Почки и моча
Главной функцией почек является выведение вредных для организма соединений, в том числе продуктов метаболизма. Почки играют важную роль в сохранении постоянства состава внеклеточной и (непрямым путём) внутриклеточной жидкости. Помимо функции выведения токсических веществ (особое значение имеет удаление азотистых «шлаков»), почки выполняют следующие задачи:
Концентрация мочи.
Регуляция кислотно-щелочного равновесия.
Регуляция солевого и водного баланса.
Образование гормонов: кальцитриола (регулирует всасывание кальция и фосфора), ренина (увеличивает образование альдостерона и регулирует его содержание в крови), эритропоэтина (увеличивает образование клеток крови).
Почки выполняют секреторную функцию.
Особенности метаболизма почек.
Почки относятся к наиболее хорошо снабжаемым кровью органам организма человека. Они потребляют 8% всего кислорода крови, хотя их масса едва достигает 0,8% массы тела.
Корковый слой характеризуется аэробным типом метаболизма, мозговое вещество – анаэробным.
Почки обладают широким спектром ферментов, присущих всем активно функционирующим тканям. Вместе с тем, они отличаются своими «органоспецифическими» ферментами, определение содержания которых в крови при заболевании почек имеет диагностическое значение. К таким ферментам прежде всего относится глицин-амидо-трансфераза (она активна также в поджелудочной железе), осуществляющая перенос амидиновой группы с аргинина на глицин. Эта реакция является начальным этапом синтеза креатина:
Глицин-амидо-трансфераза
L-аргинин + глицин L-орнитин + гликоциамин (гуанидоацетат)
Из изоферментного спектра для коркового слоя почек характерными являются ЛДГ1 и ЛДГ2, а для мозгового вещества – ЛДГ5 и ЛДГ4. При острых почечных заболеваниях в крови определяются повышенная активность аэробных изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ1 и ЛДГ2) и изофермента аланинаминопептидазы –ААП3.
Наряду с печенью почки являются органом, способным осуществлять глюконеогенез. Этот процесс протекает в клетках проксимальных канальцев. Основным субстратом для глюконеогенеза служит глутамин, который одновременно выполняет буферную функцию по поддержанию необходимой рН. Активация ключевого фермента глюконеогенеза – фосфоенолпируваткарбоксикиназы – вызывается появлением в притекающей крови кислых эквивалентов. Следовательно, состояние ацидоза приводит, с одной стороны, к стимуляции глюконеогенеза, с другой,– к увеличению образования NH3, т.е. нейтрализации кислых продуктов. Однако избыточная продукция аммиака – гипераммонийемия – уже будет обуславливть развитие метаболического алкалоза. Повышение концентрации аммиака в крови является важнейшим симптомом нарушения процессов синтеза мочевины в печени.
Механизм образования мочи.
В почках человека насчитывается 1,2 млн нефронов. Нефрон состоит из нескольких частей, различающихся морфологически и функционально: клубочка (гломерула), проксимального канальца, петли Генле, дистального канальца и собирательной трубочки. Ежесуточно гломерулы фильтруют 180 л приносимой плазмой крови. В клубочках происходит ультрафильтрация плазмы крови, в результате чего образуется первичная моча.
В первичную мочу поступают молекулы с молекулярной массой до 60 кДа, т.е. белка в ней практически нет. О фильтрационной способности почек судят на основании величины клиренса (очищения) того и иного соединения – количеству мл плазмы, способной полностью освободится от данного вещества при прохождении его через почку (подробнее в курсе физиологии).
С=Км/Ккр•V , где С-клиренс,
Км- концентрация данного соединения в моче,
Ккр- концентрация в плазме крови,
V- объем мочи в 1 мин, 1 мл.
Почечные канальцы осуществляют резорбцию и секрецию веществ. Эта функция для разных соединений различна и зависит от каждого отрезка канальца.
В проксимальных канальцах в результате всасывания воды и растворённых в ней ионов Na+, К+, Cl-, HCO3-. начинается концентрация первичной мочи. Всасывание воды происходит пассивно вслед за активно транспортируемым натрием. Клетки проксимальных канальцев реабсорбируют также из первичной мочи глюкозу, аминокислоты, витамины.
В дистальных канальцах происходит дополнительная реабсорбция Na+. Всасывание воды здесь происходит независимо от ионов натрия. В просвет канальцев секретируются ионы К+, NH4+, H+ (заметим, что К+, в отличие от Na+, может не только реабсорбироваться, но и секретироваться). В процессе секреции калий из межклеточной жидкости поступает через базальную плазматическую мембрану в клетку канальца за счёт работы «К+-Na+-насоса», а затем пассивно, путём диффузии, выделяется в просвет канальца нефрона через апикальную клеточную мембрану. На рис. представлено строение «К+-Na+-насоса», или К+-Na+-АТФ-азы (рис.15.1)
Рис.15.1 Функционирование К+-Na+-АТФ-азы
В медуллярном отрезке собирательных трубочек идёт окончательное концентрирование мочи. Лишь 1% жидкости, профильтрованной почками, превращается в мочу. В собирательных трубочках вода реабсорбируется через встроенные аквопорины II (водные транспортные каналы) под действием вазопрессина. Ежесуточное количество конечной (или вторичной) мочи, обладающей многократно более высокой осмотической активностью, чем первичная, составляет в среднем 1,5 л.
Реабсорбция и секреция различных соединений в почках регулируется ЦНС и гормонами. Так, при эмоциональном и болевом стрессах может развиться анурия (прекращение мочеотделения). Всасывание воды увеличивается под действием вазопрессина. Его недостаток ведёт к водному диурезу. Альдостерон увеличивает реабсорбцию натрия, а вместе с последним – и воды. Паратирин влияет на всасывание кальция и фосфатов. Этот гормон увеличивает экскрецию фосфатов, в то время как витамин Д задерживает её.
