CC BY
456
Лекции
© КОЛЕСНИЧЕНКО Л.С., КУЛИНСКИИ в.и. -
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ МАКРОЭЛЕМЕНТОВ - N8, С1, К (ЛЕКЦИЯ 2)
А. С. Колесниченко, В. И. Кулинский.
(Иркутский государственный медицинский университет, ректор - д.б.н., проф. А.А. Майборода, кафедра бионеорганической и биоорганической химии, зав. - проф. Л.С. Колесниченко, кафедра биохимии, зав. - проф. В.И. Кулинский)
Резюме. Описаны содержание в организме человека №, С1 и К, их поступление, распределение, выведение, суточная потребность, источники, функции и наиболее важные нарушения. Ключевые слова: натрий, хлор, калий, биологическая роль.
Содержание натрия, его распределение, потребность, поступление и выделение
В организме содержится 3000-3700 ммоль (TOSS г) натрия, из них 25% находится в костях и тканях, а 75% - во внеклеточной жидкости Однако натрия, участвующего в обмене веществ, вне клеток находится 95%. Концентрация Na" в плазме и сыворотке - 136-145 ммоль л Суточная
потребность в натрии составляет примерно 100 ммоль (2,3 г); она значительно возрастает при сильном потоотделении (высокие температуры, интенсивная работа). В сутки с пишевыми продуктами поступает - 35 ммоль (0,8 г) естественного натрия, основной же источник натрия - поваренная соль. Всасывается Na+ практически целиком. Выделение из организма в основном происходит с мочой и соответствует поступлению. Это обеспечивается реабсорбцией натрия почками, на которую расходуется очень много АТФ Если бы этот механизм отсутствовал, то за 1 сутки терялось бы « 600 г Na+, что потребовало бы такого же поступления натрия в организм. Количество натрия в организме и его концентрация в крови поддерживается ангиотензином II и альдостероном, увеличивающими реабсорбцию Na+ дистальными канальцами почек. Другая группа гормонов - яа-триуретические пептиды ("факторы"), адренече-дуллин и почечный дофамин увеличивают экскрецию Na+ (дофамин действует на проксимальные канальцы). В кишечник за сутки поступает 1000 ммоль Na+ (23 г), но из-за реабсорбции его выделяется с калом лишь около 5 ммоль (110 мг); столько же теряется с потом. В клетке концентрация Na+ - 10 ммоль/л, что в 14 раз ниже, чем в межклеточной жидкости и плазме.
Две основные функции натрия - главный внеклеточный катион и обеспечение своего электрохимического потенциала на плазматической мембране клетки. Первое определяет важную роль натрия в поддерживании объема плазмы, артериального давления и осмотического давления плазмы крови; он увеличивает эффекты вазоконстрикторов (норадреналина и др.) и участвует в Na+/H+-обмене в кости. Последнее снижает ацидоз в
плазме крови. Электрохимический потенциал натрия (Л|)Nа+) на плазматической мембране обеспечивает нормальную активность клеток, особенно возбудимых тканей, и реализует эффект возбуждающих медиаторов - глутамата и ацетилхо-
лина (через М-холинорецепторы): быстрые №+-каналы вызывают массивный вход №+ в клетку, что приводит к деполяризации клетки (замене отрицательного заряда на внутренней стороне плазматической мембраны на положительный) и в результате к ее возбуждению. Восстановление состояния покоя реализуется №*, К+-АТФазой плазматической мембраны, удаляющей избыток №+ из клетки и возвращающей в нее ионы К4 Антагонисты быстрых натриевых каналов - важные лекарства: антиконвульсанты (например, фе-нитоин), антиаритмики (пропафен) и местные
аналгетики (лидокаин). В миоцитах 2 №+/Са’+-
обмен увеличивает сократимость. В кишечнике всасывание глюкозы и аминокислот происходит в симпорте с №+. На этом основана регидратацион-ная терапия: при обессоливании и обезвоживании организма из-за поносов (особенно у детей) вводят внутрь раствор поваренной соли с глюкозой, что быстро улучшает состояние. Это позволило у менылить годовую смертность детей в мире - на 1 миллион В почках >.7а~Д-Г-антипорт способствует выведению Н~, что поддерживает кислотнощелочной баланс.
При нарушении обмена натрия, а именно недостатке натрия - развивается гипонатриемия, при избытке - гипернатриемия.
