Обмен минеральных веществ

Значение минеральных веществ в организме человека. К числу незаменимых веществ организма относятся минеральные соли и отдельные химические элементы, хотя они, так же как и вода, не обладают питательной ценностью и не являются источниками энергии.

В составе живых организмов обнаружено около 70 химических элементов, из них 47 содержатся в них постоянно. Это так называемые биогенные химические элементы. Их значение определяется тем, что они входят в состав клеток органов и тканей, а также биологически активных веществ — ферментов, гормонов, витаминов, белков, участвуют в реакциях обмена. Это такие элементы, как кислород, углерод, азот, водород, кальций, фосфор, калий, сера, хлор, натрий, магний, цинк, железо, медь, иод, марганец, вольфрам, молибден, кобальт, кремний. Роль и значение остальных элементов изучены недостаточно, хотя они также содержатся в тканях организма.

Четыре элемента составляют органическую основу живых организмов. Это кислород, углерод, водород и азот, процентное содержание которых составляет соответственно 62, 43 %, 21,15 %, 9,86% и 3,10 %. Остальные макро-, микро- и ультрамикроэлементы принято считать минеральными.

Больше всего минеральных веществ содержится в костях (48— 74 % общей массы) и хрящах (2—10 %). Остальные органы и ткани содержат небольшое количество минеральных веществ.

В клетках и тканях организма минеральные вещества находятся как в свободном, так и в связанном состояниях. В костях, хрящах и дентине зубов, например, они находятся в виде прочных нерастворимых соединений — неорганических солей угольной, фосфорной и других кислот. В свободном состоянии, а также в виде ионов минеральные вещества содержатся в биологических жидкостях — крови, лимфе, пищеварительных соках.

Значительная часть элементов входит в состав растворимых неорганических соединений, которые участвуют в регуляции осмотического давления. Натриевые и калиевые соли фосфорной и угольной кислот образуют с белками тканей и крови буферные системы, участвуя в поддержании постоянства рН среды в тканях и клетках.

Ионы неорганических веществ определяют физико-химические свойства коллоидов организма — явления гидратации, вязкость, растворимость, способность к набуханию и др. Некоторые минеральные вещества, например серная кислота, участвуют в нейтрализации ядовитых продуктов.

Особенно велика роль химических элементов, являющихся активаторами или парализаторами действия ферментов или участвующих в формировании их третичной и четвертичной структуры. Ионы металла, вступая во взаимодействие с различного рода функциональными группами аминокислот, расположенных в разных местах молекулы фермента, стабилизируют ее третичную и четвертичную структуры, поддерживая тем самым специфическую геометрическую конфигурацию активного центра (рис. 50, а). Кроме того, ионы металлов могут взаимодействовать также с отдельными функциональными группами аминокислот самого активного центра (рис. 50, б) и удерживать таким образом его определенную геометрическую конфигурацию, а вместе с тем третичную и четвертичную структуры молекулы фермента в целом.

Рис. 50. Функции металла (Me) в ферментных системах.

В качестве примеров участия ионов металлов в формировании и стабилизации третичной и четвертичной структур ферментов можно привести стабилизацию структуры α-амилазы и трипсина ионами Са²⁺, ксантиноксидазы — ионами Сu²⁺, креатинкиназы — ионами Mg²⁺, пируваткарбоксилазы — ионами Мn²⁺ и т.д.

Все биогенные элементы делят на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Макроэлементы содержатся в организме в количестве от 10^-2 % и выше. К ним относятся кальций, калий, фосфор, натрий, сера, хлор, магний. К микроэлементам относятся железо, цинк, фтор, молибден, медь, бром, кремний, иод, марганец, алюминий, свинец и др. Их количество в организме составляет от 10^-3 до 10^-5 %.

Ультрамикроэлементы — вольфрам, хром, никель, цинк, барий, серебро и многие другие — составляют порядка 10^-6 % и меньше.

Биохимическая роль отдельных макро- и микроэлементов.

Кальций. Основной физиологически активной формой кальция в тканях и жидкостях организма человека является ионизированная форма. Ионам Са²⁺ принадлежит важная роль в формировании костной ткани, они входят в состав клеточных мембран, являясь одним из важнейших компонентов системы, регулирующей их проницаемость. Ионы Са²⁺ участвуют в соединении мембранных поверхностей смежных клеток в тканях. Эту функцию они выполняют, являясь составной частью межклеточного гликозамингликанового (мукополисахаридного) комплекса, а также путем снижения поверхностного отрицательного заряда клеток.

В клетках гладких мышц, миокарда и проводящей системы сердца ионы Са²⁺ участвуют в генерации нервных импульсов, стимулируя таким образом деятельность сердечной мышцы. Кроме того, они принимают участие в свертывании крови, уменьшают способность клеточных коллоидов связывать воду, снижают возбудимость центральной нервной системы, повышают устойчивость организма к инфекциям, способствуют обмену железа, устраняют вредное действие избыточного количества ионов калия, натрия, магния и т.д. В присутствии ионов Са²⁺, как отмечалось выше, стабилизируются третичная и четвертичная структуры α-амилазы и трипсина, а также активируется ряд ферментов (рибонуклеаза, лецитиназа, актомиозинаденозинтрифосфатаза и др.).

Фосфор является одним из основных структурных элементов организма. Он входит в состав костей и зубов, участвует в построении фосфатидов и фосфопротеидов, а также нуклеиновых кислот, которые служат носителями генетической информации, регулирующей биосинтез белка и иммунитет.

Трудно назвать в организме физиологическую функцию, в осуществлении которой не принимали бы участия соединения фосфора. Благодаря фосфорилированию протекают процессы гликолиза и прямого окисления углеводов, транспортирование липидов, обмен аминокислот и т.д. Фосфор в составе фосфорной кислоты входит в состав многих коэнзимов — ацетил-КоА, ииридоксальфосфата, НАД, НАДФ. липотиаминпирофосфата, АДФ, АТФ.

Исключительно важную роль играет фосфорсодержащее соединение АТФ в мышечной деятельности, в процессе которой химическая энергия превращается в механическую.

В последние годы установлена важная роль циклического АМФ (цАМФ) — производного АТФ, с помощью которого реализуется действие многих гормонов на ферментные системы.

Таким образом, можно сказать, что все виды обмена в организме — белковый, липидный, углеводный, минеральный и энергетический — неразрывно связаны с превращениями фосфорной кислоты.

Магний. Ионизированный магний является основным катионом внутриклеточной среды, где концентрация его в 10—15 раз выше, чем во внеклеточной жидкости. Ионы Mg²⁺ активируют процессы окислительного фосфорилирования в митохондриях, они являются активаторами ферментов, переносящих фосфатные группы в обменных реакциях, а также карбоксилазы и оксидазы пировиноградной кислоты, ферментов, участвующих в реакциях цикла Кребса.

Важную роль играют ионы Мg²⁺ в обмене нуклеиновых кислот и нуклеотидов в клетках. Они активируют ДНК- и РНК-полимеразы, полинуклеотидфосфорилазу и ряд других ферментов нуклеинового обмена, принимают участие в биосинтезе белка.

Магний также необходим для формирования костной ткани.

Калий участвует в поддержании кислотно-основного состояния и осмотического давления в клетке. Он является кофактором фермента, переносящего фосфатную группу с АТФ на пировиноградную кислоту, активирует ряд других ферментов внутриклеточного метаболизма. Совместно с ионами Na⁺ ионы К⁺ участвуют в проведении нервного импульса, необходимы для нормальной возбудимости мышц.

Соли калия в небольших количествах снижают частоту и амплитуду сердечных сокращений, входят в состав буферных систем крови и тканей. С участием ионов К⁺, содержащихся в эритроцитах, осуществляется перенос кислорода и углекислого газа гемоглобином.

В последнее время появляются сообщения о том, что калий имеет непосредственное отношение к процессам биосинтеза белков.

