Водно-электролитный обмен и его нарушения : руководство для врачей

Вода - незаменимый, обязательный компонент функционирования любой биологической системы, составляющие которой в той или иной степени зависимы от химических и физических свойств как отдельных молекул воды, так и образуемых ими надмолекулярных структур. Содержание базовых биохимических и физиологических процессов, их количественный аспект (например, освобождение энергии в реакциях биологического окисления) требуют точных знаний химического состава молекулы воды, закономерностей ее образования.

Впервые разложение воды на водород и кислород электрическим током выполнили в 1800 г. английские ученые У. Николсон и А. Корлайль. Однако более определенные данные по химическому составу воды были получены несколько позже, в 1805 г., Ж.Л. Гей-Люсаком и А. Гумбольтом, показавшими, что для ее образования необходимы два объема водорода и один объем кислорода. Позднее Ж.Б. Дюма (1843) нашел точные весовые отношения между водородом и кислородом в молекуле воды. Химический символ воды Н₂О был принят на конгрессе химиков в Карлсруэ в 1860 г. В 1931 г. Г. Юри сделал сообщение об открытии тяжелого изотопа водорода ^[3] - дейтерия (D). В 1933 г. два американских ученых Г. Льюис и Р. Макдональд впервые выделили из природной воды практически чистую дейтериевую воду - D₂О. Воду, состоящую из дейтерия и кислорода, стали называть тяжелой водой. После открытия сверхтяжелого изотопа водорода трития (Т) была обнаружена сверхтяжелая вода. В 1980-е годы искусственно были получены изотопы водорода терций (⁴ Н) и квинтий (⁵ Н). С учетом существования различных изотопов кислорода возможно образование 48 разновидностей воды, из которых 39 радиоактивны и всего лишь 9 стабильны. Разновидности воды с изотопами водорода терцием (⁴ Н) и квинтием (⁵ Н) в природе не встречаются. В физиологических процессах используется только одна ее разновидность - протиевая вода (Н₂ О).

Многообразие свойств воды и необычность их проявления в значительной степени определяются физическими свойствами молекулы воды. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены относительно друг друга так, что образуют равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных - вследствие недостатка электронной плотности у ядер водорода - протонов. Такие особенности сочетания группировки атомов в молекуле воды с распределением заряда позволили говорить о ней как о биполярной частице, или диполе воды (рис. 1).

Благодаря упорядоченным по месту избыточным зарядам молекулы воды способны связываться между собой в относительно устойчивую надмолекулярную структуру (рис. 2).

На основании результатов изучения структур, образуемых взаимодействующими молекулами воды в различных условиях, сделаны выводы об их способности формировать микрокристаллы. Микрокристалл из молекул воды похож на фигуру, которая возникает при растяжении куба за два противоположных угла. Куб принимает форму ромбовидного многоугольника. Микрокристалл из молекул воды имеет размеры 2×2×3 нм. В обычном, жидком состоянии при температуре от 0 до 100 °C вода состоит из таких или подобных структурных элементов, в каждом из которых содержится 912 молекул. Микрокристаллы воды, в свою очередь, объединены в более крупные образования - ячейки размером 0,5 мкм (микрометр - тысячная доля миллиметра), которые можно видеть в контрастно-фазовом микроскопе.

Микрокристаллическая структура воды претерпевает определенные трансформации в растворе, то есть при внесении в воду различных веществ, вступающих c ее молекулами в физико-химические взаимодействия. Структурные элементы из молекул воды в цитоплазме клеток (внутриклеточный раствор), исследованные в определенных условиях, напоминают снежинку и получили название кластеров. Вопрос о том, являются ли кластеры универсальной структурной единицей организации воды в клетках и внутренней среде организма, остается открытым.

Трансформации микрокристаллической структуры воды в растворе возникают при физических и физико-химических воздействиях - инфракрасном, рентгеновском облучении, воздействии ультра- и инфразвуком, изменении редокс-потенциала, концентрации ионов водорода, электролитов, различных органических соединений.

В биологических растворах (цитоплазма, интерстициальная жидкость, лимфа, плазма крови и др.) редокс-потенциал, рН, концентрации электролитов и ряда органических соединений являются постоянными контролируемыми величинами, что указывает на свойственную биологическим растворам определенную структурную организацию молекул воды. Если учесть, что микрокристаллическая структура воды предопределяет четкий порядок перемещения ее молекул между клеточными структурами, клеточными структурами и внеклеточной средой, внеклеточной средой и внешней средой, постоянные контролируемые параметры биологических растворов поддерживают, в свою очередь, устойчивый характер этого обмена. Перемещение молекул в растворе позволяет им реализовать в биологических системах целый ряд свойств, определяющих функции воды в организме.

В частности, молекулы воды, точнее, ее диполи, способны взаимодействовать не только между собой, но и с молекулами и атомами других веществ и соединений. Под воздействием диполей воды на поверхности погруженных в нее веществ межатомные и межмолекулярные силы ослабевают в 80 раз. Столь сильное влияние на межмолекулярные и межатомные взаимодействия других веществ, присущее только воде, объясняет ее способность быть универсальным растворителем, «помогая» контактирующим с ней молекулам распадаться на ионы (например, различным солям - NaCl ↔ Na⁺ + Cl^- ), сама вода проявляет большую устойчивость. Из 1 млрд молекул воды диссоциированными при комнатной температуре оказываются лишь две. Вода сама химически не изменяется под действием большинства тех соединений, которые она растворяет, а также не изменяет их. Это характеризует ее как инертный растворитель, что важно для живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их клеткам питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно устойчивом виде.

Определенные свойства как отдельных молекул воды, так и надмолекулярных образований лежат в основе физиологических функций воды в организме.

Вода выполняет в организме следующие физиологические функции ^[4] :

Поступая в организм человека извне, в основном через желудочно-кишечный тракт, молекулы воды пребывают в постоянном движении. Они перемещаются в составе растворов в обособленные мембранами пространства, в итоге покидая организм через канальцевую систему почек, различные железы внешней секреции, легкие, кишечник (рис. 3).

Перемещение молекул воды из одного пространства в другое, включая и поступление извне через желудочно-кишечный тракт, и удаление через канальцевую систему почек, различные железы внешней секреции, межклеточные контакты, тесно сопряжено с перемещением электролитов, являющихся неотъемлемыми компонентами водных растворов организма. К электролитам относят молекулы солей, кислот, оснований, органических соединений, которые в водном растворе в той или иной степени ионизированы. В зависимости от характера ионизации электролиты делят на катионы и анионы.

Важнейшие тестируемые индикаторные катионы внутренней среды организма - ионы натрия (Na⁺ ), калия (K⁺ ), кальция (Ca²⁺ ) и магния (Mg²⁺ ). Тестируемым катионом является и ион водорода Н⁺ , биохимические и патобиохимические аспекты обмена которого рассматриваются отдельно вследствие его особого, относительно самостоятельного положения в биологических системах. Нарушения обмена ионов водорода предопределяют острые расстройства обмена других электролитов, тогда как обратные влияния имеют менее существенный характер.

Важнейшими тестируемыми индикаторными анионами внутренней среды организма являются ионы хлора (Cl^- ), гидрокарбоната (НСО₃ ^- ), фосфатов (НРО₄ ^2- , Н₂ РО₄ -), сульфата (SO₄ ^2- ). К анионам также относят радикалы органических кислот - ацетат, пируват, лактат, бета-гидроксибутират, ацетоацетат. Совокупность электролитов и других частиц в жидкостях внутренней среды, как и в любых других растворах, придает им свойства, не зависящие от химической природы частиц или их способности участвовать в тех или иных биохимических и физиологических процессах. Поскольку такие свойства обусловлены коллективным влиянием растворенных частиц, их принято называть коллигативными - от латинского colligatus, что означает «собирать». К числу коллигативных свойств относятся понижение давления паров над раствором, понижение температуры замерзания растворов по сравнению с растворителем, осмотическое давление. Для количественной характеристики всей суммы частиц пользуются показателем осмолярности, отражающей суммарную концентрацию частиц в 1 л воды.

Осмотическое давление раствора проявляется при разделении раствора и растворителя или растворов разной концентрации мембраной, проницаемой лишь для молекул растворителя. Осмотические силы, создаваемые разностью осмотических давлений раствора и растворителя или двух растворов, предопределяют движение молекул растворителя в сторону раствора с большей концентрацией осмотически активных частиц. Осмотическое равновесие будет достигнуто при выравнивании концентрации соли в растворах, разделенных полупроницаемой мембраной, и сопровождается увеличением объема раствора, в котором концентрация соли исходно была выше.

Структуры, разделяющие компартменты биологических растворов, обладают свойствами полупроницаемых мембран, пропускающих не только молекулы воды, но и вещества с большей молекулярной массой, за исключением белков. В этой связи для биологических растворов важной характеристикой является давление, обусловленное белками, - коллоидно-осмотическое (онкотическое). Ограниченная способность белков к перемещению в пределах компартментов внутренней среды, их различная концентрация в этих компартментах, а значит, и связанное с ними коллоидно-осмотическое давление важны для направленного движения воды в организме (подробнее см. в разделе «Осмос, тоничность, осмолярность»). Связанный с белками заряд (в биологических средах отрицательный) предопределяет характерный электролитный состав взаимосвязанных биологических растворов. Разность концентраций электролитов в жидкостных пространствах обусловлена характером взаимодействия биологических пространств организма, разделенных ограниченно проницаемыми мембранами для молекул пептидной природы - высокомолекулярных электролитов.

Концентрация белков в интерстициальной жидкости составляет 4 г/л, в лимфе - 39 г/л, в плазме - 66-80 г/л, во внутриклеточном пространстве - 150 г/л. Разность концентраций белков соответственно определяет и разность ассоциированных с ними избыточных отрицательных зарядов. А это значит, что сохранение электронейтральности растворов в жидкостных пространствах достигается перераспределением низкомолекулярных отрицательно заряженных электролитов, главным образом ионов хлора и бикарбоната (эффект Гиббса-Доннана).

Распределение и нормальное содержание электролитов в индикаторных жидкостях внутренней среды и цитоплазме клеток приведено на рис. 4.

Значительные различия в количественном распределении отдельных электролитов между внутри- и внеклеточной жидкостями обусловлены не только отличиями в способности разных ионов перемещаться между ними через биологические мембраны. Так, преобладающие во внеклеточной жидкости ионы натрия, хлора и гидрокарбоната, а во внутриклеточной - калия, магния, фосфатов и сульфата сопоставимы по способности проникать через цитоплазматическую мембрану клеток. Однако регулируемая проницаемость ионных каналов в цитоплазматической мембране в сочетании с функционирующими в ней АТФ-зависимыми транспортными механизмами противостоят стремлению различных ионов к равномерному распределению во взаимосвязанных через цитоплазматическую мембрану растворах.

Парацеллюлярный перенос электролитов всегда является пассивным процессом - это их диффузия (конвекция) через межклеточные промежутки в направлении электрохимического или концентрационного градиента. Парацеллюлярное движение электролитов посредством диффузии сочетается с их переносом межклеточным током воды (следование за растворителем) под действием осмотических или гидростатических сил. Всасывание воды и минеральных солей парацеллюлярным путем весьма существенно в проксимальных отделах кишечника, канальцевой системе почек. Движущие силы парацеллюлярного перемещения электролитов формируются в результате их трансцеллюляр-ного транспорта.

Трансцеллюлярный перенос электролитов возможен благодаря работе Na⁺ ,К⁺ -АТФазы, функциональная активность которой тесно связана с работой ионных каналов и системой активного транспорта органических и неорганических ионов.

Na⁺ ,К⁺ -АТФаза является ключевым белком цитоплазматической мембраны всех типов клеток, осуществляющим освобождение энергии АТФ для создания электрохимического и концентрационного градиентов Na⁺ и К⁺ между внеклеточным и внутриклеточным пространствами.

В механизме трансцеллюлярного транспорта иона натрия эпителиальными клетками кишечника, равно как и другими эпителиальными клетками, в настоящее время общепринятой является двухмембранная модель активного транспорта Na⁺ , предложенная Кефед-Джонсеном и Уссингом (Koefoed-Johnsen, Ussing, 1958) и в дальнейшем модифицированная Уссингом и Виндхагером (Ussing, Windhager, 1964). Схема двух-мембранной модели Кефед-Джонсена и Уссинга представлена на рис. 5.

Транспорт натрия через эпителиальные клетки является результатом координированной активности Na⁺ ,К⁺ -АТФазы, расположенной на базолатеральной мембране, и Na⁺ -каналов, локализованных на апикальной мембране эпителиальных клеток. Na⁺ ,К⁺ -АТФаза, удаляющая натрий из клеток за счет освобождения энергии АТФ, поддерживает его низкую внутриклеточную концентрацию, что создает возможность его перемещения через натриевые каналы и систему активного транспорта апикальной мембраны в цитозоль по концентрационному градиенту.

Калий, поступающий в клетку благодаря работе Na⁺ ,К⁺ -АТФазы, удаляется по калийселективным каналам базолатеральной мембраны за счет электрохимического градиента. Вследствие процессов направленного транспорта натрия и калия в микроокружение клетки со стороны базолатеральной мембраны их количество возрастает, создавая осмотический и электрохимический градиенты относительно внеклеточного микроокружения со стороны апикальной мембраны. Осмотический и электрохимический градиенты являются движущей силой парацеллю-лярного перемещения воды и различных ионов.

Электролиты выполняют в организме следующие физиологические функции:

Индикаторными жидкостями внутренней среды, по содержанию электролитов в которых судят о сбалансированности их обмена, являются цельная кровь, плазма (сыворотка) крови, цитозоль эритроцитов. Полнота оценки обмена воды и электролитов достигается при дополнительном изучении их содержания в моче. Концентрацию электролитов в Международной системе единиц (СИ) выражают в мэкв/л и ммоль/л.

Общее количество воды в организме человека зависит от количества жировой ткани, в которой ее содержание составляет около 30%. В «обезжиренном теле» (с учетом 10% липидов, участвующих в построении морфологических структур клеток) количество воды достигает 72-73%. Наибольшее количество воды содержится в организме новорожденных, что объясняется большим внеклеточным пространством. К первому году жизни ребенка количество воды в его теле заметно снижается, прежде всего, за счет внеклеточного пространства. Количество воды на 1 кг массы тела у детей все же больше, чем у взрослых, однако на 1 м² поверхности тела содержание жидкости у детей значительно меньше. Водный обмен у детей протекает более интенсивно, чем у взрослых, у которых вся вода в организме обновляется примерно каждый месяц, а внеклеточное водное пространство - каждую неделю. У грудного ребенка время пребывания молекулы воды в организме составляет 3-5 дней. В отличие от взрослых у детей раннего возраста отмечается большая проницаемость клеточных мембран, а фиксация жидкости в клетке и межклеточных структурах более слабая. Особенно это касается межуточной ткани, так как кислые мукополисахариды основного вещества определяют прочность этой связи. К периоду полового созревания содержание воды составляет у мужчин 55-60%, у женщин - 46-55% (рис. 6). Причиной различий в содержании воды в организме мужчин и женщин является количество у них жировой ткани, на которую у мужчин приходится 12-25% массы тела, а у женщин - 25-35%; содержание воды в жировой ткани составляет 30% ее массы, что и предопределяет различия в количестве воды в организмах мужчин и женщин.

Определение общего количества воды в организме в эксперименте проводят, используя методики с оксидами дейтерия (D₂O) и трития (Т₂О). Однако этот подход неприменим в клинической практике. Величину отдельных пространств, занимаемых жидкостью, можно определять с помощью методов разведения с применением веществ, равномерно распределяющихся или во всех жидкостях организма, или только во внеклеточной жидкости (хлоридное пространство), или только в плазме крови, либо можно определить лабильную, не связанную с кислыми мукополисахаридами воду (инулиновое пространство). У ребенка объемы хлоридного и инулинового пространств почти одинаковы - 41,2 и 40% массы тела, у взрослого же они соответственно равны 26,4 и 16%, что свидетельствует о большей лабильности водного обмена у детей.

Физиологически детерминированное содержание воды в организме независимо от возраста, вида деятельности и в какой-то степени от характера заболевания позволяет в большинстве случаев использовать способ упрощенного расчета ее общего количества в организме с помощью следующего выражения:

масса тела, кг × 0,6 (мужчины)

или

масса тела, кг × 0,5 (женщины).

Половина всей воды организма находится в мышечной ткани, выполняющей функцию депо.

В целом общая масса воды в организме распределена таким образом, что 2/3 ее содержится во внутриклеточном пространстве, а 1/3 находится вне клеток (рис. 7).

В организме человека присутствует еще один компартмент, содержащий воду, но его вклад в общую структуру водного обмена организма, как правило, не рассматривается. Связан он, собственно, с биологическими мембранами. Воду, входящую в состав биологических мембран, разделяют на связанную, свободную и захваченную.

Связанная вода присутствует в мембранах клеток в виде одиночных молекул и гидратных оболочек. Одиночные молекулы располагаются в углеводородной зоне мембраны. Гидратные оболочки образуются вокруг полярных частей молекул белков и липидов. Гидратные оболочки основных структурных липидов состоят обычно из 10-12 молекул воды. Эта вода осмотически неактивна и не способна растворять какие-либо вещества.

Свободная вода характеризуется способностью совершать изотропное движение в пределах мембраны, характерное для жидкой воды. Этой фракции присуща осмотическая активность. Она может покидать пределы биологической мембраны, обмениваясь с молекулами воды внеили внутриклеточного пространства.

Вода, которая определяется в центральной части мембран между липидными бислоями, составляет фракцию захваченной воды. Захваченной воде присущи свойства свободной воды, однако она медленно обменивается с внемембранными фракциями из-за физической разобщенности.

Все фракции воды являются структурными компонентами мембран, определяя их стабильность и функциональные свойства. Вода биологических мембран не остается интактной при тех или иных видах расстройств водного обмена, однако закономерности изменений водных компонентов мембраны, их роль в нарушении функций мембран остаются практически не изученными.

Вода внутриклеточной жидкости

Вода внутриклеточной жидкости занимает в клетках пространство, предназначенное для метаболических процессов. Количество воды внутриклеточной жидкости в пересчете на массу тела в среднем составляет:

В отдельной клетке на воду приходится 75-85% ее массы. Исключением являются жировые клетки, в которых, как отмечено выше, вода составляет 30% клеточной массы. При потере некоторой части воды в клетках понижается интенсивность обмена. Активность одноклеточных и многоклеточных организмов в таких условиях очень схожа: и те и другие временно утрачивают явные признаки жизни. Такое состояние организмов называется анабиозом. Анабиоз обратим, поступление воды в клетки приводит к восстановлению их метаболической и физиологической активности и, соответственно, проявлению признаков жизнедеятельности всего организма. Значительные потери воды клетками вызывают их гибель. Однако для клетки опасны не только потери воды, но и ее избыточное поступление, которое также приводит к расстройствам ее метаболической и физиологической активности. Симптомокомплекс расстройств такого варианта обмена воды в организме определяют как «водное отравление» (подробнее см. в подразделе «Гипотоническая гипергидратация»). За исключением состояний обезвоживания и гипергидратации, количество воды во внутриклеточном пространстве физиологически детерминировано и относительно постоянно, что позволяет рассчитать его по следующей формуле:

вода внутриклеточной жидкости = = общая вода тела, л - внеклеточная вода, л.

Вода внеклеточной жидкости

Вода внеклеточной жидкости - это вода внутренней среды организма, включающая жидкую часть крови - плазму, лимфу, интерстици-альную и трансцеллюлярную жидкости. На нее приходится около 20% массы тела. Относительно массы тела эта величина физиологически детерминирована и практически постоянна, что позволяет рассчитать объем воды во внеклеточной жидкости, л, по формуле:

объем воды во внеклеточной жидкости = масса тела, кг × 0,2.

Более точно определить величину внеклеточного пространства и объем в нем воды можно, используя методики с инулином, маннитолом, тиосульфатом и другими веществами, распределяющимися только во внеклеточной жидкости. Расстройства обмена воды и электролитов в различных компартментах внеклеточного пространства развиваются по определенным законам. Их значимость для организма также различна и определяется объемом физиологической нагрузки, выполняемой биологической жидкостью компартмента.

Вода плазмы крови

Плазма крови - жидкая часть крови, освобожденная от клеточных элементов, на 90% состоящая из воды. Объем плазмы крови достаточно точно можно определить с помощью меченого альбумина. Концентрация электролитов в плазме или сыворотке также легко определяется. И эти данные помогают понять характер нарушений водного и солевого баланса.

После удаления белков из плазмы оставшийся солевой раствор обозначают как воду плазмы. Для определения воды, л, и объема плазмы, л, у здорового человека используют следующие выражения:

количество воды плазмы крови = масса тела, кг × 0,040;

объем плазмы крови = масса тела, кг × 0,043.

Из объемов плазмы и форменных элементов складывается объем крови, который равен 6-7% массы тела в зависимости от пола и телосложения в увеличивающейся пропорции от тучного до атлетического.

Вода интерстициальной жидкости

Интерстициальная жидкость - это та часть внеклеточной жидкости, которая контактирует со всеми клетками организма, она образуется вследствие фильтрации плазмы крови. Количество интерстициальной жидкости, определяемое с помощью ¹²⁵ I-альбумина или инулина, составляет 15% массы тела.

Интерстициальная жидкость макроскопически не выявляется в виде текучего раствора в обособленном полостном образовании, ее перемещение осуществляется через взаимосвязанные микропространства в межклеточном матриксе. В этой связи получить ее образец для анализа практически очень сложно. Микропространства межклеточного пространства формируются в структуре геля, образованного гидрофильными коллагеновыми (90%) и неколлагеновыми (10%) белками. Межклеточный матрикс можно сравнить с фильтром на пути веществ и соединений к клеткам. Необходимые клеткам органические и минеральные соединения: электролиты, вода, глюкоза, аминокислоты и другие вещества - проходят через микропространства такого фильтра. Однако для больших молекул, таких как белки, межклеточный матрикс является непроницаемым барьером. Клетки, включая иммуноциты, микроорганизмы, опухолевые клетки, преодолевают межклеточный матрикс, разрушая его структуру на пути своего перемещения посредством секретируемых и связанных с внешней поверхностью мембраны протеолитических ферментов.

Если поступление жидкости из сосудистого русла в межклеточное пространство ткани или органа превышает ее отток, то в ткани образуется избыток жидкости, макроскопически определяемый как отек ткани. В этом случае из отечной области микроиглой удается извлечь достаточное для анализа количество раствора.

По своему электролитному составу интерстициальная жидкость схожа с безбелковым фильтратом плазмы крови. Однако в интерстициальной жидкости повышено содержание анионов, преимущественно хлора и бикарбоната, снижено содержание катионов, преимущественно натрия. Такие особенности электролитных составов плазмы крови и интерстициальной жидкости хорошо согласуются с законом распределения электролитов между двумя растворами, связанными полупроницаемой мембраной (закон Гиббса-Доннана) (см. рис. 4).

В массе интерстициальной жидкости на электролиты приходится не более 1% вещества. Таким образом, практически всю массу интерстициальной жидкости составляет вода. Количество воды в интерстициальном пространстве представляет собой переменную величину, что особенно очевидно при водных нагрузках или недостатке воды. Так, при кровопотере и передозировке вводимой жидкости интерстициальное пространство выступает в роли объемного буфера. Поступление в организм человека объема гипотонической жидкости, в 5 раз превышающего объем крови, на практике только на 30% увеличивает объем циркулирующей жидкости. Передозировка изотонических растворов вообще в незначительной степени отражается на внутрисосудистом компартменте, влияя главным образом на величину интерстициального пространства. Потеря организмом изотонической жидкости уменьшает количество воды в интерстициальном пространстве, тогда как ее количество в циркулирующей крови останется практически без изменений.

Вода лимфатической жидкости

Лимфа (от лат. lympha - чистая вода, влага) - интерстициальная жидкость, которая после контакта с каждой клеткой через лимфатические щели поступает в лимфатические сосуды. Продвигаясь по ним, лимфа проходит через лимфатические узлы, где ее состав существенно меняется, в основном за счет поступления в нее лимфоцитов. Именно поэтому принято различать периферическую лимфу, не прошедшую ни через один лимфоузел, промежуточную лимфу, прошедшую через один-два лимфоузла на периферии, и центральную лимфу перед ее поступлением в кровь, например в грудном лимфатическом протоке. Через лимфу и кровяное русло осуществляется межклеточный обмен и удаление продуктов клеточной жизнедеятельности организма печенью, почками, железами пищеварительной системы и кожи.

В течение суток в кровяное русло здорового человека поступает от 1 до 2 л лимфы. Электролитный состав лимфы отличается от такового плазмы крови и сопоставим с интерстициальной жидкостью, что соответствует морфологическим данным о формировании этой фракции интерстициальной жидкости и ее функции. Удельное содержание воды в лимфе меньше, чем в интерстициальной жидкости, что обусловлено спектром физиологических функций, выполняемых лимфой в различных органах и организме в целом.

Лимфа выполняет следующие функции или участвует в их реализации:

Содержание белка в лимфе колеблется в зависимости от ее источника. Лимфа шейных протоков содержит около 3% белка, подкожная лимфа - 0,25%, а в лимфе печени количество белка достигает 6%. Отношение количества альбуминов к количеству глобулинов в лимфе, как правило, значительно выше, чем в плазме; обычно оно варьирует от 3:1 до 5:1. Лимфа также содержит фибриноген и протромбин, что обеспечивает ее способность к медленному свертыванию.

Таким образом, высокомолекулярные компоненты лимфы, клеточные элементы ее состава являются теми составляющими, которые уменьшают удельное содержание воды в этой фракции внеклеточной жидкости.

Вода цереброспинальной жидкости

Цереброспинальная жидкость (ликвор) находится в желудочках головного мозга, субарахноидальном пространстве головного и спинного мозга; по механизму образования и составу она близка к интер-стициальной жидкости. Количество ликвора в боковых желудочках - 20-30 мл; в III и IV желудочках - 3-5 мл; в подпаутинном пространстве головного мозга - 20-30 мл; в подпаутинном пространстве спинного мозга - 50-70 мл. Суммарный объем ликвора у взрослого человека составляет около 120-140 мл.

Ликвор постоянно обновляется со скоростью 0,2-0,8 мл/мин. При максимальной скорости секреции ликвора его вновь образованное количество в сутки составляет 1150-1200 мл, что означает более чем семикратное обновление этой фракции трансцеллюлярной жидкости. Однако это количество не является предельной величиной. При хирургическом дренировании за этот же промежуток времени можно получить несколько литров ликвора.

Ликвор является промежуточной средой для обмена веществ между частью нервных клеток и кровью. Он транспортирует питательные вещества от хориоидальных кровеносных сосудов к нервным клеткам, которые обменивают их на продукты собственного метаболизма, и далее ликвор возвращается в кровь сосудов поясничной области. Основная часть клеток центральной нервной системы получает питательные вещества через кровеносные сосуды.

Состав цереброспинальной жидкости свидетельствует о том, что она в основном является ультрафильтратом плазмы. Жидкость, взятая из поясничной области, большой цистерны или желудочков, всегда находится в осмотическом равновесии с плазмой и содержит от 15 до 40 мг белка в 100 мл; отношение концентраций альбуминов и глобулинов равно 4, липиды плазмы отсутствуют. Состав ряда физиологически значимых катионов и анионов цереброспинальной жидкости приведен в табл. 1.

Вода трансцеллюлярных жидкостей

Трансцеллюлярные жидкости находятся в различных полостях организма, имеют отличия между собой и плазмой крови по электролитному составу, количеству осмотически активных частиц, образуются посредством ультрафильтрации, диффузии и секреции. В зависимости от места локализации различают синовиальную жидкость (заполняет полости суставов), водянистую влагу (заполняет переднюю камеру глаза) и некоторые другие. В норме суммарный объем этих жидкостей составляет 2,4-3,0% массы тела (1,5-2,0 л у человека массой 70 кг).

Трансцеллюлярные жидкости являются частью внутренней среды организма и обеспечивают постоянные условия для выполнения физиологических функций определенными группами клеток.

Водянистая влага

Водянистая влага заполняет переднюю камеру глаза, поддерживает необходимый уровень внутриглазного давления и питает лишенные сосудов роговицу и хрусталик. Ее объем в человеческом глазу составляет приблизительно 0,25 мл. В норме водянистая влага имеет низкое содержание белка - около 0,05 г в 100 мл. Отношение концентрации альбуминов к концентрации глобулинов обычно бывает того же порядка, что и в плазме крови обследуемого пациента. Концентрации способных к диффузии веществ не отличаются значительно от таковых в плазме крови, однако концентрация аскорбиновой кислоты в водянистой влаге выше в 20 раз.

Водянистая влага секретируется цилиарным телом, попадает в переднюю камеру из задней камеры глаза и удаляется через канал Шлемма. Опыты с изотопами показали, что обмен воды за минуту соответствует обмену ~ 20 об.% водянистой влаги. Это обновление (особенно электролитов) происходит главным образом путем обменной диффузии со стекловидным телом, радужной оболочкой, цилиарной мышцей, а также с роговицей и хрусталиком во время прохождения жидкости через глаз. Закрытие выводных каналов для жидкости повышает внутриглазное давление, приводя к глаукоме.

Если удалить нормальную водянистую влагу, передняя камера быстро заполняется жидкостью, называемой плазмоидной водянистой влагой. Эта жидкость содержит большие количества белка, и при повторении такого цикла жидкость, заполняющая переднюю камеру, постепенно становится неотличимой от плазмы.

Задняя камера глаза заполнена стекловидной влагой, состав которой характеризуется присутствием заполняющего коллагеновую матрицу геля (стекловидное тело) гиалуроновой кислоты, секретируемой сетчаткой. Обмен растворенных веществ между стекловидным телом и кровью осуществляется через сетчатку; частично такой обмен происходит и с водянистой влагой в передней камере глаза. Наряду с обменом путем диффузии имеет место активный транспорт ряда ионов.

Вода синовиальной жидкости

Вода синовиальной жидкости заполняет полости суставов. Относительная плотность синовиальной жидкости составляет 1,010- 1,015 г/мл. В спектре электролитов в синовиальной жидкости определяются Na⁺ , Сl^- , она содержит также протеогликаны, образуемые клетками синовиальной оболочки. В норме рН синовиальной жидкости составляет 7,3-7,4, ее удельная плотность приблизительно равна 1,010, а содержание белка - около 1%; отношение количества альбуминов к количеству глобулинов приблизительно равно 4. Фибриноген отсутствует. Концентрация небелковых азотистых соединений несколько ниже, чем в плазме; липиды обычно отсутствуют, а концентрация глюкозы изменчива. Присутствие гиалуроновой кислоты - около 0,85 г на 100 мл - обусловливает высокую вязкость синовиальной жидкости; ее относительная вязкость колеблется от 50 до 200, составляя в среднем 125. При воспалительных заболеваниях суставов, и в частности при ревматоидном артрите, происходит увеличение объема суставной жидкости и содержания в ней белка. При увеличении концентрации белка в синовиальной жидкости наблюдается снижение количества и средней молекулярной массы гиалуроновой кислоты.

Между синовиальной жидкостью и плазмой происходит обмен электролитами и легко диффундирующими веществами, тогда как частицы большего размера могут выйти из внутрисуставного пространства только по лимфатическим сосудам.

Гетерогенный характер внеклеточной жидкости предопределил выделение той ее фракции, в которой сопоставимы скорости обмена воды. В эту фракцию объединяют воду плазмы и часть воды интер-стициальной жидкости, обозначив ее как физиологически активный объем; он составляет 15% массы тела, тогда как содержание воды всей внеклеточной жидкости достигает 20%.

Внеклеточная жидкость обменивается с клетками и внешней средой своими компонентами, включающими воду и электролиты. В основе обмена воды и электролитов между компартментами организма и между компартментами и внешней средой лежат как биохимические, АТФ-зависимые механизмы активного транспорта, так и физико-химические процессы, среди которых одним из ключевых составляющих является осмос.

Осмосом, как отмечено выше, называется процесс самопроизвольного перехода растворителя (воды) через полупроницаемую мембрану в раствор или из раствора с меньшей концентрацией растворенного вещества в более концентрированный раствор (рис. 8).

Полупроницаемыми мембранами по отношению к водным растворам могут быть как структуры растительного и животного происхождения (стенки кишечника, мочевого пузыря, кровеносных сосудов), так и искусственно полученные материалы (пленка коллодия, целлофан, пергамент). Такие мембраны обладают свойством свободно пропускать молекулы только одного компонента раствора - растворителя и задерживать молекулы растворенного вещества. Способность раствора вызывать движение воды в клетку или из нее называют тоничностью.

Осмолярность является количественной мерой осмотических свойств раствора. Осмолярность показывает суммарную концентрацию осмотически активных частиц в 1 л раствора. Если осмотические свойства раствора количественно выражают через осмоляльность, то это означает, что концентрация осмотически активных частиц дана на 1 кг растворителя.

При осмосе скорость диффузии молекул растворителя через мембрану в прямом и обратном направлениях зависит от следующих причин:

Со временем вследствие уменьшения разности концентраций растворителя в разделенных частях системы и появления избыточного гидростатического давления со стороны раствора скорость диффузии растворителя будет изменяться. Это приведет к наступлению в системе состояния динамического равновесия, характеризующегося равенством скоростей диффузии молекул растворителя через мембрану в обоих направлениях. Стремление к выравниванию концентраций приводит к тому, что начинается «всасывание» растворителя раствором. Всасывающая сила (на единицу площади) называется осмотическим давлением (P_осм). Осмотическое давление раствора равно тому внешнему давлению, которое необходимо приложить к раствору, чтобы предотвратить осмос. Поскольку значения осмотического давления, выраженные в мм рт.ст., неудобны для клинической практики, их выражают в единицах осмоляльности - концентрации растворенных частиц в единице массы растворителя.

В общем случае осмотическое давление вычисляют по формуле Я. Вант-Гоффа:

Р_осм= C× R× T,

где P_осм - осмотическое давление, атм. или кПа; C - концентрация, моль/кг растворителя; R - универсальная газовая постоянная; T - температура, K.

Однако это уравнение справедливо только для идеальных растворов, в которых отсутствуют взаимодействия частиц. В реальных же растворах имеют место взаимодействия между молекулами вещества и растворителя, которые могут приводить или к диссоциации молекул растворенного вещества на ионы, или к ассоциации молекул вещества с образованием ассоциатов.

Для учета межмолекулярных взаимодействий в реальных растворах Я. Вант-Гофф предложил изотонический коэффициент i, отражающий отношение числа частиц, образовавшихся в растворе, к числу исходных частиц вещества. Для водных растворов электролитов вследствие диссоциации i >1, причем максимальное значение для данного электролита равно числу ионов в его молекуле. Для растворов неэлектролитов, молекулы которых мало склонны к ассоциации, i = 1. Для растворов, в которых вещество находится в виде ассоциатов, i <1. С учетом изотонического коэффициента формула Я. Вант-Гоффа принимает следующий вид:

Р_осм = i × C × R × T.

Если осмотическое давление у растворов одинаковое, то они называются изоосмотическими (изотоническими), и между ними происходит равновесный обмен растворителем. В случае контакта растворов с различным осмотическим давлением гиперосмолярным (гипертоническим) будет раствор, у которого осмотическое давление больше, а гипоосмолярным (гипотоническим) - раствор с меньшим осмотическим давлением. Гиперосмолярный раствор всегда будет всасывать растворитель из гипоосмолярного вследствие стремления к выравниванию концентрации вещества за счет перераспределения растворителя между контактирующими растворами.

При приготовлении физиологических растворов необходимо учитывать осмотическую активность, и поэтому их концентрацию выражают через осмолярную или осмоляльную концентрацию. Осмолярность плазмы и клетки составляет 285-295 мосмоль/л. На клеточное осмотическое давление влияет интенсивность обмена веществ. При распаде больших молекул осмолярность повышается, при синтезе - снижается.

Осмотические взаимоотношения ответственны за распределение воды в различных жидкостных биосредах организма. Так, гипотонический раствор натрия хлорида вызывает набухание эритроцитов, гипертонический, наоборот, приводит к их сморщиванию (рис. 9).

Изменение объема клеток обусловлено разнонаправленным движением воды через клеточные мембраны в гипертоническом и гипотоническом растворах. Ключевую роль как в осмолярности, так и в тоничности плазмы крови играет натрий. В этой связи его называют осмотически эффективным веществом. Напротив, мочевина, присутствующая в плазме в относительно высоких концентрациях, является осмотически неэффективным веществом. Она влияет на осмолярность плазмы крови, но практически не сказывается на ее тоничности, так как легко преодолевает клеточные мембраны по градиенту концентрации благодаря присутствию транспортера. По этой причине мочевина слабо влияет на движение воды из внеклеточного пространства во внутриклеточное.

Доля осмотического давления крови, обусловленная белками, называется онкотическим давлением и составляет 0,03-0,04 атм (или 2,94- 3,92 кПа). Оно играет важную роль в процессах всасывания жидкостей из тканей в кровеносные сосуды.

Коллоидно-осмотическое давление

Коллоидно-осмотическое, или онкотическое, давление отражает участие белков в осмолярности. Поскольку белковые молекулы имеют большие размеры, то число их частиц на единицу массы мало. Коллоидно-осмотическое давление белков плазмы крови равно 1,6 мосмоль/л, что составляет 0,55% общей осмолярности плазмы. Наибольший вклад в онкотическое давление белков плазмы крови вносит альбумин (рис. 10).

Поскольку размер молекул альбуминов меньше размера молекул глобулинов, любое определенное количество альбумина содержит больше молекул, обусловливая большее онкотическое давление, чем глобулины с аналогичной относительной молекулярной массой.

Онкотическое давление имеет большое значение, регулируя на уровне капилляров распределение внеклеточной жидкости между интерстициальным и васкулярным пространствами (рис. 11).

Падение содержания альбумина в плазме приводит к выравниванию онкотического и гидростатического давлений в венулярной части капилляра (рис. 12), что способствует формированию гипопротеинемических так называемых голодных отеков.

Для количественного описания осмотических свойств растворов в лабораторной практике используют показатели измеренной осмоляльности, расчетной осмоляльности, осмотического промежутка, корригированной осмоляльности (изложено в разделе «Расчетный метод определения осмоляльности»).

Гомеостаз воды в организме складывается из процессов ее поступления, образования в метаболических реакциях, депонирования и выделения, проходящих одновременно, взаимосвязанных и характеризуемых физиологически адекватной интенсивностью. Суточная потребность в воде для человека составляет 2,0-2,5 л. Основная часть потребляемой воды поступает в организм с питьем и пищевыми продуктами. Особенно богаты водой овощи и фрукты. В условиях физиологического комфорта основное количество воды удаляется через почки, около 5% воды - с кишечным содержимым, и значительную часть составляют неощутимые потери воды через кожу и легкие (рис. 13).

Основным депо воды в организме являются мышцы и печень, а также кожа. Эксперименты с тяжелой водой показали, что каждая молекула воды задерживается в организме на срок до 9 сут.

Поступление воды в организм

Вода, потребляемая со смешанной пищей и напитками (около 2000 мл), всасывается совместно с водой секретов желез желудочно-кишечного тракта (около 9000 мл) преимущественно в подвздошном и толстом отделах кишечника. С каловыми массами у здорового человека выделяется не более 5% общего ее количества, выводимого из организма (рис. 14).

В дополнение к воде, поступающей с напитками и пищевыми продуктами, до 300-600 мл воды в сутки образуется в процессах окисления липидов, белков и углеводов. Так, при полном окислении 100 г липидов образуется 107 мл воды. Из соответствующих количеств углеводов и белков при окислении получается 55 и 41 мл Н₂ О соответственно. В среднем на каждые 100 кал образуется 12 мл Н₂ О. Таким образом, суммарное количество вновь поступающей и образующейся воды при окислении компонентов смешанной пищи с освобождением энергии, эквивалентной 3000 ккал, составляет от 2,0 до 2,5 л.

Выделение воды из организма

При водном балансе в течение суток из организма выделяется вода в количестве, соответствующем количеству принимаемой жидкости. Минимальный объем жидкости, необходимый для выделения продуктов обмена из организма (примерно 10% или 1000 мл объема внеклеточной жидкости), называется облигатной потерей жидкости. В облигатные потери жидкости входят 50% воды, удаляемой почками с максимально концентрированной мочой, 13% воды, удаляемой легкими, 5% воды, удаляемой кишечником, и остальная ее часть, удаляемая кожей.

Почечные процессы выделения воды. Две почки взрослого человека имеют массу около 300 г (менее 0,5% массы тела), однако из-за относительно низкого сопротивления сосудов через почечные артерии поступает 1200 мл крови в минуту, что составляет 20-25% сердечного выброса в условиях покоя. Приблизительно 93% всей крови поступает в кору почки (объем коры составляет 73% общего почечного объема), 6% снабжает наружное мозговое вещество и 1% - внутреннее мозговое вещество. Скорость кровотока достигает 500 мл/мин на 100 г массы коры почки, в наружном мозговом веществе - 100 мл/мин, а во внутреннем - 25 мл/мин на 100 г его массы. За 24 ч почечный плазмоток превышает 1000 л. Клубочки из этого количества плазмы фильтруют около 180 л канальцевой жидкости - первичной мочи, 1% которой выводится из организма, а остальное количество реабсорбируется. Активный и пассивный транспорт электролитов в различных отделах канальцевой системы создает условия для пассивной реабсорбции воды из канальцевой жидкости по осмотическому градиенту (рис. 15).

Вода перемещается из канальцевой жидкости в интерстициальное пространство трансцеллюлярно через специфические белковые водные поры, получившие название аквапорины. Аквапорины, обнаруженные в мембранах клеток канальцевого эпителия человека, имеют близкую молекулярную массу (в среднем около 30 кДа), сходны по аминокислотному составу (гомология 30-40%). Функционально активная форма аквапорина представляет собой тетрамер, имеющий четыре поры для воды радиусом 0,16-0,21 нм. Типы аквапоринов, их локализация в тканях человека и функциональное назначение приведены в табл. 2.

Примечание: * - аквапорины представлены в соответствии с новой номенклатурой, по которой они обозначаются аббревиатурой AQP и соответствующим номером, в скобках приведены синонимы.

Осмотический градиент в проксимальной части почечного канальца между жидкостями просвета канальца и компартментов корково-медуллярного вещества обеспечивается активным транспортом натрия (две трети фильтруемых соединений натрия собирается в этой части канальца в виде NaCl - 70%, и NaHCO₃ - 30%) и других осмотически активных частиц, включающих 80% бикарбоната, 96,5% глюкозы, практически 100% фосфата, сульфата и различных органических соединений. Свой вклад в формирование осмотического градиента вносит онкотическое давление в перитубулярной капиллярной сети.

Стенка почечного канальца проксимального отдела благодаря аквапоринам проницаема для воды, следующей за осмотически активными частицами в почечный интерстиций.

Учитывая, что вода в проксимальной части почечного канальца перемещается вместе с осмотически активными частицами, ее реабсорбция является изоосмотической. К концу проксимального канальца из первичной мочи реабсорбируется 60-65% воды. Изоосмотическую реабсорбцию воды в проксимальном канальце называют облигатной. Регуляция этого процесса носит опосредованный характер, а количество реабсорбируемой воды определяется количеством реабсорбируемых осмотически активных частиц. На протяжении всего проксимального канальца осмолярность канальцевой жидкости в значительной степени зависит от концентрации натрия. Именно поэтому факторы, регулирующие реабсорбцию натрия, влияют и на количество реабсорбируемой воды в этой части канальца. В почечном канальце проксимальная часть является единственным местом, где присутствует одномоментная реабсорбция воды и осмотически активных частиц. Механизм изоосмотической реабсорбции воды соответствует закономерностям клубочково-канальцевого равновесия, при котором обеспечивается пропорциональная зависимость между количествами фильтруемой в почечном клубочке и реабсорбируемой в проксимальном почечном канальце воды. Иными словами, чем больше количество фильтруемой жидкости, тем выше уровень ее реабсорбции в проксимальной части канальца.

В последующих сегментах почечного канальца (нисходящая часть петли Генле, дистальный отдел), собирательной трубочки процессы реабсорбции воды и осмотически активных частиц разобщены, однако вода реабсорбируется из канальцевой жидкости в соответствующие компартменты почечного интерстиция только при наличии осмотического градиента (см. рис. 15).

Так, стенка нисходящего отдела петли Генле, как и проксимального канальца, проницаема для воды, однако в ней практически отсутствует реабсорбция осмотически активных частиц, за исключением небольших количеств мочевины. Напротив, стенка восходящей части петли Генле непроницаема для воды, но процессы активного транспорта осуществляют реабсорбцию растворенных веществ с высокой скоростью. Вследствие этого связующий нисходящее и восходящее колено петли Генле почечный интерстиций (включающий и внутрисосудистый компартмент) оказывается гиперосмолярным по отношению к канальцевой жидкости нисходящей части петли Генле (см. рис. 15), из которой и происходит всасывание воды по осмотическому градиенту.

Процесс всасывания из противоположно направленных потоков канальцевой жидкости в коленах петли Генле получил название противоточно-возвратного механизма. В нисходящей части петли Генле всасывается около 20% отфильтрованной в клубочках воды.

Разобщение реабсорбируемых потоков воды и осмотически активных частиц еще называют образованием осмотически свободной воды. Осмолярность жидкости, выходящей из петли Генле, приблизительно равна 40 мосммоль/л, что примерно в 7 раз ниже аналогичного показателя плазмы. Осмотически свободная вода количественно составляет 15% фильтруемой клубочками жидкости.

Реабсорбция осмотически свободной воды осуществляется в дистальном канальце и собирательной трубке. Процесс находится под контролем антидиуретического гормона (см. рис. 15). Стенка дистального канальца и собирательной трубки непроницаема для воды, однако структуры клеток почечного эпителия люминальной мембраны в этой части канальца способны при действии антидиуретического гормона формировать водные поры посредством встраивания в клеточную мембрану аквапоринов AQP2, AQP4, в связи с чем реабсорбция воды носит трансцеллюлярный характер. Движущей силой реабсорбции воды является трансмембранный осмотический градиент, обеспечивающий в люминальной и базолатеральной мембранах нефроцита транспортные системы осмотически активных частиц (рис. 16).

При отсутствии эффекта антидиуретического гормона образование осмотически свободной воды продолжается в дистальном канальце и по всей длине собирательной трубки. Количество осмотически свободной воды, экскретируемой за минуту, называют клиренсом свободной воды. Этот показатель рассчитывают, исходя из представлений, что образование мочи происходит из жидкости, имеющей осмолярность, равную осмолярности плазмы крови (подробнее см. «Клинико-диагностические аспекты осмометрии»). Отрицательное значение этого показателя характеризует величину канальцевой реабсорбции осмотически свободной воды и обозначается символом Т^сн₂о. Его значение соответствует количеству реабсорбируемой почками воды, свободной от осмотически активных веществ, и составляет около 15% общего количества фильтрата.

Таким образом, почечные механизмы удаления воды из организма обеспечивают ее выделение в составе биологического раствора - мочи. Вода является основным компонентом мочи, наличие растворенных в ней веществ характеризуют такие интегративные показатели, как плотность, осмолярность, сухой остаток. Количество в составе мочи как воды, так и растворенных веществ в норме варьирует в относительно широких пределах, что и отражает на рисунке цифровой ряд каждого показателя (рис. 17).

Для удаления из организма продуктов метаболизма при хорошей концентрационной способности почек достаточно 700 мл мочи с относительной плотностью 1020-1022 г/л и осмолярностью 1000 мосм/л. Этот объем называют облигатным объемом мочи. Если бы удаление шлаков осуществлялось с изотоничной мочой (290-300 мосм/л), то для этого потребовалось бы 4 л воды. Плотность изотоничной мочи равна 1008 г/л. При объеме суточного диуреза 1320 мл осмолярность мочи равна 500 мосм/л, а относительная плотность - 1015 г/л. При физиологическом максимуме концентрационной способности почек осмолярность мочи составляет 1400 мосм/л, при объеме 500 мл и относительной плотности 1040 г/л.

Неощутимые потери воды

Неощутимые потери воды (perspiratio insensibilis aquae) складываются из выделения воды через кожу и легкие (рис. 18).

В условиях климатического комфорта неощутимые потери воды, практически свободной от осмотически активных частиц, составляют 900-1000 мл в сутки. Выдыхаемый воздух выводит воду в виде пара в количестве 400-500 мл. Специализированная жидкость - пот, выделяемый потовыми железами кожи, - при неощутимых потерях бедна органическими компонентами и натрия хлоридом. Объем выделяемой с потом воды составляет 500-600 мл. Неощутимые потери воды всегда существуют при жизни организма. Удаление воды через легкие не регулируемо и определяется лишь частотой и глубиной дыхания. Потери воды через легкие кратно возрастают при лихорадочных состояниях, их величина может доходить до 900-1400 мл.

Удаление воды с потом регулируется интенсивностью потоотделения и составом выделяемой жидкости. Удельная плотность пота колеблется в пределах 1,002-1,005 г/мл. Концентрации К⁺ , Mg²⁺ , Ca²⁺ и ряда других компонентов близки к тем, которые можно было бы ожидать на основании сведений об их концентрации в плазме. Концентрации Na⁺ и С1 в секрете потовых желез зависят от интенсивности потоотделения и определяющих его причин.

В условиях климатического комфорта потовые железы выделяют жидкость, бедную натрия хлоридом. При повышенной температуре и влажности меняется не только объем, но и солевой состав пота. Количество пота в этих условиях может достигать 3 л в час, сопровождается преимущественной потерей Na⁺ и Сl^- , концентрации которых могут достигать 75 ммоль/л. Некомпенсированная потеря значительных количеств жидкости при потоотделении может привести к гипертонической дегидратации, которая сопровождается обезвоживанием внутриклеточного и внеклеточного пространств. Солевые потери являются причиной возникающих в таких условиях судорог; их можно предотвратить включением небольшого количества поваренной соли в питьевую воду. Потери жидкости с потом лицами со старческим бессилием, пациентами, в силу различных обстоятельств не способными обслуживать себя и самостоятельно принимать адекватное количество жидкости, приводят к гипертонической дегидратации, что требует проведения соответствующих лечебных мероприятий.

Выделение натрия хлорида в большом количестве с потом имеет место не только при «ощущаемом» потоотделении, но и при кистозной болезни - врожденном заболевании, поражающем все железистые эпителиальные структуры тела или их большую часть. Концентрации натрия хлорида в жидкости, выделяемой с потом, у этих пациентов кратно превышают значения, определяемые у здоровых людей при максимальном потоотделении, и могут служить одним из диагностических признаков заболевания. При жаркой погоде у пациентов с кистозной болезнью могут возникнуть расстройства здоровья, характеризующиеся симптомами, встречающимися при остром приступе болезни Аддисона ^[5], также обусловленными потерей Na⁺ . При кистозной болезни введение раствора натрия хлорида устраняет проявления приступа.

Потовые железы способны активно концентрировать молочную кислоту, что особенно отчетливо проявляется при физической нагрузке, когда определяемые величины лактата в жидкости, выделяемой с потом, значительно превышают его концентрацию в плазме или в моче. Вследствие этого рН жидкости потовых желез может изменяться в пределах 4,5-7,5.

Удаление незначительных количеств воды в составе слезной жидкости не играет роли в водно-электролитном балансе целостного организма. Слезная жидкость увлажняет поверхность роговицы, она представляет собой смешанный секрет слезных и вспомогательных сальных желез (мейбомиевых желез). Благодаря тому что в часы бодрствования роговица контактирует с воздухом, с ее поверхности происходит постоянное испарение влаги, что приводит к концентрированию слезной жидкости. При медленном слезотечении вследствие испарения осмотическое давление жидкости примерно на 25 мосмолей превышает осмотическое давление плазмы. Если же происходит быстрое выделение слезной жидкости, то она оказывается изотонической. Такая жидкость имеет рН от 7 до 7,4. Концентрации способных к диффузии азотистых соединений и электролитов в слезной жидкости близки к таковым в плазме. Концентрация белка обычно составляет от 6 до 8 г/л, отношение альбуминов к глобулинам - около 2. Белки, находящиеся в слезной жидкости, понижают ее поверхностное натяжение, благодаря чему становится возможным увлажнение эпителиальной поверхности. Пленка жидкости, имеющая толщину около 8 мкм, устраняет микроскопическую неоднородность эпителия роговицы, обеспечивая образование совершенно гладкой поверхности, что значительно улучшает оптические свойства глаза. Эта пленка также защищает глаз от повреждения инородными частицами, такими как пыль или находящиеся в воздухе бактерии. Необычным компонентом слезы является фермент лизоцим, защищающий роговицу от инфекционных агентов, катализируя гидролиз содержащего мурамовую кислоту мукопептида, входящего в состав клеточной стенки многих находящихся в воздухе кокков.

Выделение воды через желудочно-кишечный тракт

Как отмечено выше, у практически здорового человека необходимое количество воды поступает через желудочно-кишечный тракт, тогда как ее удаление с каловыми массами составляет не более 5% того количества, которое выводится из организма.

Постоянное количество воды в организме при сбалансированном метаболизме поддерживается либо путем увеличения потребления, либо задержкой при ее недостатке, либо выделением осмотически свободной воды при ее избытке. Снижение количества воды в организме приводит к увеличению осмолярности, уменьшению объема крови и снижению почечного кровотока. Эти изменения при недостатке воды могут сочетаться.

Чувствительной сенсорной структурой, реагирующей на дефицит воды, являются осморецепторы. Для раздражения центральных (гипоталамических) и периферических (печеночных) осморецепторов достаточно увеличения омолярности крови на 2 мосм/л (менее 1%). Осморецепторный контроль количества воды в организме дополняется реакцией артериальных барорецепторов низкого давления левого предсердия и легочных вен (падение объема крови на 10-30% индуцирует их активность). Раздражение осморецепторов стимулирует чувство жажды и секрецию антидиуретического гормона (вазопрессина). Возбуждение барорецепторов низкого давления при гиповолемии также приводит к увеличению выброса вазопрессина. В последнем случае стимуляция чувства жажды осуществляется нейрогуморальными механизмами.

Вазопрессин

Вазопрессин, или антидиуретический гормон (АДГ), секретируется клетками задней доли гипофиза. По своей структуре он представляет собой олигопептид. Клетки-мишени АДГ расположены в дистальных извитых канальцах и собирательных трубках, стенка которых непроницаема для осмотически свободной воды. В отсутствие АДГ моча не концентрируется и может выделяться в объеме, превышающем 20 л/сут (несахарный диабет). Антидиуретический гормон увеличивает проницаемость клеток для осмотически свободной воды, способствует ее движению по осмотическому градиенту из просвета дистальных извитых канальцев и собирательных трубочек в интерстициальное пространство, благодаря чему объем выделяемой мочи сохраняется в пределах 0,5-1,0 л/сут (рис. 19).

Действие АДГ на клетки почечного эпителия, опосредуемое V₂ -рецепторами, проявляется в стимуляции аденилатциклазы, увеличении уровня циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и последующей активации протеинкиназы А, которая, в свою очередь, индуцирует фосфатную модификацию ряда специализированных белков. Все это приводит к слиянию соответствующих аквапоринов (см. табл. 2) с люми-нальной мембраной, что и обеспечивает трансцеллюлярное всасывание осмотически свободной воды (антидиуретическое действие, см. рис. 19).

В гладкомышечных клетках резистивных сосудов АДГ связывается с V₁ -рецепторами, что вызывает образование инозитол-1,4,5-трифосфата (ИТФ) и диацилглицерола (ДАГ), запускается каскад сигналов, приводящий к сокращению клетки (АТФ - аденозинтрифосфат, ФИФ₂ - фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат).

Помимо антидиуретического эффекта, вазопрессин, воздействуя на V₁ -рецепторы гладкомышечных клеток сосудов, индуцирует фосфолипазу С, которая катализирует гидролиз фосфоинозитол-4,5-дифосфата с образованием инозитол-1,4,5-трифосфата и диацилглицерола. Последующее фосфорилирование специализированных белков гладких мышц сосудов приводит к вазоконстрикции (см. рис. 19).

Разрушение вазопрессина происходит в почках и легких.

Другие факторы, влияющие на баланс воды

Способность влиять на механизмы обмена воды в организме присуща различным гуморальным факторам, включая минералокортикоиды, катехоламины, тиреоидные гормоны, цитокины.

Минералокортикоиды, главным образом альдостерон, способствуют увеличению общего содержания воды во внеклеточном пространстве. Эффект альдостерона опосредуется задержкой в организме натрия. Сопряженное с этим увеличение осмолярности предопределяет прирост секреции антидиуретического гормона и увеличение реабсорбции воды в дистальном канальце. Посредством альдостерона на баланс воды подобным образом реализуется действие ренин-ангиотензиновой системы (подробнее в разделе «Гомеостаз натрия»).

Катехоламины. Адреналин и норадреналин - гормоны, способные влиять преимущественно на эндогенную продукцию воды и ее неощутимые потери. Они увеличивают частоту и глубину дыхания - две основные составляющие, которые определяют увеличение потерь воды через легкие. Способность катехоламинов стимулировать секрецию потовых желез и потоотделение предопределяет увеличение неощутимых потерь через кожу. Обусловленные действием катехоламинов неощутимые потери воды значимы при лихорадочных состояниях, сопровождающихся гипертонической дегидратацией. При действии катехоламинов возрастают почечные потери воды, что обусловлено усилением работы сердца и увеличением почечной перфузии.

Эндогенная продукция воды, стимулируемая катехоламинами, связана с преобладающим окислением жирных кислот в процессах освобождения энергии (при окислении 100 г липидов образуется 107 мл эндогенной воды). Однако при действии катехоламинов преобладают потери воды и уменьшение ее общего количества, что, впрочем, компенсируется их сосудосуживающим эффектом, способностью стимулировать продукцию антидиуретического гормона и таким образом компенсировать негативное влияние на водный баланс.

Тиреоидные гормоны. Три- и тетрайодтиронин при избыточных концентрациях увеличивают преимущественно неощутимые потери воды и ее эндогенную продукцию. Способность тиреоидных гормонов увеличивать неощутимые потери воды, вероятно, определяется действием катехоламинов за счет повышения чувствительности их рецепторов. Увеличение эндогенной продукции воды при действии тиреоидных гормонов обусловлено увеличением общего обмена и сопряженного с этим образования воды в реакциях окисления. Однако, как и при действии катехоламинов, преобладают потери воды, что является условием для развития гипертонической дегидратации.

Недостаточная продукция тиреоидных гормонов (гипотиреоз) сопровождается задержкой воды в организме и формированием специфического слизевого отека, давшего название этому заболеванию, - микседема (от греч. myxa - слизь + oedema - отек). Недостаток тиреоидных гормонов сказывается на продукции внеклеточного вещества и структуре неколлагеновых белков кожи, где преобладающим становится муцин, богатый гидрофильными компонентами - гиалуроновой и хондроитинсерной кислотами. Избыток муцина в коже предопределяет связывание значительного количества воды, что придает ей припухлость. Однако при надавливании на кожу не остается ямок, и она не собирается в складки. Таким образом, при недостатке тиреоидных гормонов возрастает фракция связанной физиологически неактивной воды.

В нарушениях баланса воды условно можно выделить расстройства, обусловленные:

Нарушения регуляции обмена воды

Нарушения регуляции баланса воды могут быть обусловлены дефектом любого компонента нейрогуморальной цепочки. Наиболее изученными и хорошо диагностируемыми являются недостаточная или избыточная секреция антидиуретического гормона, механизмы дизрегуляции обмена натрия. Менее исследованы расстройства рецеп-торного аппарата и внутриклеточного звена реализации гуморального сигнала в нефроцитах.

Синдром физиологически неадекватной секреции АДГ связан обычно с эктопическим образованием гормона различными опухолями (например, опухолями легких), но может наблюдаться и при поражениях головного мозга, легочных инфекциях и гипотиреозе. Неадекватной такая секреция считается по той причине, что продукция АДГ хотя и происходит с нормальной или повышенной скоростью, в условиях гипоосмолярности вызывает устойчивую гипонатриемию и выделение гипертонической мочи.

Недостаточная секреция и (или) снижение чувствительности рецепторов к АДГ является причиной выделения больших объемов разбавленной мочи (несахарный диабет) вследствие снижения реабсорбции осмотически свободной воды.

Нейрогенная полидипсия, в принципе, неопасна для здоровья при нормальной функции почек, поскольку они способны удалять до 20 л осмотически свободной воды при компенсаторном снижении в крови уровня антидиуретического гормона.

При повышении уровня кальция в среде, омывающей слизистую поверхность канальцев, тормозится действие АДГ на перемещение воды в интерстициальное пространство (очевидно, путем экранирования соответствующих рецепторов). Подобный эффект оказывает литий, широко используемый при иммунокоррекции и при лечении больных с маниакально-депрессивным психозом.

При избыточной секреции антидиуретического гормона в организме максимально увеличено количество воды. Концентрации натрия, калия, бикарбоната, мочевой кислоты, мочевины в сыворотке крови ниже нормы. У больных наблюдаются полиурия и натрийурез, вследствие чего осмолярность мочи превышает аналогичный показатель плазмы крови.

При недостаточной секреции антидиуретического гормона суточный диурез превышает 10 л, а концентрация натрия в моче - менее 10 ммоль/л.

Другая группа расстройств водного баланса обусловлена избыточной задержкой натрия, определяемой минерало- и глюкокортикоидами. Задерживаемая вода находится преимущественно в сосудистом русле, что приводит к гипертонической болезни, требующей лечения с учетом механизма задержки воды.

Нарушения водного баланса при альдостеронизме, излечиваемом глюкокортикоидами. Это редкое наследственное заболевание, для которого характерны раннее развитие гипертензивного состояния на фоне повышения массы циркулирующей крови и внеклеточной жидкости, метаболический алкалоз и гипокалиемия. При этом активность ренина плазмы снижена, что напоминает ситуацию при первичном альдостеронизме. Концентрация альдостерона в плазме крови либо нормальна, либо повышена или даже понижена, кроме того, в моче обнаруживается значительное количество необычных стероидов с выраженной минералокортикоидной активностью - 18-гидроксикортизола и 18-оксикортизола. Введение глюкокортикоидов приводит к нормализации водного обмена и, как следствие, артериального давления (отсюда и название синдрома - альдостеронизм, излечиваемый глюкокортикоидами).

Генетические изменения при данном заболевании изучены. Установлено, что на коротком плече хромосомы 8 человека (8р) тандемно расположены два гена, кодирующие два ключевых фермента стероидогенеза - 11β-гидроксилазу (CYP11B1) и синтетазу альдостерона (CYP11B2). Первый фермент участвует в биосинтезе глюкокортикоида кортизола, а второй - минералокортикоида альдостерона, причем индукция синтеза кортизола осуществляется адренокортикотропным гормоном (АКТГ), а альдостерона - ангиотензином II. Оба гена имеют высокую степень гомологии (около 95%), что может приводить к их кроссинговеру (обмену равными по длине фрагментами). Иногда кроссинговер происходит со смещением хромосом относительно друг друга (неравный кроссинговер), и тогда образуется гибридный (химерный) ген, состоящий из части гена 11β-гидроксилазы и части гена синтетазы альдостерона.

Если ген синтетазы альдостерона соединяется с промоторной частью гена 11β-гидроксилазы, то индукция химерного гена, кодирующего фермент биосинтеза альдостерона, будет протекать под контролем АКТГ, а не ангиотензина II. Такая экспрессия химерного гена происходит эктопически - в пучковой зоне коры надпочечника, где образуется и другой фермент - 17α-гидроксилаза (CYP17). Это приводит к тому, что из глюкокортикоидных предшественников формируются 18-гидроксикортизол и 18-оксикортизол, обладающие минералокортикоидным действием. Они связываются с минералокортикоидными рецепторами почечных канальцев, вызывая задержку ионов натрия и воды, выделение ионов калия и повышение артериального давления. Это, в свою очередь, подавляет секрецию ренина.

То обстоятельство, что ключевую роль в запуске всей цепочки патологических реакций играет АКТГ, стимулирующий экспрессию химерного гена, дает возможность использовать в качестве терапевтических агентов уменьшения количества воды и, как следствие, понижения артериального давления экзогенные глюкокортикоиды, подавляющие секрецию АКТГ.

Нарушения водного баланса при кажущемся (ложном) избытке минералокортикоидов. Для данного варианта нарушения водного баланса характерно раннее увеличение массы циркулирующей крови, приводящее к увеличению артериального давления, гипокалиемия и метаболический алкалоз, развитие инсультов. Подобная картина симулирует состояние гиперминералокортицизма, однако альдостерон в плазме крови практически отсутствует.

Патогенез данного состояния связан с нарушением молекулярного механизма, определяющего тропность рецепторов минералокортикоидов только к альдостерону. Избирательность действия альдостерона на водно-солевой гомеостаз обеспечивается тем, что в клетках-мишенях при воздействии альдостерона экспрессируется ген, кодирующий фермент 11β-гидроксистероиддегидрогеназу второго типа (HSD 11β2) - КФ 1.1.1.146. Этот фермент трансформирует кортизол в кортизон, имеющий незначительное сродство к минералокортикоидным рецепторам, что делает кортизол физиологически незначимым фактором регуляции водно-солевого обмена.

Идентифицированы мутации гена, кодирующего фермент HSD 11β2, подавляющие способность фермента разрушать кортизол, который, активируя рецепторы альдостерона, инициирует механизмы задержки натрия и воды, выделение калия. Реабсорбируемый натрий подавляет выработку альдостерона, что приводит к отсутствию альдостерона в крови.

Нарушения водного баланса при врожденном повышении базовой активности минералокортикоидного рецептора. Нарушения водного баланса обусловлены спонтанным устойчивым активированным состоянием минералокортикоидного рецептора, приводящим к задержке натрия и воды и, как следствие, к повышению артериального давления, гипокалиемии и метаболическому алкалозу. Повышенная базовая активность рецептора возникает вследствие генетического дефекта, выражающегося в аминокислотной замене серина на лейцин (Ser810Leu) в связывающем стероиды домене минералокортикоидного рецептора. Следствием аминокислотной замены является конформа-ция рецептора, соответствующая его активированному состоянию. Повышение базовой активности рецептора усугубляется его дополнительной активацией альдостероном. Негативным следствием данного генетического дефекта является снижение специфичности рецептора.

Минералокортикоидный рецептор может активироваться прогестероном, в этой связи у беременных имеет место физиологически избыточная задержка воды, обусловленная дополнительной стимуляцией избыточными количествами прогестерона. Возможно, такого рода мутации лежат в основе эклампсии беременных с резким повышением артериального давления. Парадоксальным фактом является то, что спи-ронолактон (мочегонное средство) - блокатор минералокортикоидных рецепторов - в случае описанного типа генетического дефекта проявляет свойства агониста, увеличивая не выделение, а задержку воды.

Нарушения водного баланса при дефекте регуляции натриевых каналов почечных канальцев (синдром Лиддла). Задержка воды при синдроме Лиддла происходит в результате нерегулируемой реабсорбции натрия. Сопровождается гипокалиемией, метаболическим алкалозом, снижением ренина и альдостерона в плазме крови. Пациенты имеют высокие значения артериального давления.

Негативные изменения при синдроме Лиддла обусловлены генетическими дефектами эпителиального натриевого канала (ENaC) в собирательных трубках канальцевой системы почек, предопределяющими замедленную его инактивацию, что означает практически нерегулируемую задержку натрия посредством ENaC и включение механизмов задержки воды.

Количество ENaC в структуре клеточной мембраны регулируется минералокортикоидами. В отсутствие минералокортикоидов ENaC распадаются с участием специфического фермента Nedd4-2 и белка убиквитина. В присутствии минералокортикоидов процесс деградации ENaC тормозится, и увеличивается его экспрессия на мембране клеток собирательных трубок почечных канальцев. Мутации генов, кодирующих субъединицы эпителиального натриевого канала, изменяют участки внутриклеточных доменов, определяющих его сродство к ферменту Nedd4-2 и убиквитину. Это тормозит деградацию ENaC и увеличивает число натриевых каналов, что, в свою очередь, усиливает реабсорбцию натрия и задержку воды в организме.

Негативные изменения при синдроме Лиддла хорошо корректируются мочегонными препаратами - амилоридом, тиазидами, триамтереном, ингибирующими активность эпителиального натриевого канала.

Нарушения водного баланса при псевдогипоальдостеронизме 2-го типа (синдром Гордона). Синдром Гордона проявляется избыточным количеством воды в сосудистом русле, гиперкалиемией и тенденцией к нарушению кислотно-основного состояния по типу гиперхлоремического метаболического ацидоза. Задержка воды обусловлена избыточной задержкой натрия в дистальных извитых канальцах и собирательных протоках нефрона вследствие перманентно активированного состояния Na⁺ /Cl^- -котранспортера. Такое состояние Na⁺ /Cl^- -котранспортера обусловлено генетическим дефектом ряда цитоплазматических протеинкиназ WNK1 и WNK4 (сокращение от «with no К»), приводящим к проявлению неконтролируемой избыточной активности.

Эти протеинкиназы специфически экспрессируются в дистальных извитых канальцах и собирательных протоках нефрона. Избыточная и преобладающая реабсорбция ионов натрия и хлора сочетается с ограниченным выделением других электролитов вследствие стимуляции протеинкиназами различных транспортных систем собирательных трубок. Реабсорбция воды вторична, однако достаточна для значительного повышения артериального давления, поддающегося терапии тиазидными диуретиками.

Отеки

Отек - широко распространенная форма нарушения обмена воды в организме. Отеки появляются в результате увеличения количества жидкости в интерстициальном пространстве, они могут быть локализованными или генерализованными. Для обозначения некоторых форм отеков используются определенные термины, например: скопление жидкости в брюшной полости - асцит; в плевральной - гидроторакс. Тяжелый генерализованный отек носит название анасарки.

