Что такое макроэлементы. Приведите примеры некоторых макроэлементов. Опишите биологическую роль ионов натрия и калия в процессе сокращения мышц и в поддержании водного баланса организма

В состав тканей организма человека и животных входят почти все элементы, встречающиеся в природе. Одни из них, так называемые макроэлементы, содержатся в тканях в значительных количествах - от 10¯² до 10¯², другие, так называемые микроэлементы, находятся в очень небольших количествах - от 10¯³ до 10¯¹². В организме животных содержится кислорода 53%, углерода 20%, водорода 10%, азота 3%, кальция 1,5%, фосфора 1%, калия 0,25%, натрия 0,1%, хлора 0,1%.

Железу принадлежит особо важная роль. Входя в состав гемоглобина, оно способствует переносу кислорода от легких к тканям, В состав ферментов геминовой природы железо выполняет каталитическую функцию, участвует в окислительно-восстановительных реакциях (цитохромы, цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза и др.).

Костный мозг депонирует железо. Оно необходимо для синтеза гемa. Железо встречается также в составе белков печени в виде ферритина и т. д.

Кальций является одним из элементов, выполняющих пластическую функцию. В организме человека его содержится 1,8 кг, 90% кальция входит в состав костной ткани в виде солей СаСО3 и Са3 (РО4)2 и придает ей прочность. Только 1% кальция в организме находится в ионизированном состоянии. 40% кальция в сыворотке крови связано с белками - альбуминами. Присутствуя в крови в определенных количествах (0,1-0,12 г/л), кальций снижает возбудимость клеток центральной нервной системы. Опыты с меченым кальцием показали, что в организме происходит непрерывное обновление кальция в костной ткани за счет кальция пищи. Кальций играет важную роль и при свертывании крови.

Натрий и калий имеют большое значение для поддержания осмотического давления крови. Натрий в большом количестве содержится в жидкостях организма, поддерживает нормальную возбудимость мышечных клеток и участвует в поддержании кислотно-щелочного равновесия в организме.

Калий является элементом, принимавшим участие в процессах, происходящих в мышечной и нервной тканях. В клетках он содержится преимущественно в виде бикарбоната, в жидкостях - в виде хлорида. Особенно много калия содержится в эритроцитах, что имеет важное значение для дыхательной функции крови.

Магний встречается в жидкостях и тканях в свободном виде и связанном с белками. Особенно много его содержится в растениях, в составе хлорофилла.

Фосфору принадлежит важнейшая роль в организме. Находясь в составе органических соединений - в фосфолипидах, нуклеотидах, фосфопротеидах, фосфагене и других органических соединениях, он участвует в процессах обмена веществ. Так, входя в состав АТФ, он является передатчиком энергии от одного вещества к другому, входя в состав фосфопротеидов мозга, обеспечивает быстроту химических реакций, протекающих в центральной нервной системе. В составе неорганических солей фосфор участвует в поддержании кислотно-щелочного равновесия в организме. Наконец, фосфор в соединении с кальцием и магнием образует костный скелет. Из 700 г фосфора, имеющегося в организме, свыше 85% приходится на долю костной ткани.

Хлор в соединении с натрием на 70% обеспечивает осмотическое давление крови и жидкостей организма. Он необходим для образования соляной кислоты в желудке. Хлорид натрия cпособствует задержке воды в организме и сохранению кислотно-щелочного равновесия; хлор легко проникает через полупроницаемые мембраны и тем самым поддерживает постоянное осмотическое давление внутри клеток [3].

Механизм стимулирующего действия ионов кальция на сократительный аппарат мышцы еще неизвестен. Есть основания предполагать, что эти ионы необходимы для возникновения механического взаимодействия между актиновыми и миозиновыми нитями. Кроме того, ионы кальция стимулируют АТФ-азную активность миозина, способствуя тем самым освобождению энергии, необходимой для сокращения. Повышенная концентрация ионов кальция и межфибриллярном пространстве сохраняется всего несколько миллисекунд, а затем они «перекачиваются» обратно в цистерны с помощью специального кальциевого насоса. Для этой работы, которая совершается против диффузионного градиента, нужна затрата определенной энергии. Ее источником является расщепление АТФ. Подсчитано, что на возврат двух ионов кальция из межфибриллярного пространства в полость цистерн расходуется одна молекула АТФ. Снижение концентрации ионов кальция в межфибриллярном пространстве приводит к расслаблению мышечного волокна. Таким образом, в саркоплазматическом ретикулуме ионы кальция играют роль своеобразного медиатора в процессе преобразования возбуждения в сокращение [4].

Проникновение веществ в клетку происходит главным образом двумя путями: 1) через поры клеточной мембраны (уже существующие в ней или образующиеся под влиянием тех или иных воздействий) и 2) за счет растворения проникающих веществ в липидах клеточной мембраны. Первый способ проникновения характерен главным образом для водорастворимых веществ, а также ионов, а второй - для органических соединений, не растворимых в воде.

При изучении проницаемости клеточных мембран было замечено, что многие вещества проходят через них значительно быстрее, чем это может обеспечить диффузия (концентрационный градиент), а во многих случаях они проходят через мембрану в клетку и из клетки в окружающую ее среду против градиента, т. е. направлены от меньшей концентрации к большей. Естественно, при переносе вещества от меньшей концентрации к большей клетка должна совершать работу, т. е. затрачивать энергию. Поэтому транспорт вещества через клеточную мембрану с затратой энергии обмена вещества клетки получил название активного транспорта. Активный перенос всегда является избирательным. С его помощью обеспечивается доставка в клетку необходимых для ее жизнедеятельности веществ, а также удаление ненужных продуктов обмена веществ.

Например, одним из механизмов активного переноса веществ через мембрану являются так называемые «ионные насосы». Известно, в частности, что в условиях физиологического покоя и нормальной температуры внеклеточная среда богата содержанием ионов натрия и бедна содержанием ионов калия. Так, в эритроцитах, мышечных и нервных волокнах ионов калия в 30-50 раз больше, чем в плазме крови, лимфе и межклеточной жидкости, а ионов натрия в цитоплазме этих клеток в 8-10 раз меньше. Объяснить подобное резко ассиметричное распределение ионов натрия и калия по обе стороны клеточной мембраны механизмом только пассивного переноса (диффузии) нельзя. Предполагают, что в мембране существует специальный «натрий-калиевый насос», участвующий в поддержании ионной асимметрии. В условиях физиологического покоя он обеспечивает «откачивание» натрия из клетки и «подсасывание» калия внутрь ее. Осуществляется это при помощи особых химических «переносчиков», образующихся в мембране в процессе обмена веществ. Они захватывают у внутренней поверхности мембраны ионы натрия и переносят их на наружную поверхность, где ионы отщепляются и таким образом выводятся наружу из клетки. На наружной же поверхности мембраны к переносчику присоединяются ионы калия, которые и транспортируются на внутреннюю поверхность мембраны, т. е. внутрь клетки.

Работа эта осуществляется с затратой энергии, источником которой является расщепление АТФ и фосфагена при участии фермента аденозинтрифосфатазы.

Известны подобные «насосы» и для переноса других ионов [6].