Минеральные вещества – макро- и микроэлементы

Минеральные вещества выполняют в нашем организме многообразные функции. В качестве структурных элементов они входят в состав костей, содержатся во многих ферментах, катализирующих обмен веществ в организме. Минеральные вещества обнаружены в гормонах (например, йод в составе гормонов щитовидной железы).

Общеизвестна роль железа, входящего в состав гемоглобина крови. При его участии происходит транспортировка кислорода. Минеральные вещества активизируют некоторые процессы, участвуют в регуляции кислотно-щелочного равновесия в крови и других органах. Натрий и калий принимают участие в транспортировке различных веществ в клетку, обеспечивая этим ее функционирование. Важную роль выполняют минеральные вещества (калий, кальций, натрий и магний) в регуляции функции сердечной и скелетных мышц.

Достаточно высокое и постоянное содержание в биологических жидкостях солей, в первую очередь солей калия и натрия, способствует сохранению в клетке воды, что важно для ее нормального функционирования и сохранения формы.

Потребность организма в различных минеральных веществах колеблется в широких пределах. Наиболее высока потребность в натрии.Часть этого элемента поступает с продуктами: поваренной соли в суточной норме хлеба для здоровых мужчин содержится 3,5 г и 3-5 г добавляется в пищу при ее приготовлении. Таким образом, за сутки потребляется 10-15 г поваренной соли. Этого количества вполне достаточно для обеспечения потребности организма в натрии. Обычно хлористого натрия (поваренной соли) потребляется больше, чем необходимо.

Соль добавляют в целях возбуждения аппетита, широко используются продукты, консервированные с добавлением соли. Повышенное потребление поваренной соли нежелательно, так как это приводит к возникновению жажды, повышению водопотребления и задержке воды в организме. Систематический избыток в рационе поваренной соли, как показали научные исследования, способствует повышению частоты возникновения гипертонической болезни.

Другой минеральный элемент, калий, содержится почти во всех продуктах, потребность в нем оценивается примерно в 4-6 г в сутки. В обычном наборе продуктов содержится 5-6 г калия, более половины которого поступает с овощами и фруктами, в том числе с картофелем примерно 2 г. Поставщиками калия являются хлеб и крупы, а также продукты животного происхождения. Калий — важный клеточный элемент, в отличие от натрия он не способствует задержке воды в организме. Существенной функцией калия является его участие в регуляции возбудимости мышц, прежде всего сердечной мышцы. Недостаток калия может приводить к возникновению судорожных сокращений скелетных мышц, снижению сократимости сердечной мышцы и нарушению ритма сердечной деятельности.

При обосновании более высокого содержания калия в наборе продуктов необходимо принять во внимание специфические особенности его обмена в организме. Под воздействием нервно-эмоционального напряжения и специфических гормональных сдвигов у спортсменов происходит повышенный выход калия из клеток в кровь и потеря его с мочой. При систематически повторяющихся периодах нервно-эмоционального напряжения в организме может возникнуть дефицит калия. Овощи — основной источник калия, поэтому включение овощей в суточный рацион обязательно для всех. Иногда для компенсации дефицита калия используют его соли.

Кальций — один из основных элементов нашего организма. Потребность в этом элементе сравнительно невелика — около 0,8 г в сутки. Кальций играет определенную роль в регуляции возбудимости нервной системы, в механизме мышечного сокращения, свертываемости крови. В стандартном наборе продуктов для приготовления пищи предусмотрено содержание около 1,2 г кальция, преимущественно в продуктах животного происхождения. Солей кальция содержится много в молочных продуктах: молоке, твороге, сыре. На их долю приходится больше 60% кальция из набора продуктов. Содержащийся в молочных продуктах кальций хорошо усваивается, из других продуктов он усваивается хуже. При повышенном содержании жира в рационе усвоение кальция снижается. Некоторые другие пищевые вещества (щавелевая кислота, фитин) также нарушают его обмен.

Большое значение имеет содержание в пище фосфора, а также его соотношение с кальцием. Оптимальное соотношение между кальцием и фосфором — 1 : (1,5-2,0), при котором оба элемента усваиваются лучше. Основное количество фосфора организма содержится в костях. Важнейшие макроэргические соединения (АТФ, креатинфосфат и др.), являющиеся аккумуляторами энергии для обеспечения всех функций организма, содержат фосфор. Он входит также в состав многих других веществ — белков-катализаторов, нуклеиновых кислот и др. Потребность взрослого человека в фосфоре составляет 1,2 г в сутки. Фосфор содержится практически во всех пищевых продуктах. Из продуктов животного происхождения фосфор усваивается лучше, чем из продуктов растительного происхождения, однако его содержание в последних довольно высоко, поэтому зерновые продукты и овощи являются хорошими поставщиками фосфора. С хлебом и изделиями из теста поступает около 0,6 г фосфора, с крупами и макаронными изделиями — 0,25 г; в овощах стандартного рациона содержится около 0,33 г фосфора.

Из общего количества фосфора более половины поступает с продуктами животного происхождения. Высокое потребление органического фосфора; (главным образом в виде лецитина) является одним из факторов, предотвращающих возникновение значительных нарушений липидного обмена и нормализующих обмен холестерина.

Минеральный обмен и потребность в минеральных веществах взаимосвязаны. Особенно отчетливо это установлено в отношении кальция, фосфора и магния. Магний принимает участие в регуляции возбудимости нервной системы, сокращении мышц. Магния требуется меньше чем кальция, их оптимальным соотношением в рационе считается 0,6:1. Потребность в магнии взрослого человека составляет примерно 0,4 г в сутки. Основными источниками этого элемента являются хлеб и крупы, на долю которых приходится половина всего магния, поэтому крупы и хлеб в определенных количествах входят в состав суточного рациона. В овощах содержится 0,14 г магния. В продуктах животного происхождения магния меньше (0,12 г).

Здесь и далее содержание элементов приводится на 100 г съедобной части продукта

Микроэлементы — большая группа химических веществ, которые присутствуют в организме человека и животных в низких концентрациях, выражаемых в микрограммах на 1 г массы тканей. Эти концентрации в десятки и сотни раз ниже концентраций так называемых макроэлементов (кальций, фосфор, калий, натрий, магний, хлор, сера). Микроэлементы оказывают выраженное взаимное влияние, связанное с их взаимодействием на уровне абсорбции в желудочно-кишечном тракте, транспорта и участия в различных метаболических реакциях. В частности, избыток одного микроэлемента может вызвать дефицит другого. В связи с этим особое значение приобретает тщательная сбалансированность пищевых рационов по их микроэлементному составу, причем всякое отклонение от оптимальных соотношений между отдельными микроэлементами может вести к развитию серьезных патологических сдвигов в организме.

При недостаточном поступлении минеральных компонентов организм может в течение некоторого времени восполнять создавшийся дефицит путем мобилизации их из тканевых депо, а при избыточном поступлении — повышением выведения.

Тканевые депо организма обладают мощными резервами макроэлементов (кальций, магний — костная ткань, калий — мышцы, натрий — кожа и подкожная клетчатка), тогда как резервы микроэлементов в тканях незначительны. Этим и объясняются низкие адаптационные возможности организма к дефициту микроэлементов в пище.

В работах российских ученых (В. Я. Русин, В. В. Насолодин) убедительно показано, что обмен важнейших микроэлементов интенсифицируется при серьезных физических нагрузках, а это значит, что и потребность в них у спортсменов значительно выше по сравнению с другими группами населения.

Наиболее изученным из микроэлементов является железо. Потребность в нем организма невелика: 10 мг в сутки для мужчин и 18 мг для женщин. Железо содержится в хлебе (10,0 мг), овощах (10,5 мг), мясе, рыбе, птице (по 7,4 мг). С другими продуктами (крупы, молоко, сыр, творог) железа поступает мало (около 1,3 мг). За норму принимается усвоение железа из рациона в пределах 10%. Хотя в продуктах животного происхождения содержится меньше железа, усваивается оно лучше. Повышенное содержание железа в рационе может гарантировать от нежелательных нарушений функции кроветворных органов. Избыток железа легко выводится из организма.

Вопросы обеспеченности организма железом занимают одно из центральных мест в общей проблеме адекватного питания, что обусловлено, с одной стороны, специфической ролью железа, а с другой — тем обстоятельством, что железодефицитные состояния — один из наиболее распространенных видов пищевой недостаточности даже в высокоразвитых странах.

Результаты научных исследований, полученные в последние 10-15 лет, значительно расширили наши представления о значимости железа, что заставляет во многом по-новому решать такие практические вопросы, как оценка ферростатуса спортсменов, организация профилактических и лечебных мероприятий при выявлении дефицита железа, разработка новых высококачественных лекарственных форм железа и др.

Особый интерес эта проблема представляет для спортивной практики, поскольку между уровнем обеспеченности организма железом и физической работоспособностью установлена прямая связь. Определяется она участием железа, прежде всего, в аэробном метаболизме на уровне по меньшей мере четырех его звеньев:

- транспорта кислорода крови гемоглобином,

- транспорта и депонирования кислорода в мышце миоглобином,

- транспорта электронов в дыхательной цепи цитохромами и цитохром-оксидазой,

- активности ряда НАД-зависимых дегидрогеназ и сукцинатдегидрогеназы.

В случае недостатка железа в организме страдают все звенья аэробного метаболизма, но в первую очередь — система тканевого дыхания, что обусловлено очень высокой скоростью обновления гемосодержащих ферментов, в частности цитохромов. Это обстоятельство дает основание утверждать, что нарушения метаболизма, обусловленные дефицитом железа на уровне тканей, могут иметь более серьезные биохимические и физиологические последствия для проявления максимальной физической работоспособности, чем гематологические.

Опасность развития железодефицитных состояний у активно тренирующихся спортсменов достаточно высока, что обусловлено причинами как экзогенного, так и эндогенного характера. На фоне очень больших физических и нервно-эмоциональных напряжений, во-первых, значительно возрастают естественные потери железа из организма через желудочно-кишечный тракт, почки и особенно через кожу с потом, во-вторых, повышается адаптивный синтез железосодержащих белков — гемоглобина, миоглобина, цитохромов, железо-зависимых дегидрогеназ.

Повышение потребности организма в железе далеко не всегда удается удовлетворить за счет железа пищи. В таких ситуациях единственной возможностью обеспечения высокого уровня функционирования железо-зависимых систем аэробного обмена является перераспределение общего пула железа, В первую очередь, за счет резервного, а затем — тканевого железа других железо-зависимых систем. К числу последних в настоящее время относят иммунную систему, системы коллагенообразования, детоксикации ксенобиотиков (включая лекарственные препараты), инактивации биологически активных веществ, а также системы обмена липидов и нейромедиаторов.

В тесной связи с обменом железа в организме человека находится другой микроэлемент — медь, содержание которой в среднем составляет 75-150 мг. Медь обнаружена во многих органах, наиболее высока ее концентрация в печени, мозге, сердце и почках. Основное количество меди (около 50%) содержится, однако, в мышечной и костной тканях. Печень содержит 10% от общего количества меди в организме.

Медь участвует в построении ряда ферментов и белков. Велика роль меди в обеспечении физиологических и биохимических процессов при физических нагрузках. Она связана с участием этого микроэлемента в регуляции процессов биологического окисления и генерации АТФ, в синтезе важнейших соединительно-тканных белков (коллагена и эластина) и в метаболизме железа.

Медь — кроветворный микроэлемент, активно участвующий в синтезе гемоглобина и образовании других железопорфиринов. Функция меди в синтезе гемоглобина тесно связана с функцией железа. Медь необходима для превращения поступающего с пищей железа в органически связанную форму, а также для стимуляции созревания ретикулоцитов и превращения их в эритроциты. Кроме того, она способствует переносу железа в костный мозг.

Суточная потребность в меди составляет около 80 мкг/кг для детей раннего возраста, 40 мкг/кг — для более старших детей и 30 мкг/кг — для взрослых. Среди продуктов питания содержание меди наиболее высоко в печени, а также в продуктах моря, зернобобовых, гречневой и овсяной крупе, орехах и очень низко в молоке и молочных продуктах.

В организме взрослого человека содержится достаточно большое количество (2-3 г) цинка. Основная часть цинка сосредоточена в костях и коже. Уровень цинка наиболее высок в сперме и предстательной железе. Достаточно высока его концентрация также в костях и волосах; во внутренних органах она значительно меньше. Цинк находится в органах и тканях преимущественно в органически связанной форме в виде легко диссоциирующих соединений с белком.

Биологическая роль цинка определяется его необходимостью для нормального роста, развития и полового созревания, поддержания репродуктивной функции, для кроветворения, вкусовосприятия и обоняния, нормального течения процессов заживления ран и др. Цинк необходим для нормальной функции гипофиза, поджелудочной железы, семенных и предстательных желез.

Цинк воздействует на активность гормонов гипофиза, надпочечников и поджелудочной железы. Под влиянием его соединений усиливается активность гонадотропных гормонов гипофиза. Установлено участие цинка в реализации биологического действия инсулина: имеются данные, свидетельствующие, что гипогликемическое действие инсулина зависит от цинка, который постоянно присутствует в инсулине. Цинк обладает липотропными свойствами, нормализуя жировой обмен, повышая интенсивность распада жиров в организме и предотвращая ожирение печени.

Такая активная роль цинка в регуляции обмена углеводов и жиров определяет его высокую значимость в питании спортсменов и физкультурников, особенно при нагрузках аэробного характера, и лиц, страдающих избыточной массой тела и диабетом.

С пищей взрослый человек должен получать 10-22 мг цинка в сутки, беременные женщины — 10-30 мг, кормящие женщины — 13-54 мг. Наибольшая потребность в цинке появляется в период интенсивного роста и полового созревания, а также при физических нагрузках. Основные пищевые источники цинка: мясо, птица, твердые сыры, а также зернобобовые и некоторые крупы. Высок уровень цинка в креветках и орехах. Молоко и молочные продукты бедны цинком.

В организме взрослого человека содержится 12-20 мг марганца. Его уровень особенно высок в мозге, печени, почках, поджелудочной железе.

Марганец необходим для нормального роста, поддержания репродуктивной функции, процессов остеогенеза, нормального метаболизма соединительной ткани. Он участвует также в регуляции углеводного и липидного обмена, активно стимулирует биосинтез холестерина. Введение марганца оказывает гипогликемизирующее действие. В крови и тканях больных сахарным диабетом концентрация марганца снижена. Предполагают, что марганец участвует в процессах синтеза или метаболизма инсулина.

Важной стороной биологического действия марганца являются его липотропные свойства. Он предупреждает ожирение печени и способствует общей утилизации жира в организме. Марганец тесно связан также с процессами синтеза белка и нуклеиновых кислот. Установлена связь этого микроэлемента с функцией эндокринных систем, его влияние на половые железы, половое развитие и размножение.

Достоверные сведения о физиологической потребности человека в марганце отсутствуют. Предполагают, что минимальная суточная потребность взрослого человека в марганце составляет 2-3 мг, а рекомендуемый уровень его потребления — 5-10 мг. Наиболее характерным симптомом дефицита марганца служит выраженная гипохолестеринемия, а также похудание, дерматит, тошнота, рвота. Марганец стимулирует процессы роста. Проявлением марганцевой недостаточности служит задержка роста. Таким образом становится ясно, что адекватное потребностям количество марганца в пище очень важно при силовых, развивающих физических нагрузках, особенно у юношей.

Содержание хрома в организме взрослого человека меньше, чем многих других микроэлементов, и составляет лишь 6-12 мг. Значительное (до 2 мг) количество хрома сконцентрировано в коже, а также в костях и мышцах. С возрастом содержание хрома в организме в отличие от других микроэлементов прогрессивно снижается.

Хром участвует в регуляции углеводного и липидного обмена, в поддержании нормальной толерантности к глюкозе. Заметна его роль в регуляции метаболизма холестерина. Введение хрома пациентам в ряде случаев вызывает выраженное снижение уровня холестерина в крови.

Хром является активатором ряда ферментов (фосфоглюкомутазы, трипсина и др.). Очень высокое содержание хрома обнаружено в некоторых нуклео-протеидных фракциях, однако роль хрома в метаболизме нуклеиновых кислот остается неясной.

Хром содержится в продуктах питания в довольно низких концентрациях. При обычном смешанном питании он поступает в организм в количестве, лишь незначительно превышающем нижнюю границу физиологической потребности взрослых людей в данном микроэлементе. При несбалансированном построении пищевых рационов, однообразном питании довольно быстро возникает относительная недостаточность хрома. С продуктами питания человек должен получать 200-250 мкг хрома в сутки. Содержание хрома наиболее высоко в говяжьей печени, в мясе, птице, зернобобовых, перловой крупе, ржаной обойной муке. Наиболее высокой биологической активностью хрома отличаются пекарские дрожжи, печень, пшеничная мука грубого помола.

Наравне с цинком, марганцем, медью и железом хром является ценнейшим микроэлементом в питании спортсменов при длительных аэробных нагрузках, когда роль углеводов и жиров в энергообеспечении организма сущетвенно возрастает, особенно в соревновательный период.

В организме взрослого человека содержится 20-50 мг йода, из которых около 8 мг сконцентрировано в щитовидной железе. Йод, содержащийся в воде и пи-щевых продуктах в виде неорганических йодидов, быстро всасывается в кишечнике.

Йод — единственный из известных в настоящее время микроэлементов, играющих активную роль в биосинтезе гормонов. Он участвует в образовании гормона щитовидной железы — тироксина. До 90% циркулирующего в крови органического йода приходится на долю тироксина. Этот гормон контролирует состояние энергетического обмена, интенсивность основного обмена и уровень теплопродукции. Он активно воздействует на физическое и психическое развитие, дифференцировку и созревание тканей, участвует в регуляции функционального состояния центральной нервной системы и эмоционального тонуса человека, влияет на деятельность сердечно-сосудистой системы и печени. Тироксин взаимодействует с другими железами внутренней секреции (в особенности с гипофизом и половыми железами), оказывает выраженное влияние на водно-солевой обмен, обмен белков, липидов и углеводов, усиливая метаболические процессы в организме.

Недостаточность йода у человека приводит к развитию эндемического зоба, что свидетельствует о нарушении синтеза тироксина и угнетении функции щитовидной железы. Это заболевание имеет типично эндемический характер и возникает лишь в тех местностях (биогеохимических провинциях), где содержание йода в почве, воде и местных пищевых продуктах заметно снижено.

По данным отдельных исследований, возникновение заболевания связано с уровнем содержания в почве и местных пищевых продуктах марганца, фтора, кобальта и других микроэлементов, а также кальция и фосфора. Большое значение в распространении зоба имеют общая неполноценность питания и недостаточность в пищевом рационе белка, жира и др.

В районах йодной недостаточности эндемическим зобом в наибольшей степени поражаются дети школьного возраста, юноши и девушки в период полового созревания, у которых происходит перестройка эндокринной системы.

В современных социально-экономических условиях, когда применение сложных, дорогих минеральных удобрений, содержащих микроэлементы и йод в том числе, резко снижено, упало и содержание йода в продуктах питания, особенно в континентальных регионах.

Йод распространен в природе неравномерно. Наибольшие его количества сконцентрированы в морской воде, в воздухе и почве приморских районов, где и отмечается наиболее высокое содержание йода в местных растительных продуктах (зерновые, овощи, картофель, фрукты) и в продуктах животного происхождения (мясо, молоко, яйца). По мере удаления от моря содержание йода во внешней среде постепенно снижается. Наименьшим содержанием йода во внешней среде отличаются горные районы, где вода, почва, воздух и местные пищевые продукты крайне обеднены йодом. Физиологическая потребность в йоде составляет 100-150 мкг в сутки.

Содержание йода в одних и тех же продуктах значительно колеблется в зависимости от его концентрации в почве и воде в данной местности. Исключительно высоко содержание йода в морских водорослях (до 160-800 мг/100 г в сухой ламинарии, 200-220 мг/100 г в сухой морской капусте). Большое количество йода обнаружено в морской рыбе и продуктах моря. Содержание йода в мясе, молочных продуктах составляет в среднем около 7-16 мкг/100 г съедобной части.
Хранение и кулинарная обработка пищевых продуктов ведут к значительным потерям (до 65%) йода. При использовании йодированной соли для приготовления блюд потери при тепловой обработке составляют 22-60%.

Физиологическая роль фтора значительна в костеобразовании и процессах формирования дентина и зубной эмали. Достаточное потребление человеком фтора необходимо для предотвращения кариеса зубов и остеопороза. Фтор неравномерно распределен в организме. Его концентрация в зубах составляет 246-560 мг/кг, в костях — 200-490 мг/кг, а в мышцах не превышает 2-3 мг/кг. Фтор играет также важную роль в костеобразовании и нормализует фосфорно-кальциевый обмен. С возрастом количество фтора в организме (главным образом в костях) увеличивается. Отложение фтора в зубной эмали происходит в основном в детском возрасте в процессе формирования и роста постоянных зубов.

Суточная потребность во фторе точно не установлена. Для организма в равной мере неблагоприятны как избыток, так и недостаток поступления фтора, оптимум потребления фтора очень ограничен. Избыточное поступление в организм фтора вызывает развитие флюороза, проявляющегося крапчатостью зубной эмали. Флюороз — эндемическое заболевание, возникающее в тех местностях, где содержание фтора в воде превышает 2 мг/л. Содержание фтора в такой воде может быть уменьшено с помощью особой обработки воды в ионообменниках, обеспечивающей ее дефторирование. Недостаточное поступление фтора в организм приводит к поражению зубов, выражающемуся в интенсивном развитии зубного кариеса.

Кобальт — один из важнейших микроэлементов, участвующих в кроветворении. Он задействован в процессах образования эритроцитов и гемоглобина и таким образом стимулирует кроветворение. Кобальт является основным исходным материалом при эндогенном синтезе в организме витамина В12. В наибольшем количестве кобальт содержится в поджелудочной железе. По-видимому, он связан с функцией этой железы и участвует в образовании инсулина. Удовлетворение потребности организма в витамине В12 происходит наряду с поступлением его в составе пищи еще и за счет синтеза кишечной микрофлорой из кобальта, также поступающего с пищей.

Кобальт распространен в природных пищевых продуктах в небольших количествах, однако при смешанном рационе питания его оказывается достаточно, чтобы удовлетворить потребность организма. Этот микроэлемент содержится в воде (речная, озерная, морская), в морских растениях, в организме рыб и животных. Потребность организма в кобальте еще не установлена (ориентировочно 100-200 мкг/сут).

Биологическая роль никеля выяснена недостаточно. В его биологическом действии отмечается много общего с кобальтом в отношении стимулирования процессов кроветворения. Никель содержится в больших количествах в растительных продуктах, произрастающих на почвах «никелевых» районов, в морской, речной и озерной воде, в организме наземных и большинства морских животных и рыб. Особенно много его в печени, поджелудочной железе и гипофизе. Потребность в никеле не установлена.

Основное биологическое значение стронция заключается в построении костных тканей, в которых его содержание составляет 0,024% в пересчете на золу.

В таблице 7 приведено содержание, метаболические характеристики и потребности человека в минеральных веществах.