Генерализованный отек становится заметным, когда количество жидкости в интерстициальном пространстве увеличится как минимум на 2 л. Жидкость в интерстициальное пространство попадает из сосудистого русла. Одномоментно такое количество жидкости не может покинуть сосудистое русло, так как это привело бы к двукратному снижению объема крови и, соответственно, летальному исходу.

Для понимания патогенеза отеков вкратце вернемся к изложенным выше механизмам регуляции транскапиллярного обмена воды (подробнее см. подраздел «Коллоидно-осмотическое давление»). В артериальном отделе капилляров гемодинамическое давление (35-45 мм рт.ст.), «выдавливающее» плазму через стенку капилляров, выше онкотиче-ского (22-24 мм рт.ст.), удерживающего жидкость в просвете артериолы. Благодаря этому идет процесс фильтрации жидкости. В венозном отделе капилляра онкотическое давление крови несколько повышается из-за фильтрации части жидкости (24-26 мм рт.ст.), а гемодинамическое падает (10-15 мм рт.ст.). Избыточное онкотическое давление обеспечивает поступление жидкости в просвет венулы.

В норме необязательна сбалансированность объемов фильтрации и реабсорбции в кровеносных сосудах. Роль «демпфирующего» звена играют лимфатические капилляры, через которые осуществляется дополнительный отток интерстициальной жидкости в венозные сосуды.

Исходя из представлений о механизме транскапиллярного обмена воды с тканями, можно выделить определенные факторы, приводящие к развитию отека.

Гемодинамический фактор. Отек возникает вследствие повышения давления крови в венозном отделе капилляров, что уменьшает величину реабсорбции жидкости при продолжающейся ее фильтрации.

Онкотический фактор. Отек развивается вследствие либо понижения онкотического давления крови, либо повышения его в межклеточной жидкости.

Гипоонкия крови чаще всего бывает обусловлена снижением уровня белка и главным образом альбуминов.

Гипопротеинемия может возникнуть в результате:

Гипоонкия крови может быть обусловлена и диспротеинемией, в основе которой лежит нарушение нормального соотношения альбуминов и глобулинов (в норме 2:1). При этом дефицит альбуминов может возмещаться избытком глобулинов, и уровень общего белка плазмы сохраняется в пределах нормы. Учитывая, что онкотическое давление жидкости определяется количеством осмотически активных частиц, а для высокомолекулярных соединений имеет значение заряд белка, который при физиологическом значении рН максимален у альбуминов, именно уровень последних в основном определяет величину онкотического давления плазмы крови. Именно поэтому замещение дефицита альбуминов другими белками (при инфекционном процессе, аллергических реакциях) не предотвращает гипоонкии крови.

Гиперонкия межклеточной жидкости, как правило, носит локальный характер, что определяет и регионарную форму отека. Гиперонкия может возникнуть в результате:

Осмотический фактор. Отек может возникать и вследствие понижения осмотического давления крови или повышения его в межклеточной жидкости. В патогенезе отека осмотический фактор вторичен по отношению к онкотическому фактору.

Снижение капиллярного онкотического давления приводит к тому, что большее, чем в норме, количество жидкости покинет сосудистое русло и, соответственно, меньшее возвратится в него. Отток жидкости из сосудистого русла вызывает падение объема циркулирующей крови, снижение величины сердечного наполнения и выброса, уменьшение почечного перфузионного давления. Физиологической реакцией в ответ на эти изменения будет увеличение уровня антидиуретического гормона (вазопрессина) и альдостерона. Регуляторное воздействие на почки АДГ усиливает реабсорбцию осмотически свободной воды и восстанавливает объем циркулирующей крови, но снижает онкотическое давление. Количество натрия в крови возрастает, так как параллельно секреции вазопрессина секретируется альдостерон вследствие того, что в ответ на снижение почечного перфузионного давления вырабатывается ренин, увеличивающий уровень ангиотензина II, который, в свою очередь, и приводит к увеличению уровня альдостерона. Натрийсберегающий эффект альдостерона усиливается низким значением разности гидростатического и околоканальцевого онкотического давления. Совокупность произошедших изменений восстанавливает состояние, предшествующее первичному оттоку жидкости в ткани, и приводит к повторному дополнительному ее поступлению в интерстиций. Процесс многократного оттока жидкости из сосудистого русла в итоге повышает количество интерстициальной жидкости до равновесного уровня, при котором увеличению объема будет препятствовать резистентность ткани. Визуально наличие отечной жидкости становится заметным в первую очередь в областях, где резистентность ткани низкая (например, под глазами).

Задержка Na⁺ возникает вследствие расстройства его нейроэндокринной регуляции, в частности при увеличении выработки альдосте-рона. Сигналом для запуска вышеописанной цепочки взаимосвязанных изменений (альдостерон → задержка натрия → гиперосмия крови → секреция вазопрессина → задержка воды) обычно служит снижение объема циркулирующей крови. Наиболее частой причиной острого уменьшения объема циркулирующей крови является кровопотеря, и данный механизм имеет компенсаторное значение. Однако подобный сигнал возникает и при острой, и хронической сердечной недостаточности в ответ на снижение сердечного выброса. По сути, это ложный сигнал, инициирующий взаимосвязанные изменения (альдостерон → задержка натрия → гиперосмия крови → секреция вазопрессина → задержка воды → перемещение воды в ткани → гиповолемия → альдостерон-к..).

Мембраногенный фактор. Отек формируется вследствие значительного возрастания проницаемости сосудистой стенки из-за:

Повышение проницаемости стенок сосудов облегчает выход из них жидкости. При возрастании проницаемости стенок сосудов белки плазмы крови начинают выходить в ткань. Таким образом локально возникают условия для задержки жидкости и формирования локального отека.

Лимфогенный фактор. Отек возникает вследствие значительного уменьшения оттока жидкости по лимфатическим сосудам. Подобное нарушение имеет, как правило, регионарный характер и обусловлено повреждением лимфатических сосудов (воспаление, тромбоз) или лимфоузлов (воспаление, поражение паразитами). Частым вариантом таких отеков является слоновость: отек конечности (с увеличением ее до гигантских размеров), возникающий вследствие поражения регионарных узлов паразитами (филяриатоз). Отечная жидкость при этом обогащена белками, которые в норме резорбируются лимфатическими капиллярами.

Перечисленные факторы могут встречаться в отдельности либо в том или ином сочетании, в котором обычно выделяют фактор, выполняющий центральную, «организующую» роль. В связи с этим существует условное деление отеков по ведущему фактору на «гемодинамические», «осмотические», «онкотические», «мембраногенные», «лимфогенные». Так, в процессе образования локального ангионевротического отека имеют место нарушения сосудистой проницаемости, перемещение части белка в интерстиций и затрудненный отток лимфатической жидкости. По организующему фактору ангионевротический отек следует рассматривать как «мембраногенный».

Другой подход к делению отеков учитывает их распространенность, связь с пораженным органом или системой органов. В соответствии с этим подходом выделяют следующие виды отеков: «застойные» - сердечные («центральные») и венозные («периферические»); лимфатические; почечные - нефритические, нефротические; воспалительные; кахексические; аллергические; эндокринные; токсические; нейроген-ные; голодные; печеночные.

Например, типичной формой печеночного отека является асцит, образующийся вследствие затруднения оттока крови от внутренних органов при заболеваниях (поражениях) печени. Развитие асцита связано с переходом избытка жидкости из переполненных органных вен в брюшную полость. Движущей силой этого процесса является гидростатическое давление, создаваемое сосудистой стенкой и работой сердца.

Особую группу составляют идиопатические отеки, при которых задержка воды и натрия практически не связана с эффектами антидиуретического гормона и альдостерона. Не исключено, что при этих состояниях имеет место иное равновесие между натрийсберегающими и натрийуретическими регуляторными факторами. Подобное соотношение имеет место и в балансе воды.

На рис. 20 представлены ключевые составляющие патогенеза отеков, учитывающие поражения отдельных органов или системы органов.

Лабораторные исследования при отеках

Лабораторные исследования при отеках позволяют выявить в крови гипопротеинемию и гипоальбуминемию, повышенные уровни кате-холаминов, ренина, ангиотензина и альдостерона. Натрийурез при отеках, как правило, не превышает 10 ммоль/сут.

Определение количества белка, поступающего в ткани из плазмы крови (-Pt_F ) или из тканей в системный кровоток (+Pt_F ), рассчитывают по формуле, исходя из его содержания в артериальной и венозной крови:

±Pt _F = Pt_v - [100Pt _a /100 + (± V_F )],

где Pt_a = (Ht × Pt_a)/1000; Pt _v = (Ht × Pt _v )/1000; ± V_F = (Нt_a /Нt_v × 100) - 100; Pt_a - количество белка в артериальной крови, г/л; Pt_v - количество белка в венозной крови, г/л; V_F - объем фильтрационной жидкости в микроциркуляторном русле; Нt_a - гематокрит артериальной крови; Нt_v - гематокрит венозной крови.

Нарушения обмена воды и осмотически активных частиц

В зависимости от содержания жидкости в организме и осмотического давления плазмы различают шесть различных состояний, связанных с увеличением количества внеклеточной жидкости (гипергидратация) и его уменьшением (дегидратация) (рис. 21).

Реальные значения осмотического давления определяются только посредством осмометрии (например, по понижению точки замерзания раствора). В практической деятельности в качестве косвенной меры осмотического давления можно ориентироваться на концентрацию натрия в плазме, хотя его содержание далеко не всегда отражает осмолярность плазмы. Так, при сахарном диабете (гиперглюкоземия), уремии наблюдается гиперосмолярное состояние плазмы, которое не связано с повышенным содержанием натрия.

Содержание общего белка, концентрация гемоглобина в плазме, гематокрит и число эритроцитов изменяются подобным образом при каждом из рассматриваемых вариантов нарушения обмена воды (табл. 3).

Примечание: N - норма; ↑ - выше нормы; ↑↑ - существенно выше нормы; ↓ - ниже нормы; ↓↓ - существенно ниже нормы; Ср. V_эритр. - средний объем эритроцитов; Ср. C_Hb - средняя концентрация гемоглобина.

Приведенные в таблице тенденции изменения показателей при гипергидратации и дегидратации носят вспомогательный характер для выявления рассматриваемых вариантов нарушений водного обмена.

Характер изменения гематокрита артериальной и венозной крови позволяет определить потери воды в ткани (-) или ее поступление в сосудистое русло (+) на каждые 100 мл артериальной крови за время ее прохождения через микроциркуляторное русло. Расчет количества перемещаемой воды проводят по формуле:

± V_F = (Нt_a /Нt_v × 100) - 100,

где V_F - объем фильтрационной жидкости в микроциркуляторном русле; Нt_a - гематокрит артериальной крови; Нt_v - гематокрит венозной крови.

Гипергидратация

Гипергидратация - это расстройство обмена воды, характеризующееся абсолютным или преобладающим ее избытком относительно физиологически оптимального объема, занимаемого в организме, и сочетающееся с физиологически неадекватным изменением содержания осмотически активных частиц. Таким образом, характер расстройств водного обмена у пациента оценивается сочетанием избытка объема воды и концентрации осмотически активных частиц. В зависимости от их концентрации гипергидратация может быть гипертонической, изотонической и гипотонической.

Гипертоническая гипергидратация

Гипертоническая гипергидратация характеризуется избытком воды относительно физиологически оптимального ее объема, занимаемого в организме, сочетающимся с физиологически неадекватным повышением содержания осмотически активных частиц во внеклеточном пространстве. При гипертонической гипергидратации прирост количества осмотически активных частиц внеклеточного пространства не скомпенсирован поступлением извне адекватного количества воды, что делает жидкость внеклеточного пространства гипертоничной относительно клеточного содержимого. Подобное изменение осмолярности взаимосвязанных компартментов приводит к перемещению воды из клеток во внеклеточное пространство до тех пор, пока не будет достигнуто осмотическое равновесие. Таким образом, увеличение объема внеклеточной жидкости в этой ситуации сопряжено с обезвоживанием клеток и системным отеком. Гипертоническая гипергидратация может быть следствием парентерального введения изоили гипертонических солевых растворов при недостаточной функции почек, а также питья морской воды в значительных количествах. Внутриклеточная дегидратация сопровождается неадекватной потерей клетками калия. Наиболее уязвимыми в этой ситуации оказываются нервные клетки, функциональная недостаточность которых может стать причиной летального исхода.

Характерными лабораторными признаками гипертонической гипергидратации являются повышение содержания натрия (более 147 ммоль/л) и осмотического давления (выше 295 мосмоль/л) плазмы крови.

Изотоническая гипергидратация

Изотоническая гипергидратация характеризуется избытком воды относительно ее физиологически оптимального объема, занимаемого в организме, сочетающимся с физиологически нормальным содержанием осмотически активных частиц во внеклеточном пространстве. При изотонической гипергидратации страдает преимущественно внеклеточное пространство. Вариантом проявления изотонической гипергидратации является отек интерстициального пространства.

В связи с тем что осмотическое давление плазмы колеблется в пределах нормы, увеличивается лишь количество внеклеточной жидкости. Насыщенность клеток водой остается нормальной.

Избыток воды во внеклеточном пространстве в той или иной степени инициирует задержку почками натрия, что обусловлено влиянием альдостерона. При этом гиперальдостеронизм выявляется, тем не менее, только в период формирования отеков, но не в их стабильной стадии. При наличии отеков вследствие избытка воды организм не может ее использовать.

Развивающийся вторичный альдостеронизм вызывает не только высокую реабсорбцию натрия, но и повышенное выведение калия, усугубляемое применением диуретиков.

Лабораторными признаками изотонической гипергидратации являются транзиторный гиперальдостеронизм, снижение гематокрита и концентрации общего белка плазмы крови, повышение суточной экскреции натрия с мочой.

Гипотоническая гипергидратация

Гипотоническая гипергидратация характеризуется избытком воды относительно ее физиологически оптимального объема, занимаемого в организме, сочетающимся с физиологически неадекватным понижением содержания осмотически активных частиц во внеклеточном пространстве. Причинами ее возникновения являются чрезмерное введение жидкости или бессолевых растворов сахаров, особенно при нарушенной функции почек. При почечной недостаточности сначала возникает изотоническая гипергидратация. Назначение бессолевой диеты, применение диуретиков может вызвать переход ее в гипотоническую форму. Заболевания с отеками также могут сопровождаться гипотонической гипергидратацией.

Избыточное поступление воды во внеклеточное пространство без адекватного поступления осмотически активных частиц приводит к ее перемещению во внутриклеточное пространство. В этом компартмен-те в данных условиях имеется более высокое осмотическое давление.

Поступление воды во внутриклеточное пространство носит системный характер, затрагивая клетки центральной нервной системы, нарушения функций которых сопровождаются характерным симптомокомплексом, получившим название «водное отравление» ^[6].

Вследствие падения осмотического давления плазмы (ниже 285 мосмоль/л) клетки пересыщены водой, теряют калий; содержание натрия в плазме крови - менее 136 ммоль/л.

Дегидратация

Дегидратация характеризуется абсолютным или преобладающим дефицитом воды относительно ее физиологически оптимального объема, занимаемого в организме, сопряженным с физиологически неадекватным содержанием осмотически активных частиц. В этой связи характер расстройств водного обмена у пациента оценивается в сочетании избытка воды и концентрации осмотически активных частиц.

В зависимости от концентрации осмотически активных частиц дегидратация может быть гипертонической, изотонической и гипотонической. Организм легче переносит гипергидратацию, чем дегидратацию. Увеличение внеклеточного пространства вдвое и более совместимо с жизнью, а при дегидратации, как отмечено выше, острая потеря 20% воды приводит к летальному исходу.

Гипертоническая дегидратация

Гипертоническая дегидратация характеризуется абсолютным или преобладающим дефицитом воды в ее физиологически оптимальном объеме, занимаемом в организме, сочетающимся с физиологически неадекватным повышением содержания осмотически активных частиц во внеклеточном пространстве. Она возникает при применении концентрированных питательных смесей, гастроэнтерологических заболеваниях, расстройстве чувства жажды, потере гипотонической жидкости при трахеобронхитах, пневмониях, лихорадочных состояниях, сопровождаемых профузным потоотделением, водянистом кале, в поли-урической стадии острой почечной недостаточности, при несахарном диабете и осмотическом диурезе при сахарном диабете. При гипертонической дегидратации все жидкостные пространства уменьшаются. Однако большая часть воды теряется из внутриклеточного пространства, если учесть, что соотношение воды во вне- и внутриклеточном компартментах равно 1:2,5.

При лабораторных исследованиях определяются: высокая относительная плотность мочи (1030), олигоурия, осмолярность плазмы более 295 мосмоль/л, концентрация натрия превышает 147 ммоль/л. Однако повышенное содержание натрия в плазме крови не является характерным для гипертонической дегидратации и зависит от причины, вызвавшей это состояние. Так, гипертоническая дегидратация при отравлении техническими жидкостями (этиленгликоль, метанол и др.) и алкоголем не сопряжена с изменением содержания натрия в плазме крови. Концентрация натрия при этих отравлениях остается без изменения, однако осмолярность плазмы повышается вследствие осмотической активности спиртов. Значение расчетной осмоляльности в этих случаях также остается в норме, а величина осмотического промежутка превышает референтные значения.

В табл. 4 приведены соединения, которые при отравлениях чаще других приводят к нарушению осмотического равновесия, увеличивая разность между расчетной и измеренной осмоляльностью плазмы крови в зависимости от их содержания в крови.

Примечания.

* Осмоляльную разницу, обусловленную присутствием спиртов, можно определить при сравнении расчетной и измеренной осмоляльности по точке замерзания раствора. При измерении осмоляльности по точке испарения раствора вклад спиртов может быть утрачен вследствие их испарения.

** Осмоляльная разность, мОсм/л Н₂О, - разность между измеренной и расчетной осмоляльностью, мОсм/кг.

Изотоническая дегидратация

Изотоническая дегидратация характеризуется дефицитом воды в ее физиологически оптимальном объеме, занимаемом в организме, и сочетается с физиологически достаточным содержанием осмотически активных частиц во внеклеточном пространстве. Изотоническая дегидратация возникает при потере жидкости в том или ином отделе желудочно-кишечного тракта (рвота, диарея, кишечная непроходимость, фистулы кишечника). Ее причиной могут быть кровопотеря, полиурия, ожоги, прием диуретиков.

Все отделы желудочно-кишечного тракта активно секретируют воду, суммарный объем которой достигает 8 л в сутки. Объем секретов и их электролитный состав в различных отделах желудочно-кишечного тракта представлен в табл. 5.

Несмотря на активную секрецию воды в желудочно-кишечном тракте, в течение 24 ч она практически полностью реабсорбируется. Таким образом, с каловыми массами у здорового человека выделяется не более 5% общего ее количества, выводимого из организма.

В течение 24 ч выделяется около 8 л таких жидкостей, которые практически полностью подвергаются реабсорбции. Это равновесие может сдвигаться при кишечной непроходимости, когда большое количество жидкости и электролитов выводится в кишечную петлю.

При изотонической дегидратации страдает прежде всего внеклеточное пространство. Потери изотонической жидкости организмом приводят к тому, что вода интерстициального пространства перемещается в сосудистое русло вследствие преобладающего онкотического давления белков плазмы крови над онкотическим давлением, создаваемым белками межклеточного пространства. Потери воды клетками в этой ситуации незначительны в силу высокого онкотического давления, создаваемого белками внутриклеточного пространства. При отсутствии лечения изотонической дегидратации компенсаторные возможности внеклеточного пространства могут оказаться недостаточными, и тогда на первый план выходят нарушения кровообращения.

При лабораторном исследовании определяются олигоурия, повышение остаточного азота, снижение выведения натрия и хлора. Расчетная и измеренная осмоляльности соответствуют референтным значениям. Увеличение гематокрита указывает на дегидратацию. Уровень калия в плазме часто повышен. Нередко при изотонической дегидратации обнаруживаются нарушения кислотно-основного состояния. Вариант нарушений кислотно-основного состояния определяется местом потери изотонической жидкости и длительностью этого состояния:

Гипотоническая дегидратация

Гипотоническая дегидратация характеризуется дефицитом воды в ее физиологически оптимальном объеме, занимаемом в организме. Дефицит воды сочетается с пониженным содержанием осмотически активных частиц во внеклеточном пространстве. Гипотоническая дегидратация развивается при потере солей: в полиурической стадии острой почечной недостаточности, при хроническом пиелонефрите, приеме солевых слабительных средств, диете, бедной натрием, восполнении потерянной жидкости дистиллированной водой, осмотическом диурезе, например, при сахарном диабете, надпочечниковой недостаточности.

Гипотоничность плазмы и интерстициальной жидкости обусловлены преимущественной потерей натрия. Преобладающее содержание белка в клетках по сравнению с интерстициальной жидкостью способствует осмотическому перемещению воды из внеклеточной жидкости в клетки. Вследствие этого при гипотонической дегидратации внеклеточное пространство уменьшено, а клетки пересыщены водой.

При лабораторном исследовании определяются олигоурия с резким повышением остаточного азота, относительная плотность мочи большей частью понижена, выведение натрия с мочой - 0-35 ммоль/сут, концентрация натрия в плазме - менее 130 ммоль/л, осмотическое давление плазмы снижено.

Нормальная или повышенная концентрация натрия исключает гипотоническую дегидратацию, а гипонатриемия, напротив, имеет большое диагностическое значение, указывая на недостаточность продукции и (или) активности альдостерона и (или) системы ренин-ангиотензин-альдостерон. При гормональной недостаточности подобного характера нарушается активность почечных механизмов формирования фракции осмотически свободной воды и сохранения осмоляльности плазмы крови.

Дефицит солей можно разделить на три степени тяжести:

Потери натрия, приводящие к уменьшению осмоляльности плазмы крови, снижают активность сенсорного механизма секреции антидиуретического гормона, что, в свою очередь, не ограничивает выведение воды почками.

В организме человека массой 70 кг содержится около 100 г натрия ^[7] (60 ммоль/кг). При этом 40-45% общего его количества находится в костной ткани, менее 7% приходится на внутриклеточный объем, содержание во внеклеточном пространстве составляет около 50% общего количества в организме. Активно обменивается 70% натрия. Причем обмениваемый пул включает весь натрий внутриклеточной и внеклеточной жидкостей, а также часть натрия костной ткани. Баланс натрия в организме складывается из равновесия между его поступлением, участием в биохимических и физиологических процессах, депонированием и выведением. Сбалансированность натриевого обмена оценивают по его концентрации в плазме (сыворотке) крови, моче и эритроцитах. При диареях различного генеза для более объективной оценки натриевого баланса в организме необходимо определять его потери с калом.

Поступление ионов натрия

Принятый с пищей натрий легко всасывается в желудочно-кишечном тракте. Процесс всасывания начинается в желудке, однако основное количество натрия всасывается в тонкой кишке. Из гипотонических растворов натрий всасывается быстрее. Всасывание натрия осуществляется парацеллюлярно - пассивной диффузией и трансцел-люлярно - активным транспортом, который является определяющим в обмене как натрия, так и других электролитов (рис. 22).

Параллельно процессу всасывания парацеллюлярно происходит выделение натрия в просвет кишечника из крови пассивной диффузией, а также со слюной и кишечными соками. Секретируемый тем или иным путем ион натрия повторно всасывается в кровь. Выведение натрия через кишечник при сбалансированном метаболизме не превышает 2-3% его общего количества, удаляемого из организма.

Распределение ионов натрия в организме

Средние значения содержания натрия в некоторых тканях тела человека представлены в табл. 6.

Референтные интервалы

Референтные интервалы для натрия в сыворотке крови составляют от 136 до 145 ммоль/л как у детей, так и у взрослых. У недоношенных детей через 2 сут после рождения содержание натрия в крови составляет от 128 до 148 ммоль/л; в пуповинной крови у доношенных новорожденных оно равно 127 ммоль/л. Окисление компонентов смешанной пищи с освобождением энергии, эквивалентной 3000 ккал, сопровождается выделением с мочой 130-260 ммоль/л натрия. Количество натрия, удаляемого с мочой в ночное время, не превышает 20% его суточного выведения. Концентрация натрия в цереброспинальной жидкости колеблется от 136 до 150 ммоль/л, в поте - от 10 до 40 ммоль/л. Выведение натрия с калом зависит от состава продуктов питания и в среднем составляет 7,8-10,0 ммоль/сут.

Натрий выполняет следующие физиологические функции:

Выведение ионов натрия

При нормальном потреблении пищи регуляция баланса натрия зависит от изменения скорости его экскреции почками. Натрий свободно фильтруется в почечном клубочке и реабсорбируется в различных отделах почечного канальца с участием механизмов активного и пассивного транспорта.

Количество экскретируемого натрия [E(Na⁺ )] определяется как разность между количеством натрия, профильтрованного в клубочках, и содержанием натрия, реабсорбированного в канальцах [R(Na⁺ )]. Количество профильтрованного в почечных клубочках натрия есть величина, равная произведению скорости клубочковой фильтрации (СКФ) на концентрацию его в плазме Р[(Na⁺ )]:

Ε(Νa⁺ ) = СКФ × [Р(Na⁺ )] - [R(Na⁺ )].

Теоретически результирующая величина может меняться при изменении любого из трех компонентов правой части уравнения. Однако на практике концентрация натрия в плазме крови [Р(Na⁺ )] мало изменяется даже при значительном нарушении натриевого баланса вследствие сопутствующего дисбаланса воды в результате ее притока из внутриклеточной жидкости или, наоборот, оттока во внутриклеточное пространство. В этой связи скорости клубочковой фильтрации и канальцевой реабсорбции выступают в качестве определяющих параметров почечного баланса натрия.

Среднесуточная скорость клубочковой фильтрации в норме составляет 120-125 мл/мин. Непрерывно в почечных клубочках фильтруется 1/5 объема почечного плазмотока, за сутки образуется до 170-180 л фильтрата. Скорость клубочковой фильтрации в дневное время, а также после приема пищи превышает среднесуточную на 30%. Напротив, в ночное время скорость клубочковой фильтрации ниже среднесуточной на 30%. Если бы реабсорбция натрия оставалась постоянной и независимой от скорости клубочковой фильтрации, то потери натрия в ночное время отсутствовали бы, а в дневное время превысили бы общее количество натрия в организме в 2 раза. Однако процессам реабсорбции натрия в канальцевой системе почки присуща гибкость, позволяющая им быстро и адекватно реагировать на изменения скорости клубочковой фильтрации, что обеспечивает сохранение соотношения между количеством профильтрованного и реабсорбированного натрия.

Соли натрия в клубочковом фильтрате составляют 4/5 всего количества растворенных веществ. 65% фильтруемого в клубочках натрия (натриевой нагрузки) реабсорбируется в проксимальном извитом канальце в виде NaCl (70%) и NaHCO₃ (30%). Натрий удаляется из канальцевой жидкости в интерстиций через межклеточные шунты облегченной диффузией и активным транспортом. Активный транспорт натрия создает условия для его облегченной диффузии. Структура функционально единого процесса складывается из сопряженных механизмов. На люминальной мембране функционируют два механизма переноса натрия:

Поступление водорода в канальцевую жидкость инициирует механизм реабсорбции бикарбоната, который в итоге поступает в интерстициальное пространство. Сопутствующая трансцеллюлярная реабсорция воды предопределяет более высокую концентрацию ионов хлора в канальцевой жидкости. Ионы хлора поступают в интерстициальное пространство через межклеточные промежутки по концентрационному градиенту. В интерстициальном пространстве бикарбонат и ионы хлора предопределяют избыточный отрицательный потенциал относительно канальцевой жидкости, что способствует поступлению катионов, включая натрий, из канальцевой жидкости в интерстициальное пространство через межклеточные промежутки.

Из клетки натрий поступает в интерстициальное пространство благодаря активности Na⁺ ,К⁺ -АТФазы, которая за счет энергии АТФ обменивает три внутриклеточных иона натрия на два иона калия из интерстициального пространства, и котранспортера, который вместе с тремя ионами бикарбоната удаляет один ион натрия. Активность Na⁺ ,К⁺ -АТФазы является ключевой в функционировании ионных транспортных потоков различного вида, при этом происходит формирование электрохимического и концентрационного градиентов, использующихся различными транспортерами. Бикарбонат поступает из канальцевой жидкости в клетку посредством сопряжения с натриевыми потоками через Na⁺ ,Н⁺ -антипорт.

Вместе с бикарбонатом и натрием из канальцевой жидкости реабсорбируется вода. В канальцевой жидкости увеличивается концентрация хлора и возникает его концентрационный градиент относительно интерстиция. Хлор перемещается в интерстиций через межклеточные шунты по концентрационному градиенту, вследствие чего возникают диффузионный потенциал и электрическое поле, в котором в числе прочих катионов вслед за хлором диффундирует натрий (см. рис. 23, 24).

Взаимосвязь активного и пассивного транспорта натрия позволяет прямо и опосредованно использовать энергию гидролиза одной молекулы АТФ для реабсорбции девяти молекул натрия. Характерной особенностью процесса реабсорбции натрия (равно как и процесса реабсорбции других веществ) в проксимальном извитом канальце является то, что количество натрия, реабсорбируемого в единицу времени, не является постоянным, а составляет лишь определенный процент от его количества в фильтрате (для хлорида натрия примерно 65%), что обозначают как клубочково-канальцевое равновесие. Натрий, вследствие клубочково-канальцевого равновесия, не извлекается полностью из канальцевой жидкости при скорости клубочковой фильтрации значительно ниже оптимального физиологического уровня и, наоборот, не выводится в количествах, превышающих его содержание в организме, при скорости клубочковой фильтрации, превышающей оптимальный физиологический уровень.

В нисходящей части петли Генле натрий не реабсорбируется, его реабсорбция возобновляется в восходящем колене по механизму котранспорта. Функциональная активность Na⁺ , K⁺ , 2Cl^- -котранспортера обеспечивает реабсорбцию примерно 35% профильтровавшегося в клубочках натрия. Натрий поступает в цитозоль нефроцитов, откуда удаляется в почечный интерстиций благодаря активности Na⁺ ,К⁺ -АТФазы базолатеральной мембраны (три внутриклеточных иона натрия обмениваются на два иона калия из интерстициального пространства). Часть ионов натрия поступает в интерстиций парацеллюлярно, чему способствует преобладающий положительный заряд канальцевой жидкости относительно интерстициальной. Причиной такого распределения зарядов в канальцевой и интерстициальной жидкостях в толстом сегменте восходящего колена петли Генле является более высокая проницаемость апикальной мембраны для ионов калия в сравнении с базолатеральной мембраной, что и предопределяет формирование избыточного положительного заряда канальцевой жидкости относительно интерстициальной жидкости. В этой части канальца (как и в проксимальном извитом канальце) Na⁺ ,К⁺ -АТФаза освобождает энергию АТФ для реабсорбции Na⁺ (удаление из цитозоля трех ионов натрия создает электрохимический и концентрационный градиенты для транспорта натрия с участием Na⁺ , K⁺ , 2Cl^- -котранспортера, рис. 25).

К дистальной части канальца в его жидкости остается 2% профильтровавшегося натрия. Транспорт ионов натрия в дистальном канальце и кортикальной части собирательной трубки через апикальную мембрану нефроцита в клетку происходит посредством работы симпорта - котранспорт с ионами хлора - и антипорта, осуществляющего обмен натрия канальцевой жидкости на протон водорода из цитозоля. Благодаря работе нескольких систем активного транспорта ионов натрия его удаление из канальцевой жидкости идет интенсивнее, чем удаление ионов хлора, что предопределяет формирование отрицательного заряда канальцевой жидкости относительно интерстициальной. Из цитозоля нефроцитов ион натрия удаляется в почечный интерстиций благодаря активности Na⁺ ,К⁺ -АТФазы базолатеральной мембраны (три внутриклеточных иона натрия обмениваются на два иона калия из интерстициального пространства). Вследствие работы Na⁺ ,К⁺ -АТФазы базолатеральной мембраны нефроцитов между канальцевой жидкостью и цитозолем создаются электрохимический и концентрационный градиенты, обеспечивающие транспорт натрия через люминальную мембрану по натриевым каналам через симпорт с Cl^- и антипорт с Н⁺ (рис. 26).

Особенностью транспортных процессов в дистальной части канальца является их доступность для регуляторных воздействий. Неравновесная реабсорбция ионов натрия и хлора усиливается при действии альдостерона, так как он стимулирует процесс реабсорбции натрия в обмен на ионы водорода. Альдостерон стимулирует синтез и встраивание в апикальную мембрану дополнительных молекул антипортера, благодаря чему экскретируемое с мочой количество натрия (в норме 50-130 ммоль/л) может как падать до значений, близких к нулю, так и кратно превышать референтные значения.

Регуляция баланса натрия

Селективная регуляция содержания натрия осуществляется нейро-гуморальными механизмами. Инициирующими сигналами дисбаланса в обмене натрия являются изменения объема жидкости и (или) концентрации натрия, калия в плазме крови, снижение реабсорбции натрия в проксимальной части канальца и восходящем колене петли Генле. Уменьшение объема внеклеточной жидкости приводит к раздражению рецепторов, реагирующих на изменения объема (в системе низкого давления - рецепторы левого предсердия, в системе высокого давления - барорецепторы каротидного синуса и дуги аорты), внутрипочечных барорецепторов, реагирующих на снижение перфузионного давления. Снижение реабсорбции натрия в проксимальной части канальца и восходящем колене петли Генле увеличивает количество натрия, достигающего плотного пятна (macula densa), и вызывает секрецию ренина. Гуморальными эффекторами реакции центральной нервной системы на сигнал с соответствующих рецепторов являются альдостерон и предсердный натрийуретический фактор (предсердный натрий-уретический пептид). Параллельно с этими регуляторными факторами функционируют другие механизмы регуляции натриевого баланса, связанные с перераспределением кровотока между корковым и мозговым веществом почек, эффектами различных системных и почечных гормонов. Итоговым результатом функционирования системных и специфических механизмов регуляции баланса натрия будет восстановление физиологического равновесия.

Альдостерон

Альдостерон является гормоном, синтезируемым клубочковой зоной коры надпочечников, относится к минералокортикоидам, осуществляет специфическую регуляцию водно-солевого гомеостаза. Установлено, что рецепторы к глюко- и минералокортикоидам имеют близкую структуру, поэтому минералокортикоидные рецепторы обладают одинаковым сродством как к альдостерону, так и к кортизолу.

Физиологическая специфичность действия альдостерона на водно-солевой гомеостаз обеспечивается тем, что в клетках-мишенях при воздействии альдостерона экспрессируется ген, кодирующий фермент 11β-гидроксистероиддегидрогеназу второго типа (HSD 11β2). Этот фермент трансформирует кортизол в кортизон, не имеющий сродства к минералокортикоидным рецепторам. В плазме крови не обнаружено специфического белка-переносчика, что, вероятно, обусловливает быстрое удаление альдостерона из крови клетками печени. Продукция альдостерона клубочковой зоной зависит от:

Клетки-мишени альдостерона выявлены в дистальных извитых канальцах и собирательных трубках. Связывание гормона осуществляется белками - рецепторами цитоплазмы. Конкретный молекулярный механизм действия альдостерона не вполне ясен, однако очевидно, что его присутствие стимулирует активность Na⁺ ,Κ⁺ -АТФазы, ряда мито-хондриальных ферментов и скорость оборота АТФ, увеличивает количество и проницаемость натриевых каналов на люминальной мембране.

Совокупность всех этих эффектов альдостерона в норме приводит к активной адсорбции и транспорту ионов натрия из просвета канальцев в интерстициальную жидкость в обмен на ионы калия и водорода.

Предсердный натрийуретический пептид

Название предсердный натрийуретический пептид (ANP) объединяет группу пептидов, обладающих выраженной натрийуретической активностью и образующихся из общего пептида-предшественника - препроANP, состоящего из 151 аминокислоты. ANP включает кардионатрины, атриопептины или аурикулины. Его синтез в основном осуществляется в клетках предсердий, небольшое количество образуется в клетках желудочков. Некоторые количества ANP синтезируются в легких, а также нейронами центральной и периферической нервной системы. В плазме крови ANP циркулирует в форме пептида из 28 аминокислот, 17 из которых формируют кольцо через дисульфидный мостик. ANP секретируется в ответ на растяжение предсердий (увеличение объема внутрисосудистой жидкости при различных патологических состояниях, изменение положения тела из вертикального в горизонтальное, физическая нагрузка). Выработка ANP возрастает под влиянием глюкокортикоидов, вазопрессина, эндотелина или α-адренорецепторов. Рецепторы к ANP_А и ANP_В связаны с гуанилатциклазой, а рецепторы ANP_С ответственны за элиминацию пептидов. ANP подавляет секрецию ренина, альдостерона и вазопрессина, увеличивает скорость клубочковой фильтрации и снижает реабсорбцию натрия и воды.

Период полувыведения ANP из крови составляет 3-5 мин, он связывается с рецептором ANP_С и в цитозоле тканей разрушается нейтральной эндопептидазой.

Другие механизмы регуляции баланса натрия

Количество выделяемого из организма натрия может регулироваться перераспределением кровотока между корковым и мозговым веществом почки. Особенностью функциональной активности «кортикального» нефрона является большая способность к выделению натрия, напротив, глубокий юкстамедуллярный нефрон способен реабсорбировать большие количества натрия. Перераспределение кровотока в корковую или медуллярную часть почечной ткани будет приводить к натрийурезу или задержке натрия.

К снижению выведения натрия приводит возбуждение симпатической нервной системы, волокна которой иннервируют проксимальную часть канальца. Подобным образом действуют и глюко-кортикоиды, гормон роста и инсулин. Напротив, паратиреоидный гормон, прогестерон, глюкагон, простагландины стимулируют натрийурез. Молекулярные основы натрий-сберегающего (равно как и натрийуретического) действия перечисленных гормонов не вполне ясны. Механизм регуляторного действия ряда из них может быть связан с расширением или, напротив, сужением перитубулярных капилляров, следствием этого будет изменение соотношения между гидростатическим и онкотическим давлениями, что в итоге может либо способствовать реабсорции натрия, либо стимулировать натрийурез.

Нарушения баланса натрия

Нарушения физиологически оптимального натриевого обмена могут привести к состоянию его избыточного или недостаточного количества в организме. Натриевый баланс организма оценивается по концентрации натрия в крови. Если количество натрия в крови превышает референтное значение, то говорят о гипернатриемии, и напротив, если количество натрия ниже его, то имеет место гипонатриемия.

Гипернатриемия

Состояние гипернатриемии характеризуется устойчивым повышением концентрации натрия в крови более 150 ммоль/л. Оно может быть следствием как избыточного количества натрия в крови при нормальном объеме воды, так и недостаточного объема воды относительно нормального количества натрия. Гипернатриемия независимо от механизма ее развития приводит к уменьшению объема внутриклеточного пространства. Дисбаланс между физиологически оптимальным соотношением воды и натрия может быть следствием двух причин:

Расстройства водного баланса при гипернатриемии аналогичны гипертонической дегидратации.

Гипернатриемия как следствие избыточного введения натрия и (или) недостаточного поступления воды

Избыточное введение натрия при относительно меньших объемах потребляемой жидкости индуцирует секрецию гуморальных факторов, действие которых направлено на сохранение осмотически свободной воды и удаление избытка натрия. При максимальной концентрирующей способности почек потери облигатной воды являются неизбежными. Если не будет восстановлен прием воды, пропорциональный количеству натрия, развивается состояние гипернатриемии. Оно развивается тем быстрее, чем выше потери воды.

Гипернатриемия как следствие потери воды

Различают почечные и непочечные потери воды. Почечные потери воды могут быть связаны с потерей облигатной воды - вторичная полиурия и (или) осмотически свободной воды - первичная полиурия. Преимущественная потеря воды (но не натрия) может быть обусловлена внепочечными механизмами, в частности через желудочно-кишечный тракт.

Потеря облигатной воды (вторичная полиурия). Факторами, нарушающими реабсорбцию воды в проксимальном канальце и нисходящем колене петли Генле, являются низкомолекулярные мало- и нереабсорбируемые соединения. Они предупреждают всасывание воды из канальцевой жидкости, создавая в ней осмотическую силу, противодействующую осмотической силе реабсорбируемого натрия. Подобное явление называют осмотическим диурезом, а вещества - осмотическими диуретиками. В качестве примера можно привести осмотический диуретик маннитол (Маннит^♠ ), который хорошо фильтруется в клубочке и практически не реабсорбируется в канальце. В проксимальной части канальца реабсорбция натрия обеспечивает изоосмотическое всасывание воды и уменьшение объема канальцевой жидкости. Уменьшение объема канальцевой жидкости приведет к увеличению концентрации Маннита^♠ до точки, когда создаваемая им осмотическая сила превысит осмотическую силу реабсорбируемого натрия и, соответственно, остановит изоосмотическую реабсорбцию воды. В результате этого в проксимальном канальце часть воды канальцевой жидкости в присутствии Маннита^♠ не реабсорбируется. Реабсорбция воды снижается и в нисходящей части петли Генле.

Механизм нарушения противоточного всасывания воды обусловлен как наличием противодействующей осмотической силы канальцевой жидкости, так и снижением осмолярности медуллярного интерстиция. Последний эффект нереабсорбируемые соединения создают опосредованно. Не реабсорбированная в проксимальном канальце вода увеличивает объем канальцевой жидкости и уменьшает концентрацию натрия. В свою очередь это уменьшает концентрационный градиент натрия относительно внутриклеточного пространства и снижает активность Na⁺ , K⁺ , 2Cl^- -котранспортера. Итоговым результатом является снижение осмоляльности медуллярного интерстиция и соответственно уменьшение количества реабсорбируемой воды. Не реабсорбированная в проксимальном канальце и нисходящей части петли Генле вода выводится из организма. Механизм снижения реабсорбции воды при действии осмотических диуретиков сопряжен с потерей натрия. Однако потери воды более значительны, вследствие чего осмотический диурез приводит к гипернатриемии. Подобно Манниту^♠ осмотический диурез вызывают декстроза (Глюкоза^♠ ) и мочевина при концентрациях, превышающих пороговые величины реабсорбции.

Потеря осмотически свободной воды почками (первичная полиурия).

Она может быть связана как с поражением дистальной части канальца и кортикального отдела собирательной трубки, так и с недостаточной секрецией и (или) снижением чувствительности рецепторов канальцевого аппарата к антидиуретическому гормону. Независимо от причины удаление осмотически свободной воды почками приводит к увеличению внеклеточной концентрации натрия и состоянию гипернатриемии.

Потеря воды через желудочно-кишечный тракт. Концентрация натрия в желудочном секрете значительно ниже его концентрации в плазме крови (см. табл. 5). Потеря желудочного секрета при рвоте или фистуле желудка сопровождается относительно меньшим удалением из организма натрия, чем воды. Интестинальные секреты в норме сравнимы по содержанию натрия с плазмой крови, однако при заболеваниях (поражениях) того или иного отдела кишечника количество натрия в них может значительно снижаться. Следствием потери интестинальных секретов, обедненных натрием, является развитие гипернатриемии.

Лабораторные данные при гипернатриемии

При гипернатриемии концентрация натрия в плазме крови более 150 ммоль/л сочетается с повышенной осмоляльностью плазмы. Концентрация натрия в моче ниже 10 ммоль/л, осмоляльность мочи выше осмоляльности плазмы. При почечных потерях суточная экскреция воды превысит 1% количества фильтруемой жидкости (полиурия), напротив, при внепочечных потерях ее относительное содержание в экскретируемой фракции будет в пределах референтных значений. Количество экскретируемого натрия при вторичной полиурии превысит 1% его количества в фильтруемой фракции, при первичной полиурии, напротив, относительное содержание натрия в экскретируемой фракции будет в пределах референтных значений. Дегидратационный тест (введение АДГ при ограничении приема жидкости: осмоляльность мочи увеличивается - тест положительный; осмоляльность мочи не меняется - тест отрицательный) при первичной полиурии, обусловленной дефицитом АДГ, положительный, напротив, при поражениях дистальных отделов канальца дегидратационный тест отрицательный. Возможный диагностический алгоритм варианта гипернатриемии представлен на рис. 27.

Гипонатриемия

Состояние гипонатриемии характеризуется устойчивым понижением концентрации натрия в крови менее 135 ммоль/л. Гипонатриемия может быть следствием как избыточного объема воды относительно нормального количества натрия в крови, так и недостаточного его количества относительно нормального объема воды. Гипонатриемия независимо от механизма ее развития приводит к увеличению объема внутриклеточного пространства, так как оно оказывается гипертоничным по отношению к интерстициальной жидкости. Гипонатриемия в сочетании с состоянием гипергидратации рассмотрена в разделе «Гомеостаз воды в организме». Здесь остановимся на других вариантах дисбаланса между физиологически оптимальным соотношением воды и натрия, которые могут быть следствием:

Псевдогипонатриемия

Характеризуется пониженной концентрацией натрия в единице объема плазмы, однако пересчет концентрации на единицу объема воды дает нормальные значения. Подобное расхождение в удельной концентрации натрия обусловлено возрастанием объема неводного белкового и (или) липидного компонента плазмы крови. В норме количество воды в единице объема плазмы составляет 94%. При сахарном диабете, гипертермии при инфекционных процессах, операционном стрессе, макроглобулинемии, множественной миеломе и ряде других заболеваний в единице объема плазмы крови увеличивается доля белкового и (или) липидного компонента, что соответственно понижает количество воды в единице объема плазмы. Последнее может быть рассчитано по следующей формуле:

W_s = 99,1 - 1,03 × L_s - 0,73 × P_s,

где W _s - количество воды в 100 мл плазмы крови, мл; 99,1 - объем плазмы без кристаллических (нелипидных и небелковых) твердых частиц; L_s - концентрация общих липидов в плазме крови, мг/дл; P_s - концентрация общего белка в плазме крови, г/дл; 1,03 и 0,73 - коэффициенты.

Увеличение содержания липидов и (или) белков в 1 дл плазмы крови уменьшает количество воды в этом объеме плазмы крови и соответственно натрия, растворимого только в водной фазе. При псевдо-гипонатриемии практически не меняется измеренная осмоляльность, однако расчетная осмоляльность, в значении которой учитываются только водорастворимые фракции, снижается. В случае гипергликемии значения расчетной и измеренной осмоляльности будут соответствовать нормальным, что обусловлено осмотической активностью молекул глюкозы, в этом случае будет отмечаться истинная гипонатриемия.

Преобладающие потери натрия относительно потерь воды

Эти изменения отмечаются при интестинальных потерях жидкости, когда, например, количество натрия в секрете тощей и подвздошной кишки превышает количество натрия в плазме (см. табл. 5). Если происходит селективная потеря секретов из этих отделов кишки, то потери натрия более значительны, чем потери воды, и в результате этого развивается состояние гипонатриемии.

Гипонатриемия и нормальный объем внеклеточной воды

Гипонатриемия при нормальном объеме внеклеточной жидкости может быть обусловлена избирательным нарушением функции почек по сохранению натрия. Водовыделительная функция почек при этом остается в норме. При нормальной функции почек избыточное выделение натрия и сохранение воды имеют место при онкологических заболеваниях, туберкулезе, алкоголизме. Полагают, что организм при этих заболеваниях настраивается на новый уровень осморегуляции. Предположение обосновывается тем, что при туберкулезе и онкологических заболеваниях меняется спектр внутриклеточных осмотически активных соединений, уменьшается концентрация калия. Снижение общего количества калия в организме приводит к гипонатриемии. Механизм регуляторного взаимодействия между содержанием внутриклеточного калия и внеклеточного натрия неизвестен. Водовыделительная функция почек при дефиците калия не страдает, в то время как чувствительность к регуляторным влияниям антидиуретического гормона повышена.

При нормальной функции почек к гипонатриемии приводит употребление больших количеств обедненной натрием жидкости. В качестве примера в литературе обсуждается гипонатриемия в результате ежедневного приема 5 л и более пива. Механизм развития гипонатрие-мии в этой ситуации обусловлен тем, что достижение нижнего предела разведения мочи при избыточном поступлении гипоосмоляльной жидкости достигается выведением натрия, что с течением времени приводит к гипонатриемии.

Лабораторные данные при гипонатриемии

Измерение и расчет осмолярности, определение отношения концентрации натрия в плазме к измеренной в ней осмолярности ([Na⁺ ]/[P_осм ]) и осмотического промежутка необходимы для диагностики псевдо-гипонатриемии. С учетом основного вклада натрия в значение расчетной осмолярности отмечается ее снижение при псевдонатриемии. Осмотическая активность избыточных количеств белка и липидов практически мало сказывается на изменении измеряемой осмолярности. Сочетание осмотических параметров плазмы крови при псевдогипонатриемии характеризуется увеличением осмотического промежутка. Значение [Na⁺ ]/[P_осм ] уменьшается. В норме значение этого показателя варьирует в пределах 0,43-0,50 ед. Низкое содержание натрия в плазме крови и падение величины [Na⁺ ]/[P_осм ] к измеренной осмолярности ниже 0,43 наблюдаются преимущественно при гиперлипемии и гиперпротеинемии. Такое снижение отношения [Na⁺ ]/[P_осм ] при нормальной концентрации натрия и глюкозы указывает на накопление преимущественно азотистых метаболитов в крови.

При гипонатриемии, связанной с непочечными потерями воды и натрия, в крови отмечается выраженное увеличение азота мочевины на фоне нормальных значений креатинина. Суточный диурез снижается при концентрации натрия в моче менее 10 ммоль/л. Экскретируемые фракции натрия и воды составляют менее 1% фильтруемого количества.

Гипонатриемия при нормальном объеме внеклеточного пространства характеризуется снижением концентрации натрия и калия в плазме крови. Прием натрия при этом виде расстройств натриевого баланса приводит к натрийурезу.

Возможный диагностический алгоритм варианта гипонатриемии с учетом состояния гипонатриемии при гипергидратации (см. раздел «Гомеостаз воды в организме») представлен на рис. 28.

Измеряемая концентрация натрия в плазме крови при гипонатриемии позволяет рассчитать его общий дефицит и количество, необходимое для его восполнения.

Расчет дефицита натрия плазмы, ммоль/л:

Деф. Na⁺ ~ (142 - [Na⁺ _пл ]) × МТ × 0,2,

где [Na⁺ _пл ] - измеряемая (действительная) концентрация натрия в плазме крови, ммоль/л; МТ - масса тела, кг.

Пример: [Na⁺ _пл ] - 120 ммоль/л, МТ - 70 кг.

Деф. Na⁺ ~ (142 - 120) × 70 × 0,2 ~ 308 ммоль/л.

Полученный результат указывает на общий дефицит Na⁺ около 308 ммоль/л. Количество Na⁺ легко перевести в единицы массы, умножив на 23 (молекулярная масса 1 ммоля натрия составляет 23 мг).

Na⁺ ~ 308 × 23 ~ 7084 мг или ~ 7 г.

Такое количество Na⁺ содержится в 18 г натрия хлорида, так как именно он используется для терапии.

Расчет необходимого объема 10% натрия хлорида, мл, для коррекции гипонатриемии проводится по формуле:

V_(10%NaCl) ~ (142 - [Na⁺ _пл ]) × МТ × 0,12. Пример: [Na⁺ _пл ] - 120 ммоль/л, МТ - 70 кг.

V_(10%NaCl) ~ (142 - 120) × 70 × 0,12 ~ 185 мл. 185 мл 10% раствора натрия хлорида содержат ~18 г натрия хлорида и соответственно ~7 г Na⁺ .

В организме человека массой 70 кг содержится 150г калия ^[8] (54 ммоль/кг массы тела), из которых 98% находится в клетках и 2% -внеклеточно. Больше всего калия содержится в мышечной ткани - 70% общего его количества в организме, что составляет около 100 ммоль/кг мышечной ткани. Удельное содержание калия в эритроцитах - не более 87 ммоль/кг эритроцитарной массы. Около 7,5% его общего количества находится в костной ткани. Практически весь калий (90%) активно участвует в обмене.

Баланс калия в организме складывается из равновесия между его поступлением, депонированием и выведением. Обмен калия оценивают, определяя его концентрацию в плазме (сыворотке) крови.

Поступление ионов калия

При сбалансированном метаболизме с освобождением энергии, эквивалентной 3000 ккал, ежесуточная потребность в калии (K⁺ ) взрослого человека массой 70 кг составляет 2-3,5 г (50-100 ммоль), ребенка - 12-26 мг на 1 кг массы тела. Необходимое количество калия обеспечивается его поступлением с водой и продуктами питания. В составе пищевого комка присутствует калий, выделяемый с пищеварительными соками, где его концентрация в 2-5 раз выше, чем в плазме крови (см. табл. 5).

В желудочно-кишечном тракте всасывается 98-99% поступившего с пищей и секретируемого с пищеварительными соками калия. Его всасывание начинается в желудке, однако основное количество калия всасывается в тонком кишечнике. Всасывание калия осуществляется парацеллюлярно - пассивной диффузией и трансцеллюлярно - активным транспортом. Парацеллюлярное всасывание калия наиболее интенсивно идет в верхней трети тощей кишки. Количество поступающего в организм таким образом калия тем больше, чем выше парацеллюлярное всасывание воды. Трансцеллюлярный транспорт калия обеспечивается системами активного транспорта и работой калиевых каналов, обильно представленных на базальной мембране энтероцитов.

Распределение ионов калия в организме

Распределение калия, поступающего с пищей, в организме подчинено правилу:

Как отмечено выше, калий является внутриклеточным ионом, где его физиологическая активность связана с:

Поступление калия в клетку находится под контролем инсулина, катехоламинов, альдостерона, концентрации ионов водорода, интенсивности аэробных процессов.

Инсулин увеличивает поглощение калия клетками за счет опосредованной активации Na⁺ ,K⁺ -АТФазы, которая в обмен на три внутриклеточных иона натрия обеспечивает поступление из внеклеточного пространства двух ионов калия.

Катехоламины стимулируют поглощение калия клетками, активируя β₂ -адренергические рецепторы и запуская цАМФ-зависимую индукцию активности Na⁺ ,K⁺ -АТФазы, обеспечивающую обмен трех внутриклеточных ионов натрия на два внеклеточных иона калия.

Альдостерон, воздействуя на внутриклеточные рецепторы клеток эпителия дистального отдела почечных канальцев, стимулирует поступление калия в них за счет увеличения количества и активности Na⁺ ,K⁺ -АТФазного насоса и увеличения числа доступных для калия натриевых каналов люминальной мембраны.

Перераспределение калия между вне- и внутриклеточной жидкостями зависит от значения рН внеклеточной жидкости: снижение рН - ацидоз - приводит к увеличению содержания калия в плазме, стимулируя обмен ионов водорода на внутриклеточный калий. Напротив, повышение рН - алкалоз - способствует оттоку калия из внеклеточной жидкости в клетки и выхода из них ионов водорода. Разнонаправленные потоки ионов калия и водорода при ацидозе и алкалозе связаны с включением внутриклеточных механизмов в компенсацию дисбаланса концентрации ионов водорода во внеклеточной жидкости. Влияние рН на уровень калия в крови имеет количественное выражение: изменение рН на 0,1 единицы сопряжено с изменением концентрации калия на 0,6 ммоль/л.

Усиленный синтез белка (рост, введение анаболиков, репаративные процессы), регидратация клеток, интенсивное поступление и утилизация углеводов клеткой сопровождаются усиленным притоком в нее калия и снижением его концентрации в плазме крови. Потеря калия клетками и прирост его количества во внеклеточной жидкости происходят при недостаточном снабжении тканей кислородом, усиленном разрушении белка (катаболические процессы), сниженной утилизации углеводов (сахарный диабет), клеточной дегидратации.

Содержание калия в некоторых тканях тела человека представлено в табл. 7.

Референтные интервалы

Референтные интервалы содержания калия в сыворотке крови взрослых составляют от 3,5 до 5,1 ммоль/л; в плазме - от 3,5 до 4,5 ммоль/л. В сыворотке крови новорожденных содержание калия колеблется в интервале от 3,7 до 5,9 ммоль/л. В эритроцитах содержится 80,0-92,0 ммоль/л калия.

В цереброспинальной жидкости уровень калия на 30% ниже, чем в плазме. Содержание калия в поте составляет 4,4-9,7 ммоль/л у мужчин и 7,6-15,6 ммоль/л у женщин. Выделение калия с мочой при окислении компонентов смешанной пищи с освобождением энергии, эквивалентной 3000 ккал, колеблется в диапазоне 25-77 ммоль/сут. Желудочный сок содержит в среднем 10 ммоль/л калия. Выведение калия с калом составляет 18,2 ± 2,5 ммоль/сут. При диареях различного генеза потери калия с калом могут доходить до 60 ммоль/сут.

Выведение ионов калия

Почки являются неотъемлемой и важнейшей функциональной единицей в системе стабилизации уровня калия. На них приходится экскреция 90% калия, удаляемого из организма в течение суток. При избыточном содержании калия во внеклеточной среде возрастает его выведение с мочой, и напротив, при недостаточном поступлении калия в организм и его повышенном потреблении внутриклеточным пространством функционируют калийсберегающие почечные механизмы.

Ренальные процессы обработки калия включают его фильтрацию, реабсорбцию и секрецию. Около 50% фильтруемого калия реабсорбируется в извитой части проксимального канальца, далее в прямой части проксимального канальца и в тонком нисходящем колене петли Генле происходит секреция калия. Реабсорбция и секреция в этих частях канальца не оказывают влияния на количество экскретируемого и сохраненного в организме калия.

В толстом восходящем отделе петли Генле механизмами активного и пассивного транспорта реабсорбируется 90% фильтруемого калия. Процесс активного транспорта осуществляется котранспортером Na⁺ , K⁺ , 2Cl^- (котранспорт - процесс одновременного, однонаправленного транспорта нескольких видов молекул, каждая из которых в отдельности не транспортируется). Энергию для котранспортера Na⁺ , K⁺ , 2Cl^- обеспечивает Na⁺ ,K⁺ -АТФаза, связанная с базолатеральной поверхностью канальцевых клеток. Пассивный транспорт калия идет по электрохимическому градиенту (канальцевая жидкость в толстом сегменте восходящего колена петли Генле имеет избыточный положительный заряд 2 мВ относительно внеклеточного пространства). Количество калия, реабсорбируемое в толстом восходящем отделе петли Генле, не зависит от уровня калия внеклеточной жидкости. Иными словами, функциональная активность этой части канальцев не оказывает влияния на избыток или недостаток калия в крови.

Задержка или удаление калия из организма зависит от соотношения интенсивности реабсорбции и секреции в связующем канальце и корковой части собирательной трубки. Обработка калия в этой части нефрона соответствует формуле: избыток калия в крови - секреция, недостаток калия в крови - реабсорбция. Сочетание разнонаправленных процессов функциональной активности (секреции и реабсорбции) в канальце на одном участке по отношению к калию определяется соотношением сил, обеспечивающих его реабсорбцию, с силами, обеспечивающими секрецию калия.

Движущими силами секреции калия являются:

Потенцируют действие сил секреции калия:

Движущей силой реабсорбции калия является более отрицательный электрохимический потенциал межклеточной жидкости по отношению к канальцевой жидкости, составляющий -2 и -7 мВ (см. рис. 24, 25).

Реабсорбция калия усиливается при снижении внутриклеточной концентрации калия вследствие:

Около 10% калия удаляется из организма внепочечными механизмами. Внепочечные механизмы включают в себя выделение калия:

Нарушения баланса калия

Существует принцип, согласно которому при сбалансированном обмене веществ содержание калия в плазме определяет его содержание во всем организме. Определение концентрации калия в плазме (сыворотке) крови позволяет оценить глубину расстройств калиевого обмена. Расстройства калиевого обмена могут приводить к увеличению его уровня в крови - гиперкалиемии или, напротив, к снижению его уровня - гипокалиемии.

Гиперкалиемия

Гиперкалиемия характеризуется нарушениями обмена калия, которые приводят к преходящему или устойчивому повышению его уровня в плазме крови более 5,0 ммоль/л.

Гиперкалиемия наступает вследствие:

Избыточное поступление калия в кровь

Избыточное поступление калия в кровь может быть связано с алиментарной нагрузкой или его чрезмерным парентеральным введением. При нормальном или повышенном диурезе гиперкалиемия является временной. Гемолиз, тяжелые массивные повреждения тканей способствуют развитию гиперкалиемии вследствие освобождения калия из эритроцитов и клеток поврежденных тканей. Длительность гиперкалиемии, ее тяжесть при гемолизе и повреждении тканей будут определяться функциональным состоянием почек. Потерю клетками калия стимулируют алкоголь, фториды, деполяризующие миорелаксанты, сердечные гликозиды. Мышечные клетки теряют значительные количества калия при кратковременной максимальной или длительной физической нагрузке. Ацидоз, недостаток инсулина, применение β-блокаторов - все эти причины приводят к гиперкалиемии, развитие которой обусловлено либо выходом калия из клеток (при ацидозе клетки поглощают ионы водорода в обмен на калий), либо снижением поступления калия в клетки (использование β-блокаторов, недостаток инсулина приводят к снижению активности Na⁺ ,К⁺ -АТФазы, обменивающей два иона калия внеклеточного пространства на три иона натрия из клеток).

Недостаточное удаление калия почками

Количество выделяемого почками калия зависит от количества функционально активных нефронов, способности клеток эпителия дистального канальца и корковой части собирательной трубки удалять калий, нормальной секреции альдостерона и чувствительности к нему рецепторов. Каждая из этих причин сама по себе или в сочетании с другими способна привести к тяжелой гиперкалиемии. Нарушение выделительной функции почек при острой почечной недостаточности также способно привести к гиперкалиемии.

Заболевания (поражения), затрагивающие эпителий дистального отдела канальца и корковой части собирательной трубки, расстраивают механизм секреции калия, что приводит к выраженной гиперкалиемии. Гипоальдостеронизм различного генеза снижает интенсивность канальцевой секреции калия. Сочетание гипоальдостеронизма с поражением канальцев сопровождается гиперкалиемией и гиперхлоремическим канальцевым ацидозом. Развитие гиперхлоремиче-ского канальцевого ацидоза, возможно, обусловлено тем, что избыток калия снижает активность аммониогенеза, ингибируя освобождение аммиака из глутамина, и подавляет реабсорбцию бикарбоната. Подобное действие калия в избыточных концентрациях приводит к активной реабсорбции хлора, падению щелочного резерва крови, снижению количества удаляемых ионов водорода и в итоге к гиперхлоремическому ацидозу (этот синдром называется почечным канальцевым ацидозом IV типа).

Гиперкалиемию вызывают Гепарин^♠ , нестероидные анальгетики, спиролактон. Гепарин^♠ угнетает синтез альдостерона надпочечниками, нестероидные анальгетики снижают секрецию ренина. Спиронолактон блокирует рецепторы альдостерона и угнетает образование активных метаболитов альдостерона, ингибируя активность 5α-редуктазы. Триамтерен и амилорид снижают проницаемость и, возможно, количество натриевых каналов и тем самым затрудняют отток натрия из канальцевой жидкости и формирование в ней более отрицательного суммарного потенциала, что в итоге снижает количество секретируемого калия.

Лабораторные данные при гиперкалиемии

При гиперкалиемии концентрация калия в плазме (сыворотке) крови выше 5,0 ммоль/л.

При уровне калия 5,5-7,0 ммоль/л применяют общетерапевтические средства, так как его концентрация в плазме крови более 6,5 ммоль/л опасна для жизни. Уровень калия в плазме 7-8 ммоль/л является показанием к проведению диализа. Калий в концентрации 10-12 ммоль/л может вызвать остановку сердца. Гиперкалиемия сопутствует метаболическому ацидозу.

Неправильный забор крови (длительное наложение жгута), ее хранение в холодильнике, провоцирование гемолиза и другие воздействия, вызывающие выход калия из эритроцитов и лейкоцитов, завышают при анализе содержание калия в крови, которое обозначают как ложную гиперкалиемию. При подозрении на ложное повышение уровня калия в крови необходимо повторить исследования, соблюдая требования к забору и подготовке крови для исследования.

Возможный диагностический алгоритм варианта гиперкалиемии представлен на рис. 29.

Гипокалиемия

Гипокалиемия характеризуется нарушениями обмена калия, которые приводят к преходящему или устойчивому понижению его уровня в организме в целом. Концентрация калия в плазме крови, как правило, ниже 3,5 ммоль/л.

Гипокалиемия наступает вследствие:

Недостаточное поступление калия в кровь

Недостаточное поступление калия в кровь имеет место при его низком содержании в пище, заболеваниях (поражениях) желудочно-кишечного тракта, приводящих к рвоте, диарее. Злоупотребление слабительными средствами способствует формированию порочного круга, так как недостаток калия в организме вызывает развитие гипотонии кишечника, прием слабительного уменьшает количество калия, поступающего в кровь.

Избыточное удаление калия из крови

Гипокалиемия развивается при потреблении калия для процессов синтеза гликогена и белка (синтез 1 г гликогена в мышцах и печени связывает 0,35 ммоль калия, усвоение 1 г белкового азота требует связывания приблизительно 3 ммоль калия). Повышение уровня инсулина, вызванное гипергликемией или введением экзогенного инсулина, приводит к гипокалиемии. Гипокалиемию вызывает прием симпатомиметиков, особенно тех из них, которые являются β₂ -агонистами (тербуталин, сальбутамол и др.). Подобным образом действует теофиллин. Метаболический алкалоз, дыхательный алкалоз приводят к гипокалиемии вследствие компенсаторного обмена внутриклеточных ионов водорода на внеклеточный калий. Гипокалиемия развивается при почечном канальцевом ацидозе проксимального типа (тип II) и дистального типа (тип I), при которых нарушается механизм реабсорбции бикарбоната. Избыток бикарбоната в канальцевой жидкости в дистальном отделе и собирательных трубках стимулирует секрецию калия. Подобным образом действуют мочегонные - ингибиторы карбоангидразы - ацетазоламид (Диакарб^♠ ).

Гипокалиемия развивается при первичном и вторичном гипер-альдостеронизме. Гипокалиемия при обоих вариантах гиперальдостеронизма обусловлена индукцией секреции калия в канальцевую жидкость и его удалением с мочой. Механизм секреции калия обусловлен увеличением количества и активности Na⁺ ,Н⁺ -ATΦазного и Na⁺ ,К⁺ -ATΦазного насосов. Активность Na⁺ ,Н⁺ -ATΦазы увеличивает приток натрия в клетку и отток из нее в канальцевую жидкость ионов водорода. Развивающийся внутриклеточный алкалоз благоприятствует выходу калия через натриевые каналы люминальной мембраны. Aктивность Na⁺ ,К⁺ -ATΦазы обеспечивает стабильное поступление двух ионов калия из плазмы крови взамен на три иона натрия из клеток. Подобная количественная асимметрия (3:2) приводит в сочетании с облегченной диффузией калия в канальцевую жидкость к увеличению значения отрицательного суммарного потенциала канальцевой жидкости относительно интерстициальной жидкости с -30 до -70 мВ. Итоговым результатом действия альдостерона будет выраженная гипокалиемия.

Гипокалиемия негативно сказывается на выделительной и концентрационной функциях почек. При концентрации калия в плазме (сыворотке) крови в пределах 2 ммоль/л в нефроцитах возрастает интенсивность аммониогенеза и увеличивается выделение в канальцевую жидкость аммонийных солей. В результате этого рН канальцевой жидкости возрастает. Стойкое увеличение рН канальцевой жидкости в области дистальных канальцев и собирательных трубок сопряжено со снижением чувствительности нефроцитов к действию антидиуретического гормона. Следствием этого являются полиурия, никтурия, полидипсия. В тяжелых случаях возникает массивная миоглобулинемия, которая может осложниться развитием острого некроза канальцев почек.

Истощение запасов магния по невыясненному механизму приводит к потере калия. Антибиотики пенициллинового ряда понижают уровень калия в плазме, стимулируя секрецию его ионов клетками дистального отдела нефрона. Антибиотики, производные аминогликозидов (гентамицин, стрептомицин, амикацин и др.), способствуют выведению калия, вызывая непосредственное повреждение эпителия почечных канальцев.

Лабораторные данные при гипокалиемии

При гипокалиемии концентрация калия в плазме (сыворотке) крови ниже 3,5 ммоль/л (при хранении образцов крови при комнатной температуре в течение определенного промежутка времени может развиться ложная, временная гипокалиемия в результате захвата калия клетками).

Дефицит калия в плазме в 1 ммоль/л отражает общий дефицит в организме 200 ммоль. О дефиците калия свидетельствуют параметры кислотно-основного состояния: метаболическому алкалозу в большей степени соответствует дефицит калия. При сохраненных почечных функциях выделение калия с мочой уменьшается при его дефиците в организме. Если с мочой выводится менее 25 ммоль калия, возможен его дефицит, если менее 10 ммоль - об этом говорят с уверенностью. При заболеваниях (поражениях) почечных канальцев общий дефицит калия может превышать 50 ммоль, однако уровень калия в моче бывает высоким: при дефиците калия внепочечного происхождения выделение его может быть более 50 ммоль. Гипокалиемия при первичном альдостеронизме сочетается с высокой концентрацией альдостерона и нормальной концентрацией ренина. При вторичном гиперальдостеронизме гипокалиемия сочетается с высоким уровнем ренина и альдостерона.

Повышенный уровень ионов калия в плазме может иметь место, несмотря на дефицит его в клетке, при компенсированном метаболическом или дыхательном алкалозе, когда вместо теряемого клеткой калия в нее входят ионы натрия и водорода. Для постановки диагноза в таком случае следует оценить кислотно-основное состояние и исключить компенсированный метаболический или дыхательный алкалоз.

Диагностические подходы к гипокалиемии представлены на рис. 30, 31.

Кальций ^[9] (Са²⁺ ) является основным минералом человеческого скелета и самым распространенным катионом организма. Общее содержание кальция в теле человека составляет 1000-1500 г или 20-25 г/кг ткани, свободной от липидов. Основное количество кальция - 99% - находится в тканях костей и зубов, остальная его часть - 1% - выявляется в различных компартментах внутри- и внеклеточного пространств. Несмотря на количественные различия содержания кальция во внутри- и внеклеточном пространстве костной ткани, он составляет единый регулируемый пул. Его структурно-функциональная организация, включая обмен с внешней средой, и определяет гомеостаз Са²⁺ в организме человека.

Баланс кальция в плазме (сыворотке) крови складывается из соответствующего равновесия между его поступлением, депонированием и выведением. Кальций, секретируемый с пищеварительными соками в тот или иной отдел пищеварительного тракта, абсорбируется обратно с фракцией Са²⁺ , поступающего извне. При физиологически сбалансированном обмене Са²⁺ с мочой удаляется то его количество, которое поступает в организм из желудочно-кишечного тракта (рис. 32).

Поступление ионов кальция

Адекватное физиологическим потребностям организма поступление ионов кальция с продуктами питания и водой является одним из важнейших условий профилактики остеопороза и сопутствующих ему осложнений, нарушений нейроиммуноэндокринной регуляции, функциональной активности различных органов и систем. Рекомендуемая суточная потребность в кальции для человека массой 70 кг и расходующего 3000 ккал в сутки составляет в США 800-1200 мг, в странах Евросоюза - 800 мг. Содержание кальция в наиболее распространенных продуктах питания приведено в табл. 8.

Всасывание кальция в кишечнике обеспечивается активным и пассивным транспортом, включающим три стадии:

Кальций всасывается на протяжении всей тонкой кишки, проникая трансцеллюлярно и через межклеточные контакты в лимфу и кровь. Проникновение кальция через мембраны энтероцитов подчиняется гормональному контролю с участием витамина D₂ , всасывание осуществляется преимущественно в начальном отделе тонкой кишки. Всасывание кальция через межклеточные контакты представляет собой пассивную диффузию из просвета в жидкие среды организма. Количество кальция, поступающее в организм этим путем, линейно зависит от количества кальция, находящегося в растворенной форме в кишечном содержимом. Процесс не подвержен прямой эндокринной регуляции и происходит на протяжении всей тонкой кишки, более выражен в дистальных ее отделах. Количество доступного для всасывания кальция также зависит от ряда диетических факторов, включая наличие фосфата, оксалатов, жиров и фитатов, которые связывают кальций и снижают всасывание лактозы, триглицеридов определенных аминокислот, улучшающих абсорбцию кальция. Принимая в расчет все эти факторы, средняя всасываемость кальция из пищи у взрослых обычно составляет 25-35%. У детей этот показатель может быть в 2 раза выше. Абсорбция кальция в пищеварительной системе снижается в высоких широтах зимой, с возрастом и при развитии остеопороза. Одна из причин этого - снижение выработки активных метаболитов витамина D₂ в почках.

Распределение ионов кальция в организме

Содержание кальция в некоторых тканях тела человека представлено в табл. 9.

Референтные значения

Референтные значения общей концентрации кальция в плазме крови относительно постоянны и составляют 2,25-2,85 ммоль/л. Кальций в плазме крови распределен в трех фракциях: 50-60% находится в ионизированной форме и 5-10% связано с органическими и неорганическими кислотами. Эти две фракции составляют фильтруемый кальций. 35-50% кальция связано с белками, преимущественно с альбумином (с глобулинами около 5-10% кальция). 1 г альбумина связывает около 0,7 мг кальция. Связывание кальция альбумином действует как буфер при резком увеличении или снижении концентрации кальция в крови. Наиболее важным фактором, влияющим на связывание кальция альбумином, является рН крови. Изменение рН на каждую 0,1 единицы сдвигает уровень свободного кальция примерно на 0,05 ммоль/л (при алкалозах доля ионизированного кальция уменьшается, а при ацидозах возрастает на эту величину). Изменение концентрации ионизированного кальция обусловлено не столько конкуренцией за участки связывания между водородом и кальцием, сколько конформационны-ми изменениями молекулы альбумина, приводящими к увеличению или уменьшению ее сродства к кальцию. Биологически активной формой является только ионизированный кальций, концентрация которого составляет 1,05-1,30 ммоль/л.

Кальций выполняет следующие физиологические функции:

Кальций костной ткани

В костной ткани кальций входит в состав аморфной и кристаллической форм минеральных веществ. Aморфную форму представляют в основном трикальцийфосфат, гидрофосфат кальция (брушит) и частично - кальций, связанный длинноцепочечными линейными фосфополимерами (количество неорганического фосфата в цепи 10-50 остатков и более); кристаллическую - гидроксиапатит. Количество минерального вещества и форма его организации определяют зрелость костной ткани и сбалансированность в ней кальциевого обмена.

Зрелая костная ткань представлена слоями последовательно расположенных коллагеновых пучков, между которыми находятся клетки костной ткани - остеоциты (остеобласты). Особенностью зрелой костной ткани является структурная и функциональная сбалансированность. Минеральные вещества в ней упорядочены и пропорционально связаны с коллагеном, а соотношение кальция и фосфора в минеральном веществе составляет 1,5:1,0.

Незрелая костная ткань имеет неупорядоченные пучки коллагеновых волокон, различные по размеру и форме остеоциты и очаги минерализации. Степень минерализации очагов высока и различна. Незрелая костная ткань встречается у плода и практически полностью исчезает при нормальном развитии к 14 годам.

В зрелой костной ткани, являющейся основным депо кальция в организме, активно идут процессы обмена этого элемента. Освобождение кальция из костной ткани осуществляется в процессе резорбции кости и связано с функциональной активностью особой группы клеток - остеокластов. Процесс резорбции кости остеокластами включает синтез и секрецию молочной и лимонной кислот, коллагеназы и ряда кислых гидролаз, разрушение ими костного матрикса и мобилизацию кальция. Связывание кальция в костной ткани осуществляется остеобластами, синтезирующими коллаген костного матрикса и обеспечивающими его упорядоченную минерализацию. Кальций костной ткани (около 1%) свободно обменивается с кальцием внеклеточной жидкости. Вместе обе эти фракции известны как обменивающийся пул кальция. На него приходится 2% общего количества кальция в организме человека.

Кальций клеток мягких тканей

Кальций в строго определенном количестве необходим для жизнедеятельности всех клеток организма млекопитающих. Концентрация внутриклеточного кальция в 1000-2000 раз ниже, чем вне клетки (10^-6 -10^-7 и 10^-3 моль соответственно). В цитозоле и нуклеоплазме уровень кальция на один-два порядка ниже его внутриклеточного содержания. Подобное количественное различие между отдельными компартментами клетки и ее целостным объемом обусловлено как активным неравновесным обменом между цитозолем и внеклеточным пространством, так и депонированием значительных количеств Са²⁺ во внутриклеточных органеллах. Органеллы, способные аккумулировать кальций против электрохимического градиента, содержатся во всех клетках организма человека, исключая эритроциты. Мембраны органелл имеют кальциевый насос, удаляющий из цитозоля часть Са²⁺ во внутреннее пространство органелл, где он обратимо связывается со специфическими депонирующими белками.

Внутриклеточный кальций аккумулируется в митохондриях, секреторных гранулах, саркоплазматическом ретикулуме (СР) клеток мышечной ткани и эндоплазматическом ретикулуме (ЭР) клеток других тканей. Перечисленные внутриклеточные структуры и выполняют функцию депо Са²⁺ . При различных регуляторных воздействиях на мембранные рецепторы кальций поступает в клетки из внеклеточного пространства и (или) выходит из внутриклеточных депо: медленно из митохондрий и секреторных гранул; быстро из сарко- и эндоплазматического ретикулумов мышечной и других тканей. Через 50-300 мс после повышения уровня кальция в цитозоле возрастает его количество в нуклеоплазме. Стабилизация уровня кальция в цитозоле и нуклеоплазме на значениях, соответствующих состоянию покоя, обеспечивается его удалением во внутриклеточные кальциевые депо и внеклеточное пространство. Φизиологически оптимальный уровень кальция во внутриклеточном Са²⁺ -депо обеспечивается работой механизмов, определяющих при необходимости поступление кальция из внеклеточного пространства в Са²⁺ -депо или, напротив, удаление избытка кальция из Са²⁺ -депо во внеклеточное пространство.

Биохимические аспекты внутриклеточного гомеостаза кальция

Возможность измерения внутриклеточной концентрации ионизированного кальция с помощью Са²⁺ -флюоресцентного зонда Quin 2 впервые была продемонстрирована Tьен и соавт. в 1984 г. (Tsien R.Y. et al., 1984). В последующем были разработаны Са²⁺ -флюоресцентные зонды, позволяющие измерять концентрацию кальция как в цитозоле, так и в органеллах, что дало возможность раскрыть определенные биохимические закономерности внутриклеточного депонирования этого электролита.

Биохимические закономерности депонирования кальция в митохондриях

Способность митохондрий быстро депонировать большие количества Са²⁺ и относительно медленно его освобождать, наряду с синтезом ATΦ, является одной из их ключевых функций. Са²⁺ не может подвергнуться метаболическим превращениям. Его физиологически избыточное содержание в микрообъемах цитозоля способно инициировать деструктивные процессы в целостной клетке. Са²⁺ -аккумулирующая активность митохондрий направлена на удаление физиологически избыточных количеств Са²⁺ из микрообъемов цитозоля.

Са²⁺ -транспортирующая система митохондрий имеет константу сродства - Км = 5-20 мкМ и практически неактивна при физиологических концентрациях кальция в цитозоле (0,2-1,0 мкМ). Значительные, физиологически избыточные количества кальция в микрообъемах цитозоля возникают в результате его поступления из внеклеточного пространства и (или) освобождения из внутриклеточных депо. Са²⁺ -транспортирующая система митохондрий в соответствии со своими кинетическими характеристиками способна в течение короткого времени удалить избыток кальция из цитозоля. Митохондрии, в свою очередь, расположены именно в тех частях клетки, где наиболее активно происходят локальные изменения концентрации кальция. Выход Са²⁺ из митохондрий может осуществляться относительно медленно путем электронейтрального обмена Са²⁺ /2Н⁺ и Са²⁺ /2Na⁺ . Быстрое удаление кальция из митохондрий происходит в результате формирования во внутренней мембране митохондрий неселективных пор, обозначаемых аббревиатурой РТР (от англ. permeability transition pores), проницаемых для низкомолекулярных веществ, в их числе и для Са²⁺ . Образование РТР осуществляется с участием фермента пролил-цис/ транс-изомеразы (син. циклофиллин, PPI [КФ 5.2.1.8]), селективное ингибирующее действие на который циклоспорина А препятствует образованию РТР и, соответственно, выходу кальция. Такое состояние является причиной осмотического шока митохондрий, выхода мито-хондриальных факторов, индуцирующих последующую гибель клетки по механизму апоптоза. Выход кальция из матрикса митохондрий путем открытия РТР контролируют АТФ, АДФ, полиамины, жирные кислоты, Mg²⁺ , глутатион, градиент рН на митохондриальной мембране, уровень концентрации кальция в матриксе митохондрий.

Са²⁺ -депонирующая активность митохондрий дополняется аналогичной функцией саркоплазматического ретикулума в клетках мышечной ткани и эндоплазматического ретикулума в клетках других тканей.

Биохимические закономерности депонирования кальция в саркоплазматическом ретикулуме

В саркоплазматическом ретикулуме клеток мышечной ткани имеются два варианта кальциевых депо - продольные цистерны СР и терминальные цистерны СР, контактирующие с цистернами Т-системы. 90% белков мембраны саркоплазматического ретикулума приходится на Са²⁺ -АТФазу. Остальные 10% представлены в основном белками кальциевых каналов. Белки Са²⁺ -каналов способны активно связывать растительный алкалоид рианодин, вследствие чего Са²⁺ -каналы СР называют рианодин-чувствительными.

Са²⁺ -ATΦаза обеспечивает поглощение из цитозоля одного иона кальция за счет энергии гидролиза двух молекул ATΦ. Aктивность Са²⁺ -ATΦазы регулируется протеолипидом фосфоламбаном. Дефос-форилированная форма фосфоламбана способна связываться с Са²⁺ -ATΦазой в соотношении 1:1 и ингибировать ее. Φосфорилирование фосфоламбана снижает его сродство к Са²⁺ -ATΦазе и, соответственно, возможность ингибировать Са²⁺ -ATΦазу. Поступивший в цистерны сар-коплазматического ретикулума кальций связывается с белками - каль-секвестрином (Mr 42 кДа) и Са²⁺ -связывающим белком (с высоким сродством к кальцию, Mr 55 кДа). Кальсеквестрин охарактеризован наиболее полно. Это кислый растворимый белок, содержащий много остатков глутаминовой и аспарагиновой кислот. Одна молекула кальсеквестрина способна связать 43 иона Са²⁺ . В депо СР кальсеквестрин локализован в непосредственной близости к рианодин-чувствительному Са²⁺ -каналу. Подобное распределение кальсеквестрина обеспечивает высокую скорость освобождения в цитозоль необходимых количеств кальция.

Рианодин-чувствительный Са²⁺ -канал имеет наиболее узкий фильтрующий участок диаметром 0,35 нм. Связывание рианодина с рецепторным компонентом белков канала обеспечивает увеличение размеров фильтрующего участка на 0,02-0,03 нм, что увеличивает выход Са²⁺ из депо. Минимальный размер фильтрующего участка Са²⁺ -канала обеспечивается полным восстановлением SH-групп рианодин-связы-вающего сайта протеинов. Соединения, окисляющие и алкилирующие SH-группы белков, образующих кальциевый канал (например, перекись водорода и N-этилмалеимид), вызывают активное удаление кальция из депо. Помимо приведенных веществ кальциевые каналы в СР активируются цитоплазматическим Са²⁺ (0,5-1,5 мкМ), ATΦ (1-5мМ), миллимолярными концентрациями кофеина и микромолекулярными концентрациями инозитол-1,4,5-трифосфата (под активацией кальциевого канала понимается его состояние, способствующее удалению кальция из депо). Ингибиторами активности кальциевого канала являются La³⁺ в концентрации более 0,5 мМ, а также Mg²⁺ и сфингозин в микромолярных концентрациях (под ингибированием кальциевого канала понимается его состояние, препятствующее удалению кальция из депо). На активность рианодин-чувствительного сайта Са²⁺ -канала негативно воздействуют FK506- и рапамицин-связывающие определенные изоформы пептидилпролил-цис/транс-изомераз [КΦ 5.2.1.8]. Связывание FK506 и рапамицина с аффинными к ним изоформами пролилцис/транс-изомеразами [КΦ 5.2.1.8] снижает сродство последних к рианодин-чувствительному сайту протеинов Са²⁺ -канала, что в итоге приводит к активации последнего.

Биохимические закономерности депонирования кальция в эндоплазматическом ретикулуме

В эндоплазматическом ретикулуме немышечных клеток кальциевые депо более сложны и разнообразны по сравнению с Са²⁺ -депо мышечных клеток. Основными белками мембран эндоплазматиче-ского ретикулума являются Са²⁺ -АТФаза и протеины Са²⁺ -каналов. Белки каналов части кальциевых депо эндоплазматического ретикулума специфически связывают инозитол-1,4,5-трифосфат (IP₃ ), что обеспечивает освобождение из них 30-50% депонируемого в ЭР кальция. Остальная часть депонируемого кальция может быть освобождена при использовании специфических ионофоров. Са²⁺ -каналы ЭР, белки которых специфически связывают инозитол-1,4,5-трифосфат, называют IP₃ -чувствительными. Функциональная активность Са²⁺ -АТФазы мембран ЭР сходна с таковой мембран СР.

В кальциевых депо эндоплазматического ретикулума в группе Са²⁺ -связывающих белков наиболее исследован кальрегулин (син. кальретикулин). Кальрегулин представляет собой гликопротеин с молекулярной массой 47 кДа. Кальрегулин, в отличие от кальсеквестрина из Са²⁺ -депо СР клеток мышечной ткани, имеет один участок с высоким сродством и сайты с низким сродством к Са²⁺ . С последними связывается до 50 моль Са²⁺ на 1 моль белка. Локализация кальрегулина в эндоплазматическом депо, механизм его участия в обмене Са²⁺ сходны с аналогичными параметрами для кальсеквестрина.

Структурная организация белков IP₃ -канала, их функциональная активность сходны с протеиновыми компонентами рианодин-чувствительного Са²⁺ -канала. Пропускная способность канала увеличивается при окислении тиоловых групп, образующих его протеинов, действии на их сенсорные сайты IP₃ , адениловых нуклеотидов (АТФ, АДФ, АМФ), полиненасыщенных жирных кислот.

Продолжением эндоплазматического ретикулума является ядерная оболочка. Транспортирующие кальций белки наружной мембраны ядерной оболочки обладают только активностью Са²⁺ -АТФазы. На внутренней мембране ядерной оболочки выявлены лишь белки, образующие IP₃ -регулируемый Са²⁺ -канал. Помимо Са²⁺ -депо ядра, связанного с ядерной оболочкой, кальций проникает в нуклеоплазму через ядерные поры. В покое концентрация кальция в ядре, определяемая методами с использованием экворина, составляет 100-200 нМ.

Биохимические механизмы, определяющие поступление кальция в клетку

Внеклеточные ионы кальция поступают в клетку по кальциевым каналам, образуемым протеиновыми компонентами плазматической мембраны. По особенностям структурно-функциональной организации выделяют два типа кальциевых каналов цитолеммы - потенциал-зависимые Са²⁺ -каналы и рецепторуправляемые Са²⁺ -каналы.

Потенциалзависимые Са²⁺ -каналы выявляются в плазматической мембране клеток, обладающих биоэлектрической активностью (клетки сердечной, скелетной, гладких мышц, нервной ткани, эндокринных органов и др.), и ряде других типов клеток (фибробласты, T-лимфоциты). Потенциалзависимые Са²⁺ -каналы активируются только при деполяризации, обеспечивая быстрое, но кратковременное поступление кальция в клетку. На основании электрофизиологических и фармакологических свойств структур, образующих канал, различают следующие типы потенциалзависимых Са²⁺ -каналов: L, T, N, P, Q и N.

Са²⁺ -каналы L-типа выявлены в нейронах периферической и центральной нервной системы, клетках сердечной, скелетной и гладких мышц. Они активируются при деполяризующих потенциалах более 10 мВ. Са²⁺ -каналы L-типа ингибируются верапамилом и его производными, 1,4-дигидропиридинами (например, нифедипином), D-цис-дилтиаземом. В скелетной мышце Са²⁺ -каналы L-типа проницаемы для ионов магния, тогда как в сердечной - нет. Ряд селективности для Са²⁺ -каналов L-типа сердечной мышцы имеет вид: La³⁺ > Cd²⁺ > Co²⁺ > Ca²⁺ ; скелетной мышцы - Ca²⁺ > Cd²⁺ ~ Co²⁺ .

Са²⁺ -каналы Т-типа выявлены в клетках, обладающих биоэлектрической активностью, а также в фибробластах и T-лимфоцитах. Они активируются при слабых деполяризующих потенциалах, в отличие от каналов L-типа не чувствительны к ингибирующему действию дигидропиридинов. Са²⁺ -каналы T-типа специфически блокируются тетраметрином, амилоридом и октанолом.

Са²⁺-каналы N-типа выявлены преимущественно в секреторных клетках центральной нервной системы. Они активируются при деполяризующих потенциалах более 20 мВ, устойчивы к ингибирующему действию дигидропиридинов и La³⁺ . По селективности схожи с каналами L-типа.

Са²⁺-каналы Р-типа выявлены в клетках центральной и периферической нервной системы. Они активируются при деполяризующих потенциалах более 50 мВ, устойчивы к ингибирующему действию дигидропиридинов.

Са²⁺ -каналы R- и Q-типов выявлены в гранулярных клетках мозжечка, нейронах гиппокампа и коры мозга. Они активируются при высоких деполяризующих потенциалах, высокочувствительны к ингибирующему действию Ni²⁺ .

Рецепторуправляемые кальциевые каналы выявлены в клетках, не обладающих способностью к формированию биоэлектрического потенциала. Са²⁺ -каналы этих клеток связаны с мембранными рецепторами гормонов, цитокинов, нейротрансмиттеров. По характеру взаимодействия рецептора и белковых структур Са²⁺ -канала выделяют следующие классы рецепторуправляемых кальциевых каналов:

Рецепторуправляемые кальциевые каналы обеспечивают быстрое и длительное увеличение концентрации цитоплазматического кальция. Проницаемость рецепторуправляемых каналов для кальция регулируется степенью заполнения IP₃ -чувствительных Са²⁺ -депо («емкостной» механизм). Принципиальная схема взаимодействия между IP₃ -чувствительным Са²⁺ -депо и структурами кальциевого канала представлена на рис. 34.

Варианты непосредственного взаимодействия между структурами Са²⁺ -депонирующих органелл и структурами рецепторуправляемого кальциевого канала определяются структурной организацией последнего.

Рецепторуправляемые кальциевые каналы, входящие в класс 1, взаимодействуют с Са²⁺ -депонирующими органеллами с помощью водорастворимого вторичного посредника. Водорастворимый вторичный посредник - СIF (calcium influx factor) в активной форме представляет собой низкомолекулярное фосфорилированное соединение (Mr 500 Дa) небелковой природы, содержащее гидроксильные группы в соседних атомах углерода и имеющее при физиологических значениях рН отрицательный суммарный заряд. Инактивация СIF осуществляется его дефосфорилированием. К соединениям, стабилизирующим активную форму СIF, относятся ингибиторы фосфатаз, в частности окадаиковая кислота и циклоспорин A.

Помимо СIF, проницаемость рецепторуправляемого Са²⁺ -канала могут регулировать цГМΦ, фосфорилированные формы некоторых белков (например, винкулина), активные формы кислорода. Tак, активация некоторых изоформ цитохрома Р-450, ассоциированных с Са²⁺ -депо ЭР, увеличивает проницаемость рецепторуправляемого Са²⁺ -канала; напротив, их ингибирование антимикотическими азола-ми (клотримазол, эконазол и др.) снижает проницаемость рецептор-управляемого Са²⁺ -канала.

Взаимодействие с Са²⁺ -депонирующими органеллами рецептор-управляемых кальциевых каналов, входящих в класс 2, осуществляется путем непосредственного контакта между специализированными элементами их структур и происходит при действии биорегуляторов на соответствующие рецепторы. Aктивированный в этих условиях G-белок (гаунозинтрифосфат ↔ G-белок) индуцирует образование IP₃ , который стимулирует выход в цитозоль кальция из депо ЭР и увеличивает сродство IP₃ -связывающего сайта к структурам рецепторуправляемого Са²⁺ -канала, что, в свою очередь, увеличивает проницаемость последнего для ионов кальция. Увеличение концентрации кальция в цитозо-ле, его поступление в Са²⁺ -депо ЭР насыщает кальцийассоциирующие компоненты, что в итоге меняет конформацию IP₃ -связывающего сайта и приводит к снижению его сродства к структурам рецептор-управляемого Са²⁺ -канала. Следствием подобных конформационных изменений будет разобщение IP₃ -связывающего сайта Са²⁺ -депо ЭР и структур рецепторуправляемого Са²⁺ -канала и непроницаемость канала для кальция.

Рецепторуправляемые кальциевые каналы, входящие в класс 3, связаны с Са²⁺ -депонирующими органеллами. Когда кальциевые депо заполнены, Са²⁺ -депонирующие органеллы и связанные с ними рецеп-торуправляемые кальциевые каналы находятся в эндомембранном компартменте под плазматической мембраной, освобождение кальция из депо приводит к встраиванию Са²⁺ -депонирующих органелл и, соответственно, рецепторуправляемых кальциевых каналов в цитолемму. Поступление кальция в цитоплазму через рецепторуправляемые кальциевые каналы, последующее насыщение Са²⁺ -депо завершается выходом Са²⁺ -депонирующих органелл в эндомембранный компартмент.

Выведение ионов кальция

Выведение иона кальция из организма осуществляется почками. При этом за сутки фильтруется примерно 10 г кальция. В канальцевую систему попадают только фильтруемые фракции кальция, формируемые его ионизированной формой (50-60%) и связанные с органическими и неорганическими кислотами (5-10%). Связанный с белками кальций (30-35%) не фильтруется в канальцевую систему. Около 60% профильтровавшегося кальция реабсорбируется в проксимальном извитом канальце: 20-25% - в петле Генле, 10% - в дистальном извитом канальце и 5% - в избирательной трубке (рис. 35). В целом с мочой экскретируется 100-200 мг кальция в сутки.

Механизмы регуляции баланса кальция связаны с функционированием трех гормонов - паратиреоидного (ПTГ), кальцитриола [1,25(OH)₂ D₃ ] и кальцитонина, которые действуют на процессы всасывания кальция в кишечнике, реабсорбции в почках и обмена в костной ткани. Другие гормоны: пролактин, гормон роста, инсулин, тиреоидные гормоны, глюкокортикоиды и половые стероиды - влияют на кальциевый гомеостаз при определенных физиологических состояниях и могут рассматриваться как вторичные регуляторы. Дефицит или избыток этих вторичных регуляторов в физиологических пределах не вызывает таких нарушений гомеостаза кальция, которые наблюдаются при дефиците или избытке паратиреоидного гормона, кальцитриола и кальцитонина. В этой связи эффекты вторичных регуляторов гомеостаза кальция будут рассмотрены в разделах нарушений кальциевого гомеостаза и заболеваний костной системы.

При снижении концентрации ионизированного кальция в плазме ниже допустимой границы (менее 1,1 ммоль) увеличивается секреция ПTГ паращитовидными железами. Действие этого гормона на тропные к нему клетки инициирует каскад цAМΦ-зависимых реакций. При этом действие ПTГ на нефроциты приводит к усилению реабсорбции кальция с 90% в норме до 98%. Параллельно снижается реабсорбция фосфата и активируется синтез кальцитриола. Эффект ПTГ на клетки слизистой оболочки кишечника опосредуется кальцитриолом, который увеличивает всасывание кальция.

В костной ткани под влиянием ПTГ инициируются реакции мобилизации кальция вследствие резорбции кости остеокластами, также опосредованные кальцитриолом. Tаким образом, сочетанное действие ПTГ и кальцитриола приводит к нормализации уровня кальция и, соответственно, доли ионизированного кальция в плазме крови.

При увеличении концентрации ионизированного кальция щитовидной железой секретируется кальцитонин - гормон, действие которого направлено на восстановление нормальной концентрации кальция в крови. Его действие на нефроциты стимулирует реабсорбцию фосфата, но практически мало влияет на реабсорбцию кальция. Однако каль-цитонин способствует минерализации кальция в костях, стимулируя и инициируя активность остеобластов, что в итоге нормализует содержание кальция в плазме крови.

Нарушения баланса кальция

Нарушения обмена кальция отражаются на уровне кальция крови, гормонов, регулирующих его уровень, сопряженных с обменом кальция других электролитов (ионы магния и фосфора). Определение значений общей концентрации кальция, особенностей его количественного распределения по фракциям, уровня гормонов, регулирующих кальциевый обмен и тесно связанных с обменом ионов кальция, позволяет оценить глубину расстройств кальциевого обмена, эффективность проводимого или проведенного лечения. Референтные значения вышеуказанных показателей приведены в табл. 10.

Расстройства того или иного звена кальциевого обмена могут приводить к увеличению его уровня в крови - гиперкальциемии или, напротив, к снижению его уровня - гипокальциемии.

Гиперкальциемия

Гиперкальциемия характеризуется нарушениями обмена кальция, которые приводят к преходящему или устойчивому повышению его уровня в плазме крови более 2,6 ммоль/л.

Гиперкальциемия наступает вследствие:

Избыточное всасывание кальция

Наблюдается при интоксикации витамином D и саркоидозе. Имеет общую составляющую - увеличение концентрации биологически активной формы витамина D - кальцитриола [1,25(ОН)₂ D₃ ], индуцирующего всасывание кальция в желудочно-кишечном тракте. При саркоидозе отмечена также сенсибилизация рецепторов энтероцитов к витамину D.

Гиперкальциемия развивается при алиментарной нагрузке определенными соединениями. В частности, гидрокарбонат кальция (Ca(НCO₃ )₂ ), принимаемый как антацидное средство, обладает умеренной нейтрализующей способностью, что требует приема значительного количества препарата. Tак, некоторые больные принимают до 20 г в сутки и более. Образующийся в результате связывания соляной кислоты растворимый хлорид кальция диссоциирует, и образующийся ион кальция активно всасывается в кишечнике. Гиперпродукция соляной кислоты сопряжена с увеличением в крови гидрокарбоната (НСО₃ ^- ), который снижает интенсивность минерализации кости. Экскреция избытка бикарбоната приводит к защелачиванию мочи, что увеличивает реабсорбцию кальция. Сочетание приема карбоната кальция с особенностями его метаболизма при гиперацидных заболеваниях желудка может сопровождаться выраженной гиперкальциемией.

Избыточная мобилизация кальция из костного депо

Избыточная мобилизация кальция из костного депо при различных по своей природе заболеваниях имеет сходный механизм, связанный с дисбалансом гуморальной регуляции обмена кальция.

Остеопороз - наиболее частый вариант метаболических заболеваний скелета, характеризующийся «прогрессирующим» снижением костной массы в единице объема по отношению к нормальному показателю у лиц соответствующего пола и возраста, нарушением микроархитектоники трабекул, приводящим к высокому риску переломов костей от минимальной травмы или без таковой.

Некоторые исследователи рассматривают остеопороз как генерализованную атрофию костной ткани, другие используют термин «остеопения».

Остеопороз, появляющийся у женщин постклимактерического и более старшего возраста, является наиболее распространенной формой генерализованного разрежения кости. Клинически остеопороз этого типа влечет за собой две основные проблемы пожилого возраста: коллапс позвонков и переломы костей конечностей, особенно шейки бедра и дистального конца лучевой кости. Процесс разрежения костной ткани у женщин начинается раньше (еще в зрелом возрасте) и развивается быстрее, чем у мужчин. Женщины европеоидной расы теряют до 47% костной массы позвонков и до 39% вещества дистального отдела лучевой кости.

Инволюционный, или постклимактерический, остеопороз является результатом комбинации нескольких патогенетических механизмов, включающих угасание активности яичников, изменения продукции гормонов, регулирующих метаболизм костной ткани, и факторы питания.

Роль снижения функции гонад в развитии остеопороза достаточно определена, поскольку физиологическое снижение активности яичников или оофорэктомия приводят к повышению уровня кальция и фосфора в плазме и увеличению соотношения кальций/креатинин в моче.

Уровни эстрадиола и эстрона низки как у женщин с остеопорозом, так и у женщин, не страдающих этим заболеванием в постклимактерическом периоде, однако уровень эстрона гораздо ниже у первых, чем у последних. Возрастное снижение уровня витамина D, паратгормона и кальцитонина не всегда коррелирует со степенью выраженности остеопороза. С возрастом наблюдается снижение всасывания кальция в кишечнике, которое более выражено у женщин с остеопорозом, чем у здоровых женщин после менопаузы. Улучшение баланса кальция как у здоровых, так и у больных женщин после менопаузы происходит на фоне терапии эстрогенами.

Возрастной остеопороз является самой распространенной, но не единственной формой данного заболевания. Встречаются также идиопатический ювенильный остеопороз, иммобилизационный остеопороз, кортикостероидная остеопения, локальный остеопороз при ревматоидном артрите.

Гиперкальциемия при онкологических заболеваниях обусловлена воздействием на костную ткань специфических факторов, секретируемых опухолевыми клетками. Их воздействие на остеокласты подобно воздействию паратиреоидного гормона, что позволило обозначить эту группу факторов как «паратиреоидный материал». Идентифицированным компонентом «паратиреоидного материала», секретируемым опухолевыми клетками, является фактор, активирующий остеокласты. Он представляет собой пептид с молекулярной массой 20 кДа в неактивной форме и 16 кДа в активной форме; проста-гландин РgE₂ ; иммунореактивное соединение, подобное паратиреоид-ному гормону. Клетки карциномы легкого из эпидермоидных плоских клеток и карциномы почек секретируют соединение, по структуре гомологичное паратиреоидному гормону.

Гиперкальциемия при гиперпаратиреоидизме связана с избыточной, физиологически неадекватной продукцией паратиреоидного гормона. Гиперпродукция этого гормона может сочетаться с избыточным поступлением или образованием витамина D. Последнее сочетание характерно для успешной трансплантации почки, которая начинает синтезировать 1,25(ОН)₂ D₃ вследствие низкого уровня фосфатов в крови (послеоперационная фосфатурия) и стимуляции нефроцитов паратиреоидным гормоном. Обособленная интоксикация витамином D также усиливает процессы резорбции кости (за счет стимуляции остеокластов). Подобной, но слабовыраженной активностью обладает и витамин А. Умеренная гиперкальциемия развивается при иммобилизации, особенно у тех пострадавших, которые в силу своего общего состояния вынуждены длительное время находиться без нагрузки.

Еще одной причиной гиперкальциемии является гипертиреоз. Увеличение уровня кальция при гипертиреозе связано с преобладанием катаболических процессов практически во всех тканях, в том числе и в костной. Тиреоидные гормоны сенсибилизируют рецепторы остеокластов к действию паратиреоидного гормона за счет увеличения их количества.

Недостаточная почечная экскреция кальция

Умеренная гиперкальциемия развивается при длительном приеме тиазидных диуретиков, которые увеличивают реабсорбцию кальция почками. Не исключено, что подобное действие диуретиков тиазидного ряда связано с сенсибилизацией рецепторов нефроцитов к действию паратиреоидного гормона. Состояние гипертонической дегидратации связано с относительным увеличением количества кальция и не требует специального лечения.

Лабораторные данные при гиперкальциемии

Лабораторные данные указывают на увеличение концентрации кальция в плазме крови: повышение уровня до 2,6 ммоль должно насторожить врача, а свыше 3,0 ммоль - достоверно свидетельствует о гиперкальциемии. Острая тяжелая гиперкальциемия (при уровне кальция выше 3,8 ммоль/л) опасна для жизни. Уровень фосфатов плазмы крови при гиперкальциемии понижен (менее 1,0 ммоль/л), а выведение фосфатов и натрия с мочой повышено. Гиперкальциемия, приводящая к повреждению почечной паренхимы, сопровождается повышением уровня ренина, снижением концентрационной активности почек.

Изменения кальциевого обмена, проявляющиеся той или иной степенью гиперкальциемии, встречаются при остеопениях различного генеза. Наиболее актуальной является лабораторная диагностика остеопороза и степени нарушений кальциевого обмена при этом заболевании.

Биохимическими методами исследования нельзя диагностировать первичный остеопороз, но они позволяют решить три важные задачи:

Методы исследования можно разделить на обычные, дополнительные и высокоспециализированные.

Кальций сыворотки крови. Tочное определение общего кальция сыворотки крови требует соблюдения следующих условий:

При остеопорозе концентрация кальция в сыворотке крови обычно нормальная, лишь в постменопаузе может быть ее незначительное повышение. Так же бывает при гипертиреозе и после иммобилизации у молодых людей.

Фосфат сыворотки крови. Нормальные показатели фосфата у взрослых - 0,8-1,3 ммоль/л. Уровень фосфата в сыворотке крови необходимо измерять в свежей порции крови, взятой натощак, которая должна быть немедленно обработана (задержка исследования уменьшает, а гемолиз увеличивает показатели). При остеопорозе уровень фосфата нормальный, он бывает повышен только в постменопаузальном периоде и при гипертиреозе.

Щелочная фосфатаза. Определение активности щелочной фосфа-тазы имеет большое дифференциально-диагностическое значение. Щелочная фосфатаза представляет собой смесь четырех изоферментов, самыми важными из которых являются печеночный и костный. При исключении заболеваний печени (печеночные ферменты, особенно 5-нуклеотидаза) повышение активности щелочной фосфатазы является указанием на изменения скелета и характеризует деятельность остеобластов.

При подозрении на кишечную остеопатию или остеопатию при заболеваниях печени изоферменты могут быть определены методом электрофореза или путем использования их различной тепловой стабильности в комбинации со специфическими ингибиторами.

Для определения активности щелочной фосфатазы кровь берут утром натощак, так как длительное хранение сыворотки и липемия сказываются на результатах исследования. Нормальный показатель активности щелочной фосфатазы равен 230-780 нмоль/(с×л). При остеопорозе активность ее слегка повышается только после периферических костных переломов, при компрессионных переломах тел позвонков повышение в большинстве случаев отсутствует.

Выделение кальция с мочой. Часто определяется суточное выделение кальция, однако без правильного сбора мочи, затруднительного в домашних условиях, и установленного поступления кальция с пищей этот показатель имеет лишь незначительную информативность. Нормальные показатели: 50-100-250 мг/сут (3-8 ммоль/л).

При определении выделения кальция в условиях голодания воздействие питания уменьшается. Пациент опорожняет мочевой пузырь в 8 ч утра после предшествующего 12-часового голодания и выпивает 250 мл дистиллированной воды. Через 30-60 мин мочевой пузырь снова опорожняется, в моче измеряется содержание кальция и креатинина. Нормальный показатель соотношения кальций/креати-нин 0,02-0,16 мг/100 мл, он тесно коррелирует с разрушением костной ткани. Выделение кальция повышено особенно в постменопаузе, при остеопорозе в среднем возрасте, при активном остеопорозе, гипертиреозе и гиперкортизонизме.

Выделение фосфатов с мочой. Определение суточного выведения фосфора без стандартной диеты малоинформативно. Кроме того, только 10% выделенного фосфора происходит из костей. Нормальные показатели составляют 0,8-2 г/сут (25-65 ммоль/сут). При остеопорозе данный показатель не имеет диагностического значения.

Выделение оксипролина с мочой. Оксипролин - аминокислота, содержащаяся только в коллагене. 90% оксипролина, выводимого с мочой, имеет костное происхождение. Эти 90% костного оксипро-лина образуются при разрушении костной ткани, а 10% - в результате создания кости, поэтому данный показатель представляет собой меру разрушения кости остеокластами. При определении суточного содержания оксипролина в моче за 3 дня до исследования следует исключить из питания больного продукты, содержащие оксипролин (мармелад, пудинги, мороженое, колбасу, мясо, желе). Нормальные показатели - 20-40 мг/сут, причем в период роста показатели вдвое выше и уменьшаются с возрастом. Выделение оксипролина повышается при активной форме постменопаузального остеопороза, но особенно при вторичном остеопорозе, вызванном гипертиреозом и гиперкортизонизмом.

Повышенное содержание креатинина в сыворотке крови указывает на поражение почек, определение печеночных ферментов позволяет исключить заболевания печени. Увеличенная скорость оседания эритроцитов (СОЭ), измененные показатели электрофореза и изменения картины крови являются указанием на плазмоцитому, метастазы злокачественной опухоли в скелет и заболевания крови. Этими обычными исследованиями можно получить важные дифференциально-диагностические данные (табл. 11).

Исследование гормонов должно помочь распознаванию вторичного остеопороза эндокринного происхождения при гипертиреозе, болезни Кушинга, акромегалии, гипогонадизме, сахарном диабете, непереносимости лактозы.

Активность кислой фосфатазы никогда не повышается при остеопорозе, но может быть повышенной при некоторых остеолитических метастазах и при первичном гиперпаратиреозе.

Примечание: N (N) - норма; ↑(↑) - повышен; ↑↑(↑↑) - значительно повышен; ↓(↓) - понижен, сочетание N(↑) - норма или повышен; (N)↓ - понижен или норма

При постменопаузальном остеопорозе снижаются уровни 1,25(ОН)₂ D₃ и паратгормона, определенного радиоиммунологическим методом. Правда, у некоторых больных содержание паратгормона бывает незначительно повышено.

Вместо определения паратгормона радиоиммунологическим методом исследуют циклический аденозинмонофосфат тем же методом или соответствующим белковосвязывающим методом в моче.

В последнее время все большее значение приобретает обнаружение с помощью радиоиммунологического метода остеокальцина, одного из самых важных неколлагеновых костных протеинов. Увеличение должно соответствовать повышению активности остеобластов.

В табл. 12 представлен характер изменения показателей минерального и других видов обмена, наиболее часто используемых для диагностики остеопений.

Гипокальциемия

Гипокальциемия характеризуется нарушениями обмена кальция, которые приводят к преходящему или устойчивому понижению уровня его ионизированной части в плазме крови.

Гипокальциемия наступает вследствие:

Недостаточное поступление и (или) всасывание кальция

Гипокальциемия, связанная только с недостатком кальция в пище, явление редкое. Ведущей составляющей снижения всасывания кальция является дефицит в организме витамина D₂ , который может быть связан с его недостаточным содержанием в пище и (или) затрудненным всасыванием при заболеваниях (поражениях) желудочно-кишечного тракта. Дефицит витамина D₂ в организме расстраивает компенсаторный механизм мобилизации кальция из костного депо и приводит к глубокой гипокальциемии.

Повышенное выделение кальция с мочой

Подобное состояние при нормальной функции почек имеет, как правило, преходящий характер. Одним из наиболее частых механизмов избыточного выведения кальция является гипергидратация

Примечание: Н - норма; ↑ - повышен; ↑↑ - резко повышен; ↓ - понижен; ? - нет данных; ПТГ - паратиреоидный гормон; ОЩФ - общая щелочная фосфатаза; ТРКФ - тартрат-резистентная кислая фосфатаза;. PICP - С-концевые пропептиды коллагена типа 1 и последующий форсированный диурез. Индукция компенсаторного механизма - паратиреоидный гормон → витамин D₂ → костная ткань позволяет достаточно быстро восстановить уровень кальция в крови.

Дефекты регуляторной цепочки ПТГ → витамин D₂ → рецептор

Гипокальциемия вследствие несостоятельности регуляторной цепочки ПТГ → витамин D₂ → рецептор - наиболее тяжелый вид расстройства кальциевого гомеостаза. Недостаточная продукция или отсутствие паратиреоидного гормона - часто встречающаяся причина гипокальциемии. Снижение уровня паратиреоидного гормона в крови может быть связано с заболеваниями (поражениями) паращитовидных желез, недостатком или избытком магния.

Влияние магния на уровень паратиреоидного гормона требует некоторых пояснений. Магний необходим для процесса секреции паратиреоидного гормона, на который он оказывает двоякое действие, зависящее от его концентрации в крови. В частности, секреция паратиреоидного гормона стимулируется магнием, когда его концентрация в крови соответствует физиологически оптимальной (0,75- 1,25 ммоль/л). Напротив, секреция паратиреоидного гормона угнетается магнием, если его уровень в крови выше или ниже физиологически оптимальной концентрации. Относительно состояния гипомагниемии следует отметить, что дефицит магния приводит к десенситизации рецепторов клеток костной ткани к действию паратиреоидного гормона. Недостаток гормона приводит к снижению уровня 1,25(ОН)₂ D₃ - кальцитриола - вследствие его сниженного образования в почках из-за падения активности 1α-гидроксилазы - фермента, индуцируемого действием ПТГ. Таким образом, гипокальциемия при гиперпаратиреоидизме имеет комплексный механизм, будучи следствием сниженного поступления, избыточной экскреции или недостаточной мобилизации кальция из депо.

На поздних стадиях почечной недостаточности выявляется снижение синтеза 1,25(ОН)₂ D₃ в клетках почечного эпителия вследствие резистентности рецепторов нефроцитов к действию паратиреоидного гормона и (или) стойкому падению активности 1 α-гидроксилазы. Резистентность рецепторов нефроцитов к действию ПТГ может сочетаться с аналогичным феноменом со стороны рецепторов клеток костной ткани. Последний чаще встречается самостоятельно.

Преципитация кальция

Преципитация ионизированного кальция наблюдается вследствие:

Механизм развития гипокальциемии связан с быстрым образованием слабо диссоциирующих комплексов. Фосфаты, цитрат, этилендиа-минтетрауксусная кислота и другие вещества обладают высоким сродством к ионам кальция. Поскольку терапия проводится, как правило, при сочетанной патологии, компенсаторные возможности могут быть недостаточны, что в итоге приводит к той или иной степени гипокальциемии.

Остеомаляция - сравнительно редкое метаболическое заболевание костей, связанное с торможением обызвествления костной ткани при сохраняющейся скелетной массе у взрослых. Это заболевание аналогично рахиту у детей (без поражения ростковых зон). Вследствие недостаточной минерализации расширенных остеоидных каемок кость становится мягкой и гибкой. Причиной заболевания является гипокальциемия в результате дефицита витамина D или его метаболитов либо фосфопения из-за увеличенного выделения фосфора при тубу-лопатиях. Болезнь проявляется искривлением костей, мышечными болями и слабостью.

Лабораторные данные при гипокальциемии

Лабораторные данные указывают на снижение концентрации кальция в плазме крови. При гипопаратиреоидизме уровень кальция в плазме крови менее 2,1 ммоль/л, гиперфосфатемия - более 1,5 ммоль/л, гипокальциурия и гипофосфатурия. Глубокая гипокальциемия может сопровождаться умеренным ацидозом, компенсаторной реакцией, направленной на увеличение фракции ионизированного кальция.

При остеомаляции более или менее выражены гипокальциемия либо гипофосфатемия, повышение активности щелочной фосфатазы следует считать самым важным диагностическим признаком. Характер изменения других показателей кальциевого обмена при остеомаляции приведен в табл. 12.

В организме человека массой 70 кг содержится около 24 г магния ^[10] (1000 ммоль). Магний по содержанию в организме занимает четвертое место после катионов - кальция, натрия, калия и второе - в клетке, где в большем количестве определяется лишь калий.

До 80-90% внутриклеточного магния образует комплекс с АТФ. Преимущественно из комплекса Mg-АТФ и АТФ, и магний способны включаться в последующие биохимические реакции и молекулярные структуры в клетке. Таким образом, возможности клетки к использованию ключевого метаболита в освобождении энергии АТФ определяются внутриклеточным содержанием магния. Доступность магния для биохимических реакций в клетке зависит от интенсивности клеточных процессов освобождения энергии и состояния его обмена в организме.

Магний, как и другие электролиты, не может быть синтезирован в каких-либо биохимических процессах. Он должен поступать извне в физиологически необходимом количестве, распределяться во внутриклеточном пространстве организма в соответствии с физиологически адекватной потребностью клеток различных тканей (рис. 36).

Поступление ионов магния

При затратах энергии в 3000 ккал суточная потребность в магнии составляет 350 мг для мужчин и 300 мг для женщин, а для беременных и кормящих матерей, спортсменов и лиц молодого возраста она повышается в среднем на 150 мг. Более точно рассчитать потребность в магнии можно исходя из массы тела (табл. 13).

Магний поступает в организм с пищей и водой. Количество магния в воде определяет (вместе с Са²⁺ ) ее жесткость. Показано, что каждые 2 мэкв/л жесткости воды обеспечивают 6-7% общего поступления магния. Важную роль в достаточном количестве поступающего в организм магния играет не только состав потребляемой непосредственно воды, но и характеристика воды и почвы, где выращивалась сельскохозяйственная продукция, употребляемая в пищу.

Основные пищевые продукты, как правило, не богаты магнием. Главными его источниками могут служить продукты растительного происхождения: крупы (гречневая, пшенная, перловая, овсяные хлопья), мука грубого помола и хлеб с отрубями, бобовые, особенно практически не употребляемая городскими жителями чечевица, шпинат, морская капуста (табл. 14).

Из каждых 300 мг принимаемого с пищей и водой магния в организм поступает 30-40% (100-120 мг). Большая часть магния всасывается в верхних отделах желудочно-кишечного тракта, при этом в отличие от кальция он в основном всасывается за счет ионной диффузии и механизма solvent drag: межклеточное поступление воды с растворимыми соединениями, включая магний. Небольшое количество магния секретируется с пищеварительными соками.

Компоненты пищи способны как увеличивать реабсорбцию магния, так и ограничивать ее. Реабсорбция магния возрастает под влиянием витамина В₆ , ряда органических кислот (молочной, аспарагиновой, оротовой). Козье молоко, в меньшей степени коровье способствуют увеличению абсорбции магния, вероятно, в связи с различным содержанием оротовой кислоты. Ежесуточно с пищеварительными соками в желудочно-кишечном тракте дополнительно к пищевому поступает более 400 мг магния, которые вновь всасываются в кровь.

Абсорбции магния в кишечнике препятствует большое содержание в пище веществ, с которыми он образует трудноили нерастворимые соединения - белки, липиды. Всасывание уменьшается при избытке ионов кальция, конкурирующих с магнием за общие пути всасывания, фосфатов, образующих с магнием малорастворимые соли.

Паратиреоидный гормон и кальцитриол, увеличивающие всасывание кальция, оказывают подобное действие и на всасывание магния, однако значительно менее выраженное.

Распределение магния в организме человека

Около 1% магния находится во внеклеточной жидкости, приблизительно 60% локализовано в костной и 20% в мышечной ткани (35-40 ммоль/кг обезжиренной ткани). Остальные 20% приходятся на другие ткани организма, причем большая часть этого количества сосредоточена в клетках нервной ткани и гепатоцитах.

Количество магния в некоторых тканях тела человека представлено в табл. 15.

Неравномерное распределение магния по клеткам различных тканей определяется преобладанием тех или иных биохимических реакций, требующих биологически доступной формы магния. Исключение составляет костная ткань, в которой магний включен в минеральные структуры внеклеточной матрицы.

Референтные значения

Референтные значения общей концентрации магния в плазме (сыворотке) крови составляют 0,75-1,25 ммоль/л. Из этого количества 55-65% магния плазмы находится в ионизированной форме, 15% связано с органическими и неорганическими кислотами. Эти две фракции составляют магний, фильтруемый в канальцевую систему нефронов. 25-30% магния связано с белками, преимущественно с альбумином.

Связывание магния альбумином является частью физиологического механизма поддержания его определенного количества в растворенной ионизированной форме при резком увеличении или снижении концентрации магния в крови. Наиболее важным фактором, влияющим на связывание магния с альбумином, является рН крови. При алкалозах доля связанного магния, как и кальция, увеличивается, а при ацидозах растет содержание его ионизированной формы. Это обусловлено не столько конкуренцией за участки связывания между водородом и ионом магния, сколько с конформационными изменениями молекулы альбумина, приводящими к увеличению или уменьшению ее сродства к иону магния.

Биологически активной формой является только ионизированный магний, концентрация которого в плазме крови составляет 0,45- 0,75 ммоль.

В эритроцитах количество магния несколько превышает его содержание в плазме (сыворотке) крови, составляя 2,0-2,6 ммоль/л.

Физиологическая роль магния

Указание на важную роль магния в физиологических процессах впервые сделано в 1930-е годы прошлого столетия при анализе причины церебральных, сердечно-сосудистых и других расстройств неясного генеза. Для терапии таких заболеваний было предложено использовать препараты магния. Однако до 90-х годов прошлого столетия эти предложения оставались практически без внимания. Ситуация качественно изменилась, когда был раскрыт ряд важных молекулярных механизмов участия магния в биохимических реакциях, сопряженных с клеточными процессами пролиферации, дифференцировки, апоптоза, локомоторной активностью и др. Во всех европейских странах были организованы национальные общества по изучению магния с участием ведущих специалистов биологических и медицинских наук. В последнее десятилетие раз в два года проходят международные конгрессы, посвященные результатам изучения биологической роли магния, опыту использования его соединений в клинической медицине.

Итогом экспериментальных и клинических исследований последнего десятилетия стало понимание того, что магний является одним из важнейших компонентов внеклеточной и внутриклеточной систем регуляции энергетического, пластического и электролитного обменов.

Ионы магния способны образовывать обратимые хелатоподобные соединения с органическими веществами, обеспечивая возможность их участия в разнообразных биохимических реакциях, активируя более чем 300 ферментов. В роли кофактора магний принимает участие в ферментативных реакциях гликолиза, в которых происходит синтез АТФ. В качестве кофактора ферментов пируватдегидрогеназного комплекса магний обеспечивает трансформацию пировиноградной кислоты в субстрат цикла Кребса, ограничивая таким образом накопление лактата в клетке. Гепатоциты способны эффективно окислять лактат, поступающий с притекающей кровью, при физиологически достаточном содержании магния в клетках и препятствовать развитию лактатацидоза. В цикле Кребса магний необходим как кофактор для ферментов окисления α-кетоглутаровой кислоты.

Магний в качестве кофактора необходим ферментам утилизации АТФ - Mg⁺ -зависимым АТФазам. Как отмечено выше, АТФ является доступной для биохимических реакций лишь в составе комплекса Mg-АТФ.

Mg-АТФ участвует в ферментативных реакциях синтеза и распада нуклеиновых кислот, синтеза белков, жирных кислот, их включения в состав фосфолипидов.

Количество доступного Mg-АТФ для синтеза циклического АМФ (цАМФ) - универсального регулятора клеточного метаболизма и клеточных функций - предопределяет способность магния опосредованно регулировать разнообразные цАМФ-зависимые клеточные процессы.

Возможность магния воздействовать на разнообразные клеточные процессы связана с его физиологической функцией антагониста ионов кальция. Магний конкурирует с кальцием за кальциевые каналы цитоплазматической и внутриклеточных мембран, сайты его связывания с функциональными белками. Например, магний вытесняет кальций из связи его с тропонином С, обеспечивая процесс расслабления.

На подобной конкуренции основано подавление и других инициированных кальцием реакций. При изменении внутриклеточного соотношения этих катионов и преобладании кальция происходит активация Са²⁺ -чувствительных протеаз и липаз, что негативно влияет на структурно-функциональную активность мембран. Благодаря антагонизму с кальцием магний выступает как мембрано- и цитопротективный фактор.

Подобным механизмом обусловлена и способность магния уменьшать разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования в митохондриях, вследствие чего уменьшаются непроизводительные потери энергии в виде тепла, увеличивается эффективность синтеза АТФ и уменьшается потребность клетки в кислороде.

Магний способствует снижению интенсивности Са²⁺ -зависимой передачи импульса в нервных окончаниях, препятствуя высвобождению медиаторов пресинаптической мембраной и активирует его обратный захват. Так, в адренергических синапсах магний стимулирует инактивацию норадреналина, его обратный захват (эффект опосредован через Мg⁺ -зависимую Na⁺ ,K⁺ -АТФазу, ответственную за обратный захват катехоламинов симпатическими нейронами). В нервно-мышечных синапсах магний тормозит зависящее от поступления кальция высвобождение ацетилхолина. Существенное влияние на сокращения различных гладких мышц магний оказывает через торможение высвобождения гистамина из тучных клеток.

Антагонизмом с кальцием объясняют снижение под действием ионов магния АДФ-индуцированной агрегации тромбоцитов и подавление других кальцийзависимых реакций в каскадах коагуляции крови.

Ионы магния играют важнейшую роль в процессах мембранного транспорта других электролитов в клетки, требующих больших энергозатрат. Непосредственное влияние ионов магния на активность мембранных транспортеров и проницаемость ионных каналов обусловлено способностью Mg²⁺ связываться с тропными к нему регуляторными участками в структуре транспортеров цитоплазматической мембраны. Ионы магния также регулируют активность мембранных транспортеров клеточных, митохондриальных и других мембран. Регуляторное воздействие ионов магния на мембранные транспортеры и ионные каналы обеспечивает поддержание физиологического уровня трансмембранного потенциала. Активируя Mg²⁺ -зависимую Na⁺ ,К⁺ -АТФазу, они определяют работу K⁺ ,Na⁺ -насоса, осуществляющего накопление калия внутри клетки и выведение натрия в межклеточное пространство, обеспечивая таким образом поляризацию мембраны и способствуя ее стабильности. При этом уровень магния коррелирует с концентрацией калия внутри клеток. Влияние на мембранные токи Са²⁺ рассматривалось выше. Регуляцией электролитного баланса в клетке (наряду с влиянием на энергетический обмен) объясняется способность магния подавлять автоматизм, проводимость и возбудимость, увеличивать абсолютную и укорачивать относительную рефрактерность в тканях, обладающих всеми или какими-то из этих функций, например в миокарде, миометрии и др.

Принимая участие в высвобождении энергии, требующейся для функционирования мышечной клетки, и играя одну из главных ролей в расслаблении миоцита, магний контролирует работу мышц, в частности миокарда.

Взаимодействие между четырьмя белками сократительного аппарата кардиомиоцита начинается после поступления в клетку кальция, играющего роль инициатора в образовании из актина и миозина актомиозина. Последний, обладая АТФазной активностью, в присутствии кальция и гидролизует АТФ в составе комплекса Mg-АТФ, и обеспечивает энергией сокращение мышцы, то есть систолу сердца. Гидролиз АТФ приводит к снижению сродства магния к АДФ и его локальному освобождению в ионизированной форме. По мере прироста концентрации магния она достигает пороговой величины, активно вытесняет Са²⁺ из связи с тропонином С, в результате чего прекращается взаимодействие актина и миозина и наступает диастола. АТФазная активность актомиозина исчезает, а кальций с использованием энергии, высвобождающейся под влиянием Са²⁺ /Mg⁺ -зависимой АТФазы саркоплазматического ретикулума, реабсорбируется против градиента концентрации в полость его продольных канальцев, а оттуда по градиенту концентрации - в цистерны. Таким образом, регуляция цикла систоладиастола осуществляется ионами магния как за счет его участия в формировании доступной формы АТФ - Mg-АТФ, так и вследствие прямого антагонизма с кальцием.

Описанные механизмы играют важную роль в вазодилатирующей активности магния, которая, возможно, опосредуется также через синтез цАМФ, являющегося мощным вазодилатирующим фактором, через подавляющее влияние на ренин-ангиотензиновую систему и симпатическую иннервацию, а также через усиление натрийуреза вследствие повышения почечного кровотока посредством активации простациклина. В эксперименте было показано подавляющее влияние магния на выброс эндотелина, повышение которого, сопровождая тромбоз коронарной артерии при инфаркте миокарда, приводит к выраженной локальной вазоконстрикции в зоне ишемического риска.

В эксперименте также продемонстрировано, что магний ингибирует протромбин, тромбин, фактор Кристмаса, факторы VI и VII.

Важную роль магний играет в обеспечении нормальной структуры и функции нервных клеток, что позволяет ему контролировать деятельность как периферической, так и центральной нервной системы, включая психоэмоциональную сферу. Имеются указания на его способность увеличивать устойчивость организма к стрессу.

Среди метаболических функций, проявляющихся на уровне целого организма, необходимо подчеркнуть роль магния в поддержании нормального липидного спектра, участие в обеспечении ответа тканей на инсулин и подавление секреции гормона паращитовидной железы.

С участием ионов магния осуществляются:

Дефицит магния приводит к атрофии вилочковой железы, а также к развитию хронических грибковых и вирусных инфекций, аллергическим реакциям и аномальной активации комплемента.

Удаление ионов магния

Почки фильтруют около 2 г магния за сутки, из которых 95% реаб-сорбируется, а остальные 5% экскретируются с мочой. В реабсорбции магния основную роль играет восходящее колено петли Генле, где этому процессу подвергается более 60% профильтровавшегося магния (рис. 37).

Механизм пассивной реабсорбции магния сопряжен с реабсорбцией хлора. Концентрация хлора в канальцевой жидкости возрастает вследствие функциональной активности механизмов реабсорбции бикарбоната. Ионы хлора диффундируют через межклеточный шунт. Возникает диффузионный потенциал в электрическом поле, в котором могут перемещаться с током воды ионы магния. Механизм активного транспорта ионов магния, вероятно, является общим с транспортом ионов кальция. Введение одного из этих элементов снижает реабсорбцию другого. Выделение магния почками возрастает при действии катехоламинов, минералокортикоидов и алкоголя, аналогично действует декстроза (Глюкоза^♠ ) при внутривенном введении.

При дефиците магния в организме его почечная экскреция снижается или прекращается вовсе; при увеличении поступления магния увеличивается и его экскреция. Значительные количества магния могут теряться при сильном потоотделении при напряженной физической работе, тепловой нагрузке, при инфекционных и неинфекционных заболеваниях с интенсивным потоотделением. Потери магния с потом при этом могут достигать 15 мг/сут, в то время как в обычных условиях они не превышают 1,5 мг/сут (последними при анализе магниевого гомеостаза пренебрегают).

Нарушения баланса магния

Нарушения баланса магния не всегда отражаются на его уровне в крови вследствие незначительного внеклеточного количества. Определение общей концентрации магния и особенностей его количественного распределения по фракциям в определенной степени все же позволяет оценить глубину расстройств магниевого обмена. Расстройства магниевого обмена могут приводить к увеличению уровня магния в крови - гипермагниемии или, напротив, к снижению его уровня - гипомагниемии.

Гипермагниемия

Гипермагниемия характеризуется нарушениями обмена магния, которые приводят к преходящему или устойчивому повышению его уровня (более 4,0-8,0 ммоль) в плазме крови.

Гипермагниемия наступает вследствие:

Повышенное поступление магния во внеклеточную жидкость

Отмечается после приема магнийсодержащих антацидов и слабительных. Проведение лекарственной и даже слабительной клизм с солями магния может привести к резкой гипермагниемии вследствие активного всасывания магния в сигмовидной кишке. Гипермагниемия алиментарного происхождения при нормальной функции почек - быстропроходящее явление.

Недостаточная почечная экскреция магния

Основной причиной гипермагниемии является почечная недостаточность. Следует, однако, отметить, что гипермагниемия является поздним проявлением почечной недостаточности, когда скорость клубочковой фильтрации составляет не более 5 мл/мин (в норме 120 мл/мин). Кроме того, повышенное содержание магния обнаруживается на фоне диабетического ацидоза в отсутствие адекватной терапии, при усиленном катаболизме белков и излишнем введении магния.

Лабораторные данные при гипермагниемии

Лабораторные данные указывают на увеличение концентрации магния в плазме: повышение уровня от 2,60 до 3,75 ммоль достоверно свидетельствует о гипермагниемии. Острая тяжелая гипермагниемия (при уровне магния 4,2-5,4 ммоль) опасна для жизни, а свыше 6,25 ммоль - смертельна.

Гипомагниемия

Явный или скрытый дефицит магния широко распространен в популяции, встречаясь в 16-42% случаев в различных регионах мира. По причинам магниевый дефицит можно подразделить на первичный и вторичный.

Среди таких патологических состояний можно выделить следующие:

Клиническое значение дефицита магния в организме

Дефицит магния может служить основой для развития множества патологических состояний, из которых наиболее полно изучены сердечно-сосудистые заболевания. Инсулинорезистентность, дис-и гиперлипидемии, развивающиеся при магниевом дефиците, должны способствовать ускорению развития атеросклероза, что прогностически особенно неблагоприятно при возникающих при дефиците магния повышенной активности плазменного ренина и продемонстрированного Pearson P.S. и соавт. (1998) снижения выделения эндотелием вазо-дилатирующего фактора - окиси азота. Развитие артериальной гипер-тензии при диабете 2-го типа связывают главным образом с дефицитом магния (рис. 38).

Имеются экспериментальные данные о роли дефицита магния в развитии атеросклероза (Jellinek Н., 1995). Эти факты хорошо объясняют, почему у жителей областей с повышенным уровнем магния в воде отмечаются замедление развития атеросклероза и меньшая смертность от этого заболевания. Понятна и известная связь между дефицитом магния в воде и летальностью от острого инфаркта миокарда (Rubenowitz Е. et al., 2000). Необходимо подчеркнуть, что важен не только абсолютный уровень магния, но и уровень кальция: физиологически избыточная величина отношения Са²⁺ /Mg²⁺ коррелирует со смертностью от проявлений ишемической болезни сердца (Taylor-Robinson D. et al., 1991).

Весьма существенна роль дефицита магния при остром инфаркте миокарда. Потеря кардиомиоцитом ионов магния является его ранней реакцией на ишемию, что приводит к уменьшению доступной АТФ, угнетению АТФ-зависимых реакций, в том числе к угнетению функционирования K⁺ /Na⁺ -помпы и изменению внутриклеточного соотношения основных катионов. До 95% больных в остром периоде инфаркта миокарда имеют сниженное содержание сывороточного магния. Одним из механизмов развития этого феномена можно считать повышенный выброс катехоламинов, приводящий к увеличению содержания свободных жирных кислот, связывающих магний (что наблюдается при любом стрессе).

Дефицит магния с преобладанием кальция и неконтролируемое вхождение последнего в кардиомиоцит лежат в основе так называемого реперфузионного синдрома, развивающегося после медикаментозной, инструментальной или спонтанной реваскуляризации миокарда при остром инфаркте и проявляющегося прежде всего нарушениями сердечного ритма.

Как при инфаркте миокарда, так и в других ситуациях внутриклеточный дефицит магния может служить причиной тахикардии и различных аритмий вплоть до фатальных. Выраженный магниевый дефицит сопровождается удлинением интервала Q-T (что, как известно, ассоциируется с развитием желудочковых нарушений ритма и внезапной смерти) и увеличением «дисперсии» Q-T (разницы между Q-T _max и Q-T _min ), что считается еще более надежным признаком высокой вероятности развития нарушений ритма, в том числе и фатальных. Наиболее характерными для дефицита магния вариантами аритмии являются желудочковая тахикардия типа «пируэт» (torsade de pointes), а также индуцированные дигиталисом нарушения ритма, пароксизмальная суправентрикулярная аритмия, мономорфная желудочковая тахикардия. У пациентов с инфарктом миокарда выявлена связь между дефицитом магния и разнообразными желудочковыми нарушениями ритма.

При застойной сердечной недостаточности магниевый дефицит возникает в результате нейрогуморальных сдвигов (симпатоадреналовой гиперфункции, активации ренин-ангиотензин-альдостероновой системы), застоя в желудочно-кишечном тракте, препятствующего абсорбции магния, и усугубляется вследствие диуретической и гликозидной терапии. У больных со сниженным уровнем магния отмечается двукратное увеличение смертности от сердечной недостаточности.

Гипомагнезиемия ассоциируется с повышенной агрегацией тромбоцитов и возрастанием риска тромбозов и эмболии. При недостатке магния ослабляется антиоксидантная защита.

Магниевый дефицит (уменьшение его содержания в мышцах и эритроцитах) обнаружен у больных с пролапсом митрального клапана, для которых также характерны нарушения ритма.

Если роль магниевого дефицита в возникновении сахарного диабета остается весьма проблематичной (несмотря на уменьшение секреции инсулина и инсулинорезистентность при дефиците магния), то его значение в развитии осложнений этого заболевания можно считать доказанным. Более того, в областях с недостаточным содержанием магния в воде и почве повышена смертность больных сахарным диабетом. С другой стороны, гипергликемия, нефропатия при диабете вызывают магниевый дефицит, из-за чего возникает или усугубляется резистентность тканей к инсулину, в результате чего уменьшается захват магния клетками - так формируется один из «порочных кругов».

Дефицит магния и преобладающая активность кальция хорошо известны при некоторых формах бронхообструкции. Причем этот синдром возникает как в связи с непосредственным участием этих ионов в сокращении гладкой мускулатуры бронхов, так и вследствие дестабилизации тучных клеток и высвобождения гистамина. У больных бронхиальной астмой выявлена обратная корреляция между тяжестью заболевания и плазменным и эритроцитарным уровнем магния, а также обнаружено снижение содержания магния в конденсате влаги, содержащейся в выдыхаемом воздухе.

Примерно у трети больных с нефролитиазом наряду с гиперкальциурией обнаруживают гипомагнезиурию, которая может рассматриваться как один из наиболее достоверных лабораторных признаков магниевого дефицита (см. ниже).

Полиморфизм психических и нейровегетативных симптомов при магниевом дефиците обусловлен кардинальной ролью магния в обеспечении нормальной функции нервных клеток. В современном мире широко распространен так называемый синдром хронической усталости - состояние хронического стресса (депрессивное состояние, ослабление концентрации внимания и памяти, головокружения, давящая головная боль, снижение слуха, галлюцинации, паранойя или отдельные ее симптомы), который, с одной стороны, ведет к истощению внутриклеточных запасов магния, а с другой - сам легко развивается в условиях магниевого дефицита (таким образом образуется «порочный круг»). При низких концентрациях магния определяется эпилептиформная активность.

Развивающийся при злоупотреблении алкоголем дефицит магния играет определенную роль в формировании многих осложнений хронической интоксикации этанолом (от поведенческих реакций до мио-патии) и в развитии абстинентного синдрома (алкогольного делирия), похмельного синдрома и др.

Особо необходимо остановиться на магниевом дефиците у беременных и кормящих матерей. Эти состояния повышают потребность в магнии в 1,5-2-3 раза (по разным источникам), которая почти никогда не удовлетворяется, а потому содержание магния в организме беременных неуклонно снижается начиная с 8-й недели, что может служить фактором, способствующим патологическому протеканию беременности.

У женщин с предменструальным синдромом отмечено пониженное содержание магния в эритроцитах и отсутствие его физиологического возрастания перед менструацией.

Дефицит магния в костной ткани развивается при остеопорозе, причем он наблюдается и при нормомагнезиемии.

Одним из самых постоянных клинических проявлений дефицита магния служат судороги скелетных мышц, в частности икроножных. Сочетание мышечных судорог с любым другим симптомом магниевого дефицита значительно облегчает диагностику последнего.

Таким образом, нет ни одной системы организма, в которой первичный или вторичный дефицит магния не играл бы значительной роли в нарушении функции и патогенезе заболеваний.

Лабораторные данные при гипомагниемии

Выявляемые значения концентрации магния в плазме (сыворотке) крови, соотносимые с клиническими проявлениями магниевого дефицита, позволяют считать, что:

При общем дефиците магния его содержание в плазме (сыворотке) крови 0,8 ммоль/л и выше обусловлено поступлением этого катиона из мышечной и костной ткани в кровь. Общий дефицит магния в данном случае может быть заподозрен при наличии клинических симптомов, в той или иной степени сопряженных с недостатком этого катиона. Объективным показателем общего дефицита магния при его нормальных значениях в плазме (сыворотке) было бы определение его количества в мышечной и костной ткани. Подобный подход означает проведение биопсии для получения микропорции ткани. Однако с точки зрения диагностики он малоприемлем, поскольку трудно представить себе человека, который в рамках даже стационарного обследования соглашается на манипуляции, по сложности, болезненности и последствиям приближающиеся к хирургической операции.