Роль почек в поддержании кислотно-основного равновесия. Постоянство рН крови поддерживается её буферными системами, лёгкими и почками. Постоянство рН внеклеточной жидкости (и косвенным путём – внутриклеточной) обеспечивают лёгкие путём удаления СО2, почки – посредством выведения аммиака и протонов и реабсорбцией бикарбонатов.
Основными механизмами в регуляции кислотно-основного равновесия являются процесс реабсорбции натрия и секреция ионов водорода, образуемых с участием карбангидразы.
Карбангидраза (кофактор Zn) ускоряет восстановление равновесия при образовании угольной кислоты из воды и углекислоты:
Н2О + СО2 ⇄ Н2СО3 ⇄ Н+ + НСО3 –
При кислых значениях рН повышается РСО2 и вместе с этим – концентрация СО2 в плазме крови. СО2 уже в большем количестве диффундирует из крови в клетки почечных канальцев (). В почечных канальцах под действием карбангидразы образуется углекислота (), диссоциирующая на протон и ион бикарбоната. Н+ -ионы с помощью АТФ-зависимого протонного насоса или путём замены на Na+ транспортируются () в просвет канальца. Здесь они связываются с НРО42- с образованием Н2РО4-. С противоположной стороны канальца (граничащей с капилляром) с помощью карбангидразной реакции () образуется бикарбонат, который совместно с катионом натрия (котранспорт Na+) поступает в плазму крови (Рис.15.2).
Если активность карбангидразы угнетена, почки теряют способность секретировать кислоту.
Рис. 15.2 Механизм реабсорбции и секреции ионов в клетке канальца почки
Важнейшим механизмом, способствующим сохранению натрия в организме, является образование в почках аммиака. NH3 используется вместо других катионов для нейтрализации кислых эквивалентов мочи. Источником аммиака в почках служат процессы дезаминирования глутамина и окислительного дезаминирования аминокислот, в первую очередь, глутаминовой.
Глутамин – амид глутаминовой кислоты, образующийся при присоединении к ней NH3 ферментом глутаминсинтазой, или синтезированный в реакциях трансаминирования. В почках амидная группа глутамина отщепляется гидролитическим путём от глутамина ферментом глутаминазой I. При этом образуется свободный аммиак:
глутаминаза I
Глутамин Глутаминовая кислота + NH3
Глутаматдегидрогеназа
α-кетоглутаровая
кислота + NH3
Аммиак может легко диффундировать в почечные канальцы и там легко присоединять протоны с образованием иона аммония: NH3 + Н+ ↔ NH4+
Гормоны почек
Почки наряду с выделительной выполняют важную эндокринную функцию. Они продуцируют гормоны эритропоэтин и кальцитриол, а также принимают решающее участие в образовании ангиотензина с помощью синтезируемого почками фермента ренина.
Кальцитриол (1,25-дигидрокси-холекальциферол) синтезируется почками из кальцидиола с участием гидроксилазы (кальцидиол-1-монооксигеназы), синтез которой индуцируется гормоном паратирином.
Эритропоэтин является полипептидным гормоном, образуемым главным образом почками и печенью. Наряду с другими факторами (так называемыми колонестимулирующими факторами) он контролирует дифференцировку костно-мозговых стволовых клеток. Гипоксия (падение рО2) стимулирует высвобождение эритропоэтина. Уже в течение часа в костном мозге происходит превращение предшественников эритроцитов в эритроциты, содержание которых в крови при этом возрастает. Заболевания почек приводят к снижению высвобождения эритропоэтина, следствием чего является анемия.
Ренин-ангиотензиновая система. Ренин – это протеолитический фермент, синтезируемый юкстагломерулярным аппаратом почек. При недостаточном поступлении крови в почечные клубочки происходит возбуждение (вследствие падения кровяного давления) заложенных в стенках артериол клеток юкстагломерулярного аппарата, которые начинают усиленно секретировать ренин. В кровяном русле ренин захватывается ангиотензиногеном – плазматическим гликопротеином из класса α2-глобулинов, образующимся в печени. Отщепляемый декапептид называется «ангиотензин I» – рис. 15.3. С помощью пептидилдипептидазы А (ангиотензин-превращающий фермент, которым особенно богаты лёгкие) он путём отщепления 2-х аминокислот превращается в ангиотензин II. Именно этот октапептид обладает высокой каталитической активностью, действуя подобно гормону и нейропередатчику.
Ангиотензин II связывается мембранными рецепторами почек, ствола мозга, гипофиза, надпочечников, стенок сосудов и сердца. Стимулируя вазоконстрикцию (сужение кровеносных сосудов) он повышает кровяное давление. Под его влиянием в почках ускоряется всасывание натрия и воды, возникает чувство жажды, повышается тонус стволовых структур мозга и симпатических синапсов. Из гипофиза стимулируется высвобождение вазопрессина и кортикотропина, а в надпочечниках увеличивается синтез и высвобождение альдостерона.
Рис. 15. 3 Ренин-ангиотензиновая система.
Распад ангиотензина II осуществляется очень быстро ангиотензиназой, которая синтезируется многими тканями.
Поскольку основной механизм действия ангиотензина II прямо или косвенно сводится к повышению кровяного давления и увеличению всасывания натрия и воды, с целью ингибирования этих процессов при лечении гипертонической болезни используют:
Субстраты-аналоги ангиотензиногена, которые препятствуют действию ренина.
Субстраты-аналоги ангиотензина I, которые угнетают пептидилдипептидазу А ( этот фермент расщепляет также другие сигнальные пептиды плазмы крови, в частности, брадикинин).
Блокирование рецепторов ангиотензина пептидными гормонами-анта-гонистами.
