Введение

Внеклеточная жидкость (ECF) обозначает всю жидкость тела вне клеток любого многоклеточного организма. Общий объем воды в организме здоровых взрослых составляет около 50–60% (диапазон 45–75%) от общей массы тела; у женщин и людей с ожирением этот процент обычно ниже, чем у мужчин с нормальным весом. Внеклеточная жидкость составляет примерно одну треть от общего объема жидкости тела, а остальные две трети – внутриклеточная жидкость, находящаяся внутри клеток. Основным компонентом внеклеточной жидкости является интерстициальная жидкость, окружающая клетки. Внеклеточная жидкость является внутренней средой всех многоклеточных животных, а у животных с системой кровообращения часть этой жидкости составляет плазма крови. Плазма и интерстициальная жидкость – два компонента, составляющие не менее 97% ЭКФ. Лимфа составляет небольшую долю интерстициальной жидкости. Оставшаяся небольшая часть ЭКФ включает трансклеточную жидкость (около 2,5%). ЭКФ также можно рассматривать как состоящую из двух компонентов – плазмы и лимфы, выполняющих роль системы доставки, и интерстициальной жидкости, обеспечивающей обмен водой и растворенными веществами с клетками. Внеклеточная жидкость, в частности интерстициальная жидкость, формирует внутреннюю среду организма, омывающую все клетки тела. Состав ЭКФ имеет решающее значение для их нормального функционирования и поддерживается рядом гомеостатических механизмов с отрицательной обратной связью. Гомеостаз регулирует, в частности, концентрацию pH, натрия, калия и кальция в ЭКФ. Объем жидкости в организме, уровень глюкозы в крови, содержание кислорода и углекислого газа также строго поддерживаются на постоянном уровне. Объем внеклеточной жидкости у молодого мужчины весом 70 кг составляет 20% от массы тела – около четырнадцати литров. Одиннадцать литров приходятся на интерстициальную жидкость, а остальные три литра – на плазму.

Компоненты

Основным компонентом внеклеточной жидкости (ECF) является интерстициальная жидкость, или жидкость тканей, которая окружает клетки в организме. Другим основным компонентом ЭКФ является внутрисосудистая жидкость кровеносной системы, называемая плазмой крови. Оставшаяся небольшая часть ЭКФ включает в себя трансклеточную жидкость. Все эти составляющие часто называют "жидкостными компартментами". Объем внеклеточной жидкости у молодого взрослого мужчины весом 70 кг составляет 20% от массы тела – примерно четырнадцать литров.

Межпозвоночная жидкость

Интерстициальная жидкость по сути сопоставима с плазмой. Интерстициальная жидкость и плазма составляют около 97% внеклеточной жидкости (ЭКФ), и небольшая часть этого объема приходится на лимфу. Интерстициальная жидкость – это жидкость тела, находящаяся между кровеносными сосудами и клетками, содержащая питательные вещества, поступающие из капилляров путем диффузии, и продукты обмена веществ, выделяемые клетками в процессе метаболизма. 11 литров ЭКФ составляют интерстициальная жидкость, а остальные 3 литра – плазма. Это означает, что состав тканевой жидкости различается в разных тканях и в разных областях тела. Плазма, фильтруясь из кровяных капилляров в интерстициальную жидкость, не содержит эритроцитов или тромбоцитов, поскольку они слишком велики для прохождения через капилляры, но может содержать некоторые лейкоциты для поддержки иммунной системы. Как только внеклеточная жидкость собирается в мелкие сосуды (лимфатические капилляры), она становится лимфой, а сосуды, возвращающие ее в кровь, называются лимфатическими сосудами. Лимфатическая система возвращает белок и избыток интерстициальной жидкости в кровоток. Ионный состав интерстициальной жидкости и плазмы крови варьируется из-за эффекта Гиббса-Донана, что приводит к незначительной разнице в концентрации катионов и анионов между этими двумя жидкостными компартментами.

Трансклеточная жидкость

Трансклеточная жидкость образуется в результате транспортной активности клеток и является наименьшим компонентом внеклеточной жидкости. Она содержится в пространствах, выстланных эпителием. Примерами такой жидкости являются спинномозговая жидкость, водянистая влага глаза, серозная жидкость в серозных оболочках, выстилающих полости тела, перилимфа и эндолимфа внутреннего уха, а также синовиальная жидкость. Ввиду различного расположения трансклеточной жидкости, её состав значительно меняется. Среди электролитов, присутствующих в трансклеточной жидкости, – ионы натрия, ионы хлора и ионы бикарбоната.

Функция

Внеклеточная жидкость обеспечивает среду для обмена веществ между внеклеточной жидкостью и клетками, и этот обмен происходит посредством растворения, смешивания и транспортировки в жидкой среде. В состав внеклеточной жидкости входят растворенные газы, питательные вещества и электролиты, необходимые для поддержания жизни. Внеклеточная жидкость также содержит вещества, выделяемые клетками в растворимой форме, которые быстро объединяются в волокна (например, коллаген, ретикулярные и эластичные волокна) или осаждаются в твердую или полутвердую форму (например, протеогликаны, составляющие основную массу хряща, и компоненты кости). Эти и многие другие вещества, особенно в сочетании с различными протеогликанами, формируют внеклеточный матрикс, или "наполнитель", между клетками во всем организме. Эти вещества находятся во внеклеточном пространстве и, следовательно, все они окружены или пропитаны внеклеточной жидкостью, не являясь ее частью.

Окисление

Одна из основных ролей внеклеточной жидкости заключается в обеспечении обмена молекулярного кислорода из крови в клетки тканей и углекислого газа, CO2, образующегося в митохондриях клеток, обратно в кровь. Поскольку углекислый газ растворяется в воде примерно в 20 раз лучше, чем кислород, он может относительно легко диффундировать в водной среде между клетками и кровью. Однако гидрофобный молекулярный кислород обладает очень низкой растворимостью в воде и предпочитает гидрофобные липидные кристаллические структуры. В результате этого плазменные липопротеины способны переносить значительно больше O2, чем окружающая водная среда. Если гемоглобин в эритроцитах является основным переносчиком кислорода в крови, то плазменные липопротеины могут быть его единственным переносчиком в внеклеточной жидкости. Кислородная емкость липопротеинов снижается с возрастом и при воспалении. Это приводит к изменению функций внеклеточной жидкости, уменьшению поступления кислорода в ткани и способствует развитию тканевой гипоксии. Эти изменения липопротеинов обусловлены окислительным или воспалительным повреждением.

Регулирование

Внутренняя среда стабилизируется в процессе гомеостаза. Сложные гомеостатические механизмы регулируют и поддерживают стабильность состава ЭКФ. Отдельные клетки также могут регулировать свой внутренний состав различными механизмами. 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. 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 нейроне, находящемся в состоянии покоя (не проводящем импульс), потенциал мембраны известен как потенциал покоя и составляет около −70 мВ между двумя сторонами мембраны. Этот потенциал создается натриево-калиевыми насосами в клеточной мембране, которые выкачивают ионы натрия из клетки в ЭКФ в обмен на ионы калия, входящие в клетку из ЭКФ. Поддержание этой разницы в концентрации ионов между внутренней и внешней средой клетки критически важно для поддержания стабильности нормальных объемов клеток, а также для обеспечения возможности генерации потенциалов действия некоторыми клетками. В нескольких типах клеток напряжение-зависимые ионные каналы в клеточной мембране могут временно открываться при определенных обстоятельствах на несколько микросекунд. Это позволяет кратковременному притоку ионов натрия в клетку (обусловленному градиентом концентрации ионов натрия между внешней и внутренней сторонами клетки). Это приводит к временной деполяризации клеточной мембраны (потере электрического заряда), что является основой потенциалов действия. Ионы натрия в ЭКФ также играют важную роль в перемещении воды между различными отделами тела. При секреции слез или образовании слюны ионы натрия перекачиваются из ЭКФ в протоки, где эти жидкости формируются и собираются. Содержание воды в этих растворах обусловлено тем, что вода осмотически следует за ионами натрия (и сопровождающими анионами). Тот же принцип применим и к образованию многих других жидкостей организма. Ионы кальция обладают высокой способностью связываться с белками. Это изменяет распределение электрических зарядов на белке, что приводит к изменению трехмерной (или третичной) структуры белка. Нормальная форма и, следовательно, функция многих внеклеточных белков, а также внеклеточных участков белков клеточной мембраны, зависят от очень точной концентрации ионизированного кальция в ЭКФ. Белки, особенно чувствительные к изменениям концентрации ионизированного кальция в ЭКФ, – это некоторые факторы свертывания крови, которые не функционируют в отсутствие ионов кальция, но становятся полностью функциональными при добавлении правильной концентрации солей кальция. Относительно небольшое снижение уровня ионизированного кальция в плазме крови (гипокальциемия) приводит к тому, что эти каналы пропускают натрий в нервные клетки или аксоны, делая их гиперактивными, что вызывает спонтанные мышечные спазмы (тетанию) и парестезию (ощущение «штыков и иголок») в конечностях и вокруг рта. При повышении уровня ионизированного кальция в плазме крови выше нормы (гиперкальциемия) больше кальция связывается с этими натриевыми каналами, оказывая противоположный эффект, вызывая летаргию, мышечную слабость, анорексию, запор и лабильность эмоций. Третичная структура белков также зависит от pH окружающей среды. Кроме того, pH ЭКФ влияет на долю общего количества кальция в плазме, находящегося в свободной или ионизированной форме, по сравнению с фракцией, связанной с белками и фосфат-ионами. Изменение pH ЭКФ, следовательно, изменяет концентрацию ионизированного кальция в ЭКФ. Поскольку pH ЭКФ напрямую зависит от парциального давления углекислого газа в ЭКФ, гипервентиляция, которая снижает парциальное давление углекислого газа в ЭКФ, вызывает симптомы, практически не отличимые от низких концентраций ионизированного кальция в плазме. Внеклеточная жидкость может механически направляться в этой циркуляции везикулами между другими структурами. В совокупности это образует интерстиций, который можно рассматривать как недавно идентифицированную биологическую структуру в организме. Однако существуют споры относительно того, является ли интерстиций органом.