Определение содержания магния в волосах позволяет охарактеризовать состояние магниевого гомеостаза в целом и диагностировать различные степени магниевого дефицита в организме. Однако и этот подход имеет свои ограничения, поскольку уровень магния в волосах отражает устойчивые показатели, сформировавшиеся за большие промежутки времени (недели, месяцы, годы), что неприемлемо для многих клинических ситуаций и решения вопроса о необходимом объеме и интенсивности заместительной терапии.

Определение внутриклеточного содержания магния в эритроцитах не отражает истинного состояния магниевого обмена, поскольку значимые изменения содержания магния в эритроцитах имеют место при выраженном магниевом дефиците.

Определение экскреции магния с мочой (физиологическая проба) - один из наиболее достоверных методов оценки текущего магниевого гомеостаза. Экскреция магния почками зависит от его потребности: при избыточном поступлении экскреция возрастает, а при дефиците - падает. Специальная проба позволяет количественно оценить соотношение между поступлением и выведением магния. На фоне трехкратного (с интервалом 8 ч) внутривенного капельного введения магния по 800 мг собирается суточная моча, в которой определяется его количество. При магниевом дефиците в организме задерживается более 30% (или, округленно, более 1/3) введенного элемента, то есть более 800 мг.

Основное условие достоверности функциональной пробы - нормальная функция почек. Недостатками функциональной пробы являются громоздкость и необходимость госпитализации для ее проведения.

Литий ^[11] - это моновалентный катион небольшого размера, по своим свойствам очень похожий на ион натрия. Однако ион лития обладает способностью конкурировать не только с ионом натрия, но и с ионами калия, магния и кальция. С ионом калия, как и с ионом натрия, катион лития объединяют одинаковые физико-химические свойства щелочных металлов. Именно поэтому катион лития свободно проникает через биологические мембраны, особенно при генерации потенциала действия, используя для этого натриевые каналы. Внутри клетки ион лития частично замещает ион калия, вытесняя его и накапливаясь в клетке, что вызывает гиперполяризацию мембраны и предохраняет клетку от чрезмерного перевозбуждения. Ионный радиус катиона лития близок к радиусу иона магния, поэтому катион лития может конкурировать с катионом магния в отношении активирования целого ряда магнийзависимых ферментов. С другой стороны, по плотности заряда ион лития сходен с катионом кальция. При замещении ионов кальция катионами лития отмечается стимуляция кальцийзависимых ферментов, в том числе и мембраносвязанных.

В 1970-е годы препараты лития стали активно использовать при лечении маниакально-депрессивного психоза, а в 1980-е годы была выявлена иммунопротекторная активность иона лития при различных стрессорных воздействиях. Препараты лития нашли свое применение как средство защиты нормальных клеток иммунной системы от токсического действия противоопухолевых препаратов группы растительных алкалоидов (винбластин, подофиллотоксин и др.). Результаты использования препаратов лития в клинической практике позволили выявить зависимость между его концентрацией в крови в ионизированной форме, терапевтической активностью и токсическим действием. Терапевтическая активность иона лития проявляется при его концентрации в плазме крови от 0,6 до 1,5 ммоль/л. При содержании иона лития в крови ниже 0,6 ммоль/л он не проявляет терапевтической активности, а при концентрации выше 2,0 ммоль/л Li⁺ токсичен. В этой связи лечение препаратами лития проводят под лабораторным контролем его концентрации в сыворотке крови.

Ион лития медленно всасывается из желудочно-кишечного тракта, не связывается с белками плазмы крови, медленно проникает в клетки. Его незначительная секвестрация выявлена в клетках костной ткани. Так, при рационе с большим содержанием лития он накапливается в костной ткани в количестве от 14,4 до 28,8 мкмоль/кг массы ткани. Напротив, длительный прием продуктов питания с дефицитом лития приводит к снижению его содержания в костной ткани более чем на порядок (0,72-2,88 мкмоль/кг массы ткани). Другие ткани организма не реагируют на его содержание в рационе подобным образом. Литий выводится из организма с мочой, период полувыведения из плазмы составляет около 20 ч. Клиренс лития достигает около 20% клиренса креатинина.

Содержание лития в некоторых тканях тела человека представлено в табл. 16.

Физиологическая активность лития складывается из влияния на:

Негативное влияние лития на уровень вторичных посредников проявляется депрессией в клетках нервной ткани уровня 1,4,5-инозитолтрифосфата (ИТФ) и диацилглицерола (ДАГ), ответственных за адренергическую и мускариновую передачи нервных импульсов. Литий, ингибируя рециркуляцию субстратов инозитола, вызывает истощение депо вторичных посредников (ИТФ и ДАГ), тем самым уменьшая их высвобождение. Литий подавляет превращение инозитолбисфосфата в инозитолмоно-фосфат и последний в инозитол (рис. 39).

Следствием ингибирующего действия лития на продукцию инозито-ла является уменьшение количества инозитол-4,5-бисфосфата (ИБФ) - мембранного предшественника ИТФ и ДАГ. С течением времени клеточный ответ на регуляторное действие медиаторов снижается в той же степени, что и активность ИБФ-зависимых метаболических путей.

Токсическое действие лития проявляется:

Вышеперечисленные и другие проявления токсичности лития исчезают при полной или частичной отмене препарата. В тяжелых случаях показано проведение перитонеального диализа или гемодиализа до снижения концентрации лития в плазме крови ниже 0,6 ммоль/л.

В организме содержится 500-800 г фосфатов ^[12]. Из них 88% находится в костной ткани, остальные 12% приходятся на внутриклеточное и отчасти на внеклеточное пространство. В костной ткани фосфаты определяются в аморфной форме, представленной в основном трикальцийфосфатом и гидрофосфатом кальция (брушит), в кристаллической - гидроксиаппатитом. Это длинноцепочечные линейные фосфополимеры, растворимые при количестве неорганического фосфата (Р¡) в цепи 10-50 остатков и нерастворимые при остатках Р_i более 50.

Баланс фосфатов в организме складывается из соответствующего равновесия между их поступлением, депонированием и выведением (рис. 40).

Поступление фосфатов

С обычной диетой за сутки в организм поступает приблизительно 1 г фосфора, 70% которого всасывается, а остальная часть выводится с калом. Основные пищевые продукты, богатые фосфатами, приведены в табл. 17.

Всасывание фосфатов происходит во всей тонкой кишке, однако в тощей оно интенсивнее, чем в двенадцатиперстной, а в подвздошной минимально.

Продвижение фосфатов через эпителий кишечника осуществляется двумя механизмами - активным транспортом и диффузией между клетками через парацеллюлярные «шунты». Особенностью активного транспорта является то, что при нейтральных значениях рН он проходит по механизму котранспорта с натрием (котранспорт - форма активного транспорта, при которой молекула-транспортер связывает два вида транспортируемых молекул, в отдельности она их не перемещает). При значениях рН около 6 и ниже поглощение фосфатов не зависит от натрия.

Ключевую роль в регуляции уровня фосфатов играет кальцитриол, стимулирующий всасывание посредством кальцийзависимого механизма в двенадцатиперстной кишке и через систему, не зависящую от кальция, - в подвздошной кишке.

Распределение фосфатов в организме

Референтные значения концентрации неорганического фосфата в плазме (сыворотке) крови составляют 1,12-1,45 ммоль/л. Фосфаты находятся в сыворотке преимущественно в виде свободных моно-и полимерных ионов. На последние приходится около 20-25% общего количества ионизированных фосфатов (48,7±7,0 мкМ). Часть фосфатов сыворотки (менее 15%) связана с белком. В течение суток концентрация фосфатов может варьировать до 50%. Пик концентрации при этом отмечается в 8 и 11 ч утра. Такая вариабельность концентрации связана с биологической ролью фосфатов в организме. Они:

Поступление фосфатов во внутриклеточное пространство опосредованно регулируется инсулином, действие которого приводит к потреблению клетками глюкозы и, соответственно, фосфатов для образования как фосфорилированных углеводных соединений, так и неорганических полифосфатов. Неорганические полифосфаты (полиР) - это линейные полимеры из десятков фосфатных остатков, связанных высокоэнергетическими фосфоангидpидными связями. Полифосфаты образуются в реакции: AТΦ + полиР_n ↔ AДΦ + полиР_n+1 , катализируемой ферментом полифосфаткиназой (КΦ 2.4.7.1). Концентрация полифосфатов в клетках некоторых тканей человека приведена в табл. 18.

Освобождение неорганического фосфата из полиР осуществляется несколькими ферментами, из которых полифосфатгидролаза (КΦ 3.6.1.11) катализирует реакцию освобождения ионизированного монофосфата (полиР_n + Н₂ О ↔ полиР_n-₁ + Р_i), а полифосфат-АМФ-фосфотрансфераза катализирует реакцию переноса фосфатной группы на АМФ (полиР_n + АМФ ↔ полиР_n-1 + АДФ). Синтезируемый АДФ может быть использован в аденилаткиназной реакции синтеза АТФ: АДФ + АДФ → АТФ + АМФ. Реакции, катализируемые полифосфат-АМФ-фосфотрансферазой и аденилаткиназой, обеспечивают трансформацию энергии фосфоангидридной связи полифосфата в энергию АТФ.

Выделение фосфатов

Концентрация фосфатов в плазме крови находится в пределах максимальной возможности почек по их реабсорбции. Приблизительно 98% общего количества фосфатов плазмы крови фильтруется, при этом 80-90% реабсорбируется обратно, а остальная часть выводится с мочой. Реабсорбция фосфатов осуществляется путем активного котранспор-та с натрием в отношении 1:2 преимущественно в проксимальном (60-70%) и дистальном канальцах (10-20%) (рис. 41).

Процесс обработки фосфата почками подвержен регуляторному влиянию паратиреоидного гормона, кальцитонина, глюкокортикоидов, гормона роста и отчасти витамина D₃ Количество реабсорбируемого фосфата зависит от концентрации ионов водорода, кальция, глюкозы.

Действие паратгормона распространяется на все отделы нефрона, реабсорбирующие фосфаты. Регуляторный эффект паратгормона реализуется через цАМФ и приводит к снижению реабсорбции фосфата, которую также снижают кальцитонин и глюкокортикоиды. Действие на клетки почечного эпителия гормона роста и витамина D₃ увеличивает количество реабсорбируемых фосфатов.

Ионы водорода вне диапазона физиологического оптимума увеличивают фосфатурию. При ацидозе имеет место мобилизация фосфатов и кальция из костного депо. Увеличение количества фильтруемого фосфата выше пороговых величин реабсорбции и снижение реабсорбционных возможностей почек при ацидозе приводят к фосфатурии. При алкалозе падает концентрация кальция в крови, что стимулирует секрецию паратиреоидного гормона, угнетающего реабсорбцию фосфата и приводящего к фосфатурии. Состояние гиперкальциемии, не обусловленное эффектами паратиреоидного гормона, стимулирует реабсорбцию фосфата вследствие того, что избыток кальция подавляет продукцию паратгормона и, соответственно, снижается депрессивное действие последнего на реабсорбцию фосфатов.

Адаптационные механизмы, включающиеся при низком и избыточном поступлении фосфатов, представлены на рис. 42 и 43.

Нарушения обмена фосфатов

Как избыток, так и недостаток фосфатов в организме влечет за собой серьезные расстройства здоровья. Избыток фосфатов в первую очередь отражается на кальциевом обмене, приводя к гипокальциемии, расстройствам гуморальной регуляции уровня кальция, увеличению интенсивности его отложения в сосудистой стенке и различных тканях. Недостаток фосфатов отражается практически на каждой клетке организма, так как ион фосфата необходим для образования АТФ. При недостатке фосфатов структурно-функциональные изменения в той или иной степени затрагивают все системы организма. Расстройства обмена фосфатов, приводящие к увеличению их уровня в крови, определяют как гиперфосфатемию, а снижение их уровня - как гипофосфатемию.

Гиперфосфатемия

Гиперфосфатемия характеризуется нарушениями обмена фосфатов, которые приводят к преходящему или устойчивому повышению в плазме крови неорганического фосфата более 1,5 ммоль/л.

Гиперфосфатемия развивается вследствие:

Повышенное поступление фосфатов во внеклеточную жидкость

Причины повышенного поступления фосфатов во внеклеточную жидкость достаточно разнообразны и связаны с приемом пищи, богатой фосфатами, введением фосфатных солей, лечением витамином D₃ , онкологическими заболеваниями, повышенным катаболизмом и проч. Гиперфосфатемия в большинстве случаев носит преходящий характер, так как почки способны достаточно эффективно удалить избыток фосфатов. Исключение составляют онкологические заболевания, терапия которых может привести к устойчивой гиперфосфатемии. Например, при лимфобластном лейкозе уровень фосфата в крови может превышать нормальные значения в 5-7 раз. Источником неорганического фосфата в этом случае являются трансформированные лимфобласты, содержащие неорганические и органические фосфаты в количестве, в 4-5 раз большем, чем нормальные клетки. Чувствительность почечного эпителия к деструктивному действию химиотерапевтических средств снижает функциональные возможности почечного механизма стабилизации фосфатов в крови. Избыток фосфатов может в этих условиях привести к кальцификации тканей, в том числе и почек, что в итоге еще более усугубляет расстройства фосфатного обмена.

Недостаточная почечная экскреция фосфатов при заболеваниях почек

При хронической почечной недостаточности гиперфосфатемия развивается в случае, когда скорость клубочковой фильтрации становится менее 25 мл/мин (в норме 120 мл/мин). Подобное обстоятельство означает снижение количества функционально полноценных нефро-нов. Компенсаторные возможности функционирующих при хронической почечной недостаточности нефронов обусловлены увеличением количества экскpетиpуемых фосфатов в расчете на один нефpон. При острой почечной недостаточности гиперфосфатемия варьирует в значительных пределах. При благоприятном разрешении процесса почечные функции восстанавливаются в полном объеме.

Недостаточная почечная экскреция фосфатов при дефектах в системе гуморальной регуляции их экскреции

Недостаток паpатиpеоидного гормона, секреция аномального паpат-гоpмона, резистентность к нему клеток почечного эпителия - все эти причины, обособленно или в сочетании, могут приводить к гиперфосфатемии. Ключевым патобиохимическим звеном в цепи молекулярных событий повышения количества фосфатов в крови является увеличение их реабсорбции в почечных канальцах при дисбалансе гуморальной регуляции паратиреоидным гормоном.

Избыточная секреция гормона роста и (или) повышенная чувствительность к нему рецепторов нефроцитов приводят к увеличению реабсобции фосфата и развитию гиперфосфатемии.

Из медикаментозных средств, способных вызывать гиперфосфатемию, следует упомянуть дифосфонаты - этидроновую и амидроновую (Памидpонат медак^♠ ) кислоты - препараты, используемые для лечения гиперкальциемии. Бифосфонаты уменьшают почечную экскрецию фосфата и мобилизуют его из депо, что в итоге приводит к гиперфосфате-мии. Уровень фосфатов в крови нормализуется при отмене препаратов.

Лабораторные данные при гиперфосфатемии

Уровень фосфатов в крови превышает 1,45 ммоль/л. В детском возрасте концентрация фосфатов в крови составляет 1,5-2,25 ммоль/л. Подобная особенность различия концентраций может быть объяснена как более высоким уровнем гормона роста, так и сенсибилизацией к нему нефpоцитов. Гипеpфосфатемия при онкологических заболеваниях может сочетаться с гипокальциемией, гиперурикимией, гиперкалиемией. Подобное сочетание высоко вероятно при успешной терапии онкологического заболевания. Гипокальциемия и повышенный уровень паратиреоидного гормона - это наиболее устойчивые биохимические изменения, сопутствующие гиперфосфатемии.

Гипофосфатемия

Гипофосфатемия характеризуется нарушениями обмена фосфатов, которые приводят к преходящему или устойчивому снижению в плазме крови неорганического фосфата менее 1,10 ммоль/л.

Гипофосфатемия развивается вследствие:

Недостаточное поступление фосфатов во внеклеточную жидкость

Обычно имеет место при употреблении пищи, бедной фосфатами, хронических заболеваниях (поражениях) кишечного тракта, лечении препаратами алюминия, расстройствах обмена витамина D. Недостаточное количество фосфатов в пище, затрудненное их всасывание - причины, каждая из которых сама по себе или в сочетании не вызывает глубокой гипофосфатемии, так как при этом возрастает почечная реабсорбция фосфатов. Использование препаратов алюминия в качестве антацидных средств имеет своим недостатком образование с фосфатами нерастворимых соединений. Длительное применение солей алюминия способно привести к глубокой гипофосфатемии.

Витамин D и его метаболиты являются активными регуляторами всасывания и минерализации фосфатов. Недостаточное поступление витамина D в организм, расстройства его метаболизма, резистентность рецепторов клеток кишечника и (или) костной ткани - причины, которые самостоятельно или в сочетании друг с другом приводят к выраженной гипофосфатемии.

Избыточное удаление фосфатов при заболеваниях почечного эпителия

Заболевания (поражения) почечного эпителия могут приводить как к изолированному дефекту транспорта фосфатов, так и к его сочетанию с расстройствами реабсорбции других метаболитов. Гипофосфатемия при дефекте канальцев носит, как правило, устойчивый характер. Исключением является гипофосфатемия при острой почечной недостаточности в течение диуретической фазы. Уровень фосфатов сыворотки нормализуется при благоприятном разрешении процесса.

Избыточное удаление фосфатов при дефектах в системе гуморальной регуляции их выделения

Дисбаланс в системе гуморальной регуляции уровня фосфатов связан в основном с избыточной продукцией паратиреоидного гормона и (или) сенсибилизацией к его воздействию клеток эпителия почечных канальцев. Избыточная активность паратиреоидного гормона снижает всасывание фосфатов в кишечном тракте и их реабсорбцию почками. При трансплантации почек избыток паратиреоидного гормона является ведущей причиной гипофосфатемии. Алкалоз приводит к гипофосфатемии посредством снижения уровня кальция в крови, что стимулирует секрецию паратиреоидного гормона, снижающего, в свою очередь, реабсорбцию фосфата.

Гипофосфатемия при диабетическом кетоацидозе связана с избыточным удалением фосфатов почками. Лечение диабетического кетоацидоза инсулином приводит к перемещению фосфатов во внутриклеточное пространство вслед за глюкозой. Подобные механизмы гипофосфатемии описаны у больных хроническим алкоголизмом в период устойчивого потребления алкоголя и при его отмене, когда фосфатурия сменяется перемещением фосфата во внутриклеточное пространство. Плохое питание и, соответственно, сниженное поступление фосфатов при алкоголизме усугубляют состояние гипофосфатемии.

Лабораторные данные при гипофосфатемии

Гипофосфатемии при уровне фосфатов в крови ниже 1,10 ммоль/л сопутствует широкий спектр изменений биохимических показателей. В частности, выявляются гиперкальциемия, гипомагниемия в сочетании с гипермагниурией, снижено количество титруемых кислот. В крови определяется повышенная активность креатинкиназы и альдолазы. В эритроцитах снижается количество АТФ и 2,3-дифосфоглицерата.

В организме человека массой 70 кг содержится около 100 г хлора (40-45 ммоль/кг). Хлор выявляется в биологических средах преимущественно в виде иона - Cl^- . Его концентрация в плазме (сыворотке) крови составляет 97-108 ммоль/л.

Физиологические функции хлора связаны с его участием в формировании трансмембранного потенциала и обеспечении электронейтральности.

Баланс хлора в организме складывается из равновесия между его поступлением, распределением и выведением.

Поступление ионов хлора

Анион хлора поступает в организм преимущественно в виде хлорида натрия. Хлориды калия, магния и других металлов не играют значимой роли в поступлении аниона хлора. Основное количество аниона хлора всасывается вместе с натрием в тонкой кишке. Параллельно процессу всасывания происходит секреция аниона хлора из клеток желудка в его полость вместе с ионом водорода. Секретируемый желудком анион хлора повторно всасывается в низлежащих отделах желудочно-кишечного тракта.

Распределение ионов хлора

Количество хлора в крови относительно натрия несколько ниже, чем в интерстициальной жидкости. Подобная особенность распределения аниона хлора относительно натрия связана с избыточным отрицательным зарядом белков плазмы крови в сравнении с аналогичным показателем интерстициальной жидкости (равновесие Гиббса-Доннана). Избыточный отрицательный заряд белков плазмы крови в сравнении с зарядом белков межклеточной жидкости обусловлен тем, что их количество превышает концентрацию белков в интерстициальной жидкости и они в норме практически не способны преодолеть капиллярную стенку.

Выделение ионов хлора

Фильтруемый в почечном клубочке ион хлора реабсорбируется во всех отделах почечного канальца. Движущей силой реабсорбции хлора является активность Na⁺ ,К⁺ -АТФазы, обеспечивающая электрохимический и концентрационный градиенты. В проксимальном канальце реабсорбция натрия и воды опережает реабсорбцию хлора. Реабсорбированный натрий обеспечивает электрохимический градиент между канальцевой и интер-стициальной жидкостями. Реабсорбированная из канальцевой жидкости вода создает условия для формирования концентрационного градиента.

Хлор поступает в интерстициальную жидкость через межклеточные шунты. В проксимальном канальце реабсорбируется 70% иона хлора от количества реабсорбированного натрия. В нисходящем колене петли Генле хлор не реабсорбируется. В восходящем колене петли Генле хлор реабсорбируется трансцеллюлярно. Из канальцевой жидкости в клетки эпителия хлор поступает благодаря активности котранспортера, одномоментно переносящего Na⁺ , K⁺ и 2Cl^- . В интерстициальное пространство из клеток ионы хлора попадают, преодолевая базолатеральную мембрану посредством симпорта с K⁺ и, возможно, через специализированные каналы. В дистальном канальце ион хлора реабсорбируется трансцеллюлярно. Из канальцевой жидкости в клетки эпителия хлор поступает благодаря активности котранспортера, одномоментно переносящего Na⁺ и Cl^- . В интерстициальное пространство из клеток ионы хлора попадают, преодолевая базолатеральную мембрану, посредством симпорта диффузии. Нереабсорбированный хлор удаляется из организма.

Регулятоpные механизмы гомеостаза иона хлора опосредованы воздействием регуляторных факторов на гомеостаз натрия.

Расстройства обмена хлора не являются первичными, они сопутствуют дисбалансу натрия, ионов водорода. Реабсорбируемые потоки ионов хлора и секретируемого иона водорода определенным образом разобщены в канальцевой системе, в этой связи определение концентрации иона хлора в крови и моче оказывается полезным для тонкой диагностики расстройств кислотно-основного состояния.

Диссоциация угольной кислоты - продукта ферментативного связывания в организме углекислого газа - сопровождается образованием гидpокаpбоната:

H₂ O + CO₂ ↔ H₂ CO₃ ↔ hco₃ - + H⁺ .

Гидрокарбонат является ионом, который вместе с хлором составляет основную массу анионов. В отличие от количества хлора концентрация гидрокарбоната претерпевает значительные колебания. Подобная особенность количественного непостоянства уровня бикарбоната обусловлена одной из его физиологических функций, направленной на поддержание электронейтральности растворов в жидкостных пространствах. Изменения состава ионов в жидкостных пространствах уравновешиваются благодаря гидрокарбонату. Система гидрокарбонат - угольная кислота является важнейшей внеклеточной буферной системой.

Сульфат (SO₄ ^- ) образуется из серосодержащих аминокислот цистеина и метионина. Его концентрация в плазме составляет 0,32 ммоль/л, и вклад сульфата в общее количество анионов невелик. Из организма сульфат удаляется через почки, однако они способны его реабсорбировать в проксимальной части канальца за счет котpанспоpта с натрием; почечный порог составляет 0,8-1,2 ммоль/л, вследствие этого концентрация сульфата в плазме крови относительно постоянна. При почечной недостаточности концентрация сульфата в плазме повышается в 15-20 раз, что приводит к снижению уровня бикарбоната и развитию метаболического ацидоза.

К органическим относятся молочная, пиpовиногpадная, β-гидpокси-масляная, ацетоуксусная, янтарная, лимонная и другие кислоты.

Избыточные их концентрации в крови приводят к ацидозу, что отражается на изменении уровня ряда электролитов - внеклеточного калия, ионизированных форм кальция, магния, содержания бикарбоната, а это, в свою очередь, требует проведения специальных терапевтических мероприятий.

Молочная кислота постоянно образуется в клетках различных тканей при окислении глюкозы в процессе гликолиза (около 1500 ммоль, приблизительно 20 ммоль/кг в сутки).

Ткани, продуцирующие лактат в состоянии покоя (%):

Во время тяжелых физических упражнений мышцы становятся главным источником лактата. Во время беременности важным производителем лактата является плацента.

В опухолевых клетках скорость гликолиза высока и при снабжении кислородом (аэробный гликолиз). В нормальных клетках молочная кислота интенсивно образуется лишь в условиях недостаточного снабжения кислородом (анаэробный гликолиз).

Подавляющее количество лактата метаболизируется в печени (60%), в почках (30%), и лишь небольшое его количество утилизируется в других тканях (10%). Половина лактата превращается в глюкозу при глюконеогенезе, а половина метаболизируется до CO₂ и H₂ O в цикле лимонной кислоты.

Лактат в нормальных условиях в плазме крови составляет менее 2 ммоль/л. При повышенной мышечной работе, особенно у спортсменов, количество лактата может временно превысить этот уровень, однако сохраненный аэробный метаболизм будет эффективно утилизировать лактат как в печени, так и в сердечной мышце, где лак-тат будет служить дополнительным энергетическим субстратом. При тяжелых физических нагрузках концентрация лактата может достигать 30 ммоль/л, что не отражается на изменении рН крови, так как скорость печеночного метаболизма лактата у здоровых людей составляет от 100 до 320 ммоль/ч.

Гиперлактатемия развивается при дефиците тиамина, применении высоких доз изониазида, метформина и ряда других лекарственных препаратов. Уровень лактата венозной крови отражает его продукцию клетками различных тканей, напротив, содержание лактата артериальной крови показывает способность гепатоцитов к его утилизации.

Определенный вклад в гомеостаз лактата вносят почки, удаляя его избыток из организма с мочой при концентрации в плазме крови, превышающей пороговый уровень реабсорбции 7 ммоль/л.

Кетоновые тела: ацетон, β-оксимасляная и ацетоуксусная кислоты - являются важными источниками энергии, альтернативными жирным кислотам и глюкозе. При нормальном обеспечении кислородом все клетки, за исключением гепатоцитов, способны окислять кетоновые тела до углекислого газа и воды. В основном синтезировать и продуцировать кетоновые тела в кровь, делая их доступными для других клеток, способны только гепатоциты (рис. 44).

Синтез кетоновых тел осуществляется в митохондриях гепатоцита. Интенсивность их синтеза зависит от нагрузки гепатоцитов субстратами - глюкозой и жирными кислотами, регуляторного действия инсулина, глюкагона, адипоцитокинов и некоторых других гормонов.

Глюкоза и жирные кислоты как метаболиты, имеющие общий путь окисления в митохондриях, не могут в гепатоците одновременно использоваться как субстраты для удовлетворения энергетических потребностей клетки. При нагрузке гепатоцита обоими субстратами их избыток трансформируется в кетоновые тела при условии неэффективного гормонального контроля.

Инсулин подавляет образование кетоновых тел, снижая как липолиз, так и активность ацилкарнитинтрансферазы (АКТазы), фермента, облегчающего поступление свободных жирных кислот в митохондрии гепатоцитов. Напротив, глюкагон способствует продукции кетоновых тел, стимулируя процессы поступления в гепатоциты жирных кислот, их активацию и транспорт в митохондрии.

Кетоновые тела стимулируют секрецию инсулина β-клетками поджелудочной железы. При сахарном диабете 1-го типа, когда нарушена или утрачена способность клеток поджелудочной железы поддерживать адекватный метаболической ситуации уровень инсулина в крови, кетоновые тела не способны инициировать гормональный механизм контроля их продукции. Напротив, сахарный диабет 2-го типа, когда сохранена способность β-клеток поджелудочной железы к продукции инсулина, не сопровождается физиологически избыточным уровнем кетоновых тел в крови.

Характеризуя особенности обмена кетоновых тел при различных состояниях организма, необходимо различать:

При каждом из этих состояний уровень кетоновых тел превышает верхний предел референтного значения практически здорового человека - 0,1 ммоль/л. Однако, помимо количественной характеристики, эти состояния различаются механизмами их формирования и исходами.

Физиологический кетоз - состояние, при котором уровень кетоновых тел в крови достигает 2 ммоль/л. В основе физиологического кетоза не лежат какие-либо метаболические аномалии. Этот вариант кетоза сопровождает поздние сроки беременности, особенно если не соблюдается режим питания, имеются длительные перерывы между приемами пищи, практикуется значительная физическая нагрузка. Прирост продукции кетоновых тел в печени направлен на удовлетворение клеток материнского организма в энергетическом субстрате, поскольку глюкоза активно используется клетками плода в пластических и трофических процессах. Несмотря на то что у беременной могут быть зафиксированы признаки изменений кислотно-основного состояния, они исчезают при адекватном поступлении глюкозы с пищей.

Патологический кетоз - состояние, при котором уровень кетоновых тел в крови превышает 2,5 ммоль/л. Причиной патологического кетоза служит дисрегуляция углеводного и липидного обмена в организме в целом и гепатоцитах в частности. Следствием этого является избыточное поступление в гепатоциты глюкозы и (или) жирных кислот, которые распадаются и формируют избыток исходного субстрата синтеза кетоновых тел - ацетил-КоА. Гормональный контроль метаболизма глюкозы и жирных кислот в гепатоцитах является неэффективным или утраченным со стороны инсулина, адипоцитокинов и практически полностью сохраненным со стороны глюкагона. Недостаток регуляторного действия инсулина на гепатоциты и сохраненное влияние глюкагона предопределяют перманентное образование кетоновых тел, превышающее потребности в них клеток других тканей.

Уровни лактата, пирувата, кетоновых тел значимы в дифференциальной диагностике неотложных состояний, контроле эффективности терапии, прогнозе здоровья пациента.

Белки - высокомолекулярные соединения, построенные из остатков аминокислот. Общее содержание белков в организме составляет 17% массы тела. Концентрация в плазме крови равна 60-80 г/л. На долю альбумина, основного белка плазмы крови, приходится практически 50% всех белков плазмы, его концентрация составляет 35-55 г/л. Концентрация другой фракции белков плазмы крови - глобулинов - 20-36 г/л.

Молекулы белков крови при pH 7,4 представлены главным образом в виде анионов. Внутрисосудистый запас альбумина равен 120 г, а межтканевый - 60-400 г. В плазме крови нижняя граница общего белка - 66 г/л, альбумина - 37 г/л. Концентрации общего белка ниже 50 г/л и альбумина ниже 25 г/л несовместимы с жизнью.

В обмене воды и электролитов белки выполняют следующие физиологические функции:

В норме сбалансированные процессы синтеза и распада белков плазмы крови осуществляются в печени, при этом белки не фильтруются в почках и не выводятся с мочой. Расстройства белкового обмена, сопровождающиеся гипопротеинемией, приводят к количественному нарушению в обмене жидкости и электролитов, что вызывает развитие отеков. Изменения спектра клеточных и внеклеточных белков при раке и ряде других заболеваний предопределяют отличный от нормы уровень равновесия в водно-электролитном обмене.

Для определения содержания электролитов с помощью методов атомно-спектрального анализа используют сыворотку или плазму крови, соблюдая требования к забору материала.

Кровь центрифугируют в течение 15 мин при 3000 об./мин (900 g). Плазму или сыворотку осторожно отбирают. При получении сыворотки или плазмы необходимо минимизировать разрушение клеток, например, высвобождение калия из 0,5% эритроцитов приводит к увеличению его уровня в сыворотке на 0,5 ммоль/л. Для потенциометpиче-ских методов пригодны сыворотка, плазма или цельная кровь.

Капиллярная кровь, собранная в гепаринизированные капилляры, может быть использована также и для определения показателей кислотно-основного состояния. Использование плазмы или цельной крови по сравнению с сывороткой крови позволяет ускорить получение результатов, особенно в критических ситуациях.

Подготовка материала для определения калия требует особой тщательности. Гемолиз как причина гиперкалиемии не может быть учтен при работе c цельной кровью. Кроме того, даже в негемолизированных образцах гиперкалиемия может быть обусловлена выходом калия из клеток вследствие длительного хранения крови. При хранении образца крови в течение 1,5 ч при 25 °С уровень калия в сыворотке увеличивается на 0,2 ммоль/л, при 4 °С - в 1,5 раза по сравнению с исходным. Уровень калия в плазме может увеличиваться на 10-20% в результате сокращения мышц руки до венопункции. Выраженный тромбоцитоз или лейкоцитоз может сказываться на уровне калия, особенно в тех случаях, когда используют сыворотку, - концентрация калия в образце может значительно превышать его фактическую концентрацию в плазме крови. При нормальном числе тромбоцитов концентрация калия в плазме на 0,2 ммоль/л ниже, чем в сыворотке. У больных с увеличенным числом тромбоцитов в крови различия могут достигать 1 ммоль/л. При лейкоцитозе уровень калия в плазме меняется. В первые 30-60 мин его содержание в плазме снижается, поскольку метаболически активные лейкоциты потребляют глюкозу и калий поглощается клетками. Позднее уровень калия в плазме начинает увеличиваться, поскольку содержание глюкозы снижается и клетки в условиях энергодефицита начинают терять калий. Результаты определения содержания калия в плазме или цельной крови с использованием ионоселективных электродов (ИСЭ) обычно ниже на 0,1-0,7 ммоль/л, чем в сыворотке. Эти различия обусловлены выходом калия из тромбоцитов, разрушающихся в процессе свертывания крови. Это указывает на то, что для определения содержания калия предпочтительнее использовать плазму либо дополнительно отмечать, была ли использована сыворотка или плазма и был ли гемолиз исследуемого образца.

Для определения содержания калия в плазме кровь следует собирать в пробирки, содержащие антикоагулянт - гепарин, хранить при температуре 37 °С и получать плазму центрифугированием без охлаждения как можно быстрее. На практике отделение плазмы от клеток крови в пределах от 15 до 60 мин при комнатной температуре не приводит в подавляющем большинстве случаев к заметной ошибке.

Получение и подготовка эритроцитов для определения количества Na⁺, K⁺

Гепаринизированную кровь центрифугируют в течение 30 мин при 3000 об./мин (700 g). Необходимо строго соблюдать режим центрифугирования, так как в зависимости от его продолжительности и скорости концентрация ионов калия и натрия в эритроцитах значительно меняется.

Плазму с верхним слоем эритроцитов удаляют. Взвесь эритроцитов отбирают пипеткой из нижней части пробирки и разводят (гемолизируют) дистиллированной водой: для определения калия - в 250 раз, для определения натрия - в 25 раз.

Подготовка мочи для определения количества Na⁺ и K⁺

Из измеренного суточного количества мочи отбирают небольшой объем и центрифугируют. Отцентрифугированную мочу перед исследованием разводят дистиллированной водой в 200 раз.

