Содержание к диссертации
Введение
Глава I. БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ ЛАКТИ РШІЩ КОРОВ С РАЗНЫМ УРОВНЕМ ПРОДУКТИВНОСТИ 5
I. Особенности обмена веществ у высокопродуктивных коров 5
1.1. Азотистый обмен 5
A. Обмен аминокислот 5
Б. Обмен белков и его фракций 8
B, Обмен небелковых азотистых веществ 10
1.2. Углеводный обмен 12
1.3. Лшшдный обмен 14
1.4. Минеральный обмен 18
1.5. Особенности гормонального статуса 22
Глава II. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОШТЕІЬНОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТКИ И РОЛЬ НАД- И НАДФ-ЗАШСИМЩ ДЕГВДРО-ГЕНАЗ В АНАБОЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ 29
1. Окислительно-восстановительное состояние клетки 29
2. Роль НАД- и НАДФ-зависимых дегидрогеназ в анаболических процессах 35
2.1. Роль НАДФ-зависимых дегидрогеназ в анаболизме 36
2.2. Роль НАД-зависимых дегидрогеназ в анаболизме 44
3. Биологические основы селекции продуктивности молочного скота 52
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Глава III. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 57
1. Материал исследований 57
2. Методы исследований 59
Глава ІV. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 67
1. Изучение активности НАД- и НАДФ-зависимых дегидрогеназ в молоке низко- и высокопро дуктивных коров 67
1.1. Активность НАД-дегидрогеназных систем молока низко- и высокопродуктивных коров 67
1.2. Активность НАДФ-дегидрогеназных систем молока низко- и высокопродуктивных коров 71
2. Уровень метаболитов углеводного и липидного обмена в молоке коров с разной продуктивностью 75
3. Окислительно-восстановительные соотношения свободных никотинамидных пар
в молоке коров с разным уровнем молочной продук тивности 87
4. Уровень метаболитов азотистого обмена в молоке коров с разным уровнем молочной продуктивности 90
Глава V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 96
ВЫВОДЫ 114
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 116
ПРИЛОЖЕНИЯ 143
- Особенности обмена веществ у высокопродуктивных коров
- Окислительно-восстановительное состояние клетки
- Материал исследований
- Изучение активности НАД- и НАДФ-зависимых дегидрогеназ в молоке низко- и высокопро дуктивных коров
- ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Введение к работе
Человек, в ходе одомашнивания животных, которое началось 8-Ю тыс. лет назад, из диких видов выбрал животных с наиболее полезными, пластичными, наиболее податливыми к совершенствованию продуктивными качествами. Так, в Египте были одомашнены крупный рогатый скот и винторогие антилопы канны, но последние не выдержали конкуренции и впоследствии сохранились лишь в диком состоянии. Тысячелетиями человек совершенствовал, улучшал хозяйственно-полезные признаки домашних животных, их телосложение, физиолого-биохимические особенности. Таким образом, в любой породе домашних животных сконцентрирован труд многих поколений людей.
Хозяйственно-полезные признаки, которыми обладают сельскохозяйственные животные, различными способами оценивают и учитывают при отборе особей на племя. Например, коров молочных и молочно-мясных пород оценивают по величине удоя, содержания жира и белка в молоке, характеру лактации, способности давать высокие пожизненные удои, живой массе, крепости конституции, экстерьерным особенностям, мясной продуктивности, оплате корма продукцией, качеству потомства и т.д. Причем, на каждом новом этапе развития животноводства увеличивается число признаков-тестов отбора, позволяющих выявить продуктивное направление животных заранее.
В настоящее время одной из наиболее острых проблем, стоящих перед животноводами, является проблема повышения продуктивности молочного скота. Решение этого вопроса имеет огромное значение для всех стран, и прежде всего развивающихся, где более остро стоит проблема недостатка молока и молочных продуктов /в частности дефицит белка/ в питании людей.
Об этом свидетельствуют решения ХХУІ съезда КПСС, майского и ноябрьского /1982 г./ Пленумов ЦК КПСС, Продовольственная программа, в которых определены задачи по дальнейшему увеличению производства продуктов животноводства как одного из важнейших условий повышения материального благосостояния советского народа. Так, в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" пре.ду смотрено довести среднегодовое производство молока в стране до 97-99 млн. тонн. Важный вклад в решение этих задач призваны внести ученые, разрабатывающие физиолого-биохимические основы питания, воспроизводительной функции и повышения продуктивности сельскохозяйственных животных.
Исходя из того, что обмен веществ у продуктивных животных характеризуется определенной направленностью биохимических процессов, обеспечивающих синтез веществ, составляющих продукцию /различных белков, углеводов, липидов, ферментов и др./, нами была предпринята попытка изучить особенности функционирования НАД- и НАДФ-зависимых дегидрогеназных систем молочной железы коров, отличающихся уровнем молочной продуктивности. Такая постановка вопроса обусловливалась тем, что обеспечение водородом биосинтетических процессов в тканях осуществляется в основном за счет НАДФ-зависимых дегидрогеназ /ІЗІ7. Следовательно, можно было полагать, что в тканях высокопродуктивных животных функционирование этих ферментов должно протекать на более высоком уровне, чем у низкопродуктивных. Эта особенность должна определяться генетически и поэтому, с нашей точки зрения, имеет смысл поиск соответствующих биохимических тестов, которые могли бы быть использованы в селекционной работе с целью раннего прогнозирования перспективной продуктивности животных.
В результате наших экспериментальных исследований установлено, что в молочной железе коров с высоким уровнем молочной продуктивности по сравнению с низкопродуктивными, как НАДФ-, так и НАД -зависимые дегидрогеназы более активны. Вместе с тем указанная разница в отношении НАДФ -зависимых деги-дрогеназ более выражена, чем НАД-зависимых. Эти особенности в значительной мере определяют выявленные нами различия в азотистом обмене, а также в величине соотношений ^^П^рАДН/ и /Ш&$У//Ш№Ц7 в клетках молочной железы коров с разным уровнем молочной продуктивности.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Особенности обмена веществ у высокопродуктивных коров
Молочная железа в период лактации обладает высокой метаболической, в частности биосинтетической активностью. В разгар лактации она значительно превышает по размерам и весу печень, достигая у высокопродуктивных коров до 70 кг и выше. Естественно, что изменение функциональной активности железы требует соответствующего изменения притока и потребления ее необходимого количества субстратов и метаболитов, находящихся в крови. Так, в исследованиях на разных видах и породах жвачных животных найдены заметные генетические различия фонда свободных аминокислот в крови у контрастных по белковомолочноети животных, хотя по содержанию белка в молоке наблюдаемые вариации были несколько меньше /97/. У холмогорских коров, например, в разгар лактации имеет место отрицательная корреляция между содержанием белка в молоке и суммарным содержанием свободных аминокислот в крови, что указывает на определенную зависимость фонда свободных аминокислот от степени их расходования организмом лактирующего животного. Причем эта зависимость в большей степени обусловлена расходованием незаменимых аминокислот. Так, если величина коэффициента корреляции между содержанием белка в молоке и общей концентрацией аминокислот составляет 0,106, то при сопоставлении белковости молока с концентрацией незаменимых аминокислот в крови возрастает до 0,262. Получены также данные о существенно меньшем содержании всех свободных аминокислот, за исключением глицина, у голыптино-фризских коров в лактационном периоде по сравнению с уровнем одноименных аминокислот у этих же коров на восьмом месяце стельности /в период сухостоя/ /jtf. Это, очевидно, отражает большое расходование аминокислот на образование молока у лактирующих животных, поскольку общая аминокислотная потребность на секрецию молока в период лактации у коров превышает потребность на рост и развитие плода в 3-4 раза /l0j.
Все эти данные позволяют предположить, что количество аминокислот является, по-видимому, одним из важнейших лимитирующих факторов биосинтеза белков в молочной железе /Ї307. Однако для жвачных пока недостаточно известно, в какой степени уровень свободных аминокислот в крови зависит от их содержания в рационе и наблюдается ли вообще такая корреляция. Выяснено, правда, что синтез xte тіег о- аминокислот в рубце взрослых жвачных вносит существенные коррективы в аминокислотное питания животного /Ї8/. Так, сумма аминокислот в содержимом рубце высокопродуктивных лактирующих коров возрастает по сравнению с рационом в 1,2 раза за счет гистидина, треонина, лейцина, фе-нилаланина, т.е. тех аминокислот, которые наиболее часто лимитируют процессы биосинтеза белка.
Окислительно-восстановительное состояние клетки
Обратимая оксидоредукция в дегидрогеназных системах - это реакция, являющаяся одной из ключевых в процессах метаболизма /гликолиз, глгоконеогенез, цикл трикарбоновых кислот, сопряженное фосфорилирование в дыхательной цепи/ по существу совершается молекулой никотинамида /НАМ/, включенной в нуклеотидную структуру коферментов НАД и НАДФ /72/. НАМ-коферменты представлены в биохимических системах в виде НАД+, НАДФ+ и их восстановленных форм: НАДН2 и НАДФН2. В нормально функционирующих клетках существует строгая разобщенность и поддерживается определенный уровень всех четырех форм коферментов в определенных компартментах, а соотношение окислительно-восстановительных нуклеотидов во многом характеризует метаболическую активность клетки.
Стабильность окисленных и восстановленных форм при сдвиге рН изменяется в противоположных направлениях. Восстановленная форма крайне неустойчива в кислых растворах, но относительно стабильна в щелочных, тогда как окисленная форма весьма стабильна в кислых растворах, а в щелочных мало устойчива /2І7. В нейтральном растворе восстановленная форма менее стабильна, чем окисленная. Оба кофермента широко распространены в живой природе. Исследуя ряд тканей животных /крысы/ с применением специальных энзимологических методов, удалось /Ї8Ї/ определить истинные количества нерасщепленных на фрагменты молекул коферментов.
В большинстве клеток /исключение составляют клетки листьев растений/ НАД присутствует в значительно больших количествах, чем НАДФ. В то же время отношение количества восстановленной и окисленной форм значительно выше для НАДФ, чем для НАД. В листьях растений НАД и НАДФ присутствуют почти в равных количествах; концентрация их составляет около 10 мкг на I г сырого веса [іЩ/ . Это различие, очевидно, обусловлено особенностями функциональной роли этих коферментов. Как известно, НАД представляет собой один из компонентов цепи переноса водорода от субстрата на молекулярный кислород, т.е. в основном принимает участие в образовании и трансформации энергии в клетке, в то время как восстановленная форма НАДФ используется преимущественно как донор водорода для разнообразных восстановительных биосинтетических реакций /20 7.
Окислительно-восстановительное состояние пиридиновых нук-леотидов, наряду с соотношением ДТ /УДДФ/ /Ф и доступностью субстратов, регулирует функционирование ЦТК. С открытием явления аллостерической регуляции/10 7 стало известно, что НАМ-ко-ферменты как низкомолекулярные соединения могут сами выступать в ролл регуляторов ферментативных процессов, контролируя активность ряда регуляторних /ключевых/ ферментов-изоцитратдегидро-геназы /ИДГ/, малатдегидрогеназы /ВДУ, глюкозо-6-фосфатдегидро-геназы /Г-б-ФДГ/, фосфоенолцируваткарбоксикиназы /ФЕЇЇКК/, цит-ратсинтетазы и глутаминсинтетазы /2647.
Материал исследований
С биологической точки зрения молоко является продуктом жизнедеятельности всего организма животного. Молочная продуктивность определяется генетическим статусом организма и внешней средой, где решающее значение принадлежит кормлению.
Синтез молока - многоэтапный процесс. Он начинается с кормления животного, затем поступившие в организм питательные вещества проходят ряд превращений, в результате которых образуются предшественники составных частей молока, и завершается биохимическими процессами образования молока в молочной железе. Это интенсивный и напряженный процесс с затратами большого количества энергии. В это время в организме протекают многочисленные процессы катаболизма веществ экзогенного происхождения /поступивших с кормом/ и анаболизма многих эндогенных веществ, то есть находящихся в теле животного.
Об интенсивности обменных процессов, направленных на биосинтез молока, можно судить по следующим фактам: для образования I л молока через вымя коровы в среднем протекает 500 л крови. Если суточный удой коровы равен 25 л, то количество крови, проходящей через молочную железу, составит 12,5 т. Для обеспечения такого большого потока крови через вымя, организму надо затратить очень много энергии. Как известно, обмен энергии, от которого зависят процессы ассимиляции и диссимиляции, происходит в ходе окислительно-восстановительных реакций, составляющих основу всех жизненных процессов. Как уже отмечалось, обратимая оксидоредукция в дегидрогеназных системах совершается по существу молекулой никотинамида, включенной в нуклеотиднуго структуру коферментов НАД и НАДФ. Исходя из положения о том, что с участием НАДФН, как восстановителя, протекают процессы синтеза клеточных компонентов или накопления энергии, можно предположить, что для высокоудойных животных, отличающихся высоким уровнем биосинтеза, должно быть характерным более активное функционирование НАДФ-зависимых дегидрогеназ, чем у низкоудойных. Можно также предположить, что, как все другие признаки и особенности животных, высокая молочная продуктивность развивается в определенных условиях внешней среды на основе тех возможностей, которые закладывались в половые клетки в виде генетической информации, внесенной родительскими организмами через ДЖ и РБК. Молоко является внутренней средой молочной железы, отражающей в известной степени процессы, происходящие в железе, и есть конечным продуктом ее деятельности. Значит, изучение активности ферментов, уровня тех или иных субстратов молока может дать представление о биохимических процессах, происходящих не только в молочной железе, но и в организме в целом, поскольку синтез составных частей молока осуществляется в железе из предшественников, вырабатываемых как самой железой, так и различными органами, тканями и микрофлорой отделов пищеварительного тракта.
Учитывая все это, мы поставили перед собой задачу выявить особенности окислительно-восстановительных процессов энергетического обмена в данном органе у коров с разным уровнем молочной продуктивности. С этой целью мы изучали активность ряда ИАД-/ЛДГ, МДТ и ГДТ/ и НАДФ-зависимых дегидрогеназ ДЦТ, ВДГ и Г-6-ФДТ/, а также уровень их метаболитов и некоторых продуктов азотистого обмена в свежем молоке в динамике лактации. Изучалось также изменение показателя величины редокс-состояния у этих животных. Эти данные при.наличии их корреляции с молочной продуктивностью, могли бы иметь не только теоретическое, но и практическое значение, поскольку послужили бы основой для отбора животных при комплектовании молочного стада коров.
Изучение активности НАД- и НАДФ-зависимых дегидрогеназ в молоке низко- и высокопро дуктивных коров
В течение периода наблюдения, изучалась активность ряда ключевых ферментов пентозного пути /Т-6-ФДТ/ и трикарбонового цикла /МДГ, ИДТ и др./ в молоке коров разного уровня молочной продуктивности.
А. Активность НАД-дегидрогеназных систем молока НП и ВП коров Мы наблюдали за изменением активности следующих ферментов этой группы: ЛДГ, МДГ и ГДГ. Результаты исследований представлены в табл. 2, а также на рис. 4.
Анализ полученных нами данных показывает следующие изменения:
а/ активность лактатдегидрогеназы /табл. 2 и рис. 4/ в прямой реакции, то есть при синтезе лактата из пирувата с первых же месяцев наблюдения снижается с 0,15 до 0,05 мкЭД/мг белка в мин. у НП коров, и от 0,21 до 0,07 мкМУмг белка у ВП. Однако, у животных второй группы отмечено на шестом месяце лактации увеличение активности фермента /до 0,30 мкМ/мг белка/. У низко- и высокопродуктивных животных через шесть месяцев она снижается в 3 раза. Если принять за 100$ активность молока НП коров, то у ВП она выше на 40-173$, т.е. в 1,4-3 раза.
Обсуждение результатов
Раскрытие биохимических процессов биосинтеза основных компонентов клеток /белки, липиды, углеводы и др./ в организме высокопродуктивных животных не может основываться только на знании химического состава тканей и жидкостей организма /молока, мочи, крови и др./.
Для решения этих вопросов вероятно необходимо изучать промежуточный обмен веществ у животных различных видов продуктивности. При этом должны быть найдены характерные черты обмена, зависящие от вида продуктивности, функционального состояния органов, ответственных за синтез веществ, составляющих продукцию, от особенностей питания животных и др. В этом отношении за последние двадцать лет накоплено немало данных. Так, исследованиями многих авторов установлены значительные различия в функциональной деятельности организма коров различного уровня продуктивности. Стало известно, что более продуктивные коровы потребляют больше корма /357, имеют более высокие показатели процесса пищеварения /70/, большее количество крови, шире амплитуду артериального давления и силу пульсовой волны, более высокое содержание эритроцитов, гемоглобина /63,129 , более интенсивное течение азотистого обмена /plj и проч.
На основании полученных результатов изучения особенностей обмена веществ у животных, отличающихся разным уровнем или направлением их продуктивности, уже давно ведется поиск таких тестов, которые позволяли бы прогнозировать продуктивные качества животных в раннем периоде, о чем уже говорилось в обзоре литературы.
В организме животных и человека происходят сложнейшие биохимические процессы, слаженность которых достигается действием нервных, гуморальных и прочих регулирующих систем. К одним из важнейших звеньев этих систем относятся ферменты, не только обусловливающие направление и скорость течения биохимических процессов, но и создающие своей лабильностью возможность адаптации процессов обмена веществ и организма к условиям внешней среды. Вот почему в настоящее время нельзя объяснить изменения в промежуточном обмене веществ, наблюдаемые при различных физиологических состояниях, направлениях продуктивности, типах корм - 97 ления животных и т.д. без учета активности тканевых ферментов при перечисленных состояниях организма.
Так, известно, что метаболическая активность тканей изменяется с возрастом /79/. Изменения активности ферментов в процессе развития могут быть обусловлены изменением его количества в результате увеличения или уменьшения скорости синтеза, или распада, или изменением эффективности действия определенного количества фермента /21Э7. Последний вариант, по-видимому, реализи-руется в тех случаях, когда необходим быстрый метаболический ответ. Истинное изменение количества фермента играет главную роль для относительно медленно протекающих процессов развития и дифференцировки тканей.
