Основы клинико-биохимической аналитики

В клинической ветеринарии использование ферментативных методов диагностики необходимо осуществлять комплексно, путем одновременного определения нескольких ферментов. Диагностическая ценность исследования ферментов при этом значительно повышается. Одновременное использование нескольких ферментов позволяет более полно проводить дифференциальную диагностику (таблица 27).

Каталитическая активность фермента обусловлена его структурой, которая, как и всех белков, определяется последовательностью оснований определенного участка ДНК, которая кодирует данный белок. Поэтому ферментативная активность в клетках следующих поколений зависит от точной транскрипции и трансляции закодированной информации. Однако в результате мутации свойства фермента могут так измениться, что он уже не сможет выполнять свою функцию.

Большинство ферментов в организме синтезируется в избытке, поэтому клиническое проявление ферментопа-тий наблюдается только у гомозигот (т.е. когда и отцовская и материнская хромосомы имеют генетические дефекты).

У гетерозигот, где хотя бы одна из хромосом обеспечивает выработку определенного количества фермента, клинические проявления ферментопатии могут отсутствовать. Это объясняется тем, что большинство мутантных ферментов, вызывающие врожденные пороки метаболизма, наследуются как рецессивные признаки и, следовательно, выражены только у тех особей, которые гомозиготны по мутантному гену.

Для обнаружения ферментопатии чаще всего используют ферменты форменных элементов крови. Эритроциты бедны ферментами, их энергетические потребности, необходимые для поддержания их механической целостности, формы и функции обеспечиваются ферментными системами гликолиза и пен-тозофосфатного пути.

Диагностическое значение исследования активности эритроцитарных ферментов значительно уже, чем плазматических. В клинико-диагностических целях ферменты эритроцитов исследуют для выявления тех ферментопатии, с которыми связаны заболевания красной крови. Обычно это гемолитические анемии. Известны гемолитические анемии, вызванные дефектами многих ферментов гликолиза и пентозофосфатного пути. Наиболее хорошо изучены ферментопатии связанные с дефектами ферментов пируваткиназы, гексокиназы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, 6-фосфоглюконатдегидрогеназы.

В некоторых случаях эритроцитарные ферменты используются для диагностики ферментопатии не связанных с патологией красной крови. В этом случае ферменты эритроцитов, служат лишь удобными генетическими маркерами. Например, дефект такого фермента эритроцитов как АТФаза, позволяет диагностировать мышечную дистрофию, фермента галактозо-1-фосфатуридин-трансферазы- галактоземию.

В ряде случаев клинико-биохимических исследований проводится определение изоферментов. Изоферменты -молекулярные формы одного и того же фермента. Они катализируют одну и ту же реакцию, но различаются по физикохимическим свойствам, сродством к субстрату, антигенными и другими свойствами. Множественность форм ферментов обусловлена двумя причинами. К первой следует отнести то, что в организме имеются множественные гены (генетические причины), каждый из которых кодирует свою субъединицу фермента, ко второй - возможность посттрансляционных изменений уже синтезированных субъединиц (ферментов).

Если в клетке синтезируется две и более субъединицы и они способны соединяться друг с другом в любых комбинациях, то образуется несколько изоферментов. Изоферменты состоящие из различных субъединиц называются гибридными. Они обладают промежуточными физическими, химическими и другими свойствами. Это хорошо наблюдается при электрофоретическом разделении изоферментов лактатдегидрогеназы, которые состоят из субъединиц двух типов НиМ.

Из них образуются пять тетрамеров - Н4, Н3М, Н2М2, НМ3, М4. Наиболее высокой электрофоретической подвижностью обладает тетрамер Н4 (ЛДГ-1) наименьшей - ЛДГ-5 (М4), остальные обладают промежуточной подвижностью. Изоферментный профиль клеток зависит от соотношения синтезируемых в ней субъединиц. Преобладать будут те изоферменты, в которые входят субъединицы содержащиеся в клетке в наибольшем количестве.

Определение изоферментов в сыворотке крови имеет важное диагностическое значение, так как распределение в тканях отдельных изоферментов более специфично, чем общей ферментативной активности. Например, в клинической диагностике довольно широко используется определение активности такого фермента, как щелочная фосфатаза. В сыворотку крови щелочная фосфатаза поступает в основном из костной ткани, печени, кишок. Поэтому при патологии этих органов активность щелочной фосфатазы будет возрастать и дифференциальную диагностику на основании определения общей активности провести нельзя. Однако «костный» и «печеночный» изоферменты различаются по своей электрофоретической подвижности и температурной устойчивостью, что позволяет проводить их раздельное определение. Увеличение активности, «костного» изофермента свидетельствует о поражении костной ткани, в то время как увеличение «печеночного» - говорит о патологии печени.

Большой интерес для клиники представляет определение изоферментов креатинфосфокиназы. Было доказано, что гибридная форма этого изофермента (MB) в большом количестве содержится только в сердечной мышце. Поэтому определение изофермента креатинфосфокиназы MB довольно специфичный показатель повреждения сердечной мышцы.

Существование изоферментов играет определенную роль в особенностях протекания гликолиза в мышцах и печени. Если в мышцах гликолиз призван обеспечить энергией процесс сокращения, то в печени его функции гораздо сложнее, здесь он более тесно связан с другими метаболическими путями.

Из 10 ферментов гликолиза 9 представлены в виде различных изоферментов, причем изоферментные спектры печени и мышц значительно различаются. Фосфофруктокиназа, альдолаза, пируваткиназа существуют в виде «печеночного» типа, которого почти нет в мышцах, и «мышечного» типа, которого очень мало в печени животных. Фермент глю-кокиназа характерный для печени, отсутствует в мышцах. Все это свидетельствует о том, что какие-то этапы гликолиза в печени и мышцах протекают по разному и это можно использовать в целях диагностики.

Широко известно изменение изоферментных спектров органов и тканей в ходе онтогенетического развития, что связано с особенностями обмена веществ на отдельных этапах эмбрионального и неонатального периодов.

Изучение изоферментов при злокачественных опухолях показало, что специализированные зрелые формы ферментов заменяются на более ранние эмбриональные формы. Установлено, что при гепатоме, изоферменты альдола-зы, характерные для печени взрослого животного заменяются эмбриональными формами. Фермент гексокиназа IV, характерный для зрелых гепатоцитов, в опухолях заменяется на гексокиназу I и II, характерных для печени эмбриона.

