Водно электролитный обмен биохимия. Гормоны, регулирующие водно-солевой обмен

Одним из наиболее часто нарушающихся при патологии видов обмена веществ является водно-солевой. Он связан с постоянным движением воды и минеральных веществ из внешней среды организма во внутреннюю, и наоборот.

В организме взрослого человека на воду приходится 2/3 (58-- 67%) массы тела. Около половины ее объема сосредоточено в мышцах. Потребность в воде (человек ежесуточно получает до 2,5--3 л жидкости) покрывается за счет поступления ее в виде питья (700--1700 мл), преформированной воды, входящей в состав пищи (800--1000 мл), и воды, образующейся в организме при обмене веществ -- 200--300 мл (при сгорании 100 г жиров, белков и углеводов образуется соответственно 107,41 и 55 г воды). Эндогенная вода в относительно большом количестве синтезируется при активации процесса окисления жиров, что наблюдается при различных, прежде всего пролонгированных стрессовых состояниях, возбуждении симпатико-адреналовой системы, разгрузочной диетотерапии (нередко используемой для лечения больных ожирением).

Благодаря постоянно происходящим обязательным водным потерям внутренний объем жидкости в организме сохраняется неизмененным. К числу таких потерь относят ренальные (1,5 л) и экстраренальные, связанные с выделением жидкости через желу-дочно-кишечный тракт (50--300 мл), дыхательные пути и кожу (850--1200 мл). В целом объем обязательных потерь воды составляет 2,5--3 л, во многом зависят от количества выводимых из организма шлаков.

Участие воды в процессах жизнедеятельности весьма разнообразно. Вода является растворителем многих соединений, непосредственным компонентом ряда физико-химических и биохимических превращений, транспортером эндо- и экзогенных веществ. Кроме того, она выполняет механическую функцию, ослабляя трение связок, мышц, поверхности хрящей суставов (тем самым облегчая их подвижность), участвует в терморегуляции. Вода поддерживает гомеостаз, зависящий от величины осмотического давления плазмы (изоосмия) и объема жидкости (изоволемия), функционирования механизмов регуляции кислотно-основного состояния, протекания процессов, обеспечивающих постоянство температуры (изотермию).

В организме человека вода пребывает в трех основных физико-химических состояниях, в соответствии с которыми выделяют: 1) свободную, или мобильную, воду (составляет основную часть внутриклеточной жидкости, а также крови, лимфы, интерстициальной жидкости); 2) воду, связанную гидрофильными коллоидами, и 3) конституциональную, входящую в структуру молекул белков, жиров и углеводов.

В организме взрослого человека массой 70 кг объем свободной воды и воды, связанной гидрофильными коллоидами, составляет примерно 60% массы тела, т.е. 42 л. Эта жидкость представлена внутриклеточной водой (на ее долю приходится 28 л, или 40% массы тела), составляющей внутриклеточный сектор, и внеклеточной водой (14 л, или 20% массы тела), образующей внеклеточный сектор. В состав последнего входит внутрисосудистая (интраваскулярная) жидкость. Этот внутрисосудистый сектор образован плазмой (2,8 л), на долю которой приходится 4--5% массы тела, и лимфой.

Интерстициальная вода включает в себя собственно межклеточную воду (свободную межклеточную жидкость) и организованную внеклеточную жидкость (составляющую 15--16% массы тела, или 10,5 л), т.е. воду связок, сухожилий, фасций, хрящей и т.д. Кроме того, к внеклеточному сектору относят воду, находящуюся в некоторых полостях (брюшной и плевральной полости, перикарда, суставов, желудочков мозга, камерах глаза и др.), а также в желудочно-кишечном тракте. Жидкость этих полостей не принимает активного участия в метаболических процессах.

Вода человеческого организма не застаивается в различных его отделах, а постоянно движется, непрерывно обмениваясь с другими секторами жидкости и с внешней средой. Передвижение воды во многом осуществляется благодаря выделению пищеварительных соков. Так, со слюной, с соком поджелудочной железы в кишечную трубку направляется около 8 л воды в сутки, но эта вода вследствие всасывания в более низких участках пищеварительного тракта практически не теряется.

Жизненно необходимые элементы подразделяются на макроэлементы (суточная потребность >100 мг) и микроэлементы (суточная потребность <100 мг). К макроэлементам относятся натрий (Na), калий (К), кальций (Ca), магний (Мg), хлор (Cl), фосфор (Р), сера (S) и иод (I). К жизненно важным микроэлементам, необходимым лишь в следовых количествах, относятся железо (Fe), цинк (Zn), марганец (Мn), медь (Cu), кобальт (Со), хром (Сr), селен (Se) и молибден (Мо). Фтор (F) не принадлежит к этой группе, однако он необходим для поддержания в здоровом состоянии костной и зубной ткани. Вопрос относительно принадлежности к жизненно важным микроэлементам ванадия, никеля, олова, бора и кремния остается открытым. Такие элементы принято называть условно эссенциальными.

Так как многие элементы могут запасаться в организме, отклонение от суточной нормы компенсируется во времени. Кальций в форме апатита запасается в костной ткани, иод -- в составе тиреоглобулина в щитовидной железе, железо -- в составе ферритина и гемосидерина в костном мозге, селезенке и печени. Местом хранения многих микроэлементов служит печень.

Обмен минеральных веществ контролируется гормонами. Это относится, например, к потреблению Н2О, Ca2+, PO43-, связыванию Fe2+, I-, экскреции H2O, Na+, Ca2+, PO43-.

Количество минеральных веществ, абсорбированных из пищи, как правило, зависит от метаболических потребностей организма и в ряде случаев от состава пищевых продуктов. В качестве примера влияния состава пищи можно рассмотреть кальций. Всасыванию ионов Ca2+ способствуют молочная и лимонная кислоты, в то время как фосфат-ион, оксалат-ион и фитиновая кислота ингибируют всасывание кальция из-за комплексообразования и образования плохо растворимых солей (фитин).

Дефицит минеральных веществ -- явление не столь редкое: оно возникает по различным причинам, например из-за однообразного питания, нарушения усвояемости, при различных заболеваниях. Недостаток кальция может наступить в период беременности, а также при рахите или остеопорозе. Хлородефицит наступает из-за большой потери ионов Сl- при сильной рвоте.

