ОСОБЕННОСТИ ТРАНСПОРТА МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Максимюк Николай Несторович, профессор, заведующий кафедрой биологии и биологической химии,
Скопичев Валерий Григорьевич, профессор кафедры биологии и биологической химии,
Шершневский Ярослав Игоревич, аспирант кафедры биологии и биологической химии,
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, Великий Новгород
Аннотация. Для оптимального течения обменных процессов в организме необходимы как минимум девять микроэлементов (железо, медь, марганец, йод, цинк, хром, селен, молибден, кобальт). Именно они выполняют разнообразные функции, в том числе каталитическую, структурную и регуляторную. В процессе осуществления этих функций они взаимодействуют с макромолекулами: ферментами, прогормонами, а также с предсекреторными гранулами и биологическими мембранами и участвуют во всех видах обмена веществ.
Ключевые слова: микроэлементы; металлопротеины; обмен веществ, регулирующие системы организма.
Уровни обмена веществ, в которых принимают участие микроэлементы (МЭ) настолько фундаментальны, что признаки недостаточности многих из них на первый взгляд кажутся неспецифическими. МЭ распадаются на катионы и анионы. Последние абсорбируются относительно легко, и их гомеостаз регулируется в основном за счёт выделения с мочой. Катионы нуждаются в специфических путях абсорбции, и в их гомеостазе принимает участие желудочно-кишечная и желчная секреция. Некоторые МЭ абсорбируются более эффективно в виде органических комплексов. Характерной особенностью метаболических путей для каждого элемента является доставка его к «функциональному сайту» с помощью использования физико-химических особенностей МЭ. Более глубокое изучение механизмов абсорбции и элиминации приносит всё новые доказательства участия в них регулирующих систем организма – нервной, эндокринной и иммунной [1, 2].
Многосторонние исследования процессов связывания металлов различными биосубстратами выдвинули на передний план изучение металлотионеина (МТ). Этот белок обладает низкой молекулярной массой и состоит из 61 аминокислоты, из которых почти половина (30) – это цистеин, остальное глицин, лизин, серин. Его уникальные свойства выражаются в том, что 1 моль этого апопротеина способен связать 7–10 моль металла. Данные изучения биоптатов почек людей, подвергавшихся интоксикации кадмием, показали, что кадмиевая нефропатия развивается в тех случаях, если концентрация кадмия в корковом веществе почки превысит 1,78 ммоль/кг ткани. В дальнейшем выяснено, что МТ широко распространен в природе. Он содержится в печени плодов и новорожденных, причём в более высоких концентрациях, чем у взрослых. После рождения концентрация МТ понижается, причём если он первоначально содержится в ядре и цитоплазме клеток, то после рождения этот белок перераспределяется и локализуется преимущественно в цитоплазме. Перераспределение МТ и связанного с ним цинка отражает изменение потребности ор ганизма в цинке для обмена нуклеиновых кислот и белков. Первоначальная индукция транскрипции специфической иРНК названными металлами вызывает последующий синтез МТ. Наибольшей индуцирующей активностью обладает кадмий. Другими индуцирующими факторами, вызывающими синтез МТ, являются, в частности, инфекция, голодание, введение эндотоксинов, а также глюкокортикоидов, эстрогенов, глюкагона, удаление надпочечников, гипотермия, физическая нагрузка и лапаротомия [3].
Выяснилось, что индуцированный этими крайне разнообразными факторами синтез МТ в печени сопровождается накоплением в ней цинка и понижением его содержания в плазме крови, в частности, в той её фракции, которая связана с альбумином. Большая часть МТ в растворимых фракциях связана с цинком, в то время как большая часть нерастворимых фракций представляет собой лизосомальный МТ, образующий комплексы с медью. У больных, которые в течение длительного времени получали терапевтические дозы цинка, возникали гипокупремия и признаки недостаточности меди [4].
Еще в 1972 г. А.М. Уголев, характеризуя поверхность кишечной стенки, указал, что ворсинки увеличивают эпителиальную поверхность в 8 раз, а микроворсинки эпителиоцитов – в 30–60 раз. Кишечная ворсинка является микроорганной структурой, обладающей своим сосудистым, мышечным и нервным аппаратом. Микроциркуляция в слизистой оболочке тонкой кишки осуществляется в богатой капиллярной сети, находящейся в тесном контакте с эпителиоцитами. Сами капилляры ворсинок относятся к фенестрированным и располагаются на расстоянии 0,5–1 мкм от базальной мембраны. Вокруг центрального лимфатического сосуда ворсинок находятся гладкомышечные клетки. Их сокращения лежат в основе ритмических движений ворсинок и облегчают микроциркуляцию. Энтероциты отличаются очень высокой скоростью обновления. В тонкой кишке в течение 1 мин образуется и одновременно гибнет, отторгаясь в просвет, от 10 до 60 млн. эпителиальных клеток. Полное обновление эпителиальных клеток происходит в кишечнике каждые 5–6 дней. Общая площадь «пищеварительно-транспортной поверхности» эпителия достигает 200 м2. Каждый энтероцит имеет приблизительно 1500–2000 микроворсинок. Каждая микроворсинка обладает осевым пучком актиновых филаментов.
Так называемый надэпителиальный слизистый слой обладает пищеварительными и транспортными функциями, так как в его слизистых наложениях содержатся панкреатические и собственно кишечные ферменты. Особое значение имеют микровезикулярные механизмы всасывания и секреции в тонкой кишке. Важными фактами для понимания сложной функции энтероцитов, являются установление динамики транспорта нутриентов через цитоплазму энтероцитов, а также реакция иммунокомпетентных клеток слизистой оболочки тонкой кишки на пищевые вещества. Так, число интраэпителиальных лимфоцитов в межклеточном пространство эпителиального пласта очень велико и составляет от 10 до 30% всех клеточных элементов. С полным основанием можно говорить о «лимфоидной системе кишечника». Таким образом, на протяжении всего процесса всасывания нутриентов имеет место тесный контакт введённых в организм веществ с лимфоцитами эпителиального пласта, а также с другими иммунокомпетентными клетками. Особенно активны в этом отношении средние лимфоциты. При специальном исследовании механизмов везикулярного транспорта в энтероците, показано, что эндоцитоз и транспорт веществ по существу являются логическим продолжением сорбционных процессов в гликокаликсе и мембранного пищеварения. В образующиеся везикулы в процессе всасывания попадают не только крупномолекулярные, но и низкомолекулярные соединения. Образование эндоцитозных везикул связано с активацией сократительного актомиозинового комплекса апикальной части энтероцитов. Пиноцитоз является Са2+зависимым процессом, который в терминальной сети регулируется кальмодулином. Активность цАМФ находится под регулирующим влиянием адреналина, а цГМФ – ацетилхолина. В конечном счёте, эти два медиатора вегетативной нервной системы оказывают влияние на циклические сокращения и расслабления микроворсинок [5].
Холиномиметические вещества (ацетилхолин и др.), а также средства, угнетающие ацетилхолинэстеразу (например, физостигмин), усиливают всасывание и секрецию, тогда как холинолитики (атропин) и симпатомиметики (адреналин, норадреналин и др.) тормозят эти процессы.
Воздухоносная система является вторым по значению путём поступления МЭ в организм, особенно в профессиональной патологии. Аэрогенный путь существенно важен для следующих МЭ, перечисленных в порядке увеличения атомной массы: литий, бериллий, фтор, алюминий, кремний, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, кадмий, медь, цинк, мышьяк, стронций, молибден, серебро, олово, йод, вольфрам, осмий, платина, золото, ртуть, свинец, висмут [3].
Патогенез ринитов, фарингитов, ларинготрахеитов и бронхитов, которые часто бывают начальными проявлениями разных МТОЗов, связан как с токсическим действием некоторых МЭ, так и с дефицитом эссенциальных МЭ, участвующих в поддержании трофики дыхательных путей. Значение МЭ в этой патологии, как правило, недооценивается, так как наблюдаемые клинические симптомы обычно объясняют влиянием других патогенных факторов (колебания температуры воздуха, избыточная или недостаточная влажность, запыленность). Термин «пылевой бронхит» широко используется в профессиональной патологии. В действительности он представляет собой сборное понятие, под которым объединяется результат влияния патогенных факторов с различными физико-химическими и биологическими свойствами.
Реакция кожи на тот или иной МЭ в существенной степени зависит от места контакта на кожном покрове, от концентрации и продолжительности экспозиций действующего начала. Именно это побуждает более подробно остановиться на современных представлениях о строении и функции кожи.
Известно, что поверхность кожи покрыта роговым слоем погибающих кератиноцитов. живые, функционирующие кератиноциты, преобладают в эпидермисе и, размножаясь, перемещаются в его наружные слои по мере слущивания омертвевших клеток. Другим видом специализированных клеток в эпидермисе являются тактильные эпителиоциты, представляющие собой особый тип чувствительных клеток, структурно связанных с нервными волокнами. Специализированные кератиноциты волосяных луковиц синтезируют и секретируют вещество волос. Важное значение в процессе всасывания МЭ через кожу имеют микрососуды. Основной путь проникновения в просвет жидкости и микрочастиц из интерстиция пролегает через расширенные межклеточные щели, или межэндотелиальные люки. Кроме того, здесь происходит и микровезикулярный транспорт веществ через эндотелий [6].
Известно, что соли МЭ, обладающие сенсибилизирующими свойствами, являются неполными антигенами – гаптенами. Проникая в кожу, они связываются с белками в виде комплексных соединений, приобретают свойства полных антигенов. Антигенная стимуляция вызывает активное кооперативное взаимодействие всех заинтересованных компонентов кожи. В частности, сенсибилизированные лимфоциты, помимо прямого цитотоксического действия на клетки, содержащие антиген, выделяют фактор, тормозящий миграцию макрофагов. В клинических условиях широко используется диагностический тест – реакция торможения миграции лейкоцитов (РТМЛ).
Литература:
1. Гресь Н.А., Тарасюк И.В., Ставрова Е.Л. Микроэлементозы человека: метаболические и функциональные взаимодействия // Медицина, 2007. № 3 (58). С. 43-47.
2. Максимюк Н.Н., Альхамова Г.К., Степанов М.И. Физиологическая роль и значение микроэлементов в питании человека // Материалы III научно-практ. конф. с международным участием “Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания”. Том II. Общественное питание. Нутрициология. ISBN 978-5-696-03995-4. Челябинск: юУрГУ, 2010. С. 5558.
3. Karp G. Cell and molecular biology. Concepts and experiments. – John Wiley and Sons, 2006. 780 p.
4. Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия. М.: Дрофа, 2004. 638 с.
5. Уголев А.М. Мембранное пищеварение. Полисубстратные процессы, организация и регуляция. Л., 1972. 358 с.
6. Скальный А.В., Рудаков И.А. Биоэлементы в медицине. М.: ОНИКС 21 век, 2004. 271 с.