Введение к работе
Актуальность проблемы. При действии внешних физико-химических факторов на организм в его тканях происходит нарушение стационарного уровня концентрации свободных радикалов (Тарусов, 1954; Эмануэль, Липчина, 1958; Козлов, 1973; Emanuel, 1976). Установлено, что организм животных и растений реагирует на изменение концентраций свободных радикалов функционированием защитной антиокислительной системы клетки. В ее состав входит ряд специализированных ферментов (Fridovich, 1974-1982; Halliwell, 1974-1979; Chence, 1979; Flohe, 1982; Ланкин, 1985; Бурлакова и др., 1975; Журавлев, 1975), а также группа соединений, связывающих ионы металлов переменной валентности, выполняющих каталитическую функцию (Владимиров, 1970-1984; Hochstain, Ernster 1967).
Среди стрессорных белков, которые синтезируются при повреждении клеток чрезмерной активацией процессов свободнорадикального окисления, сопровождающихся повышенным уровнем образования активных форм кислорода (АФК), важная роль отводится белкам-метадлотионеинам (МТ) (Margoshes, Vallee, 1957).
МТ представляют собой низкомолекулярные белки (6-7 кДа), содержащие до 30% цистеина и способные связывать ионы тяжелых металлов (ТМ). МТ обнаружены во всех исследованных эукариотических организмах, а также в клетках прокариот (Kagi, 1993). В настоящее время увеличение уровня МТ рассматривается как одна из форм адаптивного ответа, приводящего к усилению радиорезистентности биологических объектов (Котеров, Филиппович, 1995; Котеров и др., 1998).
Во второй половине 80-х гг. в растениях были выделены пептиды, содержащие SH-группы и способные связывать ионы Cd. Впервые они обнаружены в культуре клеток Rauvolfia serpentine (Grill, Wirmacker, Zenk, 1985; Kondo et al.,1984), эти соединения были названы фитохелатинами или металлотионеинами третьего класса.
Особая актуальность изучения индукции синтеза МТ в настоящее время связана с необходимостью проведения комплексных оценок радиоэкологического состояния экосистем, в том числе с выбором референтных организмов или показателей, как того требуют рекомендации Международной комиссии по радиационной защите (MARINA И, 2002; EPIC, 2001,2003; Sazikina et.al., 2002; МКРЗ, 2004). Цель и задачи исследования. Работа посвящена анализу уровня белков-МТ в тканях растений и животных как комплексного
биомаркера окислительного стресса при действии ТМ и ионизирующего излучения.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие основные задачи:
оценены антистрессорные свойства МТ при воздействии экзогенных повреждающих факторов, провоцирующих развитие окислительного стресса в организме растений и животных;
выявлены свойства МТ как биомаркеров развития процессов свободнорадикалыюго окисления, вызванного воздействием экзогенных и эндогенных стрессорных факторов;
изучены общие закономерности индукции синтеза МТ организмов с различным уровнем биологической организации (растений, беспозвоночных и позвоночных животных);
разработаны научно-практические методы оценки и изменения устойчивости экосистем в случае присутствия популяции референтных организмов с повышенным уровнем белков-МТ, индуцированным антропогенными повреждающими факторами;
проанализирована эффективность предварительной стимуляции синтеза МТ при фиторемедиации городских, сточных вод для снижения уровня канцерогенного и неканцерогенного риска ТМ,
Теоретическая значимость и научная новизна исследований.
В диссертационной работе впервые систематически исследованы механизмы действия и оценены антистрессорные свойства МТ при воздействии экзогенных повреждающих факторов, провоцирующих развитие окислительного стресса в организме растений и животных.
Установлено, что увеличение уровня МТ в ответ на экзогенные повреждающие факторы имеет единую генетически детерминированную природу, так как сходные реакции возникают у организмов, пути эволюции которых разошлись многие миллионы лет назад - млекопитающие (мыши), беспозвоночные животные (моллюски), растения (ячмень).