Из-за недостаточного содержания иода в пищевых продуктах во многих районах Центральной Европы распространенным явлением стали иододефицитные состояния и зобная болезнь. Дефицит магния может возникать из-за диареи или из-за однообразного питания при алкоголизме. Недостаток в организме микроэлементов часто проявляется нарушением кроветворения, т. е. анемией.

В последней колонке перечислены функции, выполняемые в организме указанными минеральными веществами. Из данных таблицы видно, что почти все макроэлементы функционируют в организме как структурные компоненты и электролиты. Сигнальные функции выполняют иод (в составе иодтиронина) и кальций. Большинство микроэлементов являются кофакторами белков, главным образом ферментов. В количественном отношении в организме преобладают железосодержащие белки гемоглобин, миоглобин и цитохром, а также более 300 цинксодержащих белков.

Регуляция водно-солевого обмена. Роль вазопрессина, альдостерона и ренин-ангиотензиновой системы

Основными параметрами водно-солевого гомеостаза являются осмотическое давление, рН и объем внутриклеточной и внеклеточной жидкости. Изменение этих параметров может привести к изменению артериального давления, ацидозу или алкалозу, дегидратации и отекам. Основными гормонами, участвующими в регуляции водно-солевого баланса, являются АДГ, альдостерон и предсердный натрий-уретический фактор (ПНФ).

АДГ, или вазопрессин, -- пептид, содержащий 9 аминокислот, соединенных одним дисульфидным мостиком. Синтезируется в виде прогормона в гипоталамусе, затем переносится в нервные окончания задней доли гипофиза, из которых секретируется в кровоток при соответствующей стимуляции. Перемещение по аксону связано со специфическим белком-переносчиком (нейрофизином)

Стимулом, вызывающим секрецию АДГ, служит повышение концентрации ионов натрия и увеличение осмотического давления внеклеточной жидкости.

Наиболее важные клетки-мишени для АДГ - клетки дистальных канальцев и собирательные трубочки почек. Клетки этих протоков относительно непроницаемы для воды, и в отсутствие АДГ моча не концентрируется и может выделяться в количествах, превышающих 20 л в сутки (норма 1--1,5 л в сутки).

Для АДГ существуют два типа рецепторов - V1 и V2. Рецептор V2 обнаружен только на поверхности эпителиальных клеток почек. Связывание АДГ с V2 сопряжено с аденилатциклазной системой и стимулирует активацию протеинкиназы А (ПКА). ПКА фосфорилирует белки, которые стимулируют экспрессию гена мембранного белка -- аквапорина-2. Аквапорин 2 перемещается к апикальной мембране, страивается в нее и образует водные каналы. Эти обеспечивают селективную проницаемость мембраны клеток для воды. Молекулы воды свободно диффундируют в клетки почечных канальцев, а затем поступают в интерстициальное пространство. В результате происходит реабсорбция воды из почечных канальцев. Рецепторы типа V1 локализованы в мембранах гладких мышц. Взаимодействие АДГ с рецептором V1 приводит к акти-вации фосфолипазы С, которая гидролизует фосфатидилинозитол-4,5-бифоcфат с образованием ИФ-3. ИФ-3 вызывает высвобождение Са2+ из эндоплазматического ретикулума. Результатом действия гормона через рецепторы V1 является сокращение гладкомышечного слоя сосудов.

Дефицит АДГ, вызванный дисфункцией задней доли гипофиза, а также нарушением в системе передачи гормонального сигнала может приводить к развитию несахарного диабета. Основным проявлением несахарного диабета является полиурия, т.е. выделение большого количества мочи низкой плотности.

Альдостерон - наиболее активный минералокортикостероид синтезируется в коре надпочечников из холестерина.

Синтез и секрецию альдостерона клетками клубочковой зоны стимулируют ангиотензин II, АКТГ, простагландин Е. Эти процессы также активируются при высокой концентрации К+ и низкой концентрации Na+.

Гормон проникает внутрь клетки-мишени и взаимодействует со специфическим рецептором, расположенным как в цитозоле, так и в ядре.

В клетках почечных канальцев альдостерон стимулирует синтез белков, которые выполняют разные функции. Эти белки могут: а) увеличивать активность натриевых каналов в мембране клеток дистальных почечных канальцев, способствуя тем самым транспорту ионов натрия из мочи в клетки; б)являться ферментами ЦТК и, следовательно, увеличивать способность цикла Кребса генерировать молекулы АТР, необходимые для активного транспорта ионов; в) активировать работу насоса К+, Na+-АТФазы и стимулировать синтез новых насосов. Суммарным результатом действия белков, которых индуцируется альдостероном, является увеличение реабсорбции ионов натрия в ка-нальцах нефронов, что вызывает задержку NaCl в организме.

Главным механизмом регуляции синтеза и секреции альдостерона служит ренин-ангиотензиновая система.

Ренин -- фермент, продуцируемый юкстагломерулярными клетками почечных афферентных артериол. Локализация этих клеток делает их особенно чувствительными к изменению артериального давления. Снижение артериального давления, потеря жидкости или крови, уменьшение концентрации NaCI стимулируют высвобождение ренина.

Ангиотензиноген --2 - глобулин, образующийся в печени. Он служит субстратом для ренина. Ренин гидролизует пептидную связь в молекуле ангиотензиногена и отщепляет N-концевой декапептид (ангиотензин I).

Ангиотензин I служит субстратом для антиотензинпревращающего фермента карбоксидипептидилпептидазы, выявленного в эндотелиальных клетках и плазме крови. От ангиотензина I отщепляются 2 терминальные аминокислоты с образованием октапептида -- ангиотензина II.

Ангиотензин II стимулирует выработку альдостерона, вызывает сужение артериол вследствие чего повышается артериальное давление и вызывает жажду. Ангиотензин II активирует синтез и секрецию альдостерона через инозитолфосфатную систему.

ПНФ -- пептид, содержащий 28 аминокислот с единственным дисульфидным мостиком. ПНФ синтезируется и хранится в виде препрогормона (состоящего из 126 аминокислотных остатков) в кардиоцитах.

Основной фактор, регулирующий секрецию ПНФ -- повышение артериального давления. Другие стимулы: увеличение осмомолярности плазмы, повышение частоты сердцебиения, повышенный уровень катехоламинов в крови и глюкокортикоидов.

Основные органы-мишени ПНФ - почки, периферические артерии.

