Минеральные вещества.

Все минеральные вещества в зависимости от их концентрации подразделяются на макро- и микроэлементы.

Макроэлементы. К ним относят те минеральные вещества, содержание которых превышает 50 мг/кг массы тела. Прежде всего, это «классические электролиты» – натрий и калий (об обмене этих катионов см. гл. «Водный обмен»), а также кальций, магний, фосфат, хлорид, сульфат.

Микроэлементы. Содержание этих «следовых» элементов – менее 50 мг/кг массы тела. К микроэлементам относят также и железо, хотя его концентрация превышает указанную величину.

По своему биологическому значению минеральные вещества можно разделить на: незаменимые, не являющиеся незаменимыми, токсичные.

Функция минеральных веществ:

• поддержка электролитного баланса

• поддержка определённого осмотического давления

• создание определённых условий растворимости

• участие в механизмах возбудимости

• влияние на обменные процессы путём активирования или ингибирования ферментов

• минерализация костей скелета и зубов.

Макроэлементы

Электролиты важны для поддержания фундаментальных клеточных функций. В здоровом организме поддерживается постоянство электролитного состава. Концентрация электролитов внутри клетки и во внеклеточном пространстве существенно различаются:

КАТИОНЫ	Плазма (ммоль/л)	Клетка (ммоль/л)
Na+	142	10
K+	4	155
Ca++	2,5	<0,001 (cвободный Сa++)
Mg++	0,9	15
АНИОНЫ
Cl-	102	8
HCO3 -	25	10
HPO4 2-	1	65 (вкл. органич. фосфат)
SO4-	0,5	10

Кальций

Большая часть кальция в организме находится в связанной форме - в виде Са-апатита костной ткани.

Общее содержание кальция в плазме крови - 2,0-2,5 ммоль/л. Половина этого количества приходится на ионизированный (диффузионный) кальций, способный проходить через клеточные мембраны. Кальций, связанный с белка­ми крови, называется недиффузионным и он не способен проникать в клетки. Небольшая часть кальция плазмы крови находится в составе цитратов и фосфа­тов. Регулируется уровень кальция в крови гормонами-антагонистами: паратирином и тиреокальцитонином (механизм действия этих гормонов см. в гл. Гор­моны), а также витамином D.

Концентрация Са²⁺ в цитозоле клетки составляет 0,1-10 мкмоль/л, в кальцисомах (мембраны эдоплазматического ретикулума) и митохондриях - на порядок больше. Внутриклеточный гомеостаз кальция жестко регулируется.

Роль кальция в организме.

Соли кальция составляют основу скелета и зубов. Ионы кальция прини­мают участие в многочисленных процессах, определяющих метаболизм клетки. Они регулируют нервно-мышечную возбудимость, сократительную и секретор­ную активности, проницаемость клеточных мембран, адгезию и рост клеток. Са²⁺ активирует процесс свёртывания крови.

Всасывание кальция и выведение из организма.

Кальций всасывается из кишечника в кровь с помощью специального Са^2л-связывающего протеина, синтезируемого слизистой кишечника. Этот бе­лок осуществляет свою функцию совместно с Са²⁺ -зависимой АТФ-азой. Сти­мулятором синтеза Са²⁺-связывающего протеина является 1,25-дигидрокси-холекальциферол (кальцитриол).

Усвоению кальция способствует белок пищи, лактоза, лимонная кислота. Затрудняют его всасывание фитиновая кислота (её много в зерновых растени­ях), а также жиры и щавелевая кислота, образующие с кальцием нерастворимые, плохо всасывающиеся соли. Избыточное содержание неорганических фосфатов в пище также затрудняет всасывание Са²⁺ .

Выводится кальций преимущественно через кишечник, 15% выделяется через почки, незначительная часть - со слюной. Выраженной способностью секретировать кальций обладает лактирующая молочная железа.

Регуляция внутриклеточного обмена кальция.

