полезная метода

ТЕМА 4. АНТАГОНИСТЫ Cа2+ И Mg2+. ГЕТЕРОГЕННЫЕ РАВНОВЕСИЯ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ.

Вопросы к занятию

1.Ионы кальция и магния в биокомплексах. Антагонисты Мg2+ и Ca2+.

2.Гетерогенное равновесие в живых системах. Участие Мg2+ и Ca2+ в установлении гетерогенного равновесия в живых организмах.

3.Произведение растворимости. Условия растворения и образования осадков.

§1. Магний

В человеческом организме содержится от 20 до 30 мг магния. 70% этого количества приходятся на кости, остальное – на мышцы, железы внутренней секреций, и немного магния находится в крови. Магний действует успокаивающе на нервную систему, как центральную, так и периферическую, регулирует равновесие – нервное и мышечное, обеспечивает организму внутренний покой.

Магний входит в состав ряда ферментных систем организма, участвует в процессах углеводного и фосфорного обмена, относится к регуляторам работы нервной системы, содержится в костях и зубах. Обладает сосудорасширяющим антисептическим действием, усиливает двигательную функцию кишечника, желчеотделение, выведение холестерина через кишечник, понижает нервно-мышечную возбудимость. Магний оказывает антиспастическое действие, стимулирует перистальтику кишок и желчеотделение, способствует выведению холестерина из организма. Он влияет на углеводно-фосфорный обмен, синтез белков, участвует в качестве кофактора или активатора многих ферментов (щелочная фосфатаза, гексокиназа, карбоксилаза и др.), оказывает ощелачивающее действие на организм, находится в антагонистических взаимоотношениях с ионами кальция.

У женщин потребность в магнии на 20-30%превышает таковую у мужчин. Снижение концентрации и избыточное выведение магния из организма определяют при синдроме предменструального напряжения, для которого характерны увеличение массы тела, появление отеков, раздражительности, беспокойства, головной боли, усталости. Причиной предменструального синдрома считают снижение концентрации серотонина, трансформированного из триптофана. Поскольку установлено, что синтез большинства нейропептидов в головном мозге осуществляется при участии магния, его недостаток приводит к снижению содержания дофамина, участвующего в развитии синдрома предменструального напряжения. У женщин, получающих оральные контрацептивы в течение нескольких месяцев, наблюдают дефицит витамина B6 и гипомагниемию.

221

Установлено, что витамин B6 улучшает всасывание иона магния в кишечнике и способствует накоплению его в клетке, а также участвует в превращении триптофана в серотонин.

Обмен веществ: Магний участвует более чем в 300 ферментативных реакциях, особенно активно в процессах, связанных с утилизацией энергии.

Во внутриклеточной жидкости, для которой характерно высокое содержание ионов Mg2+, аденозинтрифосфат (АТФ) и аденозиндифосфат (АДФ) присутствуют в основном в виде комплексов MgATФ2– и MgАДФ–:

Реакции образования комплексов запишутся в виде:

Во многих ферментативных реакциях, в которых АТФ выполняет функцию донора фосфатной группы, активной формой АТФ является комплекс MgATФ2–. Необходимо отметить, что от концентрации ионов Mg2+ зависит устойчивость рибосом. Ион Mg2+ образует шестикоординационные соединения регулярной структуры в отличие от большого по размеру иона Са2+.

Он необходим для синтеза белка, производства ДНК, для расщепления глюкозы и удаления из организма токсинов, а также для усвоения тиамина (В1), витамина С и пиридоксина (В6). Магний делает более устойчивой структуру клетки во время ее роста и участвует в регенерации и обновлении клеток организма. Он также стабилизирует структуру кости, придавая ей твердость.

222

Физико-химические свойства иона магния близки с ионом марганца Мn2+. Вследствие этого Мn2+ часто выступает синергистом иона Mg2+. Например, оба эти иона активируют такие ферменты, как различные фосфатазы и др. Предполагается, что активация фермента лейцинаминопептидазы ионами Mg2+ и Мn2+ происходит вследствие образования комплекса:

Перемещение ионов: Магний поддерживает электрический потенциала мембран и помогает проникновению через них ионов натрия, калия и кальция. Кроме того, магний участвует в передаче нервных импульсов.

