Вода и минеральные вещества
Вода — важная составная часть человеческого тела, она входит в состав каждой живой клетки. Организм взрослого человека состоит на 65% из воды. Это основная среда, в которой происходят все обменные процессы, лежащие в основе жизни. Вода необходима для растворения питательных веществ, удаления из организма ненужных продуктов обмена, регулирования температуры тела. Если без пищи человек может прожить 30—40 дней, то без воды — только 3—4 дня.
Суточная потребность в воде зависит от возраста и от внешних условий среды. Вода выделяется из организма главным образом почками с мочой, через стенки кишечника, кожу, потовые железы и легкие с выдыхаемым воздухом. Из организма всегда выделяется несколько больше воды, чем в него поступает. Объясняется это образованием воды в организме за счет окисления органических веществ в клетках организма. Потеря воды организмом компенсируется ее поступлением с питьевой водой (молоко, чай, вода и др.), жидкими блюдами (бульон, супы), твердой пищей (фрукты, овощи, мясо и т. д.), всегда содержащей некоторое количество воды.
У детой водный обмен протекает интенсивней, чем у взрослых; им нужно относительно больше воды. Потребность в воде на 1 кг массы с возрастом уменьшается, а абсолютное количество потребляемой воды увеличивается. Так, детям первого года жизни требуется на 1 кг массы 150 — 170 г воды, а детям школьного возраста (12 — 13 лет) — 45 г. Суточная потребность в воде детей 7 — 10 лет составляет 1350 мл, 11 — 14 лет — 1500 мл, а для взрослого человека — 2000— 2500 мл. В жаркое время года, а также при усиленной мышечной работе потребность в воде значительно повышается.
Минеральные вещества также необходимы организму. Они наряду с органическими веществами входят в состав всех живых тканей, принимают участие во всех обменных процессах организма и так же, как белки, являются строительным материалом. Минеральные вещества входят в состав многих ферментов, гормонов, некоторых аминокислот, в состав нервной ткани и др. Они участвуют к образовании гемоглобина (железо), в росте и развитии костей, мышц и других тканей, в деятельности сердца и т. д. С наличием минеральных веществ связано явление возбудимости — одно из основных свойств живого. Достаточное содержание минеральных солей в пище способствует лучшему ее усвоению.
В зависимости от количественного содержания минеральных веществ в организме их делят на макроэлементы и микроэлементы. К первым относят кальций, калий, натрий, фосфор, хлор, серу; ко вторым — алюминий, медь, цинк, марганец, кобальт, кремний и др. Промежуточное положение между макро- и микроэлементами занимают магний и железо. Железо входит в состав гемоглобина.
При смешанном питании организм в достаточном количество получает с пищей все необходимые минеральные вещества за исключением хлористого натрия (поваренной соли), которую добавляют к пище в процессе ее приготовления.
Таблица 6Минеральные вещества оказывают большое влияние на развитие детского организма. Отсутствие их в пище может привести к нарушениям обмена веществ. Особенно велика потребность растущего организма в кальции и фосфоре: недостаток их нарушает нормальное развитие скелета, вызывает порчу зубов. Фосфор входит в состав нервных клеток, он необходим для умственной работы.
Нормы суточной потребности детей и подростков в основных минеральных элементах (в мг/день) показаны в табл. 6.
Материал для подготовки к ЕГЭ (ГИА) по биологии (9, 10, 11 класс): ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КЛЕТОК. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ВОДА И МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ
РАЗДЕЛ 1.
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО
ТЕМА 2.
ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КЛЕТОК. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА: ВОДА И МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ
1. Основные вопросы теории
Молекулярный уровень организации живого
Это самый низкий уровень организации живого, представленный отдельными молекулами органических и неорганических веществ, входящих в состав клеток организма. Жизнь можно представить как организационную иерархию вещества. В живых существах элементы образуют очень сложные органические молекулы, из которых в свою очередь состоят клетки, а из тех – целый организм. Жизнедеятельность всех живых систем проявляется во взаимодействии молекул различных химических веществ.
Элементный состав клетки
В составе живой природы обнаружено более 80 химических элементов, 27 из них выполняют определенные функции.
27 | ||
↓ | ↓ | ↓ |
макроэлементы | микроэлементы | ультрамикроэлементы |
99 % | 10-3 % | 10-6 % |
98% – биогенные: О, С, Н, N K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, P. | B, Mn, Zn, Cu, Co, F, I, Br, Mo. | U, Au, Be, Hg, Se, Ra, Cs. |
Некоторые организмы – интенсивные накопители определенных элементов: бактерии способны накапливать марганец, морские водоросли – йод, ряска – радий, моллюски и ракообразные – медь, позвоночные – железо.
Каждый из химических элементов выполняет важную функцию в клетке.
Элемент | Биологическая роль |
О, Н | входят в состав воды. |
С, О, Н, N | входят в состав белков, липидов, нуклеиновых кислот, полисахаридов. |
K, Na, Cl | обеспечивают проведение нервного импульса. |
Ca | компонент костей, зубов, необходим для мышечного сокращения, компонент свертывания крови, посредник в механизме действия гормонов. |
Mg | структурный компонент хлорофилла, поддерживает работу рибосом и митохондрий. |
Fe | структурный компонент гемоглобина, миоглобина. |
S | входит в состав серосодержащих аминокислот, белков. |
P | входит в состав нуклеиновых кислот, костной ткани. |
B | необходим некоторым растениям. |
Mn, Zn, Cu | активаторы ферментов, влияют на процессы тканевого дыхания. |
Zn | входит в состав инсулина. |
Cu | входит в состав окислительных ферментов, переносит кислород в тканях моллюсков. |
Co | входит в состав витамина В12. |
F | входит в состав эмали зубов. |
I | входит в состав тироксина. |
Химические вещества клетки | |
↓ | ↓ |
неорганические | органические |
вода – 7585%; минеральные соли – 11,5%. | белки – 10 – 20%; углеводы – 0,2 – 2%; липиды – 1 – 5%; нуклеиновые кислоты – 1 – 2%. |
Уникальное строение воды, её свойства и роль в живой природе
Строение и свойства воды | Биологические функции воды |
1. Малые размеры молекул воды, молекула воды нелинейна. | 1. Вода – среда для протекания биохимических реакций в клетках. 2. Вода – донор электронов, источник ионов водорода и свободного кислорода при фотосинтезе. 3. Вода необходима для гидролиза макромолекул до мономеров, например, в пищеварении. 4. Вода обусловливает рН среды, что определяется концентрацией Н+ и ОН-. |
2. Полярность, молекула воды – диполь. | 5. Вода – универсальный растворитель для полярных веществ. По растворимости в воде все вещества подразделяют на гидрофильные (водорастворимые) и гидрофобные (нерастворимые). 6. Вода – среда для транспорта веществ. |
3. Способность образовывать водородные связи, подвижность молекул воды. … – водородная связь. | 7. Вода обладает высокой теплопроводностью и большой теплоемкостью, выполняет функцию терморегуляции в живых организмах (т.к. для разрыва водородных связей нужно много Е). 8. При замерзании вода расширяется (т.к. образуется много водородных связей), лед легче воды, плавает на её поверхности, самая «тяжелая вода» при t +40, что спасает жизнь водным обитателям зимой. |
4. Силы межмолекулярного сцепления не позволяют воде сжиматься. | 9. Вода служит для поддержания формы организмов (гидростатический скелет, тургорное давление). 10. Вода – смазывающее вещество в биологических системах (синовиальная жидкость, плевральная жидкость, слизь). |
Минеральные соли, их значение
Минеральные соли находятся в клетке либо в диссоциированном на ионы, либо в твердом состоянии.
Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Их значение:
- Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения.
- Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану.
- От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки.
Буферные свойства клетки | |
↓ | ↓ |
фосфатная буферная система | бикарбонатная буферная система |
анионы фосфорной кислоты (Н2РО4- , НРО42-) | анионы угольной кислоты (НСО3-) |
рН внутриклеточной среды на уровне 6,9 | рН внеклеточной среды на уровне 7,4 |
- Участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.
Таким образом, функция минеральных солей в клетке состоит в поддержании постоянства внутренней среды и в обеспечении процессов жизнедеятельности.
В твердом состоянии минеральные соли Са3 (РО4)2 (фосфат кальция) входят в состав межклеточного вещества костной ткани, в раковины моллюсков, обеспечивая прочность этих образований.
2. Тесты с выбором одного правильного ответа
1. Какой из химических элементов одновременно входит в состав костной ткани и нуклеиновых кислот?
а) калий;
б) фосфор;
в) кальций;
г) цинк.
2. У детей развивается рахит при недостатке:
а) марганца и железа;
б) кальция и фосфора;
в) меди и цинка;
г) серы и азота.
3. Передача возбуждения по нерву или мышце объясняется:
а) изменением концентраций ионов натрия и калия внутри и вне клетки;
б) разрывом водородных связей между молекулами воды;
в) изменением концентрации водородных ионов;
г) теплопроводностью воды.
