Калий в биологии

Калий является основным внутриклеточным ионом для всех типов клеток , играющим важную роль в поддержании баланса жидкости и электролитов . [1] [2] Калий необходим для функционирования всех живых клеток и поэтому присутствует во всех тканях растений и животных. В особенно высоких концентрациях он содержится в растительных клетках, а в смешанном рационе наиболее концентрирован во фруктах. Высокая концентрация калия в растениях, связанная со сравнительно очень низкими количествами натрия, исторически привела к тому, что калий впервые был выделен из золы растений ( поташ ), что, в свою очередь, дало элементу его современное название. Высокая концентрация калия в растениях означает, что тяжелое растениеводство быстро истощает почвы калием, а сельскохозяйственные удобрения потребляют 93% калийной химической продукции современной мировой экономики.
Функции калия и натрия в живых организмах весьма различны. Животные, в частности, по-разному используют натрий и калий для генерации электрических потенциалов в клетках животных, особенно в нервной ткани . Истощение калия у животных, включая человека, приводит к различным неврологическим дисфункциям. Характерные концентрации калия в модельных организмах составляют: 30–300 мМ в E. coli , 300 мМ в почкующихся дрожжах, 100 мМ в клетках млекопитающих и 4 мМ в плазме крови. [3]
Функция у растений
[ редактировать ]Основная роль калия в растениях заключается в обеспечении ионной среды для метаболических процессов в цитозоле и в качестве такового выступает регулятором различных процессов, включая регуляцию роста. [4] Растениям необходимы ионы калия (K + ) для синтеза белка и для открытия и закрытия устьиц , которое регулируется протонными насосами, делая окружающие замыкающие клетки либо набухшими , либо вялыми . Дефицит ионов калия может ухудшить способность растения поддерживать эти процессы. Калий также участвует в других физиологических процессах, таких как фотосинтез , синтез белка , активация некоторых ферментов , перенос растворенных веществ флоэмы фотоассимилятов в органы-источники и поддержание катионно-анионного баланса в цитозоле и вакуоли . [5]
Функция у животных
[ редактировать ]Калий является основным катионом (K + , положительный ион) внутри клеток животных , а натрий (Na + ) является основным катионом вне клеток животных. Разница между концентрациями этих заряженных частиц вызывает разницу в электрическом потенциале внутри и снаружи клеток, известную как мембранный потенциал . Баланс между калием и натрием поддерживается переносчиками ионов в клеточной мембране . Все калиевые ионные каналы представляют собой тетрамеры с несколькими консервативными вторичными структурными элементами. ряд структур калиевых каналов, Был решен включая управляемые по напряжению , [6] [7] [8] лиганд-закрытый , [9] [10] [11] [12] [13] наконец [14] [15] [16] и внутренне исправляя каналы, [17] [18] [19] [20] [21] от прокариотов и эукариотов . Потенциал клеточной мембраны, создаваемый ионами калия и натрия, позволяет клетке генерировать потенциал действия — «всплеск» электрического разряда. Способность клеток производить электрический разряд имеет решающее значение для таких функций организма, как нейротрансмиссия , сокращение мышц и функция сердца. [22]
Диетические рекомендации
[ редактировать ]США Национальная медицинская академия (NAM) от имени США и Канады устанавливает рекомендуемые нормы потребления с пищей , включая расчетные средние потребности (EAR) и рекомендуемые диетические нормы (RDA) или адекватные дозы (AI) на случай, если их нет. достаточно информации для установки EAR и RDA.
Как для мальчиков, так и для девочек в возрасте до 9 лет норма содержания калия составляет: 400 мг калия для детей в возрасте от 0 до 6 месяцев, 860 детей в возрасте от 7 до 12 месяцев. мг калия для детей в возрасте от 7 до 12 месяцев, 2000 мг калия для детям от 1 до 3 лет и 2300 мг калия детям от 4 до 8 лет.
