Биологическая роль натрия и калия

Оглавление

Введение

Эти два макроэлемента так тесно связаны между собой в организме, что, говоря об одном, невозможно не упомянуть о втором. Одним из основных условий жизнедеятельности клеток нашего организма является неравномерное распределение ионов натрия и калия в клетке и вокруг нее.     Клетки активно накапливают калий и выбрасывают в окружающую среду натрий. В результате на клеточной мембране оболочки клетки с одной и с другой ее стороны создается разность концентраций каждого из этих двух химических элементов. Она необходима организму для ключевых реакций жизнедеятельности - проведения возбуждения в нервных и мышечных клетках, нормального водно-солевого обмена, а также регуляции клеточного обменавеществ. 
    Интенсивность многих обменных процессов в клетке в большой мере зависит от концентраций ионов натрия и калия. В большинстве случаев ион калия ускоряет, а ион натрия замедляет ферментативные реакции. Исключение составляет синтез жиров, являющихся структурными элементами клеточной мембраны. Он активируется большим количеством натрия, благодаря чему происходит восстановление повреждений самих клеточныхмембран.  
    Калий и натрий играют важнейшую роль в поддержании кислотно-щелочного баланса организма - другими словами, относительного постоянства соотношения щелочей и кислот во внутренних средах организма. Такое постоянство - необходимое условие для полноценной жизнедеятельности всех его систем.

1)Общая характеристика  натрия и калия.

На́трий — элемент главной подгруппы первой группы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 11.

Натрий – это мягкий серебристо-белый металл, быстро окисляющийся на воздухе. Всем известны природные соединения этого элемента – сода и поваренная соль, и о них люди знали уже в древности.

Другие соединения натрия были получены учёными в XVIII веке, а как металл он был получен в 1807 году. В некоторых странах натрий носит название Sodium.

Ка́лий — элемент главной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 19. Обозначается символом K .Простое вещество калий — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

В природе калий встречается только в соединениях с другими элементами, например, в морской воде, а также во многих минералах. Очень быстро окисляется на воздухе и очень легко вступает в химические реакции, особенно с водой, образуя щёлочь. Во многих отношениях химические свойства калия очень близки к натрию, но с точки зрения биологической функции и использования их клетками живых организмов они всё же различаются.

2)Содержание и локализация в организме Na и K.

2.1)Na

Содержание натрия в организме человека массой 70 кг составляет около 60 г (2610 ммоль)- 0,08 %. Из этого количества 44% натрия находится во внеклеточной жидкости  и 9% - во внутриклеточной. Остальное количество натрия в костной ткани, являющейся местом депонирования иона натрия в организме. Около 40 % натрия, содержащегося в костной ткани,участвует в обменных процессах и благодаря этому скелет является либо донором ,либо акцептором ионов натрия, что способствует поддержанию постоянства концентрации ионов натрия во внеклеточной жидкости.

Натрий является основным внеклеточным ионом. Общая массовая доля натрия в организме человека составляет 0,25 %. Натрий играет в организме человека важную биологическую роль. Ион натрия Na+ принимает участие в обеспечении осмотичекого давления в клетках (осмотическое давление на 60% обусловлено солями натрия), поддерживает кислотно-основное равновесие (pH) в организме. Ионы натрия и калия участвуют в передаче нервных импульсов через мембраны нервных клеток и поддерживают нормальную возбудимость мышечных клеток. При изменении содержания ионов натрия (а также ионов хлора) в организме происходят нарушения функций нервной, сердечно- сосудистой систем, гладких и скелетных мышц. Натрий оказывает влияние на работу ферментов и участвует в регуляции водного обмена. Кроме того, натрий обладает резко выраженной способностью усиливать на-бухание белков (связывание воды белками). При уменьшении содержания натрия во внеклеточной жидкости количество прочно связанной белками воды снижается и увеличивается количество свободной воды, выводимой из организма. На способности ионов натрия усиливать набухание белков основан метод борьбы с отеками, который заключается в ограничении поступления солеи натрия в организм.

В организме человека находится натрий в виде его растворимых солей, главным образом хлорида,фосфата и водородкарбоната. Натрий распределен по всему организму: в сыворотке крови, спинномозговой жидкости, глазной жидкости, пищеварительных соках, желчи, почках, коже, костной ткани, легких , мозге.

2.2) К

Содержание калия в организме человека массой 70 кг составляет примерно 160 г (4090 ммоль) – 0,23 %.

Общая массовая доля калия в организме составляет 0,22 %. Калий является основным внутриклеточным ионом. Внутриклеточная концентрация ионов К + зна чительно выше, чем ионов Na+. Это связано с тем, что мембраны клеток проницаемы" для ионов К + . Наоборот, в плазме крови концентрация ионов Na+ превышает со держание в ней ионов К+. Этим объясняется возникно вение мембранного потенциала клеток. В организме постоянно существует определенное соотношение ионов калия и натрия. Благодаря этому соотношению поддер живается нормальный ритм мышечной работы (напри мер, мышцы сердца). Ионы калия вместе с ионами натрия образуют систему, обеспечивающую изотонич- ность клеток и окружающей среды, а также нормальное течение биоэлектрических явлений, связанных с процес сами нервной и мышечной возбудимости и проводимости. Повышение содержания калия в организме сопровожда ется понижением возбудимости и проводимости, большие дозы его угнетают автоматизм и сократительную функцию миокарда. Ионы калия участвуют в синтезе белков, обмене углеводов, входят в состав некоторых ферментов и влияют на их активность.

Из общего количества калия ,содержащегося в организме, 98% находится внутри клеток и лишь около 2% -во внеклеточной жидкости. Калий распространен по всему организму: печень, почки, сердце, костная ткань, мышцы, кровь, мозг.

3)Суточная потребность Na и K

3.1)Na

Суточная потребность человека в натрии обычно полностью удовлетворяется и даже перекрывается, так как большинство из нас употребляет достаточно поваренной соли: ведь мы привыкли подсаливать любые продукты, в том числе и те, в которых уже есть соль. Простой пример: кусочек обычного хлеба многие люди посыпают солью – так вкуснее, а ведь хлеб уже содержит соль. То же самое – бутерброды: с сыром, колбасой, икрой и другими солёными продуктами.

Однако в то же время считается, что людям, теряющим много натрия с потом или мочой, необходимо увеличивать его потребление: например, спортсменам, или тем, кто занят на тяжёлой физической работе – в горячем цеху; в жаркую погоду потребность в натрии тоже увеличивается.

Иногда человеку требуется до 20 г поваренной соли в сутки, но здесь речь идёт именно об экстремальных ситуациях.

Вообще официальных норм потребления натрия не существует, а предлагается такой расчёт: на каждый литр выпитой воды – 1 г поваренной соли. Учитывая то, что большинство людей просто не приучены пить воду в достаточном количестве, соли нам требуется не так уж много.

Недостаток натрия в организме

Недостаток натрия в организме может возникнуть не только при его недостаточном поступлении с пищей, но и при избыточном выведении через кожу и почки, при его потере при пищевых отравлениях, сопровождающихся частичным обезвоживанием тканей. Также нехватку натрия могут вызвать диеты с низким содержанием соли, лечение диуретиками, заболевания пищеварительного тракта.

Накопление воды в организме тоже может вызывать гипонатриемию, так как натрий «разводится» водой – при этом его количество в целом может быть нормальным.

Если человек получает с пищей и водой менее 0,5 г натрия в сутки, это приводит к появлению следующих симптомов: сохнет кожа, нарушается её тургор и снижается эластичность; появляются частые судороги в ногах; человека мучает жажда, тошнит, возникает рвота; снижается артериальное давление; может снизиться выделение мочи.

Со стороны нервной системы отмечается сонливость и апатия, спутанность сознания, нарушения равновесия при ходьбе, утомляемость, головокружение и галлюцинации. Ухудшается память, часто меняется настроение, теряется ощущение вкуса и аппетита, слабеют мышцы и снижается вес, человек часто болеет инфекционными заболеваниями.

