Fisiologia Renale 6. Bilancio idro-elettrolitico I

Carlo Capelli – Fisiologia Corso di Laurea in Scienze Motorie

Università di Verona

Obiettivi

•  Acqua corporea totale: volume e distribuzione •  Distretti intra ed extra cellulare •  Metodo della diluizione di un indicatore •  Composizione dei liquidi corporei •  Volume occupato dalle proteine •  Elettroneutralità •  Pressione osmotica e movimento di H2O •  Tonicità ed osmolalità effettiva, stima dell’osmolalità dalla concentrazine del

sodio •  Soluzioni isotoniche, ipotoniche e ipertoniche e spostamenti di acqua tra i

compartimenti coroporei

Distribuzione dell’ACT •  Non è mostrato il fluido

transcellulare: fluido cerebrospinale, umore acqueo (1-3 % del PC)

Acqua corporea, dimensioni corporee e età

•  Differenze di composizione in base al sesso e all’età e alla percentuale di grasso corporeo

•  Le femmine anziane sono a maggior rischio di disidratazione

•  Anche i bambini: in % alti valori ma in termini assoluti c’è poca TBW

Metodo della diluizione di un indicatore

•  L’acqua corporea totale può essere calcolata dalla diluizione con sostanze che attraversano liberamente tutte le membrane

•  Il volume plasmatico può essere calcolato dalla diluizione con sostanze che non attraversano l’endotelio capillare

Composizione dei liquidi corporei

•  I liquidi corporei contengono sostanze organiche ed elettroliti •  Un elettrolita è una sostanza che si dissocia in ioni in soluzione •  Per questo la concentrazione può essere data in mM o in mEq per

litro di acqua o di soluzione •  Un equivalente è uguale al prodotto delle moli per la valenza dello

ione •  Un milliequivalente (mEq) = 1/1000 equivalente •  Per uno ione con una singola carica (ione monovalente) un

milliequivalente corrisponde ad una milllimole •  Per uno ione divalente, 2 mEq corrispondono ad una millimole per

litro •  Alcuni elettroliti (proteine) sono polivalenti •  In ogni compartimento fluido la somma degli ioni positivi (cationi)

deve essere uguale alla somma degli ioni negativi (anioni) (elettroneutralità)

1. Composizione dei liquidi corporei

Sostanze non elettrolitiche

2. Composizione dei liquidi corporei

•  Per il plasma, si pone il problema di esporre la concentrazione per litro di soluzione o litro (kg) di acqua

1. Composizione del plasma

•  Il plasma è composto da acqua (93% circa); proteine (7g/dl, 7% circa) e ioni;

•  Problemi: 1.  Come esprimere le concentrazioni di ioni e proteine nei compartimenti

intra ed extracellulari? Non vi è un consenso: sono espresse in mg/100 ml, mM, mEq/l.

2.  Bisogna comprendere perché le concentrazioni espresse nel plasma sono diverse da quelle del liquido interstiziale e da quelle dell’acqua plasmatica senza proteine.

3.  Il fatto che le concentrazioni ioniche dipendano dalla concentrazione delle proteine presenti nel liquido ha importanza pratica.

2. Composizione del plasma

Soluto Plasma Plasma senza proteine Liquido interstiziale Liquido intracellulare

Na+ (mM) 142 153 145 15

K+ (mM) 4.4 4.7 4.5 120

Ca2+ (mM) 1.2 (ionizzato) 2.5¶

1.3 (ionizzato) 1.2 (ionizzato) 0.0001 (ionizzato)

Mg2+ (mM) 0.6 (ionizzato) 0.9 (totale)

0.6 (ionizzato) 0.55 (ionizzato) 1 (ionizzato) 18 (totale)

Cl- (mM) 102 110 116 20

HCO3- (mM) 22 (arterioso) 24 25 15

H2PO4- e HPO4

2- 0.7 (ionizzato) 1.4 (totale)

0.75 (ionizzato) 0.8 (ionizzato) 0.7 (libero)

Proteine 7 g/dl 1 mmole/l

- 1g/dl 30 g/dl

Glucosio 5.5 5.9 5.9 Molto basso

pH 7.4 7.4 7.4 ~ 7.2

Osmolalità (mosmoli/kg H2O)

