Механизмы развития метаболических нарушений у высокопродуктивных коров Текст научной статьи по специальности «Ветеринарные науки»

УДК 619:616

В.Д. Конвай, В.И. Зайнчковский, Д.В. Скачков, С.А. Оржеховский

МЕХАНИЗМЫ РАЗВИТИЯ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ У ВЫСОКОПРОДУКТИВНЫХ КОРОВ

Современное молочное скотоводство рентабельно лишь при надоях от одной коровы не менее 5 тысяч литров. Добиться такого результата можно при потреблении животными высококонцентратных рационов. За тысячи лет эволюции организм жвачных животных адаптировался к грубым кормам, богатым клетчаткой. Микроорганизмы пищеварительного тракта, перерабатывая полисахарид в пропионовую кислоту, обеспечивают макроорганизм не только энергетическим и пластическим материалом, но и рядом других веществ, необходимых для жизнедеятельности.

Ключевые слова: высококонцентрированные корма, кобаламин, углеводы, закисляющие ткани.

Перевод животных на высококонцентратные корма приводит к тому, что изменяется состав рубцовой микрофлоры. Новые микроорганизмы не только не продуцируют достаточное количество жизненно необходимых веществ, но и закисляют содержимое рубца, тормозя развитие полезной микрофлоры [2]. Это приводит к развитию кетоацидоза, вызывающего структурные и функциональные нарушения внутренних органов, опорно-двигательного аппарата, жировой инфильтрация печени, миометрия, анемии, торможению процессов энергообеспечения в мышечной ткани и др. Не только снижается продуктивность животных, но и развиваются родовая слабость, а вслед за нею - послеродовые осложнения, приводящие к преждевременной выбраковке [2]. Молекулярные механизмы развития данных явлений до конца не изучены, что лимитирует разработку новых, эффективных методов профилактики и коррекции.

В статье предпринята попытка объяснения некоторых аспектов побочного эффекта высоко концентратного кормления жвачных животных с позиций новых данных патофизиологии обмена веществ, в частности теории острого нарушения метаболизма пуринов, впервые описанного нами на модели тяжелой гипоксии [4, 5].

У животных, питающихся грубыми кормами, микроорганизмы рубца, перерабатывающие клетчатку в пропионовую кислоту, продуцируют также биотин, кобаламин, фолиевую кислоту и другие вещества. Пропионовая кислота превращается в ее активную форму - про-пионил-КоА, который с участием биотин-фермента пропионилкарбоксилаза и АТФ карбок-силируется в метилмалонил-КоА. Последний в результате реакции, катализируемой Б-метил-малонилмутазой, превращается в активную форму янтарной кислоты - сукцинил-КоА. Ко-ферментом данного энзима является производное витамина В12 - 5-дезоксиадено-зилкобаламин. Сукцинил-КоА способен превращаться в результате реакции, катализируемой сукцинилтиокиназой, в янтарную кислоту, которая током крови доставляется в другие органы, где окисляется в цикле Кребса [1].

У коров, потребляющих избыточное количество высококонцентратных кормов, вследствие нарушения выработки микроорганизмами кобаламина активность Б-метилмалонил-мутазы снижается и превращение метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА тормозится. Пропионовая кислота начинает усиленно метаболизироваться по другому пути. Она током крови доставляется в печень, где последовательно через пропионил-КоА, акрилил-КоА, Р-оксипро-пионил-КоА, Р-альдопропионил-КоА и малонил-КоА превращается в активную форму уксусной кислоты - ацетил-КоА. Последний конденсируется в ацетоуксусную кислоту, которая током крови переносится в жировую, мышечную и другие ткани. Там она обратно расщепляется до ацетил-КоА, который окисляется в цикле Кребса. Для этого клетки должны быть в

© Конвай В.Д., Зайнчковский В.И., Скачков Д.В., Оржеховский С.А., 2013

достаточной степени обеспечены первым метаболитом цикла Кребса - щавелевоуксусной кислотой (ЩУК).

