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.
Первые живые организмы появились в воде около 3 млрд лет тому назад, и до настоящего времени вода является главнейшим биорастворителем.
Вода - жидкая среда, которая является главным компонентом живого организма, обеспечивающая его жизненно важные физико-химические процессы: осмотическое давление, величину pH, минеральный состав. Вода составляет в среднем 65% общей массы тела взрослого животного и более 70% новорожденного. Более половины количества этой воды находится внутри клеток организма. Учитывая очень малую молекулярную массу воды, рассчитано, что около 99% всех молекул в клетке являются молекулами воды (Бохински Р., 1987).
Высокая теплоемкость воды (требуется 1 кал на нагревание 1 г воды на 1°С) позволяет организму поглощать значительное количество тепла без существенного повышения внутренней температуры. За счет высокой теплоты испарения воды (540 кал/г) организм рассеивает часть тепловой энергии, избегая перегрева.
Для молекул воды характерна сильная поляризация. В молекуле воды каждый атом водорода образует электронную пару с центральным атомом кислорода. Поэтому молекула воды имеет два постоянных диполя, так как высокая электронная плотность вблизи кислорода придает ему отрицательный заряд, тогда как каждый атом водорода характеризуется пониженной электронной плотностью и несет частичный положительный заряд. В результате возникают электростатические связи между атомом кислорода одной молекулы воды и водородом другой молекулы, получившие название водородных связей. Эта структура воды объясняет ее высокие значения теплоты испарения и температуры кипения.
Водородные связи сравнительно слабые. Их энергия диссоциации (энергия разрыва связи) в жидкой воде равна 23 кДж/моль, по сравнению с 470 кДж для ковалентной связи О-Н в молекуле воды. Время существования водородной связи составляет от 1 до 20 пикосекунд (1 пикосекунда = 1(Г 12 с). Однако водородные связи не являются уникальными для воды. Они могут возникать и между атомом водорода и азота в других структурах.
В состоянии льда каждая молекула воды образует максимально четыре водородные связи, формируя кристаллическую решетку. Напротив, в жидкой воде при комнатной температуре каждая молекула воды имеет водородные связи в среднем с 3-4 другими молекулами воды. Эта кристаллическая решетка льда делает его менее плотным, чем жидкая вода. Поэтому лед плавает на поверхности жидкой воды, оберегая ее от замерзания.
Таким образом, водородные связи между молекулами воды обеспечивают связующие силы, которые сохраняют воду в форме жидкости при комнатной температуре и трансформируют молекулы в кристаллы льда. Отметим, что, помимо водородных связей, для биомолекул характерными являются другие типы нековалентных связей: ионные, гидрофобные, вандерва- альсовы силы, которые индивидуально являются слабыми, но совместно оказывают сильное влияние на структуры белков, нуклеиновых кислот, полисахариды и мембраны клеток.
Молекулы воды и продукты их ионизации (Н + и ОН) оказывают выраженное влияние на структуры и свойства компонентов клеток, включая нуклеиновые кислоты, белки, жиры. Помимо стабилизации структуры белков и нуклеиновых кислот, водородные связи участвуют в биохимической экспрессии генов.
Как основа внутренней среды клеток и тканей, вода определяет их химическую активность, являясь уникальным растворителем различных веществ. Вода повышает устойчивость коллоидных систем, участвует в многочисленных реакциях гидролиза и гидрирования в процессах окисления. Вода поступает в организм с кормами и питьевой водой.
Многие метаболические реакции в тканях приводят к образованию воды, которая получила название эндогенной (8-12% от общего количества жидкости организма). Источниками эндогенной воды организма в первую очередь служат жиры, углеводы, белки. Так окисление 1 г жиров, углеводов и белков приводит к образованию 1,07; 0,55 и 0,41 г воды соответственно. Поэтому животные в условиях пустыни могут обходиться какое-то время без приема воды (верблюды даже достаточно долго). Собака погибает без приема воды через 10 дней, а без кормов - через несколько месяцев. Потеря 15-20% воды организмом влечет за собой смерть животного.
Низкая вязкость воды определяет постоянное перераспределение жидкости внутри органов и тканей организма. Вода поступает в желудочно-кишечный тракт, а затем почти все количество этой воды всасывается обратно в кровь.
Транспорт воды через клеточные мембраны осуществляется быстро: спустя 30-60 мин после приема воды животным наступает новое осмотическое равновесие между внеклеточной и внутриклеточной жидкостью тканей. Объем внеклеточной жидкости имеет большое влияние на кровяное давление; увеличение или уменьшение объема внеклеточной жидкости приводит к нарушениям циркуляции крови.