Для мужчин в возрасте 9 лет и старше норма содержания калия составляет: 2500 мг калия для мальчиков от 9 до 13 лет, 3000 мг калия для мужчин от 14 до 18 лет и 3400 мг для мужчин, которые 19 лет и старше.
Для женщин в возрасте 9 лет и старше норма содержания калия составляет: 2300 мг калия для женщин в возрасте от 9 до 18 лет и 2600 мг калия для женщин в возрасте 19 лет и старше.
Для беременных и кормящих женщин ПДК калия составляют: 2600 мг калия для беременных женщин в возрасте от 14 до 18 лет, 2900 мг для беременных женщин в возрасте 19 лет и старше; кроме того, 2500 мг калия для кормящих женщин в возрасте от 14 до 18 лет и 2800 мг для кормящих женщин в возрасте 19 лет и старше. Что касается безопасности, NAM также устанавливает допустимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, но в отношении калия доказательств было недостаточно, поэтому UL не был установлен. [23] [24]
В 2019 году Национальные академии наук, техники и медицины пересмотрели достаточное потребление калия до 2600 мг/день для женщин 19 лет и старше, не беременных и не кормящих грудью, и 3400 мг/день для мужчин 19 лет. и старше. [25] [26]
Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет совокупный набор информации эталонными диетическими значениями, с эталонным потреблением для населения (PRI) вместо RDA и средней потребностью вместо EAR. AI и UL определены так же, как и в США. Для людей в возрасте 15 лет и старше ИИ устанавливается на уровне 3500 мг/день. ИИ при беременности составляет 3500 мг/сут, при лактации 4000 мг/сут. Для детей в возрасте 1–14 лет доза ИИ увеличивается с возрастом от 800 до 2700 мг/день. Эти AI ниже, чем RDA в США. [27] EFSA рассмотрело тот же вопрос безопасности и решило, что данных недостаточно для установления UL для калия. [28]
Маркировка
[ редактировать ]Для целей маркировки продуктов питания и пищевых добавок в США количество в порции выражается в процентах от дневной нормы (% ДВ). Для целей маркировки калия 100% дневной нормы составляло 3500 мг, но с мая 2016 года она была пересмотрена до 4700 мг. [29] [30] Таблица старых и новых суточных норм для взрослых представлена в разделе «Справочная суточная норма» .
Добавки
[ редактировать ]20 мг-экв (781 мг) калия из глюконата калия (4680 мг) или цитрата калия (2040 мг), смешанного с половиной стакана (1,12 дл) воды, принимаемого два-четыре раза в день. Можно принимать ежедневно [31] [32]
Маркировка
[ редактировать ]Из-за риска поражения тонкой кишки FDA США требует, чтобы на некоторых солях калия (например, хлориде калия ), содержащих более 99 мг (около 1,3 мг-экв), маркировалось предупреждение. [33]
Источники пищи
[ редактировать ]Употребление разнообразных продуктов, содержащих калий, — лучший способ получить достаточное его количество. К продуктам с высоким содержанием калия относятся киви , апельсиновый сок , картофель , кокос , авокадо , абрикосы , пастернак и репа , хотя многие другие фрукты , овощи , бобовые и мясо содержат калий.
Распространенные продукты с очень высоким содержанием калия: [34]
- фасоль (белая фасоль и другие)
- темная листовая зелень (шпинат, мангольд и др.)
- картофель
- сухофрукты (абрикосы, персики, чернослив, изюм; инжир и финики)
- давить
- йогурт
- рыба (лосось)
- авокадо
- орехи (фисташки, миндаль, грецкие орехи и т. д.)
- семена (тыква, тыква, подсолнечник)
Продукты, содержащие наибольшую концентрацию: [34]
- сушеные травы
- вяленые помидоры
- какао-продукты [35]
- сывороточный порошок
- паприка
- дрожжевой экстракт
- рисовые отруби
- патока
- сухие жареные соевые бобы
Дефицит
[ редактировать ]Высокое кровяное давление/гипертония
[ редактировать ]Диеты с низким содержанием калия повышают риск гипертонии, инсульта и сердечно-сосудистых заболеваний. [36] [37]
Гипокалиемия
[ редактировать ]Серьезный дефицит калия в жидкостях организма может вызвать потенциально смертельное состояние, известное как гипокалиемия . Гипокалиемия обычно возникает в результате потери калия в результате диареи , диуреза или рвоты. Симптомы связаны с изменениями мембранного потенциала и клеточного метаболизма. Симптомы включают мышечную слабость и судороги, паралитическую кишечную непроходимость , нарушения ЭКГ, паралич кишечника, снижение рефлекторной реакции и (в тяжелых случаях) паралич дыхания, алкалоз и аритмию .
В редких случаях регулярное употребление большого количества черной солодки приводило к гипокалиемии. Солодка содержит соединение ( глицирризин ), которое увеличивает выведение калия с мочой. [38]
Недостаточное потребление
[ редактировать ]Взрослые женщины в США потребляют в среднем половину этого количества, а мужчины — две трети. Для всех взрослых менее 5% превышают AI. [39] Аналогичным образом, в Европейском Союзе широко распространено недостаточное потребление калия. [40]
Побочные эффекты и токсичность
[ редактировать ]Желудочно-кишечные симптомы являются наиболее распространенными 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 является наиболее серьезной побочной реакцией на калий. Гиперкалиемия возникает, когда калий накапливается быстрее, чем почки могут его удалить. Чаще всего это встречается у людей с почечной недостаточностью . Симптомы гиперкалиемии могут включать покалывание в руках и ногах, мышечную слабость и временный паралич. Самым серьезным осложнением гиперкалиемии является развитие нарушения сердечного ритма ( аритмии ), которое может привести к остановке сердца.
Хотя гиперкалиемия у здоровых людей встречается редко, пероральные дозы, превышающие 18 граммов, принимаемые за один раз у людей, не привыкших к высокому потреблению, могут привести к гиперкалиемии.
См. также
[ редактировать ]- Биология и фармакология химических элементов
- Потенциал действия - Нейронная связь с помощью электрических импульсов.
- Кальций в биологии - Использование кальция организмами.
- Электролит – ионные твердые вещества, диссоциация которых в воде высвобождает ионы, переносящие электрический ток в растворе.
- Йод в биологии - Использование йода организмами
- Магний в биологии - Использование магния организмами
- Мембранный потенциал - Тип физической величины
- Селен в биологии - Использование селена организмами
- Натрий в биологии - Использование натрия организмами
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пол, Ханна Р.; Уиллер, Джон С.; Мюррей, Х. Эдвард (2013). «Глава 2. Натрий и калий в здоровье и болезни». В Астрид Сигель, Хельмут Сигель и Роланд К.О. Сигел (ред.). Взаимосвязь между ионами незаменимых металлов и заболеваниями человека . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 13. Спрингер. стр. 29–47. дои : 10.1007/978-94-007-7500-8_2 . ISBN 978-94-007-7499-5 . ПМИД 24470088 .
- ^ * Клаузен, Михаэль Якоб Вольдсгаард; Поульсен, Ханне (2013). «Гомеостаз натрия и калия в клетке». В Банки, Люсия (ред.). Металломика и клетка . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 12. Спрингер. стр. 41–67. дои : 10.1007/978-94-007-5561-1_3 . ISBN 978-94-007-5560-4 . ПМИД 23595670 . электронная книга ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 электронный- ISSN 1868-0402
- ^ Майло, Рон; Филипс, Роб. «Клеточная биология в цифрах: какова концентрация различных ионов в клетках?» . book.bionumbers.org . Архивировано из оригинала 20 апреля 2017 года . Проверено 23 марта 2017 г.
- ^ Ли, РА; Вин Джонс, Р.Г. (1984). «Гипотеза, связывающая критические концентрации калия для роста с распределением и функциями этого иона в растительной клетке» (PDF) . Новый фитолог . 97 (1): 1–13. дои : 10.1111/j.1469-8137.1984.tb04103.x . JSTOR 2434189 .
- ^ Хопкинс, У.Г. и Хунер, NPA. Введение в физиологию растений, 4-е издание.
- ^ Сантосс Дж.С., Асмар-Ровира Г.А., Хан Г.В., Лю В., Саеда Р., Черезов В., Бейкер К.А., Стивенс Р.К., Монтал М. (декабрь 2012 г.). «Кристаллическая структура порового модуля потенциал-управляемого K+-канала в закрытом состоянии в липидных мембранах» . J Биол Хим . 287 (51): 43063–70. дои : 10.1074/jbc.M112.415091 . ПМЦ 3522301 . ПМИД 23095758 .
- ^ Лонг С.Б., Кэмпбелл Э.Б., Маккиннон Р. (август 2005 г.). «Кристаллическая структура потенциалзависимого K+-канала семейства шейкеров млекопитающих» . Наука . 309 (5736): 897–903. Бибкод : 2005Sci...309..897L . дои : 10.1126/science.1116269 . ПМИД 16002581 . S2CID 6072007 .
- ^ Цзян Ю, Ли А, Чен Дж и др. (май 2003 г.). «Рентгеновская структура потенциалзависимого K+-канала». Природа . 423 (6935): 33–41. Бибкод : 2003Natur.423...33J . дои : 10.1038/nature01580 . ПМИД 12721618 . S2CID 4347957 .
- ^ Цзян Ю, Ли А, Чен Дж, Каден М, Чайт БТ, Маккиннон Р (май 2002 г.). «Кристаллическая структура и механизм кальций-управляемого калиевого канала». Природа . 417 (6888): 515–22. Бибкод : 2002Natur.417..515J . дои : 10.1038/417515a . ПМИД 12037559 . S2CID 205029269 .
- ^ Юань П., Леонетти, доктор медицинских наук, Пико А.Р., Сюн Ю, Маккиннон Р. (июль 2010 г.). «Структура аппарата активации Са2+-канала ВК человека при разрешении 3,0 А» . Наука . 329 (5988): 182–6. Бибкод : 2010Sci...329..182Y . дои : 10.1126/science.1190414 . ПМК 3022345 . ПМИД 20508092 .
- ^ У Ю, Ян Ю, Е С, Цзян Ю (июль 2010 г.). «Структура управляющего кольца человеческого Ca(2+)-закрытого K(+)-канала с большой проводимостью» . Природа . 466 (7304): 393–7. дои : 10.1038/nature09252 . ПМЦ 2910425 . ПМИД 20574420 .
- ^ Леонетти, доктор медицинских наук, Юань П., Сюн Ю, Маккиннон Р. (ноябрь 2012 г.). «Функциональный и структурный анализ pH- и потенциалзависимого K+-канала SLO3 человека» . Proc Natl Acad Sci США . 109 (47): 19274–9. Бибкод : 2012PNAS..10919274L . дои : 10.1073/pnas.1215078109 . ПМК 3511096 . ПМИД 23129643 .
- ^ Конг С., Цзэн В., Йе С., Чен Л., Зауэр Д.Б., Лам Ю., Деребе М.Г., Цзян Ю. (2012). «Различные механизмы шлюзования, выявленные структурами мультилигандного закрытого канала K (+)» . электронная жизнь . 1 : е00184. doi : 10.7554/eLife.00184 . ПМК 3510474 . ПМИД 23240087 .
- ^ Брохон С.Г., дель Мармол Дж., Маккиннон Р. (январь 2012 г.). «Кристаллическая структура человеческого K2P TRAAK, липид- и механочувствительного ионного канала K +» . Наука . 335 (6067): 4с36–41. Бибкод : 2012Sci...335..436B . дои : 10.1126/science.1213808 . ПМК 3329120 . ПМИД 22282805 .
- ^ Миллер А.Н., Лонг С.Б. (январь 2012 г.). «Кристаллическая структура двухпорового домена калиевого канала человека K2P1». Наука . 335 (6067): 432–6. Бибкод : 2012Sci...335..432M . дои : 10.1126/science.1213274 . ПМИД 22282804 . S2CID 206537279 .