4. Основу реакционного центра хлорофилла составляет атом:
а) Na;
б) K;
в) Mg;
г) Cl.
5. К биогенным элементам относятся:
а) C, P, O, N;
б) Ca, Cl, N, O;
в) C, H, O, N;
г) H, O, C, Na.
6. При замерзании воды расстояние между её молекулами:
а) уменьшается;
б) увеличивается;
в) не изменяется.
7. Какое из свойств воды обусловлено её полярностью?
а) теплопроводность;
б) теплоемкость;
в) способность растворять неполярные соединения;
г) способность растворять полярные соединения.
8. Какие химические связи возникают между атомами в молекуле воды?
а) ковалентно-неполярные;
б) ковалентно-полярные;
в) ионные;
г) водородные.
9. Поверхностное натяжение воды обусловлено:
а) ковалентными связями;
б) ионными связями;
в) водородными связями.
10. При испарении воды с поверхности тела расстояние между её молекулами:
а) увеличивается;
б) уменьшается;
в) не изменяется.
11. Какое свойство воды делает её хорошим растворителем в биологических системах?
а) высокая теплоемкость;
б) медленный нагрев и остывание;
в) высокая теплопроводность;
г) полярность молекул.
12. Твердость кости придают:
а) аминокислоты;
б) липиды и углеводы;
в) глюкоза и гликоген;
г) минеральные соли.
13. Почему в магазинах продают соль, обогащенную йодом?
а) йод влияет на изменение состава крови;
б) йод нормализует деятельность щитовидной железы;
в) йод предупреждает заболевание туберкулезом;
г) йод способствует образованию витамина D.
14. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются:
а) гидрофобными;
б) гидроидными;
в) гидрогенными;
г) гидрофильными.
15. К органическим веществам клетки относятся:
а) белки и липиды;
б) минеральные соли и углеводы;
в) вода и нуклеиновые кислоты:
г) все правильно.
3. Заполните пропуски
(заполните пропуски в предложениях, используя слова,
выделенные курсивом)
В молекуле воды (1…) атом кислорода (2…) связан с (3…) атомами водорода. Молекула воды (4…), т.к. кислород электроотрицательнее водорода. Между атомом кислорода одной молекулы и атомом (5…) другой молекулы воды образуется (6…).
Полярностью молекул воды обеспечивается ее способность (7…) другие полярные соединения. А наличием множества слабых водородных связей обеспечиваются такие её свойства, как высокая (8…) и (9…). Максимальную плотность вода имеет при температуре (10…). Поэтому лед (11…) воды и плавает на её поверхности. По отношению к воде все вещества клетки делятся на (12…) и (13…). К гидрофильным веществам относятся (14…), (15…), а к гидрофобным – (16…).
(Глюкоза, один, водорода, двумя, водородная связь, ковалентно, теплоемкость, полярна, теплопроводность, растворять, +40С, соли, легче, гидрофобные, гидрофильные, жиры.)
4. Найдите ошибки в приведенном тексте, исправьте их
(укажите номера предложений, в которых сделаны ошибки, объясните их)
1. Вода – одно из самых распространенных органических веществ на Земле. 2. В клетках костной ткани до 20% воды, а в клетках мозга до 85%. 3. Свойства воды определяются структурой её молекул. 4. Ионные связи между атомами водорода и кислорода обеспечивают полярность молекулы воды и ее способность растворять неполярные соединения. 5. Между атомами кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется сильная водородная связь, чем объясняется высокая температура кипения воды.
 «Водная» тематика все чаще звучит в российской прессе, при этом часто приводятся рассуждения о достоинствах или недостатках воды с точки зрения снабжения организма полезными минералами. В некоторых материалах, опубликованных в солидных изданиях, достаточно безапелляционно заявляется: «Как известно, с водой мы получаем до 25% суточной потребности химических веществ». Причем эта цифра кочует по разным изданиям. Тем не менее, в разговорах специалистов в ходу больше цифра 6-8% со ссылкой на ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения). Однако ни в первом, ни во втором случае докопаться до первоисточников нам не удалось. И мы решили сами поискать ответ на вопрос: «А сколько же может среднестатистический человек получить минеральных веществ из питьевой воды, отвечающей санитарным нормам?» В своих рассуждениях мы руководствовались простым житейским здравым смыслом и знаниями в объеме средней школы. Результаты мы свели в таблицу. Объясним содержимое ее колонок, а заодно и ход наших рассуждений. Для начала необходимо определиться с несколькими исходными позициями: 1. Какие минеральные вещества и в каких количествах нужны человеку? Вначале короткое лирическое отступление. Вопрос о «минеральном составе» человека и, соответственно, потребностях его организма очень сложный, относящийся к числу фундаментальных и даже философских (особо пытливым рекомендуем глянуть статью из журнала «Философия науки» «Биогенная классификация химических элементов»). На бытовом уровне мы очень легко жонглируем (к сожалению и в массовой прессе тоже) терминами «полезные элементы», вредные или токсичные «элементы» и т.п. Начнем с того, что сама постановка вопроса о вредности-полезности химических элементов — плод человеческой мании величества. Химические элементы таковы, какие они есть. Они были такими миллионы и миллиарды лет назад и останутся такими даже тогда, когда не будет не только человечества, но и всей нашей планеты. Иначе говоря, то, что полезно бактериям, может быть вредно человеку и никто еще не доказал, что с точки зрения Природы человек важнее, чем бактерия. Если все же говорить о таких понятиях как «вредность» и «полезность», то еще в древности было известно, что все дело в концентрациях. То что полезно в минимальных количествах, может оказаться сильнейшим ядом в больших. Но «вернемся к нашим баранам». Мы ограничились списком основных «эссенциальных» (жизненно важных) макроэлементов и нескольких микроэлементов. Перечень приведен в 1-м столбце. В качестве норм суточной потребности мы использовали данные, приведенные в Популярной медицинской энциклопедии. Причем, за базовое мы брали минимальное значение для взрослого мужчины (для подростков и женщин, особенно кормящих матерей, эти нормы зачастую больше). Показатели приведены во 2-м столбце. 2. Каков минеральный состав «средней» воды? Понятно, что никакой «средней» воды нет и быть не может, поэтому ее необходимо «придумать». В качестве таковой мы предлагаем использовать гипотетическую воду, в которой концентрации элементов соответствует рекомендациям ВОЗ. Сделано это потому, что по данным ВОЗ именно такое предельно содержание каждого из элементов в воде делает ежедневное ее употребление безопасной для здоровья. В тех случаях, где соответствующие нормы ВОЗ не установлены мы руководствовались нормами российского СанПиН «Вода питьевая», либо, если этот параметр не нормируется и российскими нормами, то соответственно нормами ЕС или США (см. раздел «Неорганические примеси»). Исключением явился только йод, где в качестве предельной концентрации была принята цифра максимального содержания в природных пресных водах. Необходимо заметить, что концентрация некоторых элементов (например фосфора) была получена пересчетом из норм для более химически сложных элементов (в данном случае фосфатов). Дело в том, что элементарный фосфор — сильнейший яд и его ПДК (предельно допустимая концентрация) для питьевой воды очень мала. Таким образом, в качестве потребляемой мы приняли некую воду, в которой содержание основных био-элементов равно максимально допустимому с точки зрения безопасности для здоровья (3-й столбец таблицы). Наверное, нет смысла говорить, что в реальности содержание большинства элементов в воде гораздо меньше ПДК. Оставим также за скобками нашего рассуждения риторический вопрос можно ли со спокойной душой постоянно употреблять воду в которой добрый десяток параметров находится на предельном уровне. Наоборот, будем считать, что такая вода «наиболее полезна» по своему минеральному составу. На основе этих данных было вычислено, сколько воды надо употребить, чтобы набрать суточную норму по каждому элементу (4-й столбец таблицы). Огромным допущением здесь является то, что при расчетах усвояемость минералов из воды мы принимали за 100%, что далеко не соответствует действительности. 3. Каково суточное потребление воды среднестатистическим человеком. Мы уже ответили на этот вопрос в разделе «Питьевой режим и баланс воды в организме». В сутки непосредственно в виде жидкости (питья и жидкой пищи) человек употребляет 1,2 л воды. Именно эта цифра и легла в основу вычисления процента поступления с водой каждого элемента, который теоретически (с учетом всех вышеперечисленных допущений) может получить в сутки среднестатистический человек. Цифра получена путем деления 1,2 на соответствующую величину из 4-го столбца. В итоге мы подсчитали средневзвешенный процент получения человеком макро- и микроэлементов, которое может обеспечить вода. Чтобы не быть обвиненным в подтасовках приводим расчет полностью:
То есть, даже теоретически, вода не может обеспечить поступление в организм более 6,7% минеральных веществ, необходимых человеку.
