Фізіологія

Вміст води в організмі

Загальний вміст води в організмі – змінна величина, і залежить від віку, а також від статі. У дітей становить 75% маси тіла (м. т.), у дорослого чоловіка без ожиріння – 60% м. т., а у жінок – внаслідок більшого вмісту жиру – на 5-10% менше, аніж у чоловіків.

Водний баланс

Добова потреба у воді складає ≈2500 мл: 2200 мл води, що міститься у випитій рідині та у з’їдених продуктах харчування, а також 300 мл оксидаційної води, тобто отриманої в організмі у процесі метаболізму. У стані фізіологічної рівноваги саме стільки води витрачає організм шляхом невідчутної перспірації [perspiratio insensibilis] (через легені 400 мл, через шкіру 500 мл), з сечею (1500 мл) і з калом (100 мл).

Місцезнаходження води в організмі

Вирізняють такі водні простори:

1) внутрішньоклітинний (40% м. т.)

2) позаклітинний

а) позасудинний чи інтерстиційний (15% м. т.)

б) внутрішньосудинний (5% м. т.) – свідчить про т. зв. волемію, відповідає загальному об’єму крові та складається майже порівну з плазми і формених елементів

2) третій – зазвичай становить 2-3% загальної води організму та складається з

а) рідини у серозних порожнинах

б) рідини у просвіті ШКТ, біліарних, панкреатичних та сечових шляхів

в) ліквору

г) інтраорбітальної рідини.

У фізіологічному стані третій водний простір не відіграє істотної ролі у водному балансі, так як скільки рідини потрапляє до цього простору, стільки з нього і витікає. Проте він являє собою важливу ланку у патогенезі багатьох патологічних станів (опіки, паралітична непрохідність кишківника), що перебігають з гіповолемією. Збільшення третього простору може бути причиною гіповолемічного шоку, попри псевдонормалізацію водного балансу.

Базові закони, що керують водно-електролітним обміном та кислотно-основним балансом

Водно-електролітним та кислотно-основним балансом керують 2 фізико-хімічні та один фізіологічний закони. Обізнаність з ними має велике практичне значення. На підставі змін одного параметру в межах позаклітинного водного простору можна з великою детальністю передбачити якісну, і навіть кількісну зміну, що відбувається у внутрішньоклітинному водному просторі.

1. Закон електронейтральності рідин організму (закон Ґембла)

Рідини організму – у всіх водних просторах – електрично нейтральні. Це означає, що у кожній окремій “рідині” організму сума концентрацій аніонів (негативних зарядів) дорівнює сумі концентрацій катіонів (позитивних зарядів). Наприклад у сироватці крові сума концентрацій катіонів становить 153 мекв/л та дорівнює сумі концентрацій аніонів (діаграма Ґембла – рис. XII.A-1). Зміна (напр., підвищення на 1 мекв/л) концентрації одного катіону або аніону викликає протилежну зміну концентрації іншого катіону або аніону на таку саму величину (напр., зменшення на 1 мекв/л). Користь від знання закону електронейтральності – див. нижче.

2. Закон ізомоляльності (ізоосмоляльності) рідин організму

Осмотичний тиск рідин організму – однаковий у всіх водних просторах. Якщо моляльність плазми звичайно становить 290 ммоль/кг H2O, то така ж і моляльність позаклітинної позасудинної рідини та внутрішньоклітинної рідини. Після введення до кровообігу певної кількості 20% розчину манітолу осмотичний тиск позаклітинної рідини істотно зросте. Це зростання спричинить “затягування” внутрішньоклітинної води до позаклітинного простору, доки моляльність в обох просторах не стане однаковою. Це явище використовується на практиці, напр. при лікуванні набряку мозку.

3. Закон ізоіонії

Це фізіологічний закон стосується намагання організму утримувати постійну концентрацію іонів (ізоіонія), зокрема іонів водню (ізогідрія). Нормальна концентрація іонів водню у крові становить 35-45 нмоль/л (pH 7,35 – 7,45).

Іонний склад рідин організму у водних просторах

У цьому розділі концентрації електролітів у рідинах організму наведено у мекв/л, а не у ммоль/л. Причина – обґрунтування різноманітних електролітних розладів переміщеннями в кількостях аніонів чи катіонів, що найкраще можна продемонструвати, використовуючи еквівалентну систему позначення концентрації вибраних електролітів.

Вода організму містить багато електролітів з чітко визначеними діапазонами концентрацій. Найважливіші серед внутрішньоклітинних електролітів – це калій, магній та фосфатні іони, натомість серед позаклітинних електролітів – натрій, гідрокарбонати та хлориди. Не буде великою помилкою припустити, що електролітний склад позаклітинної рідини дуже близький до складу сироватки крові.

Клітинні мембрани, які відділяють позаклітинний водний простір від внутрішньоклітинного, – повністю проникні для води та деяких іонів, а для інших іонів – непроникні чи слабко проникні. Клітинні мембрани називають “напівпроникними”, бо сума концентрацій іонів у внутрішньоклітинній рідині (198 мекв/л аніонів + 198 мекв/л катіонів) вища від суми концентрацій іонів у позаклітинній позасудинній рідині (153 мекв/л аніонів + 153 мекв/л катіонів). Кількість осмотично активних часточок (осмолітів) у зовнішньо- та внутрішньоклітинній рідині така сама – при нормальних умовах осмоляльність внутрішньо- та позаклітинної рідини однакова. Про рух води поміж внутрішньо- та позаклітинним водним простором свідчать осмоліти, для яких клітинні мембрани слабко проникні чи непроникні (ефективні осмоліти), – до них належать іони натрію та глюкоза. Зменшення концентрації натрію у сироватці крові (гіпонатріємія) є причиною переміщення позаклітинної води до внутрішньоклітинного простору (що веде не лише до набряку мозку, але і до гіповолемії). На відміну від гіпонатріємії, гіперглікемія (у пацієнтів з декомпенсованим цукровим діабетом) є причиною зневоднення клітин та збільшення позаклітинного простору. Дані переміщення рідин поміж внутрішньо- та позаклітинним просторами свідчать не лише про гемодинамічні зміни, що виникають, але і про клінічну картину загалом.

Моляльність плазми не завжди свідчить про напрямок руху води між внутрішньо- та позаклітинним просторами. Етанол і сечовина (у пацієнтів з уремією) хоча і підвищують моляльність плазми, не викликають жодних переміщень рідин поміж поза- та внутрішньоклітинними просторами. Проте вони з легкістю долають бар’єр клітинних мембран, і градієнт концентрацій не виникає. Тому тільки непроникні чи складно проникні (з позаклітинного водного простору до внутрішньоклітинного) сполуки можуть спричиняти переміщення води поміж даними просторами. Подібні осмоліти (такими принципово вважаються натрій та глюкоза) свідчать про т. зв. ефективну осмоляльність рідин організму (ефективну осмоляльність забезпечують непроникні чи слабко проникні через клітинні мембрани осмоліти). Ефективна моляльність рідин організму називається “тонічність” (-тонія, tonicity), її падіння – гіпотонічність, а зростання – гіпертонічність. Беручи до уваги багатозначність поняття “-тонія”, зміни ефективної моляльності рідин організму слід називати гіпо-, ізо- або гіпертонія (гіпо-, ізо- або гіпертонічність), а зміни артеріального тиску – гіпо-, ізо- або гіпертензія.

Діагностичними параметрами при розладах водно-електролітного обміну є, зокрема, аніонна діра та осмотична діра плазми, а також аніонна діра та осмотична діра сечі.

Аніонна діра плазми – розд. XII.G.1.

Осмоляльність плазми можна приблизно вирахувати, якщо знаємо концентрації натрію, глюкози і сечовини (у ммоль/л):

2 × [Na+] + [глюкоза] + [сечовина]

Осмотична діра – це різниця поміж лабораторно визначеною осмоляльністю плазми та осмоляльністю, яку вирахували згідно з наведеною вище формулою. При фізіологічних умовах не перевищує 10. Осмотична діра >15 вказує на аномальну наявність у плазмі сполук-осмолітів, таких як етиловий, метиловий, ізопропіловий спирти, етиленгліколь, пропіленгліколь, ацетон.

Осмотична діра сечі – це різниця поміж лабораторно визначеною осмоляльністю сечі та осмоляльністю, яку вирахували згідно з формулою (усі концентрації в сечі виражені у ммоль/л):

2 × ([UNa+] + [UK+]) + [Uглюкоза] + [Uсечовина]

Аніонна діра сечі – вираховується згідно з формулою (усі концентрації в сечі виражені у ммоль/л):

Аніонна діра сечі = [Na+] + [K+] – ([Cl–] + [HCO3–])

Регуляція водного обміну

Нирки – це найважливіший орган водної регуляції в організмі при фізіологічних станах. Від їх функціональної здатності залежить остаточний водний баланс. Завдяки дуже складним регуляторним механізмам нирки є єдиним органом, що контролює водний гомеостаз, здатний виводити воду, позбавлену осмолітів (осмотично вільну воду). Параметр, який вказує, чи нирки дійсно екскретують, чи утримують воду, – це т. зв. кліренс осмотично вільної води (CH2O), який вираховують як різницю поміж хвилинним діурезом (V) та осмотичним кліренсом (Cосм):

CH2O = V – Cосм

Осмотичний кліренс характеризує здатність нирок до виведення осмолітів, та вираховується згідно з формулою:

Cосм =

Uосм

× V

Pосм

Uосм – осмоляльність сечі, Pосм – осмоляльність плазми (сироватки крові), V – хвилинний об’єм сечі

Додатнє значення кліренсу осмотично вільної води означає, що екскретується вода, позбавлена осмолітів (розведена сеча, її осмоляльність нижча, аніж осмоляльність сироватки крові), натомість негативне значення вказує на утримання води (концентрована сеча з осмоляльністю вищою, аніж осмоляльність сироватки крові).

