Какое свойство клетки обеспечив ионы натрия калия кальция
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ S-БЛОКА
К s-элементам относятся две группы Периодической системы: IА и IIА.
В группу IА входят 8 элементов: литий, калий, натрий, рубидий, цезий, франций, водород, гелий. В группу IIА входят 6 элементов: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий.
Общим является застраивание в их атомах электронами s-подуровня внешнего энергетического уровня.
СРАВНЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ IА И IIА (КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ ОСАДКОВ) НА ПРИМЕРЕ Na, K И Mg, Ca
Общая характеристика элементов IА и IIА
Элементные вещества – типичные металлы, обладающие блеском, высокой электрической проводимостью и теплоповодимостью, химически весьма активны.
Как следует из электронных формул, элементы IА группы (Na, K) имеют на внешнем энергетическом уровне по одному s электрону. Элементы IIА группы (Mg, Ca) по 2 s электрона.
Химические свойства s элементов IА и IIА групп сходны.
s-элементы IА и IIА имеют относительно большие радиусы атомов и ионов.
s-элементы IА и IIА групп легко отдают валентные электроны. Являются сильными восстановителями. С ростом радиуса атома в группах IА и IIА ослабевает связь валентных электронов с ядром, следовательно s-элементы этих групп имеют низкие значения Еи и Еср. к ẽ. Все щелочные и щелочноземельные металлы имеют отрицательные стандартные окислительно-восстановительные потенциалы, большие по абсолютной величине. Что также характеризует их, как сильных восстановителей. Восстановительные свойства возрастают закономерно с увеличением радиуса атома. Восстановительная способность увеличивается по группе сверху вниз.
Для элементов IIА группы характерна большая, чем для элементов IА группы способность к комплексообразованию.
s-элементы IА и IIА образуют соединения с ионным типом связи.
Исключение составляет водород, для которого в соединениях даже с самыми электроотрицательными элементами характерна преимущественно ковалентная связь (например, фтороводород или вода). Частично ковалентный характер связи в соединениях имеет место у лития, бериллия и магния.
Сравнение свойств элементов IА и IIА (комплексообразование, образование осадков) на примере Na, K и Mg, Ca
Атомы элементов IА группы имеют по одному валентному электрону на s подуровне внешнего энергетического уровня. Это обуславливает проявление степени окисления +1.
Все элементы IА группы сходны по свойствам, что объясняется однотипным строением не только внешней, валентной оболочки, но и предвнешней (исключение литий).
С ростом радиуса атома в группе IА ослабевает связь валентного электрона с ядром. Соответственно, уменьшается энергия ионизации атомов. Так как радиус атома калия больше, чем радиус атома натрия, то энергия ионизации калия меньше, чем у натрия.
В результате ионизации образуются катионы Э+, имеющие устойчивую конфигурацию благородных газов.
Химическая активность металлов IА группы возрастает закономерно с увеличением радиуса атома и уменьшением их способности к гидратированию (чем меньше способность к гидратированию, тем активнее металл).
Так как радиус атома калия больше, чем радиус атома натрия, то способность к гидратации для катиона калия будет ниже, чем для катиона натрия, а, следовательно, химическая активность катиона калия выше, чем у катиона натрия.
Вследствие незначительного поляризующего действия (устойчивая электронная структура, большие размеры, малый заряд ядра) комплексообразование для ионов щелочных металлов малохарактерно. Вместе с тем, они способны образовывать комплексные соединения с некоторыми биолигандами (КЧ для натрия и калия может принимать значения 4 и 6). Способность образовывать донорно-акцепторные связи с соответствующими лигандами едва намечается у натрия. У калия имеется значительная тенденция к использованию имеющихся в атоме вакантных d-орбиталей.
Например, образование комплексов калия с антибиотиком валиномицином. Валиномицин образует с калием прочные комплексы, связывание этого антибиотика с натрием очень незначительно.
Большинство солей щелочных металлов хорошо растворимы в воде (исключение составляют некоторые соли лития).