Поступление кальция в клетку регулируется нейрогормональными сигналами, одни из которых увеличивают скорость вхождения Са ⁺ в клетку из межклеточного пространства, другие - высвобождение иона из внутриклеточных депо. Поскольку действие многих нестероидных гормонов на клетку опосредуется кальцием, этот элемент, наряду с циклическими нуклеотидами, счи­тается вторичным посредником в реализации механизма действия гормонов.

Из внеклеточного пространства Са²⁺ попадает в клетку через кальциевый канал. Этот интегративный белок состоит из 5 субъединиц, одна из которых яв­ляется собственно каналом - водной порой, образуемой гидрофильными амино­кислотами. Другая представляет собой воротный механизм, открывающийся при деполяризации клетки (при поступлении Са²⁺). Отдельная субъединица на­зывается метаболическими воротами, которые способны фосфорилироваться и дефосфорилироваться. Фосфорилирование осуществляется цАМФ-зависимой протеинкиназой А - следовательно, кальциевый канал активируется гормона-

ми, механизм действия которых реализуется через цАМФ. Дефосфорилирование, т.е. инактивация канала, катализируется цитоплазматической фосфата-зой (фермент состоит из 2-х субъединиц: а (61кДа) связывает калмодулин, Р (19 кДа) - Са²⁺, после присоединения калмодулина фосфатаза активируется).

В плазматической мембране клеток имеется ещё один кальциевый канал - лиганд-регулнруемый кальциевый канал (его лигандами являются внеклеточ­ная АТФ, цАДФ-рибоза, лейкотриены).

Высвобождение Са²⁺ из внутриклеточных депо является достаточно сложным процессом. Вначале, в ответ на нейрогормональный стимул, активи­руется фосфолипаза С. Этот фермент гидролизует минорный фосфолипид плазматической мембраны ФИФ2 (фосфатидилинозитол-4,5- бифосфат) на ДАТ (диацшглицерол) и ИТФ (инозитол-1,4,5-трифосфат).бифосфат) (диацшглицерол)

Эффект ИТФ и ДАТ синергичен (рис.14.1): ИТФ присоединяется к специ­фическому рецептору кальцисомы; конформационные изменения рецептора влекут за собой открытие ворот, запиравших канал для прохождения Са²⁺ из кальцисомы; высвободившийся из депо кальций связывается с протеинкина-зой С ДАГ повышает активность этой Са-зависимой протеинкиназы С.

Протеинкиназа С фосфосфорилирует различные белки (ферменты), из­меняя тем самым их активность. Через фосфатидилинозитольный каскад опосредуются многие метаболические эффекты, например, гликогенолиз в печё­ночных клетках, высвобождение серотонина и агрегация тромбоцитов, выброс гистамина из тучных клеток, сокращение гладких мышц.

Рис. 14.1. Высвобождение Са⁺⁺ из внутриклеточных депо.

Ионы кальция, поступившие в клетку извне или высвободившиеся из внутриклеточных депо, действуют 2 путями:

1. непосредственно связывают отрицательно заряженные группы на поверхности мембран, изменяя тем самым их полярность и возбуди­мость; кроме того, Са⁺⁺ может реагировать с отрицательно заряжен­ными группами белков, изменяя их конформацию и свойства (на­пример, связывая СОО" группы у-карбокси-глутаминовой кислоты в составе факторов свёртывающей системы крови)

2. реализовать свой эффект с участием калмодулина. Калмодулин является частью множества Са⁺⁺ - связывающих белков. Его мо­лекулярная масса = 17000

Калмодулин имеет 2 высокоаффинных Са⁺⁺ -связывающих участка на каждом из своих двух глобулярных доменов. Эти участки формируют почти со­вмещающиеся спиралъ-петля-спиралъ структуры, называемые EF-рукой. EF-рука - типичная пространственная организация сайтов (участков) связывания кальция во многих Са-связывающих белках.