Механизм действия ПНФ имеет ряд особенностей. Рецептор ПНФ плазматической мембраны являем белком, обладающим активностью гуанилатциклазы. Рецептор имеет доменное строение. Домен, связывающийся с лигандом, локализован во внеклеточном пространстве. В отсутствие ПНФ внутриклеточный домен рецептора ПНФ находится в фосфорилированном состоянии и неактивен. В результате связывания ПНФ с рецептором гуанилатциклазная активность рецептора возрастает и происходит образование циклического GMP из GTP. В результате действия ПНФ ингибируются образование и секреция ренина и альдостерона. Суммарным эффектом действия ПНФ является увеличение экскреции Na+ и воды и понижение артериального давления.

ПНФ обычно рассматривают как физиологический антагонист ангиотензина II, поскольку под его влияния возникают не сужение просвета сосудов и (через регуляцию секреции альдостерона) задержка натрия, а наоборот, расширение сосудов и потеря соли.

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО ОБЩЕЙ БИОХИМИИ

Модуль 8. Биохимия водно-солевого обмена и кислотно-основного состояния

Екатеринбург,

ЛЕКЦИЯ № 24

Тема: Водно-солевой и минеральный обмен

Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический.

Водно-солевой обмен – обмен воды и основных электролитов организма (Na + ,K + ,Ca 2+ ,Mg 2+ ,Cl - ,HCO 3 - ,H 3 PO 4).

Электролиты – вещества, диссоциирующие в растворе на анионы и катионы. Их измеряют в моль/л.

Неэлектролиты – вещества, недиссоциирующие в растворе (глюкоза, креатинин, мочевина). Их измеряют в г/л.

Минеральный обмен – обмен любых минеральных компонентов, в том числе и тех, которые не влияют на основные параметры жидкой среды в организме.

Вода – основной компонент всех жидкостей организма.

Биологическая роль воды

Вода является универсальным растворителем для большинства органических (кроме липидов) и неорганических соединений.

Вода и растворенные в ней вещества создают внутреннюю среду организма.

Вода обеспечивает транспорт веществ и тепловой энергии по организму.

Значительная часть химических реакций организма протекает в водной фазе.

Вода участвует в реакциях гидролиза, гидратации, дегидратации.

Определяет пространственное строение и свойства гидрофобных и гидрофильных молекул.

В комплексе с ГАГ вода выполняет структурную функцию.

Общие свойства жидкостей организма

Все жидкости организма характеризуются общими свойствами: объемом, осмотическим давлением и величиной рН.

Объем. У всех наземных животных жидкости составляет около 70% от массы тела.

Распределение воды в организме зависит от возраста, пола, мышечной массы, телосложения и количества жира. Содержание воды в различных тканях распределяется следующим образом: легкие, сердце и почки (80%), скелетная мускулатура и мозг (75%), кожа и печень (70%), кости (20%), жировая ткань (10%). В целом, у худых людей меньше жира и больше воды. У мужчин на воду приходится 60%, у женщин - 50% от массы тела. У пожилых людей больше жира и меньше мышц. В среднем в организме мужчин и женщин старше 60 лет содержится соответственно 50% и 45% воды.

При полном лишении воды смерть наступает через 6-8 дней, когда количество воды в организме снижается на 12%.

Вся жидкость организма разделена на внутриклеточный (67%) и внеклеточный (33%) бассейны.

Внеклеточный бассейн (экстрацеллюлярное пространство) состоит из:

Внутрисосудистой жидкости;

Интерстициальной жидкости (межклеточная);

Трансцеллюлярной жидкости (жидкость плевральной, перикардиальной, перитонеальной полостей и синовиального пространства, цереброспинальная и внутриглазная жидкость, секрет потовых, слюнных и слезных желез, секрет поджелудочной железы, печени, желчного пузыря, ЖКТ и дыхательных путей).

Между бассейнами жидкости интенсивно обмениваются. Перемещение воды из одного сектора в другой происходит при изменении осмотического давления.

Осмотическое давление – это давление, которое создают все растворенные в воде вещества. Осмотическое давление внеклеточной жидкости определяется главным образом концентрациейNaCl.

Внеклеточная и внутриклеточная жидкости значительно отличаются по составу и концентрации отдельных компонентов, но общая суммарная концентрация осмотически активных веществ примерно одинакова.

рН – отрицательный десятичный логарифм концентрации протонов. Величина рН зависит от интенсивности образования в организме кислот и оснований, их нейтрализации буферными системами и удалением из организма с мочой, выдыхаемым воздухом, потом и калом.

В зависимости от особенности обмена, величина рН может заметно отличаться как внутри клеток разных тканей, так и в разных отсеках одной клетки (в цитозоле кислотность нейтральная, в лизосомах и в межмембранном пространстве митохондрий - сильно кислая). В межклеточной жидкости разных органов и тканей и плазме крови величина рН, как и осмотическое давление, относительно постоянная величина.

Значение темы: Вода и растворенные в ней вещества создают внутреннюю среду организма. Важнейшие параметры водно-солевого гомеостаза – осмотическое давление, рН и объем внутриклеточной и внеклеточной жидкости. Изменение этих параметров может привести к изменению артериального давления, ацидозу или алкалозу, дегидратации и отекам тканей. Основные гормоны, участвующие в тонкой регуляции водно-солевого обмена и действующие на дистальные канальцы и собирательные трубочки почек: антидиуретический гормон, альдостерон и натриуретический фактор; ренин-ангиотензивная система почек. Именно в почках происходит окончательное формирование состава и объема мочи, обеспечивающее регуляцию и постоянство внутренней среды. Почки отличаются интенсивным энергетическим обменом, что связано с необходимостью активного трансмембранного транспорта значительных количеств веществ при образовании мочи.

Биохимический анализ мочи дает представление о функциональном состоянии почек, обмена веществ в различных органах и организме в целом, способствует выяснению характера патологического процесса, позволяет судить об эффективности проводимого лечения.

Цель занятия: изучить характеристику параметров водно-солевого обмена и механизмы их регуляции. Особенности метаболизма в почках. Научиться проводить и оценивать биохимический анализ мочи.

Студент должен знать:

1. Механизм образования мочи: клубочковая фильтрация, реабсорбция и секреция.

2. Характеристика водных компартментов организма.

3. Основные параметры жидкой среды организма.

