Взаимодействия между минеральными элементами

Минеральные вещества могут взаимодействовать как между собой, так и с другими питательными веществами и некормовыми факторами. Это взаимное влияние типа синергизма или антагонизма осуществляется в самом корме, пищеварительном канале, а также в процессе тканевого и клеточного метаболизмов.

С практической точки зрения знание этих закономерностей позволяет предупреждать нежелательные формы взаимодействия и явления так называемой вторичной минеральной недостаточности у животных.

Вероятность взаимодействия между минеральными веществами вследствие их лабильности и способности к образованию связей значительно больше, чем между другими питательными веществами.

На взаимодействии макро- и микроэлементов между собой и с другими компонентами в самом корме мы не будем подробно останавливаться, поскольку эти взаимодействия (например, KJ и CuSO₄; сернокислых солей микроэлементов и некоторых витаминов) относятся к вопросу совершенствования кормопроизводства. Использование стабильных форм витаминов, антиоксидантов, углекислых солей микроэлементов вместо сернокислых и другие мероприятия могут свести к минимуму отрицательный эффект такого взаимодействия.

Что касается синергизма и антагонизма минеральных элементов в организме, то эти понятия в литературе освещены недостаточно.

По-видимому, синергистами можно считать такие элементы, которые: а) взаимно способствуют абсорбции друг друга в пищеварительном канале, б) взаимодействуют в осуществлении какой-либо обменной функции на тканевом и клеточном уровне.

Синергизм минеральных элементов в области желудочно-кишечного канала предполагает возможность следующих механизмов взаимодействия:

• непосредственное взаимодействие элементов (Ca и P, Na и Cl, Zn и Mo), когда уровень абсорбции определяется их оптимальным соотношением в рационе и химусе;
• взаимодействие, опосредованное через процессы фосфорилирования в стенке кишечника и активность пищеварительных ферментов (например, влияние Р, Zn, Co на освобождение из корма и абсорбцию других элементов);
• непрямое взаимодействие путем стимуляции роста и активности микрофлоры в преджелудках и кишечнике (стимуляция кобальтом микрофлоры рубца с усилением процессов биосинтеза).

На уровне тканевого и клеточного метаболизма также возможны разные механизмы синергического взаимодействия:

• прямое взаимодействие элементов в структурных процессах (взаимодействие Ca и Р в образовании гидроксиапатита в костях, совместное участие Fe и Cu в образовании гемоглобина, взаимодействие Mn и Zn в конформации молекул РНК печени);
• одновременное участие элементов в активном центре какого-либо фермента (Fe и Мо в составе ксантин- и альдегидоксидаз, Cu и Fe в составе цитохромоксидаз);
• активирование ферментных систем и усиление синтетических процессов, требующих для своего осуществления присутствия других минеральных элементов (активация синтетаз ионами Mg²⁺ с последующим включением в синтез Р, S и других элементов);
• активирование функций эндокринных органов и опосредствованное через гормоны влияние на обмен других макро- или микроэлементов (йод — тироксин — усиление анаболических процессов — задержка калия и магния в организме).

Антагонистами можно считать элементы, которые: а) тормозят абсорбцию друг друга в пищеварительном канале; б) оказывают противоположное влияние на какую-либо биохимическую функцию в организме. В отличие от синергизма, который чаще бывает взаимным, антагонизм может быть либо обоюдным, либо односторонним. Так, фосфор и магний, цинк и медь взаимно тормозят абсорбцию друг друга в кишечнике, а кальций ингибирует абсорбцию цинка и марганца (но не наоборот).

Антагонистические взаимосвязи также предполагают несколько возможных механизмов. В частности, эффект ингибирования абсорбции одних элементов другими в пищеварительном канале может быть обусловлен следующими механизмами:

• простым химическим взаимодействием элементов (образование фосфата магния при избытке последнего в рационе; взаимодействие меди с сульфатом; образование тройной соли Ca—P—Zn при повышенных дозах кальция в рационе);
• адсорбцией на поверхности коллоидных частиц (фиксация Mn и Fe на частицах нерастворимых солей магния или алюминия);
• влиянием ионов-ингибиторов с антиметаболической функцией (B, Pb, Tl и др.) на окислительное фосфорилирование в стенке, сокоотделение и активность ферментов (что ухудшает расщепление кормовых ингредиентов, освобождение и всасывание неорганических ионов);
• конкуренцией за вещество-переносчик ионов в кишечной стенке (например, Co²⁺↔Fe²⁺).

В процессе тканевого метаболизма, где минеральные элементы находятся в основном в ионной форме, возможны следующие механизмы антагонистических взаимосвязей:

• непосредственное взаимодействие простых и сложных неорганических ионов (например, медь—молибден);
• конкуренция ионов за активные центры в ферментных системах (Mg²⁺ и Mn²⁺ в металлоферментных комплексах щелочной фосфатазы, холинэстеразы, енолазы и др.);
• конкуренция за связь с веществом-переносчиком в крови (Fe²⁺ и Zn²+ как конкуренты за связь с трансферрином плазмы);
• активирование ионами ферментных систем с противоположной функцией (активация ионами меди аскорбиноксидазы, окисляющей аскорбиновую кислоту, и активация ионами цинка и марганца лактоназ, способствующих синтезу этого витамина);
• антагонистическое влияние ионов на один и тот же фермент (активация АТФ-азы ионами Mg²⁺ и торможение ионами Ca²⁺);
• «смягчение» ионами биотических элементов токсического влияния тяжелых металлов, присутствующих в корме и средах организма (например, уменьшение уровня Pb в организме при добавках меди, цинка, марганца).

Изложенное свидетельствует о том, что антагонизм минеральных элементов — это сложный комплекс биотических взаимоотношений. Итогом его не всегда является снижение уровня того или иного элемента и его повышенная экскреция из организма. Иногда антагонизм выполняет протекторную роль в отношении биохимических функций, и лишь при резком нарушении соотношения ионов наблюдаются отклонения в уровне обменных процессов.

Возможность антагонистических взаимоотношений элементов можно в известной мере предвидеть исходя из их положения в периодической системе. В основе этих взаимодействий лежат физико-химическая аналогия элементов, их способность к комплексообразованию, большее или меньшее сродство к соответствующим активным группировкам биополимеров.

В целом можно предположить, что антагонистами являются химические аналоги и гомологи (например, Ca—Mg), а также элементы, имеющие одинаковую валентность и способность к образованию аналогичных комплексов. Анионы и катионы способствуют связыванию соответственно катионов и анионов (простых и сложных). Это объясняет, в частности, антагонизм таких элементов, как Zn и Cd, V и Cr, As и Se, Zn и Cu, Ca и Fe.

Метаболические взаимосвязи жизненно необходимых элементов: I — синергизм; II — антагонизм; → — односторонний; →—←  — взаимный.

На рисунке изображены биохимические взаимосвязи (слева — синергические, справа — антагонистические) 15 жизненно необходимых минеральных элементов. В схеме учтены взаимосвязи, осуществляемые как в пищеварительном канале, так и в процессе межуточного метаболизма.

Как это следует из рисунка, количество обнаруженных положительных связей значительно меньше, чем антагонистических. Возможно, это связано с тем, что последние более отчетливо выявляются в эксперименте, а в практике питания животных вызывают характерные симптомы недостаточности. Синергические же взаимоотношения нередко ускользают из поля зрения.

Необходимо подчеркнуть, что перечисленные взаимосвязи справедливы лишь для условий оптимального соотношения минеральных элементов в рационе, когда их колебания не превышают верхней и нижней физиологических границ.

Само понятие «физиологическая норма» предусматривает удовлетворение потребностей животных в минеральных веществах с учетом их возможного взаимодействия.

Это важно потому, что характер взаимодействия между минеральными веществами может меняться при недостатке или избытке изучаемых элементов, равно как и других элементов в рационе (в опытах in vitro дозировки также должны быть биотическими.). Так, медь может оказаться токсичной для овец даже при ее нормальном содержании в рационе (10—11 мг/кг), если в нем недостаточно молибдена. Изучение на этом фоне взаимосвязей меди с другими элементами и может привести к ошибочным выводам.

Слишком высокие дозы меди, не вызывая у свиней токсикоза, могут быть причиной паракератоза вследствие нарушенной абсорбции цинка (взаимодействие, отсутствующее в обычных условиях).

При оптимальных дозах марганца и йода эффект антагонизма между ними не проявляется. Однако при высоком уровне марганца и низком содержании йода снижается накопление последнего в щитовидной железе.

Обычные взаимодействия могут нарушаться также при недостатке или избытке в корме витаминов, жира, протеина и другие питательных веществ. Нельзя недоучитывать также и возможную специфику взаимосвязей у разных видов животных (особенно жвачных и нежвачных) и при разном физиологическом состоянии.

Схема на рисунке, разумеется, не отражает всех возможных вариантов взаимодействия, так как в ней отсутствуют условно необходимые элементы. В частности, в плане антагонизма заслуживают внимания такие вероятные взаимодействия, как Mg→F, F→J, Al→F, As→J, Al→P, Be→P, Pb→Cu, Sr→Ca, Ag→Cu, Cd→Cu, Ti→Zn, B→Zn, B→Md.