Атомы элементов IIА группы имеют по два валентных электрона на s подуровне внешнего энергетического уровня.
В нормальном состоянии у атомов этих элементов нет неспаренных электронов, но при переходе атомов в возбужденное состояние один из s валентных электронов переходит на р-подуровень. Это обуславливает проявление степени окисления +2.
Степени окисления больше +2 элементы IIА группы не проявляют.
Несмотря на то, что число валентных s электронов у атомов IIА группы одинаково, свойства магния и кальция отличаются друг от друга.
Это связанно с тем, что в атоме кальция, в отличие от атома магния, имеются свободные d-орбитали, близкие по энергии к ns орбиталям.
Магний и кальций существенно различаются размерами атомов и ионов:
· металлический радиус атома Mg = 160 пм;
· металлический радиус атома Ca = 197 пм.
· кристаллический радиус иона Mg2+ = 74 пм;
· кристаллический радиус иона Ca2+ = 104 пм..
Больший размер иона кальция обусловливает и более высокое координационное число этого иона – КЧ (Ca2+) 6, 8, тогда как КЧ (Mg2+) – 6. Прочность комплексных соединений уменьшается по мере увеличения радиуса атома, следовательно, комплексные соединения магния будут более прочными, чем комплексные соединения кальция. Ион Mg2+ образует шестикоординационные соединения регулярной структуры. Ca2+образует несимметричные комплексы. Кальций предпочтительно координируется с атомами кислорода, магний – с атомами азота.
Многие соли щелочноземельных металлов малорастворимы в воде (малорастворимы CaF2, MgF2; практически не растворимы фосфаты кальция и магния). Причем с ростом порядкового номера растворимость солей снижается.
Такой характер изменения растворимости солей играет важную роль в биологическом действии катионов этой группы. Уменьшение растворимости кальция фосфата и карбоната по сравнению с фосфатами и карбонатами магния является, по видимому, одной из причин формирования скелета всех живых организмов именно из этих соединений кальция.
В живых организмах из ионов кальция и фосфат-ионов образовался кристаллический минерал ГИДРОКСИЛАПАТИТ – Ca10(PO4)6(OH)2 – основное вещество костной и зубной ткани. Магний является макроэлементом, но лучшая растворимость магния фосфата Mg3(PO4)2 и основного карбоната Mg(OH)2)*4MgCO3*H2O объясняет тот факт, что его соединения не сыграли значительной роли в построении скелета.
Биологическая роль натрия, калия, кальция и магния
Вследствие очень легкой окисляемости щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений.
По содержанию в организме человека натрий (0,08%) и калий (0,23%) относятся к макроэлементам, литий, рубидий и цезий – к микроэлементам.
Натрий и калий относятся к жизненно необходимым элементам, постоянно содержатся в организме, участвуют в обмене веществ.
Натрий
Содержание натрия в организме человека массой 70 кг – около 60 г: 44% – во внеклеточной жидкости, 9% – во внутриклеточной. Остальное количество натрия находится в костной ткани – место депонирования иона Na+ в организме.
В организме человека натрий находится в виде его растворимых солей: хлорида, фосфата, гидрокарбоната.
Распределен по всему организму:
в сыворотке крови,
в спинномозговой жидкости,
в глазной жидкости,
в пищеварительных соках,
в желчи,
в почках,
в коже,
в костной ткани,
в легких,
в мозге.
Натрий является основным внеклеточным ионом. Концентрация ионов Na+ внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости.
Ионы натрия играют важную роль в обеспечении постоянства внутренней среды человеческого организма, участвуют в поддержании постоянного осмотического давления биожидкости (осмотического гомеостаза).
В виде противоионов в соединениях с фосфорной кислотой (Na2HPO4 + NaH2PO4) органическими кислотами натрий обеспечивает кислотно-основное равновесие организма.
Ионы натрия участвуют в регуляции водного обмена и влияют на работу ферментов.
