Биоэлементы (БЭ) – это химические элементы (ХЭ), необходимые для построения и жизнедеятельности организма. Структура белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов, являющихся основным материалом для клеток и жизнедеятельности организма млекопитающих, состоит всего из шести химических элементов (С, N, О, S, H, P) – органогенов. Значительную часть ХЭ, обнаруженных в организме млекопитающих, составляют эссенциальные, к которым относят «металлы жизни» (К, Na, Mg, Сa, Fe, Mn, Со, Сu, Zn, Mo), биогенные неметаллы (F, Cl, Br, J, Si, Se, As) и биогенные металлы (Li, Ba, Sn, Ti, Вi, Сr) [1, 13]. Многие БЭ в живых организмах находятся в микро- и ультрамикроколичествах. Для всего многообразия жизни на Земле требуется чуть больше 30 ХЭ, биологическая роль некоторых из них изучена слабо.
БЭ в организме выполняют многообразные функции: участвуют в структурной организации химических веществ (Са, Mg, Zn, Fe, Si, S), в переносе химических групп (Fe, V, Co, Ni, Сu, Mo), в окислительно-восстановительном катализе (Mn, Fe, Cu, Co, V, Ni, W, S, Se), в накоплении энергии (H, P, S, Na, К, Mg, Fe, S), обеспечивают электрические процессы (Na, K, Ca, Сl), в буферном действии кислот и оснований
(P, Si, С), в передаче сигналов (Сa, B), в регуляции объема клетки (Na, К) и т.д. [1, 7]. БЭ в организме в основном связаны с различными веществами. Из «металлов жизни» в виде свободных катионов находятся только Na+ и K+, в меньшей степени Ca2+ и Mg2+. Остальные «металлы жизни» входят в состав комплексов или водорастворимых соединений. Катионы этих металлов являются составной частью белков и солей аминокислот. Примерно 25 % белков содержат ионы металлов [13]. Устойчивость образовавшихся комплексов варьирует в широких пределах [5, 13]. Молекула ДНК несет на себе множество зарядов и по этой причине взаимодействует с ионами металлов. Многие металлы принимают участие в функционировании РНК [25]. Способность металлов образовывать комплексы повышается с увеличением положительного заряда иона и с уменьшением его ионного радиуса [13].
Белковые молекулы включают металл для стабилизации своей стереометрической структуры с целью выполнения определенной функции (катализа, транспорта, депонирования, регуляции и т.д.). Даже незначительные изменения структуры комплексов металлов с биологическими лигандами могут существенно повлиять на его физиологические функции [2]. Более четверти ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в металлах. В ферментах ионы металлов или определяют структуру белка, или служат мостиком между ферментом и субстратом, выполняя функцию стабилизатора активного центра [1, 11]. Такую функцию выполняют Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Mo2+. В отсутствие металла у фермента остается минимальная активность или она исчезает полностью [11, 12, 19].
Известно, что многие внутримолекулярные превращения, в том числе и конформационная перестройка, совершаются очень быстро (за 10-2 – 10-3 с). Конформационные изменения могут представлять собой каскад последовательных внутримолекулярных актов [15].
В структуре одного фермента может быть несколько БЭ [11]. Например, щелочные фосфатазы, катализирующие гидролиз фосфомоноэфиров с образованием неорганического фосфата и спирта, содержат один ион Mg и два иона Zn. Некоторые металлы в ферментах могут взаимозаменяться без потери энзиматической активности (в основном это металлы с близкими ионными радиусами в водных растворах) [3, 12, 13]. БЭ могут быть не только активаторами, но и ингибиторами ферментов.
Таким образом, один БЭ может принимать активное участие одновременно в различных биохимических процессах и несколько БЭ – в формировании одной химической структуры, в том числе фермента.
К настоящему времени накоплены знания по содержанию БЭ в различных тканях организма как в норме, так и при патологии. Изучены особенности поступления и выведения БЭ из организма, а также клинические проявления их дефицита и избытка [16].
В тканях живого организма выделяют два пула БЭ: оборотный и резервный. Первый непосредственно участвует в обменных процессах, а второй с различной силой удерживается рядом структур и непосредственно не участвует в межуточном обмене [17].
