Патологическая физиология обмена микроэлементов
Общие сведения
Минеральные вещества, присутствующие в организме человека, подразделяются на макроэлементы и микроэлементы. К макроэлементам относятся углерод, кислород, водород, азот, кальций, фосфор, калий, натрий, магний, сера и хлор. Микроэлементы включают железо, медь, цинк, кобальт, марганец, хром, ванадий, молибден, селен, йод, фтор и другие. Данные вещества не синтезируются в организме, поэтому их адекватное поступление с пищей и водой является критически важным для поддержания нормальной жизнедеятельности. Нарушения обмена микроэлементов ведут к тяжелым системным патологиям, затрагивающим ферментативные, эндокринные, иммунные и неврологические функции.
Патофизиология обмена железа
Железо является важнейшим микроэлементом, обеспечивающим транспорт кислорода и тканевое дыхание. Суточная потребность взрослого человека составляет 20–25 мг. Дефицит железа часто встречается у женщин в связи с физиологическими кровотерями (менструации, роды, лактация). У мужчин дефицит регистрируется реже и, как правило, обусловлен хроническими кровопотерями при язвенной болезни желудка, гемофилии, дуодените, а также при синдроме мальабсорбции (ахилии) или строгом вегетарианстве, поскольку наиболее биодоступное железо содержится в мясных продуктах.
При отрицательном балансе железа в первую очередь истощаются тканевые резервы (гемосидерин и ферритин), затем снижается концентрация сывороточного железа, падает насыщение трансферрина, и компенсаторно возрастает общая железосвязывающая способность сыворотки. В финале снижается уровень гемоглобина, развивается гипохромная микроцитарная анемия. Уменьшение концентрации гемоглобина и тканевого миоглобина ведет к вторичной гипоксии, которая проявляется мышечной слабостью, быстрой утомляемостью, ночным недержанием мочи, а также пассивностью и вялостью. Из-за нарушения синтеза коллагена возникают трофические изменения: трещины в углах рта, атрофия нитевидных сосочков языка, стоматит, атрофический ринит и гастрит. Поражение нервной системы выражается в парестезиях и извращении вкусовых ощущений.
Избыток железа чаще наблюдается у мужчин и может быть следствием наследственного гемохроматоза. Данная патология связана с мутацией гена HFE, что приводит к избыточному захвату железа клетками даже при его нормальном поступлении с пищей. Общая кумуляция может достигать 500–1000 мг. Железо откладывается в печени, поджелудочной железе, миокарде и эндокринных органах, вызывая их повреждение на фоне тканевой гипоксии и угнетения функции АТФ-аз. Острые отравления препаратами железа способны спровоцировать некротический гастроэнтерит и тяжелый шок.
Патофизиология обмена меди
Медь всасывается в желудке и не способна к бесконечной кумуляции в организме. Основными источниками выступают печень, мясо, рыба, бобовые, орехи, а для детей грудного возраста — материнское молоко. Медь входит в состав важнейших ферментов (супероксиддисмутазы, церулоплазмина, тирозиназы).
Дефицит меди вызывает нарушение синтеза норадреналина и дофамина в головном мозге, деградацию миелина и микроцитарную железодефицитную анемию (из-за дисфункции трансферрина). Наблюдается дефектный синтез коллагена и эластина, что ведет к ломкости костей, деформации скелета и тяжелым вазопатиям, включая расслаивающую аневризму аорты (подобно синдрому Марфана). Снижение активности тирозиназы вызывает депигментацию кожи и волос. Тяжелой генетической патологией является болезнь Менкеса (наследуется сцепленно с Х-хромосомой), при которой медь накапливается в энтероцитах и нефроцитах, но не поступает в кровь и головной мозг. Заболевание характеризуется курчавостью волос, эмфиземой, остеопорозом, тяжелой нейродегенерацией и высокой летальностью в раннем детстве.
Избыток меди возникает при использовании медной посуды для хранения кислых продуктов или при контакте с фунгицидами и пестицидами. В патологии человека ведущее место занимает болезнь Вильсона-Коновалова (гепатолентикулярная дегенерация) — аутосомно-рецессивное заболевание, обусловленное мутацией гена, экспрессирующегося в печени. Мутация препятствует связыванию меди с апоцерулоплазмином. Медь не выводится с желчью, накапливаясь в ионизированной форме, что вызывает генерацию свободных радикалов. Развивается стеатоз и цирроз печени, а при массивном выходе меди в кровь — гемолитическая анемия. Медь откладывается в головном мозге и почках, вызывая дизартрию, тремор и дистонию. Лечение требует пожизненного применения хелаторов (пеницилламин) и строгой диеты с исключением мяса, орехов, бобов и шоколада.
Патофизиология обмена цинка
Цинк депонируется преимущественно в скелетных мышцах и является кофактором около 200 ферментов (алкогольдегидрогеназы, щелочной фосфатазы, карбоангидразы, супероксиддисмутазы). Цинк критически важен для иммунной системы, так как входит в состав гормона вилочковой железы — тимулина.
