8. Физиологические гомеостатические механизмы
Эта группа механизмов, включающая регуляторные функции легких, почек, желудочно-кишечного тракта, печени и костной ткани, обеспечивает нейтрализацию, связывание и выведение из организма Н+ и ОН~ ионов в составе различных соединений, в зависимости от особенностей метаболизма и состояния буферных систем внутренней среды.
Легкие и кислотно-щелочное состояние. Процессы газообмена между кровью и окружающим воздухом, происходящие в легких, теснейшим образом связаны с регуляцией кислотно-щелочного состояния, поскольку внешнее дыхание — это основной путь удаления из крови летучей угольной кислоты. Благодаря бикарбонатному буферу, образующиеся при метаболизме кислоты не вызывают закисления крови, а приводят к увеличению содержания С02 в крови с последующим удалением через легкие. Удаленный из плазмы углекислый газ немедленно восполняется за счет двух механизмов, происходящих в крови легочных капилляров: 1)образование оксигемоглобина ведет к распаду карбаминовой связи гемоглобина и освобождению С02 из эритроцитов; 2) под влиянием карбангидразы, фермента, катализирующего в легких реакцию:Н20 + С02.Количество выводимого из организма углекислого газа зависит от глубины и частоты дыхания, т.е. от альвеолярной вентиляции. Величина же альвеолярной вентиляции регулируется дыхательным центром, деятельность которого зависит или даже прямо определяется рН крови и парциальным напряжением С02. Таким образом, усиление дыхания и альвеолярной вентиляции происходит при увеличении напряжения в крови С02 и уменьшении рН. Нарастающее при этом удаление углекислоты приводит ее содержание в крови в соответствие с концентрацией бикарбоната. Следовательно, легкие выступают в роли физиологической гомеостатической системы не только выводящей избыток летучей кислоты, но и восстанавливающей емкость буферных систем, прежде всего бикарбонатной и гемоглобиновой. При быстром поступлении во внутреннюю среду оснований происходит уменьшение вентиляции и количество выделяемого С02 существенно падает. Концентрация углекислоты возрастает и рН поддерживается на исходном уровне.
Почки и кислотно-щелочное состояние. Почки осуществляют выведение из внутренней среды организма нелетучих органических и неорганических кислот. Избыток кислот при этом может выводиться как в свободном состоянии, так и в виде нейтральных солей. Сильные неорганические кислоты выделяются из внутренней среды только через почки и только в связанной форме.
В физиологических условиях почки выделяют кислую мочу, рН которой колеблется от 5 до 7.
Участие почек в регуляции кислотно-щелочного состояния внутренней среды обеспечивается совокупностью взаимосвязанных процессов, происходящих в структурах нефрона. К их числу относятся: 1) секреция водородных ионов в мочу клетками канальцевого эпителия, 2) образование в клетках эпителия канальцев ионов бикарбоната, больше или меньше всасываемого в кровь, 3) образование и диффузия в мочу аммиака, образующего ион аммония, присоединяя Н-ион, 4) реабсорбция (обратное всасывание) профильтровавшихся в мочу оснований, прежде всего бикарбоната, пополняющих резерв в крови, 5) фильтрация в первичную мочу из плазмы крови соединений, обладающих кислыми или щелочными свойствами, 6) обмен ионов СГ, Na+, К+, фосфатов, сульфатов и двухвалентных катионов (Са+, Mg+).
Важнейшую роль в способности, почек к выделению кислой мочи играет секреция водородных ионов клетками эпителия проксимальных и дистальных канальцев. Эта способность обусловлена наличием в клетках фермента карбангидразы, обеспечивающего образование из С02 и Н20 угольной кислоты, с последующей диссоциацией. ****
При поступлении в кровь избытка кислот или оснований компенсация сдвига кислотно-щелочного состояния прежде всего осуществляется буферными системами крови, дыхательная компенсация формируется через 16-18 часов, а почечная компенсация развивается еще медленнее — спустя 2-3 суток. При этом почечные механизмы обладают значительной инерционностью и даже после удаления из организма избытка кислот или оснований возвращение к исходному кислотно-щелочному состоянию продолжается также около 2-3 суток.
