Обмен макроэлементов. 
Биохимия для технологов

Кальций. В организме взрослого человека содержится в среднем 1,0—1,5 кг кальция. В настоящее время выделяют две основные функции кальция в организме человека. Первая — это структурная, поскольку кальций является важнейшим компонентом костной ткани и ткани зуба. Здесь сосредоточено 99% общей массы кальция.

В остальных тканях и жидкостях организма содержится лишь 1% общей массы кальция. Именно этот кальций выполняет вторую, но не менее значимую функцию — регуляторную. Роль ионов Са²⁺ как одного из универсальных внутриклеточных посредников доказана во множестве биохимических процессов в клетке — росте, делении, возбудимости, сокращении, секреции и многих других. Кроме этого, ионы кальция служат важнейшими посредниками во внутриклеточной передаче сигналов.

В организме кальций находится в виде разных соединений с фосфором. Поэтому обмен этих двух макроэлементов тесно связан. Лучшее их усвоение достигается при соотношении 1:1, однако в рационе россиян приближается к 1:2 [21]. В процессе всасывания Са в кишечнике участвует кальцитриол — производное витамина D. Этим обосновывается совместный прием препаратов Са и витамина D для поддержания запасов Са в организме.

В крови содержание Са²⁺ поддерживается на постоянном уровне тремя гормонами: кальцитриолом, паратгормоном и кальцитонином (см. подпараграф 8.5.2). Независимо от поступления с продуктами, определенные количества Са²* выделяются из организма, извлекаясь из костной ткани. Поскольку ее количество у взрослых больше, чем у детей, то для взрослых дефицит Са²⁺ не так опасен, как для детей.

В цитозоле клеток концентрация Са²" в 10 000 раз меньше концентрации свободных ионов Са²⁺ снаружи клеток [4]. Такую разницу в концентрации поддерживает система активного транспорта ионов кальция. Она представлена двумя видами компонентов: кальциевыми насосами и обменниками.

Кальциевыми насосами в клетке называют универсальные ферменты, выводящие Са²" из цитоплазмы: Са²⁺-АТФ-фосфатазы или коротко Са²⁺— АТФ-азы. Это каталитически активные белки, встроенные в плазматическую мембрану, а также в мембрану саркоплазматического или эндоплазматического ретикулума.

Схема действия Са²⁺-АТФ-фосфатазы описана в табл. 14.5. Поскольку перенос кальция через мембрану из цитоплазмы в межклеточное пространство осуществляется против градиента концентрации, Са²⁺-АТФ-аза не только транспортирует ионы Са²⁺, но и обеспечивает этот процесс энергией [4].

Со стороны цитозоля Са²⁺-АТФ-аза имеет участки со свободными карбоксильными группами аспарагиновой кислоты для связывания кальция и АТФ.

Другой способ поддержания нужной концентрации ионов кальция — это Ка⁺, Са²*-обменники (рис. 14.1). Они представляют собой поры в биомембранах, образованные канальными белками. Эти белки обладают слективностью в отношении ионов Са. Перенос кальция осуществляется активным антинортом сопряженно с транспортом Na: ионы натрия по градиенту концентрации переносятся в клетку, а ионы Са²~нротив градиента концентрации выходят из клетки [4].

Таблица 14.5

Работа Са²⁺-АТФ-фосфатазы

Этап

Схема

Связывание Са2~ со стороны цитозоля Са2~-АТФ-азой

Изменение конформации Са2+-АТФ-азы

Вытеснение ионов Са2+ из клетки

Рис. 14.1. Перенос кальция активным антипортом пои участии Na Са²⁺-обмснника В молоке Са — важный технологический фактор. Он необходим для стабилизации казеиновых олигомеров и при формировании казеинового сгустка (см. рис. 4.20—4.22). От содержания Са зависят консистенция, прочность сгустка, потеря белков с сывороткой, а также расход сырья для производства таких продуктов, как творог, сыр. В связи с этим в технологических целях при недостаточном содержании Са в молоке допускается внесение хлорида кальция в соответствии с технической документацией.

Фосфор есть в составе всех тканей организма. Примерно 50% всего фосфора находится в костной ткани, особенно много фосфора в мышцах и мозговом веществе, около 20% — во внеклеточной жидкости.

При дефиците фосфора его содержание в крови не меняется, поскольку организм извлекает запасы фосфора из тканей.

В регуляции обмена фосфора участвует паратгормон. Он снижает содержание фосфатов, увеличивая их экскрецию почками.

Функции фосфора можно разделить на два вида: структурные и обменные.

Структурные функции проявляются и па уровне всего организма, и на уровне клетки. Например, фосфор (фосфорнокислый кальций) является компонентом костной ткани. На уровне биомолекул фосфор необходим для стабилизации небелковой части витамина В₆ в составе аминотрансфераз. Остатки фосфорной кислоты есть в структуре ряда нуклеотидных коферментов (НАД, НЛДФ, КоЛ). В сочетании с рибозой и дезоксирибозой образует сахаро-фосфатный скелет, к которому крепятся азотистые основания в НК.

