Биосинтез основных компонентов молока

Это сложный биологический процесс, обеспечивающий формирование уникального продукта, имеющего очень высокую ценность для новорожденного. В молоке содержится более 100 различных веществ, все незаменимые аминокислоты, более 30 жирных кислот, значительное количество макрои микроэлементов, 17 витаминов и десятки других необходимых организму детеныша веществ. Некоторые из основных составляющих — молочный белок (казеин) и молочный сахар (лактоза) — в природе не повторяются. Содержание различных компонентов молока подвержено значительным колебаниям в зависимости от условий кормления и содержания, стадии лактации, функционального состояния организма животного, наследственности, возраста, сезона года и т. д. На состав и количество молока оказывают существенное влияние гормоны гипофиза и других эндокринных желез.

Синтез молочных белков. Для интенсивного строительства нового организма с молоком детенышу необходимо получить достаточное количество белка, причем этот белок должен быть представлен в наиболее легко усвояемой форме. Молочный белок — казеин имеет особое химическое строение и его составляющие — аминокислоты, собранные в пептидные цепи, дополнительно связываются с кальцием и фосфором, т. е. с теми компонентами, которые так необходимы развивающемуся организму ребенка. Для строительства белковой молекулы казеина клетка отбирает только лучшие аминокислоты, в его составе содержатся все незаменимые аминокислоты, и это необходимое условие для полноценного развития организма новорожденного.

Основным источником аминокислот для построения молекулы казеина являются аминокислоты крови, где они появляются в результате деятельности системы пищеварения. И если поступление белковых продуктов с пищей недостаточно или аминокислотный состав не соответствует высоким требованиям лактационного периода, то начинается использование собственных белков организма, конечно же, полноценных по аминокислотному составу. Однако результаты этой протеолитической деятельности могут оказаться плачевными, организм не может работать в аварийном режиме постоянно, и деградация белков может постигнуть и собственные ферментные системы, в результате чего процессы синтеза постепенно угаснут. Часть белков молока могут переходить из плазмы (сыворотки) крови в молоко. Особенно это важно в отношении белков иммунной системы (иммуноглобулинов), которые синтезируются не в секреторных клетках, а в скоплениях лимфоидных и плазматических клеток. Попав в организм ребенка, они продолжат свою защитную функцию, и ребенок в первые месяцы своей жизни оказывается надежно защищенным от инфекций.

Таким образом, белки молока человека представлены казеином и сывороточными белками. Казеин составляет 76- 86% общего белка молока. Молекулы казеина в клетке образуют особым способом структурированные комплексы — мицеллы. Кроме казеина в их состав входят ионы кальция, неорганического фосфата и цитрата. Белки сыворотки молока составляют 14−24% общего белка молока и представлены альбуминами и глобулинами. Лактоальбумины в составе секрета молочных желез являются пластическими белками, используемыми новорожденными для построения своего тела. Лактоглобулины являются иммунными глобулинами, их количество составляет около 2% белков молока.

Жир молока является наиболее калорийной его частью. Это основной энергетический материал, получаемый новорожденным животным. Для некоторых видов млекопитаю;

щих (ластоногие, китообразные) жир молока необходим для образования собственного теплоизолирующего слоя подкожного жира, нужного для выживания в холодной воде. Самым интересным оказывается то, что природа каждую жировую капельку, имеющую диаметр 3−4 микрона, упаковала в оболочку из клеточной мембраны, на тысячелетия предвосхитив технологию создания липосом — похожих по структуре микроскопических шариков.

В настоящее время весьма просто воспользоваться этим продуктом высоких технологий — достаточно приобрести тот или иной крем на этой основе. Для лучшего проникновения в клетки полезные вещества помещают в пузырек, покрытый слоем фосфолипидных молекул. Эти вещества родственны веществам, составляющим оболочку клетки, и, подойдя к клеточной поверхности, липосома сливается с нею, и ее содержимое оказывается внутри клетки. Получается своеобразный «троянский конь*, когда узнавшая «свои* молекулы клетка втаскивает внутрь и пузырек, и его содержимое. Но для получения таких микроупаковок в технологии современного производства косметологических препаратов используется мощное ультразвуковое излучение, а клетка молочной железы производит такие же микроупаковки в ходе секреторного процесса.

