Вода и электролиты

Почему вода и электролиты — основа жизни

Около 60% массы тела взрослого мужчины и около 50–55% массы тела взрослой женщины составляет вода. Это не просто «среда», в которой происходят реакции, — вода активно участвует в них: она растворитель, реагент, переносчик тепла и структурный компонент клеток. Без воды химические реакции обмена веществ невозможны в принципе.

Электролиты — это вещества, которые при растворении в воде распадаются на заряженные частицы — ионы (от греч. ion — «идущий»). Ионы с положительным зарядом называются катионами (Ca²⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺), с отрицательным — анионами (Cl⁻, HCO₃⁻, HPO₄²⁻). Именно электролиты определяют электрическую активность клеток (нервный импульс, сокращение мышцы), поддерживают осмотическое давление жидкостей и участвуют в регуляции кислотно-щелочного баланса.

Распределение воды в организме

Вся вода тела разделена на два основных жидкостных отсека — условных «резервуара», разделённых клеточными мембранами:

Такое разделение — высокий натрий снаружи и высокий калий внутри — не случайно: именно разница концентраций по обе стороны мембраны создаёт мембранный потенциал покоя (электрическое напряжение ~–70 мВ в нейронах и мышечных клетках), без которого невозможно передать ни один нервный импульс и ни одно мышечное сокращение.

Натрий: регуляция объёма и давления

Натрий (Na⁺) — главный катион внеклеточной жидкости и главный регулятор её объёма. Поскольку вода следует за натрием по осмосу (переходит туда, где растворённых частиц больше), изменение содержания натрия в организме автоматически изменяет объём внеклеточной жидкости — а значит, и объём циркулирующей крови, и артериальное давление.

Нормальная концентрация натрия в плазме крови — 135–145 ммоль/л. Отклонения:

• Гипонатриемия (Na⁺ ниже 135 ммоль/л) — снижение концентрации натрия. Чаще всего возникает при избытке воды относительно натрия: чрезмерное питьё, неадекватная секреция АДГ (антидиуретического гормона), сердечная или печёночная недостаточность. При тяжёлой гипонатриемии (ниже 125 ммоль/л) вода входит в клетки мозга, мозг набухает — головная боль, спутанность сознания, судороги, кома.
• Гипернатриемия (Na⁺ выше 145 ммоль/л) — повышение концентрации натрия. Обычно следствие потери воды без адекватного восполнения (сильная жара, несахарный диабет, рвота, диарея) или избыточного введения натрия. Вода выходит из клеток мозга, мозг «сморщивается» — беспокойство, жажда, мышечная слабость, при тяжёлой форме — разрывы мозговых сосудов.

Выведение натрия с мочой регулируется тремя основными системами: альдостероном (гормоном коры надпочечников, задерживающим Na⁺ в почках), натрийуретическими пептидами ANP и BNP (гормонами сердца, усиливающими выведение Na⁺) и симпатической нервной системой. Подробнее эти механизмы описаны в разделе Гомеостаз.

Калий: возбудимость клеток

Калий (K⁺) — главный внутриклеточный катион. Нормальная концентрация в плазме крови — 3,5–5,0 ммоль/л (в десятки раз меньше, чем внутри клетки). Несмотря на низкую концентрацию в плазме, именно она критически важна: величина мембранного потенциала определяется соотношением K⁺ внутри и снаружи клетки. Малейшее отклонение от нормы — и возбудимость клеток меняется.

• Гипокалиемия (K⁺ ниже 3,5 ммоль/л) — мембранный потенциал становится более отрицательным, клетки труднее возбудить. Проявления: мышечная слабость, запоры, нарушения ритма сердца (аритмии) — вплоть до фибрилляции желудочков. Частая причина — приём диуретиков (мочегонных препаратов), рвота, диарея.
• Гиперкалиемия (K⁺ выше 5,0 ммоль/л) — мембранный потенциал становится менее отрицательным, клетки возбуждаются патологически легко, а затем блокируются. Проявления: парестезии (покалывание), мышечная слабость, опасные аритмии. Чаще всего — следствие почечной недостаточности (почки не выводят K⁺).

Почки — главный регулятор калия: они выводят K⁺ под действием альдостерона и задерживают при его дефиците. Инсулин и адреналин при стрессе перемещают K⁺ из плазмы внутрь клеток, снижая его концентрацию в крови — именно поэтому введение инсулина используется как экстренная мера при тяжёлой гиперкалиемии.

