Il Sangue e il plasma���2. Eritrociti, pressione osmotica

del plasma, tonicità Carlo Capelli – Fisiologia Facoltà di

Università di Verona

Obiettivi 1.  Eritrociti: caratteristiche morfologiche e “life span” 2.  Proteine plasmatiche: composizione e principali funzioni 3.  Proteine plasmatiche e pressione colloido-osmotica 4.  Concetto di pressione osmotica 5.  Tonicità e osmolalità effettiva 6.  A parità di soluti osmoticamente attivi, la TBW determina

l’osmolalità 7.  La concentrazione di Na+ extracellulare determina il

volume del liquido extracellulare 8.  Meccanismi cellulari che regolano il mantenimento del

volume cellulare 9.  Equilibrio di Gibbs-Donnan

1. Eritrociti • Forma biconcava

•  Indice di sfericità •  per una sfera è uguale a 1; gg.rr. normali 0.77 ± 0.025

SI = 4.84 V2/3

A

8.3 ±0.43 µ

2.4 ± 0.15 µ

1.0 ± 0.30 µ

Area: 140 ± 17 µ2 Volume: 84 ± 17 µ3

8.3 µ

2.4 µ

2. Indice di Sfericità e Eritrociti

•  Indice di sfericità • La superficie dell’eritrocita di forma discoide è molto più ampia di

quella che avrebbe la cellula se avesse un forma sferica • Quindi, la forma discoide ottimizza l’area disponibile per la

diffusione dei gas • Vi sono sostanze che inducono una trasformazione reversibile da

discoide a sfera. Esse comprendono anche dei detergenti anionici • Queste sostanze, in alte concentrazione, sono lisanti. • Quindi, vi sono delle proteine plasmatiche che preservano la forma

discoide •  In alcune condizioni ed in patologie compaiono forme abnormi di

eritrociti.

“Life span” degli eritrociti

•  Normalmente, la probabilità di un globulo rosso di andare incontro a distruzione dipende dall’età della cellula - teoria dell’aging o teoria intrinseca della distruzione.

•  In patologia, la probabilità di andare incontro a distruzione è del tutto indipendente dall’età - teoria estrinseca della distruzione; la distruzione sarebbe indipendente dall’età

•  Nel primo caso si deve parlare di “life span”, nel secondo di emi-vita per caratterizzare la durata della vita della popolazione cellulare

“Life span” degli eritrociti

•  Il life span è la media della durata dell’esistenza di una popolazione di cellule

• L’esistenza si distribuisce secondo una curva gaussiana, distribuzione normale

•  In media attorno ai 100 giorni per gg.rr. sani

“Life span” degli eritrociti

1.  Curva in tratto continuo: •  descrive i risultati sperimentali

ottenuti con gg.rr. marcati con materiale radioattivo

2.  Curva tratteggiata •  Il tracciato monoesponenziale

descrive la curva che ci si potrebbe attendere se la distruzione dei gg.rr. fosse indipendente dall’età

dydx

= - k • y

1.  Riserva di a.a. 2.  Carriers 3.  Sostanze tampone

(anfotere) 4.  Zimogeni 5.  Responsabili della

pressione colloido-osmotica

Proteine plasmatiche

•  60 % proteine plasmatiche totali: albumina

•  40 % proteine plasmatiche totali: globuline

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 (NDF)

•  L’acqua passa attraverso pori specifici (AQP1 e AQP2) costituiti da proteine specializzate (acquaporine)

•  La forza netta (NDF): i) potenziale chimico (∆µH2O), dipende dalla differenza tra le concentrazioni dell’acqua e; ii) 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

• osmolalità, ovvero di concentrazione di soluti osmoticamente attivi per kg di solvente puro

•  In soluzioni diluite, il gradiente di concentrazione di H2O a cavallo delle membrane è grossomodo proporzionale alla differenza delle osmolalità

ln H2O[ ]i

H2O[ ]o

≅ 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. •  Corrisponde, quindi, al fattore intensivo, la forza che determina il flusso dell’acqua

