Acqua e bilancio idrico-salino

Acqua e bilancio idrico-salino Acqua: aspetti chimici generali e fonti L acqua (H2O)è una sostanza inorganica formata da due atomi di idrogeno (H) e uno di ossigeno (O). E un ott imo solvente per sostanze polari o i drofile perché formata da un polo negativo (ossigeno) e un polo positivo (atomi di idrogeno). Quando un sale, formato da ioni positivi e negativi legati insieme, viene messo in acqua, questo si scioglie perché gli ioni positivi vengono attratti dal polo negativo dell'acqua e gli ioni negativi dal polo positivo dell' acqua che si frappone così fra le parti del sale, sciogliendolo. Un fenomeno analogo avviene con tutte le molecole polari, che hanno cioè separazione di carica. L interazione tra molecole dipolari come l acqua prende il n ome di legame idrogeno. L acqua può attraversare liberamente le membrane semipermeabili (esempio: membrane cellulari). L'osmosi è un fenomeno spontaneo che si verifica quando due soluzioni a concentrazione salina diversa sono separate da una membrana semipermeabile. Naturalmente la soluzione meno concentrata attraversa la membrana al fine di diluire quella più concentrata ed il fenomeno si arresta solo quando la concentrazione delle due soluzioni è equivalente 1

Acqua: funzioni e fabbisogno L acqua non è un pr incipio nutritivo energetico, ma svolge le seguenti funzioni nell organismo umano: 1. Strutturale: è il componente chimico più abbondante del corpo umano (60% del peso) trovandosi sia all interno che all esterno delle cellule (interstiziale, tra una cellula e l altra o intravascolare se scorre nei vasi sanguigni e linfatici) 2. di trasporto, in essa di sciolgono sostanze sia nutritive che tossiche 3. termoregolatrice, contribuisce a mantenere costante la temperatura corporea nonostante le variazioni di quella ambientale 4. regolatrice, interviene in reazioni chimiche di scissione (idrolisi) In base alle indicazioni LARN (livelli di assunzione raccomandati di nutrienti ed energia per la popolazione italiana) il fabbisogno totale di acqua per un adulto è di circa un grammo per ogni kcal giornaliera, ma la quantità può considerevolmente variare in relazione all età, al tipo di alimentazione e all attività fisica. L organismo ricava acqua degli alimenti e d alle bevande (acqua esogena) ma anche da alcune reazioni chimiche che avvengono nelle cellule (acqua endogena). L organismo elimina acqua attraverso le u rine, le feci, la respirazione e l a sudorazione. Il rapporto t ra acqua i ntrodotta o prodotta (esogena + endoge na) e acqua eliminata nell arco di una giornata, è detto bilancio idrico e dovrebbe essere pari a 1. Se il rapporto si allontana da tale valore, è po ssibile siano presenti dei difetti metabolici come la ritenzione idrica (acqua eliminata minore dell acqua introdotta) o la disidratazione (acqua introdotta minore dell acqua eliminata). 2

La percentuale di acqua nell organismo varia molto in funzione dell etá, diminuendo notevolmente nel soggetto anziano. Fra tutti i nutrienti è sicuramente quello più soggetto a movimento fra esterno e interno. La perdita giornaliera di acqua corrisponde a circa il 4% della massa corporea e deve quindi essere riassunta con la dieta. Questa percentuale è molto più elevata nei bambini (circa il 15%) che sono quindi più soggetti a disidratazione. Fluidi corporei e compartimenti 2/3 dell acqua corporea sono contenuti nel compartimento fluido intracellulare ed 1/3 in quello extracellulare 3

* La percentuale di liquido corporeo rispetto al peso totale può variare in funzione di etá, sesso, grado di obesitá e attivitá fisica. Il liquido transcellulare include liquido sinoviale, liquido peritoneale, liquido pericardico, liquido pleurico, cerebrospinale e liquido oculare Composizione dei fluidi intra e extra cellulari La composizione ionica di plasma e fluidi interstiziali risulta essere simile, considerata la sottile barriera endoteliale che separa i due mezzi. La sola differenza è la concentrazione proteica decisamente più elevata nel plasma. Composizione ionica dei fluidi corporei 150 meq/l 100 50 0 Na K Cl Ca Proteine Plasma Interstizio Intracellulare Effetti sull osmolalità e sui volumi del fluido intracellulare ed extracellulare in diverse circostanze 4

