В каких реакциях обмена вода является конечным продуктом

Физкульт привет спортсмены. Сегодня я постараюсь вам рассказать о том, как происходит обмен воды и минералов в нашем организме, т.к. для стабильной и высокой работоспособности на тренировках или соревнованиях, каждый тренер или спортсмен должен обладать этой информацией. Как показывает статистика и моя личная практика — у людей существует проблема с потреблением воды, что в результате даёт отёки, дегидратацию и остальные «прелести» обезвоживания. По этому давайте я начну статью, с разговора про воду:

1) Общие сведения. Далеко не секрет, что жизнь зародилась в воде, мы состоим примерно на 65% из воды, все химические процессы внутри нашего тела протекают с участием воды, пища усваивается в ЖКТ путём гидролиза,т.е. тоже с участием воды. Учитывая вышеперечисленные факты, было бы как минимум глупо не воспринимать питьёвой режим всерьёз, но чаще всего именно так и происходит.

Вода играет важную роль в нашей жизни благодаря своим физико-химическим свойствам:

— молекула воды имеет форму тетраэдра, в центре которого расположен кислород, две вершины фигуры занимают свободные электроны кислорода, другие две занимают атомы водорода(см. рисунок 1).

Рис. 1. Строение воды.

— Соединяясь между собой молекулы воды образуют водородные связи: электроны кислорода соединяются с водородом,а атомы водорода соединяются с кислородом другой молекулы воды. Благодаря водородным связям, вода, в отличии от других жидкостей обладает высокой температурой кипения, высокой теплопроводностью, большой теплоёмкостью, что позволяет участвовать в теплообмене организма.

— вода является очень подвижной жидкостью, имеет низкую вязкость. Происходит это благодаря тому, что создание и разрушения водородных связей происходит очень быстро и постоянно. По этому вода легко циркулирует по кровеносным и лимфатическим сосудам, между клетками, в клетке и по всему организму в целом.

— молекулы воды имеют выраженную полярность, если говорить простыми словами и не вдаваясь в химию: это способность притягивать атомы других веществ. Благодаря этому свойству, вода является растворителем, в ней растворяются различные органические и не органические вещества.

Учитывая физико-химические свойства воды, становится понятно, почему вода так важна для организма, и почему именно вода стала основной жидкостью для всех существ на земле.

2) Биологическая роль и функции воды закономерно вытекают из её физико-химических свойств:

— как уже говорилось выше, вода в организме человека играет роль растворителя, в ней растворяются органические и не органические вещества.

— в следствии своей низкой вязкости и возможности перемещаться свободно по всем внутренним структурам организма, вода выполняет транспортную функцию, т.е. в составе крови переносит растворимые в ней вещества.

— для некоторых высокомолекулярных соединений вода выполняет структурную функцию, создает гидратную оболочку(условно обволакивает молекулу) и способствует стабильности таких соединений.

— вода активно участвует в метаболизме, большое количество реакций протекают с её участием, от гидролиза пищи, до цикла трикарбоновых кислот. Вода — биологически активное вещество и активный участник обмена веществ.

— благодаря своему строению, полярности и водородным связям, вода выполняет терморегуляторную функцию. Участвует в поддержании температуры тела.

Табл.1. Роль воды в организме человека.

3) Регуляция водного баланса. И прежде чем пойдёт речь про водный баланс, надо поговорить про распределение, содержание, поступление и выведение воды, так же разобраться с тем, что такое осмотическое давление крови. Эта информация даст более глубокое понимание сути водного обмена.

— содержание воды в организме. У взрослого человека содержание воды примерно 60-65% от общей массы тела, т.е. если человек весит 100 кг, из них 65 кг будет воды, и только 35 кг будет отведено на все остальные структуры и вещества. Дети имеют немного больший процент, а с возрастом процент уменьшается. Потеряв 4-5 % воды, человек начинает испытывать сильную жажду и происходит значительное снижение работоспособности. Потеря 10-15 % может привести к серьёзным нарушениям метаболизма, а потеря 20-25 %воды уже приводит к гибели. Что касается потерь воды во время тренировки, человек весом 100 кг, спокойно может потерять около 5 % воды, это около 5 кг, а если учитывать затраченный гликоген, жирные кислоты, минералы и другие вещества, то эта величина будет больше.

— распределение воды в организме. Вода в организме распределяется не равномерно, больше всего её содержится в жидкостях организма: кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, на общий состав приходится 80-90% воды. Внутренние органы и мышцы на 70-80% состоят из воды, на 20-40% состоят из воды кости и меньше всего её содержится в эмали зуба, около 1%.

— поступление воды. Суточная потребность в воде у взрослого человека примерно 2,500 — 3000 мл., либо 40 мл на кг. веса тела. Основные источники воды можно разделить на две группы экзогенные и эндогенные. В первом случае эта та вода, которую потребляет человек из вне: питьевая вода, твердая и жидкая пища. Во втором случае, это та вода, которая образуется в ходе внутриклеточных реакций, например при окислении молекулы ацетил-КоА до воды и углекислого газа в цикле Кребса.

Табл.2. Поступление воды в организм.

— выведение воды из организма. Вода из организма выводится с помощью почек, легких, потовых желез и кишечника. Если взять организм взрослого человека, то за сутки он выделяет 2500-3000 мл воды, из них выделяется: с мочой 1400 — 1500 мл, с потом 600 — 700 мл, с выдыхаемым воздухом 350 — 400 мл, с калом 150 — 200 мл. Следует отметить, что количество воды выводимое из организма может сильно отличаться от человека к человеку, т.к. зависит от количества поступившей в организм воды, образа жизни и индивидуальных различий. Так же, потеря воды усиливается во время интенсивной физической нагрузки, во время сильного потоотделения человек может потерять более 5 л воды, плюс увеличивается потеря воды с выдыхаемым воздухом. Самым главным органом, отвечающим за выведение воды, являются почки. Подробнее про их работу можно прочитать тут или посмотреть здесь.

— осмотическое давление крови. Это сила с которой растворитель(в данном случае вода) проникает через полупроницаемую мембрану. Попробую объяснить так: условно, имеем два раствора разделённые полунепроницаемой мембраной, в первом 100 мл воды и 100 молекул соли, во втором 100 мл воды и тоже 100 молекул соли, в данном случае ничего не будет происходить. Как только мы из второго раствора выльем 50 мл воды, осмотическое давление сразу же подымется, и из первого раствора, через полупроницаемую мембрану, под действием осмотического давления во второй раствор перейдёт 25 мл воды, что бы создать равновесие. В результате в первом растворе будет 75 мл воды, 100 молекул соли, и во втором будет 75 мл воды и 100 молекул соли. Это и есть действие осмотического давления.

Теперь можно продолжить разговор про обмен воды, контролирует её выведение и потребление нервно-гормональная регуляция. Когда организм теряет несколько процентов воды, у человека возникает жажда, механизм действия следующий: при обезвоживании организма сгущается кровь и растёт осмотическое давление, эта ситуация воспринимается осморецепторами, которые посылают сигнал в кору головного мозга, в результате чего формируется чувство жажды. Кроме этого, при потере воды, вырабатывается гипоталамусом гормон — вазопрессин(антидиуретический гормон), который ускоряет обратное всасывание(этап реабсорбции) воды из первичной мочи в кровь, что приводит к уменьшению диуреза. Так же удержанию воды в организме способствует другой гормон — альдостерон, механизм его действия заключается в том, что он повышает скорость обратного всасывания в кровь ионов натрия во время того же этапа реабсорбции и уменьшает обратное всасывание ионов калия. Натрий хорошо взаимодействует с водой — образуется гидратная оболочка(вода покрывает молекулу натрия), благодаря этому вода сохраняется в организме.

Рис.2. Действие альдостерона.

Я не могу не отметить, что сама по себе жажда не всегда является следствием физиологической нехватки воды. Это чувство может быть связано с привычкой, с желанием охладиться/согреться и т.д. Равносильно и другое правило, утоление жажды, не всегда истинно, т.к. чувство наполненного желудка притупляет чувство жажды, даже если нехватка воды ещё присутствует.

Выведение воды из организма стимулируется гормоном — тироксином, который синтезируется щитовидной железой. При его повышенной концентрации, усиливается потеря воды через кожу.

Подводя итог: обмен воды находится под контролем нервно-гормональной регуляции, организм при помощи этого механизма старается поддерживать постоянное количество. При избытке воды — она выводится, при нехватке задерживается. Дегидратация организма существенно влияет на работоспособность спортсмена, по этому необходимо следить за потреблением воды до, во время и после физических нагрузок.

4) Нарушение водного обмена. Происходит во первых: когда по каким-то причинам вода в организме задерживается; во вторых: когда организм подвержен долгое время дегидратации(обезвоживание). В первом случае основным симптомом являются отёки — застой воды в тканях. Такая ситуация не редко возникает и при заболеваниях почек, сердечно сосудистой системы, или во время голодания. Так же задерживаться вода в организме может при чрезмерном употреблении поваренной соли, как я уже говорил выше, натрий вступает в реакцию с водой, образуя гидратную оболочку, тем самым задерживая воду. Что бы избежать этих проблем, необходимо контролировать поступление воды и солей в организм. Рекомендованное количество потребления воды — 40 мл на кг веса тела в сутки, а поваренной соли 5 — 8 г, но эти значения колеблются в зависимости от источника, точных рекомендаций на сегодняшний день к сожалению нет.

Другой случай нарушения водного баланса — это уменьшение содержания воды в организме. Причины такого состояния могут быть разные: от ограниченного поступления воды, до серьёзных заболеваний, например сахарного диабета. Если говорить о спортсменах, то обезвоживание может быть вызвано тренировками большого объёма, в таком случае при неправильной регидратации(режим питья), спортсменом теряется большое количество воды через пот и выдыхаемый воздух, особенно при высокой температуре окружающей среды. Обезвоживание очень опасное состояние организма, по мимо многочисленных симптомов и нарушений, падает работоспособность. Для предупреждения этого необходимо соблюдать питьевой режим, например: за 30-60 минут перед тренировкой выпивать 400-500 мл воды,а во время тренировки пополнять запасы воды путём частого приёма по 40-50 мл. Но основной момент соблюдения баланса воды в организме — это правильный питьевой режим и контролируемое потребление солей в течении суток.

Обмен минералов.

1) Общие сведения. Минеральные вещества — разнообразная группа незаменимых пищевых компонентов, играющих важную роль в метаболизме человека, участвуют в образовании костной ткани, кровотворении и т.п. Почти все известные минералы входят в состав организма, однако содержание их не одинаково. На минералы приходится примерно 4% от общей массы тела, в зависимости от количества они подразделяются на макроэлементы и микроэлементы. В таблице ниже находится краткая информация по содержанию, источникам, потребности и функциях основных минералов:

Табл. 3. Нормы минералов.(Суточная норм микроэлементов измеряется миллиграммах)

2) Биологическая роль и функции отдельных минералов.

— Магний, фосфор, кальций. Эти минералы в основном содержатся в костной ткани в форме нерастворимых солей. Кальций и магний так же присутствует в плазме крови и оба этих соединения участвуют в сокращении и расслаблении мышц, помимо этого кальций является обязательным участником реакций, в ходе которых свёртывается кровь. Магний имеет ощелачивающий эффект, что позволяет ему влиять на кислотно-щелочное равновесие. Что касается фосфора, то его функции в организме многочисленны, входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов и фосфопротеидов, так же часть фосфора находится в организме в виде фосфорной кислоты, соединения, которое участвует во многих реакциях и выполняет исключительную роль в энергетическом обмене и входит в состав АТФ(аденозинтрифосфат). Гормоны кальцитонин(щитовидная железа) и паратгормон(паращитовидные железы) участвуют в метаболизме фосфора и кальция. Кальцитонин совместно с витамином D способствует включению этих элементов в костную ткань, следствием чего является снижение их концентрации в крови и моче. Паратгормон работает наоборот, при необходимости он провоцирует высвобождение фосфора и кальция из костей в кровь, так же совместно с витамином D ускоряет их всасывание в кишечнике. Такой механизм позволяет организму добиваться нужной концентрации в крови фосфора и кальция.

— Натрий, калий и хлор. В организме находятся в ионизированной форме («свободной»). Играют ключевую роль в поддержании осмотического давления крови, которое является важным физико-химическим фактором, влияющим на функции клеток. Натрий находится в основном вне клеток(плазма, лимфа, межклеточная жидкость), а калий внутри клеток. Ионы этих минералов активируют многие ферменты и являются важными соединениям для нервной системы, участвуя в формировании нервного импульса. Этот механизм основан на действии натрий-калиевого насоса, поляризации мембраны и т.д. Полное объяснение потребует много времени, по этому я расскажу подробней уже в другой статье. Если говорить кратко, при помощи изменения концентраций натрия и калия, происходит возбуждение клетки и передача импульса. Для нормального функционирования сердца так же необходимы эти два минерала, при чем, если спортсмен тренируется постоянно в аэробном режиме — потребность в калии и натрии растут. Как я говорил уже выше(обмен воды), гормон надпочечников — альдостерон, может регулировать содержания этих двух минералов в организме. Увеличения концентрации гормона, приводит к задержке натрий и выведения калия из организма, в ходе второго этапа образование урины — реабсорбции. Хочу отметить один момент — во время тренировки, сердечная мышца нуждается в повышенном потреблении калия, это первое, второе — во время нагрузки повышается потоотделении, организм теряет натрий и калий,третье — в ответ на это повышается концентрация альдостерона, что приводит к задержке натрия, но к потери калия. Получается, что нужно учитывать три фактора влияющих на потерю калия во время нагрузки: 1)повышенная потребность сердечной мышцы; 2)потеря с потом; 3)потеря в ввиду действия альдостерона. По этому спортсменом особенное важно следить за потреблением этого минерала и употреблять соответствующие продукты.

— Железо. Самое важное соединение из микроэлементов. Входит в состав гемоглобина, миоглобина и цитохрома. На сколько важные эти протеиды для организма и как они функционируют тема для отдельной статьи, по этому останавливаться здесь я не буду. У людей занимающихся спорт, потребность в железе примерно на 70 % выше, особенно тренирующихся в аэробном режиме. Дефицит железа наиболее вероятен при отсутствии должного питания, в результате развивается железодефицитная анемия и падает работоспособность спортсмена. Часто возникает такая ситуация, когда рацион ограничен с целью поддержания соревновательного веса. Исходя из всего выше сказанного, имеет смысл следить за концентрацией железа в крови, периодически сдавать анализы на само железо, ферритин(запас железа), трансферрин (транспорт железа). Если вы много тренируетесь, ограничиваете калорийность рациона и не употребляетесь продукты богатые железом(печень, яйца, грибы, зелень, овощи, мясо) и чувствуете падение работоспособности и общую слабость, имеет смысл проверить концентрацию железа в сыворотке крови.

3) Поступление и выделение минеральных веществ в организме.

На том, как и откуда поступают минеральные вещества я останавливаться не буду, тут на мой взгляд всё понятно: потребность в элементах должна удовлетворяться соответствующей пищей, в организме минералы не синтезируются.

Выведение минералов из организма человека возможно тремя путям: через почки, пот и кишечник. Почки в этом плане самый эффективный орган, через них больше всего происходит выведение неорганических соединений, около 15-25 г за сутки. Через кишечник выводят не растворимые в воде вещества, железо и соли тяжелых металлов. Интересная ситуация образовалась вокруг фосфора и кальция, дело в том, что выводится они могут и через кишечник, и через почки, а зависит это от кислотности мочи, чем она выше, тем больше выводится через почки. Объясняется это тем, что растворимость выводимых веществ выше в кислой среде. Так же, небольшая часть минералов выводится с потом, в основном это конечно хлористый натрий, который иногда даже можно наблюдать на чёрной одежде. Во время длительных нагрузок, потеря хлористого натрия может быть достаточно большой, что бы сказать на работоспособности спортсмена, в таком случае целесообразно пить во время тренировки минеральную, а не обычную воду, или соответствующие минеральные напитки.

Вывод

Хоть вода и является общедоступной, и в принципе соблюдать питьевой режим, с первого взгляда, кажется совсем не трудной задачей, но на практике почему-то получается иначе. Например в исследовании, которое проводилось с участием студентов спортсменов, результат оказался неудовлетворительный, многие студенты страдали от разной степени обезвоживания. По этим и другим причинам, перечисленным в этой статье, призываю всех, не зависимо от того спортсмен вы или нет, стараться соблюдать питьевой режим. Это не значит, что нужно пить по 2-3 л в день, насильно заливая в себя воду, просто не забывайте о том, что в течении дня нужно утолять жажду.

Что касается солей и минералов, нужно помнить о том, что если пищевое поведение у вас оставляет желать лучшего, но при этом вы достаточно много тренируетесь, есть риск получить дефицит по основным веществам: железо, калий, натрий. По этому рекомендую проанализировать свой рацион и оценить его пищевую ценность.

По поводу питья во время тренировок, лично я всегда себе беру разные напитки, либо минеральные, либо сладкая вода и пью их маленькими глотками. От обезвоживания это конечно спасает, а что касается эффективности различных электролитов добавленных в напиток, сказать ничего не могу, но эффект плацебо никто не отменял. По этому если есть возможность, лучше пить, чем не пить. Но употребление воды во время тренировки — обязательно.

На этом я с вами прощаюсь, с вами был Игорь Зайцев, до новых встреч. И для тех, кто дочитал/промотал до конца, предлагаю пройти опрос ниже:

Автор статьи: Игорь Зайцев

Группа вконтакте – мне будет очень приятно если вы добавитесь.

Канал на Youtube – буду от всей души благодарен за подписку.

Список используемой литературы:

— Биохи