Содержание к диссертации
Введение
1. CLASS Обзор литературы CLASS 9
1.1. Метаболизм углеводов у жвачных животных 9
1.1.1. Роль летучих жирных кислот в метаболизме жвачных животных 9
1.1.2. Роль микроорганизмов в рубцовом метаболизме углеводов 17
1.1.3. Особенности межуточного углеводного обмена у жвачных животных 19
1.1.4. Связь углеводного и минерального обмена 22
1.2. Биологическая роль кадмия 24
1.2.1. Распространение кадмия в природе: воздух - вода - почва - растения - животные 26
1.2.2.Роль кадмия в животном организме: 29
а) лабораторные и моногастричные животные ; 31
б) полигастричные животные 36
2. Объект и методы исследований 43
2.1. Характеристика животных и условия проведения опыта . 43
2.2. Методы лабораторных исследований 45
3. Результаты собственных исследований 47
3.1. Клинико-гематологические показатели подопытных животных 47
3.2. Динамика метаболизма углеводов в рубце валухов и влияние на него разных доз кадмия 48
3.2.1. Временная динамика обмена углеводов в рубце валухов 49
3.2.2. Влияние кадмия на обмен углеводов 56
3.3. Сопряженность процессов метаболизма
и абсорбции ЛЖК в рубце 77
3.4. Роль слюнных желез в обмене летучих жирных кислот . 100
Заключение 106
Выводы и предложения 114
Список литературы 116
Приложения 135
- Роль летучих жирных кислот в метаболизме жвачных животных
- лабораторные и моногастричные животные
- Методы лабораторных исследований
- Временная динамика обмена углеводов в рубце валухов
Роль летучих жирных кислот в метаболизме жвачных животных
Основными продуктами превращения углеводов в рубце жвачных животных являются, прежде всего, летучие жирные кислоты - уксусная, пропионовая, масляная, валерьяновая, изо-валерьяновая и газы (метан, углекислый газ и др.). По химической характеристике, летучие жирные кислоты относятся к группе алифатических монокарбоновых кислот от уксусной до капроновой с длиной углеродной цепи С2-С6. Свое название они получили за свойство высокой летучести, то есть упругости паров при комнатной температуре. Летучие жирные кислоты относятся к кислотам средней силы и, следовательно, при физиологических значениях рН в значительной степени диссоциированы, то есть представлены как молекулярной формой, так и соответствующим анионом. Короткоцепочковые жирные кислоты образуют соли с основаниями Бернстеда, обычно это соли натрия, калия и кальция, которые без ограничений растворимы в воде и образуют прочные водородные связи, как с молекулами воды, так и между собой. Однако будучи амфолитами, низкомолекулярные жирные кислоты способны растворяться и в значительно менее полярных средах. Благодаря этому они легко проникают через липидные мембраны и межклеточные пространства вместе с током воды (Шевелев Н.С. и др. , 2000; Шевелев Н.С. и др., 2001). Кислоты, всасываясь стенкой рубца, служат основными метаболитами, в значительной мере удовлетворяющими энергетические потребности животного. Вклад ЛЖК в питание жвачных колеблется от 36 до 80% энергии, переваренной и всосавшейся в пищеварительном тракте. Причиной некоторой разницы в показателях всасывания ЛЖК и их поступления в портальную кровь может быть преобразование ЛЖК в стенке рубца, а также всасывание метаболитов в форме лактата. кетоновых тел, аминокислот (Алиев А.А., 1997). Незначительные количества летучих жирных кислот расщепляются микроорганизмами непосредственно в рубце. Некоторая часть продуктов распада углеводов превращается в полисахариды микроорганизмов и при недостатке углеводов часть этих полисахаридов может вновь расщепляться и поступать в метаболический фонд преджелудков (Соловьев A.M., 1968).
Различное соотношение в рационе грубого корма и концентратов влияет на общую концентрацию ЛЖК в рубце, а также на молярное соотношение отдельных кислот (Гундоров В.В., 1970). Большое количество ЛЖК образуется в рубце при кормлении животных рационами, богатыми легкопереваримыми углеводами (Соловьев A.M., Курилов Н.В. 1967; Тишенкова Д.Л., 1969; Eadie J.M. et al., 1970; Курилов H.B., 1972). Рационы с сеном и соломой ускоряют синтез ацетата, доля которого составляет 70-75 моль% от суммы всех летучих жирных кислот рубца. Зерновые рационы стимулируют пропионогенез (30-40моль%), а легкоферментируемые углеводы (сахара) - бутирогенез (20-35 моль%). Как правило, три кислоты (С2+С3+С4) составляют по крайней мере 95% всех ЛЖК (Алиев А.А., 1997). При содержании овец на сено-концентратном рационе максимальный уровень летучих жирных кислот в рубце наблюдается через 3-6 часов после кормления (Курилов Н.В., Кроткова А.П., 1971).
Содержание ЛЖК в рубце зависит от объема и скорости переваривания корма, их всасывания, степени расщепления кислот в рубце и переноса в нижележащие отделы желудочно-кишечного тракта. На количество ЛЖК в рубце заметное влияние оказывает частота кормления. С увеличением кратности кормления повышается общая концентрация ЛЖК в рубцовом содержимом. При этом возрастает доля пропионовой кислоты. С уменьшением частоты кормления увеличивается концентрация уксусной кислоты (Соловьев A.M., 1968; Курилов Н.В., Кроткова А.П., 1971; Алиев А. А., 1997).
Необходимым условием для нормальной функции преджелудков является их моторика и достаточное поступление слюны (Кроткова А.П., 1967). Слюнные железы жвачных, играют важную роль в гомеостазе метаболической системы преджелудков. Кроткова А.П. (1964) установила взаимосвязь между секрецией слюны, уровнем ЛЖК в рубце и периодами жвачки. Повышенный уровень ЛЖК и изливающаяся в рубец слюна, воздействуют на хеморецепторы рубца, стимулируют начало жвачки. Усиление моторики рубца во время жвачки повышает скорость всасывания ЛЖК и их эвакуацию. Увеличение количества слюны способствует понижению уровня ЛЖК в рубце, нейтрализуя их. При попадании в кровь ЛЖК могут тормозить через центр моторики руминацию. Торможение моторики преджелудков уменьшает всасывание ЛЖК. Слюнные железы способны извлекать из крови минеральные элементы и органические соединения и возвращать их в рубец (Курилов Н.В., Кроткова А.П., 1971).
Бродильные процессы в рубце протекают нормально лишь в случае соблюдения в рационах определенного соотношения между легко и трудно растворимыми углеводами, а также между содержанием белков и углеводов (Курилов Н.В., 1964; Курилов Н.В. и др., 1964; Дистерло В.А., 1970; Сорокин В.М.. 1971). Установлено, что лучшим отношением сахара к протеину в рационах жвачных является такое, когда количество сахара равно количеству протеина (или несколько превышает его), т.е. сахаро-протеиновое отношение должно быть в пределах 0,9-1,2:1 (Курилов Н.В. и др., 1964; Макаров Н.В., 1973). Если же с кормом поступают большие количества легкопереваримых углеводов (сахар, крахмал), то образующаяся в больших количествах молочная кислота вызывает ряд нарушений в обмене веществ, которые могут привести к гибели животного (Портнова Н.Г., 1963; Крюков Б.И., 1965). Кроме того, для нормального течения процессов брожения необходимо достаточное поступление азота.
лабораторные и моногастричные животные
Подавляющее большинство исследований биологической роли кадмия посвящено его токсическому действию на организм человека и животных. Однако, имеются данные о жизненной необходимости этого элемента для животного организма (Alike М.,1983; Regius A. et al„ 1985; Ягодин Б.А., 1989; Alike М. et al., 1991; Авцын ATI., 1991). Стимулирующее действие низких доз кадмия (0,01-10 мкмоль/л) на рост аспергиллов и некоторых водорослей было известно более 50 лет назад (Авцын А.П., 1991).
Эссенциальность кадмия для организма млекопитающих была впервые продемонстрирована с помощью пластикового "изолятора" (Schwarz К., Spallholz J.E., 1977: Авцын А.П., 1991). Установлено, что этот микроэлемент в нетоксических концентрациях, свойственных нормальным рационам, стимулирует рост крыс. Еще более убедительные доказательства жизненной необходимости этого элемента были получены в ГДР (Anke М. et al., 1978, 1987а, 1991) в опытах на суягных и лактирующих козах и их потомстве. При дефиците кадмия в их рационе (15мкг/кг сухого вещества корма) авторы отмечают у суягных коз изменения в репродуктивных функциях: на 12 % повышается число абортировавших животных, процент мертворожденных возрастает с 8,0 до 43. а смертность матерей - с 30 до 41 %. У лактирующих коз при Cd-дефицитном рационе на 28% снижается продуцирование молока, при нормальном содержании в нем жира и существенном снижении белка. Ультраструктурный анализ печени, почек, скелетной и сердечной мускулатуры показал изменения в митохондриях, вызывающие кристаллизацию и везикулярные растяжения, способствующие снижению синтеза белка.
Потомство, рожденное от коз с дефицитом кадмия в рационе, характеризовалось относительно низкой живой массой при рождении в сравнении с контрольными (2,8 и 3.0 кг соответственно) и слабой жизнедеятельностью. Авторами также отмечается снижение живой массы у потомства коз при содержаниии его на кадмийдефицитном рационе, как до, так и после отъема. К тому же, дефицит кадмия вызывает у животных острую астению мускулатуры, которая проявляется с первых дней жизни в резких, неуклюжих движениях, слабости козлят; в дальнейшем дефицит элемента сопровождается потерей подвижности, невозможностью стоять на ногах, держать голову, и неминуемой гибелью животных.
В реакции организма на дефицит кадмия прослеживается половой диморфизм. Организм самцов, изначально содержащий большее количество кадмия, чем организм самок, более стойко переносит его дефицит в рационе. Острая астения мускулатуры наблюдается и у взросльтх животных при кадмийдефицитном рационе. При введении в рацион требуемого количества кадмия (300 мкг/кг сухого вещества корма) все симптомы гипокадмиоза у животных медленно, но постепенно исчезают.
Таким образом, игнорирование дефицита кадмия в рационе жвачных может быть, но только кратким по времени.
Однако фоновый уровень кадмия в окружающей среде с каждым годом возрастает и говорить о его дефиците можно только при использовании искусственных рационов. Поэтому, исследования должны быть акцентированы на избыток кадмия в рационе и последствия его аккумуляции в организме животных.
а) Лабораторные и моногастричные животные
Активность одних ферментов не изменяется сколько-нибудь заметно в зависимости от присутствия или отсутствия солей; активность других напротив, очень сильно зависит от природы и концентрации присутствующих в системе ионов. Некоторые ионы абсолютно необходимы для нормальною функционирования ряда ферментов, тогда как другие высокотоксичны почти для всех известных ферментов. Известны ионы, которые отравляют одни ферменты и активируют другие; некоторые ионы могут даже в зависимости от концентрации по-разному действовать на один и тот же фермент и либо подавлять, либо активировать его (Диксон М., Уэбб Э., 1966).
Ингибирующее действие кадмия на активность многих ферментов объясняется его связыванием с реактивными группами, входящими в состав активных центров ферментов, особенно с сульфгидрильными группами (Хмельницкий Г.А. и др., 1987).
Установлена возможность образования комплексов металл-фермент (Cd-щелочная фосфатаза, Cd-карбоксипептидаза. Cd-цитохромоксидаза). Соединения кадмия угнетают активность трипсина, в меньшей степени пепсина (Леонард А., 1993). Кадмий может встречаться в связанном с белками и другими органическими молекулами виде и образовывать соли с органическими кислотами (Альберт Э. 1971; Ершов К).А., Плетенева Т.В., 1989; Саст Ю.Е. и др.,1990).
Обнаружено влияние кадмия на ферменты углеводного обмена, которое выражается в стимулировании активности альдолазы, фосфорилазы и пируваткарбоксилазы. фруктозо-бисфосфатазы и фосфоениолпируваткарбоксикиназы (КФ. 3.1.3.11). наряду с угнетением секреции инсулина. Главным фактором активации гликолитического фермента пируватдегидрогеназы является Са , а кадмий, как известно, является его антагонистом.
Методы лабораторных исследований
Зоотехнический анализ кормов проводили по общепринятым методикам (Курилов Н.В., 1979). Концентрацию микроэлементов и кадмия определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Руе Unicam SP-1900».
В исследуемых средах определяли содержание:
клетчатки в цельном рубцовом содержимом методом Кюршнера; так как определение происходило не сразу, образцы цельного рубцового содержимого (200-300 мг) консервировали несколькими каплями хлороформа, плотно закрывали и помещали в холодильник при температуре +5- +6С:
- Сахаров в рубцовой жидкости методом цветной реакции с о-толуидином. В основе метода лежит реакция образования окрашенного соединения о-толуидина с сахарами при нагревании в присутствии трихлоруксусной кислоты. Интенсивность окрашивания пропорциональна содержанию Сахаров; 6
- крахмала в рубцовом содержимом. Определение крахмала является продолжением метода определения Сахаров в рубцовом содержимом.
- концентрацию водородных ионов в рубцовой жидкости на потенциометре рН-340;
- общее содержание летучих жирных кислот в рубцовой жидкости и слюне методом паровой дистилляции в аппарате Маркгама, и в крови методом дистилляции безбелкового фильтрата, (кровь стабилизировали гепарином) (Курилов Н.В., Севастьянова Н.А., Коршунов В.Н. и др 1987) количество и соотношение отдельных летучих жирных кислот в рубцовой жидкости, слюне и крови определяли методом газожидкостной хроматографии в лаборатории межуточного обмена ВНИИФБиП с/х животных.
Для статистической обработки экспериментального материала использовали метод Стьюдента, дисперсионный анализ (Дружинин Н.К., 1968; Меркурьева Е.К, 1977; Лакин Г.Ф .. 1980). 3. Результаты собственных исследований
Общее состояние подопытных животных в течение всего периода исследований было хорошим. Животные были средней упитанности, имели блестящий, прилегающий к коже, волосяной покров. Лимфатические узлы (подчелюстные, предлопаточные, коленной складки) подвижны и безболезненны.
Проведенные совместные исследования с аспирантом кафедры Кибеб Л.Г. (2003) показали, что основные клинические показатели, характеризующие общее состояние животных, изменялись незначительно в пределах физиологической нормы (табл. 1).
Содержание эритроцитов, лейкоцитов и гемоглобина в крови на протяжении всего периода наблюдений находилось в пределах физиологической нормы (табл.2). Различия между показателями в контрольном и опытных периодах были недостоверны. На основании этих результатов можно считать, что подопытные животные в процессе всего эксперимента были клинически здоровыми, а использованные дозы кадмия не оказали существенного влияния
Временная динамика обмена углеводов в рубце валухов
Содержание в кормах клетчатки имеет большое значение, как для удовлетворения энергетических потребностей жвачных животных, так и для обеспечения нормальной моторики преджелудков в качестве объёмистого и медленно переваривающегося субстрата (Курилов Н.В., Кроткова А.П., 1971; Алиев А.А., 1997).
Проведенные нами исследования показали, что в первые 3 часа после приема корма животными процесс гидролиза клетчатки нарастает и продолжается до 5 часов, что сопровождается существенным снижением ее доли в цельном рубцовом содержимом (ЦРС), а именно на 27,8-33,4% в сравнении с 1 часом (табл.3).
Спустя 7 часов после кормления животных отмечается замедление гидролиза клетчатки, так как в процессе пищеварения имеет место постоянная эвакуация жидкой фракции ЦРС. мелких кормовых частиц и микроорганизмов в нижележащие отделы ЖКТ, а также всасывание продуктов гидролиза в кровь. В результате этого доля труднопереваримой части клетчатки в ЦРС возрастает, особенно к 10 часам после кормления (табл.3).
Гидролиз клетчатки нельзя рассматривать изолированно от процессов расщепления простых Сахаров и крахмала, так как микроорганизмы рубца, расщепляющие этот субстрат, требуют для своего роста и размножения питательные вещества и энергию.
Считается, что крахмал доступнее клетчатки, следовательно, он может быстрее использоваться микроорганизмами рубца, особенно простейшими. Соответственно, содержание его в рубцовой жидкости должно снижаться интенсивнее. Но следует учесть, что доступность крахмала зависит от скорости разрушения оболочки растительной клетки, которая представлена целлюлозой.
По нашим данным максимального значения концентрация крахмала в РЖ валухов достигает только к 7 часам после кормления животных (см. табл.3; рис.2.). Видимо здесь играет роль доступность крахмала растительной клетки. Вероятно, что это увеличение концентрации крахмала также может происходить в результате активного развития и накопления микрофлоры, в частности простейших, в теле которых содержится крахмал, в дальнейшем преобразующийся в гликоген.
Простые сахара не только поступают с растительными кормами, но и образуются в рубце при расщеплении крахмала и других полисахаридов гликолитическими ферментами.
Постепенное нарастание концентрации простых Сахаров в РЖ валухов к 5 часу после приема корма является следствием интенсивной ферментации в первую очередь клетчатки (см. табл.3). К 7 часам после кормления животных активность целлюлозолитических и гликолитических процессов снижается, но сбраживание Сахаров продолжается довольно активно, что поддерживает концентрацию ЛЖК и рН на постоянном уровне. Лишь к 10 часам после приема животными корма значительно истощаются запасы крахмала и простых Сахаров, что приводит к снижению концентрации ЛЖК в РЖ. Содержание простых Сахаров в РЖ валухов невысокое, так как они не успевают накапливаться в ходе обменных процессов, превращаясь в конечные продукты. Кроме того, они в небольших количествах всасываются в кровь и эвакуируются в нижележащие отделы ЖКТ.
С уменьшением запасов легкопереваримых углеводов корма затухает и процесс гидролиза клетчатки, что мы и наблюдаем к 10 часам после приема пищи животными.
Аналогичная временная направленность увеличения содержания крахмала, Сахаров и ЛЖК прослеживается и у других видов жвачных (Курилов Н.В., Кроткова А.П., 1971; Алиев А.А., 1997).
Наиболее интенсивное образование ЛЖК в рубце валухов нами обнаружено в период с 3 до 5 часов после кормления животных (пик рубцового пищеварения).
Химус рубца валухов и до утреннего кормления содержал некоторое количество ЛЖК (53,5 мМ/л), но после приема животными корма отчетливо прослеживается повышение концентрации ЛЖК в РЖ, особенно к 3 часам после кормления животных, то есть в пик рубцового пищеварения и поддерживается на высоком уровне до 7 часов. В это время их уровень превышает таковой при условном состоянии натощак в 1,5 раза. Дальнейшее снижение концентрации ЛЖК в РЖ валухов к 10 часам после кормления является следствием затухания ферментативных процессов в рубце и всасыванием ЛЖК в кровь (табл. 4). При этом рубцовая стенка использует некоторую их часть для пластических и энергетических целей. Соотношение отдельных летучих жирных кислот в РЖ валухов в контрольном периоде было следующим: доля уксусной кислоты - 68,0-75,4%; пропионовой - 16,18-22,0%; масляной - 3,99-5,84%; прочих (изо-масляной, валерьяновой и др.) - 0,5-6,8%, в зависимости от времени после кормления животных. Соотношение ацетат :пропионат составляет в среднем 1:0,26 (табл.4; рис.3). Таким образом, превосходство уксусной над остальными кислотами очевидно. Однако следует отметить, что соотношение отдельных ЛЖК в РЖ валухов в наших исследованиях несколько отличается от литературных данных (уксусная кислота - 60-68%; пропионовая - 18-20%; масляная - 8-12% (Курилов Н.В., 1979)).
Похожие диссертации на Особенности углеводного обмена у валухов при разных дозах кадмия в рационе