Последняя образуется путем карбоксилирования пировиноградной кислоты, промежуточного продукта окисления глюкозы. Содержание этого моносахарида в крови животных, больных кетозом, снижается, несмотря кормление их избытком углеводов. Последние расщепляются микроорганизмами рубца до органических кислот. Из-за недостатка ЩУК окисление ацетоуксусной кислоты в цикле Кребса нарушается, она накапливается, превращается в Р-оксимасляную и ацетон. Все вместе они образуют кетоновые тела, истощающие буферные системы крови и закисляющие ткани, развивается кетоацидоз. Последствиями его являются усиление катаболизма пуриновых мононуклеотидов, сопряженное с чрезмерной продукцией ксантиноксидазой активных кислородных метаболитов (АКМ), повреждающих мембранные структуры внутренних органов, в том числе печени [2].

На начальных этапах заболевания способность органа к генерированию из пропионовой кислоты ацетил-КоА не только не снижается, но, как было отмечено выше, даже усиливается. Поскольку окисление его в клетках других органов в силу отмеченных факторов замедляется, метаболизм ацетил-КоА переключается на другой путь - усиленный биосинтез в печени жирных кислот, а из них - триглицеридов. В физиологических условиях последние не задерживаются в печени, а покидают ее, превращаясь в фосфоглицериды, в частности в фосфа-тидилхолин (лецитин), замещая остаток жирной кислоты у третьего углеродного атома гли-церола на радикалы фосфорной кислоты и холина. Развившийся дефицит холина в организме коров, потребляющих чрезмерное количество высококонцентратных кормов, приводит к торможению этого процесса [3].

Холин у млекопитающих образуется путем декарбоксилирования аминокислоты серин в этаноламин и присоединения к последнему трех радикалов -СН3. Главным источником их является аминокислота метионин. Последняя синтезируется из гомоцистеина путем переноса на него метильных групп от СН3-К5 - тетрагидрофолиевой кислоты (метил-ТГФК), производного витамина Вс (фолиевой кислоты):

Тетрагидроптероилглутамат-метилтрансфераза

Гомоцистеин + Метил-ТГФК-->Метионин + ТГФК

Метилкобаламин

Коферментом тетрагидроптероилглутамат-метилтрансфераза является метилкобаламин, производное витамина В12. Для достаточно эффективного биосинтеза метионина в организме жвачных животных он должен быть в достаточной степени обеспечен как витамином В12, так и фолиевой кислотой [1].

При кормлении чрезмерным количеством высококонцентратных кормов тормозится жизнедеятельность микроорганизмов, вырабатывающих эти витамины, что приводит к нарушению биосинтеза метионина, фосфатидилхолина, а вслед за этим - к развитию жировой инфильтрации печени [3]. Это явление, наряду с чрезмерной продукцией АКМ, развившейся в условиях закисления тканей кетоновыми телами, приводит к развитию синдрома гепатоцел-люлярной недостаточности, приводящего не только к снижению продуктивности животных, но и недостаточно эффективной поддержке органом функции тканей других органов, в частности гладкой мышечной ткани рубца во время атонии его и миометрия - во время родов.

В состоянии покоя энергетические затраты мышечной ткани невелики и покрываются в основном за счет аэробного окисления углеводов и кетоновых тел. Во время мышечного сокращения они многократно возрастают. Вследствие недостаточно эффективной оксигенации миоцитов в них усиливается генерация АТФ за счет реакций анаэробного гликолиза. Это сопряжено с повышенной выработкой молочной кислоты, которая из миометрия поступает в клетки печени. Там она вовлекается в реакции обратного превращения ее в углеводы (глю-конеогенез), предотвращая таким образом резкое закисление тканей (лактоацидоз) [1].

Достаточной обеспеченности сокращающихся мышечных волокон АТФ способствует то, что необходимые для этого уровни АДФ (стимулятор функции митохондрий) и АМФ (активатор реакций гликолиза) обеспечиваются за счет постоянного биосинтеза в них пурино-вых мононуклеотидов. Для биосинтеза коферментов энзимов, катализирующих эти реакции, необходимы рибозо-5-фосфат и НАДФ-Н2, генерируемые из глюкозы в реакциях пентозного цикла, а также кобаламин и фолиевая кислота, вырабатываемые микрофлорой рубца [3].

Генерированный в реакциях окислительного и субстратного фосфорилирования АТФ не может прямо доставляться к толстым и тонким нитям миофибрилл, поскольку по пути может расщепиться ферментами. Поэтому запасенную в макроэргических связях энергию он передает креатину в результате реакции, катализируемой креатинкиназой. Образующийся креатинфосфат свободно поступает в саркомеры мышечных волокон, где передает энергию, запасенную его макроэргических связях, АДФ в результате обратной креатинкиназной реакции. Образовавшийся АТФ используется для мышечного сокращения. Необходимый для поддержания креатинкиназной реакции уровень креатина в мышцах поддерживается за счет поступления из печени и почек, где он постоянно синтезируется.

На первом этапе процесса от аминокислоты аргинин на аминокислоту глицин переносится амидная группа. Реакцию катализирует глицинамидотрансфераза. К образовавшейся гуанидинуксусной кислоте в результате реакции, катализируемой креатин-Б-аденозилметио-нинтрансферазой, присоединяется метильная группа. Донором ее является Б-аденозил-метионин, синтезирующийся из АТФ и метионина [1]. Обеспеченность клетки последними, как было отмечено выше, зависит от жизнедеятельности микрофлоры рубца.

У жвачных животных, получавших избыточное количество высококонцентратных кормов, создаются предпосылки для нарушения энергетического обмена в сокращающихся гладких мышцах рубца и матки. Поступающая из них в печень молочная кислота реутилизи-руется недостаточно эффективно из-за развившейся гепато-целлюлярной недостаточности. Это, наряду с накапливающимися в тканях кетоновыми телами, способствует развитию в тканях ацидоза, усиливающего катаболизм пуриновых мононуклеотидов. Начинается процесс с расщепления АТФ до АМФ.

Увеличение уровня последнего способствует его дальнейшему катаболизму. Он может протекать двумя путями: 1) через отщепление АМФ-дезаминазой от АМФ аминогруппы и последующее дефосфорилирование образовавшегося инозинмонофосфата 51-нуклеотидазой; 2) через отщепление 5 -нуклеотидазой от АМФ остатка фосфорной кислоты и дезаминиро-вание образовавшегося аденозина аденозиндезаминазой. В условиях развившегося лакто- и кетоацидоза возможна интенсификация обоих путей, поскольку АМФ-дезаминаза и адено-зиндезаминаза активируются сдвигим рН в кислую сторону [7, 8].

В обоих случаях образуется инозин. После отщепления от последнего остатка рибозы образуется гипоксантин. Дальнейшее превращение вещества может происходить двумя путями. В условиях достаточно эффективной генерации в реакциях пентозного цикла рибозо-5-фосфата он фосфорилируется АТФ в фосфорибозилдифосфат. Последний взаимодействует с гипоксантином, способствуя дальнейшему превращению образовавшегося инозинмоно-фолсфата в аденилосукцинат и АМФ. Этот путь называют реутилизацией гипоксантина [6].

В условиях недостаточной обеспеченности пентозного цикла глюкозой, развившейся во время кетоза, гипоксантин, накапливаясь в тканях, окисляется ксантидегидрогеназой до мочевой кислоты. При окислении БН-групп данного фермента или частичном протеолизе его происходит конверсия ксантидегидрогеназы в ксантиноксидазу. Последняя способна генерировать АКМ - супероксидный радикал (молекула кислорода, имеющая на внешней орбитали неспаренный электрон) и перекись водорода. Взаимодействуя между собой, они образуют гидроксильный радикал, повреждающий ненасыщенные жирные кислоты фосфолипидов мембранных структур. Это приводит к повреждению клеток с последующим нарушением их функции.

