Основы алиментарной адаптации

Эволюционное развитие человека как социально-биологиче­ского вида привело его в начале XXI в. к необходимости решать чрезвычайно сложные экологические проблемы, обусловленные многолетней нерациональной практикой использования плане­тарных ресурсов, нарушением структурных связей в биосфере и интенсивным изменением элементного и структурного состава биосферы (загрязнением окружающей среды). Последнее в насто­ящее время является одним из важнейших лимитирующих факто­ров безопасного существования человека. Во всех средах: в возду­хе, воде, почве и, в конечном счете, в продовольственном сырье постоянно возрастают концентрации многочисленных химических веществ и соединений, которые или по своей природе (вновь син­тезированные, полусинтетические и т.п.), или в силу количественных характеристик (превышающих эволюционно сложившеесяколичество) являются чужеродными веществами (ксенобиотика­ми) для организма человека. Постоянно растущая чужеродная нагрузка вызывает либо острые отравления (при надпороговом поступлении ксенобиотика), либо, что гораздо чаще, хрониче­ские дисфункции различных органов и систем в соответствии со специфической тропностью ксенобиотика и/или из-за снижения общей резистентности в результате декомпенсации адаптацион­но-защитных механизмов. Дисбаланс гомеостаза может также усу­губляться изменением нейрогуморальной и генетической регуля­ции за счет сенсибилизации (антигенная нагрузка) и нарушений наследственной информации (химический и радиационный му­тагенез).

В рамках данной проблемы питание рассматривается в качестве важнейшего фактора адаптации организма к новым условиям су­ществования. С одной стороны, до 95 % общего объема ксенобио­тиков поступают в организм алиментарным путем (с пищевыми продуктами и питьевой водой). Этот факт подчеркивает значи­мость контроля над качеством продовольственного сырья и пи­щевых продуктов на всех этапах их получения, переработки и ре­ализации, осуществляемого производителями и соответствующи­ми государственными органами. Все продовольствие должно соот­ветствовать требованиям безопасности. С другой стороны, пище­вые вещества обеспечивают реализацию защитно-адаптационных механизмов: они на всех этапах метаболизма вступают в непо­средственный конкурентный контакт с чужеродными вещества­ми (возможны также синергические или нейтральные взаимодей­ствия) и используются организмом для поддержки устойчивой работы гомеостатических систем.

Интенсификация чужеродной алиментарной нагрузки, обу­словленная экологическим неблагополучием, оказывает существен­ное отрицательное влияние на внутреннюю среду организма с развитием стрессового варианта метаболизма, при котором скла­дывается особый режим жизнеобеспечения в рамках процесса адаптации. По определению ВОЗ «адаптация — это истинное при­способление организма к изменяющимся условиям окружающей среды, которое происходит без какого-либо нарушения данной биологической системы и превышения нормальных (гомеостатиче­ских) способностей ее реагирования». В результате может развить­ся либо динамическая адаптированность (адаптационная резистентность), либо дезадаптация с последующими патологически­ми состояниями.

Сущность динамической адаптированности заключается в по­вышении устойчивости к стрессовому фактору, расширении диа­пазона защитно-приспособительных возможностей организма, что, в конечном счете, ведет к относительному соответствию живых систем и условий их обитания, т.е. выработке адаптационной резистентности. Становление последней возможно лишь при безде­фицитном поступлении всех незаменимых субстратов, представ­ленных для человека в виде нутриентов рациона. Таким образом, алиментарная адаптация, которая может быть определена как процесс выработки резистентное™ организма к экстремальным внешним условиям за счет оптимизации питания, предполагает обеспечение поступления с рационом питания полного набора пищевых и биологически активных веществ и развитие за счет этого устойчивого функционирования всех метаболических систем. Поставленная задача может быть достигнута при условии обеспе­чения населения высококачественными и доступными продукта­ми питания в результате индивидуального, осознанного выбора на базе образовательных программ в области гигиены питания.

Механизмы алиментарной регуляции метаболизма ксенобиоти­ков. Для организма человека как открытой саморегулирующейся биологической системы защита от внешних воздействий (защита внутренней среды организма) реализуется в виде ряда универ­сальных механизмов. Питание обеспечивает субстратную и энер­гетическую поддержку их функционирования.

В условиях экологической (чужеродной) нагрузки питание кроме традиционных функций должно также обеспечивать:

• снижение абсорбции ксенобиотиков в желудочно-кишечном тракте;

• ослабление неблагоприятного воздействия чужеродных веществ и факторов на клеточном и органном уровнях;

• уменьшение уровня депонирования ксенобиотиков и их ме­таболитов в тропных тканях с ускоренным их выведением из орга­низма.

