Общие сведения о минеральных веществах

Кроме основных элементов, из которых состоят белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты, человек должен получать с пищей другие химические элементы.

Основные элементы: C, O, H, N, S и P. Но, кроме этого, необходимы еще приблизительно 20 минеральных веществ.

Недостаток в том или ином минеральном веществе встречается редко, поскольку минеральные вещества в достаточном количестве содержатся в пище и питьевой воде. Но для некоторых минеральных веществ имеются эндемические зоны, которые характеризуются недостатком какого-либо минерального элемента (например, иода или фтора).

Минеральные вещества- это те вещества, которые остаются в золе после сжигания трупа. После сжигания трупа взрослого человека остается около 3 кг золы.

В настоящее время в нашем организме найдено около 70 различных элементов, исключая элементы трансуранового ряда.

Элементы, встречающиеся в организме, делят на:

1. макроэлементы - их содержание составляет граммы, десятки или сотни граммов. Это Na, K, Ca, P, S, Cl.
2. микроэлементы, содержание их в организме исчисляется миллиграммами и десятками миллиграммов. Это Fe, Cu, Zn, Mo, Co, F, I, Br и некоторые другие. Для нас более важна другая классификация.

Минеральные элементы можно классифицировать и по их необходимости для жизнедеятельности организма.

Те элементы, которые абсолютно необходимы для организма и выполняют в нем специфические функции, называют биоэлементы.

Те элементы, функции которых в организме неизвестны, обозначаются как случайные примеси. Пример случайной примеси - золото (Au).

Минеральные вещества в организме распределены очень неравномерно. Самая твердая ткань нашего организма - это ткань зуба, в ней 98 % минеральных веществ, а во внеклеточной жидкости содержится всего 0,5-1 % минеральных веществ. Фтора больше всего в зубной эмали, иода - в щитовидной железе, железа - в красном костном мозге. Большинство минеральных элементов концентрируется в отдельных тканях.

Равномерно распределены: Mg, Al, Br, Se.

Формы существования минеральных веществ в организме человека

1. Ионизированная форма- в виде растворенных диссоциированных минеральных солей. Ионы могут связываться с белковыми молекулами, образуя комплексы. Связь может быть специфическая и неспецифическая. Пример специфической связи: белок трансферрин переносит железо. Пример неспецифической связи: альбумины плазмы переносят многие металлы.
2. В составе органических макромолекул. Здесь связь прочная и специфическая. Пример: железо в гемоглобине, иод в тироксине.
3. В виде нерастворимых солей (кристаллические формы). Пример: кристаллы гидроксиапатита в составе костной ткани и тканей зуба (фосфаты кальция, соли фтора).

Минеральные вещества проникают в организм с пищей и водой через желудочно-кишечный тракт, а так же через дыхательные пути и кожу. Обычно они плохо всасываются в желудке, а в кишечнике их всасывание происходит путем активного транспорта.

Роль минеральных веществ

• Структурная роль.

Эту роль выполняют не только нерастворимые соли в костной ткани и ткани зуба, но и, например, фосфор, входящий в состав фосфолипидов клеточных мембран.

• Энергетическая роль.

Сами минеральные вещества не являются для нас источниками энергии, так как выводятся из организма в той же форме, как и поступают. Но минеральные вещества являются необходимыми участниками процессов преобразования и превращения энергии в организме. Примеры: фосфор входит в состав макроэргов, железо - в состав цитохромов.

• Регуляторная роль.

Минеральные вещества участвуют:

1. в поддержании постоянства осмотического давления в крови и в клетках;
2. в поддержании постоянства pH крови и тканей.

Это происходит благодаря существованию двух основных буферных систем организма:

1. бикарбонатная;
2. фосфатная.

Минеральные вещества входят в состав биорегуляторов нашего организма: ферментов, гормонов, витаминов.

Каждый из минеральных компонентов имеет свою роль и не может быть заменен другим.

Особенности метаболизма отдельных минеральных веществ.

