Позаклітинна рідина

У клітинній біології позакліти́нна рідина́ (ПКР) позначає всю рідину організму поза клітинами будь-якого багатоклітинного організму. Загальна кількість води в організмі здорових дорослих становить приблизно 50–60 % (діапазон від 45 до 75 %) від загальної маси тіла.^[1] Жінки та люди з ожирінням зазвичай мають нижчий відсоток, ніж стрункі чоловіки.^[2] ПКР становить приблизно третину рідини організму, решта дві третини — це внутрішньоклітинна рідина всередині клітин.^[3] Основним компонентом ПКР є інтерстиціальна рідина, яка оточує клітини.

Розподіл загальної кількості води в організмі ссавців між внутрішньоклітинним та позаклітинним просторами, які, у свою чергу, поділяються на інтерстиціальну рідину та менші компоненти, такі як плазма крові, спинномозкова рідина та лімфа.

ПКР — це внутрішнє середовище всіх багатоклітинних тварин, а у тварин із системою кровообігу частину цієї рідини становить плазма крові.^[4] Плазма та інтерстиціальна рідина — це два компоненти, які складають щонайменше 97 % ПКР. Лімфа становить невеликий відсоток інтерстиціальної рідини.^[5] Решта невеликої частини ПКР включає трансклітинну рідину (близько 2,5 %). ПКР також можна розглядати як таку, що має два компоненти — плазму та лімфу як систему доставки, а також інтерстиціальну рідину для обміну водою та розчиненими речовинами з клітинами.^[6]

ПКР, зокрема інтерстиціальна рідина, являє собою внутрішнє середовище організму, яке омиває всі клітини в організмі. Тому склад ПКР має вирішальне значення для їх нормального функціонування та підтримується низкою гомеостатичних механізмів, що включають негативний зворотний зв'язок. Гомеостаз регулює, серед іншого, pH, концентрацію натрію, калію та кальцію в ПКР. Об'єм рідини організму, рівень глюкози в крові, кисню та вуглекислого газу також ретельно регулюються.

Об'єм ПКР у молодого чоловіка вагою 70 кг становить 20 % маси тіла — близько чотирнадцяти літрів. Одинадцять літрів — це інтерстиціальна рідина, а решта три літри — плазма.^[7]

Компоненти

Основним компонентом ПКР є інтерстиціальна або тканинна рідина, яка оточує клітини організму. Іншим важливим компонентом ПКР є внутрішньосудинна рідина системи кровообігу, яка називається плазмою. Решта невеликого відсотка ПКР включає трансклітинну рідину. Ці складові часто називають «рідинними компартме́нтами». Об'єм ПКР у молодого дорослого чоловіка вагою 70 кг, становить 20 % від маси тіла — близько чотирнадцяти літрів.

Інтерстиціальна рідина

Інтерстиціальна рідина по суті порівнянна з плазмою. Інтерстиціальна рідина та плазма складають близько 97 % ПКР, а невеликий відсоток решти припадає на лімфу.

Інтерстиціальна рідина — це рідина організму між кровоносними судинами та клітинами,^[8] яка містить поживні речовини з капілярів шляхом дифузії та утримує продукти життєдіяльності, що виділяються клітинами внаслідок метаболізму.^[9][10] Плазма та інтерстиціальна рідина дуже схожі, оскільки вода, іони та невеликі розчинені речовини безперервно обмінюються між ними через стінки капілярів, через пори та капілярні щілини.

Інтерстиціальна рідина складається з водного розчинника, що містить цукри, солі, жирні кислоти, амінокислоти, коферменти, гормони, нейромедіатори, лейкоцити та продукти життєдіяльності клітин. Цей розчин становить 26 % води в організмі людини. Склад інтерстиціальної рідини залежить від обміну між клітинами біологічної тканини та кров'ю. Це означає, що тканинна рідина має різний склад у різних тканинах та в різних ділянках тіла.

Плазма, яка фільтрується через кровоносні капіляри в міжклітинну рідину, не містить еритроцитів або тромбоцитів, оскільки вони занадто великі, щоб пройти крізь них, але може містити деякі лейкоцити, які допомагають імунній системі.

ПКР, що збирається в дрібних судинах (лімфатичних капілярах), вважається лімфою, а судини, що несуть її назад у кров, називаються лімфатичними судинами. Лімфатична система повертає білок і надлишок міжклітинної рідини в кровообіг.

