Биологическая химия

Вода является в количественном отношении самой значительной составной частью всех клеток организма. Жизнь в ходе эволюции возникла в воде, и организмы без воды существовать не могут. Большая часть реакций обмена веществ протекает в водных растворах. Это среда, в которой существуют клетки и поддерживается связь между ними. Вода составляет основу всех жидкостей в организме: крови, лимфы, мочи, соков пищеварительного аппарата, спинномозговой жидкости и др.

В целом в организме содержание воды составляет % веса тела и меняется с возрастом. Так, у четырехмесячных эмбрионов, количество воды составляет 94%, у новорожденных — 77%, а у взрослых — 50-60%. В теле мужчин содержится в среднем 60% (50-71%) воды, тогда как у женщин — 50% (40-60%).

Уровень воды в разных тканях различен. Соединительные ткани, кости относительно бедны водой, а кровь, нервная ткань, мышцы, печень содержат много воды (табл. 8).

Таблица 8. Содержание воды в различных тканях человека в процентах

Всю воду можно подразделить на внутриклеточную и внеклеточную. К последней относятся кровь, лимфа, межклеточная жидкость, которая образует во всем организме единую фазу. Состав лимфы и межклеточной жидкости примерно соответствует составу плазмы крови. Жидкая среда, находящаяся в различных клетках тела, имеет примерно одинаковый состав и определяется как внутриклеточная жидкость. Обе жидкости тела отличаются по количеству воды. Внутриклеточная жидкость содержит в среднем около 35-45% воды по отношению к весу тела, а внеклеточная-15%. Различаются они и по составу электролитов. Во внеклеточной жидкости преобладают ионы натрия, хлора и бикарбонатов; во внутриклеточной-ионы калия, а из анионов — белок и фосфорные эфиры.

У здорового человека наблюдается водное равновесие, что видно из табл. 9.

Таблица 9. Примерный водный обмен человека в миллилитрах

Потребность в воде меняется с возрастом. Взрослому человеку необходимо в сутки около 15 мл на 1 кг веса тела, а грудному ребенку — 35 мл, что зависит от интенсивного обмена веществ у ребенка и недостаточно развитой функции почек.

Рис. 63. Органы водного обмена

В водном обмене принимают участие почки, легкие, кожа и желудочно-кишечный тракт (рис. 63). Почки являются главным органом регуляции водного обмена. В условиях недостатка воды выделяется мало мочи и она сильно концентрирована. При избытке воды организм способен выделять большое количество разбавленной мочи. Нарушение способности изменять концентрацию мочи отмечается при тяжелых почечных заболеваниях. Легкие выделяют воду в виде водяного пара. Это происходит в результате того, что воздух в альвеолах при температуре тела насыщается водяными парами. Количество воды, выводимой через легкие, зависит от объема дыхания, температуры тела и т. д. При усиленной мышечной деятельности, лихорадках увеличивается объем дыхания и соответственно возрастает количество выводимой воды. Через кожу потеря воды происходит путем испарения и выделения пота. Испарение воды кожей зависит от разницы температур тела и внешней среды. Пот представляет собой секрет потовых желез. Потоотделение происходит периодически и связано с повышением температуры воздуха. Способность организма выделять пот различного состава является приспособительной реакцией. При высокой температуре окружающего воздуха у человека с недостаточной акклиматизацией выделяется пот, относительно богатый ионами натрия и хлора, состав которого приближается к составу плазмы крови. У акклиматизированных же людей пот сильно разведенный.

Регуляция водного обмена осуществляется разными путями. В основе регуляции лежит поддержание постоянства осмотического давления. Важное значение принадлежит обменным взаимоотношениям между вне- и внутриклеточной жидкостями. Так, при поступлении в организм электролитов, которые распределяются в основном во внеклеточной жидкости, происходит перемещение воды из клеток в межтканевые пространства, кровь, лимфу. При избытке электролитов внутри клеток вода движется в обратном направлении. Основной регуляторной системой обмена воды в организме является система гормоны — почки. Из гормонов следует указать на вазопрессин и альдостерон.

Вазопрессин обладает антидиуретическим действием, поэтому его часто называют антидиуретическим гормоном. Секреция вазопрессина регулируется величиной осмотического давления плазмы крови. Механизм действия можно представить следующим образом. Повышение осмотического давления плазмы стимулирует выработку вазопрессина, который снижает выведение воды из организма за счет увеличения выделения концентрированной мочи. В результате этого уменьшается осмотическое давление и снижается раздражение нейрогипофиза и прекращается секреция вазопрессина.

Адреналин и различные болевые раздражения стимулируют выработку вазопрессина и уменьшают диурез, тогда как небольшие дозы алкоголя тормозят его образование и усиливают мочеотделение.

Действие на водный обмен альдостерона связано с уровнем натрия в плазме крови. Понижение осмотического давления и выделение из организма воды и, следовательно, разбавленной мочи в большом количестве может быть связано с понижением концентрации натрия в плазме крови. Это снижение натрия вызывает повышенную секрецию альдостерона, который усиливает процессы обратного всасывания натрия в почках и тем самым задержку его в организме. Повышение уровня натрия в плазме тормозит выработку этого гормона.

Таким образом, механизм действия этих двух гормонов является различным и зависит от осмотического давления плазмы, снижение которого обусловливает повышенную секрецию альдостерона и торможение выработки вазопрессина. При повышении осмотического давления возникают обратные соотношения в процессе регуляции.

Патология водного обмена может быть обусловлена либо потерями больших количеств воды (дегидратация), либо ее задержкой в организме (отеки), либо перераспределением жидкости между вне- и внутриклеточными депо. Дегидратация, или гипогидрия, развивается при нарушении деятельности желудочно-кишечного тракта, рвоте, сильном потоотделении, заболеваниях почек, избыточном поступлении в организм солей, особенно NaCl и NaHCО₃.

Рис. 64. Распределение жидкости при отеке

Увеличение количества внеклеточной жидкости (полигидрия) приводит к развитию отеков (рис. 64), когда выделение мочи снижается (олигурия) или прекращается совсем (анурия). Такое состояние наблюдается при заболеваниях почек, сердца, печени.

Исследования водного обмена в клинике

Изучение водного обмена в клинике имеет важное значение. Но непосредственное определение водного баланса затруднено и не нашло применения в лечебных учреждениях. Поэтому были разработаны непрямые методы. К ним относятся методы разведения. Они основаны на том, что ряд веществ способен весьма равномерно распределяться в жидкостях организма. Затем, определяя их конечную концентрацию, можно вычислить степень разведения этих веществ и обьем жидкости, где они распределены. Для этого существует простая формула:

Общий объем = ^{Количество введенного вещества}/_{Конечная концентрация вещества (концентрация равновесия)}

Для измерения общего количества воды тела применяют тяжелую воду — D₂О, которая почти не отличается от обычной воды.

Определение внеклеточной жидкости производят методом разведения с использованием изотопов натрия и хлора, роданидов (CNS^-), инулина, тростникового сахара и т. д. Объем плазмы изучают при введении веществ, которые распределяются только в ней.

Самыми удобными оказались белки, меченные радиоактивными изотопами, например альбумины плазмы, меченные йодом.

Вопросы для повторения

1. Какое значение имеет вода для организма?

2. Что такое вне- и внутриклеточная вода?

3. Какие органы принимают участие в водном обмене?

4. Как регулируется обмен воды в организме?

5. Какова функция вазопрессина и альдостерона в обмене воды?

6. Какое значение имеет исследование воды в организме?

7. Какими методами исследуют водный баланс организма?

8. Что такое дегидратация, отеки, несахарный диабет?

Минеральные элементы относятся к числу незаменимых веществ организма, хотя не обладают питательной ценностью и не являются источником энергии. Их значение определяется тем, что они входят в состав клеток органов и тканей, вместе с водой участвуют в поддержании осмотического давления, и обеспечивают постоянство рН внутри- и внеклеточной жидкости организма. Процессы мышечного сокращения, нервной проводимости в определенной степени зависят от минеральных элементов. Они включаются в различные реакции обмена веществ в организме, являясь структурным компонентом многих ферментов и витамина В₁₂.

Участие минеральных элементов в построении различных органов и тканей демонстрирует табл.10.

Таблица 10. Содержание минеральных элементов в органах и тканях человека в мг %

Как видно из таблицы, Са, Mg, P в значительных количествах входят в состав костей. В мышцах, мозге, почках калия содержится больше, чем натрия. В плазме концентрация натрия превышает концентрацию калия примерно в 20 раз, тогда как в клетках органов и тканей уровень калия выше. В костях минеральные элементы находятся в нерастворимом состоянии, образуя их остов. Однако при недостатке в организме солей Р или Са последние вымываются из костей (например, при рахите).

Фосфор в значительном количестве входит в состав органических соединений типа нуклеоиротеидов, фосфопротеидов, липоидов, углеводов и др.

Потребность в минеральных элементах

Необходимые организму минеральные элементы поступают только с пищей. Поэтому недостаток, а тем более отсутствие всех необходимых минеральных элементов отражаются на состоянии обмена веществ всего организма.

