Мінеральний обмін

МІНЕРА́ЛЬНИЙ О́БМІН — сукупність процесів усмоктува­н­ня, роз­поділу, засвоє­н­ня й виділе­н­ня мінеральних речовин, що пере­бувають в організмі пере­важно у ви­гляді неорганічних сполук. Мінерал. речовини ві­ді­грають гол. роль у під­тримці кислотно-луж. рівноваги, осмотич. тиску клітин. і позаклітин. рідин, водно-сольовому обміні, системі згорта­н­ня крові, регуляції числен. фермент. систем, тобто мають вирішал. значе­н­ня у створен­ні та під­тримці сталості внутр. середовища організму. Людський організм потребує по­стій. поповне­н­ня мінеральних солей і перш за все речовин, що містять натрій, калій, хлор, магній, залізо, кальцій, фосфор та ін. У дорослої людини мінерал. речовини становлять до 5 % маси тіла й беруть важливу участь у багатьох процесах жит­тєдіяльності: проведен­ні збуджень, утворен­ні соляної кислоти шлунка, у пере­носі газів кровʼю, для під­тримки лужності крові, процесів окостені­н­ня кісток, роботи багатьох ендокрин. залоз. Осн. частину мінерал. речовин організму складають хлористі, фосфорнокислі й вуглекислі солі натрію, кальцію, калію та магнію. Крім того, в організмі містяться сполуки мікро­елементів (див. Мікро- та макро­елементи). Солі в рідинах тіла людини пере­бувають у частково або повністю дисоці­йов. стані, тому мінерал. речовини присутні у ви­гляді катіонів і аніонів. Заг. вміст натрію становить при­близно 105 г, за його рахунок забезпечується бл. 95 % осмотич. тиску плазми крові. Це гол. катіон позаклітин. рідини організму, до складу якої входить 50 % від усієї кількості натрію. Значну його кількість (бл. 40 %) зосереджено в кістках, і лише 10 % — усередині клітин. Для під­трима­н­ня нормал. осмотич. тиску навіть невеликий дефіцит натрію не може бути замінений ніякими ін. катіонами. Однією з важливих функцій М. о. є наявність транс­мем­бран. градієнта іонів і виникне­н­ня електр. потенціалу на біол. мем­брані. Завдяки роботі натрієвого «насоса» майже весь калій організму (бл. 98 %) знаходиться всередині клітин, а велика частина натрію — у позаклітин. рідині. Робота цього «насоса» не дає вирівнятися концентрації іонів К⁺ і Na⁺ по обидва боки мем­брани клітини в результаті простої дифузії. За рахунок роботи іон­ного «насоса» здійснюється також транс­мем­бран. пере­несе­н­ня низки речовин, зокрема їх реабсорбція в ка­нальцях нирок із первин. сечі, проведе­н­ня нерв. імпульсу, скороче­н­ня мʼязової клітини. Крім під­тримки осмотич. тиску, натрій забезпечує кислотно-лужну рівновагу організму, бере участь у пере­даван­ні збудже­н­ня по нерв. волокну. Вміст натрію в плазмі крові — 130,5–156,6, в еритроцитах — 13,4–21,7, у сечі — 320–340 ммоль/л. Гіпернатріємія роз­вивається при надлишковому вживан­ні натрію, вливан­ні сольових роз­чинів, порушен­ні виведе­н­ня натрію нирками (гіперальдо­стеронізм, син­дром Іценка–Кушинґа). Гіпонатріємія виникає внаслідок недо­стат. спожива­н­ня натрію чи збільше­н­ня його втрат (діарея, надлишкове потовиділе­н­ня, полікістоз нирок). Заг. вміст калію в організмі становить в середньому 160 г. Калій — осн. внутр.-клітин. катіон (до 90 %), бл. 2 % — в інтерстицій. рідині і трав. соках, майже 8 % — у кістках, хрящах і сполуч. тканині, 0,4 % — у плазмі крові. Осн. депо калію — мʼязова тканина. У плазмі й інтерстицій. рідині калій пере­буває в іонізов. формі, а внутр.