Калий в живых организмах: роль и функции.

Введение

Использование калия организмами

Калий является основным внутриклеточным ионом для всех типов клеток, играя важную роль в поддержании водного и электролитного баланса. Калий необходим для функционирования всех живых клеток и поэтому присутствует во всех растительных и животных тканях. Он содержится в особенно высоких концентрациях в клетках растений, а в разнообразном рационе питания наиболее концентрирован в фруктах. Высокая концентрация калия в растениях, в сочетании с относительно низким содержанием натрия, исторически привела к тому, что калий впервые был выделен из золы растений (поташа), что и дало элементу его современное название. Высокая потребность растений в калии означает, что интенсивное земледелие быстро истощает запасы калия в почве, и сельскохозяйственные удобрения потребляют 93% мирового химического производства калия. Функции калия и натрия в живых организмах существенно различаются. Животные, в частности, используют натрий и калий дифференциально для создания электрических потенциалов в клетках животных, особенно в нервной ткани. Дефицит калия у животных, включая человека, приводит к различным неврологическим дисфункциям. Типичные концентрации калия в модельных организмах составляют: 30–300 мМ в *E. coli*, 300 мМ в дрожжах, 100 мМ в клетках млекопитающих и 4 мМ в плазме крови.

Функция в растениях

Основная роль калия в растениях заключается в обеспечении ионной среды для метаболических процессов в цитозоле, и в связи с этим он функционирует как регулятор различных процессов, включая регулирование роста. Растениям необходимы ионы калия (K+) для синтеза белка и для открытия и закрытия устьиц, которое регулируется протоновыми насосами, заставляя окружающие замыкающие клетки находиться либо в тургорном, либо в увядшем состоянии. Дефицит ионов калия может нарушить способность растения поддерживать эти процессы. Калий также участвует в других физиологических процессах, таких как фотосинтез, синтез белка, активация некоторых ферментов, транспорт фотоассимилятов в органы-источники по флоэме и поддержание баланса катионов и анионов в цитозоле и вакуоли.

Функция у животных

Калий является основным катионом (K+, положительно заряженный ион) внутри клеток животных, в то время как натрий (Na+) является основным катионом снаружи клеток животных. Разница в концентрациях этих заряженных частиц создает разность электрических потенциалов между внутренней и внешней сторонами клеток, известную как мембранный потенциал. Баланс между калием и натрием поддерживается ионными транспортерами в клеточной мембране. Все калий-ионные каналы являются тетрамерами, состоящими из нескольких консервативных вторичных структурных элементов. Структуры ряда калийных каналов были определены, включая каналы, активируемые напряжением, лигандом, тандемные каналы и каналы с внутренним выпрямлением, как у прокариот, так и у эукариот. Мембранный потенциал клетки, создаваемый ионами калия и натрия, позволяет клетке генерировать потенциал действия – кратковременный электрический импульс. Способность клеток генерировать электрические импульсы критически важна для таких функций организма, как нейротрансмиссия, сокращение мышц и работа сердца.

Диетические рекомендации

Национальная академия медицины США (NAM) от имени США и Канады устанавливает диетические показатели потребления, включая оценочные средние потребности (EAR) и рекомендуемые диетические нормы (RDA) или адекватные уровни потребления (AI), когда недостаточно информации для установления EAR и RDA. Для детей мужского и женского пола в возрасте до 9 лет AI калия составляют: 400 мг для младенцев от 0 до 6 месяцев, 860 мг для младенцев от 7 до 12 месяцев, 2000 мг для детей от 1 до 3 лет и 2300 мг для детей от 4 до 8 лет. Для мужчин в возрасте 9 лет и старше AI калия составляют: 2500 мг для мальчиков от 9 до 13 лет, 3000 мг для юношей от 14 до 18 лет и 3400 мг для мужчин в возрасте 19 лет и старше. Для женщин в возрасте 9 лет и старше AI калия составляют: 2300 мг для девочек и девушек от 9 до 18 лет и 2600 мг для женщин в возрасте 19 лет и старше. Для беременных и кормящих женщин AI калия составляют: 2600 мг для беременных девушек от 14 до 18 лет, 2900 мг для беременных женщин в возрасте 19 лет и старше; кроме того, 2500 мг для кормящих девушек от 14 до 18 лет и 2800 мг для кормящих женщин в возрасте 19 лет и старше. В отношении безопасности NAM также устанавливает допустимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, но для калия доказательств было недостаточно для установления UL. В 2019 году Национальная академия наук, техники и медицины пересмотрела адекватный уровень потребления калия до 2600 мг/день для женщин в возрасте 19 лет и старше, не являющихся беременными или кормящими, и 3400 мг/день для мужчин в возрасте 19 лет и старше. Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA) обозначает весь набор информации как диетические референтные значения, используя эталонный прием населения (PRI) вместо RDA и среднюю потребность вместо EAR. AI и UL определяются аналогично США. Для людей в возрасте 15 лет и старше AI установлен на уровне 3500 мг/день. AI для беременных – 3500 мг/день, для кормящих – 4000 мг/день. Для детей в возрасте от 1 до 14 лет AI увеличиваются с возрастом от 800 до 2700 мг/день. Эти AI ниже, чем американские RDA. EFSA также рассмотрела вопрос безопасности и пришла к выводу, что данных недостаточно для установления UL для калия.