При повышение концентрации Са²⁺ в клетке связывание иона с калмодулином сопровождается конформационной перестройкой последнего, приво­дящей к способности комплекса Са-калмодулин модулировать (отсюда такое название - «калмодулин») активность множества внутриклеточных бел­ков: киназу лёгкой цепи миозина, киназу фосфорилазы, мультикиназу II, акти­вирующую, в свою очередь, путём фосфорилирования ферменты синтеза угле­водов (гликогенсинтазу), жирных кислот (ацетил-КоА-карбоксилазу), холестерола (ГМГ-КоА-редуктазу), фосфолипазу А₂, эпидермальный фактор роста, ас­социацию микротубулина.

Выход кальция из клетки. Этот процесс осуществляется в основном 2 -мя внутриклеточными механизмами: Са⁺⁺-АТФ-азой и Na⁺-Са⁺⁺-антипортом.

Са-АТФ-аза активируется Са-калмодулиновым комплексом. Связыва­ние кальция этим ферментом и транспорт иона через плазматическую мембрану в межклеточное пространство требует затраты энер­гии:

Следовательно, процесс саморегуляции внутриклеточного гомеостаза Са⁺⁺ осуществляется по принципу обратной связи: выход ионов кальция в цитозоль клетки активирует калмодулин, а образовавшийся Са-калмодулиновый комплекс, активируя многочисленные ферменты, одновремен­но устраняет избыток кальция, ускоряя его выведение за счет активации Са⁺⁺-АТФ-азы.

Na⁺-Са⁺⁺- антипорт.. Способность клетки освобождаться от кальция связана также с функционированием Nа⁺/К⁺-АТФ-азы: поступление Na⁺ в клет­ку включает в работу механизм, ответственный за выход из неё кальция.

Нарушения обмена кальция.

Недостаток кальция. Недостаток кальция приводит к развитию одного из самых распространённых заболеваний на земле - остеопорозу. В настоящее время им страдает более 200 млн. человек, из них 25 млн. имеют переломы кос­тей. Количество женщин, умирающих от осложнений остеопороза, превышает их смертность от всех видов рака. Остеопороз характеризуется уменьшением массы и ухудшением микроархитектуры костной ткани, вследствие чего кости становятся хрупкими. У мужчин потеря массы кости начинает преобладать над остеосинтезом примерно с середины третьего десятилетия жизни, составляя 0,3-0,5% в год; у женщин она выше, особенно в период менопаузы (до 2-3% в год). Чем лучше был сформирован скелет в юности, тем позже проявляется остеопо-роз. Поэтому профилактика заболевания должна начинаться до 25-30 лет. Мак­симально возможно замедляют процесс потери костной ткани достаточно высо­кое содержание в диете кальция и белка, а также витамина Д.

Дефицит кальция в пище или гиповитаминоз Д приводят к гипокалъциемии. В ответ на низкий уровень кальция в сыворотке крови увеличивается сек­реция паратирина. Этот гормон стимулирует образование активной формы ви­тамина Д - 1,25-Дз (тогда как низкий уровень паратирина - неактивную форму витамина - 24,25-Дз). 1,25-Дз абсолютно необходим для всасывания кальция из кишечника. Паратирин и!,25-Дз действуют синергично, стимулируя активность остебластов и образование кости, а также увеличивая реабсорбцию кальция в дистальных канальцах почек. Когда содержание кальция и витамина Д в пище достаточное, декальцинации кости не происходит. Однако если содержание кальция в диете низкое, паратирин и 1,25-Дз будут причиной деминерализации кости - потеря костной массы является компенсаторной реакцией организма, способствующей поддержанию необходимого уровня кальция в крови. Дефицит витамина Д также приводит к деминерализации кости за счёт повышения секре­ции паратирина (недостаток витамина Д → снижение уровня кальция в крови → выброс паратирина), это явление называется вторичным гиперпаратиреоидизмом.

