Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Особенности адаптационного потенциала крупного рогатого скота зарубежной селекции в условиях агроэкосистемы Южного Урала.pdf
личие от меди, Mn
3+
связан в основном с кислородными донорными
группами – карбоксильными, фенольными и одновременно с одним
или двумя имидазо-лами. Ферменты, содержащие Mn2+, могут использовать Fe2+, но не Cu2+, Ni2+, Zn2+. Иногда возможно замещение
2+
Mn
на Mg2+.
Большие дозы Mn2+ в корме (1,75 % сухой массы) задерживают
рост и вызывают потерю конкурента – Ca2+ – c фекалиями. Избыток Mn2+ в корме (2,0 мг/г) мешает абсорбции и метаболизму железа,
а следовательно, уменьшает образование гемоглобина. Таким образом, марганец действует как антагонист железа.
Неизвестны специальные системы переноса Mn2+ в клетки. Выход Mn2+ из клеток осуществляется тем же путем, что и Ca2+ вследствие близости величин их радиусов. В крови Mn
2+
транспортируется β-глобулином плазмы и трансманганином, функция которых еще
до конца не выяснена (Ю.А. Ершов, Т.А. Плетенева, 1989).
Все это определяет многочисленные функции марганца в организме (А.В. Скальный, И.А. Рудаков, 2004): участвует в синтезе
и обмене нейромедиаторов в нервной системе; препятствует свободно-радикальному окислению, обеспечивает стабильность структуры
клеточных мембран; обеспечивает нормальное функционирование
мышечной ткани; участвует в обмене гормонов щитовидной железы
(тироксин); обеспечивает развитие соединительной ткани, хрящей
и костей; усиливает гипогликемический эффект инсулина; повышает
гликолитическую активность; повышает интенсивность утилизации
жиров; снижает уровень липидов в организме; противодействует
жировой дегенерации печени; участвует в регуляции обмена витаминов С, Е, группы В, холина, меди; необходим для нормального
роста и развития организма.
А.В. Скальный и И.А. Рудаков в своих работах отмечают, что
факторы отравления человека марганцем, содержащимся в пищевых продуктах, не зафиксированы. В то же время описаны случаи
острого отравления марганцевой пылью на производстве с последующим быстрым развитием преходящего «марганцевого психоза»
и других патологических проявлений. Для развития клинической
картины хронической интоксикации марганцем обычно требуется
несколько лет. Например, достаточно медленный процесс изменений в организме, вызываемый повышенным содержанием марганца
61
в окружающей среде, распространение эндемического зоба, не связанного с дефицитом йода.
Также известно, что при экспозиции солями Mn2+ наблюдаются
гипогликемия (G.S. Shukla, S. Chaadra, 1982). Изменения в метаболизме глюкозы могут вызвать серьезные нарушения в физиологии
клетки. Поэтому сведения о влиянии Mn2+ на ферменты, участвующие в окислении глюкозы, имеют важное значение.
Медь. Содержание меди в земной коре составляет от 4,5 мг/кг,
в морской воде – 1–25 мкг/кг. Медь является одним из незаменимых важнейших микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности человека, животных, растений. Соединения меди занимают
второе после соединений железа место в качестве катализаторов
окислительно-восстановительных реакций. Содержание меди в кормах определяется ее запасом в почве и видовым составом растений.
В бобовых накапливается больше меди, чем в злаковых. В районах
с болотистыми почвами часто выявляют симптомы дефицита меди
у жвачных.
Усвоение и обмен меди связаны с содержанием в пище других
микроэлементов и органических соединений. Физиологические антагонисты меди – Мо, S, Mn, Zn, Pb, Cd, Ag, Fe, сульфиды, карбонаты (R.J. Cousins, 1985). Они снижают абсорбцию меди и увеличивают ее экскрецию.
Основные процессы всасывания меди происходят в желудке
и тонкой кишке, слизистая оболочка которой содержит металлотионеин, образующий комплексные соединения с медью. Ключевую
роль в обмене меди играет печень и ее основные структурные элементы – гепатоциты.
Медь существует в одно- и двухвалентном состояниях в простых катионных солях и комплексных соединениях. В координационных соединениях донорные группы содержат азот и серу. Аминокислоты взаимодействуют как бидентантные лиганды, в координации участвует и карбоксильная группа.