The U. S. National Academy of Medicine (NAM), on behalf of both the U. S. and Canada, sets Dietary Reference Intakes, including Estimated Average Requirements (EARs) and Recommended Dietary Allowances (RDAs), or Adequate Intakes (AIs) for when there is not sufficient information to set EARs and RDAs. For both males and females under 9 years of age, the AIs for potassium are: 400mg of potassium for 0 to 6 month old infants, 860mg of potassium for 7 to 12 month old infants, 2,000mg of potassium for 1 to 3 year old children, and 2,300mg of potassium for 4 to 8 year old children. For males 9 years of age and older, the AIs for potassium are: 2,500mg of potassium for 9 to 13 year old males, 3,000mg of potassium for 14 to 18 year old males, and 3,400mg for males that are 19 years of age and older. For females 9 years of age and older, the AIs for potassium are: 2,300mg of potassium for 9 to 18 year old females, and 2,600mg of potassium for females that are 19 years of age and older. For pregnant and lactating females, the AIs for potassium are: 2,600mg of potassium for 14 to 18 year old pregnant females, 2,900mg for pregnant females that are 19 years of age and older; furthermore, 2,500mg of potassium for 14 to 18 year old lactating females, and 2,800mg for lactating females that are 19 years of age and older. As for safety, the NAM also sets tolerable upper intake levels (ULs) for vitamins and minerals, but for potassium the evidence was insufficient, so no UL was established. In 2019, the National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine revised the Adequate Intake for potassium to 2,600 mg/day for females 19 years of age and older who are not pregnant or lactating, and 3,400 mg/day for males 19 years of age and older. The European Food Safety Authority (EFSA) refers to the collective set of information as Dietary Reference Values, with Population Reference Intake (PRI) instead of RDA, and Average Requirement instead of EAR. AI and UL defined the same as in United States. For people ages 15 and older the AI is set at 3,500 mg/day. AIs for pregnancy is 3,500 mg/day, for lactation 4,000 mg/day. For children ages 1–14 years the AIs increase with age from 800 to 2,700 mg/day. These AIs are lower than the U. S. RDAs. The EFSA reviewed the same safety question and decided that there was insufficient data to establish a UL for potassium.

Маркировка

Для целей маркировки продуктов питания и диетических добавок в США количество в порции выражается в процентах от рекомендуемой суточной нормы потребления (% DV). Для целей маркировки содержания калия 100% рекомендуемой суточной нормы потребления ранее составляли 3500 мг, но с мая 2016 года это значение было изменено до 4700 мг. Таблица старых и новых рекомендуемых суточных норм потребления для взрослых приведена в разделе "Рекомендуемая суточная норма потребления".

Дополнения

20 мЭкв (781 мг) калия, полученного из глюконата калия (4680 мг) или цитрата калия (2040 мг), смешанного с половиной чашки (1,12 дл) воды, можно принимать от двух до четырех раз в день на постоянной основе.

Маркировка

Из-за риска повреждений тонкой кишки, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) требует, чтобы некоторые соли калия (например, хлорид калия), содержащие более 99 мг (приблизительно 1,3 мЭкв), имели маркировку с предупреждением.

Высокое кровяное давление/гипертония

Диеты с низким содержанием калия повышают риск развития гипертонии, инсульта и сердечно-сосудистых заболеваний.

Гипокалемия

Сильная нехватка калия в жидкостях организма может вызвать потенциально смертельное состояние, известное как гипокалиемия. Гипокалиемия обычно возникает в результате потери калия при диарее, диурезе или рвоте. Симптомы связаны с изменениями мембранного потенциала и клеточного метаболизма. К симптомам относятся мышечная слабость и судороги, паралитический илеус, нарушения на ЭКГ, кишечный паралич, снижение рефлекторной реакции и (в тяжелых случаях) паралич дыхательной мускулатуры, алкалоз и аритмия. В редких случаях регулярное употребление большого количества черной солодки может привести к гипокалиемии. Черная солодка содержит соединение (глицирризин), которое усиливает выведение калия с мочой.

Недостаточное потребление

В США взрослые женщины потребляют в среднем половину адекватного уровня потребления, а мужчины – две трети. Менее 5% всех взрослых превышают адекватный уровень потребления. Аналогично, в Европейском Союзе недостаточное потребление калия распространено повсеместно.

Побочные эффекты и токсичность

Гастроинтестинальные симптомы – наиболее частые побочные эффекты приема калийных добавок, включая тошноту, рвоту, дискомфорт в области живота и диарею. Прием калия во время еды или использование микрокапсулированной формы калия может снизить выраженность желудочно-кишечных побочных эффектов. Гиперкалиемия – наиболее серьезная нежелательная реакция на калий. Гиперкалиемия развивается, когда калий накапливается в организме быстрее, чем почки успевают его выводить. Чаще всего она 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 нерегулярного сердечного ритма (аритмии), которое может привести к остановке сердца. Хотя гиперкалиемия редко встречается у здоровых людей, однократный прием внутрь более 18 граммов калия людьми, не привыкшими к высокому потреблению калия, может вызвать гиперкалиемию.