Установлены нелинейные эффекты комбинированного действия ионов ТМ и ионизирующего излучения на уровень МТ в клетках разных органов и тканей моллюсков, в печени мышей и корешках проростков ячменя. Исследованные в работе животные и растения принадлежат к разным царствам живого мира, что позволяет предположить общее происхождение внутриклеточных систем генетического контроля биосинтеза металлсвязывающих белков в
клетках растений, беспозвоночных и позвоночных животных. Эти системы играют важную роль в сложном процессе формирования ответной реакции клетки на внешнее повреждающее оксидативное воздействие.
Установлена способность прединдукии МТ защищать растительные и животные организмы от окислительного стресса, провоцируемого действием ТМ и ионизирующим излучением, выраженная зависимостью между уровнем МТ и выживаемостью мышей, проростаемостью семян, фильтрационной активностью моллюсков.
Впервые показана эффективность прединдукции синтеза белков-МТ для фиторемедиации территорий, загрязненных ТМ и радионуклидами.
Практическая значимость результатов исследований.
Результаты лабораторных и полевых экспериментов, представленных в диссертационной работе свидетельствуют о высокой эффективности и информативности использования показателя удельного содержания МТ в органах и тканях моллюсков в качестве биоиндикационного параметра в программах биологического мониторинга антропогенно-загрязненных территорий.
Стимуляция синтеза белков МТ в качестве средства, характеризующегося комплексным механизмом защитного действия, целесообразна для повышения выживаемости в условиях действия на организм окислительного стресса различного генезиса.
Показана эффективность использования растения водный гиацинт (Eichornia crassipes) с прединдукцией синтеза МТ для доочистки вод ливневых канализаций.
Положения, выносимые на защиту:
Уровень МТ в растительных и животных клетках является информативным показателем развития окислительного стресса при действии у-излучения и ТМ.
Уровень МТ является специфичным и информативным биомаркером при проведении радиоэкологического мониторинга ландшафтов, позволяющий оценить действие ионов ТМ и радионуклидов с позиции развития окислительного стресса у референтных организмов.
Полученные результаты служат экспериментальным обоснованием целесообразности применения прединдукции синтеза МТ в ткани водного гиацинта {Eichornia crassipes) для
повышения выживаемости растений и повышения эффективности процесса гидроботанической очистки сточных вод.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международном конгрессе "Энергетика - 3000" (Обнинск, 1998), всероссийской конференции "50 лет производства и применения изотопов в России" (Обнинск, 1998), международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы экологии на рубеже третьего тысячелетия и пути их решения" (Брянск, 1999), конференции "Радиация и биосфера" (Обнинск, 2000), IV съезде по радиационным исследованиям (Москва, 2001), VIII Российской научной конференции "Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях" (Обнинск, 2002), международной конференции "Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами" (Тула, 2003), Сахаровских чтениях 2005 года: экологические проблемы XXI века (Минск, 2005), The 2nd International Conference on Radioactivity in the Environment & the 6th International Conference on Environmental Radioactivity in the Arctic and the Antarctic (Nice, France, 2005). Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых (Пушино, 2005), V съезде по радиационным исследованиям (Москва, 2006), The Conference «Technology Science Works in the Western Lithuania» (Klaipeda, Lithuania, 2006), IV и VI региональной научной конференции "Техногенные системы и экологический риск" (Обнинск, 2007, 2009), 4th International Conference on Metals and Genetics (Париж, Франция, 2008), 17th International Environmental Bioindicators Conference (Moscow, 2009), конференции "Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития" (Киров, 2009), научная сессия НИЯУ МИФИ (Обнинск,2010).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 39 печатных работах, включая 12 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также публикации в сборниках трудов и тезисов докладов на российских и зарубежных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, результатов и выводов, списка литературы. Работа изложена на 287 страницах, включая 33 рисунка и 25 таблиц. Список литературы включает 289 источников.