Методы определения электролитов в биологических жидкостях основаны на физических, химических и физико-химических свойствах химических элементов.

Популярными и относительно широко распространенными являются методы атомно-спектрального анализа и потенциометрические, с использованием ИСЭ. Современные анализаторы в сочетании с надежными методами калибровки обеспечивают высокую точность и воспроизводимость методов. Коэффициент вариации составляет менее 1,5%. Определение содержания натрия и калия фотометрическими методами длительное время было невозможно из-за отсутствия приемлемых специфичных реагентов, дающих цветную реакцию или какую-либо другую оптическую характеристику. В настоящее время эта задача нашла свое решение, и фотометрическими методами можно определять все электролиты в биологических жидкостях организма. Удобными для лабоpатоpно-диагностической практики определения электролитов оказались методы «сухой химии», позволяющие анализировать очень малые объемы биологического материала.

Ниже кратко раскрыты принципы и возможности методических подходов, используемых для количественного определения электролитов в биологических жидкостях.

Определение электролитов методом атомно-спектрального анализа

Общим моментом для методов атомно-спектрального анализа является необходимость перевода исследуемого образца из жидкого состояния в состояние «атомного пара», осуществляемого при нагреве пробы до температуры в несколько тысяч градусов. Образующиеся свободные атомы обладают способностью излучать и селективно поглощать свет определенных частот или длин волн. Если исследуется величина испускаемого светового потока, характерного для атомов того или иного химического элемента, то его определение идет методом атомно-эмиссионной спектроскопии пламени (пламенная фотометрия). Если же «атомный пар» находится на пути светового потока, в котором присутствует свет тех длин волн, на которых поглощают атомы анализируемых электролитов, то определение идет методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Несмотря на сходство методов атомно-спектрального анализа, их возможности, трудоемкость, стоимость зачительно различаются.

Пламенная фотометрия

Пламенная фотометрия основана на свойстве атомов химических элементов поглощать энергию высокотемпературного пламени, что приводит к кратковременному перемещению их электронов на высокоэнергетические орбитали (возбужденное состояние атомов). Обратный переход электронов на энергетически устойчивые орбитали (стационарное состояние атомов) сопровождается эмиссией светового излучения определенной длины волны. Длина волны эмиссионного излучения у атомов каждого химического элемента специфична, количество света на этой длине волны пропорционально числу испускающих его возбужденных атомов.

Принципиальная блок-схема пламенного фотометра представлена на рис. 45.

Исследуемая биологическая жидкость под давлением впрыскивается в пламя какой-либо горящей газовой смеси. Под действием высокой температуры атомы химических элементов переходят в возбужденное состояние, их обратный переход в стационарное состояние сопровождается эмиссией светового излучения. Длина волны желтой линии Νa⁺ - 589±5 нм, красной линии Са²⁺ - 615±5 нм и Li⁺ - 670±5 нм, инфракрасной линии К⁺ - 766±5 нм. Эмиссионное излучение, испускаемое атомами анализируемого химического элемента, выделяется с помощью интерференционных фильтров, монохроматора или дифракционной решетки. Далее оно попадает на фотоэлемент, индуцирующий фототок. Величина фототока пропорциональна интенсивности эмиссионного светового сигнала и, следовательно, концентрации исследуемого элемента в биологической жидкости. Зависимость аналитического сигнала от концентрации элемента в пробе при пламенной фотометрии устанавливается с использованием стандартных образцов, в которых концентрация определяемого элемента известна. В соответствии с ними величина фототока при индикации и регистрации переводится в единицы концентрации анализируемого химического элемента.

В связи с несовершенством некоторых моделей пламенных фотометров и влиянием на интенсивность излучения натрия и калия других электролитов в стандартные растворы вводят, кроме исследуемого элемента, другие компоненты биологических жидкостей. Это уменьшает величину погрешностей, обусловленных различием состава анализируемого и стандартного растворов. Для компенсации ионного воздействия в стандартные растворы для определения калия в плазме добавляют натрий и кальций. Стандартные растворы для определения натрия в плазме однокомпонентные, так как в плазме крови калия и кальция содержится значительно меньше, чем натрия, и их присутствие практически не влияет на результаты исследования. В стандартные растворы для определения натрия в моче вводят калий, так как значение отношения К⁺/Na⁺ в моче значительно выше, чем в плазме крови.

Большинство пламенных фотометров предназначено для исследования содержания натрия, калия, лития в сыворотке или плазме крови. В современных моделях существенно расширен аналитический диапазон, что позволяет определять данные электролиты в моче или поте. Наличие автоматического дилютора обеспечивает разведение исследуемого материала и соответствующих стандартных растворов до необходимой концентрации. Для калибровки пламенных фотометров используют специально приготовленные калибраторы или водные растворы с высоким и низким содержанием натрия и калия (160/8 и 100/2 ммоль/л соответственно). В ходе исследования их разбавляют до соответствующей концентрации, совместимой с аналитическим диапазоном прибора.

Основные трудности, связанные с эксплуатацией пламенного фотометра, обусловлены необходимостью использования взрывоопасной смеси пропан-воздух (для определения концентрации кальция и магния методом пламенной фотометрии необходима газовая смесь ацетилен-кислород).

Пламенно-фотометрический метод определения натрия и калия в сыворотке крови используют в качестве референтного. Разработаны принципы стандартизации ИСЭ систем, позволяющие получать результаты, сравнимые с результатами пламенно-фотометрического метода.

Атомно-абсорбционная спектрофотометрия

Атомно-абсорбционная спектрофотометрия основана на измерении поглощения монохроматического пучка света атомами в пламени (рис. 46).

Величина поглощенного светового потока пропорциональна числу атомов на пути луча.

Метод является более чувствительным по сравнению с пламенной фотометрией и позволяет определять весь спектр электролитов. Как правило, данный метод используют для исследования элементов, содержание которых в образце составляет менее 10^-6 моль/л. В клинико-диагностических лабораториях данный метод применяется крайне редко в связи с высокой стоимостью аппаратуры и, соответственно, стоимостью анализа.

Потенциометрические методы определения электролитов

Потенциометрические методы анализа основаны на зависимости значения потенциала электрода от состава раствора, в который данный электрод погружен. Значение потенциала зависит от состава раствора, концентрации (активности) ионов, материала, из которого изготовлен электрод, температуры и ряда других факторов. Измерить потенциал одного электрода (полуэлектрода) невозможно, однако электродвижущую силу элемента можно измерить в составе гальванического элемента при участии другого электрода.

Электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов в растворе, называется индикаторным. Электрод, электрический потенциал которого остается постоянным при измерении электродвижущей силы элемента, называется стандартным, или электродом сравнения (рис. 47).

Для потенциометрических измерений применяются мембранные индикаторные электроды, обладающие высокой чувствительностью и селективностью к различным катионам и анионам.

Стеклянные ионоселективные электроды. Эти электроды по принципу действия и конструкции напоминают электроды, предназначенные для измерения рН, но отличаются от них по составу стекла электрода. Примером является натриевый электрод. Если обычный рН-электрод чувствителен к ионам натрия только в щелочной среде, то натриевый - в широком диапазоне значений рН.

Жидкостные ионообменные электроды. Эти электроды называют мембранными электродами, поскольку они содержат жидкий органический ионообменник и тонкую пористую мембрану, обладающую сродством к определенным соединениям. При взаимодействии катиона с подобной мембраной возникает потенциал, величина которого зависит от концентрации катиона в исследуемой жидкости. При проведении потенциометрических измерений необходимо строго соблюдать определенные условия проведения анализа. Ионная сила раствора, рН, температура должны быть строго стандартизированы. При соблюдении этих условий удается получать сравнимые результаты.

Различают два типа потенциометрических методов с использованием ионоселективных электродов. В непрямых методах исследуемый образец смешивается с достаточно большим объемом растворителя с высокой ионной силой (примером может служить анализатор Synchron CX3 фирмы Beckman Coulter, США, в состав которого входит блок с ИСЭ). В прямых методах образец реагирует с электродами без предварительного разведения (анализаторы газового состава крови и электролитов Stat Profile pHOx фирмы Nova Biomedical, США, и AVL 982-S компании Roche Diagnostics, Швейцария, являются примером подобного подхода).

Непрямой метод исторически был разработан раньше. Разведение образца было (и остается) приемом, позволяющим полностью покрыть поверхность электрода.

Прямой метод обладает существенным преимуществом с точки зрения быстроты исследования образца. Кроме того, при подобном подходе химический состав образца не меняется, и он может быть использован для определения других компонентов, в частности глюкозы, молочной кислоты, мочевины и др.

Многие факторы оказывают влияние на результаты исследований, проведенных с использованием ИСЭ. В частности, взаимодействие белков с мембраной или конкуренция белковых молекул, имеющих определенный заряд, с другими ионами меняет сродство электрода к определяемому иону и снижает специфичность метода. Кроме того, присутствие в образце белков и липидов приводит к так называемому эффекту вытеснения растворителя (solvent exclusive effect) - замещению части объема воды липидами и белками.

При определении концентрации кальция и магния с помощью ИСЭ учитывается реальное значение рН. ИСЭ позволяют определить только ионизированные фракции этих электролитов, количество электролитов в которых зависит от величины рН.

Ход работы с ионоселективными электродами жестко регламентирован протоколами фирмы-производителя. Частая калибровка, проводимая автоматически микропроцессором или по команде с клавиатуры прибора, является обязательным условием получения надежных результатов. Ряд анализаторов предназначен только для исследования сыворотки и мочи, другие приспособлены для определения содержания калия и натрия в цельной крови.

Современные ионоселективные анализаторы имеют следующие характеристики.

Фотометрические методы

Современное состояние фотометрических методов определения концентрации электролитов в биологических жидкостях позволяет охватить весь их спектр. Они, как правило, основаны на способности электролитов образовывать окрашенные соединения с определенными органическими веществами. Интенсивность окраски пропорциональна количеству электролита, что позволяет рассчитать его концентрацию. Фотометрический метод определения плотности окраски называют колориметрией.

Напротив, определение концентрации сульфатов в биологических жидкостях проводят другим фотометрическим методом - нефелометрией, предварительно связав сульфаты биологической жидкости с ионами бария. Сульфат бария нерастворим в воде и образует в ней мелкодисперсную взвесь, концентрация сульфата в которой может быть определена с помощью нефелометрии.

В лабораторной практике широко используется колориметрическое определение концентраций магния, кальция в крови и других биологических средах. Протоколы этих методик хорошо отработаны и известны специалистам. Относительно недавно были разработаны реактивы для колориметрического определения натрия и калия. Их принципы мало известны широкому кругу специалистов лабораторной диагностики. В этой связи мы более подробно остановимся на колориметрических методах определения концентрации натрия и калия в биологических средах.

Колориметрические методы определения концентрации натрия и калия можно разделить на две группы. В первую группу включены методы, в которых о содержании калия или натрия судят по изменению активности ферментов после добавления в инкубационную среду образцов, содержащих исследуемый катион. Для этих целей используют ферменты, активность которых зависит от присутствия в среде инкубации калия или натрия, выступающих в роли кофакторов.

Примером могут служить методы, основанные на использовании К-активируемых ферментов - триптофаназы и пируваткиназы.

В основной реакции 1 (рис. 48), катализируемой К-зависимой триптофаназой, образуются ионы аммония NH₄⁺ . Их появление в среде инкубации запускает индикаторную реакцию, катализируемую ферментом глютаматдегидрогеназой, приводящую к уменьшению поглощения при 340 нм вследствие превращения НАДФ в НАДФН₂ . Величина изменения поглощения определяется концентрацией калия в исследуемом образце жидкости.

Определение калия при участии К-зависимой пируваткиназы является более сложной аналитической процедурой. Пируваткиназа активируется ионами аммония, содержащимися в исследуемом материале. В связи с этим на предварительном этапе его выводят из инкубационной среды с использованием реакции, катализируемой ферментом глютаматдегидрогеназой (реакция 2, рис. 48). Поскольку концентрация натрия в плазме во много раз превышает концентрацию калия, его корректное определение возможно при условии связывания большей части ионов натрия. Их связывание осуществляют с помощью криптанда с патентованным названием Kriptofix в реакции:

Na⁺ + криптанд → Na⁺ - криптанд.

Только после окончания этих реакций концентрацию калия определяют с помощью сочетанных реакций (рис. 49), где реакция 1 выступает в роли основной, реакция 2 является индикаторной. Величина изменения поглощения определяется концентрацией калия в исследуемом образце жидкости.

Линейная зависимость наблюдается в интервале концентраций 1-8 ммоль/л. Метод адаптирован к автоанализаторам. Коэффициент вариации колеблется в пределах 1,5%.

Колориметрический метод определения натрия основан на его способности активировать фермент β-галактозидазу, гидролизирущий субстрат о-нитрофенил-β-D-галактопиранозид до галактозы и о-нитрофенола. Скорость образования о-нитрофенола в среде инкубации зависит от содержания натрия в исследуемой пробе.

Результаты, получаемые с использованием приведенных ферментных методов, сопоставимы с результатами, полученными при использовании пламенной фотометрии.

Другую группу составляют колориметрические методы, основанные на изменении спектров поглощения макроциклических хромофоров при связывании катионов калия или натрия. Обе группы методов адаптированы к современным автоанализаторам.

Нобелевские лауреаты по химии 1987 г. C.J. Pedersen, J.M. Lehn и D.J. Cram синтезировали ряд соединений, относящихся к классу макроциклических ионофоров, способных к селективному комплек-сообразованию с катионами щелочных металлов. Подобные свойства ранее приписывали только некоторым природным соединениям, в частности, калийселективному антибиотику валиномицину^ρ (Carl A. et al., 1998). Макроциклические хромофоры представляют собой молекулы, чьи атомы способны образовывать «впадину», ион попадает в нее и связывается с молекулой. Такие соединения получили названия «полициклические эфиры», «крауновские эфиры», «криптанды», или «криптандосфероиды». В том случае, когда ионофор обладает высоким сродством к определяемому компоненту, в частности калию или натрию, процесс их связывания приводит к изменению спектральных характеристик ионофора (рис. 50).

В настоящее время разработаны методы синтеза подобных макроциклических соединений с различными размерами связывающих участков, позволяющих определять содержание калия и натрия. В частности, криптанд с патентованным названием Kryptofix 221 используют для определения натрия и калия. Полученные результаты хорошо коррелируют с результатами, полученными при использовании потенциометрии. Билирубин, гемоглобин, гепарин, липиды и другие катионы не оказывают влияния на результаты определения натрия.

Для семейства анализаторов RA-Technicon был разработан фотометрический метод определения натрия с использованием хромогенного ионофора Chromolyte. Метод дает результаты, сравнимые с полученными пламенной фотометрией, прямой и непрямой потенциометрией.

Макроциклические хромофоры нашли применение при определении концентрации калия и натрия в технологии «сухой химии». Для определения натрия и калия используют многослойные аналитические полоски. Изучение химического состава биологических жидкостей с помощью подобных полосок (dipstick methodology) представляет собой аналитическую процедуру, основанную на технологических приемах «сухой химии» (dry chemistry) (Voswinkel P., 1994). При данном способе анализа все необходимые для конкретной реакции компоненты: буферный раствор, индикатор, ферменты, субстраты и другие участники реакции - наносятся в фабричных условиях на бумажную или пленочную основу. Растворение реактивов и запуск химических реакций происходят при контакте полоски с жидкостью. Наиболее широкое применение многослойные аналитические полоски получили для оценки мочи. Аналитические полоски, выпускаемые в настоящее время различными зарубежными фирмами (Гептафан фирмы Erba Lachema, Чехия; Multistix фирмы Siemens, Германия; Chemstrip и Combur-Test фирмы Roche Diagnostics Corporation, Швейцария), позволяют в течение нескольких десятков секунд осуществить как полуколичественное, так и количественное определение не только белка, но и ряда других компонентов: глюкозы, билирубина и т. д. с применением приборов, работающих на принципе отражательной фотометрии.

Впечатляющие успехи были достигнуты в разработке технологий «сухой химии» для анализа большого числа компонентов крови, в том числе и калия.

Для определения содержания калия в плазме крови исследуемый образец наносится на тест-полоску. Калий диффундирует из водной фазы в слой полоски, содержащий органическую фазу, и связывается с валиномицином (рис. 51). При этом эквивалентное связавшемуся с валиномицином калию количество протонов диффундирует из органической фазы в водную. Это приводит к изменению соотношения между анионной [Инд^- ] и неионизированной [Инд] формой индикатора и изменению окраски полоски. Интенсивность окраски, измеряемая с помощью отражательной фотометрии при длине волны 642 нм, характеризует концентрацию калия в исследуемом материале. Метод характеризуется высокой внутрисерийной и межсерийной воспроизводимостью - в пределах 1,9%.

Основой для фотометрического определения концентрации калия является способность его ионов образовывать слабо растворимые в водных растворах комплексы с тетрафенилборатом. Разработка методов стабилизации растворов тетрафенилбората позволила использовать этот реактив для определения содержания калия в растворах. Тетрафенилборат B(C₆H₅)₄^- обладает высокой специфичностью к иону калия, сравнимой со специфичностью валиномицина. При связывании ионов калия с тетрафенилборатом образуется стабильная суспензия частиц со строго определенным размером, что позволяет количественно оценить содержание ионов калия в исследуемом растворе по величине светорассеяния.

В диагностических наборах для определения калия фирмы «Ольвекс Диагностикум» (Россия) в качестве основного реактива используется раствор тетрафенилбората. По данным, приводимым в инструкции, с помощью данного набора реактивов удается определить содержание ионов калия в плазме (сыворотке) крови в интервале от 2,5 до 8,5 ммоль/л. Чувствительность определения составляет не более 1 ммоль/л. Фотометрию проводят при длине волны 578 нм (560-590 нм) в кювете с длиной оптического пути 1 см. Отклонение от линейности в указанном интервале концентрации не превышает 6,5%. Определение калия проводят без предварительной пробоподготовки, то есть без депротеинизации исследуемого материала. Воспроизводимость в серии составляет 5,5%.

Таким образом, «химический» метод определения содержания калия в плазме и сыворотке крови обеспечивает получение результатов, сравнимых с общепризнанными методами.

Метод может быть рекомендован для небольших лабораторий, в которых определение содержания калия в сыворотке или плазме крови проводится от случая к случаю, а финансовые возможности не позволяют приобрести современный анализатор ионного состава крови и плазмы.

Титрометрическое определение электролитов

Определение ионов хлора в сыворотке крови, моче и цереброспинальной жидкости осуществляется титрометрическим методом. Хлориды биологических жидкостей титруют нитратом ртути, применяя в качестве индикатора дифенилкарбазон. В эквивалентной точке (при полной нейтрализации ионов хлора) избыток нитрата ртути образует с индикатором комплекс, окрашенный в сине-лиловый цвет. По количеству затраченного нитрата ртути рассчитывают содержание хлоридов. Титрометрический метод отвечает критериям точности, чувствительности, воспроизводимости, предъявляемым к аналитическим методикам.

Сравнение результатов определения электролитов потенциометрическим методом и методом атомно-спектрального анализа

Пламенная фотометрия, атомно-абсорбционная спектрофотометрия, титрометрия позволяют определять концентрацию электролитов в различных растворах. Прямое потенциометрическое определение неразведенного образца обеспечивает определение концентрации свободных ионов. Эти различия следует учитывать, так как поддержание химического равновесия и многие биологические эффекты зависят больше от активности ионов, чем от их концентрации. В тех случаях, когда речь идет об исследованиях, направленных на выяснение взаимоотношений между поступлением или введением электролитов, более правильным является определение концентрации.

Взаимоотношения между активностью и концентрацией свободного иона определяются составом исследуемого образца. В плазме здорового человека молярная концентрация воды ρ составляет около 0,93 кг/л, в случае гиперлипидемии и гиперпротеинемии эта величина может снижаться до 0,8 кг/л.

Наибольшие расхождения между результатами, полученными при определении содержания калия и натрия с помощью пламенной фотометрии и прямой потенциометрии, возникают только тогда, когда массовая концентрация воды значительно отличается от физиологически оптимальной. При значительной гиперлипидемии массовая концентрация воды может снижаться до 0,8 кг/л, при этом содержание электролита в плазме (сыворотке), определенное с помощью пламенной фотометрии, будет ниже по сравнению с результатами прямой потенциометрии. Эти взаимоотношения представлены на рис. 52.

Из рисунка следует, что в образце сыворотки № 1, содержащей 70 г/л белка, электролиты будут заключены в объеме 930 мл. В образце сыворотки № 2, содержащей 80 г/л липидов, они будут сосредоточены в объеме 850 мл, то есть в объеме жидкости, «вытесненной» белками и липидами. Концентрация электролитов, определенная с помощью прямой потенциометрии, в образце № 2 будет выше, чем в образце № 1. Содержание электролитов, определенное в образцах сыворотки № 1 и 2 с помощью пламенной фотометрии, будет ниже, так как концентрация будет приведена к общему объему плазмы.

Результаты потенциометрического определения содержания электролитов в неразведенной плазме или сыворотке обычно декларируют не в виде активности, а в единицах массовой концентрации. Путем умножения величины активности, полученной с помощью прямой потенциометрии, на заранее рассчитанный фактор результат «доводят» до референтных значений, принятых для пламенной фотометрии.

Подобный прием позволяет «довести» результат до референтных значений, принятых для пламенной фотометрии, и использовать более привычные референтные значения, получаемые при пламенной фотометрии и атомно-абсорбционной спектрофотометрии, для результатов, полученных с помощью ионоселективных электродов. Расхождения между результатами, полученными при определении содержания калия и натрия с помощью пламенной фотометрии и ИСЭ, чаще всего наблюдают у больных с множественной миеломой и у больных с гиперлипидемией, когда массовая концентрация воды в плазме значительно отличается от нормальной.

Осмометрия

В лабораторно-диагностической практике определение осмоляльности плазмы крови производят криоскопическим и расчетным методами. Значения осмоляльности, полученные каждым из этих методов, различны, однако величина различий является диагностически значимым показателем, который в совокупности со значениями измеренной и расчетной осмоляльности необходим для диагностики и лечения нарушений водно-электролитного обмена.

Криоскопический метод определения осмоляльности

Криоскопический метод определения осмоляльности (суммарной концентрации осмотически активных частиц) основан на способности осмотически активных частиц снижать температуру замерзания раствора относительно чистого растворителя. Линейная зависимость между суммарной концентрацией осмотически активных частиц и степенью депрессии температуры замерзания (табл. 19) позволяет определять значение осмоляльности посредством измерения точки замерзания раствора.

Графики кристаллизации растворителя и раствора, отображающие все стадии измерения динамики температуры при определении осмоляльности криоскопическим методом, приведены на рис. 53.

Для измерения температуры кристаллизации объем и растворителя, и раствора переохлаждают ниже точки кристаллизации (см. рис. 53, отрезки αbc и α₁b₁c₁) с целью создания условий формирования множественных центров кристаллизации. Одномоментное образование множества центров кристаллизации (твердой фазы) во всем объеме инициируется интенсивным динамическим воздействием (на практике используется вибрационное перемешивание анализируемой аликвоты). Точки c и c₁ на графиках (см. рис. 53) соответствуют моменту интенсивного динамического воздействия. В результате переохлаждения и интенсивного динамического воздействия процесс кристаллизации начинается одномоментно во всем анализируемом объеме. Выделяющееся при этом тепло (теплота плавления) повышает температуру пробы до температуры кристаллизации и поддерживает ее постоянной на протяжении всего периода существования жидкой и твердой фаз. На графиках динамики температуры (см. рис. 53) процессу выделения теплоты плавления и стабилизации температуры на период кристаллизации соответствуют отрезки cd и c₁d₁,de и d₁e₁. Температуры кристаллизации растворителя T₁ и раствора Т₂ фиксируются прибором, автоматически вычисляется разница ΔТ = T₂ - T₁； которая в дальнейшем используется для расчета осмоляльности по формуле:

ΔТ = k × m,

где k - криоскопическая постоянная (1,86 × 10^-3 °С/ммоль); m - моляльная концентрация.

Расчетный метод определения осмоляльности

Расчетный метод определения осмоляльности плазмы крови основан на ее физиологическом свойстве - постоянстве качественного состава и концентраций осмотически активных соединений при сбалансированном метаболизме. Эмпирически установлено, что более 95% вклада в значение осмоляльности вносят глюкоза, натрий и мочевина и менее 5% - другие осмотически активные вещества, которые еще называют «остаточные анионы». Название «остаточные анионы» отражает природу осмотически активных соединений, так как они представлены молочной, пировиноградной, β-оксимасляной, уксусной и другими органическими кислотами, кетонами, спиртами, рядом аминокислот, продуктами протеолиза и эндонуклеолиза. В норме осмотически активная концентрация «остаточных анионов» составляет 20 мосм/кг Н₂О.

В лабораторно-диагностической практике наибольшее распространение получили формулы Дорварта и Мансбергера, учитывающие концентрацию натрия, глюкозы и мочевины.

По формуле Дорварта:

Осмоляльность = 1,86[Na] + [Glu]/18 + [BUN]/2,8 + 9,

где [Na] - концентрация натрия плазмы, ммоль/л; [Glu] - концентрация глюкозы крови, мг/дл; [BUN] - концентрация азота мочевины, мг/дл; 1,86 - коэффициент активности солей натрия (такое значение приводится в соответствии со следующими расчетами: в сыворотке крови хлорид натрия диссоциирован не полностью, а на 93%, в этой связи осмотический коэффициент составляет не 2 а 1,86, то есть осмоляльность натрия с анионами в сыворотке крови меньше их концентрации. Если принять число анионов равным числу катионов, то концентрацию натрия надо умножать не на 2, а на 1,86; 9 - эмпирически найденная величина, отражающая осмотическую концентрацию «остаточных анионов»; 18 и 2,8 - величины для перевода мг/дл в ммоль/л (значения кратны молекулярной массе глюкозы и азота мочевины).

Если определяют не азот мочевины, а концентрацию мочевины [Ur], то прибегают к формуле Мансбергера:

Осмоляльность = 1,86[Na] + [Glu]/18 + [Ur]/6 + 5,

обозначения те же, что и в формуле Доварта.

С учетом применяемой в настоящее время системы СИ можно рекомендовать модификацию формул Дорварта и Мансбергера:

Осмоляльность = 1,86 × P_Na + P_G + P_UR + 9, где P_Na - концентрация натрия, ммоль/л; P_G - концентрации глюкозы, ммоль/л; P_UR - концентрация мочевины, ммоль/л.

Референтное значение расчетной осмоляльности плазмы крови при сбалансированном метаболизме составляет 290±5 мосм/кг Н₂О. Разность вычисленной и измеренной осмоляльности называется осмотическим промежутком. Референтное значение осмотического промежутка одной и той же плазмы крови в норме должно быть менее 10 мосм/кг Н₂О. Подобно осмотическому промежутку рассчитывается показатель корригированной осмоляльности:

Корригированная осмоляльность, мосм/л кг Н₂О = Измеренная осмоляльность, мосм/кг Н₂ О -

Как видно из формулы, в показателе корригированной осмоляльности не учитывается осмотическая активность натрия, играющего ключевую роль в формировании осмотического баланса. В норме корригированная осмоляльность составляет 260-275 мосм/кг Н₂ О.

Клинико-диагностические аспекты осмометрии

В диагностике расстройств обмена воды, натрия, липидного, белкового и углеводного обмена при неотложных состояниях различного генеза, оценке концентрационной и водовыделительной функций почек нельзя обойтись без осмометрии.

Увеличение осмотического промежутка, уменьшение значения расчетной осмоляльности при нормальном или повышенном значении измеренной осмоляльности выявляется при возрастании содержания белковой и (или) липидной компоненты в единице объема сыворотки крови. Несмотря на разнообразие причин увеличения содержания общих липидов и (или) белков: сахарный диабет, гипертермия при инфекционных процессах, операционный стресс, макроглобулинемия, множественная миелома и другие факторы, изменения значений показателей осмотического равновесия происходят по однотипным патофизиологическим и патобиохимическим механизмам.

Так, количество воды в единице объема может быть рассчитано по следующей эмпирической формуле:

W_s = 99,1 - 1,03 × Λ_σ - 0,73 × Π_σ?

где W_s - количество воды, мл/100 мл плазмы крови; 99,1 - объем плазмы без кристаллических (нелипидных и небелковых) твердых частиц; L_s - концентрация общих липидов в плазме крови, мг/дл; P_s - концентрация общего белка в плазме крови, г/дл; 1,03 и 0,73 - эмпирические коэффициенты.

Увеличение содержания липидов и (или) белков в 1 дл плазмы крови уменьшает количество воды в этом объеме плазмы крови и, соответственно, натрия, растворимого только в водной фазе. Учитывая основной вклад натрия в значение расчетной осмоляльности, мы получим снижение ее величины. Осмотическая активность избыточных количеств белка и липидов скажется на приросте величины измеряемой осмоляльности и отношении концентрации натрия в плазме к измеренной в ней осмоляльности ([Na⁺ ]/[P_осм ]). В норме значение этого показателя варьирует в пределах 0,43-0,50 единиц. Низкое содержание натрия в плазме крови и падение величины [Na⁺ ]/[P_осм ] к измеренной осмоляльности ниже 0,43 наблюдаются преимущественно при гипер-липидемии и гиперпротеинемии. Падение величины [Na⁺ ]/[P_осм ] ниже 0,43 при нормальной концентрации натрия и глюкозы будет указывать на накопление преимущественно азотистых метаболитов в крови.

Увеличение осмотического промежутка, нормальное значение расчетной осмоляльности при повышенном значении измеренной осмоляльности имеет место при алкогольной интоксикации, отравлении салицилатами и техническими жидкостями (см. табл. 4).

Величина осмотического промежутка, расчетная и измеренная осмо-ляльность практически не изменяются при гипергликемии, которая приводит к расстройствам обмена воды и натрия. При подобном сочетании значений показателей осмометрии содержание натрия в плазме крови ниже нормы и расчетная величина [Na⁺ ]/[P_осм ] менее 0,43.

Ключевую роль в регуляции осмотического и водного баланса играют почки, функциональную активность и потенциальные возможности которых можно оценить количественно. Образование мочи происходит из жидкости, имеющей осмоляльность, равную осмоляльности плазмы крови. Очевидно, что скорость выведения из фильтрата плазмы осмотически активных веществ равна произведению скорости мочеотделения V, мл/мин, на ее осмоляльную концентрацию U_осм. С учетом осмоляльности плазмы крови Р_осм можно рассчитать скорость, с которой почки удаляют из плазмы крови осмотически активные вещества:

С_осм = U_осм /Р_осм × V

Параметр С_осм называют осмолярным клиренсом.

Если величина U_осм/Р_осм равна 1, то выделяется моча с осмолярностью U_осм, равной осмоляльности плазмы Р_осм и С_осм= V. Почки в этом случае не выполняют никакой работы по регуляции водного баланса организма, так как организм находится в состоянии водного равновесия.

Если U_осм/Р_осм менее 1, то С_осм < V. В этом случае с мочой выделяется какое-то количество воды, лишенной осмотически активных частиц. Очевидно, что количество воды С_Н2O , выделяемое с мочой и свободное от осмотически активных веществ, можно вычислить по формуле:

С_Н2O = V - С_осм .

Параметр C_Н2О называют клиренсом осмотически свободной воды. Выделение с мочой осмотически свободной воды имеет место при гипергидратации.

При дегидратации V - C_осм будет отрицательной величиной. Отрицательное значение клиренса осмотически свободной воды называется канальцевой реабсорбцией осмотически свободной воды и обозначается символом Т^сн₂о. Ее значение соответствует количеству реабсор-бируемой почками воды, свободной от осмотически активных веществ.

Для характеристики водовыделительной и осморегулирующей функций почек необходимо определить значения:

Р_осм - осмолярность плазмы;

U_осм - осмолярность мочи;

V - объем диуреза, мл/мин.

Проба и референтные значения показателей концентрационной способности почек

Сбор мочи обследуемого проводят с 6 до 9 ч утра, учитывается весь выделенный объем за исключением количества одного диуреза после сна. Кровь берут из вены в 9 ч, после последнего диуреза.

Перед забором биоматериала обследуемый находится в условиях обычного двигательного режима, за 16 ч до забора биологического материала на осмометрический анализ прекращается прием жидкости и богатых водой продуктов (фрукты и овощи), разрешается употреблять сухие продукты (хлеб, мясо, рыбу).

Референтные значения показателей концентрационной функции почек:

Проба и референтные значения показателей водовыделительной способности почек

Обследуемый выпивает в течение 20-30 мин воду комнатной температуры из расчета 22 мл на 1 кг массы тела. Через 15 мин собирают первую порцию выделяемой мочи, объем которой замеряют. Обследуемый вновь выпивает воду, по количеству соответствующую объему выделенной мочи плюс 15 мл (15 мл - объем, равный интервалу времени от приема воды до мочеиспускания). По истечении очередных 15 мин проводят измерения объема и приема жидкости, как описано ранее. Подобную процедуру повторяют до получения двух-трех проб мочи с практически одинаковым минутным диурезом, после чего забирают кровь из вены. В пробе крови и пробе мочи с минимальной плотностью определяют значения исследуемых показателей.

Референтные значения показателей концентрационной функции почек:

Сочетанное нарушение осморегулирующей и водовыделительной функций имеет место при острой почечной недостаточности.

При развитии гломерулонефрита наблюдается снижение водовыделительной функции, выявляемое проведением пробы с водной нагрузкой. Из внеренальных причин нарушения водовыделительной функции почек следует отметить избыточную секрецию клетками гипофиза или внегипофизарными образованиями (например, при раке легких) антидиуретического гормона и (или) замедленную его элиминацию клетками печени при гепатитах различного генеза. Нарушение осморегулирующей функции почек отмечается при бактериальном нефрите, поликистозе почек, уменьшении количества действующих нефронов.

Лабораторные данные, наряду с клиническими проявлениями, позволяют правильно сориентироваться в характере нарушений водно-электролитного обмена и провести адекватные терапевтические мероприятия.

Референтные значения натрия и калия

Концентрация натрия:

Примечание: * - концентрация ионов натрия и калия в сыворотке крови человека при различных заболеваниях, по данным различных авторов, представленных по: Кутина А.В., Кузнецова А.А., Наточин Ю.В. Катионы сыворотки крови // Успехи физиологических наук. 2005. Т. 36, № 3. С. 3-32.

Референтные значения кальция, магния и фосфора

Концентрация общего кальция в плазме крови - 2,25-2,85 ммоль/л. Концентрация ионизированного кальция в плазме крови - 1,05-1,30 ммоль/л. Концентрация магния в плазме крови - 0,75-1,25 ммоль/л. Концентрация неорганического фосфата в плазме (сыворотке) крови - 1,12-1,45 ммоль/л.

Примечание: * - концентрация ионов магния и кальция в сыворотке крови человека при различных формах патологии, по данным различных авторов, представленных по: Кутина А.В., Кузнецова А.А., Наточин Ю.В. Катионы сыворотки крови // Успехи физиологических наук. 2005. Т. 36, № 3. С. 3-32.