Водно-мінеральний обмін

Водно-мінеральний обмін. Вітаміни. Лекція № 6

План1. Вміст води у організмі2. Фізико-хімічні властивості води3. Біологічна роль води4. Видалення води з організму5. Порушення водного балансу6. Обмін мінеральних речовин7. Розподілення мінеральних речовин у організмі8. Надходження мінеральних речовин у організм. Виведення мінеральних речовин 9. Біологічна роль окремих мінеральних речовин10. Вітаміни як біологічно активні речовини

Вміст води у організміРоль води у життєдіяльності організм неоціненна. Вода є середовищем, у якому протікають усі життєво важливі хімічні процеси. Вміст води у організмі дорослої людини – 60-65% від маси тіла, у дітей ця цифра вища, у людей похилого віку вміст води може скоротитися до 50%. При втраті 4-5% води виникає сильна спрага, спостерігається значне зниження працездатності, при втраті 10-15% спостерігаються важкі розлади обміну речовин, втрата 20-25% несумісна з життям. Вода розподілена у організмі нерівномірно. Рідини організму (кров, лімфа, спинномозкова речовина) містять 80-90% води, у внутрішніх органах та м’язах міститься 70-80% води, у кістках – 20-40%. Емаль зубів містить 1% води. 2/3 води знаходиться усередині клітин і носить назву внутрішньоклітинної, 1/3 води входить до складу спинномозкової речовини, плазми, крові, лімфи, міжклітинної рідини. Ця вода носить назву позаклітинної.

Фізико-хімічні властивості води. Воді властивий ряд унікальних фізико-хімічних властивостей. 1)молекули води є полярними, між ними утворюються водневі зв’язки. У рідкому середовищі кожна молекула за допомогою водневих зв’язків сполучається з кількома сусідніми молекулами. Завдяки величезній кількості водневих зв’язків вода порівнянні з іншими рідинами має більшу теплоємність та теплоту випаровування, високу температуру кипіння та плавлення, високу теплопровідність. Такі властивості дозволяють воді брати активну участь у терморегуляції. 2)Вода має низьку в’язкість, являє собою досить рухому рідини. Це пояснюється тим, що у воді постійно утворюється та руйнується велика кількість водневих зв’язків. Внаслідок високої плинності (текучести) вода легко циркулює по різним порожнинам організму (кровоносним та лімфатичним судинам, міжклітинному простору тощо).3)Завдяки вираженій полярності молекул води у ній розчиняються різноманітні органічні та неорганічні речовини.

Біологічна роль води1). Вода – універсальний розчинник, у ній розчиняється більшість хімічних сполук;2). Внаслідок низької в’язкості вода легко переміщується по кровоносним та лімфатичним судинам, у міжклітинному просторі, переносить розчинені речовини – виконує транспортну функцію. 3). Вода бере участь у підтриманні постійної температури тіла – терморегуляторна функція.4). Вода утворює гідратну оболонку високомолекулярних сполук (полісахариди, білки), що сприяє їх стабільності.5). Вода є активним часником обміну речовин (майже усі процеси відбуваються внаслідок гідролізу). Вода – кінцевий продукт ряду хімічних процесів. Велика кількість води утворюється в процесі тканьового дихання (400 мл на добу). Середня добова потреба дорослої людини у воді – 2,5-2,8 л (з розрахунку 40 мл на 1 кг маси тіла). У дітей потреба у воді дещо вища, ніж у дорослих.

Основні джерела води. Питна вода900-1000 мл/добу. Рідка їжа600-650 мл/добу. Тверда їжа650-700 мл/добу. Ендогенна вода350-450 мл/добу Усього: 2500 – 2800 мл/добу

Видалення води з організму. Вода видаляється з організму нирками, легенями, кишківником, шкірою та потовими залозами. На добу організм людини видаляє таку кількість води: З сечею1400-1500 мл. З повітрям350-400 мл. З калом150-200 мл. З потом600-700 мл Усього: 2500-2800 мл

Видалення води нирками залежить від об’єма води, яка потрапляє у організм. Видалення води с потом різко зростає при м’язовій роботі ( з потом людина може втратити до 5 л води на добу). При видалені води з потом видалення води з сечею зменшується. Під час тренувань збільшується видалення води з повітрям, що видихається. Обмін води регулюється нервовою та ендокринною системами. Потрапляння в організм екзогенної води залежить від почуття спраги, яка виникає навіть при зменшені вмісту води на кілька відсотків. Механізм виникнення спраги полягає у наступному: при нестачі води спостерігається згущення крові, у ній підвищується осмотичний тиск. Це сприймається осморецепторами, з яких інформація рефлекторним шляхом потрапляє у кору головного мозку, формуючи почуття.