В печени взрослых животных преобладает изофермент пируваткиназа I (печеночный тип) и в небольших количествах содержится пируваткиназа III (почечный тип). Было установлено, что в малодифференцированных быстро растущих опухолях наблюдается обратная картина: количество изофермента I снижается, вплоть до полного исчезновения, тогда как активность изофермента Ш резко повышается.

Лекция 4. Патобиохимия обмена минеральных веществ и витаминов. Нарушения водно-электролитного баланса и кислотно-основного равновесия

4.1 Особенности метаболизма и патобиохимия обмена минеральных веществ в организме

Из 92 элементов, что встречаются в природе в организме обнаружено 81. 47 из них присутствуют в организме постоянно. На долю минеральных (неорганических) веществ по массе приходится около 70 %. По количеству элемента в организме они подразделяются на:

-макроэлементы (02, С, Н, Са, Cl, Р, Mg, К, Na, N и др.) - количество элемента исчисляется процентами или десятыми долями от массы тела;

-микроэлементы (Си, В, I, F, Fe, Zn и др.) на их долю приходится 10-3 - 10-5;

-ультрамикроэлементы (Se, Co, V, Cr, As, Ni, Li и др.) на их долю приходится 10-3 - 10-5).

Для биохимиков и клиницистов наибольший интерес представляет классификация, которая основывается на биологической роли минеральных веществ в организме. Согласно которой они подразделяются на:

биогенные (биотические, эссенциальные) - всегда присутствуют в организме и выполняют определенные роли;

условно необходимые элементы - присутствуют в организме, однако потребность в них строго не доказана. Биогенный элемент должен отвечать 3 условиям:

постоянно присутствовать в организме в определенных количествах;

рацион, не содержащий элемента, должен вызывать специфические признаки недостаточности и определенные биохимические нарушения;

признаки недостаточности должны устраняться при введении элемента в рацион.

Биологические роли минеральных веществ разнообразны:

структурная;

регуляторная;

гомеостатическая (КОР, обмен воды);

Особенности обмена макро и микро элементов в организме.

Алиментарное поступление элемента (отсутствие синтеза) и избирательное распределение в организме (4874 % содержится в костях).

Две формы присутствия элементов в организме - связанная и свободная (ионная).

Наличие градиента концентрации для основных ионов между внутриклеточной и внеклеточной средой;

Соблюдение правила электронейтральности - сумма катионов и анионов должна равняться 0;

Наличие антагонистических отношений между определенными элементами (Mg и Са).

Гормональный контроль регуляции некоторых минеральных веществ (натрий, кальций, хлорид и др.).

Всасывание большинства веществ возможно лишь при наличии переносчика (фактор Кастля), в ионизированной форме (определенной валентности). Некоторые элементы всасываются по градиенту концентрации.

Избыток элемента в организме так же вызывает определенные биохимические нарушения.

2. Клинико-биохимическая диагностика нарушений обмена минеральных веществ

Подход к диагностике обеспеченности организма минеральными веществами строится в зависимости от возможных причин нарушений.

Среди данных причин выделяют:

Алиментарные, в том числе и эндемические предпосылки (в большей степени свойственно для микроэлементов);

Нарушение процессов всасывания в кишечнике (при гастрите нарушено всасывания Со);

Нарушение промежуточного обмена элемента -

прежде всего это недостаток регулирующих факторов (гормонов, витамина Д3,);

при некоторых заболеваниях и патологических состояниях внутренних органов обмен некоторых элементов нарушается значительно (резко меняются концентрации жизненноважных элементов-ионов, участвующих в обеспечении гомеостаза организма - Na, K и др).

Оценить обеспеченность организма минеральными веществами следуя принципу балансового опыта. Т.е. необходимо произвести учет суточного потребления с кормом того или иного элемента. Исключить возможное влияние вторичных факторов. Дополнительно используют определение концентраций минеральных элементов в крови и органах депо. Интенсивно изучается концентрация токсических микроэлементов в волосяном покрове для диагностики токсикозов.

Теория о геобиохимических провинциях дополнительно может указывать на возможный диагноз. Ранее были изданы справочники по кормопроизводству и геологии где территории разбивались на геобиохимические провинции. Территория РБ недостаточна по Se, Со, I, Zn и ряду других элементов, с избытком железа. В настоящее время значительное влияние на содержание неорганических элементов в верхних слоях литосферы оказывает техногенный фактор. Значительно повысилась концентрация таких токсических элементов, как Pb, Ni, Mn, Hg, Cd. Свинец, ртуть и кадмий относятся к тройке наиболее значимых загрязнителей. Определение концентраций их в кормах, почвах и воде используют в качестве мониторинговых. В зоне крупных промышленных предприятий и городов их концентрации знатиельные. В РБ определенное влияние на развитие геобиохимической провинции оказала авария на ЧАЭС.

3. Лабораторная диагностика нарушений кислотно-основного равновесия в организме Буферные системы и постоянство рН. В организме осуществляются тонкие процессы регуляции, поддерживающие постоянство внутренней среды (температура, кровяное давление, содержание различных веществ, оптимума рН различных биологических жидкостей и др.). В. Кенноном эта координация была названа гомеостазом (от греч. «гомео» -подобный; «стазиз» - постоянство, состояние).

Одним из элементов гомеостаза является поддержание определенной концентрации водородных ионов в биологических жидкостях (гомеостаз ионов водорода). Важность поддержания постоянства концентрации водородных ионов обусловлена тем, что ферменты и гормоны проявляют свое действие только при строго определенном значении рН, кроме того, ионы водорода оказывают каталитическое действие на многие биохимические превращения, а также влияют на величину осмотического давления в крови и межтканевых жидкостях.

Между кислотно-основным состоянием и водно-электролитным балансом существует тесная связь. Эта зависимость обусловлена законом электронейтральности, согласно которому суммы положительных и отрицательных зарядов должны быть равны, а также законом изоосмолярности, в соответствии с которым во всех жидкостях организма разделенных мембранами, пропускающими воду должно установиться одно и тоже осмотическое давление, и стремлением организма к постоянству рН.

