Справочный материал по Физиологии.
Глава 28 – Регуляция ионного гомеостаза.
Под термином «гомеостаз» понимают динамическое постоянство внутренней среды организма, оптимально способствующее жизнедеятельности клеток в условиях влияния внешних и внутренних факторов. Практически все органы и ткани тела выполняют свои функции и в то же время помогают поддерживать гомеостатические параметры организма. Например, лёгкие непрерывно поставляют кислород во внеклеточную жидкость для использования его клетками. Почки поддерживают постоянство концентраций ионов и т.д. Особое значение для организма имеет поддержание pH и постоянства ионного состава внутренней среды (кислотно-щелочное равновесие). Во внутренней среде организма все гомеостатические процессы развёртываются в водной фазе.
Электролиты
Нормальный электролитный состав жидкостей организма приведён в табл. 28–1. Наибольшее клиническое значение имеют обмен натрия и калия.
Таблица 28–1. Электролитный состав жидкостей организма (мэкв/л).
| Содержание электролитов | |||||
| Жидкость | Na+ | K+ | Cl– | HCO3– | PO43– |
| Плазма крови | 4,5 | ||||
| Кишечный сок | |||||
| Панкреатический сок | |||||
| Внутриклеточная жидкость |
Натрий
Na+ является основным осмотическим фактором и электролитом внеклеточной жидкости. Внеклеточная жидкость содержит около 3000 мэкв натрия. На Na+ приходится 90% от всех ионов межклеточного пространства. Натрий определяет объём внеклеточной жидкости, включая циркулирующую и депонированную кровь, лимфу, ликвор, желудочный и кишечный сок, жидкости серозных полостей. Изменение экскреция Na+ в пределах 1% от его содержания может привести к значительным сдвигам объёма внеклеточной жидкости. Около 30% всего натрия организма находится в костях скелета.
· Баланс Na+ На рис. 28–4 представлен суточный баланс Na+ в организме взрослого человека. Из поступающих при сбалансированной диете в организм 120 ммоль Na+ лишь около 15% удаляется через потовые железы и ЖКТ, а 85% экскретируется с мочой. Поскольку вода пассивно перемещается между компартментами вслед за Na+ (и сопутствующим Cl–), ясно, сколь большое значение имеют почки для поддержания объёма жидкостей организма и их осмоляльности.
Рис. 28 – 4. Распределение и баланс Na+ в организме.
· Гипонатриемия — концентрация натрия в сыворотке ниже 136 мЭкв/л. Различают гипертоническую, нормотоническую и гипотоническую гипонатриемию.
à Гипертоническая гипонатриемия сопровождается накоплением большого количества осмотически активных веществ во внеклеточной жидкости (гиперосмоляльность внеклеточной жидкости). При этом вода из внутриклеточной жидкости переходит во внеклеточную, а осмоляльность плазмы нормальная или повышенная.
à Нормотоническая гипонатриемия (псевдогипонатриемия) возникает при переходе воды из внутриклеточной жидкости во внеклеточную. Переход обусловлен наличием осмотически активных компонентов внеклеточного пространства (например, глюкозы). Концентрация натрия в сыворотке уменьшается, но осмоляльность внеклеточной жидкости остаётся нормальной или даже выше нормы. Псевдогипонатриемия не связана с экзогенным избытком воды.
à Гипотоническая гипонатриемия возникает при снижении экскреции воды почками или возрастании потребления воды. Клинически начинает проявляться при снижении концентрации натрия в плазме ниже 120 мЭкв/л: появляются тошнота, недомогание, сонливость, судороги, кома. Симптоматика обусловлена отёком головного мозга вследствие накопления большого количества внутриклеточной жидкости. Гипонатриемия не обязательно сопровождается гипергидратацией (хотя это наиболее частое следствие), возможна и так называемая гипонатриемическая дегидратация.
à Гипонатриемическая гипергидратация обычно вызвана избытком воды при нормальном общем содержании Na+ в организме, при этом возникает так называемая гипонатриемия разведения. Обычно гипонатриемия разведения возникает при неадекватном замещении потерь гипотоническими жидкостями; другая причина — синдром неадекватной секреции АДГ (вазопрессина), при котором происходит избыточная задержка свободной воды.