Основним гормоном, що викликає затримку води у організмі, є вазопресин. Під його впливом у нирках прискорюється зворотне всмоктування води з первинної сечі у кров, що призводить до зменшення діурезу та затримки води у організмі (вазопресин часто називають антидіуретичним гормоном). Утриманню води у організмі також сприяє гормон кори наднирників альдостерон. Під його впливом підвищується швидкість зворотного всмоктування у кров іонів натрію та зменшується зворотне всмоктування іонів калію. Як результат, відбувається затримка в організмі іонів натрію та втрата іонів калію. Іони натрію утворюються гідратну оболонку, тому затримка натрію супроводжується збереженням у ньому води. Видалення води з організму стимулює гормон тироксин (гормон щитоподібної залози). При надмірній кількості цього гормону підсилюється виділення води шкірою. Завдяки нервово-гуморальній регуляції в організмі підтримується рівновага між вживанням води та її виділенням: виводиться стільки ж води, скільки надходить.

Порушення водного балансу. Затримка води у організмі, як правило, супроводжується набряків. Вони можуть виникати через захворювання серцево-судинної системи та нирок, при голодуванні. Затримка води в організмі може бути викликана вживанням їжі, що містить велику кількість натрій хлориду. Зменшення вмісту води у організмі призводить до зневоднення тканин. Зневоднення може виникнути при обмеженні потрапляння води, при надмірних втратах води через різні захворювання (діабет тощо). У спортсменів часткове зневоднення може бути викликане великими втратами води при потовиділенні та з повітрям, що видихається при виконання великої кількості тренувальних та змагальних навантажень, особливо при високій температурі та низькій вологості. Для попередження зневоднення необхідно дотримуватися питного режиму. За 40-60 хв до початку тренувань чи змагань слід випивати 400-500 мл води. Під час тренування слід поповнювати запаси води, випиваючи невеликі порції води (по 40-50 мл). Замість води можна вживати вуглеводно-мінеральні напої.

Обмін мінеральних речовин. У організмі людини близько 3 кг мінеральних речовин (4% від маси тіла). Мінеральний склад організму досить різноманітний, але кількість хімічних елементів варіює у широких межах. Елементи, що входять до складу організму у великих кількостях (10-100 г і більше) носять назву макроелементів: Макроелемент. Вміст у організмі У %У грамах. Кальцій2-2,11400-1600 Фосфор 1,1-1,2770-850 Калій0,25-0,26180-200 Хлор0,15-0,17100-120 Натрій0,1-0,1270-85 Магній 0,03-0,0420-30Інші мінеральні елементи знаходяться у організмі у дуже малих кількостях, носять назву мікроелементів – це Fe, F, I, Cu, Zn, Mn, Co, Mo, As, Ni, Cr, Br. Багато мікроелементів беруть участь у обміні речовин.

Розподілення мінеральних речовин у організміМінеральні речовини розподілені у організмі нерівномірно. У крові, м’язах, внутрішніх органах вміст мінеральних речовин низький – близько 1%. У кістках на долю мінеральних речовин припадає близько 50%. У зубній емалі мінеральних речовин близько 98%. Хімічні елементи нерівномірно розподілені. Майже весь кальцій, магній та фосфор у формі нерозчинних солей входять до складу кісток та зубів. Калій переважно знаходиться усередині клітин, натрій – у міжклітинній речовині. Основні запаси заліза зосереджені у печінці та у складі гемоглобіну, йод міститься у щитоподібній залозі, цинк – у підшлунковій залозі. Форми існування мінеральних речовин-У формі нерозчинних солей (кістки, зуби);-У складі органічних сполук (залізо – у складі гемоглобіну, у складі ферментів (цитохроми, каталази), фосфор – у складі білків, ліпоїдів, нуклеїнових кислот);-У формі іонів - К+, Na+ Ca2+ Mg2+ Cl- H2 PO4-

