Антиоксидантная защита моллюска-вселенца анадары эффективнее, чем у аборигенной мидии

Внешний вид анадары Anadara kagoshimensis (взрослые особи, размер раковин 30-35 мм, собраны на южном берегу Крыма, пос. Кацивели, Голубая бухта). (Фото О. Гостюхиной)

В работе рассматривают особенности совместной работы ферментного и низкомолекулярного звена системы антиоксидантной (АО) защиты у двух видов черноморских двустворчатых моллюсков с разной устойчивостью к окислительному стрессу: аборигенного вида мидии и вселенца анадары, интересного тем, что он содержит в крови гемоглобин и, как следствие, красную кровь. Изучали ткани: гепатопанкреас (пищеварительный орган), жабры и мышечную ткань (ногу) моллюсков. В антиоксидантной защите тканей мидии преобладало ферментное звено. Об этом свидетельствуют более высокая, по сравнению с анадарой, активность глутатионперкосидазы, обезвреживающей низкие концентрации пероксида водорода (гепатопанкреас, жабры), и супероксиддисмутазы (гепатопанкреас, нога), но меньший ресурс восстановленного глутатиона (жабры, нога). В тканях анадары велика роль низкомолекулярного звена, что подтверждается более высоким, чем у мидии, уровнем глутатиона (жабры, нога) в сочетании с повышенной активностью ряда АО ферментов - глутатионперкосидазы (нога), а также супероксиддисмутазы и каталазы (жабры). В отличие от мидии, в тканях анадары наблюдалась более эффективная совместная работа ферментов супероксиддисмутазы, каталазы и системы глутатиона, что определило существенно более низкое, чем у мидии, содержание продуктов окисления во всех исследованных тканях.

Водные организмы, в отличие от наземных, нередко вынуждены существовать в условиях существенного ограничения, а иногда, и полного отсутствия кислорода. При этом организм сталкивается с двумя основными проблемами – как обеспечить себя энергией при дефиците кислорода (гипоксии) и как защитить клетку от действия активных форм кислорода (АФК), образующихся как в норме, так и при гипоксии. Следовательно, водным организмам необходимы определенные системы защиты от повреждений, вызываемых АФК. Одной из ключевых таких систем выступает антиоксидантная система (АОС) – специализированные антиоксидантные ферменты и низкомолекулярные вещества, обезвреживающие разные виды АФК. Особый интерес представляет изучение АОС двустворчатых моллюсков-фильтраторов, испытывающих влияние множества неблагоприятных факторов и частых флуктуаций параметров водной среды. Наиболее актуально сравнение видов моллюсков с разной устойчивостью к гипоксии, аноксии, другим видам окислительного стресса, например, сравнительно устойчивой мидии Mytilus galloprovincialis (Bivalvia: Mytilidae) и высоко устойчивой анадары Anadara kagoshimensis (Bivalvia: Arcidae) (заглавная иллюстрация, рис. 1-2). Эти массовые виды широко распространены, способны выживать при существенных колебаниях уровня кислорода, температуры, солености.

В структуре АО комплекса можно выделить ряд подсистем, в частности, ферментное звено, представленное специализированными АО ферментами (глутатионпероксидазой (ГП), глутатионредуктазой (ГР), каталазой, супероксиддисмутазой (СОД) и рядом других), а также неферментное (низкомолекулярное) звено, в котором ведущая роль принадлежит глутатиону – веществу белковой природы, способному обезвреживать широкий ряд АФК. Глутатион называют «ферзем» АО системы за его широкие антиоксидантные возможности. Можно выделить и функциональные комплексы, выполняющие совместно или последовательно, общую функцию –
а) глутатионовый комплекс – глутатион и глутатион-зависимые ферменты – ГП и ГР, обезвреживающие низкие физиологические концентрации пероксида водорода и других продуктов ПОЛ;
б) система СОД-каталаза, последовательно инактивирующая супероксидный радикал и пероксид водорода в высоких концентрациях.

Наши результаты показали, что анадару отличает существенно более высокое содержание продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ), которое вызывается свободными радикалами кислорода, это обнаружено во всех исследованных тканях моллюсков – жабрах, гепатопанкреасе и ноге. Это может быть связано с удивительной особенностью обмена веществ у анадары: обнаружено, что у этого моллюска в одних органах (гепатопанкреасе и жабрах) более активно идут процессы анаэробного (бескислородного) обмена, тогда как в других (нога) – наоборот, аэробного обмена (см. рис. 1). Следовательно, это может способствовать снижению кислородной нагрузки на анадару в целом, в отличие от мидии. Более низкий, чем у мидии, уровень продуктов ПОЛ в ноге анадары, возможно, обусловлен более высоким содержанием в этом органе каротиноидов (Гостюхина и др., 2012), способных наряду с компонентами АО системы обезвреживать АФК и вносить дополнительный вклад в АО защиту. Наличие большого количества каротиноидов в ноге анадары можно заметить невооруженным глазом: эти вещества определяют ярко-оранжевую окраску массивной ноги анадары.

