Биохимия водно-солевого обмена

ГОУВПО УГМА Федерального агентства по здравоохранению и  социальному развитию

кафедра биохимии

 

 

 

 

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО ОБЩЕЙ БИОХИМИИ

 

 

Модуль 8. Биохимия водно-солевого обмена.

 

 

 

 

Автор: к.б.н., доцент кафедры биохимии Гаврилов И.В.

 

 

 

Екатеринбург,

2009г

Тема: Водно-солевой и минеральный обмен

Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический.

2 курс.

 

Водно-солевой  обмен – обмен воды и основных электролитов организма (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^-, HCO₃^-, H₃PO₄).

Электролиты – вещества, диссоциирующие в растворе на анионы и катионы. Их измеряют в моль/л.

Неэлектролиты – вещества, недиссоциирующие в растворе (глюкоза, креатинин, мочевина). Их измеряют в г/л.

Биологическая роль воды

1. Вода является универсальным растворителем для большинства органических (кроме липидов) и неорганических соединений.
2. Вода и растворенные в ней вещества создают внутреннюю среду организма.
3. Вода обеспечивает транспорт веществ и тепловой энергии по организму.
4. Значительная часть химических реакций организма протекает в водной фазе.
5. Вода участвует в реакциях гидролиза, гидратации, дегидратации.
6. Определяет пространственное строение и свойства гидрофобных и гидрофильных молекул.
7. В комплексе с ГАГ вода выполняет структурную функцию.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ  ОРГАНИЗМА

Все жидкости организма характеризуются  общими свойствами: объемом, осмотическим давлением и величиной рН.

Объем. У всех наземных животных жидкости составляет около 70% от массы тела.

Распределение воды в организме  зависит от возраста, пола, мышечной массы, телосложения и количества жира. Содержание воды в различных тканях распределяется следующим образом: легкие, сердце и почки (80%), скелетная  мускулатура и мозг (75%), кожа и  печень (70%), кости (20%), жировая ткань (10%). В целом, у худых людей меньше жира и больше воды. У мужчин на воду приходится 60%, у женщин - 50% от массы  тела. У пожилых людей больше жира и меньше мышц. В среднем в организме  мужчин и женщин старше 60 лет содержится соответственно 50% и 45% воды.

При полном лишении воды смерть наступает  через 6-8 дней, когда количество воды в организме снижается на 12%.

Вся жидкость организма разделена  на внутриклеточный (67%) и внеклеточный (33%) бассейны.

Внеклеточный  бассейн (экстрацеллюлярное пространство) состоит из:

1. Внутрисосудистой жидкости;
2. Интерстициальной жидкости (межклеточная);
3. Трансцеллюлярной жидкости (жидкость плевральной, перикардиальной, перитонеальной полостей и синовиального пространства, цереброспинальная и внутриглазная жидкость, секрет потовых, слюнных и слезных желез, секрет поджелудочной железы, печени, желчного пузыря, ЖКТ и дыхательных путей).

Между бассейнами жидкости интенсивно обмениваются. Перемещение воды из одного сектора в другой происходит при изменении осмотического  давления.

Осмотическое давление – это давление, которое создают все растворенные в воде вещества. Осмотическое давление внеклеточной жидкости определяется главным образом концентрацией NaCl.

Внеклеточная и внутриклеточная  жидкости значительно отличаются по составу и концентрации отдельных  компонентов, но общая суммарная  концентрация осмотически активных веществ примерно одинакова.

рН – отрицательный десятичный логарифм концентрации протонов. Величина рН зависит от интенсивности образования в организме кислот и оснований, их нейтрализации буферными системами и удалением из организма с мочой, выдыхаемым воздухом, потом и калом.

В зависимости от особенности обмена, величина рН может заметно отличаться как внутри клеток разных тканей, так  и в разных отсеках одной клетки (в цитозоле кислотность нейтральная, в лизосомах и в межмембранном пространстве митохондрий - сильно кислая). В межклеточной жидкости разных органов и тканей и плазме крови величина рН, как и осмотическое давление, относительно постоянная величина.