Повышение количества воды в тканях (гипергидрия) имеет место при положительном водном балансе (избыток поступления воды при нарушении регуляции водно-солевого обмена). Гипергидрия приводит к скоплению жидкости в тканях (отеки). Обезвоживание организма отмечают при недостатке питьевой воды или при избыточности потери жидкости (диарея, кровотечение, усиленное потоотделение, гипервентиляция легких). Потеря воды животным происходит за счет поверхности тела, системы пищеварения, дыхания, мочевого тракта, молока у лактирующих животных.
Обмен воды между кровью и тканями происходит за счет разности гидростатического давления в артериальной и венозной кровеносной системе, а также и за счет разности онкоти- ческого давления в крови и тканях. Вазопрессин, гормон задней доли гипофиза, удерживает воду в организме за счет обратного всасывания ее в почечных канальцах. Альдостерон, гормон коры надпочечников, обеспечивает задержку натрия в тканях, а вместе с ним сохраняется вода. Потребность животного в воде составляет в среднем 35-40 г на кг массы тела в сутки.
Отметим, что химические вещества в организме животного находятся в ионизированной форме, в виде ионов. Ионы, в зависимости от знака заряда, относятся к анионам (отрицательно заряженный ион) или к катионам (положительно заряженный ион). Элементы, которые диссоциируют в воде, образуя анионы и катионы, классифицируются как электролиты. Соли щелочных металлов (NaCl, КС1, NaHC0 3), соли органических кислот (лактат натрия, например) при растворении в воде диссоциируют полностью и являются электролитами. Легко растворяющиеся в воде сахара и спирты не диссоциируют в воде и не несут заряда, поэтому рассматриваются как неэлектролиты. Сумма анионов и катионов в тканях организма в целом одинакова.
Ионы диссоциирующих веществ, обладая зарядом, ориентируются вокруг диполей воды. Вокруг катионов диполи воды располагаются своими отрицательными зарядами, а анионы окружаются положительными зарядами воды. При этом возникает явление электростатической гидратации. По причине гидратации эта часть воды в тканях находится в связанном состоянии. Другая часть воды связана с различными клеточными органеллами, составляя так называемую иммобильную воду.
Ткани организма включают 20 обязательных из всех природных химических элементов. Углерод, кислород, водород, азот, сера являются незаменимыми компонентами биомолекул, из которых по массе преобладает кислород.
Химические элементы в организме формируют соли (минералы) и входят в состав биологически активных молекул. Биомолекулы имеют низкую молекулярную массу (30-1500) или являются макромолекулами (белки, нуклеиновые кислоты, гликоген), молекулярные массы которых составляют миллионы единиц. Отдельные химические элементы (Na, К, Са, S, Р, С1) составляют в тканях около 10 " 2 % и более (макроэлементы), тогда как другие (Fe, Со, Си, Zn, J, Se, Ni, Мо), например, присутствуют в значительно меньших количествах - 10" 3 -10~ 6 % (микроэлементы). В организме животного минеральные вещества составляют 1-3% от общей массы тела и распределяются чрезвычайно неравномерно. В отдельных органах содержание микроэлементов может быть значительным, например йод в щитовидной железе.
После абсорбции минералов в большей мере в тонком кишечнике они поступают в печень, где некоторые из них депонируются, а другие распределяются по различным органам и тканям организма. Выделяются минеральные вещества из организма главным образом в составе мочи и каловых масс.
Обмен ионами между клетками и межклеточной жидкостью происходит на основе как пассивного, так и активного транспорта через полупроницаемые мембраны. Возникающее осмотическое давление обусловливает тургор клеток, поддерживая эластичность тканей и форму органов. Активный транспорт ионов или передвижение их в среду с меньшей концентрацией (против осмотического градиента) требует затрат энергии молекул АТФ. Активный транспорт ионов характерен для ионов Na + , Са 2 ~ и сопровождается усилением окислительных процессов, генерирующих АТФ.
Роль минеральных веществ заключается в поддержании определенного осмотического давления плазмы крови, кислотно-щелочного равновесия, проницаемости различных мембран, регуляции активности ферментов, сохранении структур биомолекул, включая белки и нуклеиновые кислоты, в поддержании моторной и секреторной функции пищеварительного тракта. Поэтому при многих нарушениях функций пищеварительного тракта животного рекомендуются в качестве лечебных средств различные составы минеральных солей.