Синтез углеводов молока. Основным углеводом является лактоза, которая синтезируется исключительно в ткани молочной железы. Лактоза является сложным сахаром (дисахаридом), соединяющим в себе молекулу виноградного сахара (глюкозу) и галактозу. Попав в организм новорожденных, молочный сахар под действием специального фермента — лактазы желудка, может расщепляться на глюкозу и галактозу. Эти углеводные компоненты являются крайне необходимыми для организма новорожденного, во-первых, для покрытия энергетических затрат и, во-вторых, для пластических целей — строительства новых клеток. Особое значение имеет галактоза, необходимая для синтеза цереброзидов развивающегося мозга детеныша. Эти вещества ответственны за образование связей между нервными клетками. При этом следует учитывать, что общее число нервных клеток после рождения ребенка увеличивается незначительно, а все развитие нервной системы происходит за счет образования многочисленных контактов между нервными клетками.

Таким образом, появление новых ассоциативных связей между нейронами и, конечно же, процесс восприятия ребенком окружающего мира находятся в зависимости от поступления в организм ребенка галактозы. Это поняли даже производители искусственных молочных смесей, и лактоза — более дорогой и менее сладкий сахар, стал обязательным компонентом детского питания. Вместе с натрием и калием, входящими в состав молока, лактоза является осмотически активным (притягивающим воду) компонентом и обеспечивает необходимый уровень поступления жидкости в организм новорожденного.

Витамины молока представлены 17 из 20 известных в настоящее время. Из них жирорастворимыми и связанными с молочным жиром являются витамины A, D, Е, К, а водорастворимыми, находящимися в плазме молока, аскорбиновая, фолиевая, n-аминобензойная, никотиновая, пантотеновая кислоты, биотин, инозит, пиридоксин, рибофлавин, тиамин, витамин Bi2.

Функциональное назначение этих биологически активных веществ трудно переоценить. Витамины являются регуляторами (кофакторами) биохимических реакций, и при их дефиците ряд метаболических превращений нарушается или вовсе прекращается. Необходимо отметить, что коровы, производя для нас полезный и витаминизированный продукт (молоко), работают как микробиологический реактор. Благодаря деятельности микрофлоры в организме коровы производится ряд витаминов, кроме того, происходит поступление витаминов с кормом, и молоко является весьма полноценным источником витаминов для питания человека. Но лактирующая женщина не обладает столь совершенным синтетическим аппаратом, и ей приходится думать и том, что ее пища должна содержать все необходимые витамины, которые с молоком достигнут организма ребенка.

Минеральные вещества молока необходимы как осмотический (совместно с лактозой) компонент молока. Однако высокое содержание солей сделало бы его очень невкусным! Поэтому достаточно большое количество минеральных веществ (не нарушающих вкусовых свойств) входят в состав молока как пластический материал для построения скелета и ферментов организма детеныша. Неорганические вещества составляют 0,75% всего состава молока, и его наиболее значимыми минеральными составляющими являются калий, кальций, фосфор и магний.

Продолжительность беременности и лактации. Исключительное влияние продолжительность беременности оказывает на степень развития детеныша. В зависимости от ее длительности рождаются детеныши двух типов. При короткой беременности новорожденные обычно развиты слабо, слепы за счет сращения век и глухи из-за закрытых ушных проходов. При более длительной беременности детеныши, как правило, рождаются хорошо развитыми, видят и слышат и могут самостоятельно передвигаться. Сопоставляя продолжительность беременности и лактации у различных видов животных, можно проследить интересную закономерность: чем короче беременность и более незрелым рождается детеныш, тем дольше длится лактация. Оказалось, что у всех видов млекопитающих сумма продолжительности одной беременности и одной лактации составляет примерно постоянную величину, колеблющуюся от 3,3% (у мелких видов) до 3,1% (у крупных видов) от общей продолжительности жизни.

В соответствии с этими различиями существенно меняется и качественный состав молока.

Интересно сравнить в этой связи похожих животных, относящихся к разным видам и имеющих разные экологические особенности развития. Если сравнивать зайца и кролика, то можно найти в них и много общего, и значительные различия в рождении и воспитании потомства. Беременность зайчих длится около 50 дней. Детеныши рождаются зрелорожденными: они покрыты шерстью, видят и слышат. Сразу после родов мать кормит детенышей молоком и покидает их. Новорожденные зайчата затаиваются поодиночке и остаются без мамы 3- 4 дня. Следующее кормление молоком может произойти через достаточно длительный промежуток времени. Накормить малыша может не только его родная мама, но и любая другая лактирующая зайчиха. Уже через 7−10 дней после рождения зайчата начинают питаться травой, и через 12−15 дней после родов зайчиха отучает их от молока и предоставляет им полную самостоятельность в выборе пищи. Беременность у крольчих почти вдвое короче и длится обычно 30 дней. Крольчата рождаются голыми, слепыми и совершенно беспомощными. Заботливая мама помещает их в теплое, уютное гнездышко, устроенное из пуха, выщипанного из маминой шерстки. Растут они очень быстро и к 5-му дню удваивают свой вес. Лактация у кроликов довольно продолжительная и может длиться от 43 до 62 дней. У кроликов своеобразный распорядок дня — мама приходит на гнездо один раз в сутки, крольчата сосут молоко очень энергично, но время кормления очень непродолжительно — 2,7−4,5 минут.

Сравнивая состав молока у зайцев и кроликов можно отметить, что по основным компонентам в них много общего. Однако молоко зайчих значительно жирнее — 28,6%, в отличие от молока крольчих, имеющих жирность молока 10,5%. Это и понятно, ведь даже имея пушистую шерстку, необходимо поддерживать температуру тела за счет сжигания жира. Именно этот компонент питания дает больше всего энергии, в том числе и тепловой — до 9,3 ккал на каждый грамм поглощенного жира. Еще более жесткие условия выживания у видов животных, обитающих в приполярных областях земного шара. В связи с этим существенно меняется и состав молока — у белой медведицы жирность молока довольно высока 30,6%, молоко ее бурой подруги содержит всего 10,5% жира, что, впрочем, тоже немало. Еще больше энергетическая ценность молока у китообразных — до 50% жира и выше!

Содержание белка в молоке прежде всего отражает уровень сырьевых запасов, необходимых для построения тела новорожденного. Естественно, что различные потребности детенышей разных видов в питательных веществах были отражены в качественном составе, отработанном в ходе эволюции и отражающем особенности биологии отдельных групп животных. Это положение демонстративно проявляется как вариации содержания белка в молоке. Скорость роста детеныша можно оценить как время удвоения массы тела, причем, чем выше скорость роста, тем меньше времени для этого нужно. Лидерами в этом процессе, несомненно, являются грызуны. Грызуны (крысы, кролики, ондатры) обеспечивают своим детенышам высокие темпы роста (удвоение массы новорожденного происходит за 6 дней). Щенята и котята удваивают свою массу за 7−8 дней, телята — за 47 дней, а жеребята — за 80 дней. Завершает этот ряд человек, чей ребенок способен при полноценном питании грудным молоком удвоить свою массу за 180 дней. Это исключительное положение в ряду млекопитающих человек приобрел одновременно с независимостью от условий внешней среды, возможностью изменять условия существования в необходимом направлении.

С темпами роста тела у новорожденных млекопитающих тесно связано содержание в молоке белка и минеральных веществ, необходимых для построения скелета, и прежде всего кальция и фосфора. При высокой скорости роста детенышей у грызунов молоко содержит исключительно высокие количества белка (от 12% до 16,9%) и наиболее богато строительным материалом для развивающихся мышц, внутренних органов и костей. Для человеческого детеныша, очевидно, важны не темпы, а качество процессов развития, и белка в молоке соответственно меньше— 1,6%. Телята и козлята растут значительно быстрее, чем новорожденные дети, и этому соответствует и достаточно высокое содержание белка в молоке этих животных. Эта особенность качественного состава молока коров и коз оказывается весьма важной, особенно в тех случаях, когда мы пытаемся заменить грудное молоко человека молоком других животных или искусственными молочными смесями.

Формирование альвеол молочной железы. Совершенно очевидно, что основы структурной организации клеточных ансамблей закладываются в процессе морфогенеза, определяющем направление дифференцировки клеточных элементов органа и выполнение ими специфической функции. В анализе этапов морфогенеза важное значение приобретает возможность детального анализа различных факторов, обеспечивающих направленные изменения в структурной организации развивающегося органа. Исследование развития органов в эмбриогенезе не всегда позволяет провести изучение конкретных механизмов, ответственных за отдельные стороны процессов пролиферации и клеточной дифференцировки. При решении ряда задач этой проблемы важной особенностью экспериментального анализа морфогенеза является возможность выделения элементарных процессов, описывающих в общей форме многообразие реакций клеток. К этим «элементарным» процессам можно отнести локальные и общие изменения формы клеток, процессы миграции клеток и их ориентировки, а также образование контактов клеток с субстратом или другими клетками.

Развитие альвеолярной структуры паренхимы молочной железы — модель формирования функционального комплекса клеток. Наряду с собственно клеточными изменениями в период предлактационного становления структуры альвеолярного отдела органа существенно изменяется цитоархитектоника ткани молочной железы. Из недифференцированных групп клеток, накапливающихся в результате интенсивной пролиферации в ампулообразных концевых утолщениях протоков, начинают формироваться альвеолы. Учитывая миграционные возможности клеток зачатков альвеол, можно предполагать «сортировку» и взаимную пространственную ориентацию клеточных элементов будущей альвеолы. Одной из возможных причин формирования альвеолы из скопления клеток можно считать особенности складывающихся в этот период межклеточных взаимодействий. Известное влияние мезенхимы, способствующее дифференциации клеток секреторного эпителия, конечно, неравнозначно действует на все клетки клеточного скопления. Естественно ее преимущественное влияние на периферический слой клеток за счет индуцирующего мезенхимального фактора.

