Биохимия Водного и минерального обмена (Кухта)

Биомедицинское значение. Жизнь согласно наиболее распространенной точки зрения зародилась в воде мирового океана и этот «раствор» служил основным источником субстратов для ее дальнейшего развития. Менялись геологические эпохи, менялся и состав мирового океана. На одном из этапов развития жизни часть воды мирового океана стала частью живых систем в виде внутренней среды. Одновременно были созданы и системы, обеспечивающие постоянство состава этой среды, поэтому внутренняя среда современного живого организма есть отражение состава воды мирового океана эпохи зарождения жизни.

Заполняя все межклеточное пространство, вода образует своеобразную ванну для каждой клетки, являясь её средой существования. Она обеспечивает связь между всеми клетками и всеми тканями, между клетками и внешним миром (кожа, легкие, почки, желудочно-кишечный тракт). Именно благодаря ей осуществляется обмен веществ (транспорт питательных веществ, удаление продуктов выделения, транспорт сигнальных веществ между клетками и т.д.). Являясь растворителем для участников химических реакций, вода часто сама участвует в реакциях.

Свои функции вода выполняет не в чистой форме, а как составная часть водных растворов. Наибольшее значение имеют постоянно растворенные в воде белки, небольшие органические молекулы и неорганические ионы (Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Cl^-, HCO₃^-, HPO₄^2-). Нарушения обмена воды и электролитов наблюдаются практически у каждого тяжело заболевшего человека. Определение содержания натрия, калия, мочевины и креатинина, нередко вместе с хлоридами и бикарбонатами - наиболее часто запрашиваемый набор биохимических исследований, дающий много информации о состоянии водного и минерального обмена и функции почек.

Осмолярность, осмоляльность и тоничность – важные понятия в характеристике водно-солевого обмена

Осмос отражает движение молекул растворителя через мембрану в область с более высокой концентрацией раствора. Это движение можно замедлить, повышая давление на более концентрированный раствор. Величина такого давления - эффективное осмотическое давление. Уровень эффективного осмотического давления зависит в большей мере от количества, а не типа присутствующих частиц.

Количество осмотически активных молекул присутствующих в растворе выражается в осмолях. Один осмоль вещества равен его молекулярной массе в граммах (один моль) разделенному на количество свободных частиц, которые каждая молекула освобождает в растворе. Так, например, при растворении 180 г глюкозы в1 литре воды образуется раствор с молярной концентрацией в1моль/л и осмолярностью в 1 осмоль/л. Хлорид натрия ионизируется в растворе и каждый ион представляет осмотически активную частицу. При условии полной диссоциации на Na⁺ и Cl^-, раствор, содержащий в 1 л 58,5 г NaCl имеет молярную концентрацию в 1 моль/л, а осмолярность в 2 осмоль/л.

В биологических жидкостях концентрация растворов гораздо меньше (ммоль/л), а диссоциация неполная. Следовательно, раствор NaCl содержащий 1 ммоль/л дает величину нескольку меньшую, чем 2 мосмоль/л. Термин осмоляльность отражает количество осмоль на единицу общей массы растворителя и в отличии от осмолярности не зависит от объема различных растворенных в растворе веществ. Смешение явно взаимонезаменяемых терминов осмолярность (измеряется в осмоль/л) и осмоляльность (измеряется в осмоль/кг) вызвано их арифметически одинаковыми значениями в биологических жидкостях: осмолярность плазмы составляет 280-310 мосмоль/л и осмоляльность плазмы - 280-310 мосмоль/кг. Это объясняется ничтожно малым объемом растворенного вещества в биологических жидкостях и фактом, что большинство осмотически активных частиц растворено в воде имеющей плотность равную 1, то есть, осмоль/л = осмоль/кг. Поскольку количество осмолей в плазме определяется путем измерения депрессии точки замерзания, то более точным термином для использования в клинической практике является осмоляльность.

Катионы (в основном Na⁺) и анионы (Cl^- и HCO₃^-) являются главными осмотически активными частицами в плазме. Меньшую роль играют глюкоза и мочевина. Осмолярность плазмы (Р осм) можно определить по формуле:

Р осм = 2 [Na⁺]+Глюкоза крови + Мочевина крови = 290 мосмоль/л

(ммоль/л) (ммоль/л) (ммоль/л)

Осмолярность является химическим термином и его не следует смешивать с физиологическим термином тоничность. Этот термин используется для сравнения эффективного осмотического давления раствора по сравнению с таковым в плазме. Принципиальная разница между осмолярностью и тоничностью состоит в том, что омолярность зависит от всех растворенных частиц, в то время как тоничность определяется только частицами, которые не проходят через мембрану клетки. Следовательно, тоничность выражает осмолярную активность растворенных веществ, расположенных во внеклеточном пространстве, то есть тех, которые создают осмотические силы, оказывающие влияние на распределение воды между внутри- и внеклеточной жидкостями. Мочевина свободно переходит через мембрану и не воздействует на распределение воды между этими двумя жидкостными компартментами и не влияет на тоничность. Веществами, которые воздействуют на осмолярность, но не влияют на тоничность, являются также этанол и метанол, поскольку они быстро распределяются по всей воде тела. Но маннитол и сорбитол плохо проходят через мембраны и появляясь во внеклеточном пространстве влияют и на осмолярность и на тоничность. Тоничность плазмы можно определить по формуле:

Тоничность плазмы = 2 [Na+] + Глюкоза крови = 285 мосмоль/л

(ммоль/л) (ммоль/л)

Вода неравномерно распределена в организме.

В организме различают 2 главных водных пространства:

- внутриклеточное пространство которое представляет сумму водного содержимого каждой клетки организма

- внеклеточное пространство, которое включает жидкость, находящуюся вне клеток.

Соответственно пространствам различают внутриклеточную и внеклеточную жидкость. Внеклеточная жидкость локализована внутри сосудов и межклеточном интерстициальном пространстве. Разделение на два главных пространства не является искусственным. Оно обосновано как морфологически, так и функционально. Внутриклеточное пространство не является единым структурно-функциональным образованием в полном смысле этого слова. Внеклеточное же пространство, как среда существования для клеток и элемент межклеточного транспорта различных веществ представляет единую фазу во всех частях тела. Стенка сосудов, которая разделяет внутрисосудистую и интерстициальную часть внеклеточной жидкости, образует барьер только для высокомолекулярных веществ (белки) и клеток, в то время как низкомолекулярные вещества и неорганические ионы примерно одинаково распределяются по всему внеклеточному пространству. Доказательством служит одинаковый ионный состав плазмы крови и интерстициальной жидкости (табл.13-1 ).

Табл.13-1. Различия в электролитном составе вне и внутриклеточной жидкости( в ммоль/л)

Электролиты	Плазма Крови	Внеклеточная жидкость	Внутриклеточная жидкость
Na+	142	145	10
K +	4	4	160
Ca ++	2.5	2.5	1
Mg++	1	1	13
H+	0.04	0.04	0.13
Cl-	101	114	3
HCO3-	27	31	10
фосфат	1	1	50
SO43-	0.5	0.5	10
органические кислоты	6	7	-
Белки	70 г/л	<5г/л	280 г/л

Капиллярный эндотелий действует как свободно проницаемая мембрана для воды, катионов, анионов и многих растворимых соединений таких как глюкоза и мочевина (но не белков). В результате состав интерстициальной жидкости и плазмы одинаков. В каждой из них Na⁺ - основной катион, а Cl^- - главный анион. Белок действует как катион, не проникающий через мембраны и присутствует в большей концентрации в плазме. Концентрация Cl^- немного выше в интерстициальной жидкости для поддержания электрической нейтральности (Доннановское равновесие).

В отличие от внеклеточной жидкости во внутриклеточной жидкости основным катионом является калий, а главным анионом – фосфор Кроме того имеет место высокая концентрация белков. В отличии от капиллярного эндотелия клеточные мембраны характеризуются избирательной проницаемостью для различных ионов и свободно проницаемы для воды. Тем самым, уравновешивание осмотических сил происходит одновременно и достигается движением воды через клеточную мембрану. Осмолярность внутри- и внеклеточной жидкостей должна быть одинаковой. Вода быстро перемещается между внеклеточным и внутриклеточным компартментами для устранения или создания осмолярного градиента. Это фундаментальный принцип в понимании поведения воды и электролитов в организме.