- •Введение
- •1. Физические свойства и структура воды
- •Водородная связь
- •Влияние растворенных веществ на структуру воды
- •1.3. Ионизация воды
- •1.4. Ионное произведение воды; шкала рН
- •1.5. Гидрофобные взаимодействия
- •1.6. Состояние воды в тканях
- •1.7. Потребление и выделение воды
- •1.8. Регуляция водного обмена
- •2. Метаболизм макро- и микроэлементов в организме животных
- •2.1. Биологическая роль минеральных элементов
- •2.2. Поступление минеральных веществ в организм животного и выделение их
- •2.3. Метаболизм макроэлементов в организме животных Натрий
- •2.4. Метаболизм микроэлементов в организме животных
- •2.5. Регуляция обмена воды и минеральных веществ
- •Заключение
- •Оглавление
- •394087, Воронеж, ул. Мичурина, 1
2.4. Метаболизм микроэлементов в организме животных
Марганец
Поступающий с кормами и питьевой водой марганец усваивается до 15% в тонком кишечнике и депонируется в печени животного. Марганец находят в различных органах и тканях птиц в большей концентрации, чем у млекопитающих. Марганец активирует в организме ряд ферментов – аргиназу, гликозилтрансферазу, тиаминазу, енолазу, дезоксирибонуклеазу, супероксиддисмутазу, ускоряет реакции гликолиза и цикла трикарбоновых кислот. Его эффекты на метаболические процессы проявляются в синергизме с эффектами меди и цинка.
Недостаток марганца в организме животного сказывается в первую очередь в виде нарушений костеобразования, поэтому костная ткань лучше отражает статус этого элемента, чем печень.
Выяснена роль дефицита марганца в развитии перозиса или «скользящего» сухожилия (опухание и выравнивание тибиотарзального сустава) у цыплят 2-9-недельного возраста. При этом большеберцовая и плюсневая кости искривляются.
Обычно поражается одна конечность, реже две. Перозискостная дистрофия молодняка птиц наблюдается при скармливании рационов, богатых кальцием и фосфором, но бедных марганцем. У кур-несушек недостаток марганца приводит к снижению яйцекладки и выводимости, снижается прочность скорлупы яиц. Во многих случаях мертвые эмбрионы птиц имеют признаки хондродистрофии, укорочение длинных костей скелета. Недостаток марганца у поросят вызывает болезнь «хромоту», которая напоминает изменения скелета, характерные для костей птиц при перозисе. Вероятно, этиология этих заболеваний связана с инактивацией костной щелочной фосфатазы. Для профилактики заболевания вводят в рационы животных корма, богатые марганцем: зерно овса, отруби риса.
Железо
Железо обычно находится в кормах в виде иона Fе3+, который связан с белками или органическими кислотами. При участии аскорбиновой кислоты в желудке животного Fе3+ восстанавливается в Fе2. Обычно лишь около 10% железа кормов абсорбируется в кишечнике, откуда оно поступает в печень, где частично депонируется в составе белка ферритина, (являющимся депо Fе3+).
Ферритин синтезируется печенью как гликопротеин, который может связывать более 4000 атомов железа на одну молекулу белка. Гемосидерин является нерастворимым соединением железа, производным ферритина; высокое содержание железа в тканях вызывает токсический эффект и приводит к гемохроматозу. Другая часть железа, поступившего в организм, в составе трансферрина поступает в костный мозг на синтез гема.
Роль железа в организме велика. Железо входит в структуру костной ткани, скорлупы. Железо находится в составе каталазы, пероксидаз, активных участников реакций биологического окисления. Как компонент гемоглобина и миоглобина, железо необходимо для транспорта кислорода и углекислоты. В частности, из общего количества железа в организме 60-70% составляет железо в составе гемоглобина. Как компонент цитохромов и негеминовых белков, железо необходимо для реакций окислительного фосфорилирования. Как компонент важного лизосомального фермента миелопероксидазы, железо участвует в фагоцитозе и разрушении бактерий нейтрофилами. Поэтому снижение доступности железа для данного фермента фагоцитов может нарушить переваривающую способность этих клеток в отношении бактерий.
Железо необходимо для поддержания функций лимфоидных тканей, куда оно доставляется транеферрином, для связывания которого на наружной мембране клеток имеются специальные рецепторы; недостаток железа вызывает атрофию лимфоидных тканей средней степени.
У различных животных содержание железа в крови колеблется в широких пределах (в среднем от 13 до 39 мкМ), данные приведены в приложении. Признаком недостаточности железа в организме является анемия (малокровие). Более часто анемия этой этиологии наблюдается у новорожденных поросят, поскольку в молоке свиноматок обычно низкий уровень этого элемента.
Недостаток железа у цыплят и индюшат приводит к гипохромной анемии. У цыплят красного оперения отмечают полную депигментацию оперения.
Цинк
Абсорбция цинка происходит в сычуге и тонком кишечнике у жвачных и в мышечном желудке у птиц. Положительный эффект на всасывание цинка в кишечнике оказывают триптофан, цистеин, гистидин, витамин В6. Максимальная концентрация цинка установлена в костной ткани, в печени, семенниках, поджелудочной железе. Биологическая роль цинка для животного организма многообразна в связи с тем, что он выступает в качестве компонента более чем 160 ферментов различных классов (дегидрогеназы, пептидазы, эстеразы) или выполняет функцию активаторов ряда ферментов (аргиназа, некоторые пептидазы). Цинк входит в состав структуры фермента карбоангидразы эритроцитов, что определяет его прямую связь с процессами дыхания.
Все больше накапливается данных в защиту концепции, что цинк имеет в организме животного в первую очередь структурную функцию, а затем уже каталитическую; он необходим для стабилизации четвертичной структуры инсулина, глюкагона, РНК, активирует половые гормбны и гормоны передней доли гипофиза, задерживает свертываемость крови. Цинк наряду с витамином Е выполняет определенную роль в функционировании мембран клеток, в поддержании их целостности.
Изучение скелета цыплят при недостатке цинка в кормах показало значительное нарушение синтеза-коллагена при выраженном падении активности коллагеназы, что может быть результатом общего угнетения синтеза белка в организме за счет изменения активности РНК-полимеразы. Недостаток цинка вызывает задержку роста и нарушения оперения цыплят.
Недостаток цинка является причиной глубоких морфологических нарушений лимфоидных тканей животных, сопровождаясь гипоплазией тимуса, селезенки, лимфоидных образований, их атрофией. Длительный дефицит цинка в рационе оказывает депрессирующее влияние на тимус, а следовательно, и на систему Т-лимфоцитов. Это, в свою очередь, приводит к развитию вторичных иммунологических дефектов как за счет угнетения функций самих Т-лимфоцитов, так и из-за нарушений кооперативных связей с В-лимфоцитами и макрофагами. Снижение массы тимуса сопровождается обычно снижением общего числа лейкоцитов.
Установлены конкурентные взаимоотношения цинка с кальцием, фосфором, медью, молибденом в вопросах формирования костной ткани. Цинк активирует костную щелочную фосфатазу и минеральный обмен кости. Цинк угнетает активность каталазы и цитохромоксидазы, играющих важную роль в способности остеобластов к синтезу коллагена, что также может служить объяснением влияния микроэлемента на процессы оссификации.
Медь
Поступая в организм животного с кормами и питьевой водой, медь всасывается в тонком кишечнике и депонируется в печени. В печени крупного рогатого скота концентрация меди в 30-50 раз больше, чем в крови (см. приложение). Абсорбция меди, вероятно, зависит также от белка металлотионеина. Химические свойства, благодаря которым медь играет важную роль в обменах веществ, выражены у нее в большей степени, чем у других микроэлементов. Это объясняется тем, что ионы меди по сравнению с ионами других металлов активнее взаимодействуют с белками, образуя устойчивые (хелатные) комплексы. Медь служит исключительно эффективным катализатором. К тому же медь легко переходит из одного валентного состояния в другое, являясь как донором, так и акцептором электронов.
