Механизмы развития метаболических нарушений у высокопродуктивных коров

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 - пропионил-КоА, который с участием биотин - фермента пропионилкарбоксилаза и АТФ карбок-силируется в метилмалонил-КоА. Последний в результате реакции, катализируемой S-метил-малонилмутазой, превращается в активную форму янтарной кислоты - сукцинил-КоА. Коферментом 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 S-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

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 β-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 глицерола 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 –СН 3 . Главным источником их является аминокислота метионин. Последняя синтезируется из гомоцистеина путем переноса на него метильных групп от СН 3 –N⁵ – тетрагидрофолиевой кислоты (метил-ТГФК), производного витамина В с (фолиевой кислоты):

Тетрагидроптероилглутамат-метилтрансфераза

Гомоцистеин + Метил-ТГФК →Метионин + ТГФК

Метилкобаламин

Коферментом тетрагидроптероилглутамат-метилтрансфераза является метилкобаламин, производное витамина В 12 . Для достаточно эффективного биосинтеза метионина в организме жвачных животных он должен быть в достаточной степени обеспечен как витамином В 12 , 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 гепатоцеллюлярной 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 (глюконеогенез), 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 пуриновых мононуклеотидов. Для биосинтеза коферментов энзимов, катализирующих эти реакции, необходимы рибозо-5-фосфат и НАДФ-Н 2 , 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-S-аденозилметио-нинтрансферазой, присоединяется метильная группа. Донором ее является S-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 51-нуклеотидазой от АМФ остатка фосфорной кислоты и дезаминирование образовавшегося аденозина аденозиндезаминазой. В условиях развившегося лакто- и кетоацидоза возможна интенсификация обоих путей, поскольку АМФ-дезаминаза и аденозиндезаминаза 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 SH-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 пентозного цикла рибозо-5-фосфат и НАДФ-Н 2 . 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 В 12 и фолиевой кислоты, может привести еще к одному последствию – торможению биосинтеза креатина, являющегося одним из факторов, способствующих развитию родовой слабости и атонии рубца.