Моча
Физиологические составные части мочи.
Объём мочи. Объём суточной мочи в норме колеблется от 500 мл до 2500 мл. Индивидуальный объём мочи прямо зависит от количества принятой воды и пищи, а также от потерь с дыханием, потом и стулом. При приёме пищи с высоким содержанием азота объём мочи повышается, так как для выведения азотсодержащих метаболитов необходим большой объём жидкости. Соотношение между дневным и ночным диурезом в норме составляет 4:1 – 3:1. Нарушение этого соотношения, называемое никтурией, наблюдается при различных заболеваниях почек и сердца.
При выделении суточной мочи в объёме менее 400 мл говорят об олигурии, менее 100 мл – анурии, более 2,1 л – полиурии. Длительная анурия ведёт к отравлению мочевиной – уремии. Задержка выделения мочи наблюдается при тяжелых поражениях паренхимы почек, мочекаменной болезни (при закупорке мочеточника), отравлении тяжёлыми металлами, сильном эмоциональном стрессе.
Плотность мочи в норме составляет 1,015-1,022 кг/л. В течение суток она колеблется в довольно широких пределах. Плотность мочи зависит от её объёма (чем он больше, тем выше плотность). Бледная, соломенно-жёлтого цвета, моча имеет меньшую плотность и выделяется в большем количестве. Постоянно низкие значения плотности указывают на нарушение концентрационной функции почек, что наблюдается при хроническом нефрите и сморщенной почке. Изостенурия (выделение мочи с одинаковой относительной плотностью) свидетельствует о тяжёлой почечной недостаточности. При несахарном диабете выделяется большое количество мочи с низкой плотностью (1,001-1,004), что связано с нарушением реабсорбции воды в канальцах. При сахарном диабете, несмотря на большой объём мочи, она имеет высокую плотность из-за присутствия в ней осмотически активного вещества – глюкозы. Высокую плотность моча имеет при олигоурии, что характерно для заболевания острым нефритом.
Цвет мочи. В норме цвет мочи представляет собой различные оттенки жёлтого благодаря присутствию пигмента урохрома (продукт распада триптофана?), уробилина (продукт распада гемоглобина), уроэритрина и др. Цвет мочи может значительно изменяться в зависимости от наличия в ней тех или иных красящих веществ: розово-красный цвет наблюдается при гематурии и гемоглобинурии, после приёма амидопирина, антипирина, сантонина и некоторых других препаратов; ярко-жёлтый – после приёма рибофлавина; коричневый или красно-бурый – при высокой концентрации уробилина и билирубина; зелёный или синий – при введении в организм метиленового синего, а также при усилении процесса гниения белков в кишечнике (образующееся большое количество индоксилсерной кислоты разлагающейся с образованием синего индиго).
Прозрачность мочи. В норме моча прозрачна, при стоянии образуется лёгкий осадок. Мутность мочи обуславливается присутствием микроорганизмов при воспалительных процессах в мочевой системе, эпителиальными клетками, слизью, кровью, усиленным выведением солей.
Реакция мочи. В норме у человека, питающегося смешанной пищей, моча имеет кислый характер (рН= 5,3-6,5), причём преимущественно мясная пища делает мочу более кислой, молочно-растительная диета – щелочной.
Кислая реакции мочи обуславливается главным образом однозамещенными фосфатами калия и натрия. В щелочной моче преобладают двузамещённые фосфаты или бикарбонаты калия и натрия.
Снижение рН мочи наблюдается при ацетонемии (сахарный диабет, голодание), защелачивание мочи – при воспалительных процессах в мочевыводящих путях (из-за разложения мочевины микроорганизмами с образованием аммиака), приёме щелочных минеральных вод, питьевой соды и некоторых лекарственных препаратов.
Неорганические составные части мочи.
Выведение составных ингредиентов мочи подвергается циркадным ритмам (например, экскреция фосфатов максимальна около 20 часов, минимальна – около 6 часов), поэтому эти ингредиенты необходимо исследовать в суточном диурезе.
Из минеральных солей более всего с мочой выделяется хлористого натрия – 8-15 г в сутки. Содержание неорганических компонентов мочи (ммоль/л) представлено на рис.
Сера аминокислот метионина и цистеина после окисления до SO42- удаляется либо непосредственно в виде неорганического сульфата, либо в составе его эфиров (рис.15. 4).
Рис.15.4. Неорганические составные части мочи.
Органические составные части мочи.
Мочевина. Синтезируемая печенью мочевина является главным соединением азота, образующимся при распаде аминокислот и пиримидиновых оснований. Её количество непосредственно определяет уровень интенсивности обмена белков: 70 г белка приводит к образованию 30 г мочевины. Количество выделяющейся мочевины увеличивается при потреблении богатой белками пищи и при усилении катаболизма белков в организме (злокачественные опухоли, лихорадка, гипертиреоз и другие гормональные нарушения). Снижение её наблюдается при нарушении азотвыделительной функции почек (нефриты), а также при заболеваниях печени.
Мочевая кислота является конечным продуктом распада пуриновых нуклеотидов. За сутки выделяется 0,7 г уратов. Их количество возрастает при потреблении продуктов с высоким содержанием нуклеиновых кислот (икра), при таких тяжёлых заболеваниях, как лейкемии, а также при приёме аспирина, стероидных гормонов и при подагре.
Креатинин – продукт необратимого распада креатина, его содержание в моче отражает метаболизм мышечной ткани. Так как ежедневно выделяемое количество креатина является постоянной величиной для каждого человека (оно прямо пропорционально его мышечной массе), креатинин может служить маркёром интенсивности почечной фильтрации.