à Гипонатриемическая дегидратация возникает вследствие реальных потерь натрия при усиленной его экскреции почками (лечение диуретиками, осмотический диурез) либо внепочечных причин (рвота, диарея). Потеря натрия превышает потерю воды. При этом развивается внеклеточная дегидратация. Характерно отсутствие жажды и неврологической симптоматики, развиваются ранние расстройства гемодинамики (гипотония, тахикардия), отмечают тенденцию к гипертермии.
· Гипернатриемия — повышение концентрации Na+ в сыворотке выше 145 мЭкв/л. Клинически значимые признаки появляются при содержании Na+ в сыворотке более 155 мЭкв/л. Гипернатриемия всегда предполагает гипертоничность всех жидкостей организма, так как повышение осмоляльности внеклеточной жидкости вызывает движение воды из внутриклеточного пространства, что приводит к дегидратации клеток. Гипернатриемия возникает вследствие почечных и внепочечных причин. К первым относят осмотический диурез и дефект рецепторов вазопрессина (АДГ) (центральный и нефрогенный несахарный диабет). К внепочечным причинам относят снижение потребления воды, профузное потоотделение, увеличение потерь через ЖКТ (диарея и длительная рвота), внутривенную инфузию гипертонического раствора натрия хлорида или натрия гидрокарбоната. Гипернатриемия может сопровождаться как дегидратацией, так и гипергидратацией.
à Гипернатриемическая дегидратация — потеря воды при избытке натрия. Её вызывает потеря гипотонической жидкости (например, при назначении маннитола, несахарном диабете, глюкозурии и диарее). При этом жидкость переходит из внутриклеточного пространства во внеклеточное и развивается внутриклеточная дегидратация. При этом типе отмечают жажду, неврологическую симптоматику (вплоть до потери сознания и комы) и тенденцию к повышению температуры тела. Снижения АД обычно не происходит.
à Гипернатриемическая гипергидратация редка и связана с чрезмерным введением гипертонических растворов солей натрия (например, гипертонические растворы хлорида или бикарбоната натрия). Для развития отёков у мужчины с массой тела 70 кг должно накопиться не менее 3 л жидкости. При наличии отёков гипернатриемию можно предполагать после исключения локальных причин отёчного синдрома.
Калий
Калий — основной катион внутриклеточной жидкости (примерно 3000 мЭкв К+). Внеклеточная жидкость содержит очень мало калия — около 65 мЭкв. Соотношение внеклеточной и внутриклеточной концентрации калия — важная детерминанта электрической активности возбудимых мембран (например, проводящей системы сердца и нервных волокон). Для сохранения гомеостаза калия употребляемое в норме с пищей количество калия (40–60 мЭкв/сут) должно быть выведено почками.
· Баланс калия (рис. 28–5). В организме взрослого человека со средней массой тела 70 кг содержится около 3500 ммоль калия (то есть 50 ммоль/кг), пpи этом менее 70 ммоль (меньше 2%) сосредоточено во внеклеточном пространстве. Такое избирательное внутриклеточное накопление калия обусловлено, в частности, работой мембранного натрий-калиевого насоса (эту функцию выполняет Nа+,K+‑АТФаза), перекачивающего ионы K+ из внешней среды внутрь клеток (одновременно ионы Nа+ перемещаются в противоположном направлении) и поддерживающего трансмембранный градиент концентрации для них в соотношении 30:1. В основном внутриклеточная локализация калия ограничивает ценность такого показателя, как уровень K+ в сыворотке крови, в качестве маркёра общего содержания калия в организме.
Рис. 28 – 5. Распределение и баланс K+ в организме.
· Гиперкалиемия — увеличение [K+] в сыворотке крови выше нормального уровня (более 5,5 ммоль/л).
à Причины гиперкалиемии: Ú уменьшение экскреции почками, Ú перераспределение калия из клеток в кровь, Ú введение избытка калия в организм.
à Проявления гиперкалиемии
Ú Сердечные. Аритмии возможны при любом повышении содержания калия выше нормы, но, как правило, их отмечают только при концентрации калия в сыворотке более 6 мЭкв/л. Изменения на ЭКГ (удлинение интервала Р-R, высокий заострённый зубец Т, удлинение интервала QRS, желудочковые тахикардии, фибрилляция желудочков и асистолия).
Ú Нервно-мышечные. Изменяя трансмембранный электрический потенциал, тяжёлая гиперкалиемия может нарушать функцию мышц или нервно-мышечную передачу, приводя к выраженной слабости или параличу.
· Гипокалиемия — уменьшение [K+] в сыворотке крови ниже нормы (менее 3,4 ммоль/л). Существенно, что значительная часть K+ (около 155 ммоль/л) содержится в клетках. В связи с этим даже значительная потеря калия клетками может сочетаться с небольшими изменениями его содержания в сыворотке крови.
à Причины гипокалиемии: Ú недостаточное (менее 10 мэкв/сут) поступление калия в организм с пищей, Ú избыточное выведение калия из организма, Ú перераспределение K+ из крови и/или межклеточной жидкости в клетки.
à Проявления гипокалиемии
Ú Нервно-мышечные. Слабость скелетных мышц (может варьировать от умеренно выраженной до полного паралича), включая дыхательные мышцы. Вовлечение гладких мышц может приводить к снижению моторики ЖКТ, проявляющейся кишечной непроходимостью и запорами.
Ú Сердечно-сосудистые. Желудочковые аритмии, артериальная гипертензия или гипотензия, возможна остановка сердца.
Ú Почечные. Полиурия и никтурия вследствие нарушения концентрационной способности почек (гипокалиемия уменьшает чувствительность рецепторов почечных канальцев к вазопрессину — АДГ).
Ú Метаболические. Гипокалиемия нарушает высвобождение инсулина поджелудочной железой. Показано, что в результате этого толерантность к углеводам снижается.
Нарушения кислотно-щёлочного равновесия
Различают два основных типа нарушений КЩР — ацидоз (рН <7,37) и алкалоз (pH >7,44). Каждое из них может быть метаболическим или респираторным; последний подразделяют на острый и хронический (табл. 28-3).
При первичном изменении рСО2 говорят о первичном респираторном нарушении КЩР; при первичном изменении бикарбоната говорят о первичном метаболическом нарушении. И в том, и в другом случае второй (зависимый) параметр для поддержания рН в фиксированном диапазоне (7,37–7,44) изменяется в том же направлении, что и первый (нормальная компенсаторная реакция). Компенсаторные механизмы приводят только к ограничению сдвигов рН плазмы крови, но не предотвращают полностью их развития. Важно понимать, что компенсаторная реакция со стороны лёгких происходит быстрее, чем реакция со стороны почек (последняя может занимать 1–2 дня).
Дыхание Куссмауля (равномерные редкие дыхательные циклы, глубокий шумный вдох и усиленный выдох) — компенсаторная реакция организма в ответ на метаболический ацидоз. Патогенез дыхания Куссмауля объясняют стимуляцией дыхательного центра повышенным (относительно бикарбоната) содержанием в крови рСО2.
Таблица 28-3. Основные нарушения кислотно–щелочного равновесия [17]
| Нарушение КЩР | Первичная аномалия | Вторичная аномалия |
| Метаболический ацидоз | ¯¯¯ [HCO3] | ¯¯ pCO2 |
| Респираторный ацидоз (хронический) | pCO2 | [HCO3] |
| Респираторный ацидоз (острый) | pCO2 | [HCO3] |
| Метаболический алкалоз | [HCO3] | pCO2 |
| Респираторный алкалоз (хронический) | ¯¯¯ pCO2 | ¯¯ [HCO3] |
| Респираторный алкалоз (острый) | ¯¯¯ pCO2 | ¯ [HCO3] |
· Метаболический ацидоз — наиболее частое нарушение КЩР (классический пример — диабетический кетоацидоз). Метаболический ацидоз характеризуется первичным снижением бикарбоната сыворотки и вторичным компенсаторным снижением рСО2, что клинически проявляется дыханием Куссмауля (т.е. в ответ на первичный метаболический ацидоз развивается вторичный респираторный алкалоз). Метаболический ацидоз дифференцируют в зависимости от нормальной или увеличенной анионной разницы (подсчитываемой по разнице концентрации натрия с одной стороны и концентраций хлоридов и бикарбоната с другой). Анионная разница отражает концентрации тех анионов, которые фактически имеются в сыворотке, но обычно не определяются, включая отрицательно заряженные белки плазмы (в основном, альбумины), фосфаты, сульфат и органические кислоты (например, молочную кислоту). Нормальное значение анионной разницы — 10–12 мЭкв/л.
