Физиологическая роль основных ионов

Натрий (Na⁺). В организме взрослого человека содержится 70—100г натрия, у детей его содержание ниже. Он обнаруживается во всех тканях, главным образом в виде катионов натрия. Содержание натрия в плазме крови 130—150 ммоль/л., в клетке - 5 ммоль/л.

Натрий — главный внеклеточный катион: на его долю приходится более 90% всех катионов плазмы. Около 85% ионов натрия представлено в свободной форме и приблизительно 15% его удерживается белками. Во внеклеточных жидкостях находится около 40% всего натрия, около 50% — в костях и хрящах и менее 10% — внутри клеток. Натрий создает и поддерживает осмотическое давление жидкостей организма (преимущественно внеклеточной), задерживает воду в организме, участвует во всасывании в кишечнике и реабсорбции в почках глюкозы и аминокислот. Натрий участвует в регуляции кислотно-основного состояния организма, является щелочным резервом крови, активатором некоторых ферментов. Содержание натрия в клеточной микросреде определяет величину мембранного потенциала и, соответственно, возбудимость клеток. Совместно с ионами калия натрий стимулирует АТФазную активность фракций клеточных мембран, стабилизирует симпатический отдел нервной системы, принимает участие в регуляции тонуса сосудов.

Основное количество натрия поступает в организм с поваренной солью, небольшое количество его ребенок потребляет в виде бикарбоната натрия, цитрата, сульфата и глутамата натрия, которые как добавки встречаются в продуктах питания. Суточная потребность ребенка в натрии составляет в среднем 25 мг/кг массы тела, взрослого - 4—6 г. Около 95% поступившего натрия всасывается в желудочно-кишечном тракте с помощью blа+глюкоза (blами-нокислота) и Naycr-котранспортной системы кишечника (тонкого и толстого), электрогенного всасывания.

Основное количество натрия (около 95%) выводится почками с мочой в виде натриевых солей фосфорной, серной, угольной и других кислот. Натрий выводится также с потом и через кишечник.

Дефицит или избыток натрия вызывают серьезные изменения в организме ребенка (см. Приложение).

Калий (К+) в отличие от натрия является внутриклеточным катионом. У взрослых содержание калия составляет приблизительно 53 ммоль/кг и 95% его обменивается. Уровень калия в организме ребенка ниже. Основное количество калия (90%) находится внутри клеток в виде непрочных соединений с белками, углеводами и фосфором и менее 10% — внеклеточного. Часть калия содержится в клетках в ионизированном виде и обеспечивает мембранный потенциал. В плазме и межклеточной жидкости находится 2—5% общего калия. Во внеклеточной среде небольшое количество калия находится преимущественно в ионизированном виде. Наиболее богата калием мышечная ткань. В эритроцитах калия в 15—20 раз больше, чем в плазме, в которой содержится 4—5 ммоль/л калия.

Суточная потребность взрослого человека в калии 2—3 г, ребенка — 1,5—2,0 ммоль/л. Основным пищевым источником калия являются продукты растительного происхождения. Из организма калий выводится преимущественно почками (80—90%), в меньшей степени пищеварительным трактом и потовыми железами. Основным регулятором выведения его с мочой является альдостерон.

Калий участвует в ряде жизненно важных физиологических процессов: вместе с натрием создает и поддерживает осмотическое давление жидкостей организма (преимущественно внутриклеточной), участвует в регуляции кислотно-основного состояния организма. Калий — активатор ряда ферментов, вместе с Na⁺ генерирует электрохимический потенциал в мембранах клеток. Уровень калия в клетках и внеклеточной среде играет важнейшую роль в деятельности сердечно-сосудистой, мышечной и нервной систем, в секреторной и моторной функциях пищеварительного тракта, экскреторной функции почек. Обычно выход калия из клеток зависит от увеличения их биологической активности, распада белка и гликогена, недостатка кислорода. Концентрация калия увеличивается при ацидозе и снижается при алкалозе. Дефицит и избыток калия вызывают серьезные изменения в организме ребенка.

Кальций (Са₂⁺) в различных тканях содержится внутриклеточно и почти исключительно в форме растворимых белковых комплексов. Лишь в костной ткани, включающей до 97% всех запасов кальция в организме, он находится главным образом в виде нерастворимых внеклеточных включений гидроксиапатита. Содержание кальция в организме у детей составляет около 200 ммоль/л, у взрослых — 475 ммоль/л. В крови кальций содержится в форменных элементах и плазме. Содержание кальция в крови поддерживается в норме в диапазоне 2,5—2,8 ммоль/л. Приблизительно 40% его связано с белком (из них на связь с альбумином приходится 80—90%), остальные 60% кальция фильтруются или диффундируют (из них около 14% связано с анионами, такими как фосфат или цитрат, оставшиеся 46% (1,2 ммоль/л) присутствуют в виде свободных ионов).

Основной источник кальция — продукты питания: молоко и молочные продукты, яйца, бобовые, сухофрукты и др. Для детей грудного возраста основной источник кальция — молоко.

У взрослого человека поддерживается нулевой баланс кальция, у детей — положительный. Ежесуточная экскреция через почки составляет 100—200 мг, через кишечник — 150 мг, небольшое количество (до 20 мг) выводится с потом. Потери кальция с мочой увеличиваются при ацидозе и потреблении больших количеств белка.

Кальций участвует в физиологических процессах только в ионизированном виде. Кальций — необходимый участник процесса мышечного сокращения, важнейший компонент свертывающей системы крови (превращения протромбина в тромбин, фибриногена в фибрин, способствует агрегации тромбоцитов), как кофактор или активатор участвует в работе многих ферментов. Он входит в состав костей и хрящей в форме апатитов, является стабилизатором клеточных мембран, регулирует возбудимость нервов и мышц. Кальций — внутриклеточный посредник в действии некоторых гормонов на клетку, универсальный триггер многих секреторных процессов (секреция гормонов, гистамина из гранул тканевых базофилов, тучных клеток, выделение медиаторов при синаптической передаче возбуждения). Ионизация кальция зависит от рН крови. При ацидозе содержание ионизированного кальция повышается, а при алкалозе падает. Алкалоз и снижение уровня кальция ведут к резкому повышению нейромышечной возбудимости и тетании.

Магний (Mg₂⁺), как и калий, является основным внутриклеточным катионом, так как его концентрация в клетках значительно выше, чем во внеклеточной среде. Общее количество магния в организме у детей составляет 11 ммоль/л, у взрослых — 14 ммоль/л. Половина всего магния находится в костях (1/3 этого количества свободно обменивается), 49% — в клетках мягких тканей, он играет существенную роль во многих ферментативных реакциях, в том числе в активации АТФ-азы. Более 50% всего внутриклеточно локализованного магния находится в мышцах и большая часть в печени. Только 20—30% магния, входящего в клетки, обменивается, остальное количество связано с белками, РНК и АТФ. Лишь 1% магния находится во внеклеточном водном пространстве. Уровень магния в крови составляет 0,75—0,9 ммоль/л, при этом более 60% катиона находится в ионизированном виде.

Суточная потребность в магнии взрослого человека составляет около 300 мг. Овощи с зелеными листьями и фрукты, бобовые и злаки, мясо являются основными пищевыми источниками магния. Значительное количество эндогенного магния поступает в пищеварительный тракт с пищеварительными секретами. Главным регулятором содержания магния в организме являются почки. При недостатке его в организме он полностью реабсорбируется почками. Через желудочно-кишечный тракт с пищеварительными секретами происходит удаление из организма избытка магния.

Магний — структурный элемент костной ткани. Он стабилизирует биологические мембраны, уменьшая их текучесть и проницаемость. Образуя хеаты с нуклеиновыми кислотами, он стабилизирует структуры ДНК, ассоциации субъединиц рибосом, связанные транспортными РНК с рибосомой. Магний образует мало стабильный комплекс с АТФ (Мg₂⁺-АТФ) и облегчает гидролиз АТФ. Магний входит в состав более 300 разных ферментных комплексов, обеспечивая их активность. Катион Mg₂⁺ уменьшает возбудимость нервно-мышечной системы, сократительную способность миокарда и гладких мышц сосудов, оказывает депрессивное действие на психические функции.

При дефиците магния повышается возбудимость ЦНС, что проявляется слабостью и расстройством психики (спутанность сознания, беспокойство и агрессивность), возникновением судорог.

Повышение уровня магния в плазме (более 1,5 ммоль/л) вызывает тошноту и рвоту. Высокие концентрации магния могут вызвать гипотензию.

Главным анионом внеклеточной жидкости является хлор (Сl^-), в организме он находится преимущественно в ионизированном состоянии в форме солей натрия, калия, кальция, магния и т. д. Общее количество его в организме составляет 33 ммоль/кг. Распределение хлоридов в жидкостях организма определяется распределением ионов натрия. В крови хлориды встречаются главным образом в виде натрия хлорида. Концентрация хлора в плазме крови в норме колеблется от 90 до 105 ммоль/л. 90% аниона хлора находится во внеклеточной жидкости. Суточная потребность взрослого (2—6 г) полностью покрывается поваренной солью, добавляемой в пищу. Ребенок получает необходимое количество хлора из молока матери

Хлориды участвуют в создании и поддержании осмотического давления жидкостей организма, в синтезе соляной кислоты (НСl) в желудке, в поддержании рН клеток. Хлориды также участвуют в генерации электрохимического градиента на плазматических мембранах клеток, являются активаторами ряда ферментов.

Согласно большинству клинических наблюдений, изменение концентрации хлора в крови происходит соответственно изменению концентрации натрия. Однако иногда изменение концентрации хлора не сопровождается эквивалентными изменениями концентрации натрия. Избыток хлора ведет к ацидозу. Измерение в сыворотке уровня хлорида необходимо для определения у больного анионной щели. В норме уровень сывороточного катиона натрия больше суммы концентраций двух наиболее распространенных анионов сыворотки — хлора и гидрокарбоната. Разность между ними — анионная щель — в норме составляет 8—12 ммоль/л. Она образуется из общей концентрации неизмеряемых анионов, таких как фосфат, сульфат, белки и органические кислоты, превышающей концентрацию неизмеряемых катионов, в основном кальция, калия и магния. Измерение анионной щели позволяет определить изменение концентрации неизмеряемых анионов и катионов.

Фосфор (Р^-) имеет исключительно большое биологическое значение для растущего организма. Около 70% его сосредоточено в костной ткани, он входит в состав межклеточной жидкости и активных биохимических соединений каждой клетки организма. Фосфаты являются основными анионами внутриклеточной жидкости, где концентрация их выше, чем во внеклеточной среде, в 40 раз. Содержание неорганического фосфора в крови составляет 0,94— 1,60 ммоль/л, у детей первого года жизни — 1,26— 2,26 ммоль/л.

Потребность в фосфатах взрослого человека — около 1200 мг/сут. Фосфор в достаточном количестве присутствует в пищевом рационе, так как содержится практически во всех пищевых продуктах и всасывается (около 50%) в виде неорганических фосфатов. Экскреция осуществляется почками и через кишечник. Паратгормон усиливает экскрецию фосфатов с мочой. Экскреция возрастает и при увеличении уровня неорганического фосфора в плазме крови.

Фосфаты — необходимый компонент клеточных мембран, играют ключевую роль в метаболических процессах, входя в состав многих коферментов, нуклеиновых кислот и фосфопротеи-дов. Фосфат — структурный компонент костей и зубов в виде апатитов, участвует в регуляции концентрации водородных ионов (фосфатная буферная система), важнейший компонент фосфор-органических соединений организма: нуклеотидов, нуклеиновых кислот и фосфопротеидов, фосфолипидов, фосфорных эфиров углеводов, коферментов, 3-ФКГ и др. Органические соединения фосфора — АТФ, АДФ — составляют основу энергетического обмена.

Избыток фосфора в организме встречается редко и наблюдается при нарушении функции почек или гипофункции паращитовидных желез. Это приводит к гипокальциемии и нарушению метаболизма костной ткани. Проявлениями недостатка фосфора являются ломкость костей, нарушение диссоциации оксигемоглобина, слабость, миопатия, кардиомиопатия.

Сульфаты в большем количестве содержатся во внутриклеточном пространстве, входят в состав многих биологически активных веществ. В плазме крови неорганических сульфатов содержится 0,3—1,5 ммоль/л. Они необходимы для обезвреживания токсических соединений в печени.

Бикарбонат. Ион бикарбоната (НСО^-) в наибольшем количестве содержится в экстрацеллюлярной жидкости. Он находится в динамическом равновесии с угольной кислотой (20:1) и является компонентом основной буферной системы организма. Средняя концентрация бикарбоната в сыворотке крови — 27 мэкв/л. Величина концентрации бикарбоната у недоношенных новорожденных колеблется в пределах 11—29 ммоль/л (средняя 20), у доношенных новорожденных — 21 ммоль/л (16—25).

Водно-солевой обмен

 

Водно-солевым обменом называется совокупность процессов поступления воды и электролитов в организм, распределения их во внутренней среде и выделения из организма. Жидкости организма не застаиваются в анатомических пространствах, в них постоянно протекают интенсивные процессы внутреннего обращения: фильтрационные, секреторные, диффузионные и осмотические. Гидростатическое давление крови вытесняет из артериальных капилляров жидкость, которая через лимфатические пути и венозные капилляры попадает вновь в венозную систему. При различных возмущающих воздействиях (температурные сдвиги среды, разный уровень физической активности, изменение характера питания) отдельные показатели баланса могут меняться. При участии воды формируются такие структуры, как клеточные мембраны, транспортные частицы крови, макромолекулярные и надмолекулярные образования. В процессе обмена веществ и окисления водорода, отделенного от субстрата, образуется эндогенная «вода окисления», причем ее количество зависит от вида распадающихся субстратов и уровня обмена веществ.

Водно-электролитный обмен у детей чрезвычайно лабилен. Внеклеточный объем жидкости у новорожденных составляет 50% от всей воды в организме, он в 2-2,5 раза больше чем у детей старшего возраста. Большой объем внеклеточной жидкости обусловлен тем, что во внеклеточной жидкости на 50% больше натрия (из расчета на 1 кг) и на 20% меньше калия. У них очень легко возникают состояния как гипер-, так и гипогидратации. При этом одновременно может изменяться и осмолярность жидкостей, что клинически проявляется различными синдромами. Постоянство состава жидкостей связано с поступлением их в организм с пищей и выведением из организма.

Нужно учитывать также воду, образующуюся в организме в результате обмена веществ, — оксидазную. Так, в покое при окислении 100 г жира образуется более 100 мл воды, 100 г белка — около 40 мл воды, 100 г углеводов — 55 мл воды. Допустимо образование воды в организме ребенка в количестве 12 мл/кг массы тела. Повышение катаболизма и энергетического обмена ведет к резкому увеличению образуемой эндогенной воды. Однако эндогенной воды у человека недостаточно для обеспечения водной среды метаболических процессов, особенно выведения в растворенном виде продуктов метаболизма. Важно помнить, что вода входит в состав различных органических систем, например, каждый грамм гликогена, содержит 1,5 мл воды, а каждый грамм белка — 3 мл воды.

Вода и электролиты выводятся из организма тремя основными путями: почками, жкт, путем испарения через легкие и кожу (perspiratio insensibilis). Между органами выделения существуют функциональные и регуляторные взаимосвязи, в результате чего сдвиг функционального состояния одного из органов выделения меняет активность другого в пределах единой выделительной системы. Так, например, при избыточном выведении жидкости через кожу путем потоотделения при ывсокой темепратуре - снижается объем мочеобразования, при уменьшении экстркции азотыстых соединений с мочой, увеличивается их выведение через жкт, легкие и кожу.

Потери жидкости через кожу и легкие вместе с частью мочи, необходимой для выведения растворенных в ней веществ, составляют обязательные потери. Они представляют собой минимальный объем жидкости, который должен потреблять человек для поддержания водного баланса.

У маленьких детей выведение воды путем perspiratio insensibilis составляет до 50—75 % от общей величины. Интенсивность экстраренальной потери воды у детей в 2 раза выше, чем у взрослых, и составляет в среднем 1 мл/кг массы тела в час, у взрослых - 0,45 мл/кг в час. Общие потери воды путем перспирации у взрослых составляют 14 мл/кг в сутки (через ЖКТ- 50-300 мл, дыхательные пути и кожу 850-1200 мл или 0,5 г/кг веас в час), у детей — до 45 мл/кг (15 мл/кг через легкие, 30 мл/кг через кожу). Через кишечник ребенок теряет 40—80 мл, через почки — 90—100 мл воды на 1 кг массы тела. Это объясняется относительной незрелостью почек и относительно большой поверхностью тела. Потери за счет испарения регулируются факторами, в целом не зависящими от содержания воды в организме. Они пропорциональны площади поверхности тела и зависят от температуры как тела, так и окружающей среды, частоты дыхания и парциального давления водяных паров в воздухе.

Потоотделение незначительно при температуре окружающего воздуха 26,5—29,5°С, начиная с 30,5°С оно возрастает на 30 мл/100 ккал с каждым градусом, однако эти расчеты неприемлемы у недоношенных детей, которым необходима более высокая температура окружающей среды. Потоотделение частично контролируется вегетативной нервной системой. Оно может быть снижено при тепловых стрессах, тяжелых дефицитах жидкостей организма или увеличении концентрации электролитов. Потоотделение не является основным механизмом, регулирующим содержание жидкости в организме. Следовательно, дети страдают от дефицита воды чаще, чем взрослые.

Как первичная, так и вторичная гипервентиляция, связанная с метаболическим ацидозом, в значительной степени увеличивает легочную отдачу воды. Так как выдыхаемый воздух насыщен водяными парами, то в случае, если минутный объем дыхания увеличится в 5—6 раз по сравнению с нормальным, суточная потеря воды легкими у грудного ребенка может превысить 100 мл/кг. При первичной гипервентиляции наряду с эксикозом может возникнуть респираторный алкалоз. Поскольку в подобном случае процессы компенсации ведут к уменьшению содержания бикарбонатов и гиперхлоремии.

Потери воды и солей с калом всегда надо учитывать, так как организм секретирует большое количество воды и электролитов с пищеварительными соками. Очень важен кругооборот жидкости между плазмой крови и кишечным трактом. У взрослого человека из плазмы в верхние отделы пищеварительного тракта за сутки выделяется 8 л солесодержащих жидкостей: слюны, желудочного сока, желчи, панкреатического и кишечного сока. Эти жидкости всасываются в нижних отделах кишечника, не более 100 г в день выделяется с фекалиями. У здорового ребенка в кале содержится 75—85 % воды — такое же количество, как и у взрослого. В среднем у ребенка в возрасте 2—3 мес образуется в сутки 6—30 г кала, в возрасте 6—12 мес — 10—40 г, в возрасте 1—5 лет — 15—75 г, в возрасте 6—15 лет — 70—120 г (у взрослого 100—250 г). При желудочно-кишечных расстройствах количество каловых масс и жидкости может значительно возрастать.

Еще большее количество жидкости циркулирует и движется через почки: ежедневно только 1 — 1,5 л гломерулярного фильтра преобразуется в конечную (вторичную) мочу, остальная часть реабсорбируется в канальцах.

Экскреция воды регулируется изменением скорости образования мочи. Снижение осмолярности плазмы указывает на чрезмерное насыщение водой, это корригируется с помощью экскреции большого объема разведенной мочи, имеющей меньшую осмолярность, чем плазма. Наоборот, когда осмолярность плазмы выше нормы, объем выделяемой мочи уменьшается, а ее осмолярность увеличивается по сравнению с осмолярностью плазмы. Вместе с тем объем мочи может быть уменьшен до количества, необходимого для растворения выводимых веществ, и поэтому зависит от диеты. Если вода не поступает в организм, то в лучшем случае в почках образуется минимальное количество максимально концентрированной мочи. У детей старше 2 мес максимальная концентрация мочи составляет 140 мосм/л, а в возрасте менее 2 мес она достигает 70 мосм/л. На диурез влияют скорость клубочковой фильтрации, состояние эпителия почечных канальцев, концентрация в плазме надпочечниковых стероидов. Выведение мочи у грудных детей относительно массы тела больше, чем у взрослых. На выведение одного и того же количества мочевины, мочевой кислоты, креатинина, ионов затрачивается в 2—3 раза больше воды, чем у взрослых. Суточный диурез у детей старше года можно приблизительно рассчитать по формуле: 600 +100 (п-1), где п — возраст в годах.

Соответственно суточная потребность детей в воде больше, чем у взрослых (см. Приложение). При прекращении поступления жидкости новорожденный потерял бы полностью весь объем внеклеточной жидкости в течение 3, а взрослый — в течение 7 сут. У новорожденных и грудных детей не развито чувство жажды, этим объясняется их склонность к дегидратации.