Креатин в моче взрослого человека практически отсутствует. У грудных младенцев он обнаруживается вследствие избыточной продукции его в растущей мышечной ткани, а у стариков – как результат атрофии мышц, теряющих способность использовать креатин. Важное диагностическое значение креатинурия имеет при миопатиях (прогрессирующей мышечной дистрофии), а также заболеваниях печени и эндокринной патологии.
Аминокислоты. Количество выделяемых с мочой свободных аминокислот зависит от питания и функционального состояния печени (в норме в среднем выделяется 1,1 г). В моче определяются также производные аминокислот, например, гиппуровая кислота. В норме выделяется 0,7 г гиппуровой кислоты, в большем ко-личестве она содержится в моче вегетарианцев (в растительной пище много ароматических соединений – предшественников бензойной кислоты, при взаимодействие этой кислоты с глицином образуется гиппуровая кислота; нарушение функции печени сопровождается снижением образования гиппуровой кислоты; в основу функциональной печёночной пробы Квика-Пытеля как раз и положена эта реакция).
Диагностическое значение может иметь определение в моче аминокислот, которые встречаются в специализированных белках, например, гидроксипролин в коллагене или 3-метилгистидин в актине и миозине (эти аминокислоты могут также служить индикаторами интенсивности катаболизма белков).
Гипераминоацидурия наблюдается при инфекционных заболеваниях и травмах, злокачественных опухолях, эндокринной патологии, миопатии.
Некоторые метаболиты аминокислот, определяемые в моче, могут служить для диагностики врождённых нарушений аминокислотного обмена:
Фенилкетонурия обусловлена наследственной недостаточностью печёночной фенилаланинмонооксигеназы, вследствие чего блокируется превращение фенилаланина в тирозин (обнаружение: добавляют в мочу несколько капель хлорного железа и через 2-3 мин, если ребёнок болен, моча окрашивается в оливково-злёный цвет).
Алкаптонурия (гомогентизинурия) характеризуется резким увеличением содержания в моче метаболита тирозина – гомогентизиновой кислоты из-за недостаточности оксидазы гомогентизиновой кислоты. Такая моча при стоянии на воздухе приобретает тёмный цвет.
Гиперпролинурия наблюдается при дефиците пролиноксидазы
Гипервалинурия – результат нарушения обмена валина, содержание которого увеличивается также в плазме крови.
Цитруллинурия – появление в моче цитруллина в результате недостаточности аргинин-сукцинат-синтетазы, участвующей в цикле синтеза мочевины в печени.
Составной частью мочи являются конъюгаты серной и глюкуроновой кислот, глицина и других полярных соединений, которые образуются в печени путём биотрансформации и затем поступают в мочу.
Безазотистые органические компоненты мочи представлены преимущественно кислотами (щавелевой, молочной, лимонной, янтарной, масляной, валериановой, ацетоновыми телами и др. – не более 1 г).
Гормоны. На основании количественного определения метаболитов многих гормонов (катехоламинов, стероидов,серотонина), содержащихся в моче, можно судить об интенсивности гормонопродукции в организме. Обнаружение небольших количеств хорионического гонадотропина, который образуется при наступлении беременности и выделяется в кровь является основанием для иммунологической диагностики беременности.
Патологические составные части мочи.
Наличие белка, сахара или гемоглобина в моче всегда является свидетельством патологии (хотя в норме их следы определяются).
Протеинурия. Этот симптом наблюдается при заболеваниях почек, которые сопровождаются структурно-функциональным нарушением гломерулярных мембран, например, при нефритах, нефрозах. Как физиологическое явление протеинурия встречается при беременности (часто клиницисты используют термин «альбуминурия». Он неточен, так как при заболевании почек в мочу могут выделяться не только альбумины, но и глобулины, особенно при нефрозах).
Различают: 1. почечную альбуминурию (результат повреждения нефрона) и 2. внепочечную альбуминурию (при заболеваниях мочевыводящих путей или предстательной железы).
Ферменты. В моче в незначительной концентрации присутствуют различные ферменты (липаза, α-амилаза, РНК-азы, ЛДГ, протеазы, фосфатазы). При ряде заболеваний их концентрация в моче возрастает: так, при остром панкреатите резко увеличивается диастазная (амилазная) активность мочи.
Глюкозурия. Она наблюдается при превышении максимума реабсорбции глюкозы (около 10 ммоль/л) в почечных канальцах, например, при сахаром диабете, когда выделение глюкозы с мочой может достигать нескольких граммов в сутки. Помимо диабета глюкозурия может отмечаться у больных тиреотоксикозом, при сильном стрессе, назначении глюкокортикоидов. В подавляющем большинстве случаев глюкозурия является следствием гипергликемии, превышающей почечный порог (около 10 ммоль/л). Глюкозурия, причиной которой является дефект транспортной системы почечных канальцев, называется ренальным диабетом (уровень глюкозы в крови при этом нормальный).
В моче могут присутствовать в определяемых количествах пентозы, фруктоза, галактоза (при врождённой недостаточности ферментов их метаболизма), что необходимо помнить при исследовании мочи на сахар.
Гемоглобинурия. Этот симптом отмечается при тяжелом внутрисосудистом гемолизе. Гематурия – появление эритроцитов в моче, бывает двух видов: 1. внепочечная – при травмировании мочевыводящих путей и 2. Почечная – при нарушении проницаемости почечных клубочков (острый нефрит).
