Методические аспекты измерения осмолярности

Методы основаны на измерении разницы между температурой замерзания биологической жидкости и воды или на расчете суммарного количества осмолей катионов и анионов. Установлено, что растворы с осмолярной концентрацией 1 осмоль замерзают при температуре на 1,84 градуса ниже, чем вода (криоскопическая константа). Криоскопические осмометры приборы, определяющие точку замерзания раствора. Осмолярность любой жидкости может быть рассчитана на основании криоскопической величины:

мосмолярность = (криоскопическая величина/1,84) х 1000.

Криоскопическая величина плазмы составляет 0,55 градуса, что соответствует 300 мосмолям.

Осмолярность мочи, как правило, в 3,4-4,2 раза выше, чем у плазмы.

Если не удается непосредственно определить Осмолярность мочи, то для расчета осмолярности по относительной плотности используется соотношение, приведенное в таблице 10. Однако этим соотношением можно пользоваться, когда в моче отсутствует белок, глюкоза и кетоны.

Обмен электролитов

В организме минеральные вещества содержатся в виде растворенных солей, в нерастворенном виде, часть связана с белками и другими органическими соединениями. Минеральные вещества поддерживают осмотическое давление жидкостей организма, участвуют в формировании электрических характеристик клеток и внутриклеточных компартментов, регулируют кислотно-щелочное соотношение, участвуют в распределении воды в организме, являются необходимым структурным компонентом костей и других тканей, определяют работу мышц, свертывание крови, регулируют активность ферментов и выполняют ряд других важнейших функций. Поддержание ионного баланса между клетками и внеклеточным пространством является важнейшим параметром гомеостаза. Для этой цели по разным оценкам клетки используют от 10 до 20 % образующейся в них энергии.

Распределение ионов в организме

Распределение ионов между клеткой и внеклеточным пространством представлено в таблице 11.

Таблица 11.

Распределение ионов между вне- и внутриклеточным пространством в ммолях/л воды

Ион	Плазма	Внеклеточная жидкость	Внутриклеточная жидкость эритроцит скелетная мышца
Калий	4,5	4,0	99	150
Натрий	142	145	23	10
Кальций	2,5	2,1	0,025	0,01
Магний	1,0	1,1	0,8	13
Хлор	103	116	54	15

Распределение ионов неравномерное. Для легко проникающих через клеточную мембрану ионов K⁺ и СГ распределение в условиях равновесия устанавливается согласно уравнению Доннана. В значительной степени оно зависит от присутствия непроникающих через клеточную мембрану полиэлектролитов, в частности, белков. Кроме доннановского равновесия на распределение ионов влияет мембранный потенциал клеток. В сердечной мышце мембранный потенциал кардиомиоцитов в состоянии покоя составляет примерно 70 мВ. В этих клетках в покое в фазу диастолы распределение К описывается уравнением Нернста для равновесных состояний:

Е = (RT/F) ln К⁺_i / К⁺₀ – уравнение Нернста,

где Е - мембранный потенциал, R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, К⁺_i - концентрация К⁺ внутри клетки, К⁺₀ - концентрация К⁺ вне клетки.

Если решить это уравнение, подставив в него концентрации ионов К⁺ из таблицы 11, то окажется, что К⁺ является основным потенциалообразующим катионом в организме. Градиент К⁺ между клеткой и внеклеточной средой обеспечивается величиной мембранного потенциала. К⁺ как бы «заперт» в клетке клеточным потенциалом. Ион К⁺ имеет заряд "+", снаружи клеточная мембрана то же имеет "+", однородные заряды отталкиваются (рис. 9).

Рис.9. Равновесное состояние для ионов К. Градиент концентрации K⁺ между клеткой и внеклеточной средой уравновешен мембранным потенциалом со знаком «-» внутри и «+» снаружи клеточной мембраны. Заряженный положительно ион K⁺ «заперт» в клетке электрическим зарядом.

Иное состояние для иона Na⁺ , концентрация которого выше во внеклеточной среде, чем в клетке. Градиент концентрации и мембранный потенциал будут совместно способствовать входу Na⁺ в клетки. Для поддержания внутри- и внеклеточного градиента ионов Na⁺ используется энергия АТФ, которая обеспечивает работу "Na⁺"-насоса или Na⁺-помпы, представленной на клеточной мембране Na,K-ATФазой. Именно работа Na,K-ATФазы по удалению Na⁺ из клетки и внесение взамен К⁺ (возможно сопряжение с переносом других катионов, в частности, иона Н⁺ или анионов Cl^- и других) обеспечивает внутри- и внеклеточный градиент для ионов Na⁺ (рис.10).

Рис. 10. Градиент концентрации между клеткой и внеклеточной средой достигается за счет активной работы Na,K-ATФазы по удалению Na⁺ из клетки против градиента концентрации.

Несмотря на активную работу Na-насоса, градиент концентрации для Na⁺ возможно удерживать только в том случае, если клеточная мембрана для Na⁺ будет барьером, препятствующим его свободному входу в клетку. Действительно мембрана большинства клеток в организме человека плохо проницаема для иона Na⁺. Это связано в первую очередь с существующей вокруг Na⁺ гидратной оболочкой. На рисунке 11 представлена модель взаимодействия Na⁺ и К⁺ с диполями воды в растворе.

Несмотря на то, что молекулярный радиус Na⁺ меньше, чем К⁺ из-за образования вокруг Na⁺ устойчивой водной оболочки эффективный его радиус в водном растворе существенно больше, чем у К⁺ вокруг которого водная рубашка рыхлая и практически нет устойчивого взаимодействия. Поэтому для гидрофильного иона Na⁺ фосфолипидная клеточная мембрана представляет значительный барьер, для К⁺ который легко сбрасывает водную оболочку клеточная мембрана свободно проницаема.

Рис.11.

А - Схематическое изображение размеров молекулы воды и катионов Na⁺ и К⁺ (А – размерность в ангстремах = 10^–10 м)

Б – Сольватация ионов Na⁺ полярными молекулами воды и катион К⁺, у которого отсутствует гидратная оболочка.

Таким образом, ион К⁺ является основным в организме потенциалообразующим ионом. От его распределения между клетками и внеклеточной средой зависят электрофизиологические свойства – проводимость, возбудимость, автоматия, нервно-мышечная передача. Ион Na⁺ тесно связан с обменом воды в организме, это основной ион, который ответственен за реабсорбцию воды в почках, объем внутриклеточного пространства, его распределение в значительной мере определяет развитие отеков и дегидратацию.