Желудочно-кишечный тракт, печень, костная ткань и кислотно-щелочное состояние. Характер питания человека и особенности пищеварения в значительной мере сказываются на кислотно- щелочном состоянии его внутренней среды.
Сравнительное небольшую роль в регуляции кислотно-щелочного состояния играют функции желудка и кишечника. Париетальные клетки слизистой желудка секретируют соляную кислоту. Водородные ионы образуются в клетках под влиянием карбангидразы, как это описывалось выше для клеток канальцевого эпителия почек, анион хлора поступает в клетки из хлористого натрия крови путем обмена на бикарбонат. Однако при этом ощелачивания крови не происходит, т.к. СГ желудочного сока в кишечнике всасывается обратно в кровь. Значительное количество бикарбонатов поступает в кишечник в составе сока поджелудочной железы и кишечного сока. При этом ионы Н+ всасываются в кровь. Обратное всасывание претерпевают и бикарбонатные ионы, поэтому сдвигов кислотно-щелочного состояния крови не происходит. При кислой диете увеличивается выделение двухвалентных катионов Са++ и Mg+, а при щелочной — и одновалентных катионов. Хотя значение желудочно-кишечного тракта в физиологической регуляции кислотно-щелочного состояния очень невелико, тем не менее при изменениях, а тем более нарушениях функций желудка и кишечника неизбежно происходят сдвиги и кислотно-щелочного состояния. Стойкое и резкое повышение кислотности желудочного сока может вести к увеличение щелочного резерва крови.
В печени происходит утилизация молочной кислоты с образованием гликогена, здесь разрушаются кетоновые тела (ацетоуксусная и бета-оксимасляная кислоты), происходят разнообразные метаболические превращения органических кислот и оснований. Образуя желчь с разной степенью щелочной реакции печень способствует удалению из внутренней среды разных количеств оснований. В нейтрализации кислот существенную роль играет костная ткань, поскольку в ней связано огромное количество катионов и фосфата.
Интегративные механизмы регуляции водно-солевого обмена
Важнейшим элементом регуляции водно-солевого обмена является осуществляемое осморегулирующими системами организма поддержание осмотического гомеостазиса. Его основными показателями являются осмотические давления крови, интерстициальной жидкости, внутриклеточной среды. Осмотическое давление любой жидкости внутренней среды, являющейся сложным раствором, равно сумме парциальных осмотических давлений содержащихся в ней ингредиентов. Осмотическое давление, создаваемое каждым из ингредиентов, зависит от его концентрации. Осмотическое давление принято выражать в миллиосмолях.
Осмотическое давление плазмы крови у здорового человека относится к числу жестких гомеостатических констант и находится в пределах 275—305 мосм/ кг, при этом электролиты создают осмотическое давление порядка 270— 300 мосм/кг, а остальная незначительная часть общего осмотического давления приходится на неэлектролиты — сахар, мочевину, липиды и т. д. От состояния водно-солевого обмена зависят фундаментальные свойства клеток и тканей (энергетический и пластический метаболизм, возбудимость, проводимость и сократимость, секреторная способность и т. п.) и, соответственно, функции практически всех физиологических систем. Основные характеристики водно-солевого обмена — количество поступающих в организм жидкости и солей, объемы внеклеточных и внутриклеточных водных пространств, содержание в них отдельных электролитов и осмотическое давление, наконец, выделение воды и солей почками — имеют взаимосвязанные комплексные механизмы регуляции. Эти механизмы легко проследить на примерах изменения приема жидкости или ее потерь, сдвигов баланса ионов натрия и калия, изменения объема крови. Нарушения баланса веществ могут проявляться в виде положительного или отрицательного дисбаланса. Положительный водный дисбаланс получил название гипергидратации, а отрицательный — дегидратации. Изменения водного баланса могут сопровождаться или не сопровождаться изменениями электролитного баланса и, соответственно, осмотического давления. В зависимости от осмолярности виды водного дисбаланса подразделяют на изоосмотические, гиперосмотические и гипоосмотические. Эти понятия относят к внеклеточной среде организма, но благодаря механизмам саморегуляции поддерживается осмотическое равновесие между вне- и внутриклеточной средой, поэтому изменения осмолярности внеклеточной среды неизбежно сопровождаются аналогичными сдвигами осмотического давления и внутри клеток. Водный дисбаланс может быть и следствием изменения коллоидно-осмотического (онкотического) давления плазмы крови.