Потеря натрия может долго компенсироваться организмом, благодаря использованию его накоплений в костной ткани. Однако, если вовремя не начать лечение, а также при быстрой и резкой потере организмом этого элемента человек может погибнуть: начнётся усиленный распад белков, снизится осмотическое давление, увеличится количество остаточного азота и разовьётся стойкая депрессия. В таком состоянии к летальному исходу может привести введение человеку гипотонического раствора или раствора глюкозы, или даже потребление им большого количества чистой воды.

         Избыток натрия

При избытке натрия возникают отёки, так как в организме накапливается вода. При этом человек может проявлять гиперактивность, становится легковозбудимым и испытывает жажду.

Если недостаток натрия в организме чаще всего может быть вызван экстремальными условиями или заболеванием, то его избыток возникает в основном при злоупотреблении солью, а также при нарушении функции надпочечников, сахарном диабете и гипертонии, нарушениях работы почек и водно-солевого обмена, причём эти заболевания тоже обычно возникают у любителей солёной пищи.

Большинство людей, страдающих от избытка натрия, склонны думать, что они употребляют мало соли, и удивляются, когда им предлагают сократить её количество в рационе. Однако во всех продуктах, которые мы сегодня покупаем, почти всегда уже содержится соль – надо только внимательно читать состав на упаковке.

На самом деле увеличить количество натрия в организме чаще всего легко, а вот уменьшить сложно. Для этого требуется отказаться от колбасных изделий, консервов и острых приправ, исключить из рациона соду и пекарский порошок.

При необходимости, особенно у пациентов с гипертонией, заболеваниями почек и сердечно-сосудистой недостаточностью, количество соли в рационе резко ограничивается, и даже временно назначается так называемая «бессолевая диета».

Натрий в продуктах.

Большая часть натрия поступает в организм при употреблении обыкновенной поваренной соли. Суточная норма микроэлемента содержится всего в одной чайной ложке этого продукта.

Кроме того, натрий встречается в некоторых овощах: в моркови, томатах, свекле. Ветчина, почки животных и их мозги, крабы и устрицы, морская капуста, артишоки, молоко и творог также содержат этот микроэлемент. Много натрия и в бобовых культурах и различных крупах. Такие травы как сельдерей, цикорий и одуванчик имеют в своем составе натрий, но в небольшом количестве.

Содержат натрий и многие приготовленные уже блюда, в частности, рассолы, соусы, особенно соевые, бульоны, приправы, консервы. В связи с тем, что натрий содержится в поваренной соли, он входит в состав домашних заготовок, маринованных и соленых. Различные виды сыров (особенно плавленые) и колбасных изделий, сухарики, соленые орехи, чипсы и прочие снеки также имеют в своем составе натрий. Встречаются и различные пищевые добавки с этим микроэлементом, например, некоторые ароматизаторы, консерванты и разрыхлители.

3.2)K

Суточная потребность в калии для ребенка составляет 16 – 30 мг на 1 кг массы тела. Для взрослого человека 1,5 – 2,5 грамма, при этом необходимый минимум составляет 1 грамм. Во время беременности потребность в нем может возрастать до 3,5 грамм в сутки. При интенсивных физических нагрузках потребность в калии также возрастает. К тому же обильное потоотделение способствует выведению его из организма. На содержание калия в организме влияют сезонные изменения – особенно мало калия весной, а осенью его количество увеличивается вдвое. Токсическая доза для человека составляет 6 грамм, а летальная - 14 грамм. 

Недостаток калия в организме: 

Дефицит калия в организме может возникнуть вследствие тяжелых физических нагрузок, стрессов, болезней, приема некоторых лекарств, чрезмерного употребления кофе, сладостей и алкоголя. В первую очередь нехватка калия проявляется в мышечной слабости, нарушениях в работе сердечнососудистой и нервной систем. Постоянный недостаток калия в организме может привести к очень серьезным заболеваниям внутренних органов, в том числе и к сердечным приступам и язвенной болезни.

Переизбыток калия в организме: 

Переизбыток калия в организме может быть вызван неправильным питанием, некоторыми заболеваниями или приемом препаратов повышающих уровень калия в организме. Повышенное содержание калия в организме, также как и его недостаток может привести к развитию тяжелых заболеваний внутренних органов и систем человека.

Источники калия.

В основном, соединения калия содержатся в продуктах, имеющих растительное происхождение. Это фрукты, бобовые, овощи, злаковые.

Что касается ягод и фруктов, более всего соединений этого элемента в мандаринах, апельсинах, бананах, яблоках, сушеных абрикосах, винограде, арбузах, землянике, шиповнике, изюме, алыче, черносливе, дынях, смородине (черной и красной). В достатке его в свежих огурцах, сое, репе, петрушке, ржаном хлебе, овсянке, капусте. Много его и в картофеле. Кстати, суточная норма, необходимая человеку, содержится в половине килограмма обычной картошки.

Довольно много калия в луке, помидорах, зеленых листовых овощах, чесноке, свекле, хрене, моркови. Надо сказать, что если мы употребляем все эти продукты в достатке, то и калия нашему организму вполне хватает. Единственная сложность состоит в удержании калия в нашем организме, и это удается далеко не всегда.

В норме можно поддерживать уровень калия в нашем организме, употребляя мед с яблочным уксусом.

4) Биологическая роль Na и K в организме человека.

4.1)Na

Большая часть попадающего в организм натрия всасывается только в тонком кишечнике, и лишь небольшая доля сразу в желудке. Половина от поступившего в организм натрия концентрируется в жидкостях, находящихся между клеток, около 40% – в костной и хрящевой тканях, и чуть меньше 10% – в самих клетках.

Натрий имеет огромное значение в организме человека. Он активно участвует в функционировании процессов обмена внутри клеток и между ними. Именно этот микроэлемент является главным катионом (то есть ионом, заряженным положительно) внеклеточной жидкости, а значит, нормализует осмотическое давление. Помимо этого натрий отвечает за регуляцию движения воды и возбудимость нервно-мышечных волокон, за нормализацию кислотно-основного состояния. При взаимодействии натрия, калия и хлора создается электролитическая среда, обеспечивающая нервным окончаниям правильное функционирование, что способствует сокращению мышц.

Натрий отвечает и за сохранение биоэлектрического потенциала мембран клеток, что влияет на тонус сосудов. Благодаря этому микроэлементу усиливается действие адреналина. Также натрий положительным образом действует на пищеварительные ферменты, что способствует образованию соляной кислоты, а значит, улучшает пищеварение. Натрий также является проводником глюкозы в клетки.

Нарушение соотношения в организме калия и натрия ведет к проблемам с осмотическим давлением и объемами жидкостей. При потере калия количество потребляемого натрия следует сократить.

Обмен натрия регулируется альдостероном (гормон коры надпочечников группы минералокортикоидов). Он увеличивает реабсорбцию (обратное всасывание воды и растворенных веществ)натрия и хлора в канальцах почки, что ведет к повышению содержания поваренной соли в крови, лимфе  и тканевой жидкости. Одновременно он снижает реабсорбцию калия в канальцах почки, что усиливает потерю калия и уменьшает его содержание в организме.

Данный микроэлемент обладает способностью удерживать в организме воду, что особенно необходимо для предотвращения обезвоживания. Оптимальное количество натрия ведет к нормализации артериального давления, тогда как его избыток чреват гипертонией.

В медицине применяются:

1) хлорид натрия NaCI; в зависимости от концентрации хлорида натрия различают изотонический (физиологический) и гипертонический растворы. Изотоническим является 0,9%-й раствор NaCI, так как его осмотическое давление соответствует осмотическому давлению плазмы крови (7,7 атм). Изотонический раствор используют в качестве плазмозамещающего раствора при обезвоживании организма, для растворения лекарственных веществ и т. д. Гипертонические растворы (3-, 5-, 10%-й) применяют наружно в виде компрессов и примочек для лечения гнойных ран;

2) гидрокарбонат натрия NaHC(питьевая сода); введение гидрокарбоната натрия в желудок приводит к быстрой нейтрализации соляной кислоты желудочного сока

NaНС  + НС1 = NaCl + Н20 + С02↑;

3) декагидрат сульфата натрия (глауберова соль); назначают внутрь в качестве слабительного средства. Эта соль медленно всасывается из кишечника,содержимое его разжижается, сокращения кишечника усиливаются и каловые массы быстрее выводятся.

4)дскагидрат тетрабората натрия Na2B407*10H2 0 (бура); применяют наружно как антисептическое средство для спринцеваний, полосканий, смазываний. В водных растворах бура легко подвергается  гидролизу:

 Образующаяся при гидролизе  борная кислота обладает антисептическим действием;

5) йодид натрия NaI используют как препарат йода при эндемическом зобе.

4.2) K

Калий, будучи минеральным элементом, является необходимой составляющей для нормального жизненного процесса клеток организма. Даже при незначительном нарушении баланса этого элемента могут развиться неблагоприятные изменения в нашем организме, и работа его, как единого целого, может быть сведена на нет. Соединения калия выводятся почками, и если его уходит чересчур много, то может возникнуть гипокалемия и, как следствие, калиевый дефицит. 

Калий отвечает за норму водного баланса в нашем организме. От его количества зависит ритм сердца, его работа в целом и функционирование мышечной ткани и ткани ЦНС. С его участием регулируется содержание в нашем организме щелочей, солей и кислот. Калий способствует уменьшению отеков и стимулированию выработки нужных организму ферментов.

Благодаря наличию в организме солей калия, нормально работают все ткани организма, особенно мягкие. Это касается, в основном, желез системы внутренней секреции, тканей мозга, печени, почек, сосудов, капилляров, сердечной ткани. Калий содержится во всех внутриклеточных жидкостях.

С помощью калия предупреждается возникновение атеросклероза, он нормализует кровяное давление, способствует снятию спазмов. Калий выводит шлаки и подавляет аллергии.

При его достаточном количестве снимается утомляемость, мозг лучше обогащается кислородом, при его помощи мы получаем возможность мыслить яснее. Калий предотвращает развитие синдрома хронической усталости, который довольно распространен в современном обществе.

Ионы натрия и калия принимают участие в биокатализе , образуя смешанные комплексы типа фермент-катион- субстрат.

Подтверждением того,что комплексообразование калия с ферментами и субстратами играет важную роль в транспорте ионов , является образование комплексов этих катионов с антибиотиком валиномицином. Антибиотики, подобные валиномицину, вызывают транспорт ионов калия в митохондрии. Валиномицин образует прочный комплекс с ионами калия,  в то время как ион натрия связывается этим антибиотиком в очень незначительной степени. Вследствие этого валиномицин можно рассматривать как биологическую модель переносчика ионов калия через плазматические мембраны в клетку.

Роль калия в организме:

-Регулирует кислотно -  щелочное равновесие крови, водный баланс межклеточной и клеточной жидкости, водно-солевой баланс, осмотическое давление. 

-Принимает участие в передаче нервных импульсов. 

-Активизирует работу некоторых ферментов, углеводный и белковый обмен.

-Требуется для синтеза белка, преобразования глюкозы в гликоген.

-Необходим для осуществления выделительной функции почек.

-Улучшает деятельность кишечника.

-Поддерживает нормальный уровень кровяного  давления, принимает участие в нервной регуляции сердечных сокращений.

В медицине применяют:

1)хлорид калия КСl; применяется при состояниях, сопровождающихся нарушением электролитного обмена в организме (неукротимая рвота, профузные поносы), а также для купирования сердечных аритмий;

2) йодид калия KI; применяют  как препарат йода при заболеваниях  щитовидной железы;

3) перманганат калия КМnО4; используют как антисептическое cредство для промывания ран, полоскания рта и горла, для спринцеваний и промываний.

5)Na-K насос.

Жизненно необходимые элементы натрий и калий функционируют в паре. Надёжно установлено что скорость диффузии ионов Na, и K через мембрану в покое мала, разность их концентрации вне клетки и внутри должна была в конечном итоге выровняться, если бы в клетке не существовало специального механизма, который обеспечивает активное выведение («выкачивание») из протоплазмы проникающих в неё ионов натрия и введение («нагнетание») ионов калия. Этот механизм получил название натрий – калиевого насоса.

Натрий - калиевый насос - это особый белок, пронизывающий всю толщу мембраны, который постоянно накачивает ионы калия внутрь клетки, одновременно выкачивая из нее ионы натрия; при этом перемещение обоих ионов происходит против градиентов их концентраций. Выполнение этих функций возможно благодаря двум важнейшим свойствам этого белка. Во-первых, форма молекулы переносчика может меняться.

Эти изменения происходят в результате присоединения к молекуле переносчика фосфатной группы за счет энергии, выделяющейся при гидролизе АТФ (т. е. разложения АТФ до АДФ и остатка фосфорной кислоты). Во-вторых, сам этот белок действует как АТФ-аза (т. е. фермент, гидролизующий АТФ). Поскольку этот белок осуществляет транспорт натрия и калия и, кроме того, обладает АТФ-азной активностью, он так и называется -- «натрий-калиевая АТФ-аза».

Действие натрий-калиевого насоса можно представить следующим образом.

1. С внутренней стороны мембраны  к молекуле белка-переносчика  поступают АТФ и ионы натрия, а с наружной -ионы калия.

2. Молекула переносчика осуществляет  гидролиз одной молекулы АТФ.

3. При участии трех ионов натрия  за счет энергии АТФ к переносчику  присоединяется остаток фосфорной  кислоты (фосфорилирование переносчика); сами эти три иона натрия также присоединяются к переносчику.

4. В результате присоединения  остатка фосфорной кислоты происходит  такое изменение формы молекулы  переносчика (конформация), что ионы натрия оказываются по другую сторону мембраны, уже вне клетки.

5. Три иона натрия выделяются  во внешнюю среду, а вместо  них с фосфорилированным переносчиком соединяются два иона калия.

6. Присоединение двух ионов калия  вызывает дефосфорилирование переносчика -- отдачу им остатка фосфорной кислоты.

7. Дефосфорилирование, в свою очередь, вызывает такую конформацию переносчика, что ионы калия оказываются по другую сторону мембраны, внутри клетки.

8. Ионы калия высвобождаются  внутри клетки, и весь процесс  повторяется.

Значение натрий-калиевого насоса для жизни каждой клетки и организма в целом определяется тем, что непрерывное откачивание из клетки натрия и нагнетание в нее калия необходимо для осуществления многих жизненно важных процессов: осморегуляции и сохранения клеточного объема, поддержания разности потенциалов по обе стороны мембраны, поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках, для активного транспорта через мембраны других веществ (сахаров, аминокислот). Большие количества калия требуются также для белкового синтеза, гликолиза, фотосинтеза и других процессов. Примерно треть всей АТФ, расходуемой животной клеткой в состоянии покоя, затрачивается именно на поддержание работы натрий-калиевого насоса. Если каким-либо внешним воздействием подавить дыхание клетки, т. е. прекратить поступление кислорода и выработку АТФ, то ионный состав внутреннего содержимого клетки начнет постепенно меняться. В конце концов, он придет в равновесие с ионным составом среды, окружающей клетку; в этом случае наступает смерть.

Вывод

Цель науки – установление (открытие) правил гармонии и порядка. «Субъектом медицины является человеческое тело, его здоровье и болезнь. Но если целью медицины является лечение и сохранение здоровья, тогда прежде чем получить сохранение здоровья и удалить причину причин, необходимо знать, какие элементы сотворили тело, как эти элементы распадаются, где и в какой точке процесс подойдет к концу  и какие изменения элементов могут вызвать болезнь в будущем»

Список использованной литературы:

1)Барковский Е.В. Ведение в химию биогенных элементов и химический анализ. Учебное издание[стр 21-23]

2)Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов.Учебник для вузов. 10-е издание [стр235-239]

3) http://medbiol.ru/medbiol/biology_sk/0006367d.htm

4) http://padaread.com/?book=40556. Химия биогенных элементов. Хухлянский В. Г. ,Цыганенко А.Я.

5) http://vmede.org/sait/?id=msprav_Biohimija&menu=msprav_Biohimija&page=14