РЕГУЛЯЦИЯ ВОДНО-СОЛЕВОГО БАЛАНСА ОРГАНИЗМА

В организме водно-солевой баланс внутриклеточной среды поддерживается постоянством внеклеточной жидкости. В свою очередь, водно-солевой баланс внеклеточной жидкости поддерживается через плазму крови с помощью  органов и регулируется гормонами.

1. Органы, регулирующие  водно-солевой обмен

Поступление воды и солей в организм происходит через ЖКТ, этот процесс  контролируется чувством жажды и  солевым аппетитом. Выведение излишков воды и солей из организма осуществляют почки. Кроме того, воду из организма  выводят кожа, легкие и  ЖКТ.

Баланс воды в организме

Поступление	Выведение
1,1-1,4л жидкая пища через ЖКТ	1,2-1,5л с мочой через почки
0,8-1л твердая пища через ЖКТ	0,5-0,6л испаряется через кожу
0,3л метаболическая вода	0,4л с выдыхаемым воздухом  через легкие
	0,1-0,3л с калом через ЖКТ
Итого: 2,2-2,7л	Итого: 2,2-2,7л

Для ЖКТ, кожи и легких выведение  воды является побочным процессом, который  происходит в результате выполнения ими своих основных функций. Например, ЖКТ теряет воду, при выделении  из организма непереваренных веществ, продуктов метаболизма и ксенобиотиков. Легкие теряют воду при дыхании, а кожа при терморегуляции.

Изменения в работе почек, кожи, легких и  ЖКТ может привести к нарушению  водно-солевого гомеостаза. Например, в жарком климате, для поддержания  температуры тела, кожа усиливает  потовыделение, а при отравлениях, со стороны ЖКТ возникает рвота или диарея.  В результате усиленной дегидратации и потери солей в организме возникает нарушение водно-солевого баланса.

 

2. Гормоны, регулирующие  водно-солевой обмен

Вазопрессин

Антидиуретический гормон (АДГ), или вазопрессин — пептид с молекулярной массой около 1100 Д, содержащий 9 АК, соединённых одним дисульфидным мостиком.

АДГ синтезируется в нейронах гипоталамуса, переносится в нервные окончания  задней доли гипофиза (нейрогипофиз).

Высокое осмотическое давление внеклеточной жидкости активирует осморецепторы гипоталамуса, в результате возникают нервные импульсы, которые передаются в заднюю долю гипофиза и вызывают высвобождение АДГ в кровоток.

АДГ действует через 2 типа рецепторов: V₁, и V₂.

Главный физиологический эффект гормона, реализуется через V₂ рецепторы, которые находятся на клетках дистальных канальцев и собирательных трубочек, которые относительно непроницаемы для молекул воды.

АДГ через V₂ рецепторы стимулирует аденилатциклазную систему, в результате фосфорилируются белки, стимулирующие экспрессию гена мембранного белка — аквапорина-2. Аквапорин-2 встраивается в апикальную мембрану клеток, образуя в ней водные каналы. По этим каналам вода пассивной диффузией реабсорбируется из мочи в интерстициальное пространство и моча концентрируется.

В отсутствие АДГ моча не концентрируется (плотность <1010г/л) и может выделяться в очень больших количествах  (>20л/сут), что приводит к дегидратации организма. Это состояние называется несахарный диабет.

Причиной дефицита АДГ и несахарного  диабета являются: генетические дефекты  синтеза препро-АДГ в гипоталамусе, дефекты процессинга и транспорта проАДГ, повреждения гипоталамуса или нейрогипофиза (например, в результате черепно-мозговой травмы, опухоли, ишемии). Нефрогенный несахарный диабет возникает вследствие мутации гена рецептора АДГ типа V₂.

Рецепторы V₁ локализованы в мембранах ГМК сосудов. АДГ через рецепторы V₁ активирует инозитолтрифосфатную систему и стимулирует высвобождение Са²⁺ из ЭР, что стимулирует сокращение ГМК сосудов. Сосудосуживающий эффект АДГ проявляется при высоких концентрациях АДГ.

Натриуретический гормон (предсердный натриуретический фактор, ПНФ, атриопептин)

ПНФ - пептид, содержащий 28 АК с 1 дисульфидным мостиком, синтезируется, главным образом, в кардиомиоцитах предсердий.

