Баланс ионов калия и натрия в организме человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

На грани химии, биологии и медицины возникла новая научная область бионеорганическая химия. Бионеорганическая химия рассматривает роль металлов в возникновении и развитии различных процессов в здоровом и больном организме, создаёт новые эффективные препараты на основе металлоорганических соединений, активно участвует в борьбе за сохранение здоровья людей и продление человеческой жизни. Особенно чутко организм реагирует на изменение концентрации микроэлементов, т.е. элементов, присутствующих в организме в количестве меньше одного грамма на 70кг массы человеческого тела. К таким элементам относятся медь, цинк, марганец, кобальт, железо, никель, молибден. Доказано, что с изменением концентрации цинка связано течение раковых заболеваний, кобальта и марганца заболевание сердечной мышцы, никеля процессов свёртывания крови. Определение концентрации этих элементов в крови позволяет иногда обнаружить ранние стадии различных заболеваний. Так, изменение концентрации цинка в сыворотке крови связано с протеканием заболевания печени и селезёнки, а концентраций кобальта и хрома некоторых сердечно-сосудистых заболеваний. По мнению специалистов, современное человечество, особенно в больших городах, живёт на грани скрытой нехватки многих элементов. В стрессовых ситуациях скрытая нехватка может стать явной и привести к появлению тяжёлых заболеваний. Так, например, скрытое течение рака может продолжаться от 5 до 40 лет, что, возможно, обусловлено постепенным изменением концентрации микроэлементов вследствие старения организма. С другой стороны, существуют предположения о том, что целенаправленное изменение концентрации различных элементов в организме может быть использовано для продления жизни человека. В настоящее время известно более ста химических элементов, однако только небольшое число из них входит в состав живого на планете Земля. 16 элементами жизни являются : 10 металлов (Na, K, Mg, Ca, Zn, Cu, Co, Mn, Fe, Mo) и 6 неметаллов (H, O, N, C, P, S), составляющих основу биологически важных молекул и макромолекул. Элементы, находящиеся в небольших количествах в живых организмах и растениях (B, Cr, F, Cl, Br, I). В организме человека уже давно и точно определился баланс оптимальных концентраций биологически важных соединений между их поступлением и выведением в результате жизнедеятельности. Исходя из современной квантомеханической интерпретации периодической системы, классификация элементов проводится в соответствии с их электронной конфигурацией. Она основана на степени заполнения различных электронных орбиталей (s, p, d, f) электронами. В соответствии с этим элементы подразделяют на s-,p-, d-,f- элементы. В организме человека присутствуют в основном ионы лёгких металлов Na+,K+,Mg2+,Cu2+, относящихся к s-элементам, и ионы Mn2+,Fe2+,Co3+,Cu2+,Zn2+ относящиеся к d-элементам. И только содержащийся в организме тяжёлый d-элемент молибден (Мо) нарушает общую биогеохимическую установку построение биологических структур только из лёгких элементов. Все эти металлы встречаются в нашем организме в виде твёрдых соединений или в виде их водных растворов. Исследование физиологической роли металлов, а также их значения в диагностике, профилактике и лечении болезней является одним из новых направлений в медицинской науке.

Биологическая роль калия в организме человека

Общие сведения и эколого-физиологические данные.

Калий (от лат.Kalium) - серебристо-белый мягкий металл, принадлежащий к семейству одновалентных щелочных металлов. Калий энергично образует перекиси с кислородом, вступает в реакции с большинством неметаллов, растворим в жидком аммиаке. Вследствие чрезвычайно большой химической активности, в природе в свободном состоянии не встречается, входит в состав минералов. Калий непосредственно вступает в реакции с большим количеством неметаллов со значительным выделением тепла. Энергично соединяется с кислородом в присутствии воды.

Применение в медицине.

В медицине применяют несколько солей калия в качестве мочегонных и слабительных средств (азотно-натриевая соль, винно-калиевая, уксусно-калиевая соль); широко используется йодистый, бромистый, марганцевокислый калий, аспарагинат, оротат, хлорид калия и другие соединения.

Физиологическая роль калия в организме.

