Исследование влияния ионов различных металлов на ферменты семян Citrullus edullis Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

• • • Известия ДГПУ, №2, 2008

УДК 577.1.01

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОНОВ РАЗЛИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ НА ФЕРМЕНТЫ СЕМЯН CITRULLUS EDULLIS

© 2008 Муртазалиева М.К.

Дагестанский государственный педагогический университет

Работа посвящена изучению влияния ионов тяжелых металлов на ферменты растений.

This article is dedicated to the studying of the influence of ions' heavy metals on the plants' enzymes.

Ключевые слова: ферменты, ионы металлов, антропогенное загрязнение, токсиканты. Keywords: ferments, metal ions, anthropogenous pollution, tocsicants.

Человечество постоянно использует природные ресурсы и при этом в результате своей деятельности вносит в окружающую среду различные химические вещества, многие из которых являются вредными для живых организмов. Например, обнаружено, что в состав питьевой воды могут входить до 960 загрязнителей, многие из которых являются канцерогенами.

Из всего ряда загрязнителей окружающей среды особое место занимают ионы тяжелых металлов. Проблеме влияния ионов металлов на обменные процессы в живых организмах посвящено в последние годы большое количество работ, так как она является весьма актуальной при существующей экологической ситуации.

По степени токсичности ионы металлов располагают в ряды. Существует, например, такой ряд: Ве, С^ Сг, Си, N1, РЬ, V, 2п, в котором металлы расположены по мере уменьшения вредного воздействия на живые организмы [4].

Свинец (РЬ) - давно уже известный яд. Среди многочисленных современных токсикантов это вещество наиболее заметно. Кроме самого металла ядовиты и все его соединения. Предельно

допустимая концентрация ионов свинца в воде составляет 0,00001 мг/л [4].

Отравление свинцом и его соединениями чаще всего носит хронический характер. Происходят изменения в состоянии нервной системы, проявляющиеся в головной боли, головокружениях, повышенной утомляемости, раздражительности,

нарушениях сна, ухудшении памяти, мышечной гипертонии, потливости. Многие ученые полагают, что длительная

интоксикация свинцом способствует

развитию атеросклероза [1, 6, 9]. Свинец так же, как и другие тяжелые металлы, например, кадмий или стронций, отрицательно влияет на реакцию палочек глазной сетчатки, поэтому повышенное содержание его в человеческом организме вызывает ухудшение

сумеречного зрения.

Попадая через стенки желудочнокишечного тракта в кровь, свинец удерживается белками эритроцитов,

затем поступает в плазму крови в виде комплексов с гамма-глобулинами и, наконец, достигает почек, печени и других органов. В костях свинец накапливается постепенно.

Периодически происходит выделение свинца из костей, что может стать причиной неожиданного развития

симптомов острого отравления. Долгое время свинец остается и в головном мозге.

Кадмий считается токсичнее свинца и отнесен Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) к числу наиболее опасных для человека веществ [1, 6]. Химический символ кадмия (Cd) курильщикам можно считать как аббревиатуру английского Сancer disease - раковое заболевание. Рак легких - вероятный результат длительного воздействия аэрозоля оксида кадмия, поступающего в альвеолы с табачным дымом. Табак -растение, в наибольшей мере аккумулирующее соли кадмия из почвы (до 2 мг/кг). Кадмий также концентрируется и в других растениях. В организм человека он поступает в основном с растительной пищей. Дело в том, что кадмий легко переходит из любого типа почв в растения, которые поглощают его из почвы (до 70%) и из воздуха (до 80%). Все соединения кадмия токсичны. Принятая внутрь повышенная доза (30-40 мг) уже может быть смертельной.

А выводится кадмий из организма очень медленно (0,1% в сутки), следовательно, единовременное

отравление может перейти в хроническое. Самые ранние симптомы его - белок в моче, дисфункция половых органов, нарушение нервной системы, острые костные боли в спине и ногах.

Ионы этого металла, поступая в организм человека, образуют соединения с карбоксильными, аминными и сульфогидрильными (-СООН, -NH2 ,-SH) группами,

имеющимися в молекулах белков, и таким путем задерживаются в организме. В почках, печени,

поджелудочной и щитовидной железах кадмий может оставаться годами. Действуя на кожу, кадмий вызывает дерматиты и экземы.