· Респираторный ацидоз характеризуется первичным повышением рСО2 и компенсаторным повышением НСО3–. Таким образом, физиологическая реакция на первичный респираторный ацидоз — вторичный метаболический алкалоз. Как правило, респираторный ацидоз наблюдают при бронхообструктивных заболеваниях (классический пример — приступ бронхиальной астмы). Фактически любое нарушение, угнетающее функцию лёгких и клиренс СО2, приводит к развитию респираторного ацидоза. Важное отличие от метаболического ацидоза — отсутствие дыхания Куссмауля.
· Метаболический алкалоз характеризуется первичным повышением бикарбоната с компенсаторным повышением рСО2 крови. Таким образом, физиологическая реакция на первичный метаболический алкалоз — вторичный респираторный ацидоз, клинически проявляющийся урежением и ослаблением дыхания. Метаболический алкалоз — наиболее распространённая форма нарушений КЩР у больных, находящихся в отделениях интенсивной терапии, вероятно, из-за широкого и часто необоснованного применения диуретиков. В последние годы метаболическому алкалозу придают значительно большее значение, поскольку это состояние трудно поддаётся коррекции; в частности, в случаях с повышением рН сыворотки крови более 7,55 летальность может достигать 40%. Сложность проблемы метаболического алкалоза связана не только с различными расстройствами, возникающими на его фоне, но и со способностью алкалоза поддерживать себя, несмотря на устранение некоторых причин, его вызвавших. В основном это обусловлено истощением запасов хлоридов, что ограничивает экскрецию бикарбоната почками путём усиления реабсорбции и угнетения его секреции в почечных канальцах.
· Респираторный алкалоз характеризуется первичным снижением уровня рСО2 вследствие альвеолярной гипервентиляции и компенсаторным снижением бикарбоната. Как правило, он имеет вторичный характер (развиваясь в ответ на метаболический ацидоз). Любое нарушение, связанное с центральной или периферической стимуляцией дыхательного центра, приводит к развитию первичного респираторного алкалоза.
Кальций и фосфаты
Обмен кальция
Гомеостаз кальция и фосфора поддерживается адекватным их (а также витаминов D) поступлением в организм и выделением из организма, нормальной минерализацией скелета — основного резервуара фосфатов и кальция.
Поддержание внеклеточной концентрации Ca2+ в узких пределах имеет важнейшее значение для функционирования многих тканей. Внеклеточный кальций необходим как основной компонент костного скелета. Ему принадлежит ключевая роль в свёртывании крови и функционировании клеточных мембран. Внутриклеточный Ca2+ необходим для деятельности скелетной, гладкой и сердечной мышц, секреции гормонов, нейромедиаторов и пищеварительных ферментов, функции нервных клеток и сетчатки, роста и деления клеток и многих других процессов.
В организме взрослого человека содержится более килограмма (27,5 моль) элементного кальция (1,5% от массы тела), из них 99% в скелете, 0,1% общего кальция во внеклеточной жидкости и около 1% кальция — внутри клеток. Ежедневно в организм взрослого человека поступает с пищей около 1000 мг кальция (примерно столько кальция содержится в 1 л молока). · Суточная потребность: взрослые — 1 000–1 200 мг; дети старше 10 лет — 1 200–1 300 мг; дети в возрасте 3–10 лет — 1 300–1 400 мг, дети раннего возраста — 1 300–1 500 мг. Продукты, содержащие кальций, — молоко, сыр, творог, лук, шпинат, капуста, петрушка. Баланс кальция взрослого человека представлен на рис. 28–9.