Важным является как абсолютное количество, так и должное соотношение в тканях между определенными химическими элементами. В частности, оптимальное соотношение в тканях Na:K:Cl составляет в норме 100:1:1,5. Выраженной особенностью является «асимметрия» в распределении ионов солей между клеткой и внеклеточной средой тканей организма.
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.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ
(Водно-солевой обмен. Биохимия почек и мочи)
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Рецензент: профессор Н.В. Козаченко
Утверждена на заседании кафедры пр.№ _____ от _______________2004 г.
Утверждена зав. кафедрой ________________________________________
Утверждена на МК медико-биологического и фармацевтического факультетов
пр.№ _____ от _______________2004 г.
Председатель________________________________________________
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,ноэта 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 (Μn), 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.
В таблице 1 (колонка 2) приведено среднее содержание минеральных веществ в организме взрослого человека (в расчете на массу 65 кг).Среднесуточная потребность взрослого человека в указанных элементах приведена в колонке 4. У детей и женщин в период беременности и кормления ребенка, а также у больных потребность в микроэлементах обычно выше.
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 Н 2 О, Ca 2+ , PO 4 3- , связыванию Fe 2+ , I - , экскреции H 2 O, Na + , Ca 2+ , PO 4 3- .
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 Ca 2+ 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 кальцияможет 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.
Таблица 1
Похожая информация.
ГОУВПО УГМА Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию
Кафедра биохимии
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
Объем. У всех наземных животных жидкости составляет около 70% от массы тела. Распределение воды в организме зависит от возраста, пола, мышечной массы,… При полном лишении воды смерть наступает через 6-8 дней, когда количество воды в организме снижается на 12%.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
Изменения в работе почек, кожи, легких и ЖКТ может привести к нарушению водно-солевого гомеостаза. Например, в жарком климате, для поддержания…Гормоны, регулирующие водно-солевой обмен
Антидиуретический гормон (АДГ), или вазопрессин - пептид с молекулярной массой около 1100 Д, содержащий 9 АК, соединённых одним дисульфидным… АДГ синтезируется в нейронах гипоталамуса, переносится в нервные окончания… Высокое осмотическое давление внеклеточной жидкости активирует осморецепторы гипоталамуса, в результате возникают…Ренин-ангиотензин-альдостероновая система
Ренин
Ренин - протеолитический фермент, продуцируемый юкстагломерулярными клетками, расположенными вдоль афферентных (приносящих) артериол почечного тельца. Секрецию ренина стимулирует падение давления в приносящих артериолах клубочка, вызванное уменьшением АД и снижением концентрации Na + . Секрецию ренина также способствует снижение импульсации от барорецепторов предсердий и артерий в результате уменьшения АД. Секрецию ренина ингибирует Ангиотензин II, высокое АД.
В крови ренин действует на ангиотензиноген.
Ангиотензиноген - α 2 -глобулин, из 400 АК. Образование ангиотензиногена происходит в печени и стимулируется глюкокортикоидами и эстрогенами. Ренин гидролизует пептидную связь в молекуле ангиотензиногена, отщепляя от него N-концевой декапептид - ангиотензин I , не имеющий биологической активности.
Под действием антиотензин-превращающего фермента (АПФ) (карбоксидипептидилпептидазы) эдотелиальных клеток, лёгких и плазмы крови, с С-конца ангиотензина I удаляются 2 АК и образуется ангиотензин II (октапептид).
Ангиотензин II
Ангиотензин II функционирует через инозитолтрифосфатную систему клеток клубочковой зоны коры надпочечников и ГМК. Ангиотензин II стимулирует синтез и секрецию альдостерона клетками клубочковой зоны коры надпочечников. Высокие концентрации ангиотензина II вызывают сильное сужение сосудов периферических артерий и повышают АД. Кроме этого, ангиотензин II стимулирует центр жажды в гипоталамусе и ингибирует секрецию ренина в почках.
Ангиотензин II под действием аминопептидаз гидролизуется в ангиотензин III (гептапептид, с активностью ангиотензина II, но имеющий в 4 раза более низкую концентрацию), который затем гидролизуется ангиотензиназами (протеазы) до АК.