- ^ Донг Ю., Пайк А.С., Маккензи А., МакКленаган С., Арьял П., Донг Л., Куигли А., Грибен М., Губен С., Мукхопадьяй С., Руда Г.Ф., Клаузен М.В., Као Л., Бреннан П.Е., Берджесс-Браун Н.А., Сэнсом М.С., Такер С.Дж., Карпентер EP (март 2015 г.). «Механизмы открытия каналов K2P, выявленные структурами ТРЕК-2 и комплексом с Прозаком» . Наука . 347 (6227): 1256–9. Бибкод : 2015Sci...347.1256D . дои : 10.1126/science.1261512 . ПМК 6034649 . ПМИД 25766236 .
- ^ Кларк О.Б., Капуто А.Т., Хилл А.П., Ванденберг Дж.И., Смит Б.Дж., Гулбис Дж.М. (июнь 2010 г.). «Переориентация доменов и вращение внутриклеточной сборки регулируют проводимость в калиевых каналах Кира» . Клетка . 141 (6): 1018–29. дои : 10.1016/j.cell.2010.05.003 . ПМИД 20564790 . S2CID 14484301 .
- ^ 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. Бибкод : 2003Sci...300.1922K . дои : 10.1126/science.1085028 . ПМИД 12738871 . S2CID 2703162 .
- ^ Уортон М.Р., Маккиннон Р. (сентябрь 2011 г.). «Кристаллические структуры K+-канала GIRK2 млекопитающих и регулирование шлюзования с помощью G-белков, PIP2 и натрия» . Клетка . 147 (1): 199–208. дои : 10.1016/j.cell.2011.07.046 . ПМЦ 3243363 . ПМИД 21962516 .
- ^ Нисида М., Маккиннон Р. (декабрь 2002 г.). «Структурная основа внутреннего выпрямления: цитоплазматическая пора внутреннего выпрямителя, управляемого G-белком GIRK1, с разрешением 1,8 А» . Клетка . 111 (7): 957–65. дои : 10.1016/S0092-8674(02)01227-8 . ПМИД 12507423 . S2CID 15788511 .
- ^ Тао X, Авалос Дж.Л., Чен Дж., Маккиннон Р. (декабрь 2009 г.). «Кристаллическая структура эукариотического сильного внутреннего выпрямительного канала K + Kir2.2 с разрешением 3,1 А» . Наука . 326 (5960): 1668–74. Бибкод : 2009Sci...326.1668T . дои : 10.1126/science.1180310 . ПМЦ 2819303 . ПМИД 20019282 .
- ^ Микко Хеллгрен; Ларс Сандберг; Олле Эдхольм (2006). «Сравнение двух прокариотических калиевых каналов (K ir Bac1.1 и KcsA) в исследовании моделирования молекулярной динамики (MD)». Биофиз. Хим . 120 (1): 1–9. дои : 10.1016/j.bpc.2005.10.002 . ПМИД 16253415 .
- ^ Национальные академии наук, техники и медицины (2019 г.). «Калий: рекомендуемая норма потребления с пищей для обеспечения адекватности» . В Столлингсе, Вирджиния А; Харрисон, Меган; Ория, Мария (ред.). Рекомендуемая диетическая норма натрия и калия . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. дои : 10.17226/25353 . ISBN 978-0-309-48834-1 . ПМИД 30844154 .
- ^ Столлингс, Вирджиния А; Харрисон, Меган; Ория, Мария, ред. (5 марта 2019 г.). Справочная норма потребления натрия и калия с пищей – Публикация . Национальные академии наук, техники и медицины. дои : 10.17226/25353 . ISBN 978-0-309-48834-1 . ПМИД 30844154 . S2CID 104464967 . Проверено 13 мая 2019 г.
{{cite book}}
:|website=
игнорируется ( помогите ) - ^ «Рекомендуемые значения потребления натрия и калия в рационе обновлены в новом отчете; вводится новая категория натрия, основанная на снижении риска хронических заболеваний» (пресс-релиз). Национальные академии наук, техники и медицины . 5 марта 2019 года . Проверено 29 января 2022 г.