Кетонурия. Кетонурия является следствием повышенного катаболизма липидов. Образующееся вследствие этого высокое содержание ацетил-КоА в тканях, например, при сахарном диабете и голодании, приводит к интенсивному образованию кетоновых тел, которые поступают в кровь и выделяются с мочой. Кетонурия бывает резко выражена при сахарном диабете, она – постоянный спутник голодания и низкоуглеводного питания. Кетонурия отмечается при инфекционных заболеваниях
Желчные пигменты. В норме моча содержит уробилин (точнее, стеркобилин). Концентрация билирубина в ней очень низка. Резкое возрастание содержания билирубина в моче, которая при этом приобретает «цвет пива», наблюдается при механической желтухе. Увеличение его концентрации характерно и для паренхиматозной желтухи (гепатиты). В мочу поступает обычно прямой билирубин (диглюкуронид билирубина – маленькая молекула). Непрямой билирубин может появляться в моче только при тяжёлом нарушении клубочковой фильтрации (одновременно с протеинурией).
Концентрация уробилина значительно увеличивается при гемолитической желтухе (из-за усиленного распада гемоглобина и поступления большого количества уробилиногена в кишечник) и паренхиматозной желтухе (из-за нарушения способности гепатоцитов разрушать мезобилиноген и уробилиноген).
Порфирины. При злокачественной анемии и заболеваниях печени их количество в моче может увеличиваться на порядок и выше. Существуют врождённые порфирии, при которых имеется сверхпродукция некоторых порфиринов.
Камни в почках.
Камни в почках в основном состоят из: оксалата кальция (2/3 всех случаев), фосфата кальция (особенно при гиперпаратиреоидизме), магний-аммонийных фосфатов, уратов (соли мочевой кислоты, в избытке выделяющиеся при подагре). Вероятно, в основе образования камней в почках лежит нарушение обмена веществ, в частности, увеличение выделения камнеобразующих (литогенных) субстанций. Существенную роль играют также физические факторы (затруднение выделения мочи) и инфекция мочевыводящих путей. Дефект транспорта белков в почечных канальцах ведёт к 20-30-кратному выделению цистина, лизина, аргинина и орнитина. Цистиновые камни образуются из-за особенно плохой растворимости цистина.
БИОХИМИЯ ПИТАНИЯ. МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
Все минеральные вещества в зависимости от их концентрации, подразделяются на макро- и микроэлементы. Содержание макроэлементов превышает 50 мг/кг массы тела (натрий и калий, кальций, магний, фосфат, хлорид, сульфат). Содержание микроэлементов составляет менее 50 мг/кг массы тела (медь, цинк, селен, кобальт и др.). К микроэлементам относят также и железо, хотя его концентрация превышает указанную величину.
МАКРОЭЛЕМЕНТЫ
Электролиты К+ и Na+ важны для поддержания электролитного баланса, надлежащего осмотического давления; они создают определённые условия растворимости, участвуют в механизмах возбудимости, влияют на обменные процессы путём активирования или ингибирования ферментов, используются в процессах минерализации костей скелета и зубов.
Концентрация электролитов вне и внутри клетки существенно различается: натрий и кальций преобладают во внеклеточном пространстве, калий и магний — внутри клетки.
Кальций
Общее содержание кальция в плазме крови — 2,2–2,7 ммоль/л. Половину составляет диффузионный Са2+ (способен проходить через биомембраны), часть Са2+ связана с белками крови (недиффузионный кальций), некоторое количество находится в составе цитратов и фосфатов плазмы крови. Основное депо кальция — Са-апатиты костной ткани. Кальций всасывается из кишечника в кровь с помощью специального Са2+-связывающего протеина, синтезируемого слизистой кишечника. Этот белок осуществляет свою функцию совместно с Са2+-зависимой АТФ-азой. Стимулятором синтеза Са2+-связывающего протеина является 1,25-(ОН)2-D3 (кальцитриол, витамин D3).
Роль кальция в организме. Соли кальция составляют основу скелета и зубов. Ионы кальция принимают участие в многочисленных процессах: регуляции нервно-мышечной возбудимости, сократительной и секреторной активности, проницаемости клеточных мембран. Са2+ активирует процесс свёртывания крови, адгезию и рост клеток. Наряду с циклическими нуклеотидами Са2+ считается вторичным посредником в реализации механизма действия гормонов.
Регулируется уровень кальция в крови гормонами-антагонистами: паратирином и тиреокальцитонином, а также витамином D.
Кальцитонин
Кальцитонин секретируется С-клетками щитовидной железы (ЩЖ). Это — полипептид (32 аминокислоты). Регулятор секреции — повышение концентрации Са++ в крови более 2,25 ммоль/л. Основной эффект гормона — снижение уровней Са++ и фосфора в крови. Он ускоряет минерализацию костной ткани и стимулирует включение в неё фосфора, ингибирует активность и уменьшает количество остеокластов. В почках гормон, связываясь с
7-ТМС-(R), которые расположены в дистальных канальцах, усиливает выведение фосфатов и кальция.
Паратирин (паратгормон)
Гормон синтезируется паращитовидными железами. Он является полипептидом (84 аминокислоты). Краткосрочная регуляция секреции паратгормона осуществляется Са++, а в течение длительного времени — 1,25(ОН)2D3 cовместно с кальцием.
Паратгормон взаимодействует с 7-ТМС-(R), что приводит к активации аденилатциклазы и повышению уровня цАМФ. Помимо этого, в механизм действия паратгормона включаются Са++, а также ИТФ и диацилглицерол (ДАГ). Основная функция паратгомона заключается в поддержании постоянного уровня и Са++. Эту функцию он выполняет, влияя на кости, почки и (посредством витамина D) кишечник. Влияние паратгормона на остеокласты ткани осуществляется в основном через ИТФ и ДАГ, что в конечном итоге стимулирует распад кости. В проксимальных канальцах почек паратгормон угнетает реабсорбцию фосфатов, что ведет к фосфатурии и гипофосфатемии, он увеличивает также реабсорбцию кальция, т. е. уменьшает его экскрецию. Кроме того, в почках паратгормон повышает активность
1-гидроксилазы. Этот фермент участвует в синтезе активных форм витамина D.
Поступление кальция в клетку регулируется нейрогормональными сигналами, одни из которых увеличивают скорость вхождения Са + в клетку из межклеточного пространства, другие — высвобождения его из внутриклеточных депо. Из внеклеточного пространства Са2+ попадает в клетку через кальциевый канал (белок, состоящий из 5 субъединиц). Кальциевый канал активируется гормонами, механизм действия которых реализуется через цАМФ. Высвобождение Са2+ из внутриклеточных депо происходит под действием гормонов, активирующих фосфолипазу С — фермент, способный гидролизовать фосфолипид плазматической мембраны ФИФФ (фосфатидилинозитол-4,5- бифосфат) на ДАГ (диацилглицерол) и ИТФ (инозитол-1,4,5-трифосфат):
ИТФ присоединяется к специфическому рецептору кальцисомы (где Са2+ аккумулируется). При этом изменяется конформация рецептора, что влечёт за собой открытие ворот, запиравших канал для прохождения Са2+ из кальцисомы. Высвободившийся из депо кальций связывается с протеинкиназой С, активность которой увеличивает ДАГ. Протеинкиназа С, в свою очередь, фосфосфорилирует различные белки и ферменты, изменяя тем самым их активность.
Ионы кальция действуют двумя путями: 1) связывают отрицательно заряженные группы на поверхности мембран, изменяя тем самым их полярность; 2) связываются с белком калмодулином, активируя тем самым множество ключевых ферментов обмена углеводов и липидов.
Недостаток кальция приводит к развитию остеопороза (хрупкости костей). К недостатку кальция в организме приводят дефицит его в пище и гиповитаминоз Д.
Суточная потребность — 0,8–1,0 г/сут.
В обмене кальция наряду с паратирином и тиреокальцитонином исключительно важную роль играет витамин Д.
Витамин Д (кальциферол), антирахитический
В животных жирах содержится холекальциферол (витамин Д3), в растительных — эргокальциферол Д2 (кальциферол означает несущий кальций). В организме человека витамин Д3 образуется в качестве промежуточного продукта при биосинтезе холестерола
(из 7-дегидрохолестерола) в клетках кожи под влиянием УФ-лучей.
Метаболизм. Кальциферолы поступают в печень в составе хиломикронов. В печени образуется 25(ОН)-Д3, т. е. 25-гидроксихолекальциферол, затем 25(ОН)-Д3 попадает в кровь и, связываясь специфическим транспортным белком, переносится в почки. В почках образуется 1,25(ОН)2-Д3 (1,25-дигидроксихолекальциферол, или кальцитриол). Эта реакция активируется паратиреоидным гормоном. В реакциях гидроксилирования принимает участие витамин С. Витамин Д3 накапливается в жировой ткани.
Биохимические функции. Витамин Д3 можно рассматривать как прогормон, так как его действие во многом сходно с действием стероидных гормонов. Так, проникая в клетки-мишени, он связывается с белковыми рецепторами, которые мигрируют в ядро клетки. В энтероцитах этот гормон-рецепторный комплекс стимулирует транскрипцию иРНК, передающую информацию для синтеза белка-переносчика ионов кальция. При этом всасывание кальция осуществляется как путём облегченной диффузии с участием этого переносчика, так и путём активного транспорта (с помощью Са2+-АТФ-азы). Одновременно ускоряется и всасывание фосфора.
Кроме кишечника органом-мишенью активной формы витамина Д является костная ткань, где 1,25(ОН)2-Д3 стимулирует процесс деминерализации (синергично с паратирином).
Активация витамином 1,25(ОН)2-Д3 кальциевой АТФ-азы мембран почечных канальцев приводит к увеличению реабсорбции Са2+; возрастает и реабсорбция фосфатов.
Кальцитриол принимает также участие в регуляции роста и дифференцировке клеток костного мозга. Он обладает антиоксидантным и антиканцерогенным действием.
Гиповитаминоз. Недостаток витамина Д у детей приводит к заболеванию рахитом. Основные проявления этого заболевания сводятся к симптоматике недостаточности кальция. У взрослых недостаточность кальция в организме приводит к кариесу и остеомаляции (размягчение кости); у пожилых — к развитию остеопороза (снижение плотности костной ткани вследствие нарушения остеосинтеза).
Гипервитаминоз Д. Избыточный приём витамина Д приводит к интоксикации и сопровождается выраженной деминерализацией костей — вплоть до их переломов. Содержание кальция в крови повышается. Это приводит к кальцификации мягких тканей, особенно почек (вторичный гиперпаратиреоидизм).
Суточная потребность для детей колеблется от 10 до 25 мкг (500–1000 МЕ), у взрослых она ниже. Витамин Д3 содержится исключительно в животной пище. Богаты им рыбий жир, печень, желток яиц. В растительных маслах, молоке, дрожжах присутствует витамин Д2 (биологически он менее активен).
Фосфор
Наибольшее его количество (85 %) находится в костной ткани. Фосфор — важнейший вне- и внутриклеточный анион. Внутри клетки он связан с белками и липидами («органический фосфор»). Фосфор внеклеточного пространства находится в виде одно- и двузамещённых фосфатов, образующих в плазме крови буферную систему (поддержка нормы рН). Фосфор является одним из ингредиентов, определяющих буферные свойства мочи.
Участие в метаболизме. Органический фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, коферментов, фосфолипидов, он служит энергоносителем, входит в состав вторичных посредников гормонов, участвует в образовании коферментной формы водорастворимых витаминов. В клетках путём фосфорилирования осуществляется регуляция активности регуляторных ферментов.
Обмен фосфора тесно связан с процессами поступления и освобождения из костей кальция: увеличение поступление Са2+ в организм приводит к повышению выведения фосфора с мочой. Контроль внеклеточной концентрации фосфора осуществляется почками: под влиянием паратирина реабсорбция фосфатов снижается. Основными причинами гипофосфатемии являются гиперпаратиреоидизм, врожденный дефект реабсорбции фосфора в почках, недостаточность питания, онкологические заболевания.
Суточная потребность составляет около 1 г.
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
Железо
Содержание железа в организме — 3–5 г, наибольшее его количество (2/3) приходится на гемоглобин, 4,5 % — на миоглобин, 2 % находится в составе ферментов. Оно может быть геминовым (железо гема и других порфиринов) либо негеминовым (в составе фермента аконитазы и железосерных белков, входящих в комплексы дыхательной цепи). Fe принимает участие в связывании, транспорте и депонировании О2 (гемоглобин и миоглобин), в транспорте электронов в дыхательной цепи (цитохромы), в окислительно-восстановительных реакциях (некоторые оксидоредуктазы), реакциях гидроксилирования (цитохром Р450) и обезвреживания перекисей (каталаза и пероксидазы).
Железо всасывается в верхней части тонкого кишечника. При возрастании потребности в нём (кровопотери) Fe всасывается эффективнее. Улучшает всасывание железа витамин С. Фосфаты и фитаты зерновых растений затрудняют его всасывание. Из просвета кишечника свободное железо захватывается муцином слизистой. Интегрин на поверхности мембраны щёточной каёмки энтероцита облегчает транспорт Fe внутрь клетки, где железо связывается с белком мобилферрином. Этот белок «собирает» железо изо всех отсеков цитозоля энтероцита и переносит Fe в кровь, где Fe3+ сразу же связывается с белком апотрансферрином — образуется трансферрин (гликопротеин). Трансферрин, помимо транспортной функции, защищает также ткани от токсического действия свободных ионов железа. Затем, связываясь со специфическим мембранным рецептором, трансферрин поступает вместе с ним в клетки кроветворных органов. После освобождения от Fe трансферриновый рецептор возвращается в плазматическую мембрану.
В клетках печени, костного мозга и селезёнки железо связывается с апоферритином. Этот белок состоит из 24 субъединиц, формирующих 6 каналов, через которые в центральную часть молекулы поступают ионы железа. 1 молекула апоферритина может заключать в себе до 4,5 тысяч атомов железа. Апоферритин, связанный с Fe, называется ферритином. Железо может быть снова использовано только после распада ферритина. При загрузке депо (феррритина) Fe откладывается в виде нерастворимого комплекса — гемосидерина.
Физиологические потери железа при обновлении эпителия кишечника незначительны. Особенностью обмена Fe является неспособность организма экскретировать его большие количества. В норме между скоростью всасывания и выведения железа существует равновесие. Существенный дефицит железа может возникать при кровопотере (с 1 мл крови теряется 0,5 мг Fe). Недостаток Fe возникает также при потреблении бедной железом пищи и нарушениях его всасывания. В результате развивается железодефицитная гипохромная анемия. Избыточное отложение Fe в виде гемосидерина в клетках печени и селезёнки отмечается при переливании больших объёмов крови или гемолизе эритроцитов.
Суточная потребность в железе для взрослых — 1–2 мг. Однако всасывается лишь 10 % содержащегося в рационе питания Fe.
Медь
Всасываясь из слизистой кишечника, медь в портальном кровотоке адсорбируется альбуминами и белком транскупреином и поступает в печень — центральный орган обмена меди. В печени медь либо запасается, либо включается в Cu-содержащие ферменты. В плазме крови Cu связывается с ферментом церулоплазмином (α2-глобулин), имеющим голубую окраску. Церулоплазмин обладает оксидазной активностью (окисляет аскорбиновую кислоту, адреналин, ДОФА и др.). Он играет ведущую роль во взаимосвязи обмена Cu и Fe.
Роль меди в обмене веществ. Медь входит в состав многих ферментов: цитохромоксидазы (фермент дыхательной цепи), моноаминоксидазы (обезвреживание биогенных аминов), церулоплазмина, каталазы (обезвреживание Н2О2), тирозиназы (синтез меланина), супероксиддисмутазы (обезвреживание О2–), лизилоксидазы (синтез коллагена и эластина).
Суточная потребность — 2–3 мг. При недостатке меди в рационе может развиваться железодефицитная анемия, так как медь непосредственно участвует в метаболизме железа.
Селен
Селен является дефицитным и абсолютно незаменимым микроэлементом. Он является мощным антиоксидантом, защищая ткани от свободнорадикальной деструкции как самостоятельно (например, защищая SH-группы от окисления), так и в составе глутатиопероксидазы (Se входит в состав её активного центра) — важнейшего фермента антиоксидантной системы организма. Селен — составная часть тироксин-5-дейодазы, обеспечивающей синтез гормона щитовидной железы — трийодтиронина. Селен — классический антиканцероген, что объясняется его антиоксидантными свойствами.
Суточная потребность — 100 мкг.
БИОХИМИЯ ПИТАНИЯ. ВИТАМИНЫ И ДРУГИЕ НЕЗАМЕНИМЫЕ ФАКТОРЫ ПИТАНИЯ. СИНДРОМ НЕДОСТАТОЧНОГО ПИТАНИЯ
Питательное вещество — компонент пищи, который обеспечивает организм структурно-функциональными компонентами или энергией.
Условно различают три важнейших категории питательных веществ:
энергодающие (белки, углеводы и липиды);
микрокомпоненты (витамины и минеральные соединения, необходимые для биохимических процессов);
волокнистые соединения (неперевариваемые полисахариды).
Незаменимый фактор питания — вещество, поступающее в организм с пищей, поскольку в самом организме оно не может образовываться в достаточном количестве.
Известные на сегодняшний день незаменимые факторы питания для человека:
вода;
энергия или калории из углеводов, жиров или белка;
8–10 незаменимых аминокислот;
незаменимые жирные кислоты;
14 витаминов;
16–20 минеральных компонентов-микроэлементов.
Энергетические потребности организма взрослого человека в состоянии покоя составляют 1300–1800 ккал. Они увеличиваются при ожогах, травмах, инфекционных заболеваниях, в послеоперационный период. При голодании они снижаются. Основными источниками энергии являются углеводы — 42 %, жиры — 40 %, белки — 15 % и алкоголь — 3 %. Желательно, чтобы 55 % АТФ образовывалось в результате расщепления углеводов, 30 % — липидов, 15 % — белков.
Энергия, выделяющаяся в ходе расщепления в организме продуктов питания — источников энергии, запасается в виде АТФ. В состоянии покоя 22 % образовавшегося АТФ расходуется на работу Na+, K+ АТФ-азы, 21 % — на биосинтез белка, 10 % — на перенос ионов кальция через биологические мембраны и 11 % — на мышечное сокращение.
Витамин Функции Гиповитаминоз
А Ретинол
β-каротин Зрительные пигменты в сетчатке; регуляция экспрессии генов и клеточной дифференцировки «Куриная слепота», ксерофталмия; кератинизация кожи, ксеростомия, гипоплазия эмали
Д Кальциферол Поддержание баланса Са2+; стимуляция всасывания Са2+ в кишечнике и реабсорбции в почках; регуляция экспрессии генов и клеточной дифференцировки Рахит = плохая минерализация костной ткани; остеомаляция = деминерализация кости, гипоплазия эмали и патологическая стираемость зубов
Е Токоферолы
токотриенолы Антиоксидант, особенно в клеточных мембранах; роль в передаче клеточного сигнала Чрезвычайно редко — выраженные неврологические расстройства
К Филлохинон
менахиноны Кофермент в образовании -карбоксиглутамата в составе ферментов свертывания крови и матрикса кости Нарушение свертывания крови, геморрагический синдром, нарушение минерализации тканей зуба и кости
В1 Тиамин Кофермент пируват и -кетоглутарат дегидрогеназ, транскетолазы; участвует в проведении нервного импульса, регулируя Сl–-каналы Поражение периферической нервной системы (бери-бери) или ц. н. с. (синдром Вернике-Корсакова)
В2 Рибофлавин Кофермент в окислительно-восстановительных реакциях; простетическая группа флавопротеинов Повреждение уголков рта, губ и языка, себорейный дерматит
РР Ниацин, никотиновая кислота, никотинамид Кофермент в окислительно-восстановительных реакциях, составной компонент НАД+ и НАДФ+; роль в регуляции внутриклеточного Са2+ и проведении сигнала в клетку Пеллагра — синдром 3-х «Д»
В6 Пиридоксин
пиридоксаль
пиридоксамин Кофермент в реакциях трансаминирования и декарбоксилирования аминокислот, гликоген фосфорилазы; модуляция действия стероидных гормонов Нарушение метаболизма аминокислот, судороги
Фолиевая кислота Кофермент в транспорте одноуглеродных фрагментов Мегалобластическая анемия
В12 Кобаламин Кофермент в транспорте одноуглеродных фрагментов и метаболизме фолиевой кислоты Пернициозная анемия = мегалобластическая анемия и дегенерация спинного мозга
Пантотеновая кислота Функциональная часть КоА и ацилпереносящего белка в составе ацилсинтетазы Поражение периферической нервной системы («синдром жжения стоп»)
Н Биотин Кофермент в реакциях карбоксилирования (глюконеогенез, синтез жирных кислот); роль в регуляции клеточного цикла Нарушение липидного и углеводного обменов, дерматит
С Аскорбиновая кислота Кофермент в гидроксилировании пролина и лизина (синтез коллагена); антиоксидант; усиливает всасывание железа Цинга (плохое заживление, потеря цемента зубов, подкожные кровоизлияния)
Синдром недостаточного питания — патологическое состояние, обусловленное несоответствием поступления и расхода питательных веществ, приводящее к снижению массы тела и изменению компонентного состава организма.
Причины: социальные, экономические, биологические, экологические.
Биологические причины — внешние факторы (плохое питание, травмы, инфекции) и внутренние (нарушение переваривания, всасывания и усвоения пищевых веществ в организме). Существуют 2 основных клинических формы недостаточности питания: квашиоркор и маразм (кахексия)
Клинические формы Квашиоркор
(ранний период после тяжелых травм, ожогов, обширных хирургических вмешательств) Маразм
(например, при онкологических заболеваниях)
Первопричина Дефицит белка из-за отсутствия его в пище или нарушения всасывания Общая нехватка источников энергии
Отек Имеет место вследствие снижения онкотического давления в кровеносных сосудах (гипоальбуминемия) Отсутствует
Гипоальбуминемия «Низкий альбумин» в плазме крови — основной симптом. В печени сокращается продукция альбумина, чтобы сохранить потерю белка Отсутствует
Ожирение печени Имеет место низкое содержание белка в пище, как правило, сочетается с высоким потреблением углеводов Отсутствует
Уровень инсулина
в крови Поддерживается на нормальном уровне Низкий — в организме преобладают катаболические процессы, направленные на извлечение энергии из любых оставшихся депо
Уровень адреналина
в крови Нормальный Высокий
Потеря мышечной массы Отсутствует или слабая Да — может быть выраженной вследствие катаболизма белков
Жировые запасы Некоторая потеря Их нет
Характер течения
в зависимости от времени Острое — выраженный катаболический ответ в короткий период времени Постепенно — нерезкий катаболический ответ на голодание (может занимать длительный период времени)
Сниженная
пигментация Может иметь место — для пигментации нужны аминокислоты (тирозин). Бледный вид
