Глава 8. Обмен воды и минеральных соединений

Содержание и роль воды в организме человека

В норме содержание воды в организме человека колеблется в диапазоне 60-70% от массы тела, хотя в отдельных случаях, например, у лиц, страдающих значительной степенью ожирения, может выходить из этого диапазона. Жировая ткань характеризуется пониженным содержанием воды (около 25%). Поэтому у лиц со значительной избыточной массой тела содержание воды в организме может быть менее 60%.

Наибольшее содержание воды наблюдается у новорожденных (около 70% и более). С годами содержание воды снижается и к старости может достигать 60%. Кроме возраста, на содержание воды в организме могут оказывать влияние и индивидуальные особенности, связанные, в частности, с процентным содержанием жировой ткани.

Вода неравномерно распределяется по тканям организма. К тканям с высоким содержанием воды относятся биологические жидкости (кровь, лимфа, межклеточная жидкость, протоплазма клеток). Из консистентных тканей более богаты водой мозговые и нервные ткани (~82%), ткани внутренних органов, мышечная ткань (~75%). К тканям с невысоким содержанием воды (значительно ниже среднего значения) относятся костная и жировая.

Прослеживается четкая связь между интенсивностью обменных процессов в той или иной ткани и содержанием воды. Содержание воды выше в тех тканях, где выше интенсивность обменных процессов. Конечно, воду не следует рассматривать как стимулятор обменных процессов. Высокое содержание воды только создает благоприятные условия для их протекания.

Функции воды в организме чрезвычайно важны и многообразны. Можно сказать, что она выполняет структурную функцию. Вещества, входящие в состав организма (в первую очередь белки), находятся в комплексном соединении с водой. Вода участвует в обеспечении пространственной структуры белковых молекул, которая в значительной степени способствует выполнению ими своих функций. Как правило, масса молекул воды превышает массу молекулы белка, с которой они связаны. Вода находится также в комплексном соединении с углеводами, некоторыми липидами, минеральными соединениями. Выполнением такой структурной функции занята большая часть находящейся в организме воды.

Следующая функция воды – транспортная. Многие продукты питания попадают в организм в водных растворах, или сразу оказываются в них, смешиваясь со слюной, желудочным и кишечным соком. Всасываясь в пищеварительной системе, они также оказываются в водных растворах: крови, лимфе. В виде водных растворов вещества распределяются по организму, доставляются к местам устранения, а многие и устраняются во внешнюю среду. Транспортную функцию выполняет вода, находящаяся в составе крови, лимфы, межклеточной жидкости, протоплазмы, мочи, слюны, желудочного и кишечного сока.

Вода является участником многих химических реакций, происходящих в организме человека. Так, химические превращения, происходящие в процессе пищеварения, являются реакциями гидролиза. Большое число разнообразных реакций, участником которых является вода, происходит и в клетках организма. Так, для полного расщепления 100 г углеводов требуется 120 г воды, 100 г жира – 30 г воды, 100 г белка – 150 г воды.

Вода является внутренней средой организма, средой, в которой происходят химические реакции обмена веществ. Водная среда создает благоприятные условия для протекания химических реакций, обеспечивает дробление реагирующих веществ, их перемещение в пространстве, удаление из зоны реакций продуктов обмена.

Способность воды выполнять практически все указанные выше функции связана с особым строением ее молекул – полярностью. Именно полярность молекул обеспечивает воде способность присоединяться к молекулам белков и других веществ, имеющих полярные участки, а также образованным этими молекулами структурным элементам. С полярностью молекул воды связана и ее высокая растворяющая способность, обеспечивающая ей возможность эффективно выполнять транспортную функцию. С этим свойством воды связано и явление электролитической диссоциации – распада молекул солей, кислот и оснований в водной среде на положительно и отрицательно заряженные частицы - ионы. В результате в организме человека присутствует большое количество разнообразных ионов (металлов, Н⁺, ОН^¯, кислотных остатков), выполняющих чрезвычайно важные функции.

Есть еще одна функция воды (отчасти также связанная с полярностью ее молекул) - терморегуляторная. Вода обладает большой теплоемкостью – она может связывать и отдавать большое количество тепла. Кроме того, вода обладает высокой теплопроводностью. Благодаря этому, а также циркуляции воды по организму в составе биологических жидкостей (крови, лимфы), обеспечивается перераспределение тепла между участками тела с разной теплопродукцией. В результате при различном теплообразовании в разных участках организма температура оказывается примерно одинаковой.

Важнейшим механизмом терморегуляции для человека является потоотделение. Вода обладает очень большой теплотой парообразования. Это свойство воды, как и высокая теплоемкость, объясняется тем, что молекулы воды в силу их полярности могут соединяться друг с другом, образуя ассоциаты. Для того, чтобы перевести воду в мономолекулярное парообразное состояние, надо разорвать связи между молекулами в этих ассоциатах. Для этого требуется затратить большое количество энергии. Биологический смысл этого свойства состоит в том, что испарение даже небольшого количества воды гарантирует большую теплоотдачу. Таким образом, для человека потоотделение и испарение воды - один из важнейших механизмов теплорегуляции.

Являясь составной частью водно-дисперсных систем организма (крови, лимфы протоплазмы клеток, слюны, мочи и других), где ее содержание колеблется от 80 до 99%, вода обеспечивает этим жидкостям не только жидкую консистенцию, но многие свойства, способствующие выполнению специфических функций.

Находящуюся в организме воду можно разделить на три вида:

· Свободная вода, молекулы которой не связаны с молекулами других веществ. Такая вода преобладает в биологических жидкостях (крови,лимфе, межклеточной жидкости и др.), обеспечивая им жидкую консистенцию.

· Связанная вода, молекулы которой находятся в комплексном соединении с молекулами разных веществ: белков, углеводов, минеральных соединений.

· Иммобильная вода – находящаяся в просветах между волокнистыми структурами: мышечными волокнами, волокнами связок, сухожилий и др. Она занимает своеобразное промежуточное положение между свободной и связанной водой. С одной стороны, молекулы иммобильной воды не связаны с молекулами других веществ, с другой – они достаточно прочно фиксированы в просветах волокнистых структур.

Различиями в соотношении свободной и связанной воды обусловлены разные агрегатные состояния различных тканей при приблизительно одинаковом содержании воды. Так, сердечная мышца содержит примерно 80% воды, кровь – примерно 83%. Разница небольшая. При этом сердечная мышца достаточно плотное, твердое образование, а кровь – жидкость. Эти различия обусловлены тем, что в крови значительное количество воды находится в свободном состоянии, а в сердечной мышце – в связанном. Кроме того, в сердечной мышце имеется и иммобильная вода, заключенная между волокнистыми структурами – волокнами сердечной мышцы.

Содержащуюся в организме воду можно разделить на внеклеточную и внутриклеточную. Внеклеточная вода размещена внутри сосудистого русла (в составе крови, лимфы, спинномозговой жидкости) и в межклеточном пространстве. Внутриклеточная вода входит в состав протоплазмы клеток. Между внеклеточной и внутриклеточной водой осуществляется постоянный обмен, ведущую роль в котором играет осмотическое давление различных биологических жидкостей и гидростатическое давление. В свою очередь, главным фактором, определяющим осмотическое давление биологических жидкостей, является концентрация в них электролитов, а также ряда других соединений.

Потребность в воде

Потребность человека в воде определяется, в первую очередь, ее потерями, которые, в свою очередь, зависят от многих причин. Вода выводится из организма несколькими путями: через почки с мочой, через кожу с потом, легкими во время дыхания и через кишечник. В обычных условиях наибольшее количество воды выводится с мочой (примерно 1,5 литра в сутки). На количество выделяемой мочи влияет объем поступившей извне жидкости, количество принятой с пищей соли, потери воды с потом.

Еще более изменчиво количество пота. В обычных условиях с потом теряется 500-600 мл воды. Однако, в некоторых случаях (в условиях жаркого и сухого климата, при использовании парной бани, выполнении мышечной работы) количество выделяемого пота может сильно возрастать, достигая порой нескольких литров.

Потери воды с дыханием в обычных условиях не столь велики, около 300 мл в сутки. Мышечная работа и возрастающая при этом легочная вентиляция заметно увеличивают потери воды данным путем. Еще меньше (около 150 мл) воды выходит через кишечник.

Средняя потребность в воде у человека зрелого возраста, находящегося в оптимальных условиях, составляет примерно 35 мл на кг массы тела, что при массе 70 кг составляет около 2,5 литра. Это количество складывается из следующих составляющих: потребление различных напитков и первого блюда обеда – около 1л, поступление с другими продуктами питания – 1 л, образуется в организме в обменных процессах – 0,5 л. Эта последняя (т.н. эндогенная) вода возникает при полном расщеплении в организме главным образом углеводов, жиров, белков. При окислении 100 г углеводов образуется 55 г воды, жиров – 107 г, белков – 41 г.

На потребность в воде (кроме указанных выше факторов, влияющих на потери воды) существенное влияние оказывает возраст. Так, потребность в воде грудных детей в 3-4 раза выше, чем у взрослых ( в пересчете на кг массы тела). Главная причина этого - интенсивно идущие обменные процессы. К старости потребность в воде снижается.

Очень сильное влияние на потребность в воде оказывает мышечная работа. В первую очередь это обусловлено увеличением потерь воды через потоотделение, а также дыхание.

