НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА РАСТЕНИЙ. МАКРОЭЛЕМЕНТЫ


Автор(ы): Профессор М. К. Кевра, доцент В. М. Сиденко, Ж. С. Кевра
Медучреждение: Белорусский государственный медицинский университет 32-я городская клиническая поликлиника г. Минска
 

Растения, как и все другие живые организмы, построены по общему принципу, то есть все они состоят из воды, органических и минеральных веществ.
В отличие от содержащихся в растениях белков, жиров и углеводов, минеральные вещества не обладают энергетической ценностью, однако без них жизнь организма млекопитающих, в том числе и людей, невозможна. Им присуща пластическая функция, а также они участвуют практически во всех обменных реакциях в организме. Из минеральных веществ и белков построен скелет человека. Без минеральных веществ невозможно осуществление многих ферментативных реакций в организме человека, функционирование биоэлектрических систем.

Для нормального роста и развития растениям помимо так называемых органогенных элементов (углерод, кислород, водород, азот) необходимы и другие неорганические вещества, которые представлены солями минеральных кислот, входящих в состав клеток и межклеточных жидкостей. Содержание минеральных веществ в растениях может существенно варьировать в зависимости от вида растений, почвенно-климатических условий, сортовых особенностей культур и их способности концентрировать те или иные химические элементы. Поскольку минеральные вещества не разрушаются при сжигании растений, то по химическому составу золы можно узнать об их процентном содержании. В составе сухого вещества растений обнаружено более 70 химических элементов, среди которых 20 относят к группе безусловно необходимых (Н, О, Na, К, Mg, Са, Сu, Zn, В, С, N, Р, V, S, Mo, Cl, I, Mn, Fe, Со) и 12 – к условно необходимым (Li, Ag, Sr, Cd, Al, Si,Ti, Pb, Cr, Se, F, Ni). Необходимые вещества – элементы, без которых растение не может полностью закончить цикл развития, и эти вещества являются незаменимыми.

В зависимости от количественного содержания неорганических веществ во внутренней среде организма их подразделяют на макро-, микро- и ультрамикроэлементы.

К макроэлементам отнесены минеральные вещества, содержание которых в организме достигает 10-2% и выше. Это натрий, калий, кальций, магний, фосфор, хлор. Неорганические вещества, содержащиеся в организме в концентрациях 10-3–10-5%, называют микроэлементами. К ним относят медь, железо, цинк, йод, алюминий, селен, марганец, фтор, бром, стронций и др. Минеральные вещества, которые находятся в организме в концентрациях меньше 10-5%, отнесены к ультрамикроэлементам. Среди них ртуть, золото, серебро, хром, радий, уран, торий, кремний, титан, никель и др.

Макроэлементы участвуют главным образом в формировании мягких и твердых тканей организма. Так, кости и зубы построены из апатитов, представляющих собой соли кальция и фосфора. Однако роль минеральных веществ не ограничивается лишь этой механической пластической функцией. Установлено, что они не только входят в состав ферментов, гормонов, витаминов, нуклеиновых кислот, белков, но и регулируют их биологическую активность. Без участия минеральных солей невозможны обмен веществ, тканевое дыхание, рост организма, функционирование как целостных органов и систем, так и отдельных клеток. Важной функцией минеральных веществ является регуляция кислотно-основного состояния (КОС). Известно, что организм может существовать при определенных значениях рН. При употреблении большого количества животной пищи, содержащей много кислых соединений (нуклеиновые кислоты, пурины и др.), может произойти сдвиг рН в кислую сторону. КОС стабилизируется за счет употребления растительной пищи, содержащей щелочные элементы (натрий, калий и др.).

Калий является одним из основных катионов внутриклеточной жидкости. Он участвует в процессах возбуждения клеточных мембран, регуляции водно-солевого, белкового и углеводного обмена, КОС. Сердечная мышца реагирует на повышение уровня калия в крови уменьшением возбудимости и проводимости. Калий обладает гипотензивным, спазмолитическим, противоаритмическим и мочегонным эффектом. Вместе с натрием и хлором он является постоянным элементом всех клеток и тканей живых организмов. Калий регулирует активность таких важнейших ферментов, как К+-АТФаза, ацетилкиназа, пируватфосфокиназа. Он является физиологическим антагонистом цезия, поэтому его можно использовать для ускорения выведения из организма аналогичного радионуклида.

