Скелетная система человека — сложный орган, находящийся в постоянном равновесии с остальным телом. Помимо поддержки и придания телу структуры, кость является основным резервуаром для многих минералов и соединений, необходимых для поддержания здорового баланса pH . [1] Ухудшение состояния организма с возрастом делает пожилых людей особенно восприимчивыми к плохому здоровью костей и страдающими от него . Такие заболевания, как остеопороз , характеризующийся ослаблением структурной матрицы кости, увеличивают риск переломов шейки бедра и других вторичных симптомов, изменяющих жизнь. В 2010 году более 258 000 человек в возрасте 65 лет и старше были госпитализированы с переломами шейки бедра. [2] Ожидается, что частота переломов шейки бедра в Америке вырастет на 12%, и к 2030 году прогнозируется 289 000 госпитализаций. [3] По оценкам других источников, до 1,5 миллиона американцев ежегодно будут иметь переломы, связанные с остеопорозом. [4] Стоимость лечения этих людей также огромна: в 1991 году Medicare потратила около 2,9 млрд долларов на лечение и амбулаторное лечение переломов шейки бедра, и можно ожидать, что эта цифра будет только расти. [5]
Когда потребляется больше серосодержащих аминокислот , метионина и цистина , чем организм может использовать для роста и восстановления, они расщепляются, давая сульфат или серную кислоту среди других продуктов. Продукты животного происхождения, такие как мясо, молочные продукты и яйца, содержат много белка, и «потребление животного белка в рационе тесно связано с чистой почечной кислотной экскрецией». [6] Исследования, проведенные еще в начале 1900-х годов, показали корреляцию между высокобелковой диетой и повышенной кислотной экскрецией. [7] Одной из мер кислотного или основного воздействия продуктов питания на организм является потенциальная почечная кислотная нагрузка (PRAL). Сыры с содержанием белка 15 г белка/100 г или выше имеют высокое значение PRAL, равное 23,6 мЭкв/100 г съедобной части. Мясо, рыба, другие сыры, мука или лапша имеют PRAL около 8,0 мЭкв/100 г съедобной части, тогда как фрукты и овощи на самом деле имеют отрицательный PRAL. [1] [8]
У здоровых взрослых людей кость постоянно восстанавливается и обновляется. Новая кость откладывается клетками остеобластами и резорбируется или разрушается клетками остеокластами . Это добавление и вычитание кости обычно не приводит к чистому изменению общей массы скелета, но процесс оборота может существенно зависеть от pH. [1]
Минеральная плотность костной ткани (МПКТ) — это мера, обычно используемая для количественной оценки здоровья костей. Более низкое значение МПКТ указывает на повышенный риск остеопороза или перелома. [9] Существует широкий спектр факторов, влияющих на МПКТ. Было показано, что потребление белка полезно для плотности костей, обеспечивая аминокислотные субстраты, необходимые для формирования костного матрикса. Также считается, что концентрация в крови стимулятора формирования костной ткани, инсулиноподобного фактора роста-I (ИФР-I), увеличивается при высоком потреблении белка, а паратиреоидного гормона (ПТГ), стимулятора резорбции костей, уменьшается. [10] Хотя было показано, что белок полезен для увеличения костной массы или минеральной плотности костей, между потреблением белка и частотой переломов нет существенной связи. [11] Другими словами, низкая МПКТ может быть предиктором остеопороза и повышенного риска переломов, но более высокая МПКТ не обязательно означает лучшее здоровье костей. Высокая МПКТ также коррелирует с другими проблемами со здоровьем. [12] Например, более высокая МПКТ также связана с повышенным риском рака молочной железы. [13]
Большинство метаболических процессов имеют определенный и узкий диапазон pH, в котором возможна работа, для поддержания гомеостаза действуют множественные регуляторные системы . Отклонения от оптимального рабочего pH могут замедлить или ухудшить реакции и, возможно, вызвать повреждение клеточных структур или белков. Для поддержания гомеостаза организм может выделять избыток кислоты или основания через мочу , посредством газообмена в легких или буферизировать его в крови. [14] Система бикарбонатного буфера плазмы крови эффективно поддерживает постоянный pH и помогает поддерживать внеклеточный pH около 7,35. [15] Почки отвечают за большую часть кислотно-щелочной регуляции, но могут выделять мочу не ниже pH 5. Это означает, что, например, банка колы объемом 330 мл, обычно имеющая pH от 2,8 до 3,2, должна быть разбавлена в 100 раз перед выведением. Вместо того чтобы производить 33 л мочи из одной банки колы, организм полагается на буфер для нейтрализации кислоты. [1] Системный ацидоз может быть результатом множества факторов, а не только диеты. Анаэробные упражнения , диабет , СПИД , старение, менопауза , воспаление , инфекции , опухоли и другие раны и переломы — все это способствует ацидозу. Кровь имеет средний pH 7,40, но интерстициальная жидкость может варьироваться. Например, интерстициальный pH кожи составляет ~7,1. Для костей данные отсутствуют. [16]
