Глава 3. Калий и натрий в функциональных пищевых и кормовых продуктах

На сегодняшний день является неоспоримым доказанным фактом важнейшая роль калия (К) и натрия (Na) в поддержании осмотических свойств плазмы крови и клеток организма человека и животных, формировании электрического потенциала и проведении импульса.

Организм взрослого человека содержит 90-95 граммов ионов натрия, основная часть которых присутствует в плазме крови и межклеточной жидкости и только 10-12% - внутри клеток мягких тканей [1]. В комплексе натрий (снаружи клеток) и калий (внутри клеток) создают необходимый для нормальной деятельности клеток мембранный потенциал в силу разности своих концентраций внутри и снаружи клеток более чем в 15 раз [2].

В зависимости от задержки или потери натрия организмом происходит задержка или потеря пропорционального количества воды. В отличие от натрия, задерживающего воду в организме, калий, снижая гидратацию тканевых белков, способствует выведению влаги. Избыточное потребление натрия вызывает задержку жидкости в организме, а калия, напротив, способствуют ее выведению. 15 г поваренной соли задерживают в организме до двух литров жидкости [2]. Натрий играет важную роль при абсорбции в кишечнике не только воды, но и аминокислот, глюкозы, а также при их реабсорбции в почках. С натрием связаны также функции регуляции объема крови и артериального давления.

Среднее суточное потребление натрия, достаточное для удовлетворения физиологических потребностей взрослого человека составляет 0,5 г., тогда как для калия – 3,5 г. Суточную потребность в ионах натрия можно полностью удовлетворить всего 1,25 г. соли, поэтому, недостаток натрия возникает редко, тогда, как обеднение организма калием распространено широко. Реальное среднесуточное потребление соли в России составляет 12-15 г, что десятикратно превышает суточную норму (рис. 3.1).

 

Рисунок 3.1. – Наглядное представление соотношения ионов натрия и калия в большинстве пищевых рационов

Рассмотрим, что же происходит, если оптимальное соотношение калия к натрию в организме нарушено.

Млекопитающие, пресмыкающиеся, земноводные, рыбы и многие другие, все мы состоим из клеток - простейших единиц строения организма. Плазматическая мембрана или плазмалемма - это универсальная и наиболее постоянная для всех клеток система поверхностного аппарата. Она представляет собой тончайшую плёнку в 10 нм, покрывающую всю клетку. Мембрана состоит из расположенных в два ряда молекул липидов.

Одним из самых важных свойств мембраны является избирательная проницательность. Она функционирует как осмотический барьер. Максимальную пропускную способность имеет вода и растворённые в ней газы. Медленнее через неё проходят ионы.

Существует несколько механизмов транспорта веществ через плазмалемму [3]. Из них выделяют пассивный транспорт, который в свою очередь делится на: транспорт веществ через мембранные каналы, транспорт веществ через липидный слой или простая диффузия и транспорт через специальные транспортные белки (облегчённая диффузия).

Активный транспорт включает в себя натрий-калиевый насос. Активный транспорт возникает тогда, когда требуется обеспечить перенос через мембрану молекул против электрохимического градиента концентрации. Этот транспорт осуществляется белками переносчиками с затратами энергии. Источником этой энергии служат молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Одной из самых изученных систем активного транспорта является натрий-калиевый насос. Концентрация катионов внутри клетки выше, чем в окружающем клетку пространстве, а катионов - наоборот. Через калиевые каналы катионы пассивно диффундируют наружу, а катионы в клетку через натриевые каналы. Для нормального функционирования клетке нужно поддерживать определенное соотношение ионов  и . Это происходит благодаря наличию натрий-калиевого насоса, который активно перекачивает из клетки,  а в клетку . На работу натрий-калиевого насоса тратится треть всей энергии, необходимой для жизни клетки. Насос представляет собой трансмембранный белок способный к конформациям, благодаря чему он может присоединить к себе 2 иона с наружной стороны мембраны, и 3 иона  с внутренней стороны. За один цикл работы насос выкачивает из клетки 3 иона  и закачивает 2 иона  за счет энергии одной связи молекулы АТФ. Работа натрий-калиевой АТФ-азы как пример антипорта и активного транспорта.

 АТФ-аза создает не только разность концентраций, но и работает как электрогенный насос. На внешней стороне мембраны скапливается "+", на внутренней - "-". Сначала переносчик прикрепляет с внутренней стороны мембраны три иона . Эти ионы изменяют конформацию активного центра переносчика. После этого АТФаза гидролизует молекулу АТФ, причем фосфат-ион фиксируется на поверхности переносчика с внутренней стороны мембраны. Энергия, выделившаяся после расщепления одной макроэрдической связи АТФ, расходуется на изменение конформации АТФазы, после чего три иона  и фосфат-ион оказываются на внешней стороне мембраны. Тут ионы  отщепляются и замещается на два иона . Далее конформация переносчика изменяется на начальную, и ионы  оказываются на внутренней стороне мембраны. Они отрываются и переносчик повторяет свою операцию.

Важность данного процесса очень велика. Постоянное выкачивание из клетки  и нагнетание  необходимо для таких процессов как осморегуляция и сохранения необходимой разности потенциалов, электрической активности нервной и мышечной тканей. Калий также необходим для синтеза белка, фотосинтеза, гликолиза и прочих процессов. Примерно треть всей АТФ, что расходуется в состоянии покоя клеткой, уходит на работу калий-натриевого насоса.

