10.4: Регулювання водного балансу

Навички для розвитку

  • Обговоріть фізіологічні події, що викликають механізм спраги.
  • Опишіть два механізми, за допомогою яких організм контролює виведення сечі.

Під час поїдання їжі слинні залози виділяють слину. Коли їжа потрапляє у ваш шлунок, виділяється шлунковий сік. Потрапляючи в тонкий кишечник, виділяється підшлунковий сік. Кожна з цих рідин містить велику кількість води. Як відбувається заміна води в цих органах? Що відбувається з водою зараз у кишечнику? На добу відбувається обмін близько 10 літрів води між органами тіла. Осморегуляція цього обміну передбачає складний зв’язок між мозком, нирками та ендокринною системою. Гомеостатична мета для клітини, тканини, органу та цілого організму - збалансувати вихід води з надходженням води.

Осмос - це проходження розчинів через напівпроникну мембрану. Вода йде за іонами, намагаючись вирівняти концентрацію іонів у відсіках по обидва боки мембрани. Осмотичний тиск - це тиск, що виділяється частинками в розчині для витягування води через мембрану.

Регулювання добової витрати води

Загальна витрата води на день складає в середньому 2,5 літра. Це має бути збалансовано з введенням води. Наші тканини виробляють близько 300 мілілітрів води на день через обмінні процеси. Решта витрати води повинна бути збалансована шляхом вживання рідини та вживання твердої їжі. Середнє споживання рідини на день становить 1,5 літра, а вода, отримана з твердої їжі, становить приблизно 700 мілілітрів.

балансу

Малюнок 11.4.1: Щоденні втрати та приріст рідини

Харчовий приріст води

Комісія з питань харчування та харчування Інституту медицини (МОМ) встановила адекватний прийом води (ШІ) для води для дорослих чоловіків на рівні 3,7 літра (15,6 чашки) та 2,7 літра (11 чашок) для дорослих жінок. Інститут медицини Панель з дієтичного довідкового споживання електролітів та води. Дієтичне довідне споживання води, калію, натрію, хлориду та сульфату. (Вашингтон, округ Колумбія: Національна академія преси, 2005). http://www.nap.edu/openbook.php?record_id=10925&page=73. Ці споживання вище, ніж середнє споживання 2,2 літра. Важливо зазначити, що ШІ для води включає воду з усіх дієтичних джерел; тобто вода, що надходить з їжі, а також напоїв. Люди не споживають 15,6 або 11 склянок чистої води на день. В Америці приблизно 20 відсотків дієтичної води надходить із твердої їжі. Див. Таблицю 11.4.1 щодо діапазону вмісту води для окремих продуктів харчування. Напої включають воду, чай, каву, газовані напої та соки.

Таблиця 11.4.1: Вміст води у продуктах харчування ПроцентПродукт харчування
90–99 Нежирне молоко, диня, полуниця, кавун, салат, капуста, селера, шпинат, кабачки
80–89 Фруктовий сік, йогурт, яблука, виноград, апельсини, морква, брокколі, груші, ананас
70–79 Банани, авокадо, сир, сир рікотта, печена картопля, креветки
60–69 Макарони, бобові, лосось, куряча грудка
50–59 Яловичий фарш, хот-доги, стейк, сир фета
40–49 Піца
30–39 Сир Чеддер, бублики, хліб
20–29 Пепероні, торт, печиво
10–19 Масло, маргарин, родзинки
1–9 Волоські горіхи, сухий смажений арахіс, сухарі, крупи, кренделі, арахісове масло
0 Масла, цукри

Джерело: Міністерство сільського господарства США, Служба досліджень сільського господарства. 2010. Національна база даних про поживні речовини для стандартних посилань, Випуск 23. Домашня сторінка лабораторії даних про поживні речовини, http://www.ars.usda.gov/ba/bhnrc/ndl.

Існують певні суперечки щодо кількості води, необхідної для підтримання здоров’я, оскільки немає постійних наукових доказів, що вживання певної кількості води покращує здоров’я або зменшує ризик захворювання. Насправді профілактика каменів у нирках, здається, є єдиною передумовою для рекомендацій щодо споживання води. Ви можете бути здивовані, дізнавшись, що загальноприйняте переконання, що людям потрібно випивати вісім склянок води на 8 унцій на день, не є офіційною рекомендацією і не ґрунтується на жодних наукових доказах! Кількість води/рідини, яку людина повинна вживати щодня, насправді мінлива і повинна базуватися на кліматі, в якому живе людина, а також їх віці, рівні фізичної активності та функції нирок. Максимально допустимого споживання води не встановлено.

Механізм спраги: чому ми п’ємо?

Спрага - це механізм осморегуляції для збільшення надходження води. Механізм спраги спрацьовує у відповідь на зміну об’єму води в крові, але ще більш чутливий до змін осмоляльності крові. Осмоляльність крові в основному визначається концентрацією катіонів натрію. Бажання пити виникає внаслідок складної взаємодії гормонів та реакцій нейронів, які координують збільшення введення води та сприяють збалансованості рідини та складу в організмі. «Центр спраги» міститься в гіпоталамусі, частині мозку, яка лежить трохи вище стовбура мозку. У людей похилого віку механізм спраги не настільки чутливий, і з віком ризик дегідратації зростає. Спрага трапляється в такій послідовності фізіологічних подій:

  1. Білки-рецептори в нирках, серці та гіпоталамусі виявляють зменшення об’єму рідини або підвищену концентрацію натрію в крові.
  2. Гормональні та нервові повідомлення передаються до центру спраги мозку в гіпоталамусі.
  3. Гіпоталамус надсилає нервові сигнали у вищі сенсорні ділянки кори головного мозку, стимулюючи свідому думку пити.
  4. Споживається рідина.
  5. Рецептори в роті та шлунку виявляють механічні рухи, пов’язані з прийомом рідини.
  6. Нейронні сигнали надходять до мозку, а механізм спраги відключається.

Фізіологічний контроль спраги є резервним механізмом для збільшення надходження води. Вживання рідини контролюється головним чином свідомими звичками прийому їжі та пиття, що залежать від соціальних та культурних впливів. Наприклад, у вас може бути звичка випивати склянку апельсинового соку і з’їдати миску крупи щоранку перед школою чи роботою. Більшість американських підлітків мають щоденну звичку вживати безалкогольні напої. На споживання безалкогольних напоїв впливає демографія, доступ до безалкогольних напоїв, соціальний вплив та особиста поведінка.

Регулювання добової витрати води

Як зазначалося, добова витрата води в середньому становить 2,5 літра. Існує два типи результатів. Перший тип - це нечутливі втрати води, тобто ми про це не знаємо. Тіло втрачає близько 400 мілілітрів щоденного виходу води через видих. Ще 500 мілілітрів втрачається через нашу шкіру. Другий тип виходу - це відчутні втрати води, тобто ми це усвідомлюємо. На сечу припадає близько 1500 мілілітрів води, а на кал - приблизно 100 мілілітрів води. Регулювання виведення сечі є основною функцією нирок і передбачає зв’язок з мозком та ендокринною системою.

Нирки виявляють об’єм крові

Нирки - це два бобоподібні органи, кожен розміром приблизно з кулак і розташований по обидва боки хребта, трохи нижче грудної клітини (рис. 7.4). Нирки фільтрують близько 190 літрів крові і виробляють (в середньому) 1,5 літра сечі на день. Сеча - це в основному вода, але вона також містить електроліти та відходи, такі як сечовина. Кількість води, яка фільтрується з крові і виводиться з сечею, залежить від кількості води в крові та її електролітного складу.

Нирки мають білкові датчики, які визначають об’єм крові від тиску або розтягуються в кровоносних судинах нирок. Коли об’єм крові низький, клітини нирок виявляють знижений тиск і виділяють фермент ренін. Ренін подорожує в крові і розщеплює інший білок до активного гормону, ангіотензин. Ангіотензин націлений на три різні органи (наднирники, гіпоталамус і м’язову тканину, що оточує артерії), щоб швидко відновити об’єм крові і, отже, тиск.

  • Спочатку ангіотензин рухається до зовнішнього периметра надниркових залоз і стимулює вивільнення гормону альдостерону. Альдостерон повертається до нирок і стимулює натрієво-калієвий насос. В результаті роботи насоса кров реабсорбує натрій із рідини, яка вже відфільтрована нирками. Вода за допомогою осмосу надходить натрію в кров, що призводить до зменшення кількості води в сечі та відновлення рідинного балансу та складу крові.
  • Далі ангіотензин потрапляє до гіпоталамуса, де стимулює механізм спраги та вивільнення антидіуретичного гормону. Антидіуретичний гормон повертається до нирок, де збільшує реабсорбцію натрію та води.
  • Нарешті, ангіотензин націлений на гладку м’язову тканину, що оточує артерії, змушуючи їх скорочувати (звужувати) судини, що сприяє підвищенню артеріального тиску.

Гіпоталамус виявляє осмоляльність крові

Осморецептори (спеціалізовані білкові рецептори) в гіпоталамусі визначають концентрацію натрію в крові. У відповідь на високий рівень натрію гіпоталамус активує механізм спраги і одночасно стимулює вивільнення антидіуретичного гормону. Таким чином, не лише нирки стимулюють вивільнення антидіуретичного гормону, а й гіпоталамус. Цей подвійний контроль вивільнення антидіуретичного гормону дозволяє організму реагувати як на зменшення об’єму крові, так і на підвищену осмоляльність крові.

Малюнок 11.4.3: Баланс натрію та рідини переплітаються.

Надниркові залози виявляють осмоляльність крові

Клітини надниркових залоз відчувають, коли рівень натрію низький, а коли калію високий, у крові. У відповідь на будь-який стимул вони вивільняють альдостерон. Отже, альдостерон вивільняється у відповідь на стимуляцію ангіотензину, а також контролюється концентрацією електролітів у крові. У будь-якому випадку альдостерон передає одне і те ж повідомлення, яке полягає в збільшенні реабсорбції натрію і, відповідно, реабсорбції води. Натомість калій виводиться з організму.

Механізми, що беруть участь у регулюванні надходження та випуску води, переплітаються з механізмами, що контролюють електролітний баланс. У здорової людини цей багаторівневий скоординований контроль рівня рідини та електролітів в організмі забезпечує гомеостаз. Однак у людини з серцевою недостатністю перехресні перешкоди між органами можуть мати жахливі наслідки. Серцева недостатність призводить до зменшення виходу крові з серця, що знижує артеріальний тиск. У відповідь на зниження артеріального тиску нирки виділяють ренін, що призводить до викиду антидіуретичного гормону. Антидіуретичний гормон діє на нирки та збільшує реабсорбцію води, збільшуючи тим самим об’єм крові та тиск. Це змушує серце працювати активніше і погіршує стан серця. Щоб заблокувати цю реакцію, людей із серцевою недостатністю лікують препаратами, що блокують компенсаторну реакцію нирок. Діуретики - це препарати, які діють або пригнічуючи дію антидіуретичного гормону, або сприяючи виведенню натрію з сечею. Це збільшує вихід води і знижує кров'яний тиск. Діуретики, поряд з іншими препаратами, корисні при лікуванні серцевої недостатності та зниженні артеріального тиску у людей з гіпертонією.