Механизмы поддержания внутриклеточного объема жидкости и внутриклеточного ионного состава

 

Осмотические и электрические силы. Основным условием постоянства объема водных внутри- и внеклеточных сред, разде­ленных клеточной мембраной, является их изотоничность. Тоничностью называют компонент осмоляльности вне клеточной жидкости, обусловленный концентрацией растворен­ных веществ, плохо проникающих через клеточные мембраны, (Na+, в отношении некоторых тканей — глюкоза). Обычно осмоляльность и тоничность изменяются однонаправленно, поэтому гиперосмоляльность означает и гипертоничность [Loeb J. H., 1984]. Однако возможно повышение осмоляльности без уве­личения тоничности (в частности, при повышении в плазме кон­центрации мочевины, этанола, для которых тканевые мембраны хорошо проницаемы) [Fabri P. J., 1988]. В этом случае сущест­венных перемещений жидкости между внутри- и внеклеточным пространствами не происходит.

Анионы, находящиеся внутри клетки, обычно поливалентны, велики и не могут свободно проникнуть через клеточную мем­брану. Единственным катионом, для которого клеточная мем­брана проницаема и который находится в клетке в свободном состоянии и в достаточном количестве, обеспечивающем ча­стичную нейтрализацию клеточных анионов, является К⁺.

Как уже говорилось, Na+ является внеклеточным катионом. Его локализация обусловлена двумя обстоятельствами: относи­тельно низкой способностью проникать через клеточную мем­брану и наличием особого механизма вытеснения Na+ из клет­ки—так называемого натриевого насоса. С1~ также является внеклеточным компонентом, но его потенциальная способность проникать через клеточную мембрану относительно высока. Она не реализуется потому, что клетка имеет достаточно постоян­ный состав фиксированных клеточных анионов, создающих в ней преобладание отрицательного потенциала, вытесняющего С1^—. Таким образом, осмотическое и электрическое равновесие между клеточным и внеклеточным пространством может быть достигнуто при относительно высокой концентрации К⁺ внутри клетки и соответствующей высокой концентрации С1^—за ее пре­делами. Эти различия в концентрациях мобильных ионов вну­три клетки (к) и вне ее (вк) обеспечивают постоянную раз­ность потенциалов — так называемый трансмембранный потен­циал, равный примерно 60—80 мВ, причем внутриклеточный заряд имеет отрицательное значение. Указанные взаимоотноше­ния могут быть представлены в следующем виде:

[К+]к [С1-]_вк

——— = ————

[К+]_вк [С1^—]_к

 

где [К⁺]к и [С1-]к— концентрация ионов калия и хлора вну­три клетки; [К+]в_К и [С1-]_вк— концентрация этих же ионов вне клетки.

Электрическое взаимодействие может быть выражено так:

V=611g-|^=611gl|^.

[К jk!>' jbk

«Натриевый насос». Мембранная проницаемость Na+ в об­щем в 10—20 раз меньше, чем К⁺. Однако наличие градиента концентраций Na+ во вне- и внутриклеточном пространствах и отрицательный внутриклеточный заряд могли бы обеспечить си­лу, способную двигать Na+ в сторону клетки. В действительно­сти этого не происходит, поскольку такая сила оказывается сбалансированной другой, действующей в обратном направле­нии и называемой натриевым насосом. Энергия натриевого на­соса, являющегося специфическим свойством клеточной мем­браны, обеспечивается гидролизом аденозинтрифосфата (АТФ) и направлена на выталкивание Na+ из клетки [Whittman R., Wheeler К. Р., 1970]. Эта же энергия способствует движению К⁺ внутрь клетки. Установлено, что противоположно направ­ленные движения К⁺ и Na⁺ осуществляются в пропорции 2:3. По мнению М. W. В. Bradbury (1973), с физиологической точки зрения для К⁺ этот механизм не столь существен, так как по­следний в норме обладает высокой способностью проникать через клеточную мембрану. Описанный механизм является основным для обеспечения постоянства концентрации клеточ­ных и внеклеточных компонентов.

Гипоксия приводит к сдвигу метаболизма в анаэробной фа­зе и образованию в клетке молочной кислоты, которая смещает рН в кислую сторону, что оказывает влияние на передвижение ионов через клеточную мембрану. Если функция натриевого насоса оказывается нарушенной дефицитом О₂ или каким-либо другим метаболическим расстройством, то это приводит к не­контролируемой ситуации, когда клеточное пространство почти свободно доступно для Na⁺. В результате уменьшается внутриклеточный отрицательный потенциал и клетка становится бо­лее доступной и для С1^—. Связанное с этим повышение осмоти­ческого давления в клетке приводит к перемещению воды внутрь клетки и ее набуханию, а в дальнейшем и к наруше­нию ее целостности.