Почти все количество меди в организме животного находится в составе белков. Известен лишь единственный медный порфирин – ярко-красный пигмент турацин, имеющийся только в крыльях африканской птицы турако. Участие меди в метаболических процессах организма сопряжено главным образом с функциональной нагрузкой медьсодержащих ферментов. Медьсодержащие ферменты играют регулирующую роль в окислительно-восстановительных процессах и тканевом дыхании (цитохромоксидаза), что важно не только для эритроцитов, но и для клеток лимфоидно-макрофагальной системы. Отдельные дисмутазы фагоцитарных клеток содержат медь, а также цинк, марганец, железо. Эти ферменты играют ключевую роль в бактерицидной активности фагоцитов.
Достаточно хорошо изучен медьсодержащий белок церулоплазмин, находящийся в значительных количествах в печени. Церулоплазмин как депо меди участвует в синтезе железосодержащего белка плазмы крови трансферрина. Последний может предоставлять свое железо клеткам костного мозга, в которых идет продукция гемоглобина и эритроцитов. Важнейшая функция меди - участие в процессах кроветворения - эритропоэзе.
Значительный интерес представляет Сu-2п-супероксид-дисмутаза - белок с молекулярной массой около 31 000, состоящий из двух субъединиц, каждая из которых содержит по одному атому цинка и меди. Активность данного фермента может быть использована в качестве индекса статуса меди в организме. Фермент катализирует в организме реакцию дисмутации токсических радикалов по отношению к молекулярному кислороду и перекиси водорода на активном центре, окружающем атом меди. Активное действие супероксиддисмутазы на супероксидный радикал приводит к уменынению образования вредных для клеток гидроксильных радикалов.
Медь является компонентом ряда других металлофермен-тов, включая полифенодоксидазу, аминоксидазу, дофамингидроксилазу, лизилоксидазу. Например, лизилоксидаза необходима для превращения остатков лизина в коллагене и эластине в аллизин.
Некоторые симптомы дефицита меди в организме – лейкопения, деминерализация костной ткани, анемия, хрупкость крупных артерий, демиелинизация нервных волокон. Медьсодержащий фермент ферроксидаза необходим для превращения иона Fе2+ в ион Fе3+ в структуре трансферрина. Деминерализация костной ткани и хрупкость кровеносных сосудов могут быть связаны с дефектом синтеза коллагена и эластина.
Ионы меди оказывают регулирующее влияние на остеогенные клеточные элементы и процессы оссификации, возможно, за счет усиления скорости синтеза коллагена кости.
При недостатке меди у цыплят отмечают гипохромную анемию, деформацию костей и депигментацию тканей. При этом появляются аневризмы аорты как следствие падения активности фермента аминооксидазы, необходимого для синтеза эластина, основного белка стенок аорты. У овец отмечают снижение качества шерсти. Медь выводится из организма в основном в составе желчи.
Йод
Йод в составе кормов и питьевой воды активно абсорбируется в желудке и тонком кишечнике и транспортируется в основном в щитовидную железу, где депонируется в комплексе с тиреоглобулином. Йод используется для синтеза гормонов этой железы – тироксина и трийодтиронина. Эти гормоны играют важную роль в регуляции метаболических процессов. Морские рыбы являются лучшими естественными источниками йода. Регуляция обмена йода в организме осуществляется тиреотропным гормоном передней доли гипофиза. Из организма йод выделяется в основном с мочой и каловыми массами.
Йодная недостаточность у животных проявляется падением продуктивности, развитием эндемического зоба в виде увеличения объема щитовидной железы, нарушается воспроизводительная функция. У птиц при недостатке йода в кормах отмечают снижение яйценоскости, устойчивости к различным патогенным агентам.
