1. Доля воды в организме
2. Жидкость во внутриклеточном и межклеточном пространствах
3. Количественная оценка заполняемых жидкостью пространств и пула электролитов
4. Перемещение жидкости между компартментами
5. Состав жидкости в различных компартментах
6. Определение состава плазмы крови
7. Осмолярность, осмоляльность и онкотическое давления
8. Мозг, кости и трансцеллюлярная жидкость
9. Резюме
10. Список использованной литературы

а) Доля воды в организме. Вода составляет не менее половины веса нашего тела; конкретные значения зависят от возраста, пола и т.д.

Вода составляет от половины до трех четвертей веса нашего тела. Относительная доля воды в теле зависит от ряда факторов:

- Доля воды изменяется при старении (рис. 1). Ее уменьшение (главным образом, в межклеточном пространстве) с возрастом является преимущественно следствием деградации мышечной ткани, в которой содержится много воды.

- Доля воды зависит от половой принадлежности и различий в конституции тела. Жировая ткань содержит крайне мало воды — всего лишь около 20%. Поэтому доля воды в массе тела у полных людей меньше, чем у худых. У женщин доля воды меньше, чем у мужчин, так как в женском организме процент жировой массы выше.

б) Жидкость во внутриклеточном и межклеточном пространствах. Вода в теле распределена между объемами жидкости, заполняющей межклеточное и внутриклеточное пространства, отграниченными друг от друга.

1. Межклеточное пространство. В многоклеточном организме с внешней средой непосредственно контактируют уже не все клетки. Вместо этого формируется «внутренняя среда», изначально в эволюции напоминавшая внешнюю среду, или межклеточное пространство.

Наибольшую часть внеклеточного пространства занимает интерстициальное пространство (рис. 2). Это фактическое пространство между клетками. Интерстициальное пространство является не простым скоплением жидкости, иначе ноги после вставания едва влезали бы в обувь. Сила тяжести действительно вызывает провисание жидкости.

Интерстициальное пространство больше похоже на гель. Плотная сеть, состоящая из коллагенов и протеогликанов, пронизывает интерстициальное пространство, оставляя пустыми только крошечные его части.

Эти пропуски заполнены межклеточной жидкостью. Интерстициальное пространство может быть жидким, как в лимфе, или студенистым, как в пуповине, а также твердым, как в хряще.

2. Плазма и трансцеллюлярное пространство. Определенные участки межклеточного пространства относятся к плазме и трансцеллюлярному пространству. Пространство плазмы отделено от интерстициального пространства слоем эндотелиальных клеток. В свою очередь, трансцеллюлярное пространство отделено от интерстициального пространства близлежащим слоем эпителиальных клеток.

Трансцеллюлярная жидкость находится в плевральной, брюшной и перикардиальной полостях. К ней также относятся пространство ликвора, камеры глаз и просветы мочеполового тракта, желудочно-кишечного тракта и желез.

3. Внутриклеточное пространство. Самый большой компартмент, на который приходится от 30 до 40% от веса тела, — это внутриклеточное пространство, т. е. совокупность объемов отдельных клеток (рис. 2). Приблизительно половину объема внутриклеточного пространства составляет цитозоль, кроме того, клетка включает в себя множество отделенных от цитозоля органелл, таких как митохондрии, лизосомы, эндосомы и ядра клеток.

в) Количественная оценка заполняемых жидкостью пространств и пула электролитов. Точные количества различных индикаторных веществ можно использовать для определения количественных характеристик занимаемых жидкостью пространств.

1. Принцип разведения. Концентрация любого вещества (с) определяется как отношение его количества (М) к объему (V):

с = М/V (1)

P.S. Пример: мы добавляем в кофе чайную ложку с 1 г сахара, перемешиваем, а затем доводим концентрацию сахара до 0,5 г/л. Объем кофе станет равным 2 л (1 г/0,5 г/л = = 2 л). По этому же принципу обсчитываются занимаемые жидкостью пространства в теле. Мы вводим известное количество индикаторного вещества (M) в пространство, объем (V) которого нужно определить, и после того как оно равномерно распределится по объему, достигнув должной концентрации (с), вычисляем по ней данный объем (V = M/c).