В организме человека и животных различают свободную воду, воду внутриклеточную и внеклеточную жидкость являющейся растворителем минеральных и органических веществ; связанную воду, удерживаемую гидрофильными коллоидами в виде воды набухания; конституционная вода (внутримолекулярная), входящую в состав молекул белков, жиров и углеводов и освобождающуюся при их окислении. В разных тканях, соотношение конституционной, свободной и связанной воды неодинаково.
В процессе эволюции выработались весьма совершенные физиологические механизмы регуляции водно-солевого обмена обеспечивающие постоянство объёма жидкостей внутренней среды организма, их осмотических и ионных показателей как наиболее стойких констант гомеостаза.
В обмене воды между кровью капилляров и тканями существенное значение имеет та доля осмотического давления крови (онкотическое давление), которая обусловлена белками плазмы. Эта доля невелика и составляет 0,03 - 0,04 стм от общего осмотического давления крови (7,6 атм), однако онкотическое давление вследствие высокой гидрофильности белков (особенно альбуминов) способствует удержанию воды в крови и играет большую роль в лимфо- и мочеобразовании, а также в перераспределении ионов между различными водными пространствами организма. Понижение онкотического давления крови может приводить к отёкам.
Существуют две функционально связанные системы, регулирующие водно-солевой гомеостаз, - антидиуретическая и антинатрийуретическая. Первая направлена на сохранение в организме воды, вторая обеспечивает постоянство содержания натрия. Эфферентным звеном каждой из этих систем являются главным образом почки, афферентная же часть включает в себе осморецепторы и волюморецепторы сосудистой системы, воспринимающие объём циркулирующей жидкости.
При повышении осмотического давления крови (из-за потери воды или избыточного поступления соли) происходит возбуждение осморецепторов, повышается выход антидиуретического гормона, усиливается реабсорбция воды почечными канальцами и снижается диурез. Одновременно возбуждаются нервные механизмы, обуславливающие возникновения жажды. При избыточном поступлении в организм воды образование и выделение антидиуретического гормона резко снижается, что приводит к уменьшению обратного всасывания воды в почках. Регуляция выделения и реабсорбции воды и натрия в значительной мере зависит так же от общего объёма циркулирующей крови и степени возбуждения волюморецепторов, существование которых доказано для левого и правого предсердия, для устья лёгочных вен и некоторых артериальных стволов. Импульсы от волюморецепторов поступают в головной мозг который вызывает соответственное поведение человека - он начинает или больше пить воды или наоборот организм больше выделят воды через почки, кожу и другие выделительные системы.
Важнейшее значение в регуляции водно-солевого обмена имеют внепочечные механизмы, включающее в себя органы пищеварения и дыхания, печень, селезёнку, а также различные отделы центральной нервной системы и эндокринные железы.
Биофизический механизм экскреции Образование конечной мочи является результатом трех процессов: фильтрации, реабсорбции и секреции.
Клубочковая фильтрация. Образование мочи в почках начинается с фильтрации плазмы крови в почечных клубочках. На пути фильтрации воды и низкомолекулярных компонентов плазмы имеют место три барьера: эндотелий капилляров клубочка; базальная мембрана; эпителий капсулы клубочка. При нормальной скорости кровотока крупные молекулы белка образуют барьерный слой на поверхности пор эндотелия, препятствуя прохождению через них форменных элементов и мелкодисперсных белков. Низкомолекулярные компоненты плазмы крови могут свободно достигать базальной мембраны, которая является одной из важнейших составных частей фильтрующей мембраны клубочка. Поры базальной мембраны ограничивают прохождение молекул в зависимости от их размера, формы и заряда. Отрицательно заряженная стенка пор затрудняет прохождение молекул с одноименным зарядом и ограничивается прохождение молекул размером более 4-5 им. Последним барьером на пути фильтруемых веществ является эпителий капсулы клубочка, который образован эпителиальными клетками - подоцитами. Подоциты имеют отростки ("ножки"), которыми они прикрепляются к базальной мембране. Пространство между "ножками" подоцитов перегораживается щелевыми мембранами, которые ограничивают прохождение альбуминов и других молекул с большой молекулярной массой. Такой многослойный фильтр обеспечивает сохранение форменных элементов и белков в крови, и образование практически безбелкового ультрафильтрата - первичной мочи.