Рис. 28 – 9. Баланс кальция (здоровый мужчина массой тела 70 кг). Все значения приведены в расчёте на элементный кальций.
Кальций сыворотки
Кальций находится в сыворотке в трёх формах: связанной с белком, комплексированной с анионами и свободной. Около 40% связано с белком, до 15% содержится в комплексе с такими анионами, как цитрат и фосфат. Оставшаяся часть кальция находится в несвязанной (свободной) форме в виде ионов кальция (Са2+). Кальций сыворотки в ионизированной форме имеет наиболее важное клиническое значение. Уровень сывороточного кальция в норме составляет:
· Общий кальций: 8,9–10,3 мг% (2,23–2,57 ммоль/л)
· Свободный кальций: 4,6–5,1 мг% (1,15–1,27 ммоль/л)
Уровень Ca2+ поддерживается за счёт легко обмениваемого кальциевого пула костей, но этот резерв может поддерживать общее содержание кальция в сыворотке на уровне около 7 мг% (состояние гипокальциемии). Поддержание же нормального уровня кальция возможно при условии адекватной гормональной регуляции и ненарушенного баланса кальция в организме.
· Гипокальциемия: концентрация кальция сыворотки менее 8,5 мг%. Гипокальциемия приводит к прогрессирующему повышению возбудимости нервной системы, вызывая судорожные сокращения мышц — тетанус. Дефицит ПТГ — важный фактор развития гипокальциемии.
· Гиперкальциемия — результат нарушений, вызывающих повышенное всасывание кальция в ЖКТ или повышенную резорбцию кальция из костей. Гиперкальциемия понижает возбудимость и замедляет рефлекторные реакции нервной системы, уменьшается интервал QT на ЭКГ, снижается аппетит. Дальнейшее нарастание гиперкальциемии приводит к отложению кальций-фосфатных кристаллов в тканях. Гиперсекреция ПТГ (гиперпаратиреоз) — важная причина развития гиперкальциемии.
Сывороточную концентрацию Са2+ и фосфатов регулируют ПТГ, антагонистичный ему по эффектам тиреокальцитонин и гормональные формы витамина D.
· ПТГ увеличивает содержание кальция в сыворотке, усиливая его вымывание из костей и канальцевую реабсорбцию в почках. ПТГ также стимулирует образование кальцитриола.
· Кальцитриол усиливает всасывание кальция и фосфатов в кишечнике. Образование кальцитриола стимулируют ПТГ и гипофосфатемия, подавляет — гиперфосфатемия.
· Кальцитонин подавляет резорбцию костей и усиливает экскрецию кальция в почках; его эффекты на сывороточный кальций противоположны эффекту ПТГ.
В дополнение к действию трёх основных регуляторов — кальцитриола, ПТГ и кальцитонина — на метаболизм кальция оказывают влияние и другие гормоны.
· Глюкокортикоиды понижают уровень Ca2+ сыворотки, они угнетают формирование остеокластов и их активность, абсорбцию Ca2+ и фосфатов из кишечника и увеличивают экскрецию этих ионов почкой. Длительное применение глюкокортикоидов может приводить к остеопорозу (разрежение костной ткани), снижая образование костей и увеличивая их резорбцию.
· СТГ увеличивает выделение Ca2+ с мочой, но одновременно повышает абсорбцию Ca2+ из кишечника. Этот эффект обычно больше, чем эффект экскреции, в результате имеется положительный кальциевый баланс.
· Йодтиронины могут вызывать гиперкальциемию и гиперкальциурию.
· Эстрогены предотвращают развитие остеопороза.
· Инсулин стимулирует остеогенез.
Обмен фосфатов
Фактически все свои функции организм осуществляет за счёт макроэргических фосфатных связей АТФ. Кроме того, фосфат — важный анион и буфер внутриклеточной жидкости. Важно и его значение в почечной экскреции иона водорода.
Общее количество фосфатов в организме в расчёте на элементный фосфор — 500–800 г. Баланс фосфатов в организме рассмотрен на рисунке 28–10. Гомеостаз фосфата — равновесие между поступлением и выведением фосфата (внешний баланс), а также поддержание нормального распределения фосфата в организме (внутренний баланс).