Кальций: сокращение, свёртывание, сигнал

Кальций (Ca²⁺) выполняет в организме три принципиально разные роли одновременно: структурную (90–99% кальция тела сосредоточено в костях и зубах в виде кристаллов гидроксиапатита), сигнальную (внутриклеточный Ca²⁺ — универсальный «второй посредник», запускающий сокращение мышц, секрецию гормонов, деление клеток) и гемостатическую (Ca²⁺ необходим на нескольких этапах каскада свёртывания крови).

Нормальная концентрация общего кальция в плазме — 2,1–2,6 ммоль/л. Около 40% связано с альбумином (главным белком плазмы), около 10% — с анионами (цитратом, фосфатом), и лишь ~50% представляет собой ионизированный кальций Ca²⁺ — биологически активную фракцию, которую измеряют отдельно (норма 1,15–1,30 ммоль/л).

Регуляция кальция — трёхзвенная система:

• ПТГ (паратиреоидный гормон, или паратгормон — вырабатывается паращитовидными железами) — при снижении Ca²⁺ в плазме стимулирует выход кальция из костей (остеокласты разрушают матрикс), усиливает реабсорбцию кальция в почках и стимулирует синтез витамина D, который увеличивает всасывание кальция в кишечнике.
• Кальцитриол (активная форма витамина D — 1,25-дигидроксихолекальциферол; образуется в почках из предшественника под действием ПТГ) — главный регулятор всасывания кальция и фосфата в кишечнике. Дефицит витамина D → дефицит кальцитриола → нарушение минерализации костей (рахит у детей, остеомаляция у взрослых).
• Кальцитонин (гормон С-клеток щитовидной железы) — при повышении Ca²⁺ тормозит работу остеокластов и усиливает выведение кальция почками. Физиологическое значение у взрослых людей невелико, однако используется как маркер опухолей щитовидной железы.

Магний: кофактор тысячи реакций

Магний (Mg²⁺) — второй по значимости внутриклеточный катион после калия. Нормальная концентрация в плазме — 0,75–1,10 ммоль/л, однако около 99% всего магния тела находится внутри клеток (в костях и мягких тканях), поэтому уровень плазмы плохо отражает реальный дефицит.

Магний служит кофактором (вспомогательной молекулой, необходимой ферменту для работы) более чем в 300 ферментативных реакциях, в том числе:

• всех реакций, потребляющих или производящих АТФ (АТФ работает в клетке в форме комплекса Mg²⁺-АТФ, а не свободной молекулой);
• синтеза ДНК и РНК (нужен для работы полимераз);
• синтеза белков (работа рибосом);
• регуляции ионных каналов — Mg²⁺ блокирует изнутри NMDA-рецепторы (рецепторы глутамата — главного возбуждающего нейромедиатора мозга), предотвращая их избыточную активацию.

Гипомагниемия (ниже 0,75 ммоль/л) — нередко сопутствует гипокалиемии и гипокальциемии (магний необходим для нормальной секреции ПТГ и для удержания калия в клетках). Проявления: мышечные судороги, тремор, нарушения ритма сердца. Частые причины: злоупотребление алкоголем (алкоголь усиливает выведение магния почками), диарея, приём диуретиков, сахарный диабет. Гипермагниемия встречается редко, главным образом при почечной недостаточности или избыточном введении препаратов магния; при тяжёлой форме — нервно-мышечный блок, угнетение дыхания.

Хлор и бикарбонат: главные анионы

Хлорид (Cl⁻) — главный внеклеточный анион (норма в плазме: 98–108 ммоль/л). Вместе с натрием определяет осмотическое давление внеклеточной жидкости. Участвует в образовании соляной кислоты (HCl) в желудке: обкладочные клетки слизистой желудка активно транспортируют H⁺ и Cl⁻ в просвет, создавая pH 1,5–3,5. Потеря хлорида при многократной рвоте ведёт к гипохлоремическому алкалозу — нарушению кислотно-щелочного баланса с защелачиванием крови.

Бикарбонат (HCO₃⁻) — второй по важности внеклеточный анион (норма в плазме: 22–26 ммоль/л) и главный химический буфер крови (подробнее — в разделе Гомеостаз). Бикарбонат образуется в эритроцитах из CO₂ и воды под действием фермента карбоангидразы (CA — фермент, катализирующий реакцию CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻). Именно в форме бикарбоната переносится большая часть CO₂ от тканей к лёгким (~70%), где CO₂ выдыхается. На этот фермент действует ацетазоламид — препарат, снижающий внутриглазное давление и применяемый при горной болезни.