Основной силой, обеспечивающей фильтрацию в почечных клубочках, является гидростатическое давление крови в капиллярах клубочка. Эффективное фильтрационное давление, от которого зависит скорость клубочковой фильтрации, определяется разностью между гидростатическим давлением крови в капиллярах клубочка (70 мм рт.ст.) и противодействующими ему факторами - онкотическим давлением белков плазмы (30 мм рт.ст.) и гидростатическим давлением ультрафильтрата в капсуле клубочка (20 мм рт.ст.). Следовательно, эффективное фильтрационное давление равно 20 мм рт.ст. (70-30-20).
Канальцевая реабсорбция. Под реабсорбцией понимают обратное всасывание из первичной мочи в кровь воды и некоторых веществ, необходимых для организма. В почках человека за сутки образуется 150-180 л фильтрата или первичной мочи. Конечной или вторичной мочи выделяется 1,0-1,5 л, остальная жидкая часть всасывается в канальцах и собирательных трубках. Обратное всасывание различных веществ осуществляется за счет активного и пассивного транспорта. Если вещество реабсорбируется против концентрационного и электрохимического градиента (т. е. с затратой энергии), то такой процесс называется активным транспортом. Различают первично-активный и вторично-активный транспорт. Первично-активным транспортом называется перенос веществ против электрохимического градиента, который осуществляется за счет энергии клеточного метаболизма. Примером такого вида транспорта является перенос ионов натрия, который происходит при участии фермента натрий-калий АТФ-азы, использующей энергию АТФ. Вторично-активным транспортом называется перенос веществ против концентрационного градиента, но без затраты на него энергии клетки. С помощью такого механизма происходит реабсорбция глюкозы и аминокислот. Эти органические вещества из просвета канальца входят в клетку стенки капилляра с помощью специального переносчика. Пассивный транспорт веществ осуществляется без непосредственной (прямой) затраты энергии и характеризуется тем, что перенос веществ происходит но электрохимическому, концентрационному и осмотическому градиенту. За счет пассивного транспорта реабсорбируются: вода, углекислый газ, мочевина, хлориды.Реабсорбция веществ в различных отделах нефрона неодинакова. В проксимальном сегменте нефрона из ультрафильтрата в обычных условиях полностью реабсорбируются глюкоза, аминокислоты, витамины, белки, микроэлементы, значительное количество натрия и хлора и многие другие вещества. В последующих отделах нефрона реабсорбируются только ионы и вода Большое значение в реабсорбции воды и ионов натрия, а также в механизмах концентрирования мочи имеет функционирование поворотно-противоточной системы, главным функциональным элементом которой является петля нефрона. Петля нефрона имеет два колена - нисходящее и восходящее. Эпителий восходящего колена обладает способностью активно переносить ионы натрия в межклеточную жидкость, но стенка этого отдела петли нефрона почти непроницаема для воды. Эпителий нисходящего колена пропускает воду, но не имеет механизмов активного транспорта ионов натрия. Проходя через нисходящий отдел петли нефрона и отдавая воду, первичная моча становится более концентрированной. Реабсорбция воды происходит пассивно за счет того, что в восходящем отделе петли нефрона происходит активная реабсорбция ионов натрия, которые поступая в межклеточную жидкость, повышают в ней осмотическое давление и тем самым способствуют реабсорбции воды из нисходящего колена петли нефрона. Реабсорбция воды приводит к повышению концентрации мочи в петле нефрона, что облегчает переход ионов натрия в межклеточную жидкость. Т.о., в петле нефрона происходит реабсорбция большого количества воды и ионов натрия. В дистальных отделах канальцев осуществляется дальнейшее всасывание воды, ионов натрия, калия и других веществ. Величина реабсорбции зависит от многих факторов как внутрипочечных, так и внепочечных.