Натрий не выполняет в организме какой-либо специфической функции, но тем не менее он необходим для нормальной жизнедеятельности организма. Составляя более 90 % всех катионов плазмы, натрий играет главную роль в поддержании осмотического давления внеклеточных жидкостей, является также важным компонентом буферных систем. Ионы Na⁺ способствуют набуханию белковых коллоидов, вместе с ионами К⁺ поддерживают нормальную деятельность сердечной мышцы и участвуют в процессах нервно-мышечной возбудимости .

Хлор является наиболее важным анионом водной фазы организма и вместе с ионами Na⁺ участвует в поддержании осмотического давления и кислотно-основного состояния организма.

Обладая способностью проникать через мембрану эритроцитов, ионы Хлора способствуют обмену других ионов между плазмой и эритроцитами. Благодаря этому происходит связывание углекислого газа в форме гидрокарбоната и освобождение его в капиллярах легких.

Ионы хлора служат компонентом для образования соляной кислоты желудочного сока. Имеются также сведения, что ионы С1^- активизируют некоторые ферменты, в частности α-амилазу слюны и панкреатического сока.

Сера входит в состав аминокислот цистина, цистеина, метио-нина, а вместе с ними — в состав тканевых белков, гормонов, витаминов и т.д. Цистеин служит предшественником кофермента А, играющего важную роль в обмене белков, жиров и углеводов. При замене атома водорода сульфгидрильной группы ацетилом образуется ацетил-КоА, включающийся в цикл трикарбоновых кислот и являющийся звеном, связывающим жировой обмен с углеводным.

В молекуле цистина сера представлена дисульфидной группой (—S—S—), обратимое превращение которой в сульфгидрильную группу является основной реакцией в транспортировании водорода.

Сера входит в состав эфиров серной кислоты, которые выполняют в организме структурную и защитную функции. Например, содержащийся в хрящах хондроитинсульфат способен присоединять белки и фиксировать некоторые катионы, играя тем самым важную роль в процессах кальцификации костей. Мукоитинсульфаты являются ингибиторами протеолитических ферментов и предотвращают переваривание стенок пищевого канала пищеварительными ферментами. Смесь сульфатированных полисахаридов является составной частью гепарина, который служит антикоагулянтом.

Сера входит также в состав некоторых желчных кислот, парных и других соединений.

Железо является составной частью многих окислительно-восстановительных ферментов, играющих важную роль в процессах тканевого дыхания. Такими ферментами являются цитохромы, цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза. В организме железо сосредоточено главным образом в гемоглобине, ферритине и миоглобине.

Железо является необходимым элементом в процессах кроветворения.

Медь необходима для процессов кроветворения. Она катализирует включение железа в структуру гема и способствует созреванию эритроцитов. Медь участвует в защитных функциях организма, пигментации и кератизации волос; является составной частью цитохромоксидазы, тирозиназы, ксантиноксидазы и других ферментов, играющих важную роль в окислительно-восстановительных процессах, катализирует отдельные этапы тканевого дыхания.

Медь необходима для синтеза инсулина, каталазы; стимулирует развитие половых желез, биосинтез вазопрессина и окситоцина.

Цинк влияет на рост, развитие, воспроизводительную функцию организма, образование костей, кроветворение, обмен нуклеиновых кислот, белков, углеводов В качестве структурного компонента цинк входит в состав некоторых ферментов, участвует в поддержании определенной конфигурации РНК и таким образом влияет на биосинтез белков и передачу генетической информации. Цинк стабилизирует дыхание при высоких температурах, регулирует функцию половых желез, энергетический обмен, способен в шесть раз продлевать действие инсулина.

Марганец принимает активное участие в окислительно-восстановительных процессах, тканевом дыхании, оказывает влияние на функцию эндокринных желез, рост, кроветворение, размножение. Он обладает специфическим липотропным действием, повышает утилизацию жиров в организме и противодействует жировой дегенерации печени. Является активатором многих ферментов, участвует в активации цикла трикарбоновых кислот.

Иод содержится во всех тканях и жидкостях организма, однако большая его часть сосредоточена в щитовидной железе. Основная роль иода обусловлена его наличием в составе тиреоидных гормонов, которые регулируют обмен углеводов, белков и жиров, процессы теплообразования, оказывают влияние на рост, развитие и воспроизводительную функцию организма.

Особенности водно-солевого обмена у спортсменов

В нормальном физиологическом состоянии минеральные вещества постоянно выделяются из организма и, таким образом, теряются для него. Особенно много выделяется их с мочой. Так, за сутки из организма человека с мочой выделяется от 8 до 15 г поваренной соли, 2—6,7 г фосфатов, 1,8—3,6 г сульфатов, 2—3 г калия, 0,2—0,3 г кальция и т.д. Большие количества поваренной соли выделяются также с потом. Некоторые ионы интенсивно выделяются через слизистую оболочку толстой кишки и удаляются из организма с калом.

Таким образом, минеральные соли, вовлекаясь в процессы обмена веществ, постоянно выводятся из организма, вследствие чего происходит его обессоливание. Недостаточное количество минеральных веществ в организме можем вызвать тяжелые функциональные растройства. Поэтому организм человека нуждается в постоянном введении определенного количества минеральных веществ. Пищевые продукты, как правило, содержат необходимые организму соли. Дополнительно человек употребляет только поваренную соль.

Потребность человека в отдельных минеральных веществах составляет, г/сут: Са — 0,7—0,8; Р— 1,5—2; Fe — 0,15—0,02; Na— 4—8; Cl — 2—4; К — 2—3.

Водно-солевой обмен в организме у спортсменов имеет свои особенности, Это объясняется тем, что выполнение отдельных спортивных упражнений (лыжная гонка на 50 км, марафонский бег, борьба и т.д.) сопровождается высокой интенсивностью обмена веществ и повышенным потоотделением. Высокая интенсивность обмена веществ требует большей активности ферментов, а вместе с этим и определенного содержания минеральных веществ в тканях.

При занятиях спортом происходит повышенное выделение минеральных веществ с конечными продуктами обмена, а также с потом. Особенно много выделяется фосфора. Это связано прежде всего с тем, что при выполнении отдельных спортивных упражнений преобладает анаэробный распад АТФ, при этом часть отщепившегося от органических соединений фосфора не успевает использоваться для ресинтеза этих соединений и теряется организмом. В связи с этим организм спортсмена нуждается в повышенном поступлении фосфора. Кроме того, в период отдыха происходит ресинтез ряда фосфорных соединений (креатинфосфата, фосфатидов и т.п.), требующих повышенного количества фосфора.

Для хорошего усвоения фосфора, как известно, необходимо определенное соотношение его с кальцием, которое составляет 1,5 : 1. Поэтому увеличение количества фосфора в пище требует одновременного повышения содержания кальция.

Во время выполнения физических упражнений в организме спортсмена интенсивно протекает гликолиз, сопровождающийся фосфорилированием глюкозы и фруктозофосфата, окислением 3-фосфоглицери-новой кислоты до фосфопировиноградной. При фосфорилировании и в ряде других реакций обмена веществ интенсивно используется магний.

Ряд минеральных веществ выделяется из организма спортсмена при интенсивном потоотделении и с мочой, среди них в наибольшем количестве — хлорид натрия. Например, во время лыжных гонок на 50 км, марафонского бега, когда вместе с потом выделяется до 4—5 л воды, количество хлорида натрия в крови снижается в среднем на 17%. Поэтому для ограничения потерь воды и возмещения потери соли содержание хлорида натрия (поваренной соли) в рационе лыжников и марафонцев рекомендуется увеличивать до 25—30 г в сутки.

Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что питание спортсмена должно обеспечить его организм не только достаточным количеством белков, жиров, углеводов и витаминов, но также воды и различных минеральных солей, принимающих активное участие в обмене веществ и поддерживающих нормальное осмотическое давление в крови и тканях.