Водный обмен и его регуляция

Содержание и распределение воды в организме. Наряду с белками, углеводами, липидами, ферментами, витаминами и гормонами в клетках различных органов, тканей и межклеточных пространствах содержатся неорганические вещества, к которым относятся вода и соли.

Вода — важнейшая составная часть всех клеток. В количественном отношении ее содержится значительно больше, чем других компонентов. Однако вода является не только составной частью клеток, она служит также средой, в которой существуют клетки и с помощью которой поддерживается связь между ними. Кроме того, вода — это среда, где протекают все химические реакции, связанные с жизнедеятельностью организма.

Вода выполняет важную механическую роль, способствуя скольжению трущихся поверхностей (суставы, связки и т.д.).

Благодаря испарению воды с поверхности кожи человек и теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела при усиленном образовании теплоты в организме или при высокой температуре окружающей среды.

Вода составляет основу всех жидкостей в организме: крови, лимфы, мочи, соков пищеварительного аппарата, спинномозговой жидкости и др. Поэтому все живые организмы, как правило, не способны переносить обезвоживание. Человек и животные погибают от недостатка воды значительно скорее, чем от недостатка пищи. Если полное голодание человек может выдержать в течение 30 сут и более, то без воды смерть наступает через несколько суток.

В организме человека содержание воды составляет 2/3 массы тела и меняется с возрастом. Так, у четырехмесячного эмбриона количество воды составляет 94 %, у новорожденных — 77 %, у взрослых людей — 50—65 %. В теле мужчин содержится в среднем 60 % воды, тогда как у женщин — 50 %.

Уровень воды в разных тканях неодинаков. Соединительная и костная ткани содержат относительно мало воды, а кровь, нервная ткань, мышцы, печень — значительно больше. Количество воды в организме зависит также от содержания жира: чем больше жира, тем меньше воды.

Всю воду в организме можно подразделить на внутриклеточную, или интрацеллюлярную (~ 72 %), и внеклеточную, или экстрацеллюлярную (~ 28 %).

Кровь, лимфа и межклеточная жидкость всего организма образуют единую фазу. Состав лимфы и межклеточной жидкости примерно соответствуют составу плазмы крови. Жидкая среда клеток различных тканей организма имеет примерно одинаковый состав и определяется как внутриклеточная жидкость. Внутриклеточная жидкость содержит в среднем около 35—45 % воды по отношению к массе тела, внеклеточная — 15 %. Эти жидкости различаются также по составу электролитов. Во внеклеточной жидкости преобладают ионы натрия, хлора и гидрокарбонатов; во внутриклеточной — ионы калия, а также белки и фосфорные эфиры.

Состояние воды в организме. В органах, тканях и клетках вода находится в виде свободной, гидратационной и иммобильной.

Свободная вода составляет основу многих биологических жидкостей: крови, лимфы, пищеварительных соков, спинномозговой жидкости.

Она участвует в доставке питательных веществ и удалении продуктов обмена из органов, тканей и клеток.

Часть воды находится в связанном состоянии, участвуя в образовании гидратных оболочек. Это так называемая гидратационная вода. Она образует гидратные оболочки вокруг молекул белков, нуклеиновых кислот и неорганических ионов. Гидратационная вода составляет около 40 % всей воды тканей, причем 10—40 % ее связывают белки. Эта вода по своим свойствам отличается от обычной: она не замерзает при снижении температуры до 0 °С и ниже и не обладает свойствами растворителя.

Большая часть воды в организме сосредоточена между различными молекулами, мембранами, волокнистыми структурами и механически ими зафиксирована, не входя в состав гидратных оболочек. Такая вода получила название иммобильной. Иммобильная вода замерзает при температуре ниже 0 °С, растворяет многие вещества и легко участвует в реакциях обмена веществ.

Между различными видами воды существует динамическое равновесие, одна ее форма может переходить в другую. Так, пополнение количества гидратной воды происходит за счет иммобильной и свободной воды.

Количество воды в отдельных органах и тканях изменяется в зависимости от их функционального состояния. Так, при мышечной работе содержание воды в мышцах увеличивается. При этом при непродолжительной работе, в течение 10—15 мин, количество воды в мышцах увеличивается за счет экстрацеллюлярной воды, при работе в течение 30—60 мин — главным образом за счет интрацеллюлярной. Такое явление объясняется приливом крови и повышением гидрофильности белков работающих мышц.

Обмен воды и регуляция водного обмена. Основными источниками воды для организма являются продукты питания и питьевая вода. Вода, поступающая с пищей, называется экзогенной и составляет 6/7 всей воды организма. Остальная часть (1/7) общей массы воды образуется в тканях человека как конечный продукт окисления нуклеиновых кислот, белков, липидов, углеводов. Это — эндогенная вода. Установлено, что при полном окислении 100 г жиров организм получает 107, 1 г, углеводов — 55, 6 г и белков 41, 3 г воды. Ежесуточно взрослому человеку необходимо около 2, 5—3 л воды. Однако это количество может сильно изменяться в зависимости от возраста человека, характера его работы, температуры окружающей среды и вида пищи. Обычно около 1 л воды вводится в организм в составе так называемой твердой пищи (хлеба, мяса, картофеля и т.п.), остальное количество — в виде питья (воды, чая, супа, молока и др.).

Обмен воды в организме является частью общего обмена веществ и тесно связан с обменом нуклеиновых кислот, белков, липидов и углеводов. В водном обмене принимают участие почки, легкие, кожа и пищевой канал.

Вода всасывается слизистой оболочкой пищевого канала на всем его протяжении, однако преимущественно в толстой кишке. Молекулы воды вместе с переваренными веществами проникают в глубь эпителиальных клеток слизистых оболочек в результате диффузии и осмоса, а также частично путем активного транспорта, который осуществляется белками крови — альбуминами и глобулинами.

Из организма вода выделяется главным образом с мочой — около 1, 2—1, 5 л, что составляет около 60 % всей выделяемой воды. Небольшое количество ее, около 0, 2—0, 3 л, выделяется через легкие в процессе дыхания. Это происходит в результате того, что воздух в альвеолах при температуре тела насыщается водяными парами. Через кожу потеря воды в количестве до 1 л происходит путем потоотделения и испарения. Незначительная часть воды — 0, 2 л — выделяется через пищевой канал вместе с калом.

Количество выделяемой организмом воды может значительно изменяться в зависимости от условий окружающей среды, выполняемой работы и состояния организма. Так, в жарком климате значительно возрастает выделение воды при потоотделении (до 4—5 л). При интенсивной работе, повышении температуры тела, вследствие увеличения объема дыхания усиливается выделение воды через легкие.

В регуляции водного обмена активное участие принимает центральная нервная система, в частности, такие ее отделы, как кора больших полушарий, промежуточный и продолговатый мозг, а также многие железы внутренней секреции. Некоторые гормоны, выделяющиеся железами, способствуют задержанию воды в организме, другие — наоборот, стимулируют ее выделение.

В основе регуляции водного обмена лежит поддержание постоянства осмотического давления, а основной регуляторной системой обмена воды является система «гормоны — почки». Из гормонов, принимающих участие в регуляции обмена воды, прежде всего следует выделить гормон задней доли гипофиза — вазопрессин и гормон коры надпочечников — альдостерон.

Вазопрессин вызывает сокращение почечных сосудов, в результате чего уменьшается диурез (мочеотделение), а следовательно, и выделение воды из организма. Поэтому вазопрессин часто называют антидиуретическим гормоном. Секреция этого гормона регулируется величиной осмотического давления плазмы крови. Повышение давления стимулирует выработку вазопрессина, который снижает выделение воды из организма путем повышения водоудерживающей способности тканей и за счет увеличения выделения концентрированной мочи. В результате этого осмотическое давление уменьшается, раздражение нейрогипофиза снижается и секреция вазопрессина прекращается.

Действие на водный обмен альдостерона связано с уровнем натрия в плазме крови. Понижение осмотического давления и выделение из организма воды и, следовательно, разбавленной мочи в большом количестве связано с понижением концентрации натрия в плазме крови. Снижение уровня натрия вызывает повышенную секрецию альдостерона, который усиливает процессы обратного всасывания натрия в почках и тем самым задерживает его в организме. Повышение уровня натрия в плазме тормозит секрецию этого гормона.

Таким образом, различные механизмы действия этих двух гормонов зависят от осмотического давления плазмы, снижение которого обусловливает повышенную секрецию альдостерона и торможение выработки вазопрессина. При повышении осмотического давления наблюдаются обратные процессы в регуляции водного обмена.

Среди других гормонов, участвующих в регуляции обмена воды, необходимо отметить тироксин — гормон щитовидной железы, паратирин — гормон паращитовидной железы, андрогены и экстрогены — гормоны половых желез. Они стимулируют выделение воды почками.