Канальцевая секреция. Канальцевая секреция выражается в том, что эпителиальные клетки нефрона захватывают некоторые вещества из крови и интерстициальной жидкости и переносят их в просвет канальцев. Секреция позволяет быстро экскретировать органические кислоты, основания и ионы. Клетки почечных канальцев способны секретировать некоторые неорганические вещества, например, ионы калия, секреция которых происходит в дистальных отделах канальцев и в собирательных трубках. Другой вариант канальцевой секреции заключается в выделении в просвет канальца новых веществ, синтезированных в клетках нефрона. Так, в клетках почечных канальцев синтезируется гиппуровая кислота из бензойной кислоты,и гликокола. В клетках канальцев при дезаминировании аминокислот из аминогрупп образуется аммиак, который экскретируется в просвет канальцев.В почках образуются некоторые вещества, поступающие в кровь - ренин, простагландины, глюкоза, образующаяся при глюконеогенезе в почке и др.
Гомеостатическая функция почек
Роль почек в осморегуляции и волюморегуляции. Почки являются основным органом в осморегуляции. При избыточном содержании воды в организме (гипергидратации) происходит снижение осмотического давления крови. Это приводит к уменьшению активности центральных осморецепторов, расположенных в области супраоптического ядра гипоталамуса, а также периферических, локализованных в сосудах, печени, почках, селезенке и ряде других органов. Это сопровождается снижением выделения АДГ из нейрогипофиза в кровь, что приводит к увеличению выделения гипотонической мочи. Так, почки способствуют освобождению организма от избытка воды. При обезвоживании организма (дегидратации) осмотическое давление крови повышается, возбуждаются осморецепторы, что сопровождается усилением секреции АДГ. Это приводит к увеличению реабсорбции воды, диурез уменьшается, причем, выделяется осмотически концентрированная моча.Секреция АДГ возрастает не только при раздражении осморецепторов, но и специфических натриорецепторов. Уровень секреций АДГ зависит не только от возбуждений, идущих от осмо- и натриорецепторов, но и от активности волюморецепторов, реагирующих на изменение объема внутрисосудистой и внеклеточной жидкости. Ведущая роль в регуляции секреции АДГ принадлежит волюморецепторам, реагирующим на изменение напряжения сосудистой стенки. Например, импульсы от волюморецепторов левого предсердия поступают в ЦНС по афферентным волокнам блуждающего нерва. При увеличении кровенаполнения левого предсердия волюморецепторы активируются, что приводит к угнетению секреции АДГ и мочеотделение усиливается. Увеличение объема внеклеточной жидкости и количества циркулирующей крови приводят к возрастанию притока крови к сердцу. Это сопровождается растяжением стенки предсердия и стимуляцией волюмррецепторов, что приводит к секреции из клеток предсердия атриального натрийуретического пептида. Этот гормон усиливает выделение ионов натрия и воды почкой.
Роль почек в регуляции ионного состава крови
При увеличении объема циркулирующей крови и повышении объема внеклеточной жидкости в организме резко увеличивается выработка натрийуретического гормона, что приводит к угнетению реабсорбции натрия и, следовательно, усиленному его выведению.Выделение калия тесно связано с кислотно-основным равновесием. Алкалоз сопровождается усилением выделения калия с мочой, а ацидоз - его уменьшением. Гормон альдостерон усиливает выделение калия с мочой, а гормон инсулин - уменьшает.
Паратгормон паращитовидных желез увеличивает реабсорбцию кальция в почечных канальцах и способствует извлечению кальция из костей, что приводит к повышению концентрации кальция в крови. Гормон щитовидной железы тирокальцитонин способствует экскреции кальция почками и переходу ионов кальция в кости, что приводит снижению концентрации кальция в крови.
В почечных канальцах регулируется также уровень реабсорбции магния, хлора, сульфатов и др.