Альдостерон
Синтез и секрецию альдостерона стимулируют ангиотензин II, низкая концентрация Na+ и высокая концентрацией К+ в плазме крови, АКТГ, простагландины.… Рецепторы альдостерона локализованы как в ядре, так и в цитозоле клетки.… В результате альдостерон стимулирует реабсорбцию Na+ в почках, что вызывает задержку NaCl в организме и повышает…Схема регуляции водно-солевого обмена
Роль системы РААС в развитии гипертонической болезни
Гиперпродукция гормонов РААС вызывает повышение объема циркулирующей жидкости, осмотического и артериального давления, и ведет к развитию гипертонической болезни.
Повышение ренина возникает, например, при атеросклерозе почечных артерий, который возникает у пожилых.
Гиперсекреция альдостерона – гиперальдостеронизм , возникает в результате нескольких причин.
Причиной первичного гиперальдостеронизма (синдром Конна ) примерно у 80% больных является аденома надпочечников, в остальных случаях - диффузная гипертрофия клеток клубочковой зоны, вырабатывающих альдостерон.
При первичном гиперальдостеронизме избыток альдостерона усиливает реабсорбцию Na + в почечных канальцах, что служит стимулом к секреции АДГ и задержке воды почками. Кроме того, усиливается выведение ионов К + , Mg 2+ и Н + .
В результате развиваются: 1). гипернатриемия, вызывающая гипертонию, гиперволемию и отёки; 2). гипокалиемия, ведущая к мышечной слабости; 3). дефицит магния и 4). лёгкий метаболический алкалоз.
Вторичный гиперальдостеронизм встречается гораздо чаще, чем первичный. Он может быть связан с сердечной недостаточностью, хроническими заболеваниями почек, а также с опухолями, секретирующие ренин. У больных наблюдают повышенный уровень ренина, ангиотензина II и альдостерона. Клинические симптомы менее выражены, чем при первичном альдостеронизе.
КАЛЬЦИЙ, МАГНИЙ, ФОСФОРНЫЙ ОБМЕН
Функции кальция в организме:
- Внутриклеточный посредник ряда гормонов (инозитолтрифосфатная система);
- Участвует в генерации потенциалов действия в нервах и мышцах;
- Участвует в свертывании крови;
- Запускает мышечное сокращение, фагоцитоз, секрецию гормонов, нейромедиаторов и т.д.;
- Участвует в митозе, апоптозе и некробиозе;
- Увеличивает проницаемость мембраны клеток для ионов калия, влияет на натриевую проводимость клеток, на работу ионных насосов;
- Кофермент некоторых ферментов;
Функции магния в организме:
- Является коферментом многих ферментов (транскетолаз (ПФШ), глюкозо-6ф дегидрогеназы, 6-фосфоглюконат дегидрогеназы, глюконолактон гидролазы, аденилатциклазы и т.д.);
- Неорганический компонент костей и зубов.
Функции фосфата в организме:
- Неорганический компонент костей и зубов (гидроксиаппатит);
- Входит в состав липидов (фосфолипиды, сфинголипиды);
- Входит в состав нуклеотидов (ДНК, РНК, АТФ, ГТФ, ФМН, НАД, НАДФ и т.д.);
- Обеспечивает энергетический обмен т.к. образует макроэргические связи (АТФ, креатинфосфат);
- Входит в состав белков (фосфопротеины);
- Входит в состав углеводов (глюкозо-6ф, фруктозо-6ф и т.д.);
- Регулирует активность ферментов (реакции фосфорилирования / дефосфорилирования ферментов, входит в состав инозитолтрифосфата – компонента инозитолтрифосфатной системы);
- Участвует в катаболизме веществ (реакция фосфоролиза);
- Регулирует КОС т.к. образует фосфатный буфер. Нейтрализует и выводит протоны с мочой.
Распределение кальция, магния и фосфатов в организме
Во взрослом организме содержится в около 1кг фосфора: Кости и зубы содержат 85% фосфора; Внеклеточная жидкость – 1% фосфора. В сыворотке … Концентрация магния в плазме крови 0,7-1,2 ммоль/л.Обмен кальция, магния и фосфатов в организме
С пищей в сутки должно поступать кальция - 0,7-0,8г, магния - 0,22-0,26г, фосфора – 0,7-0,8г. Кальций всасывается плохо на 30-50%, фосфор хорошо – на 90%.
Помимо ЖКТ, кальций, магний и фосфор поступают в плазму крови из костной ткани, в процессе ее резорбции. Обмен между плазмой крови и костной тканью по кальцию составляет 0,25-0,5г/сут, по фосфору – 0,15-0,3г/сут.