Абсорбция чужеродных веществ в желудочно-кишечном трак­те и степень их поступления во внутреннюю среду организма за­висит от ряда факторов: времени нахождения пищи в кишечни­ке, состояния мембран энтероцитов, активности ферментативно­го пищеварения, характера микробиоценоза и химического со­става рациона. Последнее подразумевает возможность существо­вания различных видов взаимодействия ксенобиотиков и нутри­ентов: конкурентное, синергическое или нейтральное, — проте­кающих как в полостном пространстве, так и на биомембранах и в цитозоле клеток.

В настоящее время накоплен обширный материал о пищевых веществах, блокирующих тем или иным способом абсорбцию ксе­нобиотиков. К ним в первую очередь относятся природные неспе­цифические сорбенты: пищевые волокна, альгинаты, коллаген, слизи, цеолиты, хитин. Они же усиливают моторику кишечника, сокращая тем самым эффективный период абсорбции ксенобио­тиков. Степень снижения поступления ксенобиотиков в организм за счет неспецифической сорбции может достигать 50 % и более. При этом увеличивать в рационе содержание неспецифических сорбентов (в первую очередь за счет их пищевых источников) ре­комендуется на 30...50 %. Более значительное их поступление не­минуемо приведет, с одной стороны, к снижению пищевой цен­ности рациона в результате уменьшения биодоступности эссенциальных нутриентов (минеральных веществ, витаминов, амино­кислот), с другой стороны — к нарушениям функционирования желудочно-кишечного тракта (гипермоторики, диспепсиям).

Некоторые нутриенты вступают с чужеродными агентами в конформационные взаимодействия, образуя при этом трудноабсорбируемые комплексы или конкурентно ингибируя трансмембранный перенос в энтероцитах, поступление в кровь (лимфу) и связь с активными белками-переносчиками в жидких средах. Основными конкурентными нутриентами являются кальций, железо, калий, магний и йод. Их бездефицитное поступление значительно снижает проницаемость биомембран энтероцитов для ксенобиотиков. По­требность в данных минеральных веществах может повышаться на 50...60% по сравнению с физиологическими нормами.

В условиях чужеродной нагрузки даже при построении опти­мального профилактического питания определенное количество ксенобиотиков преодолевает защитный барьер желудочно-кишеч­ного тракта и поступает во внутреннюю среду организма. Они, циркулируя в крови и попадая в органы и ткани, могут:

• инициировать патохимические процессы, повреждающие клет­ки и ткани;

• метаболизироваться с образованием нетоксичных продуктов (СО₂ и Н₂О) с их последующим выведением из организма;

• депонироваться (временно или долгосрочно).

В любом случае решающую роль в судьбе инкорпорированных ксенобиотиков будут играть клеточные защитно-адаптационные системы. Дополнительная чужеродная нагрузка, обусловленная неблагоприятной средой обитания, переводит клеточные систе­мы в режим стрессового функционирования. В этом режиме затра­чиваются сверх физиологической потребности основные участву­ющие в метаболизме ксенобиотиков нутриенты. Чужеродную на­грузку на клеточном уровне будут инициировать не только посту­пившие во внутреннюю среду ксенобиотики, но и дистантно дей­ствующие факторы, например радионуклидная нагрузка, форми­рующаяся как сумма внутреннего и внешнего (от объектов окру­жающей среды) облучения.

В настоящее время известны и изучены основные клеточные защитно-адаптационные механизмы:

• система лизосомальных ферментов;

• система биотрансформации ксенобиотиков;

• антиоксидантная защита.

Лизосомы относятся к первому защитному внутриклеточному барьеру, обеспечивающему уничтожение поступающих чужерод­ных агентов за счет наличия в них мощных ферментативных си­стем. Возможность прямой алиментарной поддержки лизосомальной системы в настоящее время изучена мало. Общие положения такой поддержки включают в себя традиционные требования к качеству аминограммы рациона (полный набор незаменимых ами­нокислот) и наличие достаточного числа кофакторов и коферментов. Это будет справедливо в отношении любой ферментатив­ной системы, требующей алиментарной поддержки.

Понятие биотрансформации ксенобиотиков охватывает не толь­ко ферментативные химические превращения, но и трансмемб­ранный перенос, тканевое распределение, депонирование и эли­минацию. С позиций современной биохимической токсикологии существует единый универсальный двухстадийный механизм био­трансформации ксенобиотиков. При этом в первой фазе протека­ет реакция функционализации с участием НАДФ Н-зависимой цитохром Р-450-содсржащей монооксигеназной системы эндо-плазматического ретикулума клеток, во второй фазе — процессы конъюгации ксенобиотиков или их метаболитов с крупномолеку­лярными эндогенными субстратами (глюкуроновой кислотой, глутатионом) при участии ряда ферментативных систем.

