Мікроелементи

Йод. В організмі йоду міститься до 0,027% загальної маси. Йод необхідний для синтезу гормонів щитовидної залози. В організм йод поступає з кормом, водою і повітрям. Всмоктується в шлунку і проксимальних ділянках харчового каналу. Йодиди всмоктуються швидше, ніж йод, зв'язаний з білками і амінокислотами. Частина йоду всмоктується за допомогою білкових переносників. У крові міститься 0,5 – 10 мкг% йоду. До 90% всього йоду поглинається щитовидною залозою, інше – тканинами тонкої кишки, нирок, яєчників, плаценти, шкіри, волосся і шерсті. Найбільше йоду міститься в тканинах щитовидної залози, печінки, шкіри, нирок, яєчників, лімфовузлів і кори великих півкуль. Близько ²/₃ йоду крові знаходиться у вигляді тироксина, ди- і трийодтиронінів, решта йоду зв'язана з білками, в основному з альбумінами.

Характеризується інтенсивним обміном (після введення ¹³¹J він через 10 – 15 хв з'являється в щитовидній залозі).

Надлишок йоду з організму видаляється з сечею, потом, молоком, калом, повітрям, що видихається.

Обмін йоду в організмі регулюється тиреотропним гормоном гіпофіза. Через нестачу йоду розвивається ендемічний зоб, гальмується основний обмін, окислювальне фосфорилування, пригнічується синтез білка, патологічно відкладається жир, сповільнюється ріст.

Фтор. В організмі фтор складає 0,009% загальної маси. Бере участь в утворенні опорних тканин, особливо кісткової, і зубів. Впливає на активність багатьох ферментів і на обмін речовин в цілому.

В організм поступає більше з водою, ніж з їжею. В харчовому каналі всмоктується до 80% екзогенного фтору. Швидко поглинається спочатку щитовидною залозою, потім нирками і наднирниками. Депонується в емалі зубів, дентині, діафізах і епіфізах кісток, селезінці, волоссі і шерсті, плазмі крові, еритроцитах, лікворі і молоці у вигляді фторапатита й інших сполук. З віком вміст фтору в організмі зростає. Основна маса фтору депонується в кістках (до 95%). Виділяється з сечею, калом і потом.

При недостатній кількості фтору в раціоні і питній воді розвивається карієс зубів і остеопороз кісток. Надлишок фтору в раціоні і питній воді призводить до фторозу зубів (поява темних плям на зубній емалі) і їх швидкому зношуванню, деформації кісток скелета і суглобів, обмеженню рухливості і виникненню парезів.

Залізо. В організмі залізо складає до 0,005% загальної маси. В основному воно зосереджено в гемоглобіні, феритині і гемосидерині, міоглобіні, цитохромах, каталазі, трансферинах і інших сполуках. Залізо є складовою частиною багатьох білків, необхідним мікроелементом для кровотворення і біологічного окислення. В організм поступає з їжею й питною водою.

Всмоктування відбувається в тонкій кишці, шлунку і частково в товстій кишці. Спочатку залізо поглинається слизовою оболонкою кишок, потім за допомогою білкових переносників або іншим шляхом проникає в кров. На адсорбцію заліза впливають різні екзо- і ендогенні чинники. Під впливом HCl шлункового соку іони Fe²⁺ перетворюються на іони Fe³⁺ і за допомогою феритину слизових оболонок всмоктуються. Близько 90% концентрується в червоному кістковому мозку, де використовується для утворення еритроцитів. Частина заліза депонується в печінці, селезінці, стінці кишок у вигляді феритинів і гемосидерина. Надмірний зміст заліза виділяється з калом, частково з сечею, молоком, у птахів – у складі яйця.

Обмін заліза в організмі регулюється центрами гіпоталамуса на рівні ретикуло-ендотеліальної системи і печінки. Вміст заліза в крові зменшується при анеміях, отруєннях гемолітичними отрутами, гемолітичних жовтяницях. Іноді в організмі відкладається екзогенне залізо (у вигляді Fe₂O₃).

