CC BY
35
УДК 504.5+546.8+574.24+615.546
ВЛИЯНИЕ ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ КОМПЛЕКСОНАТОВ ТИТАНА НА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗМА В ЭКОЛОГИЧЕСКИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ УСЛОВИЯХ УРАЛА
A.B. Жолнин, A.A. Овчинников, Р.Л. Носова, С.А. Вахмянина, В.А. Мальцева ЧелГМА, г. Челябинск, УГАВМ, г. Троицк
Системное изучение влияния фосфорсодержащих комплексонатов титана на физиологические особенности организма. Установили более 10 биоэффектов. Это позволило отнести титан к биогенным элементам.
Ключевые слова: биологическое действие фосфорсодержащих комплексонатов титана, биогенность титана.
В составе организма обнаружен 81 элемент [1]. Все имеющиеся в природе элементы необходимы для существования организма, так как живое возникло и непрерывно воспроизводится из них в их присутствии и выполняет определённую функцию в организме [2]. В биосфере постоянно происходит, обусловленная деятельностью организмов, миграция, трансформация и концентрирование элементов и их соединений. Центральной проблемой геохимической экологии является концепция гомеостаза, которая отражает состояние относительного постоянства внутренней и внешней среды организма. По мнению В.В. Ковальского мак-ро- и микроэлементный гомеостаз определяется не только их биологической природой и геохимией среды, но и пищевыми цепями, через которые осуществляется связь организма и среды [3]. В организме обнаружено более 60 элементов, причём 45 из них определены количественно и являются составными частями организма [4]. Биогенность 30 элементов установлена [1]. В.И. Вернадский писал: «Живое вещество охватывает и регулирует в области биосферы все или почти все химические элементы. Они все нужны для жизни и все попадают в состав организма неслучайно. Нет особых, жизни свойственных элементов... Есть господствующие... Жизнь есть планетное явление» [2]. В.И Вернадский поставил вопрос о необходимости выяснения роли титана в организме. Он пишет «...концентрации титана в органах ясно указывают, что титан нужен для организма, должен выполнять определённые жизненно-важные функции. Эти функции организма нам почти неизвестны и необходимо проведение системных исследований для изучения эссенциальных свойств титана». И далее: «организм - поскольку об этом сейчас можно судить и что всё прежде всего должно быть проверено и точно установлено, -как бы выкачивают атомы титана из водных растворов и вводят их в метаболизм химических элементов в живом веществе» [2].
Цель данной работы экспериментально доказать жизненную необходимость соединений тита-
на. При обосновании биогенности элемента исходили из особенностей строения ионов титана, состава, строения и свойств его соединений, содержания их в организме и ответных реакций организма на введение соединений титана в форме фосфорсодержащих комплексонатов титана. Титан относится к наиболее распространённым элементам в природе. Из всех атомов, составляющих земную кору, 0,22 % приходится на долю титана. По своей распространённости титан следует непосредственно за природообразующими элементами [2, 4, 5]. По массовой доле титан занимает десятое место. В значительных количествах титан содержится в илах, глинах и почве. В речной воде не более чем 10-6 %. Отмечено, что суточное поступление "П в организм человека составляет 800 мкг/кг. В среднем содержание титана в организме животных обитающих на суше равно 8x10^ %, в тканях рыб составляет 10^ %.
Из биогенных элементов наибольшие концентрации в морских организмах имеют Си, "П, Ъп и V, что объясняется особой их необходимостью для растений. В.И. Вернадский [2] писал о положительном кларке концентрации титана для растительных организмов по отношению к воде - порядка сотен и даже тысяч [2, 3, 5]. Хлоропласта морских водорослей [2, 5] также как и хлоропласта высших растений обогащены микроэлементами по сравнению с целыми клетками растений (Си в 4,2 раза, "П в 1,3 раза, Ре - 2,3 раза, Мо в 6,7 раза. Следовательно, хлоропласта несут нагрузку в выполнении физиологических функций организма, осуществляя процесс фотосинтеза. Процесс биоконцентрирования связан с солнечными ритмами, в частности с ритмами фотосинтетической активности и сезонными ритмами. У морских водорослей в процессе фотосинтеза изменяется содержание металлов и витамина В12. Содержание Т\ различно у одного и того же вида произрастающего в условиях с различной освещённостью и температурой и в осенне-зимний период оно увеличивается [5].
