WWW.ДЕНЬСИЛЫ.РФ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Медицина

 

Pages:   || 2 | 3 |

Оценка влияния ионов тяжелых металлов и осмотического давления среды на уровень активности пищеварительных ферментов русского осетра (acipenser gueldenstaedtii brandt)

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Мартьянов Александр Сергеевич

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ОСМОТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ СРЕДЫ НА УРОВЕНЬ АКТИВНОСТИ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНЫХ ФЕРМЕНТОВ РУССКОГО ОСЕТРА (Acipenser gueldenstaedtii Brandt)

Специальность 03.03.01 «Физиология»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Астрахань – 2012

Работа выполнена на кафедре гидробиологии и общей экологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет»

Научный руководитель – доктор биологических наук, профессор

Александр Николаевич Неваленный

Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор

Алтуфьев Юрий Владимирович

кандидат биологических наук

Гераскин Петр Петрович

Ведущая организация Учреждение Российской академии наук

Институт биологии внутренних вод

им. И.Д. Папанина

Защита состоится «29» февраля 2012 года в 16:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.01 при Астраханском государственном университете по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, 1.

Автореферат разослан « 27 » января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор биологических наук Ю.В. Нестеров

Введение.

Актуальность проблемы. В последнее время одной из центральных проблем современной биологии является проблема адаптаций организмов к воздействию факторов окружающей среды. Основные особенности физиологии пищеварения рыб к настоящему времени изучены весьма подробно (Уголев, Кузьмина, 1993), однако факториальные исследования в этой области продолжаются по сей день (Кузьмина, 2007; Кузьмина, Ушакова, 2007). На протяжении ряда лет представители семейства Acipenseridae, многие из которых населяют воды Каспийского бассейна, привлекают к себе внимание исследователей. Однако до настоящего времени остается ряд вопросов, на которые не существует однозначного ответа. В области физиологии пищеварения рыб это касается особенностей воздействия на пищеварительные ферменты осетровых ряда ионов тяжелых металлов, так как относительно данного явления существует ограниченное количество работ (Кузьмина, Голованова, 1998; Неваленный, Бедняков, 2000; Бедняков, 2000; Неваленный и др., 2003). Кроме того, практически ничего не известно об особенностях адаптаций пищеварительных энзимов осетровых и вообще проходных рыб к периодически меняющимся (в силу их образа жизни) осмотическим условиям окружающей среды (Краюшкина, Семенова, 2006).

Цель работы изучить воздействие ионов тяжелых металлов и осмолярности среды на -амилазу, мальтазу и щелочную фосфатазу слизистой оболочки кишечника и пилорической железы русского осетра, используя методы кластеризации, нейросетевого и нечеткого моделирования.

Задачи исследования:

1. Проанализировать с привлечением классификационных методов особенности реакций ферментов слизистой оболочки кишечника и пилорической железы на присутствие ионов металлов исследуемых концентраций;

2. Выявить изменения уровня активности исследуемых ферментов при различных значениях осмотического давления среды;

3. Сравнить и проанализировать изменения уровня активности исследуемых ферментов различного происхождения при исследуемых факториальных воздействиях;

4. Разработать модели воздействия осмолярности на уровень активности исследуемых ферментов, исследовать возможности и ограничения созданных моделей;

5. Сравнить созданные модели воздействия осмотического давления на уровень активности ферментов по критериям точности, применимости, возможности содержательной интерпретации.

Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые исследовано воздействие осмолярности среды на активность пищеварительных ферментов русского осетра. При этом были сопоставлены реакции на данный фактор, а также на воздействие ионов тяжелых металлов ферментов слизистой оболочки кишечника и пилорической железы. Выявлены различия в реакциях ферментов разного происхождения, проведен всесторонний классификационный анализ полученных закономерностей. Создан комплекс классификационных и прогностических моделей, результаты которого обладают существенно большей надежностью в сравнении с результатами изолированно используемых методик. Впервые в данной области исследований были применены с целью моделирования нейроинформационные технологии и системы нечеткого вывода.

Теоретическая и практическая значимость работы. Впервые проведено информационное моделирование факториальных воздействий на организм гидробионтов. Полученные результаты позволяют установить определенные различия в функциональности пищеварительных ферментов слизистой оболочки кишечника и пилорической железы русского осетра. Создан и рекомендован к дальнейшему применению комплекс моделей, генерирующей результаты с повышенной надежностью. Также предложены практические рекомендации по созданию базы данных, объединяющей массивы самих данных, результаты классификационного анализа и непосредственно взаимосвязанные прогностические модели.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись на Конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ в 2007 – 2010гг., конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2007 г.), международной научной конференции «Биология: теория, практика, эксперимент» (Саранск, 2007 г.), Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 2008 г.), конференции «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (Астрахань, 2008), международной конференции «Фундаментальные аспекты биологии в решении актуальных экологических проблем» (Астрахань, 2008).



Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения и обсуждения результатов исследования, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 159 страницах, содержит 7 таблиц, 46 рисунков, список литературы включает 2 источника, из которых 41 иностранных.

Материал и методы исследований

Активность -амилазы в данной работе определялась методом Smith Roe в модификации А.М. Уголева, определение уровня активности мальтазы производилось глюкозооксидазным методом, а активность щелочной фосфатазы определяли по степени гидролиза n-нитрофенилфосфата Na с образованием n-нитрофенола (Неваленный и др., 2005).

При иерархической кластеризации данных расстояния между анализируемыми объектами вычислялись как евклидовы, из возможных параметров объединения использовались метод наиболее удаленных соседей, невзвешенное попарное среднее, метод Варда. Для нейросетевого моделирования воздействий факторов на уровень активности ферментов использовалась модель класса «многослойный персептрон», нечетко-нейронное моделирование осуществлялось с помощью модели класса ANFIS.

Результаты и обсуждение

Приведенные в данной работе результаты по влиянию ионов металлов на пищеварительные ферменты рыб во многом подтверждают выводы А.Н. Неваленного с соавт. (2003) относительно воздействия высоких концентраций ионов тяжелых металлов на активность пищеварительных гидролаз осетровых. Помимо этого, следует отметить обнаружение серьезных различий в уровнях активности ферментов для кишечника и пилорической железы. Различия реакций на воздействие ионов на эти ферменты дает основания для гипотезы о структурных и функциональных различиях этих белков, что подтверждается также результатами проведенного кластерного анализа (особенно важны его результаты при интерпретации данных относительно устойчивой к действию ионов щелочной фосфатазы). Устойчивость к воздействию данных факторов щелочной фосфатазы в принципе согласуется с литературными данными относительно поведения этого фермента в широком диапазоне концентраций ионов кадмия (Бедняков, 2000; Неваленный, Бедняков, 2000; Голованова, Фролова, 2005; Коростелев, Неваленный, 2007).

В результате проведения кластерного анализа экспериментальные данные как для -амилазы, так и для мальтазы были четко подразделены на 3 группы. Результаты анализа показывают сильную обособленность группы, включающей данные о влиянии изучаемых ионов в концентрации 10 мг/л на -амилазу слизистой оболочки кишечника. В случае же мальтазы данные о влиянии на фермент ионов в концентрациях 10 мг/л и 0,1 мг/л также достаточно четко разграничены, тогда как результаты относительно ферментов кишечника и пилорической железы полностью обособлены. В целом нам представляется, что успешная классификация данных, учитывающая цели проведенного исследования, может быть произведена при выбранном расстоянии 8 для -амилазы и 10 для мальтазы. Также существенно и то обстоятельство, что результаты классификации этих 2-х ферментов можно сравнивать, несмотря на то, что уровни их активности измерен различным образом. Непосредственно результаты кластерного анализа свидетельствуют о серьезных различиях в уровне активности и в его изменении под воздействием ионов металлов между ферментами слизистой оболочки и кишечника и слизистой пилорической железы, что особенно ярко проявляется в случае мальтазы. При кластеризации аналогичных данных для щелочной фосфатазы очевидно подразделение исходных данных на 2 отдельных кластера, соответствующих различиям в происхождении ферментов. Таким образом, несмотря на внешнее сходство реакций на присутствие ионов тяжелых металлов, отличительной чертой которых была значительная устойчивость фермента, фосфатаза кишечника и пилорической железы оказались обособленными друг от друга, причем в значительно большей степени по сравнению с карбогидразами.

Все данные, принадлежащие в отдельности результатам относительно кишечника и пилорической железы объединяются в кластеры при расстоянии 0,6, а окончательное объединение происходит лишь на расстоянии 2,4; соотношение между этими показателями 0,25, тогда как для -амилазы 0,45, а для мальтазы 0,6. Подобные результаты позволяют предположить даже более существенные различия поведения и, возможно, структуры для фосфатаз разного происхождения.

 Результаты кластеризации, полученные для щелочной фосфатазы-0

Рис. 1. Результаты кластеризации, полученные для щелочной фосфатазы (Переменная Control содержит данные контроля; переменные, содержащие результаты относительно воздействия ионов тяжелых металлов на уровень активности -амилазы, обозначены соответствующими химическими знаками; числа в именах переменных обозначают соответствующие концентрации исследуемых ионов, мг/л; переменные, содержащие результаты, полученные при исследовании слизистой оболочки кишечника, имеют в конце имени символ i, а полученные при исследовании слизистой пилорической железы – символ p. По вертикали расположены обозначения переменных, по горизонтали – расстояния)





С другой стороны, большинство авторов отмечает большое физиологическое значение постоянства осмотических параметров для внутренней среды организмов (Краюшкина, Семенова, 2006; Метельский, 2007; Металлов с соавт., 2010). Для большинства гидробионтов столь же важными являются достаточно узкие пределы изменения осмолярности внешней среды. Некоторые из рыб, к числу которых относятся и осетровые, периодически совершают миграции, в ходе которых сталкиваются с изменениями упомянутого параметра внешней среды и изучение адаптаций к этому фактору, безусловно, является необходимым для понимания особенностей пищеварения осетровых рыб.

