Водно-минеральный обмен

Для нормальной жизнедеятельности организма, наряду с белками, жирами, углеводами, витаминами, необходимо поступление воды и минеральных веществ, которые являются также незаменимыми факторами питания.

Вода и растворенные в ней вещества, в том числе минеральные, создают внутреннюю среду организма, кроме того, минеральные вещества входят в состав тканевых структур и придают им характерные свойства.

Биохимическая значимость воды определяется ее химическими и физическими свойствами, обусловленными строением воды. Вода:

1. Основной растворитель органических и неорганических веществ, метаболизирующихся в организме, участвует в химических реакциях организма;

2. Основа внутриклеточного обмена, и также внутренней среды организма – крови, лимфы, тканевой жидкости, осуществляющая гуморальную связь между клетками и частями организма;

3. Характеризуется высокой теплоемкостью, поэтому является хорошим теплоизолятором;

4. Обладает высокой величиной теплоты парообразования, ее испарение даже в небольших количествах гарантирует большую теплоотдачу;

5. Имеет высокую теплопроводность, вследствие чего в тканях и внутренней среде организма быстро выравнивается температура;

6. Выполняет структурную функцию, участвует в организации биологических мембран, поддерживает функциональную активность белков.

Суточная потребность в воде – 1500 мл, таковы же и потери с потом, калом, мочой, выдыхаемым воздухом. Потребность обеспечивается поступлением из вне (питьевая и пищевая вода) и за счет тканевого дыхания (до 300 мл – метаболическая вода). Содержание воды зависит от возраста, степени упитанности, функционального состояния организма. Различные ткани и органы отличаются по содержанию воды. Печень, мозг, кожа содержат 70% воды, мышцы, сердце – 76-80%, кости и жировая ткань содержат наименьший процент воды.

Регуляция водного обмена осуществляется антидиуретическим гормоном (АДГ, вазопрессин) и реннин-ангиотензиновой системой (РАС). Нарушение водного обмена приводит к серьезной патологии (гипергидратации или дегидратации тканей).

Всем без исключения организмам абсолютно необходимы С, Н, N, О, Р и S. Более 96 % органической массы приходится на долю четырех элементов - водорода, кислорода, углерода и азота и почти 4% - на долю семи так называемых макроэлементов: кальция, фосфора, натрия, серы, калия, хлора и магния. Среди важнейших микроэлементов выделяют железо, кобальт, медь, цинк, хром, молибден, марганец, фтор, йод и селен.

Минеральные вещества поступают в организм с пищевыми продуктами и водой. Дополнительно человек употребляет только поваренную соль. Большинство солей легко всасываются в кишечнике и поступают в кровь, тканевые жидкости и ткани. Некоторые ионы задерживаются определенными тканями, являющимися их депо. Например, NaCl – в коже, Fe, Cu, Co, Mn – в печени, I – в щитовидной железе, K в мышцах, Ca, P, Mg, F – в костной ткани.

В крови минеральные вещества находятся либо в связанном с белками состоянии – транспортная неактивная форма, либо в ионизированном состоянии – активная форма, а также в виде солей, например, в костной ткани.

Минеральные вещества имеют большое значение для функционирования организма. Они используются как пластический материал в образовании костной ткани, построении клеточных мембран, влияют на проницаемость клеточных мембран и сосудов, определяют многие химические и физические свойства биологических жидкостей (осмотическое давление, буферные свойства и др.), участвуют в нервно-мышечном возбуждении, входят в состав биологически активных веществ.

Суточная потребность в минеральных веществах незначительна и близка к потребности в витаминах. В организме человека около 65 минеральных элементов.

Макроэлементы(кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, натрий, калий, магний, сера, магний, железо) содержаться в сравнительно больших количествах в организме(в концентрации от 0.001% до 70%).

Натрий – основной катион внеклеточного отдела, играет главную роль в поддержании осмотического давления и сохранения кислотно-щелочного состояния, которое определяется тем, что натрий входит в состав буферных систем, в частности обеспечивает щелочной резерв крови – концентрацию бикарбоната плазмы. Натрий участвует в возникновении и поддержании электрохимического потенциала, влияет на процессы нервной деятельности, на состояние мышечной и сердечно-сосудистой системы, на способность внутритканевых коллоидов к набуханию, активирует ряд ферментов (амилазу, транспортную АТФазу).