Кобальт
По реакционной способности кобальт относится к металлам средней активности. Особенность метаболизма кобальта состоит в том, что содержание его в тканях животного в обычных условиях никогда не бывает высоким из-за очень низкой всасываемости в пищеварительном тракте и незначительной способности к удержанию в организме. Поэтому количество аккумулированного организмом кобальта невелико по сравнению с его количеством в кормах. Кобальт депонируется в печени.
Принято считать, что кобальт осуществляет свое влияние на метаболические реакции через посредство витамина В12. Структура витамина В12 включает ион Со+2 (4,5%). С помощью введения в рацион животных солей кобальта усиливают синтез данного витамина бактериями в рубце у жвачных животных и в толстом кишечнике у птиц. Витамин В12 играет важную роль в синтезе нуклеиновых кислот, жировом и углеводном обменах. За счет своих подвижных метильных групп витамин В12 участвует в синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, холина, метионина, принимает участие в переносе одноуглеродных радикалов, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот.
Известны ферменты, содержащие в своем активном центре кобальт, это 2-биотинпротеин-метилмалонил-КоА-карбо-ксилт-рансфераза (КФ 2.1. 3.1.) и пропионил-КоА-карбокси-лаза (КФ6. 4. 1.3).
Кобальт является активатором ряда ферментов (аргиназа, фосфатаза, каталаза, альдолаза, декарбоксилаза), связывая активный кофермент с субстратом. С глицилглициндипептидазой кобальт образует хелатное соединение.
Ионы кобальта тормозят активность уреазы, цитохромо-ксидазы, сукцинатдегидразы. Участие кобальта в процессах кроветворения является одной из интересных сторон биологических эффектов этого микроэлемента. Кобальт блокирует сульфгидрильные группы отдельных оксидоредуктаз, что приводит к кислородному голоданию костного мозга. Это, в свою очередь, побуждает его к усилению функции через посредство синтеза эритропоэтина, обеспечивая нормальный активный синтез гемоглобина и ускорение созревания эритроцитов.
Поэтому при дефиците кобальта возникает болезнь – «сухотка», береговая болезнь скота, которая характеризуется анемией, снижением числа эритроцитов и концентрации в них гемоглобина, выраженным исхуданием, задержкой роста, потерей аппетита, лизухой. Недостаток кобальта в организме животного установлен в 25 странах мира.
Акобальтозы у жвачных животных встречаются чаще, чем у других видов сельскохозяйственных животных. Эти видовые различия связаны с особенностями углеводного обмена.
У жвачных основным источником энергии является не глюкоза, а летучие жирные кислоты – пропионовая, уксусная, масляная кислоты и другие, образующиеся в рубце при участии микрофлоры из полисахаридов кормов. Поэтому у жвачных животных особое значение приобретает фермент метилмалонил-КоА-мутаза, содержащий в качестве кофактора витамин В12 и превращающий метилмалонил-КоА в янтарную кислоту (сукпинил-КоА).
Учитывая, что метаболизм пропионовой кислоты связан с образованием метилмалонил-КоА, в отсутствие витамина В12 эта кислота накапливается в крови, вызывая потерю аппетита, характерного признака для кобальтовой недостаточности. В связи с этим содержание метилмалонил-КоА в моче жвачных может служить одним из признаков недостаточности кобальта в рационе еще до наступления характерных клинических признаков акобальтоза.
Селен
Всасывание селена происходит активно во всех отделах пищеварительного тракта животного. Около 80% селена в организме находится в эритроцитах. Скармливание больших доз селена (свыше 10 мг/кг корма) приводит к снижению его абсорбции в кишечнике. Избыток селена выводится из организма с мочой и каловыми массами.
Установлено, что селен является составным компонентом таких ферментов, как глутатионредуктаза, глутатионпероксидаза.