Цинк. Кількісний вміст цинку в організмі складає 0,003% загальної маси. Цинк – складова частина металоензимів: дегідрогеназ, пептидаз, трансфосфорилаз, карбангідрази, урикази, фосфатаз, альдолази, уреази. Є активатором і інгібітором багатьох ферментів. Зокрема, цинк активує каталітичну дію аргінази, енолази, лецитинази, дегідро-, три- і амінопептидаз. Він входить до складу молекули інсуліну, активує дію адреналіну, тестостерону, фолікуліну, пролану, антидиуретичного і гонадотропного гормонів. З наявністю Zn в організмі пов'язані процеси клітинного дихання, росту і розвитку, обмін білків, нуклеїнових кислот, ліпідів і вуглеводів, імунітет, гемопоез, енергетичний обмін.

В організм цинк поступає головним чином у складі раціону. Всмоктується в тонкій кишці. Депонується в печінці, після чого поступає до інших органів і тканин. В організмі знаходиться у вигляді комплексних сполук з білками. Найбільше цинку міститься в тканинах ока, особливо в сітківці (249,5 мг%), а також печінці, підшлунковій залозі, аорті (161,6 мг%), селезінці. Кров і нервова тканина бідні на цинк.

Обмін цинку в організмі регулюється щитовидною залозою. При недостатній кількості цинку в раціоні сповільнюється ріст, випадає шерсть і волосся, виникають дерматити, анемія, наступає безплідність, виснаження. Вміст цинку в тканинах зростає при аноксії і асфіксії, зменшується – при лейкозі, ракових захворюваннях, нефриті, гепатитах, артритах.

Кобальт. В організмі міститься 0,000001 – 0,000075% від загальної маси. Кобальт – складова частина металоензимів: ізомераз, транскарбоксилази, гліцилгліциндипептидази. В багатьох реакціях обміну речовин він є активатором ферментів: піруваткарбоксилази, рибофлавінкінази, кісткової лужної фосфатази, аргінази й ін. Кобальт – складова частина вітаміну B₁₂, інсуліну й інших речовин. Активує процеси кровотворення, прискорює ріст, синтез нуклеїнових кислот і м'язових білків, асиміляцію азоту і основний обмін.

В організмі всмоктується в харчовому каналі. Тут же він використовується мікробами для біосинтезу вітаміну B₁₂. Після надходження в кровоносне русло депонується спочатку в печінці, потім в інших органах: у підшлунковій і вилочковій залозі, нирках, селезінці, наднирниках. Видаляється з організму з сечею, секретами харчового каналу і жовчю. Відсутність кобальту в раціоні призводить до акобальтозу (сповільнюється ріст, знижується продуктивність, розвивається анемія).

Мідь. В організмі міститься близько 0,00015% міді. Мідь входить до складу багатьох білків печінки, червоного кісткового мозку, плаценти, молока, пігментів і металоензимів: ЦХО, тирозинази, аскорбіноксидази, аскорбінкінази, альдолази й ін. Мідь бере участь у біосинтезі гемоглобіну, еластину, ферментів каталази і пероксидази. В організмі мідь знаходиться в зв'язаному (в основному з білками) і вільному (у вигляді іонів) стані. Іони Cu²⁺ володіють окислювальними властивостями: вони можуть перетворювати сульфгідрильні групи в дисульфідні. Іони Cu²⁺ гальмують дію лужної фосфатази, амілаз, ліпаз, пепсину, β-глюкуронідази і прискорюють окислення вітаміну С. Вітамін А і каротиноїди інактивують каталітичну дію міді. Мідь посилює використання тканинами вітамінів E і К, активує дію інсуліну і гальмує дію адреналіну, стимулює діяльність гормонів гіпофіза, усуває токсичну дію тироксина.

Всмоктується мідь у шлунку і тонкій кишці. Інтенсивність всмоктування залежить від складу раціону. Солі міді з амінокислотами і жирними кислотами всмоктуються краще, ніж солі мінеральних кислот. Транспортується мідь білками крові, в основному альбумінами, в купферовські клітини печінки, де і депонується. З печінки мідь поступає до інших органів і тканин. Надлишок міді виділяється з жовчю через кишки, нирками, шкірою, слизовими оболонками дихального апарату. У самок під час лактації частина міді виділяється з молоком.

При недостатній кількості міді розбивається анемія, порушуються функції нервової, м'язової, кровоносної і статевої систем. Надлишок міді в раціонах призводить до отруєнь – метгемоглобінемії, жовтяниці, гемоглобінурії.

