курс Лекций: Биохимия витаминов и минеральных элементов

кафедра медицинской химии
Д.б.н., доцент Суменкова Д.В.
Лекция 18. Биохимия макроэлементов.
Регуляция водно-солевого

обмена, обмена кальция и фосфора

важнейших функций организма человека
Нарушение обмена макроэлементов приводит к нарушению обмена

веществ и развитию заболеваний

и фосфора

обмена
Регуляция обмена кальция и фосфора

макроэлементами. Макроэлементами называют также минеральные вещества, содержащиеся в пищевых продуктах

в значительных количествах. К макроэлементам относятся углерод, водород, кислород, азот, а также
натрий
хлор
калий
магний
сера
кальций
фосфор

Макроэлементы

ммоль/л
Регулирует
объем плазмы крови (задерживает воду)
электролитное и кислотно-щелочное равновесие
функцию нервных и

мышечных клеток
Концентрация Na внутри и вне клетки поддерживается Na + / К+ -АТФ-азой
Основной источник: пищевая соль (норма ВОЗ 5 г/сутки)
Болезни, связанные с недостатком натрия неизвестны при нормальной диете. Гипонатриемия может быть вызвана обильным потоотделением в сочетании с недостаточным питьем, патологией почек, бесконтрольным приемом мочегонных препаратов, длительной рвотой и диареей; основные проявления – гипотензия, тахикардия, недостаточность перифирического кровообращения, слабость, обморок
Избыток натрия может быть связан с нарушением его выведения (патология почек и надпочечников) и приводит к гипертонии, отекам
Метаболизм натрия регулирует гормон альдостерон

Основные Макроэлементы: натрий

пищевая соль
Недостаточность возникает в связи с рвотой, лечением диуретиками, болезнями

почек
Норма хлора в крови 95-107 ммоль/л

Основные макроэлементы: хлор

обмен воды, проявляя антагонизм по отношению к натрию (увеличение концентрации

калия приводит к усилению выведения воды и натрия почками); уменьшает способность тканевых белков связывать жидкость; регулирует функцию нервов и мышц
Концентрация калия внутри клетки поддерживается Na+ / К+ -АТФ-азой
Суточная потребность: 2-3 г
Основные источники: овощи, фрукты, зелень, зерновые и бобовые
Некоторые причины гипокалиемии: алкалоз, введение инсулина, длительное лечение диуретиками и слабительными, избыток минералокортикоидов; проявления: мышечная слабость, паралич, депрессия, нарушение сознания, сердечная аритмия
Некоторые причины гиперкалиемии: травма, распад опухоли, ацидоз, недостаточность инсулина, интенсивная физическая нагрузка, почечная недостаточность, недостаток минералокортикоидов ; проявления: мышечная слабость, остановка сердца с фибрилляцией желудочков
Метаболизм калия регулирует гормон альдостерон

Основные макроэлементы: калий

и зубов
Кофактор ферментов (киназные, лигазные реакции при участии АТФ, в

которых магний изменяет конформацию субстрата, что необходимо для его связывания в активном центре фермента)
Необходим для секреции паратгормона и его действия на клетки-мишени (дефицит магния может стать причиной гипокальциемии)
Эффекты: сосудорасширяющий, желчегонный, усиливает перистальтику кишечника, снижает возбудимость нервной системы
Основные источники: хлеб, арбуз, крупы, бобовые, зеленые листья
Суточная потребность: взрослые - 0,5 г, дети – 150-400 мг, подростки – 500 мг, беременные – 0,9-1,25 г
Недостаточность развивается при нарушении питания и всасывания, циррозе, приеме диуретиков, хроническом алкоголизме; проявления: возбуждение, тремор, тетания, мышечная слабость, сердечные аритмии
Избыток магния (более 7,5 ммоль/л) вызывает паралич дыхания, остановку сердца

Основные макроэлементы: магний

организме находится в структуре гидроксиапатитов костей). Содержание кальция в организме

≈ 1 кг.
Норма кальция в крови: 2,2-2,6ммоль/л (у новорожденных 1,75 ммоль/л)
Регуляция функций нервов и мыщц, участие в свертывании крови, взаимодействии клеток, передаче сигнала гормонов в клетки, кофактор ферментов
Основные источники: молочные продукты, яичные желтки, зеленые листья, бобы
Суточная потребность: взрослые - 1 г, дети – 1,5-2 г
На усвоение кальция влияют магний (1:0,5), фосфор (1:1-1,5)
Всасывание кальция снижает щавелевая кислота (некоторые овощи и фрукты), фитиновая кислота (рожь, овес), фосфаты (шоколад, икра, мясо, рыба морская)
Всасывание кальция регулирует витамин Д, улучшает лактоза, цитрат, ненасыщенные ЖК, аминокислоты
Метаболизм кальция регулируют кальцитриол, паратгормон, кальцитонин

Основные макроэлементы: кальций

(например, при почечной недостаточности), острый панкреатит, гипопаратиреоз, гипомагниемия
Проявления гипокальциемии: повышенная

нервная и мышечная возбудимость, рахит, остеомаляция, остеопороз
Основные причины гиперкальциемии: гиперпаратиреоз, злокачественные опухоли
Проявления гиперкальциемии: нарушения сердечной деятельности, развитие мочекаменной болезни, кальциноз сосудов, психические нарушения (ухудшение концентрации, сонливость, изменения личности), утомляемость, слабость, паралич

Основные макроэлементы: кальций

метаболитов (фосфолипиды, фосфопротеины и др.)
Основные источники: молочные продукты (особенно сыры),

яйца, рыба, мясо, бобовые
Суточная норма: взрослые – 1,6-2 г, дети – 1,5-2,5 г
Норма фосфора в крови 0,81-1,45 ммоль/л
Уровень в сыворотке крови регулируется реабсорбцией в почках
Некоторые причины гипофосфатемии: дефицит витамина Д, мальабсорбция, гиперпаратиреоз, патология почек; проявления: мышечная слабость, гипоксия (нарушение образования 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах), рахит, остеомаляция
Некоторые причины гиперфосфатемии: почечная недостаточность, гипопаратиреоз, лизис опухоли; проявления: гипокальциемия (фосфаты ингибируют 1α-гидроксилазу в почках, снижая уровень кальцитриола и, соответственно, всасывание кальция в кишечнике)

Основные макроэлементы: фосфор

дыхание, реакции дегидратации и гидроксилирования) 400 мл
Внутриклеточная вода (70%)
Внеклеточная вода

(30%), из них 6% в крови
Снижение общего количества воды в организме на 12% может привести к смерти

Регуляция водно-солевого обмена вода и ее роль в организме

белков и липидного бислоя мембран
Средство транспорта веществ
Жидкое составляющее слюны, слезы,

пота, мочи, секретов пищеварительных желез
Основные параметры водно-солевого гомеостаза:
рН, осмотическое давление, объем жидкости

и экскреторная работа почек
Осмотическое давление создают соли (хлорид натрия), белки,

глюкоза, мочевина. Поддержание осмотического давления регулируется выделением или задержкой воды и соли (хлорида натрия)
Объем жидкостей организма зависит от массы тела. Поддержание объема жидкости осуществляют почки, а регулируют гормоны: антидиуретический гормон (АДГ, или вазопрессин), альдостерон, предсердный натриуретический фактор (ПНФ)

замкнутых в кольцо через Cys1 и Cys6 с образованием S-S)
Место

синтеза: гипоталамус. Перемещение в нейрогипофиз по аксону связано с белком нейрофизином
Сигнал для секреции:
повышение осмотического давления внеклеточной жидкости за счет повышения концентрации натрия (воспринимают осморецепторы гипоталамуса)
снижение объема крови и АД (волюмо- и барорецепторы сосудов и предсердий)
Клетки-мишени:
основная мишень - эпителиальные клетки почечных канальцев (V2-рецепторы)
гладкомышечные клетки сосудов и клетки других органов (печень, мозг, кардиомиоциты) (V1-рецепторы различных видов)

Вазопрессин

аденилатциклазный
эффект: активация факторов транскрипции и синтез белка аквапорина-2, фосфорилирование белков

микротрубочек и, как следствие, перемещение аквапорина-2 на мембрану с формированием «водных» каналов;
канальцевая моча гипотонична, поэтому происходит реабсорбция воды; в результате повышается концентрация мочи и уменьшается ее объем (вазопрессин единственный физиологический регулятор выведения воды почкой)
через V1-рецепторы – инозитолфосфатный
эффект: повышение Са2+ и сужение сосудов
Конечный биологический эффект: увеличение воды в сосудистом русле, увеличение объема крови и снижение осмотического давления за счет снижения концентрации натрия («разведения» крови)

гипофизе стимулирует секрецию АКТГ;
Участвует в регуляции агрессивного поведения;
Предполагается участие в

механизмах памяти;
Показана роль в формировании социального поведения (нахождение партнёра, отцовский инстинкт, выявлена корреляция между длиной промотора гена рецепторов и крепостью семейных отношений у людей)

в почках приводит к развитию несахарного диабета, основным проявлением которого

является полиурия и, как следствие, дегидратация
В отсутствии вазопрессина суточный диурез человека может достигать 20 л (норма 1,5 л)
Избыточная секреция вазопрессина (синдром неадекватной секреции) обусловлена неполным подавлением секреции гормона при низком осмотическом давлении и отсутствии гиповолемии; может быть следствием эктопической секреции гормона, например, клетками карциномы бронхов или предстательной железы  

(минералокортикоид, синтезируется из холестерина)
Сигнал для синтеза и секреции: повышение секреции

ангиотензина II, повышение концентрации калия и снижение содержания натрия (снижение осмотического давления), АКТГ, нейрональные механизмы
Транспортная форма в крови: альбумин
Клетки-мишени: эпителиальные клетки почечных канальцев
Механизм действия: взаимодействие с ДНК и индукция экспрессии генов цитратсинтазы (фермент цикла Кребса) и белков-переносчиков натрия (реабсорбция) и калия (экскреция)
Конечный биологический эффект: повышение содержания натрия в крови (повышение осмотического давления)

Альдостерон

→ транспорт в митохондрии с помощью белка StAR) → прегненолон

(цитохром Р-450, отщепление боковой цепи холестерина) → прогестерон (3-гидроксистероид-дегидрогеназа и ∆5,4-изомераза) → гидроксилирование:

21-гидроксилаза (ЭР)
11-гидроксилаза (митохондрии)
18-гидроксилаза (митохондрии)

туберкулез, супрессия гипофизарно-адреналовой оси глюкокортикоидами, назначаемыми в терапевтических целях
Некоторые клинические

признаки: гиповолемия, пигментация (повышается уровень АКТГ, который оказывает меланоцитстимулирующее действие за счет индукции синтеза тирозиназы – фермента синтеза меланина)
Избыточная продукция альдостерона (синдром Конна)
Возможные причины: гиперплазия, опухоль надпочечников
Некоторые клинические признаки: гипертензия, мышечная слабость (иногда параличи)

в регуляции объема крови и АД
Ангиотензиноген – белок-предшественник ангиотензина, синтезируемый

в печени
Ренин – протеаза; синтезируется юкстагломерулярными клетками, окружающими артериолу почечного клубочка, при уменьшении кровяного давления; превращает ангиотензиноген в ангиотензин I (частичный протеолиз)
Ангиотензин-превращающий фермент (АПФ) – протеаза, превращающая ангиотензин I в ангиотензин II (частичный протеолиз)
Ангиотензин II – активный протеин-регулятор АД; вызывает сокращение гладкомышечных клеток сосудов, вызывает жажду, стимулирует синтез и секрецию альдостерона и, в конечном итоге, повышает АД
Действие ангиотензина на клетки-мишени реализуется с участием инозитолфосфатной системы передачи сигнала

Система ренин-ангиотензин-альдостерон

почечных клубочках может наступить вследствие сужения почечной артерии на фоне

заболеваний почек. В этом случае также включается вся ренин-ангиотензиновая система, но поскольку исходные значения объема и АД крови при этом нормальные, включение системы приводит к повышению кровяного давления сверх нормы и развитию почечной гипертонии

предсердия
Сигнал для секреции: повышение АД
Органы-мишени: почки, гипофиз, надпочечники
Механизм передачи сигнала

в клетки-мишени: гуанилатциклазный (рецептор с каталитической активностью)
Конечный биологический эффект: ингибируется образование и секреция ренина, альдостерона, вазопрессина, увеличивается экскреция натрия и воды в почках, понижается АД

Предсердный натриуретический фактор (ПНФ)

из витамина Д3 - холекальциферола, который поступает с пищей и

синтезируется из холестерина под действием УФО в коже)

Кальцитонин (пептид, 32 АК, синтезируется щитовидной железой)

Регуляция обмена кальция и фосфатов

почечной недостаточности и дефицита кальцитриола (вторичный гиперпаратиреоз)
Проявления: см. проявления гиперкальциемии

и гипофосфатемии , при длительном течении – разрушение костной ткани, деминерализация, нейромышечные и нейропсихические нарушения
Гипофункция
Возможные причины: аутоиммунное поражение железы
Проявления: см. проявления гипокальциемии и гиперфосфатемии, при длительном течении – нейромышечные нарушения, развитие катаракты

усвоения жиров (патология ЖКТ)
недостаток УФО (нарушение синтеза витамина Д)
Метаболические

нарушения и проявления:
нарушается усвоение пищевого кальция и фосфатов
наблюдается нарушение минерализации растущей костной ткани (остеомаляция), симптомы гипокальциемии
происходит замедленное прорезывание зубов
возрастает секреция паратгормона, активируются остеокласты, возникают деформации скелета

почках, что приводит к нарушению образования активной форма витамина Д

- кальцитриола (1, 25-(ОН)2Д).
Метаболические нарушения:
нарушается всасывание кальция в кишечнике, возникает выраженная гипокальциемия, ведущая к клиническим проявлениям
Клинические проявления те же, что и при классическом алиментарном рахите, а также возможны судороги и эпилептические припадки

витамина Д приводит к полному выздоровлению.
Эффективность высоких доз может быть

обусловлена тем, что генетический блок синтеза фермента носит не абсолютный характер, и при введении повышенных доз витамина Д крайне низкая активность фермента оказывается достаточной для образования минимально необходимых количеств кальцитриола.
Другое объяснение может состоять в том, что образующийся в повышенных количествах кальцидиол (в 100 раз превышающий необходимую концентрацию) может заменять действие кальцитриола.

в кишечнике и почках вследствие дефекта специфических белков-транспортёров.
Проявления:
на 1-2 году

жизни детей – деформации черепа, искривление и укорочение конечностей, задержка роста
в крови – резкое снижение фосфора и незначительное снижение кальция
Изменения возникают несмотря на прием профилактических доз витамина Д или его активных метаболитов, и не поддаются воздействию этого витамина в дозах, используемых для лечения классического рахита.

-зависимый. В почках кальцитонин снижает активность 1α-гидроксилазы, снижая синтез кальцитриола.

калий и хлор участвуют в поддержании водно-солевого гомеостаза, изменение параметров

которого (осмотическое давление, рН, объем жидкости) может привести к изменению кровяного давления, ацидозу, алкалозу, дегидратации и отекам. Основными гормонами, участвующими в регуляции водно-солевого баланса, являются вазопрессин, альдостерон и предсердный натриуретический фактор.
Кальций и фосфаты являются основными компонентами костной ткани; кальций участвует в сокращении мышц, работе ионных насосов, передаче сигнала в клетки, необходим для свертывания крови и др. Изменение концентрации кальция в крови всего на 1% приводит в действие гомеостатические механизмы с участием паратгормона, кальцитриола и кальцитонина

-768 с. (раздел 11, С. 585-596)
2. Биологическая химия с упражнениями и

задачами: учебник / ред. С. Е. Северин. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 624 с. (С. 533 – 549)
3. Биологическая химия: учебник для студентов медицинских вузов / А.Я. Николаев. – М.: Мед. информ. агенство, 2007. – 568 с.