Регуляция минерального обмена альдостероном
Глава 10. Водно-минеральный обмен
Раздел 1. Значение изучаемой темы
Вода – одно из самых замечательных веществ по своим физико-химическим свойствам. Вода обязательный спутник жизни: нет ни одного известного нам организма, который мог бы обходиться без нее.
Большое количество воды внутри и вне клеток указывает на необходимость ее для процессов жизнедеятельности организма. Функции клеток зависят от общего количества внутриклеточной и внеклеточной воды, от обводнения субклеточных структур, от водного микроокружения макромолекул. Содержание воды в теле человека и распределение ее внутри и вне клеток зависит от возраста. Нарушение водного баланса клеток организма приводит к тяжелым последствиям, вплоть до его гибели.
С обменом воды тесно связан минеральный обмен. Живые организмы содержат чуть ли не все элементы периодической системы. Минеральные вещест-ва вместе с водой создают среду, в которой протекают все обменные процессы в клетках. С минеральными веществами связаны все биоэлектрические и электрофизиологические явления в организме. Минеральные вещества обеспечи-вают осмотическое давление. Они выполняют многие другие функции. Нарушение минерального обмена также приводит к тяжелой патологии.
Все вышеизложенное указывает на необходимость изучения данной темы студентами медицинских вузов.
Раздел 2. Сведения о водно-минеральном обмене
Значение воды
Вода играет важную роль не только как обязательная составная часть всех клеток, но и как среда для протекания химических реакций. Масса воды убывает в зависимости от возраста: у трехмесячного эмбриона содержание воды составляет 96%, к моменту рождения – 76%, у взрослых мужчин воды 60%, у женщин – 50%. Больше всего воды в плазме крови, спинномозговой жидкости, моче, поте, где на ее долю приходится 90%. В сердце, мышцах, легких воды 80%, в костях – 25%, в эмали зуба – 2%.
Функции воды
1. Участие в образовании внутриклеточных структур:
а) гидратная оболочка ионов;
б) гидратная оболочка вокруг белков;
в) вода внутри третичной структуры белков.
2. Участие в транспорте различных веществ. Реализации этой функции способствуют:
а) низкая вязкость;
б) высокая подвижность;
в) высокая растворяющая способность воды.
3. Среда для химических реакций.
4. Вода является участницей химических реакций:
а) гидролиз веществ;
б) реакция гидратации.
5. Вода необходима для выведения продуктов обмена веществ.
6. Участие в теплорегуляции.
7. Входит в состав смазки, то есть облегчает скольжение трущихся поверхностей.
Водный баланс
Водный баланс – это соотношение между водой поступившей и выведенной из организма. Суточная потребность взрослого человека в воде 40 г/кг веса. У грудных детей потребность в воде в 3-4 раза выше.
В организм человека вода поступает:
1. С питьем (0,5-1,7 л).
2. С пищей (0,8 - 1,0 л);
3. Эндогенная вода (это вода, образующаяся в организме в результате окисления веществ, она составляет 0,2 – 0,3 л).
Таким образом, всего в организм поступает 1,5-3,0 л воды. Это количество воды должно полностью компенсировать постоянные потери воды.
Организм теряет воду:
1. С мочой (0,6-1,6 л).
2. С поверхности кожи, с потом (0,5-0,9 л).
3. При дыхании с поверхности легких (0,3-0,5 л).
4. С калом (0,1-0,2 л).
Всего выводится из организма 1,5-3,0 л воды. Если воды поступает больше, чем выводится, говорят о положительном водном балансе. Если выводится больше воды, чем поступает, то говорят об отрицательном водном балансе.
Регуляция воды антидиуретическим гормоном (АДГ)
АДГ (вазопрессин)– это олигопептид (9 аминокислот) с молекулярной массой 1000. Вырабатывается в гипоталамусе, хранится в задней доле гипофиза. Когда осмотическое давление крови увеличивается (например, при обезвоживании или повышенном поступлении соли), выделяется АДГ, который действует на дистальные канальцы и собирательные трубочки почек. Этот эффект АДГ реализуется через цАМФ, который активирует протеинкиназу. Последняя, за счет фосфата АТФ, фосфорилирует белки мембран. В результате проницаемость для воды и ионов калия увеличивается, они возвращаются в кровоток. Диурез уменьшается, что приводит к уменьшению осмотичекого давления, поступление АДГ в кровь прекращается. Если выработка АДГ нарушается, воды из организма выделяется много. Возникает несахарный диабет, который характеризуется полиурией до 4-10 л в сутки. Для лечения используют препараты, изготовленные из высушенного гипофиза (адиурекрин, адиуретин-сд).