Надходження мінеральних речовин у організм. Виведення мінеральних речовин Добова потреба дорослої людини у мінеральних речовинах наступна: Практично всі мінеральні речовини надходять з їжею у необхідних кількостях. Виключенням є лине натрій хлорид, вміст якого у продуктах харчування є недостатнім, внаслідок чого цю речовину у чистому вигляді додають до їжі. Іноді у їжі може міститися недостатня кількість і інших мінеральних речовин, що обумовлено географічними та іншими особливостями. Нестача того чи іншого елемента може призводити до специфічних захворювань. Надмірне потрапляння іонів також призводить до розладів та навіть отруєнь (наприклад, солями важких металів).

Мінеральні речовини виводяться нирками, кишківником та за допомогою потовиділення. Нирки видаляють водорозчинні мінеральні речовини. За добу із сечею виводиться 15-25 г солей (з них 8-15 г натрій хлориду). Кишківник виводить переважно нерозчинні речовини (солі заліза, солі тяжких металів). Кальцій та фосфор можуть видалятися з організму двома шляхами: нирками та кишківником, причому співвідношення між ними залежить від кислотності сечі. Чим вища кислотність, тим більше кальцію та фосфору виводиться з сечею, а не з калом. У сечі, що має лужну реакцію, вміст солей кальцію та фосфору низький – в такому випадку переважає видалення кальцію та фосфору через кишківник. Така закономірність зумовлена тим, що розчинність фосфатів кальцію вища у кислому середовищі. Частина мінеральних речовин виводиться шкірою за допомогою поту. Піт має у своєму складі 99% води та органічні сполуки (сечовину, молочну кислоту у спортсменів) та неорганічні солі. Головним мінеральним компонентом поту є натрій хлорид, окрім якого можуть бути присутні катіони К+, Mg2+, Ca2+.

У невеликих кількостях (600-700 мл) піт видаляється постійно, але при виконанні фізичної роботи потовиділення різко зростає (до кількох літрів). Наслідком посиленого потовиділення є значне знесолення організму, яке супроводжується погіршенням самопочуття та зниженням працездатності. Для попередження знесолювання слід вживати не чисту, а підсолену або мінеральну воду. Також можна вживати полівітамінні комплекси та фармацевтичні препарати, що містять мінеральні речовини. Можна підсумувати, що мінеральні речовини постійно оновлюються, і склад їх мало змінюється.

Біологічна роль окремих мінеральних речовин. Натрій, калій та хлор знаходять у організмі у вигляді іонів. Натрій знаходиться зовні клітин (у плазмі, крові, міжклітинній рідині), іони калію зосереджені всередині клітин. Ці іони грають важливу роль у створенні осмотичного тиску, від якого залежать більшість функцій клітин. Також натрій, калій та хлор беруть участь у формуванні нервового імпульсу і є активаторами ряду ферментів. Хлор бере участь в утворенні хлоридної кислоти шлункового соку. Іони натрію та калію необхідні для функціонування міокарду (потреба у них зростає під час збільшення інтенсивності серцевої діяльності). Вміст натрію та калію в організмі регулює гормон наднирників альдостерон, який в процесі утворення сечі затримує іони натрію та сприяє видаленню із організму іонів калію. У спортсменів потреба міокарду у калії збільшується.

В той же час, за рахунок збільшеного потовиділення відбувається втрата великих кількостей хлористого натрію та калію. Як наслідок, збільшується викид у кров альдостерону, який призупиняє видалення іонів натрію із сечею і підвищує видалення іонів калію – це призводить до зниження запасів калію у серцевому м’язі. Для нормалізації обміну калію при тренуваннях слід вживати продукти, багаті на калій (курага, ізюм) та медичні препарати калію (оротат калію, аспаркам).