У здорового человека содержание натрия в плазме колеблется от 135 до 150 ммоль/л. Главная роль в поддержании гомеостаза натрия в плазме крови принадлежит почкам. Гормон, задерживающий натрий в организме – альдостерон. Он усиливает реабсорбцию натрия в почечных канальцах.

Гипонатриемия наступает вследствие недостаточного поступления натрия в организма (бессолевая диета), при обильном пототделении, тяжелых длительных рвотах, острой и хронической надпочечниковой недостаточности (снижении секреции альдостерона), избыточном выведении натрия почками, избыточном поступлении воды в организм или задержке ее в организме (сердечная недостаточность). Гипернатриемия может возникнуть при олигоурии или анурии любого происхождения, гиперпродукции коры надпочечников (синдром Кушинга, первичный альдостеронизм), вследствие приема большого количества лекарственных средств (кортикостероидов, АКТГ), при парентеральном введении гипертонического раствора натрия или в результате ограничения приема жидкости.

Калий– основной катион внутриклеточной жидкости. Содержание калия в сыворотке крови – 4-5,5 ммоль/л. Физиологическая роль калия в организме обусловлена участием К⁺ в создании электро-химического потенциала на клеточной мембране. Встроенная в плазматическую мембрану клетки Na⁺, К⁺-АТФаза (Na⁺, К⁺-насос) осуществляет сопряженный с гидролизом АТФ активный выброс Na⁺ из клетки и закачивание К⁺ в клетку: транспорт калия и натрия через клеточную мембрану лежит в основе возникновения процесса возбуждения мышечной и нервной ткани.

Ионы К⁺ обладают выраженной биологической активностью и участвуют в регуляции функций сердца, нервной системы, скелетной и гладкой мускулатуры, участвует в биосинтезе гликогена, поддержании осмотического давления и кислотно-щелочного состояния (буферные системы).

Гипокалиемия возникает при недостаточном приеме калия с пищей; усиленном выделении калия с мочой (гиперфункция коры надпочечников и передней доли гипофиза); усиленной секреции АДГ; алкалозе; гиперсекреции (введении) АКТГ, альдостерона.

Гиперкалиемия наблюдается при повышенном распаде клеток и тканей; нарушении выделения калия с мочой; обезвоживании; анафилактическом шоке.

Кальций – внеклеточный катион. Содержание кальция в плазме (сыворотке) крови человека, весьма тонко регулируемая биологическая константа, колеблется в пределах 2,25-2,5 ммоль/л. Физиологическая роль кальция сводится к тому, что он:

· основа минерального компонента костей и зубов;

· необходим для свертывания крови (фактор IV);

· играет роль в стабилизации клеточных мембран;

· участвует в механизмах синаптической передачи;

· участвует в нервно-мышечной проводимости и мышечном сокращении;

· является вторичным посредником в действии гормонов;

· регулирует активность многих ферментов (АТФазы, сукцинатдегидрогеназы, щелочной фосфатазы, а-амилазы, липазы, фосфолипазы, нуклеазы);

· ограниченно участвует в поддержании осмотического давления;

· активатор мембранных фосфолипаз и перекисного окисления липидов клеточных мембран, которые вызывают деструкцию мембран и гибель клеток.

Большая часть кальция (около 99 %) находится в костной ткани и зубах. Общий кальций крови включает три фракции: белок-связанный, ультрафильтрующийся (ионизированный) и неионизированный (в составе пирофосфата, сульфата и фосфата). В регуляции кальциевого обмена участвуют:

1. Паратгормон – активирует мобилизацию кальция из костной ткани, усиливает канальцевую реабсобцию кальция и тормозит ребсорбцию фосфата.

2. Кальцитонин – обеспечивает депонирование кальция в костной ткани.