2. Определение общего содержания воды в организме. Для того чтобы определить общее содержание воды в организме, чаще всего используется антипирин, однако могут быть использованы также тяжелая вода с дейтерием (D₂O) или тритием или вода, меченная изотопом O¹⁸. Эти молекулы, как и антипирин, достигают всех заполненных жидкостью частей тела.

3. Определение объема межклеточного пространства. Наиболее часто для определения объема межклеточного пространства используется какой-либо инертный сахар, такой как инулин, хотя в этой роли может выступать и радиоактивный бромид натрия. Все эти индикаторы частично попадают во внутриклеточное пространство, и ни один из них не достигает объема всего межклеточного пространства за разумный промежуток времени. Оценка объема межклеточного пространства становится поэтому неточной.

4. Подсчет объемов крови и плазмы. Объем плазмы определяется раствором Эванса синего. Этот индикатор удерживается почти исключительно в плазматическом пространстве, что обусловлено образованием связей с белками плазмы. В ядер-ной медицине в качестве индикаторных веществ используются также радиоактивно меченые белки, например радиоактивно меченный альбумин.

Объем крови может быть определен меченными с помощью Cr⁵¹ эритроцитами. Если какой-либо объем крови или плазмы известен, может быть получено значение сопряженного с ним объема: клетки крови могут быть выделены из плазмы путем центрифугирования (гематокрит).

Разделение получается неполным, поскольку почти 10% плазмы остаются захваченными в красной колонке клеток. Между объемом плазмы (V_P), объемом крови (V_B) и гематокритом (Hkt, в %), существует следующее соотношение:

V_P = V_B(1 - Hkt) (2)

Принимая во внимание неполное разделение в результате центрифугирования обычными методами, соотношение можно преобразовать в модифицированный вид:

V_P = V(0,913 - Hkt) (3)

5. Расчет объемов интерстициального и внутриклеточного пространств. Объемы этих двух компартментов не могут быть вычислены непосредственно, что может быть компенсировано следующими приемами:

- Объем интерстициального пространства рассчитывается из разности ранее определенных объемов межклеточного и плазматического пространств. Трансцеллюлярная жидкость не принимается при расчете во внимание.

- Внутриклеточный объем рассчитывается из разности общего содержания воды в организме и определенного объема межклеточного пространства.

P.S. Поправка на утечку индикатора. Имеющееся индикаторное вещество зачастую не остается в компартменте, объем которого необходимо рассчитать, а постепенно просачивается в другие занимаемые жидкостью пространства. До завершения его равномерного распределения по рассматриваемому объему индикатор частично покидает этот объем или даже полностью устраняется оттуда в некоторых случаях.

В такой ситуации стоит провести несколько смещенных по времени измерений, до тех пор пока правильное значение объема сможет быть наконец оценено. Установив показатель логарифмической зависимости измеренных концентраций от времени, возможно экстраполировать значения концентрации индикатора в тот момент времени, в который полное перемешивание всего его введенного количества было бы достигнуто.

6. Определение пула электролитов. Добавляя соответствующий радиоактивный электролит, можно определить количество данных электролитов в организме. Метод подобен приему, использующему растворение индикатора в некотором объеме для его вычисления. Для оценки запасов Na⁺ в организме удобен изотоп ²²Na⁺. Размер запасов в организме Na⁺ (MNA) соответствует уравнению

M_Na = M_²²Na [Na⁺]/[²²Na⁺] (4)

Здесь M_²²Na — это количество вводимого ²²Na⁺, а [Na⁺] и [²²Na⁺] обозначают соответствующие концентрации в плазме. Использование этого метода, однако, приводит к некоторым неточностям: проникновение и распределение в мозге и костях требует большого количества времени, в течение которого наблюдаемое вещество частично выводится из организма.

