Homeostasis of body fluids G. Ogweno. Alle Ding sind Gift, und nichts ohn Gift; allein die Dosis...

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Homeostasis of body fluids G. Ogweno

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Homeostasis of body fluids

G. Ogweno

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Alle Ding sind Gift, und nichts ohn Gift; allein die Dosis macht, daß ein Ding kein Gift ist

"All substances are poisons; there is none which is not a poison. The right dose differentiates a poison and a remedy.”

Paracelsus (1493-1541)

(Philippus Theophrastus Aureolus Bombastus von Hohenheim )

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Fluid compartments

compartment

%body wt

Vol(L) barrier

Total Body water

60% 42

ICF 40% 28 Cell membrane

ECF(ISF/plasma)

20(15&5)

14(10.5&3.5)

Capillary wall

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Ionic composition

ion units ECF ICF

Na+ mEq/L 135-147 10-15

K+ mEq/L 3.5-5.0 120-150

Cl- mEq/L 95-105 20-30

HCO3 mEq/L 22-28 12-16

Ca++ Mmol/L 2.1-2.8 10-7

Pi Mmol/L 1.0-1.4 0.5-0.7

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Fluid exchange between ICF and ECF

• Free movement of water

• Direction by hydrostatic pressure and osmotic pressure balance determined by osmolality

• Water channels(aquaporins)

• Ionic movement determined by membrane transporters

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Mechanisms creating ionic gradients

• predominantly Na+&Cl- extracellular, K+,Prot&Pi intracellular

• Result of active transport e.g Na+/K+ ATPase

• Specific channels e.g K+leakage

• Presence of large organic osmolytes

• Membrane characteristics

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Membrane transportersWater channels: aquaporinsIon channels: Na+,K+,Ca++,Cl-,Anion,CatSolute carriers:• Uniport:glucose(Glut2),Fructose(Gluts),Urea(UT-A),Fe++

(ferroportin)• Symport:Na+-glucose(SGLT2),2Na+-amino acid,Na+-Cl-,Na+-

K+,Na+-Pi,Na-3HCO3,K+-Cl etc• Antiport: Na+-H+,Cl- -HCO3,3Na+-Ca++Transport ATPase:• P-Type: Na+,K+• H+,K+• H+,Ca++(PMCA)• V-Type:H-ATPase• ABC transporters:cystic fibrosis transmembrane regulator

(CFTR),multidrug resistance protein (MRP-1),Organic anion

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Role of ionic gradients

• Optimal enzymatic pH

• Membrane potential for excitable tissues

• Regulation of cell volume/turgor/shape

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Effect of exogenous fluid tonicity on ECF

• Isotonic NaCl to ECF-increase vol by same amount, ICF unaffected

• Hypotonic NaCl to ECF-osmotic equilibration, both ECF&ICF increase, equal but lower osmolality

• Hypertonic NaCl-osmotic equilibration, shift from ICF to ECF

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Regulation of cell volume:isotonic

• Water freely permeable, depends on osmotic pressure/osmolality gradient

• Function of balance of active ion transporters and Gibbs-Donnan effect

• Can be modified by reduced ATP synthesis or metabolic inhibitors e.g oubain

• Steady state determined by impermeant solutes• Permeant solutes only cause transient changes in

volume• The greater the permeability of membrane to permeant

solutes, the more the rapidity of time-cause of transient changes

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Response to hypotonic solution

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Response to hypertonic solution

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Regulation of cell volume:nonisotonic

• ECF normally isotonic• Certain regions non-isotonic e.g renal medulla, brain• Regulation by organic osmolytes e.g sorbitol,

myoinositol, methylamines,tarine, glutamate, β-Alanine• Ionic transporters e.g Na+/K+; Na+/H+;• Specific ion channels e.g K+,Cl-,• Cell size monitored by cytoskeleton, macromolecular

crowding, ionic strength, stimuli like stretching, second mesengers, neurotransmitters e.g glutamate

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Measurement of fluid volumes: principles

Indicator dilution techniquesQualities of dye:• Easy to detect conc, • equal equilibration rapidly, Complete mixing• Not adsorbed onto cells or constituents• nil disturbance of compartment• Stays in compartment• Can account for elimination e.g by metabolism

or excretion• Non toxic

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Measurement of fluid volumes:agents

• Plasma volume:tagged plasma proteins e.g Evans blue(T-1824) or iodine (131I) on albumin

• Total blood volume=plasma volX 100/(100-Ht)• Red cell vol=TBV-plasma vol;tagged RBC space e.g

by 51 Cr,59Fe, 32 p• ECF: inulin, mannitol, substraction from TBW• Interstitial: indirectly• ISF=ECF-plasma volume• ICF=TBW-ECF

• TBW: deuterium(D2O),tritium oxide, aminopyrine

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Importance of water in life

• Cell life-cell turgor and shape

• medium for Chemical and metabolic reactions

• Transport of nutrients

• Body temperature regulation

• Elimination of waste

• Lubricant finctions