מכניזם של ספיגת מינרלים, השפעות גומלין המשפיעות על סטטוס החומציות ונוגדני התחמצנות, ושיקולים בתכנון מנה לשפור סטטוס המינרלים חלק א’

מבוסס על מאמרו של Jesse P. Goff שהתפרסם ב-J. Dairy Sci., 2018;101:2763

מאמר זה סוקר בצורה מעמיקה ומרתקת, מטבוליזם ומנגנונים הקשורים במינרלים, כגון: ספיגה, השפעות גומלין בין מינרלים וחומרים אחרים במזון, תרומתם של מינרלים אורגניים או כילאטים, השפעת מינרלים על הסטטוס החומצי-בסיסי של הבע”ח ומעורבות מינרלים במטבוליזם. מטרתו לספק תובנות מעמיקות יותר. מפאת אורכו מובארק חלק ראשון ובהמשך נפרסם את השאר.

מבוא

כ-14 יסודות מינרלים נחשבים חיוניים לבע”ח. מחציתם מקרו-מינרלים (דרישתם –ג’/ראש/יום)-Ca, P, Mg, Na, K, Cl, S- ומחציתם מיקרו-מינרלים (דרישתם–מ”ג/ראש/יום)-Se,Co,I,Mn,Fe,Cu,Zn .המינרלים שבמזון נספגים דרך רירית המעי (mucosa) ישירות למערכת הדם. בפרק זה נדון בנושא הספיגה.

מודל כללי לספיגת מינרלים: המינרלים במזון נספגים דרך שכבת תאי האפיתל של מערכת העיכול, למערכת הדם ומשם לרקמות היעד. מינרלים יכולים להיספג מכל אזור במערכת העיכול, אך העיקר נספג דרך המעי הדק. המעי הדק והגס מצופים בשכבה אחת של תאי אפיתל המחוברים זה לזה באמצעות מספר חלבונים ספציפיים המשמשים לחיבור הדוק בין תאים שכנים ומכונים צמתי חיבור (Tight junctions). חלק מממברנה התא מופנה לחלל המעי ומכונה ממברנה אפיקאלית (Apical membrane). חלק זה של הממברנה יוצר קמטים זעירים שנקראים מיקרו-וילי, וכשכבה רצופה מכונה Brush border. הם נועדו להגדיל את שטח הפנים הזמין לספיגה. שכבת דקה של רירוגליקו-פרוטאינים משוחה על פני הממברנה הפונה לכיוון חלל המעי ומעליה “שכבה מימית” (Stirred water layer) המחוברת לגליקופרוטאינים הודות למתח שטח הפנים. שאר שטח הפנים של ממברנת תאי האפיתל מתחת ל”צמתי חיבור” שבין התאים נקרא Basolateral membrane ובא במגע עם הנוזל החוץ תאי. תאי האפיתל יושבים על שכבה חלבונית דמויית רשת הנקראת Basement membrane. מתחת לשכבה הנ”ל ישנה רקמת חיבור רפה שנקראת Lamina propria. שכבה רירית מיוחדת זו כוללת נוזל חוץ תאי, ורשת עשירה של נימי דם ולימפה. נימי הדם בשכבה זו הינם מחוררים, עם פתחים רחבים, בין תאי האנדותל המאפשרים ספיגת סוכרים, חומצות אמינו (ח”א) ומינרלים לדם. תאי האפיתל וצמתי חיבור יחדיו, מהווים מחסום אפקטיבי בפני חדירת מירב החיידקים וכן, חדירת מולקולות גדולות רעילות מהמעי. מחסום זה מונע גם מעבר סוכרים, ח”א ומוצרי עיכול גדולים. צמתי חיבור בין תאי האפיתל אינם אטומים באופן מוחלט, יש בהם סדקים, נקבים ותעלות. החיבור החלבוני הזה בדרך כלל מונע מעבר מינרלים (ומים) בגלל הפתחים הקטנים. בנוסף, יש הפרש פוטנציאל חשמלי בין צד אחד למשנה והחוסם מעבר קטיונים ומעודד מעבר אניונים. מינרלים יכולים לעבור מחסום זה, אם ריכוז המינרל (במצב של יון חופשי ,המסיס בנוזל הבין תאי בצד הלומינאלי (חלל המעי) של המחסום החלבוני) גדול משמעותית מריכוזו מעברו השני של המחסום הפונה לכיוון נימי הדם. המעבר הנ”ל נעשה בכוח הדיפוזיה, ומשם עוברים דרך הפתחים שבדופן הנימים שבאנדות לישירות לזרם הדם. תהליך זה ידוע בשם ספיגה בין תאים (Paracellularabsorption). יש לשים לב שאם המינרל נמצא בתאחיזה בתוך מים (ע”י קשר יוני דו-קוטבי) הוא יעבור את המחיצה המחברת בין התאים יחד עם המים בתהליך המכונה Solvent drag. מאחר ומים רבים נספגים במערכת העיכול במהלך היום, חלק ניכר מהמינרלים נספג בדרך זו. שני כוחות פועלים בשעה שמים עוברים דרך החיבור הבין תאי: האחד הוא לחץ הידרוסטטי-מים באופן טבעי נעים למקום עם פחות התנגדות. נקודת החיבור בין תאים (צמתיחיבור) עמיד למדי ללחץ המים העוברים בחללהמעי (לומן). המים “מעדיפים” לעבור במורד מערכת העיכול מאשר דרך צמתי חיבור. יחד עם זאת כאשר נוזל מצטבר בחלל הבין-תאי מתחת לחיבור הבין-תאי, הוא מעלה שם את הלחץ ההידרוסטטי. אזור החיבור מאד רגיש ללחץ הידרוסטטי זה, ומבטל ספיגת מים ומגביר את הלחץ ההידרוסטטי וגורםלמעבר מים ללומן. הכוח השני למעבר מים הוא הלחץ האוסמוטי-מעבר מסה של מים דרך החיבור הבין-תאי הוא כמעט לחלוטין בהתאם למפל האוסמוטי. נתרן הוא התורם העיקרי לאוסמולריות של החלל שמתחת לחיבור הבין-תאי. תאי האפיתל סופגים נתרן דרך הקרום הפונה ללומן ומפרישים אותו באמצעות משאבת נתרן-אשלגן לחלל הבין-תאי שמתחת לצמתי חיבור. מומסים כגון כלורידים, גלוקוז וח”א תורמים אף הם לאוסמולריות של החלל הבין תאי. בכרס, ספיגה של חומצות שומן נדיפות (חש”נ ) תורמת למפל האוסמוטי מתחת לאפיתל הכרס ועוזרת להעביר מים דרך האפיתל. המים,המינרלים ומולקולות הקשורות במים יעברו דרך חרירי צמתי חיבור לחלל הבין רקמתי ומשם למערכת הדם. כדאי לשים לב כי גם מנגנון  Solvent drag וגם הדיפוזיה יכולים לגרום בתנאים מסוימים להפרשת מינרלים מהגוף במקום ספיגתם. מעטפת תאי האפיתל היא דו שכבתית ומשולבים בה פוספוליפדים (שומנים הקשוריםלזרחן) החוסמים מעבר מים, ואף אטומים יותר לדיפוזיה למים שמכילים מינרלים לעומת צמתי חיבור. כמו כן רוב המינרלים בתמיסה נושאים מטען חיובי או שלילי, אשר מונע מעבר דרך המעטפת השומנית הדו שכבתית הנ”ל. אלא שלתאי אפיתל של מערכת העיכול יש מנגנון מיוחד המאפשר ספיגה יעילה של מינרלים מומסים גם אם ריכוזם במזון נמוך למדי. מנגנון זה נקרא מעבר תוך תאי (Transcellular transport) ולו 3שלבים:

בשלב 1 המינרלים עוברים מהמעכל הנוזלי לשכבה המימיתהמרפדת את תאי האפיתל ומגיעים למגע עם הממברנה של תאי האפיתל. בדופן האפיתל האטום למים (ראה לעיל) יש תעלות יונים שהם למעשה חלבונים מיוחדים, המשולבים בממברנה, ומשמשים לדיפוזיה של מינרלים. בדרך כלל חלבונים אלה קושרים מינרלים רק אם הם במצב יוני.

בשלב 2 המינרל חייב לנוע בציטוסול (תוכן התא) מהצד שפונה ללומןלצד שפונה לנימי הדם. בחלק מהמינרלים התנועה ע”י כוחות דיפוזיה, אך לרוב המינרלים יש נשאים המכונים חלבוני ליווי, בעלי תפקיד חיוני נוסף: הם קושרים את המינרל כך שאינו יון חופשי יותר בציטוסול, וככזה, אינו יכוללהשפיע על תפקוד התא או להזיק לו. יתרה מכך,קשירת המינרל לחלבון מאפשרת לשמור על ריכוזו הנמוך של המינרל כיון בתוך הציטוסול. ריכוז נמוך זה מאפשר המשך מעבר יוני המינרל הנוספים דרך הממברנה בכוחות הדיפוזיה לתוך התא.