Основное отличие в функциональных свойствах этих катионов связано с различием в плотности положительного заряда у их поверхности: у катиона натрия она выше (большой заряд и малый радиус), поэтому его электростатическое поле сильно удерживает молекулы воды. Это явление называют положительной гидратацией, характеризующейся сравнительно большим временем жизни молекул воды в толстой структурированной гидратной оболочке иона. У катиона калия малая поверхность плотности заряда, и поэтому тонкий плотный структурированный слой и толстый рыхлый деструктурированный [5] слой и отрицательная гидратация. Этим объясняется, почему катионы калия являются преимущественно компонентами внутриклеточных, а натрия – межклеточных жидкостей и почему посредством калиево-натриевого «насоса» поддерживается оптимальное содержание жидкости в организме.

При повышенном содержании в пище поваренной соли калий-натриевый насос работает с перегрузкой и не полностью справляется с восстановлением необходимого баланса электролитов внутри клеток.

В первую очередь дефицит калия повышает риск возникновения нарушений обменных процессов, происходящих в клетках миокарда. Постоянная нехватка калия в организме ведёт к сбоям ритма сокращений сердечной мышцы, зачастую провоцируя сердечный приступ. В условиях пониженного содержания нарушается регуляция артериального давления, развиваются эрозии слизистых оболочек. Яркие примеры - язва желудка и двенадцатиперстной кишки, эрозия шейки матки [4].

Обычно указанные симптомы недостатка калия появляются из-за неправильного питания, когда не учитывается необходимость ограничения в рационе натрийсодержащих продуктов.

Недостаток калия может быть также результатом изнуряющей диеты либо эмоциональных нагрузок (дистрессов), при тяжелых физических нагрузках, повышенном потоотделении, рвоте, диарее, при приёме мочегонных препаратов, алкоголя, в большом количестве кофе, сладостей.

Калий также выполняет кофакторную функцию, активизируя ферменты, в частности пируваткиназу – ключевой момент метаболизма углеводов [86]. Кроме влияния на процессы образования углеводов, ионы калия активизируют синтез ряда белка на рибосомах и процессы гидратации/дегидратации углекислого газа.

Избыток калия при передозировке препаратов проявляется в организме в виде возбуждения, адинамии, нарушений функционирования сердечной мышцы, усиления отделения мочи, неприятных ощущений в конечностях.

Таким образом, совместную нутрициологическую функцию натрия и калия можно свести к двум основным значениям:

- поддержание вводно-электролитного баланса;

- активация ряда ферментов.

При этом их биологическое значение проявляется, прежде всего, во влиянии на:

- центральную нервную систему;

- артериальное давление крови;

- сократимость мышц, в том числе сердечных [2].

Существенное влияние этих ионов на центральную нервную систему: избыток натрия в клетках коры головного мозга вызывает депрессию, избыток калия – возбуждение.

Специализированные корма для животных и функциональные пищевые продукты для людей – один из путей решения существующей проблемы дисбаланса биоэлементов.

Составляющие рацион сельскохозяйственных животных натуральные корма все необходимые вещества содержат в себе далеко не всегда.

 Налицо актуальность для улучшения здоровья и увеличения продуктивности животных использования препаратов и кормовых добавок и оптимальным для вида животного соотношением ионов натрия и калия. Несмотря на их широкий ассортимент, не исчерпан резерв более эффективных решений в указанном направлении.

Литература по ГЛАВЕ 3:

1. Спиричев В.В., Шатнюк А.Н., Позняковский В.М. Обогащение пищевых продуктов витаминами и минералами. Наука и технология. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, – 2004.- 548 с.

 2. Полянская И.С. Нутрициологическая химия s-элементов. - М-во сельского хоз-ва РФ. – Вологда. - 2011. – 139 с.

3. Виды переноса веществ через мембрану [Электронный ресурс] // Справочник химика 21. Химия и химическая технология. – С. 54. Электрон. данные. URL: http://chem21.info/info/1567215/ (дата обращения: 19.01.2020).

4. Роль макро- и микроэлементов в обмене веществ и функциях органов и систем [Электронный ресурс] // Электрон. данные. URL: https://www.argo-shop.com.ua/article-11552.html (дата обращения: 19.01.2020).

5. Слесарев В.И. Химия. Основы химии живого: Учебник для вузов. – СПб: Химиздат, 2005. – 784 с.

6. Препарат для улучшения здоровья и продуктивности животных и птиц: пат. 2652824. Рос. Федерация: МПК 51 А 23К 20, А 23К 50 / Полянская И.С., Закрепина Е.Н.. и др.; заявитель и патентообладатель Вологодская ГМХА. - № 2016148064; заявл. 07.12.2016; опубл. 03.05.2018 Бюл. № 13.

7. Химический состав российских пищевых продуктов: справочник / под ред. И.М. Скурихина, В.А. Тутельяна. – М.: ДеЛи принт, - 2002. – 236 с. 

8. МР 2.3.1.2432-08 Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации [Электронный ресурс]: Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека URL: https://rospotrebnadzor.ru/documents/details.php?ELEMENT_ID=4583 (дата обращения: 19.01.2020).

 

Тесты, творческие вопросы и задания по ГЛАВЕ 3.