Участие почек в регуляции кислотно-основного равновесия В поддержании кислотно-основного равновесия крови почки играют важную роль, экскретируя кислые продукты обмена и реабсорбируя щелочные. Активная реакция мочи у человека может изменяться от 4,5 до 8,0. Это и обеспечивает участие почек в поддержании рН плазмы крови на уровне 7,36. Механизм закисления мочи основан на секреции клетками канальцев в их просвет ионов водорода.
При белковом питании, когда образуется много кислот, моча становится кислой, а при потреблении растительной пищи рН мочи сдвигается в щелочную сторону. При интенсивной мышечной работе в кровь поступает большое количество молочной и фосфорных кислот и почки в этих условиях резко увеличивают выделение кислых продуктов.
**** Ион водорода активно секретируется с затратой энергии через апикальную мембрану клетки эпителия в просвет канальца, а из канальцевой мочи в клетку диффундирует ион натрия, обеспечивая равновесие электрических разрядов. Из клетки, уже через базальную мембрану Na+ активно с помощью Na-К-насоса удаляется в интерстиций и кровь, туда же пассивно по градиенту концентрации поступает НС03~, образуя бикарбонат натрия. Следовательно, секреция Н-ионов обеспечивает обратное всасывание бикарбоната и натрия. Причем основная часть секретируемых ионов водорода тратится именно на обеспечение реабсорбции бикарбоната. Так, секретируемый Н+-ион в просвете проксимального канальца взаимодействует с профильтровавшимся в мочу из плазмы ионом бикарбоната (в сутки около 5000 ммоль), образуя угольную кислоту. Под влиянием фермента карбангидразы, встроенного в мембрану щеточной каемки клеток эпителия канальца, угольная кислота разлагается на С02 и воду.
Наибольшая часть секретированных канальцами Н-ионов (65-75%) участвуют в процессе аммониогенеза, обеспечивающего выведение анионов сильных неорганических и органических кислот, в виде аммонийных солей. Клетки проксимальных и дистальных почечных канальцев, благодаря процессам дезаминирования и дезамидирования аминокислот, образуют аммиак. Основным источником является глутамин, который дезаминируется под влиянием фермента глутаминазы, 40% аммиака образуется из аминокислот аланина и глицина. Аммиак, благодаря высокой растворимости в липидах, легко диффундирует в просвет канальца, где присоединяет секретированные Н-ионы и образует ион аммония: NH3 + Н+—»NH4+. Ионы аммония вытесняют натрий из соединений с анионами сильных кислот, натрий реабсорбируется, а анионы кислот в виде аммонийных солей выделяются с мочой.
Содержащиеся в крови кислые и щелочные компоненты буферных систем фильтруются из плазмы крови в первичную мочу. Часть из них реабсорбируется в проксимальных канальцах, особенно существенно бикарбонат (до 80-90%), мочевая кислота (более 90%). Но наряду с обратным всасыванием, многие из указанных веществ, особенно органические кислоты и основания (холин), активно секретируются клетками канальцевого эпителия. Таким образом, уровень этих веществ в моче определяется соотношением трех основных процессов: клубочковой фильтрации, реабсорбции и секреции в канальцах.
В клетках эпителия дистальных отделов нефрона кроме секреции водородных ионов происходит секреция ионов К+, при этом ионы Н+ и К+ конкурируют в обмене на Na+. В связи с этим выведение калия и протона может изменяться противоположно друг другу. Так, при избытке водородных ионов секреция калия снижается, а при недостатке — возрастает. Напротив, избыток К снижает секрецию водородных ионов, а недостаток К повышает ее. Недостаток калия стимулирует и синтез аммиака в эпителиальных клетках канальцев для выведения избытка Н-ионов в виде аммонийных солей. Однако, секреция протонов и калия связана с транспортом натрия и меняется пропорционально сдвигам реабсорбции натрия. При снижении дистальной реабсорбции натрия соответственно снижается секреция Н+ и К+ ионов, напротив, усиление всасывания натрия в дистальных канальцах приводит к повышению секреции калия и водородных ионов.