Почечный остеопороз. Почечная недостаточность приводит к неспособ­ности образования 1,25-Д₃, необходимого для процесса всасывания кальция из кишечника, поэтому источником сывороточного кальция станет кость. Кроме того, при недостатке активной формы витамина Д нарушается реабсорбции кальция почками, что сопровождается развитием гиперфосфатемии (вспомним, что в крови соотношение Са/Р - величина постоянная). Гиперфосфатемия и гипокальциемия стимулируют секрецию паратирина, что приводит к возрас­танию потерь кальция костной тканью. При этом усиление декальцинации костей и увеличение их хрупкости одновременно будет сопровождаться кальцификацией мягких тканей (метастатическая калъцификация вследствие свя­зывания кальция избытком фосфатов и образования водорастворимых фосфорнокальциевых солей, легко диффундирующих в различные ткани). В этом слу­чае простое назначение высоких доз витамина Д (вызывающих гиперкальциемию) без терапии связывания фосфатов антацидами только бы усилило мета­статическую кальцификацию, т.е. поражение почек, аорты и т.д., а также обра­зованию камней в почках и желчном пузыре.

Гипокалъциемия в детском возрасте, обусловленная чаще всего гипови­таминозом Д и недостаточным потреблением молочных продуктов (основного источника кальция) приводит к заболеванию рахитом, т.е. остеомаляции - раз­мягчению костей.

Типичным симптомом недостатка кальция в организме в любом возрас­те является развитие кариеса, непроизвольные подергивания, вплоть до судо­рожных сокращений, отдельных групп мышц.

Синдром острой недостаточности кальция (чаще отмечается во время оперативных вмешательств на щитовидной железе) проявляется судорогами прямо на операционном столе.

Гиперкальциемия. Повышение уровня кальция в плазме крови вызыва­ется в основном двумя причинами: 1/ гипервитаминозом Д и 2/ гиперпаратиреоидизмом как первичного (аденома паращитовидных желез), так и вторичного характера, особенно при метастазах злокачественной опухоли в кости (см. так­же выше «вторичный гиперпаратиреоидизм»). Причиной летального исхода при синдроме гиперкальциемии является, как правило, почечная недостаточность.

Суточная потребность. Пищевые источники.

Ежедневная потребность в кальции для взрослых составляет 0,5-0,8 г/сутки. Во время роста и беременности она возрастает вдвое. Изучение обмена кальция у людей различного возраста выявило положительную зависимость между уровнем потреблением кальция и его усвоением, а также существование так на­зываемого порога насыщения, ниже которого начинается распад кости. Каль­ций, поступающий в количествах ниже пороговых, не может обеспечить полное насыщение им растущего скелета. Снижение содержания этого элемента в ра­ционе питания ниже суточной потребности - высокий риск развития остеопороза, особенно у пожилых женщин (недостаток эстрогенов в период менопаузы приводит к деструкции костной ткани). Вместе с тем при избытке кальция в пище величина его усвоения остаётся постоянной.

Основной источник кальция в питании человека - молоко и сыр (около 1г кальция содержится в 1л молока и 100 г сыра).

Фосфор

Организм человека весьма богат фосфором. Наибольшее его количество (85%) находится в костной ткани.

Фосфор – важнейший вне- и внутриклеточный анион. Большая его часть внутри клетки связана с белками и липидами (так называемы «органический фосфор»). Фосфор внеклеточного пространства находится в виде одно- и двузамещенных фосфатов. В плазме крови эти фосфаты образуют буферную систему, поддерживая физиологическое значение рН при изменениях кислотно-щелочного баланса организма. Соотношение фосфора и кальция в плазме крови взаимосвязано: когда содержание первого повышается, второго – падает.

Рис.14.3. Распределение фосфора в организме человека

Фосфор, не реабсорбировавшийся почечными канальцами, является одним из ингредиентов, определяющих буферные свойства мочи. Роль органического фосфата в организме заключается в том, что он входит в состав многих важнейших соединений:

• Нуклеиновых кислот

• Фосфолипидов

• Служит энергоносителем (в составе АТФ и других нуклеозидтрифосфатов, креатин~Р, макроэргических субстратов гликолиза)

• Участвует в работе сигнальных передатчиков гормонов (в составе цАМФ, цГМФ, ИТФ)

• Участвует в образовании коферментной формы водорастворимых витаминов (тиаминпирофосфата, пиридоксальфосфата, коферментов рибофлавина и ниацина)

• Обуславливает активирование или прекращение функционирования ферментов путём их фосфорилирования.