Вместе с ионами калия, магния, кальция, хлора ионы натрия участвуют в передаче нервных импульсов. При изменении содержания натрия в организме происходят нарушения функций нервной, сердечно-сосудистой систем, гладких и скелетных мышц.
Натрия хлорид NaCl – основной источник соляной кислоты для желудочного сока.
Ионы натрия принимают участие в формировании разности потенциалов на мембране.
Препараты натрия, применяемые в медицине
Изотонический раствор – NaCl (0,9%) – для инъекций вводят подкожно, внутривенно и в клизмах при обезвоживании организма и при интоксикацях. Также применяют для промывания ран, глаз, слизистой оболочки глаза, также для растворения различных ЛП.
Гипертонические растворы – NaCl (3-5-10%) – применяют наружно в виде компрессов и примочек при лечении гнойных ран. По закону осмоса применение таких компрессов способствует отделению гноя из ран и плазмолизу бактерий (антимикробное действие).
2-5% р-р NaCl назначают внутрь для промывания желудка при отравлении AgNO3.
Ag+(р) + Cl¯(р) → AgCl(т)
Натрия гидрокарбонат NaHCO3 используют при заболеваниях, сопровождающихся ацидозом.
Механизм
NaHCO3 + RCOOH → H2O + CO2 + RCOONa
RCOONa натриевые соли органических кислот в значительной мере выводятся с мочой, CO2 – покидает организм с выдыхаемым воздухом.
NaHCO3 также используют при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.
NaHCO3 + HCl → H2O + NaCl + CO2
Имеет ряд побочных эффектов.
NaHCO3 применяют в виде полосканий, промывания при воспалительных заболеваниях глаз, слизистых оболочек верхних дыхательных путей. В результате гидролиза NaHCO3 водный раствор имеет слабощелочные свойства. При воздействии щелочи на микробные клетки происходит их гибель.
NaHCO3 + H2O → NaOH + CO2 + H2O
Натрия сульфат Na2 SO4*10 H2 O – применяют в качестве слабительного средства. Соль медленно всасывается из кишечника, что приводит к поддержанию повышенного осмотического давления в полости кишечника. В результате осмоса происходит накопление воды в кишечнике, содержимое его разжижается, сокращения кишечника усиливаются и каловые массы быстрее выводятся.
Натрия тетраборат Na2 B4 O7*10 H2 O – применяется наружно как антисептическое средство для полосканий, спринцеваний, смазываний. Антисептическое действие аналогично NaHCO3, связано со щелочной реакцией среды в результате гидролиза.
Na2B4O7 + 7H2O → 2NaOH + 4H3BO3
Радиоактивный изотоп 24 Na в качестве метки применяют для определения скорости кровотока, используют для лечения некоторых форм лейкемии.
Калий
Содержание калия в организме человека массой 70 кг – около 160 г.: 2% – во внеклеточной жидкости, 98% – во внутриклеточной.
В организме человека калий находится:
в крови,
в почках,
в сердце,
в костной ткани,
в сердце,
в мозге.
Калий является основным внутриклеточным ионом. Концентрация ионов К+ внутри клетки примерно в 35 раз больше, чем во внеклеточной жидкости.Ионы калия играют важную роль в физиологических процессах – сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведении нервных импульсов, обменных реакциях. Являются важными активаторами внутриклеточных ферментов.
Действие Na+, К+-АТФазы и возникновение разности потенциалов на клеточных мембранах
Многие важные биологические процессы осуществляются только при условии различного ионного и молекулярного состава внутри клеток и во внеклеточной жидкости. Концентрация ионов К+ внутри клетки примерно в 35 раз больше, чем во внеклеточной жидкости, концентрация ионов Na+ внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости. Чтобы поддерживать такое распределение ионы калия должны перемещаться из внешней среды внутрь клетки, а ионы натрия – наоборот, поступать из клетки во внеклеточное пространство. Т.е. должен осуществляться перенос ионов из области с более низкой концентрацией в область с более высокой концентрацией. Самопроизвольно такой процесс протекать не может. Нормальное распределение ионов натрия и калия обеспечивается работой натрий-калиевых насосов. Работа этих насосов по переносу ионов против градиента концентрации и по поддержанию этого градиента требует большой затраты энергии, следовательно, сопровождается макроэргической реакцией гидролиза АТФ.
