Интегративные механизмы регуляции водно-солевого обмена и гомеостатическая функция почек

Водно-солевой гомеостазис является одной из важнейших констант внут­ренней среды организма. От состояния водно-солевого обмена зависят фундаментальные свойства клеток и тканей (энергетический и пластиче­ский метаболизм, возбудимость, проводимость и сократимость, секретор­ная способность и т. п.) и, соответственно, функции практически всех фи­зиологических систем. Основные характеристики водно-солевого обме­на — количество поступающих в организм жидкости и солей, объемы вне­клеточных и внутриклеточных водных пространств, содержание в них от­дельных электролитов и осмотическое давление, наконец, выделение воды и солей почками — имеют взаимосвязанные комплексные механизмы регу­ляции. Эти механизмы легко проследить на примерах изменения приема жидкости или ее потерь, сдвигов баланса ионов натрия и калия, измене­ния объема крови.

Нарушения баланса веществ могут проявляться в виде положительного или отрицательного дисбаланса. Положительный водный дисбаланс полу­чил название гипергидратации, а отрицательный — дегидратации. Измене­ния водного баланса могут сопровождаться или не сопровождаться изме­нениями электролитного баланса и, соответственно, осмотического давле­ния. В зависимости от осмолярности виды водного дисбаланса подразделя­ют на изоосмотические, гиперосмотические и гипоосмотические. Эти по­нятия относят к внеклеточной среде организма, но благодаря механизмам саморегуляции поддерживается осмотическое равновесие между вне- и внутриклеточной средой, поэтому изменения осмолярности внеклеточной среды неизбежно сопровождаются аналогичными сдвигами осмотического давления и внутри клеток. Водный дисбаланс может быть и следствием из­менения коллоидно-осмотического (онкотического) давления плазмы крови.

14.4.1. Гомеостатические механизмы при гиперосмотической дегидратации

Такой вид водного дисбаланса возникает при дефиците поступления воды в организм, а также в случаях, когда потери воды превышают потери солей или при потерях свободной от электролитов воды. Примером этого типа дисбаланса является пребывание человека в пустыне, когда недостаток во­ды для питья сочетается с повышенными перспирационными (через кожу и дыхательные пути) потерями воды. Недостаточное поступление воды в организм может быть следствием отсутствия чувства жажды при патологии диэнцефальной области головного мозга, нарушений режима кормления и ухода за детьми грудного возраста, больными при потере сознания, нару­шений глотания.

Ограничение приема воды (рис. 14.14) приводит к дегидратации внутрен­ней среды организма, при этом имеет место повышение осмотического давления плазмы крови и внеклеточной жидкости, что дало основание именовать этот вид дегидратации гиперосмотической, или истинной. Повы­шение осмотического давления плазмы крови вызывает перераспределение жидкости и электролитов между кровью, внеклеточной жидкостью и лим­фой, а также между внеклеточной и внутриклеточной средой, направлен­ное на нормализацию сдвига осмотического давления. Начальные меха­низмы регуляции гомеостазиса при этом типе дегидратации заключаются в буферировании белками и эритроцитами катионов, образовании с ними сложных химических соединений, с измененными осмотическими свойст­вами и гидрофильностью, диффузии осмотически активных веществ из крови в тканевую жидкость и лимфу, осмотическом токе воды в противо­положном направлении, усилении всасывания воды в кишечнике. При не­больших физиологических уровнях дегидратации этих механизмов может быть достаточно для обеспечения водно-солевого гомеостазиса.

Повышенное осмотическое давление жидкостей внутренней среды раз­дражает осморецепторы, приводя к формированию осморегулирующих рефлексов и жажды.

Осморегулирующие рефлексы начинаются от периферических и централь­ных осморецепторов (рис. 14.15). Периферические осморецепторы распо­ложены в интерстициальном пространстве тканей и кровеносных сосудах печени (система воротной вены), сердца, пищеварительного тракта, почек, селезенки, а также в рефлексогенной зоне каротидного синуса. Поскольку осмотическое давление связано преимущественно с ионами натрия, часть осморецепторов являются специализированными натриорецепторами. Наиболее мощными рецептивными полями для натрия являются интер­стициальные пространства печени и предсердий. Имеются также тканевые рецепторы, воспринимающие концентрацию ионов калия, кальция и маг­ния. Центральные осморецепторы — клетки супраоптического ядра гипота­ламуса, непосредственно воспринимающие сдвиги осмотического давле­ния притекающей в межуточный мозг крови и концентрацию в ней натрия (натриорецепторы).