Суточная потребность в минеральных элементах взрослого человека будет следующей: в натрии — 4,0-6,0 г, в калии — 2,5-5,0 г, в хлоридах — 5,0-7,0 г, в кальции — 0,8-1,0 г, в фосфоре — 1,0-1,5 г, в железе — 0,015 г.

Из всех минеральных элементов только NaCl нужно вводить в рацион дополнительно, тогда как остальные минеральные вещества, входящие в состав суточного рациона, полностью покрывают потребности организма. Физиологическая потребность в хлористом натрии составляет 5 г в сутки, однако человек потребляет около 15 г, что связано с привычкой человека и вкусовыми качествами пищи.

Потребность в минеральных элементах меняется в зависимости от возраста, физиологического состояния организма, рода трудовой деятельности, состава почвы, на которых произрастают растительные продукты питания. Дети, беременные и кормящие матери в большей степени нуждаются в кальции, фосфоре, магнии, железе (табл. 11). Важное значение имеют определенные отношения минеральных элементов. Наилучшее усвоение наблюдается, например, при соотношении кальция и фосфора как 1:2. Необходимым условием также является и регулярное поступление в организм минеральных элементов.

Таблица 11. Потребность в отдельных минеральных элементах (в граммах в сутки)

Содержание минеральных элементов в растительных продуктах в значительной степени зависит от состава почвы. Еще давно обратили внимание, что в горных районах люди часто болеют эндемическим зобом, в отдельных местностях земного шара распространена подагра. При изучении причин таких явлений оказалось, что почвы этих районов содержат необычные количества отдельных минеральных элементов. Так, в почвах горных местностей обнаружен недостаток йода, на равнинах Австралии мало кобальта, а в других областях повышено количество молибдена. Такие местности были названы биогеохимическими провинциями. Это и является причиной заболеваний. Например, повышенное содержание в почве молибдена обусловливает его избыточное поступление в организм за счет растительных и животных продуктов. Молибден необходим для деятельности фермента ксантиноксидазы, которая катализирует синтез мочевой кислоты. При избытке в организме молибдена повышен синтез мочевой кислоты, что и является предпосылкой развития подагры.

С целью нормализации обеспеченности организма минеральными элементами в таких местностях применяются различные профилактические меры. Так, продукты питания и вода в горных областях йодируются и т. д. Поэтому при определении норм минеральных элементов необходимо учитывать и эти факторы.

Значение отдельных минеральных элементов

Основное значение натрия, калия и хлора состоит в поддержании осмотического давления. Половина всего количества натрия и большая часть хлора, содержащихся в организме, находится во внеклеточной жидкости. В костях содержится до 30% натрия, тогда как калий находится преимущественно внутри клеток.

Рис. 65. Разница в развитии скелета у крыс одного помета при бедной и богатой кальцием диете

Кальций и фосфор имеют важное значение в организме. Они являются основными структурными компонентами костной ткани (рис. 65). Кальциевые соли фосфорной и угольной кислот влияют на возбуждение нервной и мышечной ткани, на проницаемость биологических мембран, участвуют в процессах свертывания крови. Кальций обладает способностью накапливаться в местах повреждений тканей различными патогенными факторами. Так, при благоприятном течении туберкулеза с рубцеванием очагов в легких обнаруживаются скопления кальция в легочной ткани и бронхиальных железах, поэтому при туберкулезе легких рекомендуется применение солей кальция. Изменения уровня кальция в крови отмечаются при различных заболеваниях. При остеомаляции, остеомиелите, костном туберкулезе его содержание в крови снижено, а при опухолях костей — повышено.

Гипокальциемия приводит к развитию тетании, которая характеризуется повышенной возбудимостью и судорогами. Наиболее богатыми источниками кальция являются материнское молоко, сыр (примерно 900 мг на 100 г свежей массы), коровье молоко, свежие овощи.

Для нормальной деятельности организма очень важен фосфор. Этот элемент содержится в биологических жидкостях и тканях в виде различных соединений фосфорной кислоты. Помимо свободного (неорганического) фосфора, он встречается в соединении с белками, жирами и углеводами. Значение фосфатной буферной системы в организме велико. Совместно с кальцием фосфор участвует в построении костной ткани. Органические фосфорные соединения типа фосфопротеидов, фосфорных эфиров углеводов и продуктов их распада, макроэргические соединения широко представлены в организме.

Особенно велика потребность в фосфоре у женщин в период беременности и кормления, у детей — в период роста. Содержание фосфора в крови в норме находится в пределах 5-7 мг%. При заболеваниях его уровень изменяется, а при рахите он может снижаться до 2-3 мг%.