Глутатионовая система. В ноге анадары выявлен гораздо более высокий уровень глутатиона и активность фермента ГП. Так как в ноге моллюска, в отличие от мидии, преобладает аэробный обмен, возможно, это способствовало образованию в этом органе ряда АФК, обезвреживаемых преимущественно глутатионовой системой.

Обращает на себя внимание существенно более высокий резерв глутатиона в ноге анадары как по сравнению с остальными тканями моллюска, так и в сравнении с мидией. Можно предположить, что ресурс глутатиона поддерживается в основном за счет его синтеза de novo с использованием свободных аминокислот, уровень которых в ноге анадары существенно ниже, чем у мидии. Вероятно, часть свободных аминокислот – глицин, цистеин и глутамат – используется для синтеза GSH. Кроме того, гепатопанкреас анадары, где выявлен более высокий пул аминокислот, чем у мидии, может служить донором необходимых аминокислот для данного процесса. Подобный механизм, проявляющийся, например, в конверсии метионина в цистеин, известен для клеток печени.

Рис. 1. Внутреннее строение анадары Anadara kagoshimensis (видны органы: массивная ярко-оранжевая нога (в центре); жабры (пластинчатые структуры серого цвета на фоне лакун, заполненных кровью; мышечные элементы (светлых оттенков); гепатопанкреас – не виден, находится под ногой в центре). (Фото О. Гостюхиной)

Более высокий уровень перекисных процессов в гепатопанкреасе, так же как и в остальных исследованных тканях мидии, вероятно, обусловлен специфическим соотношением прооксидантных и антиоксидантных процессов, характерных для этого моллюска и, очевидно, сдвигом баланса между этими процессами в сторону более интенсивных перекисных реакций, в отличие от анадары. Кроме того, наряду с видоспецифическими особенностями, это может быть связано с преднерестовым состоянием у мидии. Как было показано нами ранее, ткани мидии имеют специфику АО комплекса в зависимости от природы окислительного стресса. В качестве модели естественного окислительного стресса рассматривали состояние нереста, начинающегося у мидии в марте. На фоне нереста отмечали наибольший рост уровня ПОЛ и изменения АО параметров именно в гепатопанкреасе, в то время как в жабрах и ноге – в меньшей степени. В гепатопанкреасе мидии в нерестовый период происходит активизация обмена веществ, что ведет к общему усилению метаболизма и, вероятно, росту интенсивности перекисных процессов. Возможно, преднерестовое состояние мидии также способствовало усилению ПОЛ. У анадары, напротив, нерест происходит существенно позже – в июне-сентябре, следовательно, этот процесс не мог оказать подобного влияния на организм анадары в весенний период (март).

Интересно отметить, что, по нашим данным, уровень глутатиона в гепатопанкреасе и жабрах анадары имеет сходные значения, в отличие от мидии. Аналогичная картина установлена и в исследовании на примере анадары Броутона из залива Петра Великого, тогда как у моллюсков других видов наибольший ресурс глутатиона обнаруживается, как правило, только в пищеварительной железе. Такая особенность подчеркивает особую организацию глутатионовой системы анадары - гемоглобинсодержащего моллюска. Повышенный по сравнению с другими видами ресурс этого ключевого низкомолекулярного антиоксиданта может быть обусловлен также одной из его важных функций – восстановлением метгемоглобина (окисленной формы гемоглобина). Очевидно, глутатион обеспечивает поддержание восстановленной формы гемоглобина в эритроцитах анадары, защищая его от автоокисления в случае гипоксии, что, безусловно, важно для нормального функционирования организма при нехватке кислорода.