Кальций (Са)

В среднем в организме человека содержится от 1 до 2 кг кальция. 90 % из этого количества находится в костной ткани в виде нерастворимых солей. 10 % кальция существует в организме в ионизированном состоянии.

Функции кальция следующие.

1. Необходим для процессов окостенения.
2. Участие в работе ферментативных систем (в том числе мышечного сокращения).
3. Передача нервного импульса.
4. Фактор свертывания крови.
5. Участвует в регуляции активности некоторых гормонов (кальмодулиновая система).
6. Активатор некоторых ферментов.
7. Пищевые источники кальция: молочные продукты, бобовые, злаки, орехи.
8. Лучше всего всасывается в кислой среде.
9. Суточная потребность: 800 мг; для беременных женщин - 1.2 г.

Фосфор (Р)

В организме взрослого человека содежится окло 1 кг фосфора. 85 % фосфора находится в костной ткани.

В плазме крови концентрация фосфора составляет от 1 до 1.4 ммоль/л.

Очень важно соотношение содержания кальция/фосфора в организме человека, которое в норме составляет: Са/Р = 2.

Функции фосфора в организме следующие.

1. Участвует в процессах окостенения.
2. Входит в состав макроэргов.
3. Входит в состав нуклеиновых кислот.
4. Входит в состав некоторых коферментов.
5. Входит в состав фосфолипидов.
6. Эфиры фосфора являются промежуточными продуктами энергетического метаболизма.
7. Входит в состав буферных систем крови.
8. Входит в состав фосфопротеинов (казеиноген молока).

Самостоятельной пищевой недостаточности фосфора в организме обычно не бывает. Чаще нарушения обмена фосфора связаны с недостаточностью кальция в организме.

Регуляция обмена кальция и фосфора. Трансмембранный перенос кальция регулируется Са,Mg-АТФазой. Осуществляется за счет двух гормонов, а также витамина D. В гормональной регуляции кальция принимают участие паратгормон и кальцитонин.

Парат-гормон.Это гормон паращитовидных желез.

1. Подавляет активность ключевого фермента ЦТК изоцитратдегидрогеназы в остеокластах. Это приводит к накоплению изоцитрата в костной ткани. Изоцитрат образует комплексы с кальцием, и образование таких комплексов способствует выведению кальция из костей. Это приводит к уменьшению кальций-связывающей способности костей и декальцинации костей.
2. Парат-гормон понижает реабсорбцию фосфора в почечных канальцах.

Поэтому следствием действия парат-гормона является фосфатурия и повышение уровня кальция в плазме крови - гиперкальциемия. Подробнее о паратгормоне - в лекции "Костная ткань".

Кальцитонин.Основная роль - предотвращение гиперкальциемии. Он тормозит выход Са и Р из костной ткани (декальцинацию костей). Подробнее о кальцитонине - в лекции по теме "Костная ткань".

Резюме:таким образом, по конечным эффектам действие парат-гормона и кальцитонина противоположно, но точки приложения этого действия разные. Поэтому эти гормоны не являются антагонистами.

Витамин D.Его активная форма - диокси-витаминD3 активирует биосинтез особого белка в кишечнике, который необходим для всасывания кальция.

Поэтому под действием витамина D:

1. улучшается всасывание кальция;
2. способствует синтезу в костной ткани специального белка, который улучшает проникновение кальция в костную ткань.

Таким образом улучшается минерализация костей. Поэтому при лечении остеопороза применяют витамин D вместе с кальцитонином.

Основные пищевые источники Са и Р: молоко, сыр, творог, рыба.

Источники витамина D: печень, рыбий жир.

Натрий (Na) и калий (K)

Натрий является основным внеклеточным катионом организма человека.

Функции натрия в организме следующие.

1. Поддержание постоянства осмотического давления.
2. Участие в работе буферных систем крови.
3. Поддержание нервно-мышечного тонуса.
4. Участие в процессах возбуждения нервных клеток.

Суточная потребность в Na- 1 г. Но за день мы часто потребляем до 10 г. Такое избыточное потребление Na иногда провидит к развитию у человека гипертонической болезни.

