исление ацил-КоА идет более энергично в присутствии ионов Си и Fe. При синтезе ацетил-КоА, фосфохолина и холин-фосфатидов необходим Mg2+.

Заключительный этап аэробного распада углеводов и липидов при посредстве цикла трикарбоиовых и дикарбоиовых кислот (дыхание) осуществляется при активном участии Мп2+, который активирует почти все ферменты цикла

438

Кребса. Аналогичное действие присуще Mg2+ и в некоторых случаях Со2+ nZn2+.

Обмен минеральных веществ. Минеральные вещества, поступающие в растительный или животный организм и необходимые для осуществления в нем тех или иных функций, задерживаются в организме, образуя в подавляющем большинстве случаев специфические соединения. Концентрирование элементов в живой природе видоспецифично и наследственно. Так, свыше ISO растительных видов (пасленовые, лютиковые и др.) накапливают Li, плауны—А1, морские водоросли—I (в виде производных тирозина) и поливалентные металлы (в количестве 108 т ежегодно), обыкновенный мухомор—Se (в виде Se-цистеина, где Se заменяет S) и т. п.

Из макроэлементов Са- и Р у высших животных образуется фосфат кальция—основа костной ткани. Сера в значительной мере вступает в состав органических соединений (HS-группы аминокислот, пептидов и белков, H03S-группы в гетерополисахаридах). Фосфор также весьма часто присутствует в виде органических производных (фосфорные эфиры, фосфопротеины и пр.). Для Mg, К и Na характерна ионная форма существования, уравновешенная в основном анионами хлора, фосфата и карбоната. Mg и Fe широко представлены в составе хлорофилла и гемоглобина.

Микроэлементы в большинстве своем вступают во взаимодействие с белками и нуклеиновыми кислотами либо Непосредственно, либо предварительно включаясь в состав простетических групп органической природы.

Хотя, по-видимому, и не всегда, но в большинстве случаев минеральные вещества, бесполезные для организма, не усваиваются. Примером может служить кремнекислота: при 5%-ном уровне ее содержания в скармливаемой животным зеленой массе растений (на сухое вещество) кремнекислота не усваивается животными, полностью выводится с экскрементами и используется как инертный носитель для расчета усвояемости корма. Вместе с тем появились данные о возможном участии кремниевой кислоты в созревании коллагена и образовании протеогликанов, а также о положительном влиянии ряда кремнийорганических соединений на продуктивность животных.

Обмен ряда минеральных элементов протекает весьма энергично. Это особенно ярко выявляется в тех случаях, когда элемент экскретируется из организма в составе какого-либо нормального продукта жизнедеятельности. Так, у млекопитающих большие количества Са и Р выводятся из организма в процессе лактации. Но и в составе клеток отдельные элементы обмениваются достаточно интенсивно, что выражается в изменении их концентрации в субклеточных структурах и компартментах клетки, а также активном переносе через мембраны. С участием разнообразных бактерий Hg, As, Те, Tl, Au, РЬ, Sn и Cd метилируются с образованием крайне токсичных продуктов (Hg, РЬ), гибельных для животных в нанограммовых количествах, хотя человек может переносить дозу метилртути в 0,03 мг ежедневно без каких-либо последствий.

Характерной особенностью обмена минеральных элементов является, с одной стороны, взаимозаменимость ряда из них и, с другой—антагонизм действия. Так, в ферментативных процессах, там, где К+, NH4 или Rb+ выступают как активаторы (например, при действии альдегиддегидрогеназы из дрожжей), Na+, Li+ или Cs+ являются ингибиторами. В таких же отношениях находятся Mg2+ и Са2+, Мп2+ и Zn2+, Ni2+ и Cu2+ и т. п. Однако для ионов Ni, с одной стороны, и Zn и Fe—с другой, характерен синергизм действия.

Изменение валентности элемента в процессе его обмена сопровождается резкой сменой его физиологической активности.'Так, Сг3+ стимулирует белковый, углеводный и липидный обмен у человека и животных, а Сг6+ блокирует окислительное фосфорилирование в их митохондриях.

439

Значение минеральных веществ в сельском хозяйстве. Широкое участие минеральных соединений в построении тканей животных и растений, в обеспечении структурных особенностей биополимеров и в разнообразных биохимических процессах в организме определяет их громадное значение для растениеводства, животноводства и медицины.

Выдающаяся роль в разработке теоретических аспектов минерального питания и практического приложения их в сельском хозяйстве принадлежит К. А. Тимирязеву и его ученику Н. Д. Прянишникову. Намеченная ими широкая творческая программа проникновения химии в сельское хозяйство, получившая название химизации, энергично проводилась в жизнь в нашей стране.

Занимая второе место в мире по производству минеральных удобрений, наша химическая промышленность освоила выпуск ряда новых их видов (нитрофоска, мочевина, обесфторенные фосфаты и др.). Принципиально важен переход на концентрированные удобрения, без балластных веществ. Ряд проблем возник в связи с необходимостью упорядочения применения удобрений в сельскохозяйственном производстве (проблема нитратов и нитритов, засоление почв, использование отстойных масс с полей орошения, цветение водоемов и др.), а также техногенном загрязнении среды минеральными элементами в концентрациях, губительных для окружающей природы. Их решение может быть достигнуто лишь при посредстве мероприятий в рамках глобальных экологических программ.

База для производства калийных и азотных удобрений безгранична. Однако залежей фосфоритов хватит всего на несколько десятилетий, но есть надежда, что удастся найти и использовать фосфаты вулканического происхождения. Что касается микроэлементов, то современная химическая промышленность полностью удовлетворяет в них запросы сельскохозяйственного производства. Важнейшее значение имеет переход на использование плохо растворимых, медленно гидролизуемых и долго сохраняющихся в почве удобрений (такими свойствами, например, обладает соль MgNH4P04). Планируется освоить выпуск комплексных удобрений (особенно на основе мочевины, обладающей способностью к комплексообразованию) и сложных смесей удобрений.

В животноводстве широко применяют подкормку сельскохозяйственных животных соединениями Na, К, Са, Р, Си, I, Со, Mn, Zn и других элементов. При этом животные лучше усваивают корм, прибавляют в массе. Продуктивность животноводства при использовании полностью сбалансированных по минеральным элементам и другим составным частям рационов возрастает в среднем на 10%. При откорме крупного рогатого скота включение в рационы макроэлементов дает 11—14%, а микроэлементов—12—15% прироста живой массы по сравнению с контрольными группами животных.

глава xii

ГОРМОНЫ И ИХ РОЛЬ В ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ

ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О ГОРМОНАХ

Более ста лет тому назад, в 1849 г., физиолог А. Бертольд впервые осуществил опыт, результаты которого показали, что последствия кастрации можно устранить путем пересадки семенников. Несколькими годами позже (1855) английский врач Т. А. Аддисон установил, что разрушение надпочечников является причиной возникновения бронзовой (аддисоновой) болезни. К концу XIX столетия было выявлено еще несколько случаев мощного воздействия на организм веществ, продуцируемых в тех или иных органах или тканях, главным образом в железах внутренней секреции. Это дало основание Э. Н. Старлингу в 1905 г. предложить термин гормоны (от греч. гормао— побуждаю, возбуждаю, поощряю) для обозначения химических соединений, вырабатываемых железами внутренней секреции и оказывающих сильнейшее влияние на процессы обмена веществ и функционирование органов и тканей. Позже выяснилось, что вещества с аналогичной функцией образуются и вне желез внутренней секреции.

1ормоны интегрируют обмен веществ, т. е. регулируют соподчиненность и взаимосвязь разнообразных химических реакций в различных органах и тканях и организме в целом. Само возникновение гормонов в процессе эволюции живой материи, несомненно, связано с дифференциацией ее, с обособлением тканей и органов, деятельность которых должна быть тонко координирована. В свою очередь, деятельность желез внутренней секреции, продуцирующих гормоны, находится под контролем центральной нервной системы. Классическим примером этого служит гипофиз—железа внутренней секреции, являющаяся непосредственно составной частью мозга.

НОМЕНКЛАТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРМОНОВ

В настоящее время известно несколько десятков гормонов. Хотя химическая природа подавляющего большинства их выяснена и, следовательно, каждому из них может быть дано точное химическое наименование, предпочитают пользоваться тривиальными названиями гормонов. Это происходит по двум причинам. Во-первых, химическая номенклатура многих гормонов необычайно громоздка и сложна, а в некоторых случаях (гормоны пептидной и белковой природы)—практически неприемлема. Во-вторых, тривиальное название, как правило, отражает либо функцию, либо происхождение гормона.

Такое же двойственное положение сложилось и в отношении классификации гормонов. С одной стороны, давно применяется классификация, основанная на происхождении гормонов. Согласно этой классификации, гормоны объединяют в группы, каждая из которых получает название по имени железы

441

Классификация сигнальных веществ (химических посредников) (по П. Карльсоиу)

Химически природа Происхождение Нервные клетки1 Нейросекреторяые клетки Клетки эндокринных желез Диффузные клетки Иные клетки1

Амины, аминокислоты Ацетилхолин Норадреналин Дофамин Етутамат 4-Аминобутират Тироксин Мелатонин (N-aaemn-5-MeT-окситриптамин) Гистамин Серотонин

Пептиды Вещество P Эндорфины Энкефалины Окситоцин Вазопрессин Соматостатин Пшоталамические рилизинг-факторы Инсулин Пиокагон Паратирин (паратгормон) Кортикотропин, Калыщтонин Гастрин Секретин Панкреозимин Желудочные ин-гибиругощие пептиды Кинины Ангиотензин

Белки Пролактин Соматотрошгн Тиротропин Гонадотрошшы

Стероиды и родственные соединения Альдостерон Кортизол Половые гормоны Экдистероиды Ювенилъные гормоны Простагландины

Вещества, перечисленные здесь, являются главным образом нейротрансмиттерамп н нейромодуляторами. Вещества, поименованные в этом столбце, часто называют медиаторами.

внутренней секреции, где данная группа гормонов синтезируется. Между тем существует множество гормонов, особенно открытых в последнее время, биосинтез которых не приурочен к железам внутренней секреции. Химическое же строение и тех и других прекрасно изучено. Поэтому наиболее целесообразна химическая классификация гормонов, выделяющая среди них, по крайней мере, три группы:

1. Стероидные гормоны. К этой группе принадлежат гормоны, являющиеся производными стеролов. Они синтезируются в надпочечниках, семенниках, яичниках и некоторых других органах и тканях (печень, плацента и т. п.).

2. Пептидные гормоны. Сюда входят все гормоны, химическая структура которых представлена полипептидами той или иной молекулярной массы. Местом их биосинтеза служат нейросекреторные клетки мозга, гипоталамус, гипофиз, щитовидная и паращитовидная железы, поджелудочная железа, печень и слизистая органов пищеварения.

3. Прочие гормоны. К ним относят все остальные гормоны, не являющиеся стероидами или полипептидами. Примерами гормонов этого типа у человека и животных могут служить тироксин, адреналин, простагландины и др., синтезирующиеся в щитовидной железе, надпочечниках, репродуктивных органах и некоторых тканях. Сюда же относятся и фитогормоны (ауксины, гетероауксин, гиббереллины, цитокинины и др.), возникающие в клетках высших и низших растений, а также ювенильные гормоны членистоногих.

Вместе с тем в последнее время предпринята многообещающая попытка классифицировать гормоны, исходя не только из их химической природы» но и учитывая их происхождение и физиологическую, в основном сигнальную функцию (табл. 27). Эта классификация более адекватно отражает предназначение гормонов в организме.

Рассмотрим строение, функции, механизм действия и пути биосинтеза отдельных групп гормонов в соответствии с их химической классификацией.

СТЕРОИДНЫЕ ГОРМОНЫ

Строение и функциональная активность стероидных гормонов. Как указано ранее, стероиды (см.гл. IX) представляют производные полициклических спиртов—стеролов, у которых укорочена (окислена) боковая цепь (20—27-й атомы). Из биологических объектов выделено несколько десятков стероидов, но только примерно двадцати из них свойственна гормональная функция. Так, в корковом слое надпочечных желез продуцируется более сорока различных стероидов, которым присвоено общее название—кортикостероиды. Восемь из них являются стероидными гормонами коры надпочечников. Наибольшее распространение и значение в организме имеют кортикостерон, 17-оксикортикостерон (гидрокортизон) и альдостерон (в сумме они составляют 4/5 всех кортикосте-роидов коры надпочечников):

Кортикостерон 17-оксикортихостерок Альдостерон

(гидрокортизон)

443

В мужских и женских половых железах, а также в надпочечных железах синтезируется 10 стероидов, обладающих свойствами половых гормонов. Важнейшее значение из них имеют тестостерон (мужской половой гормон) и эстрадиол (женский половой гормон):

Тестостерон Эстрадиол

Кортикостерон—кристаллическое соединение с гпл=182° С. Оптически активен ([a]D=+223°). В норме в надпочечниках человека в течение суток образуется 0,84—4,0 мг кортикостерона. При недостаточном поступлении кортикостерона в кровь, а следовательно, в ткани организма наступают нарушения в обмене углеводов, белков, липидов и минеральных элементов: сокращаются запасы гликогена в мышцах и печени, падает содержание глюкозы в крови, усиливается распад белков до аминокислот, растет содержание остаточного азота в крови, усиливаются липолитические процессы, нарушаются нормальная экскреция и обратное всасывание Na+ и К в канальцах почек, падает кровяное давление. Все это приводит к сердечной недостаточности, развитию отеков, мышечной слабости, развитию пигментации покровов (бронзовая болезнь) и другим патологическим явлениям. При избытке кортикостерона резко усиливаются анаболические процессы, что тоже приводит к ряду отклонений от нормы.

17-Оксикортикостерон (гидрокортизон или кортизол)—кристаллы с /„,=220° С. Раствор его отклоняет плоскость поляризации света на значение 1а]о= + 167°. В течение суток в надпочечниках синтезируется от 4,9 до 7,9 мг кортизола. В норме содержание кортизола в периферической крови человека составляет 11 мкг %. При его дефиците развиваются те же нарушения обмена веществ, что и при недостаточности кортикостерона, за исключением обмена минеральных элементов, на который кортизол оказывает незначительное влияние. Наиболее резко выражено при этом нарушение обмена углеводов, вследствие чего кортизол относят к разряду глюкокортикостероидов. Особенно характерны изменения в обмене веществ при избытке кортизола: резко усиливается превращение аминокислот в углеводы, возрастает, синтез гликогена и жиров, повышается содержание глюкозы в крови (стероидный диабет). В результате развивается ожирение туловища, появляется «буйволиный» (жировые складки) затылок