Именно благодаря отрицательно заряженным фосфатным группировкам в сахаро-фосфатном скелете возникает притяжение ионизированных КH_:i-групп остатков Лиз в гистоновых белках при формировании третичной структуры НК.

Обменные функции фосфора очень многообразны: участие в энергообеспечении биохимических процессов; посредничество в гормональной регуляции и др.

Поддержание кислотно-основного равновесия в организме человека осуществляется благодаря четырем буферным системам: гемоглобиновой, белковой, бикарбонатной и фосфатной. Компонентами фосфатной буферной системы являются дигидрофосфат (ЫаН., РОД и гидрофосфат (Na₂IIРОД натрия в соотношении 1:4.

Фосфор — один из тех элементов, которые участвуют в формировании макроэргических связей, поэтому он необходим для активации метаболитов различных обменных процессов (см. рис. 5.5).

Значительна роль фосфора в ферментативном катализе (см. подпараграф 6.7.2). Фосфор необходим для регуляции активности некоторых ферментов (гликогенсинтетаза, ГМГ-КоА-редуктаза и др.), которая осуществляется путем фосфорилирования-дефосфорилирования.

Таким образом, фосфор необходим для активации метаболитов различных обменных процессов и как структурный компонент многих биомолекул.

Поскольку фосфор — обязательный компонент разных тканей человека, этим обоснована возможность использования его соединений как пищевых добавок. Соединения фосфора входят в группу стабилизаторов и эмульгаторов (Е 400—599), так как обладают большой влагоудерживающей способность. В молочной промышленности, кроме этих целей, соли фосфорной кислоты (гидрофосфат натрия, пирофосфат натрия и др.) используют в производстве плавленых сыров для придания им необходимой консистенции.

Магний. В организме человека находится 20 г магния. Примерно 50% сосредоточено в костях, 49% — в мягких тканях и мышцах. Только 1% Mg²⁺ содержится во внеклеточной жидкости.

Магний считают вторым по значимости после Ю внутриклеточным катионом и антагонистом кальция.

Считается, что всасывание Mg²⁺ происходит по той же схеме, что и всасывание кальция. Причем магний молока и молочных продуктов всасывается лучше, чем минеральные соли (MgS0_i*7H₂0 и MgC0₃).

Как кофактор ион Mg²⁺ участвует в синтезе НК, необходим для нормальной деятельности аминоацил-тРНК-синтетаз (АРС-аз) и других ферментов, для поддержания равновесия кальция, калия и натрия, обладает стабилизирующим действием для мембран.

Ион Mg²⁺ способствует образованию АТФ на уровне субстрата при переносе фосфорного остатка с 2-фосфоенол-ПВК на АДФ. При этом магний не является участником реакции, а лишь стабилизирует субстрат и АДФ в активном центре фермента нируваткиназы, как показано на рис. 14.2 [27].

Подобного рода стабилизирующее действие магния проявляется и в других процессах. Например, роль магния очень значительна в синтезе белков. Катион Mg²" участвует в стабилизации транслирующей рибосомы. Малая и большая субъединицы объединяются в активную рибосому при.

Рис. 14.2. Образование фермент-субстратного комплекса с участием Mg^24.

концентрации магния близкой к 0,001 М. Повышение содержания Mg²⁺ до 0,01 М приводит к образованию димеров или агрегатов рибосом, а понижение до 0,0001 М — к диссоциации рибосом на субчастицы.

В молоке 67% магния находится в свободной ионной форме, остальная часть магния связана с белками. Примерно 35% магния, содержащегося в молоке, входит в состав казеиновых олигомеров и выделяется вместе с ними в производстве творога и сыра. Поэтому данные продукты — хорошие источники данного минерального элемента.

Калий называют внутриклеточным катионом, так как 98% общего содержания калия в организме находится внутри клеток. Необходимая концентрация калия в клетках поддерживается активным транспортом с помощью Na⁺, К⁺-обменивающей АТФ-азы (рис. 14.3). Этот фермент имеет несколько субстратных центров. Со стороны цитоплазмы он связывает Na" и АТФ, с наружной стороны — ионы К⁺ [4]. Однако ионы переносятся в неравновесных концентрациях. В клетку поступает два катиона К⁺ в обмен на три катиона Na⁺. Для поддержания такого неравномерного распределения ионов Na~ и К⁺ между цитоплазмой клетки и окружающей средой требуется энергия АТФ.

Рис. 14.3. Схема работы №⁺, К⁺-АТФ-азы главные депо калия — мышцы, печень, ночки, кожа и нервная система.

Регулируется обмен калия при участии альдостерона.

