Водный баланс. Регуляция обмена воды
Лекция по биохимии «Водный баланс в организме.
Регуляция обмена воды»
Известно, что вода составляет порядка 60% массы тела взрослого человека, у детей относительное содержание воды во всех тканях больше.
Функции воды в организме: поддержание постоянства внутренней среды организма за счет растворения в воде органических и неорганических веществ-участников метаболизма; структурная функция; регуляция межмолекулярных взаимодейстий (белок-белковых, белок-липидных и т.д.); транспортная функция; реагент химических реакций. Огромное значение имеет способность воды к диссоциации, предопрежеляющая кислотно-основные свойства водных растворов. Способность воды к радиолизу и фотолизу предопределяет наличие в клетках свободных радикалов кислорода.
Существуют две основные фракции воды в организме: способная к обмену и связанная в коллоидных системах с молекулами органических веществ. На каждый грамм гликогена и белка ткани содержится, соответственно, 1,5 и 3 мл воды. В результате процессов катаболизма в организме человека образуется ежедневно до 300-400 мл воды. Так, при окислении 100 г жира образуется 107 мл воды, 100 г белка – 41 мл воды, 100 г углеводов – 55 г воды. Минимальная суточная потребность в питьевой воде – около 1500 мл, с твердой пищей поступает около 1000 мл воды. В обычных условиях за сутки выделается через кожу - 500 мл, через легкие – 400 мл, через почки – 1200-1500 мл, через кишечник – 100 –300 мл. У здорового взрослого человека существует нулевой водный баланс. Отрицательный водный баланс приводит к дегидратации, положительный – к гипергидратации. К факторам, влияющим на количество воды в организме, относятся:
1. Масса жировой ткани: жировые клетки содержат мало воды, поэтому количество воды снижается с увеличением содержания жира.
2. Возраст: количество воды с возрастом уменьшается, у новорожденного – 70% массы тела (у недоношенного – 80%), у пожилого человека – 45-55%.
3. Женский пол – женщины имеют относительно меньше воды в организме.
Все жидкости организма делятся на три группы:
Рекомендуемые материалы
1. Внутриклеточная жидкость. У взрослых на внутриклеточную жидкость приходится примерно 2/3 объема воды. У новорожденных, наоборот, только половина жидкости заключена в клетках.
2. Внеклеточная жидкость. Относительный объем этой жидкости уменьшается с возрастом. Эта вода составляет около 1/3 от общего объема жидкости. Внеклеточная жидкость разделяется на несколько типов:
2.1. Интерстициальная жидкость – окружает клетки. К этой группе относятся лимфа и жидкость тканей.
2.2. Внутрисосудистая жидкость (плазма крови) – обеспечивает несколько важных функций, в основном транспортную.
2.3. Трансцеллюлярная жидкость – содержится в специализированных полостях тела. К ней относятся спинномозговая жидкость, перикардиальная, плевральная, синовиальная, внутриглазная жижкости, а также пищеварительные соки. Общий объем этой жидкости составляет около 1 л., но значительно большее количество воды в течение суток может перемещаться в трансцеллюлярное пространство или из него. Например, ЖКТ в норме секретирует и реабсорбирует до 6-8 л в сутки.
Каждый жидкостный компартмент организма отделен селективно проницаемой мембраной, допускающей жвидение воды и некоторых растворенных в ней компонентов. Селективная проницаемость мембран способствует поддержанию уникального состава каждого компартмента, допуская перемещение питательных веществ и удаление продуктов метаболизма. К полупроницаемым мембранам относятся:
1. Клеточные мембраны, разделяющие внутриклеточную и интерстициальную жидкости.
2. Капиллярные мембраны, разделяющие внутрисосудистую и интерстициальную жидкости.
3. Эпителиальные мембраны, отделяющие внутрисосудистую и интерстициальную жикдсоти от трансцеллюлярной.