!!! Бытовой фильтр для приготовления деминерализованной воды.!!! Разумеется, мы ни в коем случае не претендуем на абсолютную научность своих выводов. Более того, допускаем, что ошиблись процентов на 10-15% в меньшую сторону. В любом случае это как раз и дает те 6-8%, о которых по слухам говорит ВОЗ. Причем заметим, что эти цифры скорее всего теоретически возможные. На практике, учитывая реальное содержание макро- и микроэлементов в воде, эта цифра может быть уменьшена в 1,5 — 2 раза. Собственно говоря, даже потратив уйму времени и изучив массу материалов, связанных с макро- и микроэлементами, можно найти только один элемент — фтор, про который прямо указывается, что источником его поступления в организм является вода. Про все остальные однозначно говориться, что их источником является пища. Именно поэтому для сравнения мы приводим в 6-м столбце мини-список альтернативных (пищевых) источников поступления в организм тех же элементов. В скобках указано содержание соответствующего элемента в данном продукте (1 мг% соответствует содержанию элемента в миллиграммах на 100 грамм продукта). Мы использовали перечень из нескольких продуктов, чтобы проиллюстрировать тот факт, что организм получает тот или иной макро- или микроэлемент не за счет одного продукта, а как правило, понемногу из разных. В 7-м столбце приведено количество того или иного продукта в граммах, употребление которого даст организму в сутки (с таким же допущением 100% усвояемости, что и для воды) то же количество соответствующего макро- или микроэлемента, что и наша гипотетическая вода (см. выше п.2). Разумеется, приведенные данные ни в коей мере не могут служить рекомендациями по питанию. Этим занимается целая наука диетология. Данная таблица призвана только проиллюстрировать тот факт, что получить необходимые для организма макро- и микроэлементы гораздо проще и самое главное реальнее из пищи, чем из воды.
1) в пересчете с фосфата для водоемов хозяйственно-питьевого назначения (Постановление правительства Москвы от 24 ноября 1998 г. N 911) 2) В пересчете с сульфатов 3) Максимальное количество в речной воде 4) В зависимости от вида и сроков сбора содержание йода может составлять от 0,05 до 70 мг%. |
Обмен воды и минеральных веществ HealthIsLife.ru
Обмен воды и минеральных веществ
Человеческий организм на 60% состоит из воды. Жировая ткань содержит 20% воды (от ее массы), кости — 25, печень — 70, скелетные мышцы — 75, кровь — 80, мозг 85%.
Для нормальной жизнедеятельности организма, который живет в условиях меняющейся среды, очень важно постоянство внутренней среды организма. Ее создают плазма крови, тканевая жидкость, лимфа, основная часть которых это вода, белки и минеральные соли. Вода и минеральные соли не служат питательными веществами или источниками энергии. Но без воды не могут протекать обменные процессы. Вода — хороший растворитель.
Без воды человек может прожить не более 7-10 дней, тогда как без пищи — 30-40 дней. Удаляется вода вместе с мочой через почки (1700мл), с потом через кожу (500 мл) и с воздухом, выдыхаемым через легкие (300 мл).
Отношение общего количества потребляемой жидкости к общему количеству выделяемой жидкости называется водным балансом. Если количество потребляемой воды меньше количества выделяемой, то в организме человека могут наблюдаться различного рода расстройства его функционального состояния, так как, входя в состав тканей, вода является одним из структурных компонентов тела, находится в виде солевых растворов и обусловливает тесную связь водного обмена с обменом минеральных веществ.
Минеральные вещества входят в состав скелета, в структуры белков, гормонов, ферментов. Общее количество всех минеральных веществ в организме составляет приблизительно 4-5% массы тела.
Нормальная деятельность центральной нервной системы, сердца и других органов протекает при условии строго определенного содержания ионов минеральных веществ, за счет которых поддерживается постоянство осмотического давления, реакция крови и тканевой жидкости; они участвуют в процессах секреции, всасывания выделения и т.д.
Основную часть минеральных веществ человек получает с пищей и водой. Однако не всегда их содержание в пище достаточно. Большинству людей приходится добавлять, например, хлористый натрий (NaCl — поваренная соль) в пищу по 10-12г в день. Хронический недостаток в пище минеральных веществ может приводить к расстройству функций организма.
Обмен воды и минеральных веществ
Человеческий организм на 60% состоит из воды. Жировая ткань содержит 20% воды (от её массы), кости – 25, печень – 70, скелетные мышцы – 75, кровь –80, мозг – 85%.
Для нормальной жизнедеятельности организма, который живёт в условиях меняющей среды, очень важно постоянство внутренней среды организма. Её создают плазма крови, тканевая жидкость, лимфа, основная часть которых это вода, белки и минеральные соли. Вода и минеральные соли не служат питательными веществами или источниками энергии. Но без воды не могут протекать обменные процессы. Вода хороший растворитель. Только в жидкой среде протекают окислительно‑восстановительные процессы и другие реакции обмена. Жидкость участвует в транспортировке некоторых газов, перенося их либо в растворённом состоянии, либо в виде солей. Вода входит в состав пищеварительных соков, участвует в удалении из организма продуктов обмена, среди которых содержатся и токсические вещества, а также в терморегуляции.
Без воды человек может прожить не более 7–10 дней; тогда как без пищи –30–40 дней. Удаляется вода вместе с мочой через почки (1700 мл), с потом через кожу (500 мл) и с воздухом, выдыхаемым через лёгкие (300 мл).
Отношение общего количества потребляемой жидкости к общему количеству выделяемой жидкости называется водным балансом. Если количество потребляемой воды меньше количества выделяемой, то в организме человека могут наблюдаться различного рода расстройства его функционального состояния, так как, входя в состав тканей, вода является одним из структурных компонентов тела, находится в виде солевых растворов и обусловливает тесную связь водного обмена с обменом минеральных веществ.
Обмен воды и электролитов, по существу, представляет собой единое целое, поскольку биохимические реакции протекают в водных средах, а многие коллоиды являются сильно гидратированными, т.е. соединёнными физико-химическими связями с молекулами воды.
Вода поступает в организм человека в «чистом виде» и в составе различных продуктов, с которыми он тоже получает необходимые ему элементы. Суточная потребность человека в воде составляет 2,0–2,5 л. Суточная потребность человеческого организма в некоторых микроэлементах следующая: калия 2,7–5,9 г, натрия – 4–5 г, кальция – 0,5 г, магния – 70–80 мг, железа – 10–15 мг, марганца – до 100 мг, хлора – 2–4 г, йода – 100–150 мг.
Обмен воды и электролитов в организме имеет сложную нервно-гуморальную регуляцию. Наиболее подвержены регуляторным воздействиям вода и тесно связанный с нею в метаболизме натрий. Сложная рефлекторная цепь регуляции водно-электролитного обмена начинается с четырёх рецепторов, которые сигнализируют об изменении количества воды в организме. Во-первых, это рецепторы слизистой рта, подсыхание которой вызывает чувство жажды. Однако это ощущение проходит при смачивании слизистой, хотя вода в организм при этом не поступает. Поэтому данный вид жажды называется ложной жаждой. Во-вторых, сигналы о необходимости восполнить запасы воды в организме или прекратить её потребление идут от барорецепторов слизистой желудка. Раздувание желудка ведёт к исчезновению чувства жажды, а спадение его стенок, наоборот, к возникновению. Поскольку жажда, возникающая в этом случае, связана не с изменением содержания воды в организме, а с изменением тонуса желудочной стенки, она также ложная. Третью группу нервных окончаний, принимающих участие в регуляции водно‑электролитного обмена, составляют осморецепторы тканей, которые сигнализируют об изменениях осмотического давления в тканях. Чувство жажды при раздражении осморецепторов – это вид жажды истинный. И наконец, четвёртая группа рецепторов – волюм-рецепторы сосудистого русла, реагирующие на изменение объёма циркулирующей в сосудистой системе крови.
В регуляции водно-солевого обмена принимают участие и дистантные рецепторы (зрительный, слуховой), обеспечивающие условнорефлекторный компонент регуляции. Импульсы со всех указанных групп рецепторов идут в гипоталамус, где расположен центр водорегуляции. Отсюда поступают «команды» на эффекторы, выводящие воду из организма.
Регулятором водно-солевого обмена являются гормоны коры надпочечников (альдостерон) и задней доли гипофиза (антидиуретический).
В регуляции электролитного обмена играют роль и другие гормоны коры надпочечников, объединяемые одним названием минералокортикоиды. При их недостатке нарушается обмен калия, развивается гипокалиемия (т.е. понижение содержания калия и в организме в целом), вследствие чего возникает мышечная адинамия и ряд других серьёзных нарушений обмен; кальция и фосфора регулируется паратгормоном – секретом паращитовидных желез, который стабилизирует уровень этих элементов в организме благодаря тому, что под его воздействием кальций связывается с белками и его выведение из организма резко тормозится. Наконец, на водно-электролитный обмен оказывает влияние и адреналин, который, спазмируя клубочковые сосуды почек, снижает величину фильтрационного давления и ведёт к уменьшению диуреза, т.е. к уменьшению выведения воды из организма, важна роль и вегетативных нервов, регулирующих интенсивность потоотделения.
