- Рис. 3.26.
- С, О
- Биодоступность элементов (% усвоения)
- Допустимые уровни содержания некоторых токсичных элементов
- Расчетные уровни минимальных и максимальных значений макро- и микроэлементов в водно-пищевых рационов жителей зоны эколого-биогеохимического оптимизма
- Биологическая роль макроэлементов
- Пищевые продукты – источники магния
- Основные функции микроэлементов
- Суточные потребности человека в йоде (мкг/сутки) (ВОЗ, 2007)
Глава 6.1 Микроэлементы. Водноминеральный баланс
 Скачать 156.5 Kb.
|
|
Глава 6. Водно-минеральный баланс 6.1. Роль макро- и микроэлементов По мнению ученого В.И. Вернадского, существует теснейшая связь между геохимическими процессами (миграцией и превращением многообразных соединений в составе Земли) и жизнедеятельностью обитающих на планете живых существ. В них атомы элементов попадают из окружающей среды и вновь возвращаются в биосферу после преобразований (Рис. 3.26).  Рис. 3.26. Схема взаимоотношений между биогеохимическими цепями С
реди регистрируемых в природе кирпичиков мироздания – химических элементов – около 80 найдены в составе живых организмов. В зависимости от концентрации их делят на: Следует заметить, что химический состав человеческих организмов вариабелен, определяется многими факторами (географией местности проживания, особенностями питания, режимов труда и отдыха, природой поступающих соединений). Отсюда обозначенное деление можно считать условным, а вот взаимоотношения между элементами довольно интересны и не зависят от физико-химических и биологических воздействий. Синергистами биологи считают элементы, способствующие усвоению друг друга в ЖКТ и изменяющие осуществление какой-либо обменной функции в одном направлении. Антагонистами являются элементы, тормозящие абсорбцию друг друга в ЖКТ и оказывающие противоположный эффект на тот или иной процесс в организме. В отличие от синергизма, который чаще бывает взаимным, антагонизм может быть или обоюдным, или односторонним. Фосфор и магний, цинк и медь взаимно угнетают всасывание друг друга; а кальций ингибирует усвоение Zn и Mn, но не наоборот. Вообще внедрение химических элементов в организм человека может существенно отличаться в зависимости от режима и состава питания, воды, воздуха, биодоступности и других факторов (Табл. 3.5). После выполнения специфических функций биоэлементы выделяются во внешнюю среду. С мочой преимущественно теряются Na, K, Cl, Se, I, Fe, Co, Mo, Br; с потом - Rb, Se, F, Sn, Ni; с волосами – Hg. Но большая их часть элиминируется с калом. Таблица 3.5 Биодоступность элементов (% усвоения)
Чтобы не зависеть от ежесуточного поступления с пищей и водой (Табл. 3.6), многие элементы способны накапливаться, но в различных органах. Для этой цели чаще используются печень, почки, мышцы, кости; часть биотиков депонируется избирательно: йод – в щитовидной железе, Zn – в pancreas, Cu – в головном мозге, Zr, Zn – в простате. Таблица 3.6 Допустимые уровни содержания некоторых токсичных элементов
Некоторые исследователи делят биоэлементы на эссенциальные и токсические (Табл. 3.6); однако сложность проблемы состоит в том, что жизненно необходимые – при определенных условиях могут вызвать патологические реакции, а ядовитые в малых количествах становятся полезными. Не теряет злободневности мысль Парацельса о том, что нет токсических веществ, во всем виноваты дозы (Табл. 3.7). Таблица 3.7 Расчетные уровни минимальных и максимальных значений макро- и микроэлементов в водно-пищевых рационов жителей зоны эколого-биогеохимического оптимизма
Биологическая роль макроэлементов Так как выполнение функций С, Н, N, S, О, Р тесно связано с соединениями, их содержащими и значение которых изучалось выше (белки, углеводы, липиды, нуклеотиды), то позволим себе остановиться лишь на статусе оставшихся других, составляющих основу минеральных компонентов тканей. Сходные по строению и химическим свойствам катионы натрия и калия, несмотря на четкое разделение в их локализации (первый предпочитает нахождение во внеклеточной жидкости, а основная концентрация второго регистрируется в цитозоле), выполняют близкие по механизмам функции. Даже суточные потребности мало отличаются, составляя 2,3 – 3,5 г. Всасываются катионы этих металлов целиком, экскретируются в основном почками, где некоторая часть