DYNAMICS OF GABA METABOLISM IN RAT'S BRAIN STRUCTURES WITH EXPOSURE OF TOLUENE

ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ОБМЕНА ГАМК В СТРУКТУРАХ ГОЛОВНОГО МОЗГА КРЫС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТОЛУОЛА

Научная статья

Агаева С.В.^1, *, Фараджев А.Н.²

^{1, 2} Азербайджанский Государственный Педагогический Университет, Баку, Азербайджан

* Корреспондирующий автор (nazaket-alieva[at]mail.ru)

Аннотация

Изучена динамика метаболизма ГАМК в тканях различных структур ЦНС у интактных 6-ти месячных крыс и после воздействия на организм толуола (5 дней, внутрибрюшинно, 500 мг/кг). Результаты наших исследований показали, что при воздействии толуола происходит увеличение содержания ГАМК, уменьшение содержания свободных Глу и Асп, повышение активности фермента ГДК и понижение активности фермента ГАМК-Т в тканях структур головного мозга 6-ти месячных крыс. Можно предположить, что толуол оказывает действие на белковые структуры ферментов обмена ГАМК или взаимодействует с их коферментом – пиридоксаль-5-фосфатом.

Ключевые слова: гамма-аминомасляная кислота, глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота, глутаматдекарбоксилаза, ГАМК-аминотрансфераза, толуол.

DYNAMICS OF GABA METABOLISM IN RAT'S BRAIN STRUCTURES WITH EXPOSURE OF TOLUENE

Research article

Agayeva S.V.^1, *, Faradzhev A.N.²

^{1, 2} Azerbaijan State Pedagogical University, Baku, Azerbaijan

* Corresponding author (nazaket-alieva[at]mail.ru)

Abstract

The authors consider the dynamics of GABA metabolism in tissues of various CNS structures in intact 6-month-old rats after exposure of toluene (5 days, intraperitoneally, 500 mg/kg). The results of this research have shown that when exposed to toluene, there is an increase in the content of GABA, a decrease in the content of free Glu and Asp, an increase in the activity of the GDC enzyme and a decrease in the activity of the GABA-T enzyme in the tissues of brain structures of 6-month-old rats. It can be assumed that toluene has an effect on the protein structures of GABA metabolism enzymes or interacts with their coenzyme, pyridoxal-5-phosphate.

Keywords: gamma-aminobutyric acid, glutamic acid, aspartic acid, glutamate decarboxylase, GABA aminotransferase, toluene.

Толуол общеупотребительное название химического вещества, относящегося к классу моноциклических ароматических углеводородов, образующегося при замещении одного атома водорода в молекуле бензола метильной группой. Одновременно толуол является легкодоступным и дешевым галлюциногенным веществом, используемым токсикоманами.

Надо отметить, что большую роль в развитии токсических эффектов толуола на клеточном уровне играют доза и время воздействия. Известно, что интоксикация толуолом в первую очередь поражает ЦНС, вызывая серьезные структурные и функциональные изменения. При воздействии подобных агентов даже в небольших дозах и в случаях кратковременной интоксикации могут возникать перманентные нарушения в нейронных цепях различных мозговых структур, неизбежно отражающиеся в нейроповеденческих расстройствах [1]. Cогласно данным последних лет, ведущим фактором нейротоксического влияния толуола на ЦНС является его воздействие на нейротрансмиттерные и рецепторные системы мозга. Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), являющаяся нормальным продуктом обмена веществ в нервной ткани, обладает свойствами, отвечающими основным критериям медиатора центральной нервной системы.

Исходя из вышесказанного, целью настоящей работы было изучение влияния толуола (внутрибрюшинно, 5 дней, 500 мг/кг) на обмен ГАМК в тканях структур головного мозга 6-ти  месячных крыс.

Материалы и методы

Все эксперименты выполнены с соблюдением принципов международной декларации Европейского сообщества (86/609/ЕЕС). Эксперименты были проведены на белых крысах линии Вистар. Для опытов брали шести месячных крыс. Опытная группа – внутрибрюшинно вводили толуол, 5 дней, 500 мг/кг. Отделы мозга анализировали у интактных и опытных крыс. Содержание ГАМК, Глу и Асп [2], активность ГДК [3] и ГАМК-Т [4] определено в структурах головного мозга экспериментальных крыс. Полученные результаты обработаны статистически.

Результаты и обсуждение

Результаты проведенных исследований показали, что в нормальных условиях у интактных крыс содержание свободных медиаторных аминокислот – ГАМК, Глу и Асп распределено неравномерно в изучаемых отделах мозга.

 

Таблица 1 – Влияние толуола на содержание ГАМК, Глу и Асп (мкмоль/г) в тканях структур ЦНС 6-ти месячных крыс (M±m, n=5)

Области мозга	Группы	ГАМК	Глу	Асп
Кора больших полушарий  мозга	Контроль	2,79±0,09	4,69±0,15	3,13±0,11
	Опыт	3,38±0,12**	4,08±0,13*	2,75±0,09*
	%	121	87	88
Мозжечок	Контроль	2,34±0,07	5,15±0,12	3,28±0,08
	Опыт	3,02±0,09***	4,12±0,08***	2,69±0,09**
	%	129	80	82
Ствол мозга	Контроль	2,04±0,06	5,73±0,17	2,81±0,09
	Опыт	2,45±0,08**	5,16±0,12*	2,44±0,07**
	%	120	90	87
Гипоталамус	Контроль	3,85±0,12	6,21±0,14	3,88±0,12
	Опыт	4,47±0,16***	5,71±0,16*	3,53±0,09*
	%	116	92	91

Примечание: * - p<0,05; ** - p<0,01; *** - p<0,001  

Вероятно, что это связано с уровнем ГАМК-, Асп- и Глуергических нейронов в этих отделах головного мозга.  После воздействия толуола наблюдается достоверное снижение содержания Глу с параллельным повышением уровня ГАМК. При этом содержание свободной Асп в тканях коры больших полушарий мозга, мозжечка, ствола мозга и гипоталамуса уменьшается.

Изменение содержания этих аминокислот в ткани мозга связано с его общим ростом, уменьшением в нем количества воды и увеличением объема нервных клеток и нейропиля и количества липидов. Мозг отличается от других органов высоким содержанием Глу и ГАМК, накопление которых происходит параллельно с формированием нейрона и его структурной дифференцировкой.

Результаты следующих серий опытов показали, после воздействия толуола активность ГДК в тканях коры больших полушарий мозга, мозжечка, ствола мозга и гипоталамуса увеличивается по сравнению с данными контрольной группы (таб. 2). После действия толуола активность ГАМК-Т во всех структурах нервной системы также меньше по сравнению с данными контрольной группы.

Основные изменения системы ГАМК при воздействии на организм толуола связаны с увеличением активности ГДК и угнетением ГАМК-Т. В настоящее время четко объяснить обнаруженное нами повышение активности ГДК и соответствующее увеличение содержания ГАМК в исследованных отделах ЦНС крыс при действии толуола пока не представляется возможным. Можно лишь указать на высокую лабильность этого фермента и его выраженную подверженность влиянию нейротропных факторов. Возможно, что при действии толуола нарушаются окислительные процессы в структурах мозга, обусловливающие более интенсивный биосинтез коэнзима ГДК-пиридоксальфосфата, а также имеет место сдвиг рН в этих отделах мозга в сторону оптимума для реакции декарбоксилирования Глу.

 

Таблица 2 – Влияние толуола на активность ферментов ГДК (мкмоль ГАМК/г·ч) и ГАМК-Т (мкмоль Глу/г·ч) в тканях структур ЦНС 6-ти месячных крыс

Области мозга	Группы	ГДК (мкмоль ГАМК/г.час)	ГАМК-Т (мкмоль Глу/г.час)
Кора больших полушарий  мозга	Контроль	80,42±2,55	82,04±2,18
	Опыт	94,90±2,43**	72,20±2,30*
	%	118	88
Мозжечок	Контроль	89,18±2,78	84,34±2,45
	Опыт	110,58±3,41**	68,32±2,54**
	%	124	81
Ствол мозга	Контроль	63,85±2,14	68,12±1,69
	Опыт	74,07±2,06**	59,26±1,38**
	%	116	87
Гипоталамус	Контроль	101,63±3,58	91,63±3,09
	Опыт	111,79±2,12*	83,38±1,76*
	%	110	91

Примечание: * - p<0,05; ** - p<0,01; *** - p<0,001  

Содержание ГАМК в нервных клетках будет также возрастать при снижении интенсивности ее утилизации в цикле Кребса на уровне янтарной кислоты.

Данные о метаболизме ГАМК в ткани головного мозга свидетельствуют о ее важной роли в регулировании соотношения процессов возбуждения и торможения. Представления о ГАМК как возможном медиаторе торможения, о компартментализации и связи ее с энергетическими процессами послужили основанием для исследования роли нарушений обмена этой аминокислоты в развитии нервной патологии различных видов. Повышение или снижение уровня ГАМК в ткани мозга при различных экстремальных воздействиях указывает на возникновение кризисного состояния вследствие нарушения компенсаторных возможностей организма.

Высокая концентрация ГАМК в ткани мозга млекопитающих свидетельствует, что ее роль в нервной деятельности не ограничивается лишь медиаторной функцией. В случае нормального функционирования важнейших систем организма концентрация ГАМК в мозге поддерживается на стабильном уровне, что указывает на высокую пластичность обмена в ЦНС и на важность многообразных эффектов ГАМК, способствующей общему торможению активности нервных структур. Топографическое распределение ГАМК и синтезирующего ее фермента ГДК свидетельствует об их приуроченности к нервным структурам, связанным с тормозными процессами.

Толуол оказывает влияние на различные нейромедиаторные системы, включая дофамин, ГАМК и глутамат [5], [6].

В начале 1988 года исследовано субхронический (1 месяц, 16 часов в день по 50, 250 или 1000 ppm) или хронический (3 месяца, 16 часов в день, 500 ppm) воздействия толуола на ГАМК в мозге крыс [7]. Выявлено, что ГАМК увеличивается в стволе мозга и лобная кора в субхроническом состоянии и уменьшается в коры больших полушарий мозга в хроническом [7]. Показало, что в течение 2 часов при 2000 ppm толуола повышается уровень внеклеточной ГАМК в мозжечке (167% во время и через 60 минут после воздействия) [8]. Хотя авторы предположили, что результаты могут быть связаны с входным сигналом мозжечка от спинного мозга и ядер ствола мозга. Толуол оказывает более непосредственное влияние на GABAergic нейронов мозжечка.

Толуол повышает уровень внеклеточного ГАМК в коре мозга. Введение CGP 35348 (антагонист ГАМК) ингибирует некоторые эффекты толуола на вестибуло-окуломоторный рефлекс, подтверждают гипотезу о том, что толуол влияет на вестибуло-окуломоторный рефлекс через изменение ГАМК нейротрансмиссии. Толуол оказывает региональное специфическое влияние на передачу ГАМК в ЦНС [8]

Острый толуол уменьшает глутамата. Повторное воздействие толуола увеличивает токи NMDA, а также отдельные субъединицы рецептора NMDA [9]. Длительное воздействие (10 дней, до 8000 ppm) толуола повышает уровень субъединицы рецептора NMDA в мозге [10]. Острый толуол повышает уровень внеклеточного глутамата гиппокампа [11]. Эффекты толуола на пресинаптическую передачу ГАМК зависят от области мозга, так как острый толуол увеличивал внеклеточную ГАМК в мозжечке и не влиял на стриатум [8], [12].

Можно полагать, что увеличение количества ГАМК в нервных клетках является компенсаторной реакцией организма для поддержания многообразных ее эффектов в отношении различных звеньев обмена веществ в течение интоксикации толуола.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Liu C.L. Effects of toluene exposure during brain growth spurt on GABA a receptor-mediated functions in juvenile rats / C. L. Liu, Y. R. Lin, M. H. Chan, H. H. Chen // Toxicol. Sci. – 2007. – Vol. 95. - №. 2. – P. 443-451.
2. Doze K. Dir anvendug der hochspanmumgspherographie dei der guantitativen totalanoiyse von protein hydrolysaten / K. Doze // Mittelling Biochem. Z. – 1957. – Vol. 329. - № 2. - P. 390-398.
3. Sytinsky I. A. Effect of certain drugs on gamma-aminobutyric acid system on central nervous system / I. A. Sytinsky, T. N. Priyatkina // Biochem. Pharmacol. – 1966. – Vol. 115. - № 1 - P. 49-57.
4. Нилова Н. С. Аммиак и ГАМК-трансаминазная активность ткани головного мозга / Н. С. Нилова // Докл. АН СССР. – 1966. - Т. 2. - С. 483-486.
5. Eisenberg D.P. Neurotoxicity and mechanism of toluene abuse / D. P. Eisenberg // Journal of Biology and Medicine. – 2003. – Vol. 19 – P. 150-159.
6. Bowen S.E. The last decade of solvent research in animal models of abuse: mechanistic and behavioral studies / S. E. Bowen, J. C. Batis, N. Paez-Martinez, S. L. Cruz // Neurotoxicology and Teratology – 2006. – Vol. 28 – P. 636–647.
7. Bjornaes S. Biochemical changes in different brain areas after toluene inhalation / S. Bjornaes, L. U. Naalsund // Toxicology – 1988. – Vol. 49 – P. 367-374.
8. Stengard K. Acute toluene exposure increases extracellular GABA in the cerebellum of rat: a microdialysis study / K. Stengard, R. Tham, W. T. O'Connor and others // Pharmacology & Toxicology – 1993 – Vol. 73 – P. 315-318.
9. Bale A.S. Alterations in glutamatergic and gabaergic ion channel activity in hippocampal neurons following exposure to the abused inhalant toluene / A. S. Bale, Y. Tu, E.P. Carpenter-Hyland and others // Neuroscience – 2005. - Vol. 130 – P. 197–206.
10. Williams J.M. Effects of repeated inhalation of toluene on ionotropic GABA A and glutamate receptor subunit levels in rat brain / J. M. Williams, D. Stafford, J. D. Steketee // Neurochemistry International. – 2005. – Vol. 46 – P. 1-10.
11. Win-Shwe T.T. Toluene induces rapid and reversible rise of hippocampal glutamate and taurine neurotransmitter levels in mice / T. T. Win-Shwe, D. Mitsushima, D. Nakajima and others // Toxicology Letters – 2007. – Vol. 168- P. 75–82
12. Stengard K. Acute toluene exposure decreases extracellular gammaaminobutyric acid in the globus pallidus but not in striatum: amicrodialysis study in awake, freely moving rats / K. Stengard, W. T. O'Connor // European Journal of Pharmacology – 1994. – Vol. 292 – P. 43–46.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Liu C.L. Effects of toluene exposure during brain growth spurt on GABA a receptor-mediated functions in juvenile rats / C. L. Liu, Y. R. Lin, M. H. Chan, H.H.Chen // Toxicol. Sci. – 2007. – Vol. 95. - №. 2. – P. 443-451.
2. Doze K. Dir anvendug der hochspanmumgspherographie dei der guantitativen totalanoiyse von protein hydrolysaten / K. Doze // Mittelling Biochem. Z. – 1957. – Vol. 329. - № 2. - P. 390-398.
3. Sytinsky I. A. Effect of certain drugs on gamma-aminobutyric acid system on central nervous system / I. A. Sytinsky, T. N. Priyatkina // Biochem. Pharmacol. – 1966. – Vol. 115. - № 1 - P. 49-57.
4. Nilova N. S. Ammiak i GAMK-transaminaznaja aktivnost' tkani golovnogo mozga [Ammonia and GABA transaminase activity of brain tissue] / N. S. Nilova // Reports of the Academy of Sciences of the USSR. – 1966. – V. 2. – P. 483-486. [in Russian]
5. Eisenberg D.P. Neurotoxicity and mechanism of toluene abuse / D. P. Eisenberg // Journal of Biology and Medicine. – 2003. – Vol. 19 – P. 150-159.
6. Bowen S.E. The last decade of solvent research in animal models of abuse: mechanistic and behavioral studies / S. E. Bowen, J. C. Batis, N. Paez-Martinez, S. L. Cruz // Neurotoxicology and Teratology – 2006. – Vol. 28 – P. 636–647.
7. Bjornaes S. Biochemical changes in different brain areas after toluene inhalation / S. Bjornaes, L. U. Naalsund // Toxicology – 1988. – Vol. 49 – P. 367-374.
8. Stengard K. Acute toluene exposure increases extracellular GABA in the cerebellum of rat: a microdialysis study / K. Stengard, R. Tham, W. T. O'Connor and others // Pharmacology & Toxicology – 1993 – Vol. 73 – P. 315-318.
9. Bale A.S. Alterations in glutamatergic and gabaergic ion channel activity in hippocampal neurons following exposure to the abused inhalant toluene / A. S. Bale, Y. Tu, E.P. Carpenter-Hyland and others // Neuroscience – 2005. - Vol. 130 – P. 197–206.
10. Williams J.M. Effects of repeated inhalation of toluene on ionotropic GABA A and glutamate receptor subunit levels in rat brain / J. M. Williams, D. Stafford, J. D. Steketee // Neurochemistry International. – 2005. – Vol. 46 – P. 1-10.
11. Win-Shwe T.T. Toluene induces rapid and reversible rise of hippocampal glutamate and taurine neurotransmitter levels in mice / T. T. Win-Shwe, D. Mitsushima, D. Nakajima and others // Toxicology Letters – 2007. – Vol. 168- P. 75–82
12. Stengard K. Acute toluene exposure decreases extracellular gammaaminobutyric acid in the globus pallidus but not in striatum: amicrodialysis study in awake, freely moving rats / K. Stengard, W. T. O'Connor // European Journal of Pharmacology – 1994. – Vol. 292 – P. 43-46.