Основным положительным ионом плазмы крови является Na+, затем следуют калий, кальций, магний. Из отрицательных основная часть приходится на долю хлоридов, затем гидрокарбоната и белка. Дальше идут, так называемые, остаточные анионы-сульфаты, фосфаты и анионы органических кислот.

Так как основная доля катионов плазмы приходится на долю Na+ и К+, а анионов - НС03- и СГ, то именно баланс этих ионов учитывается обычно при рассмотрении кислотно- основного равновесия.

Постоянство рН крови и межтканевых жидкостей поддерживается в первую очередь буферными системами. Если образовавшиеся Н+ не полностью нейтрализованы и удалены из организма и образование их продолжается, то по мере истощения буферной емкости происходят значительные изменения рН. Основными буферными системами организма являются гидрокарбонатная (бикарбонатная), белковая (основная доля приходится на гемоглобиновую) и фосфатная буферные системы.

Гидрокарбонатная буферная система возникает как результат диссоциации угольной кислоты, образующейся при растворении диоксида углерода (продукта окисления углеводов, белков и жиров).

CO2+H2O = H2CO3 H2CO3 = H+ + HCO3-HCO3-+ H2O = H2CO3 + OH

Ионы водорода и C02 являются токсичными для организма. Хотя значительная часть углекислого газа выводится из организма через легкие, некоторая часть С02 в соответствии с приведенными реакциями превращается в гидрокарбонаты и образует буферную систему. Таким образом происходит взаимная инактивация двух токсичных продуктов.

На долю гемоглобин-оксигемоглобиновой буферной системы приходится 75 % буферной емкости крови. Диссоциация гемоглобина являющегося слабой кислотой (KHHb= 8,3 * 10-9; pK = 8,2 ) и оксигемоглобина проходит по уравнениям:

ННЪ = Н+ + НЪ-HHb02 = Н+ + ньо2-

В дальнейшем идет гидролиз ионов НЪ- и Hb02 -НЪ-+ Н20 = ННЪ + ОН-ньо2- + н2о = нньо2 + ОН-

Так как гемоглобин присоединяет кислород и образует оксигемоглобин (ННЪ + 02= ННЪ02), то все эти уравнения связаны между собой.

Буферным действием помимо гемоглобина обладают и другие белки. Буферные свойства белков связаны в основном с нахождением в составе полипептидных цепей, моноаминодикарбоновых и диаминомонокарбоновых аминокислот. Белковая буферная система наиболее эффективна в области рН 72 ~ 7,4. При сдвиге рН в щелочную сторону диссоциация основных групп будет подавляться и белок будет вести себя как кислота (НР2) связывая избыток гидроксильных ионов. При сдвиге рН в кислую сторону будет подавлена диссоциация кислотных групп и белок будет связывать избыток водородных ионов.

Фосфатная буферная система обусловлена наличием в биологических жидкостях ионов Н2Р04- и НР042-. Она составляет всего около 1% буферной емкости крови. В тоже время в тканях организма эта система занимает значительно больший удельный вес. В качестве кислоты в этой системе выступает дигидрофосфат Н2Р04- = Н+ + НР042- роль основания играет гидрофосфат (НР042- + Н+ = Н2Р04-). При рН 7,4 соотношения компонентов фосфатной буферной системы Н2Р04-: НР042- составляет 1:4 Фосфатная буферная система тесно связана с гидрокарбонатной. В плазме крови возможно протекание следующей реакции:

Оценка кислотно-основного состояния. Кислотно-основное состояние крови необходимо оценивать до меньшей мере по трем показателям: водородному показателю (рН) крови, парциальному давлению углекислого газа в крови (рС02) и сдвигу буферных оснований (СБО).

рН - водородный показатель, характеризующий концентрацию ионов Н+ в биологической жидкости. Определяется он с высокой степенью точности с помощью различных рН-метров. В некоторых случаях, помимо истинного рН, определяют еще рН метаболический - значение рН крови или плазмы при парциальном давлении С02, равном 40 мм рт. ст. Для здорового организма рНист=рНмет. Показатель рС02 характеризует давление С02 над кровью, определяя тем самым количество растворенного углекислого газа. Так как равновесие обратимой реакции в крови С02 +Н20 = Н2С03 = Н+ + НС03- сдвинуто влево и концентрация Н2С03 в 800 раз меньше концентрации растворенного С02, то при оценке кислотно-основного состояния она может не учитываться. Этот показатель можно определить манометрическим методом Ван-Слайка или Шоландера или с помощью различных номограмм.

Показатель сдвига буферных оснований, или избыток оснований (СБО, или BE), характеризует изменение содержания оснований или кислот крови по отношению к нормальным значениям, принятым за 0. Значение, равное 0, принимается для крови с рН 7,4 при рС02 40 мм. рт. ст. Положительные значение этого показателя свидетельствуют об абсолютном или относительном избытке оснований, отрицательные - соответствующем избытке кислот. 0пределяется обычно по номограммам.

В некоторых случаях для более полного описания кислотно-основного состояния используются показатели: буферные основания (БО или ВВ), стандартный бикарбонат (СБ или SB) и истинный бикарбонат (ИБ или АВ). Показатель буферные основания характеризует в основном бикарбонатную и белковую системы крови. Он относится к крови, полностью насьпценной кислородом, цельной крови или плазме (без спецификации относится к цельной крови). Рассчитывается по номограммам.

Показатель стандартный бикарбонат характеризует концентрацию бикарбонатов в плазме крови, уравновешенной при рС02 40 мм рт. ст., температуре 38°С и полном насыщении гемоглобина кислородом. Рассчитывается по номограммам. Показатель истинный бикарбонат характеризует концентрацию бикарбоната в анаэробно взятой крови, при фактическом рН и рС02 крови.

В настоящее время параметры кислотно-основного равновесия определяются с помощью эквилибрационного метода по Аструпу или с рС02 - электродом до Северингаузу. Однако в обоих случаях пользуются номограммами Зигга-ард - Андерсена, базирующихся на эквилибрационных измерениях по методу Аструпа.