реабсорбируется. Их величины составляют: Na+ в плазме крови 136 – 145 ммоль/л, К+ в эритроцитах – 80 – 100 ммоль/л. Основным предназначением данных биотиков является создание электрохимического потенциала, что поддерживает осмотическое давление (вне клетки с помощью натрия, внутри ее за счет калия), регулирует работу ионных каналов мембран, отсюда меняются степень их поляризации, функциональная активность. Кроме того, катионы Na+и К+ служат компонентами буферных систем; в канальцах почек Na+/ К+ - антипорт способствует сбережению Na+ в организме, особенно при действии ангиотензина и альдостерона (Раздел IV, Глава 2). Широко известный фермент цитолеммы К+,Na+-АТФаза за счет энергии АТФ осуществляет активный транспорт ионов калия в цитозоль, а натрия – в межклеточную жидкость. Этот эффект используют в клинике: сердечные гликозиды являются ингибиторами данного энзима; при их введении в миокарде снижается содержание К+ и аккумулируется Na+, что увеличивает возбудимость сердца, его сократимость и работоспособность. Вообще выход катионов калия во внеклеточную биосреду вызывает гиперполяризацию цитолеммы и уменьшение активности; а поступление натрия в цитозоль провоцирует замену отрицательного заряда на внутренней стороне мембраны на положительный, что способствует возбуждению клетки, передаче нервного импульса. В кишечнике всасывание глюкозы и аминокислот происходит в симпорте с его катионами. На этом основана регидратационная терапия: при обезвоживании и обессоливании внутрь вводят раствор поваренной соли с глюкозой, что быстро улучшает состояние. Немаловажную роль катионы натрия играют в поддержании объема плазмы крови, АД. Статус катионов данных металлов регулируется РААС – системой; их антагонистом служит натрийуретический предсердный пептид, увеличивающий экскрецию Na+. Опосредованно влияет на обмен электролитов вазопрессин, стимулирующий реабсорбцию воды в почках. С деятельностью этих биотиков тесно связано функционирование анионов хлора (хлоридов). За сутки в организм их попадает до 3,5 г (основной источник – поваренная соль). Практически все поступившее количество всасывается, выводится в основном почками, небольшая часть – с калом и потом. Основная масса хлоридов находится во внеклеточных жидкостях (в плазме крови их нормальные колебания составляют 97 – 108 ммоль/л против 3 ммоль/л - в цитозоле). Ведущая функция данного макроэлемента перекликается с ролью Na+: являясь важнейшим внеклеточным анионом, обеспечивает электрохимический потенциал на цитолемме. И также, как натрий, способствует сохранению объема и осмотического давления плазмы, АД; кроме того, опосредует эффект ингибиторных медиаторов (ГАМК, глицина); входя в состав соляной кислоты, поддерживает рН желудочного сока; а НСО3-/Сl – антипорт важен для транспорта эритроцитами СО2 к легким. К интересным выводам можно придти, сопоставляя другую пару катионов: Ca++ и Mg++. Также, как и у одновалентных биотиков, их локализация противоположна (Ca++ особенно много находится с наружной стороны цитолеммы, а Mg++- второй по концентрации после К+ катион в клетке). Суточная потребность в последнем составляет 0,3 – 0,5 г, а кальция необходимо не менее 1,0 г (Табл. 3.7). Поступая с пищей, эти макроэлементы в кишечнике всасываются с меньшим эффектом, чем К+ и Na+ (процент усвоения не достигает 50%) (Табл. 3.6), выделяются почками и ЖКТ. В организме человека на долю Mg++ приходится 25–35 г, причем больше половины локализуется в костях. Довольно много его в клетках, особенно в миокарде. В плазме крови концентрация колеблется в пределах 0,7–1,2 ммоль/л (в основном в ионизированной форме). Из продуктов наиболее богаты магнием зелень (в хлорофилле), орехи, крупы, бобовые, семена подсолнечника, тыквы (Табл. 3.8). Биодоступность невелика из-за способности образовывать в кишечнике нерастворимые соли с фосфатами, фитатами, ЖК. Таблица 3.8 Пищевые продукты – источники магния
