Ионы натрия ( Na + ) необходимы в небольших количествах для некоторых видов растений , [1] но натрий как питательное вещество в целом необходим в больших количествах [1] животным , поскольку они используют его для генерации нервных импульсов и для поддержания электролитного баланса и баланса жидкости . У животных ионы натрия необходимы для вышеупомянутых функций, а также для сердечной деятельности и определенных метаболических функций. [2] Влияние соли на здоровье отражает то, что происходит, когда в организме слишком много или слишком мало натрия. Характерные концентрации натрия в модельных организмах составляют: 10 мМ в E. coli , 30 мМ в почкующихся дрожжах, 10 мМ в клетках млекопитающих и 100 мМ в плазме крови. [3]
Кроме того, ионы натрия необходимы для нескольких клеточных процессов. Они отвечают за котранспорт глюкозы в симпорте натрия-глюкозы, используются для поддержания полярности мембраны с помощью натрий-калиевого насоса и в паре с водой разжижают слизь в просвете дыхательных путей, когда активный транспортный рецептор кистозного фиброза перемещает ионы хлора в дыхательные пути. [4]
Минимальная физиологическая потребность в натрии составляет от 115 до 500 мг в день в зависимости от потоотделения из-за физической активности и того, адаптирован ли человек к климату. [5] Хлорид натрия является основным источником натрия в рационе и используется в качестве приправы и консерванта, например, для солений и вяленого мяса ; большая его часть поступает из обработанных пищевых продуктов. [6] Адекватное потребление натрия составляет от 1,2 до 1,5 г в день, [7] но в среднем люди в Соединенных Штатах потребляют 3,4 г в день, [8] [9] минимальное количество, которое способствует гипертонии. [10] Обратите внимание, что соль содержит около 39,3% натрия по массе [11] — остальное — хлор и другие следовые химические вещества; таким образом, допустимый верхний уровень потребления в 2,3 г натрия составит около 5,9 г соли — около 1 чайной ложки . [12] Среднесуточное выделение натрия составляет от 40 до 220 мЭкв. [13]
Нормальный уровень натрия в сыворотке составляет приблизительно от 135 до 145 мЭкв /л (от 135 до 145 ммоль/л). Уровень натрия в сыворотке менее 135 мЭкв/л квалифицируется как гипонатриемия , которая считается тяжелой, когда уровень натрия в сыворотке ниже 125 мЭкв/л. [14] [15]
Система ренин-ангиотензин и предсердный натрийуретический пептид косвенно регулируют количество сигнальной трансдукции в центральной нервной системе человека , которая зависит от движения ионов натрия через мембрану нервной клетки во всех нервах. Таким образом, натрий важен для функции нейронов и осморегуляции между клетками и внеклеточной жидкостью ; распределение ионов натрия опосредовано у всех животных натрий-калиевыми насосами , которые являются активными транспортерными насосами растворенных веществ , перекачивающими ионы против градиента, и натрий-калиевыми каналами. [16] Известно, что натриевые каналы менее избирательны по сравнению с калиевыми каналами. Натрий является наиболее заметным катионом во внеклеточной жидкости: в 15 л внеклеточной жидкости у человека весом 70 кг содержится около 50 граммов натрия, что составляет 90% от общего содержания натрия в организме.
Некоторые мощные нейротоксины , такие как батрахотоксин , увеличивают проницаемость клеточных мембран для ионов натрия в нервах и мышцах, вызывая массивную и необратимую деполяризацию мембран с потенциально фатальными последствиями. Однако препараты с меньшим воздействием на движение ионов натрия в нервах могут иметь разнообразные фармакологические эффекты, которые варьируются от антидепрессивных до противосудорожных.
Поскольку только некоторым растениям требуется натрий, и то в небольших количествах, полностью растительная диета , как правило, будет содержать очень мало натрия. [ требуется ссылка ] Это требует, чтобы некоторые травоядные получали свой натрий из солонцов и других минеральных источников. Потребность животных в натрии, вероятно, является причиной высококонсервативной способности ощущать ион натрия как «соленый». Рецепторы чистого соленого вкуса лучше всего реагируют на натрий; в противном случае рецепторы реагируют только на несколько других небольших одновалентных катионов ( Li + , NH+4и в некоторой степени K + ). Ион кальция (Ca 2+ ) также имеет соленый и иногда горький вкус для некоторых людей, но, как и калий, может вызывать другие вкусы.
