Функциональная биохимия отдельных нутриционных элементов
В количественном отношении содержание минеральных веществ в пищевых продуктах невелико, поэтому их относят к микронутриентам пищи. Все же значение минеральных элементов для живого организма трудно переоценить. Все биогенные элементы, поступающие с продуктами, напитками и водой, задерживаются в организме человека в виде специфических соединений и выполняют множество разнообразных функций.
Наиболее изучены структурообразующие функции минеральных веществ в формировании как отдельных биомолекул, так и целых органов и тканей. Весьма значительна роль минералов в ферментативном катализе. По современным представлениям действие четвертой части всех ферментов тем или иным образом связано с металлами. Регуляторные функции минеральных веществ прослеживаются на всех уровнях: оперонном, клеточном, метаболитном и организменном. При этом роль отдельных минеральных элементов весьма специфична.
Кальций
В организме взрослого человека содержится в среднем 1,0–1,5 кг кальция. В настоящее время выделяют две основные функции кальция в организме человека. Первая – это структурная, поскольку кальций является важнейшим компонентом костной ткани и ткани зуба. Здесь сосредоточено 99% общей массы кальция.
В остальных тканях и жидкостях организма содержится лишь 1% от общей массы кальция. Именно этот кальций выполняет вторую, но не менее значимую функцию – регуляторную. Роль ионов Ca2+ как одного из универсальных внутриклеточных посредников доказана во множестве биохимических процессов в клетке – росте, делении, возбудимости, сокращении, секреции и многих других. Кроме этого, ионы кальция служат важнейшими посредниками во внутриклеточной передаче сигналов [362, 429].
Особенность кальциевого обмена заключается в том, что при недостаточном поступлении кальция с пищей он практически в прежних количествах продолжает выделяться из организма за счет его запасов, а постоянный уровень в крови поддерживается тремя гормонами: паратгормоном, кальцитриолом и кальцитонином. Если отрицательный баланс кальция сохраняется долго, могут возникнуть явления кальциевой недостаточности. У взрослых в тканях существует некоторый физиологический избыток кальция и фосфора, который играет роль резерва при кальций-фосфорной недостаточности. У детей такого резерва нет, и содержание этих минеральных веществ в крови целиком зависит от их содержания в пище и всасывания в кишечнике. Именно этим объясняется, что развитие «кальциевой недостаточности» не достигает у взрослых таких размеров, как у детей.
Железо
В организме взрослого человека содержится 3–4 г железа. В тканях железо используется для синтеза гемовых и негемовых железосодержащих белков или депонируется в ферритине, с помощью которого резервируется примерно 27% всего железа в организме [62].
Содержание железа в клетках и его использование для синтеза железосодержащих белков регулируется на оперонном уровне при трансляции ферритина и трансферритина.
Источниками железа при биосинтезе железосодержащих белков служат железо пищи и железо, освобождающееся при постоянном распаде эритроцитов в клетках печени и селезёнки.
Основное физиологическое значение железа – участие в процессе кроветворения. Недостаток его может привести к развитию анемии – малокровия. При этом снижается содержание гемоглобина и миоглобина. При возникновении железодефицитной анемии диета, обогащенная богатыми железом продуктами, ликвидировать анемию не может и необходим прием лечебных препаратов железа.
Кроме кроветворной функции железо играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах. Гемопротеинами являются такие окислительно-восстановительные ферменты, как каталаза, пероксидаза и цитохромы. Каталаза и пероксидаза разлагают ядовитый для клеток пероксид водорода и тем самым предотвращают свободно радикальные процессы. В цитохромах, в отличие от гемоглобина и миоглобина, катион железа непосредственно участвует в транспорте электронов и обратимо превращается из трехвалентного в двухвалентный.
В негемовых железосодержащих белках железо напрямую связывается с белком. К таким белкам относят трансферрин, ферритин, окислительные ферменты рибонуклеотидредуктазу, ксантиноксидазу и др. На долю всех содержащих железо ферментов приходится всего 0,6% железа, имеющегося в организме. Таким образом, роль железа проявляется в участии в окислительно-восстановительных реакциях на метаболитном и клеточном уровнях и в реализации процессов кроветворения на уровне организма в целом.
Цинк
Доступность цинка из растительных продуктов для всасывания в кишечнике меньше, чем из продуктов животного происхождения. Это объясняется тем, что все злаки и большинство овощей содержат фитин (гексафосфорный эфир инозита), который может связывать цинк, и тем самым снижать его всасывание в кишечнике. Подобным действием обладают некоторые гемицеллюлозы и комплексы аминокислот с углеводами в растениях. Это также уменьшает биодоступность цинка из растительных продуктов.