4. Чем обеспечивается постоянство параметров внутриклеточной жидкости?

5.Системы (органы, вещества), обеспечивающие постоянство внеклеточной жидкости.

6.Факторы (системы), обеспечивающие осмотическое давление внеклеточной жидкости и его регуляцию.

7. Факторы (системы), обеспечивающие постоянство объема внеклеточной жидкости и его регуляцию.

8. Факторы (системы), обеспечивающие постоянство кислотно-щелочного состояния внеклеточной жидкости. Роль почек в этом процессе.

9. Особенности метаболизма в почках: высокая активность обмена веществ, начальный этап синтеза креатина, роль интенсивного глюконеогенеза (изоферменты), активация витамина Д3.

10. Общие свойства мочи (количество за сутки –диурез, плотность, цвет, прозрачность), химический состав мочи. Патологические компоненты мочи.

Студент должен уметь:

1.Провести качественное определение основных компонентов мочи.

2.Оценить биохимический анализ мочи.

Студент должен получить представление:

О некоторых патологических состояниях, сопровождающихся изменением биохимических параметров мочи (протеинурия, гематурия, глюкозурия, кетонурия, билирубинурия, порфиринурия).

Сведения из базовых дисциплин, необходимые для изучения темы:

1.Строение почки, нефрона.

2. Механизмы формирования мочи.

Задания для самоподготовки:

Изучите материал темы в соответствии с целевыми вопросами («студент должен знать») и письменно выполните следующие задания:

1. Обратитесь к курсу гистологии. Вспомните строение нефрона. Отметьте проксимальный каналец, дистальный извитой каналец, собирательную трубку, сосудистый клубочек, юкстагломерулярный аппарат.

2. Обратитесь к курсу нормальной физиологии. Вспомните механизм образования мочи: фильтрация в клубочках, реабсорбция в канальцах с образованием вторичной мочи и секреция.

3. Регуляция осмотического давления и объема внеклеточной жидкости связана с регуляцией, главным образом, содержания ионов натрия и воды во внеклеточной жидкости.

Назовите гормоны, участвующие в этой регуляции. Опишите их эффект по схеме: причина секреции гормона; орган (клетки) –мишени; механизм их действия в этих клетка; конечный эффект их действия.

Проверьте свои знания:

А.Вазопрессин (все верно, кроме одного):

а. синтезируется в нейронах гипоталамуса; б. секретируется при повышении осмотического давления; в. увеличивает скорость реабсорбции воды из первичной мочи в почечных канальцах; г. увеличивает реабсорбцию в почечных канальцах ионов натрия; д. снижает осмотическое давление е. моча становится более концентрированной.

Б. Альдостерон (все верно, кроме одного):

а. синтезируется в коре надпочечников; б. секретируется при снижении концентрации ионов натрия в крови; в. в почечных канальцах увеличивает реабсорбцию ионов натрия; г. моча становится более концетрированной.

д. главным механизмом регуляции секреции аренин-ангиотензивная система почек.

В. Натриуретический фактор (все верно, кроме одного):

а. синтезируется в основ клетками предсердия; б. стимул секреции – повышение артериального давления; в. усиливает фильтрующую способность клубочков; г. увеличивает образование мочи; д. моча становится менее концентрированной.

4. Составьте схему, иллюстрирующую роль ренин-ангиотензивной системы в регуляции секреции альдостерона и вазопрессина.

5. Постоянство кислотно-основного равновесия внеклеточной жидкости поддерживается буферными системами крови; изменением легочной вентиляции и скорости выделения почками кислот(Н+).

Вспомните буферные системы крови (основная бикарбонатная)!

Проверьте свои знания:

Пища животного происхождения имеет кислый характер (преимущественнонно за счет фосфатов, в отличие от пищи растительного происхождения). Как изменится рН мочи у человека, использующего преимущественно пищу животного происхождения:

а. ближе к рН 7,0; б.рН около 5.; в. рН около 8,0.

6. Ответьте на вопросы:

А. Чем объяснить высокую долю кислорода, потребляемую почками (10%);

Б. Высокую интенсивность глюконеогенеза;

В. Роль почек в обмене кальция.

7. Одна из главных задач нефронов реабсорбировать из крови полезные вещества в нужном количестве и удалить из крови конечные продукты обмена.

Составьте таблицу Биохимические показатели мочи:

Аудиторная работа.

Лабораторная работа:

Провести ряд качественных реакций в пробах мочи разных пациентов. Сделать заключение о состоянии обменных процессов по результатам биохимического анализа.

Определение рН.

Ход работы: На середину индикаторной бумаги наносят 1-2 капли мочи и по изменению цвета одной из окрашенных полосок, совпадающему с окраской контрольной полосы, устанавливают рН исследуемой мочи. В норме рН 4,6 – 7,0

2. Качественная реакция на белок . Нормальная моча белка не содержит (следовые количества не открываются обычными реакциями). При некоторых патологических состояниях в моче может появиться белок – протеинурия.

Ход работы : К 1-2 мл мочи добавить 3-4 капли свежеприготовленного 20% раствора сульфасалициловой кислоты. При наличии белка появляется белый осадок или муть.

3. Качественная реакция на глюкозу (реакция Фелинга).

Ход работы: К 10 каплям мочи прибавить 10 капель реактива Фелинга. Нагреть до кипения. При наличии глюкозы появляется красное окрашивание. Результаты сравнить с нормой. В норме в моче следовые количества глюкозы качественными реакциями не обнаруживается. Принято считать в норме глюкозы в моче нет. При некоторых патологических состояниях в моче появляется глюкоза- глюкозурия.

Определение можно провести с помощью тест-полоски (индикаторной бумаги)/

Обнаружение кетоновых тел

Ход работы: На предметное стекло нанести каплю мочи, каплю 10% раствора едкого натрия и каплю свежеприготовленного 10% раствора нитропруссида натрия. Появляется красное окрашивание. Прилить 3 капли концентрированной уксусной кислоты – появляется вишневое окрашивание.

В норме кетоновые тела в моче отсутствуют. При некоторых патологических состояниях в моче появляется кетоновые тела – кетонурия.

Самостоятельно решить задачи, ответить на вопросы:

1. Увеличилось осмотическое давление внеклеточной жидкости. Опишите, в виде схемы, последовательность событий, которые приведут к его снижению.

2. Как изменится продукция альдостерона, если избыточная продукция вазопрессина приведет к значительному снижению осмотического давления.

3. Изложите последовательность событий (в виде схемы), направленных на восстановление гомеостаза при снижении концентрации хлорида натрия в тканях.

4. У пациента сахарный диабет, который сопровождается кетонемией. Как главная буферная система крови – бикарбонатная - ответит на изменение кислотно-основного равновесия? Какова роль почек в восстановлении КОС? Изменится ли рН мочи у данного пациента.

5.Спортсмен, готовясь к соревнованиям, проходит усиленную тренировку. Как измениться скорость глюконеогенеза в почках (ответ аргументировать)? Возможно ли изменение рН мочи у спортсмена; ответ аргументировать)?

6. У пациента отмечены признаки нарушения метаболизма в костной ткани, что отражается и на состоянии зубов. Уровень кальцитонина и паратгормона в пределах физиологической нормы. Пациент получает витамин Д (холекальциферол) в необходимых количествах. Сделайте предположение о возможной причине нарушения метаболизма.

7. Рассмотрите стандартный бланк «Общий анализ мочи» (многопрофильная клиника ТюмГМА) и умейте объяснить физиологическую роль и диагностическое значение биохимических компонентов мочи, определяемых в биохимических лабораториях. Запомните биохимические показатели мочи в норме.

Кафедра биохимии

Утверждаю

Зав. каф. проф., д.м.н.

Мещанинов В.Н.

_____‘’_____________2006 г

ЛЕКЦИЯ № 25

Тема: Водно-солевой и минеральный обмен

Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический.

Водно-солевой обмен – обмен воды и основных электролитов организма (Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cl - , HCO 3 - , H 3 PO 4).

Электролиты – вещества, диссоциирующие в растворе на анионы и катионы. Их измеряют в моль/л.

Неэлектролиты – вещества, недиссоциирующие в растворе (глюкоза, креатинин, мочевина). Их измеряют в г/л.

Вода – основной компонент всех жидкостей организма.

Биологическая роль воды

Вода является универсальным растворителем для большинства органических (кроме липидов) и неорганических соединений.
Вода и растворенные в ней вещества создают внутреннюю среду организма.
Вода обеспечивает транспорт веществ и тепловой энергии по организму.
Значительная часть химических реакций организма протекает в водной фазе.
Вода участвует в реакциях гидролиза, гидратации, дегидратации.
Определяет пространственное строение и свойства гидрофобных и гидрофильных молекул.
В комплексе с ГАГ вода выполняет структурную функцию.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ ОРГАНИЗМА

Все жидкости организма характеризуются общими свойствами: объемом, осмотическим давлением и величиной рН.

Объем. У всех наземных животных жидкости составляет около 70% от массы тела.

При полном лишении воды смерть наступает через 6-8 дней, когда количество воды в организме снижается на 12%.

Вся жидкость организма разделена на внутриклеточный (67%) и внеклеточный (33%) бассейны.

Внеклеточный бассейн (экстрацеллюлярное пространство) состоит из:

1. Внутрисосудистой жидкости;

2. Интерстициальной жидкости (межклеточная);

3. Трансцеллюлярной жидкости (жидкость плевральной, перикардиальной, перитонеальной полостей и синовиального пространства, цереброспинальная и внутриглазная жидкость, секрет потовых, слюнных и слезных желез, секрет поджелудочной железы, печени, желчного пузыря, ЖКТ и дыхательных путей).

РЕГУЛЯЦИЯ ВОДНО-СОЛЕВОГО БАЛАНСА ОРГАНИЗМА

В организме водно-солевой баланс внутриклеточной среды поддерживается постоянством внеклеточной жидкости. В свою очередь, водно-солевой баланс внеклеточной жидкости поддерживается через плазму крови с помощью органов и регулируется гормонами.

Органы, регулирующие водно-солевой обмен

Поступление воды и солей в организм происходит через ЖКТ, этот процесс контролируется чувством жажды и солевым аппетитом. Выведение излишков воды и солей из организма осуществляют почки. Кроме того, воду из организма выводят кожа, легкие и ЖКТ.

Баланс воды в организме

Для ЖКТ, кожи и легких выведение воды является побочным процессом, который происходит в результате выполнения ими своих основных функций. Например, ЖКТ теряет воду, при выделении из организма непереваренных веществ, продуктов метаболизма и ксенобиотиков. Легкие теряют воду при дыхании, а кожа при терморегуляции.

Изменения в работе почек, кожи, легких и ЖКТ может привести к нарушению водно-солевого гомеостаза. Например, в жарком климате, для поддержания температуры тела, кожа усиливает потовыделение, а при отравлениях, со стороны ЖКТ возникает рвота или диарея. В результате усиленной дегидратации и потери солей в организме возникает нарушение водно-солевого баланса.

Гормоны, регулирующие водно-солевой обмен

Вазопрессин

Антидиуретический гормон (АДГ), или вазопрессин - пептид с молекулярной массой около 1100 Д, содержащий 9 АК, соединённых одним дисульфидным мостиком.

АДГ синтезируется в нейронах гипоталамуса, переносится в нервные окончания задней доли гипофиза (нейрогипофиз).

Высокое осмотическое давление внеклеточной жидкости активирует осморецепторы гипоталамуса, в результате возникают нервные импульсы, которые передаются в заднюю долю гипофиза и вызывают высвобождение АДГ в кровоток.

АДГ действует через 2 типа рецепторов: V 1 , и V 2 .

Главный физиологический эффект гормона, реализуется V 2 рецепторы, которые находятся на клетках дистальных канальцев и собирательных трубочек, которые относительно непроницаемы для молекул воды.

АДГ через V 2 рецепторы стимулирует аденилатциклазную систему, в результате фосфорилируются белки, стимулирующие экспрессию гена мембранного белка - аквапорина-2 . Аквапорин-2 встраивается в апикальную мембрану клеток, образуя в ней водные каналы. По этим каналам вода пассивной диффузией реабсорбируется из мочи в интерстициальное пространство и моча концентрируется.

В отсутствие АДГ моча не концентрируется (плотность <1010г/л) и может выделяться в очень больших количествах (>20л/сут), что приводит к дегидратации организма. Это состояние называется несахарный диабет .