Как иллюстрацию видовых особенностей АО комплекса моллюсков, имеющих разную устойчивость к дефициту кислорода, можно привести результаты исследования по влиянию гипоксии и аноксии на особей разных видов дальневосточных моллюсков. Показано, что реакции их антиоксидантной системы на снижение концентрации кислорода в среде могут существенно различаться. Особи одних видов (мидия Грея, тегула простая), вероятно, адаптированы к относительно постоянным условиям среды: реакции их АО ферментов на гипоксию, в частности, ГР, СОД и каталазы, заключались в поддержании активности на прежнем нормальном уровне. Авторы связывают это с неспособностью молекулярных защитных систем этих моллюсков, обитающих в стабильных условиях, быстро реагировать на изменения внешней среды. Предполагается, что у этих видов главная защитная роль при гипоксии принадлежит низкомолекулярным антиоксидантам. В то же время моллюски, зарывающиеся в грунт или обитающие в зоне интенсивных приливно-отливных течений (мактра сахалинская, литторина маньчжурская), обнаруживают другой тип АО ответа – повышение активности СОД и ГР. Вероятно, так же как дальневосточные мактра и литорина, испытывающие гипоксические состояния, анадара выработала адаптации к недостатку кислорода с эффективным использованием как ферментных АО систем, так и низкомолекулярных антиоксидантов, среди которых ключевая роль принадлежит глутатиону и системе глутатиона в целом.

Система СОД-Каталаза. В ноге и гепатопанкреасе анадары активность СОД, по сравнению с мидией, ниже, а ресурс глутатиона, напротив, - выше. Глутатион, в избытке присутствующий в клетках, способен наряду с другими АФК непосредственно обезвреживать супероксидный анион-радикал (СОАР), тем самым дублируя функцию СОД, которая является специализированным ферментом. Следовательно, при дефиците кислорода у анадары глутатион дополняет или частично заменяет функцию СОД по инактивации этого опасного радикалав указанных органах. Глутатион образует с СОД своеобразную антиоксидантную систему для эффективного обезвреживания СОАР, в обратном случае происходит накопление пероксида водорода и других радикалов. Это тем более актуально для моллюсков из донных местообитаний с периодически пониженной концентрацией кислорода, так как позволяет при нарастании уровня АФК обеспечить быстрый и эффективный антиоксидантный ответ с помощью низкомолекулярного глутатиона без дополнительного наращивания активности фермента СОД, что требует затрат времени и энергии.

Рис. 2. Внутреннее строение мидии Mytilus galloprovincialis (видны органы: нога бледно-желтого цвета (между створками в центре); жабры (желтого цвета в виде пластин, лежащих в створках раковины; гепатопанкреас – не виден, находится под ногой в центре). (Фото О. Гостюхиной)

В жабрах обоих моллюсков стратегия АО защиты разная. Так, в жабрах мидии преобладает активность глутатионовой пероксидазы. Этот фермент участвует в расщеплении низких концентраций пероксида водорода и гидроперекисей. В жабрах анадары, напротив, высок ресурс глутатиона, а также так более высокая, чем у мидии, активность ключевых АО ферментов – СОД и каталазы. Эти ферменты разрушают супероксидны радикал и пероксид водорода в высоких концентрациях. Высокий ресурс глутатиона в жабрах гемоглобинсодержащей анадары, но мнеее активная, чем у мидии, глутатионпероксидаза, могут говорить о самостоятельно роли глутатиона, дополняющей работу ферментного звена АО комплекса. Интересен то факт, что уровень глутатиона в жабрах моллюсков рода анадара, имеющих гемоглобин и, как следствие, красную кровь, существенно выше, чем у моллюсков, не содержащих гемоглобин, – устриц, гребешков, мидий и других.

Таким образом, в АО защите тканей мидии преобладало ферментное звено. Это выражалось в более высокой, чем у анадары, активности ГП (гепатопанкреас, жабры) на фоне сниженного ресурса глутатиона (жабры), что свидетельствует о более напряженном состоянии ГПС по сравнению с анадарой. Мидия отличалась также более высокой активностью СОД (гепатопанкреас, нога). Антиоксидантный профиль анадары определило в первую очередь низкомолекулярное АО звено – существенно более высокий, чем у мидии, ресурс глутатиона (жабры, нога), который совместно с повышенной активностью ГП (нога), а также СОД и каталазы (жабры) обеспечивает антиоксидантную защиту организма моллюска. В отличие от мидии, в тканях анадары наблюдается более эффективная совместная работа СОД, каталазы и системы глутатиона, результатом чего явилось более низкое содержание продуктов ПОЛ во всех исследованных тканях анадары. Выявленные особенности совместной работы ферментного и низкомолекулярного звена АО комплекса мидии и анадары во многом определяют разную устойчивость моллюсков этих видов к окислительному стрессу. Полученные результаты подтверждают сложившееся представление об анадаре как об одном из наиболее конкурентоспособных вселенцев по сравнению с аборигенными видами, успешно осваивающем новые биотопы в Азово-Черноморском бассейне и ставшем одним из важных компонентов донных сообществ.