Минеральные вещества
Минеральные вещества представлены чрезвычайно широко. Из 92 элементов у человека обнаружен 81 элемент. По содержанию в организме их делят на макроэлементы (от 10-2М и более) и микроэлементы (от 10-3 до 10-5М).
Макроэлементы – это основные структурные элементы. К ним относятся калий, натрий, кальций, магний, хлор и фосфор.
Среди микроэлементов выделяют жизненно необходимые, к которым относятся железо, йод, медь, цинк, кобальт, хром, молибден, марганец, ванадий, никель, селен, мышьяк, фтор, кремний, литий. Основное значение этих элементов – участие в работе ферментов.
Функции минеральных веществ
1. Обеспечивают осмотическое давление.
2. Поддерживают кислотно-основное равновесие.
3. Регулируют активность ферментов:
а) Mg2+ и Mn2+ необходимы для работы дегидрогеназ (ИЦДГ, ПДГ, и др.);
б) К+, Na+ повышают активность АТФ-азы;
в) Fe3+ необходимо для работы цитохромов дыхательной цепи;
г) Cu+ играет важную роль в процессах тканевого дыхания.
4. Участвуют в процессах возбуждения и генерации биотоков.
5. Являются составной частью биологически важных веществ:
а) I2 входит в состав йодтиронинов;
б) Zn входит в состав инсулина;
в) Co входит в состав витамина В12;
г) Fe2+ входит в состав гема.
6. Формирование твердых тканей организма (кальций, фосфор и другие участвуют в минерализации костной ткани).
Натрий
Натрий - главный катион внеклеточной жидкости. Содержание натрия в сыворотке крови составляет 135-147 ммоль/л. Находится в виде хлоридов, фосфатов, бикарбонатов. Суточная потребность 4 – 6 г.
Биологическая роль натрия:
· поддержание осмотического давления (на долю натрия приходится 92% всех компонентов плазмы);
· сохранение кислотно-щелочного равновесия;
· активация транспортной АТФ-азы;
· участие в процессах возбуждения и генерации биотоков;
· увеличение эффектов норадреналина.
Калий
Калий - главный внутриклеточный катион. В клетке содержится 98% калия всего организма. В плазме крови содержится не более 2% от общего количества калия и его концентрация составляет 3,6-5,3 ммоль/л. Суточная потребность у взрослых людей 2 –3 г. В плазме калий находится в ионизированной форме, в тканях одна часть калия свободная, а другая – связана с белками, глюкозой, креатинином и фосфатом.
Калий необходим для:
· поддержания осмотического давления в клетках;
· поддержания кислотно-основного равновесия;
· возникновения и проведения нервного импульса, сокращения клеток;
· усвоения глюкозы и синтеза гликогена;
· синтеза белка;
· образования и освобождения некоторых регуляторов, прежде всего ацетилхолина и цАМФ;
· регуляции освобождения альдостерона из коры надпочечников;
· переноса кислорода гемоглобином в эритроцитах.
Хлор
Хлор – является основным одновалентным анионом, составляет 32% от всех анионов. Суточная потребность у новорожденных составляет 1 г, у детей – 2-4 г, у взрослых – 6-15 г. В плазме крови содержится 100 – 106 ммоль/л хлора.
Очень много хлора выделяется с потом.
Биологическая роль хлора:
· участвует в поддержании осмотического равновесия;
· проникая через мембрану эритроцитов, способствует перемещению ионов между плазмой и эритроцитами. При участии карбоангидразы происходит связывание СО2 в форме бикарбонатов и высвобождение его в капиллярах легких.
· является электростатическим противовесом для катионов водорода и натрия;
· необходим для работы некоторых ферментов (например, амилазы слюны и поджелудочной железы, а также миелопероксидазы фагоцитов).