Депо БЭ играет важную роль в поддержании гомеостаза свободных, метаболически активных БЭ оборотного пула. В частности, в этих депо белковые комплексы с металлами обладают невысокой прочностью и при определенных условиях БЭ могут легко их покинуть или, напротив, поглотиться. После заполнения депо избыточно поступающие в организм БЭ начинают откладываться в различных тканях, но уже в форме более прочных комплексов, то есть БЭ переводятся в инертные, безопасные для организма состояния, что также на первых этапах поддерживает гомеостаз оборотного пула [9]. Белки, выполняющие депонирующую БЭ функцию, находятся в клетках (ферритин, металлотионеины и др.) и в плазме крови (трансферрин, церулоплазмин и др.) [1, 5, 16, 18]. У церулоплазмина депонирующая функция сочетается с транспортной. Особенно много БЭ резервируется печенью и костной тканью. В костях в большей степени запасаются металлы [22].
При малых запасах БЭ в клетках какого-либо органа он может пополняться из других органов с помощью различных транспортных систем.
Выделяют три основных типа белков, транспортирующих ионы: каналы, переносчики и насосы [8, 9]. Транспортные белки обеспечивают селективное движение неорганических ионов в различные органы и ткани [9, 21]. Они обладают способностью специфически различать ионы. Каналы – это белки, образующие поры, позволяющие субстрату двигаться через мембраны. Белки-переносчики связывают субстрат на поверхности клетки, подвергаются трансформации и высвобождают субстрат на другой стороне мембраны. Насосы используют энергию, получаемую при гидролизе АТФ или других источников. Электрохимический потенциал клеточной мембраны также относится к важным факторам переноса ионов металлов.
В клетке все типы транспортных белков участвуют в метаболизме совместно. Работа одного из них зависит от функционирования других [10].
Важную роль в переносе некоторых катионов (Na+, К+, Сa2+, Rb+ и др.) играют ионофоры. Это органические гидрофобные молекулы, являющиеся комплексонами. Они переносят ионы через клеточную мембрану из гидрофобной фазы и освобождают их по другую сторону мембраны в водной фазе.
При определении концентрации БЭ в живых тканях учитывается суммарное содержание обоих пулов. Часто не удается обнаружить корреляции между концентрацией в органах и тканях с изменившимся метаболизмом. Концентрация оборотного пула БЭ в различных органах и тканях у здоровых млекопитающих находится в довольно узком диапазоне значений, а общая концентрация БЭ при этом может различаться между здоровыми индивидуумами в 10 и более раз [26, 28]. Эти различия в большей степени связаны с резервным пулом БЭ.
Под гомеостазом понимают динамичное постоянство состава и свойств внутренней среды организма, обусловливающее устойчивость его физиологических функций. В свою очередь метаболизм обеспечивает гомеостаз. Например, механизмы выделения Ca2+ с мочой, поступление Сa2+ из кишечника и его обмен в костях работают синхронно, сохраняя внутриклеточную концентрацию постоянной [5].
В процессе метаболизма между БЭ складываются как синергетические, так и антагонистические отношения, в основе которых лежат физико-химические свойства (способность к комплексообразованию, сродство к активным химическим группам, заряд, размер атомов, валентность, энергия ионизации и др.) [2].
Конкуренция БЭ происходит за связи с белками, включая ферменты, рецепторы, транспортные структуры и др. [1]. В биологических системах имеет место сопряженность в усвоении и функционировании ряда БЭ. Например, обнаружен Na+-зависимый транспорт Са2+. Когда Na+ по градиенту концентрации переносится в клетку, Са2+ против градиента концентрации выходит из клетки. Mg2+ обладает способностью регулировать кальциевые каналы, препятствуя повышенному притоку Ca2+ внутрь клетки [4, 5, 22].
ХЭ не может независимо от других участвовать в метаболизме. Определение одной концентрации БЭ в тканях организма лишь отчасти отражает их участие в обменных процессах [2].
Концентрация БЭ в тканях млекопитающих при многих патологических процессах не отклоняется от нормы. Чаще выраженные количественные изменения в содержании БЭ в тканях имеют место при генетических заболеваниях (гемахроматоз, болезнь Вильсона и др.), а также болезнях, связанных с дефицитом или избытком БЭ в пище и воде, нарушениях их всасывания в пищеварительном тракте (целиакия и др.), потере БЭ при хронических кровотечениях. Вторичный дефицит некоторых БЭ возможен при голодании, хронической печеночной и почечной недостаточности, алкоголизме, сепсисе, ожоговой болезни и др. [16].
