Физиология крови

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физиология крови



Объем и состав крови

Общий объем крови -- примерно 7% (6--8%, у детей 8--9%) от веса тела.

Кровь состоит из форменных элементов и плазмы. Отношение объема форменных элементов к общему объему крови называется числом гематокрита, или просто гематокритом, и составляет 40--45%.

Форменные элементы подразделяются на:

эритроциты, главная функция которых -- перенос дыхательных газов (O2 и CO2);

лейкоциты, главная функция которых -- защитная (иммунная);

тромбоциты, главная функция которых -- участие в остановке кровотечения.

В свою очередь, лейкоциты подразделяются на:

гранулоциты, которые в зависимости от сродства содержащихся в них гранул к кислым или щелочным красителям делятся на:

нейтрофилы;

базофилы;

эозинофилы;

и агранулоциты, к которым относятся:

лимфоциты;

моноциты.

Плазма крови на 90--92% состоит из воды. Основные компоненты сухого остатка:

белки (7--8% от общего объема плазмы);

электролиты (0,8% от общего объема плазмы; подавляющая часть приходится на долю NaCl);

на долю всех остальных компонентов (глюкозы, мочевины, липидов и пр.) приходится < 1%.

Белки плазмы подразделяются на:

альбумин;

глобулины:

a1-глобулины;

a2-глобулины;

b-глобулины;

g-глобулины;

фибриноген.

Плазма, из которой удален фибриноген, называется сывороткой крови.

Внутренняя среда

Все биохимические системы наших клеток приспособлены к работе в строго определенных условиях (температура, pH, содержание кислорода и питательных веществ и т. п.). В то же время условия окружающей среды постоянно и порой резко меняются -- организм подвергается значительным перепадам температуры, в течение долгого времени могут не поступать вода и питательные вещества и т. д. Для того чтобы все эти колебания не повлияли на работу биохимических систем, выработался универсальный механизм адаптации: клетки окружены жидкостью, состав которой поддерживается на постоянном уровне. Итак, если организм существует во внешней среде, подверженной значительным колебаниям, то все его клетки существуют в относительно постоянной внутренней среде, главной составной частью которой служит межклеточная жидкость.

Однако поддерживать постоянство непосредственно межклеточной жидкости невозможно -- регуляторные системы не могут воспринимать и поддерживать состав среды, окружающей каждую клетку. В связи с этим выработался другой механизм: организм поддерживает постоянство состава крови (воспринимая его с помощью расположенных в сосудах рецепторов), акровь свободно обменивается со всеми межклеточными жидкостями.

Итак, главные составные части внутренней среды -- это кровь и межклеточная жидкость. Кроме того, к внутренней среде относятся еще некоторые жидкости -- лимфа, спинномозговая жидкость и другие.

Некоторые показатели внутренней среды должны поддерживаться в особенно узких пределах. Это так называемые константы внутренней среды. К ним относятся pH, температура, осмотическое давление, электролитный состав, содержание глюкозы, кислорода и углекислого газа и др.

Главным центром, поддерживающим постоянство внутренней среды, является гипоталамус.

Здесь мы рассмотрим поддержание постоянства pH, осмотического давления и электролитного состава внутренней среды.

Кислотно-щелочное равновесие

Физиологическое значение и показатели кислотно-щелочного равновесия

Значение кислотно-щелочного равновесия определяется прежде всего тем, что белки, будучи амфотерными соединениями, при изменениях реакции среды меняют свою конформацию; следовательно, изменяется активность ферментов, функция рецепторов (для гормонов, медиаторов и т. п.), структура ионных каналов и так далее. В связи с этим реакция внутренней среды, и в том числе крови, является одной из самых жестких констант.

Показатель реакции среды -- pH

Количественным показателем реакции среды является водородный показатель pH, отражающий концентрацию свободных ионов водорода. Точнее, pH равен отрицательному десятичному логарифму этой концентрации:

pH = -lg [H+](1).

Например, если концентрация ионов водорода равна 10-8 моль/л, то pH=8.

В норме pH колеблется от 7,35 (для артериальной крови) до 7,4 (для венозной крови). Предельные значения pH, совместимые с жизнью, составляют 6,8--8,0.

Отклонение pH в кислую сторону называется ацидозом, в щелочную -- алкалозом. В клинике об ацидозе или алкалозе говорят не только при явных сдвигах pH, но также при таких изменениях в системах регуляции кислотно-щелочного равновесия, при которых эти сдвиги могут наступить (см. ниже, разд. «Классификация и диагностика нарушений кислотно-щелочного равновесия»).

Системы, поддерживающие постоянство pH

Постоянство pH поддерживается:

буферными системами;

выделительными системами -- легкими и почками.

Буферные системы сглаживают резкие колебания pH при внезапном резком увеличении содержания кислых либо щелочных продуктов в крови, но не выводят эти продукты из организма. За выведение же кислых и щелочных продуктов отвечают выделительные системы.

Буферные системы

Принцип работы буферных систем

Буферные системы -- это такие химические системы, pH которых не изменяется (точнее, мало изменяется) при добавлении некоторого количества кислот либо оснований.

Компонентами буферных систем являются любые вещества, способные сравнительно прочно, но обратимо связывать протоны:

H+ + Б-« HБ.(2)

Если к раствору такого вещества добавить сильную (то есть легко диссоциирующую с образованием протонов) кислоту, то равновесие сместится в сторону HБ:

H+ + Б- ® HБ,(3)

в результате протоны будут связаны, и pH (показатель концентрации свободных протонов!) не изменится.

Если к раствору такого вещества добавить основание (диссоциирующее с образованием гидроксила OH-), то равновесие, напротив, сместится в сторону H+ + Б-:

H+ + Б-¬ HБ,(4)

в результате протоны высвободятся, нейтрализуют ионы гидроксила:

H+ + OH- = H2O,(5)

и pH тоже не изменится.

В большинстве случаев буферными веществами являются анионы слабых кислот, то есть плохо диссоциирующих кислот, в которых протоны связаны прочно, хотя и обратимо. Буферные системы, как правило, состоят из слабой кислоты и ее соли с сильным основанием (то есть ее аниона в составе легко диссоциирующего вещества):

при добавлении к такой системе кислоты анион соли связывает протоны;

при добавлении к такой системе основания кислота высвобождает протоны.

Количественно буферная система характеризуется буферной емкостью. Этот показатель отражает, какое количество кислоты или щелочи надо добавить к буферной системе, чтобы pH раствора изменился на 1.

pH буферной системы определяется соотношением буферных компонентов (кислоты и соли). Если это соотношение не меняется (например, оба компонента возрастают в одинаковой степени), то не меняется и pH буферной системы.

В организме существуют четыре буферные системы:

бикарбонатный буфер;

фосфатный буфер;

белковый буфер;

гемоглобиновый буфер (являющийся, разумеется, частью белкового буфера, но выделяемый отдельно в связи с особой локализацией -- внутри эритроцитов -- и особой функцией, см. ниже, разд. «Гемоглобиновый буфер»).

Бикарбонатный буфер

Этот буфер образован угольной кислотой и ее натриевой солью (Na+ -- главный внеклеточный катион), то есть бикарбонатом натрия: H2CO3 + NaHCO3.

При добавлении к бикарбонатному буферу кислоты протоны связываются с бикарбонатом:

H+ + HCO3-® H2CO3,(6)

в результате вместо сильной кислоты образуется слабая (плохо диссоциирующая) угольная кислота, и pH меняется мало.

При добавлении к бикарбонатному буферу основания протоны высвобождаются угольной кислотой и нейтрализуют гидроксил:

OH- + H2CO3® OH- + H+ + HCO3-® H2O + HCO3-,(7)

в результате вместо основания образуется соль, и pH также меняется мало.

Бикарбонатный буфер -- не самый мощный буфер организма, по буферной емкости он существенно уступает, в частности, гемоглобиновому. Однако он играет самую большую физиологическую роль в связи со следующими моментами:

это главный буфер плазмы(фосфатный, белковый и гемоглобиновый -- это преимущественно внутриклеточные буферы, а фосфатный буфер -- еще и важный буфер мочи);

содержание обоих его компонентов -- угольной кислоты и бикарбоната -- непосредственно регулируется системами выделения: почки выводят бикарбонат, а легкие -- углекислый газ, образующийся при распаде угольной кислоты (см. ниже).

Фосфатный буфер

Этот буфер образован одно- и двузамещенной солями фосфорной кислоты:

HPO42- + H2PO4-

При добавлении к фосфатному буферу кислоты протоны связываются с однозамещенной солью:

H+ + HPO42- = H2PO4.(8)

При добавлении к фосфатному буферу основания протоны высвобождаются двузамещенной солью и нейтрализуют гидроксил:

OH- + H2PO4- = OH- + H+ + HPO42- = H2O + HPO42-.(9)

Фосфатный буфер выполняет следующие функции:

это важнейший буфер мочи;

это один из внутриклеточных буферов.

В плазме его роль невелика.

Белковый буфер

Буферные свойства белков обусловлены наличием у аминокислот групп, способных обратимо связывать протоны. Белковый буфер -- главный внутриклеточный буфер. Определенную буферную роль играют и белки плазмы.

Гемоглобиновый буфер

Буферные свойства гемоглобина обусловлены его белковой частью (глобином), в которой, как и в других белках, имеются группы, способные обратимо связывать протоны. Большая роль гемоглобинового буфера, благодаря которой его выделяют как отдельную буферную систему, обусловлена следующими моментами:

это самый мощный буфер организма;

это единственный буфер эритроцитов;

его буферная емкость зависит от того, в какой мере гемоглобин насыщен кислородом.

Выделительные системы

Даже в норме организм постоянно подвергается воздействиям, стремящимся нарушить кислотно-щелочное равновесие.

В процессе метаболизма вырабатываются кислые вещества, прежде всего -- CO2, но также другие, нелетучие кислоты (см. ниже, разд. «Поддержание pH в норме и при патологии»).

В ЖКТ:

всасываются кислые и щелочные вещества (компоненты пищи, лекарственные средства и пр.);

секретируются в просвет желудка и кишечника кислые (соляная кислота в желудке) и щелочные (бикарбонаты в кишечнике) вещества (гл. 12); при секреции соляной кислоты в крови остаются щелочные вещества, при секреции бикарбонатов -- кислые.

Буферные системы не могут выводить все эти вещества из организма; они могут лишь временно сглаживать вызванные этими веществами изменения pH. В то же время кислые и щелочные вещества должны быстро выводиться в таком же количестве, в котором они поступают в кровь. Эту функцию выполняют выделительные системы -- легкие и почки:

легкие выводят летучие вещества, прежде всего -- CO2;

почки выводят нелетучие вещества, прежде всего, как мы увидим ниже -- бикарбонат.

Кислотно-щелочное равновесие в норме и патологии

Рассмотрев отдельные системы, участвующие в поддержании постоянства pH, обратимся к взаимодействию всех этих систем, то есть общей схеме кислотно-щелочного равновесия и его поддержанию в норме и патологии.

Процессы, влияющие на кислотно-щелочное равновесие

Видно, что:

кислотно-щелочное равновесие определяется соотношением между поступлением кислых и щелочных соединений и их выведением;

основные источники поступления этих соединений («нарушители» кислотно-щелочного равновесия) -- это метаболизм (более 99%) и ЖКТ;

основные пути выведения («охранники» кислотно-щелочного равновесия) -- легкие и почки;

буферные системы в этой схеме, как уже говорилось, выполняют лишь функцию временного сглаживания колебаний кислотно-щелочного равновесия, но не долговременного поддержания на постоянном уровне.

Взаимодействие буферных и выделительных систем

Как говорилось выше, особую физиологическую роль играет бикарбонатный буфер, так как он, с одной стороны, является главным буфером плазмы, с другой -- взаимодействует с выделительными системами. Рассмотрим подробно это взаимодействие.