3. Активная форма витамина D₃ – 1,25-дегидроксихолекальцеферол - в слизистой кишечника способствует превращению белка предшественника в кальций-связывающий белок, который участвует во всасывании кальция из кишечника.

Гипокальциемия наблюдается при гипофункции паращитовидных желез; нарушении всасывания или повышенном выведение кальция при нарушениях переваривания и всасывания; дефиците витамина D или резистентности к нему при рахите; нарушении образования кальцитонина. Гиперкальциемия возникает при приобретенной повышенной чувствительности к витамину D; гиперпаратиреоидизме; повышенном всасывании кальция; снижении выделения кальция с мочой.

Магний. Содержание магния в сыворотке крови составляет от 0,74 до 1,23 ммоль/л. Во внеклеточном сегменте содержится в меньших количествах по сравнению с внутриклеточной жидкостью (примерно в 10 раз). Депонируется магний, главным образом, в коже и мышцах, а выводится через желудочно-кишечный тракт от 40 до 80 %. Магний имеет большое значение для нормальной жизнедеятельности, т.к. входит в состав многих ферментных систем (биосинтеза белка, ассоциации рибосом), активирует ацил-КоА-синтетазу, фосфорилазу, обеспечивает гликолиз, циклы Кребса и мочевинообразования, принимает участие в нервно-мышечной возбудимости; в виде фосфата и бикарбоната входит в состав костной ткани; является антагонистом кальция.

Повышение концентрации магния в крови происходит при ануриях, хронической почечной недостаточности, гипотиреозе. Снижение концентрация магния в крови наблюдается при раковых опухолях, хронической сердечной недостаточности, острой и хронической почечной недостаточности, гипертиреозе.

Фосфор. Содержание фосфатов в плазме крови 0,8-2 ммоль/л, в клетках крови примерно в 30-40 раз выше, чем в плазме.

Фосфат крови и костной ткани находится в состоянии динамического равновесия – при снижении содержания фосфатов в плазме они переходят в кровь из костей и наоборот.

Биологическая роль:

- входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых килот, фосфолипидов, фосфопротеидов, витаминов, коферментов и т.д.;

- фосфорилирование и дефосфорилирование биомолекул является одним из механизмов активации и инактивирования;

- присоединения фосфата к АДФ – основа процесса окислительного фосфорилирования;

- анионы НРО₄^2- и Н₂РО₄^- представляют фосфатную буферную систему, которая участвует в регуляции кислотно-щелочного равновесия;

- анионы фосфата – главные минеральные компоненты скелета.

Гиперфосфатемия наблюдается при гиперпаратиреоидизме; гипервитаминозе D; поражении почек. Гипофосфатемия сопровождает диабетический кетоацидоз; гиповитаминоз D; нарушения реабсорбции фосфатов и др.

Хлор. Содержание хлора в сыворотке крови – 45-110 ммоль/л. В организме он находится в ионизированном состоянии в виде солей натрия, калия, кальция, магния и др. Играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия (между плазмой и эритроцитами), осмотического давления (между кровью и тканями) и баланса воды в организме, активирует ферменты (амилазу). Соляная кислота входит в состав желудочного сока, участвует в переваривании белковой пищи. Хлор – важнейший анион внеклеточного пространства. В регуляции обмена хлора принимает участие щитовидная железа: при недостаточной функции ее происходит задержка хлора и натрия и развивается микседема.

Сера в организме находится, преимущественно, в составе сложных органических соединений. Сера теснейшим образом связана с белковым, углеводным и липидным обменом. В составе аминокислот метионина, цистеина и цистина сера входит в состав различных белков, стабилизируя их структуру дисульфидными связями. Кроме того, сера является одним из липотропных факторов, принимает участие в биосинтезе фосфолипидов, предотвращая жировую инфильтрацию печени. С углеводами сера связана в форме гликозаминогликанов (основа соединительной ткани), является составной частью липидов нервной ткани - сфинголипидов. Сера входит в состав гормонов (инсулина), витаминов (биотина, тиамина, липоевой кислоты), коэнзима А, глутатиона, ФАФС.

Микроэлементы- железо, медь, марганец, цинк, фтор, молибден, иод и др. содержаться в организме в низких концентрациях (10^-3-10^-5 % весовых процентов,не превышают 1 мкг на грамм веса живой ткани), Биологическая рольмикроэлементовопределяется участием практически во всех видах обмена веществ: они являются кофакторами многих ферментов, компонентами витаминов, гормонов, участвуют в процессах кроветворения, роста, размножения и дифференцировки, стабилизации клеточных мембран, тканевом дыхании, иммунных реакциях и многих других процессах, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность.

Железо содержится в организме 3,5 –4,2 г, в сыворотке крови – 11,64-31,34 мкмоль/л. Суточная потребность в железе – 15 мг. Снижение содержания железа в пище до 5-6 мг приводит к малокровию, т.к. снижается синтез гемоглобина; избыток железа в организме вызывает гемохроматоз. Во всасывании железа участвует апоферритин, белок крови трансферрин регулирует количество железа в сыворотке крови. Депонируется железо в форме ферритина (резервная форма). Железо выделяется в основном через кишечник и в незначительном количестве с мочой.

Функции железосодержащих биомолекул:

1. Транспорт электронов - цитохромы а,b,c; железопротеиды – сукцинатдегидрогеназа (СДГ), дегидрогеназа электронпереносящего белка, НАДН-дегидрогеназа и др.

2. Транспорт и депонирование кислорода (миоглобин, гемоглобин).

3. Участие в формировании активных центров окислительно-восстановительных ферментов: пероксидазы, каталазы, лактороксидазы (в слюнных, слезных, гарднеровых железах – концентрирует йод, окисление иодидов), тиреопероксидаза (биосинтез йодтиронинов).

4. Транспорт и депонирование железа (трансферрин, ферритин, лактоферрин, гемосидерин, гастроферрин).

Медь участвует в биохимических процессах как составная часть электронпереносящих белков, осуществляющих реакции окисления органических субстратов молекулярным кислородом. Находясь в составе церулоплазмина (белок, обладающий ферментативной активностью, транспортирует медь по крови), медь участвует в переводе железа из двухвалентного в трехвалентное состояние, ускоряя образование трансферрина, и таким образом, участвует в кроветворении. Ферменты, содержащие медь:

- аминоксидаза и др. (окисление первичных аминов);

- супероксиддисмутаза (СОД); тирозиназа;

- цитохром-с-оксидаза;

- церулоплазмин – обладает активностю ферроксидазы, аминноксидазы, СОД, участвует в гомеостазе меди, играет роль реактанта острой фазы в воспалительных процессах, защищает липидные мембраны от перекисного окисления.

Цинк играет важную роль в обмене белков, кроветворении и окислительно-восстановительных процесса. Цинку принадлежит важная роль в синтезе белка и нуклеиновых кислот. Он присутствует во всех 20 изученных в настоящее время нуклеотидилтрансферазах, необходим для стабилизации структуры ДНК, РНК и рибосом, играет важную роль в процессе трансляции, развитии скелета и процесса кальцификации, стабилизирует клеточные мембраны. Он входит в состав инсулина, усиливает активность половых гормонов. Ферменты, содержащие цинк: алкогольдегидрогеназа; супероксиддисмутаза (СОД); карбоксипептидаза А, В; щелочная фосфатаза; карбоангидраза.

Марганец активирует биологическое окисление, в ряде биологических реакциях действует как окислитель и активирует ряд ферментов, принимающих участие в углеводном обмене. Ферменты, содержащие марганец: аргиназа; пируваткарбиксилаза. Ферменты, активируемые марганцем: мевалонаткиназа; РНК-полимераза; ДНК-полимераза; галактозилтрансфераза; щелочная фосфатаза; кислая фосфатаза; фосфоенолпируват-карбоксикиназа; глутаминсинтетаза. Марганец необходим для нормальной секреции инсулина.

Хромусиливает действие инсулина во всех метаболических процессах, регулируемых этим гормоном. Прочно связывается с нуклеиновыми кислотами и защищает их от денатурации. Способен замещать йод в тиреоидных гормонах.