Афферентная информация от тканевых осмо- и натриорецепторов по­ступает по волокнам блуждающего нерва и задних корешков спинного мозга в центральную нервную систему, где направляется в центр осморегу-

Рис. 14.14. Схема компенсаторных реакций при ограничении приема или потерях воды, т. е. при гиперосмотической дегидратации. Основные реакции направлены на восполнение объемов воды (жажда, повышение реабсорбции воды в почках) и вы­ведение избытка натрия с мочой (угнетение реабсорбции катиона в почках).

ляции, локализованный в ядрах переднего гипоталамуса — супраоптиче­ском и паравентрикулярном. Эфферентное звено осморегулирующих и на- трийрегулирующих рефлексов включает как вегетативные нервы, так и гормональные сигналы. Осмо- и натрийрегулирующие рефлексы увеличи­вают нейросекрецию и содержание в крови вазопрессина. Избыток ионов натрия в крови стимулирует секрецию натрийуретического атриопептида. Вазопрессин повышает в почках проницаемость дистальных канальцев и собирательных трубочек для воды, и она пассивно реабсорбируется по ос­мотическому градиенту, т. е. реализуется механизм концентрирования мо­чи. Вазопрессин повышает всасывание воды и в других органах — кишеч­нике, желчном пузыре, слюнных и пищеварительных железах. Натрийуре­тический атриопептид, как и, в меньшей степени, вазопрессин, ведут к по­вышенному выведению натрия из крови, что устраняет увеличение осмо­тического давления.

Активация реабсорбции воды, концентрирование мочи, снижение осмолярности крови

Рис. 14.15. Осморегулирующий рефлекс.

Повышение осмотического давления крови при ограниченном поступлении воды в организм или ее чрезмерных потерях вызывает раздражение сосудистых и центральных (гипоталамиче­ских) осморецепторов, следствием чего является увеличение секреции в кровь вазопрессина, активация обратного всасывания воды в канальцах почек и ее поступление в кровь, что ведет к нормализации осмотического давления крови.

Продукция вазопрессина возрастает и при значительном снижении объ­ема циркулирующей крови и артериального давления. Это происходит бла­годаря механорецептивному рефлексу, берущему начало от рефлексоген­ных зон сосудов и сердца.

Важнейшей приспособительной реакцией организма при дегидратации организма является жажда. Жажда — это субъективное ощущение челове­ка, возникающее при абсолютном или относительном (к содержанию на­трия) дефиците воды в организме и приводящее к поведенческой реакции по приему воды. Таким образом, жажда является одной из основных био­логических мотиваций (т. е. побуждений к деятельности), обеспечивающих поддержание жизнедеятельности человека. Формирование чувства жажды связано с возбуждением питьевого центра, локализованного в структурах гипоталамуса и лимбики (рис. 14.16). Возбуждение этого центра обуслов­лено несколькими причинами. Во-цервых, при повышении осмотического давления крови и внеклеточной жидкости, уровня натрия в них происхо­дит раздражение центральных и периферических осморецепторов и реф­лекторное возбуждение центра. Во-вторых, возбуждение центра и возник­новение жажды имеет место и при уменьшении объема циркулирующей крови без сдвига осмотического давления. В этом случае ее формирование обусловлено двумя механизмами: 1) волюморефлексом от волюморецепто- ров правого предсердия и полых вен, возникающим в ответ на уменьшение растяжения этих областей низкого давления сниженным объемом крови;

Рис. 14.16. Механизм развития жажды.

Стимуляция гипоталамического питьевого центра и возникновение чувства жажды происходит под влиянием повышенного осмотического давления крови, образования в крови и ткани моз­га ангиотензина-П, снижении объема крови и артериального давления.

2) уменьшенный объем крови ведет к активации юкстагломерулярного ап­парата почек и секреции ренина, что увеличивает в крови уровень ангио­тензина-П. Ангиотензин-П — один из мощных дипсогенных (от греческого dipsa — жажда) факторов, стимулирующий структуры субфорникального органа (СФО) межуточного мозга, который является частью питьевого центра. В-третьих, возбуждение питьевого центра и жажду вызывают ней­ропептиды, образуемые в самой мозговой ткани. Так, повышение концен­трации натрия в крови при дегидратации влечет образование в мозговой ткани натрийуретического пептида, подобного атриопептиду, также отно­сящегося к дипсогенным факторам. Дипсогенными являются и образуе­мые в мозговой ткани ангиотензин-И, окситоцин и вазопрессин.

Питьевой центр может возбуждаться и после еды. Механизм жажды в этих случаях обусловлен гормональными эффектами (рис. 14.17).

