Водний обмін і його регуляція

Вміст і розподіл води в організмі. Поряд з білка­ми, вуглеводами, ліпідами, ферментами, вітамінами і гормонами в клітинах різних органів, тканин і міжклітинних рідинах міс­тяться неорганічні речовини, до яких відносяться вода і солі.

Вода - найважливіша складова частина всіх клітин. Кіль­кісно її вміст значно більший, ніж інших компонентів. Проте вода є не тільки складовою частиною клітин, вона служить та­кож середовищем, в якому існують клітини і за допомогою яко­го підтримується зв'язок між ними. Крім того, вода - це середо­вище, де відбуваються всі хімічні реакції, пов'язані з життєдія­льністю організму.

Вода виконує важливу механічну роль, сприяючи ковзанню поверхонь суглобів, зв'язок тощо.

Завдяки випарюванню води з поверхні шкіри людина і теп­локровні тварини зберігають постійну температуру тіла при по­силеному утворенні тепла в організмі або при високій темпера­турі навколишнього середовища.

Вода складає основу всіх рідин в організмі: крові, лімфи, сечі, соків травного апарату, спинномозкової рідини й ін. Тому всі живі організми, як правило, не здатні витримувати збезводнен­ня. Людина і тварини гинуть від нестачі води значно швидше, ніж від нестачі їжі. Якщо повне голодування людина може ви­тримати протягом 30 діб і більше, то без води смерть наступає через декілька діб.

В організмі людини вміст води становить 2/3 маси тіла і змінюється з віком. Так, у чотиримісячного ембріона кількість води складає 94%, у новонароджених - 77%, у дорослих людей - 50-65%. Тіло чоловіків містить у середньому 60% води, тоді як жінок - 50%.

Рівень води в різних тканинах неоднаковий. Сполучна і кіст­кова тканини містять відносно мало води, а кров, нервова тканина, м'язи, печінка - значно більше. Кількість води в організмі зале­жить також від вмісту жиру: чим більше жиру, тим менше води.

Усю воду в організмі поділяють на внутрішньоклітинну, або інтрацелюлярну (72%), і позаклітинну, або екстрацелюлярну (28%).

Кров, лімфа і міжклітинна рідина всього організму утворю­ють єдину фазу. Склад лімфи і міжклітинної рідини приблизно відповідають складу плазми крові. Рідке середовище клітин рі­зних тканин організму має приблизно однаковий склад і визна­чається як внутрішньоклітинна рідина. Внутрішньоклітинна рідина містить у середньому близько 35-45% води відносно маси тіла, позаклітинна - 15%. Ці рідини різняться також складом електролітів. У позаклітинній рідині переважають іони натрію, хлору і гідрокарбонатів; у внутрішньоклітинній - іони калію, а також білки і фосфорні ефіри.

Вода в організмі. В органах, тканинах І клітинах вода знахо­диться у вигляді вільної, гідратаційної та іммобільної.

Вільна вода складає основу багатьох біологічних рідин: кро­ві, лімфи, травних соків, спинномозкової рідини.

Вона бере участь у доставці поживних речовин і видаленні продуктів обміну з органів, тканин і клітин.

Частина води знаходиться у зв'язаному стані, беручи участь в утворенні гідратних оболонок. Це так звана гідратаційна вода. Вона утворює гідратні оболонки навколо молекул білків, нуклеї­нових кислот і неорганічних іонів. Гідратаційна вода складає близько 40% усієї води тканин, причому 10-40% її зв'язують білки. Ця вода за своїми властивостями відрізняється від зви­чайної: вона не замерзає при зниженні температури до 0' С і нижче і не має властивостей розчинника.

Велика частина води в організмі зосереджена між різними молекулами, мембранами, волокнистими структурами І механіч­но ними зафіксована, не входячи до складу гідратних оболонок. Така вода одержала назву іммобільної. Іммобільна вода замерзає при температурі нижче 0° С, розчиняє багато речовин і легко бере участь у реакціях обміну речовин.

Між різними видами води існує динамічна рівновага, одна її форма може переходити в іншу. Так, поповнення кількості гід­ратаційної води відбувається за рахунок іммобільної і вільної води.

Кількість води в окремих органах і тканинах змінюється залежно від їх функціонального стану. Так, при роботі м'язів вміст води в них збільшується. При цьому, якщо робота нетри­вала (протягом 10-15 хв.), кількість води в м'язах збільшується за рахунок екстрацелюлярної води, при роботі протягом 30-60 хв. - головним чином за рахунок інтрацелюлярної. Таке явище пояснюється приливом крові і підвищенням гідрофіль­ності білків працюючих м'язів.

Обмін води і регуляція водного обміну. Основними джерела­ми води для організму є продукти харчування і питна вода. Вода, що надходить з їжею, називається екзогенною І складає 6/7 усієї води організму. Інша частина (1/7) загальної маси води утворюється в тканинах людини як кінцевий продукт окиснення нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів. Це ендогенна вода. Установлено, що при повному окисненні 100 г жирів організм одержує 107,1 г, вуглеводів - 55,6 г і білків - 41,3 г води. Щодоби дорослій людині необхідно близько 2,5-3 л води. Проте ця кіль­кість може сильно змінюватися залежно від віку людини, харак­теру її роботи, температури навколишнього середовища і харак­теру їжі. Звичайно приблизно 1 л води вводиться в організм у складі так званої твердої їжі (хліба, м'яса, картоплі і т.п.), інша кількість - у вигляді пиття (води, чаю, супу, молока й ін.).

Обмін води в організмі є частиною загального обміну речо­вин і тісно пов'язаний з обміном нуклеїнових кислот, білків, ліпідів і вуглеводів. У водному обміні беруть участь нирки, леге­ні, шкіра і травний канал.

Вода всмоктується слизовою оболонкою харчового каналу на всій його довжині, але переважно в товстій кишці. Молекули води разом із перетравленими речовинами проникають у глиб епітеліальних клітин слизових оболонок у результаті дифузії й осмосу, а також частково шляхом активного транспорту, який здійснюється білками крові – альбумінами і глобулінами.

З організму вода виділяється головним чином із сечею -близько 1,2-1,5 л, що складає приблизно 60% усієї води, що виді­ляється. Невелика кількість її (близько 0,2-0,3 л) виділяється через легені в процесі дихання. Це відбувається в результаті того, що повітря в альвеолах при температурі тіла насичується водя­ними парами. Через шкіру втрата води в кількості до 1 л відбува­ється шляхом потовиділення і випаровування. Незначна части­на води - 0,2 л виділяється через травний канал разом із калом.

Кількість води, що виділяється організмом, може значно змі­нюватися залежно від умов навколишнього середовища, викону­ваної роботи і стану організму. Так, у жаркому кліматі значно зростає виділення води при потовиділенні (до 4-5 л). При інтен­сивній роботі, підвищенні температури тіла, унаслідок збільшен­ня обсягу дихання посилюється виділення води через легені.

У регуляції водного обміну активну участь бере центральна не­рвова система, зокрема, такі її відділи, як кора великих півкуль, про­міжний і продовгуватий мозок, а також багато залоз внутрішньої секреції. Деякі гормони, що виділяються залозами, сприяють за­тримці води в організмі, інші, навпаки, стимулюють її виділення.

В основі регуляції водного обміну лежить підтримання ста­лості осмотичного тиску, а основною регуляторною системою обміну води є система "гормони - нирки". З гормонів, що беруть участь у регуляції обміну води, насамперед, варто виділити гор­мон задньої долі гіпофізу вазопресин і гормон кори наднирко­вих залоз альдостерон.

Вазопресин викликає скорочення ниркових судин, у результаті чого зменшується діурез (сечовиділення), а отже, і виді­лення води з організму. Тому вазопресин часто називають антидіуретичним гормоном. Секреція цього гормону регулюється ве­личиною осмотичного тиску плазми крові. Підвищення тиску стимулює виробіток вазопресину, що знижує виділення води з ор­ганізму шляхом підвищення здатності тканин утримувати воду і збільшення виділення концентрованої сечі. У результаті цього осмотичний тиск зменшується, подразнення нейрогіпофізу зни­жується і секреція вазопресину припиняється.

Дія на водний обмін альдостерону пов'язана з рівнем натрію в плазмі крові. Зниження осмотичного тиску і виділен­ня з організму води і, отже, розведеної сечі у великій кількості пов'язане зі зниженням концентрації натрію в плазмі крові. Зниження рівня натрію викликає підвищену секрецію альдосте­рону, що посилює процеси зворотного усмоктування натрію в нирках і тим самим затримує його в організмі. Підвищення рівня натрію в плазмі гальмує секрецію цього гормону.

Таким чином, різні механізми дії цих двох гормонів зале­жать від осмотичного тиску плазми, зниження якого зумовлює підвищену секрецію альдостерону і гальмування виробітку ва­зопресину. При підвищенні осмотичного тиску спостерігаються зворотні процеси в регуляції водного обміну.

Серед Інших гормонів, що беруть участь у регуляції обміну води, необхідно відзначити тироксин - гормон щитовидної зало­зи, паратирин - гормон паращитовидної залози, андрогени і екстрогени - гормони статевих залоз. Вони стимулюють виділення води нирками.