291 290 290 290

1. Il volume occupato dalle proteine •  Per le osservazioni che stiamo per fare, risulta più utile esprimere le concentrazioni in mEq/

l; •  Si passa da mEq/ l a mg/100 ml moltiplicando mEq /l per P.M., poi dividendo per la valenza e, infine,

dividendo di nuovo per 10 •  Milliequivalenti per litro di plasma libero dalle proteine: questo è ciò che conta poiché solo

la parte acquosa senza proteine può equilibrarsi a cavallo delle pareti delle cellule

Na+⎡⎣ ⎤⎦acqua plasmatica

= 142 meq/litro di plasma0.93

=153 meq/litro di ac. plas.a

Cl-⎡⎣ ⎤⎦acqua plasmatica

= 102 meq/litro di plasma0.93

=110 meq/litro di ac. plas.a

2. Il volume occupato dalle proteine

•  Se la frazione acquosa del plasma è inferiore al 93 % (iperproteinemia o iperlipemia) i valori di concentrazione riportati dai laboratori sembrano essere anormali anche se le concentrazioni che hanno significato fisiologico (quelle dell’acqua plasmatica) sono del tutto normali

•  Concentrazione di cationi e anioni nel liquido interstiziale e nel plasma senza proteine

•  Le proteine plasmatiche hanno una carica netta negativa e sono confinate all’interno

dei capillari •  Quindi, tendono a mantenere nel plasma i cationi e a respingere gli anioni •  Anche per questo la concentrazione dei cationi nell’acqua interstiziale libera da

proteine è inferiore di circa il 5 % rispetto al plasma; quella degli anioni è superiore di circa il 5 %

•  Na+: 153 ---> 145 meq/litro di acqua interstiziale libera dalle proteine •  Cl-: 110 --> 116 meq/litro di acqua interstiziale libera dalle proteine

Elettroneutralità •  Tutte le soluzioni devono rispettare il principio dell’elettroneutralità: il numero delle

cariche positive deve uguagliare quello delle cariche negative •  In realtà, se facciamo la somma di sodio e potassio e la confrontiamo con quella di

cloro e bicarbonato nelle cellule, vediamo che la prima eccede di parecchio la seconda. La differenza è dovuta alla presenza di cariche negative sulle proteine ed acidi organici.

•  Lo stesso dicasi per il plasma (vedi sotto). Questa differenza è denominata gap anionico:

anion gapplasma = [Na+]plasma - ([Cl-]plasma + [HCO3

-] plasma) = 9 - 14 meq/litro •  È la differenza tra gli anioni ignorati e i cationi ignorati. I primi comprendono

proteine anioniche e metaboliti anionici (a. lattico, beta-idrossibutirrato, acetoacetato) •  In presenza di un’acidosi metabolica dovuta all’accumulo di uno di questi composti,

l’anion gap aumenta.

Cationi Anioni Na+ K + Ca++ Altri Cl- HCO3

- Fosfati Altri

mEq/l 140 ± 5 4 ± 0.5 5 ± 1.0 6 ± 5 103 ± 0.5 29 2 ± 1.0 21

Totale 155 mEq 155 mEq

1. Pressione osmotica - Movimento di H2O

•  Il trasporto dell’acqua attraverso le membrane biologiche è sempre passivo ed è una funzione lineare non saturabile della cosiddetta net driving force

•  Avviene attraverso pori specifici (AQP1 e AQP2) •  La forza netta (∆µH2O, Totale), dipende: i) dal potenziale chimico (∆µH2O), che dipende

dalla differenza tra le concentrazioni dell’acqua e; ii) dalla differenza di pressione idrostatica (∆µH2O, Pressione) a cavallo della membrana.

ΔµH2O, Totale = ΔµH2O + ΔµH2O, Pressione

ΔµH2O, Totale

Differenza di energia totale

= RT ln H2O[ ]i

H2O[ ]o

Parte chimica

+ VH2O Pi - Po( )Parte idrostatica

Lavoro per mole

Volume parziale molare di H2O

2. Pressione osmotica - Movimento di H2O •  È scomodo avere che fare con la concentrazione dell’acqua •  In secondo luogo, si dovrebbe utilizzare in modo più appropriato l’attività dell’acqua: •  a(H2O) = 1 - k [C], C concentrazione di particelle di soluto; k = 0.018 •  Un’alta attività corrisponde ad una bassa C e viceversa •  Parliamo, quindi, di osmolalità, ovvero di di concentrazione di soluti osmoticamente

attivi per kg di solvente puro •  In soluzioni diluite, il gradiente di H2O a cavallo delle membrane è grossomodo

proporzionale alla differenza delle osmolalità

ln H2O[ ]i

H2O[ ]e

≅ VH2O Osmo - Osmi( )

ΔµH2O, Totale

Energia per mole

= VH2O

VolumeMole

• RT Osmo - Osmi( ) + Pi - Po( )⎡⎣ ⎤⎦

Pressione

3. Pressione osmotica - Movimento di H2O

•  Il termine tra parentesi quadre è una pressione. •  Descrive, quindi, la forza che determina il flusso dell’acqua (Jv, litri/cm2 s)

attraverso la membrana •  Lp: conduttività idraulica

ΔµH2O, Totale

Energia per mole

= VH2O

VolumeMole

• RT Osmo - Osmi( ) + Pi - Po( )⎡⎣ ⎤⎦

Pressione

Jv = Lp RT Osmo - Osmi( ) + Pi - Po( )⎡⎣ ⎤⎦

4. Pressione osmotica - Movimento di H2O • Equilibrio

•  In questo caso ∆µH2O, Totale è uguale a zero.

RT Osmo - Osmi( )Differenza di pressione osmotica, ∆π

= Pi - Po( )

Differenza di Pressione idrostatica, ∆P

•  Una differenza di 1 mosmole/kg equivale ad una differenza di 19.3 mm Hg a 37 °C (1 osmole ≈ 25 atmosfere a 37° e 22,4 atmosfere a 0 °C; π = nRT).

•  Le membrane delle cellule animali non sono molto rigide. Quindi, ∆P a cavallo delle membrane è sempre praticamente zero e non costituisce una forza netta per il trasporto di acqua.

•  Il trasporto di acqua è determinato dalle differenze di pressione osmotica. Questo movimento prende il nome di osmosi

•  Caso particolare: trasporto di ultrafiltrato attraverso le pareti dei capillari: 1) esiste una differenza di P a cavallo delle pareti dei capillari; 2) esiste una differenza di pressione osmotica dovuto all’accumulo di proteine nel plasma - 25 mm Hg - Pressione colloidoosmotica o pressione oncotica

1. Tonicità e osmolalità effettiva

Osmolalità totale

Osmolalità totale (mOsm) = 2 • Na +[ ] + Glucosio (mg/dl)

18 +

BUN (mg/dl)

2.8

Osmolalità effettiva o tonicità Tonicità (mOsm) = 2 • Na +[ ] +

Glucosio (mg/dl)

18

Liquidi iso-osmolali: 285-295 mOsm

Liquidi isotonici •  Soluzione isotonica: la sua osmolalità effettiva è uguale a quella della soluzione

di riferimento, p.e il plasma •  Soluzione ipotonica: osmolalità effettiva è minore di quella della soluzione di

riferimento •  Soluzione ipertonica: osmolalità effettiva è maggiore di quella della soluzione di

riferimento

2. Tonicità e osmolalità effettiva •  Per misurare l’osmolarità dei liquidi corporei si usa il sodio plasmatico perché la

sua concentrazione è ben correlata con la somma delle concentrazioni di Na+ e K+ scambiabili (il resto si trova nelle ossa)

•  Osmolarità plasmatica = 2 [Na+]p •  solo per quanto riguarda gli ioni … •  un calcolo più accurato si ha sommando il

contributo delle sostanze osmotiche non ioniche (glucosio e urea) che contribuiscono per circa 10 mOsm/kg H2O:

•  2 . 142 meq / l + 10 mOsm/kg H2O

•  = 294mOsm/kg H2O

•  DIABETE •  IPERPROTEINEMIA

•  2 x [ Na +]p (meq/l) + 0.055 x [ Glucosio]p (mg/100 ml) + 0.36 x [ urea ]p (mg/100 ml)

3. Tonicità e osmolalità effettiva

• Gli spostamenti di acqua tra i compartimenti extracellulare e intracellulare è dovuto ad alterazioni dell’osmolalità effettiva del liquido extracellulare (tonicità)

• Dal punto di vista clinico, queste modificazioni della tonicità sono solitamente dovuti ad iponatriemia, ipernatriemia o iperglicemia

• L’acqua si muoverà verso l’interno/esterno della cellula sino a che non viene raggiunto un nuovo equilibrio

Soluzioni isotoniche-ipertoniche e ipotoniche

Soluzioni isotoniche-ipertoniche e ipotoniche nel fluido extracellulare

• B: aggiunta di acqua distillata

• C: aggiunta di soluzione isotonica

• D: aggiunta di Na Cl

Bibliografia

Fisiologia dell’Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano Capitolo 20: Liquidi corporei e bilancio idro-salino (Capitolo 20.4)