ГЕТЕРОГЕННЫЕ РАВНОВЕСИЯ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ

 

В организме человека наиболее важные гетерогенные процессы с участием неорганических соединений протекают прежде всего при образовании костной ткани, а также различного вида камней при почечной и желчнокаменной болезнях.

Образование нерастворимых соединений начинается с плазмы крови. В плазме кроме компонентов Н₂СО₃ и НСО₃^-, Н₂РО₄ и НРО₄^2-, обеспечивающих кислотно-основное равновесие, содержатся катионы Са²⁺, анионы молочной кислоты (лактаты), а также белки. Эти компоненты участвуют в образовании малорастворимого гидрофосфата кальция СаНРО₄ и в процессах комплексообразования. Общая концентрация ионов кальция в плазме составляет 2,5·10^-3 М, из них 40% связаны в комплекс с белками, 14% - в комплекс с лактатами и цитратами и 46% находятся в свободном ионизованном состоянии. Концентрация свободных ионов Са²⁺ в плазме крови составляет 1,1·10^-3 М, а ионов НРО₄^2- (при рН = 7,4) -2,9·10^-4, т. е. плазма крови является слегка пересыщенным раствором СаНРО₄: с(Са²⁺) х с(НРО₄^2-) = 1,1·10^-8 ·2,9·10^-4 ≈ 3,2·10^-7 > K_s = 2,7·10^-7. Следовательно, в плазме крови может происходить образование малорастворимого СаНРО₄, но процесс его кристаллизации ограничивается образованием ультрамикрокристаллов размером 10^-9 – 10^-7 м, которые стабилизируются кальциевыми и фосфатными ионами, а также белками, т.е. осадок находится в коллоидном состоянии. Коллоидный СаНРО₄ находится в динамическом равновесии с неорганическими ионами плазмы крови.

Особенности образования костной ткани. В клетках костной ткани остеобластах, интенсивно омываемых кровью, происходит минерализация - конечный этап образования костной ткани. Основным минеральным компонентом костной ткани является гидроксифосфат кальция Са₅(РО₄)₃ОН (K_s = 1,6·10^-58), часто называемый гидроксиапатитом. Образование костной соли можно отразить общим уравнением:

Это уравнение не передает все промежуточные стадии осаждения различных фосфатов кальция, лежащие в основе формирования костной ткани в организме. В то же время оно убедительно показывает, что щелочность среды (в остеобластах рН = 8,3) и повышенная концентрация фосфат-ионов, возникающая в остеобластах вследствие гидролиза сложных эфиров фосфорной кислоты и углеводов при участии щелочной фосфатазы, способствуют образованию гидроксифосфата кальция. Кристаллизация Са₅(РO₄)₃ОН происходит на органической матрице - белке коллагене, активные группы которого, взаимодействуя с ионами кальция и фосфатов, способствуют образованию правильно организованных ядер кристаллизации, вокруг которых кристаллизуется костная соль. Таким образом, формирование костной ткани в остеобластах происходит в результате контролируемого коллагеном процесса кристаллизации гидроксиапатита из ионов кальция и фосфатов и при участии гетерополисахаридов - хондроитин-сульфатов, называемых также кислыми мукополисахаридами. Хондроитинсульфаты в комплексе с коллагеном связывают катионы кальция и фосфат-анионы, а при отделении от коллагена отдают ему эти ионы.

Наряду с кристаллическим гидроксиапатитом в поверхностных слоях кости образуется некоторое количество аморфного фосфата кальция (Са₅(РО₄)₂), более растворимой соли (К_s = 2,0·10^-29), которая постепенно превращается в гидроксиапатит. Поэтому с возрастом содержание аморфного фосфата кальция в костной ткани уменьшается. Считают, что аморфный фосфат кальция является лабильным резервом ионов кальция и фосфатов в организме.

Клетки костной ткани вследствие локальных изменений рН среды, концентрации ионов кальция и фосфатов, активности ферментов щелочной фосфатазы и пирофосфатазы, а также комплексообразующих свойств среды, содержащей лактаты, цитраты и белки, могут легко ускорять процессы либо минерализации, протекающей в остеобластах, либо деминерализации, осуществляемой в остеокластах. Растворение костной ткани, прежде всего за счет аморфного Са₃(РО₄)₂, происходит в области каймы остеокластов, чему способствует локальное повышение кислотности среды и концентрации лактатов, цитратов и белков, которые эффективно связывают ионы кальция в результате комплексообразования. При небольшом повышении содержания протонов кость начинает растворяться, отдавая вначале катионы кальция:

Са₅(РО₄)₃ОН + 2Н⁺ → Са₄Н(РО₄)₃ + Са²⁺ + Н₂О

а при большей кислотности среды происходит ее полный распад:

Са₅(РО₄)₃ОН + 7Н⁺ → 3Н₂РО₄^- + 5Са²⁺ + Н₂О

Эти процессы могут легко протекать с зубами. В полости рта в результате жизнедеятельности микробов образуются достаточно сильные кислоты: пировиноградная, молочная, янтарная, - которые разрушают зубы не только вследствие повышения кислотности среды, но и в результате связывания катионов кальция в устойчивые комплексные соединения.