С наличием цинка в организме связаны процессы клеточного дыхания, роста и развития, обмен белков, нуклеиновых кислот, липидов и углеводов, плодовитость, иммунитет, гемопоэз, энергетический обмен. Цинк является составной частью большой группы ферментов – металлоэнзимов: дегидрогеназ, пептидаз, фосфатаз и пр. Например, ионы цинка необходимы для стабилизации четвертичной структуры алкогольдегидрогеназы, катализирующей реакцию окисления этанола. Этот фермент состоит из 4 субъединиц и 4 атомов Zn2+ [62]. Удаление Zn2+ приводит к потере активности фермента за счет диссоциации на 4 неактивные субъединицы.
Цинк принимает участие в электрофильном катализе. Примером может служить карбоангидраза, содержащаяся в эритроцитах, которая катализирует обратимое превращение угольной кислоты:
СО2 + Н2О H2CO3.
Другой вид участия цинка в ферментативном катализе – активирование и ингибирование многих ферментов. В частности, цинк усиливает каталитическое действие аргиназы, енолазы, лецитиназы, аминопептидаз и др.
Участие цинка в регуляции обмена веществ на уровне организма проявляется в активировании ряда гормонов, таких как адреналин, тестостерон, фолликулин, пролан, антидиуретический и гонадотропный гормоны. Цинк необходим, например, для стабилизации гормона инсулина. В высокоочищенном кристаллическом инсулине содержится 0,36% цинка.
Приведенные примеры свидетельствуют, что биологическая роль цинка проявляется в различных функциях: структурной, регуляторной, каталитической.
Иод
Всего в организме взрослого человека содержится около 25 мг иода. Наибольшей концентрацией обладает щитовидная железа. Здесь сосредоточено примерно 10 мг иода [362]. В крови поддерживается стабильная концентрация иода 10–5–10–6%.
Обмен иода в организме регулируется тиреотропным гормоном гипофиза и характеризуется высокой интенсивностью. При поступлении с пищей значительного количества неорганических солей иода концентрация его в крови может повысится в 1000 раз, но уже через 24 часа придет в норму.
Почти весь иод, содержащийся в щитовидной железе, накапливается в составе тиреоглобулина. Только 30% тиреоглобулина составляют гормоны иодтиронины – тироксин (Т4) и трииодтиронин (Т3). Незначительная часть иода щитовидной железы – около 1% – находится в виде неорганического иода (I–). Это своеобразный пул иода.
Слюна, желудочный сок и молоко могут содержать значительные количества свободного иодида. Однако желудок, слюнные или молочные железы, в отличие от щитовидной, не могут ни накапливать существенных количеств органически связанного иода, ни образовывать иодтиронин, ни проявлять ответную реакцию на тиреотропный гормон.
Таким образом, иод участвует в функционировании щитовидной железы, обеспечивая образование гормонов (тироксина и трииодтиронина), необходимых для роста и дифференцировки клеток всех тканей организма человека, митохондриального дыхания, регуляции трансмембранного транспорта натрия и гормонов. Недостаточное поступление приводит к эндемическому зобу с гипотиреозом и замедлению обмена веществ, артериальной гипотензии, отставанию в росте и умственном развитии у детей.
Медь
Общее количество меди в организме человека составляет примерно 100–150 мг. Интенсивность всасывания зависит от вида продуктов. Соли меди с аминокислотами и жирными кислотами всасываются лучше, чем соли минеральных кислот. Транспортируется медь белками крови, в основном альбуминами. Депонируется в печени, оттуда поступает в другие органы и ткани.
Избыток меди выделяется с желчью через кишечник, а также почками, кожей, слизистыми оболочками дыхательного аппарата.
Преимущественное большинство общего количества меди сыворотки крови – до 98% находится в составе церулоплазмина – медьсодержащего гликопротеина [45]. Церулоплазмин, известный иначе как ферроксидаза, окисляет поступающее в кровь железо.
Затем ион Fe3+ связывается с трансферрином и в таком виде доставляется в клетки тканей. Таким образом, медь в составе церулоплазмина участвует в кроветворении и необходима для процессов образования гемоглобина. В этом смысле медь не подлежит замене другими элементами. Именно участием меди в процессах кроветворения объясняется резкое повышение ее уровня в организме при беременности.
Также роль меди доказана в ряде других окислительно-вос-становительных процессов. Например, церулоплазмин обладает слабой каталитической активностью, окисляя полиамины, полифенолы и аскорбиновую кислоту.
Катион меди есть в составе окислительно-восстановительного фермента цитохромоксидазы, которая непосредственно активирует кислород.
