В биологии клетки внеклеточная жидкость ( ECF ) обозначает всю жидкость организма вне клеток любого многоклеточного организма . Общая вода организма у здоровых взрослых составляет около 50–60% (диапазон от 45 до 75%) от общей массы тела; [1] у женщин и людей с ожирением этот процент обычно ниже, чем у худых мужчин. [2] Внеклеточная жидкость составляет около одной трети жидкости организма, остальные две трети — это внутриклеточная жидкость внутри клеток. [3] Основным компонентом внеклеточной жидкости является интерстициальная жидкость, которая окружает клетки.
Внеклеточная жидкость является внутренней средой всех многоклеточных животных , и у животных с кровеносной системой часть этой жидкости представляет собой плазму крови . [4] Плазма и интерстициальная жидкость являются двумя компонентами, которые составляют по крайней мере 97% ECF. Лимфа составляет небольшой процент интерстициальной жидкости. [5] Оставшаяся небольшая часть ECF включает трансцеллюлярную жидкость (около 2,5%). ECF также можно рассматривать как имеющую два компонента — плазму и лимфу в качестве системы доставки и интерстициальную жидкость для обмена водой и растворенными веществами с клетками. [6]
Внеклеточная жидкость, в частности интерстициальная жидкость, составляет внутреннюю среду организма , которая омывает все клетки в организме. Состав ECF, таким образом, имеет решающее значение для их нормального функционирования и поддерживается рядом гомеостатических механизмов, включающих отрицательную обратную связь . Гомеостаз регулирует, среди прочего, pH , концентрацию натрия , калия и кальция в ECF. Объем жидкости организма, уровень глюкозы в крови , кислорода и углекислого газа также строго гомеостатически поддерживаются.
Объем внеклеточной жидкости у молодого взрослого мужчины весом 70 кг (154 фунта) составляет 20% от массы тела – около четырнадцати литров. Одиннадцать литров – это интерстициальная жидкость, а оставшиеся три литра – плазма. [7]
Основным компонентом внеклеточной жидкости (ECF) является интерстициальная жидкость, или тканевая жидкость, которая окружает клетки в организме. Другим основным компонентом ECF является внутрисосудистая жидкость кровеносной системы, называемая плазмой крови . Оставшийся небольшой процент ECF включает трансцеллюлярную жидкость. Эти компоненты часто называют « жидкостными отсеками ». Объем внеклеточной жидкости у молодого взрослого мужчины весом 70 кг составляет 20% от веса тела — около четырнадцати литров.
Интерстициальная жидкость по сути сопоставима с плазмой . Интерстициальная жидкость и плазма составляют около 97% ECF, и небольшой процент из них — лимфа .
Интерстициальная жидкость — это жидкость организма между кровеносными сосудами и клетками, [8] содержащая питательные вещества из капилляров путем диффузии и удерживающая отходы, выделяемые клетками в результате метаболизма . [9] [10] 11 литров внеклеточной жидкости — это интерстициальная жидкость, а оставшиеся три литра — плазма. [7] Плазма и интерстициальная жидкость очень похожи, поскольку вода, ионы и небольшие растворенные вещества постоянно обмениваются между собой через стенки капилляров, через поры и капиллярные щели .
Интерстициальная жидкость состоит из водного растворителя, содержащего сахара, соли, жирные кислоты, аминокислоты, коферменты, гормоны, нейротрансмиттеры, лейкоциты и отходы клеток. Этот раствор составляет 26% воды в организме человека. Состав интерстициальной жидкости зависит от обменов между клетками в биологической ткани и кровью. [11] Это означает, что тканевая жидкость имеет разный состав в разных тканях и в разных областях тела.
Плазма, которая фильтруется через кровеносные капилляры в интерстициальную жидкость, не содержит эритроцитов или тромбоцитов, поскольку они слишком велики, чтобы пройти через нее, но может содержать некоторое количество лейкоцитов, помогающих иммунной системе.
Как только внеклеточная жидкость собирается в мелких сосудах ( лимфатических капиллярах ), она считается лимфой, а сосуды, которые переносят ее обратно в кровь, называются лимфатическими сосудами. Лимфатическая система возвращает белок и избыток интерстициальной жидкости в кровообращение.
Ионный состав интерстициальной жидкости и плазмы крови различается из-за эффекта Гиббса-Доннана . Это приводит к небольшому различию в концентрации катионов и анионов между двумя жидкостными отсеками.
Трансцеллюлярная жидкость образуется в результате транспортной активности клеток и является наименьшим компонентом внеклеточной жидкости. Эти жидкости содержатся в пространствах, выстланных эпителием . Примерами этой жидкости являются спинномозговая жидкость , водянистая влага глаза, серозная жидкость в серозных оболочках , выстилающих полости тела , перилимфа и эндолимфа во внутреннем ухе и суставная жидкость . [2] [12] Из-за различного расположения трансцеллюлярной жидкости ее состав резко меняется. Некоторые из электролитов, присутствующих в трансцеллюлярной жидкости, представляют собой ионы натрия , ионы хлорида и ионы бикарбоната .
Внеклеточная жидкость обеспечивает среду для обмена веществ между ECF и клетками, и это может происходить посредством растворения, смешивания и транспортировки в жидкой среде. [13] Вещества в ECF включают растворенные газы, питательные вещества и электролиты , все необходимые для поддержания жизни. [14] ECF также содержит материалы, выделяемые клетками в растворимой форме, но которые быстро объединяются в волокна (например, коллагеновые , ретикулярные и эластичные волокна ) или выпадают в осадок в твердую или полутвердую форму (например, протеогликаны , которые образуют основную часть хряща и компоненты кости ). Эти и многие другие вещества встречаются, особенно в сочетании с различными протеогликанами, для формирования внеклеточного матрикса или вещества «наполнителя» между клетками по всему телу. [15] Эти вещества встречаются во внеклеточном пространстве и, следовательно, все купаются или пропитываются ECF, не являясь его частью.
Одна из основных функций внеклеточной жидкости заключается в содействии обмену молекулярного кислорода из крови в клетки тканей и углекислого газа, CO 2 , вырабатываемого в митохондриях клеток, обратно в кровь. Поскольку углекислый газ примерно в 20 раз более растворим в воде, чем кислород, он может относительно легко диффундировать в водной жидкости между клетками и кровью. [16]
Однако гидрофобный молекулярный кислород имеет очень плохую растворимость в воде и предпочитает гидрофобные липидные кристаллические структуры. [17] [18] В результате этого липопротеины плазмы могут переносить значительно больше O 2 , чем окружающая водная среда. [19] [20]
Если гемоглобин в эритроцитах является основным переносчиком кислорода в крови , то липопротеины плазмы могут быть его единственным переносчиком в внеклеточной жидкости.
Кислородная емкость липопротеинов снижается при старении и воспалении . Это приводит к изменению функций ECF, снижению снабжения тканей O 2 и способствует развитию тканевой гипоксии . Эти изменения липопротеинов вызваны окислительным или воспалительным повреждением. [21]
Внутренняя среда стабилизируется в процессе гомеостаза . Сложные гомеостатические механизмы действуют для регулирования и поддержания стабильного состава ECF. Отдельные клетки также могут регулировать свой внутренний состав с помощью различных механизмов. [22]
Существует значительная разница между концентрациями ионов натрия и калия внутри и снаружи клетки. Концентрация ионов натрия значительно выше во внеклеточной жидкости, чем во внутриклеточной жидкости. [23] Обратное верно для концентраций ионов калия внутри и снаружи клетки. Эти различия приводят к тому, что все клеточные мембраны электрически заряжены, причем положительный заряд находится снаружи клеток, а отрицательный — внутри. В покоящемся нейроне (не проводящем импульс) мембранный потенциал известен как потенциал покоя , и между двумя сторонами мембраны составляет около −70 мВ. [24]
Этот потенциал создается натрий-калиевыми насосами в клеточной мембране, которые выкачивают ионы натрия из клетки в ECF в обмен на ионы калия, которые поступают в клетку из ECF. Поддержание этой разницы в концентрации ионов между внутренней частью клетки и внешней средой имеет решающее значение для поддержания стабильных нормальных объемов клеток, а также для того, чтобы некоторые клетки могли генерировать потенциалы действия . [25]
В некоторых типах клеток потенциалзависимые ионные каналы в клеточной мембране могут быть временно открыты при определенных обстоятельствах на несколько микросекунд за раз. Это обеспечивает кратковременный приток ионов натрия в клетку (движимый градиентом концентрации ионов натрия, который существует между внешней и внутренней частью клетки). Это заставляет клеточную мембрану временно деполяризоваться (терять свой электрический заряд), формируя основу потенциалов действия.
Ионы натрия в ECF также играют важную роль в перемещении воды из одного отсека тела в другой. Когда выделяются слезы или образуется слюна, ионы натрия перекачиваются из ECF в протоки, в которых эти жидкости образуются и собираются. Содержание воды в этих растворах является результатом того, что вода следует за ионами натрия (и сопутствующими анионами ) осмотически. [26] [27] Тот же принцип применим к образованию многих других жидкостей организма .
Ионы кальция имеют большую склонность связываться с белками . [28] Это изменяет распределение электрических зарядов на белке, в результате чего изменяется 3D (или третичная) структура белка . [29] [30] Нормальная форма и, следовательно, функция очень многих внеклеточных белков, а также внеклеточных частей белков клеточной мембраны зависят от очень точной концентрации ионизированного кальция в ECF. Белки, которые особенно чувствительны к изменениям концентрации ионизированного кальция в ECF, — это несколько факторов свертывания крови в плазме крови, которые нефункциональны в отсутствие ионов кальция, но становятся полностью функциональными при добавлении правильной концентрации солей кальция. [23] [28] Управляемые напряжением натриевые ионные каналы в клеточных мембранах нервов и мышц имеют еще большую чувствительность к изменениям концентрации ионизированного кальция в ECF. [31] Относительно небольшое снижение уровня ионизированного кальция в плазме ( гипокальциемия ) приводит к утечке натрия из этих каналов в нервные клетки или аксоны, что делает их гипервозбудимыми, тем самым вызывая спонтанные мышечные спазмы ( тетанию ) и парестезию (ощущение «покалывания») конечностей и вокруг рта. [29] [31] [32] Когда уровень ионизированного кальция в плазме превышает норму ( гиперкальциемия ), больше кальция связывается с этими натриевыми каналами, оказывая противоположный эффект, вызывая летаргию, мышечную слабость, анорексию, запоры и лабильные эмоции. [32] [33]
Третичная структура белков также зависит от pH раствора для купания. Кроме того, pH ECF влияет на долю общего количества кальция в плазме, которая находится в свободной или ионизированной форме, в отличие от фракции, которая связана с белком и фосфатными ионами. Таким образом, изменение pH ECF изменяет концентрацию ионизированного кальция ECF. Поскольку pH ECF напрямую зависит от парциального давления углекислого газа в ECF, гипервентиляция , которая снижает парциальное давление углекислого газа в ECF, вызывает симптомы, которые почти неотличимы от низких концентраций ионизированного кальция в плазме. [29]
Внеклеточная жидкость постоянно «перемешивается» кровеносной системой , что гарантирует, что водная среда , омывающая клетки организма, практически идентична по всему телу. Это означает, что питательные вещества могут секретироваться в ECF в одном месте (например, кишечник, печень или жировые клетки) и будут примерно в течение минуты равномерно распределены по всему телу. Гормоны также быстро и равномерно распространяются по каждой клетке организма, независимо от того, где они секретируются в кровь. Кислород, поглощаемый легкими из альвеолярного воздуха, также равномерно распределяется при правильном парциальном давлении по всем клеткам организма. Отходы также равномерно распределяются по всему ECF и удаляются из этого общего кровообращения в определенных точках (или органах), еще раз гарантируя, что в целом не будет локализованного накопления нежелательных соединений или избытков других необходимых веществ (например, ионов натрия или любых других компонентов ECF). Единственным существенным исключением из этого общего принципа является плазма в венах , где концентрации растворенных веществ в отдельных венах в разной степени отличаются от концентраций в остальной части ECF. Однако эта плазма заключена в водонепроницаемые стенки венозных трубок и, следовательно, не влияет на интерстициальную жидкость, в которой живут клетки организма. Когда кровь из всех вен организма смешивается в сердце и легких, различные составы нейтрализуются (например, кислая кровь из активных мышц нейтрализуется щелочной кровью, гомеостатически вырабатываемой почками). От левого предсердия и далее до каждого органа в организме нормальные, гомеостатически регулируемые значения всех компонентов ECF, таким образом, восстанавливаются.
Плазма артериальной крови, интерстициальная жидкость и лимфа взаимодействуют на уровне кровеносных капилляров . Капилляры проницаемы , и вода может свободно перемещаться внутрь и наружу. На артериолярном конце капилляра давление крови больше, чем гидростатическое давление в тканях. [34] [23] Поэтому вода будет просачиваться из капилляра в интерстициальную жидкость. Поры, через которые движется эта вода, достаточно велики, чтобы позволить всем более мелким молекулам (вплоть до размера небольших белков, таких как инсулин ) свободно перемещаться через стенку капилляра. Это означает, что их концентрации поперек стенки капилляра выравниваются и, следовательно, не имеют осмотического эффекта (потому что осмотическое давление, вызванное этими небольшими молекулами и ионами — называемое кристаллоидным осмотическим давлением, чтобы отличить его от осмотического эффекта более крупных молекул, которые не могут перемещаться через капиллярную мембрану, — одинаково по обе стороны стенки капилляра). [34] [23]
Движение воды из капилляра на артериолярном конце приводит к увеличению концентрации веществ, которые не могут пересечь капиллярную стенку, по мере того, как кровь движется к венулярному концу капилляра. Наиболее важными веществами, которые ограничены капиллярной трубкой, являются плазменный альбумин , плазменные глобулины и фибриноген . Они, и особенно плазменный альбумин, из-за его молекулярного изобилия в плазме, отвечают за так называемое «онкотическое» или «коллоидное» осмотическое давление , которое втягивает воду обратно в капилляр, особенно на венулярном конце. [34]
Чистый эффект всех этих процессов заключается в том, что вода перемещается из капилляра и обратно в него, в то время как кристаллоидные вещества в капиллярной и интерстициальной жидкостях уравновешиваются. Поскольку капиллярная жидкость постоянно и быстро обновляется потоком крови, ее состав доминирует в равновесной концентрации, которая достигается в капиллярном русле. Это гарантирует, что водная среда клеток организма всегда близка к их идеальной среде (установленной гомеостатами организма ).
Небольшая часть раствора, который вытекает из капилляров, не втягивается обратно в капилляры коллоидными осмотическими силами. Это составляет от 2 до 4 литров в день для всего организма. Эта вода собирается лимфатической системой и в конечном итоге выбрасывается в левую подключичную вену , где она смешивается с венозной кровью, поступающей из левой руки, на пути к сердцу. [23] Лимфа течет через лимфатические капилляры в лимфатические узлы , где бактерии и остатки тканей удаляются из лимфы, в то время как различные типы белых кровяных клеток (в основном лимфоциты ) добавляются к жидкости. Кроме того, лимфа, которая дренирует тонкий кишечник, содержит жировые капли, называемые хиломикронами, после приема жирной пищи. [28] Эта лимфа называется хилусом , который имеет молочный вид и дает название млечным (отсылая к молочному виду их содержимого) лимфатическим сосудам тонкого кишечника. [35]
Внеклеточная жидкость может механически направляться в этой циркуляции пузырьками между другими структурами. В совокупности это образует интерстиций , который можно считать недавно идентифицированной биологической структурой в организме. [36] Однако ведутся споры о том, является ли интерстиций органом. [37]
Основные катионы : [38]
Основные анионы : [38]
[39]