Компоненты бикарбонатного буфера -- это угольная кислота H2CO3 и бикарбонат HCO3-. Угольная кислота способна распадаться на CO2 и H2O (под действием фермента карбоангидразы; ):

H2CO3® H2O + CO2,(10)

а концентрация CO2 в крови регулируется легкими: избыток CO2 вызывает усиление интенсивности дыхания и, следовательно, выведения CO2, недостаток CO2, напротив, вызывает снижение интенсивности дыхания и задержку CO2. С другой стороны, концентрация бикарбоната в крови регулируется почками: при избытке HCO3- усиливается его выведение с мочой, при недостатке -- наоборот. Таким образом, легкие и почки прямо связаны с бикарбонатным буфером, поддерживая концентрации обоих его компонентов.

Итак, при поступлении в кровь любых кислых соединений они прореагируют с бикарбонатом, что приведет к снижению концентрации NaHCO3 и повышению концентрации H2CO3; в ответ на это почки уменьшат выведение HCO3- Более того, в почках может образовываться и поступать в кровь дополнительное количество бикарбоната,1 а легкие увеличат выведение CO2 (и тем самым -- H2CO3). В результате концентрации компонентов бикарбонатного буфера восстановятся. При поступлении в кровь щелочных веществ произойдут обратные процессы. Таким образом, бикарбонатный буфер -- это своего рода посредник между «нарушителями» и «охранниками» кислотно-щелочного равновесия.

Все буферные системы находятся друг с другом в состоянии динамического равновесия, постоянно обмениваясь друг с другом: например, при высвобождении протонов гемоглобиновым буфером они будут связаны бикарбонатом. Это означает, что если поддерживается нормальное состояние бикарбонатного буфера (то есть нормальное соотношение его компонентов), то тем самым будет автоматически поддерживаться и нормальное состояние остальных буферов.

Поддержание pH в норме и при патологии

В норме задача выделительных систем -- удалять кислые и щелочные вещества с такой же скоростью, с какой они поступают в кровь. Рассмотрим обычное суточное поступление и выведение кислых и щелочных веществ.

Подавляющая часть кислых веществ приходится на CO2 -- главный продукт распада всех веществ (белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот). Будучи летучим соединением, CO2 удаляется легкими.

Небольшое количество нелетучих кислот (в 200--300 раз меньше, чем CO2) образуется в процессе метаболизма (продукты окисления серосодержащих и фосфорсодержащих аминокислот-- серная и фосфорная кислоты; продукт распада нуклеиновых кислот -- мочевая кислота; в определенных условиях -- молочная кислота, кетоновые тела и пр.;). Еще меньшее количество нелетучих кислых веществ (иногда, в зависимости от характера питания, щелочных) поступает из ЖКТ. Все нелетучие кислоты сначала реагируют в крови с бикарбонатом; затем они удаляются почками, а концентрация бикарбоната в крови при этом восстанавливается.

Таким образом, в норме выделительные системы поддерживают на постоянном уровне концентрации обоих компонентов бикарбонатного буфера -- H2CO3 (путем поддержания постоянства CO2) и NaHCO3.



Нарушения кислотно-щелочного равновесия

В случае, если какая-то из выделительных систем (легкие либо почки) не справляется с выведением кислых или щелочных веществ либо, напротив, выводит их в избытке, принцип регуляции кислотно-щелочного равновесия становится иным: если нет возможности вывести избыток какого-либо вещества (кислоты или щелочи), то в организме задерживается противоположное вещество (щелочь или кислота) (и наоборот, если в избытке теряется какое-то вещество, то усиленно выводится и противоположное вещество).

Представим себе, например, что возникло нарушение дыхания -- снизилось выделение легкими CO2, и это соединение накапливается в крови. В ответ на это почки уменьшают выделение бикарбоната. В результате нарастает содержание в крови одновременно и CO2, и HCO3,- а, как мы уже знаем, если соотношение между концентрациями буферных компонентов не меняется, то не меняется и pH.

Иными словами, при нарушениях в деятельности одной из выделительных систем задача второй выделительной системы заключается в том, чтобы поддерживать на постоянном уровне не абсолютные концентрации компонентов бикарбонатного буфера, а соотношение между этими концентрациями.

Таким образом, при нарушениях кислотно-щелочного равновесия имеются отклонения двух типов:

первичное, обусловленное нарушением выведения какого-либо из компонентов бикарбонатного буфера одной из выделительных систем (легкими или почками);

компенсаторное -- задержка или усиленное выведение другого компонента второй выделительной системой;

причем отклонения эти однонаправленные: первичное накопление CO2 приведет к компенсаторному накоплению HCO3-, первичная потеря HCO3-, приведет к компенсаторному усиленному выведению CO2 и т. п. Здесь речь идет о простых сдвигах кислотно-щелочного равновесия, когда имеется только одно первичное нарушение (например, снижение легочной вентиляции). Если имеется одновременно несколько нарушений (например, легочной вентиляции и функции почек), то картина существенно сложнее

Классификация и диагностика нарушений кислотно-щелочного равновесия

Классификация по происхождению

Нарушения кислотно-щелочного равновесия (ацидоз и алкалоз) могут быть вызваны:

нарушениями метаболизма;

нарушениями функции ЖКТ или поступлением в ЖКТ больших количеств кислых или щелочных соединений;

нарушениями дыхания;

нарушениями функции почек.

Лабораторная диагностика нарушений кислотно-щелочного равновесия (см. ниже) основана на определении соотношения между кислыми и щелочными компонентами буферных систем: 1) CO2; 2) бикарбоната и других буферных анионов. В связи с этим все нарушения кислотно-щелочного равновесия разделяют на:

респираторные (газовые, дыхательные), связанные с нарушениями выделения легкими CO2;

нереспираторные (негазовые). В клинике последние неточно называют метаболическими. Важно помнить, что так называемые метаболические нарушения (например, метаболический ацидоз) могут быть обусловлены не только расстройствами собственно метаболизма, но и поражениями почек, ЖКТ, отравлениями кислыми либо щелочными соединениями.

