejudrus, nes iš karto (susidarymo vietoje) reaguoja su aplinkinėmis molekulėmis, jas pažeisdamas.
14 Tai ypač stiprus oksidatorius.
•ROOH, organinis hidroperoksidas
Susiformuoja iš tokių ląstelės komponentų kaip lipidai ir nukleobazės.
HOCl, hipochlorinė rūgštis Formuojasi iš H2O2 su miloperoksidazės pagalba. Tirpus lipiduose ir yra labai reaktyvus.
ONOO-, peroksinitritas Formuojasi iš O2- ir NO.. Tirpus lipiduose ir savo reaktyvumu nenusileidžia hipochlorinei rūgščiai.
Lentelė sudaryta pagal literatūros šaltinius: (Valko M, 2007).
Reikia paminėti, kad ligi šiol nėra griežtai nustatyta, kaip skirstyti ADF susidarymo šaltinius. Vienu atveju jie gali būti skirstomi į endogeninius ir egzogeninius. Egzogeniniais šaltiniais yra UV spinduliuotė; jonizuojanti spinduliuotė, ozonas, ksenobiotikai, oksiduotas maistas. Endogeniniai šaltiniai: mitochondrijų kvėpavimo grandinė, fermentinės reakcijos, autooksidacija, uždegiminės reakcijos. Kitu atveju ADF susidarymo šaltiniai (keliai) yra skirstomi į fermentinius ir nefermentinius. Fermentiniame aktyviųjų deguonies formų susidaryme dalyvauja: membraniniai kvėpavimo grandinės fermentai, tokie kaip NADH dehidrogenazės, sukcinatdehidrogenazės, citochromoksidazės, laktatdehidrogenazės (Amstrong, 2007). Prie fermentinių ADF susidarymų yra priskiriamos ir autooksidacijos reakcijos.
Citozoliniai fermentai – tai glutationreduktazė ir citochromas P-450. ADF fermentiniame susidaryme aktyviai dalyvauja fagocitinės ląstelės, pagrindinai leukocitai ir makrofagai (Halliwell, 2006). Tai nuolatinis aktyviųjų deguonies formų susidarymo šaltinis, kurio procese dalyvauja visa eilė šių ląstelių fermentų.
Iš išorės patenkantys cheminiai teršalai (organinių junginių) taip pat skatina ADF susidarymą. Šis procesas vyksta dėl kvėpavimo ir fotosintezės grandinėse veikiančių membranų fermentų. (Seaver, Imlay, 2004).
Nefermentiniai ADF susidarymo keliai: tai keliolikos ląstelinių komponentų, pavyzdžiui, ubichinonų, katecholių, tiolių ir flavinų, autooksidacija.
Redukcinės - oksidacinės sistemos homeostazės palaikymas ląstelėje pavaizduotas paveiksle (1 pav). Pagrindinė ADF gamybos vieta ląstelėje – tai mitochondrijų elektronų transporto grandinė (Mito-ETC), endoplazminė retikulinė sistema (ER), bei NADPH oksidazių kompleksas (NOX). Superoksidas (O2-) yra pagrindinė laisvųjų radikalų rūšis. Jis gali būti verčiamas į kitus reaktyvius radikalus. Superoksidas susidaro mitochondrijose, kai prie molekulinio deguonies prisijungia elektronai, ištrūkę iš elektronų transporto grandinės. Fermentas
15 superoksidismutazė (SOD) gali akimirksniu paversti superoksidą į H2O2, o šis – į superoksido radikalus, arba katalazė gali skaidyti H2O2 į vandenį ir deguonį. Jeigu ląstelėje yra metalų jonų (pvz. Fe3+), H2O2 gali būti paverčiamas hidroksilo radikalais (HO.), kurie pasižymi labai dideliu aktyvumu ir gali pažeisti lipidus, DNR ar baltymus. Nitroksidas (NO.
) – tai reaktyvus radikalas, susidarantis iš arginino, katalizuojant nitroksido sintetazei. Nitroksido gyvavimo pusperiodis labai trumpas, reaguodamas su H2O2 jis suformuoja peroksinitritą (ONOO-), junginį, kuris gali modifikuoti baltymų struktūrą. Kad būtų išvengta nepageidaujamo laisvųjų radikalų poveikio, ląstelė reguliuoja ADF kiekį, palaikydama balansą tarp ADF susidarymo ir pašalinimo. Pagrindiniai ADF šalinantys fermentai: GPX – glutationo peroksidazė, GR – glutationo reduktazė, GRXo – glutaredoksinas (oksiduotas), GRX – glutaredoksinas (redukuotas), GSHr – glutationas (redukuotas), GSSG – glutationas (oksiduotas), TRXo – tioredoksinas (oksiduotas), TRXr – tioredoksinas (redukuotas) ir XO – ksantinooksidazė.
1 pav. Redukcinės – oksidacinės sistemos homeostazės palaikymas ląstelėje (Trachootham D, Alexandre J. et al, 2009)
1.3. Antioksidacinė ląstelės sistema ir jos komponentai
Medžiagos, neutralizuojančios kenksmingą laisvųjų radikalų poveikį, ląstelėje apsijungia į taip vadinamą antioksidacinę gynybos sistemą. Į šią sistemą įeina daug medžiagų (junginių), kurios, vadinamos antioksidantais, laisvųjų radikalų utilizatoriais. Antioksidacinė sistema užtikrinanti ląstelės apsaugą nuo oksidacinio streso, yra tokia pat įvairi, kaip ir patys radikalai. Kad padidintų savo apsauginės funkcijos efektyvumą, šie fermentai - utilizatoriai yra
16 kompartmentalizuoti atskirose ląstelės organelėse. Pvz., superoksidismutazė (SOD), katalazė (CAT) ir glutationperoksidazė randami ne tik citoplazmoje, bet ir mitochondrijose, kur atsiranda dauguma endoląstelinių laisvųjų radikalų. Nors buvo pasiektas didelis progresas supratime, kaip veikia atskiri (individualiai) antioksidacinės sistemos fermentai ir komponentai, tačiau sudėtinga vidinė ląstelės antioksidacinės sistemos sudėtis labai apsunkina supratimą apie bendrą „gynybinės“ sistemos veikimą. Be to, reikia nepamiršti, kad be vidinių (endogeninių) ląstelės antioksidantų, labai svarbų vaidmenį laisvųjų radikalų neutralizacijos procese vaidina ir ekstraląsteliniai kompartmentai. Iš tokių, kaip svarbiausius, galima paminėti: glutationą, vitaminą E, glutationperoksidazę, katalazę, superoksidismutazę, cerulioplazminą ir transferiną.
1988 m. Davies (Davies, 1988) buvo pasiūlyta antioksidacinės sistemos klasifikacijos schema, kuri skirstoma į pirminę ir antrinę. Pirminė antioksidacinės „gynybos“ sistema susideda iš: utilizuojančių fermentų (SOD, CAT ir peroksidazės); antioksidacinių vitaminų E, A ir C, glutationo ir šlapimo rūgšties. Antrinė antioksidacinė sistema apima: lipidus skaidančius fermentus – fosfolipazes; proteolitinius fermentus – proteazes ir peptidazes; DNR reparacinius fermentus; endonukleazes; egzonukleazes ir ligazes.
Tačiau pastaruoju metu labai plačiai vartojama ir kita antioksidacinės apsaugos sistemos klasifikacija pagal pagrindinius antioksidacinės apsaugos komponentus, kurią sudaro: fermentiniai antioksidantai, pereinamuosius metalų jonus surišantys baltymai ir mažos molekulinės masės antioksidantai. Fermentiniai antioksidantai: superoksidismutazė; katalazė; glutationo peroksidazė; tioredoksino reduktazė; peroksiredoksinas. Mažos molekulinės masės antioksidantai, kurie, savo ruožtu, dar skirstomi į lipofilinius ir hidrofilinius. Lipofiliniai: tokoferoliai (vitaminas E); karotenoidai; ubichinolis (kofermentas Q-10). Hidrofiliniai: askorbo rūgštis (vitaminas C); šlapimo rūgštis; glutationas. Pereinamuosius metalus (Fe2+
, Cu+) surišantys baltymai: transferinas; laktoferinas; feritinas; ceruloplazminas. Svarbiausi fermentiniai antioksidantai, kurie lemia pirmos eilės antioksidantinę apsaugą yra SOD, CAT, glutationo peroksidazė, tioredoksino reduktazė ir peroksiredoksinas (Masella, 2005). Superoksido dismutazė detoksikuoja O2•- radikalą, vieną pagrindinių prooksidantų ląstelėje, sudarydama vandenilio peroksidą ir O2. Katalazė katalizuoja H2O2 skaidymą į vandenį ir deguonį. Glutationo peroksidazės, kuri randama praktiškai visose ląstelėse, funkcija yra suskaidyti ROOH į atitinkamą alkoholį bei H2O2 paversti į vandenį. Glutationo peroksidazė kartu su kitais fermentais detoksikuoja oksidacijos pažeistas biologines molekules, baltymų ir pereinamųjų metalų chelatus (Jones, 2008).
17 Čia reikėtų paminėti ir, taip vadinamus, netiesioginius antioksidantus, kurie nesuriša laisvųjų radikalų, tačiau skatina ilgalaikį bendrą antioksidantinį pajėgumą bei didina antioksidacinių fermentų kiekį (Zuo et al., 2006). Prie netiesioginių antioksidantų priskiriami mikroelementai, tokie kaip varis, selenas, cinkas, kurie yra būtini fermentinės gynybos sistemai ir vadinami fermentinių antioksidantų kofaktoriais. Šiai grupei taip pat priskiriamos biomolekulės, inaktyvuojančios oksidacinius fermentus, pavyzdžiui, ciklooksigenazę.
Radikalai HO•, ROO•, 1
O2 ir ONOO-, kartu su O2 •- ir H2O2 yra tarp šešių pagrindinių faktorių sukeliančių oksidacinius biologinių molekulių pažeidimus (Huang, 2005). O mažos molekulinės masės antioksidantai geba priimti arba atiduoti elektronus minėtoms ADF formoms ir sudaryti stabilius, nežalingus produktus. Tai labai svarbi parama antioksidantinės sistemos veiklai. Kaip jau minėta, mažos molekulinės masės antioksidantai skirstomi į tirpius riebaluose (lipofilinius) ir tirpius vandenyje (hidrofilinius). Pagrindinis lipofilinis antioksidantas yra vitaminas E. Jis pats yra 8 izomerų mišinys (4 tokoferoliai ir 4 tokotrienoliai), iš kurių svarbiausias yra α-tokoferolis (Halliwell, 2007). Pagrindinė vitamino E funkcija – apsaugoti ląstelių membranas nuo oksidacijos. Jis labai efektyviai stabdo grandinines lipidų peroksidacijos reakcijas. Sekantis labai svarbus riebaluose tirpus antioksidantas yra ubichinolis. Tai redukuota kofermento Q-10 forma. Aptinkamas jis vidinėje mitochondrijų membranoje ir yra labai svarbus mitochondrijų kvėpavimo grandinės elektronų pernašos komponentas. Kita riebaluose tirpių antioksidantų grupė – tai karotenoidai. Svarbiausias iš jų yra β-karotenas. Karotenoidai efektyviai suriša 1
O2 (kiek mažiau – ROO•) radikalus (Jones, 2008).
Hidrofilinių antioksidantų savybė yra ta, kad jie suriša laisvuosius radikalus vandeninėje terpėje. Be abejo, svarbiausias šios grupės antioksidantas yra vitaminas C (askorbo rūgštis). Vitaminas C katalizuoja keletą fermentinių reakcijų. Askorbo rūgštis gerai žinoma kaip prolilo ir lizilo oksidazių, sintetinančių kolageną, kofaktorius. Vitaminas C pasižymi labai stipriomis antioksidantinėmis savybėmis. Jis suriša O2•-, H2O2, HO•, ROO•, 1O2 ir HOCl. Be to, vitaminas C yra svarbiausias vitamino E izomerus regeneruojantis antioksidantas. Kadangi tarpląsteliniuose skysčiuose askorbo rūgšties koncentracija yra didesnė nei glutationo, todėl jis ir yra laikomas pagrindiniu tarpląsteliniu antioksidant. Plazmoje, be vitamino C, aptinkamos didelės koncentracijos ir kitų antioksidantų. Vienas iš tokių yra šlapimo rūgštis. Tai galutinis purinų apykaitos produktas, kuris tiesiogiai suriša laisvuosius radikalus virsdamas alantoinu. Taip pat šlapimo rūgštis sudaro chelatinius junginius su pereinamaisiais metalais. Reikia pažymėti svarbią šlapimo rūgšties savybę - gebėjimas neutralizuoti O3 ir ONOO- .
18 Kiti svarbūs hidrofiliniai antioksidantai yra tiolo grupes turintys baltymai – albuminas ir glutationas. Albuminas - dominuojantis plazmos baltymas, kuris sugeba neutralizuoti ROO• radikalus. Ši albumino savybė yra svarbi, kadangi jis kraujyje perneša laisvas riebiąsias rūgštis. Dar reikia paminėti, kad albuminas yra pagrindinis plazmos antioksidantas prieš fagocitinių ląstelių produkuojamą HOCl. Glutationas svarbiausias ląstelinis tiolo grupių šaltinis. Jis neutralizuoja 1O2, O2•- ir HO• radikalus. Glutationas stabilizuoja ląstelių membranas, pašalindamas lipidų peroksidacijos produktus (Masella, 2005).
1.3.1.Antioksidacinio poveikio mechanizmai
Trumpai apibūdinant antioksidacinio poveikio mechanizmus, reikia paminėti, kad šiuo metu laikomasi nuomonės, kad ADF (bei kiti aktyvūs radikalai) yra inaktyvuojami dviem pagrindiniais mechanizmais: vandenilio atomo perdavimo (H+AP) ir elektronų perdavimo (E -P) reakcijomis. Galutinis šių reakcijų rezultatas visada yra vienodas – neutralizuotas prooksidantas. Tačiau skiriasi reakcijos kinetika ir potencialios šalutinės reakcijos (Prior, 2005). (H+
AP) ir (E- P) reakcijos dažnai vyksta vienu metu ir dominuojantis mechanizmas priklauso nuo antioksidanto struktūros ir jo savybių: tirpumo, pasiskirstymo koeficiento ir kt., bei terpės – tirpiklio tipo ir pH. Jungties disociacijos energija ir jonizacijos potencialas yra du pagrindiniai faktoriai, kurie lemia antioksidantinio poveikio mechanizmą ir antioksidantų efektyvumą. Antioksidantai prieš įvairius prooksidantus elgiasi skirtingai. Kaip pavyzdį galima paminėti karotenoidus, kurie, skirtingai nuo fenolinių junginių, mažai inaktyvuoja ROO• radikalus, tačiau yra išskirtiniai 1
O2 surišėjai. Svarbiausia, kad šiuo metu nėra vieno universalaus metodo galinčio tiksliai įvertinti (apibūdinti) tiriamuosiuose bandiniuose esančių junginių suminį antioksidantinį poveikį prieš visus in vivo aptinkamus prooksidantus ir tiksliai apibūdintų antioksidantų tarpusavio sąveikas ar jų elgesį kompleksinėse antioksidantinėse sistemose (Prior, 2005). Todėl manoma, kad suminis antioksidantinis aktyvumas yra sudėtinis parametras, kuris apima: 1) ADF (bei kitų aktyviųjų radikalų) generacijos slopinimą ir jų surišimo gebėjimą; 2) redukcinę galią; 3) pereinamųjų metalų sujungimo gebėjimą; 4) antioksidantinių fermentų aktyvavimą; 5) oksidacinių fermentų slopinimą.
Antioksidantų naudojimas įvairių ligų prevencijoje ar gydyme yra vertinamas prieštaringai. Pavyzdžiui prie didelės rizikos grupės priskiriamiems asmenims, tokiems kaip rūkantys, sintetinio beta karotino (antioksidanto) vartojimas padidina plaučių vėžio susirgimų
19 atvejus (Ruano-Ravina, 2006). Tuo tarpu prie mažesnės rizikos grupės priskiriamiems asmenims vitamino E vartojimas, remiantis kai kurių tyrimų išvadomis, labai sumažina riziką susirgti širdies ligomis (Prior, 2000).
Apibendrinant galima pasakyti, kad nors oksidacinio streso atsiradimo priežastys, veikimo mechanizmai, procese dalyvaujantys komponentai ir kt. yra intensyviai tiriami, procesas nėra galutinai išaiškintas. Visa tai reikalauja tolimesnių tyrimų.
1.4. Katalazė
Viena iš svarbiausių antioksidacinės ląstelės apsaugos rūšių yra fermentai. Dažnai šie fermentai dar vadinami ,,pirmąja gynybos linija”. Iš šios ląstelės apsaugos rūšies savo universalumu, aktyvumu, o, tuo pačiu ir svarba, reikia išskirti katalazę. Katalazė (CAT – catalase) tai oksidoreduktazių klasės fermentas, kuris įeina į ląstelės antioksidacinės sistemos sudėtį ir atlieka antiperoksidinės apsaugos funkciją. Jis randamas praktiškai visuose gyvuose organizmuose. Fermentas katalizuoja vandenilio peroksido (H2O2) suskaidymą į vandenį ir deguonį (Chelikani, 2004):
2 H2O2 → 2 H2O + O2 1.4.1. Katalazės struktūra
1 pav. Erdvinė katalazės struktūra (Goodsell, 2004)
Katalazė yra tetrameras (molekulinė masė 240 000 Da), sudaryta iš keturių polipeptidinių grandinių, kiekvienoje iš kurių yra virš 500 aminorūgščių (Boon, 2007). Be to, ji turi keturias porfirino hemo (geležies) grupes, kurios ir suteikia fermentui galimybę sąveikauti su vandenilio peroksidu. Žmogaus katalazės optimalus sąveikos su H2O2 pH yra apie 7, bet turi platų intervalą,
20 t.y. reakcijos greitis pastebimai nekinta, kai pH keičiasi nuo 6,8 iki 7,5. Iš kitų organizmų ląstelių gautų katalazių sąveikos su vandenilio peroksidu optimalus pH kinta tarp 4,0 ir 11,0 ir labai priklauso nuo kilmės šaltinio. Analogiška situacija stebima ir nustatant optimalią reakcijos, kurią katalizuoja CAT, temperatūrą – t.y. yra labai didelė priklausomybė nuo fermento kilmės. Žmogaus ląstelės katalazės aktyvumas yra optimalus 45 ºC, kai tuo tarpu katalazės, išskirtos iš Pyrobaculum calidifontis optimali veikimo temperatūra yra net 90 ºC (Amo, 2002).
1.4.2. Katalazės katalizuojamos fermentinės reakcijos mechanizmas
Reikia pastebėti, kad ligi šiol pilnas CAT kaip fermento veikimo mechanizmas nėra žinomas (Boon, 2007), tačiau šiuo metu laikomasi nuomonės, kad reakcija vyksta per dvi stadijas:
H2O2 + Fe(III)-E → H2O + O=Fe(IV)-E(.+) H2O2 + O=Fe(IV)-E(.+) → H2O + Fe(III)-E + O,
kur Fe(III)-E reiškia geležies centrą hemo grupėje, įeinančioje į enzimo (fermento) struktūrą; Fe(IV)-E(+) reiškia mezomerinę Fe(V)-E formą, turint omenyje, kad geležis joje nėra pilnai oksiduota iki +V , bet gauna „papildomą (paramos) elektroną” iš hemo ligando .
Kai vandenilio peroksidas patenka į aktyviąją fermento zoną, jis sąveikauja su amino rūgštimis Asn147
ir His74 sukeldamas protono perkėlimą tarp deguonies atomų. To pasekoje susiformuoja vandens molekulė ir Fe(IV)=O molekulė. Fe(IV)=O molekulė reaguoja su antrąja H2O2 molekule, reformuodama Fe(III)-E ir išskirdama vandenį ir deguonį (Boon, 2007). Geležies centro rektyvumas gali būti sustiprintas fenolato ligando buvimu Tyr357
penktąjame geležies ligande, kuris tarpininkauja Fe (III) oksidacijos į Fe (IV) procese. Reakcijos efektyvumas gali taip pat būti sustiprintas sąveikaujant His74 ir Asn147 su reakcijos tarpiniais produktais. Manoma, kad rekcijos eiga gali būti aprašoma Michaelis-Menten lygtimi (Boon, 2007).
Svarbu yra tai, kad katalazė, panaudodama tą patį vandenilio peroksidą, gali oksiduoti visą eilę kitų metabolitų ir toksinų: formaldehidą, skruzdžių rūgštį, fenolį, acetaldehidą ir alkoholį. Šios reakcijos vyksta pagal sekančią schemą:
H2O2 + H2R → 2H2O + R.
Bet reikia pabrėžti, kad tikslus šių reakcijų mechanizmas taip pat dar nėra žinomas.
Kaip ir visi fermentai, katalazė turi savo inhibitorius. Daugelis sunkiųjų metalų (pvz. vario jonai iš vario (II) sulfato druskos) veikia kaip nekonkurentiniai inhibitoriai. Tuo tarpu iš
21 konkurentinių inhibitorių reikia pažymėti cianidus, kurie sąveikauja su hemu ir stabdo fermentinę katalazės reakciją. Iš kitų veiksnių, mažinančių katalazės aktyvumą, galima pažymėti B grupės vitaminų, folinės rūgšties, biotino, pantoteno rūgšties, riboflavino, vitamino A trūkumą organizme, o, taip pat esant metionino, tirozino, cistino, cinko ir kt. pertekliui (Чеснокова и др., 2006).
Kaip jau buvo minėta, katalazė priskiriama prie vienų iš didžiausiais „apsisukimus“ darančių fermentų.Manoma, kad ji pajėgi skaidyti 44 000 vandenilio peroksido molekulių per vieną sekundę. Tokiu būdu, kad suardyti didelį kiekį H2O2 yra reikalingas nedidelis fermento kiekis. Svarbi savybė yra ta, kad reakcijos greitis yra apsprendžiamas difuzijos procesu ir nereikalauja papildomos energijos aktyvacijai (Goodsell, 2004).
1.4.3. Katalazės vaidmuo ląstelėse
Vandenilio peroksidas ląstelėje yra kenksmingas pašalinis metabolitinių procesų produktas. Norint išvengti galimų ląstelės ar net audinių pažeidimų reikia nedelsiant jį paversti į nepavojingą, ar bent jau mažiau pavojingą, medžiagą. Kaip tik šiam tikslui ląstelėje ir panaudojama katalazė, kuri turi greitai katalizuoti vandenilio peroksido suskaldymą iki dujinio deguonies ir vandens molekulių (Chelikani, 2004).
Beje tikroji biologinė katalazės reikšmė ne visada yra tokia aiški. Pvz. pelės, kurios genetiškai buvo suprojektuotos, kad turėtų katalazės trūkumą ląstelėse, fenotipiškai išlieka normalios. Tai gali rodyti, kad minėtasis fermentas, kai kuriais atvejais, gali organizmui būti ir nebūtinas (Ho, 2004). Tačiau iš kitos pusės yra aiškiai parodyta, kad katalazės trūkumas sąlygoja visos eilės ligų išsivystymą. Čia reikėtų paminėti polinkį (esant katalazės trūkumui) vystytis 2-ojo tipo diabetui (Góth, 2008). Apskritai, žmonės, turintys žemą katalazės lygį (tai vadinama akatalazija, dar vadinama Takaharos liga) rodo daug didesnį polinkį į įvairius susirgimus: periodontinės infekcijos, gangrena ir kt. (James, 2006).
Katalazė dar priskiriama ir prie organizmo antioksidantinės sistemos fermentų, kurie dalyvauja apsaugos nuo ksenobiotikų procese. Geriausiu pavyzdžiu čia gali būti vanadžio pentoksidas (V2O5), kuris patekdamas į organizmą ryškiai sutrikdo antioksidantinės sistemos funkcionavimą. Nustatyta, kad įvedus laboratoriniams gyvūnams į organizmą vanadžio pentoksidą, organizmo antioksidantinės sistemos pažeidimas pasireiškia eritrocitų rezistencijos pakitimu ir jų suardymu, o, taip pat, ir aiškiai išreikšta katalazės aktyvumo sumažėjimo tendencija (Самыкина и др., 2010). Šio darbo autoriai linkę manyti, kad katalazės inaktyvacijos
22 mechanizmas šiuo atveju yra surištas su šio fermento nekonkurentiniu inhibavimu vanadžio junginiais. Didelės vanadžio pentoksido dozės inhibuoja laboratorinių gyvūnų kraujyje esančios katalazės aktyvumą, tuo pačiu pažeisdamos kraujo biologinę funkciją. Galimai analogiški procesai gali vykti ne tik kraujo ląstelėse, bet kitose organizmo biologinėse aplinkose.
Įdomų vaidmenį katalazė vaidina kai kurių patogeninių organizmų funkcionavime. Tai, pirmiausia, yra surišta su tuo, kad vandenilio peroksidas ląstelėse yra „naudojamas” ir kaip antimikrobinis agentas kai ląstelė yra infekuota patogeniniais mikroorganizmais. Katalazei pozityvūs patogenai, tokie, kaip Mycobacterium tuberculosis, Legionella pneumophila, and
Campylobacter jejuni, „priverčia” katalazę deaktyvuoti peroksido radikalus, tuo pačiu
pasidarydami sau sąlygas netrikdomai išgyventi ir funkcionuoti šeimininko ląstelėse (Srinivasa, 2003). Dauguma aerobinių mikroorganizmų išnaudoja katalazę. Ji, beje, randama ir kai kuriuose anaerobiniuose mikroorganizmuose: pvz. Methanosarcina barkeri (Brioukhanov, 2006).
Kas liečia katalazės lokalizavimą ir pasiskirstymą, tai pirmiausia reikia pažymėti, kad ji randama visų žinomų gyvūnų visuose organuose. Daugumoje ji lokalizuojasi ląstelių peroksisomose ir citozolyje. Žmogaus organizme (kaip ir daugumoje žinduolių) didesni katalazės kiekiai randami eritrocituose, o taip pat, kepenyse ir inkstuose (Рязанцева и др, 2011).
1.4.4. Katalazės reikšmė klinikinėje biochemijoje
Kaip jau buvo minėta, katalazė praktiškai yra sutinkama visuose gyvūnų organuose ir ląstelėse. Tokiu būdu yra įmanomas ir šio fermento aktyvumo nustatymas kiekviename organe ar biologinėje terpėje. Katalazės aktyvumo nustatymo metodas remiasi fotometriniu amonio molibdato komplekso su nesuardytu vandenilio peroksidu registravimu. Klinikinėje biochemijoje katalazės aktyvumas dažniausiai yra nustatomas kraujyje, plazmoje ir eritrocituose. Kliniko-biocheminis katalazės aktyvumo monitoringas žmogaus organizmo biologiniuose skysčiuose – tai prognostinis organizmo endotoksikozės laipsnio įvertinimas. Manoma, kad endogeninės intoksikacijos patogenezėje vieni iš svarbiausių yra destrukciniai ląstelių membranų procesai. Ląstelių membranų struktūriniai-funkcionaliniai pažeidimai, tame tarpe įtakojami ir oksidacinių procesų aktivizacija, ir apsprendžia pagrindinius patofiziologinius ir klinikinius endotoksikozės pasireiškimus (Срубилин и др., 2009). Tokiu būdu, prognostine prasme endotoksikozės įvertinimui labai reikšmingas kliniko-biocheminis antioksidantinės sistemos parametrų monitoringas. Vienas iš tokių parametrų ir yra katalazė. Praktikoje jau yra pažymėta, kad pvz.
23 ligonio, sergančio peritonitu, pradinio ligos sunkumo laipsnio įvertinimui ir tolesniam endogeninės intoksikacijos vystymosi prognozavimui, labai reikšminga yra kraujo serumo katalazės ir tiobarbitūro rūgšties aktyviųjų produktų aktyvumų palyginimas su hemoglobino koncentracija, hemokrito lygiu, kraujo forminių elementų kiekiu ir albumino koncentracija (Келина и др., 2003).
Įrodyta, kad katalazės, komplekse su laktato dehidrogenaze, aktyvumo tulžyje dinamika tiksliai atspindi uždegiminius procesus biliarinėje sistemoje, o kraujo serume – hepatocitų citolizę. Rasta galimybė panaudoti tulžies katalazės aktyvumo nustatymą cholangito diagnostikai ir gydymo efektyvumo įvertinime, o taip pat tulžies pūslės sienelių destrukcijų prognozavimui, gydant ligonius su aštriąja cholecistino forma (Соснин, 2011).
Šiuo metu jau yra vykdoma informatyvių biožymenų kompleksų paieška (Павловская, 2011). Vienu iš tokių žymenų žmogaus ekologijoje galėtų būti ir katalazės aktyvumas biologiniuose organizmo skysčiuose.
Katalazės aktyvumo nustatymas jau rado savo vietą žmogaus ekologijoje, kaip aplinkos įvertinimo rodiklis (Ахмадалиев и др., 2010). Toliau yra tobulinami fotometriniai katalazės aktyvumo nustatymo metodai, kurie leistų greičiau ir efektyviau nustatyti fermento aktyvumą, o tuo pačiu ir prisidėtų prie gyvenamosios ar darbinės aplinkos įvertinimo.
Pabaigai reiktų pasakyti, kad literatūriniai duomenys aiškiai rodo, kad katalazės aktyvumas – tai vienas iš svarių antioksidacinės organizmo sistemos (ypač antiperoksidinės apsaugos) aktyvumo rodiklių. Šis fermentas – oksidoreduktazė. Katalazės aktyvumo nustatymas jau randa savo panaudojimą įvairiose srityse. Klinikinėje biochemijoje, įvertinant organizmo intoksikaciją (tiek endogeninę, tiek ir egzogeninę) labai aktualus yra katalazės aktyvumo monitoringas kaip kraujyje apskritai, taip ir jo frakcijose – plazmoje ir eritrocituose. Žmogaus ekologijoje jau rasti metodai leidžiantys įvertinti supančiosios aplinkos kokybę, kurie remiasi katalazės aktyvumo vertinimais. Tokiu būdu, katalazės aktyvumo nustatymai organizmo biologiniuose skysčiuose (visų pirma kraujyje) turi praktinę vertę klinikinėje biochemijoje, įvertinant organizmo endotoksikozę, o taip pat ir žmogaus ekologijoje, nustatant organizmo egzogeninės intoksikacijos kilmę.
1.5. Organizmui būtini ir toksiški metalai, jų poveikis organizmui
Metalai neabejotinai reikalingi tiek prokariotų, tiek eukariotų biologinėms funkcijoms. Daugelis jų nepakeičiami ir reikalingi ląstelių išlikimui. Organizmui būtini metalai – tai daugybės
24 fermentų aktyvių centrų, nervinio impulso perdavimo, raumenų susitraukimo, deguonies pernašos ir genų raiškos valdymo komponentai. Daugeliui biologiškai svarbių molekulių, kurios dažnai atlieka tiesioginį vaidmenį signalo perdavime, metalai reikalingi kaip koveiksniai. Maždaug ketvirtadalio žinomų fermentų (metalofermentų) aktyvumui pasireikšti būtini metalų jonai.
Sunkiaisiais metalais (SM) vadinami tokie elementai, kurių 1 cm3 sveria daugiau negu 5 g. Biologinės klasifikacijos požiūriu SM teisingiau vadinti elementus, kurių atominė masė didesnė negu 40 − 50. Į šį sąrašą patenka daug elementų, kurie yra būtini normaliam organizmo vystymuisi. Tai Fe, Co, Zn, Cu, Mn, Mo, Se, Cr, Mg. Dauguma jų yra mikroelementai. Viršijus būtiną mikroelementų patekimo į organizmą lygį, kalbama apie jų toksiškumą. Gamtoje SM priskaičiuojama 38, bet ne visi priskiriami toksiškiems metalams. Toksiškais gali tapti bet kurie elementai, reikalingi normaliam ląstelių funkcionavimui, priklausomai nuo jų koncentracijos ir cheminio junginio formos. Skirtumas tarp gyvybiškai būtinų ir toksiškų koncentracijų kai kuriems elementams palyginti nedidelis, todėl jie vadinami potencialiai toksiškais. Šiai grupei būtų galima priskirti Cu (daugelio fermentų - katalazės, peroksidazės, citochromoksidazės ir kitų koveiksnys), Co (vitamino B12 koveiksnys), Mn (dalyvauja fermentų arginazės, piruvatkarboksilazės, glutamino sintetazės ir superoksido dismutazės veikloje), Fe (įeina į hemoglobino ir mioglobino, kai kurių fermentų sudėtį), Se (yra antioksidacinio fermento glutationo peroksidazės sudėtyje) ir Mo(aktyvina aldehido oksidazę, sieros oksidazę ir ksantino oksidazę) (Fraga, 2003). Todėl organizme svarbi fiziologiškai saugi metalų pernaša, kaupimas ir panaudojimas. Tiek prokariotuose, tiek eukariotuose nustatyta daugybė metalų pernašos baltymų, atpažįstančių specifinius metalų jonus. Membranų tipo nešikliai perneša metalų jonus iš ląstelės išorės į vidų, tuomet viduląsteliniai metalų šaperonai šiuos metalų jonus perneša specifiniams baltymams – taikiniams. Toksiški metalai (Cd, Pb, Hg, As, Ni ir kt.) kaupiasi biologinėse medžiagose, kadangi daugelis šių metalų sugeba „pamėgdžioti” būtinuosius elementus ir patenka per sistemas, skirtas organizmui reikalingų elementų pernašai ir kaupimui (Zalups, 2000). Pvz., Fe pernašos baltymas DMT1, svarbus ne tik Fe aktyvioje pernašoje, bet tarpininkauja ir kitų dvivalenčių būtinų ir toksiškų metalų (Zn2+
, Mn2+, Co2+, Cd2+, Cu2+, Ni2+ ir Pb2+) pernešimui į ląstelę (Hubert N, 2002). Cd2+
srautas į ląsteles patenka per Ca2+ kanalus. Cd2+ gali lengvai praeiti pro Ca2+ kanalus, todėl, kad savo dydžiu (Cd2+ = 0,97 Å, Ca2+ = 0,99 Å) ir krūviu panašūs į Ca2+. Tai leidžia Cd2+
normaliomis fiziologinėmis sąlygomis pakeisti Ca2+, ir jungtis bei aktyvinti įvairias makromolekules (Zalups, 2003). Toksiški metalai gali žalingai sąveikauti su daugeliu ląstelės struktūrų, galiausiai sąlygodami daugybės rūšių neigiamą poveikį žmonėms ir
25 gyvūnams: tai senėjimas, alergijos, Alzheimerio ir Parkinsono ligos, aterosklerozė, kepenų cirozė, urologiniai sutrikimai, centrinės nervų sistemos, reprodukcinės funkcijos pažeidimai, augimo ir vystymosi nukrypimai, imuniteto susilpnėjimas, vėžys ir kitos patologijos.
2 lentelė. Duomenys apie pagrindinių sunkiųjų metalų poveikį žmogaus organizmui.
Metalas Ūminis Lėtinis
Arsenas
Pykinimas, vėmimas,
viduriavimas, encefalopatija, ilgo QT sindromas, skausminga neuropatija.
Diabetas, hiperpigmentacija, hiperkeratozė, plaučių, šlapimo pūslės, odos, encefalopatinis vėžys.
Bismutas Inkstų disfunkcionavimas,
ūminė inkstų kanalėlių nekrozė.
Difuzinė miokloninė
encefalopatija.
Kadmis Pneumonitas Plaučių vėžys, proteinurija,
osteomaliacija
Chromas
Kraujavimas iš virškinimo trakto, hemolizė, ūminis inkstų sutrikimas (praryjus Cr6+)
Plaučių fibrozė, plaučių vėžys Kobaltas „Jaučio širdies“ kardomiopatija Gūžys, pneumokomiozė Varis
Mėlyni vėmalai, virškinimo trakto sudirgimas, kraujavimai, hemolizė, metalo garų karštinė
Plaučių sutrikimai, Wilsono liga (kepenų ir pagrindinių nervinių
mazgų degeneracija –
hepatolentikulinė degeneracija) Geležis
Vėmimas, kraujavimas iš virškinimo trakto, širdies darbo prislopinimas, metabolinė acidozė
Kepenų cirozė
Švinas
Pykinimas, vėmimas,
encefalopatija (galvos skausmai, priepuoliai, ataksija)
Encefalopatija, anemija, pilvo skausmai, nefropatija
Manganas
Metalo garų karštinė (šaltis, raumenų skausmai, pykinimas,
karščiavimas, gerklės
išdžiuvimas ir t.t.)
Į Parkinsono ligą panašus
sindromas, kvėpavimo
sutrikimai
Gyvsidabris
Elementinis: karščiavimas, viduriavimas, vėmimas, ūminis
plaučių pažeidimas;
Neorganinės druskos: ėdantis gastroenteritas
Pykinimas, metalo skonis burnoje, dantenų uždegimas,
stomatitas, drebulys,
neurastenija, nefrozinis sindromas, hiperjuslumas
Nikelis
Dermatitas, miokarditas, ūminis
plaučių pažeidimas,
encefalopatija
Plaučių fibrozė, sumažėjęs spermos kiekis, ryklės augliai Sidabras
Labai didelėmis dozėmis: kraujavimai, plaučių edema, kaulų čiulpų darbo slopinimas,
Argirija: mėlynai pilkos spalvos oda, nagai, seilės
26 hepatorenalinė nekrozė
Talis
Vėmimas, viduriavimas,
skausminga neuropatinė koma, autonominis nestabilumas, kelių organų veiklos sutrikimas
Plikimas, liekamieji
neurologiniai simptomai
Cinkas Metalo garų karštinė, vėmimas, viduriavimas, pilvo skausmai
Vario nepakankamumas:
anemija, osteoporozė,
neurologinė degeneracija
Lentelė sudaryta pagal: A Metals Primer. Dartmouth Toxic Metals Superfund Research Program. 2012.
Tačiau netgi būtinųjų metalų jonai gali sukelti tam tikras ligas, jei jų metabolizmas ląstelėse ir audiniuose yra pakitęs. Pavyzdžiui, Menkės ir Vilsono ligas sukelia paveldimi Cu metabolizmo sutrikimai, kuriuos sąlygoja ATP7A ir ATP7B genų, koduojančių Cu katijonus pernešančias P tipo ATP-azes, mutacijos (Ala, 2007). Fe perteklius ląstelėse susijęs su paveldima hemochromatoze, Parkinsono liga ir neurologiniu susirgimu - Fredreicho ataksija (angl. Friedreich′s ataxia (Lodi R, 2006).
Kadangi metalų jonai gali ir pažeisti ląstelę, ir tarpininkauti fiziologiniuose vyksmuose, ląstelės turi būti labai jautrios metalų buvimui ir lygiui. Mechaninis arba tiesioginis metalų veikimas susijęs su biomolekulių struktūriniais ir funkciniais pokyčiais (konformacinis poveikis), jungiantis pačiam metalui. Metalų jonai gali vaidinti tam tikrą vaidmenį ir eukariotų genų raiškoje. Metalų jonai genų raišką gali veikti: 1) kaip aplinkos signalai, indukuojantys genų raišką per metalų jonams jautrius transkripcijos veiksnius; 2) kaip koveiksniai, (kurių buvimas ląstelėje reguliuojamas), atlikdami tarpininko vaidmenį signalinių baltymų funkcijoje, perduodant informaciją iš aplinkos į branduolį; 3) kaip fermentų ir struktūrinių baltymų, kurių funkcijai ir aktyvumui reikalingi metalų jonai, koveiksniai.
Manoma, kad citotoksiniu veikimu pasižymintys SM gali indukuoti tam tikrų genų raišką oksidacinio streso keliu. Pabrėžiant oksidacinio pažeidimo svarbą metalų toksiškumo mechanizme labai svarbūs du reikalingi organizmui metalai – Fe ir Cu (toksiškai veikia padidintos dozės) ir žmogaus kancerogenai – Ni, Cr ir Cd. Oksidacinį ląstelės stresą lemia antioksidacinės sistemos sutrikimai, taip pat nepalankios ląstelės aplinkos sąlygos, sukeliančios nevaldomą aktyvių deguonies formų (ADF: superoksidas O2•-, vandenilio peroksidas H2O2, hidroksiradikalas (OH•) azoto monoksidas (NO•) didėjimą. Laisviesiems deguonies radikalams ir azoto oksidui (signalinei molekulei), iššaukiantiems oksidacinį ląstelės stresą, jautrūs metalą prijungiančių baltymų daug cisteino turintys motyvai, metaloproteinų metalo sankaupos,
27 transkripcijos veiksnių cinko pirštelių motyvai. Metalai, sudarę metalo-tiolato sankaupas gali atlikti transkripcijos koveiksnių vaidmenį genų aktyvumo reguliavime. NO suardžius metalo-tiolato sankaupą, įvyksta baltymo struktūros alosteriniai pokyčiai, veikiantys jų katalitines ir reguliacines funkcijas (Zalups, 2000). Baltymų Cys-SH grupės linkusios autooksidacijai ar metalų katalizuojamai oksidacijai. Oksiduojantis netoli esančioms Cys grupėms, jos sudaro disulfidinį -S-S- tiltelį. ADF lengvai oksiduoja baltymų molekulėse esančias metionino ir aromatines grupes. O2•- reaguoja su baltymais, turinčiais prostetines pereinamųjų metalų grupes – hemus ar FeS sankaupas. Fe, Cu, Cr, V ir Co gali tiesiogiai gaminti ADF Fentono reakcijų metu (Aaby K, 2005), kai tuo tarpu Cd netiesiogiai generuoja O2•-, OH•, NO•.
SM gali indukuoti SOD geną. SOD šalina superoksidą O2•-, 10000 kartų greitindama savaiminę jo dismutaciją į H2O2. Literatūroje nurodoma, kad kai kurie SM (Ni, Cd, Be, Cr, As) – žmogaus genotoksiniai kancerogenai, daugelis jų kancerogeniški eksperimentiniams gyvūnams. Tyrimai parodė, kad mažos tokių kancerogenų dozės ir ilgalaikis poveikis prisideda prie negenotoksinių kancerogenų sukeltų pokyčių, sustiprindamas transformuotų ląstelių klonų peraugimą in vivo. Daugelis aplinkos veiksnių, sukeliančių vėžį, yra prokancerogenai, o juos aktyvina metabolinė organizmo sistema. Ląstelėje kancerogenai dažniausiai veikia DNR ir sukelia mutacijas. Kitos medžiagos, vadinamos vėžio skatintojais (promotoriais), nesukelia mutacijų, o ląstelių dauginimąsi aktyvina keisdamos genų raišką. Daugelis kancerogenų sukelia mutacijas, ir keičia genų raišką. Kancerogenų sukeltos genotoksinės ir epigenetinės pažaidos – DNR mutacijos ir pokyčiai signalo perdavime sukelia genomo nestabilumą, vaidinantį pagrindinį vaidmenį kancerogenezės procese. Šios pažaidos susijusios su metalų gebėjimu netiesiogiai sukelti oksidacinį ląstelių stresą, kuris yra vienas iš pagrindinių vidinių veiksnių, skatinančių vėžio atsiradimą, kartu pasireiškiant ir kitiems metalų sukeltiems poveikiams, kurie gali paskatinti kancerogenezę. Ankstyvose vėžio atsiradimo stadijose negenotoksinių kancerogenų sukelti pokyčiai yra grįžtami (Luch, 2005).
1.5.1. Aliuminis
Aliuminis (lot. Aluminium) simboliškai žymimas Al - cheminis periodinės elementų lentelės elementas, kurio eilės numeris 13. Tai lengvas, minkštas, plastiškas, kalus, tąsus, lengvai poliruojamas, anoduojamas, atspindintis šviesą metalas. Pagal paplitimą žemėje Al užima trečią vietą po deguonies ir silicio,ir yra pirmas iš metalų. Jis yra vienas iš gausiausių žemės plutos
28 elementų ir sudaro 7,9 proc. jos masės. Gamtoje aliuminis randamas tik junginiuose – žinoma, kad jis įeina į daugiau negu 270 mineralų sudėtį (Samara et al., 2014). Svarbiausia mineralų grupė - putnagai. Tai vieni iš aliumosilikatų, kurie sudaro apie 50% Žemės plutos masės. Pramoniniu būdu Al gaunamas iš aliuminio rūdų: boksito, kaolinito, korundo.
Viena iš įdomiausių Al ,,savybių” yra, taip vadinamas ,,Aliuminio paradoksas”. Tai reiškia, kad šis labiausiai žemės plutoje paplitęs metalas gyvybei visiškai nereikalingas. Be to, Al druskos nerodo akivaizdaus toksiškumo: pvz. aliuminio sulfato LD50 pelėms yra 6207 µg/kg , o tai atitinka 500 g šios druskos 80 kg svorio žmogui. Tačiau ilgalaikis jo poveikis organizmui gali būti net labai kenksmingas. Aliuminio jonų kenksmingumas pasireiškia jau vien tuo, kad jie išstumia iš organizmo tokius naudingus elementus kaip geležis, kalcis ar magnis. Tai susiję su tokiomis jų charakteristikomis kaip atominis dydis ir joninis krūvis (0,051 nm ir 3+, atitinkamai), kurios yra labai panašios į paminėtų metalų: geležies (0,064 nm ir 3+); kalcio (0,099 nm ir 2+) ir magnio (0,066 nm ir 2+)..
Aliuminio patekimas į organizmą įmanomas šiais būdais:
Maistas – kai kurie maisto produktai, tokie kaip arbata, javai ar kt. augalinės kilmės produktai, natūraliai savyje turi Al. Tačiau didžiausias aliuminio proporcijas turi tie maisto produktai, kurie apdirbami papildais. Dauguma leistinų naudoti tiek JAV, tiek ir Europoje maisto papildų savo sudėtyje turi Al druskų (pvz. aliuminio foefatas ir kt.), kurių dėka didėja jo kiekis apdirbtuose produktuose (Saiyed, Yokel, 2005).
Pašaro indeliai – Al į organizmą gali patekti ir per pašarui skirtus indelius.
Maisto pakuotės – Tyrimai parodė, kad maisto produktai ir gėrimai supakuoti aliuminėse skardinėse, skardose ir folgoje gali būti užteršiami žymiu Al kiekiu.
Virtuvės įrankiai – kaip ir maisto pakuotės, taip ir virtuviniai įrankiai, pagaminti iš Al, gali užteršti maistą.
Vanduo – aliuminio druskos yra labai plačiai naudojamos vandens apdirbimo procese, siekiant sumažinti organinias priemaišas, drumstumą ir mikrorganizmų kiekį. Tai veda prie to, kad didėja Al koncentracija apdirbtame vandenyje, tame tarpe, ir geriamame.
Oro užterštumas – kadangi Al yra labai plačiai ir gausiai naudojamas pramonėje, gamyklose naudojančiose šį metalą, yra pagrindiniai oro užterštumo juo šaltiniai. Tyrimai parodė, kad žmonės, gyvenantys arti tokių gamyklų, 4 kartus dažniau yra linkę apskritai sirgti ir rodo padidėjusią riziką susirgti su aliuminio poveikiu siejamomis ligomis, negu žmonės gyvenantys atokiau nuo industrinių rajonų (Petrela et al., 2001).
29 Medicina – Al junginiai plačiai naudojami ir medicinoje: arba kaip aktyvieji ingridientai, arba kaip priedai. Pvz.: Al yra vakcinų adjuvanto sudedamoji dalis (Saiyed, Yokel, 2005).
Pagrindinis aliuminio patekimo į organizmą kelias yra per virškinamąjį traktą. Aliuminis blogai absorbuojamas virškinimo trakte ir tik 0,3 proc. jo, patekusio su maistu/pašaru, lieka ir kaupiasi organizme. Tuo tarpu 95 proc. pašalinama iš organizmo per inkstus. Tačiau, intraveninio maitinimo atvejais, kai virškinimo traktas apeinamas, arba esant inkstų disfunkcijai, aliuminis iš organizmo nepasišalina (Brown et al., 2008). Aliuminis absorbuojamas per odą ir taip pat gali patekti per kvėpavimo takus. Tai priklauso nuo jo cheminės formos.(David, 2009).
Jau nustatyta, kad aliuminis sukelia oksidacinį stresą smegenų audiniuose (Drago et al., 2008). Kadangi Al eliminavimo iš smegenų pusperiodis yra apie 7 metus, jo pastovus kaupimasis veda prie pažeidimų iššaukimų. Aliuminis yra neurotoksinas. Šunims buvo nustatyti tokie centrinės nervų sistemos pažeidimai: sienų kramtymas, rankenų graužimas, įsivaizduojamų daiktų gaudymas ore ir agresyvus elgesys (David, 2009).
Daugelis ekspertų pripažįsta, kad tai vaidina labai svarbų vaidmenį į prie Azheimerio ligos stebimą neurofibrialinių jungčių formavimasi. Didelės aliuminio koncentracijos buvo nustatytos pacientų, sirgusių Parkinsono liga, smegenyse. Laboratoriniams gyvūnams, kuriems eksperimento tikslais buvo duodamas Al preparatas, buvo nustatytas dopamino kiekio sumažėjimas (Bolt, Hengstler., 2008).
Aliuminis taip pat turi tiesioginį poveikį hematopoezei. Įrodyta, kad Al perteklius sukelia mikrocitinę anemiją. Po 2-3 savaičių aliuminio injekcijų triušiams stebima sunki anemija, kuri yra labai panaši į anemiją, stebimą pas nuo apsinuodijimo kenčiančius pacientus. Aliuminis gali sukelti anemiją slopindamas hemo ir globulino sintezes, o taip pat didindamas hemolizę. Aliuminis, taip pat, tiesiogiai įtakoją geležies metabolizmą: įtakoja jo absorbciją iš žarnyno, slopina Fe transportavimą į serumą ir jo jungimasi su transferinu. Pacientai, turintys aliuminio apsinuodijimų iššauktą anemiją, labai dažnai turi padidintą retikulocitų skaičių, sumažėjusį vidutinį eritrocitų ir hemoglobino kiekį.
Iš kitų aliuminio intoksikacijų pasekmių buvo minimas sumažėjas imunologinis atsparumas infekcijoms.
Aliuminiu apsinuodiję šunys yra labiau linkę į bakterines, grybelines ir virusines ligas, lėtinį dermatitą, bei nosies pigmento išblukimą. (David, 2009). Tačiau pažymima, kad šis procesas yra multifaktorinis. Įvardijamas ir su vakcinavimu susijęs macrophagic myofasciitis and chronic fatigue (chroninio nuovargio) sindromas , kuris siejamas su aliuminio turinčio adjuvanto
30 naudojimu (Exley C, et al., 2009). Yra parodyta ir Al genotoksiškumo požymių. Tai priklauso nuo Al dozės ir poveikio intervalo (Balasubramanyam A, et al. 2009).
Manoma kad aliuminis skatina kepenų ir centrinės nervų sistemos ląsteles astrocitus kaupti riebalus. Jų prisikaupus, sutrinka ląstelių funkcijos.
1.5.2. Selenas ir jo biologinė svarba
Selenas (Se) yra cheminis elementas, kurio atominis skaičius 34. Tai nemetalas, turintis savybių, panašių į periodinėje lentelėje šalia jo esančių elementų sieros (S) ir telūro (Te). Randamas Se metalų sulfidinėse rūdose, kur dalinai pakeičia sierą. Selenas (graikiškai reiškia „Mėnulis“) buvo atrastas 1817 m. 1873 metais W. Smith nustatė vieną iš pilkojo Se savybių: jo elektrinė varža labai priklauso nuo apšvietimo. Ši Se savybė naudojama praktikoje, nes jo elektrinis laidumas yra proporcingas krintančios į jo paviršių šviesos kiekiui. Todėl ligi šiol yra plačiai naudojamas elektronikoje. Kai buvo pastebėtas Se toksinis poveikis pramonėje dirbančių žmonių sveikatai, juo susidomėjo medicina. Dar vėliau jis buvo pripažintas kaip toksinas ir veterinarijoje, pastebėjus jo toksinį poveikį gyvuliams, ėdantiems daug seleno turinčius (kaupiančius) augalus. 1954 m. užuomina apie specifinę biologinę Se funkciją buvo nustatyta tyrinėjant mikroorganizmus. Jo funkcija žinduolių ląstelėse buvo tyrinėta 1957 m. (Oldfield, James, 2006).
Dideliais kiekiais seleno druskos yra toksiškos, tačiau maži Se kiekiai (pėdsakai) yra tiesiog būtini įvairių organizmų ląstelių funkcijoms. Selenas yra komponentas tokių antioksidacinių fermentų, kaip glutationo peroksidazė ir tireoidino reduktazė, kurie netiesiogiai mažina oksiduotų molekulių kiekį tiek gyvūnų, tiek ir augalų ląstelėse. Jis randamas ir trijuose dejodinazės fermentuose, kurie konvertuoja tiroidinius hormonus vieną į kitą.
Se yra komponentas tokių retų aminorūgščių kaip seleno cisteinas ir seleno metioninas. Abi šios aminorūgštys aktyviai dalyvauja antioksidaciniuose ląstelės procesuose (Byun, Kang, 2011). Žmogaus organizme Se atlieka mikroelemento vaidmenį ir funkcionuoja kaip kofaktorius redukuojant antioksidacinius enzimus, tokius kaip glutationo peroksidazė ir tioredoksino reduktazę, kuri randama gyvūnuose ir augaluose (bet ne visos formos augaluose reikalauja seleno). Glutationo peroksidazės (GSH-Px) katalizuoja reakcijas, kurių metu pašalinamos tokios aktyviosios deguonies formos kaip vandenilio peroksidas ir hidroperoksidas:
