CC BY
40
ВЕТЕРИНАРНЫЕ НА УКИ
УДК 619:616:577:636.2 В.Д. Конвай, М.В. Заболотных
Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина, Омск
МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ НАРУШЕНИЯ У ВЫСОКОПРОДУКТИВНЫХ КОРОВ
В природе за миллионы лет эволюции организм коров приспособился к использованию в качестве основного источника энергии и пластических веществ целлюлозы. Сегодня для получения достаточно высоких надоев молока их вынуждены кормить высоко концентратными кормами. Это приводит к нарушению обмена веществ с последующим прогрессирующим снижением продуктивности, развитием полиорганной недостаточности, приводящими к их преждевременной выбраковке. Метаболические нарушения у высокопродуктивных коров начинаются с торможения другими микроорганизмами микрофлоры, расщепляющей целлюлозу до пропионовой кислоты и одновременно вырабатывающей кобаламин (для ее превращения в сукцинил-КоА, окисляемой в цикле Кребса). Вследствие этого нарушается утилизация в последнем кетоновых тел, приводя к закислению ими тканей. В этих условиях усиливается катаболизм пуриновых мононуклеотидов, сопряженный с чрезмерной продукцией ксантиноксидазой активных кислородных метаболитов, повреждающих мембранные структуры клеток, и способствующий развитию полиорганной недостаточности. Дефицит кобаламина и фолата тормозит также регенерацию метионина, образование из него холина, необходимого для выведения из печени накапливающихся в ней ацилглицеро-лов, с последующим развитием жировой инфильтрации этого органа. Полиорганная недостаточность проявляется также частым развитием у высокопродуктивных коров родовой слабости, способствующей развитию послеродовых осложнений. Ей способствует и то, что в условиях многократного увеличения энергетических затрат во время родов в мышечной оболочке матки тормозится реакция переноса энергии, запасенной в макроэргических связях АТФ, от митохондрий, где синтезируется это вещество, к месту его потребления - нитям актина и миозина. Она протекает с участием креатина. Биосинтез последнего тормозится вследствие дефицита S-аденозилметионина, развивающегося в условиях недостаточной обеспеченности организма коферментными формами кобаламина, генерируемыми микроорганизмами рубца.
Ключевые слова: метаболические нарушения; полиорганная недостаточность; высокопродуктивные коровы.
Введение
Современное молочное производство может быть рентабельным лишь при использовании высокотехнологических приемов и сбалансированных концентратных рационов. Организм жвачных животных за миллионы лет эволюции приспособился к кормлению другим доступным для него источником энергии и пластических веществ -целлюлозой. При переводе коров на высококонцентратные рационы их системы поддержания жизнедеятельности не всегда готовы к адаптации в изменившихся условиях, это приводит к нарушению метаболизма в различных органах и системах, к преждевременным снижениям продуктивности, продолжительности эксплуатации, в конечном
© Конвай В.Д., Заболотных М.В., 2017
итоге, к большим экономическим потерям. Проблему не удается решить, используя самые современные технологии кормления [5]. Разработку эффективных лечебно-профилактических мероприятий лимитирует недостаточная изученность механизмов развития метаболических нарушений, развивающихся у высокопродуктивных коров.
В статье на основании литературных данных и результатов собственных исследований предпринята попытка выявления наиболее уязвимых звеньев метаболизма, подвергающихся повреждению в условиях содержания коров в современных животноводческих комплексах, и возможных путей его предупреждения и коррекции.
Объекты и методы
Проанализированы литературные данные о механизмах развития нарушений обмена веществ у высокопродуктивных коров, предшествующих формированию полиорганной недостаточности. Они сопоставлены с результатами собственных исследований патогенеза, нарушения функции ряда жизненно важных органов, развившихся у экспериментальных животных, подвергшихся воздействию тяжелой гипоксии, и приведшему к чрезмерному катаболизму пуриновых нуклеотидов с последующим усилением липо-пероксидации фосфолипидов мембранных структур клеток (рис. 2). Обосновано положение о том, что по подобному механизму развивается полиорганная недостаточность при кетоацидозе у высокопродуктивных жвачных животных.
Результаты исследования
В природе целлюлоза расщепляется микроорганизмами в преджелудках жвачных животных преимущественно до пропионовой кислоты, которая в стенке желудков в результате реакций, катализируемых ацил-КоА-синтетазой и пропионил-КоА-карбокси-лазой (Пр-КоА-К), превращается в метилмалонил-КоА (ММ-КоА; рис. 1). Параллельно эта же микрофлора вырабатывает и кобаламин (витамин В12), из него синтезируется S-дезоксиаденозилкобаламин ^-ДАдКоб) - небелковая часть ММ-КоА-мутазы, превращающей ММ-КоА в сукцинил-КоА. Из преджелудков кобаламин должен попасть в сычуг, содержащий хлористоводородную кислоту и пепсин, освободиться там от синтезировавшего его микроорганизма и всосаться клетками стенки сычуга. В последнем должно содержаться достаточно фактора Касла, гастромукопротеина, участвующего в процессе всасывания. Затем витамин В12 током крови переносится в печень, где превращается в кофермент S-ДАдКоб. Процесс протекает в несколько этапов. Осуществляется при участии специфических ферментов в присутствии в качестве кофакторов ФАД, НАД+, АТФ и глутатиона. Только после этого S-ДАдКоб переносится кровью в органы пищеварительной системы, где включается в ММ-КоА-мутазу.
Витамин 612
+■ Н^КоА
Цел л ю- Микро- сн2 Ацил-НаА<инт-зр СНа+СОд Пр-КоА-карб-за СН-С^ ММ-КоА- Цикл
АТФ АМФ+
лоаа орг. > I _ ^ > I п ^—^ ^ I л мутазо5 I п Кребсэ
Прстионат Прстионип-КоА Метипзлапонип- Сущинып-
(Про-КоА) КоА (ММ-КоА) КоА
Рис. 1. Превращение целлюлозы в желудках жвачных животных
Под действием этого фермента ММ-КоА превращается в сукцинил-КоА (активную форму янтарной кислоты). Последняя включается в реакции второй части цикла
Кребса, где окисляется с образованием одной молекулы макроэргического соединения гуанозинтрифосфата, ФАДН2 и НАДН+Н+. Эти коферменты переносят ионы водорода в дыхательную цепь митохондрий, где вырабатывается большая часть необходимого организму АТФ. Кроме того, у жвачных животных сукцинил-КоА необходим для постоянного «подпитывания» реакций цикла Кребса, обеспечивая безотказное окисление в нем кетоновых тел (ацетоуксусной и Р-гидроксимасляной кислот), генерируемых в печени из ацетил-КоА, образовавшегося при Р-окислении жирных кислот (как и целлюлоза, они являются важным энергетическим источником организма) [5].
В современном животноводческом комплексе добиться высоких надоев можно лишь при использовании высококонцентратных рационов. Обратная сторона данного процесса: компоненты концентратных кормов расщепляются не микроорганизмами, утилизирующими целлюлозу и продуцирующими кобаламин, а другой микрофлорой. Известно, что при дефиците витамина В12 развивается своеобразная «функциональная недостаточность» фолиевой кислоты, так как большая часть тетрагидрофолиевой кислоты связана с метильными группами и не может адекватно выполнять свои функции. В результате блокируется синтез тиминсодержащих нуклеотидов, как следствие нарушается синтез ДНК и деление клеток-предшественников в костном мозге [6]. Данная микрофлора не только не вырабатывает витамин В12, но и продуцирует уксусную, молочную и масляную кислоты, закисляющие содержимое преджелудков (ацидоз рубца) и тормозящие развитие микроорганизмов, утилизирующих целлюлозу. Вследствие этого уровень кобаламина в тканях высокопродуктивных коров снижается, приводя к нарушению биосинтеза ММ-КоА-мутазы с последующим торможением выработки сукцинил-КоА. Способствовать этому может и воспаление стенок рубца, снижая в нем биосинтез фактора Касла.
Это приводит не только к снижению эффективности генерации АТФ из пропио-новой кислоты, но и к торможению окисления в цикле Кребса ацетил-КоА, образовавшегося из доставленных из печени в другие органы кетоновых тел. В результате не только еще больше снижается выработка АТФ (гипоэргоз), но и происходит увеличение концентрации кетоновых тел в тканях, особенно в крови (гиперкетонемия), появление их в моче (кетонурия). По мере увеличения уровня ацетоуксусной и Р-гидрокси-масляной кислот истощаются буферные системы крови (карбонатной, фосфатной, белковой и гемоглобиновой) с последующим снижением уровня рН крови (декомпенсиро-ванный кетоацидоз). Усугубляет это состояние недостаточное обеспечение тканей кислородом (гипоксия), приводящее к увеличению в тканях уровня молочной кислоты (лактоацидоз). Последствиями закисления тканей является снижение продуктивности и последующее развитие полиорганной недостаточности [2].
Механизмы развития этих явлений сложны и до конца не изучены. Существенный вклад в развитие полиорганной недостаточности вносит, по всей вероятности, нарушение метаболизма пуриновых мононуклеотидов, описанное нами на модели клинической смерти и реанимации (рис. 2) [3]. Начинается оно со снижения напряжения кислорода в клетках, приводящего к торможению генерации АТФ в митохондриях. В этих условиях они пытаются восполнить энергетический дефицит за счет энергии, запасенной в мак-роэргических связях АДФ за счет кратковременной реакции
АДФ + АДФ Аденилаткиназа АТФ + АМФ.
В результате увеличивается уровень АМФ, стимулятора реакций анаэробного гликолиза. Их усиление позволяет на некоторое время отсрочить снижение уровня АТФ, но приводит к увеличению содержания в тканях содержания молочной кислоты (лактоацидозу). Это усугубляет закисление тканей, вызванное накоплением в них кето-
новых тел. В физиологических условиях молочная кислота током крови переносится в печень, почки и слизистую оболочку кишечника, где она в реакциях глюконеогенеза обратно регенерируется в глюкозу. Для интенсификации этих реакций необходима экскреция корковым слоем надпочечников достаточного количества глюкокортикоидов, активатора ключевых ферментов глюконеогенеза: пируваткабоксилазы, фосфоенолпи-руваткарбоксикиназы, фруктозо-1,6-бисфосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы. В условиях прогрессирующей полиорганной недостаточности функция коркового слоя надпочечников тормозится, явления лактоацидоза усиливаются, способствуя усилению дальнейшего катаболизма АМФ.
Рис. 2. Метаболизм пуриновых мононуклеотидов в условиях закисления тканей молочной кислотой
или кетоновыми телами
Увеличение уровня последнего на фоне закисления тканей приводит к повышению активности аденилатдезаминазы и аденозиндезаминазы, активируемых сдвигом рН в кислую сторону [3]. Эти ферменты совместно с 5'-нуклеотидазой катализируют реакции расщепления АМФ до инозина. От него отщепляется остаток рибозы и образуется гипоксантин. Дальнейшее окисление этого вещества в результате реакции, катализируемой ксантиноксидазой, сопряжено с выработкой данным энзимом активных кислородных метаболитов: супероксидных радикалов и перекиси водорода. При их взаимодействии образуются гидроксильные радикалы, повреждающие их ненасыщенные жирные кислоты фосфолипидов мембранных структур. Параллельно происходит инактивация компонентов неферментативного и ферментативного звеньев систем антиокси-дантной и антиперекисной защиты. Все это на фоне недостаточно эффективной регене-
рации мембранных структур, вызванной дефицитом метильных групп, приводит к полиорганной недостаточности.
Кобаламин, генерируемый микрофлорой преджелудков, необходим также для другого жизненно важного процесса - регенерации гомоцистеина в метионин. Источником метильной группы (-СН3) является 5'-метилтетрагидрофолат (5'-МетТГФ), производное фолиевой кислоты (витамина Вс), содержащейся в зеленых растениях. Катализирует данную реакцию 5'-метилтетрагидрофолат: гомоцистеинметилтрансфераза (5'-МетТГФ:гцМТр). Небелковой частью последней является метилкобаламин, синтезируемый из кобаламина, генерируемого микрофлорой преджелудков. Другим источником витамина В12 могут быть продукты животного происхождения, которыми кормят жвачных животных, например, рыбная мука.
Метионин - незаменимая аминокислота организма. Он необходим не только для биосинтеза собственных белков организма, но и для белков молока у лактирующих животных. В естественных условиях для этого метионина вырабатывается достаточно. Кроме того, данная аминокислота является донором метильных групп и для ряда других жизненно важных процессов, в частности, для биосинтеза фосфатидилхолина (лецитина; ФХ).
Рис. 3. Реакции образования метионина и S-аденозилметионина
Перед этим метионин превращается в S-аденозилметионин (SAM), универсальный источник СН3-групп в многих реакциях метилирования. SAM передает метильную группу этаноламину, образуется холин. Последний фосфорилируется холинкиназой в ФХ, который, присоединяя остаток уридиндифосфата, превращается в УДФ-холин. Он, в свою очередь, отщепляя УДФ, присоединяется к радикалу фосфата фосфатидной кислоты и образуется ФХ.
S-АМЭА-ыетил- +,СН3 +ХИ--.
НО-СН:-СН:-NH: тронсферозо НО-СН:- СН:- \-СН3 Холинкинозо_ Ч:03Р.0- НО-СН:- СНг-К-СН-,
S-AM 5-АГЦ
Этанола/шн (ЗА)
Холин (X)
СНэ
АТФ
АДФ
СНЭ
Фосфохопип (ФХ)
ФХ УДФ.хопип +
УГФ
мое rifjw-,
-2Н3РО.
Урифцн-трифссфот
141 lil
i ¡>
XJ К_/ Г*. -сн - ос„нн
tf -Ja—i, «Г™. ^
JO
К Ф«ф-Т- f С - CitH«
_ г,
трапсф-зо' СН - О -С - C^jHj^
удь-хаявн
СН2 -O-POjHi оосФатидот (а/осф-т)
с н-о- р о н-о- сн3 - сн2- n-ch3
оосфотидVPXOftUH (ФЮ
Рис. 4. Реакции образования холина, фосфохолина и фосфатидилхолина
Биологическая роль образовавшегося ФХ обусловлена не только тем, что он компонент биологических мембран и необходим для образования и регенерации клеток, но и участием в процессе освобождения клеток печени от накапливающихся в ней эндогенных ацилглицеролов (АГл; нейтральных жиров). Последние, прежде чем покинуть гепатоцит, должны войти в состав липопротеинов (ЛПр), которые переносят их током крови в другие органы, где ацилглицеролы гидролизуются и окисляются. ЛПр состоят из капли нейтральных жиров, окруженной одинарным слоем фосфолипидов (ФЛ), к нему прикрепляется слой белков-апопротеинов. В состав ФЛ обязательно должен входить ФХ [4]. При недостаточной выработке этого вещества в организме высокопродуктивных коров из-за описанных выше метаболических нарушений выведение АГл из печени нарушается и развивается жировая инфильтрация этого органа [2].
Рис. 5. Реакции биосинтеза креатина и креатинина
Одно из последствий недостаточной обеспеченности организма SАМ-ом - нарушение биосинтеза креатина. Начинается процесс в почках с глицинамидинотрансфе-разной реакции, в результате которой передается амидная группа от аргинина на глицин. Образуется гуанидинацетат (ГА), к нему в печени присоединяется СН3-группа, отщепляемая от SАМа. Образовавшийся креатинин является переносчиком остатка фосфата с макроэргической связью от АТФ, выработанного в митохондриях, расположенных на периферии клеток, к месту его потребления - мышечным волокнам (прямая креатинкиназная (КрК) реакция). Прямо передаваться АТФ не может, так как «по пути» может расщепиться ферментами.
Образовавшийся креатинфосфат доставляется к мышечным волокнам, где обратно передает остаток фосфата с макроэргической связью на АДФ (обратная креатинки-назная реакция), а АТФ используется для мышечного сокращения [1].
Эти реакции резко усиливаются в миометрии во время родов, когда во много раз возрастает выработка и потребление АТФ. Передача его в результате креатинкиназной реакции может нарушиться вследствие снижения уровня креатина, обусловленного недостаточной обеспеченностью организма SАМ-ом. Выработка креатина протекает с напряжением для организма даже в физиологических условиях, поскольку часть молекул креатинфосфата отщепляют остатки фосфата и превращаются в креатинин, выделяемый почками с мочой. Дефицит креатина, на наш взгляд, - один из факторов, способствующих развитию родовой слабости и последующих послеродовых осложнений. Также это одна из причин преждевременной выбраковки высокопродуктивных коров.
Расшифровка механизмов развития структурных и функциональных нарушений у высокопродуктивных жвачных животных с учетом литературных данных, результатов собственных, уже проведенных и намеченных к проведению в будущем исследований
позволяет сегодня разработать методы своевременного распознавания, вмешательства в их течение, оценки эффективности проводимых лечебно-профилактических мероприятий, их перспективности. Они будут подвергнуты дальнейшему анализу, патентованию полученных результатов и опубликованию в наших работах. Приглашаем к сотрудничеству работников заинтересованных предприятий, в том числе зарубежных.