Кроме мембранной селективности, движение воды и растворенных веществ определяется несколькими транспортными процессами:
1. Диффузия – случайное движение жидкости и вещества. Увеличению диффузии способствуют повышение температуры, увеличение концентрации вещества, снижение размера частиц вещества, увеличение площади поверхности диффузии, изменение потенциала мембраны. Вещества способны перемещаться через клеточные мембраны путем простой диффузии (малые частицы, способные проходить через белковые поры, например, вода и мочевина, или если они растворимы в липидаз, например, кислород), посредством обгеченной диффузии (с участием вещества-переносчика, например, глюкозные транспортеры GluT.
2. Активный транспорт – энергозависимое перемещение в область с эквивалентной или большей концентрацией вещества. Многие вещества в составе воды (натрий, калий, водород, аминокислоты) перемещаются за счет специализированных АТФаз, так, анпример, до 80% АТФ в клетках канальцев почек, эпителия кишечника, желудка расходуется на обеспечение работы Na+/K+-АТФазы. При активном транспорте возможно перенасыщение (перенаполнение) переносчиков. Например, глюкоза в почках реабсорбируется путем активного транспорта через мембрану почечных канальцеы, при значительном повышении уровня сахара крови этот процесс прекращается.
3. Фильтрация – движение воды и растворенных веществ из области с высоким гидростатическим давлением в область с нижким гидростатическим давлением. Фильтрация важна для обеспечения тока жидкости из артериального конца капилляров. Кроме того, эта сила обеспечивает фильтрацию через почки 180 л плазмы ежедневно.
4. Осмос – движение воды через полупроницаемую мембрану из области с более низкой концентрацией растворенного вещества в область с более высокой концентрацией вещества. С осмосом ассоциируются следующие понятия:
· Осмотическое давление – величина гидростатического давления, необходимого для прекращения осмотического тока воды.
· Онкотическое давление – осмотическое давление, произвлдимое коллоидами (белками). Например, альбумин обеспечивает основное онкотическое давление внутри сосудов и способствует удержанию плазмы в сосудистом русле.
· Осмотический диурез – увеличение выделения мочи, вызванное осмотически активными веществами – маннитол, глюкоза, рентгеноконтрастные вещества.
Концентрация жидкостей в организме характеризуется:
1. Осмоляльностью – мерой способности раствора создавать осмотическое давление, действую тем самым на движение воды. Осмоляльность можно определить как меру концентрции жидкостей организма (соотношение растворенных веществ и воды), выраженную в миллиосмолях на килограмм воды. Один осмоль содержит 6х1023 частиц. Другой термин – осмолярность – отражает количество частиц в литре раствора (мОсм/л). Поскольку жидкости тела относительно разбавлены, разница между их осмольляностью и осмолярностью небольгая, и эти два термина можно использовать как взаимозаменяемые. Изменения осмоляльности приводят к изменению объема воды в разных компартментах: снижение осмоляльности жидкости (клеточной, внеклеточной) приводит к перемещению в этот компартмент воды до достижения выравнивания осмоляльности двух компартментов. Осмоляльность внеклеточной жидкости определяют по осмоляльности сыворотки, главным фактором, определяющим осмоляльность которой, является натрий. Осмолярность плазмы крови составляет 280-310 мОсм/л.
2. Тоничность – эффективная осмоляльность, обеспечиваемая веществами, не способными быстро перемещаться через мембраны и потому воздействующими на процесс движения воды (натрий, глюкоза, маннитол в отличие от мочевины). Таким образом, тоничность зависит не только от количества растворенных веществ, но и от проницаемости мембраны для них. К изотоническим растворам относятся растворы, которые имеют такую же эффективную осмоляльность, как и жидкости тела – приблизительно 280-300 мОсм/кг. К ним относится физиологический раствор – 0,9% раствор хлорида натрия. Соответственно, у гипотонических раствором эффективная осмоляльность ниже, чем у жидкостей тела, а к гипертонических растворов – выше. Основное условие постоянства водных сред организма – их изотоничность. Снижение тоничности внеклеточной жидкости ведет к перемещению воды в противоположный компартмент (внутриклеточный, при этом объем клеток возрастает – например, при утолении жажды дистиллированной водой). Повышение тоничности внеклеточной жидкости приводит к переходу воды во внеклеточный компартмент, объем клеток при этом снижается. Так происходит, например, при несахарном диабете или выраженной гипергликемии.