Классификация по степени тяжести

Как говорилось в начале раздела, об ацидозе или алкалозе говорят не только при явных сдвигах pH, но также при таких изменениях в системах регуляции кислотно-щелочного равновесия, при которых эти сдвиги могут наступить. Таким образом, выделяют:

компенсированные нарушения кислотно-щелочного равновесия (ацидоз или алкалоз), при которых pH остается в пределах нормы, но имеются изменения в составе буферных систем;

некомпенсированные нарушения кислотно-щелочного равновесия, при которых значения pH выходят за пределы нормы.

Выше (разд. «Поддержание pH в норме и при патологии») мы выяснили, что при нарушении деятельности одной из выделительных систем (легких или почек) наступают компенсаторные изменения в деятельности второй системы. Эти изменения направлены на то, чтобы поддержать соотношение между концентрациями компонентов бикарбонатного буфера; если это соотношение остается постоянным, то не меняется и pH (а также состояние прочих буферных систем).

Таким образом, главные отличия компенсированных нарушений кислотно-щелочного равновесия от некомпенсированных следующие.

При компенсированных нарушениях:

pH в пределах нормы;

абсолютные значения концентраций CO2 и HCO3- изменены однонаправленно (оба увеличены или уменьшены) и в одинаковой степени;

соотношение концентраций CO2 и HCO3- в пределах нормы.

При некомпенсированных нарушениях:

pH выходит за пределы нормы;

абсолютные значения концентраций CO2 и HCO3- изменены в разной степени;

соотношение концентраций CO2 и HCO3- изменено.

Показатели и диагностика

При диагностике нарушений кислотно-щелочного равновесия надо ответить на три вопроса:

имеется ли ацидоз либо алкалоз;

компенсированный или некомпенсированный;

респираторный или нереспираторный («метаболический»).

Для ответа на эти вопросы надо определить следующие показатели (разумеется, в артериальной крови):

pH;

содержание CO2, по которому судят о респираторных нарушениях либо дыхательной компенсации метаболических (или почечных) нарушений. В качестве показателя содержания CO2 используют его парциальное давление в артериальной крови (гл. 10) -- paCO2;

содержание буферных анионов (главным из которых является бикарбонат), по которому судят о метаболических (включая почечные) нарушениях либо почечной компенсации респираторных нарушений.

В качестве показателей содержания буферных анионов используют:

SB (Standart Bicarbonate, стандартный бикарбонат) -- концентрация бикарбоната в плазме;

BB (Buffer Bases, буферные основания) -- концентрация буферных анионов (в основном бикарбоната и белков) в плазме;

BE (Base Excess, избыток оснований) -- отклонение содержания буферных оснований от нормы.

Показатели BB и BE полностью дублируют друг друга; проще использовать BE, так как не надо запоминать его нормальное значение (в норме, разумеется, избыток оснований равен нулю).

Показатели SB и BE по диагностическому значению сходны (хотя не полностью взаимозаменяемы): оба отражают содержание буферных оснований, и их отклонение позволяет судить о метаболическом ацидозе или алкалозе либо почечной компенсации дыхательных нарушений.

Нормальные значения показателей кислотно-щелочного равновесия и их отклонения при некоторых нарушениях приведены в табл. 9.2. Рассмотрим на примере этой таблицы принципы диагностики нарушений кислотно-щелочного равновесия. Во второй строке таблицы мы видим, что pH в норме, однако изменены все показатели состояния буферных систем. При этом повышены все значения -- paCO2,BE и SB. Следовательно, в крови увеличено содержание и кислых, и щелочных соединений, однако видно, что преобладает повышение paCO2. Таким образом, можно предположить (окончательный диагноз ставится с помощью номограмм, на которые нанесены значения показателей кислотно-щелочного равновесия), что мы имеем дело с компенсированным дыхательным ацидозом; первичным является повышение paCO2 (например, из-за нарушения легочной вентиляции), а повышение BE и SB -- результат компенсаторной задержки почками бикарбоната. В третьей строке таблицы также повышены paCO2,BE и SB, однако pH явно больше нормы; следовательно, речь идет о некомпенсированном метаболическом алкалозе -- первичным является повышение BE и SB (например, из-за длительной рвоты кислым желудочным содержимым, при которой в крови накапливается бикарбонат), а повышение paCO2 -- результат компенсаторной задержки легкими CO2 (путем снижения легочной вентиляции).

Водно-осмотическое равновесие

Водные пространства организма

Вся жидкость, содержащаяся в организме, распределена между несколькими так называемыми водными пространствами:

внутриклеточным;

внеклеточным, подразделяющимся на:

тканевое;

внутрисосудистое.

Понятие о водных пространствах организма имеет важное клиническое значение. Так, увеличение внутрисосудистого пространства чревато артериальной гипертонией, а снижение -- сердечно-сосудистой недостаточностью вплоть до шока (гл. 14); увеличение тканевого пространства приводит к тканевым отекам, а внутриклеточного -- к набуханию клеток вплоть, например, до вклинения головного мозга в области большого затылочного отверстия.

Внеклеточное и внутриклеточное пространства разграничены клеточными мембранами, а внутрисосудистое и тканевое -- стенками капилляров. Таким образом, объем всех этих пространств зависит как от общего количества воды в организме, так и от транспорта через мембраны и капилляры.

Переход воды через клеточные мембраны, а следовательно, объем внутриклеточного пространства зависит от осмотического давления крови.

