Регуляция водно-солевого баланса: осморегуляция и АДГ

Человек за сутки теряет с мочой, потом и дыханием от полутора до трёх литров воды, а пьёт когда придётся: то залпом пол-литра, то ничего с утра до вечера. При этом концентрация солей в плазме держится в коридоре шириной около двух процентов. Такую точность обеспечивает регуляция водно-солевого баланса - контур с датчиком в гипоталамусе, гормональным посредником и исполнителем-почкой. Ниже разобрано, что именно измеряет этот контур, где у него пороги и почему жажда включается позже, чем гормон. Калькулятор рядом считает всю цепочку по анализу крови: от осмолярности плазмы до суточного диуреза.

Что регулируется на самом деле: осмолярность, а не литры

Организм не умеет измерять объём воды напрямую: рецептора «сколько у меня литров» не существует. Зато он отлично измеряет концентрацию растворённых частиц, то есть осмолярность внеклеточной жидкости. Клинически её оценивают по трём вкладам:

$P_{\text{осм}} = 2[\text{Na}^+] + [\text{глюкоза}] + [\text{мочевина}]$

Двойка перед натрием учитывает сопровождающие анионы, прежде всего хлорид и бикарбонат. При натрии 142 ммоль/л, глюкозе 5,0 и мочевине 5,0 ммоль/л получается 294 мОсм/кг - типичная середина нормы 275-295. Именно эта величина, а не масса тела и не количество выпитого, служит регулируемым параметром. Про то, как осмотическое давление плазмы соотносится с онкотическим и почему белки создают отдельный, гораздо меньший вклад, подробно написано в разборе осмотического и онкотического давления.

Важная тонкость: не всякий осмотически активный компонент работает как эффективный. Мочевина свободно проходит через мембраны и уравнивается по обе стороны, поэтому в осмолярность она вносит вклад, а в тоничность - почти нет. Натрий и глюкоза остаются снаружи клетки и тянут воду по-настоящему. Отсюда клиническое правило: при уремии клетки не сморщиваются, а при гипергликемии сморщиваются.

Осморецепторы гипоталамуса: датчик, который меряет сам себя

Датчиками служат нейроны околожелудочковых органов - сосудистого органа терминальной пластинки и субфорникального органа. Это участки мозга без гематоэнцефалического барьера, поэтому их клетки омываются плазмой напрямую. Механизм элегантен: при росте осмолярности вода уходит из осморецепторного нейрона, объём клетки падает, мембрана натягивается и открываются механочувствительные катионные каналы. Деполяризация усиливает импульсацию. При падении осмолярности всё наоборот: клетка набухает, каналы закрываются, разряды прекращаются.

Рассчитать для своей задачи

Чувствительность датчика поразительна: изменения осмолярности на 1 процент, то есть на 2-3 мОсм/кг, уже меняют секрецию гормона. Порог, ниже которого антидиуретический гормон в плазме практически не определяется, лежит около 280 мОсм/кг. Выше порога концентрация гормона растёт почти линейно:

$C_{\text{АДГ}} \approx k\,(P_{\text{осм}} - 280),\qquad k \approx 0{,}4\ \text{пг/мл на 1 мОсм/кг}$

Для наших 294 мОсм/кг это даёт около 5,6 пг/мл. Такая уставка называется осмостатом, и она индивидуальна: при беременности порог физиологически сдвигается вниз примерно на 10 мОсм/кг, поэтому нормой становится натрий 133-136 ммоль/л.

АДГ и аквапорины: как команда доходит до канальца

Антидиуретический гормон, он же вазопрессин, синтезируется в супраоптическом и паравентрикулярном ядрах гипоталамуса, транспортируется по аксонам в заднюю долю гипофиза и оттуда выбрасывается в кровь. Мишень - главные клетки собирательных трубочек почки. Гормон связывается с V2-рецептором на базолатеральной мембране, через G-белок активирует аденилатциклазу, растёт циклический АМФ, протеинкиназа A фосфорилирует белок аквапорин-2, и везикулы с этим белком встраиваются в апикальную мембрану.

Рассчитать для своей задачи

До этого момента апикальная мембрана для воды почти непроницаема - именно в этом её уникальность. После встраивания аквапоринов вода уходит из просвета канальца по осмотическому градиенту, а дальше покидает клетку через постоянно присутствующие аквапорины-3 и -4 базолатеральной мембраны. Сам градиент создаёт противоточно-множительная система почки: без гипертоничного мозгового вещества встраивать аквапорины было бы бессмысленно, воде некуда идти. Ответ канальца насыщающийся: при 5,6 пг/мл моча концентрируется примерно до 944 мОсм/кг, а дальнейший рост гормона добавляет всё меньше, упираясь в предел около 1200 мОсм/кг.

Отсюда сразу считается диурез. Суточная осмотическая нагрузка, которую надо вывести, составляет около 800 мОсм. Значит,

$V = \frac{800}{944} \approx 0{,}85\ \text{л/сут}$

Обратный полюс: при полном отсутствии гормона моча разводится до 50 мОсм/кг, и те же 800 мОсм требуют 16 литров. Разница почти в двадцать раз - это и есть рабочий диапазон осморегуляции. Куда именно всасывается вода и какие механизмы работают в проксимальном отделе, разобрано в статье про реабсорбцию в канальцах.

Жажда: второй контур с более высоким порогом

Почка умеет только экономить уже имеющуюся воду. Восполнить потерю может лишь поведение, и за него отвечает второй контур - жажда. Её центр лежит там же, в передних отделах гипоталамуса, но порог сдвинут вверх примерно на 10-15 мОсм/кг и составляет около 295 мОсм/кг.

Порядок включения не случаен. Сначала дешёвая мера: сократить потери. Только если этого мало и осмолярность продолжает расти, включается дорогая мера, требующая найти воду. Кроме осмотического стимула жажду запускают падение объёма крови и ангиотензин II, действующий на субфорникальный орган, - через этот вход осморегуляция стыкуется с ренин-ангиотензин-альдостероновой системой.

Отдельная особенность - преждевременное утоление. Жажда исчезает через 10-15 минут после питья, задолго до того, как вода всосётся и осмолярность вернётся к норме. Работают рецепторы глотки и растяжения желудка: они считают выпитый объём и выключают мотивацию авансом. Механизм защищает от переливания, но именно он мешает восполнять потери у пожилых, у которых порог жажды и без того повышен.

Натрийуретические пептиды: противовес системе задержки

АДГ и альдостерон удерживают воду и натрий. Если бы у них не было антагониста, любой избыток соли накапливался бы неограниченно. Противовесом служат натрийуретические пептиды: предсердный выделяется кардиомиоцитами предсердий при их растяжении, мозговой - желудочками при перегрузке.

Рассчитать для своей задачи

Действие пептидов зеркально: они расширяют приносящую артериолу и повышают клубочковую фильтрацию, подавляют реабсорбцию натрия в собирательных трубочках, тормозят секрецию ренина, альдостерона и самого АДГ. Результат - натрийурез и потеря воды вслед за натрием. Сигналом здесь служит не осмолярность, а объём: растяжение предсердий отражает наполнение сосудистого русла. Барорецепторный контур, который использует тот же объёмный сигнал для поддержания давления, разобран отдельно в статье про регуляцию артериального давления.

Обезвоживание и гипергидратация: два края шкалы

Проверить логику контура проще всего на краях. При обезвоживании теряется преимущественно вода: натрий поднимается, скажем, до 152 ммоль/л, осмолярность до 314 мОсм/кг, гормон идёт к 13,6 пг/мл, моча концентрируется до 1079 мОсм/кг, диурез падает до 0,74 л/сут. Дефицит свободной воды оценивают по формуле

$\Delta V = \text{ОВТ}\left(\frac{[\text{Na}^+]}{140} - 1\right)$

где общая вода тела равна массе, умноженной на 0,6 у мужчин, 0,5 у женщин и 0,45 в пожилом возрасте. Для мужчины 70 кг общая вода 42 л, и дефицит при натрии 152 составляет около 3,6 л.

Гипергидратация выглядит зеркально. Выпитый литр воды разводит плазму, осмолярность падает ниже 280 мОсм/кг, секреция гормона прекращается, аквапорины уходят с мембраны, и почка выводит избыток разведённой мочой. Опасно это становится, когда контур сломан: при синдроме неадекватной секреции АДГ гормон выделяется вопреки низкой осмолярности, вода задерживается и развивается гипонатриемия с отёком мозга.

Частые ошибки

• Путать осмолярность и объём. Гормон реагирует на концентрацию, а не на количество воды. При кровопотере с сохранной осмолярностью секрецию запускает объёмный стимул через барорецепторы, а не осмостат.
• Считать, что жажда включается первой. Порог жажды выше порога секреции гормона примерно на 10-15 мОсм/кг: сначала почка экономит, и только потом человек начинает искать питьё.
• Приписывать мочевине эффективную осмолярность. Она входит в расчётную осмолярность, но свободно проходит мембраны и клетки не обезвоживает.
• Смешивать АДГ и альдостерон. Первый управляет водой без соли, второй - реабсорбцией натрия. Изолированная потеря воды поднимает натрий, потеря изотонической жидкости - нет.
• Забывать про предел концентрирования. Даже при максимуме гормона осмолярность мочи не превышает 1200 мОсм/кг, поэтому вывести суточную осмотическую нагрузку менее чем в 0,7 л мочи почка не может.

FAQ

Почему при сахарном диабете много мочи, если АДГ в норме? Работает осмотический диурез: глюкоза, не реабсорбированная из-за превышения почечного порога, удерживает воду в канальце. Осмотическая нагрузка растёт в разы, и даже концентрированная моча выводится большим объёмом. Механизм принципиально другой, чем при несахарном диабете, где нарушена сама секреция или действие гормона.

Чем центральный несахарный диабет отличается от нефрогенного? При центральном гормон не выделяется, при нефрогенном почка на него не отвечает: сломаны V2-рецептор или аквапорин-2. Различают пробой с десмопрессином: в первом случае осмолярность мочи после введения аналога вырастает, во втором остаётся низкой.

Почему морскую воду пить нельзя? Её осмолярность около 1000 мОсм/кг выше предела концентрирования человеческой почки. Чтобы вывести полученную с ней соль, нужно больше воды, чем было выпито, и дефицит только растёт.

Коротко

Регуляция водно-солевого баланса устроена как контур с уставкой по осмолярности плазмы: осморецепторы гипоталамуса ловят изменение своего объёма при сдвиге концентрации на 1 процент, выше порога 280 мОсм/кг растёт секреция АДГ, гормон через V2-рецептор встраивает аквапорин-2 в апикальную мембрану собирательных трубочек, и вода возвращается в кровь по градиенту мозгового вещества. Порог жажды сдвинут вверх примерно на 15 мОсм/кг, поэтому поведение подключается вторым эшелоном, а натрийуретические пептиды работают противовесом, отслеживая уже не концентрацию, а объём.