г) Перемещение жидкости между компартментами. Активный обмен жидкостью обеспечивает баланс ее содержания в различных компартментах организма, без которого многие клеточные функции были бы нарушены.

1. Онкотическое давление и ионно-транспортные системы. Большие молекулы, такие как белки в клетках, сильно влияют на осмотический баланс в зависимости от своей концентрации. Эти белки создают онкотическое давление, затягивающее воду из интерстициального пространства в клетку. Такой всасывающий эффект еще более усугубляется находящимися в изобилии органическими веществами.

Для того чтобы предотвратить чрезмерное набухание и не лопнуть, каждая клетка человека имеет серию ионно-транспортных систем, примечательную тем, что в ней количественно преобладают Na⁺/К⁺-АТФазы. Эти ферменты выталкивают три иона Na⁺ из клетки в обмен на два попадающих в клетку иона K⁺.

Для того чтобы поддерживать такой насос в рабочем состоянии, значительная часть потребляемой нами ежедневно энергии расходуется на Na⁺/К⁺-ЛТФазы. Результатом отсутствия энергетической подпитки будет отказ механизма насоса, набухание и гибель клеток. Патологоанатомы, учитывая такую особенность, распознают пострадавшие от гипоксии клетки по их набуханию, в частности поврежденные клетки сердечной мускулатуры после инфаркта миокарда.

2. Поддержание оптимального объема. Первой реакцией клеток, направленной на противостояние изменению их объема, является задействие дополнительных механизмов транспорта электролитов:

- При увеличении объема клеток KCl, вносящий существенный вклад в осмотическое давление, направляется наружу в интерстициальное пространство. Это осуществляется по K⁺- и Cl^--каналам и по KCl-симтранспортерам (рис. 3). Пропорциональное ушедшему KCl количество воды вытекает через водные каналы.

- Если клетки сморщиваются, они усиливают активность Na⁺,K⁺,2Cl^--котранспортеров или ионных Na⁺/H⁺-обменников и Cl^-/HCO₃^- обменников, получая таким образом воду (рис. 3).

Недостатком регулирования объема клеток исключительно за счет ионов является то, что колебания во внутриклеточных концентрациях ионов влияют на стабильность и функционирование внутриклеточных белков. Кроме того, существующий электролитный дисбаланс неизбежно скажется на мембранном потенциале, а в мозге это допустимо лишь в узких пределах. Таким образом клетки используют для регулирования объема дополнительно органические осмолиты:

- при деградации белков образуются осмотически активные аминокислоты;

- после потребления глюкозы клетка может обеспечивать себя при помощи альдозоредуктаз сорбитолом, вносящим существенный вклад в осмотическое давление;

- при помощи сопряженных с Na⁺ транспортных процессов поглощаются инозитол, бетаин и таурин. Органические осмолиты особенно остро требуются в условиях избыточной осмолярности в мозговом веществе почек.

д) Состав жидкости в различных компартментах. Уникальный электролитный состав жидкости в компартментах является ключевым фактором для осуществления многих клеточных функций.

1. Концентрации электролитов во внутри- и межклеточном пространствах. Концентрации электролитов во внутри- и межклеточном пространствах значительно отличаются друг от друга. В клетках в ходе их жизнедеятельности накапливается множество органических веществ, таких как аминокислоты и субстраты гликолиза. В клетке, помимо того, находятся в высоких концентрациях отрицательно заряженные белки, которые с трудом проходят сквозь клеточную мембрану.

2. Распределение осмотически активных частиц. В результате работы Na⁺/K⁺-обменников концентрация Na⁺ вне клетки намного выше, чем внутри ее. В то же время в клетке обнаруживается существенно более высокая концентрация белков и K⁺ (табл. 2). В отличие от Na⁺, который в возбудимых клетках может диффундировать через клеточную мембрану фактически только при их деполяризации, ионам K⁺ значительно легче преодолеть этот барьер.