В ранее проведенных нами исследованиях [20, 27] изучено влияние умеренно повышенного потребления цинка крысами в течение 3,5 мес (за сутки каждая получала на 0,22 – 0,30 мг цинка больше, чем в контрольной группе) на биоэлементный состав печени и легких. В эксперименте одна группа животных, избыточно получавших цинк, находилась на стандартной диете, а другая – на высокожировой; третья группа крыс получала только высокожировую диету (также в течение 3,5 мес). Перед выведением из эксперимента часть животных из каждой группы, включая контроль, не получала никакой пищи в течение 12 часов (период физиологического голода), остальные получали жирную пищу за 2 ч до окончания эксперимента. После периода физиологического голода концентрация микроэлементов в печени и легких у крыс, избыточно получавших цинк, не отличалась от показателей контрольной группы. Это, вероятно, связано с адаптацией животных к умеренно повышенному поступлению цинка в пищеварительный тракт, что проявилось снижением доли его всасывания.
Более высокая нагрузка цинком вполне
могла вызвать его накопление в печени и легких и привести к изменению концентрации других БЭ в связи с угнетением их всасывания цинком. Известно, что избыточное поступление в организм любого БЭ, независимо от его положения в периодической таблице Д.И. Менделеева, подавляет всасывание метаболически связанных с ним БЭ. Этот факт используется в клинической практике. Например, для снижения всасывания меди в кишечнике при болезни Вильсона применяют препараты цинка. При этом хуже всасываться будет не только медь, но и железо, что может привести к железодефицитной анемии [12].
В проведенных нами исследованиях кроме определения концентрации БЭ в печени и легких крыс после периода физиологического голода и через 2 ч после употребления жирной пищи определялись межэлементные корреляции (по Спирмену). Во всех 4 группах животных, находившихся в опыте, показатели концентрации БЭ как в печени, так и в легких были на одном уровне. Межэлементные корреляции (МЭК) в каждой группе имели свои особенности. У крыс, находившихся на избыточной по жирам диете, развилось алиментарное ожирение. Рекомбинационные преобразования МЭК в печени и легких можно связать с изменившимся метаболизмом в результате алиментарного ожирения.
Концентрации БЭ и количество МЭК в печени и легких оказались сопоставимыми, что подтверждает активную роль легких в метаболических процессах [4, 6].
Метаболизм у млекопитающих – это высокоорганизованный биохимический процесс, требующий взаимодействия множества ферментных систем и различных регуляторов (гуморальных, нейрогуморальных, гормональных и других), направленных на определенные цели. Метаболизм представляет совокупность процессов синтеза и распада веществ, при этом обеспечивается самообновление организма. Регуляция метаболизма осуществляется на клеточном, органном и организменном уровнях через изменение ферментативной активности (изоферменты, концентрация ферментов, количество субстратов и продуктов реакции, pH среды и др.) [14]. Изоферменты существенно расширяют возможности организма в обменных процессах. Эти формы ферментов, хотя и управляют одной и той же биохимической реакцией, в значительной степени различаются по своим свойствам (оптимум pH, кофакторы, активаторы, ингибиторы, БЭ и др.). Благодаря изоферментам одна и та же реакция может управляться различными регуляторами, включая БЭ. Последние участвуют не только в составе ферментов, но и выполняют сигнальные функции. Наиболее изучен в этом плане кальций [19]. Ca2+, поступая в нервное волокно, способствует высвобождению медиатора из везикул и проникновению его в синаптическую щель. Он участвует в выработке цАМФ – вторичного посредника для выброса некоторых регуляторов, включая глюкагон, адреналин и др.
Организм млекопитающих благодаря процессам самоорганизации способен быстро изменить метаболизм при физиологических воздействиях на него (охлаждение, перегревание, физическая нагрузка, голод, прием пищи и др.). Самоорганизация включает взаимодействие ряда биохимических, физиологических и морфологических систем организма. Она лежит в основе изменения состояния биологической системы, которое характеризуется совокупностью физических, химических и морфологических величин (параметров). Временная организация метаболических процессов, в том числе и цикличность, – фундаментальное положение для живой природы. Смена состояний организма является отражением изменений метаболизма. Переходное состояние отражает временную реорганизацию метаболизма, а стационарное – устойчивую, более продолжительную. Организм млекопитающих – это сложная динамичная система, состояние которой меняется во времени.