В то же время исследования относительно влияния осмолярности внешней среды на процессы пищеварения и состав кишечной жидкости фрагментарны и не носят обобщающего характера (Аминева, Яржомбек, 1984).

Поэтому наряду с реакциями на изменение обсуждаемых факторов внешней среды ферментов слизистой оболочки кишечника мы сочли необходимым оценить также аналогичные реакции ферментов, содержащихся в пилорической железе русского осетра. Обработка данных при этом также выполнялась с привлечением методов кластерного анализа. Для ряда ферментов (преимущественно слизистой оболочки кишечника) был выявлен активирующий эффект низких значений исследуемого параметра. Это относится и к функционированию ферментов в среде, представляющей собой чистую дистиллированную воду. В отдельных случаях подобное воздействие оказывали и довольно высокие его значения (мальтаза в 10% NaCl и щелочная фосфатаза слизистой оболочки и -амилаза пилорической железы в 2,5% NaCl).

Однако все же в большинстве случаев при значениях осмотического давления, существенно превосходящих таковые используемого в экспериментах физиологического раствора наблюдается существенное понижение активности ферментов (в отношении 20%-го раствора хлорида натрия это правило соблюдается во всех случаях), поэтому имеет смысл говорить о достаточно высокой чувствительности пищеварительных гидролаз к данному фактору независимо от их структуры, функций и происхождения.

Сравнительный анализ реакций ферментов кишечника и пилорической железы на изменения осмолярности среды, проводимый при помощи кластеризации данных, позволил и здесь выявить существенные различия между данными группами ферментов. Хотя в отношении экстремальных значений солености эти реакции оказались во многом схожими и объединенными в общие кластеры, на большей части диапазона исследуемых концентраций отмечались тенденции группировки данных соответственно происхождению изучаемых ферментов. Это особенно ярко проявилось при анализе данных по активности щелочной фосфатазы, в принципе проявившей значительную устойчивость к воздействию внешних факторов. Таким образом, использование методов кластеризации данных позволило выявить различия между ферментами разного происхождения по отношению как к воздействию как ионов тяжелых металлов, так и осмотического давления среды. Для металлов, кроме того, выявлены кластеры, соответствующие различным концентрациям ионов, а также показано сходство в действии марганца и кобальта и железа с никелем.

Результаты кластеризации данных по воздействию осмолярности на пищеварительные ферменты весьма отчетливо свидетельствуют о глубоких различиях в поведении между ферментами кишечника и пилорической железы, наиболее выраженных у щелочной фосфатазы. Для -амилазы при используемом расстоянии 10 выделяется 4 кластера, анализ структур которых показывает, что данные здесь сгруппированы относительно изучаемых концентраций растворов.

Однако это в большей степени характерно для высоких концентраций, тогда как при низкой осмолярности данные уже обособляются друг от друга согласно происхождению ферментов. Еще большая степень такого разграничения наблюдается в случае исследования кластеризации мальтазы: при расстоянии 50 наблюдается 2 обособленных кластера, один из которых включает большую часть данных относительно кишечного фермента, другой – пилорической железы.

Изучение адаптаций ферментных систем пищеварительного тракта рыб к воздействию меняющихся факторов окружающей среды является во многом нерешенной задачей. Приведенные результаты свидетельствуют, на наш взгляд, о необходимости дополнительных биохимических исследований в этой области. В частности, это связано с изучением возможности существования отдельных фракций ферментов, выполняющих сходные функции, но обладающих разной степенью устойчивости к воздействиям определенного фактора или группы факторов среды. Также необходимы дополнительные исследования функций ферментов пилорической железы и изучение особенностей их структуры. Понимание данных различий будет не только иметь важное фундаментальное значение, но также будет способствовать разработкам более эффективных кормовых рецептур в рыборазведении, а кроме того позволит прогнозировать физиологические изменения в организме рыб при загрязнении окружающей среды.

Применение методов многомерного статистического анализа при обработке данных эколого-физиологических исследований в настоящее время крайне ограничено. В качестве одного из немногочисленных примеров можно привести работу С.В. Шипулина (2006). Наибольшую распространенность имеют четкие методы кластеризации.



Pages:   || 2 | 3 |
 


Похожие работы:







 
2013 www.деньсилы.рф - «МЕДИЦИНА-ЛЕЧЕНИЕ-ОЗДОРОВЛЕНИЕ»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.