Выводится кальций, магний и фосфор из организма через почки с мочой, через ЖКТ с калом и через кожу с потом.
Регуляция обмена
Основными регуляторами обмена кальция, магния и фосфора являются паратгормон, кальцитриол и кальцитонин.
Паратгормон
Секрецию паратгормона стимулирует низкая концентрация Са2+, Mg2+ и высокая концентрация фосфатов, ингибирует витамин Д3. Скорость распада гормона уменьшается при низкой концентрации Са2+ и… Паратгормон действует на кости и почки. Он стимулирует секрецию остеобластами инсулиноподобного фактора роста 1 и…Гиперпаратиреоз
Гиперпаратиреоз вызывает: 1. разрушение костей, при мобилизации из них кальция и фосфатов.… 2. гиперкальциемию, при усилении реабсорбции кальция в почках. Гиперкальциемия приводить к снижению нервно-мышечной…Гипопаратиреоз
Гипопаратиреоз обусловлен недостаточностью паращитовидных желёз и сопровождается гипокальциемией. Гипокальциемия вызывает повышение нервно-мышечной проводимости, приступы тонических судорог, судороги дыхательных мышц и диафрагмы, ларингоспазм.
Кальцитриол
1. В коже под влиянием УФ-излучения из 7-дегидрохолестерола образуется… 2. В печени 25-гидроксилаза гидроксилирует холекальциферол в кальцидиол (25-гидроксихолекальциферол, 25(OH)Д3).…Кальцитонин
Кальцитонин - полипептид, состоит из 32 АК с одной дисульфидной связью, секретируется парафолликулярными К-клетками щитовидной железы или С-клетками паращитовидных желёз.
Секрецию кальцитонина стимулирует высокая концентрация Са 2+ и глюкагона, подавляет низкая концентрация Са 2+ .
Кальцитонин:
1. подавляет остеолиз (снижая активность остеокластов) и ингибирует высвобождение Са 2+ из кости;
2. в канальцах почек тормозит реабсорбцию Са 2+ , Mg 2+ и фосфатов;
3. тормозит пищеварение в ЖКТ,
Изменения уровня кальция, магния и фосфатов при различных патологиях
Повышение концентрации Са2+ в плазме крови наблюдается при: гиперфункции паращитовидных желез; переломы костей; полиартриты; множественные… Снижение концентрации фосфатов в плазме крови наблюдается при: рахите; … Повышение концентрации фосфатов в плазме крови наблюдается при: гипофункции паращитовидных желез; передозировка…Роль микроэлементов: Mg2+, Mn2+, Co, Cu, Fe2+, Fe3+, Ni, Mo, Se, J. Значение церулоплазмина, болезнь Коновалова-Вильсона.
Марганец – кофактор аминоацил-тРНК синтетаз.
Биологическая роль Na+, Cl-, K+, HCO3- - основных электролитов, значение в регуляции КОС. Обмен и биологическая роль. Анионная разность и ее коррекция.
Снижение содержания хлоридов в сыворотке крови: алкалоз гипохлоремический (после рвоты), ацидоз респираторный, избыточное потоотделение, нефрит с… Повышенное выделение хлоридов с мочой: гипоальдостеронизм (болезнь Аддисона),… Снижение выведения хлоридов с мочой: Потеря хлоридов при рвоте, диареи, болезнь Кушинга, терминальная фаза почечной…ЛЕКЦИЯ № 25
Тема: КОС
2 курс. Кислотно-основное состояние (КОС) - относительное постоянство реакции…Биологическое значение регуляции рН, последствия нарушений
Отклонение рН от нормы на 0,1 вызывает заметные нарушения со стороны дыхательной, сердечно-сосудистой, нервной и других систем организма. При ацидемии возникает: 1. усиление дыхания до резкой отдышки, нарушение дыхания в результате бронхоспазма;Основные принципы регуляции КОС
В основе регуляции КОС лежат 3 основных принципа:
1. постоянство рН . Механизмы регуляции КОС поддерживают постоянство рН.
2. изоосмолярность . При регуляции КОС, концентрация частиц в межклеточной и внеклеточной жидкости не изменяется.
3. электронейтральность . При регуляции КОС, количество положительных и отрицательных частиц в межклеточной и внеклеточной жидкости не изменяется.
МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ КОС
Принципиально существуют 3 основных механизма регуляции КОС:
- Физико-химический механизм , это буферные системы крови и тканей;
- Физиологический механизм , это органы: легкие, почки, костная ткань, печень, кожа, ЖКТ.