Ионы натрия играют разнообразную и важную роль во многих физиологических процессах, регулируя объем крови , артериальное давление , осмотическое равновесие и pH . [8]
В растениях C4 натрий является микроэлементом , который помогает в метаболизме, в частности в регенерации фосфоенолпирувата (участвует в биосинтезе различных ароматических соединений и в фиксации углерода ) и синтезе хлорофилла. [17] В других он заменяет калий в нескольких ролях, таких как поддержание давления тургора и помощь в открытии и закрытии устьиц. [18] Избыток натрия в почве ограничивает поглощение воды из-за снижения водного потенциала , что может привести к увяданию; аналогичные концентрации в цитоплазме могут привести к ингибированию ферментов, что, в свою очередь, вызывает некроз и хлороз. [19] Чтобы избежать этих проблем, растения выработали механизмы, которые ограничивают поглощение натрия корнями, хранят его в клеточных вакуолях и контролируют их на больших расстояниях; [20] избыток натрия также может храниться в старой растительной ткани, ограничивая повреждение нового роста. Хотя насколько избыточная нагрузка натрия в ксилеме еще предстоит определить. Однако антипортер CHX21 можно объяснить активной загрузкой натрия в ксилему. [21]
Натрий является основным катионом (положительно заряженным ионом) во внеклеточных жидкостях животных и человека. Эти жидкости, такие как плазма крови и внеклеточные жидкости в других тканях, омывают клетки и выполняют транспортные функции для питательных веществ и отходов. Натрий также является основным катионом в морской воде, хотя его концентрация там примерно в 3,8 раза выше, чем обычно во внеклеточных жидкостях организма.
Хотя система поддержания оптимального баланса соли и воды в организме является сложной, [22] один из основных способов, с помощью которых организм человека отслеживает потерю воды в организме, заключается в том, что осморецепторы в гипоталамусе ощущают баланс концентрации натрия и воды во внеклеточных жидкостях. Относительная потеря воды в организме приведет к повышению концентрации натрия выше нормы, состояние, известное как гипернатриемия . Это обычно приводит к жажде. И наоборот, избыток воды в организме, вызванный питьем, приведет к слишком низкому содержанию натрия в крови ( гипонатриемия ), состояние, которое снова ощущается гипоталамусом , вызывая снижение секреции гормона вазопрессина из задней доли гипофиза и последующую потерю воды с мочой, что способствует восстановлению концентрации натрия в крови до нормы.
У людей с тяжелым обезвоживанием, например, у людей, спасенных в океане или пустыне, обычно очень высокие концентрации натрия в крови. Их необходимо очень осторожно и медленно возвращать к норме, поскольку слишком быстрая коррекция гипернатриемии может привести к повреждению мозга из-за клеточного отека, поскольку вода внезапно перемещается в клетки с высоким осмолярным содержанием.
У людей было показано, что потребление большого количества соли снижает выработку оксида азота . Оксид азота (NO) способствует гомеостазу сосудов, ингибируя сокращение и рост гладких мышц сосудов, агрегацию тромбоцитов и адгезию лейкоцитов к эндотелию. [23]
Поскольку система гипоталамуса / осморецепторов обычно хорошо работает, чтобы заставить пить или мочиться, чтобы восстановить концентрацию натрия в организме до нормы, эта система может использоваться в медицинском лечении для регулирования общего содержания жидкости в организме, сначала контролируя содержание натрия в организме. Таким образом, когда дается мощный диуретический препарат, который заставляет почки выводить натрий, эффект сопровождается выведением воды из организма (потеря воды сопровождает потерю натрия). Это происходит потому, что почки неспособны эффективно удерживать воду, одновременно выводя большое количество натрия. Кроме того, после выведения натрия система осморецепторов может ощущать пониженную концентрацию натрия в крови, а затем направлять компенсаторную потерю воды с мочой, чтобы исправить гипонатриемическое (низкое содержание натрия в крови) состояние.
Натрий -калиевый насос работает с каналами утечки натрия и калия для поддержания мембранного потенциала между клеткой и внеклеточным пространством. Натрий перемещается вниз по градиенту концентрации из цитозоля во внеклеточный матрикс. Калий перемещается вниз по градиенту концентрации из внеклеточного матрикса в цитозоль. Для поддержания мембранного потенциала натрий-калиевый насос действует как форма прямого активного транспорта, где гидролиз АТФ до АДФ и неорганического фосфата в АТФазе P-типа перемещает 3 иона калия обратно из клетки и 2 иона натрия в клетку. [4]
Натрий-калиевый насос играет большую роль в нейронной сигнализации из-за поддержания потенциала клеточной мембраны. Это создает потенциал действия, который заставляет нейроны поляризовать и деполяризовать свои мембраны, открывая и закрывая потенциалзависимые каналы: это изменяет потенциал напряжения и приводит к секреции нейротрансмиттера и в конечном итоге к передаче сигнала. [24]
Когда насос не функционирует, пациенты подвержены таким заболеваниям, как сердечная недостаточность и хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ). У тех, кто перенес сердечную недостаточность, в среднем на 40% ниже концентрация натрий-калиевой АТФазы. Это отсутствие поляризации мембраны приводит к неспособности потенциалов действия распространяться с обычной скоростью, что приводит к снижению частоты сердечных сокращений и потенциальной сердечной недостаточности. [25] При диагностике ХОБЛ у большинства пациентов, у которых обнаружено пониженное количество магния и калия, также наблюдалась пониженная концентрация натрий-калиевого насоса в скелетных и гладких мышцах во время дыхательной недостаточности. ХОБЛ поддается краткосрочному лечению глюкокортикоидами, которые повышают регуляцию натрий-калиевого насоса, помогая поддерживать выносливость мышц и увеличивать мышечную активность во время этих эпизодов дыхательной недостаточности. [26]
В симпортере натрия-глюкозы натрий перемещается вниз по градиенту концентрации, чтобы переместить глюкозу вверх по градиенту концентрации. Натрий имеет большую концентрацию вне клетки и связывается с симпортером, который находится в своей внешней конформации. Как только натрий связан, глюкоза может связываться из внеклеточного пространства, заставляя симпортер переключаться в закрытое образование (закрытое) перед тем, как открыться внутрь клетки и высвободить два иона натрия и одну молекулу глюкозы. После того, как оба высвобождаются, симпортер переориентируется на внешнюю конформацию, и процесс начинается снова. [4] Основной пример повышения регуляции симпортера натрия-глюкозы наблюдается у пациентов с диабетом 2 типа , где наблюдается примерно 3-4-кратное повышение регуляции симпортера натрия-глюкозы (SGLT1). Это приводит к притоку глюкозы в клетку и вызывает гипергликемию. [27]
Регулятор транспорта при муковисцидозе (CFTR) работает путем связывания двух АТФ с доменами связывания АТФ A1 и A2. Это открывает канал CFTR и позволяет ионам хлора поступать в легкие и просвет дыхательных путей. Этот приток отрицательно заряженных ионов хлора в просвет дыхательных путей заставляет натрий перемещаться в просвет дыхательных путей, чтобы уравновесить отрицательный заряд. Затем вода перемещается вместе с натрием, чтобы уравновесить осмотическое давление, и в конечном итоге приводит к разжижению слизи. В случаях муковисцидоза CFTR дефектен и связывает только один АТФ, что приводит к тому, что канал не открывается и ионы хлора не могут диффундировать в просвет дыхательных путей. Поскольку ионы хлора не могут диффундировать, нет движения натрия в просвет дыхательных путей, и нет необходимости в перемещении воды в просвет, что приводит к образованию густой слизи, которая закупоривает и инфицирует просвет дыхательных путей. [4]
Таким образом, минимальная средняя потребность для взрослых может быть оценена в условиях максимальной адаптации и без активного потоотделения как не более 5 мЭкв/день, что соответствует 115 мг натрия или примерно 300 мг хлорида натрия в день. Принимая во внимание широкий диапазон моделей физической активности и климатического воздействия, безопасное минимальное потребление может быть установлено на уровне 500 мг/день. [Примечание: Таблица 11-1, по-видимому, поясняет, что 500 мг относится к натрию, а не к хлориду натрия]