Структура костной ткани обеспечивает достаточно легкий обмен ионами между поверхностью скелета и окружающими тканевыми жидкостями, особенно если учесть, что поверхность костного скелета человека достигает 2000 км. Ежедневно из костей скелета уходит и возвращается в него 700-800 мг кальция. Полная перестройка костной ткани человека происходит примерно каждые 10 лет. При увеличении концентрации свободных ионов Са²⁺ в плазме крови равновесие сдвигается, это приводит к отложению кальция в костной ткани. При снижении концентрации ионов Са²⁺ в плазме крови наблюдается растворение минеральных компонентов костной ткани. Например, при рахите из-за недостаточности всасывания ионов Са²⁺ из желудочно-кишечного тракта или при беременности, когда формируется скелет плода, концентрация ионов Са²⁺ в плазме крови у больного или у беременной поддерживается не только за счет поступления ионов Са²⁺ с пищей, но и за счет костной ткани. Таким образом, костную ткань можно рассматривать как кальциевый буфер.

Основными регуляторами кальций-фосфорного обмена в организме человека являются витамин D и гормоны паратирин и калъцитонин. Витамин D регулирует процессы всасывания ионов кальция и фосфатов из кишечника, а паратирин и кальцитонин - процессы их депонирования в костной ткани и выведения через почки. Благодаря взаимодействию регуляторов поддерживается постоянная концентрация этих ионов в сыворотке крови, межклеточной жидкости и тканях.

Костная ткань содержит в небольших количествах катионы практически всех металлов, встречающихся в нашем организме, выполняя функцию минерального депо. В заметных количествах в костную ткань включаются все элементы группы ПА, из которых катионы бериллия и стронция приводят к биологическим изменениям. Даже небольшое количество бериллия в окружающей среде вызывает бериллиоз (бериллиевый рахит), который сопровождается вытеснением ионов Са²⁺ ионами Ве²⁺ из костей и их размягчением вследствие меньшего радиуса иона Ве²⁺.

Ионы стронция также способны замещать ионы Са²⁺ в костях, но вследствие большего радиуса иона вызывают ломкость костей (стронциевый рахит). Это эндемическое заболевание характерно для регионов с повышенным содержанием стронция в почве. Особую опасность представляет радиоактивный изотоп стронций-90, который, оседая в костях, облучает костный мозг и нарушает костномозговое кроветворение.

Из анионов костная ткань содержит также карбонат и фторид. Последний входит в состав зубной эмали в виде фторид-фосфата кальция Са₅(РО₄)₃F. Замена гидроксид-аниона на фторид-анион значительно повышает твердость и устойчивость зубной эмали к растворению. Другим физико-химическим фактором, защищающим зубы от разрушения, является повышенная концентрация ионов кальция в слюне.

Особенности процесса камнеобразования. В организме человека ионы Са²⁺ могут образовывать разные малорастворимые соединения, которые называют камнями Камнеобразование - сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит не только образование малорастворимых соединений, но и нарушение коллоидного равновесия в тканях организма. Нарушение коллоидного равновесия вызывается уменьшением толщины защитного слоя из ионов стабилизатора и белковой защиты вокруг ультрамикрокристаллов соединения, что приводит к их слипанию с образованием более крупных кристаллов. Таким образом, формирование камней происходит из коллоидных частиц в результате процесса коагуляции.

Почечнокаменная болезнь связана с образованием в мочевых органах камней различного состава. При повышении концентрации мочевой кислоты образуются ее малорастворимые соли - ураты кальция. Их образованию способствует кислая среда мочи (рН < 5). В щелочной моче (рН > 7) могут образовываться малорастворимые фосфаты кальция. Малорастворимые оксалаты кальция могут встречаться как в кислой, так и в щелочной моче. Размеры камней варьируют от очень мелких (песок) до величины крупного яйца.

Основным принципом лечения почечнокаменной болезни является растворение камней за счет извлечения из них ионов кальция комплексообразователями: этилендиаминтетрауксусной кислотой и ее солью трилоном Б, а также лимонной кислотой и ее солями. В народной медицине для связывания катионов кальция и уменьшения отложения солей используют лимоны. Больным с уратными камнями назначают молочно-растительную диету, поскольку она ощелачивает мочу, что препятствует росту уратных камней. С целью их растворения назначают цитраты калия или натрия. При фосфатных камнях рекомендуют кислые минеральные воды и трилон Б для их растворения. При наличии камней из оксалата кальция используют щелочные минеральные воды и трилон Б. В начальной стадии почечнокаменной болезни полезны отвары и настои лекарственных растений, которые содержат вещества, играющие защитную роль, так как препятствуют слипанию ультрамикрокристаллов будущих камней.

Желчнокаменная болезнь связана с образованием холестериновых камней, билирубината кальция, а также карбоната кальция. Отложение карбоната кальция может происходить на стенках кровеносных сосудов, вызывая кальциноз.

Будущему врачу необходимо понимание закономерностей образования и растворения малорастворимых солей для профилактики и лечения различных заболеваний, вызываемых нарушениями минерального обмена в организме человека.