- Метаболический (на клеточном уровне).
В работе этих механизмов есть принципиальные различия:
Физико-химические механизмы регуляции КОС
Буфер – это система, состоящая из слабой кислоты и ее соли с сильным основанием (сопряженная кислотно-основная пара).
Принцип работы буферной системы состоит в том, что она связывает Н + при их избытке и выделяет Н + при их недостатке: Н + + А - ↔ АН. Таким образом, буферная система стремиться противостоять любым изменениям рН, при этом один из компонентов буферной системы расходуется и требует восстановления.
Буферные системы характеризуются соотношением компонентов кислотно-основной пары, емкостью, чувствительностью, локализацией и величиной рН, которую они поддерживают.
Существует множество буферов как внутри, так и вне клеток организма. К основным буферным системам организма относят бикарбонатный, фосфатный белковый и его разновидность гемоглобиновый буфер. Около 60% кислых эквивалентов связывают внутриклеточные буферные системы и около 40% -внеклеточные.
Бикарбонатный (гидрокарбонатный) буфер
Состоит из Н 2 СО 3 и NaНСО 3 в соотношении 1/20, локализуется в основном в межклеточной жидкости. В сыворотке крови при рСО 2 = 40 мм.рт.ст., концентрации Na + 150 ммоль/л он поддерживает рН=7,4. Работа бикарбонатного буфера обеспечивается ферментом карбоангидразой и белком полосы 3 эритроцитов и почек.
Бикарбонатный буфер является одним из самых важных буферов организма, что связано с его особенностями:
- Несмотря на низкую емкость – 10%, бикарбонатный буфер очень чувствителен, он связывает до 40% всех «лишних» Н + ;
- Бикарбонатный буфер интегрирует работу основных буферных систем и физиологических механизмов регуляции КОС.
В связи с этим, бикарбонатный буфер является индикатором КОС, определение его компонентов – основа для диагностики нарушения КОС.
Фосфатный буфер
Состоит из кислого NaН 2 РО 4 и основного Na 2 НРО 4 фосфатов, локализуется в основном в клеточной жидкости (фосфатов в клетке 14%, в межклеточной жидкости 1%). Соотношение кислого и основного фосфатов в плазме крови составляет ¼, в моче - 25/1.
Фосфатный буфер обеспечивает регуляцию КОС внутри клетки, регенерацию бикарбонатного буфера в межклеточной жидкости и выведение Н + с мочой.
Белковый буфер
Наличие у белков амино и карбоксильных групп придает им амфотерные свойства – они проявляют свойства кислот и оснований, образуя буферную систему.
Белковый буфер состоит из протеин-Н и протеин-Na, локализуется он преимущественно в клетках. Наиболее важный белковый буфер крови – гемоглобиновый .
Гемоглобиновый буфер
Гемоглобиновый буфер находиться в эритроцитах и имеет ряд особенностей:
- у него самая высокая емкость (до 75%);
- его работа напрямую связана с газообменом;
- он состоит не из одной, а из 2 пар: HHb ↔H + + Hb - и HHbО 2 ↔H + + HbО 2 - ;
HbО 2 является относительно сильной кислотой, он даже сильнее угольной кислоты. Кислотность HbО 2 по сравнению с Hb в 70 раз выше, поэтому, оксигемоглобин присутствует в основном в виде калийной соли (КHbО 2), а дезоксигемоглобин в виде недиссоциированной кислоты (HHb).
Работа гемоглобинового и бикарбонатного буфера
Физиологические механизмы регуляции КОС
Образующиеся в организме кислоты и основания могут быть летучими и нелетучими. Летучая Н2СО3, образуется из СО2, конечного продукта аэробного… Нелетучие кислоты лактат, кетоновые тела и жирные кислоты накапливаются в… Летучие кислоты выделяются из организма главным образом легкими с выдыхаемым воздухом, нелетучие – почками с мочой.Роль легких в регуляции КОС
Регуляция газообмена в легких и соответственно выделение Н2СО3 из организма осуществляется через поток импульсов от хеморецепторов и… В норме за сутки легкие выделяют 480л СО2, что эквивалентно 20 молям Н2СО3.… Легочные механизмы поддержания КОС являются высокоэффективными, они способны нивелировать нарушение КОС на 50-70%.…Роль почек в регуляции КОС
Почки регулируют КОС: 1. выведением из организма H+ в реакциях ацидогенеза, аммониогенеза и с… 2. задержкой в организме Na+. Na+,К+-АТФаза реабсорбирует Na+ из мочи, что вместе с карбоангидразой и ацидогенезом…Роль костей в регуляции КОС
1. Са3(РО4)2 + 2Н2СО3 → 3 Са2+ + 2НРО42- + 2НСО3- 2. 2НРО42- + 2НСО3- + 4НА → 2Н2РО4- (в мочу) + 2Н2О + 2СО2 + 4А- 3. А- + Са2+ → СаА (в мочу)Роль печени в регуляции КОС
Печень регулирует КОС:
1. превращением аминокислот, кетокислот и лактата в нейтральную глюкозу;
2. превращением сильного основания аммиака в слабо основную мочевину;
3. синтезируя белки крови, которые образуют белковый буфер;
4. синтезирует глутамин, который используется почками для аммониогенеза.