За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона Na+ выводятся из клетки, а два иона К+ – поступают в клетку. В итоге на мембране клетки возникает разность потенциалов: наружная поверхность мембраны заряжается положительно, а внутренняя – отрицательно.
Магний
Формально относится к макроэлементам. Общее содержание в организме 0,027% (около 20 г). В наибольшей степени магний концентрируется в дентине и эмали зубов, костной ткани. Накапливается в
поджелудочной железе,
скелетных мышцах,
почках,
мозге,
печени и сердце.
Является внутриклеточным катионом. Концентрация ионов Mg2+ внутри клеток примерно в 2,5-3 раза выше, чем во внеклеточной жидкости.
Во внутриклеточной жидкости АТФ и АДФ присутствуют, в основном, в виде комплексов MgАТФ 2- и MgАДФ2-.
Во многих ферментативных реакциях активной формой АТФ является комплекс MgАТФ 2-.
Препараты магния, применяемые в медицине
MgO магния оксид – применяют в качестве антацидного средства при повышенной кислотности желудочного сока.
MgO + HCl → H2O + MgCl2
MgCl2 – обладает легким послябляющим эффектом.
MgO магния оксид (85%) и магния пероксид MgO2 (15%) “магний перекись”. Применяют при кишечных расстройствах.
MgSO4*7 H2 O магния сульфат (горькая соль) – в зависимости от дозы может обладать седативным, снотворным или наркотическим эффектом. Применяют и как слабительное.
В качестве адсорбирующего и обволакивающего средства применяют тальк силикатное производное Mg2+ – 2 MgSiO3* Mg(HSiO3)2.
Кальций
Относится к макроэлементам. Общее содержание в организме – 1,4%.
Содержится в каждой клетке человеческого организма. Основная масса – в костной и зубной тканях. В костях и зубах взрослого человека около 1 г кальция находится в виде нерастворимого кристаллического минерала ГИДРОКСИЛАПАТИТА – Ca10( PO4)6( OH)2. Ионы кальция принимают активное участие в передаче нервных импульсов, сокращении мышц, регулировании работы сердечной мышцы, механизмах свертывания крови.
Препараты кальция, применяемые в медицине
Кальция хлорид CaCl2 – при отравлении солями магния, также оксалат- и фторид- ионами. Применение препарата в первом случае основано на взаимозамещаемости ионов кальция и магния в организме, во втором – на образовании нетоксичных малорастворимых соединений.
Кальция карбонат CaCO3 – обладает антацидным и адсорбирующим действием, назначают внутрь при повышенной кислотности желудочного сока.
Кальция сульфат CaSO4*1/2 H2 O – жженый гипс. Применяют для приготовления гипсовых повязок при переломах.
Источник
Медицина / Физиология / Физиология (статья)
Физиологическая роль натрия и калия
Статья |
16-06-2018, 18:54
|
Натрий-калиевый насосОсновная физиологическая функция натрия в организме человека – регуляция объема внеклеточной жидкости, таким образом определяя объем крови и кровяное давление. Эта функция непосредственно связана с метаболизмом натрия и жидкости. Кроме этого, натрий участвует в процессе образования костной ткани, проведении нервных импульсов и др.
В медицине, в случае возникновения разного рода нарушений электролитного баланса, с целью выяснения причин этого состояния, проводят анализы на определение концентрации натрия, а также мониторинг баланса жидкости (ее поступления и выведения).