(Jv, litri/cm2 s) attraverso la membrana •  Lp: conduttività idraulica di membrana

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 = 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

Liquido iso-osmolali: 290 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

• Gli spostamenti di acqua tra i compartimenti extracellulare e intracellulare sono dovuti ad alterazioni dell’osmolalità effettiva del liquidi extracellulare (tonicità)

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

3. Tonicità e osmolalità effettiva

•  Modificazioni stabili del volume cellulare non si stabiliscono in presenza di modificazioni della concentrazione extracellulare di un soluto scambiabile

4. Osmosi ed Eritrociti •  Il trasporto di acqua attraverso la membrana per osmosi dipende

dalla concentrazione di Hb all’interno dell’eritrocita

•  Quando il volume aumenta del 30 %, l’eritrocita diventa sferico

•  Emolisi: l’Hb lascia la cellula •  In vivo abbiamo una continua emolisi,

ma in alcune condizioni si ha un’emolisi accentuata (emolisine)

•  Test per la fragilità degli eritrociti: sferociti e eritrociti vecchi, si emolizzano a volumi più piccoli

1. Concentrazione di Na+ e volume del liquido extracellulare

•  Le variazioni del volume di liquido extracellulare sono molto importanti perché condizionano il volume effettivo circolante.

•  Poiché solitamente viene stabilizzata l’osmolalità, un aumento della quantità di Na+ extracellulare causerà l’aumento del volume extracellulare

Na+ extracellularemmoli

= Na+⎡⎣ ⎤⎦e

mmoli/litro

× Volume ECFlitri

Na+ extracellulare

mmoli = Osmolalità

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟× Volume ECF

litri

•  Poiché il Na+ intracellulare è scarso, quello extracellulare costituisce, in pratica, il Na+ corporeo totale

•  Il rene risponde ad aumenti del volume effettivo circolante aumentando l’escrezione di Na+

2.Acqua coporea totale e osmolalità

•  Se manteniamo costante il Na+ corporeo totale, una variazione dell’acqua corporea totale determina l’osmolalità

Osmoli totali

milliosmoli = Osmolalità[ ]

milliosmoli/litro × TBW

litri

•  Per esempio, se si instaura una diminuzione dell’osmolalità per espansione di TBW, gli osmocettori sono stimolati. La risposta riflessa porta ad una riduzione del senso di sete ed all’aumento della diuresi.

1. Ruolo della pompa Na+-K+ nel mantenere il volume cellulare

•  La depolarizzazione della cellula che consegue all’inibizione della pompa favorisce anche l’entrata di Cl- con ulteriore aumento delle particelle osmoticamente attive nell’ambiente intracellulare

2. Risposte cellulari alle variazioni rapide di volume intracellulare

1.  Aggiunta di soluti impermeabili all’ambiente extracellulare •  Ambiente extracellulare iperosmolare --> la cellula si disidrata

RVI: Regulatory Volume Increase

•  Risposte basate sull’attivazione di canali ionici

3. Risposte cellulari alle variazioni rapide di volume intracellulare

2.  Aggiunta di acqua all’ambiente extracellulare •  Ambiente extracellulare iposmolare --> la cellula si imbibisce

RVD: Regulatory Volume Decrease

4. Risposte cellulari alle variazioni lente di volume intracellulare

• Le risposte adattative croniche al’iperosomolalità prevedono l’aumento di soluti organici (osmoliti o osmoli idiogeniche) nella cellula (sorbitolo, inositolo, betaina, taurina) che incrementano l’osmolalità intracellulare.

• Queste risposte sono molto spiccate nelle cellule nervose. P.e, la disidratazione attiva l’aldoso reduttasi per la sintesi del sorbitolo

• Per questo motivo, non è saggio correggere in modo aggressivo ed affrettato un disturbo idro-salino che ha comportato variazioni dell’osmolalità plasmatica di lunga durata.