Минеральные вещества входят в состав скелета, в структуры белков, гормонов, ферментов. Общее количество всех минеральных веществ в организме составляет приблизительно 4–5% массы тела. Нормальная деятельность центральной нервной системы, сердца и других органов протекает при условии строго определённого содержания ионов минеральных веществ, за счёт которых поддерживается постоянство осмотического давления, реакция крови и тканевой жидкости; они участвуют в процессах секреции, всасывания, выделения и т.д.
Основную часть минеральных веществ человек получает с пищей и водой. Однако не всегда их содержание в пище достаточно. Большинству людей приходится добавлять, например, хлористый натрий (NaCI – поваренная соль) в пищу по 10 – 12г в день. Хронический недостаток в пище минеральных веществ может приводить к расстройству функций организма. Особенно чувствительны к недостатку тех или иных солей дети и беременные женщины. Соли кальция фосфора необходимы для построения костей и зубов, в которых находится 70% всего фосфора и 99% кальция, имеющихся в организме.
Нормальный рост и развитие организма зависят от поступления достаточного количества Na. Ионы Cl идут на образование соляной кислоты в желудке, играющей большую роль в пищеварении. Ионы Na и Cl участвуют в механизмах возникновения и распространения возбуждения. В состав гемоглобина – переносчика О2 и СО 2 – входит двухвалентное железо. Недостаток железа ведёт к тяжёлому заболеванию – малокровию. Йод является важной составной частью гормона щитовидной железы – тироксина, который принимает участие в регуляции обмена веществ, а калий имеет определяющее значение в механизмах возникновения и распространения возбуждения, связан с процессом костных образований. Важную физиологическую роль в организме играют также кальций (Са), магний (Mg), медь (Cu), сера (S), цинк (Zn), бром (Br), фтор (F).
ОБМЕН МИНЕРАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ И ВОДЫ;
В отличие от белков, жиров и углеводов минеральные вещества и вода в организме высших животных не имеют энергетического значения, тем не менее они совершенно необходимы. Большинство минеральных соединений находится в организме в виде водных растворов, поэтому минеральный обмен тесно связан с водным обменом.
Рольминеральных соединений в организме очень разнообразна; они являются обязательной составной частью всех клеток тела; нужны для синтеза некоторых жизненно важных соединений, например гемоглобина; в основном благодаря солям создается определенное осмотическое давление крови и тканей. Например, хлористый натрий обеспечивает ¾ величины осмотического давления плазмы крови, соли принимают участие в поддержании кислотно-щелочного равновесия и сохранении относительного постоянства активной реакции крови, с минеральными солями связаны секреция пищеварительных желез и перенос газов; распадаясь на ионы, минеральные вещества оказывают специфическое влияние на физиологические процессы.
Химические элементы, составляющие основную часть живого вещества (96% веса тела), называются макроэлементами, или биогенными элементами; к ним относятся углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, кальций, натрий, магний, железо, хлор. Химические элементы, содержание которых в организме ничтожно мало (4% веса тела), получили название микроэлементов. Это медь, цинк, кобальт, марганец, йод, фтор и многие другие. Несмотря на незначительно малое количество, микроэлементы оказывают значительное влияние в целом на обмен веществ, ферментативные и другие процессы. Так, в состав витамина В12, входит кобальт, и недостаток этого витамина в кормах может повести за собой анемию у животных. В настоящее время стало возможным лечение таких болезней сельскохозяйственных млекопитающих и птиц, которые вызываются недостатком или избытком определенных микроэлементов (лизуха, перозис и др.).
Выделены территориальные так называемые биогеохимические зоны, вполне благополучные по количеству и составу микроэлементов в воде и кормах, и зоны с недостаточным пли избыточным содержанием в воде и кормах некоторых микроэлементов, что отрицательно влияет на нормальное течение жизненных отправлений у животных. При разработке норм кормления сельскохозяйственных животных необходимо учитывать их потребность и в микроэлементах.
Из минеральных веществ наибольшее значение для животных имеют соединения натрия, калия, кальция, фосфора, железа, хлора, йода. Ионы натрия и калия оказывают влияние на возбудимость нервной системы, на сердечную деятельность. В основном благодаря NаСI поддерживается нормальное осмотическое давление крови. В растительных кормах больше калия, в животных, наоборот, натрия. Поэтому травоядные животные обычно испытывают недостаток в поваренной соли, и ее приходится добавлять в рационы. Чрезмерное скармливание поваренной соли вызывает «солевую лихорадку». Особенно чувствительным к избытку NаС1 свиньи и птица.
К а л ь ц и й и ф о с ф о р составляю в теле животных 65 – 70% всех минеральных соединений. Большая часть кальция представлена в виде фосфорных и углекислых солен. Он входит в состав плазмы крови, лимфы, особенно много его в костной ткани. Фосфор содержится в виде органических соединений в составе белков, жиров, углеводов и в виде неорганических соединений с кальцием, натрием и калием в крови и тканях. Фосфор необходим для нормального межуточного обмена. Кальций и фосфор содержатся во всех кормах; в грубых кормах больше кальция, в концентрированных — фосфора. Соотношение кальция к фосфору в рационе должно быть примерно 2 или 1,5: 1. Наилучшее соотношение этих веществ в молоке. На отложение солей кальция и фосфора отрицательно влияет недостаток витамина D. При недостаточном отложении солей кальция и фосфора в костной ткани у молодых животных развивается рахит, у взрослых — остеомаляция (размягчение костей).
Ж е л е з о входит в состав гемоглобина крови и откладывается в печени в виде резерва. В кормах обычно железа вполне достаточно, и дополнительная дача его не требуется. Недостаток в железе испытывают чаще поросята, у которых развивается малокровие (анемия).
Й о д является важнейшим компонентом гормона щитовидной железы — тироксина. Недостаток его вызывает задержку развития плода и новорожденного, снижается оплодотворяемость животных, отмечаются аборты.
Из кишечника минеральные вещества корма всасываются в виде солей и ионов. Из организма минеральные вещества выделяются с мочой, калом и отчасти с потом.
Воды в организме около 65%; у новорожденных—до 85% . Ее количество пополняется с питьевой водой, с кормом и при внутриклеточном распаде органических веществ. При окислении 1 кг жира получается 1,070 кг воды, 1 кг крахмала — 0,555 кг, 1 кг белка— 0,413 кг.
Высокое содержание воды в организме объясняется ее важной ролью в жизненных процессах. Вода — необходимый структурный элемент клеток, растворитель веществ, поступающих в организм, переносчик питательных веществ и продуктов обмена, среда для всех химических реакций, связанных с обменом. Насколько важна роль воды в физиологических процессах, видно хотя бы из того, что животные могут обходиться без корма дольше, чем без воды. На каждый килограмм сухого вещества корма животные потребляют в среднем: свиньи 7-8 л воды, коровы 4-6 л, лошади 2-3 л, овцы 2-3 л. Принятая вода разносится по всему телу и задерживается в различных тканях и органах. Больше всего воды в коже и в мышцах (49% всей воды, содержащейся в организме). Из организма вода выделяется через почки — с мочой, через легкие — в парообразном состоянии, через кишечник — с калом и через кожу — с потом.
Обмен воды и минеральных веществ
Содержание воды в организме взрослого человека составляет в среднем 73,2±3% безжировой массы тела и варьирует от 10% содержания в жировой ткани до 83% — в почках и крови. Водный баланс в организме поддерживается за счет равенства объемов потерь воды, ее поступления в организм и метаболического образования. Суточная потребность в воде взрослого человека колеблется в зависимости от условий от 21 до 43 мл/кг (в среднем 2400 мл) и удовлетворяется за счет поступления воды при питье (-1200 мл), с пищей (-900 мл) и образующейся в организме в ходе обменных процессов эндогенной воды (-300 мл). Такое же количество воды выводится в составе мочи (-1400 мл), кала (-100 мл), посредством испарения с поверхности кожи и дыхательных путей (-900 мл). Минимальная суточная потребность в воде составляет около 1700 мл.
Потребность организма в воде зависит от характера питания. При питании преимущественно углеводной, жировой пищей и при небольшом поступлении в организм натрия хлорида эти потребности меньше. Пища, богатая белками, а также повышенный прием соли обусловливают большую потребность в воде, которая необходима для экскреции с большим объемом мочи осмотически активных веществ: мочевины и минеральных ионов.
Недостаточное поступление в организм воды или ее избыточная потеря приводят к дегидратации. Это сопровождается дегидратацией и нарушением функции клеток (прежде всего нейронов), сгущением крови, ухудшением ее реологических свойств и нарушением гемодинамики. Недостаток в организме воды в объеме 20% массы тела ведет к летальному исходу. Избыточное поступление воды в организм или снижение ее объемов, выводимых из организма, приводят к водной интоксикации. При этом во внеклеточной жидкости осмотическая концентрация становится ниже, чем внутри клеток, они поглощают воду и набухают. В результате повышенной чувствительности нервных клеток и нервных центров к уменьшению осмоляр- ности водная интоксикация может сопровождаться мышечными судорогами.
Обмен воды и минеральных ионов в организме тесно взаимосвязан и взаимозависим. Это обусловлено необходимостью поддержания осмотического давления на относительно постоянном уровне во внутренней среде организма и в клетках, а также значением сил осмоса для обмена и выведения из организма как воды, так и минеральных ионов. Для поддержания осмотического давления важна концентрация всех растворенных в воде минеральных и органических ионов.
Осуществление ряда физиологических процессов, например возбуждения, синаптической передачи сигналов, сокращения мышцы, невозможно без поддержания в клетке и во внеклеточной среде определенной концентрации ионов Na + , К + , Са 2+ и других минеральных ионов. Поскольку их синтез в организме не осуществляется, все они должны поступать с пищей и питьем. Это обстоятельство нужно обязательно учитывать при составлении пищевых рационов. В случаях невозможности доставки в организм должного количества микроэлементов с пищей и водой, их содержание в организме может восполняться специальными препаратами, содержащими сбалансированный набор.
Данные о физиологической роли, суточной потребности и пищевых источниках минеральных ионов, сведения о микроэлементах приведены в табл. 4.1. К микроэлементам относят ту часть минеральных ионов, которые выполняют в организме ряд важных функций, но суточная потребность в них невелика. Содержание их в воде и продуктах питания человека также низкое.
Таблица 4.1. Физиологическая роль, суточная потребность ортанизма и источники поступления важнейших минеральных ионов и микроэлементов
Обмен воды и минеральных веществ
Вода и минеральные соли не являются источниками энергии, но их нормальное поступление и выведение из организма являются условием его нормальной жизнедеятельности. Они создают внутреннюю среду организма, являясь основной составной частью плазмы крови, лимфы и тканевой жидкости. Все превращения веществ в организме совершаются в водной среде. Вода растворяет и транспортирует растворенные пищевые вещества, поступившие в организм. Вместе с минеральными веществами она принимает участие в построении клеток и во многих реакциях обмена. Вода участвует в регуляции температуры тела; испаряясь, она охлаждает тело, предохраняя его от перегрева. В организме человека вода распределяется между клетками и межклеточными пространствами (табл. 12.8).
Вода всасывается в пищеварительном тракте. Минимальная суточная потребность в воде человека весом 70 кг — 2—2,5 л. Из них только 350 мл образуется в окислительных процессах, около 1 л поступает в организм с пищей, и около 1л — с выпиваемой жидкостью. Из организма примерно 60% воды выводится почками, 33% — через кожу и легкие, 6% кишечником и только 2% жидкости задерживается.
В организме новорожденного содержится относительно большое количество воды (рис. 12.11; табл. 12.9). У грудного ребенка она составляет 75% массы тела, а у взрослого — 50—60%. С возрастом объем внутриклеточной жидкости возрастает, при этом снижается количество воды в межклеточном веществе. В связи с большей поверхностью тела ребенка и более интенсивным обменом веществ, чем у взрослого человека, у детей вода выводится через легкие и кожу более интенсивно, чем у взрослых. Например, ребенок массой 7 кг за сутки выделяет 1/2 часть внеклеточной жидкости, а взрослый — 1/7. Вода в кишечнике у детей всасывается значительно быстрее, чем у взрослых. Из-за слабо развитого чувства жажды и низкой чувствительности осморецепторов дети более склонны к обезвоживанию, чем взрослые.
Аптидиуретический гормон (АДГ) задней доли гипофиза усиливает обратное всасывание воды из первичной мочи
Распределение жидкости в организме взрослого человека
Лимфа, тканевая жидкость
Распределение жидкости в организме детей разного возраста,
Рис. 12.11. Количество воды (в % от веса тела) в организме человека в разном возрасте
в канальцах почек (вследствие чего уменьшается количество мочи), а также влияет на солевой состав крови. При уменьшении количества АДГ в крови развивается несахарный диабет, при котором в сутки выделяется до 10—20 л мочи. Вместе с гормонами коры надпочечников АДГ регулирует водно-солевой обмен в организме.
Соли, растворимые в воде, необходимы для поддержания буферных систем и pH жидкостей организма человека. Наиболее важными из них являются хлориды и фосфаты натрия, калия, кальция, магния. При недостатке или избытке в пище тех или иных солей, особенно натрия и калия, возникают нарушения водно-солевого баланса, которые приводят к обезвоживанию организма, отекам, нарушениям артериального давления.
С наличием минеральных веществ связаны явление возбудимости (натрий, калий, хлор), рост и развитие костей (кальций, фосфор), нервных элементов, мышц. Они способствуют нормальной деятельности сердца и нервной системы, используются для образования гемоглобина (железо), соляной кислоты желудочного сока (хлор).
По мере роста ребенка количество солей в организме накапливается: у новорожденного соли составляют 2,55% массы тела, у взрослого — 5%. Растущий детский организм особенно нуждается в дополнительном поступлении многих минеральных веществ. Особенно велика у детей потребность в кальции и фосфоре, которые необходимы для формирования костной ткани. Наибольшая потребность в кальции отмечается на первом году жизни и в период полового созревания. На первом году жизни кальция требуется в восемь раз больше, чем на втором, и в 13 раз больше, чем на третьем году, затем потребность в кальции снижается. В дошкольном и школьном возрасте суточная потребность в кальции составляет 0,68—2,36 г.
У взрослых при снижении поступления в организм кальция он вымывается из костной ткани в кровь, обеспечивая постоянство ее состава (рис. 12.12). У детей при недостатке кальция в пище он, наоборот, задерживается костной тканью, что ведет к еще большему понижению его количества в кро-
Рис. 12.12. Регуляция обмена кальция в организме человека
ви. Для нормального процесса окостенения у детей дошкольного возраста соотношение поступления кальция и фосфора должно быть равным единице. В 8—10 лет кальция требуется несколько меньше, чем фосфора, в соотношении 1:1,5. В старшем школьном возрасте это соотношение изменяется в сторону увеличения содержания фосфора и должно равняться 1:2. Суточная потребность в фосфоре — 1,5—4,0 г.
У человека околощитовидные железы вырабатывают па- ратгормон (ПтГ), регулирующий обмен кальция и фосфора в организме. При гипофункции околощитовидных желез происходит снижение содержания кальция в крови, что приводит к судорожным сокращениям мышц ног, рук, туловища и лица, называемым тетанией. Эти явления связаны с повышением возбудимости нервно-мышечной ткани в связи с недостатком кальция в крови, а следовательно, и в цитоплазме клеток. При недостаточном выделении ПтГ кости становятся менее прочными, переломы плохо заживают, легко ломаются зубы. К недостаточности гормональной функции околощитовидных желез особенно чувствительны дети и кормящие матери. В обмене кальция принимают также участие эстрогены, вырабатываемые половыми железами — яичниками, и гормон щитовидной железы кальцитонин.
55) Минеральные соли, их физиологическая роль, значение в питании людей. Заболевания связанные с избытком и недостатком минеральных веществ в организме человека и их профилактика.
В рациональном питании большое значение имеет оптимальное содержание в пищевых рационах минеральных веществ. Минеральные вещества принимают участие в пластических процессах, построении тканей организма, особенно костной, где Са и Р являются основными структурными компонентами. Минеральные вещества поддерживают кислотно-щелочное равновесие в организме; нормальный солевой состав крови; осмотическое давление; участвуют в нормализации водно-солевого обмена. Велика их роль в функции эндокринных желез и большинства ферментных систем.
Все минеральные вещества пищевых продуктов делятся на минеральные элементы щелочного (Ca, Mg, K, Na) и кислотного характера (Р, S, Cl).
Кальций является необходимым элементом матрикса костной ткани, выступает регулятором нервной системы, участвует в нервном сокращении. Дефицит кальция приводит к деминерализации костей, повышает риск развития остеопороза, формирования болезней костно-мышечной системы. Среднее потребление в России составляет 500-750 мг/сут. Уточненная физиологическая потребность для взрослых — 1000 мг/сут, для лиц старше 60 лет — 1200 мг/сут, для детей — от 400 до 1200 мг/сут
Фосфор принимает участие во многих физиологических процессах, включая энергетический обмен (в виде высокоэнергетического АТФ). Фосфор регулирует кислотно-щелочное равновесие, входит в состав фосфолипидов и нуклеиновых кислот, участвует в клеточной регуляции путем фосфорелирования ферментов, необходим для минерализации костей и зубов.