В итоге этих превращений ксенобиотики и их метаболиты обез­вреживаются и подготавливаются к безопасному выведению из организма (эволюционно сложившаяся ситуация). Однако в со­временной экологической обстановке имеется и «слабое звено» в данной защитной системе: большинство синтетических ксенобио­тиков (пестициды, полихлорированные бифенилы, продукты де­струкции полимерных материалов, ряд лекарственных средств), а также некоторые природные токсины (афлатоксин В,) в реак­ции функционализации способны трансформироваться в продук­ты и соединения более опасные, чем исходные. Такое явление получило название метаболической активации. Метаболическая ак­тивация рассматривается в настоящее время в качестве универ­сального патохимического процесса, обусловливающего функцио­нальную кумуляцию биологических эффектов и развитие отда­ленных последствий для здоровья человека.

В результате метаболической активации веществ, преимуще­ственно из группы синтезированных de novo, образуются либо несвойственные обычному обмену веществ вторичные продукты (электрофильные продукты — эпоксидные соединения, гетеро­циклические соединения), либо традиционные вторичные мета­болиты, но в очень больших количествах (свободные радикалы и эндоперекиси).

В случае образования электрофильных продуктов основная опас­ность заключается в их высокой реакционной способности по модификации структурных и функциональных характеристик кле­точных макромолекул (белков, липидов, ДНК) с развитием ряда опасных последствий:

• сенсибилизации за счет образования антигенного потенциала у аутоинтичных белков;

• нарушений мембран (повреждение структурных липидов и белков) с развитием так называемых мембранопатологий;

• нарушений наследственной информации;

• инициации канцерогенеза в результате активизации пролиферативных клеточных процессов.

Защита от электрофильных продуктов строится по двум на­правлениям: 1) защита макромолекул от ковалентной (прочной) связи со вторичными метаболитами за счет аскорбиновой кисло­ты и ретинола; 2) активная конъюгация электрофильных продук­тов с клеточными защитно-адаптационными субстратами (вос­становленный глутатион) при участии глутатионтрансферазы. Восстановленный глутатион (Г-SH), или γ-глутамилцистеинилглицин, считается ключевым адаптационным субстратом, участву­ющим во многих защитных процессах. Его достаточный синтез в организме возможен лишь при бездефицитном поступлении с рационом серасодержащих аминокислот (в первую очередь, цистеина).

Центральным механизмом нейтрализации свободных радика­лов и эндоперекисей, образующихся в результате метаболической активации, является эволюционно сложившаяся система антиоксидантной защиты. Высокореакционноспособные свободные ра­дикалы кислорода, азота, гидроксильный радикал представляют серьезную опасность для клетки, оказывает так называемую прооксидантную нагрузку. В результате инициируется процесс перекисного окисления липидов (ПОЛ), приводящий, с одной сторо­ны, к повреждению функциональных липидных молекул, а с дру­гой — накоплению конечных продуктов ПОЛ, обладающих ток­сичностью. К конечным продуктам ПОЛ относятся диеновые конъюгаты и малоновый диальдегид (МДА). Их критическому на­коплению, ведущему к гибели клетки, препятствует система антиоксидантной защиты.

Антиоксидантная клеточная защита имеет два звена функцио­нирования: ферментативное и неферментативное.

Ферментативное звено включает в себя: супероксиддисмутазу (СОД), каталазу (КАТ), глутатионпероксидазу (ГП) и глутатион-редуктазу (ГР). Супероксиддисмутаза — самый мощный фермент антиоксидантной защиты, инактивирующий супероксидрадикал. Она имеет несколько изоформ, содержащих цинк, медь или мар­ганец в качестве кофакторов. В результате работы СОД образуется большое количество перекиси водорода, которая инактивируется железосодержащим ферментом КАТ.

В случае образования липидных перекисей, недоступных КАТ, их нейтрализация происходит с участием ферментно-субстратного комплекса. В составе этого комплекса на первом этапе процесса селенсодержащая ГП и восстановленный глутатион, выступающий в качестве донора протонов, нейтрализует любую эндоперекись. При этом образуется окисленная (неактивная) форма глутатиона (T-S-S-Г), которая восстанавливается с помощью ГР — фермента, со­держащего в качестве кофермента витамин В₂. Таким образом, при достаточном поступлении с питанием незаменимых аминокислот (серасодержащих), кофакторов (железо, цинк, медь, марганец, селен) и коферментов (В₂) будет поддерживаться необходимый уровень активности рассмотренных защитных механизмов.

