БИОХИМИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ МИНЕРАЛЬНОГО ОБМЕНА
Цель: научится диагностировать нарушения минерального обмена у животных различных видов по данным клинических и биохимических методов исследования.
Задачи:
1. При помощи биохимических методов уметь определять содержание общего кальция, магния и неорганического фосфора в сыворотке крови.
2. Уметь правильно интерпретировать данные количественного определения минеральных веществ в крови у с/х животных.
3. Уметь диагностировать признаки недостаточности кальция, фосфора, магния, йода, селена, фтора, железа, цинка и кобальта в организме животных по данным клинических и биохимических методов исследования.
4. Уметь сформулировать клинический диагноз.
Краткое изложение материала.
Химические вещества в организме животных находятся в ионизированной форме, в виде ионов. Элементы, которые диссоциируют в воде, образуя анионы и катионы, классифицируются как электролиты. Сумма анионов и катионов в тканях организма в целом одинакова.
Отдельные химические элементы (Na, K, Ca, S, P, Cl) составляют в тканях 10-2 % и более – макроэлементы, тогда как другие (Fe, Co, Cu, Zn, J, Ni, Mo) присутствуют в значительно меньших количествах – 10-3 – 10-6 % - микроэлементы. В организме животного минеральные вещества составляют 1-3% от общей массы тела и распространяются чрезвычайно не равномерно.
Минеральные вещества всасываются, в основном, в тонком отделе кишечника. Всасывание солей – это активный процесс с потерями Е. Он регулируется рефлекторно и при помощи гормонов и витаминов.
Минеральные вещества могут депонироваться в некоторых органах (печень, селезенка, кости) и при необходимости мобилизуются из них для пополнения запасов их концентрации в крови.
Основное значение минеральных веществ состоит в регуляции ряда физико-химических процессов: образуют и поддерживают на определенном уровне осмотическое давление крови, лимфы и др., выступают в роли буферных систем (гидрокарбонатная, фосфатная), которые обеспечивают стабильность активной кислотности в тканях (рН). Регуляция активности ферментов.
Натрий. Самым распространенным соединением натрия в организме является натрий хлористый. Он почти на 90% определяет осмотическое давление крови, благодаря этому обеспечивает в организме регуляцию водного обмена, потому что вода в организме «следует» за натрием. Величина осмотического давления зависит от общего числа недиссоциирующих молекул и ионов, а постоянство уровня поддерживается за счет обмена воды и электролитов между тканями и кровью и регулируется системой выделения (почки, потовые железы). Поступление в организм NaCl приводит к выходу воды из тканей в кровь, что нормализует осмотическое давление. При избытке поступления воды в организм осмотическое давление нормализуется за счет выхода соли из тканей в кровь с последующим выведением из организма с мочой. В норме количество воды, поступившее в организм равно количеству воды выводимое из организма. Осмотическая концентрация (осмоляльность) вне- и внутриклеточной среде всегда одинаковы, т.е. изотоничны. Любые изменения концентрации растворенных веществ в одной из сред вызывают перераспределение воды, которое восстанавливает изотоничность.
Натрий имеет важнейшее значение в поддержании кислотно-щелочного баланса в организме.
Ионы натрия активируют проведения импульсов по нервным волокнам, возбуждая мышцы.
Ферментативные процессы в митохондриях и ядре клеток могут происходить только при наличии определенного количества натрия. Ионы натрия являются активаторами амилазы, холинэстеразы, фруктокиназы и ингибируют (тормозят) фосфорилазу. Они выполняют существенную роль в транспорте различных метаболитов (аминокислот, углеводов) из межклеточного вещества в клетки в составе систем активного транспорта Na+ K+- АТФ- азы. Большинство клеточных мембран сравнительно плохо проницаемы для натрия. Градиент натрия поддерживается активным выведением натрия из клеток во внеклеточную среду с помощью Na+ K+- АТФ- азы.
Недостаток приводит к обезвоживанию организма, которое сопровождается потерей аппетита, животное становится вялым, ухудшается усвоение кормов, снижается продуктивность (скорость роста, общий удой и жиромолочность коров и овец).
Поддержание постоянного объема внеклеточной жидкости зависит от способности организма сохранять постоянство концентрации ионов натрия. Корма жвачных животных содержат малое количество натрия, однако они имеют хороший физиологический солевой аппетит, который составляет значительный компонент их гомеостаза этого элемента.
Признаками повышенного содержания натрия в организме служат отеки, гидратация тканей, хрупкость кровеносных сосудов. У животных отмечают повышенную жажду. У кур-несушек при этом снижается яйценоскость, появляются случаи каннибализма.
Калий
Калий является основным катионом в клетках животных, где составляет 98% от общего его количества в организме и лишь 2% этого элемента находятся во внеклеточной среде. Из тонкого кишечника калий абсорбируется и распределяется по всем тканям; большая его часть находится в мышечной ткани. Выделяется калий из организма через почки.
Калий относится к внутриклеточным элементам, где одной из основных функций является обеспечение внутриклеточного осмотического давления. С другой стороны, он действует как активатор множества ферментов (пируваткиназы, фруктокиназы, фосфофруктокиназы и др.). Совместно с ионами натрия участвует в процессе передачи нервного возбуждения с нерва на орган, а так же между нейронами. Регуляция уровня калия в крови происходит ЦНС и гормонами – альдостероном и инсулином.
Гипокалиемия, которая возникает в результате дефицита калия в рационах с/х животных, особенно жвачных, в обычных условиях маловероятна. Нехватка может развиваться вследствие значительной потери калия через пищеварительный канал (диарея, рвота) и с мочой (почечная недостаточность). Гипокалиемия приводит к нарушениям функции нервной системы, мышц сердца, системе кровообращения, почек. Животные становятся сонливыми, малоподвижными, так же наблюдается периодический мышечный паралич, который нередко сопровождается прогрессирующей атрофией мышц.
Гиперкалиемия может развиваться при чрезмерном поступлении калия в организм с заменителями молока или зелеными кормами с пастбищ, куда вносились в больших количествах калийные удобрения, при чрезмерном содержании солей калия в составе регидрационных смесей без надлежащего контроля его концентрации в плазме крови. Чаще всего причиной гиперкалиемии является почечная недостаточность в стадии олигурии, усиленный распад клеток, причиной которого являются травмы, ожоги, кровоизлияния.
Кальций. Кальций плазмы крови существует в трех формах: ионизированный, связанный с белками (в основном альбумином) и в комплексе с фосфатом и цитратом. Физиологически активной является ионизированная форма кальция, которая составляет 45-55 % общего кальция крови. До 99 % всего кальция в организме сконцентрировано в костях и зубах, и только 1-2% этого элемента постоянно находится в ионизированной форме, а так же в виде соединений с белками и мембранными структурами клеток. В костях он совместно с фосфатом образует аморфные формы и кристаллы. Он представлен фосфатами (Ca3 (PO4) 2) – 85 %, карбонатами (CaCO3) – 10 % и солями органических кислот – лимонной и молочной – 5 %. Лимонная кислота способна к образованию с кальцием растворимых солей, которые легко проникают через клеточные мембраны. Кальций в небольшом количестве содержится в плазме крови (2,0-3,5 ммоль/л). Вне скелета он содержится в межклеточной жидкости и почти отсутствует в клетках.
Уровень ионизированного кальция достоверно отображает метаболизм кальция, чем концентрация общего кальция в сыворотке (плазме) крови. При алкалозе ионы водорода диссоциируют из молекулы альбумина, что приводит к увеличению связывания кальция альбумином и снижению концентрации ионов кальция. Это, в свою очередь может вызвать клинические симптомы гипокальциемии, несмотря на неизменную концентрацию общего кальция в плазме. Обратная картина, связанная с увеличением концентрации ионов кальция в плазме, отмечается при остром ацидозе. Изменения концентрации альбумина в плазме оказывают влияние на содержание общего кальция независимо от концентрации его ионов, что может приводить к ошибкам в трактовке результатов как при гипо-, так и при гиперпротеинемии.
Ионы кальция влияют на взаимодействие актина и миозина, т е. сокращения мышечных волокон. Так же участвуют в регулировании проницаемости сосудов, в образовании структуры костной ткани, в свертывании крови, снижает возбудимость нервной системы, стимулирует деятельность сердечной мышцы, снижает проницаемость клеточных мембран, снижает температуру тела, ослабляет действие токсинов на организм, повышает стойкость организма к инфекциям, предотвращает вредное действие избытка калия, натрия, магния.
На клеточном уровне регулируют секрецию гормонов, внутриклеточный метаболизм (продукция глюкозы, липолиз), репродукция клеток (оплодотворение и митоз яйцеклеток, подвижность сперматозоидов).
Концентрация кальция в тканевых жидкостях обычно поддерживается в узких пределах с помощью контролирующей системы, в состав которой входят два гормона: паратиреоидный гормон (ПТГ) и кальцитриол (1,25-дигидроксикальцифирол). Паратиреоидный гормон – это полипептид, состоящий из аминокислот, секретируется околощитовидными железами в ответ на снижение ионов кальция в плазме. Гиперкальциемия подавляет секрецию ПТГ, тогда как кальцитриол подавляет синтез гормона. Действие ПТГ направлено на повышение содержания кальция и снижение содержания фосфата в плазме. Кальцитриол образуется из витамина Д при последовательном гидроксилировании в печени и почках. В кишечнике гормон стимулирует абсорбцию кальция и фосфатов, поступающих с пищей. Этот процесс включает также синтез в энтероцитах кальцийсвязывыающего белка (кальбидин Д).
Усвоение и обмен кальция зависит от достаточного обеспечения витамином Д, который является основным звеном переносчика кальцесвязывающего белка. На изменения уровня кальция в крови влияют так же тироксин и андрогены, которые повышают уровень ионизированного кальция, в то время как глюкокортикоиды его снижают. Избыток кальция выводится из организма с фекалиями и мочой. В плазме крови диапазон концентрации кальция очень узкий.
Гиперкальциемия бывает очень редко, иногда у новорожденных животных – это физиологическое состояние. Как патология встречается при гиперпаратиреоидизме, гипервитаминозе Д, лейкозе, туберкулезу и опухолях кости, при опухолях различных органов. Одной из причин такого увеличения уровня кальция является то, что злокачественные опухоли секретируют паратгормон.
Гипокальциемия у животных с однокамерным желудком проявляется отсутствием аппетита, чрезмерной возбудимостью, скованностью движений, а затем тонико-клоническими судорогами (гипокальциемическая тетания). Возникает вследствие длительной голодовки, недокорма, гипопаратиреоидизма, гиповитаминоза Д, так же приводят проносы, острый панкреатит, хронический нефрит.
У жвачных при гипокальциемии очень часто преобладает выпадение функции движения (пастбищная тетания, послеродовой парез). Отмечается при таких состояниях: генетическая предрасположенность, повышенное потребление кальция при формировании скелета плода в последние месяцы беременности (часто у овец), и с началом образования молока (у высоко продуктивных коров, «молочная лихорадка» у свиней); уменьшение способности к всасыванию кальция в кишечнике с возрастом, замедление образования паратгормона и витамина Д3 при снижении концентрации кальция в крови.
Длительные нарушения минерализации органического матрикса кости у всех видов животных приводит к развитию рахита и остеомаляции, кариесу. Гипокальциемия является причиной тетании молодняка. Болезни печени при хроническом течении (гепатит, гепатоз, цирроз) также способствуют развитию гипокальциемии, поскольку в печени снижается синтез первого биологически активного метаболита холекальциферола – 25-гидроксихолекальциферол. Дефицит витамина Д в организме может быть следствием неадекватного эндогенного синтеза, недостаточным поступлением с кормом или всасыванием
Гипокальциемия стимулирует секрецию ПТГ и таким образом увеличивает продукцию кальцитриола. Возрастает поступление кальция и фосфата из кишечника и мобилизация их из костей. Поскольку ПТГ оказывает фосфатуритическое действие, избыток фосфатов экскретируется с мочой, но реабсорбция кальция в почечных канальцах повышается, часть мобилизованного кальция задерживается, и концентрация его в плазме резко возрастает до нормальных значений.
Фосфор. 90 % фосфора, как и кальция, локализуется в костях и зубах. Остальная часть, в отличие от кальция, в середине клетки, а 1 % в межклеточном пространстве. При участии фосфатов проходят гликолиз, гликогенез, обмен жиров, принимают участие в переносе Е (АТФ, АДФ, креатинфосфата), окислительном фосфолирировании. Фосфор входит в структуры ДНК, РНК, обеспечивает синтез белка. Имеет большое значение для функции скелетной мускулатуры и сердечной мышцы, активирует всасывание ионов кальция в кишечнике. Фосфатный буфер принимает участие в поддержании кислотно-щелочного равновесия.
В организм животных фосфор поступает с растительными кормами (бобовые) и кормами животного происхождения (фосфолипиды, фосфопротеины и фосфаты). Всасывание происходит в проксимальном отделе тонкого кишечника, поступает в кровь и быстро поглощается тканями паренхиматозных органов, особенно печенью, почками и селезенкой. Избыток фосфатов выделяется с фекалиями, мочой и почками.
Всасывание фосфатов зависит от его концентрации в тонком кишечнике и активности фермента ЩФ (ее снижение уменьшает всасывание фосфора). Активность ЩФ увеличивается под действием витамина Д, а всасывание фосфатов возрастает под действием ПТГ. В крови фосфор находится в виде 4 соединений: неорганического фосфора, органических фосфатных эфиров, фосфолипидов и свободных нуклеотидов. В плазме крови неорганический фосфор присутствует в виде ортофосфатов, которые проходят через почечный фильтр, фильтруясь в почечных клубочках. Для клинических целей чаще используют определение неорганического фосфора.
На концентрацию неорганического фосфора в крови влияют функция почек, паращитовидных желез, уровень витамина Д, белков фосфатонинов, всасывание его в кищечнике, метаболизм костной ткани и кормление.
Гипофосфатемия развивается при нарушении всасывания в кишечнике, галактоземии, нехватке витамина Д, стеаторее. Снижение уровня неорганического фосфора в крови наблюдается на ранних стадиях рахита (доклиническая стадия).
При гипофосфатемии усиливается секреция кальцитриола, но не ПТГ. Любое увеличение концентрации кальция в плазме под действием кальцитриола подавляет секрецию ПТГ. При гипофосфатемии стимулируется абсорбция фосфата и кальция в кашечнике. Кальцитриол по сравнению с ПТГ, гораздо меньше действует на почечную реабсорбцию кальция, поэтому при отсутствии ПТГ избыток поступившего из кишечника кальция выводится с мочой. Результатом данных процессов является восстановление нормальной концентрации фосфата в плазме независимо от концентрации кальция.