-клітин. калій звʼязаний з білками, вуглеводами, креатиніном і фосфором. Входже­н­ня калію в клітину від­бувається в комбінації з глюкозою, фосфором, каталізується аденозинтрифосфатом (АТФ), пере­буває під гормонал. контролем; проте ці звʼязки нетривкі. Вирішал. роль у забезпечен­ні калієвого гомео­­стазу належить ниркам, де від­бувається його фільтрація, реабсорбція і секреція. У плазмі крові калій пере­буває у вільному стані, тому повністю фільтрується в нирк. клубочках. Встановлено, що печінка та мʼязи здатні тимчасово депонувати надлишок калію. Виділе­н­ня калію нирками пере­буває під гормонал. і, можливо, нерв. контролем. Важлива роль у регуляції калійурії належить альдостерону, що здатний збільшувати проникність калію в клітини ди­стал. ка­нальця нирок. Крім альдостерону, в цій регуляції бере участь інсулін, кислотно-лужна рівновага. Біол. роль калію: під­тримує осмотич. тиск та кислотно-лужну рівновагу в клітинах, разом із натрієм забезпечує різницю потенціалів по обидва боки від клітин. мем­брани, залучений до біо­синтезу білка, глікогену, АТФ, пере­дава­н­ня збудже­н­ня по нерв. і мʼязовому волокнах, росту тіла, корегує лужний баланс організму. Вміст калію: у плазмі крові — 3,4–5,3, в еритроцитах — 77,8–95,7, у сечі — 80–100 ммоль/л. Зменше­н­ня кількості калію нижче 1,5 ммоль/л спричинює параліч дихал. мʼязів, роз­лади діяльності серц.-судин. системи, аритмію, зупинку роботи серця, парез кишечника, блюва­н­ня, атонію шлунка, коматоз. стан. Багато іонів мінерал. речовин, особливо іони металів — кальцію, магнію, цинку, марганцю, міді, заліза та ін., є кофактором низки ферментів і фермент. систем або регулюють їхню активність шляхом локал. зміни своєї концентрації. До складу мінерал. компонента кістк. і хрящ. тканин мінерал. речовини входять у ви­гляді нерозчин. сполук; кістк. і хрящ. тканини сумарно містять понад 95 % усього кальцію, 87 % — фосфору і 50 % — магнію. Мінерал. речовини присутні в організмі також у ви­гляді сполук із білками, нуклеїновими кислотами та ін. і утворюють з ними транс­порт­ні комплекси або міцну хім. сполуку, ковалентно звʼязуючись з орган. речовиною. Мінерал. речовини в шлунк.-кишк. тракті всмоктуються в кров і лімфу, де звʼязуються зі специфіч. транс­порт. білками. Деякі мінерал. речовини зʼ­єд­нуються з такими білками вже в епітелії слизової оболонки кишечника (напр., кальцій). Магнію в організмі дорослої людини міститься 20–30 г, причому 60 % активує багато ферментів, зокрема бере участь у фосфор. обміні, тобто опосередковано регулює його. У більшості реакцій за участі АТФ істин. субстратом служить комплекс АТФ — Mg. Магній необхідний для нормал. функціонува­н­ня нерв. та мʼязо­вої тканин. Під­вище­н­ня вмісту магнію в крові від­значають при поруше­н­нях виділ. функції нирок, гіпотиреозі, кетоацидозі при цукр. діабеті. Виявляє седатив., іноді наркотич. ефекти, може викликати пригніче­н­ня дихал. центру. Зниже­н­ня вмісту магнію в крові (0,7–1,2 ммоль/л) при нестрим. блювоті, профуз. проносах, тиреотоксикозі, гіперфункції паращитоподіб. залоз, первин. альдостеронізмі, ацидозі нирк. генезу, цирозі печінки, епілепсії, еклампсії, панкреатитах викликає поруше­н­ня нерв.-мʼязового пере­дава­н­ня, судоми, сприяє утворен­ню трофіч. виразок. Кальцій міститься в організмі пере­важно в кістках, дентині й емалі зубів (99 % від його заг. кількості). У плазмі крові роз­різняють декілька фракцій кальцію: іонізований, неіонізований, але здатний до діалізу, і білковозвʼя­заний. Біо­логічно активним є лише іонізований кальцій, концентрація якого становить 50 % від заг. вмісту кальцію. Іони кальцію — еволюційно прадавні внутр.-клітин­ні месенджери та регулятори багатьох фермент. систем і фізіол. функцій клітин, зокрема росту та поділу, секреції гормонів та нейромедіаторів, пере­дава­н­ня нерв. імпульсу. Беруть участь у процесах нерв.-мʼязового збудже­н­ня (як антагоніст калію), у процесах згорта­н­ня крові, формуван­ні скелета. Осн. кількість виведених з організму мінерал. речовин виявляють у сечі, калі та поті. Через нирки виводяться іони Na⁺, К⁺, Cl^-, I^-, через кишечник — іони Са²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Mg²⁺ і ін. Сеча людини містить не більше 2 % солей. Повне виведе­н­ня їхнього надлишку від­бувається лише в тому випадку, якщо немає обмежень у надходжен­ні води. При зневоднен­ні організму, коли втрата води пере­вищує втрату солей, під­вищується осмотич. тиск внутр.-клітин. рідини, у крові різко зро­­стає концентрація осмотично актив. речовин. Широкий спектр функцій мінерал. речовин в організмі зумовлює і різномані­т­тя механізмів регуляції М. о. Надходже­н­ня води в організм регулюється почу­т­тям спраги, а виділе­н­ня води нирками від­бувається нейрогуморал. шляхом за участі вазо­пресину (антидіуретич. гормона). Гормонал. ефект вазо­пресину здійснюється за рахунок аденілатциклаз. системи. Під час зниже­н­ня моляр. концентрації плазми крові секреція вазо­пресину зупиняється і роз­вивається водний діурез. При дегідратації та під­вищен­ні моляр. концентрації плазми крові секреція вазо­пресину під­вищується, тому вода затримується в організмі. У пере­дсердях від­крито специфіч. пептид — натрійуретич. фактор, якому приписують важливу роль у регуляції обʼєму рідини в організмі: стимуляція натрійурезу, роз­шире­н­ня судин, пригніче­н­ня синтезу альдостерону в наднирк. залозах. Альдостерон, що утворюється в клубочк. зоні наднирк. залоз, проникає в клітину й запускає синтез двох типів функціонал. білків: один при­скорює надходже­н­ня іонів натрію в клітину, другий активує роботу натрієвого «насоса» (під­вищується синтез Na⁺-К⁺-АТФ-ази). Альдостерон під­силює секрецію К⁺ з сечею; цей ефект забезпечується механізмом, що не залежний від транс­порту Na⁺. Альдостерон є важливим компонентом ренін-ангіотензин-альдостеронової системи. Пусковим гормоном (ферментом) цієї системи є ренін, який синтезується клітинами юкстагломеруляр. апарату нефрона. Посиле­н­ня секреції реніну на­стає під час зменше­н­ня наповне­н­ня аферент. артеріоли апарату, гіповолемії тощо, що призводить до зниже­н­ня клубочкової фільтрації в нефроні. Субстратом дії реніну в кровʼяному руслі є альфа-2-глобулін — ангіо­тензиноген, із якого утворюється ангіотензин І; у подальшому із нього під дією ферменту карбоксикатепсину синтезується актив. ангіотензин II, що викликає вазоконстрикцію, стимулює секрецію катехоламінів, вазо­пресину, активує продукцію альдо­стерону, а при прямій дії на нейрони голов. мозку — почу­т­тя спраги. Ангіотензин II є одним із осн. елементів регуляції обʼєму циркулюючої крові. Регуляція обміну фосфору й кальцію на­стільки тісно повʼязані між собою, що, за­звичай, їх обʼєд­ну­ють у єдиний фосфорно-кальцієвий обмін, здійснюють паращитоподібні залози (синтезується ними паратгормон), вітамін D, кальцитонін. Паратгормон і вітамін D₃ (див. Вітаміни) викликають під­вище­н­ня концентрації іонів Са²⁺ в крові та тканинах. Осн. ор­ганами-«мішенями» для паратгормона є кістки, нирки й тонка кишка. Паратгормон стимулює резорбцію кістк. тканини з вивільне­н­ням кальцію, що входить до її складу; в нирках під дією паратгормона стимулюється реабсорбція іонів Са²⁺ з первин. сечі (тобто виведе­н­ня кальцію знижується); в тонкій кишці під впливом паратгормона посилюється всмоктува­н­ня кальцію з їжі. Швидкість синтезу та кількість паратгормона, що наді­йшов у кров, залежить від концентрації іонів Са²⁺ в крові. Вітамін D₃ бере участь у регуляції транс­порту кальцію та фосфору через клітин­ну мем­брану епітелію тонкої кишки в процесі їх всмоктува­н­ня з їжі, а також у мобілізації кальцію з кістки шляхом роз­смоктува­н­ня кістк. тканини. Антагоністом паратгормона й вітаміну D₃ є пептид. гормон кальцитонін, що має гіпокальціємічну і гіпофосфатемічну дію. Кількість кальцитоніну в крові регулюється концентрацією іонів Са²⁺ в крові: її збільше­н­ня посилює викид кальцитоніну в кров, а зменше­н­ня — пригнічує. Спіл. дія паратгормона, вітаміну D₃ і кальцитоніну тонко регулює вміст кальцію й фосфору в крові, під­тримуючи його на по­стій. рівні. У нормі в сироватці крові міститься 2,3–2,7 ммоль/л кальцію та 1–2 ммоль/л неорганіч. фосфору. Обмін