Гомоцистеин , небелковая аминокислота и аналог белковой аминокислоты цистина , как было показано, оказывает негативное влияние на здоровье костей. Более высокие концентрации гомоцистеина, вероятно, являются результатом дефицита фолиевой кислоты , витамина B12 , B6 . Кроме того, было обнаружено, что концентрация гомоцистеина значительно зависит от физической активности. Стимуляция скелета посредством физической активности способствует положительному ремоделированию костей и снижает уровень гомоцистеина независимо от потребления пищи. Было предложено четыре метода относительно взаимодействия гомоцистеина и кости: увеличение активности остеокластов , снижение активности остеобластов , снижение костного кровотока и прямое действие гомоцистеина на костный матрикс. Гомоцистеин ингибирует лизилоксидазу, которая отвечает за посттрансляционные модификации коллагена , ключевого компонента структуры кости [17]
Остеокласты располагаются на поверхности костей и образуют резорбционные ямки, выделяя H+ на поверхность кости, удаляя гидроксиапатит , множественные костные минералы и органические компоненты: коллаген и дентин . Целью резорбции кости является высвобождение кальция в кровоток для различных жизненных процессов. [17] Эти резорбционные ямки видны под электронным микроскопом , а характерные следы образуются при длительной резорбции. Было показано, что остеокласты «абсолютно зависят от внеклеточного закисления». [14] Падение pH <0,1 единицы может вызвать 100%-ное увеличение активности остеокластов, этот эффект сохраняется при длительном ацидозе без десенсибилизации, «усиливая эффекты умеренных различий pH». Остеокласты проявляют небольшую активность или вообще не проявляют ее при pH 7,4 и наиболее активны при pH 6,8, но могут дополнительно стимулироваться другими факторами, такими как паратиреоидный гормон . [16]
Остеобласты отвечают за минерализацию и построение костного матрикса. Они отвечают за формирование или производство костной ткани. [18] Происхождение остеобластов и остеокластов происходит от примитивных клеток-предшественников, обнаруженных в костном мозге. [18] Как и клетки остеокластов, активность клеток остеобластов напрямую связана с внеклеточным отражением pH активности остеокластов. При pH 7,4, когда остеокласты неактивны, остеобласты находятся на пике активности. Аналогично, при pH 6,9 активность остеобластов отсутствует. [16] Гормон эстроген также важен для регуляции остеобластов. У женщин в постменопаузе уровень эстрогена снижается, что отрицательно влияет на ремоделирование костей. Гомоцистеин еще больше усугубляет эту проблему, снижая транскрипцию мРНК рецептора эстрогена α. Таким образом, снижается любой полезный эффект, который эстроген оказывает на ремоделирование костей. [17]
Ацидоз подавляет минерализацию матрицы остеобластов кости с обратным эффектом на активацию остеокластов . Совместные реакции этих клеток на ацидоз максимизируют доступность гидроксильных ионов в растворе, которые могут быть использованы для буферизации протонов. [16] Использование кости для буферизации даже небольшого процента ежедневной продукции кислоты может привести к значительной потере костной массы в течение десятилетия. [6] Кроме того, по мере старения организма происходит устойчивое снижение функции почек . Метаболический ацидоз может стать более серьезным по мере ослабления функции почек, и организм будет больше зависеть от костей и крови для поддержания кислотно-щелочного гомеостаза. [10]
Не существует ни одной пищи или питательного вещества, способных обеспечить адекватное здоровье костей самостоятельно. Вместо этого наиболее полезной считается сбалансированная диета с достаточным количеством фруктов и овощей для их витаминов, минералов и подщелачивающих субстратов. Высокобелковые диеты обеспечивают большее количество аминокислот, которые могут быть разложены до кислотных соединений. Известно также, что потребление белка сверх рекомендуемой суточной нормы полезно для усвоения кальция. В целом понятно, что высокобелковые диеты имеют чистую выгоду для здоровья костей, поскольку изменения в концентрациях IGF-I и PTH перевешивают негативные эффекты выработки метаболической кислоты. [10] Источник белка, растительный или животный, не имеет значения с точки зрения кислоты, вырабатываемой в результате метаболизма аминокислот. Любые различия в содержании метионина и цистеина не имеют существенного значения для влияния на общую потенциальную кислотную нагрузку почек (PRAL) пищи. В дополнение к содержанию белка-предшественника кислоты растения также содержат значительное количество предшественников оснований. Бикарбонат калия , основная соль, образуется в результате метаболизма других органических солей калия: цитрата , малата и глюконата , которые присутствуют в растениях. Различия, наблюдаемые в PRAL, объясняются различиями в содержании предшественников оснований. [6] [8]