Дефицит фосфора приводит к анорексии, анемии, рахиту. В рациональном питании важное значение имеет оптимальное соотношение минеральных веществ. Избыток фосфора отрицательно влияет на усвояемость кальция. Оптимальным для всасывания и усвоения кальция является соотношение содержания кальция и фосфора 1: 1. В рационах россиян оно приближается к 1: 2. Среднее потребление фосфора в разных странах 1110-1570 мг/сут, в России — 1200 мг/сут. Уточненная физиологическая потребность для взрослых рекомендована на уровне 800 мг/сут. Соотношение содержания кальция и фосфора 1: 0,8. Физиологическая потребность для детей — от 300 до 1200 мг/сут.
Магний входит в состав многих ферментов, участвует в синтезе белков, нуклеиновых кислот, необходим для поддержания гомеостаза кальция, калия и натрия. Недостаток магния повышает риск развития гипертонии, болезней сердца, внезапной смерти. Среднее потребление магния в разных странах составляет от 200 до 350 мг/сут, в России — 300 мг/сут. Физиологическая потребность для взрослых составляет 400 мг/сут, для детей — от 55 до 400 мг/сут.
Калий является основным внутриклеточным ионом, играет ведущую роль в водном, кислотном и электролитном балансе, необходим для мышечной деятельности, в частности миокарда; проведения нервных импульсов; регуляции давления. «Калиевые» диеты назначают при гипертонической болезни, недостаточности кровообращения; почечной патологии. Среднее потребление калия в разных странах составляет 2650-4140 мг/сут, в России — 3100 мг/сут. Физиологическая потребность для взрослых — 2500 мг/сут.
Натрий. Природное содержание натрия в пищевых продуктах не велико.
-Недостаток железа- нарушается формирование эритроцитов в красном костном мозге.
-При недостатке кальция возникает заболевание остеопороз для которого характерно обеднение минерального состава кости.
-Избыток марганца вызывает поражения нервной системы и нарушения процессов костеобразования.
-Эндемический зоб — заболевание щитовидной железы, связанное с недостатком йода в организм
Можно ли сделать минеральной водопроводную воду
«Смягчая» водопроводную воду с помощью фильтра, мы удаляем из неё природные соли — кальций, натрий, магний и так далее. А теперь посмотрите на состав любого аптечного поливитаминного комплекса: пищевые соли входят в него наравне с железом и витаминами разных групп! Это звучит как парадокс: мы удаляем необходимые нам вещества из воды (где они бесплатны) и платим за них аптечным сетям. Давайте разберёмся, какие вещества нужны человеку и можно ли получать их без употребления таблеток — прямо из воды.
К слову, эта статья — логическое продолжение материалов о том, какую воду полезнее употреблять, и о разнице между бутилированной и фильтрованной водопроводной водой. После многочисленных вопросов от читателей мы решили, что тема не закрыта и нам ещё есть, о чём рассказать.
Часть 1. Какие вещества нужны человеку?
Об эту тему изломано множество копий. Написаны научные книги, технические статьи, тысячи часов потрачены на исследования и обсуждения. Исторически отношение к полезным для человеческого организма веществам тоже менялось. Например, в начале XX века на полном серьёзе считалось, что радиация — это полезно. Производилось радиоактивное мыло и зубная паста, шоколад с радием, а воду целенаправленно «радифицировали». Впрочем, это скорее курьёз, чем плод научного подхода.
1932 год. Знаменитый крем Tho-Radia, призванный вдыхать новую жизнь в женскую кожу с помощью радия.
На сегодняшний день существует чёткий и подтверждённый список незаменимых пищевых и непищевых веществ, требующихся организму для полноценного функционирования. Незаменимые пищевые вещества делятся на четыре категории — жирные кислоты (α-линоленовая и линолевая), аминокислоты (изолейцин, лизин, треонин и так далее), витамины (A, B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7, B9, B12, C, D, E и K) и минеральные соли — калий, хлориды, натрий, кальций, фосфор, магний, цинк, железо, марганец, медь, йод, селен и молибден. Конечно, разные вещества нужны организму в разных дозировках: например, суточная доза калия — 4700 мг, а молибдена — 45 мкг, то есть в 100 000 раз меньше! Но природа этот вопрос продумала за нас: при сбалансированном питании мы будем получать все необходимые вещества в должном количестве, без серьёзных превышений или недостач.
Соответственно, лучший источник незаменимых веществ — естественный, то есть через пищу и вообще окружающий мир. Витамин А присутствует в моркови, тыкве, шпинате, икре, молоке, витамин B1 — в пшеничном хлебе, картофеле, дрожжах. Витамин D синтезируется нашим организмом под воздействием ультрафиолета, то есть под солнечными лучами. И так далее — перечислять можно бесконечно. Правильное питание — залог здоровья.
Но мы забываем о том, что живём не в пасторальном мире среди бескрайних полей и овечьих стад. Мы живём в мегаполисах, работаем по 16 часов в сутки, питаемся в заведениях фастфуда, загораем раз в год во время отпуска — в общем, недополучаем практически все элементы, нужные организму для полноценного функционирования.
Вот тут и вступают в дело искусственные источники витаминов, солей и аминокислот.
Часть 2. Источники полезных веществ
Пищевые добавки
Самым простым с точки зрения потребителя способом восполнять нехватку полезных веществ, является потребление их в качестве пищевых добавок. Наиболее известный пример — это, конечно, йодированная соль. Вы пользуетесь ей, как обычной поваренной солью, но, помимо естественного хлорида натрия, получаете вместе с ней иодиды или иодаты калия, то есть две полезных минеральных соли в одной.
Йод — это вообще проблемный элемент. Во многих регионах его естественное содержание в почве и, соответственно, пище недостаточно — а йододефицит приводит к серьёзным последствиям, в частности — к умственной отсталости у детей. Искусственно йодированная соль — это надёжный способ скорректировать количество йода, поступающего в организм. Йодировать её начали ещё в 1920-х годах, когда в США началось резкое распространение зобной эндемии — заболевания щитовидной железы, связанного именно с недостатком йода. В СССР йодировать соль тоже начали ещё до войны — в 1930-е годы.
Сегодня витаминами и минеральными солями обогащают многие продукты питания. Мы часто видим на упаковках: «сок с витамином С» или «каша с антиоксидантным комплексом — витаминами А, С и D». Это хороший способ восполнять недостаток незаменимых веществ — вы просто едите и не замечаете, как потребляете витамины или минералы. Минус в том, что считать и контролировать количество «поступлений» при этом довольно трудно, и, конечно, далеко не всеми полезными веществами можно обогатить ту или иную пищу. Постоянно потребляя йодированную соль, можно заработать передозировку тем же йодом — и, как следствие, диарею, головные боли и прочие неприятные последствия. В общем, это несколько бессистемный способ.
Поливитамины
В начале материала мы упоминали поливитамины. В отличие от потребления обогащённой пищи, использование поливитаминов позволяет чётко дозировать полезные вещества и получать ту дозу, которая необходима именно вам. Поливитамины бывают самыми разными — для различных возрастов, для женщин и для мужчин, с расширенными и сокращёнными составами.
По сути, поливитамин — это таблетка (бывает также в виде жидкости), в которой сконцентрированы незаменимые вещества. Их количество и состав соответствуют назначению- для пожилых они одни, для беременных другие, для детей третьи. Среднестатистический максимально «прокаченный» поливитамин включает витамины A, B1, B2, B3, B5, B6, B7, B9, B12, C, D3, E, K, а также кальций, магний, железо, фосфор, медь, йод, молибден, цинк, селен, марганец и хром. Обратите, кстати, внимание на хром. Он не входит в одобренный ВОЗ список незаменимых веществ, потому что официального доказательства его биохимической активности не существует, но есть предположения (sic!) о его участии в углеводном обмене.
У поливитаминов есть плюсы, но есть и минусы. Всё-таки концентрация незаменимых веществ в таблетках достаточно высока, а люди не любят читать инструкции и вместо одной таблетки в день принимают порой по 5−6, что со временем приводит к переизбытку. А он может привести к серьёзным последствиям, например, к отравлению молибденом или медью. Или к гипернатриемии, следствием которой является обезвоживание организма.
Второй недостаток поливитаминов заключается в том, что их нельзя воспринимать как лекарства. Но фармацевтические компании рекламируют их именно таким образом, да и продаются они в аптеках — в итоге поливитамины нередко используются как лекарственные средства при различных заболеваниях. При том, что международные исследования однозначно утверждают, что поливитамины не оказывают никакого влияния на развитие раковых клеток, предотвращение сердечно-сосудистых заболеваний, других болезней и расстройств. На эту тему проведены серьёзные исследования, а некоторые споры между научными сообществами длятся годами. Но объективно говоря, поливитамин — это просто добавка, которая предотвращает недуги, возникающие от нехватки незаменимых веществ. Но она не спасёт ни от инфаркта, ни от перелома ноги.
А теперь поговорим о воде.
Часть 3. Вода как источник солей
В предыдущих статьях мы уже писали о минеральной воде. Минеральная вода естественным или искусственным путём обогащена полезными для человека веществами. Независимо от способа обогащения минеральные воды классифицируют несколькими способами — по потребительским свойствам (очищенная, столовая, лечебно-столовая, лечебная), по ионному составу и так далее. О степени минерализации мы достаточно подробно рассказывали вот здесь, поэтому сейчас поговорим об ионном составе.