Биологическая активность селена обусловлена его участием в регуляции образования антиоксидантов. Существует тесная корреляция между уровнем в организме селена и активностью селенсодержащего фермента глутатионпероксидазы, (К.Ф. 1.11.1.9), который предотвращает накопление в клетках перекисных продуктов обмена веществ. Например,
2ГSН + Н2О2 -> 2ГS—SГ + 2Н2О.
Селен и витамин Е дополняют эффекты друг друга; оба входят в структуру мембран клеток, где витамин Е связан с арахидоновой кислотой фосфолипидов, а селен связан с белками, содержащими «негеминовое» железо, предохраняя его от окисления.
Селен способствует нейтрализации перекисей жирных кислот за счет активации глутатион-пероксидазы. В свою очередь, витамин Е предохраняет окисление жирных кислот мембран клеток, выполняя таким образом роль антиоксиданта.
Недостаток селена приводит к снижению аппетита, истощению животного. Основной симптом недостаточности селена в организме цыплят и индюшат – экссудативный диатез. Недостаток в организме селена и витамина Е у телят и ягнят приводит к развитию «беломышечной» болезни, связанной с деструктивными изменениями, в первую очередь в мышечной ткани. Однако позднее поражается и сердечная мышца, и животное неожиданно погибает от сердечной недостаточности.
Селен необходим для предупреждения миоопатии мышечного желудка и сердца у индеек. Фиброзы поджелудочной железы и снижение активности липазы, трипсиногена, химотрипсиногена также связаны с дефицитом этого микроэлемента в кормах.
В целях профилактики недостаточности селена в рацион цьплят вводят селен из расчета 0,15-0,20 мг/кг корма в виде селенита натрия. При избыточном содержании селена в кормах наблюдают патологии эмбрионов, их смерть, задержку роста и др.
Молибден
В растительных кормах содержание молибдена очень низкое. Поэтому концентрация его в тканях животных также незначительная. Так, в печени коров концентрация молибдена не превышает 200-220 мг %, а в других тканях она в несколько раз меньше. Избыток молибдена из организма выделяется с мочой.
Молибден входит в состав ксантиноксидазы и оказывает влияние на метаболизм пурина и его производных. Особое значение этот фермент имеет у птиц, где он участвует в образовании конечного продукта белкового обмена – мочевой кислоты. У жвачных животных молибден является ростовым фактором для бактерий преджелудков, улучшает в связи с этим поедаемость и усвояемость кормов. Эффективность действия молибдена повышается в присутствии меди.
Хром
Хром попадает в организм в составе воды и корма, однако место всасывания его в кровь пока точно не определено. В крови хром соединяется с белками плазмы, преимущественно с трансферрином. Депонируется этот микроэлемент в костях и почках.
В организме хром необходим для активирования фосфоглюкомутазы, трипсина и некоторых других ферментов. Установлено, что хром образует комплексы с РНК, что указывает на его участие в синтезе белков.
Избыток хрома токсичен для животных.
Фтор
Фтор, поступивший в организм с кормом и водой, хорошо всасывается в кишечнике (до 80% от принятого). Из организма его избыток выделяется с мочой.
Откладывается фтор в зубах и костях. Соединяясь с гидроксиапатитом, фтор превращает его в менее растворимый оксифторапатит, повышающий прочность костей, дентина и эмали зубов. При недостатке фтора развивается кариес зубов и остеопороз.
Избыток фтора – причина фтороза зубов. Это заболевание в настоящее время приобретает глобальное распространение в связи с загрязнением среды промышленными отходами, богатыми фтором. Больной фторозом молодняк отстает в росте, а у взрослых животных при фторозах наблюдаются парезы.
Таким образом, водно-солевой обмен имеет важное значение для нормальной жизнедеятельности всех животных. Нарушения минерального обмена у сельскохозяйственных животных связаны с загрязнением окружающей среды, интенсивной технологией земледелия.