Последствием метаболизма гипоксантина по второму пути является то, что он способствует развитию дефицита пуриновых мононуклеотидов. Данное явление усугубляется тем, что в условиях развившегося углеводного дефицита тормозится выработка в реакциях пен-тозного цикла рибозо-5-фосфат и НАДФ-Н2. Развитию дефицита адениловых нуклеотидов способствует также недостаток кобаламина и фолиевой кислоты, снижающий эффективность биосинтеза пуриновых мононуклеотидов, вызванный указанными выше факторами [3, 5]. Недостаточная обеспеченность мышечных клеток АТФ и метионином, вызванная дефицитом витамина В12 и фолиевой кислоты, может привести еще к одному последствию - торможению биосинтеза креатина, являющегося одним из факторов, способствующих развитию родовой слабости и атонии рубца.

Таким образом, последствия нарушения процессов пищеварения в преджелудках у высокопродуктивных молочных коров приводит к дефициту кобаламина, фолиевой кислоты, холина и других веществ с развитием ряда последовательных и взаимосвязанных процессов: кето- и лактоацидоза, жировой инфильтрации печени, а также к нарушению процессов энергообеспечения в мышечных стенках преджелудков во время атонии рубца и матки во время родов. Расшифровка данных механизмов позволит наметить патогенетически обоснованные пути их раннего распознавания и коррекции.

Список литературы

1. Биохимия человека : В 2 т. / Р. Марри [и др.]. - М. : Мир, 2009. - Т. 1. - 382 с. ; Т. 2. - 416 с.

2. Зайнчковский, В.И. Метаболические нарушения у высокопродуктивных коров : механизмы развития, распознавание, коррекция / В.И. Зайнчковский, В.Д. Конвай, Д.В. Скачков // Матер. Межд. науч.-тех. форума «Реализация государственной программы развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции сырья и продовольствия : инновации, проблемы, перспективы». 26-27 февраля 2009 г. -Ч. 2. - Омск : Изд-во ОмГАУ, 2009. - С. 22-25.

3. Комов, В.П. Биохимия / В.П. Комов, В.Н. Шведова. - М. : Мир, 2004. - 620 с.

4. Конвай, В.Д. Нарушение обмена пуринов в печени реанимированных крыс и его коррекция / В.Д. Конвай, А.В. Лукошкин, В.С. Поспелов // Патолог. физиология и эксперим. терапия. - 1987. - № 5. - С. 43-47.

5. Конвай, В.Д. Нарушение пуринового обмена в печени в постреанимационном периоде и его профилактика : дис. ... д-ра мед. наук / В.Д. Конвай. - Омск, 1988. - 417 с.

6. Конвай, В.Д. Роль острого нарушения энергетического обмена в развитии постреанимационной патологии печени / В.Д. Конвай, П.П. Золин // Омский научный вестник. - 2003. - № 3 (24). - С. 168-171.

7. Arch, J.R.S. АсПуШеБ and some properties of 5'-nucleotidase, adenosine kinase and adenosine deaminase in tissue from vertebrates and invertebrates in relation to the control of the concentration and the physiological role of adenosine / J.R.S. Arch, E.A. Newsholme // Biochem. J. - 1978. - V. 174. - № 3. - Р. 965-977.

8. Buhl, M.R. Purine metabolism in ischemic kidney tissue / M.R. Buhl // Dan. Med. Bull. - 1982. - V. 29. -№ 1б. - P. 1-26.

SUMMARY

V.D. Konvay, V.I. Zaynchkovsky, D. V. Skachkov, S.A. Orzhekhovsky

Mechanisms of development of metabolic violations at highly productive cows

The modern dairy cattle breeding is profitable only at milk yield from one cow not less than 5 thousand liters. It is possible to achieve such result only at consumption by these animals of highly kontsentratny diets. Thus there are the problems connected by that for thousands years of evolution the organism of ruminants adapted for the rough sterns, rich with cellulose. Microorganisms of a digestive tract, processing this polysaccharide in propionic acid, provide a macroorganism not only a power and plastic material, but also develop some other the substances necessary for its activity.

Key words: the high-concentrated forages, cobalamin, the carbohydrates acidifying fabrics.