Физиологическое значение и показатели осмотического состояния крови

кровь кислотный осмотический свёртывание

Осмос и его физиологическое значение

Предположим, что некий сосуд разделен на две части избирательно проницаемой мембраной (рис. 9.4). В левый отсек (1) налита вода, в правый (2) -- раствор некоего вещества (рис. 9.4, А). Очевидно, что, если мембрана будет проницаема для данного вещества, то оно пойдет путем диффузии в отсек 1 по своему концентрационному градиенту. Но если мембрана будет проницаема только для воды, то, напротив, вода пойдет в отсек 2 по своему «концентрационному градиенту» -- «концентрация» воды в отсеке 1 больше, чем в отсеке 2. При этом объем раствора в отсеке 1 будет снижаться, в отсеке 2 -- повышаться (рис. 9.4, Б). Такой переход воды из раствора с меньшей концентрацией растворенных веществ в раствор с большей концентрацией называется осмосом.

Представим себе теперь, что мы закрыли отсек 2 поршнем и прикладываем к этому поршню такое давление, при котором переход воды прекратится (объемы отсеков меняться не будут). В этом случае давление, действующее на поршень, будет равно тому давлению, с которым раствор в отсеке 2 притягивает воду, то есть осмотическому давлению (рис. 9.4, В).

Осмотическое давление (в идеальном случае) не зависит от природы частиц, но зависит только от их числа в единице объема раствора. Иными словами, 100 мелких ионов Na+ создадут такое же осмотическое давление, как 100 крупных молекул глюкозы.

В случае живых клеток и внутриклеточная, и внеклеточная жидкость представляют собой растворы, в которых большинство частиц -- это ионы (во внеклеточной жидкости -- в основном Na+ и Cl- , во внутриклеточной -- K+ и Cl-). Мембраны клеток гораздо более проницаемы для воды, чем для ионов. В связи с этим, например, при повышении внеклеточной концентрации ионов (осмотического давления внеклеточной жидкости) вода будет выходить из клеток, а при снижении -- входить. Однако если некое вещество легко проходит через мембраны, то при повышении его внеклеточной концентрации не вода будет выходить из клеток, а это вещество будет в них входить. Следовательно, эффективное осмотическое давление создают только непроникающие (или плохо проникающие) через клеточные мембраны вещества (см. ниже, разд. «Тоничность»).

Таким образом, значение осмоса и осмотического давления для организма заключается в том, что от осмотического давления зависит переход воды через клеточные мембраны, то есть -- объем клеток.



Показатели осмотического состояния крови

Для характеристики осмотического состояния крови используют четыре показателя:

1. Осмотическое давление.

2. Осмолярность.

3. Осмоляльность.

4. Тоничность.

Осмотическое давление

Сущность этого показателя рассмотрена выше. Как уже говорилось, осмотическое давление зависит только от числа частиц в единице объема раствора. Отсюда понятно, почему мелкие молекулы иногда называют «осмотически активными» -- в 100 г NaCl, например, содержится на несколько порядков больше частиц, чем в 100 г белка.

Осмотическое давление измеряется, разумеется, в единицах давления, например в атмосферах (атм) или миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Подавляющая часть осмотического давления крови создается главным ее электролитом -- NaCl. Осмотическое давление крови составляет около 7,2 атм (то есть 7,2 ґ 760 » 5500 мм рт. ст.).

Осмолярность

Поскольку осмотическое давление прямо пропорционально количеству частиц в единице раствора, то это количество обычно и используют как более удобный показатель. Оно называется осмолярностью и измеряется в осмолях на литр. 1 осмоль = 1 моль недиссоциирующего вещества. Иными словами, 1 моль глюкозы (180 г) даст в растворе 1 осмоль. Поскольку один моль любого вещества содержит одинаковое количество молекул, осмолярность отражает количество молекул в 1 л раствора. Однако для диссоциирующих веществ картина иная: так, каждая молекула NaCl в растворе даст две частицы, и поэтому 1 моль (57,5 г) NaCl даст 2 осмоля. Осмолярность прямо пропорциональна осмотическому давлению: 1 мосмоль/л создает осмотическое давление, равное 19,3 мм рт. ст. Таким образом:

Pосм = Осм ґ 19,3,(11)

где Осм -- осмолярность, мосмоль/л; Pосм -- осмотическое давление, мм рт. ст.

Нетрудно подсчитать, что при осмотическом давлении в 5500 мм рт. ст. осмолярность крови будет равна около 285 мосмоль/л.

Осмоляльность

Этот показатель часто используют вместо осмолярности. Он измеряется в осмолях на 1 кг растворителя (а не на 1 л раствора). Осмолярность и осмоляльность крови близки.

Тоничность

В отличие от остальных, это не количественный и не столько физический, сколько биологический показатель. Он характеризует поведение данной клетки в данном растворе. Так, эритроцит сморщивается в растворе NaCl с осмолярностью 400 мосмоль/л, но может не менять свой объем в аналогичном растворе другого вещества (например, мочевины), легко проходящего через его мембрану (см. выше, разд. «Осмос и его физиологическое значение»). Раствор, в котором клетка не меняет свой объем, называют изотоническим. Таким образом, выделяют изотонические, гипотонические и гипертонические растворы. В норме для практических целей можно считать, что любые растворы, изоосмолярные крови (с такой же осмолярностью), являются изотоническими, но бывают и важные исключения (например, раствор мочевины, которая легко проникает через клеточные мембраны и потому не создает эффективного осмотического давления).

Осмотическое давление и объем внутриклеточного пространства

Главное вещество, создающее осмотическое давление внеклеточной жидкости, -- NaCl:

это главный электролит внеклеточной жидкости, то есть его концентрация во внеклеточной жидкости (в том числе -- в плазме) высока;

это мелкая молекула, вдобавок диссоциирующая на две частицы (Na+ и Cl-); следовательно, в пересчете на единицу массы NaCl создает высокое осмотическое давление;

это вещество не проникает через клеточные мембраны и поэтому создает эффективное осмотическое давление (см. выше, разд. «Тоничность»).

Как уже говорилось, от осмотического давления внеклеточной жидкости зависит транспорт воды через клеточные мембраны, то есть объем внутриклеточного пространства:

при гиперосмолярности крови вода выходит из клеток, и они сморщиваются -- объем внутриклеточного пространства снижается;

при гипоосмолярности крови вода входит в клетки, и они набухают -- объем внутриклеточного пространства увеличивается.

Очень важно, таким образом, что объем внутриклеточного пространства зависит только от осмолярности внеклеточной жидкости, но не от ее общего количества.

Рассмотрим два примера.

Человек выпивает очень много пресной воды (например, при интенсивной нагрузке, высокой окружающей температуре). В результате у него повышается общий объем жидкости (гипергидратация), но падает осмолярность внеклеточной жидкости (гипоосмолярная, или гипотоническая, гипергидратация). Следовательно, клетки будут набухать (увеличится объем внутриклеточного пространства), что приведет к нарушениям клеточных функций. При дальнейшем увеличении объема клеток разовьется неврологическая симптоматика, так как головной мозг, будучи расположенным в жесткой черепной коробке, не может сколько-нибудь существенно увеличить свой объем -- это так называемое водное отравление.

Человек выпивает очень много морской воды (например, потерпевший кораблекрушение). При этом повысится как общий объем жидкости (гипергидратация), так и осмолярность внеклеточной жидкости (гиперосмолярная, или гипертоническая, гипергидратация). В результате клетки будут сморщиваться (объем внутриклеточного пространства снизится), хотя организм будет «переполнен» водой (гипергидратирован).

Таким образом, нарушения водно-осмотического равновесия могут проявляться:

гипогидратацией или гипергидратацией (нарушения общего объема жидкости);

гипоосмолярностью или гиперосмолярностью (нарушения осмотического давления).

Поддержание водно-осмотического равновесия

Соотношение между водным и осмотическим равновесием

Регуляция водно-осмотического равновесия, как видно из самого этого термина, имеет две стороны:

регуляция водного равновесия, то есть общего объема жидкости;

регуляция осмотического равновесия, то есть осмотического давления внеклеточной жидкости.

Эти две стороны тесно связаны, но все же раздельны, и иногда даже возможен конфликт между регуляцией объема жидкости и ее осмотического давления. В таких случаях:

в обычных условиях приоритет отдается поддержанию осмотического давления.

Все мы знаем, что если съесть очень много соленого, то возникает сильная жажда. Это и есть пример того, как организм жертвует поддержанием общего объема жидкости ради поддержания осмотического давления: когда мы запиваем соленую пищу большим количеством воды, объем жидкости в организме возрастает, но осмолярность остается постоянной;

при резком уменьшении объема жидкости, когда возникает угроза опасного для жизни нарушения кровообращения, приоритет отдается поддержанию объема жидкости.

Яркий пример -- резкая жажда, возникающая при кровопотере. Именно поэтому раненые постоянно просят пить: прием большого количества воды приводит к нормализации объема жидкости и, тем самым, крови, однако ценой ее гипоосмолярности. Поэтому в таких случаях лучше назначать солевые растворы.

Поддержание осмотического давления крови достигается в основном за счет регуляции потребления и выведения воды (а не NaCl или иных осмотически активных веществ).

За поддержание осмотического давления, как и многих других констант внутренней среды (см. выше, разд. «Внутренняя среда»), отвечает гипоталамус. Гипоталамическая система поддержания осмотического давления устроена по общему принципу организации гипоталамических систем поддержания констант внутренней среды.

Основные входы этой системы:

центральный вход -- пути от вышележащих центров;

сенсорные входы:

осморецепторы, расположенные в самом гипоталамусе; воспринимают осмотическое давление плазмы;

волюморецепторы и барорецепторы. Волюморецепторы, расположенные в предсердиях и полых венах, воспринимают центральное венозное давление и тем самым (косвенно) объем крови; барорецепторы, расположенные в крупных артериях, воспринимают артериальное давление.

Основные выходы:

центр жажды, запускающий питьевое поведение и тем самым регулирующий потребление воды;

АДГ -- гормон, вырабатываемый нейронами гипоталамуса и хранящийся в их окончаниях в нейрогипофизе. Под действием этого гормона уменьшается выведение воды почками.

Центр жажды и секреция АДГ стимулируются:

активацией осморецепторов;

уменьшениемактивации волюмо- и барорецепторов.

Благодаря этому гипоталамическая система поддержания осмотического давления функционирует по принципу отрицательной обратной связи:

при повышении осмотического давления крови стимулируются рецепторы гипоталамуса, и в результате 1) активируется центр жажды и повышается потребление воды; 2) увеличивается выработка АДГ и снижается выведение воды. И то и другое приводит к снижению осмотического давления;

при снижении объема крови и артериального давления уменьшение активации волюмо- и барорецепторов приводит к тем же реакциям. В результате в организме задерживается вода и восстанавливается объем крови. Однако при этом нормализация объема крови достигается за счет ее гипоосмолярности, поэтому этот механизм работает только в экстренных условиях (см. ниже).

Секреция АДГ и центр жажды гораздо чувствительнее к сигналам от осморецепторов, чем от волюмо- и барорецепторов. Поэтому:

в норме гипоталамическая система чувствительна только к изменениям осмотического давления крови и регулирует только его;

лишь при угрожающем падении объема крови снижение импульсации от волюмо- и барорецепторов активирует центр жажды и секрецию АДГ. Это тот самый экстренный случай, когда приоритет отдается поддержанию объема внеклеточной жидкости, а не ее осмотического давления.

Поддержание объема крови

Выше мы убедились в том, что гипоталамическая система поддерживает объем крови только в экстренных случаях -- при угрожающем жизни снижении этого объема. В обычных же условиях объем крови поддерживается другими механизмами, причем все эти механизмы изменяют общий объем выводимой почками мочи (диурез), мало влияя на ее осмолярность.

Прессорный диурез

При повышении артериального давления (признак повышенного объема крови) почки автоматически увеличивают выделение мочи; это так называемый прессорный диурез. При этом общий объем жидкости в организме уменьшается, но ее осмотическое давление не меняется. При снижении артериального давления, напротив, диурез уменьшается. Это важнейший механизм поддержания среднего артериального давления.