Калий является основным внутриклеточным катионом организма.

Суточная потребность в калии - около 4 г. При поносе и рвоте человек теряет много калия.

Источники калия: томатный сок, цитрусовые, бананы, кожура картофеля.

На клеточных мембранах возникает градиент концентраций этих ионов. Поддержание этой разности концентраций имеет важное значение в обеспечении многих функций нашего организма. Постоянно высокая внутриклеточная концентрация калия поддерживается за счет работы Na-K-АТФазы. Этот фермент интегрирован в мембрану клеток. Центр связывания для иона калия расположен на наружной поверхности мембраны, а для иона натрия - на внутренней. Na,K-АТФаза, используя энергию гидролиза АТФ, переносит ионы калия внутрь клетки, а ионы натрия - наружу. Na,K-АТФаза активируется внеклеточным калием и внутриклеточным натрием. Ионы Na гидратированы лучше, чем ионы K, поэтому при выведении Na из клетки выводится вода.

Гормональная регуляция обмена натрия и калия осуществляется под действием минералокортикоидов, которые усиливают реабсорбцию Na в почечных канальцах, что приводит к увеличению реабсорбции воды.

Железо (Fe) и медь (Cu)

Железо необходимо для синтеза гема кислород-переносящих белков (гемоглобина, миоглобина), цитохромов, пероксидазы, каталазы.

Железо может всасываться в кишечнике в виде ионов Fe2+, но они всасываются очень медленно. Всасывание железа идет быстрее в присутствии восстановителей (например, витамина "С"). Между организмом человека и микрофлорой кишечника существует конкуренция за Fe2+. Лучше всего железо усваивается из продуктов животного происхождения.

Потребность организма в железе составляет в 5-6 раз больше необходимого количества для организма: чтобы всосалось 10 мг железа (это суточная потребность), нужно получить с пищей 50-60 мг железа в сутки. Переход всосавшегося железа из кишечного эпителия в плазму происходит с участием белка ферритина. В крови железо транспортируется белком трансферрином. Депонируется железо в печени, селезенке и красном костном мозге в комплексе с белком ферритином. Железо, которое освобождается из фагоцитированных эритроцитов, доступно для утилизации - выводится с желчью и калом в небольших количествах. При кровотечениях потери железа намного возрастают.

Медь должна обязательно быть в составе пищи для лучшего всасывания железа.

Медь необходима для синтеза ферментов цитохромоксидазы, супероксиддисмутазы - в состав этих ферментов входят и медь, и железо.

Медь также входит в состав активного центра фермента лизилоксидазы. Этот фермент катализирует образование поперечных сшивок между отдельными полипептидными цепями в коллагене и эластине. Таким образом, медь нужна для нормального развития соединительной ткани и эндотелия. При недостатке меди стенки сосудов становятся хрупкими, ломкими, увеличивается вероятность их разрыва.

Медь транспортируется в организме белком плазмы крови церулоплазмином.

Существует наследственное заболевание:болезнь Вильсона. При этой патологии снижено количество церулоплазмина. Медь накапливается в печени и головном мозге, что приводит к неврологическим расстройствам.

Суточная потребность в меди составляет 2,5-5 мг.

Много меди в мясе, морских продуктах. Молоко совсем не содержит меди.

Магний (Mg)

В организме человека содержится 25 г магния. 50 % этого количества содержится в костной ткани, 30 % - в мышечной ткани. Остальные 20 % - в других тканях и биологических жидкостях.

Концентрация магния в тканях составляет 5-10 ммоль/л, в плазме крови - 0,65-1 ммоль/л, в эритроцитах - в 2 раза выше, чем в плазме. 80 % магния плазмы крови находятся в ионизированном состоянии (Mg2+), остальной связан с белками.

Функции магния.

1. Участвует в АТФ-зависимых реакциях.
2. Участвует во всех киназных реакциях.