фосфору й кальцію ви­значає нормал. стан мінерал. компонента кістки і хряща, фосфорилува­н­ня аденозинтрифосфату є гол. механізмом транс­формації енергії вуглеводів, ліпідів, білків, нуклеїн. кислот. Заг. вміст заліза в організмі становить 3–5 г. Воно входить до складу гемо­глобіну (до 70 % усього заліза організму), міо­глобіну, ферментів, бере участь в окисно-від­нов. реакціях і ві­ді­грає роль у процесах кровотворе­н­ня. У клітинах епітелію слизової оболонки кишечника утворює комплекс із білком апоферитином, а в крові транс­портується в складі білка трансферину. Апоферитин із залізом утворює комплекс феритин (одна молекула апоферитину може звʼязувати до 4500 іонів Fe³⁺). Через слизову оболонку тонкої кишки залізо всмоктується у ви­гляді іона Fe²⁺, який у клітинах зʼ­єд­нується з апоферитином, одночасно окиснюючись до Fe³⁺. Апоферитин присутній також у печінці, селезінці, кістк. мозку, нирках, де бере участь у резервуван­ні заліза. Стан обміну заліза ілюструє кількість негемінового заліза в сироватці крові, зокрема заліза феритину й трансферину. Негемінове залізо в плазмі крові в нормі має концентрацію 12–32 мкмоль/л, причому в жінок ця величина в середньому на 10–15 % нижча, ніж у чоловіків. Серед. вміст міді в організмі дорослої людини становить при­близно 100 мг. Осн. орган, що депонує мідь, — печінка. Мідь міститься також у кістках, мʼязах, еритроцитах; вона ві­ді­грає істотну роль у М. о. — входить до складу багатьох ферментів і біо­­логічно актив. метало­протеїдів. Майже вся мідь пере­носиться до тканин і клітин в комплексі з білком церулопла­зміном. У крові вміст міді в нормі — 15,7–16,0 мкмоль/л, або 100 мкг/100 мл (98 % усієї міді плазми крові знаходиться у складі церулопла­зміну). За умови дефіциту міді в їжі в людини порушуються пігмент. обмін, обмін заліза (знижуються його всмоктува­н­ня та утилізація), фосфоліпідів (від­бувається демієлінізація нерв. стовбурів), активність остеобластів, еластич. тканини кровонос. судин, оскільки мідь необхідна для синтезу колагену й еластину. Бере участь в окисно-від­нов. реакціях; як активатор чи частина актив. центру низки ферментів сприяє депонуван­ню глюкози, посилює дію інсуліну, гіпофізарних гормонів, еритропоезу. Гіпоку­премія (концентрація міді в крові нижче 7,8–7,9 мкмоль/л, або 50 мкг/100 мл) від­значається при інфекц. процесах, нефритах і цирозі печінки, хворобі Вільсона–Коновалова. Поруше­н­ням обміну міді характеризується гепатоцеребрал. дистрофія, при якій знижується вміст у крові транс­­порт. форми міді — церулопла­зміну, роз­виваються симптоми хроніч. отрує­н­ня міддю, оскільки при зменшен­ні вмісту церулопла­зміну концентрація вільної міді в плазмі крові зро­стає в десятки разів. Надлишок міді та заліза в організмі сприяє інтенсифікації пере­кис. окисне­н­ня й патол. процесів, викликаних надлишком вільних радикалів і пере­кисів ліпідів. Марганець активує ферментативні системи, він необхідний для еритропоезу та утворе­н­ня гемо­глобіну. Стимулюючи синтез холестерину й жирних кислот, марганець проявляє ліпотропну дію. Концентрація марганцю в крові під­вищується при виразк. хворобі, інфаркті міокарда, ішеміч. хворобі серця; при деяких захворюва­н­нях печінки вміст марганцю в крові знижується (в нормі від 0,73 до 3,64 мкмоль/л, або від 4 до 20 мкг/100 мл). Цинк входить до складу молекул деяких ферментів, виявлений і в молекулі інсуліну. Він нормалізує жировий обмін, запобігає жировій інфільтрації печінки. Найбільше цинку містять печінка, під­шлунк. та статеві залози. У нормі вміст цинку в крові становить 107–122 мкмоль/л, або 700–800 мкг/100 мл, при тяжких захворюва­н­нях печінки рівень цинку в крові значно зменшується, а виведе­н­ня цинку із сечею збільшується. Дефіцит цинку в організмі призводить до недо­статності цинк. ферменту карбоангідрази та поруше­н­ня виділ. функції