В органах человека содержание титана составляет в среднем 1 мг на 100 г золы или 0,02 мг
Проблемы здравоохранения
на 100 г живой массы [6]. Отмечено возникновение ряда заболеваний при нарушении обмена титана [7]. В развёрнутой фазе острого лейкоза, при болезни Боткина, токсикозе и нефропатии беременных, у больных микробной экземой, нейро-
стью ретикулярной формации ствола мозга и большой биохимической активностью.
Микроэлементный состав центральной нервной системы (ЦНС), по нашему мнению, определяется особенностью строения атомов и молеку-
Таблица1
Суточный баланс титана (мкмоль) для условного человека [1]
Поступление с Выделение с
пищей и жидкостями воздухом мочой калом потом волосами и др.
17,7 0,021 6,89 0,23 0,017
Таблица 2
Содержание титана в крови человека [8]
Наименование системы крови Содержание Ті
1. Кровь 2,3-15 мкг% 3,0-20,7 мг % в расчёте на золу
2. Цельная кровь 0,53 мкг %
эритроциты 2,34 мкг %
в цитоскелете эритроцитов 9,8 %
в неглобулиновых белках 13,5 %
в минеральной части 76,7 %
3. Плазма крови 2,39 мкг %
в альбуминовой фракции 18,4%
в глобулиновой фракции 16,9 %
лейкоцитах 0,0067 мкг %
дермитах, ожогах, гастрогенной железодефицитной анемии, постгеморрагической анемии, раке, язвенной болезни желудка, в ранние сроки оперативного вмешательства или в послеоперационном периоде содержание титана в крови уменьшается. При увеличении концентрации вводимого в организм титана содержание его в крови повышается (с 10,8 мкг при норме 7,6 мкг титана на 1012 клеток), при анемии инфекционно-токсического гене-за. При обострении заболевания насыщение титаном плазмы крови снижается [8].
Титан концентрируется преимущественно в минеральной части эритроцитов и плазме. Содержание титана в крови не одинаково, зависит от возраста и состояния человека.
Концентрация титана в крови новорождённых больше, чем у беременных женщин, а у последних уровень титана выше, чем у небеременных. Титан постоянно присутствует в эмбрионе, что свидетельствует об его участии в процессах эмбриогенеза. Содержание в женском молоке титана составляет 0,0136 %. У новорожденных наибольшее содержание в зрительных буграх и продолговатом мозге. В зрелом возрасте титан концентрируется в коре полушарий большого мозга. В старости отмечены обратные процессы [8]. В коре и подкорковых ядрах избирательно накапливаются Т1, М§, Си, Со, Сг, Мп, Мо, V, Ъа. в комплексонатной форме. В зрительном бугре много Т1, Мп, V. Среди образований ствола головного мозга наиболее высокая концентрация Т1, Ее, Си, Мп, Мо, Со, N1, РЬ, Ag отмечается в продолговатом мозге, что обусловлено деятельно-
лярным составом микроэлементов, что определяет физиологические функции указанных структур ЦНС [9, 10]. Таким образом, трансформация и наиболее полно изученные нарушения топографии микроэлементов и их комплексонатов в ЦНС у детей начинают формироваться уже в перинатальном периоде. Это характеризует состояние нервной системы в перинатальный период.
В работе [6] отмечена тенденция снижения содержания титана во флоре, в продуктах питания (зерновых культурах, в клевере). Содержание титана в растениях зависит от возраста, вида растения. В эксперименте на животных (козы) показана важность титана для беременных и кормящих коз и влияние титана на смертность козлят. При дефиците титана смертность козлят резко возрастала, существенно влияет содержание титана на рост и воспроизводство козлят. Содержание титана в молоке коз с бедным рационом титана (< 100 мг/кг) снизилось до 50 %.
