Возрастные изменения минерального и органического компонентов костной ткани

Возрастной период	Компонентный состав
Н2О	Органические вещества	Минеральные соли
Дети	20%	30-35%	40-45%
Взрослые	10%	20%	70%

Минеральные соли придают костной ткани прочность, жесткость. Как повышенное, так и пониженное содержание минеральных солей в костной ткани снижает ее прочностные характеристики. У детей недостаточная минерализация костной ткани затрудняет рост трубчатых костей, приводит к их искривлению. Недостаточная минерализация оказывает отрицательное влияние на прочность костной ткани и в зрелом возрасте.

При избыточном содержании минеральных солей костная ткань становится хрупкой, значительно снижается ее прочность.

Содержание и роль ионов в организме человека

Растворимые в воде кислоты и соли находятся в организме в ионизированном виде. Из катионов наиболее высоко содержание ионов Nа⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Fе³⁺, Fe²⁺. В значительно меньших количествах содержатся ионы Zn²⁺, Ni²⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Cd²⁺, Ba²⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Mo²⁺ и некоторых других металлов. Из-за невысокого содержания в организме эти ионы называют микроэлементами.

Из анионов наиболее широко представлены кислотные остатки угольной, соляной и фосфорной кислот. В значительно меньших количествах содержится анион серной кислоты.

Ионы могут находиться как в свободном, так и в связанном состоянии в составе различных соединений организма. Функции свободных и связанных ионов различны. Ионы определяют осмотическое давление биологических жидкостей, создают электрический потенциал клеточных мембран, обеспечивают формирование и передачу нервных импульсов, выступают в роли активаторов, кофакторов или составных частей ферментов и других биологически активных соединений.

Остановимся более подробно на содержании и роли в организме отдельных ионов.

Ионы кальция.Ионы кальция содержатся как в крови, так и в клетках организма. Содержание Са²⁺ в крови составляет приблизительно 5,7 мг% (5,7 мг на 100 мл крови). Он неравномерно распределен между плазмой и форменными элементами. Эритроциты содержат его приблизительно 1,0 мг%, лейкоциты – около 4,0-5,0 мг%. В плазме крови концентрация кальция заметно выше.

Часть содержащихся в крови ионов кальция прочно связана с белками. Значительная часть кальция представлена ионизированными солями: бикарбонатами, фосфатами, цитратами. Наиболее физиологически активными являются свободные ионы Са²⁺, на долю которых приходится около половины всего кальция крови.

В клетках организма кальций локализован главным образом в митохондриях, саркоплазматическом ретикулуме и рибосомах.

Ионы кальция активируют фагоцитарную функцию лейкоцитов, повышают сопротивляемость организма к инфекциям и интоксикациям, снижают проницаемость капилляров и тем самым оказывают противовоспалительное и противоаллергическое действие. Они нормализует возбудимость периферической нервной системы, стимулируют деятельность симпатической нервной системы. Очень важную роль ионы кальция играют в сопряжении возбуждения с сокращением в сердечной и скелетной мышцах.

Указанным не ограничивается роль ионов кальция в организме. Они входят в состав клеточных мембран, обеспечивая их стабилизацию, участвуют в синаптической передаче нервных импульсов, являются регуляторами активности многих ферментов. Ионы кальция необходимы для осуществления деятельности ряда эндокринных желез (гипофиза, надпочечников), желез пищеварительной системы. Они принимают активное участие в процессах свертывания крови.

Ионы Nа⁺ и К⁺. Значение ионов натрия в организме чрезвычайно велико. Ионы Nа⁺ являются основными ионами плазмы крови и внеклеточной жидкости. Они играет важную роль в поддержании водного баланса организма человека. Содержание ионов натрия в организме определяет объем жидкости (воды) и всякое нарушение в его обмене немедленно приводит к перераспределению, задержке или потере воды.

Концентрация ионов натрия в жидких средах организма, является фактором, влияющим на активность некорых ферментов, в частности, ферментов анаэробных превращений углеводов, а также ферментов, обеспечивающих накопление энергии в макроэргических фосфатных соединениях.

Недостаток натрия приводит к ряду нарушений в организме: обезвоживаются ткани, нарушается кровообращение, теряется аппетит, понижаются умственные способности. Все эти нарушения в большинстве случаев обусловлены не нехваткой поваренной соли (главного источника натрия и хлора для организма) в пище, а большими ее потерями при некоторых состояниях и заболеваниях: рвоте, поносах, чрезмерном потоотделении.