Регуляция минерального обмена альдостероном
Содержание натрия и калия в организме очень тщательно контролируется. Основную роль в этом контроле выполняет альдостерон. Его выделение регулируется юкстагломерулярным аппаратом почек. В его клетках присутствуют барорецепторы и Na-рецепторы, которые реагируют на уменьшение объема плазмы и снижение концентрации Na+. В результате возбуждения рецепторов в кровь выделяется фермент ренин (специфическая пептидаза), который действует на белок крови – ангиотензиноген, отщепляя от него ангиотензин-I (содержит 10 аминокислот). Ангиотензин-I под действием конвертирующего фермента крови превращается в ангиотензин-II (содержит 8 аминокислот). Ангиотензин-II действует на клубочковую зону коры надпочечников и стимулирует выработку и освобождение альдостерона. Альдостерон действует на дистальные канальцы почек, увеличивает реабсорбцию натрия и снижает реабсорбцию калия. В результате в крови повышается концентрация натрия и снижается концентрация калия. Это первичное действие альдостерона. По электростати-ческим законам за натрием реабсорбируется хлор, а по осмотическим законам – вода. В результате всего этого падает выделение с мочой натрия, хлора и воды. Объем плазмы и содержание в ней этих ионов возрастает, кровенаполнение капилляров увеличивается, юкстагломерулярные клетки сдавливаются и выброс ренина прекращается. Таким образом, замыкается отрицательная обратная связь на кору надпочечников и альдостерон не выделяется.
Регуляция минерального обмена гормонами предсердий
В предсердиях вырабатываются гормоны, названные предсердным натрийуретическим фактором (ПНФ). Это группа белково-пептидных гормонов, которая образуется из одного белкового предшественника путем ограниченного протеолиза. Секрецию ПНФ усиливают ацетилхолин (через М-рецепторы), адреналин (через α1-адренорецепторы), вазопрессин (через V-рецепторы). Посредником в действии ПНФ является цГМФ.
Предсердный натрийуретический фактор:
а) увеличивает экскрецию и снижает реабсорбцию натрия и хлора, мало влияет на транспорт калия;
б) тормозит выработку альдостерона и кортикостерона, снижает чувствительность клубочковой зоны коры надпочечников к ангиотензину-II и АКТГ;
в) расслабляет гладкую мускулатуру, расширяет сосуды. Обладает гипотензивным действием.
Кальций
Кальцийодин из пяти (кислород, углерод, водород, хлор, кальций) наиболее распространенных элементов, встречающихся в организме животных и человека (в организме человека содержится 1,5 – 2 кг). Суточная потребность кальция для взрослых мужчин равна 1,1 г/сут, для женщин - 0,9 г/сут, потребность для детей колеблется в пределах 0,36-0,9 г/сутки в зависимости от возраста. 99% кальция находится в костях и зубах.
Всасывание кальция в ЖКТ в кровь составляет 0,3 г/сут. При повышении потребления кальция, всасывание его уменьшается. Наиболее интенсивно кальций всасывается в двенадцатиперстной и тонкой кишках; низкожировая диета приводит к снижению усвоения элемента, а увеличение уровня холестерина сопровождается усилением поглощения кальция.
Содержание кальция в плазме крови составляет 2,2-2,74 ммоль/л. В организме кальций находится в трех состояниях: 1) ионизированный кальций (40-50%); 2) кальций, связанный с белками (35-40%), 3) в виде комплексных соединений (12-20%). Физиологической активностью обладает только ион кальция, при щелочных значениях рН его количество уменьшается. Сдвиг реакции крови в кислую сторону ведет к нарастанию уровня Са2+.
Биологическая роль кальция:
· участвует в свертывании крови;
· необходим для мышечного сокращения, в том числе и миокарда;
· необходим для минерализации костей;
· притормаживает нервную систему;
· является посредником в действии гормонов и в этом качестве участвует:
а) в регуляции внутриклеточного метаболизма: увеличивает потребление кислорода, стимулирует распад гликогена, активирует липолиз и другие процессы;
б) стимуляции деления клеток;
в) стимуляции секреции желез как экзокринных (слюнные, поджелудочная), так и эндокринных (гипофиз, надпочечники, поджелудочная);
г) агрегации тромбоцитов.
С действием кальция на проницаемость клеточных мембран связаны противовоспалительный, дегидратационный, десенсибилизирующий, дезинтоксика-ционный, вяжущий, гемостатический и тонизирующий эффекты.
В регуляции кальциевого обмена принимают участие паратгормон (гормон паращитовидных желез), тиреокальцитонин (гормон щитовидной железы) и витамин D.
Паратгормон (паратирин) является белково-пептидным гормоном, состоит из одной полипептидной цепи (84 аминокислоты), имеет молекулярную массу 9500. Паратгормон в почках усиливает реабсорбцию Са2+ и Mg2+, но снижает реабсорбцию фосфата. В костях паратгормон стимулирует остеокласты и способствует выведению кальция из костей. В ЖКТ паратгормон усиливает всасывание кальция и фосфора. Таким образом, паратгормон увеличивает концентрацию кальция в крови. Аналогичным образом концентрацию кальция регулирует витамин Д. В почках витамин Д стимулирует реабсорбцию кальция и фосфора. Этим действие витамина Д отличается от действия паратгормона.
Тиреокальцитонин является белково-пептидным гормоном, с молекулярной массой 3600. Усиливает отложение фосфорно-кальциевых солей на коллагеновую матрицу костей. Тиреокальцитонин, как и паратгормон, усиливает фосфатурию.
Гиперкальциемия проявляется полиурией, рвотой, астенией, адинамией, нарушением сердечного ритма. В тяжелых случаях может наступить гибель организма от почечной недостаточности в связи с нефросклерозом или остановкой сердца.
Фосфор
В организме взрослого человека содержится 500-800 г фосфора, что составляет 1% от массы тела. 80-88% его находится в скелете, 10-15% - в соединительной ткани и только около 1% или менее во внеклеточной жидкости. В организме человека фосфор существует в органической и неорганической формах.
У взрослых нормальная концентрация неорганического фосфора составляет 0,87-1,45 ммоль/л, у новорожденных - 1,13-2,78 ммоль/л. В пожилом и старческом возрасте эти показатели снижены (0,74-1,20 ммоль/л у мужчин и 0,90-1,32 ммоль/л у женщин).
Биологическая роль.
Фосфаты участвуют:
· в метаболизме углеводов;
· в хранении и переносе энергии, необходимой для синтетических и метаболических процессов;
· регуляции транспорта кислорода;
· являются составной частью нуклеиновых кислот, фосфопротеинов, фосфолипидов клеточных мембран;
· регулируют активность большого количества ферментов;
· фосфат важен для структурной целостности клеток;
· соединяясь с кальцием, фосфат образует нерастворимые соли, необходимые для образования костей;
· является частью буферных систем крови;
· участвуют в процессах иммунитета и свертывании крови.
Магний
В среднем в организме человека содержится 21-28 г магния, более половины (53%) - в костях и тканях с высокой метаболической активностью, таких как мышцы, мозг, сердце, печень, почки. Во внеклеточном пространстве находится около 1% от общего количества магния; 0,5% сосредоточено в эритроцитах и 0,3% - в плазме. Средняя суточная потребность организма для поддержания нормального баланса магния составляет от 6 до 8 мг/кг. Источники магния - орех, овес, зелень, мясо.
Концентрация общего магния крови составляет 0,7-1,0 ммоль/л. Нормальные значения ионизированного магния варьируют от 0,3 до 0,45 ммоль/л.
Биологическая роль:
· магний является кофактором более 300 ферментативных реакций;
· комплекс Mg2+-АТФ обеспечивает работу К+-Nа+-насоса клеточных мембран, активирует аденилат- и гуанилатциклазу, гексо-, креатин-, фосфофрукто- и протеинкиназу, участвуя, таким образом, практически во всех обменных процессах организма, таких как окислительное фосфорилирование, изменение проницаемости плазматических мембран за счет регуляции работы калиевых и кальциевых каналов, поддержание устойчивости митохондрий, нуклеиновых кислот и рибосомальных комплексов, сосудистого тонуса, нормального функционирования центральной и периферической нервной системы, нервно-мышечной проводимости и сократимости миокарда;
· магний оказывает выраженное ингибиторное действие на образование тромба.
Цинк
Потребность в цинке составляет 10-15 мг, беременным и кормящим требуется на 5 мг больше. Источники - продукты животного происхождения (мясо, печень, почки, яйца, молоко), много цинка в морских продуктах; практически не содержится в огурцах и фруктах.
Биологическая роль:
· цинку принадлежит важная роль в процессах биосинтеза белка;
· входит в состав ферментов (алкогольдегидрогеназа, РНК-полимераза);
· необходим для активации более двухсот различных процессов.
Марганец
Потребность в марганце точно не установлена. Содержание этого элемента в продуктах питания достаточно для удовлетворения потребностей организма. Много марганца в печени и почках. Содержание в крови составляет 0,03-0,05 мкмоль/л.
Биологическая роль
Марганец необходим:
· для развития скелета;
· в реакциях иммунитета;
· в кроветворении;
· в репродуктивной функции;
· в активации многих ферментативных процессов (реакциях гликолиза, цикла Кребса);
· как антиоксидант;
· для гликозилирования белков.
Медь
Источники - мясо, морские продукты, грецкие орехи. Не содержат медь молочные продукты. Суточная потребность 2,5-5 мг.
Содержание в крови составляет 11-24 мкмоль/л. Наибольшее количество меди в крови находится в белке церулоплазмине, который синтезируется в печени.
Биологическая роль:
· входит в состав оксидаз (аскорбатоксидаза, цитохромоксидаза);
· участвует в процессах окислительного фосфорилирования, метаболизме жирных кислот;
· необходима для развития соединительной ткани (синтезе коллагена, эластина), кровеносных сосудов;
· обладает антиоксидантным действием;
· необходима для кроветворения. Поэтому, если ребенок долго находится на грудном вскармливании, у него может развиться анемия.
Селен
Селен-один из микроэлементов, особенно важный для функционирования сердца, почек, печени.
Источники селена: растения (зерновые культуры, лук, чеснок), грибы, рыба и другие. Суточная потребность от 40 до 400 мкг. Потребление менее 11 мкг в сутки может привести к патологии. В организме человека содержится 3-20 мг.
Биологическая роль селена:
· Необходим для работы глутатионпероксидазы, которая замедляет перекисные процессы.
· Регулирует метаболизм витаминов А и Е, замедляя их распад и, тем самым, снижая потребность в них. Вместе с витамином Е участвует в процессах тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.
· Необходим для работы оксидаз, обладающих смешанной микросомальной функцией.
При дефиците селена в организме наблюдается усиление перекисного окисления липидов и развитие дистрофических процессов в клетках, создаются благоприятные условия для развития таких заболеваний, как миокардиодистрофия, атеросклероз, стенокардия, инфаркт миокарда. Эти заболевания чаще наблюдаются в географических районах с низким содержанием селена в питьевой воде и почве и поддерживаются дефицитом природных антиоксидантов (токоферолов, витаминов С, А, РР, К и лимонной кислоты), серусодержащих аминокислот.
Железо
Железо - необходимо для нормального функционирования любых биологических систем. В организме человека содержится 4-4,5 г железа. Весь пул железа можно разделить на клеточное и внеклеточное. Запасной формой железа является белок ферритин, транспортной - трансферрин.
Биологическая роль:
· участвует в процессах тканевого дыхания - входит в состав цитохромов;
· входит в состав гема гемоглобина и миоглобина, каталазы и пероксидазы;
· принимает участие в процессах митоза, клеточного и неспецифического иммунитета, в процессах биосинтеза коллагена и ДНК;
· обладает антиоксидантным действием.
Содержание железа в плазме здорового человека составляет 12,5-30,4 мкмоль/л.
Рекомендуемая литература
1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф., Биологическая химия, 1990, стр. 449-452, 475-478.
2. Строев Е.А., Биологическая химия, 1986, стр. 386-387, 394-395,404.
3. Николаев А.Я., Биологическая химия, 1989, стр.358-365.
4. Лекции.