K⁺ может выходить обратно наружу, создавая мембранный потенциал, что, в свою очередь, влечет выход накопленного Cl^- из клетки. Внутриклеточная концентрация Cl^-, как следствие, составляет лишь малую долю от внеклеточной. Таковы основные причины возникновения значительных различий в концентрациях, которые представлены в табл. 2. Примечательно, что внутриклеточная концентрация Са²⁺ составляет только около 0,01% от внеклеточной его концентрации.

Открывание Са²⁺-каналов в клеточной мембране приводит, таким образом, к массовому притоку Са²⁺, что является важным аспектом в регулировании клеточных функций. Кроме того, протекание процессов метаболизма в клетке приводит к обогащению ее фосфатными соединениями и ионами Н⁺. В клетке концентрация Н⁺ выше (рН 7,1), чем в интерстициальном пространстве и плазме (рН 7,4).

е) Определение состава плазмы крови. Белки плазмы играют важную роль в капиллярной фильтрации и удержании некоторых электролитов в плазме.

1. Обмен между плазмой крови и интерстициальным пространством. Белки плазмы занимают небольшую часть ее объема (около 6%). Как уже было показано для межклеточного пространства в целом, эти белки вызывают онкотическое давление, удерживающее жидкость, в данном случае в просвете сосуда.

Разница в онкотическом давлении между капилляром и интерстициальным пространством, таким образом, противостоит разнице в гидростатическом давлении, так как гидростатическое давление выталкивает жидкость из капилляра наружу в интерстициальную ткань (фильтрация).

В общем случае, белки плазмы плохо способны преодолевать эндотелий. Поэтому интерстициальная концентрация белка ниже плазменной, и разница в онкотическом давлении не утрачивается.

2. Равновесие Гиббса-Доннана. Белки в плазме не только поддерживают ее объем, но и вызывают ионный дисбаланс. Отрицательный заряд белков создает отрицательный потенциал плазмы, катионы сохраняются в плазме, анионы направляются в интерстициальное пространство. В более бедной белками интерстициальной жидкости ниже оказывается и доля связанного с белками Ca²⁺, поэтому и общая концентрация Са²⁺ там соответственно ниже.

Стандартная концентрация белков плазмы создает потенциал немногим более -1 мВ, служащий притягивающей силой для катионов. В итоге концентрации К⁺ и Na⁺ в жидкости плазмы примерно на 5% выше, чем в интерстициальном пространстве, а концентрации Cl^- и HCO₃^- ниже приблизительно на такое же значение (равновесие Гиббса-Доннана).

е) Осмолярность, осмоляльность и онкотическое давления. Не все частицы плазмы осмотически активны, потому что какая-то их доля образует комплексы с плазменными белками; в зависимости от этого изменяется и онкотическое давление.

1. Осмотически активные частицы в плазме крови. Общая совокупность осмотически активных частиц представляет собой сумму всех анионов, катионов и неэлектролитов. Значение осмолярности поддерживается в очень узких пределах. Концентрация вещества в плазме составляет около 300 ммоль/л (табл. 1).

Тем не менее в действительности эффективная концентрация ниже, поскольку часть электролитов связывается с белками или находится в недиссоциированной форме. Таким образом, осмолярность приближается к значению, равному 270 мосм/л. Это еще не все, потому что в организме решающее значение имеет то, сколько осмотически активных частиц способно к свободной диффузии в водной составляющей плазмы. До 6% от объема плазмы принимают на себя белки плазмы; следует учесть при этом и наличие в плазме липидов.

Таким образом, осмолярность плазмы будет ниже, чем характерное значение осмоляльности плазмы. Этот параметр вычисляется на основе количества осмотически активных частиц на 1 кг H₂O. Физиологическая осмоляльность человеческой плазмы составляет примерно 290 мосм/кг Н₂О.

2. Локальные скачки давления в зависимости от позы. Гидростатическое давление весьма различно в разных местах организма. Соответственно в разных частях тела преобладают очень разные условия фильтрации. Представьте человека, стоящего на ногах: в этой позе капилляры в ногах испытывают чрезвычайно высокое кровяное давление в отличие от тех, что участвуют в кровобращении легких, и оказываются перегруженными.