Бром. В організмі брому міститься до 0,002% загальної маси. Бром бере участь в регуляції нервової діяльності – посилює процеси гальмування і еякуляції. Він є інгібітором амілаз.

В організм поступає з їжею, водою і повітрям (узбережжя морів і океанів). Основним місцем всмоктування брому є тонка кишка. Депонується в печінці, потім поступає до інших органів і тканин.

За певних умов бром може витісняти йод з його органічних похідних, що призводить до йодної недостатності. Адреналін затримує виведення брому з організму. Надлишок брому видаляється з організму з сечею, калом і потом, молоком.

Бор. В організмі бор складає 0,000001 – 0,00001% загальної маси. Найбільше його міститься в зубах і кістках (16 – 138 мг/кг сухої речовини). Біологічна роль бору повністю не з'ясована. Відомо, що бор уповільнює азотний обмін, сприяє відкладенню жиру, посилює гіпоглікемічний ефект інсуліну, інактивує діяльність деяких ферментів (лужної фосфатази, уреази, аргінази, холінестерази), інактивує дію вітамінів B₂ і B₁₂.

Бор поступає в організм з їжею і питною водою. Всмоктується в тонкій кишці. Близько 50% депонується в кістках і інших органах. Надлишок бору виділяється з сечею і частково з калом. При підвищеному вмісті бору виникають борні ентерити, нефрит, гепатити, стерильність, набряки мозку.

Марганець. В організмі ссавців марганцю в середньому міститься 0,00005% загальної маси. Марганець посилює процеси зсідання крові, кровотворення, біосинтез нуклеїнових кислот, білків, холестерину, антитіл. Він є складовою частиною деяких металоензимів: аргінази, глутамілтрансферази, дипептидази, ізоцитратдегідрогенази, карбоксилази й ін., активатором глюкокінази, фосфатаз і гексокіназ. Стимулює дію гормонів передньої частки гіпофіза, андрогенів, інсуліну. Активує ряд реакцій гліколізу і циклу трикарбонових кислот.

Марганець поступає в організм з їжею і частково з водою. Всмоктується в тонкій кишці, потім з током крові поступає в печінку й інші органи і тканини. В м'язах і крові концентрація марганцю зазвичай не перевищує 1 мг/кг. Велика частина екзогенного марганцю виділяється з жовчю в кишечник, решта – з сечею, потом, у самок – з молоком, у самців – з еякулятом.

При недостатній кількості марганцю зменшуються процеси росту, окостеніння, розвивається анемія, тетанія, знижується молочна продуктивність. Надлишок марганцю призводить до виникнення марганцевого рахіту.

Молібден. В організмі вміст молібдену визначається стотисячними частками відсотка по відношенню до загальної маси. Молібден бере участь в окисно-відновних процесах, входить до складу молекул деяких ферментів, впливає на обмін пуринових і піримідинових основ, білків, ліпідів, вуглеводів, вітамінів і ін.

В організмі молібден всмоктується всіма частинами харчового каналу, потім з током крові поступає в печінку й інші органи. Міститься в кістках (0,2 – 12 мг/кг сухої маси), печінці, жовчі. Багата молібденом біла і сіра речовина мозку, підшлункова і щитовидна залози, сім’яники. Надлишок молібдену виділяється з сечею, калом і потом, у самок – з молоком.

При підвищеному вмісті молібдену виникає токсикоз, який виявляється в порушеннях пуринового обміну і сильному виснаженні. При токсикозі порушується міцність кісток, виникає анемія, у самців гальмується сперматогенез, розвивається безплідність.

Селен. Більшість тварин містить до 0,0000035 – 0,000035% селену по відношенню до загальної маси. Селен володіє антиоксидантними властивостями, бере участь в окислювальному фосфорилуванні, разом з вітаміном E виконує функції каталізатора в процесах перенесення електронів, у комплексі з вітамінами А і E виявляє радіозахисну дію, бере участь в імунобіологічній реактивності організму і виробленні стійкості до анафілактичного шоку, гальмує дію цитратгідролази, підвищує сприйняття сітківкою ока світлового проміння.