Причины гипернатриемии: увеличенное по-
ступление натрия (избыточная солевая терапия), сниженное выведение (острая и хроническая почечная недостаточность), повышенная задержка натрия почками при первичном и вторичном ги-перальдостеронизме, избытке ангиотензина, ку-шингизме; обильная потеря жидкости при избыточной потере солей через кожу (профузный пот), легкие (длительное гиперпноэ), ЖКТ (тяжелая рвота или диарея различной этиологии) и почки (несахарный диабет). Клинические проявления гипернатриемии - периферический отек, одышка,
отек легких, венозный застой, выпоты, гипертензия. Риск развития последней увеличивается при избыточном потреблении поваренной соли.
Гипонатриемия развивающаяся при низком поступлении натрия в организм; наблюдается в клинике при избытке диуретиков, заболеваниях почек, когда почки утрачивают способность реаб-сорбировать №+, обильном потении; рвоте, поносе, ожогах; застойной сердечной недостаточности; циррозе печени; гипоальдостеронизме, недостаточности коры надпочечников,сахарном диабете, избыточной продукции АДГ, муковисцидозе. Клинические проявления гипонатриемии - слабость, апатия, обморок, тахикардия, гипотензия, недостаточность периферического кровообращения, олигурия, снижение тургора кожи.
Содержание хлорид, их распределение, потребность, поступление и выделение
В организме содержится 3000-3700 ммоль (100-130 г) хлоридов. В сутки поступает около 100 ммоль (3,5 г), основной источник - поваренная соль. Практически все поступившее количество всасывается, выводится в основном почками, небольшая часть выделяется с калом и потом. В плазме концентрация хлоридов составляет 97108 ммоль/л. Ангиотензин II и альдостерон увеличивают содержание С1- в организме и в крови в результате почечной реабсорбции. В клетке концентрация хлорида в 36 раз меньше - 3 ммоль/л, нежели в плазме.
Две основные функции хлорида, как и натрия, - то, что он является главным внеклеточным анионом и обеспечивает свой электрохимический потенциал на плазматической мембране. Первое определяет важную роль хлорида в сохранении объема плазмы, артериального давления и осмотического давления плазмы крови, а также в поддерживании кислотности желудочного сока (уравновешивание заряда Н"). Кроме того, хлорид активирует амилазу, а НС0з7СГ-антипорт важен для транспорта эритроцитами СО? от клеток к легким.
Электрохимический потенциал хлорида (ДрСГ) на плазматической мембране опосредует эффект ингибиторных медиаторов - ГАМК и глицина. Открытие СГ-каналов, которые вызывает быстрый вход СГ в клетку, что приводит к гиперполяризации (увеличению отрицательного заряда на внутренней стороне плазматической мембраны) и в результате к торможению активности клетки.
Оба циклонуклеотида - цАМФ и цГМФ соответственно через протеинкиназы А и О и кистофиброзный трансмембранный регулятор проводимости (СГТИ.) активируют клетки эпителия к секреции СГ, которая необходима для образования нормальных жидких секретов многих желез (за хлоридом по осмотическим законам идет вода). Холерный и др. микробные токсины необратимо активируют Ов-белок - аденилилциклазу, что приводит к накоплению цАМФ —» гиперстимуляции СГТИ. —» секреторной диарее —* опасному обессоливанию и обезвоживанию организма.
Рецессивная мутация СГТИ. у гетерозигот (1:25) увеличивает резистентность к холере. Однако у гомозигот мутация приводит к самому частому (1: 25000) наследственному заболеванию муковисци-дозу (кистофиброзу). Для него характерны густые, вязкие секреты, закупорка протоков, повторные бронхолегочные инфекции, внешнесекреторная недостаточность поджелудочной железы сопровождающаяся обильным неприятно пахнущим стулом (у новорожденных - меконием) и увеличением №С1 в поте (проба с ионофорезом пилокарпина). Кроме того, в реакции, катализируемой миелопероксидазой лейкоцитов (НтОз + НС1 —* НОС1 + Н20), хлорид необходим для образования сильного окислителя - хлорноватистой кислоты, повреждающей микроорганизмы при фагоцитозе.
Нарушения обмена хлорида проявляются ги-пер- и гипохлоремией. Многие факторы могут вызвать гиперхлоремию: избыток соли в питании, дегидратация, почечный канальцевый ацидоз, острая почечная недостаточность, несахарный диабет, метаболический ацидоз при длительном поносе с потерей №НС0з, респираторный алкалоз, интоксикация салицилатами, гиперфункция коры надпочечников. Столь же многочисленны причины гипохлоремии: избыточное потоотделение, длительная рвота, нефрит с потерей солей, метаболический ацидоз, связанный с потерей органических ионов, гиперальдостеронизм, водная интоксикация и другие состояния с увеличением объема внеклеточной жидкости. Специфических признаков избытка или недостатка хлорида нет. Они значительно перекрываются признаками сдвигов концентрации натрия и калия.