Ионы натрия выполняют важные функции по поддержанию кислотно-щелочного равновесия в организме. Это их действие проявляется, в частности, в почках. В почечных канальцах происходит реабсорбция ионов натрия в обмен на секретируемый ион водорода. Таким образом, обеспечивается сохранение постоянства рН при образовании кислых метаболитов и сбережение ионов натрия в организме. Эта способность у почек столь высока, что соотношение концентраций ионов водорода в моче и крови может доходить до 800:1.

Поскольку главным источником натрия для организма является поваренная соль, обычно говорят о потребности в поваренной соли, а не в натрии. У взрослого человека потребность в поваренной соли составляет 4-5 г в сутки. Повышение потребности в поваренной соли может быть связано с некоторыми заболеваниями, а также усиленным потоотделением, при котором теряется много ионов натрия. Это обуславливает повышенную потребность в поваренной соли у спортсменов. Особенно высока потребность в поваренной соли у лиц, занимающихся видами спорта, в которых тренировочная и соревновательная деятельность связана с обильным потоотделением.

В противоположность натрию, ионы калия содержатся в основном в клетках органов и тканей. Общее количество калия в организме человека массой 70 кг составляет около 140 г. Из этого количества только около 25 г находится во внеклеточном пространстве. Наиболее высоко содержание ионов калия в эритроцитах, мышечных волокнах, клетках печени.

Большая часть внутриклеточного калия связана с белками, углеводами, фосфатами, креатинфосфатом. Многие протекающие в организме процессы синтеза требуют присутствия ионов калия. Так, калий принимает участие в синтезе гликогена. При усилении гликонеогенеза в печени и мышцах наблюдается снижение концентрации свободных ионов калия. Напротив, при интенсивном распаде гликогена, например, при напряженной мышечной работе, концентрация свободных ионов калия заметно возрастает.

Связывание ионов калия наблюдается при синтезе белка, АТФ, креатинфосфата. Так, при синтезе каждых 2г белка связывается приблизительно 1 мэкв ионов калия. При дефиците калия в организме нарушается синтез этих соединений.

Калий принимает активное участие в передаче нервного импульса в синаптических образованиях, он участвует в синтезе ацетилхолина – медиатора нервного возбуждения. Наряду с ионами натрия калий принимает участие в поляризации клеточной мембраны и возбуждении клетки, в обеспечении мышечного сокращения.

Ионы калия принимают участие в регуляции сердечной деятельности. Сердце очень чувствительно к колебаниям концентрации калия в крови. Он обладает также сосудорасширяющим действием.

Ионы магния. Общее количество магния в теле человека массой 70 кг составляет около 14,4 г. Наиболее высоко содержание магния в костной ткани, где он находится в виде фосфорнокислых, углекислых и фтористых солей. Зола костей содержит до 1,5% магния. В костной ткани содержится некоторое количество растворимых в воде солей магния, благодаря чему создается его своеобразное организменное депо. Дефицит солей магния в костной ткани вызывает задержку их роста в длину и толщину.

Магний входит в состав крови, мышц, печени, почек, и других органов и тканей, выполняя там разнообразные и важные функции. Он является активатором целого ряда ферментов: холинэстеразы, фосфоглюкомутазы, пирофосфатазы, аргиназы, карбоксилазы, кишечной дипептидазы. Магний необходим при синтезе ацетилхолина, для протекания гликолиза, при синтезе белков, образовании и расщеплении АТФ. Он принимает участие в мышечном сокращении, регуляции сердечной деятельности. Многочисленными исследованиями показана обратная зависимость между смертностью от сердечных заболеваний и содержанием ионизированного магния в организме, а также в питьевой воде как основном источнике магния для организма.

Кроме уже указанных, магний выполняет в организме человека и другие функции, а его дефицит или избыток может быть причиной серьезных расстройств. Так, магний необходим для всасывания продуктов пищеварения в желудочно-кишечном тракте. Однако, избыток магния снижает скорость всасывания некоторых из них, в частности жирных кислот из-за образования нерастворимых комплексов с ними.

Недостаток магния приводит к значительному изменению минерального состава клеток, к увеличению концентрации триглицеридов в крови, жировой инфильтрации печени, кальцификации кровеносных сосудов и снижению в них содержания эластина. Недостаток магния вызывает некрозы и очаги кальцификации в миокарде, гиперемию слизистой глаз, носа, ротовой полости, выпадение волос, судороги и в конечном итоге может привести к гибели организма.