Кальцій, магній, фосфор у вигляді нерозчинних солей знаходяться у кістковій тканині. Формування кісткової тканини пов’язане з накопиченням фосфорнокислих солей кальцію. Важлива роль у цьому процесі належить вітаміну Д. Незначна частина кальцію та магнію знаходиться у плазмі крові у вигляді іонів – вони є обов’язковими учасниками процесів згортання, беруть участь у процесах скорочення та розслаблення м’язів. Іони кальцію та магнію є активаторами деяких ферментів. Ці іони активізують креатинкіназу – фермент, що бере участь у забезпеченні енергією м’язової діяльності. Фосфор бере участь в утворенні нерозчинних фосфорнокислих солей кальцію та магнію, які є основою кісткової тканини. Частина фосфору входить до складу органічних сполук (нуклеїнові кислоти, фосфоліпіди, фосфопротеїди). Частина фосфору знаходиться у формі фосфорної кислоти, яка внаслідок електролітичної дисоціації перетворюється на іони Н2 РО4-, НРО4-. Фосфорна кислота дуже важлива у енергетичному обміні, що пояснюється унікальною знатністю фосфору утворювати макроергічні зв’язки (головна макроергічна сполука - АТФ).

Регуляція вмісту кальцію та фосфору у плазмі крові регулюється кальцитоніном (гормон щитоподібної залози) та паратгормоном (гормон прищитоподібних залоз). Кальцитонін разом з вітаміном Д сприяє включенню кальцію та фосфору до складу кісткової тканини, внаслідок чого концентрація у крові катіонів кальцію та фосфатних аніонів знижується і видалення їх із сечею зменшується. Паратрогормон разом з вітаміном Д прискорює всмоктування кальцію та фосфору з кишківника. Під дією паратгормону відбувається також руйнування мінеральної основи кісток, в наслідок чого кальцій та фосфор виходять із кісткової тканини у кров. Підвищення концентрації кальцію та фосфору у крові призводить до збільшення їх екскреції з сечею. Залізо є одним з головних мікроелементів. У організмі дорослої людини 4-5 г заліза. Добова потреба становить 10-15 мг. Залізо використовується для синтезу складної циклічної сполуки - гема, який входить у білки гемопротеїди. До цих білків належить гемоглобін та міоглобін (входить до складу м’язів), ферменти цитохроми (беруть участь у тканьовому диханні) та каталаза (руйнує перекис водню, що утворюється в процесі катаболізму). Залізо, таким чином, необхідне для забезпечення аеробних процесів, які є основним джерелом енергії при тривалих фізичних навантаженнях. Транспортується залізо кров’ю у складі білка плазми трансферину, запасною формою заліза є білок феритин.

Вітаміни як біологічно активні речовини. Вітаміни – низькомолекулярні органічні сполуки різної будови, які не синтезуються у організмі, але є життєво необхідними і мають потрапляти із їжею. Деякі вітаміни в обмежених кількостях синтезуються у кишківнику. Біологічна роль більшості вітамінів полягає в тому, що вони входять до складу коферментів та простетичних груп ферментів, тобто використовуються організмом у якості будівного матеріалу при синтезі відповідних небілкових частин ферментів. За фізико-хімічними властивостями вітаміни поділяються на дві групи – водорозчинні (В1, В2, В5, В6, В9, Вс, С, РР, Р) та жиророзчинні (А, Д, Е, К). Окрім вітамінів з їжею можуть потрапляти провітаміни, які є попередниками вітамінів. Потрапляючи у організм, ці речовини перетворюються на вітаміни.

Антивітаміни – це речовини, які ускладнюють використання вітамінів організмом. Вони зв’язують та руйнують відповідні вітаміни. Включення антивітамінів замість вітамінів у кофермент, що синтезується, робить не можливою участь такого коферменту у біокаталітичних процесах. Зміна вмісту вітамінів у організмі призводить до виникнення патологічних станів. Авітамінози – тяжкі захворювання, які викликані повною відсутністю якого-небудь вітаміну. У людини майже не зустрічаються. Гіповітамінози – захворювання, які викликані нестачею окремих вітамінів у організмі. Гіпервітамінози – специфічні захворювання, причиною яких є надмірне потрапляння у організм певних вітамінів. Частіше за все гіпервітамінози викликані накопиченням у організмі жиророзчинних вітамінів, які важко виводяться з сечею через свою нерозчинність у воді.