Важливу роль у гідратації і дегідратації тканин виконують мінеральні речовини. Іони натрію збільшують гідратацію тканин і затримують воду в організмі. Іони калію і кальцію, навпаки, дегідратують тканини і сприяють виведенню води з організму.

Надходження води в організм регулюється почуттям спра­ги, яка виникає в результаті рефлекторного порушення певних ділянок кори головного мозку при зміні осмотичного тиску пла­зми крові. Уся введена в організм вода більш-менш швидко всмоктується і надходить у кров'яне русло.

Таким чином, регуляція водного обміну здійснюється нейрогормональним шляхом.

ОБМІН МІНЕРАЛЬНИХ РЕЧОВИН

Значення мінеральних речовин в організмі лю­дини. До числа незамінних речовин організму належать мінера­льні солі й окремі хімічні елементи, хоча вони, як і вода, не ма­ють поживної цінності і не є джерелами енергії.

У складі живих організмів виявлено близько 70 хімічних елементів, 47 містяться в них постійно. Це так звані біогенні хімічні елементи. їх значення визначається тим, що вони вхо­дять до складу клітин органів і тканин, а також біологічно акти­вних речовин - ферментів, гормонів, вітамінів, білків, беруть участь у реакціях обміну. Це такі елементи, як кисень, вуглець, азот, водень, кальцій, фосфор, калій, сірка, хлор, натрій, магній, цинк, залізо, мідь, йод, марганець, вольфрам, молібден, кобальт, кремній. Роль і значення інших елементів вивчені недостатньо, хоча вони також містяться в тканинах організму.

Чотири елементи складають органічну основу живих орга­нізмів. Це кисень, вуглець, водень і азот, відсотковий вміст яких складає відповідно 62,43; 21,15; 9,86 і 3,10. Інші макро-, мікро-І ультрамікроелементи прийнято вважати мінеральними.

Найбільше мінеральних речовин міститься в кістках (48-74% загальної маси) і хрящах (2-10%). Інші органи і тканини містять невелику кількість мінеральних речовин.

У клітинах і тканинах організму мінеральні речовини зна­ходяться як у вільному, так і у зв'язаному стані. У кістках, хря­щах і дентині зубів, наприклад, вони знаходяться у формі міц­них нерозчинних сполук - неорганічних солей карбонатної, фо­сфатної та Інших кислот. У вільному стані, а також у формі іонів мінеральні речовини містяться в біологічних рідинах: кро­ві, лімфі, травних соках.

Значна частина елементів входить до складу розчинних неор­ганічних сполук, які беруть участь у регуляції осмотичного тис­ку. Натрієві і калієві солі фосфатної і карбонатної кислот утво­рюють із білками тканин і крові буферні системи, беручи участь у підтриманні сталості рН середовища в тканинах і клітинах.

Іони неорганічних речовин визначають фізико-хімічні влас­тивості колоїдів організму - явища гідратації, в'язкість, розчин­ність, здатність до набрякання й ін. Деякі мінеральні речовини, наприклад, сульфатна кислота, беруть участь у нейтралізації от­руйних продуктів.

Особливо велика роль хімічних елементів, які є активатора­ми чи паралізаторами дії ферментів або беруть участь у форму­ванні їх третинної і четвертинної структури. Іони металу, всту­паючи у взаємодію з різними функціональними групами аміно­кислот, розташованих у різних місцях молекули ферменту, ста­білізують її третинну і четвертинну структури, підтримуючи тим самим специфічну геометричну конфігурацію активного центру (рис. 26, а). Крім того, іони ме­талів можуть взаємодіяти та­кож з окремими функціональ­ними групами амінокислот найактивнішого центру (рис. 26, б) і підтримувати таким чином його певну геометричну конфі­гурацію, а водночас третинну і четвертинну структури молеку­ли ферменту в цілому. Прикладом участі іонів металів у формуванні і стабілізації третинної і четвертинної структур ферментів може бути стабілі­зація структури а-амілази і трипсину іонами Са^г+, ксантиноксидази - іонами Си²⁺, креатинкінази - іонами Mg²⁺, пїруваткарбоксилази - іонами Mg²⁺ і т.д.