Действие инсулина: Магний активно взаимодействует с гормонами, в частности, с инсулином. Он может увеличивать секрецию инсулина и способствовать его проникновению в клетки, повышая тем самым их возможность метаболизировать глюкозу.

Недостаток магния в организме. Обеднение организма магнием может наступить после длительного применения мочегонных средств или вследствие нарушения процессов его всасывания в кишечнике. Всасывание магния в кишках тормозит избыток кальция и жира. При благоприятных условиях из пищевых продуктов усваивается до 30-40 % магния.

При дефиците магния повышается нервно-мышечная возбудимость, судорожные подергивания мышц, тревога, страх, слуховые галлюцинации, тахикардия.

Симптомы избытка магния в организме угнетение рефлексов, усиление тормозных процессов в центральной нервной системе (заторможенности, сонливости), остеопороз, парестезия, понижение артериального давления, нарушение предсердно-желудочковой проводимости, брадикардии.

Суточная потребность и источники. Суточная потребность в магнии составляет у взрослого человека 0,4 г, у беременных и кормящих грудью женщин – 0,45 г. Магний содержится в большинстве пищевых продуктов. Наиболее богаты им хлеб из муки грубого помола, крупы, бобовые, зеленые овощи. Магнием богаты растительные продукты: какао, орехи, пшеничные отруби, овсяная крупа, бобовые, сушеные абрикосы, чернослив, укроп, салат, яйца, различные крупы, свекла, морковь, а также фрукты и ягоды.

223

§2 Кальций

В нашем организме содержится от 1 до 2,2 кг кальция. Около 99 % всего кальция в нашем организме входят в состав скелета обычно в виде апатитов, реже – карбонатов кальция. Оставшийся 1 % кальция постоянно обращается в крови в других жидкостях нашего организма. Этот 1 % является величиной постоянной. А это значит, что, если не поставляется организму достаточного количества кальция с продуктами питания, он сам "берет взаймы" или "крадет" недостающее количество этого минерала из собственного скелета. Конечно же, из всего скелета, но чаще от этой "кражи" страдают челюсти. И только потом, значительно позже, этот недостаток сказывается на зубах, позвоночнике, костях конечностей и т. д. А если в челюстях слишком мало кальция, то рано или поздно наступает момент, когда зубы как бы расшатываются в деснах, освобождая место для микробов – так начинаются болезни зубов вплоть до их выпадения. Если всю жизнь будет поставляться организму достаточное количество кальция и других элементов, необходимых для создания скелета и зубов, женщинам не придется платить зубом за каждого ребенка, как не без основания гласит деревенская пословица.

Кальций составляет основу костной ткани, нормализует обмен воды, хлорида натрия, углеводов, участвует в процессах передачи нервномышечного возбуждения, регулирует процессы свертывания крови, влияет на проницаемость клеточных мембран, уменьшает проницаемость стенок сосудов, активизирует некоторые ферменты, обладает противовоспалительным десенсибилизирующим действием, влияет на кислотно-щелочное равновесие организма, находится в биологическом антагонизме с ионами натрия и калия.

Основные функции кальция:

Кости и зубы: Основная функция кальция – формирование и поддержание полноценных костей и зубов. Кость состоит из неорганических (главным образом, кристаллов фосфата кальция) и органических (в основном, белка) компонентов. Кальций в кости находится в двух формах: связанной и свободной. Кальций в связанной форме "вымывается" из костей в том случае, если необходимо поддержать его уровень в крови. Это происходит, когда истощены запасы кальция в свободной (подвижной) форме и при недостаточном получении кальция с едой. Кости в организме взрослого человека ежегодно обновляются на 20% за счет повторной абсорбции кальция.

Сокращение мышц: Кальций влияет на мышечные сокращения и регулирует сердцебиение, воздействуя на сердечную мышцу.

Нервная система: Кальций необходим для передачи нервных импульсов. Он активизирует действие ферментов, участвующих в производстве нейротрансмиттеров.

224

Сердечно-сосудистая система: Взаимодействуя с натрием, калием и магнием, кальций регулирует кровяное давление.

Большинство препаратов, понижающих давление, блокируют каналы, по которым кальций проникает сквозь мембраны мышечных клеток. В настоящее время ученые не пришли к единому мнению в вопросе о том, не увеличивает ли блокирование каналов риск сердечных приступов.

Кровь: Кальций активизирует действие витамина K (протромбин), основного фактора нормальной свертываемости крови.

Мембраны клетки: Кальций важен для транспортировки питательных веществ и других соединений через клеточные мембраны и для укрепления соединительных тканей клеток.

Другие функции: Кальций необходим для укрепления иммунной системы, синтеза и деятельности многих гормонов и ферментов, участвующих в переваривании пищи, формировании слюны, метаболизме энергии и жиров.

Недостаток кальция в организме Дефицит кальция может развиваться при следующих условиях:

при недостатке кальция в пище (голодание, исключение из употребления молочных продуктов),

обильном потоотделении, у беременных и кормящих грудью женщин,

в результате нарушения усвоения кальция при несбалансированном питании,

вследствие обеднения рациона кальциферолами (например, при строгом вегетарианстве),

нарушения образования активных форм кальция.

Гипокальциемия наблюдается при недостаточности всасывания кальция вследствие заболеваний системы органов пищеварения (энтерит, нарушение внешнесекреторной функции поджелудочной железы при ее поражении, недостаточность желчеотделения при болезнях желчных путей и т. п.), при пролонгированном применении с лечебной целью гликокортикоидных и анаболических стероидных гормонов. В результате могут появляться парестезии, судороги, развиваться остеопороз.

Избыток кальция в организме. При избытке кальция в пище и питьевой воде, чрезмерном употреблении препаратов кальция и кальциферолов может развиваться гиперкальциемия со следующими симптомами: потеря аппетита, жажда, тошнота, рвота, слабость, судороги, азотемия.

Возможно отложение кальция во внутренних органах (особенно почках), мышцах, сосудах.

225

Особенности усвоения кальция в организме. Усвоение кальция зависит от его соотношения в пищевом рационе с жирами и жирными кислотами, белками, кальциферолами, магнием, фосфором.

Из кишок кальций всасывается в виде комплексов с жирными и желчными кислотами. Оптимальным соотношением является 10-15 мг кальция на 1 г жира. Всасыванию кальция способствует достаточное содержание ненасыщенных жирных кислот. Недостаточное и избыточное количество жиров, особенно богатых насыщенными жирными кислотами (кулинарные жиры, баранье, говяжье сало и др.), ухудшают всасывание кальция. Избыточное количество жиров в рационе ведет к образованию невсасывающихся кальциевых мыл.

Недостаточное количество белка в рационе также ухудшает усвоение кальция. Всасывание кальция в кишках нарушается при дефиците кальциферолов, что приводит к использованию кальция костей.

Затрудняют всасывание кальция в кишках продукты, богатые щавелевой кислотой – щавель, ревень, шпинат, свекла, шоколад.

Способствуют всасыванию кальция лактоза и лимонная кислота. Суточная потребность и источники. Суточная потребность в кальции

составляет у взрослых 0,8 г; у беременных и кормящих грудью женщин – 1 г в сутки. Потребность в кальции повышается у спортсменов, при работе, связанной с профессиональными вредностями (фторсодержащая пыль, пыль от фосфатных удобрений и др.), обильном потоотделении, лечении гликокортикоидами и стероидными гормонами.

В продуктах питания кальций содержится главным образом в виде труднорастворимых солей (фосфатов, карбонатов, оксалатов и др.). Необходимо помнить, что кальций теряется при термической обработке (например, при варке овощей – 25%). Потери будут незначительны, если вода, в которой варились овощи, идет в употребление (например, бульон или подливка). Наиболее богаты кальцием капуста, ботва молодой репы, фасоль, миндаль. Однако, использование химических удобрений при выращивании овощей снижает содержание в них кальция.

Кальций представлен во многих продуктах питания (в злаковых культурах, мясе, рыбе), однако является трудноусвояемым. Например, организмом усваивается только 13,4 % кальция, содержащегося в моркови. Надо съесть 700 г моркови, чтобы получить 1/4 часть суточной нормы кальция. Хорошо усваивается кальций в салате-латуке, но процент его содержания невысок.

Наиболее благоприятным соотношением кальция к магнию в пищевом рационе является 1:0,6. Близкое к такому соотношение имеется в следующих продуктах – сардинах (1:0,5), сельди атлантической (1:0,5), баклажанах (1:0,6), огурцах (1:0,6), салате (1:0,5), чесноке (1:0,7), фасоли

(1:0,7), грушах (1:0,6), яблоках (1:0,6), винограде (1:0,6), малине (1:0,5),

226

белых грибах (1:0,5). В твороге оно составляет 1:0,15, в молоке – 1:0,1, в мясе, хлебе, крупе – около 1:2.

Лучшим соотношением кальция к фосфору у взрослых является 1:1,5. Близкое к этому соотношение свойственно для творога (1:1,6), огурцов (1:1,8), чеснока (1:1,7), винограда (1:1,8) и т. д. Для нивелирования неблагоприятного соотношения кальция и фосфора целесообразно употреблять хлеб с сыром, каши на молоке, мясные и рыбные блюда с овощными гарнирами и т. д.

Самый легкоусвояемым является кальций молока и молочных продуктов (за исключением сливочного масла) в сочетании с овощами и фруктами. Козье молоко богаче, чем коровье. Для удовлетворения суточной потребности достаточно 0,5 л молока или 100 г сыра.

Так же для усвоения кальция присутствие витамина D совершенно необходимо: он нейтрализует действие различных антикальцинирующих веществ, является регулятором фосфорно-кальциевого обмена. Хорошими источниками витамина D являются молоко, печень, яйца, салат-латук. В качестве пищевых добавок желательно вводить в рацион питания жир, содержащийся в печени трески или палтуса.

Взаимодействие с кальцием: Кальций во взаимодействии с магнием участвует во многих процессах, происходящих в организме, например, в регулировании тонуса кровеносных сосудов и сокращении мышц, включая сердечную мышцу. Кальций стимулирует мышцы и сокращает кровеносные сосуды, в то время как магний расслабляет мускулатуру и расширяет сосуды. Кальций и магний конкурируют при абсорбции в тонкой кишке. Магний может повлиять на баланс кальция, воздействуя на гормоны, управляющие усвоением и метаболизмом кальция, а на клеточном уровне – на механизмы распространения кальция.

У человека в стрессовых ситуациях организм начинает выбрасывать стрессовые гормоны, а также выделять магний и кальций из внутренних органов в кровь. Стресс-реакция вызывает повышенный приток кальция в клетки, что приводит к радикальному изменению соотношения магния и кальция внутри клеток (Mg:Ca).

Ионы кальция по большей части находятся вне клеток, в то время как ионы магния сохраняются главным образом внутри клеток. Стрессреакция изменяет эту ситуацию. Во время стресса ионы кальция поступают в клетки, что влечет за собой изменение соотношения магния и кальция.

Это изменение соотношения приводит к самым различным результатам, поскольку, хотя магний и кальций очень схожи по химической структуре, биологически эти два элемента работают и реагируют совершенно по-разному. Магний и кальций – это как две стороны физиологической монеты: они антагонистичны друг к другу, но всё-таки они работают как команда. Например:

227

•Кальций стимулирует нервы, а магний успокаивает их;

•Кальций заставляет мышцы сокращаться, а магний необходим для расслабления мышц;

•Кальций необходим для химической реакции сгущения крови, например, при исцелении раны, а магний сохраняет текучесть крови и предотвращает образование тромбов, когда реакции сгущения могли бы быть опасными.

Научные исследования все больше доказывают, что основные клеточные изменения, вызываемые стрессом, представляют собой снижение отношения магния к кальцию, возникшего по причине большого

ивнезапного притока кальция в клетки. Стресс-реакция спадает, когда магний вновь возвращается к своему обычному месту в клетках, выводя излишний кальций из клеток обратно к его «нормальному месту», и таким образом восстанавливая обычное соотношение магния и кальция внутри клеток.

Таблица 1. Магний и кальций как антагонисты

В нормальном здоровом состоянии стресс возникает, когда это необходимо, и спадает, когда кризис или то, что вызвало стресс, исчезает. Таким образом, магний и кальций – два основных элемента, которые должны быть получены организмом из продуктов питания – настолько важны для этих реакций, что совсем не удивительно то, что уровень магния и кальция может оказывать сильное влияние. Давайте рассмотрим это.

228

В нормальном, бесстрессовом состоянии соотношение магния к кальцию в клетках находится на высоком уровне. Если это соотношение не может быть поддержано из-за отсутствия достаточного количества магния или чрезвычайно большого количества кальция в организме, тогда организм не может сохранить или восстановить своё здоровое состояние. В таком случае стресс-реакция может произойти даже в отсутствие подходящего «спускового механизма» (триггера). Это наблюдается в тех случаях, когда дефицит магния в пище вызывает высокое кровяное давление и увеличенную густоту крови (слипание тромбоцитов). Более того, поскольку низкое соотношение магния и кальция усиливает как выделение адреналина, так и реакцию самих клеток на адреналин, то слишком большая нехватка магния может способствовать дальнейшему сохранению состояния стресса в течение продолжительного времени. Ещё хуже, когда магния в теле становиться настолько мало, что это само по себе становится спусковым механизмом (триггером), провоцируя организм

кполучению последующего стресса – из-за нехватки в теле достаточного количества магния выйти из этого состояния просто невозможно. В результате происходит кризис «низкого уровня магния/высокого уровня стресса» (low magnesium-high stress crisis), что в итоге может закончиться неожиданной смертью. В нашем современном индустриализованном мире мы живём в состоянии непрерывного хронического стресса. Эта экологическая действительность увеличивает нашу дневную потребность в магнии, необходимую для поддержания здоровой стрессовой реакции, которая обычно быстро сходит на нет, если отсутствует необходимость.

Очевидно, что достаточное количество пищевого магния в правильном соотношении с достаточным количеством кальция – это ключ

кздоровой стрессовой реакции. Однако сегодня в нашей пище угрожающе мало магния. К тому же сейчас появилось много кальция в различных препаратах, биодобавках и продуктах, предназначенных для предотвращения остеопороза, и поэтому многие из нас получают не только недостаточно магния, но и слишком много кальция. Результат этого – многочисленные случаи сердечных болезней.

Не все, но большая часть сердечных болезней в индустриализованном мире могут быть объяснены низким уровнем магния в питании общества. Люди с сердечными заболеваниями – большая часть из них – это те люди, у которых уровень магния почти на пределе или в очевидном дефиците. Многие научные исследования, связанные с сердечными заболеваниями, проводятся вследствие того, что медицина старается понять и излечить эти широко распространённые расстройства. И хотя планировалось немного другое, но все эти исследования показали нам то, к какому состоянию стресса может привести человека недостаточность магния.

229

§3 Гетерогенное равновесие и участие ионов магния и кальция. Гетерогенные равновесия в живых организмах

В организме человека наиболее важные гетерогенные процессы с участием неорганических соединений протекают прежде всего при образовании костной ткани, а также различного вида камней при почечной и желчнокаменной болезнях.

Особенности образования костной ткани. В клетках костной ткани остеобластах, интенсивно омываемых кровью, происходит минерализация

– конечный этап образования костной ткани. Основным минеральным компонентом костной ткани является гидроксифосфат кальция Ca5(PO4)3OH (Ks=1,6 10–58), часто называемый гидроксиапатитом. Образование костной ткани можно отобразить общим уравнением:

остеобласты (рН=8.3) минерализация

деминерализация

остеокласты

Щелочность среды и повышенная концентрация фосфат – ионов, возникающая в остеобластах вследствие гидролиза сложных эфиров фосфорной кислоты и углеводов при участии щелочной фосфотазы, способствуют образованию гидроксифосфата кальция. Формирование костной ткани в остеобластах происходит в результате контролируемого коллагеном процесса кристаллизации гидроксиапатита из ионов кальция и фосфатов и при участии гетерополисахаридов – хондроитинсульфатов, называемых также кислыми мукополисахаридами.

Наряду с кристаллическим гидроксиаппатитом в поверхностных слоях кости образуется некоторое количество аморфного фосфата кальция Ca3(PO4)2, более растворимой соли (Ks = 2,0 10–29), которая постепенно превращается в гидроксиапатит. Поэтому с возрастом содержание аморфного фосфата кальция в костной ткани уменьшается. Считают, что аморфный фосфат кальция является лабильным резервом ионов кальция и фосфатов в организме.

Клетки костной ткани вследствие локальных изменений рН среды, концентрации ионов кальция и фосфатов, активности ферментов щелочной фосфатазы и пирофосфатазы, а также комплексообразующих свойств среды, содержащей лактаты, цитраты и белки, могут легко ускорять процессы либо минерализации, протекающей в остеобластах, либо деминерализации, осуществляемой в остеокластах. Растворение костной ткани, прежде всего за счет аморфного Ca3(PO4)2, происходит в области каймы остеокластов, чему способствует локальное повышение

230