Причини гіповітамінозів, які найчастіше зустрічаються у людини, можуть бути наступні:1). Екзогенні причини (пов’язані з харчуванням): Використання продуктів, які містять мало вітамінів;Неправильне приготування їжі, як приводить до руйнування вітамінів (довге варіння, багаторазове розігрівання);Одноманітне харчування.2). Ендогенні причини (пов’язані зі станом організму):захворювання шлунково-кишкового тракту та печінки, яке супроводжується порушенням всмоктування вітамінів;пригнічення мікрофлори кишківника (спостерігається при лікування інфекційних захворювань антибіотиками, сульфаниламидами). Оскільки деякі вітаміни можуть синтезуватися мікробами, що знаходяться у товстому кишківнику, пригнічення цієї мікрофлори призводить до того, що потрапляння вітамінів з їжею стає неповноцінним для повного забезпечення необхідними речовинами. Саме тому під час тривалого застосування антимікробних препаратів слід збільшувати кількість вітамінів, що потрапляють з їжею (полівітамінні препарати), а також вживати бактеріальні культури (біфідокефіри тощо). Підвищена потреба організму у вітамінах, яка може спостерігатися при вагітності, при виконанні важкої фізичної праці. Наприклад, у спортсменів потреба у вітамінах зростає у 1,5-2 рази.

Характеристика окремих вітамінів. Назва вітаміну. Біологічна роль. Авітаміноз та гіповітаміноз. Харчове джерело. Добова потреба. В1 (тіамін)Синтез коферменту тіаміндифосфату, що бере участь у розпаді вуглеводнів. Поліневрит (хвороба бері-бері)Дріжджі, печінка, оболонка злаків (отруби)2-3 мг. В2 (рибофлавін)Синтез ФАД і ФМН, які беруть участь у тканьвому диханніДерматит. Дріжжі, печінка, нирки, яйця, молоко2-3 мг. В5 (пантотенова кислота)Синтез коферменту А, який бере участь у переносі кислотних залишків (ацильних), головним з яких є залишок оцтової кислоти (ацетил)Дерматит. Печінка, жовток, дріжжі. Синтезується мікрофолорою кишківника. 3-5 мг. В6 (пірідоксин)Синтез коферменту фосфопірідоксаля, який бере участь у трансамінуванні амінокислот. Дерматит. Печінка, жовток, дріжжі. Синтезується мікрофолорою кишківника.2-3 мг. В 9 (вітамін Н, біотин)Синтез коферменту, який бере участь у переносі вуглекислого газу з наступним включенням його у продукти, що синтезуються. Дерматит. Печінка, жовток, дріжжі, томати. Синтезується мікрофолорою кишківника.200-250 мкг. В 12 Синтез коферментів, що беруть участь у переносі метильної групи (-СН3) з наступним включенням у речовини, що синтезуються. Анемія Печінка, нирки, м’ясо, яйця, сир. Синтезується мікрофолорою кишківника за умови потрапляння з їжею кобальта. 2-3 мкг

Вс (фолієва кислота)Синтез коферментів, що беруть участь у переносі вуглецевих радикалів (метильного – СН3;оксиметильного – СН2 ОН; формільного – СНО; метиленового – СН2 -; метенового – СН=) з наступним включенням у речовини, що синтезуються. Анемія. Зелене листя рослин, боби, дріжжі. Синтезується мікрофолорою кишківника. 1-2 мг. С (аскорбінова кислота)Участь у окисно-відновних реакціях. Велика роль у гідроксилюванні амінокислот проліна та лізина у оксипролін та оксилізин при синтезі білку колагену, а також у синтезі гормонів наднирників. Цинга. Цитрусові, червоний перець, смородина, рябина, клюква, квашена капуста50-100 мг. РР (никотинамід)Синтез коферментів НАД та НАДФ, що беруть участь у переносі атомів водню. Пелагра. Печінка, дріжжі, м’ясо, отрубі з рису та пшениці15-25 мг. Р (рутин)Разом з вітаміном С бере участь у окисно-відновних реакціях, знижує проникність стінок кровоносних судин, має антиоксидантні властивостіКрововиливи. Цитрусові, гречиха, червоний перець, рябина, чорна смородинаневідомо. А (ретинол)Участь у процесах сприйняття світла сітківкою очей. Впливає на бар’єрну функцію шкіри, слизових оболонок та на проникність кліткових мембран. Ксерофтальмія (сухість рогівки ока), кератомаляція (руйнування рогової оболонки), «куряча сліпота»Жир печінки морських риб, печінка тварин, жовток, морква2-3 мг. Д (кальциферол)Участь у всмоктуванні у кишківнику іонів Са2+ , їх транспорту кров’ю та включення їх до складу кісткової тканини у процесі окостеніння. Рахіт. Жир печінки морських риб, вершкове масло, соняшникова олія, яйця, молоко13-25 мкг для дітей та вагітних, 7-12 мкг для дорослих. Е (токоферол)Головний антиоксидант організму, зберігає від окиснення поліненасиченні жирні кислоти, що входять до складу біомембран. Безпліддя, м’язова дистрофія. Злаки, рослинні олії, вершкове масло, жовток5-10 мг. К (філлохинон)Участь у синтезі кількох факторів згортання крові (в тому числі протромбіна)Підвищена кровоточивість. Печінка, шпинат, морква, капуста. Синтезується мікрофолорою кишківника.100 мкг