Ионы меди могут координировать от 2 до 6 лигандов. Вследствие этого медь присутствует во многих металлоферментах
и других белках. Она обусловливает стабильность и сохранение конформации белков. Медьсодержащие металлоферменты участвуют
в редокс-реакциях с кислородом, играя роль акцепторов электронов
62
в случае, когда медь непосредственно принимает участие в переносе
электрона. Различные медьоксидазы функционируют через циклический обмен между валентными состояниями меди с постоянным
использованием молекулярного кислорода.
В плазме медь активно связана с сывороточным альбумином,
а также с церулоплазмином. Последний содержит прочно связанную
медь (около 95 % всей меди плазмы) и функционирует как оксидаза.
Сu-альбуминовые комплексы обеспечивают транспорт меди через
мембраны и распределение ее в мягких тканях.
Металлотионеины также связывают медь (R.А. Lontie, 1982;
H. Yoshikawa, 1982). Они обеспечивают абсорбцию меди из кишечника и аккумулирование ее в некоторых органах (R.A. Lontie.,
D.R. Groeseneken, 1983). Молярная масса этих белков составляет примерно 7000 г/моль, и содержание цистеина в них высокое
(1/3 от всего количества аминокислот). Медьаккумулирующими бел-
ками в тканях являются эритро-, гепато-, церебро- и митохондрокуприны. Первые три были известны как цитокуприны, а в настоящее
время классифицируются как супероксиддисмутазы (В. Venugopal,
Т.D. Luckey, 1978).
Механизмы токсического действия меди у млекопитающих
сложны. Они включают повышенную клеточную проницаемость
у эритроцитов, ингибирование глутатионредуктазы, снижение концентрации внутриклеточного восстановленного глутатиона, агглютинацию, избыточное стимулирование гексозомонофосфатного шунта.
Сродством Cu2+ к SH-группам мембран эритроцитов объясняют увеличение их проницаемости (В. Venugopal, T.D. Luckey, 1978).
Косвенным доказательством важной роли тиоловых групп в механизме токсического действия меди является присутствие в печени
и медьсодержащего белка, богатого цистином.
Взаимное влияние меди и других неорганических веществ затрудняет исследование механизмов ее токсичности. Высокие уровни цинка, никеля, марганца в пище ограничивают содержание меди
в печени, а молибден и сульфат снижают абсорбцию и увеличивают
экскрецию меди.
Медь обладает селенантагонистическими свойствами: симптомы селенодефицита обнаружены у животных при введении меди
в больших дозах (G.N. Schrauzer, 1980).
63
Синтез церулоплазмина происходит на рибосомах печени.
В ней осуществляются по меньшей мере три процесса: синтез самого церулоплазмина, депонирование меди в составе металлотионеина
и превращение меди в недиализируемую форму, выделяемую через
желчь.
Церулоплазмин – α2-гликопротеид плазмы крови – единственная оксидаза млекопитающих, имеющая голубой цвет. Мультифункциональный белок, обладающий активностью ферроксидазы,
аминоксидазы и частично супер-оксиддисмутазы, участвующий
в гомеостазе меди и играющий роль реактанта острой фазы в воспалительных процессах, защищает липидные мембраны от перекисного окисления.
Медь участвует в обмене веществ животного организма как
компонент семи оксидоредуктаз, а у моллюсков и некоторых членистоногих выполняет роль переносчика кислорода, которым является гемоцианин. Из них для человека важное значение имеют
только 6 ферментов, поскольку седьмой – уратоксидаза – у приматов не найден.
При медной недостаточности у овец появляются светлые полосы на пигментированной шерсти, у индюков – депигментация оперения, у грызунов – ахромотрихия. Эти явления связаны с нарушением
синтеза фермента тирозиназы, катализирующего две реакции биосинтеза меланина: гидроксилирование тирозина до 3,4-дигидроксифенилаланина (ДОФА) и окисление ДОФА в ДОФА-хинон.
Ключевую роль в обмене меди играют печень и ее основные
структурные элементы – гепатоциты. Поступающая в них через
систему воротной вены медь связывается первоначально металлотионеином, найденным в печени человека и большинства исследованных животных. Противоречивость данных о природе белка, связывающего медь в печени, объясняется его окислением в процессе
выделения. Медь, первоначально связанная металлотионеином,
в дальнейшем включается в церулоплазмин, другие медьсодержащие ферменты и компоненты желчи. Церулоплазмин, наряду со
своими функциями оксидазы, выполняет также роль транспортного
белка, переносящего медь на тканевые ферменты, в первую очередь
на цитохромоксидазу. Важную роль в гомеостазе меди играют лизосомы гепатоцитов, удаляющие комплекс медь-тионеин из цитоплаз-
64
мы. Последний превращается в них в водоне-растворимую полимерную форму, ошибочно описанную ранее как митохондрокупреин.
Лизосомы захватывают частично десиалированный церулоплазмин,
который подвергается глубокому протеолизу и затем удаляется из гепатоцитов в желчные протоки. Однако большая часть асиалоцерулоплазмина (~70 %) поступает в желчь, минуя лизосомы. Кроме того,
часть интактного церулоплазмина может поступать в желчь непосредственно из печеночных кровеносных сосудов через синусоиды
между печеночными балками.
Медь играет определенную роль в процессах передачи нервного импульса.
Недостаточность меди вызывает анемию у всех исследованных
видов животных, однако конкретная роль меди в процессах гемопоэза остается неясной.
Другое хорошо известное проявление дефицита меди – это дефектный синтез коллагена, сопровождающийся ломкостью костей
и деформацией скелета у овец, крупного рогатого скота, собак, домашней птицы, лабораторных животных и при некоторых заболеваниях человека.
Влияние избыточных количеств меди (гиперкуприоз) практически не исследовано в патогенетическом отношении. Известно, что
избыток меди может вызывать признаки отравления, сопровождающиеся снижением активности и биосинтеза некоторых ферментов.
Избыток свободной меди угнетает активность окислительных
ферментов, что приводит к гибели клеток. Тяжелые нарушения кровообращения усиливают имеющуюся тканевую гипоксию.
Согласно T.J. Peters, F.A. Blumenstock (1967), медь альбуминовой фракции легко доступна для тканей и при избыточном ее содержании постепенно в них накапливается, вызывая ряд патохимических процессов, из которых основное значение имеют, по-видимому,
угнетение мембранной АТФазы, а также ингибирование некоторых
ферментов и кофакторов, содержащих сульфгидрильные группы
(глутатион, липоевая кислота), что в свою очередь ведет к задержке
окисления в тканях пировиноградной кислоты и других метаболитов
углеводного обмена. Следует также иметь в виду, что избыток меди
угнетает активность цитохромоксидазы и аминоксидазы. В хрусталике глаза человека и крупного рогатого скота избыток меди ведет
65
к полному или частичному угнетению ферментов гликолитического
и пентозного путей окисления глюкозы.
Концентрация меди в крови увеличивается при острых и хронических воспалительных заболеваниях, шизофрении, алкоголизме,
ревматизме, бронхиальной астме, заболеваниях почек, печени, инфаркте миокарда, при некоторых типах анемий, лимфогранулематозе, лейкозах, злокачественных новообразованиях, при хронических
инфекционных заболеваниях и после обширных оперативных вмешательств. Весьма вероятно, что столь обширное число гиперкупремических состояний имеет как общие, так и специфические факторы патогенеза. Одним из таких общих факторов является стресс
(А.П. Авцын и др., 1991).
Цинк содержится в земной коре в количестве 65 мг/кг в виде
различных руд, основу которых составляют сульфид цинка (ZnS),
силикат цинка (ZnSiО3), оксид цинка (ZnO). В морской воде содержание цинка составляет 9–21 мкг/кг. Цинк находится во всех растительных и животных тканях. В организме взрослого человека содержится 1,4–2,3 г цинка: 20 % – в костях, 6 % – в плазме, 2,8 % –
в эритроцитах, около 3 % – в печени, 65 % – в мышцах.
Таким образом, типичная концентрация ионов Zn2+ в тканях составляет 0,3–0,5 ммоль/кг. Необычно высокая концентрация
(~15,0 ммоль/кг) обнаружена в предстательной железе.
Цинк – один из наиболее распространенных необходимых металлов в организме человека и животных. Его содержание в организме в 10–15 раз выше меди и в 100 раз выше марганца (Ю.И. Москалев, 1985).
После калия, кальция, магния цинк является металлом с наибольшей внутриклеточной концентрацией. В биологической среде цинк легко образует комплексы с аминокислотами, пептидами
и белками. В металлоферментах и цинксодержащих комплексах
он подвергается окислительно-восстановительным процессам
и поэтому не участвует в переносе электронов. Цинк обpaзyeт комплексы с нуклеотидами и его обнаруживает в РНК. Металл имеет
сродство к →SH-ОН-группам и к лигандам, содержащим донорные
атомы aзотa.
Желудочно-кишечная абсорбция растворимых солей цинка
у млекопитающих различна. В среднем, она составляет 50 % от
66
потребляемого количества и зависит от содержания цинка в пище
(W.M. Becker, W.G. Hoekstra, 1971; S.M. Snedeker, J.L. Greger,
1983). При небольших количествах в пище его абсорбция может
достигать 80 %.
По данным термо-ионизационной масспектрометрии, абсорбция цинка из продуктов питания составляет 17,3 %.
Комплексы Zn2+ с гистидином и цистеином являются транспортными системами цинка в крови. Инъекция обеих аминокислот
или большие пероральные дозы гистидина приводили к увеличению
почечной экскреции цинка у человека и животных и снижению его
содержания в плазме и печени (P.W. Harvey, l981).
При внутривенных инъекциях цинк распределяется в эритроцитах, плазме, лейкоцитах. Около 80 % цинка крови находят в эритроцитах, 12–20 % – в плазме, около 3 % – в лейкоцитах. Большая
часть цинка в эритроцитах входит в состав карбоангидразы, в лейкоцитах также содержатся цинксвязывающие белки. Около 34 % цинка
плазмы прочно связаны с глобулинами, оставшееся количество – непрочно с альбумином. Существует динамическое равновесие между
цинком плазмы и цинком эритроцитов.
Внутри клетки цинк распределяется в цитозолях, ядре и органеллах. Хотя мышцы и содержат цинк в значительном количестве,
специфические центры хранения металла отсутствуют.
Абсорбция, быстрое установление равновесия между содержанием цинка в плазме и в тканях обусловлены у млекопитающих механизмами гомеостаза цинка.
По-видимому, метаболизм цинка регулируется синтезом кишечных и печеночных металлотионеинов, которые контролируют
его переходы из мукоцитов в кровь и из крови – в печень.
Предполагают существование двух гомеостатических механизмов в кишечнике – один контролирует абсорбцию, другой – экскрецию (W.J. Miller, 1969). Избыточное потребление цинка с пищей
вызывает синтез металлотионеинов и меньшую его абсорбцию
в плазму (M. Webb, K. Cain, 1982).
У металлотионеинов, содержащих цинк, М = 6600 г/моль, и они
на 33 % образованы цистеином и связывают шесть ионов Zn2+ в молекуле белка.
67
Синтез Zn-тионеинов предшествует и является обязательным
для синтеза ДНК при регенерации печени после частичной гепатэктомии. Причем в регенерирующейся печени преимущественно синтезируется один из двух металлотионеинов, выполняющих эту специфическую роль. Цинк может влиять на метаболизм железа, меди,
фосфора.
Цинк входит в состав металлоферментов: пептидазы, эстеразы,
ангидразы, щелочной фосфатазы, дегидрогеназы (А.П. Авцын и др.,
1991).
Карбоангидраза – широко распространенный фермент, проявляющий особенно высокую активность в клетках и тканях, участвующих в процессах дыхания, например, в эритроцитах. В 1 л крови
млекопитающих содержится 1–2 г этого фермента, представляющего собой мономерный белок (М = 30000 г/моль). Одна молекула его
содержит около 260 аминокислот и один прочно связанный с ним
ион Zn2+.
Карбоксипептидазы представляют собой цинксодержащие ферменты, образующиеся в поджелудочной железе животных, и служат для переваривания белков. Удалив цинк из карбоксипептидазы,
можно получить неактивный апофермент. Со2+ – карбоксипептидаза
проявляет большую пептидазную активность, чем цинксодержащий
фермент.
D-лактатдегидрогеназы (ЛДГ) бактерий и млекопитающих –
единственные флавопротеины, содержащие цинк.
На клеточном уровне цинк стимулирует образование полисом,
тормозит катализируемое железом свободнорадикальное окисление. Показано, что для перехода из одной фазы клеточного цикла
в другую необходимо наличие цинка, его недостаток блокирует
этот процесс.
Всасывание цинка в известных пределах обратно пропорционально его концентрации в содержимом кишечника, что объясняется
постепенным насыщением участков связывания этого элемента на
мембране исчерченной каемки. При высоких концентрациях цинка
возможно, однако, нарушение барьерной функции мембраны и его
неспецифическое связывание клеточными белками и другими лигандами. Существует, по-видимому, два различных механизма всасывания цинка, один из которых функционирует при низких концен-
68
трациях этого элемента. В этой связи количественное поступление
цинка в эпителий слизистой оболочки может быть сходным как при
низком, так и при высоком содержании этого элемента в содержимом кишечника.
Повышенное содержание белка в рационе улучшает всасывание цинка, по-видимому, за счет образующихся аминокислот. При
низкобелковом рационе усвоение цинка, напротив, снижается. Лизин, цистеин, глицин и глутамат стимулируют этот процесс, тогда
как положительное действие гистидина признается не всеми авторами. Повышенный уровень кальция в рационе затрудняет всасывание
цинка и нередко служит причиной заболевания свиней паракератозом (S.M. Snedeker еt а1., 1982).
К числу интересных результатов о влиянии витаминов на обмен
этого микроэлемента следует отнести данные о взаимосвязи между
обменом цинка и железа, с одной стороны, и витамина А – с другой.
Первыми на эту взаимосвязь указали В.К. Бауман и соавт. (1975),
обнаружившие нарушение всасывания цинка при гиповитаминозе А у цыплят, а в 1981 году В.К. Бауман выделила специфический
цинксвязывающий белок из кишечной стенки цыплят, синтез которого индуцируется витамином А. Этот витамин выполняет, таким
образом, в отношении цинка ту же функцию, что витамин D в отношении кальция, и не исключено, что механизм его действия близок
к таковому стероидных гормонов. Вместе с тем, G.W. Evans и соавт.
(1976) показали, что при дефиците цинка в печени нарушен синтез
ретинолсвязывающего белка, необходимого для транспорта витамина А в кровяном русле. Эти явления запускают каскадный механизм
порочного круга, при котором дефицит цинка или витамина А увеличивает их недостаток. Особенно сильное влияние оказывает одновременный дефицит обоих пищевых факторов, приводящий к срыву
гомеостатической регуляции организма. Этим, по-видимому, объясняется сезонный характер некоторых гипомикроэлементозов, таких
как, например, эндемический паракератоз крупного рогатого скота
в Узбекистане, наступающий в поздний зимний и ранний весенний
период, и эндемическая иктерогемоглобинурия у каракульских овец,
прекращающаяся в период их перехода на зеленый подножный корм.
Основным транспортным белком плазмы крови, переносящим
2/3 метаболически активного цинка, является альбумин. Содержание
69
цинка в плазме крови тесно коррелирует с количеством цинка, связанного альбумином (A.L. Failla, R.J. Cousins, 1978).
Относительно небольшая часть цинка в плазме крови связана
аминокислотами, преимущественно гистидином и цистеином. Физиологическое значение этих лигандов неизвестно, но вполне возможно, что в некоторые органы (например, в мозг) цинк поступает
в составе низкомолекулярных комплексов. Цинк из организма выводится в основном с калом.
При распаде тканей, например, при ожогах, хирургических операциях и других травмах, голодании существенно возрастает содержание цинка в моче. Значительное выделение цинка происходит при
инфузиях аминокислот, особенно цистеина и гистидина. Небольшое
количество этого элемента удаляется также с волосом и ногтями.
В настоящее время цинк найден более чем в 200 металлоферментах, участвующих в самых различных метаболических процессах, включая синтез и распад углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот. Цинксодержащие ферменты относятся ко всем шести
известным классам, но в наибольшем количестве представлены
в классе гидролаз. Они катализируют 27 различных реакций. Гомологичные ферменты получены из самых разных источников. Так,
щелочная фосфатаза изучена у 11, аминопептидаза – у 17, а нейтральная протеаза – у 25 различных видов живых организмов.
Следующая по численности группа, содержащая более 20 ферментов, относится к лиазам. Среди ее представителей находятся альдолаза, карбоангидраза и аминолевулинат-дегидратаза.
Более 10 цинксодержащих ферментов относятся к подклассу
фосфотрансфераз. Это тимидинкиназа, ряд нуклеотидилтрансфераз:
РНК- и ДНК-полимераза, полученные из 11 различных источников,
обратная транскриптаза миелобластоза птиц, поли (А)-полимераза –
из 8 источников и другие.
Токсичность цинка невелика, при введении его в избытке он не
кумулируется, а выводится. Однако в литературе имеются отдельные
сообщения о токсическом влиянии цинка. В противоположность этому большое значение для клинической медицины имеют цинкдефицитные состояния организма (А.П. Авцын и др., 1991):
– эндогенный дефицит цинка при врожденных и генетических
заболеваниях;
70