בשלב 3 עובר המינרל מהציטוסול דרך הממברנה בצד התחתון של התא,לצד הבאזולטראלי. בחלק מהמקרים המינרל יעבור בכוח הדיפוזיה דרך תעלות יוניות -אותם חלבונים שראינו לעיל. במקרים רבים בתהליך יש מעבר של מינרלים מאזור שריכוזו נמוך (בתוך התא) לאזור שריכוזו גבוה (בנוזל החוץ תאי שמתחת לתא האפיתל). מעבר כזה בניגוד לכוחות הדיפוזיה, ואולי גם המפל החשמלי, דורש על פי רוב חלבון מיוחד המשמש כמשאבת מינרלים בתוך הממברנה הבאזולטראלית. משאבה זו לרוב דורשת אנרגיה בצורת ATP. החלבון הנ”ל המכונה Ion exchangers מנצל את האנרגיה הפוטנציאלית הנוצרת מתנועת היונים, לתוך התא או החוצה במורד המפל האלקטרוכימי, כדי לאפשר כוח לתנועה של יונים אחרים לתוך התא או החוצה ממנו, בנגוד למפל האלקטרוכימי שלהם. ברגע שיונים, גלוקוז, חש”נ או ח”א מועברים לחלל הבין תאי באזורים שמתחת לתאי האפיתל, הם יוצרים מפל אוסמוטי שימשוך אליו מים. מים אלה יכולים להגיע לחלל הנ”ל דרך נקבים שנוצרים ע”י חלבונים שהם חלק מצמתי החיבור. מים יכולים לעבור גם דרך התא עצמו. הם עושים זאת בעקבות חומר מומס כלשהו שעובר דרך הממברנה האפיקלית לתוך הציטוסול ואז עוברים בעקבות המומס דרך תעלות מים (חלבונים ספציפיים) הנמצאים בממברנה הבאזולטראלית אל החלל שמתחת לתא. מעבר אקטיבי של מינרלים דרך התא מאפשר לבע”ח לספוג מינרלים מהמזון אפילו שריכוזם נמוך במעי.

הקיבות הקדמיות במע”ג: מעבר מינרלים דרך האפיתל הקשקשי המרובד (Stratified SquamousEpithelium). בנגוד למעי הדק והגס, שכבת האפיתל של הכרס (rumen), קיבת הכוסות (reticulum)וקיבת העלים (omasum) אינה חד שכבתית, אלא היא אפיתל קשקשי מרובד בעובי של עשרות תאים המסודרים ב-4שכבות. התאים מחוברים בבסיסם לממברנה (Basement membrane) והשכבה הראשונה-Stratum basale-מעוררת את גדילת יתר השכבות. תאים אלה עשירים במיטוכונדריה וברמה גבוה של משאבות  Na/K ATPase בממברנה הבאזולטראלית שלהם. כאשר תאים אלה מתחלקים, הם דוחפים את התאים שמעליהם לכיוון הלומן. השכבה השנייה של תאים בוגרים יותרמכונה Stratum spinosum והשלישית-Stratum granulosum. כאשר תאי השכבה מתבגרים הם הופכים קרניים ומתים ומהווים את השכבה הרביעית והקשוחה -Stratum corneum שמגינה על שאר שכבת המוקוזה שמתחתיה בפני שריטות ונזקים העלולים להיגרם מחלקיקי המזון הגס . תאים מתים אלה אבדו את היכולת לייצר את החלבונים אשר “מדביקים” ומחברים ביניהם צמתי חיבור.למרות שהם מהווים מגן פיזי כנגד שחיקה הם אינם מהווים מחסום כנגד ספיגת מרכיבי המזון המעוכל. ביתר השכבות יש צמתי חיבור בין התאים, ומספרם של חיבורים אלה גדול יותר בשכבה השלישית הקרובה יותר לנוזל הכרס, ומהווים מגן בפני השחיקה של המזון הגס הקשיח .כמו כן, הם גם מגנים בפני מעבר של חיידקי הכרס לכיוון בסיס המוקוזה ל-Lamina Propria. מבנה זה של האפיתל הרב שכבתי עם הרבה צמתי חיבור בכרס נראה כמחסום מאיים בפני ספיגה של מינרלים, במיוחד במנגנון הספיגה בין התאים. אלא שבשלושת השכבות הראשונות (תאים חיים) יש מרווחים ייחודיים – Gap junctions – הנמצאים בין צמתי החיבור. אלה למעשה חלבונים היוצרים תעלות, הרצות מתא לתא ומאפשרות מעבר ליונים ולמולקולות קטנות מהציטוסול של תא אחד למשנהו, בדיפוזיה. המרווחים החלבוניים הנ”ל בין התאים ובין השכבות 1-3, יוצר מבנה של תאים שנקרא Syncytium שבו קבוצת תאים מתנהגים פיזיולוגית כאילו היו תא אחד. המינרלים עוברים אם כן בתעלות הנ”ל בכוח הדיפוזיה עד לממברנה הבסיסית אשר מתחת לשכבה הראשונה. בממברנה זו קיימות משאבות לחילוף יונים שתפקידם להעביר מינרלים מהציטוסול לנוזל החוץ תאי לכיוון נימי הדם. מערכת זו מאפשרת ספיגה, דהיינו, מעבר יונים (וגם חש”נ) באופן יעיל דרך השכבה הרב תאית. ספיגה בין התאים וספיגה דרך התאים. שטח הפנים הכולל של צמתי החיבור הפונה ללומן מהווה רק 0.1% משטח הפנים הפונה ללומן. כלומר שיותר מ-99% משטח הספיגה, משרת מנגנון ספיגה תוך תאית. ספיגה בין תאית של מינרלים בדיפוסיה דרך צמתי החיבור יכולה להיות משמעותית כאשר ריכוז המינרל גבוה במזון. כאשר הריכוז בינוני או נמוך, ספיגה תוך תאית הינה המנגנון העיקרי. בפרסומים הבאים אדון במכניזם של ספיגת כל אחד מהמינרלים במערכת העיכול ובשאר הנושאים שהוזכרו בפתיח.