Печеночная недостаточность приводит к развитию метаболического ацидоза.
В тоже время печень синтезирует кетоновые тела, которые в условиях гипоксии, голодания или сахарного диабета способствуют ацидозу.
Влияние ЖКТ на КОС
ЖКТ влияет на состояние КОС, так как использует HCl и НСО 3 - в процессе пищеварения. Сначала в просвет желудка секретируется HCl, при этом в крови накапливаются НСО 3 - и развивается алкалоз. Затем НСО 3 - из крови с панкреатическим соком поступают в просвет кишечника и равновесие КОС в крови восстанавливается. Так как пища, которая поступает в организм, и кал, который выделяется из организма в основном нейтральны суммарный эффект на КОС оказывается нулевым.
При наличии ацидоза в просвет выделяется больше HCl, что способствует развитию язвы. Рвота способна компенсировать ацидоз, а диарея – усугубить. Длительная рвота вызывает развитие алкалоза, у детей она может иметь тяжелые последствия, вплоть до летально исхода.
Клеточный механизм регуляции КОС
Кроме рассмотренных физико-химический и физиологических механизмов регуляции КОС существует еще клеточный механизм регуляции КОС. Принцип его работы заключается в том, что избыточные количества H + могут размещаться в клетках в обмен на К + .
ПОКАЗАТЕЛИ КОС
1. рН - (power hydrogene - сила водорода) – отрицательный десятичный логарифм (-lg) концентрации Н+. Норма в капиллярной крови 7,37 - 7,45,… 2. рСО2 – парциальное давление углекислого газа, находящегося в равновесии с… 3. рО2 – парциальное давление кислорода в цельной крови. Норма в капиллярной крови 83 - 108 мм.рт.cт., в венозной –…НАРУШЕНИЯ КОС
Коррекция КОС – приспособительная реакция со стороны органа, вызвавшего нарушение КОС. Выделяют два основных вида нарушений КОС – ацидоз и алкалоз.Ацидоз
I. Газовый (дыхательный) . Характеризуется накоплением в крови СО 2 (рСО 2 = , AB, SB, BB=N,).
1). затруднение выделения СО 2 , при нарушениях внешнего дыхания (гиповентиляция легких при бронхиальной астме, пневмонии, нарушениях кровообращения с застоем в малом круге, отёке лёгких, эмфиземе, ателектазе легких, угнетении дыхательного центра под влиянием ряда токсинов и препаратов типа морфина и т.п.) (рСО 2 =, рО 2 =↓, AB, SB, BB=N,).
2). высокая концентрация СО 2 в окружающей среде (замкнутые помещения) (рСО 2 =, рО 2 , AB, SB, BB=N,).
3). неисправности наркозно-дыхательной аппаратуры.
При газовом ацидозе происходит накопление в крови СО 2 , Н 2 СО 3 и снижение рН. Ацидоз стимулирует реабсорбцию в почках Na + и через некоторое время в крови происходит повышение AB, SB, BB и как компенсация, развивается выделительный алкалоз.
При ацидозе в плазме крови накапливается H 2 PO 4 - , который не способен реабсорбироваться в почках. В результате он усиленно выделяется, вызывая фосфатурию .
Для компенсации ацидоза почки с мочой усиленно выделяются хлориды, что приводит к гипохроремии .
Избыток H + поступает в клетки, взамен из клеток выходит К + вызывая геперкалиемию .
Избыток К + усиленно выводится с мочой, что в течение 5-6 дней приводит к гипокалиемии .