Регуляция выведения воды из организма осуществляется несколькими способами:
1. Через почки (в сутки в среднем 1500 мл мочи). Концентрация мочи может колебаться от 50 до 1400 мОсм/кг. При максимально высокой концентрации мочи должно продуцироваться по меньшей мерее 400 мл мочи для ежедневного выведения продуктов метаболизма (механизм осмотического концентрирования мочи, определяемый концентрацией мочевины в интерстициальной пространстве и в канальцах почек). Новорожденные, пожилые люди и больные почечной недостаточностью не способны максимально концентрировать мочу, поэтому они продуцируют пропорционально больший объем мочи для выведения продуктов метаболизма. Состояние, при котором изменение выведение мочи (количество), называется олигурией (менее 400 мл), анурией (менее 50 мл), полиурией (более 1500 мл).
2. Через кожу. Различают два вида потерь воды через кожу:
2.1. Неощутимая потеря воды - испарения с поверхности кожи, на ощущаемые субъективно, порядка 6 мл/кг массы тела в сутки. Такая жидкость почти не содержит электролитов.
2.2. Ощутимая потеря воды (потение) – играет основную роль в предупреждении перегревания организма. В этой жидкости содержится большое количество электролитов, хотя сама она является гипотоничной. Скорость потери такого вида зависит от факторов окружающей среды и состояния организма (например, лихорадка, физическая нагрузка, влажность воздуха), в экстремальных случаях скорость потоотделения может достигать 2 л/ч.
3. Через легкие. Теряется вода, испаряющаяся с поверхности слизистой жыхательных путей. При изменении глубины и частоты дыхания этот параметр меняется.
4. Через желудочно-кишечный тракт. При патологии черех ЖКТ может теряться большое количество эидкости, так как в нем ежедневно серкетируется и реабсорбируется около 1/3 внеклеточного объема жидкости. Чрезмерная потеря жидкости через ЖКТ (назогастральное зондирование, рвота, диарея) приводят к дегидратации. Важно помнить, что выше привратника жидкость изотонична и содержит в основном натрий, калий, хлорид и водород, ниже пилорического отдела желудка она изотонична и содержит в основном натрий, калий и бикарбонат, в толстой кишке (при диарее) гипотонична.
При различных патологических состояниях существуют три основных вида дополнительной потери воды из организма (прежде всего, сокращение объема внутрисосудистой жидкости):
1. Внешние (полиурия, диарея, чрезмерное потение, рвота, с поверхности ран и ожогов, через дренаж и фистулы).
2. Внутренние (отеки, изменение осмолярности жидких сред (плеврит, перитонит, кровопотеря в ткани).
3. Образование трансцеллюлярных бассейнов (в ЖКТ - кишечная непроходимость, инфаркт кишечника, послеоперационные парезы кишечника).
Регуляция обмена воды в организме осуществляется с участием нескольких механизмов, сенсорами которых являются осморецепторы, которые локализуются преимущественно в передней части мозга, а именно в переднем гипоталамусе, реагируют на изменение менее чем на 1% осмолярности плазмы. Печеночные или портальные осморецепторы реагируют, когда осмолярность плазмы отклоняется на 1% и более от нормальных величин. Импульсация из барорецепторов левого предсердия, каротидного синуса и дуги аорты ингибирует секрецию вазопрессина.
Раздражение этих сенсоров ведет к выбросу вазопрессина (АДГ), активации ренин-ангиотензиновой системы (РАС), выбросу альдостерона, секреции натриуретических факторов, изменению питьевого поведения.