Существуют также неферментативные механизмы антиоксидантной защиты, связанные с прямым действием в отношении свобод­ных радикалов и эндоперекисей витаминов антиоксидантов (α-токоферола, β-ретинола, р-каротина, аскорбиновой кислоты и биофлавоноидов), а также антиоксидантных клеточных субстратов (убихинона, мочевой кислоты и др.). Витамины-антиоксиданты защищают биомембраны и макромолекулы от повреждающего действия свободных радикалов, предотвращают активизацию ПОЛ. При этом они, как правило, безвозвратно затрачиваются (разру­шаются, прочно связываются), что определяет необходимость их дополнительного поступления с рационом.

Особое значение в настоящее время придается изучению роли кальция в развитии адаптационного ответа организма. Так, каль­ций, являясь универсальным регулятором внутриклеточных про­цессов, обеспечивает устойчивость основных защитно-адаптаци­онных систем.

Можно выделить несколько принципов неспецифической али­ментарной поддержки процессов биотрансформации ксенобио­тиков:

• обеспечение достаточного поступления нутриентов, явля­ющихся кофакторами или субстратами, а также регуляторами за­щитных метаболических процессов;

• снижение до реального минимума поступления промоторов или субстратов патохимических реакций;

• обеспечение оптимальной сбалансированности пищевых ве­ществ, учитывая наличие нутриентов с однонаправленным дей­ствием или взаимоингибирующими свойствами.

Таким образом, оптимальное функционирование защитно-адаптационных систем зависит от обеспеченности организма субстра­тами синтеза ферментов и Г-SH (полноценных белков), кофакто­рами (железа, селена, меди, цинка, марганца) и коферментами (рибофлавина, ниацина) рабочих ферментных систем, витаминами-антиоксидантами (Е, А, [3-каротином, С, биофлавоноидами), кальцием, пищевыми волокнами. В то же время, алиментарный дефицит большинства перечисленных выше так называемых «работающих нутриентов» регистрируется у больших групп насе­ления и требует первоочередной коррекции среди пищевых дис­балансов. Реальная потребность в защитно-адаптационных нутриентах может во много раз превышать физиологические нормы, установленные для них. Однако степень этого превышения необ­ходимо устанавливать индивидуально в ходе анализа состояния питания по параметрам пищевого статуса и биомаркерам адапта­ционного ответа.

Чрезвычайно важно также учитывать, что ряд пищевых веществ может усугублять на клеточном уровне патохимические процес­сы, индуцированные тем или иным видом чужеродного воздей­ствия. Основной группой нутриентов рациона, требующих макси­мально возможного сокращения в условиях чужеродной нагруз­ки, являются жиры. Их общее количество не должно превышать 30 % энергоценности рациона (оптимально — снижение до 25 %). Из жиров наибольшей активностью в процессах ПОЛ обладают ПНЖК. При этом чем больше двойных связей в молекуле жирной кислоты, тем она реакционно активнее. Таким образом, уровень ПНЖК в условиях существенной прооксидантной нагрузки дол­жен быть снижен до нижней границы нормы физиологической потребности (3...4 % энергетической ценности рациона). Если воз­никает необходимость увеличить потребление ПНЖК с рацио­ном (у лиц из группы риска развития атеросклероза, с дислипопротеинемией), следует строго соблюдать соотношение витамина Е к ПНЖК — оно должно быть не менее единицы.

Учет взаимодействия (конкурентного или синергического) от­дельных нутриентов является необходимым условием оптимиза­ции питания. Например, все витамины-антиоксиданты, субстра­ты, поддерживающие эту направленность, и кальций оказывают взаимоусиливающий (компенсирующий) эффект. В научных на­блюдениях это хорошо продемонстрировано на примере токофе­рола и селена, токоферола и кальция, аскорбиновой кислоты и биофлавоноидов. В то же время изолированное увеличение в рацио­не некоторых микроэлементов негативно сказывается на биодо­ступности других нутриентов, а иногда ведет к увеличению их расхода в обменных процессах. Подобный антагонизм показан для цинка и меди, железа и селена. В ряде исследований показано, что при обогащении неорганическим железом (обладающим прооксидантным потенциалом) пищевых продуктов увеличиваются за­траты витаминов-антиоксидантов, селена, кальция. Эти данные необходимо учитывать при разработке обогащенных продуктов и биологически активных добавок к пище.

Отдельные пищевые вещества могут играть двоякую роль при взаимодействии организма с чужеродными агентами и фактора­ми. Например, пектин вместе с положительными сорбционными свойствами оказывает ряд нежелательных действий на фермента­тивную активность микрофлоры кишечника, особенно при высо­ком содержании в рационе жиров.

Организация питания населения в условиях чужеродной нагруз­ки. В ситуации повышенного экологического риска нерациональ­ное питание должно рассматриваться не только с точки зрения возможного развития ряда распространенных алиментарно-зави­симых патологий, но и как фактор, снижающий защитно-адапта­ционные возможности организма. В условиях чужеродного воздей­ствия организм в стрессовом режиме использует все функцио­нальные возможности для поддержания нормального гомеостаза, испытывая при этом потребность в бездефицитном поступлении физиологически обоснованных количеств основных нутриентов с рационом питания. Суточная норма поступления каждого нутриента в конкретных экологических условиях должна определяться с учетом величин индивидуальной физиологической потребности и расхода отдельных пищевых веществ в адаптационных механизмах.

Организация питания в условиях экологической (чужеродной) нагрузки предполагает:

1) обоснование суточного нутриентного состава рациона;

2) определение продуктового набора, обеспечивающего поступ­ление необходимого количества пищевых веществ и энергии;

3) выбор оптимального режима и условий питания.

В конкретных экологических условиях, исходя из знаний струк­туры и объема действующих чужеродных факторов, врач индиви­дуально определяет потребность человека в дополнительном по­ступлении ряда нутриентов, физиологические количества кото­рых являются дефицитными в силу повышенного их расхода в защитно-адаптационных процессах. Объективными показателями недостатка того или иного нутриента должны служить данные изучения специфических параметров пищевого статуса.

Практическое осуществление алиментарной адаптации прово­дится по двум основным направлениям: 1) снижение алиментар­ной чужеродной нагрузки; 2) обеспечение организма необходи­мым количеством нутриентов.

Первое направление предполагает контроль за качеством и без­опасностью пищевой продукции, а также использование прин­ципов элиминационной диетотерапии: включение в рацион пита­ния продуктов, препятствующих инкорпорации ксенобиотиков и обеспечивающих их быстрое удаление из организма (с калом, мочой) без нарушения функций выделительных систем. Получе­ние и оборот безопасной пищевой продукции зависит как от при­меняемых производителем систем контроля качества на пищевых объектах, так и от организации государственного контроля про­довольствия. Важным компонентом в комплексной системе обес­печения качества пищевых продуктов является санитарно-эпидемиологическая грамотность населения, позволяющая подходить с гигиенических позиций к выращиванию, приобретению, хране­нию, приготовлению и употреблению пищи. Особое внимание следует уделить также возможности алиментарной нормализации (стабилизации) основных вовлеченных в адаптационные механиз­мы систем: аллергологического статуса (гипосенсибилизирующая диетотерапия) имикробиоценоза кишечника (пробиотическая диетотерапия).

Второе направление связано с пищевой ценностью отдельных продуктов и рациона в целом. Особый интерес представляет раз­работка специальных профилактических продуктов, обладающих протекторными свойствами или повышающими резистентность организма. Подобные продукты, производимые промышленным способом из качественного сырья, имеют научно обоснованную рецептуру и обеспечивают высокую эффективность защиты, до­казанную в предварительных модельных исследованиях и натур­ных наблюдениях. В настоящее время разработан целый ряд про­филактических продуктов с заданными свойствами за счет обога­щения их пищевыми волокнами, витаминами, минеральными ве­ществами, полноценным белком.

Так, например, увеличение количества пищевых волокон дости­гается введением в рецептуры хлебобулочных, кондитерских, мяс­ных, рыбных изделий, обработанных разными способами, морко­ви, яблок, свеклы и т.п. Одновременно за счет растительных ком­понентов происходит обогащение продуктов витаминами и мине­ральными веществами. Нормализация по минеральному составу широкого ассортимента продуктов осуществляется введением в соответствующие пищевые композиции мясной массы, тонкоизмельченной рыбной массы, порошка яичной скорлупы, препара­тов боенской крови, печени и т.п.

Алиментарная адаптация к неблагоприятным условиям среды обитания, не являясь радикальным мероприятием, имеет суще­ственный профилактический потенциал. Реализация основных направлений алиментарной адаптации в настоящее время являет­ся единственным надежным способом снижения степени отрица­тельного влияния чужеродных факторов среды обитания, имею­щим как научное обоснование, так и систему практического приме­нения в лице органов и учреждений государственного санитарно-эпидемиологического надзора.