Эквилибрационная техника Аструпа основана на уже упомянутой зависимости между концентрацией водородных ионов в крови и концентрацией С02 Поэтому парциальное давление углекислого газа может быть найдено по величине рН, измеренного в анаэробных условиях. Для этого вначале определяют рН нативной крови, затем через этот же образец пропускают 2 разные газовые смеси известного состава (чаще кислород с содержанием С02 2,8 и 8,4%) с давлением 20 и 60 мм рт. ст. С02. После обработки крови каждой газовой смесью определяется соответствующее значение рН. Определенные значения рС02 получают из номограммы (рис. 18).

При пользовании номограммой прежде всего находят точки А и В, лежащие на пересечении перпендикуляров, восстановленные с оси абсцисс (значение рС02 соответствующее газовой смеси), до пересечения с линией соответствующего значения рН (показания рН-метра). Эти 2 точки соединяют прямой, после чего находят точку N, лежащую на пересечении указанной прямой с линией рН нативной крови. Перпендикуляр восстановленный из этой точки на ось абсцисс дает значение рС02 в мм рт. столба.

Основные параметры, характеризующие кислотно-основное состояние, приведены в таблице. Регуляция рН биологических жидкостей. Постоянство рН жидкостей организма обеспечивается как буферными системами так дыхательным аппаратом легких и фильтрующим аппаратом почки.

Основной буферной системой внеклеточной жидкости является гидрокарбонатная. Это обусловлено как физиологическими особенностями (поступление С02 не ограничено, содержание С02 и НС03- легко регулируется физиологическими механизмами), так и тем, что буферная гидрокарбонатная система функционирует совместно с буферной системой гемоглобина.

Довольно широко распространены сдвиги кислотно-основного равновесия, связанные с изменением в плазме концентрации НС03-. При поступлении в плазму кислот более сильных чем угольная (например ацетоуксусной и Р-оксимасляной) содержание НС03- в плазме снижается, но гидрокарбонат -ионы начинают поступать в плазму из эритроцитов в обмен на ионы СГ. Однако компенсация наступает только при незначительном уменьшении НС03-, в противном случае в действие должны вступать механизмы легочной и почечной компенсации.

В нормально функционирующем организме вдыхаемый кислород переносится гемоглобином к тканям, где используется для окисления органических соединений с образованием С02. Диоксид углерода диффундирует во внеклеточную жидкость, возвращается с кровью в легкие и удаляется с выдыхаемым воздухом.

Парциальное давление углекислого газа альвеолярного воздуха определяет концентрацию углекислоты (Н2С03) в плазме крови. Это давление обусловлено скоростью с которой С02 разбавляется в альвеолах вдыхаемым воздухом, т.е. связано с глубиной и частотой дыхания, которые регулируются дыхательным центром. Он чувствителен к рН и рС02 внеклеточных жидкостей и соответствующим образом реагирует на их изменения. При уменьшении рН крови вследствие снижения концентрации НС03- в крови и других внеклеточных жидкостях дыхание стимулируется. Это приводит к снижению рС02 в альвеолярном воздухе и соответственно плазме крови. Соотношение НС03-: Н2С03 приходит к нормальной величине 20:1 и рН возвращается к норме (в буферных системах рН зависит не от абсолютной концентрации компонентов, а от их соотношения). Уменьшение рС02 в плазме соответствующим образом влияет на дыхательный центр.

При высоком рН плазмы частота дыхания снижается и содержание С02 в альвеолах возрастает. В плазме возрастает содержание Н2С03 и рН сдвигается к нормальному значению. Полной компенсации при этом не бывает, так как повышенное содержание Н2С03 и высокий рН действуют на дыхательный центр в противоположных направлениях. Буферные системы плазмы крови даже при добавлении 16 мэкв кислоты или 23 мэкв щелочи на I л способны удерживать рН еще в пределах, когда жизнь возможна (6,8- 7,8). С участием механизма дыхательной компенсации допустимые параметры рН могут удерживаться при добавлении 23 мэкв кислоты или 80 мэкв щелочи на 1 литр плазмы. При заболеваниях легких или нарушении регуляции дыхания прежде всего изменяется парциальное давление С02

4

Почки участвуют в регуляции кислотно-основного состояния не путем изменения концентрации Н2С02, а меняя концентрацию НС03-. В почках происходит реабсорбция гидрокарбонатов и их образование. Так как клетки почечных канальцев фактически непроницаемы для НС03-, непосредственная их реабсорбция практически не происходит. Механизм этого процесса заключается в том, что в просветах канальцев эквивалентное количество С02 превращается в гидрокарбонат. Функционирование этого механизма сопровождается выходом Н+ из клеток в обмен на Na+ поступающий в клетки. Этот механизм сохраняет гидрокарбонатную буферную систему в организме, в противном случае она легко могла быть разрушена за счет выведения гидрокарбонатов почками. Так как секретируемые ионы Н+ происходят из воды и в просвете канальцев включаются в воду то этот процесс не снижает ацидоз. В противоположность этому образование гидрокарбонатов в клетках почечных канальцев, хотя и аналогичен в основном процессу реабсорбции, но при этом из организма выводятся ионы Н+, что позволяет ликвидировавать ацидоз. Снижению рН внеклеточных жидкостей почки противодействуют выделением Н+ или в виде NH4+ или в виде недиссоциированых кислот. Увеличение рН приводит к усиленному выделению Na+, К+, НС03-. Легочная компенсация является быстрой, однако она неполная, в то время как почечная компенсация может привести к восстановлению нормального рН, однако требует длительного времени.

Во внеклеточных жидкостях организма находится преимущественно ион НР04 -, ав моче ион Н2Р04- (Н+ + НРО

Н2Р04-). Таким путем организм может связывать значительное количество кислоты поступающей во внеклеточную жидкость не расходуя запас натрия или гидрокарбонат-иона. Такая ответная реакция почки следует на понижение рН во внеклеточных жидкостях организма. Вторым почечным механизмом блокирующим состояние ацидоза является синтез и выделение иона NH4+ (NH3 + Н+ = NH4+). Основным источником аммиака для этого процесса служит глутамин. В норме NH4+ образуется в небольших количествах и аммониогенез является резервным механизмом компенсации ацидоза. Он вступит в действиемедленно и достигает максимума через 5-7 дней. Однако способность продуцировать NH4+ снижается при почечных заболеваниях. Такие животные предрасположены к метаболическому ацидозу. Нейтрализация кислоты за счет образования и выведения иона Н2Р04- включается значительно быстрее, чем с помощью иона NH4. Однако при продолжительном ацидозе второй механизм является более важным.