Железо относится к жизненно необходимым элементам, входя в состав гемоглобина, ряда окислительно-восстановительных ферментов (каталаза, пероксидаза, цитохромы и т. д.). Большая часть железа содержится в гемоглобине эритроцитов. Часть железа находится в соединении с белками в виде ферритина, который представляет его запасную форму. Процессы окисления в тканях могут протекать только в присутствии цитохромов, необходимым компонентом которых является железо. Последнее в теле человека совершает постоянный кругооборот. В норме при распаде эритроцитов ⁹/₁₀ железа остаются в организме и используются снова для синтеза гемоглобина, что обеспечивает временную независимость организма от поступления железа извне. Уровень железа в плазме крови составляет 0,105 мг%. Эта величина отражает состояние запасов и является показателем обмена железа в организме.

Недостаточность железа в организме приводит к развитию микроцитарной и гипохромной анемии, которая чаще всего встречается у беременных женщин и детей до 1 года жизни.

Магния содержится в организме около 20 г. Около половины его находится в скелете и треть — в мышцах. Магний влияет на нервно-мышечную возбудимость, на деятельность сердца, необходим для деятельности ряда ферментов. Магний является в основном внутриклеточным ионом.

Микроэлементы содержатся в организме в минимальных количествах, но имеют очень важное значение.

К ним относятся медь, цинк, марганец, йод, кобальт молибден и др. Их биологическое значение проявляется преимущественно путем участия в построении или активировании ферментных систем организма. Помимо этого, ряд из них выполняет специфические функции. Так, кобальт входит в состав витамина В₁₂ и его недостаток приводит к развитию пернициозной (злокачественной) анемии. Кроме того, кобальт влияет на повышение всасывания железа в кишечнике и включает его в состав гемоглобина, а также способствует синтезу белков мышц. Марганец, активируя деятельность декарбоксилазы, участвует в процессах спиртного брожения и аэробного окисления углеводов, оказывает определенное влияние на половое развитие и размножение. Медь обнаружена в составе ряда окислительных ферментов, структуре эритроцитов. Депо меди является печень. Медь оказывает заметное влияние также на повышение иммунобиологической устойчивости и сопротивляемости организма к вредному влиянию факторов внешней среды. Обмен меди тесно связан с обменом железа. При ее недостатке снижается использование железа. Транспортной формой меди считают церрулоплазмин. О значении йода подробно говорилось в связи с деятельностью щитовидной железы.

Изучение минерального обмена в клинике

Значение минеральных элементов для нормальной жизнедеятельности организма очень велико, поэтому изменение их количества в организме, а следовательно, в крови и моче служит хорошим диагностическим средством для определения характера и степени поражения организма.

Хлориды в цельной крови в норме составляют 295 мг%, по другим данным,- 370 мг%. Организм обладает способностью поддерживать относительное постоянство содержания NaCl в крови. В моче человек за сутки выделяет 8-15 г NaCl. Это количество колеблется в зависимости от его приема с пищей. Лихорадочные состояния, рак вызывают задержку хлоридов в организме. Накопление хлора в организме возможно при болезнях почек, малокровии. Снижение его содержания отмечается при обильной рвоте, отравлении сулемой.

Калий в сыворотке крови содержится в пределах 20 мг%. Основная его масса находится в эритроцитах, поэтому увеличен г калия в сыворотке характеризует распад эритроцитов, различные заболевания печени (циррозы), бронхиальную астму, алиментарную дистрофию.

Кальций и фосфор имеют очень важное значение особенно в детском организме, в связи с этим их определение в крови представляет клинический Интерес. Уровень кальция и фосфора резко снижен при рахите. Помимо этого, уменьшение кальция в крови (гипокальциемия) наблюдается при судорогах, поражениях почек, желтухах. Гиперкальциемия обнаруживается при злокачественных новообразованиях, с метастазами в костях, при переломах костей, параличах, нарушении функции паращитовидных желез. Гиперфосфатемия наблюдается при некоторых видах почечной недостаточности, тетанки, кишечной непроходимости, усиленной мышечной работе и т. д.

Вопросы для повторения

1. Какие минеральные элементы содержатся в организме человека?

2. Какова потребность человека в минеральных элементах?

3. Какая роль минеральных элементов в жизнедеятельности организма?

4. Укажите на значение в обмене веществ калия, натрия, кальция, фосфора, хлора, железа.

5. Что такое микроэлементы и какое они имеют значение в организме?

6. Какие функции выполняют кобальт, йод, медь?

7. Как регулируется обмен минеральных элементов в организме?

8. Какие патологические состояния связаны с нарушением обмена минеральных элементов в организме?