В проведенном нами эксперименте продолжительное избыточное потребление крысами как Zn, так и жира, а также того и другого вместе не изменило концентрацию БЭ в печени и легких после периода физиологического голода. Однако в каждой группе животных, включая контрольную, обнаружены отличительные рекомбинационные преобразования в МЭК, что является отражением устойчиво изменившегося метаболизма. Кратковременное физиологическое воздействие на организм (однократный прием свиного сала) также изменил метаболизм, что подтверждается иной комбинацией БЭ в МЭК в печени и легких через 2 ч после еды. Эти рекомбинационные преобразования краткосрочные.
Характер комбинаций БЭ в МЭК в печени существенно отличался от легких в каждой группе животных как во время физиологического голода, так и через 2 ч после употребления жирной пищи. Это косвенно подтверждает особенности метаболизма в каждой группе крыс, участвовавших в эксперименте, и его специфику в различных органах.
Таким образом, в каждой группе крыс обнаружены особенности кластеров МЭК в печени и легких как в стационарном состоянии организма (натощак), так и при переходном (через 2 ч) после приема пищи.
В последние годы МЭК достаточно широко изучаются в тканях живых организмов [23, 24, 28]. Процессы обмена веществ скоординированы не только в здоровом организме, но и в больном благодаря организации патологической системы, при которой изменен ход ряда метаболических превращений [8]. Патологическая система в состоянии устойчиво функционировать в течение длительного времени. При образовании патологической системы метаболизм в организме нарушается как в стационарном, так и в переходном состояниях.
Заключение
БЭ – активные участники обмена веществ в организме млекопитающих. При изучении БЭ в обменных процессах в образце ткани следует определять максимально большое их число, особенно элементов со сходными физико-химическими свойствами. Определение БЭ следует проводить одновременно в нескольких тканях (особенно у живых организмов с высоким уровнем метаболизма). Наряду с определением концентрации БЭ в тканях необходимо учитывать МЭК. При изучении БЭ в живых организмах следует учитывать не только их здоровье, но и физиологическое состояние.
Реорганизация метаболизма в организме млекопитающих сопровождается изменением МЭК в его тканях. При этом концентрация БЭ может оставаться на прежнем уровне. Это отвечает принципу оптимального функционирования биологической системы, так как экономит ресурсы БЭ и переключение метаболизма происходит в более сжатые сроки. Преобразования МЭК в биологически активных тканях – динамичный процесс, протекающий то с меньшей, то с большей скоростью в соответствии с меняющимся метаболизмом. Можно выделить две формы преобразования МЭК в тканях организма – временную и устойчивую, отражающие состояние биологической системы (организма).
Избыточное поступление в организм какого-либо БЭ оказывает не только непосредственное влияние на метаболизм, но и опосредованное – через другие БЭ.
Быстрая реорганизация МЭК в тканях организма при сохранении концентрации БЭ происходит благодаря:
● имеющемуся в организме их оборотному пулу;
● возможности некоторых БЭ к взаимозаменяемости в различных биохимических процессах и структурах;
● включению при необходимости в обменные процессы изоферментов;
● самоорганизации метаболизма (ликвидации одних путей обмена и появлению других).
Обнаружение новых и исчезновение старых МЭК в тканях организма позволит более целенаправленно планировать дальнейшие исследования, связанные с изучением метаболизма. В частности, определение кластеров МЭК в печени и легких может быть использовано при контроле метаболизма в ходе патологического процесса (включая раннюю стадию) в эксперименте, а также при доклиническом изучении лекарственных средств. Изучение МЭК в тканях живого организма позволит уточнить биологическую роль некоторых БЭ, в том числе и слабо изученных.
Автор выражает благодарность за помощь в работе сотрудникам Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН (г. Новосибирск) кандидатам химических наук В.А. Труновой и В.В. Зверевой.
Библиографическая ссылка
Чурин Б.В. БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В МЕТАБОЛИЗМЕ МЛЕКОПИТАЮЩИХ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 8-2. – С. 237-242;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11792 (дата обращения: 25.04.2024).