Такие ионы металлов, как алюминий, медь, железо в определенном количестве - обычные компоненты живых организмов (микроэлементы). Они становятся токсичными, когда их

содержание превосходит определенный уровень. Например, алюминий -компонент всех растений (содержание в высших растениях около 200 мг/кг сухой массы).

Больше всех алюминий накапливают картофель, ячмень, овес. Токсичное действие чаще всего обнаруживается в растениях, на кислых почвах.

Проявления токсичности алюминия достаточно грозные: нарушение речи, ориентации, провалы в памяти, помутнение рассудка, конвульсии, а порой и гибель пациентов с почечной недостаточностью, проходивших лечение на аппарате гемодиализа (искусственная почка). Симптомы мозгового

заболевания, названного «диализная энцефалопатия», исчезли, когда используемую воду стали

предварительно очищать от ионов алюминия.

Такие металлы, как медь и железо, в основном накапливаются в злаках, много их в неочищенных овощах, особенно корнеплодах, во фруктах (особенно в яблоках). Из растений эти металлы поступают в организм человека, далее переходят через стенки желудочнокишечного тракта и попадают в кровь, где, связываясь с белком крови, вызывают их разрушение. Избыток меди отлагается в печени, мозге, почках, глазах, вызывая тяжелую болезнь

Вильсона-Коновалова. Вообще, катионы металлов, поступающие в организм человека или животного, образуют прочные связи с карбоксил-анионами и часто вызывают разрывы ионных

взаимодействий между ионизированными боковыми радикалами аминокислотных остатков в глобуле, что приводит к потере активной структуры белка. Они снимают электрическую поляризацию белка, уменьшая ее растворимость.

Вследствие этого находящийся в растворе белок выпадает в осадок.

В воде и почве эти металлы могут находиться в виде ионов, но возможен и другой вариант. В воде, почве очень много бактерий. Штаммы некоторых бактерий способны переводить неорганические соединения металлов в

органические. Например, по следующей схеме:

сась ™ирование сё(сиз)2 ---------------------►

Образующиеся в результате этих превращений соединения (в данном случае диметилкадмий) - чрезвычайно ядовитые вещества, поглощаемые и очень трудно выводимые желудочнокишечным трактом. Алкилированию подвергаются очень многие металлы и неметаллы, даже золото.

Из сказанного выше следует, что все эти токсиканты с водой, пищей (в основном растительной) попадают в организм человека, результатом чего являются различные последствия - от острого отравления со смертельным исходом до проявляющихся лишь через годы заболеваний. Порой эти последствия проявляются в следующем поколении.

Многочисленные данные

свидетельствуют об ухудшении генофонда, уменьшении доли детей без

каких-либо отклонений от

физиологической и психологической нормы. В настоящее время в некоторых регионах России у детей от рождения до 14 лет показатель заболеваемости с диагнозом, установленным впервые в жизни: врожденные аномалии (пороки развития), деформации и хромосомные нарушения, превышает

среднероссийский в 2,6 раза и составляет 17332 человека на 1 млн детей [4].

Учитывая, что основной источник попадания ионов металлов в организм человека - растительная пища и вода, в нашей работе мы исследовали влияние ионов таких металлов, как свинец, кадмий, медь, железо и стронций, на активность ферментов арбуза.

Результаты изучения влияния этих металлов на каталазу представлены в таблице 1. Активности каталазы определяли путем титрования

перманганатом калия в присутствии серной кислоты неразложившейся перекиси водорода.

Таблица 1

Влияние солей различных металлов на активность каталазы

Металл

С.г-экв/л Cd2+ РЬ2+ Sr2+ Си2+ Fe2+

Удельная активность каталазы, МЕ/мг

10-4 0,014 0,012 0,011 0,010 0,010

10-5 0,012 0,011 0,010 0,009 0,008

10-6 0,011 0,010 0,009 0,008 0,006

10-7 0,010 0,009 0,007 0,007 0,007

10-8 0,010 0,009 0,006 0,005 0,004

10-9 0,09 0,008 0,005 0,004 0,003

10-10 0,08 0,007 0,005 0,003 0,003

С - концентрация ионов металлов. Каталаза - фермент, ускоряющий разложение пероксида водорода:

2Н2О2——2Н2О + О2.

Перекись, которая образуется в результате процессов обмена веществ, является нежелательным компонентом клеток, т.к. может приводить к

окислению витаминов, жирных кислот и других веществ.

Как видно из таблицы, на активность фермента оказывают влияние все ионы

металлов. Но наиболее заметно снижалась активность фермента под действием ионов кадмия, свинца и меди (в среднем в 10 раз).

Другой фермент, активность которого мы изучали, - уреаза (табл. 2). Это фермент, катализирующий разложение мочевины:

^2)2Ш ^ NHз + Ш*

Мочевина может разрушать структуру белков и вызывать падение их функций.

Влияние ионов металлов на активность уреазы

Таблица 2

Металл Cd+2 Pb+2 Sr+2 ^+2 Fe+2

С, г-экв/л

Активность фермента (по окраске фенолфталеина)

10-4 бесцветная бесцветная бесцветная бесцветная бесцветная

10-5 бесцветная бесцветная бесцветная бесцветная бледно-розовая

10-6 бесцветная бесцветная бесцветная бледно-розовая бледно-розовая

10-7 бесцветная бесцветная бесцветная розовая розовая

10-8 бесцветная бесцветная бледно-розовая розовая розовая

10-9 бесцветная бледно-розовая розовая малиновая малиновая

10-ю бледно-розовая розовая малиновая малиновая малиновая

Мы обнаружили, что ингибирование уреазы происходит при очень низких концентрациях ионов металлов - 10-5-109 г-экв/л. Об этом свидетельствует окраска рабочих растворов: при

инактивации фермента не образуется аммиак, водный раствор которого дает щелочную реакцию. Наиболее сильное влияние на активность фермента

оказывает кадмий, затем свинец. Для того чтобы узнать, входят ли ионы металлов в состав поливной воды, используемой в Дагестане, мы взяли несколько проб воды из канала им. Октябрьской революции и провели их анализ на хроматографе «Экотест» (табл 3).

Таблица 3

Результаты химического анализа воды из канала им. Октябрьской революции

Наименование ионов Единица измерения ПДК Результаты анализа

Хром общий Мг/л 0,03 - 0.05 следы

Fe3+ Мг/л 0,3 0,7

Са2+ Мг/л 0 оо 5 сч 62,74

Мд2+ Мг/л 5 - 50 16,58

Cd2+ Мг/л 0,001 > 0,001

РЬ2+ Мг/л 0,03 0,005

Си2+ Мг/л 1,00 0,002

Zn2+ Мг/л 5,00 0,40

Sr2+ Мг/л 7,00 0,7

Результаты химического анализа свидетельствуют о том, что в воде повышенное содержание ионов железа, а количество ПДК кадмия соответствует

норме. Таким образом, нами сделан вывод, что такой состав воды оказывает влияние на ферменты растений, а тем самым и на все живые организмы.

Примечания

1. Андреев А.М. Токсины вокруг нас // Соросовский образовательный журнал. 1998. №9. -С.23. 2. Астафуров В.И. Основы химического анализа. - М., 1982. - 224 с. 3. Гудвин Г.,

Мерсер У. Введение в биохимию растений. Т. 1-2, - М., 1987. 4. Давыдова С.Л. О токсичности ионов металлов // Химия. 1991. №3. - С.3. 5. Исмаилов Ш.И. Современные экологические проблемы Дагестана. - Махачкала, 1994. 6. Макаров К.А. Химия и медицина. - М., 1981. -С.20. 7. Онищенко Г.Г. Примеры фактического состояния окружающей среды // Зеленый

мир. 2003. №17-18. - С.11. 8. Прозоровский В. Яды из водопроводного крана // Наука и

жизнь. 2001. №1. - С.67. 9. Пурмаль А.П. Антропогенная интоксикация планеты //

Соросовский образовательный журнал. 1998. №9. - С.17.