Порушення концентрації та розведення сечі – найпростіші та надзвичайно корисні показники функції нефронів. Роль шкіри, ШКТ та легень у водному обміні – другорядна за нормальних умов, натомість може стати вирішальною при патологічних станах.

Об’єм діурезу залежить не тільки від кількості випитої рідини, але і від кількості та складу з’їдених харчових продуктів, а також і від гормонів, що модулюють екскрецію води. Головними регуляторами потреби та екскреції води в організмі є вазопресин та відчуття спраги. Секреція вазопресину та відчуття спраги залежать від ефективної моляльності та ефективного об’єму плазми. Зростання даної моляльності чи зменшення цього об’єму плазми потужно стимулюють секрецію вазопресину, який підвищує реабсорбцію води у ниркових канальцях (розд. IV.A.1). Зворотний ефект – збільшення ниркового кліренсу осмотично вільної води – забезпечують: ефективна гіперволемія (підвищення об’єму крові, що знаходиться в моніторованих баро-, волюмо- та хеморецепторами ділянках системи кровообігу; при фізіологічних станах ефективна волемія складає заледве 20% об’єму циркулюючої крові) та ефективна гіпомоляльність плазми (зменшення концентрації ефективних осмолітів). Секрецію вазопресину стимулюють: підвищення активності ренін-ангіотензин-альдостеронової (РАА) та симпатичної нервової системи, а також ендотеліну, а пригнічують – брадикінін, уродилятин і урогуанілін (розд. XII.C.1), натрійуретичні пептиди, простациклін, гіперкальціємія, гіпокаліємія та антагоністи вазопресинових рецепторів у ниркових канальцях, тобто ваптани (акваретики).

Зв’язок водно-електролітного обміну та кислотно-основного балансу – діаграма Ґембла

Як видно з діаграми Ґембла (рис. XII.A-1), Na+ є домінуючим катіоном у плазмі – його концентрація становить 140–145 мекв/л. Сума концентрацій решти катіонів (кальцію, калію і магнію) складає 11 мекв/л, а отже сума концентрацій усіх катіонів становить 153 мекв/л. Серед аніонів найвищу концентрацію має хлоридний аніон (Cl–, 101 мекв/л), далі – гідрокарбонатний аніон (HCO3–, 26 мекв/л). Концентрація білків у сироватці крові становить ≈16 мекв/л. Решта аніонів (фосфати, сульфати, а також органічні кислоти, такі як молочна, піровиноградна і ацетооцтова кислота) складають т. зв. остаточні аніони, концентрація яких загалом становить ≈10 мекв/л.

Згідно із законом електронейтральності рідин організму сума концентрацій аніонів дорівнює сумі концентрацій катіонів. Якщо знехтувати фосфатами (концентрація яких дуже низька), то буферні основи складають гідрокарбонати та білки, загальна концентрація яких становить 42 мекв/л (розд. XII.G.1). Буферні основи є тим параметром, який поєднує кислотно-основний баланс та водно-електролітний обмін.

При метаболічному (нереспіраторному; розд. XII.G.4) ацидозі, напр. уремічному, концентрація гідрокарбонатів значно зменшується. З метою збереження електронейтральності має підвищитися концентрація інших аніонів (зазвичай фосфатів і сульфатів), чи зменшитися концентрація якогось катіону. Надмірна кількість кислот, як ендогенних, так і екзогенних – діє на кислотно-основний баланс через зміну концентрації HCO3–. Інакше кажучи, електролітні порушення у групі аніонів впливають на кислотно-основний баланс за посередництвом зміни концентрації гідрокарбонатів.

При метаболічному алкалозі (розд. XII.G.6) концентрація гідрокарбонатів зростає. Згідно із законом електронейтральності зменшується концентрація іншого аніону, найчастіше Cl–, або зростає концентрація якогось з катіонів. Незалежно від того, чи алкалоз є результатом первинної втрати Cl–, чи первинного надмірного утворення HCO3– (напр., при системному дефіциті калію) – у реалізації впливу електролітних змін на кислотно-основний баланс посередником виступають гідрокарбонатні аніони.

Натрієві, калієві, хлоридні та фосфатні іони описують як “постійні іони”, оскільки їх концентрація не може змінюватися швидко. На відміну від них HCO3– є “непостійним іоном”, бо його концентрація може дуже швидко змінитися, як дихальним, так і нирковим шляхом.

Розуміння діаграми Ґембла уможливлює не лише верифікацію достовірності отриманих результатів аналізів електролітів у крові, а також і відмову від деяких з них. Взаємозалежність електролітного та кислотно-основного балансу дозволяють підсумувати зміни, що відбуваються у кислотно-основному балансі, на підставі змін концентрацій електролітів у сироватці крові, а також з певною вірогідністю передбачити зміни концентрацій електролітів на підставі стану кислотно-основного балансу (розд. XII.G.1).