7.6. Физико-химические основы водно-электролитного баланса в организме

Биомасса Земли на ¾ состоит из воды. Содержание воды в организмах составляет примерно половину от количества воды во всех реках Земного шара. У разных организмов, и особенно в различных тканях, содержание воды колеблется в широких пределах: так, в биожидкостях (цитозоль, пасока деревьев, кровь, лимфа, гемолимфа) содержится от 88 до 99 % воды, тогда как в древесине растений или костной ткани животных - 20-24 %. Чем моложе организм, тем выше в нем содержание воды.

Содержание воды в организме взрослого человека составля­ет в среднем 60 % массы тела, колеблясь от 45 % (у тучных пожилых людей) до 70 % (у молодых мужчин), что составляет примерно 40 л. Большая часть - ²/з воды, около 27 л, находит­ся внутри клеток. Внеклеточная вода составляет 1/з от общей воды - 13 л, из них примерно 4,5 л приходится на внутрисосудистые жидкости (кровь - 3 л, лимфа - 1,5 л), а 8,5 л - на межклеточную жидкость, называемую интерстициальной. Интерстициальная жидкость - система наиболее подвижная и из­меняющая свой объем при избытке или недостатке воды в теле. Эта водная система внутренней среды организма контактирует с внешней средой с помощью различных физиологических сис­тем, обеспечивающих не только обмен метаболитами, но и ре­гуляцию этих процессов (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Схема водно-электролитного баланса организма человека

В течение суток в организм человека поступает с питьем около 1,2 л воды, с пищей - примерно 1 л, около 300 мл воды образуется при окислении метаболитов. При нормальном водном балансе у здорового человека столько же воды (около 2,5 л) выделяется из организма: почками (1-1,5 л), с калом (5О-20О мл), по­средством испарения кожей (0,5-1 л) и легкими (около 400 мл). Вся вода организма обновляется примерно через месяц, а вода внеклеточной жидкости - за неделю. Это свидетельствует о боль­шой интенсивности протекающих обменных процессов. Система регуляции водного баланса обеспечивает два основных гомеостатических процесса: во-первых, поддержание постоянства общего объема жидкости в организме и, во-вторых, оптимальное распределение воды между указанными водными системами.

В организме большая часть молекул воды находится в свя­занном состоянии за счет гидратации ионов, молекул органиче­ских соединений и биополимеров, различных ассоциатов и ми­целл (разд. 6.1). Кроме того, вода входит в состав различных клеточных органелл: рибосом, митохондрий, лизосом, меж- и внутриклеточных мембран. По мнению автора, именно вода участвует в качестве основного и самого динамичного компо­нента в формировании жидкокристаллического состояния соот­ветствующих биосубстратов и тем самым способствует созданию подвижных внутри- и межклеточных структур. Благодаря это­му достигается характерная для живого тонкая упорядочен­ность процессов в клетке и в организме в целом. Например, от насыщения водой рибосом зависит поддержание их структуры и способность осуществлять белковый синтез, от степени набухания митохондрий - интенсивность протекающего в них про­цесса окислительного фосфорилирования и т. п. По образному выражению А. Сент-Дьёрдьи, вода в организме является дина­мичной "матрицей жизни".

Избыточное поступление и образование воды при неадек­ватно малом ее выделении из организма приводит к накопле­нию воды, этот сдвиг водного баланса называется гипергидра­тацией. При гипергидратации вода накапливается в основном в интерстициальной (межклеточной) жидкости. При этом ее осмотическое давление становится ниже, чем внутри клеток, которые поглощают воду, набухают, и осмотическое давление в них тоже снижается.

Недостаточное поступление и образование воды или чрезмерно большое ее выделение из организма приводят к уменьшению содержания воды, прежде всего в интерстициальной жидкости, что называется дегидратацией и сопровождается высасыванием воды из клеток, пока их осмотическое давление не станет рав­ным осмотическому давлению в межклеточном пространстве.

Большую роль в регуляции водного баланса играет баланс электролитов и полиэлектролитов (белков), которые обеспечива­ют определенную величину осмотического и онкотического дав­ления в биожидкостях, тем самым влияя на обмен молекулами воды между ними. Основные минеральные и органические ионы организма и их содержание в водных системах приведены в табл. 7.4. Лимфа по составу и содержанию минеральных ионов близка к плазме крови, но из-за повышенного содержания гидрокарбонат-иона НСОз основность лимфы выше: рН = 8,4-9,2. Осмотическое давление лимфы близко к осмотическому давле­нию плазмы крови, а онкотическое - существенно ниже из-за меньшей концентрации в ней белков (6-14 моль/л).

Минеральные ионы поступают в организм с пищей и пить­ем, а гидрокарбонат-анион НСО3-, органические ионы и белки в основном являются продуктами обмена веществ. Для поддер­жания электролитного баланса и соответственно жизнедеятель­ности организм в сутки должен в среднем получать (моль): ка­тионов натрия - 400, катионов калия - 100, анионов хлора - 200, фосфат-анионов - 25, катионов кальция - 30, катионов маг­ния - 10, органических анионов - 230 (табл. 7.4). В табл. 7.4 также указано, каким путем и в каком количестве эти ионы выделяются из организма.

Анализируя ионный состав биожидкостей человека (табл. 7.5), прежде всего необходимо обратить внимание на небольшое раз­нообразие ионов и на то, что они содержат больше всего из ка­тионов Na⁺ и К⁺, а из анионов - Причем во внеклеточных жидкостях преобладают катионы Na+ и анионы Сl-, а во внутриклеточной - катионы К⁺ и анионы Другая важная особенность биожидкостей оргавизма в том, что в межклеточных жидкостях преобладают частицы с положительной гидратацией, а во внутриклеточной - частицы с отрицательной гидратацией (разд. 6.1). Это, по мне­нию автора, связано с тем, что внутри клетки вода гидратирует кроме указанных частиц еще и клеточные органеллы, что зна­чительно повышает содержание структурированной воды внут­ри клетки. По-видимому, для нормального функционирования организма в биожидкостях должны поддерживаться определен­ные соотношения: "связанная" вода/"свободная" вода и "струк­турированная" вода/"деструктурированная" вода, которые для внутриклеточной жидкости должны быть больше, чем для меж­клеточной, чтобы обеспечить тургор клетки. Указанные соотно­шения в биожидкостях поддерживаются в основном за счет оп­ределенного соотношения в них частиц с положительной и отри­цательной гидратацией. Кроме влияния на структуру водной среды в организме электролиты выполняют еще ряд функций.

Катионы натрия и анионы хлора поддерживают осмотиче­ское давление внеклеточных жидкостей, а катионы калия и фосфат-анионы - внутриклеточной жидкости. Изменение уров­ня содержания этих ионов неизбежно влечет за собой сдвиг осмотического давления в системе и в результате - объема жид­кости в ней. Регуляция водного обмена в организме за счет концентрации ионов в основном происходит на уровне интерстициальной жидкости, где изменяется содержание катионов Na⁺. Уменьшение концентрации катионов Na⁺ в интерстициальной жидкости способствует перемещению воды в клетки, а увеличение их содержания вызывает выход воды из клеток.

Содержание белков в биожидкостях определяет онкотическое давление, которое в совокупности с гидростатическим и гидродинамическим давлением в системах регулирует перерас­пределение воды между ними (разд. 6.4.2), обеспечивая под­держание водного гомеостаза.

Катионы натрия, калия, кальция и анионы хлора участвуют в процессах возбуждения нервных клеток и проводимости нерв­ных волокон (разд. 24.6).

Катионы кальция и фосфат-анионы являются основными компонентами костной ткани (разд. 11.4). Катионы кальция (ионизованный кальций) влияют на проницаемость мембран, свертывание крови и сокращение мышц.

Катионы магния являются в основном внутриклеточными катионами. Они входят в состав более 300 разных ферментов, обеспечивая их активность. Они способствуют синтезу белков, уменьшают возбудимость нервно-мышечной системы, сократи­мость миокарда и глазных мышц.

Анионы слабых кислот НС0₃-, НР0₃-2 = Н₂Р04- и ионы бел­ков участвуют в регуляции кислотно-основного равновесия ор­ганизма, входя в состав буферных систем (разд. 8.5). Кроме того, гидрокарбонат-анион является транспортной формой для удале­ния С0₂ - продукта тканевого дыхания. Фосфаты - необходимый компонент нуклеиновых кислот, фосфолипидов, макроэргических соединений (АТФ) и костной ткани. Водно-электролитный баланс поддерживается в организме не только замечет определенного состава внутри- и межклеточных жидкостей, но и за счет физико-химических процессов (гидрата­ция, диффузия, осмос, проницаемость мембран), а также в ре­зультате физиологических процессов: поступления компонентов в организм, перераспределения и депонирования их в клетках и межклеточных жидкостях и выделения из организма, которые рассматриваются в курсах физиологии. Благодаря водно-элек­тролитному балансу, по-видимому, поддерживаются на необхо­димом уровне структурно-информационные свойства внутри- и межклеточных водных систем (разд. 6.1) и тем самым обеспечи­вается гомеостаз организма.