При длительно продолжающимся ацидозе может включаться еще один механизм компенсации. При понижении рН в жидкостях организма начинается растворение Са3(Р04)2 костей, который поступает в плазму, где реагирует с Н2С03:

3 Са2+ + 2 Р04-3 + 2 Н2С03 = 3 Са2+ + 2 НР042- + 2НС03-

Образовавшиеся ионы НС03- могут нейтрализовать две молекулы любой кислоты с рК меньше, чем у Н2С03: 2 НС03-+ 2 НА = 2 Н2С03 + 2 А-

Этот механизм сохраняет щелочные резервы, но он может привести к деминерализации костей.

Почечная компенсация при алкалозе сопровождается удалением избыточного количества ионов Na+. Однако удаление натрия сопровождается удалением соответствующего количества воды, так как натрий является одним из основных катионов ответственных за осмотическое давление.

В регуляции рН внеклеточных жидкостей участвуют также клетки организма. Клетки имеют ионнобменный механизм, который позволяет менять ионы К+ и Н+ на ион Na+ находящимся во внеклеточной жидкости. Вследствие этого клеточный сок может участвовать в поддержании рН внеклеточных жидкостей. Например, при алкалозе связанном с избыточным накоплением НС03- ионы Na+ поступают в клетки, в обмен на ионы Н+иК+. В результате идет реакция Н+ + НС03- = Н2С03 и избыточный С02 удаляется легкими. Кроме того, калий удаляется с мочей с эквивалентным количеством нсо3-.

При ацидозе происходит обратный процесс. Ионы натрия выходят из клетки, а ионы водорода и калия входят в нее. В плазме остаются ионы НС03-, так как источником ионов Н+ является диссоциация угольной кислоты. Дефицит ионов калия способствует более интенсивному выделению кислых продуктов почками.

Нарушения кислотно-основного состояния. Нарушения кислотно-основного состояния проявляются в виде ацидоза (увеличения в крови кислот) и алкалоза (увеличение в крови оснований). Ацидозы и алкалозы протекающие без изменений рН крови называются компенсированными. Декомпенсированные ацидоз и алкалоз, сопровождаются изменением рН

В зависимости от механизма нарушений кислотно-основного состояния различают метаболический ацидоз или алкалоз и респираторный (газовый).

При респираторных нарушениях первичными являются изменения концентрации С02. При метаболических прежде всего изменяется содержание НС03-, а изменения С02 являются вторичными.

Метаболический ацидоз может возникнуть при избыточном накоплении органических кислот, вследствие нарушения обмена веществ. Он может наблюдаться при голодании, лихорадке, хроническом нефрите, остеодистрофии, мик-роэлементозах, нарушении функций печени, отравлении, введении растворов кислых солей.

При метаболическом ацидозе наиболее информативными являются такие показатели как рН крови, сдвиг буферных оснований, буферные основания, стандартный бикарбонат.

Компенсированный ацидоз наблюдается у коров при избыточном содержании в рационах кислых, недоброкачественных кормов (жом, барда, силос) и концентратов, при недостаточном поступлении в организм таких элементов как натрий, кальций, магний, в стойловый период, если животные не пользуются активными прогулкам.

При возникновении метаболического ацидоза всегда наблюдается дефицит анионов НС03-. На первых стадиях развития накопление ионов Н+ компенсируется уменьшением щелочного резерва крови, легочная вентиляция усиливается, кислотность мочи возрастает.

Респираторный ацидоз может иметь место при поражении дыхателыного центра, заболеваниях легких (эмфиземе, бронэктазах, асфиксии механического происхождения и др) при расстройствах сердечной деятельности, нахождении животных в среде с высокой концентрацией С02. В этих случаях наблюдается гиповентиляция легких, увеличение С02 в артериальной крови, содержание НС03- возрастает, увеличивается выведение о мочой свободных и связанных в форме аммонийных солей кислот.

При дыхательном ацидозе, как правило, происходит задержка Na+. Это происходят из-за того, что почки усиленно выводят ионы Н+ в виде NH4+. Для выведения катиона аммония требуется адекватное количество анионов, в силу чего их не хватает для выведения ионов Na+. Увеличение концентрации Na+ в организме в силу закона изоосмолярности приводит к задержке воды, развитию отеков, в том числе и в легочной ткани, что в свою очередь усиливает дыхательный ацидоз. Обычно этот порочный круг разрывают с помощью диуретиков.

В случае дыхательной недостаточности респираторный ацидоз осложняется обычно и метаболическим, так как если затруднено выведение С02, то нарушено и поступление 02, что приводит к развитию тканевой гипоксии.

По характеру возникновения ацидозы делят ещё на первичные и вторичные.

Первичный ацидоз развивается в силу 4 основных причин. Это недостаточное удаление С02 дефицит кислорода, препятствующий нейтрализации ионов водорода путем образования воды, образование кислот в результате нарушения обмена веществ (особенно ацетоуксусной и бета-оксимасляной), недостаточное выделения кислых продуктов с почками.

В норме регуляция рН осуществляется за счет легочной вентиляции, соответствующей образованию С02, окисления ионов водорода до воды и выделения ионов водорода с мочой в виде фосфатов.

Недостаточное выделение С02, образовавшегося в результате распада углеводов, жиров, белков приводит к увеличению концентрации водородных ионов. В нормально функционирующем организме образование С02 соответствует выделению и рН остается постоянным. Если удаление С02 затруднено (например, при патологии легких) С02 задерживается в организме и концентрация водородных ионов возрастает.

Если выделение идет более интенсивно чем образование (например, при усиленном дыхании, вызванном сильной болью) количество С02 в плазме снижается и рН повышается.

Все изменения рС02 называют, обычно, дыхательными. Хотя в некоторых случаях они могут быть связаны инее изменением дыхания (например, с интенсивной мышечной нагрузкой, недостаточностью кровообращения).

При недостаточности поступления кислорода к тканям и наступлении клеточной гипоксии происходит накопление молочной кислоты. Ионы водорода нейтрализуются в основном бикарбонатной буферной системой (ионами гидрокарбоната), избыток С02 выделяется с выдыхаемым воздухом, а ионы лактата занимают место вытесненных ионов гидрокарбоната.

Недостаточное выведение нелетучих кислот почками также может привести к ацидозу. Так как почки выводят сравнительно небольшое количество кислых продуктов, то их гипофункция сказывается на кислотно-основном состоянии постепенно, в то время как общая гипоксия (например, при дыхательном параличе, остановке сердца или пережатии пуповины у плода) может вызвать резкий ацидоз в течении нескольких минут.

Помимо первичных ацидозов, связанных с избыточным образованием ионов Н+ или нарушением их выведения существуют, вторичные расстройства кислотно-основного состояния, связанные с нарушением обмена электролитов. Они в основном обусловлены нарушением баланса хлоридов (СГ) и натрия Na+. Если натрия теряется больше, чем хлоридов, развивается метаболический ацидоз.

Алкалозы развиваются у животных значительно реже, чем ацидозы.

Метаболический алкалоз развивается при ожогах, избыточной потере калия и хлора через желудочно-кишечный тракт, внутрисосудистом гемолизе, больших тканевых повреждениях, избыточном поступлении щелочных солей. При этом щелочной резерв крови увеличивается, легочная вентиляция замедлена, кислотность мочи снижена.

При метаболическом алкалозе наиболее значительным являются сдвиг буферных оснований и стандартного бикарбоната. Метаболические алкалозы у коров развиваются обычно тогда, когда вследствие нарушения кормления рН содержимого рубца повышается до 7,5 -8,0

У коров с алкалозом обусловленным кормлением или введением в рубец карбамида отмечалось высокое рН крови (около 7,53 ), сдвиг буферных оснований составлял 6,5 ммоль/л , стандартный бикарбонат -30 ммоль/л.У таких коров отмечались низкие коэффициенты использования кислорода тканями, снижение уровня кальция, фосфора.

Респираторный алкалоз наблюдается при резком увеличении дыхательной функции легких, при поражении центральной нервной системы, интоксикации, гипоксемиях различного происхождения. Содержание С02 в альвеолярном воздухе снижено, легочная вентиляция усилена, моча имеет пониженную кислотность.

Алкалозы, также как и ацидозы, могут быть вторичными, связанными с нарушением обмена электролитов. Если происходит потеря хлоридов плазмы без соответствующего уменьшения ионов натрия развивается метаболический алкалоз.

Компенсированные ацидозы и алкалозы не сопровождаются изменением рН крови, в то время как определение других показаталей кислотно-основного состояния представляет ряд методических трудностей. Поэтому поиск простых и доступных показателей характеризующих кислотно-основное состояние представляет большой практический интерес.

Компенсированный метаболический ацидоз приводит, как правило, к ацидозу рубца и гиперацидурии высокой степени. Поэтому был предложен метод определения, так называемого, «чистого кислотно-основного выделения» почек. Этот показатель, определяемый путем титрования в определенных условиях мочи 0,1 н раствором NaOH, позволяет определять скрытые компенсированные изменения кислотно-основного состояния (таблица 34). Кислотно-основное соотношение в моче является более чувствительным показателем, улавливающим сдвиги кислотно-основного равновесия, чем рН крови и некоторые другие показатели.

4. Водно-электролитный баланс и его нарушения

2/3 от массы тела приходится на воду. Вода формирует в организме внутреннюю среду. Через воду происходит взаимодействие между отдельными сегментами организма. Вода обуславливает возможность протекания химических реакций.

Жидкости организма представляют собой сложную систему, в которой в ионном состоянии находятся минеральные вещества, растворены органические вещества и в коллоидном состоянии белки.

Основными параметрами, которые жестко регулируются, являются осмотическое давление крови, КОР и онкоти-ческое давление. Осмотическое давление формируется в результате суммирования всех ионов и анионов в соответствие с правилом электронейтральности. Наибольшее значение имеют легкие ионы (металлы - К, Na, Са, хлорид, карбонат, глюкоза). За счет разности осмотического давления происходит движение жидкости в организме.

Количество воды в организме не равномерно. Существует такое понятие как компартментализация (сегментирование) воды. Выделяют два основных сегмента - клеточный (2/3) и внеклеточный (1/3). Который в свою очередь делится на внутрисосудистый и экстравазальный (межклеточная жидкость, жидкость мочевого пузыря, секреты).

В регуляции количества жидкости по сегментам регулируется за счет градиента концентрации. Для внутриклеточной жидкости характерны ионы К, Mg, Ca, протеины и аминокислоты. Для внеклеточной жидкости - катионы К, Са, анионы представлены Cl, гидрокарбонатом.

Регуляция объема воды и электролитного состава осуществляется несколькими механизмами:

Через осмотическое давление. В норме во всех сегментах оно стремится к одному значению. Во внеклеточной среде эта регуляция осуществляется через почки, под влиянием гормона вазопрессина, кортикостериидов и натрийуре-тического гормона. Почки могут выделять мочу с концентраций натрия хлорида от следовой до 340 ммоль/л.

Через онкотическое давление. Количество белка и большей степени альбумина регулируют количество воды. Цирроз.

Нарушения вводно-электролитного обмена. Дисгидрия.

Дегидратация. (таблица).

Расстройства водно-электролитного обмена в организме наступает при:

нарушении кормления, водопоя и содержания животных (особенно недокорм и недопои) (первичные);

болезнях, сопровождающихся полиурией (нефроз, нефрит, сахарный диабет), диареей и рвотой (диспепсия, гаст-роэнтероколит), накоплением жидкости в полостях и тканях организма (миокардиофиброз, цирроз печени), а также при травмах головного мозга, перегревании животных, в послеоперационный период.

Дегидратация гипотоническая характеризуется потерей ионов, не сопровождающейся адекватной потерей воды. Это происходит при снижении реабсорбции натрия в полиурическую фазу почечной недостаточности, рвоте, диарее, введении диуретиков, при гипоальдостеронизме. Происходит уменьшение объема внеклеточной жидкости, сгущение крови и повышение ее вязкости.

Дегидратация изотоническая может наблюдаться при увеличенном выведении изотонической жидкости из организма, чаще всего -- с секретом желез желудочно-кишечного тракта (при рвотах и диареях), а также при формировании больших транссудатов (асцит, плевральный выпот), крово- и плазмопотерях при ожогах, перитонитах. При этом внутриклеточный объем (все потери -- за счет внеклеточного). Клинические сдвиги при дегидратации происходят вследствие сердечнососудистых нарушений, связанных с уменьшением объема плазмы. Почки реагируют на дегидратацию уменьшением диуреза (олигурия, анурия), увеличением остаточного азота в крови. Могут развиться коматозное состояние и коллапс.

Дегидратация гепертоническая связана с потерей воды без соответствующей потери натрия. Это наблюдается при отсутствии доступа к воде, после аномально большого выделения воды без последующей компенсации; у больных с несахарным и сахарным диабетом; при центральных расстройствах осморегуляции (опухоли мозга, черепно-мозговая травма). К этому же может привести солевая интоксикация (избыток хлорида натрия алиментарного и ятрогенного происхождения). Потеря жидкости осуществляются преимущественно за счет внутриклеточного сегмента, и осмотическое давление возрастает в обоих сегментах в равной степени. Основным проявлением синдрома могут быть изменения, связанные с дегидратацией нервной ткани. Серьезные нарушения возникают при незначительном уменьшении объема циркулирующей крови.

Гипергидратация гипотоническая, или водная интоксикация, обуславливается избыточным поступлением бессолевых жидкостей, нарушением выведения жидкости из-за почечной недостаточности или неадекватной секреции антидиуретического гормона (синдром Шварца-Бартера). В частности, это можно наблюдать у больных, которым вводят большой объем раствора глюкозы при нарушенной выделительной функции почек. Вода накапливается равномерно во всех водных сегментах, следствие чего -- гипонатриемия и гипоосмолярность.

Гипергидратация изотоническая представляет собой увеличение внеклеточного объема жидкости без нарушения осмотического давления. Такое состояние может быть результатом сердечной недостаточности (увеличивается объем крови без нарушения осмолярности), гипопротеинемии при нефротическом синдроме, когда объем крови остается постоянным за счет перемещения жидкой части в интерстициальный сегмент (появляются пальпируемые отеки конечностей, может развиться отек легких).

Гипергидратация гипертоническая проявляется увеличением объема жидкости во внеклеточном пространстве с одновременным ростом осмотического давления за счет гипернатриемии и обезвоживанием клеток. Механизм развития нарушения таков: задержка натрия не сопровождается задержкой воды в адекватном объеме, внеклеточная жидкость оказывается гипертонической, и вода из клеток движется во внеклеточные пространства до момента осмотического равновесия. Причины нарушения многообразны: при гипоальдостеронизме. Если состояние сохраняется долго, может наступить гибель в связи с повреждением клеток центральной нервной системы.

Описанные нарушения в чистом виде не встречаются или крайне редки. Обычно возникает комбинация условий, которая ведет к одновременному появлению сдвигов, свойственных не одной, а двум или более формам нарушений водно-электролитного обмена. Например, хроническое заболевание печени, сопровождающееся гипопротеинемией, может вести к изотонической гипергидратации, связанной со снижением онкотического давления и компенсаторным выходом жидкой части крови в кнтерстициальное пространство. Однако дефицит транскортина и альбумина, характерный для нарушения белок-синтезирующей функции печени, сопровождается относительным гипе-ральдостеронизмом и, значит, чрезмерной задержкой натрия. Последнее может вести к развитию признаков гипертонической гипергидратации.

Диагностика нарушений водно-электролитного обмена должна основываться на комплексном исследовании больных животных с учетом результатов анамнеза, анализа кормления и водопоя, определения содержания воды в организме, данных лабораторных тестов.

Лабораторно: Общее количество воды в организме определяют с помощью метода разведения с использованием индикаторов (антипирин, тяжелая вода). Объем циркулирующей плазмы устанавливают путем введения красителей (Т-1824, конгорот), которые не проникаютчерез стенки сосудов.

Определяют гематокритную величину.

Содержание натрия и калия в биологических жидкостях, тканях, кормах и воде определяют методами пламенной фотометрии. Так у здоровых коров в плазме крови содержится 3,2-3,4 г/л (139,2-147,9 ммоль/л) натрия и 0,16-0,20 г/л (4,1-5,1 ммоль/л) калия. Гипо- и гиперкалиемия - соответственно недостаток или избыток калия. Калий - основной внутриклеточный катион, 98,5% его находится внутри клеток и только 1,5% вне их. Он участвует в поддержании осмотического давления, кислотно-щелочного равновесия, в нервно-мышечной возбудимости, метаболизме клетки. Причиной гипокалиемии может быть недостаток калия в кормах, при его потерях с пищеварительными соками и мочой, в результате гиперсекреции альдестерона.

5. Особенности метаболизма и патобиохимия обмена витаминов организме

Введение, характеристика группы.

Особенности метаболизма.

Патобиохимия.

Диагностика: прямая и косвенная.

Лекция № 6

Биохимия и патобиохимия желудочно-кишечного пищеварения у жвачных и моногастричных животных. Клинико-диагностическое значение оценки функционального состояния желудка и кишечника по результатам биохимического исследования

План:

Основные положения биохимия и патобиохимии желудочно-кишечного пищеварения у моногастричных и жвачных животных:

Желудочная диспепсия;

Кишечная диспепсия.

Лабораторная оценка функционального состояния желудка и кишечника:

исследование фекалий;

исследование желудочного содержимого;

исследование рубцового содержимого;

исследование крови при заболеваниях ЖКТ.

1. Основные положения биохимия и патобиохимии желудочно-кишечного пищеваренияу моногастричных и жвачных животных

Механические процессы приводят к изменению структуры и физических свойств корма -- плотности, консистенции, размеров частиц и т. п. Это является следствием пережевывания, сокращения мышц желудочно-кишечного тракта, воздействия жидкой части пищеварительных соков. Физико-химические процессы (например, действие соляной кислоты в желудке или поверхностно-активных веществ желчи в кишечнике) способствуют набуханию частиц корма, увеличению их поверхностного натяжения, активации ферментов, повышению растворимости солей. Ферментативная обработка корма.

Ферментация корма лежит в основе пищеварения. Любое нарушения одной из функций пищеварительного тракта сказывается на процессах протекания ферментации. Для переваривания необходимы высокая активность ферментов, оптимальный уровень рН среды, температура и определенное время контакта ферментов с пищей. Часть этих условий обеспечивается предварительной обработкой корма.

