Водно-электролитный обмен

Распределение жидкости в организме

Для выполнения специфических функций клеткам необходима устойчивая среда обитания, включая стабильное обеспечение питательными веществами и постоянное выведение продуктов обмена. Основу внутренней среды организма составляют жидкости. На них  приходится 60 – 65 % массы тела. Все жидкости организма распределяются между двумя главными жидкостными компартментами: внутриклеточным и внеклеточным.

Внутриклеточная жидкость – жидкость, содержащаяся внутри клеток. У взрослых на внутриклеточную жидкость приходится 2/3 всей жидкости, или 30 – 40 % массы тела. Внеклеточная жидкость – жидкость, находящаяся вне клеток. У взрослых на внеклеточную жидкость приходится 1/3 всей жидкости, или 20 – 25 % массы тела. Внеклеточная жидкость подразделяется на несколько типов:

1.    Интерстициальная жидкость – жидкость, окружающая клетки. Лимфа является интерстициальной жидкостью.

2.    Внутрисосудистая жидкость – жидкость находящаяся внутри сосудистого русла.

3.    Трансцеллюлярная жидкость, содержащаяся в специализированных полостях тела. К трансцеллюлярной жидкости относится спинномозговая, перикардиальная, плевральная, синовиальная, внутриглазная, а также пищеварительные соки.

Состав жидкостей

Все жидкости состоят из воды и растворенных в ней веществ.

Вода.

Вода является основным компонентом человеческого организма. У взрослых мужчин вода составляет 60 % а у женщин – 55 % массы тела. К факторам влияющим на количество воды в организме относятся.

1.           Возраст. Как правило, количество воды в организме с возрастом уменьшается. У новорожденного количество воды составляет 70 % массы тела, в возрасте 6 – 12 месяцев – 60 %, у пожилого человека 45 – 55 %. Снижение количества воды с возрастом происходит вследствие уменьшения мышечной массы.

2.  Жировые клетки. Содержат мало воды, поэтому количество воды в организма снижается с увеличением содержания жира.

3. Пол. Женский организм имеет относительно меньше воды, так как содержит относительно больше жира.

Растворенные вещества

В жидкостях организма содержатся два типа растворенных веществ – неэлектролиты и электролиты.

1. Неэлектролиты. Вещества, которые не диссоциируют в растворе и измеряются по массе (например мг на 100 мл). К клинически важным неэлектролитам относятся глюкоза, мочевина, креатинин, билирубин.

2. Электролиты. Вещества которые диссоциируют в растворе на катионы и анионы и их содержание измеряется в миллиэквивалент на литр . Электролитный состав жидкостей представлен в таблице.

Таблица 29.1

Основные электролиты жидкостных компартментов организма (приведены средние значения)

Основными внеклеточными катионами являются Na+, Са2+, а внутриклеточными К+, Мg2+. Вне клетки преобладают анионы СL-, НСО3-, а главным анионом клетки является РО43-. Внутрисосудистая и интерстициальная жидкости имеют одинаковый состав, так как эндотелий капиляров свободно проницаем для ионов и воды. Различие состава внеклеточной и внутриклеточной жидкостей обусловлено:

1.    Непроницаемостью клеточной мембраны для ионов;

2.    Функционированием транспортных систем и ионных каналов.

Характеристики жидкостей

Кроме состава, важное значение имеют общие характеристики (параметры) жидкостей. К ним относятся: объем, осмоляльность и рН.

Объем жидкостей.

Объем жидкости зависит от количества воды которая присутствует в данный момент в конкретном пространстве. Однако вода переходит пасивно, в основном за счет Na+.

Жидкости взрослого организма имеют объем:

Внутриклеточная жидкость – 27 л

Внеклеточная жидкость – 15 л

В том числе:

Интерстициальная жидкость – 11 л

Плазма – 3 л

Трансцеллюлярная жидкость – 1 л.

Вода, биологическая роль, обмен воды

Вода в организме находится в трех состояниях:

1.    Конституционная (прочно связанная) воды, входит в структуру белков, жиров, углеводов.

2.    Слабосвязанная воды диффузионных слоев и внешних гидратных оболочек биомолекул.

3.    Свободная, мобильная вода, является средой в которой растворяются электролиты и ниэлектролиты.

Между связанной и свободной водой существует состояние динамического равновесия. Так синтез 1 г гликогена или белка требует 3 г Н2О которая переходит из свободного состояния в связанное.

Вода в организме выполняет следующие биологические функции:

1.    Растворитель биологических молекул.

