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.