Суммарная концентрация ионов №+ и СГ составляет 86% от суммы всех электролитов плазмы крови и только 4,5% от электролитов в эритроцитах, что в 19 раз меньше. Не только в норме, но и в патологии эффекты натрия и хлорида идентичны или взаимосвязаны. Избыточное потребление поваренной соли увеличивает риск гипертонии. В середине XX века нормой считали 8-15 г (135255 ммоль) в сутки. Затем было установлено, что потребление более 15 г (Япония, Закарпатская Украина) и особенно более 20 г (Хоккайдо) значительно учащает гипертонию. Реальная потребность в соли - не более 6 г (100 ммоль), а гипертоники должны съедать даже меньше. Нарушения обмена СГ, как правило, сопутствуют расстройствам метаболизма натрия, а также калия. Вместе с тем при расстройствах кислотно-щелочного баланса эта зависимость существенно снижается: при метаболических ацидозах и газовых алкалозах увеличивается соотношение С17№+, а при негазовых алкалозах оно уменьшается.
Содержание калия и его распределение,
потребность, поступление и выделение
В организме человека содержится около 30003500 ммоль (117-137 г). 98% всего калия составляет внутриклеточный калий и только 2% (6070 ммоль) находится во внеклеточной жидкости.
Концентрация К+ в сыворотке - 3,6-5,0 ммоль/л. В плазме калий находится в подвижной, ионизированной форме, в тканях - одна часть калия свободна, другая - связана с белком, глюкозой или фосфатом. В сутки в организм поступает 60130 ммоль (2,-5-5 г) калия; он содержится в любых пищевых продуктах, особенно в бобовых и картофеле. Всасывается калий практически целиком. В основном калий выводится почками, его экскреция имеет циркадный ритм, наименьшее значение в ночное время (22 ч); выделение через кожу и кишечник составляют примерно 15-20 ммоль/сут (585-780 мг). Ангиотензин II и альдостерон увеличивают экскрецию К+ почками.
Основные функции калия - это то, что он является главным внутриклеточным катионом и обеспечивает свой электрохимический потенциал на плазматической мембране. Концентрация К+ в клетке высока - 150 ммоль/л, что в 35 раз выше, чем в плазме крови, и составляет чуть больше половины (52%) концентрации всех электролитов в гиалоплазме. Калий поддерживает осмотическое давление в клетке, активирует синтез белка, способствует усвоению углеводов клеткой Его электрохимический потенциал (ДцК*) на плазматической мембране поддерживает нормальную функциональную активность клеток. Открытие К’-ка-налов приводит к выходу К+ и снижению его концентрации в клетке, что вызывает гиперполяризацию и уменьшение активности клетки. Это - важный механизм ингибиторных эффектов ряда нейротрансмиттеров: ГАМК (через ГАМКв-репепто-ры), ацетилхолина, дофамина, норадреналина, аденозина, опиоидов, Один из видов К"-каналов ингибируется АТФ. При низком АТФ какч.т полностью открыт, К+ быстро выходит, что приводит к снижению активности клетки; при высоком уровне АТФ канал закрывается, это обеспечивает сохранение запасов К и активного состояния клетки. В результате достигается тесное сопряжение функциональной активности клетки с рес> э-сами АТФ. Антагонисты этих каналов - сульфа-нилмочевины (гликлазид, глибенкламид) стимулируют секрецию инсулина и поэтому применяются при сахарном диабете II типа. Агонисты К— каналов - спазмолитики и вазодилататоры (дна-зоксид, пинацидил).
Калий участвует в разных видах ионного обмена: в обкладочных клетках Н+/К+-антипорт приводит к активации секреции Н+ в желудочный сок и в результате к возникновению резко кислой среды; в канальцах почек Ыа+/К+-антипорт способствует сбережению На4 в организме, особенно при действии ангиотензина и альдостерона. Отметим, что гомеостаз ионов Н+ и К* взаимосвязан, поскольку в почках сбережение №+ происходит за счет секреции Н+ и К+. Поэтому при ацидозе преимущественно выделяется Н+, а не К1", и это может привести к гиперкалиемии, а при алкалозе -выделяется преимущественно К+, а не Н+, что является причиной гипокалиемии. -
Широко известный фермент плазматической мембраны К+, №+-АТФаза за счет энергии АТФ осуществляет активный транспорт К+ в клетку, а №+ - из клетки в межклеточную жидкость. Этот антипорт действует противоположно К+ и №т-ионным каналам и в результате восстанавливает исходное состояние клетки. Ингибиторы К+, №+-АТФазы - сердечные гликозиды (дигоксин, строфантин) дают противоположные эффекты: снижение в миокарде ионов К+ и аккумуляцию №+, что увеличивает возбудимость сердца, а последующий обмен 2№+/Са+ приводит к увеличению сократимости миокарда, увеличивает его работоспособность. Снижение ионов К+ в миокарде может неблагоприятно действовать на сердце (см. ниже).