2.    Метаболическая – участие в биохимических реакциях (гидролиз, гидратация, дегидратация и др.).

3.    Структурная – обеспечение структурной прослойки между полярными группами в биологических мембранах.

4.    Механическая – способствует сохранению внутриклеточного давления, формы клеток (тургор).

5.    Регулятор теплового баланса (сохранение, распределение, отдача тепла).

6.    Транспортная – обеспечение переноса растворенных веществ.

Обмен воды

Суточная потребность в воде для взрослого человека составляет около 40 мл на 1 кг массы или около 2500 мл. Время пребывания молекулы воды в организме взрослого  человека составляет около 15 дней, в организме грудного ребенка – до 5 дней. В норме имеется постоянный баланс между поступлением и потерей воды (Рис. 29.1).

Рис. 29.1 Водный баланс (внешний водный обмен) организма.

Примечание: Потеря воды через кожу слагается из:

а) неощутимых потерь воды – испарение с поверхности кожи со скоростью 6 мл/кг массы/час. У новорожденных скорость испарения больше. Эти потери воды не содержат электролитов.

б) ощутимые потери воды – потоотделение, при котором теряется вода и электролиты.

Регуляция объема внеклеточной жидкости

Значительные колебания объема интерстициальной  части внеклеточной жидкости могут наблюдаться без выраженного влияния на функции организма. Сосудистая часть внеклеточной жидкости менее устойчива к изменениям и должна тщательно контролироваться, чтобы ткани адекватно снабжались питательными веществами при одновременном непрерывном удалении продуктов метаболизма. Объем внеклеточной жидкости зависит от количества натрия в организме, поэтому регуляция объема внеклеточной жидкости связана с регуляцией обмена натрия. Центральное место в этой регуляции занимает альдостерон.

Альдостерон действует на главные клетки собирательных трубок, т. е. дистальную часть почечных канальцев – на тот участок в котором реабсорбируется около 90 % фильтруемого натрия. Альдостерон связывается с внутриклеточными рецепторами, стимулирует транскрипцию генов и синтез белков которые открывают натриевые каналы в апикальной мембране. В результате повышенное количество натрия входит в главные клетки и активирует Na+, К+ - АТФазу базолатеральной мембраны. Усиленный транспорт К+ в клетку в обмен на Na+ приводит к повышенной секреции К+ через калиевые каналы в просвет канальца.

Роль системы ренин-ангиотензин

Система ренин-ангиотензин играет важную роль в регуляции осмоляльности и объема внеклеточной жидкости.

Активация системы

При понижении артериального давления в приносящих артериолах почек если уменьшения содержания натрия в дистальных канальцах в гранулярных клетках юкстагломерулярного аппарата почек синтезируется и секретируется в кровь протеолитических фермент-ренин. Дальнейшая активация системы показана на рис. 29.2.

Рис. 29.2. Активация системы ренин-ангиотензин.

Предсердный натрийуретический фактор

Предсердный натриуретический фактор (ПНФ) синтезируется предсердиями (в основном правым). ПНФ является пептидом и выделяется в ответ на любые события, приводящие к увеличению объема или возрастанию давления накопления сердца. ПНФ в отличие от ангиотензина II и альдостерона снижает сосудистый объем и артериальное давление. Гормон обладает следующими биологическими эффектами:

1.    Повышает экскрецию почками натрия и воды (за счет усиления фильтрации).

2.    Уменьшает синтез ренина и выброс альдостерона.

3.    Снижает выброс АДГ.

4.    Вызывает прямую вазодилатацию.

Нарушения водно-электролитного обмена и кислотно-основного равновесия

Обезвоживание.

Обезвоживание (дегидратация, водная недостаточность) ведет к умньшению объема внеклеточной жидкости-гиповолемии. Развивается вследствие:

1.    Аномальной потери жидкости через кожу, почки, желудочно-кишечный тракт.

2.    Снижение поступления воды.

3.    Перемещения жидкости в третье пространство.

Выраженное снижение объема внеклеточной жидкости может привести к гиповолемическому шоку. Продолжительная гиповлемия может вызвать развитие почечной недостаточности. Различают 3 типа обезвоживания:

1.    Изотоническое – равномерная потеря Na+ и H2O.

2.    Гипертоническое – недостаток воды.

3.    Гипотоническое – недостаток жидкости с превалированием недостатка Na+.

В зависимости от типа потери жидкости дегидратация сопровождается снижением или повышением показателей осмоляльности, КОР, уровня NA+ и К+.

Отеки.

