Магний, кальций, стронций, барий
1. Биологическая роль s-элементов I и II групп
По содержанию в организме человека Na, K, Mg, Ca относятся к макроэлементам, Li – к микроэлементам.
Литий. По содержанию в организме человека (10-4%) литий относится к микроэлементам. Он концентрируется в лимфоузлах, легких, печени, головном мозге, в мышцах. Биологическая роль лития выяснена недостаточно. Имеются сведения, что литий способствует высвобождению ионов магния и тормозит передачу нервных импульсов, снижая этим возбудимость центральной нервной системы. Установлено, что литий влияет на нейроэндокринные процессы, жировой и углеводный обмен. Синергистом лития является натрий.
Натрий. В организме человека содержится около 60 г (0,08%) натрия. Из этого количества 44% приходится во внеклеточной жидкости и 9% – во внутриклеточной. Остальное – в костной ткани, в сыворотке крови, спинно-мозговой, глазной жидкостях, пищеварительных соках, желчи, почках, легких, мозге.
Ионы натрия играют важную роль в обеспечении постоянства внутренней среды организма, участвуют в поддержании постоянного осмотического давления биожидкостей (осмотический гомеостаз).
Фосфатная буферная система (Nа2НРО4–NaH2PO4) обеспечивает кислотно-основное равновесие. Ионы Nа+ участвуют в регуляции водного обмена и влияют на работу ферментов. Вместе с ионами К+, Mg2+и Са2+ ионы Na+ участвуют в передаче нервных импульсов через мембраны нервных клеток и поддерживают нормальную возбудимость мышечных клеток. NаС1 – основной источник соляной кислоты для желудочного сока.
В организме натрий поступает в основном в виде поваренной соли, ежедневная потребность – 1 г, хотя среднее потребление достигает 4-7 г. Избыточное потребление NаС1 способствует появлению гипертонии.
Концентрация ионов Nа+ внутри клетки в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости, а концентрация ионов К+ в 35 раз выше внутри клетки, чем вне её.
Чтобы поддержать такое распределение, ионы Nа+ и К+ должны непрерывно перемещаться, что обеспечивается работой натрий-калиевых насосов. Эти насосы, обеспечивающие перенос ионов через плазматическую мембрану против градиента концентрации, требуют большой затраты энергии. Поэтому перенос ионов Nа+ и К+ через клеточные мембраны сопряжен с экзоэргонической реакцией гидролиза АТФ. Натрий-калиевый градиент обусловливает возникновение разности потенциалов на клеточной мембране.
Рис. 1. Схема действия ионов Na+, K+ – АТФ-азы и возникновения разности потенциалов на клеточных мембранах
За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона Nа+ выводятся из клетки, а два иона К+ поступают внутрь клетки (рисунок 2).
Такой дисбаланс электрических зарядов и служит причиной возникновения разности потенциалов на мембране, в частности, нервных волокнах.
Калий.Ворганизме человека содержится 160 г (0,23%) калия. Калий –основной внутриклеточный катион (2/3 от общего количества активных клеточных катионов). Из общего количества калия – 98% находится внутри клеток; 2%– во внеклеточной жидкости. Его топография – печень, почки, сердце, костная ткань, мышцы, кровь, мозг и т.д.
Ионы К+ играют важную роль в физиологических процессах, сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведении нервных импульсов, обменных реакциях. Ионы калия – важные активаторы ферментов, находящихся внутри клеток. Ионы Nа+ и К+ принимают участие в биокатализе, образуя смешанные комплексы типа фермент–катион–субстрат. Калий образует комплексы с ферментами и субстратами, что играет важную роль в транспорте ионов. Как уже отмечалось, антибиотик валиномицин избирательно взаимодействует с ионом К+, образуя прочный комплекс (с ионами натрия в очень незначительной степени). В связи с этим, валиномицин можно рассматривать как биологическую модель переносчика ионов К+ через плазматические мембраны в клетку.
С пищей обычно потребляется 2-3 г калия в сутки. При калиевом истощении применяют КСl.
Магний. В организме человека содержится около 20 г (0,027%) магния. В наибольшей степени магний концентрируется в дентине и эмали зубов, костной ткани, поджелудочной железе, скелетных мышцах, почках, мозге, печени и сердце. Концентрация ионов Мg2+ внутри клеток в 2,5-3 раза выше, чем во внеклеточных жидкостях.
Имея меньший радиус иона и, соответственно, больший ионный потенциал, ион Мg2+ образует более прочные связи с биолигандами, чем ион Са2+, поэтому является более активным катализатором ферментативных процессов. Ион Мg2+ входит в состав различных ферментативных систем, являясь активатором и незаменимым компонентом (в карбоксипептидазу, холинэстеразу и др.) Только избыток ионов Мg2+ может обеспечить гидролиз АТФ, сопряженный с рядом ферментативных реакций, образует гидрофостфат-ион HPO42- с выделением большого количества энергии.
Кальций.Общее содержание кальция в организме 1,4%. Основная масса кальция находится в костной и зубной тканях.
Ионы Са2+ принимают участие в передаче нервных импульсов, сокращении мышц и регулировании работы сердечной мышцы. Кальций практически не используется внутри клетки, он выступает в качестве строительного материала в организме. В костях и зубах он находится в виде нерастворимого гидроксоапатита – Са5(РО4)3(ОН). Минеральную основу зубных тканей (дентина) составляют также фтор-апатит Са5(РО4)3F и хлорапатит Са5(РО4)3Cl.
Стронций. Общее содержание стронция в организме человека 10-3%. Находится он главным образом в костной ткани, частично замещая кальций. Играет важную роль в процессах остеогенеза.
Барий. По содержанию в организме человека (10-5%) относится к примесным элементам. Он накапливается преимущественно в сетчатке глаза. Барий является токсичным для организма. Он оказывает нейротоксическое, кардиотоксическое и гемотоксическое действие. Механизм токсического действия ионов бария заключается в том, что они, имея одинаковый радиус с ионами калия, конкурируют с ними в биохимических процессах и замещают их, что приводит к гипокалиемии.