Осмос и осмотическое давление

Осмос (от греч. osmos — «толчок, давление») — движение воды через полупроницаемую мембрану (мембрану, пропускающую воду, но не растворённые крупные молекулы) из раствора с меньшей концентрацией растворённых веществ в сторону большей концентрации. Иными словами: вода всегда движется туда, где «гуще».

Осмотическое давление — давление, которое нужно приложить, чтобы остановить осмотический поток. Оно определяется суммарной концентрацией всех растворённых частиц — осмолярностью (мОсм/кг). Нормальная осмолярность плазмы — 280–295 мОсм/кг. Клетки «чувствуют» разницу осмолярности между своей внутренней средой и окружающей жидкостью:

• Изотонический раствор — осмолярность равна внутриклеточной (~280–300 мОсм/кг). Клетка не меняет объём. Именно изотоническим является стандартный физиологический раствор — 0,9% NaCl («физраствор»).
• Гипотонический раствор — осмолярность ниже внутриклеточной. Вода входит в клетку, клетка набухает и может лопнуть (лизис). Именно это происходит с эритроцитами в дистиллированной воде.
• Гипертонический раствор — осмолярность выше внутриклеточной. Вода выходит из клетки, клетка сморщивается (кренация). Использование гипертонических растворов в медицине позволяет «вытянуть» воду из отёчных тканей.

Баланс жидкости: поступление и потери

В норме суточное поступление воды равно суточным потерям. Взрослому человеку при умеренной активности и комфортной температуре требуется около 2–2,5 литра воды в сутки суммарно:

• с питьём — около 1,0–1,5 л;
• с пищей (фрукты, овощи, супы) — около 0,5–0,8 л;
• вода окисления (метаболическая вода — образуется при окислении углеводов, жиров и белков в митохондриях) — около 0,2–0,3 л.

Потери воды:

• с мочой — около 1,0–1,5 л (регулируется почками);
• неощутимые потери (insensible water loss) — испарение с кожи и через лёгкие при дыхании — около 0,6–0,8 л в сутки; резко возрастают при жаре, физической нагрузке и лихорадке;
• с потом — от незначительного количества до нескольких литров при интенсивной нагрузке или жаре;
• с калом — около 0,1–0,2 л (при диарее — в десятки раз больше).

Отёк: почему скапливается лишняя жидкость

Отёк — патологическое накопление жидкости в межклеточном пространстве (интерстиции). В норме жидкость выходит из капилляров в интерстиций на артериальном конце (где давление крови выше онкотического — осмотического давления белков плазмы) и возвращается на венозном (где онкотическое давление превышает гидростатическое), а избыток отводится лимфатическими сосудами. Отёк развивается при нарушении любого из этих звеньев:

• Повышение гидростатического давления в капиллярах (сердечная недостаточность → застой в венах → отёки ног; цирроз печени → портальная гипертензия → асцит — накопление жидкости в брюшной полости).
• Снижение онкотического давления плазмы — при низком уровне белков (особенно альбумина): голодание, нефротический синдром (потеря белка с мочой при болезнях почек), цирроз (печень не синтезирует достаточно альбумина). Воды «не удерживается» в сосуде — она уходит в ткани.
• Повышение проницаемости капилляров при воспалении, аллергических реакциях, ожогах, сепсисе: белки выходят в интерстиций, «утягивая» за собой воду.
• Нарушение лимфооттока (лимфедема) — при удалении или поражении лимфоузлов (после операций по поводу рака, при филяриатозе — паразитарном заболевании).

Нарушения водно-электролитного обмена

Связи с другими системами

• Клетка: натрий-калиевый насос — главный потребитель АТФ и главный создатель электрохимических градиентов. Без него мембранный потенциал, синтез белков и транспорт глюкозы в клетку невозможны. Подробнее — в разделе Клетка.
• Обмен веществ и энергия: Mg²⁺ как кофактор АТФ-зависимых реакций, кальций как сигнальная молекула, запускающая митохондриальный метаболизм — электролиты встроены в энергетику клетки на самом базовом уровне. Подробнее — в разделе Обмен веществ и энергия.
• Ткани: мышечное сокращение требует кальция (высвобождается из саркоплазматического ретикулума), натрия и калия (создают потенциал действия). Нервное проведение полностью зависит от ионных градиентов Na⁺ и K⁺. Хрящ и кость — главные депо кальция и фосфата. Подробнее — в разделе Ткани.
• Гомеостаз: регуляция осмолярности через АДГ и жажду, регуляция объёма через РААС и натрийуретические пептиды, поддержание pH через бикарбонатный буфер — всё это детально разобрано в разделе Гомеостаз.