В организме человека содержится около 140 г (3500 ммоль) калия, при этом 90% находится во внутриклеточной среде, то есть в клетках. Его уровень в плазме крови колеблется от 3,8 до 5,1 ммоль/л. Биоусвояемость калия организмом составляет 90–95%. Выводится калий из организма преимущественно с мочой, период полувыведения составляет
56 суток.

Калий не способен накапливаться в организме в значительных количествах, поэтому людям необходимо постоянно пополнять его запасы.

Ранними симптомами, свидетельствующими о недостатке калия в организме, являются нарушения функции сердечно-сосудистой системы. Люди, испытывающие недостаток калия, часто жалуются на аритмию, тахикардию, скачки артериального давления.

О дефиците калия можно подумать при появлении беспричинной мышечной слабости, чрезмерной утомляемости и депрессии, одышке, поверхностном и учащенном дыхании, сухости кожи и замедлении процесса регенерации при ее повреждении, учащенном мочеиспускании, частых болях неврологического и спастического характера, неустойчивом характере стула.

Основными причинами нехватки калия в организме могут быть:

  • дефицит в продуктах, составляющих основной рацион питания;
  • повышенное выделение из организма вследствие заболевания почек или неконтролируемого применения мочегонных средств;
  • нарушения функционирования пищеварительной системы (диарея, рвота, частый прием слабительных препаратов);
  • прием некоторых гормональных средств;
  • тяжелая физическая работа, спортивные нагрузки;
  • сильные эмоциональные потрясения, депрессивные состояния;
  • чрезмерное увлечение изнурительными голодными диетами или, наоборот, злоупотребление сладостями.
  • Ежедневная потребность в калии составляет около 3 г (70 ммоль).

Богаты солями калия курага, фисташки, изюм, миндаль, чернослив, инжир, картофель, фундук, семена подсолнечника, гречиха, ячмень, капуста, рожь, овес, фасоль, редька, петрушка, персики, цитрусовые, черная смородина, шпинат, хрен, финики, шелковица, щавель, листья мяты, бананы, дыня, черный чай, какао, авокадо, помидоры. Много его также в сухом молоке, горбуше и говядине.

Важно знать, что при варке овощей в воде калий в большом количестве переходит из продукта в отвар и его содержание снижается почти на 70%. Поэтому воду после варки овощей следует использовать для приготовления супов и соусов. Еще больше ценных веществ теряется при жарке. Овощи и фрукты рекомендуется употреблять в пищу в сыром виде. Если термической обработки не избежать, необходимо отдавать предпочтение запеканию в духовке. Чем меньше жидкости используется при приготовлении, тем меньше потеря калия. Сочные продукты можно припускать без добавления воды – достаточно сока, выделяемого при их нагревании. Отличная альтернатива отвариванию овощей – приготовление на пару. Желательно варить и запекать овощи и фрукты в неочищенном виде (в кожуре), Известно, что запеченный картофель намного богаче калием, чем отварной.

Натрий – один из основных катионов внеклеточной жидкости. Общее содержание его в организме человека составляет примерно 90 г (4000 ммоль), а в плазме крови достигает 135–145 ммоль/л. Натрий – широко распространенный катион. Он содержится в эритроцитах, сыворотке крови, пищеварительных соках, мышцах, во всех внутренних органах, коже, около 40% находится в костной ткани. Выводится натрий из организма в основном с мочой (5%), калом и потом, период полувыведения – 11 суток.

Совместно с калием натрий участвует в регуляции водно-солевого обмена, осмотического и кровяного давления, КОС, передаче нервных импульсов и др. Внутри клеток натрий необходим для поддержания нейромышечной возбудимости и работы натрий-калиевого насоса, обеспечивающего регуляцию клеточного обмена различных метаболитов. От уровня натрия зависит транспорт аминокислот, сахаров, различных неорганических и органических анионов через клеточные мембраны. Обмен натрия в организме регулируется в основном альдостероном.