Ренин-ангиотензиновая система

При снижении артериального давления в почках вырабатывается фермент ренин, вызывающий (через ряд промежуточных этапов) образование гормона ангиотензина II. Этот гормон обладает несколькими эффектами, в том числе вызывает уменьшение диуреза; в этом отношении ренин-ангиотензиновая система действует как усилитель прессорного диуреза.

Альдостерон

Это минералокортикоид, выделяемый корковым веществом надпочечников -- в том числе под действием вышеупомянутого ангиотензина II. Под влиянием альдостерона уменьшается выделение почками натрия и воды; общий объем жидкости в организме под действием альдостерона увеличивается, но ее осмотическое давление меняется мало.

Предсердный натрийуретический гормон

Этот гормон выделяется предсердиями в ответ на их растяжение (признак повышенного объема крови) и вызывает усиленное выделение почками натрия и воды; в результате общий объем жидкости в организме снижается, но ее осмотическое давление меняется мало. В норме физиологическая роль предсердного натрийуретического гормона, видимо, невелика по сравнению с другими системами регуляции водно-осмотического равновесия.

Обмен жидкости в капиллярах

Рассмотрим теперь обмен жидкостью между двумя частями внеклеточного пространства -- внутрисосудистым и тканевым. Эти два пространства разделены стенкой капилляра, и поэтому соотношение между их объемами зависит от перехода воды через эту стенку. Этот переход идет по иному механизму и под действием иных сил, чем транспорт через клеточные мембраны, что обусловлено большими размерами пор капиллярной стенки.

Фильтрационно-реабсорбционное равновесие

Гидростатическое давление в капилляре (давление крови, создаваемое за счет работы сердца). Под действием этого давления жидкость «выдавливается» (фильтруется) из капилляра через поры; таким образом, оно направлено из капилляра в ткани.

Онкотическое давление в капилляре. Это та часть осмотического давления плазмы, которая приходится на долю белков. По сравнению с общим осмотическим давлением она очень невелика -- всего 28 мм рт. ст. (напомним, что общее осмотическое давление составляет около 5500 мм рт. ст.). Однако у онкотического давления есть две особенности, благодаря которым оно играет ключевую роль в переходе жидкости через стенку капилляра:

белки не могут проходить через поры капилляра, и поэтому общее осмотическое давление в крови на 28 мм рт. ст. выше, чем в тканях (то есть в крови 5500 мм рт. ст., а в тканях -- 5500 - 28 мм рт. ст.);

онкотическое давление мало по сравнению с общим осмотическим давлением, но вполне сопоставимо с гидростатическим давлением (см. ниже).

Поскольку онкотическое давление в крови выше, чем в тканях, оно удерживает воду в капилляре и, таким образом, направлено из ткани в капилляр.

На самом деле на транспорт воды действуют также гидростатическое давление и онкотическое давление в тканях, но в норме они малы по сравнению с соответствующими давлениями в капилляре и потому для простоты здесь не рассматриваются. Однако в некоторых органах и в некоторых ситуациях они могут быть довольно важны.

В области артериального конца капилляра гидростатическое давление составляет около 30--40 мм рт. ст., то есть превышает онкотическое. Следовательно, результирующая движущая сила направлена наружу, и жидкость выходит из капилляра. Этот процесс называется фильтрацией.

По мере прохождения крови по капилляру гидростатическое давление падает, и в области венозного конца составляет около 10 мм рт. ст., то есть становится меньше онкотического (последнее не меняется, так как белки в ткани не выходят). Следовательно, результирующая движущая сила направлена внутрь, и жидкость входит в капилляр. Этот процесс называется реабсорбцией.

Путем реабсорбции в области венозных концов капилляров всасывается лишь 90% отфильтровавшейся жидкости. Остальные 10% (за сутки во всех капиллярах это составляет около 2 л) возвращаются в кровь через лимфатические сосуды.

Это равновесие между фильтрацией и реабсорбцией в капилляре называется фильтрационно-реабсорбционным равновесием.

Нарушения фильтрационно-реабсорбционного равновесия

Любые факторы, нарушающие фильтрационно-реабсорбционное равновесие, приводят к изменению соотношения тканевого и внутрисосудистого пространств. Типичным примером служат тканевые отеки -- результат смещения фильтрационно-реабсорбционного равновесия в сторону фильтрации. Они могут быть обусловлены:

повышением гидростатического давления в капиллярах -- например, при застое крови в венах (заболевания сердца, варикозное расширение вен и пр.). Это так называемые застойные отеки;

снижением онкотического давления крови -- при уменьшении количества в крови белка, например при голодании («голодные отеки») или усиленном выведении белка (некоторые болезни почек). Это гипопротеинемические отеки;

повышением онкотического давления в тканях -- при повышении проницаемости стенки капилляра и выходе белков в ткани, например при воспалении, ожогах и пр. (воспалительные отеки);

затруднением оттока лимфы (лимфатические отеки).

Электролитный состав

К важнейшим электролитам крови относятся Na+, Cl-, K+, HCO3-, и Ca2+. Содержание Na+ и Cl- определяет осмолярность крови, а HCO3- -- ее pH; регуляцию этих показателей мы рассмотрели выше. Здесь мы остановимся на физиологической роли K+ и Ca2+ и поддержании постоянства их концентрации в крови.

Калий

Физиологическая роль и обмен калия

Калий играет основную роль в создании потенциала покоя и в фазе реполяризации ПД. Поэтому малейшие изменения концентрации калия в крови чреваты тяжелыми нарушениями функции возбудимых клеток (в частности, сердца).

Калий -- на 95% внутриклеточный катион, и поэтому:

с одной стороны, умеренные изменения его содержания в организме могут не сказаться на его концентрации в крови (например, при снижении концентрации калия в крови этот ион в определенных пределах выходит из клеток, и его концентрация восстанавливается);

с другой стороны, при каждом приеме пищи, особенно животного происхождения, в кровь из разрушаемых клеток пищевых продуктов поступает очень большое количество калия (примерно такое же, как во всей внеклеточной жидкости).