Причинами нарушения обмена калия, в частности гиперкалиемии множественны: избыточное поступление (включая переливание консервированной крови) или сниженное выведение иона, острая и хроническая почечная недостаточность, лечение ингибиторами ангиотензинпревращаю-щего фермента и сохраняющими калий диуретиками, гипоальдостеронизм, повреждение тканей ("вымывание" К+ из клеток), катаболические состояния (тяжелое острое голодание, системный ацидоз, недостаточность инсулина). Гиперкалие-мия требует неотложной диагностики. Нейромы-шечные симптомы гиперкалиемии выражаются в парастезиях, в более тяжелых случаях - в восходящем параличе конечностей, остановке сердца с фибрилляцией желудочков. Встречается и ложная гиперкалиемия (гемолиз в пробирке, позднее отделение сыворотки).
Гипокалиемия встречается при сниженном поступлении калия, повышенной экскреции (гипе-ральдостеронизм, диуретическая фаза острой почечной недостаточности, кушингизм, синдром Фанкони, почечном канальцевом ацидозе), усиленной внепочечной потере калия (диарее, приеме слабительных, профузной рвоте, избыточном потоотделении), перемещении калия через клеточные мембраны (алкалозе, введении инсулина, (1-агонистов, быстрой клеточной пролиферации). Клетки нервной системы быстро реагируют на уровень калия в плазме. Поэтому ранними признаками гипокалиемии являются: ослабление
рефлексов, гипотония мышц, слабость и астения. При гипокалиемии содержание калия в миоцитах миокарда снижается медленнее, чем в скелетных мышцах. Выраженная гипокалиемия приводит к нарушению проводимости и ритма, что отражается на ЭКГ (депрессия зубца 5Т, депрессия / инверсия зубца Т, увеличение интервала Р-Я, выраженный зубец и). Особенно тяжелая потеря калия (до 80 ммолей, или 3 г) и гипокалиемия встречается при лечении сильными диуретиками. Этот дефицит может быть восполнен не овощами и фруктами (в день требуются сотни граммов кураги, изюма или картофеля, I кг яблок, литры соков), аспаркамом или юникапом (соответственно
80 и 600 таблеток в день), а только растворами микроэлементов, серьезный дефицит макроэле-
КС1 (капельно или в микстуре). ментов невозможно быстро восполнить таблетка-
Этот пример показывает, что в отличие от ми или драже.
BIOLOGICAL ROLE OF MACROELEMENTS - Mg, Ca, P (LECTURE 2)
L.S. Kolesnichenko, V.I. Kulinsky (Irkutsk State Medical University)
Quantities of Na, Cl and K in human body, their receiving, distribution, elimination, daily necessity,
sources, functions and the most important disturbances
Литература
1. Клиническая биохимия под ред. В.А. Ткачука. -М.: ГЭОТАР-МЕД, 2002. - С.47-55.
2. Кольман -Я., Рем К.-Г. Наглядная биохимия. - М.: Мир, 2000. -С.350-35 1 .
3. Кулинский В.И. Лекционные таблицы по биохимии. - Иркутск. ИГМУ, 2004. - Изд.6, Вып.5 -С. 71-83.
4. Литвицкий II.Ф. Патофизиология. - М.: ГЭОТАР-МЕД. ,2002. - Т.1. - С.380-392.
5. Мартинчик А.И., Маев И.В., Петухов А.Б. Питание
человека. - М.: ГОУ ВУНМЦ М3 РФ, 2002. -
С.155-164.
are described.
6. Маршалл В.Дж. Клиническая биохимия. - М,-
C1I6.: "Изд-во БИНОМ" - "Невский диалект",
1999. -С.24-48.
7. Цыганенко А.51., Жуков В.И., Мясоедов В.В., Зав-городний И.В. Клиническая биохимия. - М.: "Триада-Х", 2002. - С.22-48.
8. Энциклопедия клинических лабораторных тестов / Под ред. Н. Тица. - М.: "Лабинформ", 1997. -942 с.
9. Murray R.K., Grainier D.K., Mayes P.A., Rod-well V.W. Harpers Biochemistry / Stamford, USA / Appleton & Lange 2000. - 928 p.
