Глава 21. Водно-электролитный обмен

21.1. Введение

Водно-электролитный обмен в организме человека включает сопряженные процессы потребления, всасывания, распределения во внутренней среде, обмена между внутренней средой и клетками, выделения из нее воды и электролитов. Физиологически оптимальная активность водно-­электролитного обмена обеспечивает постоянство осмотической концентрации частиц (осмотический гомеостаз), ионного состава (ионный гомеостаз), КОС, объема жидкостей (объемный гомеостаз) в обособленных, но взаимосвязанных компартментах внутренней среды организма.

Вода является одним из основных компонентов внутренней среды организма. Химический состав воды был установлен в 1805 г. Ж.Л. Гей-Люсаком и А. Гумбольтом, показавшими, что для ее образования необходимы 2 объема водорода и 1 объем кислорода. Позднее (в 1843 г.) Ж.Б. Дюма нашел точные весовые отношения между водородом и кислородом в молекуле воды. Химический символ воды — Н₂О — был принят на конгрессе химиков в Карлсруэ в 1860 г. В 1931 г. Г. Юри сделал сообщение об открытии тяжелого изотопа водорода — дейтерия (D). В 1933 г. два американских ученых — Г. Льюис и Р. Макдональд — впервые выделили из природной воды практически чистую дейтериевую воду — D₂O. Воду, состоящую из дейтерия и кислорода, стали называть тяжелой водой. После открытия сверхтяжелого изотопа водорода — трития (Т) была обнаружена сверхтяжелая вода. В 1980-е годы искусственно были получены изотопы водорода — терций (⁴Н) и квинтий (⁵Н). С учетом различных изотопов кислорода возможно образование 48 разновидностей воды, из которых 39 радиоактивны и всего лишь 9 стабильны. Разновидности воды с изотопами водорода терцием (⁴Н) и квинтием (⁵Н) в природе не встречаются [1].

Несмотря на обширные знания об атомарном составе воды, представления о ее структуре менее конкретны. При этом очевидно, что воде присуща структура неустойчивых кристаллов, зависящая от растворенных в ней веществ, однако конкретная модель структуры воды, в том числе и в биологических системах, является предметом дискуссий и гипотез.

Многообразие свойств воды и необычность их проявления, в значительной степени, определяются физическими свойствами молекулы воды. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены относительно друг друга так, что образуют равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных — вследствие недостатка электронной плотности у ядер водорода — протонов [29, 38]. Такие особенности сочетания группировки атомов в молекуле воды с распределением заряда позволили говорить о ней как о биполярной частице или диполе воды (рис. 21.1).

Рис. 21.1. Молекула воды: а — схема взаимного расположения водорода (Н⁺) и кислорода (О^2–) в молекуле воды; б — характер распределения зарядов в молекуле воды; в — молекула воды как физическая частица — диполь воды

Благодаря упорядоченным по месту избыточным зарядам молекулы воды способны связываться между собой в относительно устойчивую надмолекулярную структуру (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Надмолекулярная структура воды, формируемая ее молекулами за счет водородных связей: молекула воды посредством водородных связей способна одновременно в равной степени взаимодействовать с четырьмя другими молекулами воды

На основании результатов изучения структур, образуемых взаимодействующими молекулами воды в различных условиях, сделаны выводы об их способности формировать микрокристаллы. Микрокристалл из молекул воды похож на фигуру, которая возникает при растяжении куба за два противоположных угла. Куб принимает форму ромбовидного многоугольника. Микрокристалл из молекул воды имеет размеры 2×2×3 нм. В обычном, жидком состоянии при температуре от 0 до 100 °C — вода состоит из таких или подобных структурных элементов, в каждом из них содержится 912 молекул. Микрокристаллы воды, в свою очередь, объединены в более крупные образования — ячейки размером 0,5 мкм, которые можно видеть в контрастно-фазовом микроскопе [2–4].

Микрокристаллическая структура воды претерпевает определенные трансформации в растворе, то есть при внесении в воду различных веществ, вступающих c ее молекулами в физико-химические взаимодействия. Структурные элементы из молекул воды в цитоплазме клеток (внутриклеточный раствор), исследованные в определенных условиях, напоминают «снежинку» и получили название кластеров. Вопрос о том, являются ли кластеры универсальной структурной единицей организации воды в клетках и внутренней среде организма, остается открытым.

Трансформации микрокристаллической структуры воды в растворе возникают при физических и физико-химических воздействиях — инфракрасное, рентгеновское облучения, воздействия ультра- и инфразвуком, изменении редокс-потенциала, концентрации ионов водорода, электролитов, различных органических соединений.

В биологических растворах (цитоплазма, интерстициальная жидкость, лимфа, плазма крови и др.) редокс-потенциал, рН, концентрации электролитов и ряда органических соединений являются постоянными контролируемыми величинами, что указывает на свойственную биологическим растворам определенную структурную организацию молекул воды. Если учесть, что микрокристаллическая структура воды предопределяет четкий порядок перемещения ее молекул между клеточными структурами, клеточными структурами и внеклеточной средой, внеклеточной средой и внешней средой, постоянные контролируемые параметры биологических растворов поддерживают, в свою очередь, устойчивый характер этого обмена. Перемещение молекул в растворе позволяет им реализовать в биологических системах целый ряд свойств, определяющих функции воды в организме.