В организм соединения калия поступают с пищей. Много калия содержится в молочных продуктах, мясе, какао, томатах, бобовых, картофеле, петрушке, абрикосах, изюме, черносливе, черном чае. Считается, что взрослый человек потребляет в день 2200-3000 мг калия. В организме человека содержится 160-180г калия (0,23% от общей массы тела). Биоусвояемость калия организмом составляет 90-95%. Соли калия легко всасываются и быстро выводятся из организма с мочой, потом через желудочно-кишечный тракт.

Схема метаболизма калия в организме

Калий является внутриклеточным катионом. Его концентрация в клетках на порядок выше, чем вне клеток. Главной функцией калия является формирование трансмембранного потенциала (Kin?Kout) и распространение изменения потенциала по клеточной мембране путем обмена с ионами натрия по градиенту концентраций. Вместе с натрием и хлором, калий является постоянным составным элементом всех клеток и тканей. В организме эти элементы содержатся в определенном соотношении и обеспечивают постоянство внутренней среды. В виде катиона К+ калий участвует в поддержании гомеостаза (ионное равновесие, осмотическое давление в жидкостях организма). Хлориды калия и натрия участвуют, будучи сильными электролитами, в генерации и проведении электрических импульсов в нервной и мышечной ткани. Таким образом калий участвует в поддержании электролитической активности мозга, функционировании нервной ткани, сокращении скелетных и сердечных мышц. Калий регулирует активность важнейших ферментов как K+-АТФ-аза, ацетилкиназа, пируватфосфокиназа.

Терапевтическое значение калия связано с его раздражающим действием на слизистые оболочки и повышением тонуса гладких мышц (кишечник, матка),в силу чего его соединения используют в качестве слабительных средств. Калий вызывает расширение сосудов внутренних органов и сужение периферических сосудов, что способствует усилению мочеотделения. Калий замедляет ритм сердечных сокращений и, действуя аналогично блуждающему нерву, участвует в регулировании деятельности сердца.

Приведем основные функции калия в организме:

поддержание кислотно-щелочного равновесия;

обеспечение межклеточных контактов;

обеспечение биоэлектрической активности клеток;

поддержание нервно-мышечной возбудимости и проводимости;

участие в нервной регуляции сердечных сокращений;

поддержание водно-солевого баланса, осмотического давления;

роль катализатора при обмене углеводов и белков;

поддержание нормального уровня кровяного давления;

участие в обеспечении выделительной функции почек.

Биологическая роль натрия в организме человека

1. Общие сведения и основные эколого-физиологические данные

Натрий (от лат.Natrium) - это блестящий, серебристый металл, быстро тускнеющий на воздухе. Устойчив к коррозии благодаря образованию защитной оксидной плёнки. Бурно реагирует с водой и концентрированными кислотами. В силу своей большой химической активности в природе встречается в виде химических соединений.

2. Применение в медицине.

В медицине хлористый натрий применяют в виде изотонического 0,9% раствора при обезвоживании организма и как дезинтоксикационное средство, а также для промывания ран, глаз, слизистой оболочки носа, для поднятия осмотического давления крови, в виде гипертонического 3-5% раствора в хирургии - для очищения ран и при чрезмерно развившихся грануляциях (молодая, богатая новообразованными сосудами и клеточными элементами соединительная ткань, заполняющая заживляющие раны, когда её края еще неплотно прилегают друг к другу; является нормальным этапом процесса заживления ран), перед операциями пересадки кожи. Гипертонический 10% раствор применяют внутривенно при лёгочных, желудочных, кишечных кровотечениях, а также для усиления диуреза (осмотический диурез - выделение большого объема мочи в результате повышенной экскреции осмотически активных веществ) и в качестве полосканий при заболеваниях горла. В послеоперационном периоде 2-5% раствор назначают в микроклизмах при атонии кишечника, а также для промывания желудка при отравлении нитратом серебра.

3. Физиологическая роль.

В организм человека натрий поступает ежедневно в виде NaCl в достаточно больших количествах: 12-15г (4-6г «чистого» натрия), который содержится во многих пищевых продуктах: колбаса, сало, икра, соленая рыба, сыр, маслины, кукурузные хлопья.

Ионы натрия быстро и полностью всасываются на всех участках желудочно-кишечного тракта и в местах парентеральных инъекций. Ионы также легко проникают через кожу и легочный эпителий. Натрий в виде катиона Na+ участвует в поддержании гомеостаза (ионное равновесие, осмотическое давление в жидкостях). Натрий распространяется по всему организму: крови, мышцам, костям, внутренним органам, коже. Около 40% натрия находится в костной ткани ( принимает участие в минеральном обмене), в основном, во внеклеточной жидкости. Содержание натрия в теле здорового человека составляет 0,08%( 55-60 г на 70кг массы тела), а суточное потребление 4-7г.

Выводится натрий из организма, в основном, с мочой (95%),калом, потом. Максимальная экскреция натрия с мочой отмечается с 9-12 часов дня, тогда как минимальная - в ночные часы.

Натрий играет весьма важную роль в регуляции осмотического давления и водного обмена, при нарушении которых отмечаются следующие признаки: жажда ( именно поэтому в жаркую погоду необходимо принимать подсоленную воду), сухость слизистых оболочек, отечность кожи. Натрий оказывает значительное влияние и на белковый обмен. Обмен натрия находится под контролем щитовидной железы. При гипофункции щитовидной железы происходит задержка натрия в тканях. При гиперфункции количества натрия в коже уменьшается, а выделение его из организма усиливается.

Обмен натрия регулируется альдостероном (гормон коры надпочечников группы минералокортикоидов). Он увеличивает реабсорбцию (обратное всасывание воды и растворенных веществ)натрия и хлора в канальцах почки, что ведет к повышению содержания поваренной соли в крови, лимфе и тканевой жидкости. Одновременно он снижает реабсорбцию калия в канальцах почки, что усиливает потерю калия и уменьшает его содержание в организме.

Увеличение под влиянием альдостерона концентрации поваренной соли в крови и тканевой жидкости повышает их осмотическое давление, что приводит к задержке воды в организме и способствует повышению артериального давления. Усиленная реабсорбция может привести и к развитию алкалоза (понижению pН крови по сравнению с нормальным уровнем (?7,37).

Недостаток альдостерона вызывает противоположные сдвиги. Реабсорбция натрия в канальцах почки уменьшается и в результате организм теряет столь большое количество натрия, что это ведёт к изменениям внутренней среды, несовместимым с жизнью, и через несколько дней после удаления коры надпочечников наступает смерть. Только введением больших количеств натрия или непосредственно минералокортикоидов можно поддержать жизнь животного с удаленными надпочечниками. Поэтому минералокортикоиды называют «гормонами, сохраняющими жизнь», а именно содержание натрия в организме. Поэтому при повышении количества натрия в организме (при введении в организм), тормозит секрецию альдостерона, что усиливает выделение натрия с мочой. Недостаток натрия в организме, напротив, вызывает повышение альдостерона и как следствие этого увеличение реабсорбции натрия в почечных канальцах. Альдостерон также уменьшает выделение натрия при сильном потоотделении: таким путем он может предотвратить потерю натрия при сильном потоотделении во время перегревания.

Минералокортикоиды, регулирующие содержание натрия в организме, способствуя его задержке в тканях и удержанию воды, усиливают явление отека тканей, возникающие при воспалении, а также и некоторые другие проявления воспалительных реакций. Минералокортикоиды - провоспалительные гормоны.

В организме натрий выполняет «внеклеточные» функции, среди которых:

Поддержание осмотического давления и ph среды

Формирование потенциала действия путём обмена с ионами калия

Транспорт углекислого газа

Гидратация белков

Солюбилизация (самопроизвольное проникновение низкомолекулярного вещества, слабо растворимого в данной среде) органических кислот.

Внутри клеток натрий необходим для поддержания нейромышечной возбудимости и работы натрий-калиевого насоса, обеспечивающих регуляцию клеточного обмена различных метаболитов. От натрия зависит транспорт аминокислот, сахаров, различных неорганических и органических анионов через мембраны клеток.

Пониженное содержание натрия в организме.

При выключении хлористого натрия из пищи его выделение из организма прекращается на 9-й день. Недостаток хлористого натрия вызывает тяжелые расстройства, проявляющиеся исхуданием, слабостью, кожными сыпями, выпадением волос, поносами, судорогами. У рабочих горячих цехов при усиленном выделении хлористого натрия потовыми железами наблюдаются кишечные колики, судорожные сокращения скелетных мышц, угнетение ЦНС и расстройства кровообращения. Пониженное содержание натрия обычно встречается при нейроэндокринных нарушениях, хронических заболеваниях почек и кишечника или как следствие черепно-мозговых травм.

Основные причины дефицита натрия.

недостаточное поступление;

болезни гипофиза, надпочечников;

болезни почек;

черепно-мозговые травмы;

усиленное выделение натрия (повышенная потливость, понос, рвота);

обильная экссудация при сильных ожогах;

длительное применение мочегонных препаратов, кортикостероидов, препаратов лития;

избыток в организме калия, кальция;

длительный контакт с морской водой;

нарушение регуляции обмена натрия.

Основные проявления дефицита натрия.

исхудание, слабость,

кожные сыпи, выпадение волос,

поносы, кишечные колики,

судорожные сокращения скелетных мышц,

расстройства кровообращения,

угнетение центральной нервной системы.

Повышенное содержание натрия в организме.

Отравления соединениями натрия встречаются не часто и обычно носят случайный характер. Как правило, токсичность солей натрия определяется токсичностью их анионов, таких как арсенит, хромат, фторид. Токсичность поваренной соли для человека, установленная по минимальной летальной дозе, составляет 8,2 г/кг веса при пероральном введении. Механизм токсического действия хлорида натрия в местах введения обусловлен в первую очередь высоким осмотическим давлением. В результате имеет место интенсивное поступление воды из окружающих тканей, приводящее к их обезвоживанию и нарушению функций клеток. Избыточное поступление ионов Na+ вызывает перегрузку соответствующих систем гомеостаза и нарушение метаболических процессов. В эпителии желудочно-кишечного тракта и почечных канальцев развивается воспаление, нередко приводящее к некрозу ткани.

Постоянный избыток натрия и калия в пище сопровождается некоторым повышением уровня инсулина в крови. Отмечаются и другие гормональные сдвиги. Введение большого количества хлористого натрия вызывает распад белка и сильное исхудание. При парентеральном введении изотонического раствора может повыситься температура тела, что чаще всего наблюдается у детей.

Люди с избытком натрия обычно легко возбудимы, впечатлительны, гиперактивны, у них появляются жажда и потливость, увеличивается частота мочеиспусканий.

Основные причины избытка натрия.

нарушение регуляции обмена натрия;

избыточное поступление извне;

недостаточное содержание воды в организме.

Основные проявления избытка натрия.

утомление, возбуждение;

неврозы;

дисфункция надпочечников;

нарушение выделительной функции почек;

образование камней в почках;

жажда;

отеки;

гипертензия;

Натрий-калиевый насос

калий натрий организм давление

Попытки выяснить связь обмена веществ с движением ионов через мембрану привели к открытию так называемого натрий-калиевого насоса.

Проведение серии импульсов по нервному волокну сопровождается обогащением протоплазмы ионами натрия и потерей ионов калия. Для гигантского аксона кальмара подсчитано, что во время одиночного нервного импульса через каждый квадратный микрон мембраны внутрь протоплазмы поступает около 20000 ионов натрия и столько же ионов калия покидает волокно. В итоге при каждом импульсе аксон диаметром 0,5 мм теряет около одной миллионной общего содержания калия. Хотя эти потери очень незначительны, но при ритмическом следовании импульсов они, суммируясь, должны были бы привести к более или менее заметным изменения концентрационных градиентов. В конечном итоге разности концентраций ионов между наружной средой и протоплазмой должны были бы выровняться, если бы в мембране не существовал механизм, обеспечивающий активное выведение («выкачивание») из протоплазмы ионов натрия и «нагнетение» в неё ионов калия.

Такой механизм получил название натрий-калиевого насоса. Деятельность его связана с затратой энергии обмена веществ. Действительно, для того, чтобы выводить ионы натрия из протоплазмы в наружный раствор, где их концентрация превышает внутриклеточную, необходимо совершить определенную работу. В покое эта работа невелика, так как натриевая проницаемость покоящейся мембраны имеет очень низкие величины. При возбуждении же усиленное поступление ионов натрия внутрь протоплазмы активирует работу насоса, что обеспечивает восстановление нарушенных концентрационных градиентов. Следует, однако, подчеркнуть, что этот восстановительный процесс протекает очень медленно - в течение многих минут и даже часов.

Упрощенно действие натрий-калиевого насоса можно представить следующим образом.

1. С внутренней стороны мембраны к молекуле белка-переносчика поступают АТФ и ионы натрия, а с наружной -- ионы калия.

2. Молекула переносчика осуществляет гидролиз одной молекулы АТФ.

3. При участии трех ионов натрия за счет энергии АТФ к переносчику присоединяется остаток фосфорной кислоты (фосфорилирование переносчика); сами эти три иона натрия также присоединяются к переносчику.

4. В результате присоединения остатка фосфорной кислоты происходит такое изменение формы молекулы переносчика (конформация), что ионы натрия оказываются по другую сторону мембраны, уже вне клетки.

5. Три иона натрия выделяются во внешнюю среду, а вместо них с фосфорилированным переносчиком соединяются два иона калия.

6. Присоединение двух ионов калия вызывает дефосфорилирование переносчика -- отдачу им остатка фосфорной кислоты.

7. Дефосфорилирование, в свою очередь, вызывает такую конформацию переносчика, что ионы калия оказываются по другую сторону мембраны, внутри клетки.

8. Ионы калия высвобождаются внутри клетки, и весь процесс повторяется.

Значение натрий-калиевого насоса для жизни каждой клетки и организма в целом определяется тем, что непрерывное откачивание из клетки натрия и нагнетание в нее калия необходимо для осуществления многих жизненно важных процессов: осморегуляции и сохранения клеточного объема, поддержания разности потенциалов по обе стороны мембраны, поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках, для активного транспорта через мембраны других веществ (сахаров, аминокислот). Большие количества калия требуются также для белкового синтеза, гликолиза, фотосинтеза и других процессов. Примерно треть всей АТФ, расходуемой животной клеткой в состоянии покоя, затрачивается именно на поддержание работы натрий-калиевого насоса. Если каким-либо внешним воздействием подавить дыхание клетки, т. е. прекратить поступление кислорода и выработку АТФ, то ионный состав внутреннего содержимого клетки начнет постепенно меняться. В конце концов он придет в равновесие с ионным составом среды, окружающей клетку; в этом случае наступает смерть.

Заключение

калий натрий организм давление

Эти два макроэлемента так тесно связаны между собой в организме, что, говоря об одном, невозможно не упомянуть о втором. Одним из основных условий жизнедеятельности клеток нашего организма является неравномерное распределение ионов натрия и калия в клетке и вокруг нее. Клетки активно накапливают калий и выбрасывают в окружающую среду натрий. В результате на клеточной мембране оболочки клетки с одной и с другой ее стороны создается разность концентраций каждого из этих двух химических элементов. Она необходима организму для ключевых реакций жизнедеятельности -- проведения возбуждения в нервных и мышечных клетках, нормального водно-солевого обмена, а также регуляции клеточного обмена веществ.

Интенсивность многих обменных процессов в клетке в большой мере зависит от концентраций ионов натрия и калия. В большинстве случаев ион калия ускоряет, а ион натрия замедляет ферментативные реакции. Исключение составляет синтез жиров, являющихся структурными элементами клеточной мембраны. Он активируется большим количеством натрия, благодаря чему происходит восстановление повреждений самих клеточных мембран.

Калий и натрий играют важнейшую роль в поддержании кислотно-щелочного баланса организма -- другими словами, относительного постоянства соотношения щелочей и кислот во внутренних средах организма. Такое постоянство -- необходимое условие для полноценной жизнедеятельности всех его систем.

Оба элемента играют важную роль и в поддержании нормального осмотического давления крови, то есть определенной концентрации солей в плазме крови, необходимой для нормального функционирования всех ее клеток А это и эритроциты, несущие клеткам кислород и выводящие углекислоту, и лейкоциты, обеспечивающие иммунную защиту организма, и тромбоциты, необходимые для процессов свертывания крови.

Размещено на Allbest.ru