Интегративные механизмы регуляции водно-солевого обмена
Водно-солевой гомеостазис является одной из важнейших характеристик внутренней среды организма. От состояния водно-солевого обмена зависят фундаментальные свойства клеток и тканей (энергетический и пластический метаболизм, возбудимость, проводимость и сократимость, секреторная способность и т.п.) и, соответственно, функции практически всех физиологических систем. Основные характеристики водно-солевого обмена — количество поступающих в организм жидкости и солей, объемы внеклеточных и внутриклеточных водных пространств, содержание в них отдельных электролитов и осмотическое давление, наконец, выделение воды и солей почками — имеют взаимосвязанные комплексные механизмы регуляции. Эти механизмы легко проследить на примерах изменения приема жидкости или ее потерь, сдвигов баланса натрия и калия, изменения объема крови.
Ограничение приема воды (рис. 12.4) приводит к дегидратации внутренней среды организма, при этом имеет место повышение осмотического давления плазмы крови и внеклеточной жидкости, что дало основание именовать этот вид дегидратации гипертонической или истинной. Повышение осмотического давления плазмы крови вызывает перераспределение жидкости и электролитов между кровью, внеклеточной жидкостью и лимфой, а также между внеклеточной и внутриклеточной средой направленное на нормализацию сдвига осмотического давления. Начальные механизмы регуляции заключаются в буферировании белками и эритроцитами катионов; образовании с ними сложных химических соединений, с измененными осмотическими свойствами и гидрофильностью; диффузии осмотически активных веществ из крови в тканевую жидкость и лимфу; осмотическом токе воды в противоположном направлении; усилении всасывания воды в кишечнике и т.п. При небольших физиологических уровнях дегидратации этих механизмов бывает достаточно для обеспечения водно-солевого гомеостазиса.
Рис. 12.4. Гомеостатическая
регуляция водно-солевого обмена при
дефиците воды и дегидратации.
Повышенное осмотическое давление жидкостей внутренней среды раздражает осморецепторы, приводя к формированию осморегулирующих рефлексов и жажды.
Осмо и натрийрегулирующие рефлексы увеличивают нейросекрецию и содержание в крови вазопрессина и секрецию натриуретического атриопептида. Вазопрессин повышает в почках проницаемость дистальных канальцев и собирательных трубочек для воды, и она пассивно реабсорбируется по осмотическому градиенту, т.е. реализуется механизм концентрирования мочи. Вазопрессин повышает всасывание воды и в других органах — кишечнике, желчном пузыре, слюнных и пищеварительных железах. Натриуретический атриопептид, как и в меньшей степени вазопрессин, ведут к повышенному выведению натрия из крови, что устраняет увеличение осмотического давления.
Важнейшей приспособительной реакцией организма при дегидратации является жажда. Жажда — это субъективное ощущение, возникающее при абсолютном или относительном (к содержанию .натрия) дефиците воды и приводящее к поведенческой реакции приема воды. Таким образом, жажда является одной из основных биологических мотиваций (т.е. побуждений к деятельности), обеспечивающих поддержание жизнедеятельности. Формирование чувства жажды связано с возбуждением питьевого центра, локализованного в структурах гипоталамуса и лимбики. Возбуждение центра обусловлено несколькими причинами.
Во-первых, при повышении осмотического давления крови и внеклеточной жидкости, уровня натрия в них, происходит раздражение центральных и периферических осморецепторов и рефлекторное возбуждение центра.
Во-вторых, возбуждение центра и возникновение жажды имеет место и при уменьшении объема циркулирующей крови без сдвига осмотического давления. В этом случае ее формирование обусловлено двумя механизмами: 1) волюморефлексом от волюморецепторов правого предсердия и полых вен, возникающим в ответ на уменьшение растяжения этих областей низкого давления сниженным объ¬емом крови; 2) уменьшенный объем крови ведет к активации юкстагломерулярного аппарата почек и секреции ренина, что увеличивает в крови уровень ангиотензина-II. Ангиотензин-II — один из мощных дипсогенных (от греческого dipsa — жажда) факторов, стимулирующий структуры субфорникального органа межуточного мозга, который является частью питьевого центра.
В-третьих, в механизме возбуждения питьевого центра и генезе жажды играют роль образуемые в самой, мозговой ткани нейропептиды. Повышение концентрации натрия в крови при дегидратации влечет за собой образование в мозговой ткани натриуретического пептида, подобного атриопептиду, также относящегося к дипсогенным факторам. Дипсогенными являются и образуемые в мозговой ткани ангиотензин-II, окситоцин и вазопрессин.
Выраженное и продолжительное ограничение приема воды — водное голодание — ведет к выходу жидкости из клеток во внеклеточную среду и формированию состояния дегидратации клеток, что вызывает тяжелые расстройства, особенно со стороны центральной нервной системы, клетки которой чувствительны к сдвигам водно-солевого гомеостазиса. Как правило вместе с водой из клеток выходит К+, что еще более усугубляет расстройства деятельности нервной системы и других возбудимых тканей.
Избыточные потери воды (при гипервентиляции легких, обильном потоотделении при тяжелой физической работе и высокой температуре среды) также ведут к гипертонической гипергидратации, поскольку при этом потери воды намного превышают потерю электролитов (главным образом, натрия). Формирующиеся при этом интегративные механизмы регуляции водно-солевого гомеостазиса аналогичны описанным выше при дефиците приема жидкости. При рвоте и поносах происходит потеря жидкости изотоничной плазме крови, т.е. теряется не только вода, но и содержащиеся в ней электролиты, преимущественно натрий и хлориды. Такая дегидратация носит название изотонической и для нее характерен истинный дефицит натрия в организме. Изотоническая дегидратация сопровождается обязательным уменьшением объема циркулирующей плазмы и крови, что определяет формирование приспособительных реакций: повышается нейросекреция вазопрессина за счет рефлекса с волюморецепторов предсердий и полых вен (что активирует реабсорбцию воды в почках), усиливается секреция ренина и повышается в крови содержание ангиотензина и альдостерона (что поддерживает сосудистый тонус и вызывает активацию реабсорбции натрия в дистальных канальцах почек). Поскольку при изотонической дегидратации осмотическое давление внеклеточной и внутриклеточной жидкости не меняется, жажда может отсутствовать.
При умеренных физиологических объемах выпиваемой воды (рис.12.5), еще до поступления ее из желудочно-кишечного тракта в кровь системной циркуляции, снижение осмотического давления слюны и химуса воспринимаются рецепторами ротовой полости и пищеварительного тракта, а всасывающаяся в кровь воротной вены вода уменьшает концентрацию натрия и осмотическое давление крови поступающей в печень, где этот сдвиг воспринимается соответствующими осмо- и натриорецепторами. Возникающее при их раздражении рефлекторное (в том числе и условнорефлекторное) подавление нейросекреции вазопрессина, и нарастание мочеобразования происходят вскоре после приема жидкости. Таким образом, вовлечение систем интегративного контроля водно-солевого баланса начинается еще до сдвигов уровня натрия и осмотического давления в крови системной циркуляции, поэтому в физиологических условиях рефлекторная стимуляция почечной экскреции воды и натрия ограничивает увеличение объема крови из-за всасывания выпитой воды.
Рис.12.5. Гомеостатическая
регуляция водно-солевого обмена при
избытке воды и гипергидратации
Избыточный прием воды или введение гипотонических растворов в кровь (рис. 12.5) ведут к гипергидратации, уменьшению осмотического давления и концентрации натрия в плазме. Следствием этого является подавление нейросекреции вазопрессина, в почках стенки дистальных канальцев и собирательных трубочек остаются непроницаемыми для воды. В то же время, поскольку реабсорбция натрия сохраняется, почки выделяют большие количества гипотоничной мочи и избыток воды удаляется из крови. В отсутствии вазопрессина мочевина не реабсорбируется в собирательных трубочках, что снижает осмолярность интерстиция мозгового вещества почек и тем самым также ослабляет реабсорбцию воды. Если описанные механизмы регуляции не обеспечивают выведение объемов воды, адекватных ее поступившему количеству, устанавливается положительный водный баланс, вода задерживается в организме. Задержка воды в крови (гидремия) снижает ее осмотическое давление и вода выходит в ткани — формируются отеки.