II. 2. Обмен минеральных веществ и его регуляция

Минеральные вещества, поступающие в животный или растительный организм и необходимые для осуществле­ния в нем тех или иных функций, задерживаются в организме, обра­зуя в подавляющем большинстве случаев специфические соединения. Концентрирование элементов в живой природе видоспецифично и наследственно. Так, свыше 150 растительных видов (пасленовые, лютико­вые и др.) накапливают Li, плауны - А1, морские водоросли - I (в ви­де производных тирозина) и поливалентные металлы (в количестве 10⁸ т ежегодно), высшие животные - Са и Р, которые образуют фосфорно­кислый кальций - основу костной ткани. и т. п.

В организме человека на долю минеральных веществ приходится около 3% от веса тела. Потребность в них, как и потребность в воде, зави­сит от возраста, пола, мышечной активности, условий окружающей среды. Она неодинакова для различных веществ. У взрослого че­ловека суточная норма некоторых из них в среднем составляет: Nа - 8 г, К– 2 г, Са - 0,8 г, Мg - 0,5 г, Fе - 0,2 г, Р - 1,6 г, С1 - 4 г; другие требуются в значительно меньших количествах. Дети и беременные женщины нуждаются в дополни­тельном поступлении кальция и фосфора; при занятиях спортом может значительно возрастать потребность в калии, натрии, маг­нии, кальции, фосфоре, железе; добавочные количества минераль­ных веществ нужны и при повышенной температуре окружающей среды.

Организм человека очень чувствителен к изменению минераль­ного состава. И недостаток, и избыток многих ионов приводят к на­рушениям в протекании биохимических процессов. Если пища раз­нообразна, потребность человека в минеральных веществах может удовлетворяться полностью. Однако в некоторых географических областях почва или грунтовые воды содержат недостаточное или, наоборот, избыточное количество какого-либо элемента (чаще всего микроэлемента). В этом случае и разнообразное питание не обеспечивает нормального протекания метаболических процессов. Нормализация обменных процессов в этих случаях достигается искусственным введением недостающих ве­ществ в пищу: йодированием поваренной соли, фторированием питьевой воды, увеличением потребления продуктов, содержащих соединения железа, меди и т. п. Сложнее устранить нарушения обмена, возникающие из-за избытка того или иного элемента в пище. При этом следует ограничить потребление пищевых продук­тов местного происхождения и увеличить использование тех, что производятся в другой географической зоне; стимулировать выве­дение избытка данного элемента из организма.

Минеральные вещества, поступающие с пищей, всасываются через слизистую оболочку кишечника и доставляются в печень. На процесс всасывания большое влияние оказывает сочетание в пище соединений различных классов. Так, всасывание кальция ограничивается, если пища содержит большое количество липидов, так как продукты его гидролиза - жирные кислоты - перево­дят кальций в нерастворимую форму кальциевого мыла. Такой же эффект оказывает избыток черного хлеба, содержащий фитиновую кислоту. Всасы­вание кальция облегчается при наличии в пище легкоусвояемо­го белка.

В печени происходит задержка части ионов, необходимых для ее функционирования, остальные поступают в большой круг крово­обращения и разносятся к тканям и органам. Некоторые ионы могут депонироваться. Так, ионы железа в составе белка ферритина откладываются в печени, селезенке, красном костном мозгу. Распределение ионов между различными тканями и органа­ми, клетками и межклеточной средой неравномерно (табл. 7). Натрий является основным катионом внеклеточной жидкости (в ней содержится до 96% общего количества натрия в организ­ме). Калий и кальций преобладают внутри клеток. Концентрация калия в клетке примерно в 25 раз выше, чем во внеклеточной жидкости, при этом часть его находится в химически связанном состоянии. Местами сосредоточения кальция в клетке являются мембраны эндоплазматической сети, митохондрии и рибосомы.

 

Таблица 7. Содержание некоторых элементов в тканях и органах человеческого тела (в мг на 100 г сухого веса ткани).