Распределение жидкости в организме человека
В организме человека масса жидкости занимает примерно 60%, то есть, человек, весом 70 кг, содержит примерно 40 литров жидкости, из которой около 25 л содержится в клетках (внутриклеточная жидкость – КЖ) и 14 л находится за вне клеток (внеклеточная жидкость – ВнеКЖ). Из общего количества внеклеточной жидкости примерно 3,5 л занимает плазма крови (кровяная жидкость, находящаяся внутри сосудистой системы) и около 10,5 литров – интерстициальная жидкость (ИСЖ), заполняющая пространство в тканях между клетками (см рис 1)
Рисунок 1. Распределение жидкости в организме взрослого человека, вес которого 70 кг
Общее количество жидкости в организме и сохранение постоянного уровня ее распределение между компартментами помогают обеспечить полноценное функционирование всех органов и систем, что, несомненно, является залогом крепкого здоровья. Обмен воды между внутриклеточной жидкостью и внеклеточной жидкостью происходит через мембраны клеток. Осмолярность растворов жидкости с обеих сторон мембраны непосредственно влияют на этот обмен. При условии осмотического равновесия жидкость не будет перемещаться, то есть, ее объемы в компартментах не будут изменяться. У здорового человека осмолярность внутриклеточной жидкости и плазмы крови (внеклеточной жидкости) поддерживается на уровне примерно 80-295 мОсмоль/кг.
Роль натрия в регуляции объема внеклеточной жидкости
Осмолярность – сумма концентрации всех кинетических частиц в 1 литре раствора, то есть, зависит от общей концентрации растворенных ионов. В организме человека осмолярность определяют именно электролиты, поскольку в жидких средах (внутри- и внеклеточная жидкости) ионы находятся в относительно высоких концентрациях по сравнению с другими растворенными компонентами. На рисунке 2 продемонстрировано распределение электролитов между внутриклеточной и внеклеточной жидкостями.
Рисунок 2. Концентрация растворенных компонентов во вннутриклеточной и внеклеточной жидкостях
Важно отметить, что для одновалентных ионов (калий, натрий) мэкв/л = ммоль/л, а для двухвалентных, чтобы почить количество ммоль/л, мэкв следует разделить на 2.
В левой части рисунка (ВнеКЖ) показан состав плазмы крови, который очень схож по составу с интерстициальной жидкостью (кроме низкой концентрации белка и высокой концентрации хлоридов)
Можно сделать вывод, что концентрация натрия в плазме крови является определяющим показателем объема внеклеточной жидкости и, как следствие, объема крови.
Во внеклеточной жидкости много натрия и мало калия. Напротив, в клетках содержится мало натрия – основным внутриклеточным катионом является калий. Такая разница в концентрациях электролитов во внеклеточной и внутриклеточной жидкостях поддерживается путем механизма активного транспорта ионов при участии натриево-калиевого насоса (помпы) (см рис. 3).
Рисунок 3. Поддержание концентрации натрия и калия в КЖ и ВнеКЖ
Натрий-калиевый насос, локализованный на клеточных мембранах, представляет собой энергонезависимую систему, которая есть у клеток всех типов. Благодаря этой системе из клеток выводятся ионы натрия в обмен на ионы калия. Без подобной транспортной системы ионы калия и натрия пребывали в состоянии пассивного диффундирования сквозь клеточную мембрану, что в результате привело бы к ионному равновесию между внеклеточной и внутриклеточной жидкостями.
Высокая осмолярность внеклеточной жидкости обеспечивается благодаря активному транспорту ионов натрия из клетки, что обеспечивает их высокое содержание во внеклеточной жидкости. Учитывая тот факт, что осмолярность влияет на распределение жидкости между ВнеКЖ и КЖ, следовательно, объем внеклеточной жидкости непосредственно зависит от концентрации натрия.
