Fisiologia Renale 6. Bilancio idro-elettrolitico I. Carlo Capelli Fisiologia Corso di Laurea in Scienze Motorie Università di Verona

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1 Fisiologia Renale 6. Bilancio idro-elettrolitico I Carlo Capelli Fisiologia Corso di Laurea in Scienze Motorie Università di Verona

2 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

3 Distribuzione dell ACT Non è mostrato il fluido transcellulare: fluido cerebrospinale, umore acqueo (1-3 % del PC)

4 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

5 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

6 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)

7 1. Composizione dei liquidi corporei Sostanze non elettrolitiche

8 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

9 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.

10 2. Composizione del plasma Soluto Plasma Plasma senza proteine Liquido interstiziale Na + (mm) K + (mm) Ca 2+ (mm) Mg 2+ (mm) 1.2 (ionizzato) 2.5 Liquido intracellulare 1.3 (ionizzato) 1.2 (ionizzato) (ionizzato) 0.6 (ionizzato) 0.6 (ionizzato) 0.55 (ionizzato) 1 (ionizzato) 0.9 (totale) 18 (totale) Cl - (mm) HCO 3 - (mm) 22 (arterioso) H 2 PO 4 - e HPO 4 2- Proteine 0.7 (ionizzato) 0.75 (ionizzato) 0.8 (ionizzato) 0.7 (libero) 1.4 (totale) 7 g/dl 1 mmole/l - 1g/dl 30 g/dl Glucosio Molto basso ph ~ 7.2 Osmolalità (mosmoli/kg H 2 O)

11 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 142 meq/litro di plasma = Na + acqua plasmatica 0.93 =153 meq/litro di ac. plas.a 102 meq/litro di plasma = Cl - acqua plasmatica 0.93 =110 meq/litro di ac. plas.a

12 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 + : > 145 meq/litro di acqua interstiziale libera dalle proteine Cl - : > 116 meq/litro di acqua interstiziale libera dalle proteine

13 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 gap plasma = [Na + ] plasma - ([Cl - ] plasma + [HCO 3- ] 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 - HCO 3 - Fosfati Altri meq/l 140 ± 5 4 ± ± ± ± ± Totale 155 meq 155 meq

14 1. Pressione osmotica - Movimento di H 2 O 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 ( µ H 2O, Totale ), dipende: i) dal potenziale chimico ( µ H2O ), che dipende dalla differenza tra le concentrazioni dell acqua e; ii) dalla differenza di pressione idrostatica ( µ H2 O, Pressione ) a cavallo della membrana. Δµ H2 O, Totale = Δµ H 2 O + Δµ H 2 O, Pressione Δµ H2 O, Totale Differenza di energia totale [ H 2 O] = RT ln i [ H 2 O] o Parte chimica Volume parziale molare di H 2 O ( ) + V P - P H2 O i o Parte idrostatica Lavoro per mole

15 2. Pressione osmotica - Movimento di H 2 O 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(h 2 O) = 1 - k [C], C concentrazione di particelle di soluto; k = 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 H 2 O a cavallo delle membrane è grossomodo proporzionale alla differenza delle osmolalità ln [ H 2 O] i H 2 O ( ) [ ] e V H2 O Osm o - Osm i Δµ H2 O, Totale Energia per mole = V H 2 O RT Osm - Osm o i Volume Mole ( ) + ( P i - P ) o Pressione

16 3. Pressione osmotica - Movimento di H 2 O Δµ H2 O, Totale Energia per mole = V H 2 O RT Osm - Osm o i Volume Mole ( ) + ( P i - P ) o Pressione Il termine tra parentesi quadre è una pressione. Descrive, quindi, la forza che determina il flusso dell acqua (J v, litri/cm 2 s) attraverso la membrana L p : conduttività idraulica ( ) + ( P i - P ) o J v = L p RT Osm o - Osm i

17 4. Pressione osmotica - Movimento di H 2 O Equilibrio In questo caso µ H2 O, Totale è uguale a zero. ( ) RT Osm o - Osm = P - P i i o Differenza di pressione osmotica, π ( ) 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

18 1. Tonicità e osmolalità effettiva Osmolalità totale Osmolalità totale (mosm) = 2 [ Na + ] + Osmolalità effettiva o tonicità [ ] + Tonicità (mosm) = 2 Na + Glucosio (mg/dl) 18 Liquidi iso-osmolali: mosm Liquidi isotonici Glucosio (mg/dl) 18 + BUN (mg/dl) 2.8 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

19 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 H 2 O: meq / l + 10 mosm/kg H 2 O = 294mOsm/kg H 2 O DIABETE IPERPROTEINEMIA 2 x [ Na + ]p (meq/l) x [ Glucosio]p (mg/100 ml) x [ urea ]p (mg/100 ml)

20 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

21 Soluzioni isotoniche-ipertoniche e ipotoniche

22 Soluzioni isotoniche-ipertoniche e ipotoniche nel fluido extracellulare B: aggiunta di acqua distillata C: aggiunta di soluzione isotonica D: aggiunta di Na Cl

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