Отеки – одно из наиболее тяжелых нарушений водно-электролитного обмена. Отек – это избыточное накопление жидкости в интерстициальном пространстве, например на ногах или легочном интерстиции. При этом происходит набухание основного вещества соединительной ткани. Отечная жидкость всегда образуется из плазмы крови, которая в патологических условиях не в состоянии удерживать воду. Отеки развиваются вследствие действия факторов:

1.    Снижение концентрации альбуминов в плазме крови.

2.    Повышение уровня АДГ, альдостерона вызывающее задержку воды, натрия.

3.    Увеличение проницаемости капилляров.

4.    Повышение капиллярного гидростатического давления крови.

5.    Избыток или перераспределение натрия в организме.

6.    Нарушение циркуляции крови (например сердечная недостаточность).

Нарушения кислотно-основного равновесия

Нарушения наступают при не способности механизмов поддержания КОР предотвращать сдвиги. Могут наблюдаться два крайних состояния. Ацидоз – повышения концентрации ионов водорода или потеря оснований приводящее к уменьшению рН. Алкалоз – возрастание концентрации оснований или снижение концентрации ионов водорода вызывающее увеличение рН.

Изменение рН крови ниже 7,0 или выше 8,8 вызывают смерть организма.

Три формы патологических состояний приводят к нарушению КОР:

1.    Нарушение выведения углекислого года легкими.

2.    Избыточная продукция кислых продуктов тканями.

3.    Нарушения выведения оснований с мочой, фекалиями.

С точки зрения механизмов развития различают несколько типов нарушений КОР.

Дыхательный ацидоз – вызывается повышением рСО2 выше 40мм·рт·ст за счет гиповентиляции при заболеваниях легких, ЦНС, сердца.

Дыхательный алкалоз – характеризуется снижением рСО2 менее 40мм·рт·ст., является результатом повышения альвеолярной вентиляции и наблюдается при психическом возбуждении, заболеваниях легких (пневмонии).

Метаболический ацидоз – следствие первичного снижения бикарбоната в плазме крови, что наблюдается при накоплении нелетучих кислот (кетоацидоз, лактоацидоз), потере оснований (диарея), снижение экскреции кислот почками.

Метаболический алкалоз – возникает при увеличении уровня бикарбоната плазмы крови и наблюдается при потере кислого содержимого желудка при рвоте, использовании диуретиков, синдроме Кушинга.

Минеральные компоненты тканей, биологические функции

В организме человека обнаружено большинство элементов встречающихся в природе. С точки зрения количественного содержания в организме их можно разделить на 3 группы:

1.        Микроэлементы-содержание в организме более 10-2%. К ним относятся – натрий, калий, кальций, хлорид, магний, фосфор.

2.        Микроэлементы – содержание в организме от 10-2% до 10-5%. К ним относятся – цинкЮ молибден, иод, медь и др.

3.        Ультрамикроэлементы – содержание в организме менее 10-5%, например серебро, алюминий и др.

В клетках минеральные вещества находятся в виде ионов.

Основные биологические функции

1.    Структурная – участвуют в формировании пространственной структур биополимеров и других веществ.

2.    Кофакторная – участие в образовании активных центров ферментов.

3.    Осмотическая – поддержание осмолярности и объема жидкостей.

4.    Биоэлектрическая – генерация мембранного потенциала.

5.    Регуляторная – ингибирование или активирование ферментов.

6.    Транспортная – участие в переносе кислорода, электронов.

Натрий, биологическая роль, обмен, регуляция

Биологическая роль:

• Поддержание водного баланса и осмоляльности внеклеточной жидкости;
• Поддержание осмотического давления, объема внеклеточной жидкости;
• Регуляция кислотно-основного равновесия;
• Поддержание нервно-мышечной возбудимости;
• Передача нервного импульса;
• Вторично активный транспорт веществ через биологические мембраны.

Обмен

В организме человека содержится около 100 гр натрия, который распределен преимущественно во внеклеточной жидкости. Натрий поступает с пищей в количестве 4-5 гр в сутки и всасывается в проксимальном отделе тонкой кишки. Т1/2 ( время полуобмена) для взрослых 11-13 суток. Выделяется натрий из организма с мочой (3,3 гр/сут), потом (0,9 гр/сут), калом (0,1 гр/сут).

Регуляция обмена

Основная регуляция обмена осуществляется на уровне почек. Они отвечают за экскрецию избытка натрия и способствуют его сохранению при недостатке. Почечную экскрецию:

• усиливают: ангиотензин-II, альдостерон;
• уменьшает ПНФ.