Специальный морфо-физиологический анализ показал необходимость непосредственного контакта для осуществления индуцирующих влияний. Учитывая важность предлактационного морфогенеза в молочной железе, мы провели исследование альвеолярной структуры молочной железы овец в различные периоды суягности. Выбор этого экспериментального объекта обусловлен доступностью материала для исследования и простотой определения сроков беременности. Образование альвеолярного аппарата молочной железы изучали у овец киргизской тонкорунной породы (I—IV лактации). Исследуемый материал получали сразу после убоя животных, фиксировали в растворе смеси формалина, спирта и уксусной кислоты по Бродскому, заливали в парафин и окрашивали гематоксилин-эозином. Анализ морфологической картины показал, что до двухмесячного периода суягности молочная железа овец заполнена главным образом огромными прозрачными жировыми клетками (липоцитами) с оттесненными к периферии тонким слоем цитоплазмы и сплюснутыми ядрами. Эти клетки состояли из отдельных долек, разделенных между собой и поддерживаемых тяжами из рыхлой соединительной ткани.

В соединительнотканной строме отмечали кровеносные сосуды. Существует мнение, что около 50% жировой ткани состоят из клеток стромы (а не жировых), являющихся строительным материалом для будущей паренхимы молочной железы. Начиная с третьего месяца суягности жировые клетки молочной железы, как правило, постепенно замещались соединительнотканной стромой, причем процесс характеризовался значительным выведением триглицеридов из жировой клетки и использованием их в пластическом и энергетическом обеспечении развивающегося органа. Впоследствии замещались все жировые клетки, на месте которых начиналась интенсивная пролиферация недифференцированных клеток галактофорных каналов с мелкими темноокрашенными ядрами, которые прилегали друг к другу плотными скоплениями. Тяжи пролиферирующих недифференцированных клеток встречались и среди жировых клеток в тех участках, где еще не закончилось их замещение железистой паренхимой. Из недифференцированных скоплений клеток формировались альвеолы с четко выраженной наружной границей сферической формы. Учитывая миграционные возможности клеток зачатков альвеол, можно предполагать «сортировку* и взаимную пространственную ориентацию клеточных элементов будущей альвеолы.

Одной из причин, обусловливающих формирование альвеолы из скопления клеток, являлись, возможно, складывавшиеся в этот период межклеточные взаимосвязи. Клетки зачатка альвеолы, непосредственно контактировавшие с окружающей соединительной тканью мезенхимального происхождения, находились в преимущественном положении по отношению к индуцирующим влияниям, так как через соединительнотканную строму окружающих альвеол проходила капиллярная сеть, обеспечивавшая благоприятные условия для метаболизма этих клеток. Вполне очевидна первоочередность этих наружно расположенных клеток в процессе дифференцировочных превращений.

Создание комплекса мембранных органелл, новых для клеточной поверхности, способствовало объединению клеток наружного слоя в сферический монослой вдоль внутренней поверхности альвеол, который характеризовался метаболической и регуляторной кооперацией различных клеточных популяций. Клетки, не подвергшиеся индуцирующим влияниям, отслаивались, а затем подвергались дегенеративным изменениям и деструкции с помощью протеолитических ферментов лимфоидных клеток и автолиза, очищавших просвет альвеолы и выводного протока для выведения секрета в лактационный период. В альвеоле оставались только наружно расположенные клетки, что обусловливало формирование монослоя секреторного эпителия, выстилавшего полость.

Таким образом, необходимым этапом формирования альвеолы из недифференцированного скопления клеток являлась стадия многослойного и двухслойного эпителия, который в последующем в результате дегенерации внутреннего слоя преформировался в монослой железистого эпителия, контактировавшего со стромальными элементами мезенхимального происхождения. Представленная модель формирования сферической поверхности альвеолы экспериментально подтверждается при анализе морфологической картины развивающегося органа в период суягности. Кроме того, участие клеточных элементов лимфоидной системы в деструкции внутриальвеолярного клеточного материала объясняло лимфоцитарную инфильтрацию молочной железы в период, предшествующий началу лактации. Можно предположить, что дегенерировавшие клетки в результате изменения антигенной структуры, а также в связи с началом синтеза специфических компонентов молока становились мишенью для различных лимфоидных клеток, интенсивно мигрировавших в полость альвеолы. Наряду с клеточными элементами лимфоидной системы в деструктивные процессы активно включался и секреторный эпителий, в котором отмечали активацию гидролитических ферментов в период подготовки к интенсивному секретообразованию.

Высокая протеолитическая активность эпителия альвеол в этот период подтверждалась электронно-микроскопическим исследованием. Выделение гидролитических ферментов обеспечивало формирование внутренней полости альвеолы. Высокая активность протеолитических ферментов в период, предшествующий лактации, требовала изоляции полости альвеолы от остального пространства органа, т. е. локализации деструктивного воздействия в пределах полости альвеол и протоков. Поэтому к моменту начала лактации латераль;

ные поверхности плазматической мембраны формировали структуры замыкательного комплекса, основой которого являлся плотный контакт, обусловленный истинным слиянием наружных слоев и соседних мембран в апикальной зоне эпителиальных клеток.

Техника скалывания замороженной ткани и исследования платиновых реплик в сканирующем электронном микроскопе позволили выявить детали структуры плотного контакта. На поверхности, обращенной к межклеточному пространству, обнаружили систему взаимопроникающих изгибов и гребней, образованных наружным листком контактирующей мембраны. Структура плотного соединения надежно отделяла полость альвеолы от наружного соединительнотканного пространства. Наши электронно-микроскопические исследования с использованием различных маркеров (пероксидаза хрена или коллоидный лантан) показали непроницаемость плотного контакта. Отсутствие диффузии через эпителиальный слой в полость альвеол не только высокомолекулярных веществ, но и ионов, описано при электронно-микроскопическом выявлении натрия, который проникал по межклеточным щелям только до зоны плотного контакта. Существование барьера между полостью альвеол и межклеточным пространством подтверждается наличием у них разности потенциалов, обнаруженной при микроэлектродном исследовании ткани молочной железы лактирующих животных.

В первичном молочном секрете, полученном за 5−12 суток до окота, содержалось значительно больше иммунологических факторов (Т-, В-лимфоцитов, иммуноглобулинов, лизоцима, естественных антител), чем в молозиве, взятом от животных сразу после ягнения. Имеются сведения о важной роли клеточных и неклеточных элементов внутридольковой соединительной ткани в период дифференцировки и инволюции молочной железы у лабораторных животных. Важно отметить, что подавление деятельности регионарного лимфатического узла (источника лимфоидных клеток) существенно нарушает морфологические процессы и подготавливает развитие структуры альвеолы.

Представленные данные экспериментального исследования формирования окончательной структуры альвеолярного отдела молочной железы овец показали, что лимфоидные клетки полости альвеол наряду с образованием иммунологических факторов молозива, вероятно, участвуют и в формировании альвеолярного комплекса, и в дифференцировке секреторных клеток молочной железы. Включение в процесс дифференцировки индуцирующих влияний мезенхимы и аутоиммунных процессов дополняется специфическими изменениями в структуре секреторных клеток и их мембран, приуроченными к периоду становления лактационной функции.

Анализ эволюционных превращений секреторных клеток, рассмотренных с позиций обоснования продукции ферментов, обеспечивающих внеклеточное пищеварение (Уголев А. М., 1961, 1985), показал крайнюю неэффективность «распыления» продуктов секреции в окружающей среде. Более экономичная, а значит и эволюционно прогрессивная форма заключалась в объединении клеток между собой и ограничении пространства среды, в котором значительно легче было достичь необходимых концентраций ферментов и других веществ, обеспечивающих последующую функцию питания клетки. Можно думать, что принцип ограничения локального участка пространства, его изоляция от всего окружающего эффективно используется в альвеоле, обеспечивая формирование внутренней полости альвеолы в процессе морфогенеза, а также ограждая организм от несвойственных для него продуктов секреции. Другим следствием формирования сферической структуры альвеолы и объединения клеток является возникновение существенных различий функционирования клеточных поверхностей как обращенных в просвет альвеолы, так и контрлюменальной.

Рассмотренные выше закономерности формирования структурной организации альвеолярного отдела молочной железы наиболее демонстративно проявляются при анализе клеточного состава молока. Эффект «очищения» полости протоков и альвеол неизменно проявляется в составе секрета значительным количеством соматических клеток и их обломков. Миграция в полость альвеол лимфоидных клеток отражает их активную роль в организации деструктивных процессов. Следовательно, изучение динамики изменения цитологического профиля секрета молочной железы дает важную информацию, отражающую течение процессов становления секреторной функции.