Находясь в клетках, катионы магния служат кофакторами более 350 ферментов, контролирующих энергетический обмен и пул макроэргов. Особое значение имеет комплекс Mg++-АТФ, являющийся субстратом для многих АТФ-зависимых реакций, включая работу циклаз и протеинкиназ; отсюда он необходим для синтеза белков, нуклеотидов, их надмолекулярных образований (рибосом). Кроме того, влияет на проницаемость мембран и их электрические свойства, снижая за счет этого возбуждение в клетках, расслабляя миокард, нормализуя АД, препятствуя озлокачествлению тканей. В регуляции обмена Mg++ участвует РААС-система, паратгормон. Кальций– самый распространенный элемент в организме человека, на его долю приходится до 1,0–1,5 кг массы тела. Это объясняется тем, что макроэлемент включен в кристаллы гидроксиапатита, определяющие механические свойства костной ткани, что составляет 98% его общего содержания. Подвижный кальций плазмы крови может быть связан с белками, с анионами цитратов, а около 1,1–1,3 ммоль/л находится в свободном состоянии. Его основным источником служат молочные продукты (особенно сыр), орехи, бобовые, сырые овощи, зелень. Всасыванию в кишечнике мешают оксалаты, фосфаты, фитаты, ацилы жирных кислот, связываясь с ним и образуя нерастворимые соли (Табл. 3.6). Выделяются его катионы почками (хотя более 90% отфильтрованного биотика реабсорбируется) и кишечником с калом. Благодаря низкому содержанию кальция в клетках и высокому градиенту концентрации на плазмолемме, многие исследователи считают этот макроэлемент одним из древнейших в эволюционном плане гормоном (second messenger) (Раздел IV, Глава 2). Кроме того, обладая двурукостью (бивалентностью), ионы Са++ участвуют в различных объединяющих явлениях (агрегации белков свертывания крови, образовании актин-миозинового комплекса, межклеточных контактов). Попадая в митохондрии, активируют ферменты, благоприятствуют работе ЭТЦ, потреблению О2; в цитозоле ускоряют фосфоролиз гликогена и ГНГ. Находясь у мембран, отвечают за деятельность ионных каналов, обеспечивая экскрецию гормонов и нейротрансмиттеров и наоборот – вхождение по ним в клетку различных соединений, что проявляется противовоспалительным, антистрессовым, противоаллергическим, десенсибилизирующим действиями. В целом функциональные эффекты кальция включают возбуждение деления большинства клеток, активацию кратковременной памяти, обучения (в ЦНС), динамику нейромышечной возбудимости, иммунитета, свертывания крови, секрецию желез, минерализацию скелета (костей, дентина, эмали зубов). Гомеостаз плазменных катионов этого металла поддерживается в основном паратгормоном, кальцитриолом, тирокальцитонином, а также СТГ, инсулином, эстрогенами (Раздел IV, Глава 2). Традиционно с обменом кальция связывают статус фосфатов. Их общее содержание в организме составляет 600 г, большая часть располагается в костях, 15% - в клетках мягких тканей и только 0,1% - во внеклеточной жидкости. В плазме крови концентрация неорганических фосфатов варьирует в пределах 0,87–1,45 ммоль/л, а количество его органических производных несколько больше (до 2,6 ммоль/л). Суточная потребность (0,8–1,3 г) удовлетворяется в основном за счет рыбы, сыров, гороха, фасоли, гречки, пшена, овсянки, желтка яиц. Биодоступность довольно высока (до 70%). За выделение фосфатов отвечают почки и кишечник. Их функции многолики: минеральные являются компонентами костной ткани, в биологических жидкостях поддерживают осмотическое давление и рН (фосфатная буферная система), а органические – способны включаться в различные соединения, образуя фосфолипиды – облигатные кирпичики мембран; нуклеотиды (АТФ, ГТФ и другие макроэрги, ц-АМФ, ц-ГМФ – second messengers, ФМН, НАД+, НАДФ+, КоАSН – коферменты, ДНК, РНК), фосфопротеиды. Фосфорилирование – дефосфорилирование белков – один из важнейших способов регуляции деятельности ферментов (Раздел I, Глава 3), с помощью которого происходит передача гормональных сигналов. Перенос фосфата с АТФ (ГТФ, ЦТФ) ведет к активации модифицируемого соединения, что способствует его участию в различных процессах (г-6-Ф в ГНГ, гликолизе; глицерол-1-Ф в синтезе ГФ, НЖ и т.д.); распад гликогена осуществляется только с помощью фосфорной кислоты. За регуляцию обмена фосфатов отвечают в основном кальцитриол, тирокальцитонин, паратгормон, в меньшей степени – СТГ, инсулин, эстрогены (Раздел IV, Глава 2). Основные функции микроэлементов К ним относят более 30 элементов периодической системы. Остановимся на роли некоторых из них. Многие представители включены в состав гормонов, витаминов, ферментов и других важных соединений. Железо – (Рис. 3.27) – d-элемент, выполняющий ответственнейшие функции в жизни человека и животных; вследствие того, что это переходный металл, участник окислительно-восстановительных реакций.  Рис. 3.27. Схема метаболизма железа в организме С этой целью железо введено в состав порфиринов, в первую очередь – гема, который связываясь с различными белками, дает начало Hb, миоглобину, цитохромам, каталазе, пероксидазе. Их первый представитель, заполняя эритроциты, захватывает в легких О2 и отдает его клеткам других органов. В мышцах, обусловливая их цвет, содержится миоглобин, легко связывающийся с кислородом и служащий его депо. Каталаза и пероксидаза – биокатализаторы, участвуют в восстановлении различных пероксидов, в первую очередь, - Н2О2. В цитохромах используется способность железа менять валентность: данные гемопротеиды – непременные звенья ЭТЦ. С другой стороны, катионы этого металла могут быть донорами электронов, проявляя прооксидантные свойства (участники в образовании АФК). Его катионы включаются в активные центры различных оксидаз, гидролаз, СОД и других энзимов. Медь – также является переходным металлом, отсюда у него регистрируется определенное сходство с железом по биологическим свойствам. Супероксиддисмутаза (Сu, Zn–содержащая) – один из ключевых ферментов АРЗ, нейтрализующий супероксидные радикалы. Цитохромоксидаза, тоже имеющая в структуре ионы этого металла, - заключительное звено ЭТЦ. Энзимы, включающие Сu, участвуют в синтезе гема, катехоламинов, меланинов, фосфолипидов, железосодержащих протеинов, коллагена; данный биотик обнаруживается в составе некоторых белковых факторов свертывания крови. Как и железо, медь способствует генерации АФК. Основными пищевыми источниками меди служат печень, огурцы, орехи, какао, брусника (до 2,5%), плоды шиповника, грибы, шоколад, но молочные продукты обеднены ею. В плазме крови ионы металла транспортируются в составе гликопротеина церулоплазмина, который не только обеспечивает гомеостаз Сu++, но и является ферроксидазой, белком острой фазы воспаления, АО. Суточная потребность в цинке в зависимости от биодоступности его пищевых соединений (Табл. 3.5) и физиологического состояния (у беременных и лактирующих женщин до 30–50 мг) колеблется от 5 до 22 мг. Лучше усваиваются катионы этого металла, содержащиеся в продуктах животного происхождения (мясе, рыбе, яйцах), в меньшей степени – в семенах тыквы, зерновом хлебе, чернике, грибах, овсянке, бобовых. Образуя димеры с инсулином, данный микроэлемент способствует его депонированию и бережному использованию. Участвует в созревании репродуктивных органов, играет важную роль в поддержании иммунного статуса за счет способности блокировать синтез оксида азота, цитокинов. Но особенно много Zn++ выступает в качестве активатора различных ферментов аминокислотного, нуклеотидного, липидного, углеводного обменов (более 300 энзимов), является кофактором ЛДГ, ЩФ, ДНК- и РНК- полимераз, карбоангидразы. Zn-энзимы – матриксные металлопротеиназы (коллагеназы, эластазы, протеогликаназы и т.д.) разрушают белки соединительной ткани. В ЦНС ионы металла используются в качестве нейротрансмиттеров и нейромодуляторов, при высоких же концентрациях провоцируют апоптоз или некроз нейронов. В сравнении с другими микроэлементами жизненно важная роль селена была выявлена относительно недавно. Суточная потребность варьирует в следующих пределах: 50–500 мкг; его концентрация в продуктах питания во многом зависит от географии местности. Обычно основными источниками данного биотика считают кокос, фисташки, чеснок, морскую рыбу и морепродукты (устрицы, креветки), свинину, грибы при условии их происхождения из регионов, богатых Se. В организм он попадает в составе селен-содержащих аминокислот (Se-цистеина, Se-метионина), которые внедряются в различные белки-энзимы (описано более 30): глутатионпероксидазу , отвечающую за разрушение в тканях Н2О2 и органических пероксидов. Отсюда селен экранирует от СРО липиды мембран, а также полинуклеотиды, токоферолы и другие клеточные структуры. Другой Se-содержащий фермент – тиоредоксинредуктаза – восстанавливает монорибонуклеотиды; полученные в этой реакции дезоксирибонуклеотиды служат субстратами в генезе ДНК. И
з-за дефицита Se нарушается баланс тироидных гормонов, так как 5'-дейодиназа, включающая его в свой активный центр, катализирует конверсию прогормона тироксина в активную форму – трийодтиронин. Кроме того выявлены и другие белки, включающие Se: селенопротеин Р – участник защиты от реактивных молекул; селенопротеин W и другие. Многие исследователи, не расшифровывая интимные механизмы влияния МЭ, просто констатируют следующие эффекты селена:
В настоящее время трудно найти заболевание, в терапии которого бы не использовались препараты селена. Суточная потребность марганца колеблется (Табл. 3.7) в зависимости от возраста (у детей 5-7 лет – 0,07-0,1 мг/кг, у подростков – 0,08-0,09 мг/кг), от характера питания. Кишечной абсорбции его соединений препятствуют кальций, железо, фосфаты. Потребление продуктов, имеющих значительное количество таннина (чай) и оксалатов (томаты, шпинат), может также снизить усвоение Mn (Табл. 3.5). Биологическую роль этого биотика трудно переоценить: включаясь в различные биополимеры, он регулирует их функции. Принимает непосредственное участие в формировании спиральных структур нуклеиновых кислот; поддерживает архитектонику некоторых ферментов-мультимеров; входит в активные центры окислительных энзимов; является компонентом Mn-содержащей супероксиддисмутазы, обеспечивая тем самым АРЗ; потенцирует действие инсулина; нормализует обмен коллагена и гликозамингликанов (мукополисахаридов), усиливая рост волос, ногтей, процессы окостенения. Кроме того, активирует пируваткарбоксилазу, аргиназу, фосфатазы, гексокиназу, проявляет липотропное действия. Кобальтв тканях животных и человека включен в состав витамина В12, который служит коферментом различных трансфераз и изомераз. Представителем последних можно назвать метилмалонил-КоА-мутазу – один из энзимов синтеза гема – простетической группы гемопротеидов (роль которых описана выше). Кроме того, соединения кобальта обладают гипотензивным эффектом, стимулируют продукцию некоторых гормонов (тироидных, катехоламинов). Биокатализаторы, содержащие катионы этого металла, участвуют в образовании фосфолипидов – молекулярных структур биомембран клеток, оболочек нервных волокон. Из компонентов питания наиболее богаты этим МЭ мясо, печень, рыба, молочные продукты, бобовые, чеснок. Среди вышеперечисленных элементов все имеют положительные валентности, и только представители галогенов отрицательно заряжены. В нашей стране фтор в большинстве пищевых источников регистрируется в десятых долях миллиграмма на 1 кг массы. Количество МЭ в хлебобулочных изделиях зависит от его уровня в применяемой воде. В овощах, фруктах, ягодах значения фтора варьируют от 0,1 до 0,4 мг/кг. В основном он накапливается в зеленых частях растений (петрушки, сельдерея, шпината, киндзы, салата, капусты); зеленые листья чая тоже богаты этим галогеном (до 200 мг/кг). Близкие величины характерны для продуктов животного происхождения: в мясе констатируется не более 0,6 мг/кг, рыбе – меньше того (до 0,4 мг/кг), еще ниже в молоке (до 0,25 мг/л). По выполняемым функциям фтор принадлежит к остеотропным элементам. Его основная масса локализуется в костной ткани, особенно в зубной эмали в виде гидроксиапатита. Йод - элемент той же группы, что и фтор. Вымываясь из горных пород, аккумулируется в морской воде и морских организмах; легко возгоняется (что и происходит при хранении йодированной соли при теплвой обработке пищи). Для удовлетворения суточной потребности в этом галогене (Табл. 3.9) можно использовать лишь продукты морского происхождения (рыбу, моллюски, водоросли). Таблица 3.9 Суточные потребности человека в йоде (мкг/сутки) (ВОЗ, 2007)
Пресная вода и сухопутные пищевые источники обеднены им. Но в жизни человека и животных он играет жизненно важную роль, хотя и монофункционален: йод включается в тироидные гормоны щитовидной железы, которая начинает работать на 10–14 неделях существования плода, обеспечивая не только развитие, но и дифференцировку всех органов и тканей, в том числе ЦНС; ее БАВ также активно влияют на ход углеводного, липидного, азотистого, биоэнергетического обменов (Раздел IV, Глава 2). Таким образом, даже краткое перечисление биологических свойств макро- и микроэлементов позволяет сделать вывод о том, что здоровье человека напрямую зависит от уровня их поступления с пищей и водой, от сохранения минерального баланса в организме, что и определяется локальным биогеохимическим круговоротом. |