РЕГУЛЯЦИЯ ВОДНОГО БАЛАНСА
Поступление жидкости в организм человека должно быть адекватно ее выведению, в противном случае может возникнуть гипергидратация или дегидратация. Чтобы произошла экскреция (выведение) токсических веществ (ядовитых веществ, образующихся в организме в процессе метаболизма (обмена веществ)), почки должны ежедневно выделять минимум 500 мл мочи. К этому количеству нужно добавить 400 мл жидкости, которая ежедневно выводится через легкие в процессе дыхания, 500 мл – выводится через кожу, а также 100 мл – с фекальными массами. В результате, организм человека ежедневно теряет в среднем 1500 мл (1,5 л) жидкости.
Отметим, что ежедневно в организме человека в процессе метаболизма (как результат побочного продукта обмена веществ) синтезируется примерно 400 мл воды. Таким образом, чтобы поддерживать минимальный уровень водного баланса, в организм должно поступить минимум 1100 мл воды в сутки. В действительности суточный объем поступающей жидкости часто превышает указанный минимальный уровень, при этом почки, в процессе регуляции водного баланса, отлично справляются с выведением лишней жидкости.
У большинства людей средний объем суточной мочи составляет примерно 1200-1500 мл. При необходимости почки могут образовывать значительно большее количество мочи.
Осмолярность плазмы крови связана с поступлением жидкости в организм и процессом образования и выведения мочи. Например, в случае, если потеря жидкости адекватно не восполняется, объем внеклеточной жидкости снижается, а осмолярность повышается, что приводит к увеличению поступающей жидкости из клеток организма во внеклеточную жидкость, тем самым восстанавливая ее осмолярность и объем до необходимого уровня. Тем не менее, подобное внутреннее распределение жидкости эффективно только на ограниченный промежуток времени, поскольку этот процесс приводит к дегидрадации (обезвоживанию) клеток, в результате организм нуждается в поступлении из вне большего количества жидкости.
На рисунке 4 схематически представлен физиологический ответ на дефицит жидкости в организме.
Физиологическая реакция организма при дефиците жидкости
Рисунок 4. Поддержание нормального водного баланса в организме регулируется гипоталамо-гипофизарной системой, чувством жажды, адекватного синтеза антидиуретического гормона и полноценного функционирования почек
При дефиците жидкости в организме, высокоосмолярная плазма крови протекает через гипоталамус, в котором осморецепторы (специальные клетки) анализируют состояние плазмы и дают сигнал к запуску механизма снижения осмолярности путем стимуляции секреции в гипофизе антидиуретического гормона (АДГ) и возникновения чувства жажды. При жажде человек старается компенсировать недостаток жидкости из вне, потребляя напитки или воду. Антидиуретический гормон оказывает влияние на функцию почек, тем самым препятствуя выведению жидкости из организма. АДГ способствует повышению реабсорбции (обратного всасывания) жидкости из собирательных трубочек и дистальных канальцев почек, в результате чего продуцируется относительно небольшое количество мочи более высокой концентрации. Несмотря на такие изменения в плазме крови, современные диагностические анализаторы позволяют оценить степень гемолиза и измерять реальный уровень содержания калия в плазме гемолизированных образцов крови.
При поступлении в организм большого количества жидкости, осмолярность внеклеточной жидкости снижается. При этом не происходит стимуляция осморецепторов в гипоталамусе – у человека не возникает чувство жажды и не повышается уровень антидиуретического гормона. С целью предотвращения чрезмерной водной нагрузки, в почках образуется большое количество разбавленной мочи.
Отметим, что ежедневно в желудочно-кишечный тракт поступает примерно 8000 мл (8 литров) жидкости в виде желудочного, кишечного и панкреатических соков, желчи, а также слюны. В нормальном состоянии примерно 99% этой жидкости реабсорбируется и только 100 мл выходит из организма с фекальными массами. Тем не менее нарушение функции сохранения воды, которая содержится в этих секретах, может привести к водному дисбалансу, что вызовет серьезные нарушения состояния всего организма.
Еще раз обратим внимание на факторы, влияющие на нормальную регуляцию водного баланса в организме человека:
- Чувство жажды (для проявления жажды человек должен находиться в сознании)
- Полноценное функционирование гипофиза и гипоталамуса
- Полноценное функционирование почек
- Полноценное функционирование желудочно-кишечного тракта
РЕГУЛЯЦИЯ БАЛАНСА НАТРИЯ
Для нормального функционирования и здоровья организма поддержка натриевого баланса имеет такое же значение, как и поддержка водного баланса. В нормальном состоянии организм взрослого человека содержит примерно 3000 ммоль натрия. Большая часть натрия содержится во внеклеточной жидкости: плазме крови и интерстициальной жидкости (концентрация натрия в них около 140 ммоль/л).
Ежедневно потери натрия составляют минимум 10 ммоль/л. Чтобы поддерживать в организме нормальный баланс, эти потери должны компенсироваться (восполняться). С питанием люди получают значительно больше натрия, чем необходимо организму для компенсации (с продуктами питания, как правило в виде соленых приправ, человек ежедневно получает в среднем 100-200 ммоль натрия). Тем не менее, несмотря на широкую вариабельность поступления натрия в организм, почечная регуляция обеспечивает выведение его излишков с мочой, тем самым поддерживая физиологический баланс.
Процесс экскреции (выведения) натрия через почки зависит непосредственно от СКФ (скорости клубочковой фильтрации). Высокая скорость клубочковой фильтрации повышает количество выведения натрия в организме, а низкая скорость СКФ – задерживает его. Примерно 95-99% натрия, проходящего процесс фильтрации в почечных клубочках, активно реабсорбируется по мере прохождения мочи через проксимальные извитые канальцы. К моменту попадания ультрафильтрата в дистальный извитые канальцы, количество натрия, уже отфильтрованного в почечных клубочках, составляет 1-5%. Будет ли оставшийся натрий выведен с мочой или реабсорбируется в кровь, зависит непосредственно от концентрации в крови гормона надпочечников – альдостерона.
Альдостерон усиливает реабсорбцию натрия в обмен на ионы водорода или калия, тем самым оказывая влияние на клетки дистальных канальцев почек. То есть, при условии высокого содержания альдостерона в крови, большая часть остатков натрия реабсорбируется; при низкой концентрации – натрий выводится с мочой в больших количествах.
Ренин-ангиотензивная система
Рисунок 5. Ренин-ангиотензивная система
Ренин-ангиотензивная система контролирует процесс выработки альдостерона (см рисунок 5). Ренин – фермент, который продуцируется почками в клетках юкстагломерулярного аппарата в ответ на снижение кровотока через почечные клубочки. Поскольку скорость почечного кровотока, как и кровотока через другие органы, зависит от объема крови, следовательно, и от концентрации натрия в крови, секреция ренина в почках повышается в случае снижения уровня натрия в плазме.
Благодаря ренину происходит ферментативное расщепление белка, также известного как рениновый субстрат. Одним из продуктов этого расщепления является ангиотензин I – пептид, содержащий 10 аминокислот.
Еще один фермент – АПФ (ангиотензинпревращающий фермент), который синтезируется в основном в легких. В процессе метаболизма АПФ отделяет от ангиотензина I две аминокислоты, что приводит к образованию октопептида – гормона ангиотензина II.
Ангиотензин II обладает очень важными для организма свойствами:
- Вазоконстрикция – сужение кровеносных сосудов, что способствует повышению давления крови и восстанавливает нормальный почечный кровоток
- Стимулирует выработку альдостерона в клетках коры надпочечников, тем самым активируя реабсорбцию натрия, что способствует восстановлению нормального кровотока через почки и общего объема крови в организме.
При повышении объема крови и кровяного давления клетками сердца секретируется гормон, являющийся антагонистом альдостерона – ANP (предсердный натрийуретический пептид, или ПНП). ПНП способствует снижению реабсорбции натрия в дистальных канальцах почек, тем самым усиливает его выведение с мочой. То есть, система «обратной связи» обеспечивает четкую регуляцию баланса натрия в организме.
Данные специалистов говорят, что в организм человека через желудочно-кишечный тракт каждый день поступает примерно 1500 ммоль натрия. Примерно 10 ммоль натрия, который экскретируется с фекальными массами, реабсорбируется. В случае нарушения функций желудочно-кишечного тракта, количество реабсорбируемого натрия снижается, что приводит к его дефициту в организме. При нарушенном механизме почечной компенсации, начинают проявляться признаки этого дефицита.
Поддержание нормального баланса натрия в организме зависит от 3-х основных факторов:
- Функции почек
- Секреции альдостерона
- Функционирования желудочно-кишечного тракта
КАЛИЙ
Калий участвует в проведении нервных импульсов, процессе сокращения мускулатуры, обеспечивает действие многих ферментов. В организме человека содержится в среднем 3000 ммоль калия, большая часть которого содержится в клетках. Концентрация калия в плазме крови составляет примерно 0,4%. Несмотря на то, что его концентрацию в крови можно измерять, результат анализа не будет объективно отражать общее содержание калия в организме. Тем не менее, для поддержания общего баланса калия, необходимо сохранять нужный уровень концентрации этого элемента в плазме крови.
Регуляция баланса калия
Организм ежедневно теряет с калом, мочой и потом минимум 40 ммоль калия. Поддержание необходимого калиевого баланса требует восполнения этих потерь. Рацион питания, который содержит овощи, фрукты, мясо и хлеб, обеспечивает примерно 100 ммоль калия в день. чтобы обеспечить необходимый баланс, излишки калия выводятся с мочой. Процесс фильтрации калия, как и натрия, происходит в почечных клубочках (как правило он реабсорбируется в проксимальной (начальной) части почечных канальцев. В собирательных клубочках и дистальных отделах канальцев происходит тонкая регуляция (калий может реабсорбироваться или секретироваться в обмен на ионы натрия).
Ренин-ангиотензинальдостероновая система регулирует натрий-калиевый обмен, а точнее – стимулирует его (альдостерон запускает реабсорбцию натрия и процесс выведения калия с мочой).
Кроме этого, количество выводимого с мочой калия определяется функцией почек в регуляции кислотно-щелочного баланса (pH) крови в физиологических пределах нормы. Например, одним из механизмов предотвращения окисления крови является выведение из организма с мочой избытка ионов водорода (это происходит путем обмена ионов водорода на ионы натрия в дистальных почечных канальцах). Таким образом, при ацидозе меньшее количество натрия может обмениваться на калий, в результате почки выводят меньше калия. Существуют и другие пути взаимодействия между кислотно-основным состоянием и калием.
В нормальном состоянии примерно 60 ммоль калия выделяется в желудочно-кишечный тракт, где большая его часть реабсорбируется (с фекальными массами организм теряет около 10 ммоль калия). В случае нарушения функций желудочно-кишечного тракта, механизм реабсорбции нарушается, что может привести к дефициту калия.
Транспорт калия через клеточные мембраны
Низкая концентрация калия во внеклеточной жидкости и высокая – во внутриклеточной жидкости регулируется с помощью натрий-калиевой помпы. Ингибирование (торможение) или стимуляция (усиление) этого механизма влияет на концентрацию калия в плазме крови, так как происходит изменение соотношение концентраций во внеклеточной и внутриклеточной жидкостях. Отметим, что с ионами калия при прохождении через клеточные мембраны конкурируют ионы водорода, то есть, уровень калия в плазме крови оказывает влияние на кислотно-основной баланс.
Значительное снижение или увеличение концентрации калия в плазме крови вовсе не указывает не дефицит или избыток этого элемента в организме в целом – это может указывать о нарушении необходимого баланса вне- и внутриклеточного калия.
Регуляция концентрации калия в плазме крови происходит за счет следующих факторов:
- Поступление калия с пищей
- Функции почек
- Функции желудочно-кишечного тракта
- Выработки альдостерона
- Кислотно-щелочного баланса
- Натриево-калиевой помпы
Источник