Поддержание постоянства концентрации калия в крови

Здесь мы выделим лишь основные принципы поддержания постоянства концентрации калия в крови.

Для поддержания постоянства концентрации калия в крови необходимо, чтобы его поступление соответствовало его выведению.

Концентрация калия регулируется только путем изменений выведения почками.

Гормоном, отвечающим за поддержание постоянства калия в крови, является альдостерон -- минералокортикоид коркового вещества надпочечников. Он выделяется, в частности, в ответ на гиперкалиемию и увеличивает выделение калия почками (по механизму отрицательной обратной связи).

Кальций

Физиологическая роль кальция

Эта роль определяется химическими свойствами кальция: он представляет собой двухвалентный катион, способный:

обратимо связываться с белками;

образовывать нерастворимые соли.

Благодаря способности связываться с белками кальций является важнейшим регулятором множества физиологических функций, в том числе:

является одним из вторых посредников в системах внутриклеточной передачи сигнала;

снижает нервно-мышечную возбудимость;

запускает мышечное сокращение;

обеспечивает выделение медиаторов из пресинаптических окончаний;

участвует в свертывании крови.

Благодаря способности образовывать нерастворимые соли кальций обеспечивает прочность костей.

Обмен кальция

В обмене кальция участвуют три основных органа:

ЖКТ, являющийся источником кальция (из пищи);

почки, обеспечивающие удаление кальция;

кости, служащие депо кальция.

Соответственно, концентрация кальция в крови определяется соотношением:

поступления из ЖКТ;

выведения с мочой;

депонирования и выхода из депо -- костной ткани.

Для обмена кальция важны следующие особенности.

Обмен кальция тесно связан с обменом фосфата, так как:

часть кальция в крови связана с фосфатом, образуя плохо диссоциирующую соль, между тем физиологические функции выполняет только свободный кальций;

основным веществом костей, придающим им твердость, также являются нерастворимые фосфатные соли кальция (см. ниже).

Таким образом, чем выше концентрация фосфата, тем больше образуется недиссоциирующих солей кальция (в крови и костях) и тем ниже концентрация свободного кальция.

Костная ткань играет в обмене кальция двоякую роль:

с одной стороны, она служит депо кальция, необходимого для организма;

с другой стороны, кальций необходим ей самой, так как является ее минеральной основой.

Следовательно, при нехватке в организме кальция возникает «конфликт интересов»:

с одной стороны, нужно мобилизовать кальций из костей для поддержания его концентрации в крови;

с другой стороны, нужно сохранять кальций в костях для поддержания их прочности.

Этот конфликт всегда решается в пользу концентрации кальция в крови: она поддерживается на постоянном уровне даже за счет выхода кальция из костей и их размягчения.

Метаболизм костной ткани

Межклеточное вещество костей состоит из:

органического матрикса (на 90% -- коллагена);

минерального вещества, образованного фосфатами кальция (в основном -- гидроксиапатитом).

Кристаллы гидроксиапатита откладываются между нитями коллагена, придавая кости твердость.

Костная ткань постоянно обновляется благодаря двум противоположным процессам:

резорбции (рассасыванию) кости, обусловленной деятельностью остеокластов -- клеток, разрушающих межклеточное вещество;

остеогенезу (формированию новой костной ткани), обусловленному деятельностью остеобластов -- клеток, синтезирующих элементы органического матрикса; в новообразованном органическом матриксе откладываются кристаллы гидроксиапатита.

У ребенка (и при регенерации костей) остеогенез преобладает над резорбцией. У здорового взрослого эти два процесса находятся в равновесии. При нехватке кальция резорбция костей преобладает над остеогенезом, обеспечивая выход кальция в кровь.

Поддержание постоянства концентрации кальция в крови

Главная задача регуляции обмена кальция -- поддержание постоянства его концентрации в крови. Эта задача достигается путем регуляции четырех процессов:

всасывания кальция в ЖКТ;

выведения кальция почками;

мобилизации кальция из костей;

выведения фосфата почками (от концентрации фосфата зависит содержание в крови свободного кальция, см. выше).

Концентрация кальция в крови регулируется двумя гормонами:

гормоном паращитовидных желез ПТГ;

кальцитриолом (гормоном, представляющим собой активную форму витамина D).

Кроме того, в регуляции обмена кальция и метаболизма костной ткани участвует гормон щитовидной железы кальцитонин, однако у человека даже крайние колебания содержания этого гормона не влияют на концентрацию кальция в крови.

ПТГ

ПТГ (паратиреоидный гормон) представляет собой пептидный гормон, секретируемый паращитовидными железами.

ПТГ повышает уровень кальция в крови всеми существующими способами:

усиливает резорбцию костей;

уменьшает экскрецию кальция почками;

увеличивает экскрецию фосфата почками;

увеличивает синтез кальцитриола и, как следствие, всасывание кальция в ЖКТ (см. ниже).

Главным стимулятором секреции ПТГ является гипокальциемия. Таким образом, ПТГ, как и другие гормоны, отвечающие за поддержание констант внутренней среды, действует по механизму отрицательной обратной связи: снижение содержания кальция в крови увеличивает секрецию ПТГ, который повышает содержание кальция в крови.

Кальцитриол

Это стероидный гормон, представляющий собой активную форму витамина D.

Кальцитриол образуется в организме в три этапа:

в коже под действием ультрафиолетового излучения образуется холекальциферол. Кроме того, холекальциферол и его аналоги могут поступать с пищей в виде витамина D;

в печени из холекальциферола образуется кальцидиол;

в почках из кальцидиола образуется кальцитриол.

Главный механизм действия кальцитриола -- повышение всасывания кальция в ЖКТ.

Главным стимулятором выработки кальцитриола в почках является ПТГ.

Кальцитонин

Кальцитонин -- пептидный гормон, секретируемый щитовидной железой.

Кальцитонин усиливает резорбцию костей.

Главным стимулятором секреции кальцитонина является гиперкальциемия.

...