Калий, биологическая роль, обмен, регуляция

Биологическая роль:

• участие в поддержании осмотического давления;
• участие в поддержании кислотно-основного равновесия;
• проведение нервного импульса;
• поддержание нервно-мышечного возбуждения;
• сокращение мышц, клеток;
• активация ферментов.

Обмен

Калий – основной внутриклеточный катион. В организме человека содержится 140 г калия. С пищей ежесуточно поступает около 3-4 г калия, который всасывается в проксимальном отделе тонкой кишки. Т1/2 калия – около 30 суток. Выводится с мочой (3 г/сут), калом (0,4 г/сут), потом (0,1 г/сут).

Регуляция обмена

Несмотря на небольшое содержание К+ в плазме, его концентрация  регулируется очень строго. Поступление К+ в клетки усиливают адреналин, альдостерон, инсулин, ацидоз. Общий балнс К+ регулируется на уровне почек. Альдостерон усиливает выделение К+ за счет стимуляции секреции по калиевым каналам. При гипокалиемии регуляторные возможности почек ограничены.

Кальций, биологическая роль, обмен, регуляция

Биологическая роль:

• структура костной ткани, зубов;
• мышечное сокращение;
• возбудимость нервной системы;
• внутриклеточный посредник гормонов;
• свертывание крови;
• активация ферментов (трипсин, сукцинатдегидрогеназа);
• секреторная активность железистых клеток.

Обмен

В организме содержится около 1 кг кальция: в костях – около 1 кг, в мягких тканях, преимущественно внеклеточно – около 14 г С пищей поступает 1 г в сутки, а всасывается 0,3 г/сутки. Т1/2 для кальция содержащегося в организме около 6 лет, для кальция костей скелета – 20 лет. В плазме крови кальций содержится в двух видах:

1.    недиффундируемый, связанный с белками (альбумином), биологически неактивный – 40 %.

2.    диффундируемый, состоящий из 2-х фракций:

• ионизированный (свободный) – 50 %;
• комплексный, связанный с анионами: фосфатом, цитратом, карбонатом – 10 %.

Все формы кальция находятся  в динамическом обратимом равновесии. Физиологической активностью обладает только ионизированный кальций. Кальций выделяется из организма: с калом – 0,7 г/сутки; с мочой 0,2 г/сутки; с потом 0,03 г/сутки.

Регуляция обмена

          В регуляции обмена Са2+ имеют значение 3 фактора:

1.          Паратгормон – увеличивает выход кальция из костной ткани, стимулирует реабсорбцию в почках, и активируя превращение витамина D в D его форму D3 повышает всасывание кальция в кишечнике.

2.          Кальцитонин – уменьшает выход Са2+ из костной ткани.

3.          Активная форма витамина D – витамин D3 стимулирует всасывание кальция в кишечнике. В конечном итоге, действие паратгормона и витамина D направлено на повышение концентрации Са2+ во внеклеточной жидкости, в том числе в плазме, а действие кальцитонина – на понижение этой концентрации.

Фосфор, биологическая роль, обмен, регуляция

Биологическая роль:

• образование (совместно с кальцием) структуры костной ткани;
• строение ДНК, РНК, фосфолипидов, коферментов;
• образование макроэргов;
• фосфорилирование (активация) субстратов;
• поддержание кислотно-основного равновесия;
• регуляция метаболизма (фосфорилирование, дефосфорилирование белков, ферментов).

Обмен

В организме содержится 650 г фосфора, из них в скелете – 8,5%, в клетках мягких тканей – 14%, во внеклеточной жидкости – 1 %. Поступает около 2 г в сутки, из которых всасывается до 70%. Т1/2 кальция мягких тканей – 20 суток, скелета – 4 года. Выводится фосфор: с мочой – 1,5 г/сутки, с калом – 0,5 г/сутки, с потом – около 1 мг/сутки.

Регуляция обмена

Паратгормон усиливает выход фосфора из костной ткани и выведение его с мочой, а также увеличивает всасывание в кишечнике. Обычно концентрация кальция и фосфора в плазме крови изменяются противоположным образом. Однако не всегда. При гиперпаратиреоидизме повышаются уровни обоих, а при детском рахите снижаются концентрации обоих.

Эссенциальные микроэлементы

Эссенциальные микроэлементы – микроэлементы без которых организм не может расти, развиваться и совершать свой естественный жизненный цикл. К эссенциальным элементам относятся: железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, иод, кобальт. Для них установлены основные биохимические процессы в которых они участвуют. Характеристика жизненно-важных микроэлементов приведена в таблице 29.2.

Таблица 29.2.

Эссенциальные микроэлементы, краткая характеристика.