Биологические свойства жидкостей, составляющих внутреннюю среду организма

1.2.1. Вода как составная часть жидкостей организма

Основу жидкостей внутренней среды организма составляет вода. Общее содержание воды в организме взрослого человека составляет около 60— 65 % от массы его тела. При этом на долю внутриклеточной (интрацеллю- лярной) воды приходится 7₃, т. е. 40—45 % от массы тела, а остальное ко­личество воды, составляющее 20—23 % от массы тела, распределено во внеклеточном пространстве. Из них около 16 % содержится в составе меж­клеточной жидкости (интерстициальная жидкость), 5 % — внутри сосудов, т. е. интравазально, в составе плазмы крови, 2 % — в лимфатических сосу­дах, в составе лимфы, 1—3 % воды от массы тела — в составе трансцеллю- лярных жидкостей.

Между всеми водными секторами организма осуществляется постоян­ный водный обмен (рис. 1.1)

Вода является растворителем всех органических и неорганических ве­ществ, поступающих из внешней среды в организм и всасывающихся в же­лудочно-кишечном тракте. Вода, входящая в состав крови, интерстициаль­ной жидкости и лимфы, переносит растворенные в ней питательные вещест­ва к клеткам тканей и продукты обмена — к органам выделения. В воде, вхо­дящей в состав клеток организма, осуществляются все процессы обмена. Во­да, благодаря высокой теплоемкости регуляции, обеспечивая выведе­ние тепла из организма (теплоот­дачу) с помощью потоотделения, испарения пота, тепловой одышки.

и теплопроводности, участвует в термо-

Рис. 1.1.Распределение и обмен воды ме­жду разными секторами тела взрослого человека (в процентах от массы тела).

В крови, лимфе, трансцеллю- лярных жидкостях, пищевари­тельных соках вода находится в свободном, т. е. не связанном с органическими соединениями со­стоянии. В интерстициальном пространстве и клетках организма большая ее часть находится в свя­занном состоянии, т. е. связана с белками (например, с молекулами коллагена), другими органически­ми соединениями. Поэтому вода не вытекает при рассечении тка­ней органов.

Суточная потребность человека с массой тела 70 кг в воде составляет 2,5 л, из них 1,2 л поступает в организм человека в виде питьевой воды, 1 л с пищей, 0,3 л образуется при окислении жиров, белков и углеводов. Такое же количество воды (2,5 л) ежесуточно выводится из организма: с мочой до 1,5 л, с потом 0,5 л, с выдыхаемым воздухом 0,4 л, с калом 0,1 л. Вода в организме человека обновляется за 1 мес, а внеклеточная — за 1 нед. Недостаточное поступление воды в организм человека (например, если поступление воды в организм меньше ее объема, интенсивно выде­ляемого с потом на жаре) приводит к уменьшению воды в крови, интер­стициальном пространстве. Это состояние называется дегидратацией. Де­гидратация вызывает сгущение крови, повышение ее вязкости и, как след­ствие, нарушение кровообращения. Дегидратация, достигающая 20 % от массы тела, может привести к летальным последствиям.

1. 2.2. Гистогемати ческие барьеры

Между кровью и внеклеточным пространством находятся образования, по­лучившие название гистогематических барьеров, отделяющие плазму кро­ви от внеклеточной жидкости разных тканей организма. Последняя отде­ляется от внутриклеточной жидкости мембранами клеток. Гистогематиче- ские барьеры и мембраны клеток обладают избирательной проницаемо­стью для ионов и органических соединений. Поэтому электролитный и ор­ганический составы плазмы крови, внеклеточной и внутриклеточной жид­кости различаются между собой.

По особенностям проницаемости для белков на уровне кровь — ткань все гистогематические барьеры делят на три группы: изолирующие, час­тично изолирующие и неизолирующие. К изолирующим барьерам относят гематоликворный (между ликвором и кровью), гематонейрональный, гема- тотестикулярный (между кровью и тестикулами), гематоэнцефалический (между кровью и мозговой тканью) и гематоофтальмический (между кро­вью и внутриглазной жидкостью), барьер хрусталика глаза. К частично изо­лирующим относятся барьеры на уровне желчных капилляров печени, коры надпочечников, пигментного эпителия глаза между сосудистой и сетчатой оболочками, щитовидной железы, концевых долек поджелудочной железы и гематоофтальмический барьер на уровне цилиарных отростков глаза. Не­изолирующие барьеры хотя и позволяют белку проникать из крови в интер­стициальную жидкость, однако ограничивают его транспорт в микроокру­жение и цитоплазму паренхиматозных клеток. Такие барьеры существуют в миокарде, скелетных мышцах, мозговом слое надпочечников, околощи­товидных железах.