нирок. Ви­значе­н­ня вмісту мінерал. речовин у біол. рідинах і тканинах проводять за допомогою методів фотометрії, спектрофотометрії та їх різновидів із викори­ста­н­ням специфіч. кольор. реакцій. Для ви­вче­н­ня М. о. широко за­стосовують радіо­ізотопні методи, зокрема для дослідж. М. о. в кістк. тканинах використовують радіонукліди осн. остеотроп. елементів кальцію і фосфору. Поруше­н­ня М. о. не тільки су­проводжують важкі патол. процеси, але можуть роз­виватися при при­значен­ні деяких лікар. засобів, зокрема гормонал. та вітамін. препаратів. Так, уведе­н­ня великих доз інсуліну хворим із діабетич. комою може викликати роз­виток гіпокаліємії. У дітей М. о. від­бувається особливо інтенсивно. Іон­ний склад плазми крові й позаклітин. рідини по­стійний у дітей усіх вікових груп, окрім періоду новонародженості та ран­нього віку, коли вміст іонів К⁺ і фосфору дещо вищий. Вміст кальцію в крові новонародженого знижується, оскільки кальцій пере­стає надходити з крові матері. Від­повід­не зниже­н­ня концентрації іонізов. кальцію може стати причиною гіпер­рефлексії, судом. Роз­витку гіпокальціємії сприяють недоношеність, асфіксія в пологах, цукр. діабет у матері. У новонароджених від­значають також зниже­н­ня в крові концентрації магнію, що в по­єд­нан­ні з гіпокальціємією може під­вищувати нерв.-мʼязову збудливість, викликати тетанії. Гіпомагніємія спо­стерігається в дітей, які отримували високі дози вітаміну D або надлишок кальцію. У перші 48 год. життя в новонароджених у крові під­вищується вміст фосфору. Гіперфосфатемія сприяє знижен­ню концентрації кальцію в крові, викликає інтенсифікацію дії кальцитоніну й пригнічує синтез і викид кровʼю паратгормона. Зменше­н­ня величини концентрації заг. кальцію в плазмі крові, концентрації неорганіч. фосфору (у нормі вона повин­на бути не менше 30) вказує на роз­лад ендокрин. регуляції М. о. у дитини та на поруше­н­ня осифікації. Найбільш тяжкі поруше­н­ня фосфорно-кальцієвого обміну в дит. віці спо­стерігаються при рахіті, син­дромі Лайтвуда–Олбрайта, син­дромі де Тоні–Дебре–Фанконі, фосфат-діабеті, мукополісахаридозах. Серед мікро­елементів особливе значе­н­ня для росту й роз­витку дитини мають залізо, мідь і цинк. Їхній дефіцит проявляється затримкою фіз. роз­витку, анемією, рахітоподіб. змінами кістк. тканини (особливо в ран­ньому дит. віці). Дітям необхідні солі кальцію та фосфору у звʼязку з ростом кісток. Так, напр., у молодших школярів потреба у кальції за добу становить до 2,4 г; фосфорі — до 2,0 г. Оптимал. спів­від­ноше­н­ня між концентрацією солей кальцію та фосфору для дітей до­шкіл. віку становить 1:1; у віці 8–10 р. — 1:1,5; у старших школярів — 1:2. Лише за таких умов роз­виток скелета проходить нормально. Гол. джерело кальцію та фосфору для дітей — це молоко. Потреба в залізі для дітей також під­вищена у звʼязку з інтенсив. процесами кровотворе­н­ня і досягає 1,2 мг (для дорослих 0,9 мг) на 1 кг маси тіла, або загалом до 20 мг за добу. Натрію діти повин­ні отримувати до 40 мг за добу (дорослі — до 60 мг), калію — до 30 мг, хлору — до 15 мг, кальцію — до 10 мг. Старі­н­ня організму су­проводжується сут­тєвими змінами М. о. З віком зменшується внутр.-клітин. вміст калію та магнію; в еритроцитах, міокарді, печінці, нирках, наднирк. залозах збільшується концентрація натрію. У внутр. органах знижується вміст біо­логічно актив. мікро­елементів — міді, марганцю, магнію, цинку; збільшується вміст біо­логічно не­актив. і навіть токсич. мікро­елементів — алюмінію, кадмію, свинцю. Серед найважливіших проявів вікової зміни М. о. — роз­виток остеопорозу. Поруше­н­ня забезпеченості організму вітаміном D і кальцієм (унаслідок зменше­н­ня його всмоктува­н­ня в кишечнику) надає віковому остеопорозу патол. характеру, призводить до старечого остеопорозу та остеомаляції.

Завантажити статтю