Функции калия характеризуются как регуляторные и проявляются как на уровне целого организма, так и на уровне отдельной клетки. Ион калия участвует в процессах регуляции давления и проведения нервных импульсов.

Калий принимает участие в регуляции водного, кислотного и электролитного баланса. Ионы калия являются компонентами бикарбонатной (Н₉С0₃/КНС0₃), гемоглобиновой (ННЬ/КНЬ) и оксигемоглобиновой (ННЬ0₂/КНЬО._;) буферных систем крови. Эти системы работают сопряженно.

Основная масса калия молока — до 92% находится в ионизированной форме. Остальные 8% — коллоидно-связанный калий.

Натрий — основной внеклеточный катион. До 55% натрия находится в костной ткани, 43% — во внеклеточной жидкости и около 2% — в клетках.

Натрий участвует в поддержании водно-солевого равновесия. Как известно, оно регулируется специальными рефлекторными системами. Одна из них реагирует на изменение объема жидкости — волюморегуляция, другая — на изменение концентрации — осморегуляция [2, 4]. Осморегуляция контролируется гормоном вазопрессином, который иначе называют антидиуретический (АДГ) из-за уменьшения диуреза. Изменение осмолярности всего на 1% приводит к заметным изменениям секреции АДГ. Волюморецепторы гипоталамуса реагируют на повышение объема жидкости и снижение ионов Ыа⁺и через гипофиз (АКТГ) активируют секрецию альдостерона в корковом слое надпочечников. Альдостерон активирует натриевый насос и, тем самым, способствует задержке в организме ионов натрия.

Ионы натрия необходимы для всасывания глюкозы из первичной мочи в почках и в эпителиальных клетках кишечника. Здесь глюкоза переносится против градиента концентрации, т. е. активным симнортом (сопряженный транспорт). Каналом для переноса глюкозы и натрия служит мембранный белок транслоказа (рис. 14.4). Она имеет разные центры для связывания глюкозы и Na⁺. Ионы Na⁺, продвигающиеся в клетку по градиенту концентрации, переносят глюкозу вместе с собой [4]. Если концентрация Na~ снаружи клетки уменьшается, то снижается и поступление глюкозы в клетку.

Рис. 14.4. Транспорт глюкозы при участии ионов натрия.

Поступление глюкозы в клетку при таком транспорте не увеличивает концентрацию Na⁺ в клетках, поскольку она выравнивается благодаря другому активному переносчику — ферменту Ыа*, К⁺-АТФ-азе (см. рис. 14.3).

Ионы натрия — компоненты ряда буферных систем плазмы крови человека: гидрокарбонатной (H₇CO_:/NaHCO_:j), фосфатной (NaH₂P0₄/Na₂HP0₄) и белковой (белок-СООН/белок-COONa). Натрий обменивается на ионы водорода и, таким образом регулирует кислотно-основное состояние.

Преимущественное большинство натрия, содержащегося в молоке, — до 92% находится в ионизированной форме. Лишь 8% натрия составляют коллоидносвязанную форму [26].

Хлор концентрируется во внеклеточной жидкости, где его содержание составляет около 65% всего хлора. Примерно 17% хлора связано с соединительной тканью и хрящами, 12% хлора находится внутри клеток.

Обмен хлора взаимосвязан с обменом натрия и также регулируется алъдостероном. Под влиянием этого гормона ионы хлора задерживаются в организме. Однако в почечных канальцах СГ и Na⁺ могут выделяться и задерживаться независимо друг от друга.

Хлорид-ионы — компоненты бикарбонатной буферной системы организма, которая поддерживает необходимое значение pH сопряженно с выведением С0₇. Лишь 10% углекислого газа удаляется гемоглобином, а 90% С0₇ выделяется при участии бикарбонатной буферной системы в обмен на ионы хлора по схеме, показанной в табл. 14.6.

Участие хлорид-ионов в удалении углекислого газа из организма

Этап	Схема
Удаление С02 из тканей в форме НСО3 в обмен на СГ
				Обмен НСО3 на СГ в легких

Так обеспечивается удаление С0₂ из организма и сохранение оптимального значения pH в клетке при участии Cl .

Хлор необходим для образования соляной кислоты в желудке, которая активирует пепсин, способствует отделению белковой и небелковой частей сложных белков, подавляет гнилостные процессы в этом отделе пищеварительного канала.

Содержание хлоридов в молоке меняется в разные периоды лактации. Высоким содержанием отличаются молозиво и особенно стародойное молоко, в котором хлориды ощущаются на вкус. Резкое увеличение содержания хлоридов — до 20—35% по сравнению с нормой наблюдается в молоке коров, больных маститом. На этой особенности основан один из методов лабораторной диагностики мастита — определение содержания хлоридов и хлор-сахарного числа (см. лабораторный практикум).