Во всех частях тела равновесие фильтрации так или иначе достигается за счет изменения проницаемости капилляров для определенных белков. Поэтому в легочные капилляры проникает значительно больше белков плазмы, чем сквозь эндотелий в капилляры ног. Онкотическое давление в интерстициальном простанстве легких составляет лишь около 70% от соответствующего давления в капиллярах!

Этот небольшой пример дает ключ к пониманию важных клинических наблюдений: если пациенту проводят инфузию белков (для того чтобы компенсировать снижение уровня белков в плазме при циррозе печени или после голодания), после введения определеного количества белков все большее их число устремляется в интерстициальное пространство легких. Вслед за ними поступает вода, что создает угрозу для жизни в виде отека легких.

ж) Мозг, кости и трансцеллюлярная жидкость. Нейроны мозга сталкиваются только с незначительными колебаниями концентрации электролитов; желчные, поджелудочные и кишечные соки содержат много HCO₃^-, а пот богат NaCl; кости служат источником запасенных в них Ca²⁺ и Na⁺.

1. Омывающая мозг жидкость. В головном мозге эндотелиальные клетки при стимуляции астроцитов образуют барьер, трудно проницаемый для полярных частиц (гематоэнцефалический барьер). Таким образом обеспечивается то, что на нейроны не будут влиять краткосрочные изменения концентрации электролитов в плазме. Прежде всего колебания концентрации K⁺ будут иметь негативные последствия для возбудимости нервных клеток.

2. Кости. Весь запас Са²⁺ нашего организма практически целиком сосредоточен в костях (табл. 3). Именно минеральный компонент костей, придающий им прочность, состоит из фосфата кальция и карбоната кальция. Гормоны, такие как эстрогены, глюкокортикоиды, паратиреоидный гормон, кальцитонин и витамин D, регулируют метаболизм в костях и процессы минерализации. В состав кости в значительной степени может входить и Na⁺, откуда он способен, хоть и не быстро, направляться в другие части тела.

3. Трансцеллюлярная жидкость. Состав электролитов в трансцеллюлярной жидкости часто значительно отличается от интерстициального пространства. Желчные, поджелудочные и кишечные соки особенно богаты солями и бикарбонатом (HCO₃^-). Так, при диарее теряется большое количество не только воды, но и бикарбоната. Эта потеря может привести к ацидозу.

Потоотделение, напротив, связано с потерей NaCl. Несмотря на то что концентрация соли в поте не достигает и половины ее концентрации в плазме крови, при обильном потоотделении, тем не менее, теряется большое количество электролитов.

з) Резюме. Жидкость во внутриклеточном и межклеточном пространствах. Более половины массы тела составляет вода. Ее распространение регулируют преимущественно гидростатические, осмотические и онкотические силы. Вода в теле распределена между двумя отграниченными друг от друга заполненными жидкостью пространствами, т. е. межклеточным и внутриклеточным пространствами:

• внутриклеточная вода располагается преимущественно в цитозоле. В качестве основных ионов она содержит K⁺, отрицательно заряженные фосфатные соединения и белки;

• внеклеточная вода содержит в основном NaCl и подразделяется на интерстициальное пространство, пространство плазмы и трансцеллюлярное пространство. Запас соли в организме, т. е. общее количество NaCl, определяет величину объема межклеточной жидкости, а за счет этого — и объема плазмы. Неравномерное распределение ионов по обе стороны от клеточной мембраны является следствием регуляции объема клетки и создает необходимую предпосылку для возникновения потенциала на клеточной мембране.

Неорганические ионы и вещества с небольшим молекулярным весом свободно и покидают интерстициальное пространство, и проникают в него. Единственным исключением из этого является мозг.

- Рекомендуем ознакомиться далее "Регулирование выделения воды и соли - с точки зрения физиологии человека"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 1.7.2025