Свойства соединений титана определяются, прежде всего, электронным строением ионов титана. Атомы титана проявляют устойчивые степени окисления +3, +4, что обеспечивает обратимость биохимических процессов с минимальными энергетическими затратами. Большое число свободных орбиталей определяет высокие координационные числа равные 4, 6. Поэтому для соединений титана характерны реакции комплексообразования, окислительно-восстановительные, гидролиза и полимеризации, образование многоядерных комплексов одного элемента, но в разной степени окисления (ГВК) или разных элементов (ГЯК), участвую-
Жолнин A.B., Овчинников А.А., Носова Р.Л., Вахмянина С.А., Мальцева В.А.____________
Влияние фосфорсодержащих комплексонатов титана на физиологические особенности...
щих в переносе электронов и протонов. ГВК и ГЯК переходных элементов являются активными регуляторами свободнорадикальных процессов, системой утилизации активных форм кислорода, перекиси водорода, участвуют в окислении субстратов, поддержании окислительного гомеостаза [9,10].
Микроэлементы в организме находятся в виде комплексов с белками аминокислотами, простейшей моделью, которой являются комплексонаты, обладающие по нашим данным малой токсичностью ЛДзо“ = 2400 мгП/кг живой массы (ФКТ-3), ЛД5ом = 2000 мгП/кг (ФКТ-4) [9,10].
Нами установлено образование разнолиганд-ных ФКТ, в которых в качестве первичного лиганда выступает комплексон, обладающий восстановительными свойствами вторичного неорганического лиганда, содержащего пероксо- (ФКТ-3) или тиол-дисульфидные группы (ФКТ-4), антиокси-датные свойства которого зависят от коэффициента тиол-дисульфидного соотношения 2Я-8Н <-► <-► 11-8-8-11 + 2ё + 2Н+, усиливающие восстановительные свойства ФКТ.
Влияние фосфорсодержащего комплексоната титана (ФКТ-3)
на физиологические особенности свиней
Изучено влияние ФКТ-3 на продуктивность свиноматок, рост и сохранность поросят, воспроизводительные функции свиноматок при дозе ФКТ-3 0,05-0,15 мгТ1/кг живой массы, 7,2-21,6 мгТУна голову свиноматок в сутки, молочных поросят - Т1 0,25-0,75 мг на голову. В крови повышается содержание глюкозы на 0,1 ммоль/л в первую треть супоросности и на 0,67 ммоль/л в последнюю треть супоросности, в подсосный период на 14 % повышается эритропоэз, на 6,6 % содержание общего белка в сыворотке крови и на 6,3 % гемоглобина. В течение всей супоросности улучшается соотношение фракций белка в сыворотке крови, количество аминного азота увеличивается на 16,7-33,3 % Введение ФКТ-3 в рацион свиноматок оказывает влияние на лейкограмму крови. Количество эозинофилов в контрольной группе на уровне 4,1 %. С повышением дозы ФКТ количество эозинофилов снижается до 3 %. Введение ФКТ-3 способствует повышению в крови молодых с повышенной функциональной активностью палочкоядерных нейтрофилов с 3 до 4 % в первую 2/3 супоросности, а в последнюю треть супоросности с 2,5 до 3,5 %, в подсосный период с 2,5 до 4,0 %. Наряду с этим в обратной закономерности наблюдается понижение созревших сегментоядерных нейтрофилов. Содержание лимфоцитов: в первые трети супоросности 42,0 %, в последнюю треть -43,0 % и в подсосный период - 42,0 %.
Соединения титана оказывают положительное влияние на эритропоэз, увеличивают число эритроцитов в крови, катализируют синтез гемоглобина и улучшают общие показания крови. Использование препаратов активизирует обмен и усвоение макроэлементов Са, Р и находится в прямопро-
порциональной зависимости от усвоения азота. Баланс Са и Р в период 2/3 супоросности составил 5,3 и 3,5 г соответственно, что на 0,6 и 0,5 г выше, чем в контрольной группе. Введение ФКТ-3 приводит к снижению внутри клетки концентрации свободных ионов кальция путём связывания в ГВК и ГЯК и обеспечивает повышение мембранного потенциала клеток, что обеспечивает стимулирующие антистрессовое действие ФКТ-3 (повышение обменных процессов, защитных реакций организма, репродуктивные функции организма). Показано его влияние на воспроизводительные функции свиноматок. При введении 0,05 мг Т$/кг живой массы многоплодие свиноматок увеличивается на 16 %. Выживаемость поросят увеличивается на 37 %, рост живой массы на 45 %. Отмечена интенсификация анаболических процессов в организме свиней при введении ФКТ.
Итак, ФКТ интенсифицирует рост и развитие организма, что является результатом стимуляции обменных процессов (белкового, липидного и углеводного). В сыворотке крови достоверно повышаются концентрация аминного азота, общих липидов, (3-липопротеидов и снижается содержание мочевины и холестерина.
Изучение влияния разнолигандного ФКТ-3 на интенсивность клеточного и гуморального ответа на стандартный антиген у экспериментальных животных, позволяют констатировать дозозависимое влияние. Высокие дозы обладают иммунодеп-рессивным действием. Малые дозы оказывают стимулирующее действие, что проявляется в повышении показателей реакций ГЗТ, увеличении весовых индексов тимуса и селезенки в сравнении контролем. Подобное влияние препарата можно рассматривать как иммунорегуляторное действие соединений титана. Полученные результаты согласуются с современными представлениями о единстве иммунной и метаболической системы резистентности организма и объяснены влиянием гете-ровалентных и полиядерных соединений титана на мембранные ферменты и клеточные мембраны, участием в защите организма от «окислительного стресса», что связано с утилизацией продуктов метаболизма (перекисей, радикалов и т.д.) и участием в окислении субстратов. Установлена роль соединения титана не только как фагоцитоз стимулирующего агента, но и как вещества активирующего реакции клеточного и гуморального иммунитета. Ферментативное действие комплексов аналогично действию цитохромов, пероксида-зы, каталазы, миелопероксидазы, основной функцией которой является участие в процессах фагоцитоза и лизиса микроорганизмов.
Установлено его влияние на переваримость, использование основных питательных веществ рациона, а также на биохимический статус организма животного, репродуктивные функции свиноматок. Дано обоснование широкого использования ФКТ-3 в условиях промышленной техноло-
Проблемы здравоохранения
гии производства продуктов животноводства, как стимулятора роста животных, роста и сохранности поросят. В расчете на каждые 100 кормовых единиц было получено в опытной группе до 12 кг прирост живой массы (контроль - 5,6 кг).
Влияние разнолигандного фосфорсодержащего комплексоната титана ФКТ-4 на физиологические особенности цыплят
ФКТ-4 оказал наиболее эффективное влияние на скорость и интенсивность роста цыплят при дозе 0,1 мгП/кг. Рост живой массы составил 88,3 %, по сравнению с контрольной группой был выше на 14,4 %. Рост живой массы зависит от дозы и возраста (максимальная интенсивность роста до 21-дневного возраста). ФКТ-4 способствует повышению перевариваемости сухого и органического вещества на 1,30-1,34 %, протеина - на 3,38 % и использования азота корма на 2,6 %, что обеспечивает среднесуточное отложение его в теле животного в количестве 2,35 г. В крови цыплят наиболее выражены обменные процессы анаболического характера: уровень глюкозы повышается в 2,26 раза, общих липидов - в 1,8 раз. Содержание кальция повысилось на 25,5 %, фосфора - на 24,3 %, общего белка - 8,6 %. Сохранность поголовья в данной группе повысилась на 2,5 % и составляла 99,0 %.
Комплексонат способствует формированию более напряженного иммунитета против Ньюкаслской болезни: эффект вакцинации составил 50 %. Повысилась резистентность организма - уровень эозинофилов снизился на 2,5 %, лимфоцитов на 3 %. Использование ФКТ-4 активизировало обмен кальция, фосфора и азота в организме. Баланс кальция положительный. В 1,36 раза больше кальция выделяется с пометом.
С увеличением выноса кальция из организма в контрольной группе снижается коэффициент его использования из корма и составляет 34,1 %, что ниже, чем при применении ФКТ-4 и составляет на 17,6-25,1 г в зависимости от дозы ФКТ-4. Усвоение фосфора в организме выше контроля при дозе
0,1 мгТ1/кг в 1,3-1,5 раз. Коэффициент использования фосфора при дозе 0,1 мгТ1/кг на 9,0-11,5 % выше. Баланс азота также положительный, отложение в организме на 1,7-7,5 % больше.
Концентрация Бе, Си, Хп и Мп выше, чем в контроле, но соответствует физиологическим нормам. В мышечной ткани отмечено значительное снижение РЬ. В мясе контрольных групп содержание РЬ превышает ПДК на 10 %, в опытных группах в пределах ПДК. Количество N1 в мясе контрольных групп превышает ПДК в 3 раза, а в опытных группах N1 не обнаружен. Концентрация биогенных элементов в мясе в пределах ПДК. При одинаковом суточном потреблении микроэлементов выделение их из организма разное в функции дозы ФКТ-4.
Выводы
Установлен триггерный характер процессов адаптации при применении ФКТ, который основывается на появление нового качества в систем-
ных механизмах регуляции, обратимых между собой, прямых и обратных связей. При изучении влияния ФКТ на биологические особенности животных и растений выявлена способность препаратов на основе ФКТ включаться в молекулярные механизмы адаптационных реакций различных биологических систем. Эффект взаимодействия живой и неживой систем является функцией состава и дозы ФКТ, а также физиологического состояния организма.
Установлен в своей основе химизм и механизм биоэффектов для всех представленных нами препаратов и всех биологических систем животных (лабораторных, домашних) и растений. Биоэффекты фосфорсодержащих комплексонатов титана носят дозо-, природо- и возрастозависимый, циклический, нелинейный, метаболический, адап-тогенный, антиоксидантный, дезинтоксикацион-ный, иммунотропный, антистрессовый, иммуномодулирующий, универсальный и безопасный характер. Полученные данные доказывают жизненную необходимость соединений титана.
Литература
1. Авцын, А.П. Мжроэлементозы человека / А.П. Авцын и др. - М.: Медицина, 1991. — 496 с.
2. Вернадский, В.И. Заметки о титане биосферы / В.И. Вернадский // Тр. биогеохим. лаб. -М.: Наука, 1937. -Т. 4.-С. 247.
3. Ковальский, В.В. Геохимическая экология. Новое направление в изучении изменчивости обмена веществ под влиянием избытка или недостатка микроэлементов / В.В. Ковальский//Тр. биогеохим. лаб. - М.: Наука, 1991. - Т. 22. - С. 5-23.
4. Ершов, Ю.А. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: учеб. для вузов / Ю.А. Ершов и др.; под ред. Ю.А. Ершова. - 2-е изд., испр. и доп. -М.: Высш. шк., 2000. - 560 с.
5. Саенко, Г.Н. Металлы и галогены в морских организмах/Г.Н. Саенко. -М.: Наука, 1992. -200 с.
6. Trace elements in plant, animal / M. Anke, M. Glei, W. Dorn et al. - France, Evian, 1999. -TMG 10.
7. Крутикова, H.A. Распределение титана в организме при неполноценном питании / H.A. Крутикова, В.В. Попов // Вопросы питания, 1978. -С. 83-85.
8. Балла, Ю.М. Микроэлементы в гематологии и кардиологии / Ю.М. Балла, В.М. Лифшиц. Воронеж'. I960. - 175 с.
9. Жолнин, A.B. Биологическое значение титана. Техногенез и биогеохимическая эволюция таксонов биосферы / A.B. Жолнин // Тр. биогеохим. лаб. - М. : Наука, 2003. -Т. 24.- С. 289-299.
10. Жолнин, A.B. Влияние фосфорсодержащих комплексонатов металлов на микро-, макроэле-ментный гомеостаз и их биорегуляторные свойства /A.B. Жолнин // Материалы VБиогеохимиче-ских чтений памяти В.В. Ковальского. - М.: Наука, 2004. - С. 195-211.