Усі біогенні елементи поділяють на макро-, мікро- і ультра-мікроелементи. Макроелементи містяться в організмі в кілько­сті від 10^г% і вище. До них належать кальцій, калій, фосфор, натрій, сірка, хлор, магній. До мікроелементів відносять залізо, цинк, фтор, молібден, мідь, бром, кремній, йод, марганець, алюмі­ній, свинець і ін. їх кількість в організмі складає від 10³ до 1(И%. Ультрамікроелементи - вольфрам, хром, нікель, цинк, барій, срібло і багато інших - складають біля 10'⁶% і менше. Біохімічна роль окремих макро- і мікроелементів. Кальцій. Основною фізіологічно активною формою кальцію в тканинах і рідинах організму людини є іонізована форма. Іонам Са²⁺ належить важлива роль у формуванні кістко­вої тканини, вони входять до складу клітинних мембран, є од­ним із найважливіших компонентів системи, що регулює їх про­никність. Іони Са²⁺ беруть участь у сполученні поверхні мем­бран суміжних клітин у тканинах. Цю функцію вони викону­ють, будучи складовою частиною міжклітинного глікозамінгліканового (мукополісахаридного) комплексу, а також шляхом зниження поверхневого негативного заряду клітин.

У клітинах гладких м'язів, міокарду і провідної системи сер­ця іони Са²⁺ беруть участь у генерації нервових імпульсів, сти­мулюючи в такий спосіб діяльність серцевого м'яза. Крім того, вони беруть участь у зсіданні крові, зменшують здатність клі­тинних колоїдів зв'язувати воду, знижують збуджуваність центральної нервової системи, підвищують стійкість організму до інфекцій, сприяють обміну заліза, усувають шкідливу дію над­лишкової кількості іонів калію, натрію, магнію і т.д. За наявно­сті іонів Са²⁺, як зазначалося вище, стабілізуються третинна і четвертинна структури а-амілази і трипсину, а також активу­ється ряд ферментів (рибонуклеаза, лецитіназа, актоміозинаденозинтрифосфатаза й ін.).

Фосфор є одним з основних структурних елементів організму. Він входить до складу кісток і зубів, бере участь у будові фосфатидів і фосфопротеїдів, а також нуклеїнових кислот, які служать носіями генетичної інформації, що регулює біосин­тез білка й імунітет.

Важко назвати в організмі фізіологічну функцію, у здійснен­ні якої не брали б участі сполуки фосфору. Завдяки фосфорилюванню відбуваються процеси гліколізу і прямого окиснення вуглеводів, транспортування ліпідів, обмін амінокислот і т.д. Фосфор у складі фосфатної кислоти входить до складу багатьох коензимів - ацетил-КоА, піридоксальфосфату, НАД, НАДФ, ліпотиамінпірофосфату, АДФ, АТФ.

Фосфоровмісна сполука АТФ відіграє надзвичайно важливу роль у м'язовій діяльності, у процесі якої хімічна енергія пере­творюється в механічну.

Останніми роками встановлена важлива роль циклічного АМФ (цАМФ) – похідного АТФ, за допомогою якого реалізуєть­ся дія багатьох гормонів на ферментні системи.

Таким чином, можна сказати, що всі види обміну в організмі

- білковий, ліпідний, вуглеводний, мінеральний й енергетичний

- нерозривно зв'язані з перетвореннями фосфатної кислоти.

Магній. Іонізований магній є основним катіоном внутрі­шньоклітинного середовища, де концентрація його в 10-15 разів вища, ніж у позаклітинній рідині. Іони Mg²⁺ активують процеси окиснювального фосфорилювання в мітохондріях, вони є актива­торами ферментів, що переносять фосфатні групи в обмінних реакціях, а також карбоксилази й оксидази піровиноградної кислоти, ферментів, що беруть участь у реакціях циклу Кребса.

Важливу роль відіграють іони Mg²⁺ в обміні нуклеїнових кислот і нуклеотидів у клітинах. Вони активують ДНК- і РНК-полімерази, полінуклеотидфосфорилазу і ряд інших ферментів нуклеїнового обміну, беруть участь у біосинтезі білка.

Магній також необхідний для формування кісткової тканини.

Калій бере участь у підтриманні кислотно-основного стану й осмотичного тиску в клітині. Він є кофактором ферменту, що переносить фосфатну групу з АТФ на піровиноградну кислоту, активує ряд інших ферментів внутрішньоклітинного метаболіз­му. Разом з іонами Na* іони К⁺ беруть участь у проведенні нерво­вого імпульсу, необхідні для нормальної збуджуваності м'язів.

Солі калію в невеликих кількостях знижують частоту й ам­плітуду серцевих скорочень, входять до складу буферних сис­тем крові і тканин. За участю іонів К⁺, що містяться в еритроцитах, здійснюється перенос кисню і вуглекислого газу гемо­глобіном.

Останнім часом з'являються повідомлення про те, що калій має безпосереднє відношення до процесів біосинтезу білків.