Селен всмоктується всіма частинами харчового каналу. З білками селен всмоктується легше, ніж з неорганічними сполуками. В процесі всмоктування беруть участь білкові переносники. Частина мінеральних солей селену під впливом ферментів мікрофлори включається в амінокислоти і у такому вигляді всмоктується. В організмі селен транспортується спочатку альбумінами крові, потім α- і β-глобулінами. Близько 80% селену поглинається еритроцитами, решта маси депонується клітинами нирок, печінки і інших органів. У крові селен знаходиться у складі сполук з білками, пептидами і амінокислотами, а також у вигляді вільних іонів. Видаляється соками кишок, з повітрям, що видихається, частково з сечею, у самок – з молоком. Підвищений вміст селену призводить до токсикозу, який проявляється у вигляді гострої і хронічної форм. При цьому порушується діяльність оксидоредуктаз (особливо СДГ), біосинтез метіоніну, ріст покривних і опорних тканин, виникають анемії. Недостатня кількість селену призводить до виникнення білом’язової хвороби, коли атрофується скелетна мускулатура, з'являється безплідність, ексудативний діатез і некротична дегенерація печінки.

Хром. Відноситься до життєво необхідних елементів. Його вміст в організмі може досягати 0,001 – 0,0001%. Є дані про участь хрому в остеогенезі, обміні нуклеїнових кислот і вуглеводів, у регуляції діяльності щитовидної залози. Хром бере участь в процесах кровотворення, активує трипсиноген, посилює гіпоглікемічну дію інсуліну.

В організмі хром всмоктується в кишках. До 50% хрому депонується в кістках, м'язах і шкірі. Багато хрому міститься в гіпофізі (3 мг%), щитовидній і підшлунковій залозах, наднирниках і яєчниках. З організму видаляється в основному з сечею, частково – з калом і потом, у лактуючих самок – з молоком.

Великі дози хрому (особливо шестивалентного) викликають отруєння.

Нікель. В організмі нікелю міститься 0,000001%. Біологічне значення цього мікроелемента вивчено недостатньо. Відомо, що він активує аргіназу, впливає на окислювальні процеси. В організм поступає з їжею, частково з водою. Всмоктується в основному в тонкій кишці. Нагромаджується в печінці, нирках, підшлунковій залозі й інших органах. З організму виводиться з калом, сечею і потом.

При надмірній кількості розвивається токсикоз, який найчастіше виявляється в кератитах і керато-кон'юнктивітах. На ураженій роговій оболонці ока розвиваються язви або більмо. Захворювання зазвичай завершується сліпотою.

Миш'як. Вміст миш'яку в організмі досягає 0,0000008 – 0,00002% загальної маси. Біологічна роль миш'яку вивчена недостатньо. Встановлено, що він бере участь в реакціях гліколізу, окислювальному розпаді складних вуглеводів, бродінні й інших процесах. Арсенати прискорюють реакції гліколізу і розпад гексозофосфатів, арсеніти гальмують окисно-відновні реакції і процеси дихання еритроцитів.

Всмоктується у складі органічних сполук на 50% швидше, ніж у складі мінеральних. Депонується в шкірі і її похідних, щитовидній залозі, печінці, міокарді, слизовій оболонці матки. З організму миш'як виводиться в основному з сечею, потом, калом, у лактуючих самок – з молоком.

Його надлишок викликає отруєння: втрату апетиту, дерматити, паралічі, і смерть. Ссавці більш чутливі до цього, ніж птахи.

Стронцій. В золі, одержаній при спалюванні тіла тварин, міститься 0,0005% стронцію. Цей мікроелемент бере участь в остеогенезі, процесах зсідання крові та деяких ферментативних реакціях як інгібітор або активатор.

В організмі стронцій всмоктується в краніальній частині тонкої кишки. Нагромаджується в кістковій тканині, частково в інших органах і тканинах. З віком його кількість в організмі зростає. У жуйних надлишок стронцію з організму видаляється переважно з калом, у людини і мавп – з сечею. Багато стронцію містять жовчне і ниркове каміння.

При надлишку стронцію виникає стронцієвий рахіт: сповільнюється ріст, наступає виснаження організму, розм'якшуються кістки і виникають переломи. При цій хворобі іони Sr²⁺ витісняють іони Ca²⁺ з молекул апатиту в кістковій тканині. Велику небезпеку для організму представляє ⁹⁰Sr – радіоактивний стронцій, який швидко всмоктується і може нагромаджуватися в кістках, сприяючи розвитку лейкемії і ракових захворювань. Накопичення ⁹⁰Sr можна загальмувати, обмежуючи наявність в раціоні вітамінів групи D і збільшуючи вміст в організмі фосфору і кальцію.

В тканинах організму знайдені й інші мікроелементи: ванадій, олово, рубідій, цезій, титан, ртуть, срібло, золото, свинець, уран і ін. Однак біологічна роль їх вивчена недостатньо.

 

Лекція № 16. Обмін речовин як єдине ціле.

 

Біохімічні перетворення різних речовин у тваринних організмах взаємозв'язані. Порушення обміну якої-небудь однієї групи речовин, наприклад нуклеїнових кислот, як правило, спричиняє за собою зміну обміну речовин організму в цілому. Відомо, що обмін речовин складається з двох процесів: асиміляції і дисиміляції. У молодого організму, який росте, процеси асиміляції переважають над процесами дисиміляції. У дорослих тварин між процесами асиміляції і дисиміляції встановлюється динамічна рівновага. У старіючих і хворих – розпад речовин переважає над їх синтезом.

Реакції обміну речовин, що протікають в організмі, характеризуються високим ступенем узгодженості. Вони являють собою впорядковану і цілісну систему, яка склалася в результаті тривалої еволюції живого світу, закріпилася генетично і передається від покоління до покоління. Обмін речовин є закономірним порядком перетворень речовин і енергії в організмі.

Взаємозв'язок і взаємообумовленість реакцій обміну речовин координуються центральною нервовою системою і залозами внутрішньої секреції, які утворюють чітку систему нейрогуморальної регуляції асиміляції і дисиміляції. Регуляція здійснюється за допомогою ферментів, гормонів, цАМФ, медіаторів нервового збудження, загальних продуктів біохімічних реакцій. Кожна ферментативна реакція – це ланка відповідного метаболічного циклу, а всі метаболічні шляхи в сукупності складають обмін речовин. Біохімічні реакції також взаємозв'язані і протікають в певному порядку і послідовності. Так, обмін нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів на перших етапах відбувається різними шляхами, але у результаті утворюються одні й ті ж кінцеві продукти. При окисленні всіх органічних речовин в організмі утворюються СО₂ і Н₂О, а при окисленні нуклеїнових кислот і білків, крім того, азотовмісні сполуки: сечовина, сечова кислота та ін.

Одним з „вузлових” метаболітів, який як би стоїть на перетині багатьох метаболічних шляхів, є піруват. В одних випадках ним завершується розщеплення складних речовин (наприклад, глікогену), в інших – починається біосинтез. Взаємозв'язок різних видів обміну в основному здійснюється через реакції циклу трикарбонових кислот. З окремих метаболітів, що містяться в клітинах, при необхідності утворюються структурні одиниці нуклеїнових кислот, білків, вуглеводів, ліпідів і т.д.

Взаємозв'язок обміну нуклеїнових кислот із обміном інших речовин. Обмін нуклеїнових кислот пов'язаний з іншими видами обміну речовин. Зокрема, інтенсивність біосинтезу залежить від наявності в клітині відповідної „сировини” і білків-ферментів: ДНК- і РНК-полімераз, полінуклеотидфосфорилази, синтетаз пуринових і піримідинових основ та ін. При розпаді пуринових основ утворюється гліоксилова кислота, з якої утворюється гліцин. При розпаді піримідинових основ утворюється b-аланін – джерело утворення пантотенової кислоти і коензима А. Гліцин і b-аланін можуть служити матеріалом для біосинтезу білків.

Існує зв'язок між обміном нуклеїнових кислот і вуглеводів. Так, D-рибоза і D-дезоксирибоза використовуються для біосинтезу нуклеозидів, нуклеотидів і нуклеїнових кислот. Біосинтез вуглеводів залежить від біосинтезу нуклеїнових кислот. Частина УТФ використовується для утворення уридиндифосфоглюкози – основи для біосинтезу поліглюканів.

b-Окислення вищих жирних кислот дає клітині макроергічні сполуки – нуклеозиди- і нуклеозидтрифосфати, які є джерелами хімічної енергії для утворення багатьох речовин. Біосинтез деяких фосфоліпідів залежить від ЦТФ.

Утворення нейтральних жирів із вуглеводів. Вуглеводи служать джерелом утворення жирів. Зв'язуючими ланками переходу вуглеводів у жири і назад є піруват і ацетил-КоА. З них залежно від потреби організму можуть утворюватися інші ліпіди. Гліцерин може утворюватися шляхом відновлення 3-фосфогліцеринового альдегіду або фосфодіоксіацетона (продуктів глікогеноліза або гліколіза). З піровиноградної кислоти утворюється ацетил-КоА, а з нього – вищі жирні кислоти.

Утворення вуглеводів із жирів. Вуглеводи в організмі можуть синтезуватися з жирів. Цей процес має особливе значення для тварин, які впадають в зимову сплячку. Запаси жиру у цих тварин до моменту сплячки досягають 50% загальної маси, дихальний коефіцієнт взимку низький – 0,4 – 0,6. Під впливом клітинних ліпаз жир гідролізується. Гліцерин окислюється в гліцериновий альдегід, який фосфорилується і може бути джерелом утворення глюкози і глікогену. З вищих жирних кислот при b-окисленні утворюється ацетил-Ко А, з нього – піруват і інші речовини, характерні для анаеробіозу. З глюкози утворюється, глікоген, ацетил-КоА виникає при розпаді інших ліпідів.

Утворення білків із вуглеводів. Між вуглеводним і білковим обміном існує взаємозв'язок через загальні метаболічні шляхи перетворення:

І в даному випадку ключовим продуктом обміну є піруват, з якого можуть утворитися аланін, фенілаланін, тирозин, триптофан, гістидин та ін. Крім того, з пірувата утворюється щавелевооцтова кислота, з якої синтезується аспарагінова. В ході функціонування циклу трикарбонових кислот утворюється a-кетоглутарова кислота, з якої синтезується глутамінова, і т.д. Процеси перетворення вуглеводів у білки і білків у вуглеводи регулюються глюкокортикоїдами.

Єдність обміну речовин в організмі. Обмін різних речовин в організмі є єдиним цілим. Залежно від потреб організму в тканинах і клітинах із загальних продуктів хімічних реакцій можуть синтезуватися необхідні для життєдіяльності речовини. Ведуча роль в цих процесах належить ферментам. Наявність у клітині ДНК забезпечує передачу генетичної інформації і сувору специфічність у структурі найважливіших біополімерів. При розщепленні вуглеводів і ліпідів, а іноді і білків, поновлюються запаси АТФ та інших макроергічних сполук.

Таким чином, живий організм є саморегульованою системою, яка за рахунок безперервного обміну речовин забезпечує своє існування. Порушення реакцій обміну і діяльності цієї системи призводить до патології.

 

 

Лекція № 17. Контроль і регуляція метаболізму.

 

Живі організми – відкриті системи, важливою умовою існування яких є підтримання сталості складу внутрішнього середовища, стабільності біохімічних параметрів, що визначають поняття гомеостазу. Все це забезпечується за участю специфічних внутрішніх та зовнішніх факторів у процесі тісної взаємодії організму з навколишнім середовищем. Забезпечення регуляції процесів життєдіяльності є необхідною умовою існування організмів. Злагоджений перебіг біохімічних перетворень, їх тісний взаємозв'язок і взаємозумовленість, можливість взаємоперетворення різних класів органічних сполук, швидка мобілізація внутрішніх резервів організму забезпечує існування живих організмів в умовах взаємодії їх з навколишнім середовищем.

При зміні умов навколишнього середовища включаються механізми, які забезпечують динамічну стабілізацію основних параметрів, що визначають життєдіяльність. Механізми регуляції сформувались у процесі тривалої еволюції і відповідають завданню максимального виживання організму. Дані механізми включаються на самих ранніх рівнях організації живих систем і здійснюються на молекулярному, субклітинному, клітинному та організменному рівнях. Для кожного з них характерні певні специфічні закономірності та загальні принципи, що реалізуються як на рівні окремих клітин, так і на рівні організму в цілому. Розрізняють декілька рівнів регуляції процесів життєдіяльності – метаболітний, оперонний, клітинний, організменний, популяційний та ін.