Причиной дефицита АДГ и несахарного диабета являются: генетические дефекты синтеза препро-АДГ в гипоталамусе, дефекты процессинга и транспорта проАДГ, повреждения гипоталамуса или нейрогипофиза (например, в результате черепно-мозговой травмы, опухоли, ишемии). Нефрогенный несахарный диабет возникает вследствие мутации гена рецептора АДГ типа V 2 .

Рецепторы V 1 локализованы в мембранах ГМК сосудов. АДГ через рецепторы V 1 активирует инозитолтрифосфатную систему и стимулирует высвобождение Са 2+ из ЭР, что стимулирует сокращение ГМК сосудов. Сосудосуживающий эффект АДГ проявляется при высоких концентрациях АДГ.

Поддержание одной из сторон гомеостаза - водно-электролитного баланса организма осуществляется с помощью нейроэндокринной регуляции. Высший вегетативный центр жажды располагается в вентромедиальном отделе гипоталамуса. Регуляция выделения воды и электролитов осуществляется преимущественно путем нейрогуморального контроля функции почек. Особую роль в этой системе играют два тесно связанных между собой нейрогормональных механизма - секреция альдостерона и (АДГ). Главным направлением регулирующего действия альдостерона служит его тормозящие влияние на все пути выделения натрия и, прежде всего на канальцы почек (антинатриуремическое действие). АДГ поддерживает баланс жидкости, непосредственно препятствуя выделению воды почками (антидиуретическое действие). Между деятельности альдостеронового и антидиуретического механизмов существует постоянная, тесная взаимосвязь. Потеря жидкостей стимулирует через волюморецепторы секрецию альдостерона, в результате чего происходит задержка натрия и повышение концентрации АДГ. Эффекторным органом обеих систем являются почки.

Степень потери воды и натрия определяют механизмы гуморальной регуляции водно-солевого обмена: антидиуретический гормон гипофиза, вазопрессин и надпочечниковый гормон альдостерон, воздействующие на наиболее важный орган для подтверждения постоянства водно-солевого баланса в организме, какими являются почки. АДГ образуется в супраоптическом и паравентрикулярном ядрах гипоталамуса. По портальной системе гипофиза этот пептид попадает в заднюю долю гипофиза, концентрируется там и выделяется в кровь под влиянием нервных импульсов, поступающих в гипофиз. Мишенью АДГ является стенка дистальных канальцев почек, где он усиливает выработку гиалуронидазы, которая деполимеризует гиалуроновую кислоту, тем самым повышает проницаемость стенок сосудов. Вследствие этого вода из первичной мочи пассивно диффундирует в клетки почек в силу осмотического градиента между гиперосмотической межклеточной жидкостью организма и гипоосмолярной мочой. Почки за сутки пропускают через свои сосуды примерно 1000 л крови. 180 л первичной мочи фильтруется через клубочки почек, но лишь 1% жидкости, профильтрованной почками, превращается в мочу, 6/7 жидкости, составляющей первичную мочу, подвергается обязательной реабсорбции вместе с другими растворенными в ней веществами в проксимальных канальцах. Остальная вода первичной мочи подвергается реабсорбции в дистальных канальцах. В них осуществляется формирование первичной мочи по объему и составу.

Во внеклеточной жидкости осмотическое давление регулируют почки, которые могут выделять мочу с концентрацией хлорида натрия от следовой до 340 ммоль/л. При выделении мочи, бедной хлоридом натрия, осмотическое давление из-за задержки соли будет возрастать, а при быстром выделении соли – падать.

Концентрация мочи контролируется гормонами: вазопрессин (антидиуретический гормон), усиливая обратное всасывание воды, повышает концентрацию соли в моче, альдостерон стимулирует обратное всасывание натрия. Продукция и секреция этих гормонов зависит от осмотического давления и концентрации натрия во внеклеточной жидкости. При снижении концентрации соли в плазме увеличивается продукция альдостерона и задержка натрия возрастает, при повышении – увеличивается продукция вазопрессина, а продукция альдостерона падает. Это увеличивает реабсорбцию воды и потери натрия, способствует уменьшению осмотического давления. Кроме того, рост осмотического давления вызывает жажду, что увеличивает потребление воды. Сигналы для образования вазопрессина и ощущение жажды инициируют осморецепторы гипоталамуса.

Регуляция клеточного объема и концентрации ионов внутри клеток - это энергозависимые процессы, включающие активный транспорт натрия и калия через клеточные мембраны. Источником энергии для систем активного транспорта, как практически при любых энергетических затратах клетки, является обмен АТФ. Ведущий фермент - натрий-калиевая АТФ-аза - дает клеткам возможность перекачивать натрий и калий. Этому ферменту необходим магний, а, кроме того, для максимальной активности требуется одновременное присутствие как натрия, так и калия. Одним из следствий существования различных концентраций калия и других ионов на противоположных сторонах клеточной мембраны является генерация разности электрических потенциалов на мембране.

На обеспечение работы натриевого насоса расходуется до 1/3 общей энергии, запасенной клетками скелетных мышц. При гипоксии или вмешательстве любых ингибиторов в метаболизм клетка набухает. Механизм набухания, заключается в поступление ионов натрия и хлора в клетку; это приводит к возрастанию внутриклеточной осмолярности, что в свою очередь увеличивает содержание воды, ибо она следует за растворенным веществом. Одновременная потеря калия не эквивалентна поступлению натрия, и поэтому итогом будет повышение содержания воды.

Эффективная осмотическая концентрация (тоничность, осмолярность) внеклеточной жидкости изменяется практически параллельно концентрации в ней натрия, который вместе со своими анионами обеспечивает не менее 90% ее осмотической активности. Колебания (даже в патологических условиях) калия и кальция не превышают нескольких миллиэквивалентов на 1л и не отражаются существенно на величине осмотического давления.

Гипоэлектролитемией (гипоосмией, гипоосмолярностью, гипотоничностью) внеклеточной жидкости называют падение осмотической концентрации ниже 300 мосм/л. Это соответствует снижению концентрации натрия ниже 135 ммоль/л. Гиперэлектролитемией (гиперосмолярностью, гипертоничностью) называют превышение осмотической концентрации 330 мосм/л и концентрацией натрия 155 ммоль/л.