1. Equilibrio di Gibbs-Donnan

•  I due compartimenti hanno pareti rigide •  Sono separati da una membrana semipermeabile •  All’interno delle cellule vi sono delle macromolecole cariche negativamente (proteine)

Vm = - RTF

ln Na+⎡⎣ ⎤⎦i

Na+⎡⎣ ⎤⎦o

Vm = - RT(-1) F

ln Cl-⎡⎣ ⎤⎦i

Cl-⎡⎣ ⎤⎦o

- ln Na+⎡⎣ ⎤⎦i

Na+⎡⎣ ⎤⎦o

= RTF

ln Cl-⎡⎣ ⎤⎦i

Cl-⎡⎣ ⎤⎦o

2. Equilibrio di Gibbs-Donnan

Na+⎡⎣ ⎤⎦o

Na+⎡⎣ ⎤⎦i

=Cl-⎡⎣ ⎤⎦i

Cl-⎡⎣ ⎤⎦o

= r

r: rapporto di Donnan

•  All’equilibrio il numero totale di cariche negative deve controbilanciare il numero di quelle positive in ogni compartimento

Tuttavia: •  Questo ha comportato uno squilibro di cariche positive e negative a cavallo della

membrana quantificato dal rapporto di Donnan, r •  Nell’esempio ciò ha comportato un ∆V di -18.4 mV all’interno rispetto all’esterno •  Se pensiamo alla differenza tra plasma libero dalle proteine e liquido intracellulare,

avremo un r = 145/153 = 0.947 •  Questo corrisponde a un ∆V di -1.43 mV (61.5 mV * log 0.947 = 61.5 * -0.023)

4. Equilibrio di Gibbs-Donnan •  Inoltre, anche se gli ioni sono in

equilibrio, sono presenti più particelle osmoticamente attive nel compartimento intracellulare.

•  Nel nostro esempio, ∆π equivale a 1.3 atm (967 mmHg). Quindi, in un ipotetica cellula con pareti rigide, questo stato di fatto condurrebbe all’instaurazione di una pressione idrostatica all’interno della cellula dovuta al passaggio di acqua per osmosi

Possiamo fare anche un esempio più vicino alla realtà fisiologica 1.  Plasma: Na+, 159 mmol/kg H2O; Cl-, 141.3 mmol/kg H2O; Proteine: 1 mmol/kg H2O

(π = 19.3 mm Hg) 2.  Citoplasma: Na +, 150 mmol/kg H2O; Cl -, 150 mmol/kg H2O. 3.  Nel plasma la somma delle concentrazioni di Na + e Cl- è superiore di 0.6 mmol/kg

H2O rispetto a quella del citoplasma. La somma totale di soluti è: 1 + 1.6 mosmol/kg H2O = 1.6 mosmol/kg H2O.

4.  Quindi la pressione osmotica totale è 1.6 mosmol/kg * 19.3 mm Hg = 31 mm Hg

5. Equilibrio di Gibbs-Donnan

•  E’ evidente, quindi, che le proteine nel plasma sono in grado di elevare la pressione osmotica rispetto a quella del liquido intracellulare sia direttamente che indirettamente.

•  Le cellule non sono, per altro, dotate di pareti rigide. •  Quindi non si possono instaurare gradienti di pressione

idrostatica. •  Però, la distribuzione di ioni descritta dall’equilibrio di Donnan,

conduce all’ingresso inevitabile di acqua nelle cellule. •  Se non fosse corretto, ciò porterebbe “all’esplosione” delle

cellule

Bibliografia

•  Burton AC, Fisiologia e Biofisica del Circolo, Il Pensiero Scientifico Editore, Roma

•  Fisiologia Medica, AA.VV., a cura di F Conti, II edizione.

•  Fisiologia dell’Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano •  Capitolo 9: Il Sangue (Capitoli 9.1 e 9.2)

•  Fisiologia Generale e Umana, Rhoades-Pflanzer •  Capitolo 17: Funzioni del sangue