Структурным элементом гистогематических барьеров является стенка кровеносных капилляров. Морфологические и функциональные особенно­сти клеток эндотелия капилляров — размер пор в их мембране, наличие фенестр, наличие межклеточного основного вещества, цементирующего щели между эндотелиоцитами капилляров и толщина базальной мембраны определяют проницаемость барьера для воды и растворенных в ней моле­кул веществ различных размеров и строения. Содержащиеся в крови веще­ства (вода, кислород, СО₂, глюкоза, аминокислоты, мочевина и др.) могут проникать через барьер двумя путями (рис. 1.2): трансцеллюлярно (через клетки эндотелия) и парацеллюлярно (через межклеточное основное веще­ство).

Трансцеллюлярный транспорт веществ может быть пассивным (т. е. по концентрационному или электрохимическому градиенту без затрат энер-

Вода Газы. О2, СО2 Мочевина Глюкоза Электролиты Белки плазмы (пиноцитоз)

Парацеллюлярный обмен

Л

Эр

Рис. 1.2. Транспорт веществ через стенку капилляров. Эр — эритроциты, ЭК — эндотелиальные клетки, Л — лейкоциты.

Вода Газы: О₂, СО₂ Мочевина Глюкоза Электролиты Белки плазмы Клетки крови йХ Бактерии

гии) и активным (против градиента с затратами энергии). Трансцеллюляр­ный перенос веществ осуществляется и с помощью пиноцитоза, т. е. про­цесса активного поглощения клетками пузырьков жидкости или коллоид­ных растворов. Парацеллюлярный транспорт, или перенос веществ через межклеточные щели, заполненные основным веществом, окутывающим волокнистые структуры фибриллярного белка, возможен для молекул раз­ных размеров (от 2 до 30 нм), поскольку в капиллярах размеры межклеточ­ных щелей неодинаковы. Базальная мембрана капилляров разных органов имеет неодинаковую толщину, а в некоторых тканях прерывиста. Эта структура барьера играет роль молекулярного фильтра, пропускающего мо­лекулы определенного размера. В состав базальной мембраны входят гли­козаминогликаны, способные уменьшать степень полимеризации и адсор­бировать ферменты, повышающие проницаемость барьера. Снаружи в ба­зальной мембране располагаются отростчатые клетки — перициты. Точных сведений о функции этих клеток нет, предполагается, что они выполняют опорную роль и продуцируют основное вещество базальной мембраны.

Основные функции гистогематических барьеров — защитная и регуля­торная. Защитная функция заключается в задержке барьерами перехода вредных веществ эндогенной природы, а также чужеродных молекул из крови в интерстициальную среду и микроокружение клеток. При этом не только сама сосудистая стенка с ее избирательной проницаемостью, но и ячеисто-коллоидные структуры интерстиция, адсорбируя такие вещества, препятствуют их поступлению в микросреду клеток. Если же произошло проникновение крупномолекулярных чужеродных веществ в интерстици­альное пространство и они не подверглись здесь адсорбции, фагоцитозу и распаду, то такие вещества поступают в лимфу, а не в клеточное микроок­ружение. Лимфа в этом плане представляет собой как бы «вторую линию обороны», поскольку содержащиеся в ней антитела, лимфоциты и моно­циты обеспечивают обезвреживание чужеродных веществ.

Благодаря регуляторной функции гистогематические барьеры контроли­руют состав и концентрацию молекул различных соединений в интерсти­циальной жидкости, изменяя проницаемость барьеров для ионов, пита­тельных веществ, медиаторов, цитокинов, гормонов, продуктов метаблиз- ма клеток. Таким образом гистогематические барьеры регулируют поступ­ление различных веществ из крови в интерстициальную жидкость и свое­временный отток продуктов клеточного обмена из межклеточного про­странства в кровь.