Ткани и органы	Элементы
К	Na	Са	Mg	Cl	P
Костная ткань
Скелетные мышцы
Сердечная мышца
Легкие
Печень
Почки

 

Важную роль в распределении ионов играетизбирательная проницаемость клеточных мембран. Обмен ионами между клетка­ми, межклеточной жидкостью, кровью и другими жидкостями те­ла может осуществляться:

- путемпассивной диффузии;

- с помощью веществ-переносчиков, без затрат энергии, если движение ионов происходит по градиенту концентрации;

- путемактивного транспорта, включающего действие специфических АТФ-аз, если движение ионов направлено против градиента концентрации.

По механизму активного транспорта идет образование мембранного потенциала, когда ионы натрия выносятся из клетки в межклеточ­ную жидкость, а ионы калия поступают в клетку. При этом на встречный перенос каждых трех ионов натрия и двух ионов калия расходуется энергия одной молекулы АТФ. Перенос кальция тре­бует большего расхода энергии: по одной молекуле АТФ на каж­дый ион кальция. Мембранные системы переноса обладают суб­стратной специфичностью. Обмен ряда ионов сопряжен с обменом органических соединений. Так, транспорт аминокислот и глюкозы через мембраны тесно связан с движением ионов натрия, а де­понирование гликогена - с накоплением ионов калия и фосфата.

Регуляция ионного обмена очень многообразна. Большую роль в ней играют нервная система, гормоны коры надпочечников, щи­товидной и паращитовидной желез, витамин D, ацетилхолин и не­которые другие вещества.

Особо следует отметить влияние на минеральный обмен состоя­ния гиподинамии: оно способствует деминерализации костной тка­ни, усилению выведения кальция с мочой, повышению секреции альдостерона и задержке натрия в организме.

Многочисленные регуляторные воздействия на минеральный обмен направлены на поддержание постоянстваэлектролитногосостава жидкостных сред организма.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1. Какой элементарный состав живых организмов?
2. Какие химические элементы относятся к макроэлементам и каково их содержание в живом организме?
3. Какие основные химические элементы составляют более 99% живого вещества? И почему именно эти?
4. Какие свойства углеродного атома определяют его ведущее положение в образовании органических соединений?
5. Назовите основные классы низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений, содержащихся в живых организмах. Каково их среднее процентное содержание?
6. Каковы отличительные свойства молекул, участвующих в биохимических процессах и приводящих к появлению у живых организмов свойств, отличных от свойств неживого вещества?
7. В чем заключается принцип универсальности химического состава живых организмов?
8. Рассчитайте число молекул липидов в клетке E.coli, исходя из допущения, что средний молекулярный вес липидов равен 700 и что липиды составляют 2% общего сырого веса клетки E.coli, которая равна 2^.10^-12 г.
9. Исходя из допущения, что в клетке E.coli содержится 3000 различных типов белков (мол. вес 30 000), присутствующих в эквимолярных количествах, и что 15% общей массы клетки составляет белок, причем 90% этого белка сосредоточено в цитоплазме,

а) вычислите молярную концентрацию каждого типа белка в цитоплазме;

б) вычислите общую концентрацию белка в цитоплазме в молях на литр;

в) вычислите общую концентрацию белка в цитоплазме в граммах на литр.

1. Единичная молекула ДНК в хромосоме E.coli (мол. вес 2 800 000 000) содержит около 4,5 млн. мононуклеотидных единиц; длина каждой из них составляет примерно 0,34 нм. Вычислите общую длину этой молекулы ДНК и сравните ее с длиной клетки E.coli.
2. Какие особенности строения молекул воды? Опишите взаимосвязь строение – свойства – биологическая роль воды.
3. В каких состояниях находится вода в организме? От чего зависит содержание воды в тканях? Как распределяется вода по различным тканям организма человека?
4. Какова биологическая роль воды? Какова суточная потребность человека в воде и от чего она зависит?
5. Что такое дисперсная система? Что называется дисперсионной средой и дисперсной фазой? Как классифицируются дисперсные системы в зависимости от размера частиц дисперсной фазы? Что такое истинные растворы? Коллоидные растворы? Суспензии? Эмульсии? Приведите примеры дисперсных систем живых организмов.
6. Какие свойства водно-дисперсных систем зависят от химической природы дисперсной фазы и дисперсионной среды, а какие определяются только концентрацией частиц дисперсной фазы?
7. Что такое диффузия и каковы ее причины? От чего зависит скорость диффузии?
8. Что называется осмосом? Какая формула применяется для расчета осмотического давления раствора неэлектролита? Электролита?
9. Сколько граммов глицерина С₃Н₈О₃ должно содержаться в 500 мл его раствора, чтобы при 27^оС осмотическое давление этого раствора было равно 3 атмосферам?
10. Что такое тургор, плазмолиз, гемолиз?
11. Сколько воды нужно добавить к 50 г 10% раствора, чтобы получить 2% раствор?
12. Что такое водородный показатель? Каковы его значения в кислой, нейтральной или щелочной средах?
13. Во сколько раз увеличится или уменьшится концентрация ионов водорода в растворе, если рН раствора уменьшить на 1?
14. Вычислите рН растворов, содержащих ионы Н⁺ в концентрациях 0,001 М; 10^-8 М; 5^.10^-11 М или ионов ОН^- в концентрациях 0,15 М; 5^.10^-4 М.
15. Вычислите концентрации ионов Н⁺: а) в плазме крови; б) в цитоплазме клеток мышщ; в) в желудочном соке; г) в томатном соке; д) в морской воде (см. табл.3).
16. Каков состав буферных систем организма?
17. Что такое буферное действие? Объясните его механизм на примере бикарбонатного буфера.
18. Какова биологическая роль буферных систем организма?
19. Вычислите отношение концентраций ионов Н₂РО₄^- и НРО₄^2- в клетке печени, если константа диссоциации фосфорной кислоты по второй ступени составляет 6,3^.10^-8.
20. Какой объем 0,1 н НСl нужно добавить к 20 мл 0,04 М фосфатного буфера с рН равным 6,5, чтобы значение рН стало равным 5,0?
21. Как регулируется количество воды в организме?
22. Приведите примеры химических реакций, при которых образуется эндогенная вода.
23. Что понимается под кислотно-щелочным равновесием крови? С помощью каких механизмов оно поддерживается?
24. Что такое компенсированный и некомпенсированный ацидоз и алкалоз?
25. Как влияют на протекание процессов обмена веществ ионы кальция, магния, калия, натрия, йода, железа, меди, кобальта, цинка?
26. Приведите примеры ионов, играющих важную роль в построении клеточных структур.
27. Какими способами ионы металлов могут регулировать ферментативную активность? Приведите не менее 5 примеров участии ионов металлов в ферментативном катализе.
28. Какие ионы оказывают наибольшее влияние на осмотическое давление в жидкостных средах организма?
29. Как осуществляется регуляция вводно-солевого обмена?
30. Рассчитайте число ионов калия в цитоплазме клетки E.coli, если их концентрация составляет 150 ммоль/л.
31. Каким образом минеральные вещества влияют: а) на обмен нуклеиновых килот; б) на обмен белков; в) на обмен углеводов и липидов?
32. Какие существуют механизмы обмена ионами между клетками?
33. Какие гормоны принимают участие в регуляции водного и минерального обменов?

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. - М.: Агар, 1999.

2. Ленинджер А. Биохимия. - М.: Мир, 1999.

3. Биохимия / Под редакцией Меньшикова В.В., Волкова Н. И. - М.: Физкультура и спорт, 1986.

4. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. - М.: Высшая школа, 1996.

5. Р. Марри, Д. Греннер, П.Мейес, В. Родуэлл Биохимия человека. - М.: Мир, 1993.- Т.1,2.

6. Идз Мэри Ден Витамины и минеральные вещества: Полный медицинский справочник.-СПб.: АО «Комплект», 1995.

7. Николаев А.Я. Биологическая химия. - М.: Высшая школа, 1989.

8. Анисимов А.А., Леонтьева А.Н., Александрова И.Ф., Каманина М.С., Бронштейн Л.М. Основы биохимии. - М.: Высшая школа, 1986.

9. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. - М.: Просвещение, 1987.

10. Суворов А.В., Никольский А.Б. Общая химия.-СПб.: Химия, 1995.

11. Глинка Н.Л. Общая химия.- Л.: Химия, 1983.