V.D. Konvai, M. V. Zabolotnykh
Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk
Metabolic disorders in high yielding cows
In nature over millions of years of evolution, the organism of cows adapted to use as the primary source of energy and plastic substances of cellulose. In modern conditions for obtaining these animals are high milk yields they have to feed high concentrate feed. This leads to disruption of metabolism, with subsequent progressive reduction of productivity, the development of multiple organ failure leading to premature culling of these animals. Metabolic disorders in high yielding cows begin with braking other microorganisms microflora, splitting cellulose to propionic acid and at the same time generating cobalamin needed to convert the acid to suc-cinyl-CoA, oxidized in the Krebs cycle. Consequently, the latter is broken recycle ketone bodies, leading to acidification of tissues. Under these conditions, enhanced catabolism of purine mononucleotides, coupled with the excessive production of xanthine oxidase reactive oxygen species (ROS) that damage cell membrane structure and promotes the development of multiple organ failure. Deficiency of cobalamin and folate also inhibits the regeneration of methionine, choline education from it necessary to remove from the liver accumulate in it acyl-glycerols, with subsequent development of fatty infiltration of the body. Multiple organ failure is also evident from the frequent development of highly productive cows generic weakness, contributing to the development of postpartum complications. She contributes to the fact that the dramatic increase in energy costs during the delivery, the muscular layer of the uterus is inhibited reaction transfer of energy stored links macroergic ATP from mitochondria where it is synthesized from this substance, to the place of consumption - filaments of actin and myosin. She proceeds with the participation of creatine. The biosynthesis of the latter is inhibited due to a deficiency of S-adenosylmethionine, developing in the conditions of insufficient provision of the body coenzyme forms of cobalamin that are generated by the rumen microorganisms.
Keywords: metabolic disorders; multiple organ failure; yielding cows.
Список литературы
1. Биохимия человека : в 2 т. / Р. Марри [и др.]. - М. : Мир, 1993. - Т. 1. - 382 с. ; Т. 2. - 414 с.
2. Конвай В.Д. Роль острого нарушения энергетического обмена в развитии постреанимационной патологии печени / В.Д. Конвай, П.П. Зо-лин // Ом. науч. вестн, 2003. - № 3 (24). - С. 48-52.
3. Маршал В.Дж. Клиническая биохимия / В.Дж. Маршал, С.К. Бангерт. - Изд. 6-е, перераб. и доп. - М. : Бином, 2015. - 408 с.
4. Механизмы развития метаболических нарушений у высокопродуктивных коров / В.Д. Конвай [и др.] // Вестн. Ом. гос. аграр. ун-та. - 2013. -№ 1 (9). - С. 59-63.
5. Патологическая биохимия / А.Д. Тагано-вич [и др.]. - М. : Бином, 2015. - 448 с.
Конвай Владимир Дмитриевич, д-р мед. наук, проф., Омский ГАУ, ОГМУ, omgauvse@ mail.ru; Заболотных Михаил Васильевич, д-р
биол. наук, проф., Омский ГАУ, vse.kaf@ omgau.org.
References
1. Bioximiya cheloveka : v 2 t. / R. Marri [i dr.]. -M. : Mir, 1993. - T. 1. - 382 s. ; T. 2. - 414 s.
2. Konvai V.D. Rol' ostrogo narusheniya e'nergeticheskogo obmena v razvitii postreanimacion-noj patologii pecheni / V.D. Konvai, P.P. Zolin // Om. nauch. vestn. - 2003. - № 3 (24). - S. 48-52.
3. Marshal V.Dzh. Klinicheskaya bioximiya / V.Dzh. Marshal, S.K. Bangert. - Izd. 6-e, pererab. i dop. - M. : Binom, 2015. - 408 s.
4. Mexanizmy razvitiya metabolicheskix naru-shenij u vysokoproduktivnyx korov / V.D. Konvai [i dr.] // Vestn. Om. gos. agrar. un-ta. - 2013. -№ 1 (9). - S. 59-63.
5. Patologicheskaya bioximiya / A.D. Tagano-vich [i dr.]. - M. : Binom, 2015. - 448 s.
Konvai Vladimir Dmitrievich, Dr. Med. Sci., Prof., Omsk SAU, OSMU, omgauvse@mail.ru; Zabolotnykh Mikhail Vasilevich, Dr. Biol. Sci., Prof., Omsk SAU, vse.kaf@omgau.org.