Большие колебания объемов жидкости в секторах организма обусловлены сложными биологическими процессами, подчиняющимися физико-химическим законам. При этом большое значение имеет принцип электронейтральности, заключающийся в том, что сумма положительных зарядов во всех водных пространствах равна сумме отрицательных зарядов. Постоянно возникающие изменения концентрации электролитов в водных средах сопровождаются изменением электропотенциалов с последующим восстановлением. При динамическом равновесии образуются стабильные концентрации катионов и анионов по обе стороны биологических мембран. Однако, необходимо отметить, что электролиты - не единственные осмотически активные компоненты жидкой среды организма, поступающие с пищей. Окисление углеводов и жиров обычно приводят к образованию углекислого газа и воды, которые могут просто выделяться легкими. При окислении аминокислот образуется аммиак и мочевина. Превращение аммиака в мочевину обеспечивает организм человека одним из механизмов детоксикации, но при этом летучие соединения, потенциально удаляемые легкими, превращаются в нелетучие, которые должны уже выводиться почками.

Обмен воды и электролитов, питательных веществ, кислорода и двуокиси углерода и других конечных продуктов метаболизма, в основном, происходит за счет диффузии. Капиллярная вода несколько раз в секунду обменивается с интерстициальной тканью водой. Благодаря растворимости в липидах кислород и двуокись углерода свободно диффундируют через все капиллярные мембран; в то же время вода и электролиты, как полагают проходят через мельчайшие поры эндотелиальной мембраны.

7. Принципы классификации и основные виды расстройств водного обмена.

Необходимо отметить, что единой общепринятой классификации нарушений водно-электролитного баланса не существует. Все виды нарушений в зависимости от изменения объема воды принято делить: с увеличением объема внеклеточной жидкости - водный баланс положительный (гипергидратация и отеки); с уменьшением объема внеклеточной жидкости – отрицательный водный баланс (дегидратация). Гамбиргер и соавт. (1952) предложили подразделять каждую из этих форм на экстра- и интерцеллюлярную. Избыток и уменьшение общего количества воды рассматривают всегда в связи с концентрацией натрия во внеклеточной жидкости (осмолярностью ее). В зависимости от изменения осмотической концентрации гипер- и дегидратацию подразделяют на три вида: изоосмолярную, гипоосмолярную и гиперосмолярную.

Избыточное накопление воды в организме (гипергидратация, гипергидрия).

Изотоническая гипергидратация представляет собой увеличение внеклеточного объема жидкости без нарушения осмотического давления. При этом перераспределение жидкости между внутри- и внеклеточным секторами не происходит. Увеличение общего объема воды в теле совершается за счет внеклеточной жидкости. Такое состояние может быть результатом сердечной недостаточности, гипопротеинемии при нефротическом синдроме, когда объем циркулирующей крови остается постоянным за счет перемещения жидкой части в интерстициальный сегмент (появляются пальпируемые отеки конечностей, может развиться отек легких). Последнее может явиться тяжелым осложнением, связанным с парентеральным введением жидкости в терапевтических целях, вливание больших количеств физиологического или Рингеровского раствора в эксперименте или больным в послеоперационном периоде.

Гипоосмолярная гипергидратация , или водное отравление обусловлено избыточным накопление воды без соответствующей задержки электролитов, нарушением выведения жидкости из-за почечной недостаточности или неадекватной секреции антидиуретического гормона. В эксперименте это нарушение можно воспроизвести путем перитонеального диализа гипоосмотического раствора. Водное отравление у животных легко развивается также при нагрузке водой после введения АДГ или удалении надпочечников. У здоровых животных водная интоксикация наступала через 4-6 часов после приема внутрь воды по 50 мл/кг через каждые 30 минут. Возникают рвота, тремор, клонические и тонические судороги. Концентрация электролитов, белков и гемоглобина в крови при этом резко снижается, объем плазмы возрастает, реакция крови не изменяется. Продолжение инфузии может привести к развитию коматозного состояния и к гибели животных.

При водном отравлении падает осмотическая концентрация внеклеточной жидкости благодаря ее разведению избытком воды, возникает гипонатриемия. Осмотический градиент между «интерстицием» и клетками обуславливает передвижение части межклеточной воды в клетки и набухание их. Объем клеточной воды может повышаться на 15%.

В клинической практике с явлениями водной интоксикации встречаются в тех случаях, когда поступление воды превосходит способность почек к ее выделению. После введения больному 5 и более литров воды в день наступают головные боли, апатия, тошнота и судороги в икрах. Отравление водой может возникать при избыточном ее потреблении, когда имеет место повышенная продукция АДГ и олигоурия. После травм, при больших хирургических операциях, потери крови, введения анестетиков, особенно морфина, обычно не менее 1-2 суток длится олигоурия. Водное отравление может возникать в результате внутривенного вливания больших количеств изотонического раствора глюкозы, которая быстро потребляется клетками, причем концентрация введенной жидкости падает. Опасно также введение больших количеств воды при ограничении функции почек, которая бывает при шоке, почечных заболеваниях с анурией и олигоурией, лечении препаратами АДГ несахарного диабета. Опасность водной интоксикации возникает при избыточном введении воды без солей во время лечения токсикоза, в связи с поносом грудных детей. Избыточное обводнение иногда бывает при часто повторяемых клизмах.

Терапевтические воздействия при состояниях гипоосмолярной гипергидрии должны быть направлены на устранения избытка воды и на восстановление осмотической концентрации внеклеточной жидкости. Если избыток был связан с чрезмерно большим введением воды больному с явлениями анурии, быстрый терапевтический эффект дает применение искусственной почки. Восстановление нормального уровня осмотического давления путем введения соли допустимо лишь при снижении общего количества соли в организме и при явных признаках водного отравления.

Гиперосомлярная гипергидратация проявляется увеличением объема жидкости во внеклеточном пространстве с одновременным ростом осмотического давления за счет гипернатриемии. Механизм развития нарушений таков: задержка натрия не сопровождается задержкой воды в адекватном объеме, внеклеточная жидкость оказывается гипертонической, и вода из клеток движется во внеклеточные пространства до момента осмотического равновесия. Причины нарушения многообразны: синдром Кушинга или Кона, питье морской воды, черепно-мозговая травма. Если состояние гиперосмолярной гипергидратации сохраняется долго, может наступить гибель клеток центральной нервной системы.

Обезвоживания клеток в условиях эксперимента наступает при введении гипертонических растворов электролитов в объемах, превышающих возможность достаточно быстрого выделения их почками. У человека подобное расстройство наступает при вынужденном питье морской воды. Происходит передвижение воды из клеток во внеклеточное пространство, ощущаемое как тяжелое чувство жажды. В некоторых случаях, гиперосмолярная гипергидрия сопровождает развитие отеков.