1. АДГ синтезируется в гипоталамусе и депонируется в задней доле гипофиза. Стимулом для секреции АДГ служит высокое осмотическое давление. Главным эффектом АДГ является усиление реабсорбции воды в дистальных канальцах и собирательных трубочках нефронов. Это связано с формированием под действием АДГ специальным белковых каналов-переносчиков для воды в мембранах клеток канальцев (аквапорины). Кроме того, в дистальных канальцах почек АДГ усиливает выработку гиалуронидазы, которая разрушает гиалуроновую кислоту и способствует таким образом увеличению проницаемости стенок канальцев. Вследствие этих механизмов вода из состава первичной мочи активно диффундирует в клетки почек в силу осмотического градента между гиперосмотической межклеточной жидкостью организма и гипоосмотической мочой. АДГ увеличивает проницаемость стенок собирательных трубочек для мочевины, тем самым способствуя реализации механизма осмотического концентрирования мочи. АДГ является фактором, противодействующим развитию жажды, так как он задерживает в организме воду и способствует понижению осмотического давления в клетках, в том числе в клетках центра жажды гипоталамуса. Абсолютный дефицит АДГ (нейротропные вирусные инфекции, черепно-мозговые травмы, опухоли гипофиза и гипоталамуса) приводит к развитию гипоталамического несахарного диабета. Дефицит АДГ вызывает уменьшение резорбции воды в дистальных отделах извитых канальцев почек (полиурия, полидипсия). Нефрогенный несахарный диабет - это заболевание, при котором уровень вазопрессина в крови выше, чем в норме, но в организме присутствует резистентность к действию вазопрессина. Патогенез нефрогенного несахарного диабета связан с патологией V-рецепторов к вазопрессину (мутация рецепторного гена, в результате чего мутантный подтип рецептора не способен стимулировать ГТФ-связывающий белок и аденилатциклазную систему). Заболевание проявляется у новорожденных дегидратацией, рвотой, повышением температуры. Секреция АДГ усиливается при стрессе, боли, введении барбитуратов, анальгетиков. Алкоголь тормозит выработку АДГ.
2. Альдостерон – основной минералокортикоид, синтезируемый в коре надпочечников. Стимуляция секреции альдостерона происходит прежде всего при раздражении волюморецепторов, локализованных в ЮГА почек (стенки приводящих артериол почек и в области macula densa (петля Генле). Минералокортикоиды воздействуют на почки, стимулируя активный транспорт натрия в дистальных канальцах и собирательных трубочках (уменьшение экскреции натрия), что приводит к уменьшению экскреции воды. Ключевым отличием эффекта действия альдостерона от АДГ является то, что альдостерон повышает осмотическое давление в тканях, а АДГ понижает его. Минералокортикоиды влияют на транспорт ионов в других эпителиальных тканях: потовых железах, слизистой кишечника и слюнных железах. Молекулярный механизм действия альдостерона заключается в увеличении экспрессии натриевых каналов на апикальной мембране клеток эпителия канальцев почек, что облегчает поступление натрия в клетку, увеличении активности митохондриальных ферментов, что способствует синтезу АТФ, необходимого для работы Na+/K+-АТФазы. При гипокортицизме вследствие недостатка альдостерона развиваются дегидратация, гипонатриемия, гиперкалиемия. При избытке альдостерона (первичный или вторичный гиперальдостеронизм) развиваются гипернатриемия, гипергидратация, гипокалиемия, метаболический алкалоз.