Магний широко распространен в пищевых продуктах. Эффективное всасывание магния в кишечнике идет только в присутствии белков, поэтому для лучшей усвояемости мгния необходимо потреблять белковую пищу. Белок молока казеин хорошо способствует всасыванию магния. Недостаточность магния возможна только при недостатке белков в питании и недостатке овощей.

Суточная потребность: 350 мг.

Значительные потери организмом магния могут произойти при диаррее. При понижении концентрации магния в крови наблюдаются мышечная дрожь, полукоматозное состояние. Повышение концентрации магния в крови вызывает седативный (успокаивающий) эффект. Препараты магния используются как противосудорожные средства.

Фтор (F)

Связь кариеса с нарушением обмена фтора обнаружена в 30-х гг. С тех пор ведутся исследования о роли фтора в организме.

Фтор мы получаем с водой и пищей.90 % фтора, находящегося в организме, содержится в зубной эмали, еще 9 % - в других тканях зуба и в костной ткани. Фтор выводится из организма в основном через почки.

Фтор оказывает влияние на активность ферментов, фториды повышают активность щелочной фосфатазы. Фтор оказывает влияние на организм за счет его способности к комплексообразованию с металлами. Образуя комплексы с металлами, входящими в состав активного центра некоторых ферментов, влияет на их работу.

При нормальном содержании фтора в организме концентрация его в моче должна составлять 0,7-1,2 мг/литр.

Избыточное поступление фтора вредно.Если постоянно человек получает избыток фтора, то разовьется флюороз зубов, который еще называют крапчатость зубов. Вначале на поверхности зубов видны беловатые непрозрачные участки. Затем эти участки желтеют, становятся коричневыми и даже черными. Может также наблюдаться флюороз костей и связок. Его клинические симптомы: больного беспокоят боли в локтевых, коленных суставах, в которых образуются костные выросты. Флюороз встречается как эндемическое заболевание в некоторых жарких странах при очень высоком содержании фтора в воде и почве, а также как профессиональное заболевание.

Цинк (Zn)

Входит в состав более 80 ферментов - карбоангидразы, РНК- и ДНК- полимераз, крбоксипептидаз.

Инсулин депонируется в комплексе с цинком. Много цинка содержится в предстатеьной железе, сперматозоидах, в тканях плода.

Цинк входит в состав рецепторов языка (вкус) и полости носа (запах).

Недостаток цинка в организме встречается очень редко и приводит к изменению вкуса и запаха. В результате возникает отвращение к еде.

Пищевые источники: яйца, мясо, молоко, морские продукты, печень.

Суточная потребность: 15 мг. У беременных женщин потребность в цинке увеличена.

Избыток любого микроэлемента является токсичным для организма!

Вода (H2O)

Вода имеет особые физико-химические свойства.

1. Универсальный растворитель организма для газов и других веществ.
2. Средство транспорта различных веществ от места образования к месту потреблния или выведения.
3. Образует гидратные оболочки белков, обеспечивает коллоидность белковых растворов.
4. Участвует во многих химических реакциях.
5. Обеспечивает всасывание питательных веществ в кишечнике и экскрецию продуктов метаболизма.
6. Участвует в терморегуляции организма.

Вода является основной средой нашего организма, составляя 50-65 % от массы тела человека. Содержание воды в организме зависит от возраста. В эмбрионе содержится 97 % воды, а в организме пожилых людей воды меньше, чем молодых. Чем льше жира в оранизме, тем меньше воды. 70 % жидкости организма составляет внутриклеточная вода, 20 % - внеклеточная, 10 % приходится на долю циркулирующих жидкостей.

Часть воды составляет вода гидратных оболочек белков (связанная вода), которая отличается от свободной воды более высокой температурой кипения и более низкой температурой замерзания.

Вода организма находится в постоянном взаимодействии с внешней средой. Суточное потребление воды организмом составляет примерно 2250 мл.

Выведение воды из орагнизма:почки - 1500 мл, кожа - 650 мл, легкие - 350 мл, кишечник - 150 мл. Всего выводится из орагнизма за сутки 2650 мл воды. Разница в 350-400 мл между потреблением и выведением приходится на эндогенную воду, которая в организме образуется в тканях при расщеплении пищевых веществ.

Регуляция обмена воды

Вазопрессин. Пептидный гормон, синтезируемый в гипоталамусе и секретируемый из нейрогипофиза, имеет мембранный механизм действия. Этот механизм в клетках - мишенях реализуется через аденилатциклазную систему.

Роль вазопрессина следующая.

1. Вызывает сужение периферических сосудов (артериол).
2. Повышает артериальное давление.
3. В почках вазопрессин повышает скорость реабсорбции воды из начальной части дистальных извитых канальцев и собирательных трубочек. Считается, что действие вазопрессина связано с фосфорилированием белков апикальной мембраны почки, в результате чего увеличивается ее проницаемость.

Секреция вазопрессина увеличивается при повышении осмотического давления плазмы крови. Например, при повышенном потреблении соли или при обезвоживании организма. При поражении гипофиза, в случае нарушения секреции вазопрессина наблюдается состояние - несахарный диабет - резкое увеличение объема мочи (до 4-5 л) с низким удельным весом.

Адреналин.

1. Он повышает артериальное давление, частоту сердечных сокращений, минутный объем сердца.
2. В умеренных дозах вызывает расширение сосудов внутренних органов, в том числе почек.

Все перечисленные эффекты адреналина направлены на увеличение тока крови через клубочки. Это приводит к усилению фильтрации плазмы в клубочках почек, т. е. к увеличению объема первичной мочи. Как следствие этого, увеличивается и объем вторичной мочи, т. е. увеличивается выведение жидкости с мочой.

Минералокортикоиды. Альдостерон. Альдостерон- это стероидный гормон коры надпочечников из группы минералкортикоидов. Как и другие гормоны этой группы, он усиливает реабсорбцию натрия из дистальной части почечного канальца благодаря активному транспорту. Особенностью действия этого гормона является то, что он начинает активно секретироваться при значительном снижении концентрации натрия в плазме крови. В случае очень низких концентраций натрия в плазме крови под действием альдостерона может происходить практически полное удаление натрия из мочи. Усиление реабсорбции натрия влечет за собой и задержку воды в организме. Гиперсекреция альдостерона (первичный альдостеронизм) приводит к задержке натрия и воды - затем развивается отек и гипертония, вплоть до сердечной недостаточности. Недостаточность альдостерона приводит к состоянию, которое характеризуется значительной потерей натрия, хлоридов и воды и уменьшению объема плазмы крови. Кроме того, в почках одновременно нарушаются процессы секреции Н+ и NH4+ и это может приводить к ацидозу.

Тироксин. Гормон щитовидной железы тироксин увеличивает выведение жидкости из организма внепочечным путем. Он увеличивает теплообразование, разобщая окисление и фосфорилирование - тем самым усиливает потоотделение.

При недостатке этого гормона развивается слизистый отек - микседема. При этом наблюдается накопление жидкости внутри клеток.

Инсулин - при недостатке этого гормона наблюдается глюкозурия, что приводит к полиурии.

При одномоментном употреблении большого количества жидкости она уходит в ДЕПО: печень, клетчатку кожи, брюшную и плевральную полости.

Организм человека существует как единое целое благодаря системе внутренних связей, которая обеспечивает передачу информации от одной клетки к другой в одной и той же ткани или между разными тканями. Без этой системы невозможно поддерживать гомеостаз. В передаче информации между клетками в многоклеточных живых организмах, принимают участие три системы: центральная нервная система (ЦНС), эндокринная система (железы внутренней секреции) и иммунная система.

Способы передачи информации во всех названных системах - химические. Посредниками при передаче информации могут быть сигнальные молекулы.

К таким сигнальным молекулам относятся четыре группы веществ: эндогенные биологически активные вещества (медиаторы иммунного ответа, факторы роста и др.), нейромедиаторы, антитела (иммуноглобулины) и гормоны.