Секрецию ПНФ стимулирует в  основном повышение АД, а также  увеличение осмотического давления плазмы, частоты сердцебиений, концентрации катехоламинов и глюкокортикоидов в крови.

ПНФ действует через гуанилатциклазную  систему, активируя протеинкиназу G.

В почках ПНФ расширяет приносящие артериол, что увеличивает почечный кровоток, скорость фильтрации и экскрецию Na⁺.

В периферических артериях ПНФ снижает  тонус гладких мышц, что расширяет  артериолы и понижает АД. Кроме того, ПНФ ингибирует выделение ренина, альдостерона и АДГ.

Ренин-ангиотензин-альдостероновая система

Ренин

Ренин — протеолитический фермент, продуцируемый юкстагломерулярными клетками, расположенными вдоль афферентных (приносящих) артериол почечного тельца. Секрецию ренина стимулирует падение давления в приносящих артериолах клубочка, вызванное уменьшением АД и снижением концентрации Na⁺. Секрецию ренина также способствует снижение импульсации от барорецепторов предсердий и артерий в результате уменьшения АД. Секрецию ренина ингибирует Ангиотензин II, высокое АД.

В крови ренин действует на ангиотензиноген.

Ангиотензиноген — α₂-глобулин, из 400 АК. Образование ангиотензиногена происходит в печени и стимулируется глюкокортикоидами и эстрогенами. Ренин гидролизует пептидную связь в молекуле ангиотензиногена, отщепляя от него N-концевой декапептид - ангиотензин I, не имеющий биологической активности.

Под действием антиотензин-превращающего фермента (АПФ) (карбоксидипептидилпептидазы) эдотелиальных клеток, лёгких и плазмы крови, с С-конца ангиотензина I удаляются 2 АК и образуется ангиотензин II (октапептид).

Ангиотензин II

Ангиотензин II функционирует через инозитолтрифосфатную систему клеток клубочковой зоны коры надпочечников и ГМК. Ангиотензин II стимулирует синтез и секрецию альдостерона клетками клубочковой зоны коры надпочечников. Высокие концентрации ангиотензина II вызывают сильное сужение сосудов периферических артерий и повышают АД. Кроме этого, ангиотензин II стимулирует центр жажды в гипоталамусе и ингибирует секрецию ренина в почках.

Ангиотензин II под действием аминопептидаз гидролизуется в ангиотензин III (гептапептид, с активностью ангиотензина II, но имеющий в 4 раза более низкую концентрацию), который затем гидролизуется ангиотензиназами (протеазы) до АК.

Альдостерон

Альдостерон — активный минералокортикостероид, синтезирующийся клетками клу-бочковой зоны коры надпочечников.

Синтез и секрецию альдостерона стимулируют ангиотензин II,  низкая концентрация Na⁺ и высокая концентрацией К⁺ в плазме крови, АКТГ, простагландины. Секрецию альдостерона тормозит низкая концентрация К⁺.

Рецепторы альдостерона локализованы как в ядре, так и в цитозоле клетки. Альдостерон индуцирует синтез: а) белков-транспортёров Na⁺_, переносящих Na⁺ из просвета канальца в эпителиальную клетку почечного канальца; б) Na⁺,К⁺-АТФ-азы  в) белков-транспортёров К⁺, переносящих К⁺ из клеток почечного канальца в первичную мочу; г) митохондриальных ферментов ЦТК, в частности цитратсинтазы, стимулирующих образование молекул АТФ, необходимых для активного транспорта ионов.

В результате альдостерон стимулирует  реабсорбцию Na⁺ в почках, что вызывает задержку NaCl в организме и повышает осмотическое давление.

Альдостерон стимулирует секрецию К⁺, NH₄⁺ в почках, потовых железах, слизистой оболочке кишечника и слюнных железах.

 

Роль системы РААС в  развитии гипертонической болезни

Гиперпродукция гормонов РААС вызывает повышение объема циркулирующей жидкости, осмотического и артериального давления, и ведет к развитию гипертонической болезни.

Повышение ренина возникает, например, при атеросклерозе почечных артерий, который возникает у пожилых.

Гиперсекреция альдостерона – гиперальдостеронизм, возникает в результате нескольких причин.