В этом плане минеральные воды подразделяют на три класса — гидрокарбонатные, хлоридные и сульфатные, а каждый класс делится в свою очередь на три группы — кальциевую, магниевую и натриевую. Таким образом, в каждой минеральной воде так или иначе присутствует какое-то количество полезных солей. Здесь и начинается целый ряд заблуждений, которые вызваны отчасти агрессивной рекламой, отчасти — надписями на этикетках, отчасти — нежеланием людей разбираться в тонкостях вопроса. Попытаемся часть этих заблуждений развеять.
Самое главное, что нужно запомнить, это простой факт: вода — это не еда. Вода, даже минеральная, даже обогащённая витаминами, не содержит достаточного количества питательных веществ, чтобы поддерживать ваш организм в рабочем состоянии. Если же обогатить воду незаменимыми веществами до состояния эмульсии, то это будет уже не вода, а суп. Поэтому не стоит рассчитывать на получение полезных веществ из воды. Их наличие — это приятный бонус, а не основа всего.
При поверхностном рассмотрении (например, чтении этикеток) кажется, что почти любая минеральная вода является источником четырёх веществ — кальция, магния, натрия и калия. Кальций, как всем известно, является основным материалом для костной ткани, а также необходим для работы мышц, сердечно-сосудистой и пищеварительной систем. Калий и натрий — это системные электролиты, принимающие участие в синтезе аденозинтрифосфорной кислоты; кроме того, они регулируют кислотно-щелочной баланс крови и участвуют в ряде других процессов. Магний — это «универсальный помощник»: он и участвует в реакциях с аденозинтрифосфорной кислотой, и нужен для правильного формирования костной ткани, и полезен для нервной системы. Но это не более чем красивые слова, поскольку на самом деле магний — единственная из перечисленных солей, способная в адекватном количестве усваиваться из воды.
Натрия в минеральной воде воде очень мало. По сути, для получения дневной дозы натрия человеку нужно выпить около 120 литров (!) воды. Вы представляете себе такой объём? То же касается калия — его концентрация чуть побольше, порядка 50 литров вполне хватит. При том, что для удовлетворения дневной нормы натрия достаточно просто солить пищу, а калия — есть картофель и бобовые, и это будет в десятки раз эффективнее. Наконец, «водяной» кальций взрослым человеком вообще не усваивается! Из воды его может забирать растущий организм младенца, чьи кости активно развиваются и черпают строительный материал из любых источников, или беременная женщина, чьё тело снабжает кальцием плод. Взрослые же не настолько нуждаются в кальции, чтобы организм усваивал его в таких малых количествах, в каких он содержится в воде.
Поэтому мы склонны переоценивать роль воды в снабжении нас минеральными солями. Утренний бутерброд с сыром принесёт в плане кальция больше проку, чем галлон выпитой воды. Вы скажете: на что-то же соли в воде влияют! Да, влияют. На вкус. Поэтому вода одного производителя кажется нам вкуснее воды другого, хотя казалось бы — и там, и там H2O. Но если при простом питье формируемый примесями вкус воды приятен, то при готовке желательно, чтобы вода была максимально чистой, и её вкусовые свойства никак не влияли на результаты кулинарных опытов. Особенно это касается напитков — например, чем меньше солей в воде, используемой для варки пива, тем лучше.
Подытожим. Итак, вода совершенно не обязательно должна иметь сложный минеральный состав с обилием солей. В первую очередь она должна быть чистой, без токсинов, паразитов, ржавчины и прочих неприятных вещей. А минеральную воду можно и нужно пить, если вы её любите — лишним не будет, вы получите какое-то количество незаменимых веществ, а главное — удовольствие от её употребления. И вот тут возникает вопрос, о котором мы, казалось бы, забыли — а что же с магнием, который организм всё-таки может усваивать из воды?
Часть 4. Очищаем и минерализуем
Как мы говорили выше, важнейшее свойство воды — это её чистота. Поэтому воду из-под крана пить можно (об этом мы тоже писали), но ей не помешает дополнительная обработка, а конкретнее — фильтрация. Это может быть обратноосмотический фильтр под раковиной или более простой и бюджетный вариант в форм-факторе кувшина.
Говоря о минеральных солях, стоит заметить, что вода, которую мы получаем из-под крана, обычно достаточно жёсткая. Чайники от такой воды постепенно «обрастают» накипью, которую приходится отчищать химическими средствами. Соответственно, одно из основных требований к фильтрам — смягчать воду, удаляя из неё соли жёсткости, то есть многократно упомянутые магний и кальций. Тем более, если их в воде избыток, она не просто образует накипь, но и менее приятна на вкус — появляется лёгкая солоноватость или ощущение горечи.
Многие полагают, что фильтры-кувшины значительно хуже очищают воду, чем стационарные модели, но это в большой степени заблужение. Вода в них, как и в подраковинных фильтрах, проходит через несколько степеней очистки. Сетчатый фильтр с микропорами не пропускает ржавчину, ил, песок и прочие относительно крупные частицы. Затем вода проходит через фильтрующую смесь, состоящую из активированного угля, волокна «Аквален» и ионообменной смолы. Активированный уголь впитывает хлор и другие опасные примеси, «Аквален» очищает воду от тяжёлых металлов, а ионообменная смола отвечает за умягчение, избавляя воду от жёстких солей.
А теперь вопрос — имеет ли смысл искусственно минерализировать воду на выходе из фильтра? Натрием или калием — не имеет, а вот магнием, как говорилось, выше — вполне. Магний Mg2+ занимает четвёртое место по концентрации в организме человека среди других солей (уступая калию, натрию и кальцию), причём 60% магния сосредоточено в костной ткани, а ещё 20% — в органах сердечно-сосудистой системы. Суточная потребность в магнии для взрослого мужчины составляет 350−400 мг, а в случае недобора этой дозы возникает гипомагниемия (дефицит магния). Её симптомы достаточно неприятны — это нервно-мышечная возбудимость, тремор, нервные спазмы, тахикардия, нарушение пищеварения, головные боли, утомляемость и так далее, то есть всё то, что мы испытываем при стрессе. Нехватка магния может повлечь за собой нехватку калия и кальция, так как магний принимает участие в процессах их усвоения.
Несмотря на то, что магний присутствует в большом количестве продуктов, около 40% (!) людей испытывают его недостаток — особенно городские жители. Это связано с рядом факторов: например, магний легко растворим в воде и при варке магниесодержащих продуктов «уходит» в воду. Орехи, шоколад и бобовые богаты магнием, но они калорийны, и люди, ограничивающие свой рацион или сидящие на диете, почти его не получают. Есть магний в шпинате и брокколи, но его там мало, а тонну сырой брокколи не съешь. Вот и выходит, что магний рядом, а получать его — трудно.
Здесь и вступает в дело искусственная минерализация воды по выходе из фильтра. Вопреки заблуждениям, это «умеют» не только подраковинные обратноосмотические фильтры, но и современные кувшины. Например, в смесь, использующуюся в фильтре «Аквафор Прованс А5», добавлены гранулы магния, которые растворяются при контакте с водой (технология защищена патентом RU2429067). Также существует технология, при которой магний находится в отдельном контейнере, который контактирует с очищенной водой, минерализуя её. Количество магния рассчитывается таким образом, чтобы минерализация была более или менее однородной на протяжении всего срока службы фильтра. Таким образом, перед попаданием воды в резервуар, откуда её переливают в чайник или кружку, происходит искусственная минерализация.
Вы можете спросить — а нет ли опасности передозировки? В общем-то есть, но — не магнием. Дело в том, что натрий, кальций и калий в больших дозировках являются ядами. Тошнота, диарея, запоры, обмороки или даже кома — характерные черты передозировки этими солями, и получить эту передозировку можно, банально наглотавшись поливитаминов. Магний же очень быстро и эффективно выводится из организма через почки, и гипермагниемия (передозировка магния) возникает только у людей, больных почечной недостаточностью или просто очень пожилых. Если у вас с почками всё в порядке, вы можете ложками есть магний прямо из фильтра, и вам ничего не будет (но делать этого мы всё-таки настоятельно не рекомендуем).
Иначе говоря, с помощью фильтра можно добиться эффекта по магнию, сравнимого с эффектом от поливитаминов, и более или менее контролировать минерализацию потребляемой воды. Водопроводная вода, как и любая другая, не сможет заместить здоровое питание или прогулки на солнце, но по поводу её чистоты и снабжения вашего организма магнием вы можете не беспокоиться. Пейте воду, вкусную и полезную!
Методическая разработка по биологии (10 класс) на тему: 10 класс Биология ТЕМА 2. ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КЛЕТОК. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА: ВО-ДА И МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ
РАЗДЕЛ 1.
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО
ТЕМА 2.
ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КЛЕТОК. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА: ВОДА И МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ
1. Основные вопросы теории
Молекулярный уровень организации живого
Это самый низкий уровень организации живого, представленный отдельными молекулами органических и неорганических веществ, входящих в состав клеток организма. Жизнь можно представить как организационную иерархию вещества. В живых существах элементы образуют очень сложные органические молекулы, из которых в свою очередь состоят клетки, а из тех – целый организм. Жизнедеятельность всех живых систем проявляется во взаимодействии молекул различных химических веществ.
Элементный состав клетки
В составе живой природы обнаружено более 80 химических элементов, 27 из них выполняют определенные функции.
27 | ||
↓ | ↓ | ↓ |
макроэлементы | микроэлементы | ультрамикроэлементы |
99 % | 10-3 % | 10-6 % |
98% – биогенные: О, С, Н, N K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, P. | B, Mn, Zn, Cu, Co, F, I, Br, Mo. | U, Au, Be, Hg, Se, Ra, Cs. |
Некоторые организмы – интенсивные накопители определенных элементов: бактерии способны накапливать марганец, морские водоросли – йод, ряска – радий, моллюски и ракообразные – медь, позвоночные – железо.
Каждый из химических элементов выполняет важную функцию в клетке.
Элемент | Биологическая роль |
О, Н | входят в состав воды. |
С, О, Н, N | входят в состав белков, липидов, нуклеиновых кислот, полисахаридов. |
K, Na, Cl | обеспечивают проведение нервного импульса. |
Ca | компонент костей, зубов, необходим для мышечного сокращения, компонент свертывания крови, посредник в механизме действия гормонов. |
Mg | структурный компонент хлорофилла, поддерживает работу рибосом и митохондрий. |
Fe | структурный компонент гемоглобина, миоглобина. |
S | входит в состав серосодержащих аминокислот, белков. |
P | входит в состав нуклеиновых кислот, костной ткани. |
B | необходим некоторым растениям. |
Mn, Zn, Cu | активаторы ферментов, влияют на процессы тканевого дыхания. |
Zn | входит в состав инсулина. |
Cu | входит в состав окислительных ферментов, переносит кислород в тканях моллюсков. |
Co | входит в состав витамина В12. |
F | входит в состав эмали зубов. |
I | входит в состав тироксина. |
Химические вещества клетки | |
↓ | ↓ |
неорганические | органические |
вода – 7585%; минеральные соли – 11,5%. | белки – 10 – 20%; углеводы – 0,2 – 2%; липиды – 1 – 5%; нуклеиновые кислоты – 1 – 2%. |
Уникальное строение воды, её свойства и роль в живой природе
Строение и свойства воды | Биологические функции воды |
1. Малые размеры молекул воды, молекула воды нелинейна. | 1. Вода – среда для протекания биохимических реакций в клетках. 2. Вода – донор электронов, источник ионов водорода и свободного кислорода при фотосинтезе. 3. Вода необходима для гидролиза макромолекул до мономеров, например, в пищеварении. 4. Вода обусловливает рН среды, что определяется концентрацией Н+ и ОН-. |
2. Полярность, молекула воды – диполь. | 5. Вода – универсальный растворитель для полярных веществ. По растворимости в воде все вещества подразделяют на гидрофильные (водорастворимые) и гидрофобные (нерастворимые). 6. Вода – среда для транспорта веществ. |
3. Способность образовывать водородные связи, подвижность молекул воды. … – водородная связь. | 7. Вода обладает высокой теплопроводностью и большой теплоемкостью, выполняет функцию терморегуляции в живых организмах (т.к. для разрыва водородных связей нужно много Е). 8. При замерзании вода расширяется (т.к. образуется много водородных связей), лед легче воды, плавает на её поверхности, самая «тяжелая вода» при t +40, что спасает жизнь водным обитателям зимой. |
4. Силы межмолекулярного сцепления не позволяют воде сжиматься. | 9. Вода служит для поддержания формы организмов (гидростатический скелет, тургорное давление). 10. Вода – смазывающее вещество в биологических системах (синовиальная жидкость, плевральная жидкость, слизь). |
Минеральные соли, их значение
Минеральные соли находятся в клетке либо в диссоциированном на ионы, либо в твердом состоянии.
Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Их значение:
- Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения.
- Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану.
- От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки.
Буферные свойства клетки | |
↓ | ↓ |
фосфатная буферная система | бикарбонатная буферная система |
анионы фосфорной кислоты (Н2РО4- , НРО42-) | анионы угольной кислоты (НСО3-) |
рН внутриклеточной среды на уровне 6,9 | рН внеклеточной среды на уровне 7,4 |
- Участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.
Таким образом, функция минеральных солей в клетке состоит в поддержании постоянства внутренней среды и в обеспечении процессов жизнедеятельности.
В твердом состоянии минеральные соли Са3 (РО4)2 (фосфат кальция) входят в состав межклеточного вещества костной ткани, в раковины моллюсков, обеспечивая прочность этих образований.
2. Тесты с выбором одного правильного ответа
1. Какой из химических элементов одновременно входит в состав костной ткани и нуклеиновых кислот?
а) калий;
б) фосфор;
в) кальций;
г) цинк.
2. У детей развивается рахит при недостатке:
а) марганца и железа;
б) кальция и фосфора;
в) меди и цинка;
г) серы и азота.
3. Передача возбуждения по нерву или мышце объясняется:
а) изменением концентраций ионов натрия и калия внутри и вне клетки;
б) разрывом водородных связей между молекулами воды;
в) изменением концентрации водородных ионов;
г) теплопроводностью воды.
4. Основу реакционного центра хлорофилла составляет атом:
а) Na;
б) K;
в) Mg;
г) Cl.
5. К биогенным элементам относятся:
а) C, P, O, N;
б) Ca, Cl, N, O;
в) C, H, O, N;
г) H, O, C, Na.
6. При замерзании воды расстояние между её молекулами:
а) уменьшается;
б) увеличивается;
в) не изменяется.
7. Какое из свойств воды обусловлено её полярностью?
а) теплопроводность;
б) теплоемкость;
в) способность растворять неполярные соединения;
г) способность растворять полярные соединения.
8. Какие химические связи возникают между атомами в молекуле воды?
а) ковалентно-неполярные;
б) ковалентно-полярные;
в) ионные;
г) водородные.
9. Поверхностное натяжение воды обусловлено:
а) ковалентными связями;
б) ионными связями;
в) водородными связями.
10. При испарении воды с поверхности тела расстояние между её молекулами:
а) увеличивается;
б) уменьшается;
в) не изменяется.
11. Какое свойство воды делает её хорошим растворителем в биологических системах?
а) высокая теплоемкость;
б) медленный нагрев и остывание;
в) высокая теплопроводность;
г) полярность молекул.
12. Твердость кости придают:
а) аминокислоты;
б) липиды и углеводы;
в) глюкоза и гликоген;
г) минеральные соли.
13. Почему в магазинах продают соль, обогащенную йодом?
а) йод влияет на изменение состава крови;
б) йод нормализует деятельность щитовидной железы;
в) йод предупреждает заболевание туберкулезом;
г) йод способствует образованию витамина D.
14. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются:
а) гидрофобными;
б) гидроидными;
в) гидрогенными;
г) гидрофильными.
15. К органическим веществам клетки относятся:
а) белки и липиды;
б) минеральные соли и углеводы;
в) вода и нуклеиновые кислоты:
г) все правильно.
3. Заполните пропуски
(заполните пропуски в предложениях, используя слова,
выделенные курсивом)
В молекуле воды (1…) атом кислорода (2…) связан с (3…) атомами водорода. Молекула воды (4…), т.к. кислород электроотрицательнее водорода. Между атомом кислорода одной молекулы и атомом (5…) другой молекулы воды образуется (6…).
Полярностью молекул воды обеспечивается ее способность (7…) другие полярные соединения. А наличием множества слабых водородных связей обеспечиваются такие её свойства, как высокая (8…) и (9…). Максимальную плотность вода имеет при температуре (10…). Поэтому лед (11…) воды и плавает на её поверхности. По отношению к воде все вещества клетки делятся на (12…) и (13…). К гидрофильным веществам относятся (14…), (15…), а к гидрофобным – (16…).
(Глюкоза, один, водорода, двумя, водородная связь, ковалентно, теплоемкость, полярна, теплопроводность, растворять, +40С, соли, легче, гидрофобные, гидрофильные, жиры.)
4. Найдите ошибки в приведенном тексте, исправьте их
(укажите номера предложений, в которых сделаны ошибки, объясните их)
1. Вода – одно из самых распространенных органических веществ на Земле. 2. В клетках костной ткани до 20% воды, а в клетках мозга до 85%. 3. Свойства воды определяются структурой её молекул. 4. Ионные связи между атомами водорода и кислорода обеспечивают полярность молекулы воды и ее способность растворять неполярные соединения. 5. Между атомами кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется сильная водородная связь, чем объясняется высокая температура кипения воды.