Гормони. Гормони – органічні речовини різноманітної будови, що виробляються залозами внутрішньої секреції у дуже малих концентраціях. У клітинах органів, у яких реалізується дія гормонів (органи-мішені), є особливі білки, які називаються рецепторами гормонів. Ці білки мають здатність специфічно зв’язуватися тільки з певними гормонами, і тому органи-мішені вибірково вилучають із крові ті гормони, які необхідні даному органу для регуляції обміну речовин. Такий механізм дозволяє гормонам суворо вибірково діяти на певні органи. Рецепторні білки знаходяться або всередині клітин, або вбудовані на клітинну мембрану. Для деяких гормонів (адреналін, глюкагон) рецептором є мембранозв’язаний (вбудований у клітинну мембрану) фермент аденілатциклаза. Приєднання гормону до цього ферменту призводить до підвищення його каталітичної активності. Під дією активованої аденілатциклази всередині клітин АТФ, що там міститься, перетворюється на циклічну форму АМФ (ц. АМФ). Утворений ц. АМФ безпосередньо бере участь у регуляції клітинного метаболізму.

У клітинах органів-мішеней містяться ферменти, які руйнують гормони, що в них потрапляють, а також ц. АМФ, що обмежують дію гормонів та попереджує їх накопичення. Чутливість рецепторів та активність ферментів, які розщеплюють гормони, може змінюватися при порушеннях метаболізму, змінах фізико-хімічних параметрів організму (температура, кислотність, осмотичний тиск) та концентрації субстратів, що виникають при захворюваннях, а також при виконанні м’язової роботи. Внаслідок цього спостерігається посилення чи послаблення впливу гормонів на відповідні органи. Внутрішньоклітинні механізми дії гормонів різноманітні, але серед них можна виділити три головних:1). Гормони впливають на швидкість синтезу ферментів, прискорюючи чи уповільнюючи його. В результаті такої дії на в органах-мішенях підвищується чи знижується концентрація певних ферментів, що супроводжується відповідною зміною швидкості ферментативних реакцій. 2). Гормони впливають на активність ферментів у органах. В одних випадках гормони є активаторами ферментів і тому підвищують швидкість ферментативних реакцій, в інших – проявляє інгібуючу дію на ферменти, що призводить до зниження швидкості ферментативних реакцій.

3). Гормони впливають на проникність клітинних мембран по відношенню до певних хімічних речовин. В результаті цього у клітини потрапляє більше чи менше субстратів для ферментативних реакцій, що теж відображається на швидкості хімічних процесів. Синтез та видалення гормонів у кров знаходиться під контролем нервової системи. При дії на організм зовнішніх факторів чи при зміні складу крові відповідна інформація передається по аферентним (чутливим) нервам у ЦНС. У відповідь на отриману інформацію у гіпоталамусі виробляються біологічно активні речовини, які видаляються у кров та переносяться на залози внутрішньої секреції та викликають у них синтез та секрецію відповідних гормонів, які далі діють на органи-мішені.