Медь была обнаружена в составе некоторых аминооксидаз. Снижение активности этих ферментов в тканях может приводить к дефектам эластина, соединительной ткани сосудов и синтеза скелетного коллагена.
Марганец
Содержание марганца в организме составляет около 20 мг. Функции марганца довольно разнообразны. Он усиливает процессы роста, кроветворения, биосинтез нуклеиновых кислот, белков, холестерина, антител. Необходим марганец для ферментативного катализа.
Активирующее действие Mn2+ открыл в 1897 году Т. Бертран, изучая свойства лактазы, отщепляющей нередуцирующие концевые остатки в -галактозидах. Также марганец активирует глюкокиназу, гексокиназу, фосфатазы и ряд реакций гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.
Марганец является составной частью некоторых металлоэнзимов, таких как аргиназа, глутамилтрансфераза, дипептидазы, изоцитратдегидрогеназа, декарбоксилаза и др. Входит в состав митохондриальной супероксиддисмутазы, пируваткарбоксилазы, аргиназы. Является активатором большого количества ферментов, например, аденилилциклазы, глутаминсинтетазы, катехол-О-метилтрансферазы, РНК-полимеразы и др. Эти ферменты включаются в метаболизм аминокислот, углеводов, катехоламинов. Известно, что Mn2+ активирует ревертазу (обратную транскриптазу) онковирусов, причем в большей степени, чем Mg2+ [471].
Марганец необходим для синтеза холестерина и нуклеотидов. Участвует в синтезе гликопротеинов, протеогликанов, ганглиозидов, тем самым способствует образованию костной и соединительной ткани. Важен для мозга. В 30% случаев у детей со склонностью к судорогам Mn в крови понижен. Это характерно и для взрослых, страдающих эпилепсией.
Регуляторное действие марганца проявляется на уровне гормонов передней доли гипофиза, андрогенов и инсулина. Поэтому недостаточное потребление сопровождается замедлением роста, нарушениями в репродуктивной системе, повышенной хрупкостью костной ткани, нарушениями углеводного и липидного обмена.
Дефицит в первую очередь отражается на формировании скелета. При недостатке марганца нарушаются процессы окостенения во всем скелете, трубчатые кости утолщаются и укорачиваются, суставы деформируются.
Селен
В организме содержится в среднем 3,5·10–6–3,5·10–5% селена по отношению к общей массе. Основной путь поступления селена в организм – алиментарный: 90% селена человек получает с пищей и 10% – с водой.
У соединений селена выявлена различная биодоступность. Усвоение селена зависит от той химической формы, в которой он содержится в пище. Элементарный селен практически инертен в отношении питания и токсичности и обладает меньшей биодоступностью по сравнению с селенитом натрия. Наибольшим усвоением отличается селен органических соединений, который превращается в организме в биологически активную форму. Вот почему с белками продуктов селен всасывается легче, чем с неорганическими соединениями [307].
В крови селен находится в виде свободных ионов, а также в составе соединений с белками, пептидами и аминокислотами. Биохимические функции селена определяют селенсодержащие белки. Известно более 10 селенсодержащих белков с атомом селена в активном центре.
Селеновый гликопротеин выполняет функции селенового депо и антиоксиданта. Он также участвует в дезактивации тяжелых металлов. Группа селенсодержащих оксидоредуктаз участвует в метаболизме тироксина и трийодтиронина. Во многих тканях, преимущественно, в мышцах и мозге обнаружен межклеточный белок – селенопротеин. Предполагается его участие в окислительно-востановительных реакциях, влияние на развитие онкологических заболеваний. Также известны селенсодержащие ферменты, катализирующие НАДФ-зависимое восстановление в цитозоле и АТФ-зависимую активацию селена с образованием селенофосфата.
При дефиците селена уровень селенсодержащих белков снижен, однако включение микроэлемента осуществляется в первую очередь в наиболее важные белки и ткани – репродуктивные и эндокринные органы, мозг. Селен и сера могут заменять друг друга в определенных структурах и реакциях. Но селен не может быть заменен соединениями серы с точки зрения своей роли в питании.
Хром
В организме человека содержится от 6 до 12 мг хрома. Биоусвояемость хрома из неорганических соединений в желудочно-кишечном канале невысока, всего 0,5–1,0%, однако она возрастает до 20–25%, по некоторым данным до 40%, при поступлении хрома в виде комплексных соединений (пиколинаты, аспарагинаты). Шестивалентный хром усваивается в 3–5 раз лучше, чем трехвалентный. Однако только трехвалентный хром проявляет биологическую активность и присутствует в продуктах питания. В тканях окисления трехвалентного хрома в шестивалентный не происходит.
Биологическая роль хрома связана с усилением действия инсулина. Ион Cr3+ в составе низкомолекулярного комплекса облегчает взаимодействие инсулина с клеточными рецепторами. В результате потребность организма в инсулине уменьшается. Инсулин влияет не только на углеводный, но также на липидный, белковый и минеральный обменные процессы. Поэтому роль хрома важна во всех процессах, контролируемых этим гормоном.
Дефицит хрома в организме, помимо повышения уровня глюкозы в крови, приводит к увеличению концентрации холестерина в крови, бляшек в стенках аорты и в конечном итоге к атеросклерозу.
Недостаток хрома может быть вызван общим низким содержанием этого микроэлемента в пище. Другой причиной истощения запасов хрома в организме может быть нарушение баланса основных макронутриентов и калорийности рациона. Например, значительные количества сахара, потребляемые человеком, увеличивают потребность в хроме. Физиологические дозы хрома повышают функциональную активность щитовидной железы при недостатке иода.
Молибден
В организме взрослого человека содержится всего около 9 мг молибдена. Молибден хорошо всасывается как из продуктов питания, так и из большинства своих неорганических соединений.
Активной биологической формой элемента является молибденовый кофермент. Это низкомолекулярный комплекс небелковой природы. Он входит в состав ряда ферментов. Три таких фермента встречаются в животном организме. Это альдегидоксидаза, ксантиноксидаза и сульфитоксидаза.
Альдегидоксидаза катализирует окисление альдегидов до соответствующих кислот, а также принимает участие в реакциях катаболизма пиримидинов и биотрансформации ксенобиотиков. Именно со способностью альдегидоксидазы катализировать окисление в организме канцерогенных ксенобиотиков связывают предполагаемую антираковую активность молибдена.
Ксантиноксидаза катализирует окисление ксантина, гипоксантина и альдегидов с поглощением кислорода и образованием соответственно мочевой кислоты, ксантина или карбоновых кислот и супероксидных радикалов. Она является важным ферментом обмена пуринов, катализирующим реакцию, завершающую образование мочевой кислоты в организме человека и животных.
Сульфитоксидаза участвует в метаболизме серосодержащих аминокислот – цистеина и метионина и превращает сульфит в сульфат. Она строго специфична к своему субстрату. Фермент присутствует преимущественно в печени, где он локализуется в межмембранном пространстве митохондрий.
Избыток молибдена вызывает повышенную активность ксантинокидазы, интенсификацию пуринового обмена и увеличение уровня мочевой кислоты, с выделением которой не справляются почки. В результате этого мочевая кислота и ее соли откладываются в сухожилиях и суставах, что приводит к возникновению подагры [362].
Кобальт
В организме около 1 г кобальта. Кобальт занимает особое место среди микроэлементов, поскольку физиологически активен в организме человека только в форме витамина В12. Его иначе называют кобаламин, антианемический витамин. Витамин В12 в природе синтезируется только одноклеточными микроорганизмами.
Например, микрофлора рубца жвачных животных способна включать кобальт в структуру витамина В12. При наличии в пище кобальта симбиотическая микрофлора кишечника человека также способна синтезировать небольшие количества этого витамина.
Дефицита свободного кобальта не бывает и он не заменяет готовый витамин В12. Таким образом, проблема кобальта в питании человека и кормлении животного – это, прежде всего, вопрос источников и снабжения витамином В12 и всасывания этого витамина, а не самого кобальта. Любой обычный рацион содержит гораздо больше кобальта, чем доля этого элемента в виде витамина В12, и никакого обязательного соответствия между содержанием в рационе кобальта и витамина В12 не существует.
Дефицит витамина В12 может быть не связан с нехваткой кобальта в продуктах, а обусловлен другими причинами. К ним относят серьезные нарушения питания (строгое вегетарианство), заболевания системы пищеварения (нарушение синтеза белков, связывающих и транспортирующих витамин В12), введение в организм веществ (например, антибиотиков), блокирующих развитие нормальной микрофлоры толстой кишки.
Таким образом, функциональная биохимия обосновывает в ПФП, разрабатываемых для практически здоровых людей, необходимость или возможность оптимизация содержания кальция, железа, цинка, йода, меди, марганца, селена, трехвалентного хрома и молибдена.
Вопросы нутриционной оптимизации этих элементов, в том числе для развития пробиотических микроорганизмов – остаются актуальными на протяжении почти столетия, ввиду сложности синергетически-антагонистических эффектов между различными нутриентами [349].