Выраженное и продолжительное ограничение приема воды — водное го­лодание — ведет к выходу жидкости из клеток во внеклеточную среду и формированию состояния дегидратации клеток, что вызывает тяжелые расстройства, особенно со стороны центральной нервной системы, клетки которой чувствительны к сдвигам водно-солевого гомеостазиса. Как пра­вило, вместе с водой клетки теряют и К⁺, что вызывает сдвиги мембранно­го потенциала и еще более усугубляет расстройства деятельности нервной системы и других возбудимых тканей.

Избыточные потери воды (при гипервентиляции легких, обильном по­тоотделении при тяжелой физической работе и высокой температуре сре­ды) также ведут к гипертонической дегидратации, поскольку при этом по­тери воды намного превышают потерю электролитов (главным образом, натрия). Формирующиеся при этом интегративные механизмы регуляции водно-солевого гомеостазиса аналогичны описанным выше при дефиците приема жидкости.

При поступлении пищи в кишечник двенадцатиперстная кишка и поджелудочная железа сек­ретируют во внутреннюю среду гормон кальцитонин. Бета-клетки поджелудочной железы, особенно после сладкой пищи, секретируют гормон амилин. Под влиянием этих гормонов ак­тивируются расположенные в межуточном мозге вокруг III мозгового желудочка структуры, получившие название циркумвентрикулярного органа, входящего в питьевой центр.

Осмотическое давление плазмы крови (мосм/кг) в норме:

Рис. 14.18. Пороги стимуляции секреции вазопрессина и жажды как факторы регу­ляции осмотического гомеостазиса.

При повышении осмотического давления плазмы крови первой регуляторной приспособи­тельной реакцией является увеличение секреции вазопрессина, а жажда появляется при более выраженном повышении осмолярности.

Таким образом, основными физиологическими механизмами, препятст­вующими повышению осмотического давления жидкостей внутренней сре- д^»1, являются повышение секреции вазопрессина и жажда (рис. 14.18). При этом порог реакции увеличения секреции вазопрессина расположен на уровне более низких значений осмотического давления, чем порог жаж­ды; следовательно, в процесс нормализации повышенного осмотического давления вначале вовлекается прирост секреции вазопрессина, а затем уже жажда.

14.4.2. Гомеостатические механизмы при изоосмотической дегидратации

При рвоте и поносах у человека происходит потеря жидкости; изотонич­ной плазме крови, т. е. теряется не только вода, но и содержащиеся в ней электролиты, преимущественно ионы натрия и хлорида. Такая дегидрата­ция носит название изоосмотической и для нее характерен истинный де­фицит натрия в организме. Изотоническая дегидратация сопровождается уменьшением объема циркулирующей плазмы и крови, что определяет формирование в организме приспособительных реакций: повышается ней­росекреция вазопрессина за счет рефлекса с волюморецепторов предсер­дий и полых вен (что активирует реабсорбцию воды в почках), усиливается секреция ренина и повышается в крови содержание ангиотензина и альдо­стерона (что поддерживает сосудистый тонус и вызывает активацию реаб­сорбции натрия в дистальных канальцах почек). Поскольку при изоосмо­тической дегидратации осмотическое давление внеклеточной и внутрикле­точной жидкости не меняется, жажда может быть мало выраженной.

При этом типе дегидратации происходит потеря и Na⁺, и воды, а белки крови и эритроциты сохраняются, поэтому в крови отмечается увеличение концентрации белка и гематокрита. При выраженной степени дегидрата­ции и недостаточности компенсаторных механизмов из-за начального уменьшения объема плазмы крови быстро наступают циркуляторные нару­шения как системной гемодинамики, так и микроциркуляции.

14.4.3. Гомеостатические механизмы при гипоосмотической дегидратации

При этом виде дисбаланса в организме возникает истинный дефицит Na⁺, как правило, связанный с избыточной потерей хлорида натрия при чрез­мерном потоотделении, осмотическом диурезе. Классическим клиниче­ским примером гипоосмотической дегидратации является потеря натрия организмом при надпочечниковой недостаточности (дефицит альдосте­рона).

Поскольку NaCl содержится, в основном, во внеклеточном пространст­ве, именно здесь и снижается прежде всего осмотическое давление и вода начинает перемещаться во внутриклеточное пространство с относительно более высоким осмотическим давлением. Следствием компенсаторного пе­рераспределения воды является одновременное уменьшение объема вне­клеточного протсранства (дегидратация) и увеличение объема внутрикле­точного пространства (гипергидратация), а осмолярность в обоих про­странствах оказывается сниженной.

