Нарушения кислотно-основного равновесия - патофизиология обменных процессов
Видео: Кислотно-щелочное равновесие
НАРУШЕНИЯ ВОДНО-ЭЛЕКТРОДНОГО ОБМЕНА
Из всех химических соединений, формирующих тело человека, вода является наиболее представительным компонентом и составляет от 60 до 70% его массы. Общее содержание воды в организме зависит от возраста, пола, степени упитанности и других факторов. Физические и химические свойства воды предопределяют многообразие ее функций в процессах жизнедеятельности. Участвуя в химических реакциях, являясь универсальным растворителем газов, органических и неорганических соединений, вода обеспечивает их транспорт и обмен, обусловливает взаимосвязи во внутренних средах организма и с внешним миром. В свою очередь водный обмен теснейшим образом связан с изменением содержания И распределения в организме осмотически активных веществ и, прежде всего, с обменом электролитов.
Регуляция и механизмы водно-электролитного обмена
В совокупности процессов, обеспечивающих водно-электоролитный гомеостаз организма, следует выделить механизмы, направленные:
- на сохранение общего содержания воды в организме, динамического равновесия с окружающей средой;
- на поддержание постоянства распределения воды между водными секторами во внутренних средах организма;
- на обеспечение внешнего баланса электролитов и постоянства их осмотической концентрации в водных секторах.
Регуляция и механизмы обеспечения общего баланса воды в организме. Суточный оборот воды составляет 3,6% 01 массы тела. Эти 2,5 л воды в положительном балансовом показателе складываются из 1,2 л воды напитков, I л воды, входящей в состав пищи и 0,3 л эндогенно образующейся в процессе метаболизма воды. Отрицательный балансовый показатель складывается из воды, выводимой с мочой (около 1,5 л), незаметных потерь воды с выдыхаемым воздухом и потом (около 1л)- кроме того, 0,1—0,3 литра воды теряются с калом.
Потребление воды контролируется чувством жажды, которое появляется вследствие возбуждения осморецепторов гипоталамуса при внутриклеточной дегидратации. Непосредственной причиной обезвоживания клеток является повышение осмотической концентрации электролитов в окружающей клетки интерстициальной жидкости, что может быть связано с избыточными потерями или недостаточным поступлением воды в организм, а также с потреблением соленой пищи. Жажда может возникать вне связи с изменениями осмотической концентрации внутренних сред организма. Этот механизм наблюдается при динамической потере объема внеклеточной жидкости. Механизм активации питьевого центра жажди в этих случаях связан с возбуждением иолюмореценторов правого предсердия и полых вен. Физиологический реакцией на возникновение жажды является прием воды, что и способствует поддержанию на постоянном уровне водною и электролитного равновесия в организме.
Необходимые электролиты человек обычно получает в достаточном количестве в составе нищи при традиционно сформировавшихся смешанных диетах с суточным содержанием хлорида натрия 9—15 г. Крайние варианты диет с избирательным повышенным содержанием отдельных электролитов требуют специальных коррекций. Преобладание в рационе растительной пищи (например, при вегетарианстве) способствует накоплению в организме катиона калия и развитию гипонатрнемии, в связи с этим потребность в солях натрия резко возрастает. Внимание исследователей привлекает удивительная способность животных предпочитать пищу, содержащую недостающие элементы — так называемый «солевой выбор». Вероятно, в механизмах формирования этой поведенческой реакции играют роль специфические рецепторы внутренних органов- не исключается также и участие ренинангиотензиновой системы.
Выведение воды и электролитов из организма наиболее эффективно регулируется на уровне почек благодаря работе нервно-рефлекторных и гормональных механизмов антидиуретической и антинатрийуретической систем. Активному регуляторному воздействию подвергается интенсивность реабсорбции натрия и экскреции калия под влиянием альдостерона и дистальная реабсорбция воды при действии вазопрессина (антидиуретического гормона), что обеспечивает суммарную концентрацию ионного состава и объема жидкости в организме.