Рис. 28–10. Баланс фосфатов (здоровый мужчина массой тела 70 кг). Все значения приведены в расчёте на элементный фосфор.
· Внешний баланс фосфата. Поступление фосфата в норме — 1400 мг/день. Нормальный уровень экскреции фосфата — 1400 мг/день (900 мг с мочой и 500 мг с калом). ЖКТ — пассивный компонент выведения фосфатов, в то время как экскреция фосфата в почках тщательно контролируется.
à В норме 90% фильтрующегося в почках фосфата реабсорбируется в проксимальных канальцах, очень малая часть реабсорбируется дистальнее. Основной регулятор реабсорбции фосфата в почках — ПТГ.
¨ Высокий уровень ПТГ подавляет реабсорбцию фосфата.
¨ Низкий уровень ПТГ стимулирует реабсорбцию фосфата.
à На ПТГ-независимую регуляцию реабсорбции фосфата в почечных канальцах влияют содержание фосфата в пище, кальцитонин, йодтиронины и гормон роста.
· Внутренний баланс фосфата. Уровни внутриклеточного фосфата — 200–300 мг%, внеклеточного (сывороточного) — 2,5–4,5 мг% (0,81–1,45 ммоль/л).
· Гипофосфатемия — снижение уровня фосфатов в сыворотке крови ниже 2,5 мг%. Гипофосфатемия может развиться в результате внепочечных или почечных потерь фосфата.
à Внепочечные причины
¨ Дефицит в пище и потери через ЖКТ
Ä Неадекватное поступление с пищей.
Ä Злоупотребление антацидами. Большие количества алюминий- или магний-содержащих антацидов связывают фосфат, увеличивая его потери через ЖКТ.
Ä Голодание. При голодании распад клеток приводит к высвобождению фосфатов во внеклеточную жидкость.
¨ Перераспределение фосфата в организме
Ä Гликолиз. Любое состояние, сочетающееся с усилением гликолиза, вызывает накопление органических фосфатов в виде фосфорилированных углеводных групп при одновременном уменьшении внутриклеточного органического фосфата.
Ä Сепсис. Гипофосфатемия — признанный спутник сепсиса, вызванного грамотрицательными микроорганизмами.
Ä Адреналин стимулирует потребление фосфата клетками, что может привести к гипофосфатемии.
à Почечные причины
¨ Избыток ПТГ. Любое состояние, сочетающееся с повышенным уровнем ПТГ, может вызвать потерю фосфата почками.
¨ Ряд заболеваний (например, отравления тяжёлыми металлами, множественная миелома, системная красная волчанка) может сочетаться с генерализованными дефектами проксимальных почечных канальцев и почечной потерей фосфата.
¨ Гипофосфатемический витамин D - резистентный рахит. Снижение реабсорбции фосфата в проксимальных канальцах нефронов вызывает чрезмерную почечную потерю фосфата.
¨ Глюкозурия. Фосфат и глюкоза конкурируют за транспорт в проксимальном канальце нефрона. Все глюкозурические состояния сопровождаются избыточными потерями фосфата почками.
· Гиперфосфатемия — повышение концентрации фосфатов крови выше 4,5 мг%. Гиперфосфатемия развивается при ряде состояний.
à Почечная недостаточность часто сочетается с гиперфосфатемией.
à Распад клеток
¨ Острый некроз мускулатуры. Острый распад мышц любой этиологии сопровождается высвобождением клеточного фосфата и гиперфосфатемией.
¨ Синдром распада опухоли. Злокачественные заболевания, сочетающиеся с высокой чувствительностью к химиотерапии или лучевой терапии, сопровождаются быстрой гибелью клеток. Этот синдром может приводить к массивному высвобождению фосфата и других внутриклеточных веществ во внеклеточную жидкость.
à Гипопаратиреоз. Так как уровень ПТГ определяет реабсорбцию фосфата в почках, любое состояние, сочетающееся с недостаточностью паращитовидных желёз или с недостаточным ответом на ПТГ, может характеризоваться гиперфосфатемией.