Важная роль в регуляции водного баланса организма принадлежит почкам. Свое регулирующее влияние они осуществляют, главным образом, путем контроля выделения воды. Все процессы мочеобразования происходят в нефроне – структурной и функциональной единице почки. В клубочковой части нефрона происходит фильтрация плазмы крови, в результате чего образуется первичная моча. При этом в течение суток профильтровывается до 150-170 л мочи. Обратное всасывание (реабсорбция) воды (и ряда) других соединений из первичной мочи в тканевую жидкость почек, а затем в кровь происходит в канальцевой части нефрона. Этот процесс осуществляется вследствие разности осмотических давлений, возникающей в результате активной реабсорбции из первичной мочи в тканевую жидкость почек и кровь ионов натрия, калия, глюкозы и других осмотически активных веществ. В конечном итоге из 150-170 л первичной мочи из организма выделяется всего около 1,5 л.

В условиях недостатка воды через почки выделяется небольшое количество мочи, но она очень концентрирована. При избыточном поступлении воды в организм выделяется много сильно разбавленной мочи.

Ведущая роль в регуляции обмена воды в организме принадлежит гормонам: альдостерону, вырабатываемому корковым слоем надпочечников, и вазопрессину, продуцируемому гипофизом. Их воздействие на обмен воды осуществляется как непосредственно, так и путем воздействия на обмен минеральных веществ. Поскольку обмен воды и минеральных соединений теснейшим образом взаимосвязаны, вернемся к данному вопросу после рассмотрения обмена минеральных соединений.

Содержание и роль минеральных веществ в организме человека

Содержание минеральных веществ в организме человека составляет 3-4% от массы тела. Они представлены некоторыми кислотами, солями, ионами.

Содержание и роль минеральных кислот

Из минеральных кислот в организме имеются соляная (НCl), фосфорная (Н₃РО₄) и угольная (Н₂СО₃). В очень незначительных количествах встречается серная кислота (Н₂SО₄). Соляная кислота образуется в железах стенки желудка. Источником хлора для её синтеза является поваренная соль. Зона влияния соляной кислоты на обменные процессы ограничивается желудком. Уже в двенадцатиперстной кишке она нейтрализуется бикарбонатами кишечного сока. Реакция протекает по уравнению:

НСl + NаНСО₃ =Nа⁺ + Cl^- + Н₂СО₃ .

Избыток угольной кислоты разлагается на воду и углекислый газ.

Соляная кислота выполняет в организме защитную функцию и играет важную роль в пищеварении белков. Подробнее об этом – в главе 7.

Фосфорная кислота содержится во всех органах и тканях. В небольших количествах она присутствует в свободном виде, а также входит в состав многих чрезвычайно важных для организма человека соединений: нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), фосфопротеинов, фосфолипидов, креатинфосфата, АТФ, АДФ и других нуклеотидов. Очень важную роль играет фосфорная кислота в энергетическом обмене. Не только креатинфосфат, АТФ и АДФ, но и многие промежуточные продукты превращений углеводов, жиров и белков, используемые в качестве источников энергии, содержат в своем составе остатки фосфорной кислоты.

Присутствие в организме угольной кислоты обусловлено растворением в воде образующегося в процессах обмена веществ углекислого газа:

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃

Угольную кислоту можно рассматривать как транспортную форму СО₂ на пути от мест ее образования (практически во всех клетках организма) к легким, где она устраняется с дыханием. Угольная кислота является составной частью клеточной протоплазмы, других биологических жидкостей, оказывает влияние на активную реакцию внутренней среды организма. Являясь составной частью бикарбонатной буферной системы, она участвует в поддержании кислотно-щелочного равновесия крови и некоторых других биологических жидкостей.

Угольная кислота играет важную роль в регуляции внешнего дыхания. Парциальное давление в крови продукта распада угольной кислоты - СО₂, является одним из важнейших факторов, определяющих уровень легочной вентиляции и, следовательно, потребление кислорода.

Содержание и роль солей в организме

В организме человека имеются как растворимые в воде соли, так и плохо и совсем нерастворимые. Нерастворимые и плохо растворимые в воде минеральные соли входят в состав костной ткани. К ним относятся преимущественно соединения кальция и магния. Соли кальция в костной ткани представлены практически нерастворимыми кристаллами кальциевого апатита: Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂, а также расположенными в поверхностных слоях кости сравнительно более легко растворимыми соединениями кальция, в частности углекислым кальцием (СаСО₃). Эти поверхностно расположенные соединения играют роль «кальциостата», т.е. обеспечивают постоянство уровня кальция в крови.

В костной ткани содержится также фосфорнокислый магний Мg₃(РО₄)₂ и некоторые другие соли. В состав зубной эмали входит фтористый кальций (СаF₂).

Концентрация минеральных солей в костной ткани зависит от возраста: у взрослых их содержание выше, чем у детей. Возрастные изменения состава костной ткани представлены в таблице 6.

Таблица 6.