Регуляция содержания фосфора в организме. Обмен фосфора тесно связан с процессами поступления и освобождения из костей кальция. Поступление кальция в организм повышает выведение фосфора с мочой.

Контроль внеклеточной концентрации фосфора осуществляется почками: под влиянием паратирина реабсорбция его снижается. Эстрогены, тироксин повышают его выведение почками, гормон роста, инсулин и кортизол, напротив, это выведение уменьшают. При ацидозе усиливается выведение фосфора из организма.

Нарушения обмена фосфора.

Гиперфосфатемия. Основная причина этого состояния – нарушение экскреции фосфора почками вследствие почечной недостаточности. Однако уменьшение экскреции фосфатов почками отмечается и при отсутствии заболевания почек – этот симптом является характерным для гипопаратиреоидизма (паратирин тормозит реабсорбцию фосфата). Гиперфосфатемия может быть следствием внутрисосудистого гемолиза.

Гипофосфатемия. Её основными причинами являются гиперпаратиреоидизм, врожденный дефект реабсорбции фосфора в почечных канальцах, серьёзная недостаточность питания, онкологические заболевания. Уменьшение содержания фосфора в крови может быть вызвано инъекциями инсулина при лечении диабетической комы (вслед за глюкозой под влиянием инсулина в клетки проникает и фосфор), при приёме антацидов, например, гидроокиси алюминия.

Проявляется гипофосфатемия мышечной слабостью (недостаток АТФ), которая при падении концентрации фосфора ниже 0,3 ммоль/л может привести к остановке дыхания.

Потребность. Пищевые источники. Основное количество фосфора поступает в организм с такими продуктами питания, как молоко, рыба, хлеб, правда, из последнего этот элемент хуже усваивается из-за высокого содержания в зерновых фитатов.

Суточная потребность – около 1 г.

Магний

Магний относится к незаменимым составным частям тканей и жидкостей организма. В количественном отношении катион магния занимает второе место после натрия (рис. 14.4).

Рис. 14.4. Распределение магния в организме

Участие в метаболизме.

Так как Mg²⁺ легко образует комплексы с фосфатами, он участвует во всех фосфат-зависимых реакциях, в том числе АТФ, УТФ и ГТФ-зависимых.

Магнием активируется около 300 ферментных систем – основные биохимические процессы, протекающие внутри клетки, являются Mg²⁺-зависимыми: гликолиз, окислительный метаболизм, трансмембранный транспорт натрия и калия. Магний является кофактором ДНК-полимераз, он играет роль связующего звена при взаимодействии субъединиц рибосом друг с другом, тРНК и факторами трансляции. Он участвует в синтезе трипептида глутатиона.

При любом снижении внутриклеточной концентрации магния изменяются электирические свойства плазматической мембраны и мембран внутриклеточных структур. Mg²⁺ оказывает влияние на секрецию гормона паратирина.

Нарушения обмена магния.

Повышение концентрации Mg²⁺ в крови наблюдается редко (иногда наблюдается при почечной недостаточности). Пероральный приём соей магния вызывает диарею.

Дефицит магния. Так как магний в достаточном количестве содержится в продуктах питания, гипомагнийемия обычно связана с общим недостатком питания. Дефицит магния развивается также при нарушении процессов всасывания в кишечнике (поносы), рвоте, осмотическом диурезе (например, при диабете или длительном применении мочегонных препаратов), цитотоксической лекарственной терапии.

Симптомы низкой концентрации Mg²⁺ в сыворотке крови схожи с таковыми при гипокальциемии, в первую очередь, нарушается нейромышечная функция (подёргивания мышц, тремор, судороги). Появляется чувство страха, отмечаются тревога и раздражительность.

Потребность. Пищевые источники. Минимальная суточная потребность в магнии около 0,2-0,3 г . У детей, беременных и кормящих женщин потребность в этом элементе повышена.

Так как магний являются составной частью хлорофилла, зелёные овощи, наряду со злаками и животной пищей, являются важными пищевыми ресурсами магния.

23