15. Обмен воды и солей

Организм животных и растений, кроме белков, углеводов и липидов, содержит обширную группу веществ неорганической природы. К ним относятся вода, анионы и катионы неоргани­ческих кислот и солей. Значительная часть солей в организме находится в растворенном состоянии. Другая часть образует прочные нерастворимые комплексы с белками, например фос­фат кальция в костной ткани, карбонат кальция в раковинах моллюсков. Некоторое количество минеральных веществ вхо­дит в состав органических веществ: железо содержится в геме гемоглобина, цитохромов, каталазы, миоглобина; магний, мар­ганец, цинк, медь — в ряде ферментов; иод — в тироксине; ко­бальт—в витамине В₁₂. Сейчас установлено, что в организме животных и растений обнаруживается до 76 различных элемен­тов (из известных 106).

Различают макроэлементы — их содержание в тканях исчисля­ется в миллиграмм-процентах (Ю~²) и более: Са⁺², Mg⁺², Na⁺, К⁺, Р⁺⁵, СГ, S^-2 и микроэлементы — в следовых количествах (микрограмм-проценты, 10^-3 и менее): Fe⁺², Cu⁺², Zn⁺²,I^-, Mo⁺², Co⁺² и дру­гие, однако в некоторых органах они могут содержаться в значи­тельных количествах, например иод в щитовидной железе.

15.1. Содержание и роль воды в организме

Вода составляет 75 % биомассы Земли, 65 % общей массы жи­вотного организма. Вода обеспечивает всасывание, механическое передвижение питательных веществ, продуктов обмена, служит универсальным растворителем. Участвует в процессах набухания, осмоса. Для воды характерны высокие удельная теплоемкость, теплопроводность; она обеспечивает поддержание температуры тела. Вода — высокополярное соединение, вызывает диссоциацию электролитов, обусловливает гидратацию, участвует в гидролити­ческом распаде; вода сама является конечным продуктом обмена в процессе биологического окисления.

Все основные химические реакции в клетке — биосинтез, фер­ментативный катализ — происходят с участием воды. Молекула воды — электрический диполь, ее дипольный момент 1,86. Для молекул воды характерна водородная связь, определяющая в зна­чительной степени ее свойства и значение. Водородные связи воз­никают между частичным отрицательным зарядом атома кислоро­да одной молекулы воды и частичным положительным зарядом атома водорода соседней. Каждая молекула воды связана с че­тырьмя молекулами ЬЬО, образуя сетку водородных связей (рис. 15.1).

При внешних воздействиях сетка водородных связей перестра­ивается (растворение различных веществ, образование пара, льда), этим определяется ряд свойств воды. Между молекулами воды имеются пустоты, которые могут заполняться частицами раство­ренного вещества. Это очень важное свойство воды как раствори­теля. Так, в 1 л воды лишь 370 мл занято ее молекулами, а 630 мл составляет межмолекулярное пространство, где протекают различ­ные процессы в ходе растворения, диффузии, гидролитического расщепления.

Для воды характерна очень низкая вязкость, что придает вод­ным растворам хорошую текучесть и быстрое перемещение жид­костей.

В организме вода находится в свободном и связанном (иммо­билизованном) виде. Свободная вода содержится в плазме крови, лимфе, спинномозговой жидкости, в пищеварительных соках, моче. В межклеточном пространстве свободной воды мало, она там удерживается капиллярными силами. Свободная вода обеспе­чивает приток к тканям питательных веществ и удаление из них конечных продуктов обмена.

Связанная вода не способна к свободному перемещению. Часть воды связана с белками (с полярными группами) — это гидратаци-

онная вода. Каждые 100 г белка могут связывать 18...20 г воды. На одну молекулу нуклеиновой кислоты приходится 100 000 молекул воды, на одну молекулу белка —40 000 и одну молекулу липи­дов— 1500 молекул воды. Гидратационная вода не замерзает при охлаждении до 0 °С и ниже, имеет повышенную плотность (1,48...2,4), в ней не растворяются вещества, обычно растворимые в воде. Эти отличия обусловлены упорядоченным расположением молекул (диполей) воды вокруг полярных групп гидрофильных коллоидов.

Часть иммобилизованной воды находится в надмолекулярных клеточных структурах (мембраны, органеллы, фибриллярные аг­регаты). Такая вода сохраняет способность растворять соли и ра­створимые вещества, обеспечивает высокую скорость химических реакций в тканях, способствует сохранению постоянной формы этих органелл. Так, от степени набухания митохондрий зависит интенсивность окислительного фосфорилирования, от насыще­ния рибосом водой — скорость белкового синтеза (до 80...90 %).

Количество гидратационной воды в организме с возрастом уменьшается в результате снижения у коллоидов способности к гидратации. Коллоиды цитоплазмы постепенно подвергаются си- нерезису, вследствие этого ткани теряют упругость, сморщиваются.

Животные, лишенные воды, погибают быстро. Например, хо­рошо упитанная собака может выдержать голодание при свобод­ном доступе к воде в течение 100 дней, а без воды погибает через 10 дней. Животное может жить при полном отсутствии запасов жира и потере до 50 % белков, но потеря 10 % воды вызывает тя­желые изменения, а потеря 15...20 % воды влечет за собой смерть. Потребность в воде и распределение ее в тканях изменяются в за­висимости от состава корма, физиологического состояния, про­дуктивности и т. д. Животные в пустыне могут обходиться без воды довольно долго за счет эндогенной воды. При окислении 1 г углеводов образуется 0,55 г воды, 1 г белков — 0,41 г воды, 1 г жи­ров — 1,07 г воды.

Среди представителей низшего животного и растительного мира есть формы, которые могут продолжительное время суще­ствовать без воды и далее высыхать. При этом они не погибают, а переходят в состояние анабиоза. В случае повышения влажности внешней среды они вновь возвращаются к активной жизни. К та­ким формам относятся черви коловратки, бактерии, некоторые насекомые, лишайники.

Потребность животных в воде удовлетворяется в основном за счет поступления ее извне непосредственно и при поедании соч­ных кормов. Организм коровы, например, за сутки принимает 40...50 л воды, кроме этого в пищеварительный тракт в составе кишечных соков выделяется еще 120...130 л воды, из этого количе­ства лишь 10 % выделяется с калом, а остальная часть обратно всасывается в кровь. Вода постоянно теряется из организма с мо­чой, потом, секретами (молоко), с выдыхаемым воздухом.

Регуляцию водного обмена осуществляют центральная нервная система, действие некоторых гормонов. Например, вазопрессин нейрогипофиза (антидиуретический гормон) способствует реад- сорбции из первичной мочи воды; альдостерон (гормон коры над­почечников) способствует задержанию натрия в организме, тем самым удержанию воды в организме, так как катионы натрия по­вышают гидратацию тканей.

Количество воды в тканях повышается при заболеваниях по­чек, нарушении сердечно-сосудистой системы, при белковом го­лодании, при циррозе печени. Увеличение задержания воды в межклеточном пространстве приводит к отекам.