Недостаток натрия в организме человека – относительно редкое явление. В клинической практике врачи встречаются с недостатком натрия при врожденных метаболических нарушениях в организме, обусловленных изменениями абсорбции или экскреции, а также при вторичных нарушениях метаболизма вследствие болезней, травм, стрессов, недоедания, применения некоторых лекарственных препаратов. При недостатке этого элемента в организме (гипонатриемия) наблюдаются головные боли, ослабление памяти, головокружение, утомляемость, вялость, низкое артериальное давление, отеки потеря аппетита, снижение веса, повышение кислотности желудочного сока, рвота.

Солями натрия богаты чечевица, рис, горох, морковь, свекла, зеленый лук, петрушка (зелень), артишоки, хрен, чеснок, сельдерей (корень). Огромное количество хлористого натрия содержат многие консервированные пищевые продукты.

Суточная потребность человека оценивается в 2,25 г (100 ммоль) натрия, что соответствует 4–5 г хлористого натрия. Однако люди весьма часто употребляют избыточные количества натрия, который они получают путем добавления в пищу поваренной соли (более 10 г/сутки!). У таких людей чаще выявляются артериальная гипертензия, инфаркты миокарда, инсульты и регистрируется наиболее высокая смертность от сердечно-сосудистых заболеваний.

Следует учитывать, что люди определенных профессий (сталевары, спортсмены и др.) могут терять много натрия с потом, и поэтому их суточная потребность в данном макроэлементе может значительно увеличиваться.

Кальций имеет важное значение для жизни человека. Он выполняет функцию триггера (посредника) между нервным импульсом и ответной реакцией клетки, участвует в регуляции сократительной функции сердечной и скелетных мышц, уменьшает проницаемость клеточных мембран для ионов натрия и калия, участвует в образовании костной ткани, зубов, является одним из факторов свертывающей системы крови. Кальций регулирует высвобождение биологически активных веществ из тучных клеток (базофилов), активирует поступление глюкозы через клеточные мембраны, нивелирует негативное влияние молочной и мочевой кислот, накапливающихся в мышцах вследствие распада жиров и белков (при физических нагрузках), стабилизирует КОС, нормализует синтез белков и нуклеиновых кислот в гладкой мускулатуре, уплотняет стенки сосудов. Кальций является антагонистом стронция, и его рекомендуют использовать для ускорения выведения из организма аналогичного радионуклида.

В организме взрослого человека содержится 1–1,5 кг (25 000–37 000 ммоль) кальция, причем 99% находится в костной ткани, эмали и дентине зубов, ногтях и только 1% – во внеклеточной жидкости. Содержание кальция в плазме крови составляет 2,2–2,65 ммоль/л. Выводится кальций из организма через кишечник и почки, период полувыведения составляет 2100 суток.

Суточная потребность в кальции напрямую зависит от возраста, пола и физиологического состояния человека. Причем наибольшее количество макроэлемента требуется растущему организму, беременным и кормящим женщинам. Ежедневная потребность в кальции колеблется от 700 до 1300 мг, которая покрывается за счет пищи.

В случае недостаточного поступления кальция
с пищей организм мобилизует его из костной ткани, вследствие чего происходит деминерализация костей таза, позвоночника и нижних конечностей.

Признаки кальциевой недостаточности: появление болей в суставах, костях, зубах, слабость мышц, ломкость ногтей, утомляемость, бледность кожных покровов, судороги, бессонница, ослабление памяти, нарушение координации движений, отставание в росте, рахит (у детей), деформация позвоночника, частые переломы костей, разрушение зубов, понижение свертываемости крови, обильные менструации.

Причинами дефицита кальция в организме могут быть:

  • нарушение усвоения из кишечника вследствие хронических заболеваний органов пищеварения, развития дисбактериоза или отсутствия фермента лактазы, расщепляющего молочный белок;
  • длительное голодание;
  • избыточное поступление с пищей свинца, цинка, железа, магния, калия, фосфора, натрия;
  • заболевания щитовидной железы, при которых угнетается синтез гормона тиреокальцитонина, контролирующего кальциевый метаболизм;
  • гиперфункция паращитовидных желез;
  • недостаток витамина D, особенно у лиц практикующих вегетарианство и сыроедение;
  • длительная иммобилизация;
  • избыточное потребление кофе, алкоголя, энерготоников, газированной воды;
  • длительный прием слабительных и мочегонных препаратов.

Человек получает кальций из продуктов растительного и животного происхождения. В растениях содержание кальция составляет в среднем 0,3% (по массе). Пектиновые вещества (кальциевые и магниевые соли галактуроновой кислоты) входят в состав клеточных стенок и межклеточного вещества растений. Кальций увеличивает прочность растительных тканей и способствует повышению их выносливости в экстремальных условиях.

На почве с повышенным содержанием кальция хорошо произрастают растения-индикаторы: венерин башмачок, солнцецвет, степная астра, папоротник из рода пеллея, ятрышники, мордовники, льнянка, наперстянка крупноцветковая, порезник горный и др.

Соли кальция в значительных количествах содержатся в зеленом луке, петрушке, маковых зернах, кунжуте, крапиве, базилике, миндале, белокочанной капусте, укропе, хрене, шпинате, кизиле, овсе, пшенице, гречихе, горохе, фасоли, чесноке, чине, чечевице, нуте, сое, рисе, грецком орехе, шиповнике, шелковице, чернике, черной смородине, семенах подсолнечника, а также в молоке и молочных продуктах, рыбе, куриных яйцах (скорлупа).

Кальций хорошо усваивается при употреблении
в пищу продуктов растительного происхождения, особенно бобовых (фасоль, горох, чечевица). Всасывание кальция в кишечнике зависит от многих условий: соотношения кальция и фосфора в пище, наличия в ней витамина D, жирных и других органических кислот. Биоусвояемость кальция из пищи составляет 25–40%.

Магний относится к основным внутриклеточным ионам. Является универсальным регулятором биохимических и физиологических процессов
в организме. Он участвует в энергетическом, пластическом и электролитном обмене. Магний входит в состав более 300 ферментов, участвует в синтезе белков и нуклеиновых кислот, образует комплексы с фосфолипидами, уменьшает проницаемость клеточных мембран, угнетает синаптическую передачу и снижает активность нервной системы. Он тормозит агрегацию тромбоцитов, уменьшает возбудимость и сократимость сердечной мышцы и снижает кровяное давление, обладает желчегонным и слабительным действием. Магний является обязательным компонентом рибосом: при его участии (вместе с АТФ) происходит связывание аминокислот с тРНК в процессе биосинтеза белка. Ионы магния (Mg2+) «сшивают» молекулы белка в клубочки, обеспечивая поддержание структуры белковых молекул. Магний катализирует синтез АТФ из нуклеозиддифосфатов, активирует ферментные системы превращения яблочной кислоты в лимонную, щавелевой – в муравьиную кислоту и углекислый газ. Магний является физиологическим антагонистом кальция и препятствует его поступление через пресинаптическую мембрану. Эти два элемента легко вытесняют друг друга из химических соединений. Дефицит магния в диете, богатой кальцием, может привести к ускоренному
обызвествлению тканей.

В организме взрослого человека содержится около 21–24 г (1000 ммоль) магния. Половина этого количества находится в костях, 49% – в мягких тканях и лишь 1% – во внеклеточной жидкости. Концентрация ионов магния в плазме крови колеблется
от 0,7 до 1 ммоль/л.

Среднесуточная потребность в магнии составляет около 450 мг. В желудочно-кишечном тракте адсорбируется до 40–45% поступившего с пищей магния. Из организма он выводится с мочой и потом, период полувыведения – 120 суток.

Недостаток магния в организме проявляется чувством постоянной усталости, головокружением, мельканием «мушек» перед глазами, нервными тиками век, трудностями в восприятии информации, появлением покалывания в руках и ногах, облысением, ломкостью ногтей, бессонницей, ночными кошмарами, повышенной чувствительностью к смене погоды, учащением развития кариеса, а также простудных заболеваний.

Когда поступление магния в организм с пищей недостаточно, то он вымывается в кровь из костей, в которых образуется дефицит макроэлемента. Есть простой способ диагностики: попробуйте потянуться или напрячь мышцы. Если при этом возникли болезненные ощущения в лодыжках, значит, вышеперечисленные симптомы дефицита магния в организме появились не случайно. Нужно обратиться к врачу.

Поступает магний в организм человека преимущественно с растительной пищей. Его содержание в растениях составляет в среднем 0,07% (по массе). Магний участвует в аккумуляции солнечной энергии в процессе фотосинтеза, являясь центральным атомом в молекуле хлорофилла. Хлорофилл поглощает солнечную энергию и с ее помощью превращает углекислый газ и воду в сложные органические вещества: сахара, крахмал и др.

Соли магния в значительных количествах содержатся в рисе, гречихе, сорго, кукурузе, горохе, фасоли, орехах (миндаль, арахис, грецкий орех), овсе, ячмене, пшенице, цикории, щавеле, шпинате, черной смородине, картофеле, помидорах, тыкве, мяте, петрушке, оливках, а также в продуктах животного происхождения (печень, яичный желток). В питьевой воде тоже содержатся соли магния в небольших количествах, а если концентрация их повышена, то такую воду называют жесткой.

Фосфор является жизненно важным элементом. Он входит в состав органических и неорганических фосфатов, 50% которых находится в костях. Вместе с кальцием они образуют апатиты – основу костной ткани. До 20% неорганических солей фосфора содержится во внеклеточной жидкости. Фосфор входит в состав клеточных мембран, коферментов, нуклеиновых кислот, АТФ, креатинин-фосфата, играющих важную роль в обменных процессах, в переносе и сохранении энергии. Неорганические фосфаты участвуют в поддержании оптимального уровня КОС.

Содержание фосфора в теле взрослого человека составляет около 1%, то есть примерно 700 г на 70 кг массы тела. В организме человека основное количество (около 85%) фосфора находится в костях, много его также в мышцах и нервной ткани. Около 14% содержится внутри клеток и только 1% находится во внеклеточной жидкости. Концентрация неорганических фосфатов в плазме крови колеблется от 0,94 до 1,44 ммоль/л. Из организма фосфор выводится с мочой и калом, период полувыведения – 0,5 суток.

Суточная потребность в фосфоре составляет около 1,5 г (15 ммоль/кг массы тела).

Недостаток фосфора в организме у человека проявляется общей слабостью, потерей аппетита, истощением, появлением болей в мышцах и костях, снижением сопротивляемости к инфекциям и простудным заболеваниям, развитием рахита, пародонтоза, угнетением синтеза белка, дистрофическими изменениями миокарда, геморрагическими высыпаниями на коже и слизистых оболочках, в отдельных случаях нарушением психики.

Причинами дефицита фосфора в организме могут быть:

  • недостаточное поступление с пищей (малое количество потребляемого белка);
  • заболевания щитовидной и паращитовидной желез;
  • повышенное содержание в организме магния, кальция, бария и алюминия;
  • злоупотребление приемом спиртных и газированных напитков;
  • хронические заболевания, сопровождающиеся нарушением обмена веществ.

В организм человека фосфор поступает с пищей. Он всасывается в проксимальном отделе тонкого кишечника. Биодоступность фосфора, поступающего с продуктами питания, не превышает 70%. Наибольшая концентрация макроэлемента выявляется в плодах и семенах растений. Весьма богаты фосфатами пшеница, кукуруза, фасоль, нут, соя, гречиха, ячмень, рис, овес, рожь, орехи, подсолнечник, арахис, рапс, тыква, петрушка, капуста, шпинат, чеснок, овес. Фосфор содержится также в мясе, молоке и молочных продуктах, рыбе.

Хлор является одним из важнейших биогенных макроэлементов, содержится во всех живых организмах. В природе встречается в виде солей, которые подвергаются диссоциации, то есть распаду на ионы. Биологически активной формой хлора являются хлорид-ионы, которые способны проникать через мембрану клеток, они вместе с ионами натрия и калия поддерживают осмотическое давление и регулируют водно-солевой обмен. Благодаря наличию в мембранах клеток и митохондрий специальных хлорных каналов хлорид-ионы регулируют объем жидкости, трансэпителиальный транспорт ионов, создают и стабилизируют мембранный потенциал. Они участвуют в создании и поддержании рН в клетках и биологических жидкостях организма, создают благоприятную среду в желудке для действия протеолитических ферментов желудочного сока, поскольку участвуют в синтезе соляной кислоты.