Пусковыми стимулами к биогенезу минералокортикоидов являются избыток ионов калия, недостаток ионов натрия и гиповолемия. Нарушение баланса натрия и калия может быть компенсировано уже на уровне надпочечников, оказывая непосредственное влияние на синтез альдостерона. Гиповолемия, возбуждая волюморецепторы сосудистой системы, через центральные образования гипоталамуса стимулирует секрецию альдостерона надпочечниками. Существенное значение в биогенезе альдостерона принадлежит ренинангиотензиновой системе, активация которой начинается как вследствие уменьшения объема крови и почечного кровотока, так и при раздражении натриевых рецепторов гипоталямуса и почек. В настоящее время установлено, что из образующихся ангнотензинов наиболее выраженным действием обладает гексапептид ангиотензин-III, который специфически стимулирует продукцию альдостерона, запуская наряду с этим срочные механизмы задержки натрия почками.
В почках основная масса натрия реабсорбируется в проксимальных канальцах («обязательная» реабсорбция), но этот отдел, вероятно, не зависит от прямого влияния минералокортикоидов, скорее всего альдостерон оказывает здесь неспецифический пермиссивный эффект. Регулируемая реабсорбция натрия осуществляется в дистальных извитых канальцах и корковой части собирательных трубок. Остается пока открытым вопрос, какое из этих образований является главным объектом влияния альдостерона. В клетках-мишенях альдостерон связывается со специфическими рецепторными белками, изменяет трансмембранный потенциал, активируем Na+, К+—АТФ—азу, стимулирует в конечном итоге реабсорбцию натрия и выведение калия.
На выделение вазопрессина (антидиуретического гормо на) срабатывают две системы сигнализации: от осморецепторов и от волюморецепторов. Так как основной функцией вазопрессина (антидиуретического гормона) является осморегуляция, то ведущий стимул на его образование и секрецию поступает от осморецепторов паравентикулярного и супраоптического ядер гипоталямуса, где и происходит биогенез вазопрессина. Другим регуляторным фактором может явиться изменение объема плазмы, при этом наблюдается ускорение или замедление секреции вазопрессина. Это, например, может предотвратить развитие гиповолемии и падение уровня артериального давления.
Процесс реабсорбции воды пассивен как в проксимальных, так и в дистальных отделах нефрона. Действие вазопрессина проявляется на уровне дистальных канальцев и собирательных трубок, где он стимулирует секрецию гиалуронидазы, способствуя тем самым деполимеризации мукополисахаридов в клеточных и базальпых мембранах. В результате увеличивается проницаемость этих тканевых структур по отношению к воде, что в итоге приводит к задержке воды в организме. Механизмы регуляции водно-электролитного обмена хорошо иллюстрируют положение, что в организме имеет место довольно широкое дублирование важнейших гомеостатических механизмов.
Регуляция и механизмы распределения воды по секторам.
Находящаяся в организме вода по характеру использования, степени мобильности, локализации и другим параметрам подразделяется на три функциональные фазы, между которыми поддерживается динамическое равновесие:
Видео: Кислотно щелочное равновесие
- свободная или мобильная вода водных секторов;
- связанная вода коллоидных систем;
- конституционная вода молекулярных структур белков, липидов и углеводов.
Как уже было отмечено, одной из основных задач водноэлектролитного гомеостаза является сохранение обмена мобильной воды секторов. Решение этой задачи невозможно без поддержания концентраций электролитов па определенных уровнях. В организме выделяют два главных водных сектора: внутриклеточный и внеклеточный. Внутриклеточный сектор является наиболее представительным и составляет 30-40% массы тела. Осмотическое давление этого сектора зависит от суммарной концентрации ионов, молекул и коллоидных частиц. Ведущими внутриклеточными ионами являются калий, магний, фосфаты.