Іонний склад інтерстиціальної рідини та плазми крові змінюється через ефект Гіббса-Доннана. Це спричиняє незначну різницю в концентрації катіонів та аніонів між цими двома просторами.

Трансклітинна рідина

Трансклітинна рідина утворюється в результаті транспортної діяльності клітин і є найменшим компонентом ПКР. Ці рідини містяться в просторах, вистелених епітелієм. Прикладами такої рідини є спинномозкова рідина, водяниста волога ока, серозна рідина в серозних оболонках, що вистилають порожнини тіла, перилімфа та ендолімфа у внутрішньому вусі, а також суглобова рідина.^[2][11] Через різне розташування трансклітинної рідини її склад різко змінюється. Деякими з електролітів, присутніх у трансклітинній рідині, є іони натрію, іони хлориду та іони бікарбонату.

Функція

Деталі клітинної мембрани між позаклітинною та внутрішньоклітинною рідиною

Натрій-калієвий насос та дифузія між позаклітинною та внутрішньоклітинною рідинами

ПКР забезпечує фізичний обмін речовин між клітинами, який може відбуватися шляхом розчинення, змішування та транспортування в рідкому середовищі.^[12] Речовини в ПКР включають розчинені гази, поживні речовини та електроліти, всі необхідні для підтримки життя.^[13] ПКР також містить матеріали, що виділяються клітинами в розчинній формі, але які швидко коалесцують у волокна (наприклад, колагенові, ретикулярні та еластичні волокна) або випадають в осад у тверду чи напівтверду форму (наприклад, протеоглікани, які утворюють основну частину хряща та компоненти кістки). Ці та багато інших речовин, особливо у поєднанні з різними протеогліканами, утворюють позаклітинний матрикс — «наповнювач» між клітинами по всьому тілу.^[14] Ці речовини знаходяться в позаклітинному просторі, і тому всі вони омиваються або просочуються ПКР, не будучи його частиною.

Оксигенація

Одна з головних ролей ПКР полягає у сприянні обміну молекулярного кисню з крові до клітин тканин та вуглекислого газу (CO₂), що утворюється в мітохондріях, назад у кров. Оскільки CO₂ приблизно в 20 разів розчинніший у воді, ніж кисень, він може відносно легко дифундувати у водній рідині між клітинами та кров'ю.^[15]

Однак гідрофобний молекулярний кисень має дуже погану розчинність у воді та надає перевагу гідрофобним ліпідним кристалічним структурам.^[16][17] В результаті цього ліпопротеїни плазми можуть переносити значно більше O_2, ніж у навколишньому водному середовищі.^[18][19]

Якщо гемоглобін в еритроцитах є основним транспортером кисню в крові, то ліпопротеїни плазми можуть бути його єдиним переносником в позаклітинній рідині.

Киснепереносна здатність ліпопротеїнів знижується зі старінням та запаленням. Це призводить до змін функцій ПКР, зменшення постачання кисню до тканин та сприяє розвитку тканинної гіпоксії. Зміни ліпопротеїнів можуть бути спричинені окислювальним або запальним пошкодженням.^[20]

Регулювання

Внутрішнє середовище стабілізується в процесі гомеостазу. Для регулювання та підтримки стабільного складу ПКР діють складні гомеостатичні механізми.^[21]

Різниця в концентраціях іонів, що створюють мембранний потенціал

Існує значна різниця між концентраціями іонів натрію та калію всередині та зовні клітини. Концентрація іонів натрію значно вища в ПКР, ніж у внутрішньоклітинній рідині.^[22] Зворотне вірно для концентрацій іонів калію всередині та зовні клітини. Ці відмінності призводять до того, що всі клітинні мембрани електрично заряджені, причому позитивний заряд знаходиться на зовнішній стороні клітин, а негативний — всередині. У нейроні, що знаходиться в стані спокою (не проводить імпульс), мембранний потенціал відомий як потенціал спокою, і між двома сторонами мембрани становить приблизно -70 мВ.^[23]

Цей потенціал створюється натрій-калієвими насосами в клітинній мембрані, які викачують іони натрію з клітини в ПКР, в обмін на іони калію, які потрапляють у клітину ззовні. Підтримка цієї різниці в концентрації іонів між внутрішньою та зовнішньою частинами клітини має вирішальне значення для підтримки стабільності нормальних об'ємів клітин, а також для того, щоб деякі клітини могли генерувати потенціали дії.^[24]

У кількох типах клітин за певних обставин в клітинній мембрані на кілька мікросекунд можуть тимчасово відкриватися потенціалзалежні іонні канали. Це дозволяє іонам натрію короткочасно надходити в клітину (під впливом градієнта концентрації іонів натрію, що існує між зовнішньою та внутрішньою частинами клітини). Це призводить до тимчасової деполяризації клітинної мембрани (втрати електричного заряду), що формує основу потенціалів дії.

Іони натрію в ПКР також відіграють важливу роль у переміщенні води з одного відділу тіла в інший. Коли виділяються сльози або утворюється слина, іони натрію перекачуються з ПКР у відповідні протоки, де ці рідини утворюються та збираються. Вміст води в цих розчинах зумовлений тим, що вода осмотично слідує за іонами натрію (та супутніми аніонами).^[25][26] Той самий принцип застосовується до утворення багатьох інших рідин організму.

Іони кальцію мають велику схильність до зв'язування з білками.^[27] Це змінює розподіл електричних зарядів на білку, внаслідок чого змінюється його третинна структура.^[28][29] Нормальна форма, а отже, і функція багатьох позаклітинних білків, а також позаклітинних частин білків клітинної мембрани, залежить від дуже точної концентрації іонізованого кальцію в ПКР. Білки, які особливо чутливі до змін концентрації іонізованого кальцію в ПКР, — це кілька факторів зсідання крові в плазмі, які не функціонують за відсутності іонів кальцію, але стають повністю функціональними при його солей додаванні у певній концентрації.^[22][27] Потенціозалежні натрієві іонні канали в клітинних мембранах нервів і м'язів мають ще більшу чутливість до змін концентрації іонізованого кальцію в ПКР.^[30] Відносно невелике зниження рівня іонізованого кальцію в плазмі (гіпокальціємія) призводить до витоку натрію через ці канали в нервові клітини або аксони, роблячи їх гіперзбудливими, що викликає спонтанні м'язові спазми (тетанію) та парестезію (відчуття «поколювання») кінцівок та навколо рота.^[28][30][31] Коли рівень іонізованого кальцію в плазмі підвищується вище норми (гіперкальціємія), більше кальцію зв'язується з цими натрієвими каналами, що має протилежний ефект, викликаючи млявість, м'язову слабкість, анорексію, запор та лабільні емоції.^[31][32]

Третинна структура білків також залежить від pH розчину у якому вони існують. Крім того, pH ПКР впливає на частку загальної кількості кальцію в плазмі, яка знаходиться у вільній, або іонізованій, формі, на відміну від фракції, яка зв'язана з іонами білка та фосфату. Зміна pH ПКР, таким чином, змінює концентрацію іонізованого кальцію в ПКР. Оскільки pH ПКР безпосередньо залежить від парціального тиску CO₂ в ПКР, гіпервентиляція, яка знижує парціальний тиск CO₂ в ПКР, викликає симптоми, які майже не відрізняються від проявів низької концентрації іонізованого кальцію в плазмі.^[28]

ПКР постійно «перемішується» кровоносною системою, що забезпечує практично однакове водяне середовище, яке омиває клітини організму. Це означає, що поживні речовини можуть секретуватися в ПКР в одному місці (наприклад, кишечник, печінка або жирові клітини) і приблизно за хвилину рівномірно розподіляються по всьому організму. Гормони так само швидко та рівномірно розподіляються по кожній клітині організму, незалежно від того, звідки вони потрапляють у кров. Кисень, що поглинається легенями з альвеолярного повітря, також рівномірно розподіляється під звичайним парціальним тиском по всіх клітинах організму. Продукти життєдіяльності також рівномірно розподіляються по всій ПКР і видаляються з цього загального кровообігу в певних точках (або органах), що знову ж таки гарантує відсутність локалізованого накопичення небажаних сполук або надлишку необхідних речовин (наприклад, іонів натрію або будь-яких інших складових ПКР). Єдиним суттєвим винятком із цього загального принципу є плазма у венах, де концентрації розчинених речовин в окремих ділянках різною мірою відрізняються від концентрацій в решті ПКР. Однак ця плазма утримується всередині водонепроникних стінок венозних трубок і тому не впливає на міжклітинну рідину, в якій живуть клітини організму. Коли кров з усіх вен тіла змішується в серці та легенях, різні склади компенсуються (наприклад, кисла кров з активних м'язів нейтралізується лужною кров'ю, яка гомеостатично виробляється нирками). Таким чином, починаючи з лівого передсердя і до кожного органу тіла, нормальні, гомеостатично регульовані значення всіх компонентів ПКР відновлюються.

Взаємодія між плазмою крові, інтерстиціальною рідиною та лімфою

Утворення інтерстиціальної рідини з крові

Діаграма, що показує утворення лімфи з інтерстиціальної рідини (позначеної тут як «тканинна рідина»). Тканинна рідина потрапляє у сліпі кінці лімфатичних капілярів (показані темно-зеленими стрілками).

Плазма артеріальної крові, інтерстиціальна рідина та лімфа взаємодіють на рівні кровоносних капілярів. Капіляри проникні, і вода може вільно рухатися всередину та назовні. На артеріолярному кінці капіляра тиск крові вищий за гідростатичний тиск у тканинах.^[33][22] Тому вода просочується з капіляра в інтерстиціальну рідину. Пори, через які рухається ця вода, достатньо великі, щоб дозволити всім меншим молекулам (аж до розміру малих білків, таких як інсулін) також вільно рухатися через стінку капіляра. Це означає, що їх концентрації на стінці капіляра зрівнюються і тому не мають осмотичного ефекту (оскільки осмотичний тиск, спричинений цими малими молекулами та іонами — який називається кристалоїдним осмотичним тиском, щоб відрізнити його від осмотичного ефекту більших молекул, які не можуть рухатися через капілярну мембрану — однаковий з обох боків стінки капіляра).^[33][22]

Рух води з капіляра на артеріолярному кінці призводить до збільшення концентрації речовин, які не можуть перетнути стінку капіляра, коли кров рухається до венулярного кінця капіляра. Найважливішими речовинами, що утримуються в капілярній трубці, є плазмовий альбумін, плазмові глобуліни та фібриноген. Вони, і особливо плазмовий альбумін, завдяки своїй молекулярній присутності в плазмі, відповідають за так званий «онкотичний» або «колоїдний» осмотичний тиск, який притягує воду назад у капіляр, особливо на венулярному кінці.^[33]

Кінцевим результатом усіх цих процесів є те, що вода виходить з капіляра та повертається назад, тоді як кристалоїдні речовини в капілярній та інтерстиціальній рідинах врівноважуються. Оскільки капілярна рідина постійно та швидко оновлюється потоком крові, її склад домінує над рівноважною концентрацією, яка досягається в капілярному руслі. Це гарантує, що водяне середовище клітин організму завжди близьке до їх ідеального середовища (встановленого гомеостатами організму).

Невелика частина розчину, що витікає з капілярів, не втягується назад у капіляр колоїдно-осмотичними силами. Вона становить від 2 до 4 літрів на день для організму в цілому. Ця вода збирається лімфатичною системою і зрештою потрапляє в ліву підключичну вену, де вона змішується з венозною кров'ю, що надходить з лівої руки, на шляху до серця.^[22] Лімфа протікає через лімфатичні капіляри до лімфатичних вузлів, де з лімфи видаляються бактерії та тканинні залишки, а до рідини додаються різні типи лейкоцитів (головним чином лімфоцити). Крім того, лімфа, яка відтікає з тонкої кишки, містить краплі жиру, які називаються хіломікронами, після вживання жирної їжі.^[27] Ця лімфа називається хілусом, має молочний вигляд і надає назву «лактеалі» (через молочний вигляд їхнього вмісту) лімфатичним судинам тонкої кишки.^[34]

ПКР може механічно переміщатися між структурами через везикули. Разом все це утворює інтерстицій, який можна вважати окремою нещодавно виявленою біологічною структурою в організмі.^[35] Однак існують певні дискусії щодо того, чи є інтерстицій органом.^[36]

Електролітичні складові

Основні катіони:^[37]

• Натрій (Na⁺) 136—146 мМ
• Калій (K⁺) 3,8–5,0 мМ
• Кальцій (Ca²⁺) 1,0–1,4 мМ

• Хлорид (Cl⁻) 103—112 мМ
• Бікарбонат (HCO₃⁻) 22–28 мМ
• Фосфат (HPO₄²⁻) ^0,8–1,4 мМ

Див. також

• Ефективний об'єм циркулюючої крові (ECV)
• Рідинні відсіки