Дефицит цинка широко распространен. Фосфаты, алкоголь, медь и фитиновая кислота (содержащаяся в злаках) резко блокируют его всасывание. У беременных дефицит цинка обладает тератогенным эффектом, вызывая у плода гидроцефалию, расщелину неба и пороки сердца. У детей нехватка микроэлемента приводит к задержке роста, умственному недоразвитию и гипогонадизму. У взрослых, часто на фоне алкоголизма, дефицит проявляется угнетением клеточного иммунитета, карликовостью, бесплодием, появлением белых пятен на ногтях, ночной слепотой, выпадением волос и исчезновением вкусовой чувствительности. Генетически детерминированный энтеропатический акродерматит вызывает везикулярный псориазоформный дерматит, профузный понос и при отсутствии заместительной терапии препаратами цинка ведет к летальному исходу.
Избыток цинка при постепенном поступлении не токсичен, так как излишки быстро экскретируются. Однако при остром отравлении (например, сульфатом цинка в дозе свыше 45 граммов) возникает рвота, сонливость, галлюцинации, анемия и возможен смертельный исход.
Патофизиология обмена марганца
Марганец необходим для нормального функционирования костной, хрящевой и нервной ткани. Его дефицит вызывает задержку роста, гипогонадизм, гипохолестеринемию и нарушения свертывания крови. В нервной системе недостаток марганца ведет к снижению активности глутаматергических нейронов и интоксикации аммиаком, что может провоцировать эпилептические судороги.
Избыток марганца (часто профессиональный, при вдыхании марганцевой пыли в шахтах) токсичен. Марганец действует как прооксидант, разрушая мембраны митохондрий. Главной мишенью выступает центральная нервная система: повреждаются астроциты, нарушается синтез дофамина, что приводит к развитию синдрома, клинически сходного с болезнью Паркинсона. Наблюдаются тяжелые психические расстройства, анорексия и дизартрия.
Патофизиология обмена хрома и ванадия
Хром существует в организме преимущественно в двух формах. Шестивалентный хром является токсичным загрязнителем. Трехвалентный хром выступает важнейшим нутриентом. Его дефицит снижает толерантность к глюкозе, увеличивает потребность в инсулине и ускоряет прогрессирование атеросклероза. У пациентов с сахарным диабетом 2 типа всасывание хрома компенсаторно возрастает втрое, однако из-за нарушений мембранного транспорта его внутриклеточная концентрация остается низкой, что поддерживает инсулинорезистентность.
Ванадий, аналогично хрому, повышает чувствительность тканей к инсулину. Препараты ванадия и хрома в низких дозах применяются в диетологии для коррекции сахарного диабета и ожирения. Ванадий также обладает способностью индуцировать апоптоз опухолевых клеток, оказывая противораковое действие. Тем не менее, избыток ванадия приводит к гематологическим, нефрологическим, иммунологическим расстройствам, а также к изменению поведения в виде чередования маниакальных и депрессивных состояний.
Патофизиология обмена молибдена и селена
Молибден является структурным компонентом ксантиноксидазы, сульфитоксидазы и альдегидоксидазы. Генетический дефект ксантиноксидазы вызывает ксантинурию с формированием камней в мочевых путях. Эндемический избыток молибдена в почве гиперактивирует этот фермент, провоцируя развитие подагры. Дефицит молибдена вызывает задержку роста костей, гипотонию мышц и аномалии развития головного мозга (при дефекте сульфитоксидазы).
Селен выступает мощным антиоксидантом, входя в состав селенопротеинов и фермента тиреодоксинредуктазы. Он обладает антиканцерогенным действием, стимулируя клеточный иммунитет (Т-лимфоциты). Дефицит селена, характерный для регионов с бедными почвами, приводит к болезни Кешана — эндемической кардиомиопатии, сопровождающейся очагами некроза миокарда, аритмиями и сердечной недостаточностью. У животных дефицит вызывает мышечную дистрофию. Избыток селена (превышение дозы более чем в 5 раз) вызывает селеновый токсикоз. Наблюдается выпадение волос, поражение ногтей, хронический дерматит, артрит, анемия и дегенерация печени.
Патофизиология обмена йода и фтора
Йод необходим исключительно для биосинтеза гормонов щитовидной железы. Дефицит йода в воде и пище (типичный для горных регионов: Альпы, Гималаи, Кавказ) вызывает эндемический зоб, снижение основного обмена, хроническую усталость и гипотермию. У детей длительный дефицит ведет к кретинизму, а у взрослых — к микседеме. Избыток йода (профессиональный или ятрогенный) может вызывать йодизм — тяжелый аллергический дерматит.
Фтор критически важен для минерализации зубов и костей. Дефицит фтора у детей вызывает задержку прорезывания зубов и массовое развитие кариеса. Избыток фтора вызывает флюороз: на эмали появляются меловидные пятна, зубы становятся хрупкими и разрушаются. Хроническая интоксикация фтором ингибирует множество металлосодержащих ферментов (связывая железо, медь, цинк), что приводит к нейроциркуляторной дистонии, гастриту, нефриту и остеопорозу. Острое отравление соединениями фтора сопровождается рвотой, кишечными коликами, тяжелой гипокальциемией, судорогами и может завершиться летальным исходом.
См. также
Патологическая физиология Обмен веществ Диетология Эндокринология Гиповитаминоз Ферменты