Нарушения водно-электролитного обмена
Общие сведения и физиологические основы
Водно-электролитный обмен представляет собой важнейшую физиологическую систему, обеспечивающую поддержание постоянства объема жидкости, ее распределения между различными компартментами (секторами) организма, а также сохранение ионного состава и осмолярности. Нарушение данного баланса неизбежно приводит к повреждению клеток: избыточное поступление воды вызывает их набухание и разрушение (лизис), а недостаток — обезвоживание (сморщивание) и утрату функций.
Общее количество воды в организме зависит от возраста. У новорожденных вода составляет около 80% массы тела, у взрослых — примерно 60%, а в старческом возрасте доля воды снижается до 45%. Основными водными компартментами являются внутриклеточное и внеклеточное пространства (включая плазму крови и интерстициальную жидкость). Эти пространства разделены полупроницаемыми мембранами, через которые свободно или при помощи специальных каналов перемещаются вода и растворенные в ней вещества.
Осмолярность и осмоляльность — ключевые показатели концентрации растворенных веществ. Осмолярность отражает количество миллиосмолей веществ в одном литре раствора, тогда как осмоляльность — в одном килограмме растворителя. В физиологических условиях осмолярность плазмы крови поддерживается на уровне около 280–300 мосмоль/л. Состояние, при котором данный показатель превышает 300 мосмоль/л, называется гиперосмолярностью, а снижение менее 280 мосмоль/л — гипоосмолярностью.
Осмотически активные вещества подразделяются на эффективные и неэффективные. Эффективные вещества (белки плазмы крови, соли, глюкоза) не способны свободно пересекать клеточные или капиллярные барьеры, поэтому они градиентно удерживают воду в своем компартменте. Белки плазмы формируют онкотическое давление (около 2 мосмоль/л), которое, несмотря на небольшую долю в общей осмолярности, играет критическую роль в удержании жидкости в сосудистом русле. Неэффективные осмотические вещества (мочевина, алкоголь и другие жирорастворимые соединения) свободно проникают через мембраны. Транспорт воды через клеточные мембраны обеспечивается специфическими трансмембранными белками — аквапоринами (в частности, аквапорином-1).
Нейрогуморальная регуляция водного баланса
Поддержание осмолярности является абсолютным приоритетом для организма. Повышение осмолярности внеклеточной жидкости даже на 2% приводит к пассивному выходу воды из клеток, их сморщиванию и раздражению центральных осморецепторов гипоталамуса. Это инициирует два основных регуляторных ответа. Во-первых, формируется чувство сильной жажды, стимулирующее потребление воды. Во-вторых, нейроны супраоптического и паравентрикулярного ядер гипоталамуса активируют секрецию антидиуретического гормона (АДГ, вазопрессина), который через заднюю долю гипофиза поступает в кровь. АДГ воздействует на собирательные трубки почек, встраивая в их люминальную мембрану аквапорин-2, что многократно повышает реабсорбцию воды. Одновременно стимуляция синтеза почечных простагландинов вызывает натрийуретический эффект, способствуя выведению избытка солей.
При снижении осмолярности внеклеточной жидкости секреция АДГ блокируется, чувство жажды исчезает, и активируется ренин-ангиотензин-альдостероновая система (РААС), что ведет к ускоренному выведению воды и задержке натрия.
Организм также реагирует на изменения объема циркулирующей крови (ОЦК) посредством волюморецепторов и барорецепторов дуги аорты и каротидного синуса. Уменьшение ОЦК или артериального давления на 10% усиливает жажду и секрецию АДГ. Напротив, при увеличении ОЦК или артериального давления организм активирует механизмы экскреции воды и натрия для снижения гемодинамической нагрузки.
Дегидратация (Обезвоживание)
Дегидратация представляет собой патологический процесс, обусловленный нарушением поступления воды (отсутствие доступа к воде, расстройства глотания, кома) или ее некомпенсированной потерей (диарея, рвота, кровопотеря, полиурия, гипервентиляция, обильное потоотделение, обширные ожоги). Уменьшение ОЦК на фоне обезвоживания приводит к гипоксии — кислородному голоданию тканей, от которого в первую очередь страдает головной мозг. Это проявляется расстройствами сознания, галлюцинациями, а в тяжелых случаях — комой и параличом дыхательного и сосудодвигательного центров.
Гиперосмолярная дегидратация возникает, когда потеря воды превышает потерю электролитов (особенно натрия). Это состояние типично при усиленном потоотделении, гипервентиляции, несахарном и сахарном диабете. Данный тип обезвоживания крайне опасен для детей раннего возраста ввиду высокого уровня ангиотензина II и альдостерона, сниженной клубочковой фильтрации, большой площади поверхности тела и незрелости почечных механизмов экскреции натрия. У детей гиперосмолярное обезвоживание быстро приводит к тяжелым неврологическим нарушениям и может стать причиной смерти.
Гипоосмолярная дегидратация развивается при преобладающей потере электролитов, в первую очередь натрия (например, при недостаточности коры надпочечников, злоупотреблении диуретиками). Снижение осмотического давления во внеклеточной среде вызывает массивный переход воды внутрь клеток. В результате возникает клеточный отек (набухание клеток), гиповолемия, сгущение крови, тахикардия и ортостатическая гипотензия.
Изоосмолярная дегидратация характеризуется эквивалентной потерей воды и солей, что типично для острой кровопотери или обширных ожогов. Вода в клетки не перемещается, однако выраженная гиповолемия может быстро привести к развитию шока, коллапса и острой почечной недостаточности.
Гипергидратация и патогенез отёков
Гипергидратация характеризуется избыточным накоплением жидкости в организме. Скопление жидкости в интерстициальном пространстве называется отёком, в серозных полостях — водянкой (асцит, гидроторакс, гидроперикард), в плазме — гиперволемией, а внутри клеток — клеточным набуханием.
Изоосмолярная гипергидратация возникает при чрезмерном введении изотонических растворов. Гиперосмолярная гипергидратация наблюдается при гиперальдостеронизме или избыточном потреблении натрия, приводя к генерализованным отёкам. Гипоосмолярная гипергидратация (водное отравление) возникает при неадекватной секреции АДГ или избыточном введении безэлектролитных растворов (например, раствора глюкозы, который после метаболизации оставляет «чистую» воду). Это вызывает опасное внутриклеточное набухание.
Отёки формируются под воздействием гемодинамических и онкотических факторов. Патогенез отёка включает две стадии. В первой стадии избыточная жидкость связывается коллагеновыми волокнами и основным веществом соединительной ткани, увеличивая массу гелеобразной (фиксированной) межклеточной жидкости примерно на 30%. При дальнейшем накоплении давление в тканях достигает атмосферного, и начинается вторая стадия — появление свободной межклеточной жидкости, способной перемещаться под действием силы тяжести (характерный симптом ямки при надавливании).
Основные виды отёков: Сердечные отёки развиваются при правожелудочковой или тотальной сердечной недостаточности. Застой крови повышает гидростатическое давление в венах и капиллярах. Дополнительно снижение сердечного выброса воспринимается почками как кровопотеря, что активирует РААС, вызывая патологическую задержку натрия и воды. Почечные отёки (при нефротическом синдроме или почечной недостаточности) возникают из-за массивной потери белков с мочой (протеинурии), что снижает онкотическое давление плазмы, а также вследствие снижения клубочковой фильтрации. Печёночные отёки (асцит при циррозе) обусловлены снижением синтеза альбуминов печенью (гипопротеинемия) и повышением гидростатического давления в системе воротной вены. Голодные (кахектические) отёки развиваются из-за алиментарного дефицита белка и снижения онкотического давления крови. Воспалительные и токсические отёки связаны с воздействием медиаторов воспаления (кининов, простагландинов), которые резко повышают проницаемость капиллярной стенки.
Патофизиология обмена натрия и хлора
Натрий обеспечивает до 90% катионной осмолярности внеклеточной жидкости. В плазме крови его концентрация составляет 135–145 мэкв/л. Регуляция обмена натрия осуществляется преимущественно почками под контролем альдостерона, который стимулирует его реабсорбцию. Патологическая задержка натрия возникает при сердечной и печеночной недостаточности, патологиях почек и гиперальдостеронизме, что неизбежно ведет к формированию обширных отёков и артериальной гипертензии. Дефицит натрия наблюдается при недостаточности надпочечников, применении диуретиков и сопровождается клеточной гипергидратацией.
Хлор является главным анионом внеклеточной жидкости и желудочного сока (концентрация в плазме 99–105 ммоль/л). Гипохлоремия (например, при неукротимой рвоте или обильном потоотделении) приводит к развитию тяжелого негазового алкалоза. Гиперхлоремия, напротив, способствует развитию ацидоза и наблюдается при почечной недостаточности и диарее.
Патофизиология обмена калия
Калий — основной внутриклеточный катион. В плазме крови его уровень жестко поддерживается в пределах 3,8–5,1 ммоль/л. Баланс калия зависит от активности натрий-калиевой АТФазы и кислотно-основного состояния. Ацидоз сопровождается выходом калия из клеток (гиперкалиемией), а алкалоз — входом калия в клетки (гипокалиемией).
Гипокалиемия развивается при недостаточном поступлении калия, гиперальдостеронизме, применении инсулина и диуретиков, а также при рвоте и диарее. Снижение уровня калия во внеклеточной среде вызывает гиперполяризацию клеточных мембран, снижая их возбудимость. Клинически это проявляется мышечной слабостью, парезами, паралитической непроходимостью кишечника, аритмиями и остановкой сердца.
Гиперкалиемия типична для острой почечной недостаточности, гипоальдостеронизма, ацидоза и массивного повреждения клеток. Повышение концентрации калия во внеклеточной жидкости снижает мембранный потенциал покоя до порогового уровня, блокируя возбудимость нервной и мышечной ткани. Наиболее опасным следствием гиперкалиемии является нарушение сердечной проводимости (блокады узлов, брадиаритмия) вплоть до фибрилляции желудочков и асистолии.
Нарушения обмена магния, фосфора, кальция и костного метаболизма
Магний преимущественно локализован в костях (60%) и внутри клеток, где он выступает кофактором множества ферментов. Гипомагниемия часто сопровождает хронический алкоголизм, недоедание и прием диуретиков. Она проявляется резким повышением нервно-мышечной возбудимости, тремором, атаксией, бессонницей, а в тяжелых случаях — психозами и галлюцинациями. Гипермагниемия возникает при почечной недостаточности и передозировке препаратов; она оказывает глубокое тормозящее действие на центральную нервную систему, вызывая сонливость, угнетение рефлексов и гипотонию.
Фосфор необходим для синтеза АТФ, креатинфосфата и формирования костного матрикса. Гипофосфатемия развивается при голодании, алкоголизме, дефиците витамина D. Недостаток фосфора нарушает синтез АТФ, что ведет к клеточному энергодефициту, генерализованной гипоксии, мышечной слабости и остеомаляции. Гиперфосфатемия (при почечной недостаточности, гипервитаминозе D) опасна эктопическим отложением фосфата кальция во внутренних органах и сосудах.
Кальций тесно связан с фосфором. Гипокальциемия часто встречается у новорожденных (особенно при питании коровьим молоком, богатым фосфатами, которые связывают кальций). Она вызывает тяжелые судороги (тетанию), ларингоспазм и аритмии. Гиперкальциемия (при гиперпаратиреозе, опухолях) снижает возбудимость тканей, вызывая мышечную гипотонию, кому и нефропатию.
Длительные нарушения фосфорно-кальциевого обмена ведут к развитию остеопороза — снижению плотности костной ткани. Заболевание поражает до 12% населения развитых стран, преимущественно женщин в постменопаузальном периоде (из-за дефицита эстрогенов, обладающих остеопротекторным действием). В патогенезе остеопороза также играют роль гиподинамия, избыток соли и углеводов, дефицит витаминов С, А, К и D. Профилактика включает умеренные физические нагрузки, ограничение соли и сахара, отказ от избыточного употребления кофеина, а также диету, богатую молочными белками и фитоэстрогенами (например, продуктами из сои, которые способствуют фиксации кальция в костной ткани).
См. также
Патологическая физиология Нарушения кислотно-основного равновесия Эндокринная система Нефрология Диетология