Лекции для студентов

Физиология человека (часть 1)

Физико-химические свойства крови

К физико-химическим свойствам крови относятся: вязкость крови, относительная плотность, осмотическое давление крови, активная реакция крови (рН), суспензионные свойства крови.

Вязкость крови в 3-5 раз больше вязкости дистиллированной воды. Удельный вес составляет — 1,045, осмотическое давление — 7-7,5 атмосфер.

Осмотическое давление — сила, которая обеспечивает переход растворителя через биологическую мембрану из одной среды в другую в силу осмотического градиента (разность концентрации вещества). Осмотическое давление в основном создается минеральными веществами, так как частицы их очень малы, в единице объема их очень много.

Создают ли другие вещества плазмы крови осмотическое давление? Да! Белки, мочевина, глюкоза и др. Однако их роль в этом ничтожна (они для плазмы крови являются осмотически низкоактивными веществами), так как размеры этих веществ плазме крови большие, а в единице объема крови их ничтожно мало. Поэтому они создают небольшое осмотическое давление. Для определения осмотического давления чаще всего используется криоскопический метод (метод определения точки замерзания раствора). Известно, что одномолярный раствор неэлектролита, замерзающий при температуре (-1,85 ⁰С), создает осмотическое давление, равное 22,4 атмосферы. Определив температуру крови и сравнив ее с эталоном, о котором говорилось выше, мы легко вычислим осмотическое давление крови (в 7,0-7,5 атмосферы).

В организме человека постоянно создаются условия для сдвига осмотического давления в ту или иную сторону: в одном случае, он потребляет жидкость, в другом — соли. Исследования свидетельствуют, что резкие отклонения осмотического давления приводить к нарушению функции, прежде всего, крови. Так, если заметно увеличивается давление крови вследствие поступления большого количества солей, то по законам осмоса (осмотического градиента) вода из клеток крови выходит в плазму, объем их уменьшается и наблюдается плазмолиз, сопровождающийся нарушением их функции. Если же осмотическое давление крови уменьшается вследствие поступления большого количества воды, то в этом случае наблюдается обратное явление: жидкость по концентрационному градиенту поступает из плазмы в клетку крови, клетки крови увеличиваются в объеме и могут подвергаться разрушению (гемолиз). Таким образом, резкие колебания осмотического давления могут быть несовместимы с жизнью организма. В связи с этим осмотическое давление следует учитывать при приготовлении искусственных растворов, которые используются в медицине с лечебной целью, и прежде всего, как кровезаменители. Согласно величине осмотического давления различают следующие растворы:

a) Изотонический — искусственно приготовленный раствор, осмотическое давление которого соответствует осмотическому давлению плазмы крови. Изотоническими растворами являются: 0,9%-й раствор поваренной соли, 5%-й раствор глюкозы и др. Учитывая не только величину осмотического давления, но и солевой, и другие компоненты состава крови, были предложены следующие изотонические растворы: раствор Рингера (по имени ученого), в который, кроме поваренной соли, добавляются соли кальция и калия; раствор Рингера-Локка — раствор Рингера с глюкозой; раствор Тироде, в котором кроме указанных выше веществ содержатся соли магния и бикарбонаты. Изотонический растворы можно вводить внутривенно, внутримышечно и подкожно, не опасаясь, что они сдвинуть осмотическое давление.

b) Гипертонический — искусственно приготовленный раствор, осмотическое давление которого больше осмотического давления плазмы крови. К таким растворам относятся: 40%-й раствор глюкозы, 20%-й раствор поваренной соли и др. Такие растворы с лечебной целью можно вводить только внутривенно, ибо при ряде путей введения (например, внутримышечно) они вызывают разрушение клеток и некроз ткани в целом. В основном, гипертонические растворы применяются наружно в виде аппликаций.

c) Гипотонический — искусственно приготовленный раствор, осмотическое давление которого меньше осмотического давления плазмы крови, которые практической медицине почти не используются.

Как было отмечено выше, резкое уменьшение осмотического давления приводит к разрушению клеток или гемолизу, который рассматривается как осмотический, основанный на концентрационном градиенте. Однако, следует помнить, что клетки крови обладают значительной стойкостью (резистентностью) к осмотическим силам. Наблюдения показали что, например, эритроциты начинают разрушатся только в концентрации поваренной соли 0,45-0,40-й % (верхняя граница стойкости эритроцитов), а заканчивается это разрушение при концентрации поваренной соли 0,35-0,30% (нижняя граница стойкости эритроцитов). Неодинаковая устойчивость эритроцитов к осмотическим силам объясняется их возрастными различиями: “молодые” эритроциты — более стойкие к осмосу, “возрастные” — менее стойкие. Кроме осмотического гемолиза различают также температурный (действие высоких и низких температур), механический (механическое воздействие на клетки крови при соприкосновении их между собой и со стенками сосуда), биологический (действие на клетки разнообразных веществ, вызывающих разрушение клеток: токсины, выделяемые микроорганизмами, глистами и др.) и, наконец, химический гемолиз, имеющий место при воздействии на клетку крови химических веществ — кислот, щелочей. Изучение химической стойкости эритроцитов, в частности, нашло практическое применение в медицине. Метод изучения химической стойкости эритроцитов зародился в стенах Красноярского мединститута и был предложен учеными Гительзоном и Терсковым. Метод получил название кислотных эритрограмм. Сущность этого метода заключается в том, что кровь помещается в слабый (0,02%) раствор соляной кислоты, в котором эритроциты разрушаются не сразу, а в течение определенного времени и в зависимости от их возраста. Поэтому можно наблюдать, так называемую кинетику гемолиза клеток, используя фотоэлектроколориметрический метод, и представить ее графически в виде кривой, называемой эритрограмма. Как показали исследования, проведенные в этом направлении, гемолиз эритроцитов в указанном растворе начинается через 1,5-2 минуты, затем постепенно нарастает, достигая своего максимума на 4-й минуте, и заканчивается на 5-й минуте. Метод кислотных эритрограмм позволил дифференцировать эритроциты по химической стойкости на низкостойкие, среднестойкие и высокостойкие. Естественно, что любые сдвиги эритрограммы (вправо, влево) свидетельствуют, прежде всего, о нарушении костномозгового кроветворения или о том, что в крови появились вещества, которые изменяют стойкость эритроцитов. Отсюда метод кислотных эритрограмм и получил свое диагностическое значение.

Организм человека, несмотря на имеющиеся условия сдвига осмотического давления в ту или иную сторону, способен удерживать его на постоянном уровне. Об этом, в частности, свидетельствуют опыты ученого Гамбургера: в организм лошади вводится до 10 литров гипертонического раствора сернокислой магнезии (7%). Несмотря на это, через некоторое время осмотическое давление крови у лошади приходило к норме. Поддержание осмотического давления крови на относительно постоянном уровне осуществляется функциональной системой. Воспринимающая часть этой системы представлена особыми нервными окончаниями — осморецепторами, воспринимающими осмотическое давление. Установлено, что они находятся в сосудистых рефлексогенных зонах (стенки дуги аорты, синокаротидных образований [bulbus caroticus — место разветвления a. carotis communis на aa. carotis interna et externa]) и в области гипоталамуса [отдел промежуточного мозга]. К механизмам регуляции относится водно-солевой центр, расположенный в области гипоталамуса, и некоторые гормоны, участвующие в регуляции водно-солевого обмена (альдостерон, вазопрессин). Вазопрессин образуется в гипоталамусе и регулирует обратное всасывание в почках воды (чем больше гормона, тем больше всасывается воды и наоборот). Альдостерон — гормон надпочечников, регулирующий обратное всасывание Na⁺ из первичной мочи (чем больше выделяется гормона, тем больше подвергается всасыванию ионы натрия и наоборот). Исполнительной частью этой системы являются выделительные органы (почки, потовые железы, желудочно-кишечный тракт).

Как срабатывает эта функциональная система? Если в кровь поступает большое количество воды, то в ответ, получая информацию от осморецепторов, водно-солевой центр начинает вырабатывать меньше вазопрессина и стимулировать выработку гормона альдостерона. В результате в почках обратное всасывание воды из первичной мочи уменьшается, но увеличивается возврат в кровь ионов натрия. С течением времени осмотическое давление крови восстанавливается, при этом выделяется много мочи, в которой содержится мало солей.

Если же в кровь поступает большое количество солей, то продукция гормона вазопрессина увеличивается, но зато синтез гормона альдостерона уменьшается, в результате чего обратное всасывание в почках воды возрастает, но уменьшается поступление Na⁺ в кровь. В этом случае выделяется мало мочи, но в ней содержится много солей. Вследствие этих процессов осмотическое давление крови существенно не отклоняется от нормы.

Кровь обладает суспензионными свойствами, так как при движении крови клетки в ней находятся во взвешенном состоянии. Однако, если кровь поместить в какой-либо сосуд, то эти суспензионные свойства нарушаются и клетки крови начинают оседать. Было замечено, что у здоровых людей и больных клетки оседают с разной скоростью. Из этого факта родилась идея использовать скорость оседания эритроцитов (СОЭ) в диагностических целях. Почему эритроцитов? В этих условиях оседают и другие клетки крови. Но эритроциты окрашены, их много и это визуально можно фиксировать. Для определения скорости оседания эритроцитов используется аппарат, предложенный ученым Панченковым. Он состоит из штатива и набора капилляров с нанесенными на них делениями (100). Исследования показали, что у взрослого человека скорость оседания эритроцитов за один час составляет 2-15 мм (мужчины — 2-10 мм, женщины — 2-15 мм). Скорость оседания эритроцитов зависит от многих факторов: количества эритроцитов, температуры окружающей среды, состава плазмы крови и др. Однако, основное значение имеет состав плазмы крови.

Возникает вопрос, каким образом оседают эритроциты? Согласно общепринятой физико-химической теории эритроциты оседают следующим образом. Эритроциты, как и другие клетки крови, несут на своей поверхности отрицательный заряд. Поэтому в силу электростатических закономерностей они отталкиваются друг от друга. Однако белки плазмы крови (глобулин, фибриноген), которые на своей поверхности несут положительный заряд, в силу электростатических закономерностей начинают адсорбироваться на клетках, изменяя их заряд. Поскольку смена заряда клеток происходит неодинаково, то в крови одновременно присутствуют эритроциты, которые поменяли свой заряд на положительный, и те, которые не успели поменять заряд. Между ними наблюдается электростатические взаимодействия, которые приводят к их сближению и слипанию (адгезия), а в последующем к агрегации клеток [комочки]. В виде именно таких комочков эритроциты и начинают оседать. Отсюда следует: чем большее количество эритроцитов образуют комочки, тем они быстрее оседают.

Доказано, что если скорость оседания эритроцитов составляет 1 мм за час, то комочки в среднем состоят из 20-30 эритроцитов. Если же скорость оседания эритроцитов возрастает, например до 75 мм за час, эти комочки состоят в среднем из 60000 эритроцитов. Из всего сказанного следует, что при изменении фракционных отношений между белками крови скорость оседания эритроцитов изменяется. Как известно, такие количественные изменения белковых фракций наблюдается прежде всего при воспалительных процессах (воспаление легких, абсцессы и др.). Именно поэтому ускоренное СОЭ имеет место при этих заболеваниях, хотя оно встречается и при других патологических состояниях организма (онкологические заболевания, ...). Любое ускорение СОЭ свидетельствует о неблагополучии в организме человека, установить причину которого под силу только врачу. Есть лишь единственное состояние здорового человека, которое может привести к ускоренному СОЭ. Это беременность. Низкие цифры СОЭ, как правило, не привлекают внимания врачей ввиду того, что с диагностической точки зрения, они не информативны.

Как было сказано выше, в крови имеются различные минеральные вещества. Поэтому, мы вправе говорить о том, что кровь обладает кислотно-щелочным равновесием, обусловленных наличием протонов водорода (Н⁺)и гидроксильных ионов (OH^-). Активная реакция крови, связанная с кислотно-щелочным равновесием, оценивается по концентрации ионов водорода в плазме крови. Известно, что абсолютная концентрация протонов водорода в крови ничтожно мала (водородное число дистиллированной воды составляет 10^-7,07, крови 10^-7,36), поэтому для оценки активной реакции крови применяется не водородное число, а водородный показатель (рН). В этом случае водородное число логарифмируется и отбрасывается знак “минус”. Таким образом, водородный показатель для дистиллированной воды будет составлять 7,07, для крови 7,36. Из этой цифры следует, что активная реакция крови в норме является слабощелочной. Активная реакция крови относится к жестким константам, так как самые незначительные ее отклонения приводят к нарушению функции ферментативных систем. Физиологические колебания рН, отражающие активную реакцию крови, составляют ±0,02, а предельно допустимые сдвиги рН равны 7,0-7,8. Естественно, возникает вопрос, а существуют ли в организме человека условия, которые могут привести к сдвигу активной реакции крови в ту или иную сторону? Да, такие условия имеют место. Достаточно сказать, что при тяжелой мышечной работе в кровь может поступать до 90 граммов молочной кислоты, которая способна сдвинуть активную реакцию крови в кислую сторону. Реакция крови, однако, не смещается в ту или иную сторону, так как имеются буферные системы, обеспечивающие постоянность pН крови.

Различают два типа буферных систем: органические и неорганические. К неорганическим буферным системам относятся карбонатная и фосфатная. Карбонатная буферная система представлена слабой кислотой и солью этой кислоты с сильным основанием, т.е. H₂CO_з и NaHCO_з, фосфатная NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄. Как срабатывает неорганическая буферная система крови? Допустим, что в кровь поступает какая-то кислота, например молочная CH_зCHOHCOOH, то она взаимодействует с бикарбонатом NaHCO_з, в результате образуется соль молочной кислоты и угольная кислота. Последняя легко распадается на воду и углекислый газ. Из организма вода удаляется почками, углекислый газ — легкими. Перед нами типичная реакция нейтрализации, в результате которой образуется молочнокислый натрий, который лишен кислых свойств и не может сдвинуть реакцию крови в кислую сторону. Аналогичным образом в подобном случае срабатывает и фосфатная буферная система. Если же в кровь поступают вещества щелочного характера, то в реакцию вступает угольная кислота карбонатной системы, в результате чего не происходит сдвига в щелочную сторону, так как образуется вещество, теряющее щелочные свойства.

Буферные системы, препятствующие сдвигу активной реакции крови в кислую сторону, являются более мощными чем системы, препятствующие сдвигу активной реакции крови в щелочную сторону (в 300-400 раз), так как образующиеся в процессе обмена в клетках вещества в большинстве случаев имеют кислую природу.

Большое значение в поддержании кислотно-щелочного равновесия имеют белковые буферные системы, которые представлены белками крови и гемоглобином, содержащимся в эритроцитах. Известно, что белки обладают амфотерными свойствами: в щелочной среде они ведут себя как кислоты, а в кислой — как щелочи.

Амфотерные свойства белков связаны с содержанием в них карбоксильных групп (СООН) и аминогрупп (NH₂). Если в кровь поступает протон водорода, который может сдвинуть реакцию крови в кислую сторону, то с ним вступает во взаимодействие аминогруппа, в результате чего протон водорода связывается и теряет свои кислые свойства. Если же поступает группа OH^-, то она связывается с карбоксильным элементом. В результате образуется вода и группа СOО^-.

Большое значение в сохранении кислотно-щелочного равновесия придается гемоглобину. Он выступает в качестве буфера по отношению к угольной кислоте, которой очень много образуется в результате обмена веществ. Гемоглобин как белок способен очень хорошо связывать протон водорода угольной кислоты и лишать его способности сдвигать активную реакцию крови в кислую сторону.

Эту реакцию можно представить следующим образом:

KHbO₂ + H⁺-HCO_з^- = O₂ + KHCO_з + НHb.

Активная реакция крови сохраняется на постоянном уровне благодаря наличию функциональной системы. Однако в этой системе практически не существует воспринимающей части, а если она есть, то может выступать только по отношению к углекислому газу. Вторым звеном этой функциональной системы являются буферные системы. Так, если активная реакция крови сдвигается в кислую сторону, то включаются буферные системы, которые связывают протоны водорода или гидроксильные ионы. Органами-исполнителями являются, в основном, почки, которые образующие продукты обмена выделяют из организма.

Несмотря на наличие в организме мощных буферных систем при определенных состояниях организма могут наблюдаться сдвиги активной реакции крови в кислую или щелочную сторону. Сдвиг реакции раствора или крови в кислую сторону называется ацидозом, в щелочную — алкалозом. Для организма бóльшее значение имеет сдвиг рН в кислую сторону, так как продукты метаболизма в большинстве случаев имеют кислый характер. Различают два вида ацидоза: компенсированный и некомпенсированный. Компенсированный ацидоз — это явление физиологическое. Он встречается в здоровом организме, например, при мышечной работе. При компенсированном ацидозе pН крови не меняется, он остается в пределах 7,36. Однако, при этом уменьшаются щелочные буферные резервы (их становится меньше 60 объемных %). Некомпенсированный ацидоз имеет место только при патологических состояниях. В этом случае наблюдается сдвиг активной реакции крови (pН становится меньше 7,36) вследствие того, что исчерпываются все щелочные резервы — в крови их нет.

Различают так же газовый и негазовый ацидозы. Газовый ацидоз связан с задержкой выделения из организма CO₂, что имеет место при нарушении деятельности дыхательной системы. Негазовый ацидоз связан с накоплением в организме продуктов кислого характера, таких как ацетоуксусная, b-оксимасляная кислота, ацетон, что имеет место, например, при сахарном диабете вследствие нарушения всех видов обмена, приводящих к развитию диабетической комы, от которой больные чаще всего и погибают.