Важную роль в гидратации и дегидратации тканей выполняют минеральные вещества. Ионы натрия увеличивают гидратацию тканей и задерживают воду в организме. Ионы калия и кальция, наоборот, дегидратируют ткани и способствуют удалению воды из организма.

Поступление воды в организм регулируется чувством жажды, которое возникает в результате рефлекторного возбуждения определенных участков коры головного мозга при изменении осмотического давления плазмы крови. Вся введенная в организм вода более или менее быстро всасывается и поступает в кровяное русло.

Таким образом, регуляция водного обмена осуществляется нейрогормональным путем.

Обмен минеральных веществ

Значение минеральных веществ в организме человека. К числу незаменимых веществ организма относятся минеральные соли и отдельные химические элементы, хотя они, так же как и вода, не обладают питательной ценностью и не являются источниками энергии.

В составе живых организмов обнаружено около 70 химических элементов, из них 47 содержатся в них постоянно. Это так называемые биогенные химические элементы. Их значение определяется тем, что они входят в состав клеток органов и тканей, а также биологически активных веществ — ферментов, гормонов, витаминов, белков, участвуют в реакциях обмена. Это такие элементы, как кислород, углерод, азот, водород, кальций, фосфор, калий, сера, хлор, натрий, магний, цинк, железо, медь, иод, марганец, вольфрам, молибден, кобальт, кремний. Роль и значение остальных элементов изучены недостаточно, хотя они также содержатся в тканях организма.

Четыре элемента составляют органическую основу живых организмов. Это кислород, углерод, водород и азот, процентное содержание которых составляет соответственно 62, 43 %, 21, 15 %, 9, 86% и 3, 10 %. Остальные макро-, микро- и ультрамикроэлементы принято считать минеральными.

Больше всего минеральных веществ содержится в костях (48— 74 % общей массы) и хрящах (2—10 %). Остальные органы и ткани содержат небольшое количество минеральных веществ.

В клетках и тканях организма минеральные вещества находятся как в свободном, так и в связанном состояниях. В костях, хрящах и дентине зубов, например, они находятся в виде прочных нерастворимых соединений — неорганических солей угольной, фосфорной и других кислот. В свободном состоянии, а также в виде ионов минеральные вещества содержатся в биологических жидкостях — крови, лимфе, пищеварительных соках.

Значительная часть элементов входит в состав растворимых неорганических соединений, которые участвуют в регуляции осмотического давления. Натриевые и калиевые соли фосфорной и угольной кислот образуют с белками тканей и крови буферные системы, участвуя в поддержании постоянства рН среды в тканях и клетках.

Ионы неорганических веществ определяют физико-химические свойства коллоидов организма — явления гидратации, вязкость, растворимость, способность к набуханию и др. Некоторые минеральные вещества, например серная кислота, участвуют в нейтрализации ядовитых продуктов.

Особенно велика роль химических элементов, являющихся активаторами или парализаторами действия ферментов или участвующих в формировании их третичной и четвертичной структуры. Ионы металла, вступая во взаимодействие с различного рода функциональными группами аминокислот, расположенных в разных местах молекулы фермента, стабилизируют ее третичную и четвертичную структуры, поддерживая тем самым специфическую геометрическую конфигурацию активного центра (рис. 50, а). Кроме того, ионы металлов могут взаимодействовать также с отдельными функциональными группами аминокислот самого активного центра (рис. 50, б) и удерживать таким образом его определенную геометрическую конфигурацию, а вместе с тем третичную и четвертичную структуры молекулы фермента в целом.

Рис. 50. Функции металла (Me) в ферментных системах.

В качестве примеров участия ионов металлов в формировании и стабилизации третичной и четвертичной структур ферментов можно привести стабилизацию структуры α -амилазы и трипсина ионами Са²⁺, ксантиноксидазы — ионами Сu²⁺, креатинкиназы — ионами Mg²⁺, пируваткарбоксилазы — ионами Мn²⁺ и т.д.

Все биогенные элементы делят на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Макроэлементы содержатся в организме в количестве от 10^-2 % и выше. К ним относятся кальций, калий, фосфор, натрий, сера, хлор, магний. К микроэлементам относятся железо, цинк, фтор, молибден, медь, бром, кремний, иод, марганец, алюминий, свинец и др. Их количество в организме составляет от 10^-3 до 10^-5 %.

Ультрамикроэлементы — вольфрам, хром, никель, цинк, барий, серебро и многие другие — составляют порядка 10^-6 % и меньше.

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться: