Фосфор в организме человека: значение, влияние

Биохимия – раздел биологии, изучающий химический состав как отдельных клеток, так и всего организма в целом. Известно, что почти 98 % клеточного содержимого включают атомы кислорода, углерода, азота и водорода. Эти химические элементы называются органогенными. 1,8 % приходится на калий, натрий, магний, хлор, фосфор. В организме человека они входят в состав минеральных солей и имеют вид простых или сложных ионов, обеспечивая нормальное протекание реакций обмена веществ. Например, важнейшие соединения клетки, отвечающие за передачу наследственных признаков – нуклеиновые кислоты, – содержат анионы кислотных остатков ортофосфорной кислоты.

В молекулы АТФ, от которых зависит обеспечение клеток энергией, также входят фосфорсодержащие ионы. В данной статье мы приведем примеры, подтверждающие важную роль фосфора в организме человека и его влияние на обмен веществ.

Ковалентные полярные связи и их значение

В основе строения органических веществ, составляющих живую материю, лежит способность их молекул образовывать определенный тип химической связи. Она называется ковалентной полярной и, возникая между атомами неметаллов, обуславливает основные химические характеристики соединений. Биохимия, изучая состав молекул веществ, входящих в клетки растений, грибов, животных, установила их химический состав. Оказалось, что, кроме азота, углерода, кислорода, в них входит и фосфор. В организме человека он не встречается в свободном состоянии, так как является высокотоксичным веществом. Поэтому в живых системах элемент имеет форму анионов мета-, орто- или пирофосфорной кислоты, которые имеют способность к образованию связей с катионами металлов. В каких же веществах клетки они могут встречаться?

Фосфор в составе сложных органических молекул

Белки костной системы, гормоны, витамины и липиды образуют с фосфорсодержащими сложными ионами комплексные соединения. В организме человека присутствуют сложные соединения – фосфолипиды и фосфопротеиды, входящие в состав молекул биологически активных веществ – ферментов и стероидов. Ковалентные полярные связи в нуклеотидах ДНК и РНК обеспечивают образование фосфодиэфирных связей в цепях нуклеиновых кислот. Для чего нужен фосфор в организме человека и каковы его функции в обмене веществ? Сначала рассмотрим этот вопрос на клеточном уровне организации.

Место фосфора в элементном составе клетки

По содержанию в цитоплазме и органеллах (0,2-1 %), неметалл находится на четвертом месте после органогенных элементов. Наиболее насыщены соединениями фосфора клетки опорно-двигательной системы - остеоциты, вещество зубной ткани – дентин. Велико их содержание в нейронах и нейроглии, из которых состоит нервная система. Атомы фосфора содержатся в мембранных протеинах, нуклеиновых кислотах и энергоемких веществах – аденозинтрифосфорной кислоте АТФ и в восстановленной форме никотинамиддинуклеотидфосфата - НАДФ×Н₂. Как видим, в организме человека фосфор содержится во всех жизненно значимых структурах: клетках, тканях, физиологических системах.

Известно, что уровень гомеостаза клетки, являющейся открытой биологической системой, зависит от концентрации различных ионов в гиалоплазме и межклеточной жидкости. Какова же функция фосфора в поддержании постоянства внутренней среды организма человека?

Буферная система

Благодаря свойству полупроницаемости через наружную мембрану в клетку постоянно поступают различные вещества, высокая концентрация которых может отрицательно сказаться на ее жизнедеятельности. Чтобы нейтрализовать избыток токсичных ионов, цитоплазма, вместе с катионами натрия, калия, кальция, содержит кислотные остатки карбонатной, сульфитной и фосфорной кислот. Они способны вступать в реакции с избытком ионов, попавших в клетку, и контролировать постоянство внутриклеточного содержимого. Буферная система, кроме ионов слабых кислот, обязательно включает анионы НРО₄^2- и Н₂РО₄^-, содержащие фосфор. В организме человека он в составе буферной системы обеспечивает физиологически нормальное протекание реакций обмена веществ на клеточном уровне.

Окислительное фосфорилирование

Расщепление органических соединений в клетке носит название аэробного дыхания. Место его проведения – митохондрии. На внутренних складках – кристах органелл – расположены комплексы ферментов. Например, система АТФ-аза содержит молекулы- переносчики электронов. Благодаря реакциям, катализируемым с помощью ферментов, из АДФ и свободных молекул фосфорной кислоты синтезируется АТФ – универсальное энергетическое вещество клеток, расходуемое на их размножение, рост, движение. Его образование можно представить в виде упрощенной схемы реакции: АДФ + Ф = АТФ. Затем молекулы аденозинтрифосфорной кислоты аккумулируются в цитоплазме. Они служат источником энергии для совершения механической работы, например, в мышечной системе и в реакциях пластического обмена. Следовательно, фосфор в организме человека играет ведущую роль в процессах обмена энергии.

Фосфодиэфирные связи молекул наследственности

Высокое содержание атомарного фосфора регистрируется в клеточном ядре, так как элемент входит в состав нуклеиновых кислот. Открытые еще в 19 веке швейцарским ученым Ф. Мишером, они представляют собой биополимеры и состоят из мономеров – нуклеотидов. Фосфор присутствует как в самих пуриновых и пиримидиновых основаниях, так и в связях, формирующих цепи РНК и суперспираль ДНК. Мономеры нуклеиновых кислот способны образовывать полимерные структуры благодаря возникновению ковалентных связей между пентозой и остатками фосфорной кислоты рядом лежащих нуклеотидов. Они называются фосфодиэфирными. Деструкция молекул ДНК и РНК, возникающая в клетках человека под воздействием жесткого гамма-излучения или вследствие отравления токсичными веществами, происходит по причине разрыва фосфодиэфирных связей. Она приводит клетки к гибели.

Биологические мембраны

Структуры, ограничивающие внутреннее содержимое клетки, также имеют в своем составе фосфор. В организме человека до 40 % сухой массы тела приходится на соединения, содержащие фосфолипиды и фосфопротеиды. Они являются главными компонентами мембранного слоя, в котором присутствуют еще и такие вещества, как белки и углеводы. Высокое содержание фосфора характерно для оболочек нейроцитов и их отростков – дендритов и аксона. Фосфолипиды придают мембранам пластичности, а благодаря наличию молекул холестерина еще и прочности. Они также играют роль вторичных посредников – сигнальных молекул, являющихся активаторами эффекторных белков, участвующих в проведении нервного импульса.

Паращитовидные железы и их роль в обмене фосфора

Похожие на горошины, лежащие на обеих долях щитовидной железы и имеющие вес по 0,5-0,8 г каждая, околощитовидные железы секретируют паратгормон. Он регулирует обмен таких элементов, как кальций и фосфор, в организме человека. Функции их заключаются в воздействии на остеоциты и остеобласты – клетки костной системы, которые под влиянием гормона начинают выделять соли фосфорной кислоты во внеклеточную жидкость. При гиперфункции паращитовидных желез кости человека теряют прочность, размягчаются и разрушаются, содержание фосфора в них резко падает. В это время повышается риск переломов позвоночника, костей таза и бедра, угрожающих жизни больного. Одновременно возрастает количество кальция. Это приводит к гиперкальциемии с симптомами поражения периферических нервов и падения тонуса скелетных мышц. Паратгормон действует и на почки, уменьшая реабсорбцию солей фосфора из первичной мочи. Повышение содержания фосфатов в тканях почек служит причиной гиперфосфатурии и образования камней.

Минеральный состав костной ткани

Твердость, прочность и эластичность опорной системы зависит от химического состава клеток костной ткани. Остеоциты содержат как органические соединения, например белок оссеин, так и неорганические вещества, содержащие фосфорнокислые соли кальция и магния. С возрастом у человека количество минеральных компонентов, таких как гидроксилапатиты, в остеоцитах и остеобластах возрастает. Аномальная минерализация костной ткани, накопление солей кальция и избыток фосфора в организме человека приводят к потере эластичности и прочности всех отделов скелета, поэтому пожилые люди чаще подвергаются опасности травм и переломов.

Превращение соединений фосфора в организме человека

Самая крупная пищеварительная железа в организме человека – печень – играет ведущую роль в реакциях обмена фосфорсодержащих веществ. Гормоны околощитовидной железы и витамин Д также влияют на эти процессы. Суточная потребность элемента для взрослых составляет 1,0-2, 0 грамма, для детей и подростков – до 2,5 г. Фосфор в виде легко усваиваемых солей, а также в комплексах с белками и углеводами поступает в человеческий организм с пищей.

Насыщены им семена подсолнечника, тыквы, конопли. В продуктах животного происхождения фосфора много в куриной печени, говядине, твердых сортах сыра, рыбе. Избыток фосфора в организме может возникнуть вследствие нарушения реабсорбционной функции почек, неправильного применения витаминов, недостатка кальция в продуктах питания. Негативное влияние фосфора на организм человека проявляется прежде всего в поражении сердечно-сосудистой системы, почек и костного аппарата и может свидетельствовать о серьезных нарушениях обмена веществ.