Физиологическая роль микроэлементов

Микроэлементы содержатся в организме человека и животных в очень малых количествах — в пределах 10^-3…10^-12 %. Из 92 встречающихся в природе элементов 81 обнаружен в организме человека и животных. При этом 15 из них (железо, йод, медь, цинк, кобальт, хром, молибден, никель, ванадий, селен, марганец, мышьяк, фтор, кремний, литий) признаны эссенциальными, т. е. жизненно необходимыми. Проблема участия микроэлементов в метаболических реакциях подробно рассматривается в связи с анализом этиологии и патогенеза специфических заболеваний — микроэлвментозов, которые обусловлены либо недостаточным поступлением в организм тех или иных микроэлементов (эндемический зоб, железодефицитная анемия и т. п.), либо отравлениями, вызванными слишком высоким содержанием их в окружающей среде.

Выявлены различные «биогеохимические провинции», характеризующиеся пониженным или повышенным содержанием таких элементов, как барий, бор, йод, кобальт, медь, молибден, никель и др. Совершенно естественно, что это исключительно важно для эпизоотологии, ветеринарной медицины в ходе целенаправленных мероприятий по коррекции пищевых рационов, минеральных подкормок, призванных обеспечить здоровье и оптимальное развитие сельскохозяйственных животных. Вместе с этим весьма существенна роль для оценки содержания микроэлементов в окружающей среде техногенная деятельность человека. Микроэлементное загрязнение окружающей среды представляет наибольшую опасность для индустриально развитых стран, поскольку известно, что по соседству со многими промышленными предприятиями образуются постоянно расширяющиеся биогеохимические провинции с повышенным содержанием в биосфере свинца, мышьяка, фтора, ртути, кадмия, марганца, никеля и других элементов. Возможна и трансгрессия микроэлементных загрязнителей воздушными и водными потоками, причем перенос может быть эпизодическим, как следствие природных или техногенных катастроф, или систематическим, как результат постоянно действующего производства.

Всасывание микроэлементов начинается в ротовой полости, более интенсивно происходит в желудке, но более всего в тонкой кишке. Условно микроэлементы можно разделить на три группы:

катионные элементы (цинк, железо, марганец и медь) — всасываются с различной интенсивностью, причем гомеостатический контроль осуществляется печенью и желудочно-кишечным трактом;

анионные элементы (хром, селен, молибден, йод) — эффективно реабсорбируются желудком и выделяются из организма в основном почками;

элементы в составе органических комплексов — метаболизм их затруднен.

На поглощение микроэлементов в кишечнике и на их транспорт оказывают определенное влияние железы внутренней секреции, специфические системные резервы микроэлементов, генетические особенности (врожденные нарушения метаболизма) и особенности пищевого режима. Предварительный гидролиз белков в кислой среде желудка способствует освобождению микроэлементов от пищевых компонентов, причем такие металлы, как марганец, цинк, медь, хром, представлены их хлористыми солями. Кислая среда желудка способствует образованию двухвалентных ионов железа и марганца — это наиболее благоприятная форма для их всасывания в кишечнике, а вырабатывающиеся в процессе желудочного пищеварения глютадион и цистеин содействуют восстановлению этих металлов. При нейтрализации химуса в двенадцатиперстной кишке происходит осаждение нерастворимых гидроксидов металлов, карбонатов и фосфатов. Освобождающиеся в процессе пищеварения аминокислоты и другие макромолекулы образуют растворимые комплексы с металлами и облегчают абсорбцию микроэлементов, причем Ь-формы в соединении с металлом всасываются легче, чем их Б-изомеры. Ортои полифосфаты оказывают синергическое действие на всасывание магния и кальция и образуют нерастворимые соли с цинком, медью и железом при pH 7,8…8 содержимого кишечника и ухудшают их абсорбцию. Казеин коровьего молока связывает 24% железа, 44 — меди, 84 — цинка и 67% марганца.

Содержащееся во всех злаках, многих бобовых растениях, орехах и некоторых фруктах фосфорсодежащее соединение — фитат — может образовывать комплексы с кальцием, магнием, медью, цинком, никелем, железом и уменьшать их потребление организмом.

Поступление микроэлементов из белков овощей может снижаться за счет соединения с некрахмальными полисахаридами целлюлозой, гемицеллюлозой и пектином.

Кобальт входит в состав витамина В12, который является коферментом (в форме метилкобаламина и 5'-дезоксиаденозилкобаламина) в различных метаболических реакциях: метилировании гомоцистеина с образованием метионина и изомеризации метил малоновой кислоты в янтарную. Витамин В₁₂ участвует в синтезе целого ряда жизненно важных и физиологически активных веществ в организме. Кобальт всасывается в кишечнике, причем его растворимые соли всасываются в ионном виде, а витамин В|₂ и его аналоги — после связывания с гастромукопротеином («внутренним фактором Кастла»). Витамин В1₂ у моногастричных животных может синтезироваться в толстом отделе кишечника. Организм жвачных не способен усваивать витамин В_]2, который синтезирует микрофлора слепой и толстой кишок. В основном витамин В^{-подобные} соединения синтезируются микрофлорой рубца, причем синтез его биологически активной формы происходит с низкой эффективностью. Таким образом, жвачные очень неэффективно используют кобальт как при синтезе витамина В₁₂, так и в процессе его усвоения организмом. Причем особенность их энергетического метаболизма заключается в том, что они испытывают повышенную потребность в витамине В|₂, поскольку в метаболизме летучих жирных кислот принимает участие метилмалонил-КоА-мутаза и в условиях дефицита витамина В12 происходит накопление пропионовой кислоты с последующим развитием кетоза.

Кобальт увеличивает содержание ретикулоцитов и ускоряет созревание эритроцитов. Один из возможных механизмов стимуляции эритропоэза — это влияние кобальта на образование эритропоэтинов, связанное с тем, что он, блокируя БН-группы оксиредуктаз, приводит к кислородному голоданию клеток костного мозга, что, в свою очередь, побуждает их к усиленной деятельности. Вполне очевидно, что такой терапевтический эффект оправдан лишь в случае пониженного содержания в крови эритропоэтина, вырабатываемого почками. Органические соединения кобальта обладают гипотензивным и коронарорасширяюшим действием. Лекарственные препараты, содержащие кобальт, способствуют усвоению железа и оказывают благоприятное влияние на иммунологическую реактивность организма.

При анализе техногенной обстановки региона следует учитывать, что кобальт относится к промышленным ядам. Пыль, содержащая кобальт, вольфрам и титан, более токсична, чем пыль из каждого этого металла. Морфологические изменения при кобальтовой интоксикации проявляются в виде резкой гипертрофии кардиомиоцитов с явлениями вакуолизации и диффузных разрастаний соединительной ткани. Вместе с этим обнаруживаются мелкокапельная жировая дистрофия и мелкие очаговые скопления лимфоцитов в эпикарде. В целом кобальтовое отравление приводит к образованию очаговых некрозов в миокарде, полицитемии, потере аппетита, нарушению роста. На фоне этого резко возрастает уровень кобальта в волосяном покрове.

Медь — один из важнейших незаменимых микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности животных. В организме медь находится в мышцах, костях и печени. В крови медь содержится в эритроцитах и лейкоцитах (входит в структуру супероксиддисмутазы), а также в составе важнейшего медьсодержащего белка церулоплазмина. В основном всасывание меди происходит в желудке и тонкой кишке, слизистая которых содержит металлотионеин (транспортный белок, облегчающий транспорт микроэлемента через эпителиальную стенку). В крови медь связывается с белком транскупреином и альбумином, а также в меньшей степени с аминокислотами. Ключевую роль в обмене меди играет печень. Медь включается в состав церулоплазмина, который наряду со своей функцией оксидазы выполняет и роль транспортного белка, переносящего медь на тканевые ферменты, и в первую очередь на цитохромоксидазу. Медь необходима для процесса кроветворения, так как она катализирует включение железа в структуру гема и способствует созреванию эритроцитов на ранних стадиях эритропоэза — это ее основная функция. Вместе с этим она участвует в процессах остеогенеза, обеспечивая функционирование остеобластов. Медьдефицитные состояния сопровождаются нарушением синтеза эластина и коллагена. Медь участвует в кератинизации и пигментации кожи. Доказано участие меди в функционировании ряда ферментов: цитохромоксидазы, тирозиназы, уриназы, галактозилоксидазы, ксантиноксидазы и др. Медьсодержащие ферменты играют важную роль в окислительно-восстановительных реакциях, катализируя отдельные этапы тканевого дыхания. Ионы Си²⁺ служат специфичными активаторами ряда ферментов — тирозинйодиназы, сульфидоксидазы, а также способствуют поддержанию активности в крови малоустойчивых гипофизарных гормонов. Медь играет определенную роль в процессах передачи нервного импульса, при ее дефиците повышается связывание гамма-аминомасляной кислоты М-холинорецепторами и снижается функция опиатных рецепторов. Установлено, что содержание меди в организме оказывает влияние на уровень нейропептидов. Снижение содержания меди уменьшает продукцию энкефалинов. При недостаточности меди нарушается процесс миелинизации головного и спинного мозга. Медь обладает выраженным противовоспалительным действием, смягчает проявление аутоиммунных заболеваний, усиливает действие простагландина При избытке меди возможно отравление, сопровождающееся снижением активности и биосинтеза некоторых ферментов: угнетение мембранной АТФ-азы, ингибирование ферментов и кофакторов, содержащих судьфгидридьные группы, подавление цитохромоксидазы, т. е. нарушение углеводного обмена и тканевого дыхания. Хроническое отравление животных медью приводит к некрозу клеток печени, метгемоглобинемии, гемолизу эритроцитов, гипербилирубинемии.

Цинк обнаружен во всех органах и тканях, но наибольшее его количество находится в скелетных мышцах. Основным путем поступления цинка в организм является всасывание в тонкой кишке при посредничестве транспортного белка металлотионеина. На абсорбцию цинка из кишечника большое влияние оказывает наличие фитатов, а также наличие других элементов (кадмия, меди и кальция), с которыми он вступает в конкурентные взаимоотношения. Транспорт некоторого количества цинка возможен также и при участии кальцийсвязывающего белка.

Наиболее значимая функция цинка заключается в том, что он, входя в состав карбоангидразы, участвует в дыхательной деятельности организма — удалении С0₂. Цинк необходим для нормального роста шерсти, когтей и поддержания здорового состояния кожи. Более 10 цинксодержащих ферментов относятся к подклассу фосфотрансфераз — это тимидинкиназа, нуклеотидилтрансферазы (РНК и ДНК-полимеразы) и др. Цинку принадлежит особая роль в синтезе белка и нуклеиновых кислот, он необходим для стабилизации структуры ДНК, РНК и рибосом. Цинк способствует заживлению ран и поддержанию активного состояния иммунной системы. Являясь важной частью ряда физиологически активных веществ, он обусловливает активность инсулина, адреналина, фолликулина, тестостерона и пролина. Цинк входит в состав тиреотропного гормона гипофиза.

Дефицит цинка приводит к развитию рахита и остеопороза, так как он, усиливая действие витамина О, способствует лучшему усвоению кальция и его включению в состав кости. Недостаток цинка может отразиться на воспроизводительной функции: снижается количество и активность сперматозоидов, подавляется секреция прогестерона. У племенных быков введение солей цинка способствует повышению количества спермы. У кур минеральные подкормки, содержащие цинк, повышают яйценоскость — увеличивается количество яиц и улучшается их качество (увеличивается масса желтка), а у цыплят из этих яиц повышается прирост массы тела. При стрессе отмечается снижение содержания цинка в плазме крови, а также перераспределение его между органами и тканями. Эти изменения инициируются особым термолабильным фактором, идентичным интерлейкину-1. Снижение уровня цинка в крови вызывают продукты распада тканей, образующиеся в стрессовых состояниях; связываясь с цинком, они могут усилить его выведение с мочой. Увеличение выделения в кровь кортикостероидов вызывает поступление цинка в ткани.

Введение

цинксодержащей подкормки в рацион положительно сказывается на продуктивности и воспроизводительной функции нетелей и коров-первотелок: повышается количество эритроцитов и концентрация гемоглобина в крови, увеличивается удой и жирность молока.

Марганец — наибольшая его концентрация отмечается в печени, скелете, почках, поджелудочной железе. Марганец в виде двухвалентного катиона всасывается на всем протяжении тонкой кишки. В крови воротной вены большая часть марганца связывается с аг-макроглобулинами и задерживается в печени. В гепатоцитах содержится как белковосвязанный, так и свободный марганец. Попав в клетки, марганец включается в основном в состав митохондрий и влияет на течение окислительно-восстановительных процессов. В составе ферментов пируваткарбоксилазы и оксалатдекарбоксилазы он влияет на карбоксилирование пировиноградной и щавелевой кислот в цикле Кребса. Марганец служит специфическим активатором аргиназы — фермента, расщепляющего аргинин с образованием мочевины.

При дефиците марганца у животных замедляется рост скелета, укорачиваются трубчатые кости, деформируются суставы, развивается «марганцевый рахит». Марганец активирует синтез кислых мукополисахаридов в основном веществе костной и хрящевой ткани. У крупного рогатого скота в регионах с дефицитом марганца наблюдается целый ряд скелетных аномалий и нарушение воспроизводительной функции, что тесно связано с нарушением гликозоаминогликанов. Это приводит к нарушению полового поведения, снижению оплодотворяемости, повышению частоты выкидышей и мертворождений, удлинению сроков стельности и сокращению продолжительности жизни. Влияние марганца на процессы кроветворения, очевидно, связано с повышением активности окислительных процессов, причем оно наиболее выражено в его сочетании с железом, кобальтом и медью. Марганец способен ускорять процесс транскрипции, активируя РНК-полимеразу, причем замена М§²* на Мп²⁺ снижает избирательность тРНК-нуклеотидилтрансферазы.

Избыточное поступление марганца в условиях антропогенного воздействия на окружающую среду (добыча и использование марганецсодержащих руд в металлургии и других технологических процессах) вызывает серьезные отравления в результате накопления его в организме. Интоксикация марганцем приводит к стойкому снижению способности к воспроизводству у животных и нарушению образования гемоглобина, что может быть связано с конкуренцией между железом и марганцем в процессе всасывания в кишечнике. Применение в качестве минеральной подкормки кремнеземистого мергеля, обладающего свойствами обменного катионита, позволяет не только нормализовать микроэлементный баланс организма лактируюших коров, но и снизить содержание марганца в молоке.

Йод относят к истинным биомикроэлементам. В организме взрослого человека присутствует около 20…30 мг йода, в том числе в органе-концентраторе — щитовидной железе — около 10 мг, а в крови — (0,67 ± 0,28) мкмоль/л. Из крови йод проникает в различные органы и ткани и частично депонируется в липидах. Кроме щитовидной железы йод накапливается в почках и слюнных железах, участвующих в процессах выведения его из организма. Повышенные концентрации этого микроэлемента обнаруживаются в яичниках, гипофизе и желчи. В крови йод присутствует как в органической, так и в неорганической форме. Содержание органических йодидов обусловлено количеством вырабатываемых щитовидной железой тиреоидных гормонов — трийодтиронина и тироксина. Уровень йода в коровьем молоке колеблется в пределах.

72…136, а в женском — 40…80 мкг/л. В молозиве концентрация йода в 3…4 раза выше, чем в молоке. У жвачных в молоке присутствуют только неорганические соединения йода, а в молоке крыс, кроликов, собак обнаружен йодсвязывающий белок. Содержание йода в молоке в значительной степени зависит от поступления этого микроэлемента с пищей.

В пище и воде йод присутствует в виде йодидов, которые всасываются на протяжении всего пищеварительного тракта. Йодированные аминокислоты, в том числе и йодтиронины, также хорошо усваиваются, но медленнее, чем йодиды. Прочие соединения йода всасываются только в форме йодидов. У жвачных животных в основном йод всасывается в рубце. Йодид-ионы легко проникают через клеточные мембраны, в связи с чем общий неорганический пул йода в организме включает йодиды, присутствующие во внеклеточном пространстве и эритроцитах, а также в щитовидной^ слюнных железах и слизистой оболочке желудка.

Йодиды непрерывно покидают метаболический пул в результате деятельности щитовидной железы, обеспечивающей синтез и выведение в кровь тиреоидных гормонов. Функциональная эффективность щитовидной железы, масса которой составляет всего 0,28% общей массы тела животного, обусловлена густой сетью внутрижелезистых кровеносных сосудов и совершенством механизма улавливания йода — своеобразного «йодного насоса». Йодный насос является активным транспортным механизмом, сопряженным с Ыа⁺, К⁺ — АТФазой, и регулируется тиреотропным гормоном. Подробнее о синтезе йодтиронинов (тироксина и трийодтиронина) — гормонов щитовидной железы изложено в разделе «Физиология эндокринной системы».

Йодная недостаточность (гипойодоз) проявляется в эндемическом увеличении щитовидной железы. Гипофункция щитовидной железы приводит к замедлению обменных и в первую очередь окислительных процессов, снижению основного обмена и температуры тела. Гипотериоз компенсируется разрастанием эпителия щитовидной железы (эндемический зоб) и при эффективности компенсаторных механизмов не сопровождается нарушением метаболических процессов. На возникновение эндемического зоба особо влияют геохимические факторы, причем не только дефицит йода, но и избыток или дефицит таких микроэлементов, как кобальт, марганец, кальций и стронций. Кобальт, например, усиливает один из механизмов, компенсирующих недостаточность йода, — синтетическую активность щитовидной железы. Щитовидная железа обладает способностью накапливать не только йод, но и другие элементы — ртуть, мышьяк, сурьму, которые неблагоприятно влияют на ее состояние и могут вызывать образование зоба даже на фоне противозобной профилактики.

Фтор представляет собой условно эссенциальный микроэлемент. При его дефиците у животных наблюдают задержку роста, снижение плодовитости и продолжительности жизни. Практически весь фтор в организме входит в состав твердых тканей (кости, зубы) в виде апатита — фосфата кальция. Фтор обладает высоким сродством к белку матрикса эмали и, включаясь в эмаль зубного зачатка еще до начала его минерализации, может способствовать формированию центров кристаллизации апатита. Фтор входит в состав спермы.

Всасывание фтора происходит в желудке и тонкой кишке в форме фторид-иона, причем его растворимые соединения усваиваются почти полностью; из костной муки извлекается около 50% этого элемента. Алюминий, как попавший с поверхности кухонной утвари, так и входящий в состав антацидных (снижающих кислотность желудочного сока) лекарственных препаратов, связывает фтор, поступающий из пищи, и существенно снижает его усвоение. Нормализация содержания фтора в организме животного обеспечивает снижение заболеваемости кариесом и остеопорозом. Флюороз развивается при избыточном поступлении фтора в организм и проявляется в нарушении обмена веществ, деформации костей и замедлении роста. Это может быть связано с ингибирующим влиянием фтора на активность ряда таких ферментов, как эстеразы, энолазы и сукцинатдегидрогеназы.

Селен — незаменимое биологически активное вещество, обладающее антиоксидантным действием. Селен повышает способность сетчатки глаза воспринимать световое излучение, влияет на многие ферментативные реакции, предотвращает развитие мышечной дистрофии, миокардита, анемии и инфантилизма, стимулирует образование ЛЖК за счет увеличения количества уксусной и пропионовой кислот.

В некоторой степени он может восполнять недостаток токоферола, входит в состав определенных аминокислот, участвует в белоксинтетических процессах, в фосфорилировании, аэробном окислении, регулируя скорость окислительно-восстановительных реакций. Особое значение приобретают соединения селена как лекарственные и профилактические средства, обеспечивающие поддержание нормальной активности антиоксидантной защитной системы организма, что важно в условиях стресса, и способные регулировать свободнорадикальные процессы и влиять таким образом как на окислительный метаболизм, так и на иммунные реакции.

Необходимо использовать в практической деятельности селенсодержащие соединения халькогенопиранового ряда (селенопиран), а не остротоксичные неорганические его соли. Селенопиран в острой стрессорной ситуации (отъем молодняка от матерей идр.) снижает степень его отрицательного воздействия на прирост живой массы ягнят и концентрацию IgM; стимулирует рост и развитие цыплят яйценоских пород, повышает яйценоскость кур-несушек, инкубацию яиц и выводимость цыплят.

Стронций — микроэлемент, сопутствующий кальцию: включается совместно с ним в состав костной ткани. Дефицит стронция приводит к развитию кариеса, а его избыток — к «стронциевому рахиту».