4.5.4. Транскапілярний обмін

У будь-який момент часу лише 5% об’єму циркулюючої крові перебуває в капілярах, але вона є найважливішою частиною всього об’єму крові, оскільки саме ця частка крові віддає тканинам кисень і поживні речовини та забирає від них вуглекислий газ та інші кінцеві продукти метаболізму. Здійснення обміну речовинами між кров’ю і тканинною рідиною відбувається не тільки в капілярах, а й у венулах, оскільки стінка обох типів судин побудована лише з одного шару ендотелію. Розрізняють такі механізми транскапіляр-ного обміну речовинами: дифузія, фільтрація і цитопемпзис

Дифузія. Процес дифузії відбувається за наявності різниці концентрацій речовини і йде в напрямку від більшої концентрації до меншої за умови відсутності будь-яких перешкод (непроникних мембран, електростатичних взаємодій для іонів, густини розчинника). Стінки капіляра і венули, точніше мембрани евдо-теліальних клітин їхніх стінок, саме і є такою перешкодою, яка обмежує дифузію водорозчинних молекул. Крізь біліпідний шар мембрани ендотелію вільно проходять тільки жиророзчинні речовини, в тому числі гази крові — С02 і 02. Отже, останні дифундують крізь усю поверхню капілярів. Вода теж може проходити крізь стінку капіляра за допомогою спеціальних утворень — аква-поринів, хоч і повільніше, ніж жиророзчинні речовини; що ж стосується водорозчинних речовин (Na+ СІ 7 глюкоза і т.п.), то вони дифундують лише крізь ультрамікроскопічні пори між клітинами ендотелію (рис. 4.19). Такі пори також пронизують товщу ендо-теліальних клітин. За даними Дж.Папенгеймера на 1 см2 поверхні капіляра нараховується (1-2) ТО’ пор, їх частка в суцільних капілярах становить біля 0,1% всієї капілярної поверхні.

Здатність молекул проходити крізь пори залежить від їхніх розмірів. Якщо ширина пори в 10 разів і більше переважає радіус молекули, то швидкість її дифузії майже дорівнює швидкості вільної дифузії (за відсутності бар’єрів). Для крупніших молекул має місце обмежена дифузія. Так, якщо глюкоза (радіус молекули 0,35 нм) майже вільно проходить крізь пори капілярів, то швидкість дифузії альбуміну, радіус молекул якого досягає 3 нм, становить лише 5% від константи вільної дифузії. При розрахунках проникності біологічних мембран для різних речовин використовують коефіцієнт відбиття розчиненої речовини, який розраховується за співвідношенням діаметрів молекули речовини і по-

133

5

З

4

Рис. 4.19. Шляхи транскапілярного обміну:

1 — ендотеліальні клітини; 2 — базальна мембрана; 3,4 — везикулярний транспорт (цитопепсис); 5 — фільтрація крізь пори; б — перицит (клітина Руже). Стрілками показана дифузія крізь поверхню капіляра.

ри в мембрані. Його значення лежать у діапазоні від 0 (повна проникність) до 1 (абсолютна непроникність).

Обмін речовинами шляхом їх дифузії крізь стінку капіляра, незважаючи на наявність перешкод, надзвичайно ефективний. Підраховано, що за добу крізь всі капіляри тіла людини дифундує 80 000 л води і 20 000 г глюкози. Щоб ці числа не здавались фантастичними, слід врахувати, що дифундуючі речовини багаторазово проходять капілярний бар’єр в обидва боки залежно від напрямку градієнта концентрацій.

Фільтрація і реабсорбція. Фільтрацією називають процес проходження розчину чи суспензії з часточками через пористу перегородку, причому розмір профільтрованих часточок обмежується шириною пор. Але на відміну від дифузії рушійною си-

134

лою фільтрації є не осмос, а різниця гідростатичних гисків по обидва боки мембрани, тобто різниця між тиском крові, в капілярі і тиском тканинної рідини зовні капіляра.

Наприкінці XIX сторіччя англійський фізіолог Д.Старлінг висунув гіпотезу, яка пояснює механізми фільтрації і зворотного переходу рідини (реабсорбції) в кровоносних капілярах. За.цією гіпотезою рух рідини крізь стінку капіляра відбувається під впливом двох протилежних сил: гідростатичного і онкотичного тиску крові. Перший з них виштовхує плазму через пори за межі капіляра, а другий, створений білками плазми крові, які не проходять крізь стінку капіляра, навпаки, утримує її. В артеріальному кінці капіляра гідростатичний тиск крові (Р^) дорівнює ЗО мм рт.ст., а онкотичний (Рок) — 25 мм, внаслідок переважання першого відбувається фільтрація. У венозному кінці капіляра Рге падає до 15 мм рт.ст., а Рок, залишається майже без змін, що спричиняє зворотний процес — реабсорбцію тканинної рідини назад у кров.

Це спрощена інтерпретація гіпотези Старлінга. При більш точних обчисленнях необхідно враховувати також гідростатичний і онкотичний тиск тканинної рідини (Р^ та Рот). Щодо першого показника — Рга — до цього часу немає методів його визначення та ЄДИНОЇ думки Про ЙОГО величину. Умовно Приймають Рн. близьким до нуля. Другий показник — Рот—, обрахований за вмістом білка в тканинній рідині, становить в середньому 4-5 мм рт.ст

Таким чином, за Стерлінгом швидкість фільтрації V в мл/хв-мм рт.ст.-100 г тканини визначається за рівнянням:

V=K • [(Рга— Pjt) — (Рок — Рот)], (21)

де К — коефіцієнт капілярної фільтрації, який залежить від будови і проникності капілярної стінки та загальної поверхні функціонуючих капілярів. Так, коефіцієнт капілярної фільтрації скелетних м’язів дорівнює 0,01, вікончастих капілярів кишечника— 0,1, а для переривчастих капілярів печінки він становить 0,2-0,5 мл/хв-мм рт.ст. на 100 г тканини.

Різниця гідростатичних тисків крові і тканини — фактор, що зумовлює вихід плазми з капіляра, тоді як різниця між онкотичними тисками крові і тканини, навпаки, утримує плазму в капілярах. Якщо переважає перша різниця і V має позитивне значення, відбувається процес фільтрації, а коли Рга у венозному кінці капіляра падає і стає нижчим від різниці між Рок і Рот, тоді йде зворотний процес — реабсорбція тканинної рідини.

135

Ефективний фільтраційний тиск (ЕФТ) — це різниця між тиском, направленим назовні капіляра (Р^-Ри), та тиском, направленим всередину його (Рокот). Розрахунки, проведені за рівнянням (19), дають значення ЕФТ в артеріальному кінці капіляра +9 мм рт.ст., а у венозному -6. Ця остання величина називається ефективним реабсорбційним тиском (ЕРТ). Оскільки за нормальних умов ЕРТ завжди менше ЕФТ, то об’єм реабсорбції (Vr= 18 л на добу) буде меншим від об’єму фільтрації (Vt-=20 л на добу). Залишок тканинної рідини відводиться в кровоносне русло через лімфатичну систему, яка в даному разі виконує дренажну функцію.

Сказане вище про фільтраційно-реабсорбційні процеси в капілярах відноситься певною мірою і до венул. Венули, як і капіляри, позбавлені середнього і зовнішнього шару стінки, їхня площа поперечного перерізу майже така ж, як і в капілярів (4000 см2), вони відрізняються від останніх більшим діаметром і тим, що утворюються внаслідок злиття кількох капілярів. Крізь стінку венул також здійснюється транскапілярний обмін — головним чином реабсорбція. Але, незважаючи на те, що поверхня судин, доступна для реабсорбції (венозні кінці капілярів + венули) більша, ніж поверхня для фільтрації, об’єм тканинної рідини, що реаб-сорбується, менший від об’єму профільтрованої рідини. Причиною цього, як зазначалося вище, є на третину менший ЕРТ, ніж ЕФТ, а ці обидва фактори відіграють виріїпальну роль у визначенні напрямку транскапілярного обміну рідини.

Можна стверджувати, що в умовах стабільного стану організму (steady state) онкотичний тиск плазми крові і тканинної рідини протягом відносно короткого часу (хвилини, десятки хвилин) залишається сталим. Тоді основним чинником, що визначає напрям руху рідини, є тиск крові у капілярі. А останній в свою чергу залежить від стану сфінктерів: закритий прекапілярний сфінктер — капілярний тиск низький, відбувається реабсорбція. Коли ж цей сфінктер відкривається, і до того ж закривається посг-капілярний сфінктер, тиск у капілярі зростає, і починається інтенсивна фільтрація і вихід значних об’ємів рідини в інтерстицій.

Гіпотеза Старлінга, якою і понині користуються фахівці при аналізі процесів фільтрації-реабсорбції, виходить з положення про непроникність стінки капіляра для білків. Зараз добре відомо, що білки, як і інші макромолекули, проходять крізь пори в стінці капіляра, якщо звичайно розмір білкової молекули менший від діаметра пори. Цей процес значно повільніший, ніж

136

транспорт води та речовин з малими розмірами молекули, проте він дуже важливий у функціональному відношенні: білки плазми, потрапивши у міжклітинний простір беруть участь у транспорті гідрофобних, нерозчинних у воді речовин (жири і жирні кислоти), металів (мідь, залізо), гормонів тощо. Більш як половину білків тканинної рідини становлять білки, що перейшли туди з плазми. Звичайно вони не залишаються там, а використовуються клітинами органів у нативній формі або будучи розщепленими протеазами інтерстицію. Крім того, певна частина білків тканинної рідини через лімфатичну систему повертається назад у кров. Варто зазначити, що лімфатичні капіляри є своєрідною пасткою для білків (див. Розділ 7), і тому відіграють основну роль у поверненні білків тканинної рідини в кровоносне русло. Таким чином відбувається постійний кругообіг білків в організмі, причому в процес залучаються значні кількості білка — за добу з плазми в тканинну рідину, а звідти в лімфу і далі знову у кров транспортується до 240 г білка. Будь які зміни цього кругообігу (регуляторні, функціональні чи патологічні) будуть позначатись на перерозподілі позаклітинної рідини між судинним та міжклітинним просторами. На відміну від процесів, описаних Старлінгом, які відбуваються впродовж хвилин чи години, процеси, пов’язані з кругообігом білків, тривають багато годин і днів. І тому, коли мова йде про стабільність функціонування інтактного організму, ці процеси треба враховувати. Для цього, зокрема, додатково вводять у рівняння Старлінга (21) коефіцієнт відбиття білків.

Цитопемпсис. Вище говорилось про проникність стінки капіляра для білків і про функціональне значення цього процесу. Мова йшла про фільтрацію білкових молекул крізь пори між ендотепіа-льними клітинами, обмежену розмірами пор. Звичайно, високомо-лекулярні білки, діаметр молекули яких більше 10 нм, пройти крізь ці пори не можуть. (Це не стосується тканин з вікончастим та переривчастим типом капілярів, де віконця-щілини (ворота) між ендо-теліальними клітинами можуть досягати 20-100 і навіть 1000 нм.)

Для таких білків існує інший шлях переходу крізь товщу ен-дотеліальної клітини, який дістав назву цитопемпсису (мікропіно-цитозу). Це активний, з використанням енергії АТФ, транспорт макромолекул, що здійснюється за допомогою міхурців (везикул), які утворюються на одній поверхні ендотеліальної клітини і, захопивши макромолекулу, проходять з нею цитоплазму клітини і розкриваються на протилежній поверхні. На рис. 4.19 схематично

137

зображено основні механізми транскаиілярного обміну, зокрема везикулярний транспорт речовин. Наступний рисунок (рис. 4.20) демонструє ефективність цього виду транспорту. На електронній мікрофотографії представлено косий переріз капіляра міокарда миші, якій перед умертвінням було внутрішньовенно введено І1Є-роксидазу хріну. Цей електронноконтрастний високомолекуляр-ний білок було виявлено в крові у просвіті капіляра, в цитоплазмі ендотеліальних клітин всередині численних міхурців (везикул), а також у тканинній рідині поза капіляром. На думку дослідників, саме ці міхурці і здійснюють транспорт білків.

Нині вже одержана певна кількісна оцінка везикулярного транспорту речовин крізь стінку клітини. Так, діаметр міхурців в ендотеліальних клітинах в середньому становить 50-70 нм. життєвий цикл одного міхурця (час від утворення його на одній поверхні клітини, переходу його крізь цитоплазму і до розкриття на протилежному боці клітини) оцінюється в 1-9 с. Швидкість утво-

Рис. 4.20. Везикулярний транспорт макромолекул крізь капілярну стінку: Е — еритроцит: Пл — плагма: С — пора в стінці капіляра: Ен — ендотелій; В — везикули; Киц — кардіаміоцит.

138

рення міхурців лосягас 6 10 штук за І с на 1 мкм2 поверхні ендо-теліальиої клітини. Підраховано, що за допомогою цього механізму ендотелій кровоносних капілярів за 20-35 хв може перенести за межі судин об’єм плазми, який дорівнює ємності всього капілярного русла (Чернух та ін., 1984).

В.О. ЦИБЕНКО. Фізіологія серцево-судинної системи