3. Центральным звеном РАС является ЮГА. Стимуляция ЮГА осуществляется при понижении осмотического давления в его клетках, изменении растяжения барорецепторов приносящих артериол клубочков почек, стимуляции норадреналином b1-адренорецепторов рениновых клеток. Продукцию ренина усиливают простагландины, локально вырабатываемые в ткани почек (например, ПГЕ2). Ренин, поступающий в кровоток, – гликопротеид, состоящий из 274 аминокислот (вырабатывается в виде препроренина, которй затем превращается в проренин (340 аминокислот), подвергающийся протеолизу). Например, переход проренина в ренин заторможен при ИЗСД вследствие гликирования прогормона, что способствует нарушению почечного кровотока и развитию диабетической нефропатии. Проренин синтезируется также в печени и мозге, но неясно, переходит ли он в ренин так же, как и почечный проренин. Скорость секреции ренина почками – главный лимитирующий фактор активности РАС. Ренин – короткоживущий регулятор с периодом полураспада в крови 15-20 минут. Ангиотензиноген – продуцируемый печенью гликопротеидный препрогормон (около 400 аминокислот), находящийся в составе a2-глобулиновой белковой фракции крови. Синтез ангиотензиногена стимулируют ГКС, эстрогены, тиреоидные гормоны. Под влиянием ренина 10 N-концевых аминокислот ангиотензиногена отщепляются, формируя ангиотензин I – прогормон, лишенный биологической активности. Ангиотензин I служит субстратом для фермента дипептидил-карбоксипептидазы, извстного под условным названием ангиотензин-конвертаза или ангиотензин-превращающий фермент. Этот фермент эндотелиоцитов и плазмы, максимальное его количество – в сосудах легких. Он отщепляет 2 аминокислоты с карбоксиконца декапептида ангиотензина I, превращая его в октапептид ангиотензин II, обладающий гормональной активностью. Этот же фермент инактивирует брадикинин, что делает РАС и ККС антагонистическими регуляторами кровяного давления. Кроме того, этот же фермент участвует в инактивации субстанции Р, эндогенных опиоидов. При хронических неспецифических заболеваниях легких активность этого фермента повышается или понижается. Ингибиторы АПФ нашли широкое применение в кардиологической практике: лечение гипертонической болезни, гипертрофии сердца. Ангиотензин II действует через Gp-сопряженные рецепторы АТ1 и АТ2. АТ1 преобладают в гладкомышечных клетках сосудов, а АТ2 – в коре надпочечников, почках, мозге, матке. Ангиотензин II реализует свое действие через высвобождение кальция из внутриклеточных депо, активацию ПКС. Эффекты ангиотензина II: вазоконстрикция, усиление высвобождения катехоламинов, стимуляция механизма гипертрофии миокарда, митогенный эффект в отношении гладкомышечных клеток сосудов и клеток клубочковой зоны коры надпочечников, усиление реабсорбции натрия в проксимальных канальцах почек, стимуляиця центра жажды гипоталамуса, усиление продукции АДГ и АКТГ, увеличение продукции альдостерона (на ранних и поздних этапах синтеза минералокортикооидов). В больших концентрациях ангиотензин II стимулирует образование ГКС. Время жизни гормона в кровотоке – около 2 минут. При последовательном протеолизе он дает ряд дериватов, в том числе ангиотензин III, обладающий слабой биологической активностью. Расщепление ангиотензина II осуществляется аминопептидазами и ангиотензиназами (в эндотелии сосудов всех органов, за исключением легких).
4. Атриопептины (натрийуретические гормоны) вырабатываются секреторными кардиомиоцитами предсердий (ушки предсердий), АПУД-клетками легких, нейронами в ЦНС (нейроэндокриноциты) и вегетативных ганглиях. Эти клетки синтезируют препогормон из 151 аминокислоты, из которого образуются атриопептины А, В, С (содержат циклическую часть и две отходящих от нее ветви – длинную и короткую). Секреция атриопептинов приводит к увеличению экскреции натрия с мочой, поэтому их продукция возрастает при увеличении ОЦК (гиперволемии), растяжении предсердий, физической нагрузке, солевой нагрузке. Глюкокортикостероиды, альдостерон и АДГ усиливают секрецию атриопептинов, их уровень растет также при сердечной и почечной недостаточности. Атриопептины подавляют РАС, снижают продукцию АДГ. Атриопептины действуют через рецепторы трех типов (ANPA-C), представляющие собой трансмембранную гуанилатциклазу. Стимуляция этих рецепторов приводит к повышению уровня цГМФ в клетках-мишенях. Атриопептины оказывают вазодилятаторный и гипотензивный эффекты, причем эффекты их не только периферические – обнаружены рецепторы к атриопептинам в гипоталамусе, в области, связанной с регуляцией артериального давления и водно-солевого гомеостаза. Время полужизни атриопептинов в кровотоке – 3-5 минут, разрушаются они под действием нейтральной эндопептидазы.
При нарушении содержания воды в клеточном или внеклеточном секторах развивается дегидратация или гипергидратация.
1. Клеточная дегидратация (гипертоническая дегидратация) вызывается потерей воды или избытком соли в организме (стеноз пищевода, поражение почек, сердечная недостаточность, гиперальдостеронизм, несахарный диабет, гипостенурическая полиурия). Характерны мучительная жажда, сухость кожи и слизистых, апатия, сонливость, нарушение ритма дыхания, снижение массы тела.
2. Внеклеточная дегидратация (гипотоническая дегидратация) вызывается потерей солей, в силу чего вода устремляется в клетки, а также выделяется с мочой (недостаточное потребление соли, надпочечниковая недостаточность, тубулярный некроз, экссудаты и транссудаты). В сочетании с гипергидратацией клеток наблюдаются артериальная гипотония, коллапс, отсутствие жажды, аппетита, сухость кожи и слизистых, апатия, рвота, головокружение.
3. Общая дегидратация (изотоническая дегидратация) возникает при прекращении приема жидкостей, больших потерях воды с одновременными потерями электролитов (стеноз пищевода, диарея, обильное потоотделение). Характерны потеря массы тела, сухость кожи и слизистых, сильная жажда, признаки гемоконцентрации и гиперазотемии. В течение 3-4 дней выведение мочи нормальное, затем наступает олигурия с присутствием в моче калия.
4. Клеточная гипергидратация (гипотоническая гипергидратация) вызывается избытком при избыточном питье и малом выделении жидкости почками (нефропатии, надпочечниковая недостаточность), увеличении образования эндогенной воды (лихорадка, аноксия, интоксикации) при недостаточной функции почек. Клинически клеточная гипергидратация проявляется головной болью, депрессией, судорожным синдромом (клиническими признаками отека головного мозга). Клеточная гипергидратация возникает на фоне внеклеточной дегидратации вследствие перераспределения воды.
5. Внеклеточная гипергидратация (гипертоническая гипергидратация) возникает при первичном избытке натрия в организме (гиперальдостеронизм, избыточное потребление соли). Обычно сочетается с клеточной дегидратацией. Характерным клиническим признаком являются системные отеки.
6. Общая гипергидратация (изотоническая гипергидратация) возникает вследствие насыщения водой как клеток, так и внеклеточного пространства (увеличение потребления воды, избыточное введение изотонических растворов, сердечная недостаточность при лечении бессолевой диетой). Клинически общая гипергидратация проявляется признаками клеточной гипергидратации, а также отеками, гиперволемией (гипертонией, тахикардией), недостаточностью левого желудочка вплоть до отека легких.
Лабораторная диагностика нарушений обмена воды осуществляется путем исследования следующих параметров:
1. Осмоляльность сыворотки крови (280-300 мОсм/кг воды, измеряется либо прямым способом либо рассчитывается путем удвоения уровня натрия сыворотки.
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 2 - Рабочие жидкости для гидросистем.
2. Гематокрит (40-54% у мужчин, 37-47% у женщин).
3. Осмоляльность мочи (50-1200 мОсм/кг воды).
4. Плотность мочи (1001-1040 – это показатель веса раствора относительно веса воды, принятого за единицу).
5. Концентрация ионов натрия в сыворотке крови (135-145 мМоль/л) и в моче (60 мМоль/л).
6. Объем циркулирующей крови. Необходимо помнить о том, что ОЦК зависит не только от водно-солевого баланса, но и от интенсивности капиллярного водообмена, на который влияют состояние капиллярного кровотока, перфузионное давление, состояние клеточного метаболизма, степень гидрофильности соединительной ткани.
Таким образом, диагностика и дифференциальная диагностика нарушений обмена воды в организме, а также понимание механизмов регуляции водно-солевого баланса позволяют осуществлять целенаправленные и эффективные мероприятия по коррекции нарушений этих процессов.