Проницаемость гистогематических барьеров изменяется под влиянием вегетативной нервной системы (например, симпатические влияния уменьшают их проницаемость). Изменяют проницаемость гистогематиче­ских барьеров в сторону как увеличения, так и уменьшения циркулирую­щие в крови гормоны (например, кортикостероиды уменьшают прони­цаемость гематоэнцефалического барьера), тканевые биологически актив­ные вещества (биогенные амины — серотонин, гистамин, гепарин и др.), ферменты (гиалуронидаза и др.), образуемые как самими эндотелиальны­ми клетками, так и клеточными элементами интерстициального про­странства. Например, гиалуронидаза — фермент, вызывающий деполиме­ризацию гиалуроновой кислоты основного вещества межклеточных про­странств. Поэтому при его активации резко повышается проницаемость барьеров; серотонин — снижает их проницаемость, гистамин повышает ее; гепарин — ингибирует гиалуронидазу и в результате уменьшения ее активности снижает проницаемость барьеров; цитокиназы — активизиру­ют плазминоген, и усиливая растворение фибриновых волокон, повыша­ют проницаемость барьера. Повышают проницаемость барьеров метабо­литы, вызывающие сдвиг pH в кислую сторону (например, молочная ки­слота).

Проницаемость гистогематических барьеров зависит и от химического строения молекул переносимых веществ, их физико-химических свойств. Так, для растворимых в липидах веществ гистогематические барьеры более проницаемы, поскольку такие молекулы легче проходят через липидные слои мембран клеток.

L2.3. Внутриклеточная жидкость

Во внутриклеточной жидкости преобладающими катионами являются ка­лий (150 мэкв/л) и магний (40 мэкв/л), содержится большое количество ионов НРО7 (100 мэкв/л) и белков анионпротеинатов (т. е. молекул белка, имеющих отрицательный заряд) (55 мэкв/л). Столь высокие концентрации ионов калия во внутриклеточной жидкости связаны с их участием в био­синтезе белков и углеводов, магния — участием более чем в 300 энзимных внутриклеточных реакциях. Фосфатные ионы и анионпротеинаты входят в состав основных буферных систем, поддерживающих pH внутриклеточной жидкости. Осмотическое давление во внутриклеточной и внеклеточной жидкости примерно равно, что поддерживает постоянство объемов воды в этих секторах. Поэтому важнейшим следствием поддержания постоянства осмотического давления внеклеточной жидкости являетсй стабильность объема воды, содержащейся в клетках организма.

В отличие от внеклеточной жидкости, физико-химические показатели которой строго поддерживаются на постоянном уровне регуляторными ме­ханизмами, что и обеспечивает оптимальные условия для деятельности клеток организма, физико-химические показатели внутриклеточной жид­кости характеризуются весьма широким диапазоном колебаний, которые обусловлены уровнем функциональной активности клеток. Так, при пере­ходе клетки из ее нормального состояния в состояние возбуждения или торможения ее активности концентрация ионов — К, Mg, Са — в жидкой среде цитоплазмы резко изменяется. Например, концентрация ионов ка­лия, являющаяся «жесткой» константой внеклеточной жидкости во внут­риклеточной жидкости во время активации клеточной функции может из­меняться от 115 до 150 мэкв/л. Концентрация ионов кальция в цитоплазме клетки, находящейся в состоянии физиологического покоя, составляет 10~⁷—10~⁸ моль/л, а при действии возбуждающего активность клетки сиг­нала (медиатора, гормона) концентрация Са⁺⁺ в цитоплазме возрастает до 10~⁵—10~⁶ моль/л, т. е. в 20 раз. В то же время даже незначительное увели­чение концентрации ионов Са во внеклеточной жидкости — с 1,2 до 1,4 ммоль/л, включает регуляторные механизмы, восстанавливающие нор­мальную концентрацию Са⁺⁺ во внеклеточной жидкости.

1.2.4. Интерстициальная, или тканевая, жидкость

Около '/₆ объема тела человека составляет пространство, расположенное между клетками организма, стенками кровеносных и лимфатических сосу­дов. Оно называется интерстициальным, или интерстициумом, а жидкость, заключенная в границах, образованных с одной стороны мембранами кле­ток, с другой — стенками кровеносных и лимфатических капилляров, на­зывается интерстициальной, или тканевой, жидкостью. Как заметил К. Бернар, это «внутреннее море», в котором живут клетки.

Структура интерстиция представлена сетью коллагеновых и эластиче­ских волокон, филаментов протеогликанов. Коллагеновые волокна пред­ставляют собой белок, образуемый фиброцитами соединительной ткани. Масса коллагеновых волокон составляет 6 % массы тела, а общая поверх­ность этих волокон превышает 1 000 000 м². Сеть этой своеобразной кол­лагеновой «губки» накапливает в интерстиции воду и электролиты, осо­бенно натрий. Пучки волокон коллагена простираются вдоль всего интер­стиция и обеспечивают механическую прочность (сопротивление) тканей. К плотным структурам интерстиция относятся также филаменты протеог­ликанов, очень тонкие и едва различимые в световом микроскопе. Их свернутые спиралью молекулы на 98 % состоят из гликозаминогликанов — гиалуроновой кислоты, хондроитинсульфатов А, В и С, а также белка. Мо­лекулы протеогликанов и гликозаминогликанов имеют отрицательный за­ряд (анионы), благодаря чему поддерживается ионное равновесие с катио­нами интерстициальной жидкости.

Интерстициальная жидкость заключена в основном в мельчайших про­странствах между филаментами протеогликанов и имеет характер геля. По­этому ее еще называют тканевым гелем. Таким образом, филамент проте­огликанов интерстиция формирует первую, коллоидную, или гелеподобную, фазу интерстиция, которая благодаря высокой гидрофильности связывает или освобождает воду под влиянием ферментов и биологически активных веществ (гиалуронидаза, гепарин, гистамин и др.). Быстрый транспорт мо­лекул воды, О₂, СО₂, электролитов, питательных веществ, экскретов клеток между кровеносными капиллярами и клетками тканей обеспечивается про­стой диффузией через гель этих соединений. Скорость диффузии указан­ных веществ от стенок капилляров до клеток на расстоянии до 50 мкм осу­ществляется за несколько секунд. Вторая фаза интерстиция — водная, в ви­де свободной жидкости, «текущей» по тонким «каналам» вдоль коллагено­вых волокон, составляет не более 1 % интерстициальной жидкости. При развитии отека (т. е. скопления воды и электролитов в межклеточном про­странстве) содержание свободной жидкости в интерстициальном простран­стве резко увеличивается, а «каналы» оказываются резко расширенными. В обеих фазах интерстициального пространства у взрослого человека со­держится в среднем 11 — 12 л жидкости, т. е. около 16 % массы тела (см. рис. 1.1).

В ионном составе интерстициальной жидкости преобладают ионы нат­рия (142—144 мэкв/л) и ионы хлора (120 мэкв/л). Высокая суммарная кон­центрация данных ионов определяет величину осмотического давления интерстициальной жидкости. Поэтому при уменьшении концентрации Na в плазме крови и интерстициальной жидкости (например, при недостаточ­ности коры надпочечников уменьшается секреция гормона альдостерона, усиливающего реабсорбцию Na⁺ в канальцах почек и Na⁺ в больших коли­чествах с мочей выводится из организма) в интерстициальной жидкости появляется «осмотически свободная вода», которая выводится из организ­ма через почки, а также по осмотическому градиенту диффундирует в клетки и вызывает их набухание. При увеличении же концентрации Na⁺ в интерстициальной жидкости (например, вследствие избыточного поступле­ния NaCl в организм с соленой пищей) ее осмотическое давление повыша­ется, вода задерживается в интерстициальном пространстве, что приводит к развитию отеков. Концентрация К⁺ в интерстиции (3,8—5 ммоль/л) в 30 раз меньше, чем во внутриклеточной жидкости. Это «жесткая» констан­та интерстициальной жидкости, и ее сдвиги вызывают нарушение функ­ций клеток. Так, например, увеличение концентрации К⁺ в интерстици­альной жидкости миокарда (следствие гиперкалиемии — увеличения кон­центрации К⁺ в плазме крови) уменьшает соотношение концентраций — К⁺ внутриклеточный / К внеклеточной жидкости, что приводит к деполя­ризации мембраны, нарушает восстановление мембранного потенциала клеток миокарда. В результате замедляется проведение возбуждения в сер­дечной мышце, что может вызвать остановку сердца. Жесткими константа­ми являются и содержание Mg⁺⁺ (0,75—1,2 ммоль/л) и Са⁺⁺ (0,8—1,2 ммоль/л) во внеклеточной жидкости. Оба иона участвуют в поддержании нервно-мышечной возбудимости. Например, ионы Mg⁺⁺ влияют на транс­порт К⁺ через мембрану клетки и увеличение их концентрации во внекле­точной жидкости (следствие гипермагниемии) угнетает возбудимость нерв­ной системы, скелетных мышц. Напротив, уменьшение концентрации Mg⁺⁺ или Са⁺⁺ в крови вызывает повышение нервно-мышечной возбуди­мости.