Натрій не виконує в організмі якоїсь специфічної функ­ції, проте він необхідний для нормальної життєдіяльності орга­нізму. Становлячи більше 90% усіх катіонів плазми, натрій віді­грає головну роль у підтриманні осмотичного тиску позаклітин­них рідин, є також важливим компонентом буферних систем. Іони Na* сприяють набряканню білкових колоїдів, разом з іона­ми К⁺ підтримують нормальну діяльність серцевого м'яза і бе­руть участь у процесах нервово-м'язевої збуджуваності.

Хлор є найбільш важливим аніоном водної фази орга­нізму і разом з іонами Mg²⁺ бере участь у підтриманні осмотич­ного тиску і кислотно-основного стану організму.

Маючи здатність проникати через мембрану еритроцитів, іони хлору сприяють обміну інших іонів між плазмою й ерит­роцитами. Завдяки цьому відбувається зв'язування вуглекис­лого газу у формі гідрокарбонату і звільнення його в капілярах легень.

Іони хлору служать компонентом для утворення хлороводневої кислоти шлункового соку. Є також повідомлення, що іони СІ" активують деякі ферменти, зокрема α-амілазу слини і пан­креатичного соку,

Сірка входить до складу амінокислот цистину, цистеїну, метіоніну, а разом з ними - до складу тканинних білків, гормо­нів, вітамінів і т.д. Цистеїн служить попередником коферменту А, який відіграє важливу роль в обміні білків, жирів і вуглеводів. При заміні атома водню сульфгідрильної групи ацетилом утво­рюється ацетил-КоА, який включається в цикл трикарбоновых кислот і є ланцюгом, який з'єднує жировий обмін з вуглеводним.

У молекулі цистину сірка представлена дисульфідною гру­пою (-S-S-), зворотне перетворення якої в сульфгідрильну гру­пу є основною реакцією в транспортуванні водню.

Сірка входить до складу ефірів сульфатної кислоти, які ви­конують в організмі структурну і захисну функції. Наприклад, хондроїтинсульфат, що міститься в хрящах, здатний приєднува­ти білки і фіксувати деякі катіони, відіграючи тим самим важ­ливу роль у процесах кальцифікації кісток. Мукоїтинсульфати є інгібіторами протеолітичних ферментів і запобігають перетра­вленню стінок травного каналу травними ферментами. Суміш сульфатованих полісахаридів є складовою частиною гепарину, який служить антикоагулянтом.

Сірка входить також до складу деяких жовчних кислот, пар­них і інших сполук.

З а л і з о є складовою частиною багатьох окисно-відновних ферментів, які виконують важливу роль у процесах тканинного дихання. Такими ферментами є цитохроми, цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза. В організмі залізо зосереджене головним чином у гемоглобіні, феритині і міоглобіні.

Залізо є необхідним елементом у процесах кровотворення.

Мідь необхідна для процесів кровотворення. Вона каталі­зує включення заліза в структуру гема і сприяє дозріванню ери­троцитів. Мідь бере участь у захисних функціях організму, піг­ментації і кератизації волосся, є складовою частиною цитохромоксидаэи, тирозинаэи, ксантиноксидази й інших ферментів, які відіграють важливу роль в окисно-відновних процесах, ката­лізує окремі етапи тканинного дихання.

Мідь необхідна для синтезу інсуліну, каталази, стимулює роз­виток статевих залоз, біосинтез вазопресину й окситоцину.

Цинк впливає на ріст, розвиток, репродуктивну функцію організму, утворення кісток, кровотворення, обмін нуклеїнових кислот, білків, вуглеводів. Як структурний компонент цинк вхо­дить до складу деяких ферментів, бере участь у підтриманні певної конфігурації РНК і в такий спосіб впливає на біосинтез білків і передачу генетичної інформації. Цинк стабілізує ди­хання при високих температурах, регулює функцію статевих залоз, енергетичний обмін, здатний у шість разів продовжувати дію інсуліну.

Марганець бере активну участь в окисно-відновних процесах, тканинному диханні, впливає на функцію ендокринних залоз, ріст, кровотворення, розмноження. Він має специфічну ліпотропну дію, підвищує утилізацію жирів в організмі і протидіє жировій дегенерації печінки. Є активатором багатьох фермен­тів, бере участь в активації циклу трикарбонових кислот.

Йод міститься у всіх тканинах і рідинах організму, проте велика Його частина зосереджена в щитовидній залозі. Основна роль йоду зумовлена його наявністю в складі тиреоїдних гормо­нів, які регулюють обмін вуглеводів, білків і жирів, процеси теп­лотворення, впливають на ріст, розвиток і репродуктивну функ­цію організму.