- ^ Национальные академии наук, техники и медицины; Отдел здравоохранения и медицины; Совет по продовольствию и питанию; Комитет по пересмотру рекомендуемых норм потребления натрия и калия с пищей (март 2019 г.). Ория М., Харрисон М., Столлингс В.А. (ред.). Рекомендуемая диетическая норма натрия и калия . Пресса национальных академий . дои : 10.17226/25353 . ISBN 978-0-309-48834-1 . ПМИД 30844154 . S2CID 104464967 . Идентификатор книжной полки: NBK538102 . Проверено 13 ноября 2022 г.
- ^ «Обзор диетических эталонных значений для населения ЕС, составленный Группой EFSA по диетическим продуктам, питанию и аллергиям» (PDF) . 2017. Архивировано (PDF) из оригинала 28 августа 2017 г.
- ^ Допустимые верхние уровни потребления витаминов и минералов (PDF) , Европейское управление по безопасности пищевых продуктов, 2006 г., заархивировано (PDF) из оригинала 16 марта 2016 г.
- ^ «Федеральный реестр, 27 мая 2016 г. Маркировка пищевых продуктов: пересмотренная версия этикеток с информацией о пищевой ценности и пищевых добавках. Страница FR 33982» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 8 августа 2016 г.
- ^ «Справочник по дневной норме базы данных этикеток пищевых добавок (DSLD)» . База данных этикеток пищевых добавок (DSLD) . Архивировано из оригинала 7 апреля 2020 года . Проверено 16 мая 2020 г.
- ^ «Правильное использование добавок калия (перорально, парентерально) — клиника Мэйо» . www.mayoclinic.org .
- ^ «NCATS Inxight Drugs — КАЛИЯ ГЛЮКОНАТ» . Drugs.ncats.io .
- ^ «Кабинет БАД – Калий» . ods.od.nih.gov .
- ^ Перейти обратно: а б «10 продуктов с самым высоким содержанием калия + одна страница для печати» . мои данные о еде . Архивировано из оригинала 11 сентября 2014 г.
- ^ «ФудДата Централ» . fdc.nal.usda.gov .
- ^ Абурто Нью-Джерси, Хэнсон С., Гутьеррес Х., Хупер Л., Эллиотт П., Капучио Ф.П. (2013). «Влияние повышенного потребления калия на факторы риска сердечно-сосудистых заболеваний и заболевания: систематический обзор и метаанализ» . БМЖ . 346 : ф1378. дои : 10.1136/bmj.f1378 . ПМЦ 4816263 . ПМИД 23558164 .
- ^ Д'Элия Л., Барба Дж., Капучио Ф.П., Страццулло П. (2011). «Потребление калия, инсульт и сердечно-сосудистые заболевания: метаанализ проспективных исследований» . Дж. Ам. Колл. Кардиол . 57 (10): 1210–9. дои : 10.1016/j.jacc.2010.09.070 . ПМИД 21371638 .
- ^ Мумоли Н., Цей М. (2008). «Гипокалиемия, вызванная солодкой». Межд. Дж. Кардиол . 124 (3): e42–4. doi : 10.1016/j.ijcard.2006.11.190 . ПМИД 17320224 .
- ^ Что мы едим в Америке, NHANES 2013–2014. Архивировано 24 февраля 2017 г. в Wayback Machine .
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 13 июля 2011 г. Проверено 30 января 2007 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) Потребление энергии и питательных веществ в Европейском Союзе
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- «Информационный бюллетень для специалистов в области здравоохранения по калию» . Управление пищевых добавок НИЗ . 3 апреля 2020 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Издатели Brooks/Cole – Натриево-калиевый насос [ постоянная мертвая ссылка ]
- Университет штата Орегон – Информационный центр по микроэлементам
- Калий в лабораторных тестах онлайн
- Калий: монография по аналитам - Ассоциация клинической биохимии и лабораторной медицины.