В интерстициальной жидкости содержится кислород, большое количест­во питательных веществ для клеток — глюкозы, аминокислот, жирных ки­слот, в ней содержится и СО₂, поступающий из клеток и диффундирующий из интерстиция в кровь для удаления из организма, продукты белкового ме­таболизма клеток (мочевина, креатин, креатинин и др.). Из интерстициаль­ной жидкости продукты обмена поступают в кровь и транспортируются ею к органам выделения — желудочно-кишечному тракту, почкам, которыми и выводятся из организма. Через поры капилляров соматического типа — их стенка представлена непрерывной базальной мембраной и эндотелиальным слоем, в которых имеются поры, шириной от 6 до 7 нм (в легких, коже) — в интерстиций способно выходить небольшое количество белков плазмы крови. Много большее количество их поступает в интерстициальное про­странство через стенку капилляров синусоидного типа, представленных, на­пример, в печени и имеющих эндотелиальный слой с фенестрами, базаль­ную мембрану — с перерывами и в результате такой структурной организа­ции — прерывистую стенку с большими просветами. Поэтому содержание белка неодинаково в интерстициальной жидкости разных тканей: оно низ­кое в подкожной ткани, в легких — 0,5—2 г/л. Однако в лимфе, оттекающей от интерстиция печени, в который из капилляров синусоидного типа посту­пает большое количество белка, содержание последнего достигает 55—60 г/л.

Общее количество белка во всем объеме интерстициальной жидкости организма (в 11—12 л) достигает 330—360 г. Отсюда, концентрация белка в 1 л интерстициальной жидкости составляет около 30 г/л и создает колло­идно-осмотическое (онкотическое) давление, равное 8 мм рт. ст., являю­щееся силой, удерживающей жидкость в интерстиции.

Все белки из интерстициальной жидкости возвращаются обратно в кровь только через лимфатическую систему. По пути кровь—лимфа—кровь за сутки рециркулирует от 50 до 100 % белка.

Давление интерстициальной жидкости оказывается на 3 мм рт. ст. меньше атмосферного. Причиной отрицательного давления интерстици­альной жидкости по отношению к атмосферному давлению является по­стоянный отток жидкости из интерстиция по лимфатическим сосудам.

Интерстициальное пространство содержит клетки соединительной тка­ни — фибробласты и фиброциты, тучные клетки, макрофаги и лимфоциты, которые секретируют в микросреду клеток биологически активные соеди­нения (ферменты, гепарин, биогенные амины, простагландины, лейко­триены, цитокины и др.), поддерживающие нормальное функциональное состояние интерстиция. Клетки интерстициального пространства осущест­вляют фагоцитоз, иммунную защиту интерстиция.

Микросреда клеток — это часть интерстициального пространства, непо­средственно прилегающего к поверхности клеток, толщиной порядка 10— 20 нм, играет основную роль в обмене веществ через ее мембрану.

Микросреда клеток отличается от среды общего интерстициального пространства более высокой концентрацией поступающих из крови в ин­терстиций аминокислот и жирных кислот, используемых в пластических и энергетических процессах в клетке; медиаторов, гормонов и антигенов, ре­гулирующих клеточные функции (пролиферацию, дифференциацию, мета­болизм, синтез и секрецию антител и др.). Обмен воды и молекул между микросредой клеток и общим интерстициальным пространством происхо­дит под влиянием градиентов сил гидростатического, онкотического и ос­мотического давления, электрокинетических и электростатических потен­циалов. В создании последнего участвуют гликозаминогликаны, форми­рующие отрицательный заряд на поверхности мембран клеток.

Находящиеся в микросреде гуморальные факторы — нейромедиаторы, гормоны, метаболиты, цитокины, связываясь с их мембранными клеточ­ными рецепторами, осуществляют физиологическую регуляцию различных функций клеток: процессов пролиферации и дифференцировки клеток, их метаболизма, например синтеза и продукции ими белков, гликопротеидов, липидов и других продуктов, что поддерживает постоянство структуры ор­ганов и тканей организма, обеспечивает приспособительную реакцию кле­ток к изменениям внешней среды.