Компенсаторные механизмы при гипоосмотической дегидратации не всегда эффективны, так как из-за клеточной гипергидратации и уменьше­ния осмолярности плазмы крови чувство жажды отсутствует. Если причи­ной этого вида дегидратации является не патология надпочечников, а из­быточное потоотделение или осмотический диурез, ведущей компенсатор­ной реакцией является повышение секреции альдостерона, вызванное как снижением Na⁺ в плазме крови, так и активацией ренин-ангиотензин-аль- достероновой системы при уменьшении артериального давления.

14.4.4. Гомеостатические механизмы при гипоосмотической гипергидратации

Гипоосмотическая гипердегидратация возникает при значительном посту­плении воды в кровь в результате ее всасывания в желудочно-кишечном тракте или введении в сосудистое русло бессолевых растворов (например, 5 % раствора глюкозы). Возникает этот тип дисбаланса и при почечной не­достаточности, и при циррозе печени. При умеренных физиологических объемах выпиваемой воды (рис. 14.19), приспособительные реакции начи­наются еще до всасывания воды из желудочно-кишечного тракта в кровь системной циркуляции, так как снижение осмотического давления слюны и химуса воспринимаются рецепторами ротовой полости и пищеваритель­ного тракта, а позднее всасывающаяся в кровь воротной вены вода умень­шает концентрацию ионов натрия и осмотическое давление крови, посту­пающей в печень, где этот сдвиг воспринимается соответствующими осмо- и натриорецепторами. Возникающее при их раздражении рефлекторное (в том числе и условно-рефлекторное) подавление нейросекреции вазопрес­сина и нарастание мочеобразования происходят вскоре после приема жид-

Рис. 14.19. Схема компенсаторных реакций, возникающих при гипоосмотической гипергидратации.

Как при физиологических (прием воды), так и при искусственных условиях (введение избытка жидкости) в основе компенсации гидратации лежит подавление образования и секреции в кровь вазопрессина, вследствие чего возрастает выведение избытка воды через почки. кости. Таким образом, вовлечение систем интегративного контроля водно­солевого баланса начинается еще до сдвигов уровня натрия и осмотиче­ского давления в крови системной циркуляции, поэтому в обычных усло­виях рефлекторная стимуляция почечной экскреции воды и натрия огра­ничивает увеличение объема крови из-за всасывания выпитой воды.

Чрезмерный прием воды или введение гипотонических растворов в сосу­дистую систему (см. рис. 14.19) вызывают выраженную гипоосмотическую гипергидратацию, ведут к уменьшению осмотического давления и концен­трации ионов натрия в плазме. Следствием этого является подавление нейросекреции вазопрессина, стенки дистальных канальцев и собиратель­ных трубочек в почках остаются непроницаемыми для воды. Поскольку реабсорбция ионов натрия сохраняется, почки выделяют большие количе­ства гипотоничной мочи и избыток воды удаляется из крови. В отсутствие вазопрессина мочевина не реабсорбируется в собирательных трубочках, что снижает осмолярность интерстиция мозгового вещества почек и тем самым также ослабляет реабсорбцию воды. Если описанные механизмы регуляции не обеспечивают выведение объемов воды, адекватных ее посту­пившему количеству, устанавливается положительный водный баланс, во­да задерживается в организме. Задержка воды в крови (гидремия) снижает ее осмотическое давление и вода выходит в ткани — формируются отеки.

14.4.5. Гомеостатические механизмы при изоосмотической гипергидратации

Это состояние является наиболее частым проявлением у человека положи­тельного водного баланса с одновременной задержкой NaCl (недостаточ­ность кровообращения, токсикозы беременности, болезнь Кушинга). При этом, поскольку ионы Na⁺ и СГ являются почти исключительно внекле­точными, имеет место увеличение лишь объема изотонической жидкости во внеклеточной среде и перемещений воды между вне- и внутриклеточ­ным пространствами не отмечается. Существенно увеличивается объем ин­терстициального сектора, где депонируется изотоническая жидкость и формируются отеки, увеличивается масса тела. Внутриклеточное простран­ство остается без изменений. Общее количество воды и натрия в организ­ме возрастает, но концентрация ионов Na⁺ остается в пределах нормы. Не­смотря на гипергидратацию возникает потребность в осмотически свобод­ной воде и нередко появляется жажда. Избыток изотонической жидкости в системе гемоциркуляции может вести к острой сердечно-сосудистой не­достаточности, острой почечной недостаточности при наличии патологии почек. Наиболее простым примером этого типа гипергидратации является внутривенное вливание больших количеств изотонического раствора NaCl. Следствием гипергидратации внутрисосудистого сектора является умень­шение гематокрита и концентрации плазменных белков. Избыток изоос­мотической жидкости выводится почками путем увеличения диуреза. Не­соответствие скорости мочеобразования степени гипергидратации ведет к отекам. В условиях патологии компенсация гипергидратации этого типа отличается малой эффективностью.

14.4.6. Гомеостатические механизмы при гиперосмотической гипергидратации

Этот вид водного дисбаланса возникает при первичном альдостеронизме (синдром Кона), остром гломерулонефрите, введении в организм больших количеств гипертонических растворов хлорида натрия, гидрокарбоната в послеоперационный период, особенно при почечной недостаточности. Объем и осмолярность внеклеточного пространства увеличиваются из-за прироста концентрации Na⁺ и С1⁺, вода перемещается из внутриклеточно­го пространства во внеклеточное до равенства в них осмотического давле­ния. Вследствие этого объем внутриклеточного пространства уменьшается, а осмолярность становится повышенной в обоих пространствах. Если не происходит потерь белка и эритроцитов из плазмы крови, как это бывает при гломерулонефрите, в крови повышаются гематокрит и концентрация белка. Компенсация нарушений водно-солевого гомеостазиса при этом ти­пе дисбаланса осуществляется путем почечного выведения избытка жидко­сти и натрия и требует значительного времени. Без устранения причины, вызвавшей гиперосмотическую гипергидратацию, компенсация нарушен­ного гомеостазиса в большинстве случаев не эффективна.

14.4.7. Нарушения баланса электролитов

Нарушения баланса электролитов в организме являются, как правило, следствием водного дисбаланса. Это прежде всего относится к дисбалансу ионов натрия, поскольку гиперосмотическая дегидратация и гипоосмоти- ческая гипергидратация, являясь следствием водного дисбаланса, неизбеж­но сопровождаются гипер- или гипонатриемией. Гипер- или дегидратация внутриклеточного пространства ведут, соответственно, к уменьшению или повышению содержания внутриклеточных ионов, прежде всего, калия. Как правило, сдвиги содержания электролитов в плазме крови являются следствием трех основных механизмов: 1) изменения всасывания в желу­дочно-кишечном тракте, 2) перераспределения между вне- и внутрикле­точной средами, в том числе и депонирования, 3) изменения экскреции из организма, прежде всего через почки. Электролитный гомеостазис необхо­дим для обеспечения фундаментальных свойств клеток (метаболизм, реге­нерация, возбудимость, специфические функции), а также их регуляции и саморегуляции, поэтому его нарушения ведут к тяжелейшим расстрой­ствам жизнедеятельности.

ГЛАВА 15

Кислотно-основное состояние

Кислотно-основное состояние (кислотно-щелочное равновесие; кислотно­щелочной баланс; кислотно-основное равновесие) — одно из важнейших гомеостатических свойств внутренней среды организма, характеризующее­ся относительным постоянством соотношения водородных и гидроксиль­ных ионов и определяющее оптимальный характер обменных процессов и физиологических функций.

Основой внутренней среды является вода, молекулы которой при дис­социации образуют Н⁺ и ОН" ионы. Соотношение их концентрации опре­деляет актуальную реакцию жидкостей, прежде всего крови.

Актуальной реакцией называют существующую в организме в конкрет­ных условиях кислотность или щелочность внутренней среды. От актуаль­ной реакции среды зависят условия функционирования большинства бел­ков, так как электронейтральность белковой молекулы определяется ее изоэлектрической точкой, что напрямую связано с кислотностью среды. Актуальная реакция среды определяет активность ферментов, для боль­шинства из которых свойственны свои оптимальные значения реакции среды. Кислотно-основное состояние внутренней среды определяет в тка­нях направление и интенсивность процессов окисления и восстановления, расщепления и синтеза белков, углеводов и жиров, нуклеиновых кислот, активность витаминов и микроэлементов. Изменения актуальной реакции среды помимо метаболизма влияют и на функции клеток, органов и сис­тем (сердца и сосудов, нервной системы и мышц, легких и почек), опреде­ляют биофизические свойства клеток и молекул, например проницаемость мембран и возбудимость, степень дисперсности коллоидов и пр.

В свою очередь, кислотно-основное состояние является интегральным параметром внутренней среды организма и зависит от состояния клеточ­ного метаболизма, газотранспортной функции крови, процессов питания и внешнего дыхания, водно-солевого обмена.

Внутриклеточная среда для большинства клеток нейтральна, так как это обеспечивает оптимальную возможность образования субстрат-фермент- ных комплексов. Внеклеточная жидкость и кровь имеют слабую щелочную реакцию, что способствует нейтрализации и удалению из клеток кислых метаболитов и Н-ионов.