ФИЗИКО–ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОДНО–ЭЛЕКТРОЛИТНОГО БАЛАНСА В ОРГАНИЗМЕ

Биомасса Земли на 3/4 состоит из воды. Суммарное содержание воды в организмах составляет примерно половину от количества воды во всех реках земного шара. В разных организмах, особенно в различных тканях, содержание воды колеблется в широких пре­делах: так, в биожидкостях (цитозоль, пасока* деревьев, кровь, лимфа, гемолимфа) содержится от 88 до 99 % воды, тогда как в древесине растений или костной ткани животных – 20-24 %. Чем моложе организм, тем выше в нём содержание воды.

Содержание воды в организме взрослого человека составля­ет в среднем 60 % массы тела, колеблясь от 45 % (у тучных пожилых людей) до 70 % (у молодых мужчин), что составляет примерно 40 л. Бóльшая часть – 2/3 воды, около 27 л, находит­ся внутри клеток. Внеклеточная вода составляет 1/3 от общей воды – 13 л, из них примерно 4,5 л приходится на внутрисосудистые жидкости (кровь – 3 л, лимфа – 1,5 л), а 8,5 л – на межклеточную жидкость*. Межклеточная жидкость – система наиболее подвижная и из­меняющая свой объём при избытке или недостатке воды в теле. Эта водная система внутренней среды организма контактирует с внешней средой с помощью различных физиологических сис­тем, обеспечивающих не только обмен метаболитами, но и ре­гуляцию этих процессов (рис. 3).

В течение суток в организм человека поступает с питьём около 1,2 л воды, с пищей – примерно 1 л, около 300 мл воды образуется при окислении метаболитов. При нормальном водном балансе у здорового человека столько же воды (около 2,5 л) выде­ляется из организма: почками (1-1,5 л), с калом (50-200 мл), по­средством испарения кожей (0,5-1 л) и лёгкими (около 400 мл). Вся вода организма обновляется примерно через месяц, а вода внеклеточной жидкости – за неделю. Это свидетельствует о боль­шой интенсивности протекающих обменных процессов. Система регуляции водного баланса обеспечивает два основных гомеостатических процесса: во-первых, поддержание постоянства общего объёма жидкости в организме и, во-вторых, оптимальное распре­деление воды между указанными водными системами.

Рис. 3. Схема водно-электролитного баланса организма человека

В организме бóльшая часть молекул воды находится в свя­занном состоянии за счёт гидратации ионов, молекул органиче­ских соединений и биополимеров, различных ассоциатов* и ми­целл**. Кроме того, вода входит в состав различных клеточных органоидов***: рибосом, митохондрий, лизосом, меж- и внутриклеточных мембран. Вода участвует в качестве основного и самого динамичного компо­нента в формировании жидкокристаллического состояния соот­ветствующих биосубстратов и тем самым способствует созданию подвижных внутри- и межклеточных структур.

Благодаря это­му достигается характерная для живого тонкая упорядочен­ность процессов в клетке и в организме в целом. Например, от насыщения водой рибосом зависит поддержание их структуры и способность осуществлять белковый синтез, от степени набухания митохондрий – интенсивность протекающего в них про­цесса окислительного фосфорилирования и т. п. По образному выражению А. Сент-Дьёрдьи, вода в организме является дина­мичной "матрицей жизни".

Избыточное поступление и образование воды при неадек­ватно малом её выделении из организма приводит к накопле­нию воды. Этот сдвиг водного баланса называется гипергидра­тацией. При гипергидратации вода накапливается в основном в межклеточной жидкости.

АЛЬБЕРТ СЕНТ-ДЬЁРДЬИ(1893-1986), американский биохимик, удостоенный в 1937 Нобелевской премии по физиологии и медицине за работы по биологическому окислению. Родился 16 сентября 1893 в Будапеште. Основные работы Сент-Дьёрдьи посвящены химии витаминов, изучению процессов окисления в клетке, механизмов мышечного сокращения. Установил точный состав витамина С, исследовал его метаболизм. В 1936 году открыл витамин Р. Продемонстрировал роль аденозинтрифосфата (АТФ) как источника энергии при работе мышц. Исследования Сент-Дьёрдьи по изучению расщепления углеводов с образованием диоксида углерода, воды и других веществ и высвобождением энергии создали предпосылки для открытия Кребсом цикла трикарбоновых кислот.

При этом её осмотическое давление становится ниже, чем внутри клеток, которые поглощают воду, набухают, и осмотическое давление в них тоже снижается.

Недостаточное поступление и образование воды или чрезмерно большое её выделение из организма приводят к уменьшению её содержания воды, прежде всего в межклеточной жидкости, что называется дегидратацией и сопровождается высасыванием воды из клеток, пока их осмотическое давление не станет рав­ным осмотическому давлению в межклеточном пространстве.

Большую роль в регуляции водного баланса играет баланс электролитов и полиэлектролитов (белков), которые обеспечива­ют определённую величину осмотического и онкотического* дав­ления в биожидкостях, тем самым влияя на обмен молекулами воды между ними. Основные минеральные и органические ионы организма и их содержание в водных системах приведены в табл. 7.

Лимфа по составу и содержанию минеральных ионов близка к плазме крови, но из-за повышенного содержания гид­рокарбонат-иона НСО₃^– основность лимфы выше: рН = 8,4-9,2. Осмотическое давление лимфы близко к осмотическому давле­нию плазмы крови, а онкотическое давление существенно ниже из-за меньшей концентрации в ней белков (6-14 ммоль/л).

Минеральные ионы поступают в организм с пищей и пить­ём, а гидрокарбонат-ион НСО₃^–, органические ионы и белки в основном являются продуктами обмена веществ. Для поддер­жания электролитного баланса и соответственно жизнедеятель­ности организм в сутки должен в среднем получать (в ммоль): ионов Nа⁺ – 400, ионов К⁺ – 100, ионов Сl^– – 200, фосфат-ионов – 25, ионов Са²⁺ – 30, ионов Мg²⁺ – 10, органических анионов – 230 (табл. 8). В табл. 8 также указано, каким путём и в каком количестве эти ионы выделяются из организма.

Анализируя ионный состав биожидкостей человека (рис. 4), необходимо обратить внимание на небольшое раз­нообразие ионов и на то, что они содержат больше всего из ка­тионов ионы Na⁺ и К⁺, а из анионов – ионы С1^– и НРО₄^2– ⇄ Н₂РО₄. При­чём во внеклеточных жидкостях преобладают катионы Na⁺ и анионы Сl^–, а во внутриклеточной – катионы К⁺ и анионы НРО₄^2– ⇄ Н₂РО₄^–.

Другая важная особенность биожидкостей организма в том, что в межклеточных жидкостях преобладает частицы с положительной гидратацией, а во внутриклеточной – частицы с отрицательной гидратацией. Это связано с тем, что внутри клетки вода гидратирует кроме указанных частиц ещё и клеточные органеллы, что зна­чительно повышает содержание структурированной воды внут­ри клетки.

Таблица 8