Уменьшение общего объема воды (обезвоживание, гипогидрия, дегидратация, эксикоз) происходит также с понижением или с повышением осмотической концентрации внеклеточной жидкости. Опасность обезвоживания состоит в угрозе сгущения крови. Серьезные симптомы дегидратации возникают после потери около одной трети внеклеточной воды.

Гипоосмолярная дегидратация развивается в тех случаях, когда организм теряет много жидкости, содержащей электролиты, а возмещение потери происходит меньшим объемом воды без введения соли. Такое состояние бывает при повторной рвоте, поносе, усиленном потоотделении, гипоальдостеронизме, полиурии (несахарный и сахарный диабет), если потеря воды (гипотонических растворов) частично пополняется питьем без соли. Из гипоосмотического внеклеточного пространства часть жидкости устремляется в клетки. Таким образом, эксикоз, развивающийся вследствие солевой недостаточности, сопровождается внутриклеточным отеком. Чувство жажды при этом отсутствует. Потеря воды кровью сопровождается нарастанием гематокрита, повышением концентрации гемоглобина и белков. Обеднение крови водой и связанное с этим уменьшение объема плазмы и повышение вязкости существенно нарушает кровообращение и, иногда, служит причиной коллапса и смерти. Уменьшение минутного объема ведет также к почечной недостаточности. Объем фильтрации резко падает и развивается олигоурия. Моча бывает практически лишена хлористого натрия, чему способствует усиление секреции альдостерона благодаря возбуждению объемных рецепторов. Нарастает содержание остаточного азота в крови. Могут наблюдаться внешние признаки обезвоживания - снижение тургора и сморщивание кожи. Нередко бывают головные боли, отсутствие аппетита. У детей при обезвоживании быстро появляется апатия, вялость, мышечная слабость.

Замещать дефицит воды и электролитов при гипоосмолярной гидратации рекомендуется путем введения изоосмотической или гипоосмотической жидкости, содержащей разные электролиты. При невозможности достаточного приема воды внутрь неизбежные потери воды через кожу, легкие и почки следует возмещать внутривенным вливанием 0,9% раствора хлористого натрия. При уже возникшем дефиците увеличивают вводимый объем, не превышая 3 л в сутки. Гипертонический раствор соли следует вводить лишь в исключительных случаях, когда возникают неблагоприятные последствия снижения концентрации электролитов крови, если почки не удерживают натрий и его много теряется другими путями, иначе введение избытка натрия может усилить обезвоживание. Для предупреждения гиперхлоремического ацидоза при понижении выделительной функции почек рационально вводить вместо хлористого натрия молочнокислую соль.

Гиперосмолярная дегидратация развивается в результате потери воды, превышающей ее поступление и эндогенное образование без потерь натрия. Потеря воды при этой форме происходит с небольшой потерей электролитов. Это может иметь место при усиленном потоотделении, гипервентиляции, поносе, полиурии, если утраченная жидкость не компенсируется питьем. Большая потеря воды с мочой бывает при так называемом осмотическом (или разводящем) диурезе, когда через почки выделяется много глюкозы, мочевины или других азотистых веществ, повышающих концентрацию первичной мочи и затрудняющих реабсорбцию воды. Потеря воды в таких случаях превосходит потерю натрия. Ограниченное введение воды у больных с нарушениями глотания, а также при подавлении чувства жажды в случаях мозговых заболеваний, в коматозном состоянии, у стариков, у недоношенных новорожденных, грудных детей с повреждениями мозга и др. У новорожденных первого дня жизни иногда бывает гиперосмолярный эксикоз из-за малого потребления молока («лихорадка от жажды»). Гиперосмолярное обезвоживание значительно легче возникает у грудных детей, чем у взрослых. В грудном возрасте большие количества воды почти без электролитов могут теряться через легкие при лихорадке, умеренном ацидозе и других случаях гипервентиляции. У грудных детей несоответствие между балансом воды и электролитов может возникать также в результате недостаточно развитой концентрационной способности почек. Задержка электролитов значительно легче наступает в организме ребенка, особенно при передозировке гипертонического или изотонического раствора. У грудных детей минимальное, обязательное выделение воды (через почки, легкие и кожу) на единицу поверхности примерно в два раза выше, чем у взрослых.

Преобладание потери воды над выделением электролитов приводит к увеличению осмотической концентрации внеклеточной жидкости и передвижению воды из клеток в экстрацеллюлярное пространство. Таким образом, замедляется сгущение крови. Уменьшение объема внеклеточного пространства стимулирует секрецию альдостерона. Этим поддерживается гиперосмолярность внутренней среды и восстановление объема жидкости благодаря усилению продукции АДГ, который ограничивает потерю воды через почки. Гиперосмолярность внеклеточной жидкости снижает также выделение воды экстраренальными путями. Неблагоприятное действие гиперосмолярности связано с обезвоживанием клеток, которое вызывает мучительное чувство жажды, усиление распада белка, повышение температуры. Потеря нервными клетками ведет к нарушениям со стороны психики (помрачнение сознания), расстройствам дыхания. Обезвоживание гиперосмолярного типа сопровождается также снижением массы тела, сухостью кожи и слизистых оболочек, олигурией, признаками сгущения крови, повышением осмотической концентрации крови. Угнетение механизма жажды и развития умеренной внеклеточной гиперосмолярности в эксперименте достигали уколом в супрооптические ядра гипоталамуса у кошек и вентромедиальные ядра у крыс. Восстановление дефицита воды и изотоничности жидкости организма человека достигается главным образом введением гипотонического раствора глюкозы, содержащим основные электролиты.

Изотоническая дегидратация может наблюдаться при аномально увеличенном выведении натрия, чаще всего – с секретом желез желудочно-кишечного тракта (изоосмолярные секреты, суточный объем которых составляет до 65% к объему всей внеклеточной жидкости). Потеря этих изотонических жидкостей не ведет к изменению внутриклеточного объема (все потери – за счет внеклеточного). Их причины – повторная рвота, поносы, потеря через фистулу, формирование больших транссудатов (асцит, плевральный выпот), крово- и плазмопотери при ожогах, перитонитах, панкреатитах.