Роль отдельных химических элементов

Натрий. Широко распространенный в природе элемент натрий поступает в организм с кормом и водой. Основная масса натрия всасывается в тонком отделе кишечника и, быстро рас. пространяясь с кровью по организму, вскоре обнаруживается во всех тканях. Обычно концентрация натрия у новорожденных выше, чем у взрослых. Самая высокая концентрация натрия обнаруживается в плазме крови (300—330 мг%, или 120— 130 м-экв./ЮОО мл). Много его также в почках (165—390 мг %, или 70—170 м-экв./ЮОО), костях скелета и хрящах (175— 300 мг%, или 75—130 м-экв./ЮОО). Более 95% натрия выво. дится через почки.

Хлористый натрий — одно из наиболее распространенных соединений этого элемента в организме. Он почти на 90 % определяет осмотическое давление крови. Важнейшая функция хлористого натрия в организме — регуляция водного обмена. Так, при его недостатке в кормах происходит обезвоживание организма. Это явление сопровождается потерей аппетита, животные становятся вялыми, облизывают окружающие предметы, у них тускнеет и взъерошивается шерсть, ухудшается усвоение корма, падает продуктивность. Не менее важна и другая функция натрия — его ионы возбуждают мышцы и необходимы для проведения импульсов по нервным волокнам. Кроме этого, натрий влияет на скорость роста организма, общий удой и жирность молока коров и овец.

Ферментативные процессы в митохондриях и ядре могут происходить только при наличии натрия. Ионы натрия активизируют амилазу, фруктокиназу, холинэстеразу и тормозят дейтвие фосфорилазы.

Исследования последних лет показали еще одну очень важную роль натрия в организме. Как известно, нормальное функционирование клеток возможно только в случае постоянного поступления в них извне аминокислот, углеводов и других метаболитов. В большинстве случаев указанные вещества поступают в клетки против градиента концентрации, т. е. в таких условиях, когда в окружающей среде концентрация веществ ниже, чем в самой клетке. Перемещение против градиента кон центрации обусловлено наличием в мембранах клеток систем активного переноса, представленных специфическими белками. Белки-переносчики образуют с субстратами временные комплексы (по типу фермент-субстратных комплексов). Функционирование систем активного переноса сопряжено с затра. тами энергии, источником которой является внутриклеточная АТФ.

Одной из самых распространенных систем активного переноса является (Na+ + I< c)-^АТФ-аза, т. е. фермент, активность которого зависит от присутствия в среде ионов Na+ и К⁺. Эта система локализована в клеточной мембране и обеспечивает выведение из клетки ионов натрия и замену их на ионы калия или такие метаболиты, как аминокислоты, углеводы и др.

Названная выше система действует в две стадии: внутри клетки под влиянием ионов Na+ осуществляется фосфорилирование фермента-переносчика за счет использования внутриклеточной АТФ и последующее присоединение к нему Na⁺. Во вто рой стадии фосфорилированный фермент гидролизуется с освобождением ионов Na+ на внешней стороне мембраны. Вместо натрия в клетку поступают ионы К⁺, а в других случаях — аминокислоты и глюкоза. Описанная система активного транспорта веществ получила название «натриевого насоса». Таким образом, ионы Na+ играют существенную роль при транспорте различных метаболитов из окружающей среды в клетки.

Избыток натрия в организме, в равной мере как и его недостаток, вызывает серьезные нарушения обмена веществ, в основе которых лежит угнетение ряда ферментов, прежде всего ацетилактивирующих систем. Одним из признаков повышенного содержания натрия в организме является хрупкость сосудов, а также гидратация тканей, их отечность.

Калий. Находясь в виде растворимых соединений в различых почвах, калий накапливается в растениях и в составе кормов и воды поступает в организм животных. Он всасывается на протяжении всего кишечника, но больше всего в тонком отделе. Выделяется из организма калий преимущественно через почки (до 90%).

Концентрация калия в различных тканях не одинаковая и отличается от концентрации в них натрия. Распределение натия и калия в тканях млекопитающих показано в табл. 12,

Таблица 12. Содержание натрия и калия в органах и тканях крупного рогатого скота

В тканях молодых животных калия больше, чем у взрослых.

Калий относится к числу внутриклеточных элементов, где одним из его назначений является обеспечение внутриклеточного осмотического давления. Он действует как активатор многих ферментов (пируваткиназа, фруктокиназа, фосфофруктокиназа). В целом ионы К⁴" повышают скорость аэробного и угнетают анаэробное окисление углеводов. Ионы калия вместе с ионами натрия участвуют в процессе передачи нервного возуждения с нерва на иннервируемый орган, а также между нейронами. При этом они обеспечивают образование медиаторов (ацетилхолина) на нервных окончаниях, а также в формировании соответствующей реакции иннервируемой ткани на воздействие медиатора. Калий вместе с натрием играет роль в функционировании «натриевого насоса». Он необходим для активирования ферментов, катализирующих заключительные этапы синтеза белков. Растения и бактерии могут использовать аммиак для синтеза белков только при наличии определенного количества калия и фосфора.

В природе калия достаточно много и практически недостаточность его у животных не наблюдается.

Кальций. В количественном отношении кальций составляет основную часть золы тела животных. До 98 % этого элемента содержится в костях, где он образует кристаллы гидроксилапатита [ЗСаз[РО₄]2-Са(ОН)₂]. Эти кристаллы располагаются на поверхности нитей коллагена и между ними, создавая большую поверхность раздела для обмена. На кристаллах гидроксилапатита могут адсорбироваться карбонаты, цитраты и другие минералы.

Кальций в небольших количествах содержится в плазме крови (10—15 мг%) и клетках, причем часть его находится в ионизированной.форме, а другая образует комплексы с белками и мембранными структурами клеток.

Функции кальция в организме разнообразны. Кроме участия в образовании костной ткани кальций в качестве активатора ферментов необходим при г свертывании крови, он понижает возбудимость отдельных участков нервной системы, снижает температуру тела, ослабляет действие на организм токсинов, повышает устойчивость организма к инфекции, уменьшает гидратацию белков, устраняет вредное действие избытка калия, натрия, магния, необходим для возникновения биоэлектрических потенциалов на поверхности клеточных мембран, активирует АТФ-азу мышц и ряд других ферментов.

Усвоение и обмен кальция зависят от наличия в организме витамина D, а также от концентрации в крови паратгормона и кальцитонина. Витамин D индуцирует образование Са-связывающего белка, обеспечивающего транспорт кальция из кишечника в кровь, а из крови в ткани. Кальцитонин способствует отложению кальция в костях, а паратгормон вызывает его мобилизацию из костной ткани. Обмен кальция между кровью и скелетом тесно связан с обменом углеводов. Так, промежуточный продукт углеводного обмена — лимонная кислота — способна образовывать с кальцием растворимые, легко диффундируемые через клеточные мембраны соли. Немаловажная роль в этом принадлежит витамину D.

Магний. Подобно кальцию магний широко распространен в природе и попадает в организм с кормом и водой. Механизм усвоения и факторы, влияющие на него, окончательно не выяснены. В организме большая часть магния концентрируется в костях, где его содержание достигает 0, 1'%. Самая высокая концентрация магния в дентине зубов — около 0, 8 %. Остальные ткани содержат примерно одинаковое количество магния (0, 005—0, 015%). В отличие от кальция он является преимущественно внутриклеточным компонентом. Соотношение внутриклеточного магния к внеклеточному составляет 10: 1.

Магний участвует в терморегуляции и необходим для деятельности нервно-мышечного аппарата. При его недостатке возникает тяжелое заболевание — гипомагниемия или травяная тетания. Если в кровь здорового животного вводить соли магния, то наступает гипотермия организма, а затем сонливость (седаивное действие), переходящая в магнезиальный наркоз.

Магний активирует АТФ-азу мышц, его ионы входят в комплекс миозина и АТФ, выполняя роль мостика между этими веествами. Ионы магния также активируют ацетилхолинэстеразу фосфатазу, енолазу, пептидазы, карбоксилазу, лецитиназы и другие ферменты. Магний входит в состав протеинсинтезирующих систем. Совместно с калием, натрием и кальцием он способствует образованию полисом и пелипептидации аминокислот на них. Магний обеспечивает сохранность уникальной структуры митохондрий и осуществление в них сопряжения окисления с фосфорилированием.

У лактирующих коров явление гипомагнезиемии может развиваться в весенне-летний период при переводе их на кормление зеленой массой. У больных животных количество магния в крови понижено в 5—6 раз, а выделение его с мочой прекращается. Последующее ежедневное введение в организм магниевых солей устраняет признаки гипомагнезиемии.

Железо. Количество железа в организме высших животных не превышает 45 мг/кг массы тела. Несмотря на это его физиологическое значение очень велико. Большая часть железа в тканях находится в форме органических соединений. Около 60—70 % этого элемента входит в состав тема. Способность железа в составе тема отдавать и присоединять электроны зависит от структуры соединенного с гемом белка. Так, в гемоглобине и миоглобине железо может присоединять кислород без изменения валентности. В составе цитохромов железо может легко присоединять и также легко отдавать электроны, принимая участие в тканевом дыхании.

Поступление железа из желудочно-кишечного тракта в кровь контролируется слизистой оболочкой кишечника. В ней образуется специфический белок апоферритин, обеспечивающий транспорт железа через мембраны. В слизистой оболочке кишечника этого белка относительно мало, в связи с чем железо всасывается в кровь в ограниченных количествах. Биологическая целесообразность такого ограничения основана на том, что животные не обладают достаточной способностью удалять избыток данного элемента.

Из тонкого кишечника, где происходит всасывание железа, оно поступает в печень. В этом органе определенная часть железа задерживается в составе белка ферритина, а остальное его количество поступает в костный мозг и используется для синтеза тема. Железо содержится также и в белке гемосидерине (преимущественно в селезенке). Ферритин и гемосидерин играют роль депо железа в организме. В составе указанных белков железо составляет около 22 % от общей массы молекулы. В плазме крови животных имеются также железосодержащие белки, например трансферрин и комплекс гаптоглобина с гемом.

Недостаток железа в организме приводит к тяжелому заболеванию—анемии (малокровие). Особенно часто анемией болеют поросята, что можно объяснить очень низким содержанием железа в молоке свиноматок — единственном продукте питания поросят в первые дни жизни.

Фосфор. Фосфор — один из распространенных элементов органического мира. В организме животных встречаются как минеральные (различные фосфорнокислые соли), так и органические соединения фосфора. Одно из таких веществ — гидроксиапатит — основное минеральное соединение костной ткани. В среднем в костях млекопитающих 30 % золы, в составе которой 36% кальция, 17% фосфора и 0, 8% магния. Фосфор костей составляет 70—85 % от общего количества этого элемента в организме.

В тканях животных обычны соединения пятивалентного фосфора в виде фосфатов. Кроме костной ткани фосфорнокислые соли содержатся в крови, в клетках и межклеточных пространствах. Здесь они образуют фосфатные буферные системы; используются для образования макроэргов в процессах сопряжения окисления с фосфорилированием.

Роль фосфора и его минеральных соединений в организме очень разнообразна. Фосфор и его соединения служат составной частью костной ткани и зубов, компонентом нуклеотидов и нуклеиновых кислот; выполняют роль простетической группы фосфрпротеидов (белки мозга, казеиноген, фосфорилаза, вителлин, фосвитин и др.); участвуют в образовании буферных систем и в построении коферментов (НАД, НАДФ, ФАД, ФМН, HS-KoA, пиридоксальфосфат и др.) и макроэргических соедиений АТФ, ЦТФ, ГТФ, УТФ, креатинфосфат. Соединения фосфора действуют в роли посредника при гормональной регуляции (циклическая — 3'5'-АМФ) и активатора углеводов, аминокислот и продуктов омыления жиров в процессе их окисления (глюкозо-6-фосфат, глицерофосфат, 3-фосфоглицериновая кислота и др.).

Регуляция обмена фосфора осуществляется паратгормоном, тироксином, эстрогенами. Обмен фосфора тесно сопряжен с обеном кальция. Опыты с введением в организм маркированных по фосфору фосфатов показали, что наиболее интенсивное его использование происходит в активно функционирующих органах (мозг, печень, мышцы). Введенный в организм радиоактивный фосфор быстро появляется в составе органических соединений тканей, в первую очередь в составе аденозинтрифосфорной кислоты.

Поступающий в организм фосфор в виде неорганических фосфатов проходит длинный путь превращений, на котором возникают различные органические фосфорные соединения. Этот путь заканчивается вновь образованием неорганических фосфатов, выделяющихся из организма.

Недостаток фосфора у животных сопровождается задержкой роста, возникновением рахита, остеомаляции, остеопороза, фиб. розного остита.

Хлор. Хлор содержится в виде анионов солей (натрия, калия, кальция, магния и др.) во всех жидкостях животных. Анионы хлора вместе с катионами натрия и калия поддерживают осмотическое давление плазмы и других жидкостей. Перемещаясь свободно через мембраны клеток, анионы хлора обеспечивают динамическое равновесие Н-ионов в клетках и окружающей их среде. Хлориды используются слизистой желудка для секреции соляной кислоты.

Сера. В организме животных сера преимущественно представлена восстановленной формой (сульфидная сера) в составе аминокислот и абсолютного большинства белков. Особенно много серы в белках покровных тканей и их дериватов — эпителий, шерсть, волосы, копыта, рога, перья. Она входит также в состав многих ферментов, коферментов, мукополисахаридов, липидов и др.

Таблица 13. Потребность различных животных в макроэлементах

(г/кг сухого вещества корма)

¹ мг/кг сухого вещества корма.

Активированные сульфаты принимают участие в обезвреживании некоторых ядов (индол, скатол). В результате соединения серной кислоты с ядовитыми веществами последние превращаются в индифферентные парные соединения, выводимые из организма с мочой.

Сера у жвачных животных может использоваться многократно. Так, значительная ее часть выделяется в желудочнокишечный тракт вместе с пищеварительными соками и погло

щается бактериями, которые включают ее во вновь синтезируемые в преджелудках аминокислоты. Затем после переваривания бактерий ранее синтезированные ими аминокислоты освобождаются, всасываются в кровь и идут на построение тканевых белков и других целей.

Потребность животных в различных макроэлементах из расчета на килограмм сухого вещества корма приводится в табл. 13.