Общее количество хлора в организме человека составляет около 100 г (0,15%). Он входит в состав всех органов, клеток и тканей. Выше всего его содержание в эпителиальной ткани (до 60%), мышцах, крови. Наибольшая концентрация ионов наблюдается во внеклеточном пространстве, в клетках задерживается около 15% анионов.

Для здоровых людей суточная потребность в хлоре составляет 4000–6000 мг. При сбалансированном питании он в необходимых количествах поступает с едой. На сегодня верхний допустимый предел потребления хлора не установлен, однако минимальная дозировка составляет не менее 800 мг в день. Для детей суточная потребность в хлоридах варьируется от 300 до 2300 мг в зависимости от возраста. Потребность в хлоре возрастает при жаркой погоде, интенсивных занятиях спортом, повышенном потреблении воды, обильном потоотделении.

Обычно человек не испытывает недостатка в хлорид-ионах. Причинами дефицита хлорид-ионов могут быть:

  • недостаточное поступление с пищей;
  • неукротимая рвота или диарея, обезвоживание;
  • избыточное выведение с потом и мочой при чрезмерных физических нагрузках или перегревании;
  • тяжелые заболевания с нарушениями функции почек;
  • прием мочегонных и слабительных лекарственных средств;
  • адренокортикальная недостаточность – состояние, при котором снижается функция коры надпочечников.

Основными симптомами недостатка хлорид-ионов в крови (гипохлоремия) являются слабость, сонливость, вялость, нарушение памяти, потеря аппетита, нарушение вкусовых ощущений, сухость во рту, запоры. Хронические заболевания, обусловленные недостатком хлора, обычно сопровождаются поражениями кожи, выпадением волос и зубов. Хлор содержится практически во всех пищевых продуктах в пределах от 2 до 160 мг на 100 г. Высокие концентрации хлорид-ионов выявлены в свекле, бобовых, злаках, орехах, фруктах и овощах. Однако люди получают хлорид-ионы в основном с поваренной солью, применяемой при приготовлении пищи и консервировании продуктов.

Сера является структурным жизненно важным макроэлементом, который содержится во всех живых организмах. Особенно богаты ею кровь, нервная ткань, печень, мышцы, кости. Достаточно много серы в поверхностных слоях кожи, в составе меланина и кератина (ногти, волосы). Она является компонентом многих ферментов, гормонов: инсулина, кальцитонина и других биологически активных веществ (гистамин, биотин, липоевая кислота). Входит в состав серосодержащих аминокислот, придает необходимую пространственную организацию молекулам белков за счет образования дисульфидных мостиков, обеспечивает передачу энергии в клетке: атом серы принимает на свободную орбиталь один из электронов кислорода.

Содержание серы в организме взрослого человека составляет около 140 г. Она образует разнообразные соединения, используемые для синтеза белков и других биологически активных соединений, окисляющихся в организме до сульфатов. Сведения о суточной потребности серы для человека значительно варьируют. Одни литературные источники указывают, что 1200 мг серы в сутки полностью покрывают потребности человека, другие указывают дозировку 4–5 г. В повышенной дозировке нутриента нуждаются спортсмены, школьники, подростки. Большее количество минерала требуется людям, занятым тяжелым физическим трудом и страдающим заболеваниями суставов. Из организма сера выводятся с мочой (около 60%) в форме сульфатов и сульфитов, сложных эфиров, нейтральной серы. Соединения серы также выводятся через легкие, кожные покровы и потовые железы, отчего пот может приобретать неприятный запах.

Недостаток серы в организме человека встречается крайне редко, поскольку ее соединения содержатся практически во всех пищевых продуктах. Четкие клинические проявления дефицита серы не описаны. О ее недостатке в организме судят по косвенным признакам: ломкости и тусклости волос, заметном ухудшении состояния кожных покровов, хрупкости ногтевых пластин, нарушениям функции желудочно-кишечного тракта.

Наиболее важными источниками серы являются кунжут, соя, ростки пшеницы, овес, орехи, кукуруза, фасоль, чечевица, капуста, чеснок, лук, зелень, злаки, хрен, горчица, гречневая крупа, хлебобулочные изделия. Богаты серой нежирная говядина, молоко, рыба, моллюски, сыры, яйца.