II. Негазовый. Характеризуется накоплением нелетучих кислот (рСО 2 =↓,N, AB, SB, BB=↓ ).
1). Метаболический. Развивается при нарушениях тканевого метаболизма, которые сопровождаются избыточным образованием и накоплением нелетучих кислот или потерей оснований (рСО 2 =↓,N, АР = , AB, SB, BB=↓ ).
а). Кетоацидоз. При сахарном диабете, голодании, гипоксии, лихорадке и т.д.
б). Лактоацидоз. При гипоксии, нарушении функции печени, инфекциях и т.д.
в). Ацидоз. Возникает в результате накопления органических и неорганических кислот при обширных воспалительных процессах, ожогах, травмах и т.д.
При метаболическом ацидозе происходит накопление нелетучих кислот и снижение рН. Буферные системы, нейтрализуя кислоты, расходуются, в результате в крови снижается концентрация AB, SB, BB и повышается АР .
Н + нелетучих кислот при взаимодействии с НСО 3 - дают Н 2 СО 3 , которая распадается на Н 2 О и СО 2 , сами же нелетучие кислоты образуют с Na + бикарбонатов соли. Низкая рН и высокое рСО 2 стимулирует дыхание, в результате рСО 2 в крови нормализуется или снижается с развитием газового алкалоза.
Избыток Н + плазме крови перемещает внутрь клетки, а взамен из клетки выходит К + , в плазме крови возникает транзиторная гиперкалиемия , а клетках - гипокалигистия . К + интенсивно выводится с мочой. В течение 5-6 дней содержание К + в плазме нормализуется и затем становится ниже нормы (гипокалиемия ).
В почках усиливаются процессы ацидо-, аммониогенеза и восполнения дефицита бикарбоната плазмы. В обмен на НСО 3 - в мочу активно экскретируется Сl - , развивается гипохлоремия .
Клинические проявления метаболического ацидоза:
- расстройства микроциркуляции . Происходит уменьшение притока крови и развитие стаза под действием катехоламинов, изменяются реологические свойства крови, что способствует углублению ацидоза.
- повреждение и повышение проницаемости сосудистой стенки под влиянием гипоксии и ацидоза. При ацидозе повышается уровень кининов в плазме и внеклеточной жидкости. Кинины вызывают вазодилатацию и резко повышают проницаемость. Развивается гипотония. Описанные изменения в сосудах микроциркуляторного русла способствуют процессу тромбообразования и кровоточивости.
При рН крови менее 7,2 возникает снижение сердечного выброса .
- дыхание Куссмауля (компенсаторная реакция направленная на выделение избытка СО 2).
2. Выделительный. Развивается при нарушении процессов ацидо- и аммониогенеза в почках или при избыточной потере основных валентностей с каловыми массами.
а). Задержка кислот при почечной недостаточности (хронический диффузный гломерулонефрит, нефросклероз, диффузный нефрит, уремия). Моча нейтральная или щелочная.
б). Потеря щелочей: почечная (почечный канальцевый ацидоз, гипоксия, интоксикация сульфаниламидами), гастроэнтеральная (диарея, гиперсаливация).
3. Экзогенный.
Прием кислой пищи, лекарств (хлористого аммония; переливание больших количеств кровозамещающих растворов и жидкостей для парентерального питания, рН которых обычно <7,0) и при отравлениях (салицилаты, этанол, метанол, этиленгликоль, толуол и др.).
4. Комбинированный.
Например, кетоацидоз + лактоацидоз, метаболический + выделительный и т.д.
III. Смешанный (газовый + негазовый).
Возникает при асфиксии, сердечно-сосудистой недостаточности и т.д.
Алкалоз
1). усиленное выведение СО2, при активации внешнего дыхания (гипервентеляция легких при компенсаторной одышке, сопровождающей ряд заболеваний, в том… 2). Дефицит О2 во вдыхаемом воздухе вызывает гипервентеляцию легких и… Гипервентиляция приводит к снижению в крови рСО2 и повышению рН. Алкалоз ингибирует реабсорбцию в почках Na+,…Негазовый алкалоз
Литература
1. Бикарбонаты сыворотки или плазмы /Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл // Биохимия человека: в 2-х томах. Т.2. Пер. с англ.: - М.: Мир, 1993. - с.370-371.
2. Буферные системы крови и кислотно-основное равновесие /Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин// Биологическая химия: Учебник /Под ред.акад. РАМН С.С. Дебова. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Медицина, 1990. - с.452-457.
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях: