MUDr. Jana MatějkováFYZIOLOGIE VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ ÚVOD Vnitřním prostředím se ve fyziologii rozumí složení bezprostředního okolí buněk, tj. v podstatě intersticiální tekutiny a krve, a to s ohledem na stav tekutin (vody), chemické složení (obsah iontů a dalších látek), osmolaritu a kyselost. Zahrnuje proto stav - hydratace a osmolarity - iontového složení - acidobazické rovnováhy Pro stabilní stav vnitřního prostředí se používá termín homeostáza. K jejímu udržení směřují četné regulační mechanismy organismu, činnost orgánů (ledviny, plíce, krevní oběh atd.) i nerových a hormonálních regulací. Řada dějů k jejímu udržení též vyžaduje energii. OSMOLARITA Je celkové množství osmoticky aktivních částic rozpuštěných v litru rozpouštědla, obv. vody. V krevní plasmě patří k takovým látkám soli, např. sodík, chloridy, méně draslík apod., ale rovněž cukry (glukóza) a močovina. Osmolarita plasmy se pohybuje kolem 280 mmol/l. Změny osmolarity registrují speciální receptory (osmoreceptory) v hypothalamu v mozku. Důležité jsou mechanismy přesunů tekutin mezi základními oddíly (kompartmenty) REGULACE OBJEMU TEKUTIN Tekutiny jsou regulovány s ohledem na jejich celkový objem a jejich osmolaritu. Celkový objem a objem v krevním řečišti je registrován částečně receptory pro tlak v cévním řečišti, významnou roli mají ledviny a systém renin- angiotenzin-aldosteron. Ledvina registrující nižší průtok vylučuje renin, který přes angiotenzinogen, angiotenzin I a II a stimuluje v kůře nadledvin vylučování aldosteronu. Aldosteron způsobuje v ledvinových tubulech zpětné vstřebávání sodíku (a vylučování draslíku), s nímž je zadržována voda. Voda se sodíkem doplňuje cévní řečiště a jeho náplň. REGULACE OBJEMU TEKUTIN Množství čisté vody (tj. vody bez solutů, solí) je registrováno jako její osmolarita (plasmy či tkáňového moku). Je-li osmolarita zvýšena, znamená to, že chybí určitá část čisté vody a naopak, pokud je osmolarita snížena, část čisté vody přebývá. Pozor, nemusí to nutně vypovídat o celkovém množství vody, vypovídá to o poměru vody a solí. Osmolaritu registruje část mozku zvaná hypothalamus. Je-li osmolarita zvýšena, vylučuje antidiuretický hormon (ADH), který v ledvinách způsobí zpětné vstřebání čisté vody (tedy jen vody, nikoliv solí). Moč je nápadně zahuštěna. Zároveň je výrazný pocit žízně, který vede k příjmu tekutin, které rovněž nařeďují zvýšeně osmolární prostředí (patrná je např. žízeň po konzumaci slaných potravin). V opačném případě, tj. při nízké osmolaritě, ADH klesá, voda se zpětně nevstřebává a odchází močí, která je velmi zředěná. PORUCHY OBJEMU TEKUTIN Pro objem tekutin a jejich poruchy používáme tyto pojmy: - normovolémie – normální objem - hypervolémie – zvýšený objem - hypovolémie – snížený objem PORUCHY OBJEMU TEKUTIN Pro změny osmolarity, resp. tonicity používáme termíny: - izoosmolarita, resp. izotonicita – tzn. že obě prostředí jsou stejně osmolární, resp. mají stejný osmotický tlak - hyperosmolarita, resp. hypertonicita – tzn. že jedno prostředí – myšleno obvykle intersticiální – má vyšší osmolaritu, resp. vyšší osmotický tlak (než buňky) - hypoosmolarita, resp. hypotonicita – tzn. že jedno prostředí – myšleno obvykle intersticiální – má nižší osmolaritu, resp. nižší osmotický tlak (než buňky) Při izotonicitě nedochází k žádným osmotickým dějům, resp. jejich účinek je vyrovnaný, žádné tekutiny se výsledně nepřemísťují. Při hypertonicitě přestupuje voda z buněk do intersticia, buňky vodu ztrácejí a zmenšují se. Při hypotonicitě přestupuje voda z intersticia do buněk, buňky vodu získávají a zvětšují se. PORUCHY OBJEMU TEKUTIN Poruchy objemu se projevují zejm. změnami v oběhovém systému. Hypovolémie snižuje množství obíhající krve, snižuje se minutový srdeční výdej, zásobení orgánů krví a kyslíkem, je únavnost, může dojít ke kolapsům, ztrátě vědomí až smrti. Příčinou je např. krvácení, zvracení, průjmy, velké pocení, horečka a nedostatečný přísun tekutin. Hypervolémie přetěžuje oběh, může vést k srdečnímu selhání, otokům orgánů, např. plic či mozku. Příčinou je např. selhání ledvin. PORUCHY OBJEMU TEKUTIN Poruchy osmolarity/tonicity se projeví na buněčné úrovni, buňky se zmenšují či zvětšují. Výrazně se tento stav projeví zejm. v mozku. Zvětšení buněk způsobuje otok mozku (mozek je uzavřen v tvrdé lebce), jejich zmenšení však rovněž způsobí problémy. Bývají bolesti hlavy, nevolnost, poruchy vědomí, křeče. V lidském organismu se tyto prouchy mohou kombinovat. Je např. možné mít hypervolémii i hypovolémii izo-, hyper- i izotonickou. Příznaky se pak kombinují. IONTOVÉ SLOŽENÍ TEKUTIN Sodík Sodíkový kationt (Na+) je nejhojnější kationt zevního prostředí (plasmy, intersticiální tekutiny). Jeho hlavní funkcí je udržování osmolarity a osmotických poměrů. Hlavní regulací obsahu sodíku v těle je hormon kůry nadledvin aldosteron (zadržení sodíku v ledvinových tubulech) a natriuretické peptidy (především ze srdce, které zvyšují vylučování sodíku). Koncentrace sodíku v plasmě se označuje jako natrémie, je-li zvýšená, jde o hypernatrémii, je-li snížená, jde o hyponatrémii. Jejich příčinami sice mohou být zadržení či ztráty sodíku, ale částo jde o důsledek ztráty či nadbytku vody. IONTOVÉ SLOŽENÍ TEKUTIN Draslík Draslíkový kationt (K+) je hlavní intracelulárním kationtem. Významná role draslíku je zejm. pro elektrické děje na buněčných membránách, tedy buněk svalových, srdečních a nervových. Proto jsou poruchy draslíku spojeny s poruchami svalovými (křeče či ochablost), srdečními (arytmie) či nervovými (křeče, poruchy nervového vedení). Vylučování draslíku způsobuje aldosteron, vstup draslíku do buněk zvyšuje rovněž inzulín. Koncentrace draslíku v krvi je rovněž ovlivněna kyselostí (pH) – při zvýšené kyselosti stoupá, při snížené kyselosti klesá. Koncentrace v plasmě se označuje jako kalémie. IONTOVÉ SLOŽENÍ TEKUTIN Zvýšená koncentrace je hyperkalémie. Způsobuje ji např.: - neschopnost vyloučit draslík při selhání ledvin - těžká acidóza - předávkování např. v infuzích - velký rozpad buněk Snížená koncentrace je hypokalémie. K příčinám patří např.: - velké ztráty draslíku močí, zejm. při podávání močopudných léků (diuretik) - velká alkalóza - nadměrný vstup draslíku do buněk IONTOVÉ SLOŽENÍ TEKUTIN Chloridy Chloridové anionty (Cl-) jsou hlavním aniontem krve, často doprovázejí sodíkové kationty. Jsou podkladem rovněž tvorby kyseliny chlorovodíkové v žaludku (HCl), takže se ztrácejí nadměrným zvracením. IONTOVÉ SLOŽENÍ TEKUTIN Vápník Vápník je přítomen v krvi jako volné vápníkové kationty (Ca++) nebo jako vázáný, převážně na bílkoviny. Volný vápník je nezbytný pro srážení krve, ale především pro nervosvalovou dráždivost, činnost nervů, stažlivost svalů vč. srdečního. V buňce je vápníku mnohem méně, ale je důležitý pro regulaci mnoha nitrobuněčných dějů. Nejvíce vápníku je v kostech, které slouží i jako jeho zásobárna. Hlavními regulátory jsou parathormon z příštítných tělísek a vitamin D (viz příslušné kapitoly). IONTOVÉ SLOŽENÍ TEKUTIN Koncentrace vápníku v krvi se označuje jako kalcémie. Zvýšená je hyperkalcémie. Vzniká např. při: - hyperparatyreóze (zvýšené funkci příštítných tělísek) - rozpadu kostí v důsledku např. některých nádorů - předávkování vitaminem D Hypokalcémie, snížená koncentrace, je vyvolána: - hypoparatyreózou - nedostatkem vitaminu D - nedostatkem vápníku - v potravě či jeho velmi špatným vstřebáváním ACIDOBAZICKÁ ROVNOVÁHA V lidském těle probíhá velké množství chemických reakcí, a to znamená, že se tvoří látky kyselého a zásaditého charakteru; navíc jsou tyto látky mnohdy přijímány ze zevního prostředí. Lidský organismus je velmi citlivý na změny kyselosti a zásaditosti, proto má vyvinutý systém regulující acidobazickou rovnováhu (ABR). Tento systém funguje v buňkách i na úrovni organismu jako celku (krve a intersticiální tekutiny). ACIDOBAZICKÁ ROVNOVÁHA PH Výsledná hodnota kyselosti či zásaditosti se vyjadřuje jako pH. Je to dekadický záporný logaritmus koncentrace vodíkových iontů (protonů, H+). Neutrální je pH=7, pH<7 je kyselé, pH>7 je neutrální. Jde však o logaritmus, tzn. že změna o celou jednotku (např. z pH 6 na pH 7 znamená 10násobnou změnu koncentrace protonů). pH tepenné krve, resp. vnitřního prostředí, je 7,4 a fyziologické odchylky jsou jen 0,04, takže rozmezí je 7,36-7,44. pH nižší než 7,36 se označuje jako acidémie, pH větší než 7,44 jako alkalémie. Hodnoty slučitelné se životem se pohybují od cca 7 po 7,7, ale záleží i na dalším stavu, jsou i pacienti s pH lehce pod 7. Nicméně jde už o velmi závažné stavy. Stavy, které vedou k okyselování, se označují jako acidóza, stavy vedoucí k alkalizaci jako alkalóza. ACIDOBAZICKÁ ROVNOVÁHA PH Změny pH a jejich důsledky Změny pH ovlivňují celou řadu dějů, většinou mají vliv na činnost enzymů a vznik energie. Obvykle lépe je snášena acidémie, naopak alkalémie je tolerována špatně. Při těžké acidémii se zhoršuje vznik energie, snižuje se stažlivost srdce, dochází k poruchám iontových dějů. Nápadným příznakem alkalémie je zvýšená nervosvalová dráždivost – při vyšším pH mají krevní bílkoviny větší tendenci vázat volné kationty vápníku, kterého je pak v krvi nedostatek. Protože ionizovaný vápník tlumí nervosvalovou dráždivost, je tato zvýšena, což se projeví svalovými záškuby, křečemi a tzv. tetaniemi. ACIDOBAZICKÁ ROVNOVÁHA PH Hodnota pH však v různých částech organismu či v buňkách může nabývat i odlišných hodnot. Velmi extrémní (kyselé) prostředí je díky HCl v žaludku (pH 1-2), obvykle je kyselá i moč (pH kolem 5,5), okyseluje se pracující sval, vnitřek buňky atd. Protože však pH je důležité pro funkce orgánů a činnost enzymů, je udržováno v poměrně stálém rozmezí. Obecně se dá říci, že lidský organismus má mírnou tendenci se okyselovat a proto se kyselých látek (protonů) musí zbavovat. Hlavním místem této exkrece jsou ledviny, a proto je moč obvykle kyselá. Toto okyselování závisí jak na metabolismu, tak typu výživy – některá potrava, zejm. rostlinná, je spíše alkalizující. Hlavní součásti ABR jsou: - pufry (nárazníky, tlumiče): látky, které jsou schopny tlumit změny – jsou obsaženy v krvi, ale i v buňkách - dýchání - činnost ledvin PUFRY Princip činnosti pufrů Pufry jsou chemické směsi slabé kyseliny a její konjugované baze, které při přidávání (nebo odebírání) vodíkových iontů do systému jsou schopny tlumit výkyvy koncentrací H+. Bikarbonátový pufr (HCO3 -) Jde o hlavní pufr, který je tvořený solí kyseliny uhličitého, tzv. kyselým uhličitanem (hydrogenkarbonátem). Ten má schopnost vázat volný proton (H+), čímž vzniká kyselina uhličitá (H2CO3), která se ihned rozpadá na vodu (H2O) a oxid uhličitý (CO2). Tím se nadbytečné protony eliminují a zabraňuje se nadměrnému okyselení; samozřejmě se však vyčerpává postupně kapacita pufrů. PUFRY Po ustavení chemické rovnováhy koncentrace vodíkových iontů stoupne jen nepatrně: H+ + HCO3 - ↔ H2CO3 ↔ CO2 + H2O Bikarbonátový pufr je nicméně významný tím, že je ve spojení s vnějším prostředím pomocí dýchání. Jde o to, že pokud by velké množství bikarbonátů bylo spotřebováno pufrováním protonů, pH by postupně rovněž klesalo. Organismus je však schopen vydýchat nadbytečný oxid uhličitý, čímž se poměr bikarbonátu a CO2 ustaluje a pH se udržuje v přijatelném rozmezí. Toto napojení na dýchání dává bikarbonátovému pufru velkou kapacitu. PUFRY Nebikarbonátové pufry Zahrnují hemoglobin a bílkoviny a fosfáty. Proteiny vč. hemoglobinu jsou schopny navazovat proton na svou disociovanou COO- skupinu. Fosfáty pak přecházejí mezi formami H2PO4 - a HPO4 2- ACIDOBAZICKÁ ROVNOVÁHA Respirační a metabolická složka acidobazické rovnováhy Respirační složka ABR Respirace ovlivňuje ABR přes oxid uhličitý. CO2 je okyselující, protože s vodou tvoří kyselinu uhličitou (H2CO3), která disociuje proton (H+). Proto zadržení oxidu uhličitého při nedostatečném dýchání (nízké alveolární ventilaci) vede k acidóze, a to tzv. respirační. Naopak je-li vydýcháván, kyselin ubývá, vzniká respirační alkalóza. Metabolická složka ABR Metabolická složka je dána produkcí silných kyselin v metabolismu, např. sulfátů, fosfátů, ale i ketolátek apod. Významná je činnost ledvin, které jsou schopny protony vylučovat z těla. PORUCHY ABR Z výše uvedeného vyplývá, že v organismu může nastat: - acidóza - alkalóza Příčinou může být složka metabolická či respirační, čili mohou být 4 možnosti: - acidóza metabolická - acidóza respirační - alkalóza metabolická - alkalóza respirační PORUCHY ABR Velmi často tyto děje nejsou izolované, nýbrž probíhá několik dějů současně. Důležité je, že zároveň se tělo snaží takto vzniklé odchylky upravovat, vracet pH co nejblíže k normální hodnotě. Výsledná hodnota pH potom je výsledkem nejen původních dějů okyselujících a alkalizujících, ale i reakcí metabolismu. Ty se nazývají: - kompenzace, pokud organismus využije respirace k úpravě poruch metabolických či naopak metabolických dějů k úpravě poruch respiračních - korekce, použije-li těch mechanismů, které byly primárně porušeny (nemusí to ovšem vždy být možné). Je zřejmé, že výsledkem kompenzace může být zlepšení pH s tím, že nedojde k jeho plné normalizaci, protože nebyla odstraněna vlastní porucha. Navíc kompenzační děje mají své limity a zároveň znamenají, že druhotně mění další funkce organismu. PORUCHY ABR Metabolická acidóza (MAc) Vzniká nadměrnou tvorbou protonů, resp. neschopností organismu je vyloučit (tj. vzniká nadbytek silných kyselin či klesá schopnost je vylučovat). Nadbytečné protony jsou pufrovány, přesto pH klesá a ubývá kapacita pufrů. Metabolickou acidózu se tělo snaží kompenzovat dýcháním, tj. respiračně. Dýchání se zrychluje a prohlubuje (hyperventilace), čímž se z těla dostává větší množství oxidu uhličitého. Dochází tak k hypokapnii a respirační alkalóze. pH se opět částečně normalizuje, ale pokud trvá základní porucha (tj. hromadění protonů), nedojde k úplné úpravě a stav se postupně může dále zhoršovat. PORUCHY ABR Metabolickou acidózu poznáme tak, že klesá množství bazí v krvi. Zapojení respirační kompenzace poznáme tak, že klesá množství (parciální tlak) oxidu uhličitého v arteriální krvi. pH je výslednicí těchto dějů, obvykle je přítomna též acidémie. Nejčastější příčiny MAc jsou: - hromadění ketolátek při hladovění a zejména při cukrovce (diabetu) 1. typu. Ketolátky vznikají spotřebou tuků místo cukrů (viz kapitola o metabolismu). Jsou to poměrně silné kyseliny, lze je prokázat i v moči. Hovoří se o ketoacidóz - hromadění mléčné kyseliny (laktátu) při metabolismu bez dostatku kyslíku (viz kapitola věnovaná hypoxii, kde jsou uvedeny i hlavní příčiny tohoto stavu). Cukr není spalován na vodu a oxid uhličitý, nýbrž jen na laktát, který pak okyseluje vnitřní prostředí – laktacidóza PORUCHY ABR - neschopnost vylučovat kyseliny (protony) močí, tj. stavy provázející selhání ledvin - ztráty bazí, alkalických látek, a to nejčastěji průjmy či močí (některé poruchy ledvinových tubulů). Jde zejm. o ztráty bikarbonátu, který je hojně obsažen v trávicích šťávách ve střevě a který se normálně vstřebává zpět z primární moči v proximálním tubulu ledvin. - vznik abnormálních kyselin ve velkém množství, nejč. z důvodu otrav. Závažnými otravami jsou otravy metanolem (methylalkoholem), z něhož vzniká kyselina mravenčí, či nemrznoucími směsmi, které obsahují ethylenglykol, z něhož vzniká kyselina šťavelová. PORUCHY ABR Respirační acidóza (RAc) Vzniká zadržováním oxidu uhličitého při sníženém dýchání, tj. alveolární hypoventilaci, tj. je způsobena větš. závažnými poruchami dýchání (viz kap. o dýchání). Základním rysem je vzestup parciálního tlaku CO2. Podstatné je, že vzestup oxidu uhličitého v arteriální krvi (hyperkapnie) je v důsledku snížené ventilace provázena i nedostatkem kyslíku (hypoxémií a hypoxií), které vedou k anaerobnímu metabolismu a tudíž i laktátové metabolické acidóze. RAc je kompenzována metabolicky, činností ledvin, které z těla odstraňují protony; na rozdíl od respirační kompenzace trvá tento proces několik dnů, respirační reakce je podstatně rychlejší. PORUCHY ABR Metabolická alkalóza (MAl) Vzniká obvykle ztrátami kyselých látek, popř. nadměrným dodáváním látek zásaditých (např. i při nesprávně vedené infuzní terapii). Typickým příkladem ztrát kyselin je zvracení. Žaludeční obsah je velmi kyselý, žaludeční šťáva obsahuje velké množství kyseliny chlorovodíkové (HCl). Při zvracení se ztrácejí protony (H+) a chloridové anionty (Cl-). Místo chloridových aniontů do krve vstupují bikarbonátové anionty (HCO3 -), které jsou alkalizující, místo protonu obvykle sodíkové kationty (Na+). Vnitřní prostředí se tak alkalizuje. Kompenzace tohoto stavu je dosti obtížná, protože respirační kompenzace by znamenala zvyšovat množství oxidu uhličitého v krvi, tedy méně dýchat (hypoventilovat). To by ovšem současně vedlo k nedostatku kyslíku (hypoxémii), proto je kompenzace metabolické alkalózy nedostatečná a lidský organismus MAl snáší poměrně špatně. PORUCHY ABR Respirační alkalóza (RAl) Vzniká nadměrným vydýcháváním oxidu uhličitého, tj. alveolární hyperventilací vedoucí k hypokapnii. Samostatně je způsobena např. drážděním dechového centra včetně stavu paniky apod. Často vzniká jako kompenzační děj metabolické acidózy.