Ферментатация корма в пищеварительном тракте происходит за счет:

а) ферментов пищеварительных секретов, выделяемых внутристенными ли застенными пищеварительными железами;

б) ферментов, образуемых микроорганизмами пищеварительного тракта; в) ферментов, содержащихся в растительных кормах.

Желудочное пищеварение.

Процессы ферментативного переваривания

Пищеварение в желудке идет за счет желудочного сока. В состав желудочного сока входят слизь, вырабатываемая слизистыми железами желудка, соляная кислота, синтезируемая обкладочными клетками, и ферменты главных клеток-- пепсин, химозин, липаза. Пепсин поступает в желудок в неактивной форме пепсиногена и под действием соляной кислоты становится активным. Пепсин расщепляет белок на простые белки -- альбумозы и пептоны. Химозин (реннин) створаживает молоко, превращает его казеиноген в нерастворимый казеин и пептиды. Желудочная липаза расщепляет только эмульгированные, (которые имеются в молоке) жиры на глицерин и жирные кислоты. Этот фермент в значительном количестве содержится в желудочном соке новорожденных животных.

Соляная кислота, кроме активизации пепсиногена, способствует набуханию белков, размягчению и перевариванию костей, створаживанию молока, участвует в регуляции проходимости пилорического сфинктера и функции слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки, губительно действует на микроорганизмы, неустойчивые к кислотам. Рн = 2,5.

Особенностирубцового пищеварения.

В прежелудках жвачных идет микробная ферментация корма. В этих органах в основном расщепляется растительный корм под действием фермента целлюлазы, который вырабатывается микроорганизмами; простейшими, грибками и бактериями. В 1 г содержимого рубца насчитывается до 1010 микроорганизмов. Многие из них интенсивно развиваются и в течение суток дают более пяти популяций.

Микробиологический процесс в рубце проходит нормально в тех случаях, когда соотношение безазотистых веществ корма и азотистыхэкстрактивных веществ составляет 1:8--1:10, то есть не 1 корм. ед. приходится 100--120 г переваримого протеина. При этом должно быть также оптимальное соотношение протеина и Сахаров 1:0,8--1,5, то есть на 100 г протеина приходится 80--150 г растворимых углеводов.

Для нормального процесса пищеварения животным необходимо давать жиры, витамины и различные соли. Кроме того, в рубце должна быть температура 38--40° и рН среды, близкий к нейтральной.

В преджелудке используется около 70% переваримого сухого вещества корма. Целлюлолитические процессы, так же, как и расщепление моно-, ди-, три- и полисахаридов, заканчиваются образованием в сутки около 4 кг летучих жирных кислот (ЛЖК). Промежуточный продукт расщепления углеводов в рубце -- пировиноградиая кислота, из которой образуется молочная кислота, ЛЖК и др.

Из общего количества синтезируемых в рубце ЛЖК 75% приходится на уксусную, 15--на про-пионовую и 10% на масляную кислоту. Это соотношение зависит от состава принимаемого корма. Кислоты образуются из клетчатки корма под действием ферментов. Например, целлюлоза расщепляется ферментом целлюлазой до целлобиозы и глюкозы, которые сбраживаются до ЛЖК. Лигнин практически не расщепляется под действием цел-люлолитических ферментов и не образует кислот.

В процессе брожения в рубце постоянно образуются С02, СН4, NH3, H2S, Н2, и др. За сутки синтезируется до 1000 л газов; на долю углекислого газа приходится 65%, метана--30%. Газы выводятся при отрыгивании или всасываются и с кровью поступают в легкие, откуда выделяются при выдохе.

Белки (азотсодержащие вещества) корма в рубце расщепляются главным образом микроорганизмами до пептонов и аминокислот. Часть аминокислот используется для синтеза бактериального белка или аминокислот, часть его с кровью поступает в печень, где служит источником для образования мочевины, которая выводится из организма с мочой, частично выделяется со слюной и возвращается в рубец. Повторное использование азота мочевины--важнейший приспособительный механизм жвачных при неравномерном поступлении с кормом азотсодержащих веществ. При дефиците азотистых веществ в корме сокращается выведение мочевины с мочой.

В стенке преджелудков всасываются ЛЖК и образуются кетоновые тела, из маслянной и молочных кислот синтезируется глюкоза.

Пищеварение в кишечнике.

В тонком отделе кишечника 3 среда щелочная -- рН 8,5. В начале двенадцатиперстной кишки рН 3,5--4. Сок состоит из секрета бруннеровых и либеркюновых желез, поджелудочной железы и желчи. Бруннеровы железы (расположены в начальной части двенадцатиперстной кишки) вырабатывают пепсиноподобный фермент и слабоактивные ферменты--липазу и амилазу, которые расщепляют жиры и углеводы, Либеркюнбвы железы (находятся в толще всего тонкого отдела кишок) вырабатывают ферменты энтерокиназу, пептидазы, липазу, амилазу и др.

Поджелудочная железа вырабатывает ферменты, переваривающие белки, жиры и углеводы. Ферменты, переваривающие белки, выводятся в кишечник в форме трипсиногена и химотрипсиногена. Под действием кишечной энтероки-назы трипсиноген превращается в активный трипсин, а химотрип-чоген -- в химотрипсин, который расщепляет белки до аминокислот и пептидов. Липаза поджелудочной железы и тонких кишок расщепляет жиры на глицерин и жирные кислоты. Амилаза переваривает крахмал в декстрин, который затем расщепляется под действием специфических ферментов до глюкозы. Так, например, мальтаза расщепляет мальтозу, лактаза -- лактоозу, фруктаза--фруктозу до глюкозы. В печени вырабатывается желчь, содержащая холиевую, дезоксихолевую, липохолевую, таурохолиевую, гликохоле-вую и другие желчные кислоты, которые эмульгируют жиры, за счет чего увеличивается их поверхность. Желчь нейтрализует соляную кислоту, приостанавливая действие пепсина и раздражая окончания мейснеровских и ауер-баховских нервных сплетений кишечника, влияет на моторную и секреторную функции кишечной стенки, повышает регенеративные процессы в грануляционной ткани, участвует в пигментном обмене, губительно действует на неустойчивые к щелочам микроорганизмы и т. п.