Ионы хлора. Содержание хлора в организме человека массой 70 кг составляет около 88,7 г. Ионы хлора являются основными анионами плазмы крови, на их долю приходится около 75% от общего количества анионов в крови. Как и ионы натрия, ионы хлора участвуют в поддержании осмотического давления плазмы крови и других биологических жидкостей. В связи с этим содержание воды в организме и отдельных органах и тканях в значительной мере определяется концентрацией ионов хлора. Избыток ионов хлора сопровождается повышенным содержанием воды, дефицит – приводит к потере воды.

Ионы хлора принимают участие в дезинтоксикации организма, связывая токсичные продукты обмена. В частности, они участвуют в удалении из организма через почки аммиака и ионов водорода. Часть аммиака, образующегося в клетках организма в процессе дезаминирования аминокислот и других азотосодержащих соединений, доставляется в почки глютаминовой или аспарагиновой кислотами. Там он отщепляется от указанных аминокислот и соединяется с ионами хлора и водорода с образованием хлористого аммония (NH₄Cl), который устраняется из организма с мочой. Одновременно происходит связывание и вывод из организма ионов водорода, что обеспечивает поддержание кислотно-щелочного баланса организма. Реакция протекает по уравнению:

NН₃ + Н⁺ + Сl¯ → NH₄Cl

Хлор поступает в организм преимущественно в соединении с натрием (в составе поваренной соли). Указанная ранее потребность в поваренной соли удовлетворяет потребность организма человека как в натрии, так и в хлоре.

Микроэлементы. Кроме указанных выше, в организме человека в небольших концентрациях (не превышающих 0,001%) содержится еще ряд ионов. К их числу относятся: Fe²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Mo²⁺, Co²⁺, J‾ и некоторые другие. Из-за невысокого содержания в организме их принято называть микроэлементами. Функции микроэлементов в организме человека разнообразны, хотя роль некоторых из них еще недостаточно изучена. Остановимся на роли некоторых микроэлементов.

Ионы железа входят в состав гемоглобина крови и миоглобина, содержащегося в мышечной ткани, других тканях и органах. Ионы Fе²⁺ принимают участие в доставке кислорода к тканям, обеспечении его перехода из крови в ткани и депонировании в них. Кроме того, ион железа входит в состав ферментов аэробного окисления (цитохромов), а также каталазы, фермента, расщепляющего образующуюся в процессах биологического окисления перекись водорода.

Напряженная мышечная деятельность сопровождается значительным усилением энергетического обмена и, следовательно, усилением распада участвующих в его обеспечении железосодержащих соединений, усилением обмена железа в целом. В тоже время степень усвоения железа из продуктов питания очень низкая. В результате в период напряженных тренировок могут возникнуть железодефицитные состояния организма и необходимость использования в качестве дополнительных факторов питания препаратов, содержащих соединения железа.

Ионы цинка входят в состав ряда ферментов, участвующих как в реакциях синтеза, так и в катаболических процессах. Они необходимы для процессов передачи генетической информации в клетке, для синтеза гемоглобина. Ионы цинка участвуют в стабилизации структуры некоторых макромолекул, процессах роста организма, деятельности иммунной системы, процессах заживления ран, развития мозга у плода, стимулируют гормональную функцию поджелудочной железы.

Ионы марганца принимают участие в обмене глюкозаминогликанов, входящих в состав соединительной ткани, глюкозы, гликогена, липидов. Особенно важную роль они играют в обмене веществ в головном мозге. При недостатке марганца нарушается обмен веществ в соединительной ткани, головном мозге, снижается скорость синтеза гликогена.

Механизм действия ионов марганца во многом еще не ясен, пока четко показана только его роль в качестве кофактора ряда ферментов, в частности, гликозилтрансфераз.

Кобальт принимает участие в эритропоэзе (синтезе гемоглобина) и регуляции обмена железа в организме. Немаловажную роль он играет в регуляции содержания липидов в крови и некоторых реакций обмена веществ, протекающих в сердце, нервной ткани, стенках желудочно-кишечного тракта.

Важные функции выполняют в организме ионы меди, никеля, хрома и других микроэлементов. Так, медь принимает участие в образовании флавопротеидов и цитохромоксидазы – ферментов энергетического обмена, оказывает активирующее влияние на гликолиз. Некоторые микроэлементы являются неотъемлемой частью не только ферментов, но и гормонов. Так, иод является структурным компонентом гормонов щитовидной железы: тироксина и трииодтиронина.