Калий в биологии - Википедия - Potassium in biology

Калий это главный внутриклеточный ион для всех типов клетки, играя важную роль в поддержании жидкость и электролит баланс.[1][2] Калий необходим для функционирования всех живых клеток и, таким образом, присутствует во всех тканях растений и животных. Он содержится в особенно высоких концентрациях в клетках растений, а в смешанной диете он наиболее высок во фруктах. Высокая концентрация калия в растениях, связанная со сравнительно очень низким содержанием натрия там, исторически приводила к тому, что калий сначала выделяли из золы растений (поташ ), что, в свою очередь, дало элементу современное название. Высокая концентрация калия в растениях означает, что при выращивании тяжелых культур быстро истощается калий в почвах, а на сельскохозяйственные удобрения уходит 93% химического производства калия в современной мировой экономике.

Функции калия и натрия в живых организмах совершенно разные. Животные, в частности, по-разному используют натрий и калий для генерации электрических потенциалов в клетках животных, особенно в клетках. нервная ткань. Истощение запасов калия у животных, включая человека, приводит к различным неврологическим дисфункциям. Характерные концентрации калия в модельных организмах: 30-300 мМ в Кишечная палочка, 300 мМ в почкующихся дрожжах, 100 мМ в клетках млекопитающих и 4 мМ в плазме крови.[3]

Функция в растениях

Смотрите также: Дефицит калия (растения)

Функция у животных

Калий является основным катион (положительные ионы) внутри клетки животных, пока натрий является основным катионом за пределами клеток животных. Разница между концентрации этих заряженных частиц вызывает разницу в электрический потенциал между внутренней и внешней частью ячеек, известный как мембранный потенциал. Баланс между калием и натрием поддерживается за счет ионные транспортеры в клеточная мембрана. Все ионные каналы калия представляют собой тетрамеры с несколькими консервативными вторичными структурными элементами. Был проведен ряд структур калиевых каналов. решено включая стробированный по напряжению,[4][5][6] лиганд закрытый,[7][8][9][10][11] тандем-поры,[12][13][14] и внутренне исправляющий каналы,[15][16][17][18][19] из прокариоты и эукариоты. Потенциал клеточной мембраны, создаваемый ионами калия и натрия, позволяет клетке генерировать потенциал действия - «всплеск» электрического разряда. s Способность клеток производить электрический разряд имеет решающее значение для таких функций организма, как: нейротрансмиссия, сокращение мышц и сердечная деятельность.[20]

Диетические рекомендации

Институт медицины США (IOM) устанавливает ориентировочные средние потребности (EAR) и рекомендуемые диетические нормы (RDA), или Адекватное потребление (AI), когда нет достаточной информации для установки EAR и RDA. В совокупности EAR, RDA, AI и UL называются Рекомендуемая диета. Текущий AI для калия для женщин и мужчин в возрасте от 14 лет и старше составляет 4700 мг. ИА при беременности составляет 4700 мг / сут. AI для кормления грудью 5100 мг / сут. Для младенцев 0–6 месяцев 400 мг, 6–12 месяцев 700 мг, 1–13 лет с повышением с 3000 до 4500 мг / день. Что касается безопасности, МОМ также устанавливает Допустимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, но для калия доказательств было недостаточно, поэтому UL не установлен.[21]

Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет совокупный набор информации диетическими контрольными значениями, с эталонным потреблением населения (PRI) вместо RDA и средними потребностями вместо EAR. AI и UL определены так же, как в США. Для людей в возрасте 15 лет и старше AI установлен на уровне 3500 мг / день. ИА при беременности составляет 3500 мг / сут, при кормлении грудью 4000 мг / сут. Для детей в возрасте от 1 до 14 лет ИА увеличиваются с 800 до 2700 мг / день. Эти AI ниже, чем RDA США.[22] EFSA рассмотрело тот же вопрос о безопасности и решило, что данных для установления UL для калия недостаточно.[23]

Для целей маркировки пищевых продуктов и пищевых добавок в США количество в порции выражается в процентах от дневной нормы (% DV). Для целей маркировки калия 100% дневной нормы составляло 3500 мг, но по состоянию на май 2016 года она была пересмотрена до 4700 мг.[24][25] Соблюдение обновленных правил маркировки требовалось к 1 января 2020 года для производителей с годовым объемом продаж пищевых продуктов 10 миллионов долларов и более и к 1 января 2021 года для производителей с годовым объемом продаж продуктов питания менее 10 миллионов долларов.[26][27][28] В течение первых шести месяцев после даты соответствия 1 января 2020 года FDA планирует сотрудничать с производителями, чтобы соответствовать новым требованиям, предъявляемым к этикеткам Nutrition Facts, и не будет сосредоточиваться на принудительных мерах в отношении этих требований в течение этого времени.[26] Таблица старых и новых дневных значений для взрослых представлена ​​на сайте Эталонное суточное потребление.

Источники питания

Употребление разнообразных продуктов, содержащих калий, - лучший способ получить его достаточное количество. Продукты с высоким содержанием калия включают: киви, апельсиновый сок, картофель, бананы, кокос, авокадо, абрикосы, пастернак и репы, хотя многие другие фрукты, овощи, бобовые и мясо содержат калий.

Общие продукты с очень высоким содержанием калия:[29]

  • фасоль (белая фасоль и другие), темная листовая зелень (шпинат, мангольд и другие), печеный картофель, сушеные фрукты (абрикосы, персики, чернослив, изюм; инжир и финики), запеченные кабачки, йогурт, рыба (лосось), авокадо и банан;
  • орехи (фисташки, миндаль, грецкие орехи и др.) и семена (кабачки, тыква, подсолнечник)

Самыми концентрированными продуктами (на 100 грамм) являются:[29]

  • сушеные травы, вяленые помидоры, темный шоколад, сухая сыворотка, перец, дрожжевой экстракт, рисовые отруби, патока и жареные соевые бобы

Дефицит

Высокое кровяное давление / гипертония

Диета с низким содержанием калия увеличивает риск гипертонии, инсульта и сердечно-сосудистых заболеваний.[30][31]

Гипокалиемия

Острая нехватка калия в жидкостях организма может вызвать потенциально смертельное состояние, известное как гипокалиемия. Гипокалиемия обычно возникает в результате потери калия через понос, диурез или рвота. Симптомы связаны с изменениями мембранного потенциала и клеточного метаболизма. Симптомы включают мышечную слабость и судороги, паралитические кишечная непроходимость, Отклонения ЭКГ, паралич кишечника, снижение рефлекторной реакции и (в тяжелых случаях) паралич дыхания, алкалоз и аритмия.

В редких случаях привычное употребление большого количества черной солодки приводит к гипокалиемии. Солодка содержит соединение (Глицирризин ), что увеличивает выведение калия с мочой.[32]

Недостаточное потребление

Взрослые женщины в США потребляют в среднем половину ИИ, а мужчины - две трети. Для всех взрослых менее чем на 5% превышает ИИ.[33] Точно так же в Евросоюз, недостаточное потребление калия широко распространено.[34]

Побочные эффекты и токсичность

Желудочно-кишечные симптомы являются наиболее частыми побочными эффектами добавок калия, включая тошноту, рвоту, дискомфорт в животе и диарею. Прием калия во время еды или прием микрокапсулированной формы калия может уменьшить побочные эффекты со стороны желудочно-кишечного тракта.

Гиперкалиемия это самая серьезная побочная реакция на калий. Гиперкалиемия возникает, когда калий накапливается быстрее, чем почки могут его удалить. Чаще всего встречается у людей с почечная недостаточность. Симптомы гиперкалиемия может включать покалывание в руках и ногах, мышечную слабость и временный паралич. Самым серьезным осложнением гиперкалиемии является развитие нарушения сердечного ритма (аритмия ), что может привести к остановке сердца.

Несмотря на то что гиперкалиемия редко у здоровых людей, пероральные дозы более 18 граммов, принятые за один раз, у людей, не привыкших к высокому потреблению, могут привести к гиперкалиемия. Добавки, продаваемые в США, должны содержать не более 99 мг калия на порцию.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Pohl, Hanna R .; Уиллер, Джон С .; Мюррей, Х. Эдвард (2013). «Глава 2. Натрий и калий в здоровье и болезнях». В Астрид Сигель, Гельмут Сигель и Роланд К. О. Сигель (ред.). Взаимосвязь между ионами эссенциальных металлов и заболеваниями человека. Ионы металлов в науках о жизни. 13. Springer. С. 29–47. Дои:10.1007/978-94-007-7500-8_2. PMID  24470088.
  2. ^ *Клаузен, Майкл Якоб Волдсгаард; Поульсен, Ханне (2013). «Глава 3 Гомеостаз натрия / калия в клетке». В Банчи, Лючия (ред.). Металломика и клетка. Ионы металлов в науках о жизни. 12. Springer. Дои:10.1007/978-94-007-5561-1_3. ISBN  978-94-007-5560-4. электронная книга ISBN  978-94-007-5561-1 ISSN  1559-0836 электронный-ISSN  1868-0402
  3. ^ Майло, Рон; Филипс, Роб. «Клеточная биология в цифрах: каковы концентрации различных ионов в клетках?». book.bionumbers.org. В архиве с оригинала 20 апреля 2017 г.. Получено 23 марта 2017.
  4. ^ Santoss JS, Asmar-Rovira GA, Han GW, Liu W., Syeda R, Cherezov V, Baker KA, Stevens RC, Montal M (декабрь 2012 г.). "Кристаллическая структура порового модуля потенциалзависимого K + канала в закрытом состоянии в липидных мембранах". J Biol Chem. 287 (51): 43063–70. Дои:10.1074 / jbc.M112.415091. ЧВК  3522301. PMID  23095758.
  5. ^ Лонг С.Б., Кэмпбелл Э.Б., Маккиннон Р. (август 2005 г.). «Кристаллическая структура зависимого от напряжения канала K + семейства шейкер-шейкеров млекопитающих». Наука. 309 (5736): 897–903. Дои:10.1126 / science.1116269. PMID  16002581.
  6. ^ Цзян И, Ли А., Чен Дж и др. (Май 2003 г.). «Рентгеновская структура зависимого от напряжения K + канала». Природа. 423 (6935): 33–41. Дои:10.1038 / природа01580. PMID  12721618.
  7. ^ Цзян Ю., Ли А., Чен Дж., Каден М., Чайт Б.Т., Маккиннон Р. (май 2002 г.). «Кристаллическая структура и механизм кальциевого калиевого канала». Природа. 417 (6888): 515–22. Дои:10.1038 / 417515a. PMID  12037559.
  8. ^ Юань П., Леонетти, доктор медицины, Пико А.Р., Сюн Ю., Маккиннон Р. (июль 2010 г.). «Структура аппарата для активации Са2 + канала BK человека при разрешении 3,0 A». Наука. 329 (5988): 182–6. Дои:10.1126 / science.1190414. ЧВК  3022345. PMID  20508092.
  9. ^ У И, Ян И, Йе С, Цзян И (июль 2010 г.). "Структура стробирующего кольца из человеческого Ca (2 +) - закрытого K (+) канала большой проводимости". Природа. 466 (7304): 393–7. Дои:10.1038 / природа09252. ЧВК  2910425. PMID  20574420.
  10. ^ Леонетти, доктор медицины, Юань П., Сюн И, Маккиннон Р. (ноябрь 2012 г.). «Функциональный и структурный анализ pH- и потенциал-зависимого K + канала SLO3 человека». Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (47): 19274–9. Дои:10.1073 / pnas.1215078109. ЧВК  3511096. PMID  23129643.
  11. ^ Kong C, Zeng W, Ye S, Chen L, Sauer DB, Lam Y, Derebe MG, Jiang Y (2012). «Отчетливые механизмы стробирования, выявленные структурами мультилигандного закрытого K (+) канала». eLife. 1: e00184. Дои:10.7554 / eLife.00184. ЧВК  3510474. PMID  23240087.
  12. ^ Брохон С.Г., дель Мармол Дж., Маккиннон Р. (январь 2012 г.). «Кристаллическая структура человеческого K2P TRAAK, липидо- и механо-чувствительный ионный канал K +». Наука. 335 (6067): 4с36–41. Дои:10.1126 / наука.1213808. ЧВК  3329120. PMID  22282805.
  13. ^ Миллер А.Н., Лонг С.Б. (январь 2012 г.). «Кристаллическая структура человеческого двухпористого калиевого канала K2P1». Наука. 335 (6067): 432–6. Дои:10.1126 / science.1213274. PMID  22282804.
  14. ^ Dong YY, Pike AC, Mackenzie A, McClenaghan C, Aryal P, Dong L, Quigley A, Grieben M, Goubin S, Mukhopadhyay S, Ruda GF, Clausen MV, Cao L, Brennan PE, Burgess-Brown NA, Sansom MS, Tucker SJ, Carpenter EP (март 2015 г.). «Механизмы стробирования канала K2P, выявленные структурами ТРЭК-2 и комплексом с Прозаком». Наука. 347 (6227): 1256–9. Дои:10.1126 / science.1261512. ЧВК  6034649. PMID  25766236.
  15. ^ Кларк О.Б., Капуто А.Т., Хилл А.П., Ванденберг Д.И., Смит Б.Дж., Гулбис Дж.М. (июнь 2010 г.). «Переориентация домена и вращение внутриклеточной сборки регулируют проводимость в калиевых каналах Kir». Клетка. 141 (6): 1018–29. Дои:10.1016 / j.cell.2010.05.003. PMID  20564790.
  16. ^ Куо А., Гулбис Дж. М., Антклифф Дж. Ф., Рахман Т., Лоу Э.Д., Циммер Дж., Катбертсон Дж., Эшкрофт Ф.М., Эзаки Т., Дойл Д.А. (июнь 2003 г.). «Кристаллическая структура калиевого канала KirBac1.1 в закрытом состоянии». Наука. 300 (5627): 1922–6. Дои:10.1126 / science.1085028. PMID  12738871.
  17. ^ Whorton MR, MacKinnon R (сентябрь 2011 г.). «Кристаллические структуры GIRK2 K + канала млекопитающих и регуляция стробирования с помощью G-белков, PIP2 и натрия». Клетка. 147 (1): 199–208. Дои:10.1016 / j.cell.2011.07.046. ЧВК  3243363. PMID  21962516.
  18. ^ Нишида М., Маккиннон Р. (декабрь 2002 г.). «Структурная основа внутренней ректификации: цитоплазматическая пора G-протеина, закрываемая внутренним выпрямителем GIRK1 с разрешением 1,8 A». Клетка. 111 (7): 957–65. Дои:10.1016 / S0092-8674 (02) 01227-8. PMID  12507423.
  19. ^ Тао X, Авалос Дж. Л., Чен Дж., Маккиннон Р. (декабрь 2009 г.). "Кристаллическая структура эукариотического сильного внутреннего выпрямителя K + канала Kir2.2 при разрешении 3,1 A". Наука. 326 (5960): 1668–74. Дои:10.1126 / наука.1180310. ЧВК  2819303. PMID  20019282.
  20. ^ Микко Хеллгрен; Ларс Сандберг; Олле Эдхольм (2006). "Сравнение двух прокариотических калиевых каналов (KirBac1.1 и KcsA) в моделировании молекулярной динамики (МД) ». Биофиз. Chem. 120 (1): 1–9. Дои:10.1016 / j.bpc.2005.10.002. PMID  16253415.
  21. ^ Калий. В: Нормы потребления воды, калия, натрия, хлоридов и сульфатов с пищей В архиве 2017-09-09 в Wayback Machine. Национальная академия прессы. 2005, PP.186-268.
  22. ^ «Обзор референсных значений рациона питания для населения ЕС, составленный группой EFSA по диетическим продуктам, питанию и аллергии» (PDF). 2017. В архиве (PDF) из оригинала от 28.08.2017.
  23. ^ Допустимый верхний уровень потребления витаминов и минералов (PDF), Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов, 2006 г., в архиве (PDF) из оригинала от 16.03.2016
  24. ^ "Федеральный регистр, 27 мая 2016 г. Маркировка пищевых продуктов: пересмотр этикеток с указанием пищевых продуктов и добавок. FR страница 33982" (PDF). В архиве (PDF) с оригинала от 8 августа 2016 г.
  25. ^ «Справочник дневной нормы в базе данных этикеток пищевых добавок (DSLD)». База данных этикеток диетических добавок (DSLD). Получено 16 мая 2020.
  26. ^ а б «FDA предоставляет информацию о двойных столбцах на этикетке« Пищевая ценность »». НАС. Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA). 30 декабря 2019 г.. Получено 16 мая 2020. Эта статья включает текст из этого источника, который находится в всеобщее достояние.
  27. ^ «Изменения в этикетке с информацией о пищевой ценности». НАС. Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA). 27 мая 2016. Получено 16 мая 2020. Эта статья включает текст из этого источника, который находится в всеобщее достояние.
  28. ^ «Отраслевые ресурсы об изменениях в этикетке с данными о пищевой ценности». НАС. Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA). 21 декабря 2018 г.. Получено 16 мая 2020. Эта статья включает текст из этого источника, который находится в всеобщее достояние.
  29. ^ а б «10 продуктов с самым высоким содержанием калия + одна страница для печати». myfooddata. В архиве из оригинала от 11.09.2014.
  30. ^ Абурто, штат Нью-Джерси, Хэнсон С., Гутьеррес Х, Хупер Л., Эллиотт П., Капуччио Ф. П. (2013). «Влияние повышенного потребления калия на факторы риска сердечно-сосудистых заболеваний и заболевания: систематический обзор и метаанализы». BMJ. 346: f1378. Дои:10.1136 / bmj.f1378. ЧВК  4816263. PMID  23558164.
  31. ^ Д'Элия Л., Барба Г., Капуччио Ф. П., Страцзулло П. (2011). «Потребление калия, инсульт и сердечно-сосудистые заболевания - метаанализ проспективных исследований». Варенье. Coll. Кардиол. 57 (10): 1210–9. Дои:10.1016 / j.jacc.2010.09.070. PMID  21371638.
  32. ^ Mumoli N, Cei M (2008). «Гипокалиемия, вызванная солодкой». Int. Дж. Кардиол. 124 (3): e42–4. Дои:10.1016 / j.ijcard.2006.11.190. PMID  17320224.
  33. ^ Что мы едим в Америке, NHANES 2013-2014 В архиве 2017-02-24 в Wayback Machine.
  34. ^ «Архивная копия» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала от 13.07.2011. Получено 2007-01-30.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь) Потребление энергии и питательных веществ в Европейском союзе

дальнейшее чтение

внешняя ссылка