Видео: Огулов А.Т. Кислотно-щелочное равновесие
Во внеклеточном секторе воды до 20-25% от массы тела. Ведущими электролитами внеклеточных жидкостей являются ионы натрия и хлора, от концентрации которых в значительной степени зависит осмотическое давление сектора.
Разбор механизмов распределения воды и электролитов по водным секторам представляет определенные трудности в связи с их многокомпонентностью. Для характеристики деятельности водных секторов должны быть учтены: их осмотические и онкотические взаимоотношения, свойства биологических барьеров, работа сердца и напряжение стенки сосудов (определяющих уровень гидродинамического давления).
Поскольку водные сектора разделены биологическими барьерами, обладающими свойствами полупроницаемых мембран, то растворенные электролиты, молекулы и коллоиды создают осмотическое давление, которое является одним из главных факторов массообмена между секторами. Суммарная концентрация осмотически активных веществ в различных водных секторах не отличается друг от друга и составляет около 300 мнллиосмолей на литр. В мосте с тем механизмы водно-электролитного обмена между секторами не могут быть сведены к физико-химическим закономерностям, так как распределение воды и электролитов связано также с особенностями функционирования биологических мембран.
Цитоплазматическая мембрана, разделяющая внутри- и внеклеточный сектора, свободно проницаема для воды. Более того, скорость прохождения воды через мембрану в 50 раз выше теоретически рассчитанной диффузия, что может быть объяснено наличием специальных пор. Явление высокой мобильности КДЛ необходимо учитывать при объяснении последовательности событий в развитии физиологических и патологических сдвигов в водноэлектролитном балансе, так как именно вода является тем компонентом системы, который прежде всего реагирует на осмотический дисбаланс и обладает необходимой свободой перемещения. Тем более это становится очевидным при разборе особенностей трансмембранного транспорта электролитов. По сравнению с веществами, беспрепятственно проникающими через мембраны (например, мочевина), скорость диффузии попов значительно ниже, что связано с ограничениями, накладываемыми Фи зико-химическими свойствами липопротеидов клеточных мембран, При этом пассивные потоки ионов, направленные на выравнивание градиентов концентрации, регулируются селективной проницаемостью мембран, которая выше для катионов, чем для анионов. Это объясняется особенностями пространственного распределения электрических зарядов и объемной консформации белков формирующих трансмембранные каналы. На скорость диффузии катионов натрия и калия существенное влияние оказывает концентрация в клетке двухвалентного катиона кальция. Если бы транспорт электролитов ограничивался только пассивным распределением но электрохимическому градиенту, то между вне- и внутриклеточными пространствами установилось бы ионное равновесие. Между тем в действительности формируется выраженная ионная ассимметрия: при этом из общего количества калия организма 90% находится внутри клеток- из общего
содержания натрия 33% приходится на внеклеточные жидкости и только 2% локализованы внутри клеток- 87% анионов хлора расположено во внеклеточном пространстве и т. д.
Избирательное перераспределение электролитов возникает вследствие работы встроенных в структуру клеточных мембран механизмов активного транспорта катионов натрия и калия. Фермент натрий-, калий- активируемая аденозинтрифосфатаза, используя энергию гидролиза макроэргической связи аденозинтрифосфорной кислоты, осуществляет перекачку натрия и калия. За счет энергии Т моля аденозинтрифосфорной кислоты из клетки откачивается против градиента концентрации 3 моля катиона натрия и переносится в клетку 2 моля катиона калия. Создается эффект ионной асимметрии: при этом вне клетки отношение катиона натрия к катионам, калия составляет 28:1. а внутри клетки 1:20. Работа натриевого насоса обеспечивает стационарные условия существования клетки и играет важную роль в образовании трансмембранного биоэлектрического потенциала. Потеря ионной асимметрии, например, за счет повышения скорости пассивной диффузии ионов натрия и калия через мембрану при повышении внутриклеточной концентрации катионов кальция, может явиться причиной гибели клетки.
Комплекс вышеперечисленных факторов является определяющим в механизмах осморегуляторных взаимоотношений вне- и внутриклеточных секторов и имеет важное значение как в понимании физиологических закономерностей обмена воды и электролитов, так и для объяснения многих патологических процессов. Более высокая инерционность механизмов ионного транспорта по сравнению с переносом воды предопределяет ведущую роль осмотически активных веществ, в обмене между секторами: так. например, поступление в организм хлорида натрия прежде всего приводит к сдвигу воды от внутриклеточного сектора к внеклеточному. Это восстанавливает осмотическое равновесие, но вызывает дегидратацию клеток и нарушает внутренний водный баланс. Обратные явления развиваются при потере осмотически активных веществ или поступлении в организм воды. Таким образом, концентрация электролитов (а во внеклеточном секторе прежде всего содержание ионов натрия) является одним из главных факторов, определяющих состояние водного баланса.
Большая часть внеклеточной жидкости распределена по ДВУМ секторам: внутрисосудистому и интерстициальному, разделенных эндотелием и базальной мембраной капиллярной стенки. Физиологически наиболее активным и подвижным является интерстициальный сектор, на котором прежде всего отражаются потеря, накопление или перераспределение воды и сдвиги электролитного баланса. Среди факторов, влияющих на распределение волы между сосудистым и интерстициальным секторами, важное значение имеют особенности проницаемости сосудистой стенки и обусловленный этими особенностями характер распределения осмотически активных веществ, а также взаимодействие гидродинамических давлений секторов.
Транспорт высокомолекулярных соединений через эндотелиальный слои ограничен, что является причиной существенных различий в концентрации белков плазмы и интерстициальной жидкости. В плазме содержание белков равно 65—80 г/л, а в интерстициальной жидкости — только 4 г/л. Это создает в капиллярном русле постоянную разность и коллоидно-осмотического давления в 2.00 кПа (15 мм рт столба). Действие этого фактора направлено на удержание воды в сосудистом русле.
Электролиты и низкомолекулярные соединения с потоками воды беспрепятственно проходят через сосудистую стенку и несмотря на некоторое (в соответствии с правилом Доннана) преобладание электролитов в плазме, обусловленное более высокой концентрацией белков, они оказывают выраженное влияние не на соотношение объемов, а на общее количество воды во внеклеточном секторе. В связи с тем, что 92% всех катионов и 46% всех внеклеточных осмотически активных частиц составляют ноны натрия, то их содержание и будет фактором, определяющим общий объем сектора, за исключением таких патологических процессов как сахарный диабет или уремия, при которых величина осмотического давления в значительной мере зависит от концентрации глюкозы или компонентов остаточного азота.
Меняющемуся на протяжении капиллярного русла гидродинамическому давлению внутри сосудов — 4.00 кПа (30 мм рт. столба) в артериальном конце, до 1,99 кПа (15 мм рт. столба) в венозном конце, противостоит постоянное давление межтканевой жидкости в 1.06 кПа (8 мм рт. столба). В артериальном конце капилляра создается фильтрационная сила в 0,03 кПа (7 мм рт. столба),обусловливающая движение воды и растворённых в ней веществ в интерстициальный раздел, вследствие преобладания разности гидродинамических давлений — 2.93 кПа/22 мм рт. столба) над разностью коллоидно-осмотических давлений — 2.00 кПа (15 мм рт. столба). В венозном конце капилляра формируется резорбционная сила в 1.06 (8 мм рт. столба), обусловленная преобладанием разности коллоидно-осмотических давлений — 2,00 кПа (15 мм рт. столба) над разностью гидродинамических давлений — 0,93 кПа (7 мм рт. столба), что вызывает перемещение воды и растворенных в ней веществ в сосудистое русло. Эти закономерности описаны еще в конце прошлого века Старлингом.
