6. Кальций в организмах
Кальций является важным минеральным компонентом организма, оказывающим влияние на нормальное функционирование многих регуляционных механизмов. Он необходим во многих процессах, в частности, нервно-мышечной, костной системы, процессах свертывания крови, активации некоторых ферментов, проницаемости оболочек. Кальций присутствует в организме в количествах, значительно превышающих количество какого-либо другого элемента. Около 97% кальция находится в скелете. Ионизированный кальций играет важную роль в свертывании крови, в поддержании нормальной возбудимости сердца, мышц и нервов.
Кальций принимает участие в проницаемости клеточных оболочек. От кальция зависит действие многих ферментов, функционирование мышц, заживление ран, гормональный перенос раздражителей, прочность костей, расслабление нервов, оптимизм, энтузиазм, спокойное, ровное настроение. С кальцием связана нормальная сердечная деятельность, нормальная свертываемость крови, усвоение организмом железа, здоровые зубы, здоровый сон. Кальций делает возможным проведение нервных импульсов, отвечает за сокращение мышечных волокон, принимает участие во многих ферментативных процессах, играет значительную роль в регуляции работы сердца, оказывает противоаллергическое действие, уплотняет биологические оболочки.
При нехватке кальция могут возникнуть такие признаки, как мышечные спазмы, ощущение ползания мурашек и онемения в руках и ногах, боль в суставах, замедление пульса. Следующими симптомами являются: сердцебиение, кровотечения, нарушения сна, состояния страха, нарушения при ходьбе, переломы костей, нарушения роста у детей. Симптомами нехватки являются: рахит у детей, остеопороз у взрослых.
Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органическое вещество и 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se. Если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция – 1700, калия – 250, натрия – 70, магния – 42, железа – 5, цинка – 3.
Суточные поступления химических элементов в организм человека и характерные симптомы их дефицита показано в таблице 21.
Таблица 21. Суточные поступления химических элементов в организм человека
и характерные
симптомы их дефицита (Кукушкин, 1998)
Роль макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ, известна. Например, основное количество кальция и фосфора входит в кости (гидроксофосфат кальция Са10(РО4)6(ОН)2), а хлор в виде соляной кислоты содержится в желудочном соке.
Выявление биологической роли отдельных химических элементов в функционировании живых организмов (человека, животных, растений) - важная и увлекательная задача. Минеральные вещества, как и витамины, часто действуют как коферменты при катализе химических реакций, происходящих все время в организме.
Усилия специалистов направлены на раскрытие механизмов проявления биоактивности отдельных элементов на молекулярном уровне. В живых организмах ионы металлов находятся в основном в виде координационных соединений с "биологическими" молекулами, которые выполняют роль лигандов. Выяснение роли металлов в жизнедеятельности растений, несомненно, окажется полезным для сельского хозяйства.
Весьма интересен вопрос о принципах отбора природой химических элементов для функционирования живых организмов. Не вызывает сомнения, что их распространенность не является решающим фактором. Здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищи и воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможности растений в данном процессе ограничены. Сознательное регулирование человеком содержания микроэлементов в почве сельскохозяйственных угодий также одна из важных задач, стоящих перед исследователями. Знания, полученные учеными в этом направлении, уже оформились в новую отрасль химической науки - бионеорганическую химию.
Действие липидной пероксидации хорошо изучено и сводится к нескольким основным эффектам: 1) избирательно увеличивается проницаемость для ионов Н+ и ОН-; 2) увеличивается проницаемость для ионов Са2+; 3) снижается электрическая стабильность и может наступить «самопробой» мембран собственным электрическим потенциалом.
В клеточных мембранах к этому присоединяются окисление SH-групп и повреждение кальциевого насоса (Са2+-АТФазы), который превращается в канал для ионов Са2+.
Один из главных результатов всех этих эффектов – повышение концентрации Са2+ внутри клеток. В окружении клеток концентрация Са2+ сравнительно высока – около 1 мМ (10-3 М), тогда как внутри клеток в норме поддерживается низкая концентрация ионов кальция – около 10-7 М, в основном за счет работы фермента-насоса Са2+-АТФазы, а отчасти, возможно, и за счет митохондрий (рис. 20 а и б). При пероксидации липидов кальциевый насос ломается, но трубка от насоса – канал для ионов – остается (рис. 20 в), и Са2+-АТФаза, вместо того чтобы качать кальций из клетки, начинает пропускать его в клетку (в сторону его меньшей концентрации). Митохондрии тоже плохо помогают, потому что под действием перекисного окисления их мембраны становятся проницаемыми для ионов и не держат мембранный потенциал.
Увеличение концентрации ионов кальция при лазерном облучении изолированных клеток наблюдалось, например, в суспензии лимфоцидов, что приводило к активации клеток. Можно предположить, что последовательность событий в данном и многих других случаях выглядит так:
Рис 20. Кальциевые насосы в клетке (Владимиров, 1999):
а – кальциевый насос в клеточной мембране и мембранах внутриклеточных депо кальция (Са2+-АТФаза),
б – электофоретическое накопление кальция митохондриями;
в – изменение свойств Са2+-АТФазы под действием перекисного окисления липидов: насос перестает выкачивать ионы кальция, которые начинают проникать внутрь клетки через канал, образованный поврежденной Са2+-АТФазой