Disturbo primario: Aumento dell osmolarità di ECF Acqua abbandona la cellula Volume ICF diminuisce (Cells shrink) Osmolarità ICF aumenta H 2 0 H 2 0 L osmolarità Totale dell organismo rimane più alta del normale Disturbo primario: Decremento dell osmolarità di ECF Acqua entra in cellula Volume ICF aumenta (Cells swell) Osmolarità ICF diminuisce H 2 0 H 2 0 L osmolarità Totale dell organismo rimane più bassa del normale La dimostrazione classica della pressione osmotica e dell osmosi: eritrociti posti in soluzioni a osmolarità variabile 5

Ruolo dei reni nel controllo dell omeostasi I reni svolgono un ruolo fondamentale nel controllo di multiple funzioni: Regolazione del bilancio idrico ed elettrolitico attraverso un controllo fra intake (dieta e bevande) ed output (urine, sudore, feci, respirazione) Regolazione dell osmolalitá dei fluidi corporei e delle concentrazioni di elettroliti Regolazione dell equilibrio acido-base insieme ai polmoni Escrezione di prodotti metabolici di scarto (urea dal metabolismo di aa; creatinina dalla creatina muscolare; acido urico dagli acidi nucleici; prodotti terminali del metabolismo dell emoglobina e di vari ormoni) e recupero di quelli necessari Regolazione della pressione arteriosa a lungo termine e anche a breve termine con la secrezione di prodotti vaso-attivi quali la renina Secrezione di alcuni ormoni Gluconeogenesi a partire da aa in periodi prolungati di digiuno Tratto urinario Schema del rene umano Una sezione longitudinale di un rene mostra chiaramente una regione più esterna detta corticale e una regione interna detta midollare. Il bordo della pelvi è caratterizzato da aperture dette calici maggiori che collezionano urina dai calici minori in cui termina ciascuna papilla. Le pareti dei calici, della pelvi e dell uretere contengono elementi contrattili che spingono l urina verso la vescica. I reni sono fra gli organi più irrorati, ricevendo circa il 20% dell output cardiaco (ca 1200 ml/min). L arteria renale entra nel rene a livello dell ilo e si ramifica a formare le arterie interlobari, le arterie arciformi, le arterie interlobulari e infine le arterie afferenti che formano ii capillari glomerulari a livello di ogni nefrone. La parte distale dei capillari glomerulari si riunisce a formare la arteriola efferente che forma una seconda rete di capillari peritubulari. Da questi si formano le piccole vene peritubulari che si riuniscono in vasi via via crescenti a formare le vene interlobulari, le vene arciformi, le vene interlobari e la vena renale. É importante notare che troviamo quindi due letti capillari in serie, separati fra loro dalla arteriola efferente che regola la pressione idrostatica in entrambi i distretti capillari 6

Il nefrone Il nefrone è l unitá funzionale del rene, capace di formare urina. Ogni rene umano contiene circa 1 milione di nefroni che non possono essere rigenerati dal rene. Dopo i 40 anni il numero di nefroni funzionanti decrementa del 10% ogni 10 anni circa. Questa perdita legata all invecchiamento viene compensata in genere dai nefroni rimanenti che espellono comunque acqua ed elettroliti. Ciascun nefrone comprende: Un glomerulo (N.B. La porzione glomerulare dei nefroni filtra circa 180 l/die di acqua!!) Un tubulo renale formato da varie parti fra loro differenti per istologia e funzioni Schema delle parti componenti il nefrone e il sistema dei dotti collettori Nefrone juxtamedullare Nefrone corticale Tubulo renale Il tubulo renale è formato da più segmenti: Tubulo contorto prossimale (TCP) Ansa di Henle (AH) Tubulo contorto distale (TCD) Dotto collettore (DC) Ciascun segmento è caratterizzato da una struttura differente e da funzioni molto diverse fra loro. Si distinguono: -- Nefroni superficiali (zona centrale della corticale). Hanno AH corta. I capillari peritubulari formano una rete intorno al nefrone e anche a quelli vicini. Trasportano ossigeno e nutrimento, rimuovono acqua e soluti per immetterlii nuovamente nella circolazione. 7

Nefroni iuxtamidollari (ca 30% di tutti i nefroni): rispetto a quelli superficiali hanno 3 caratteristiche importanti. glomerulo renale più ampio AH lunga, che penetra fino nella midollare arteriola efferente che forma i vasa recta. I capillari scendono nella midollare e circondano i DC e I tratti ascendenti dell AH. Forniscono nutrimento alle cellule della midollare e sono fondamentali nel meccanismo di concentrazione e diluizione delle urine. Nel glomerulo avviene la filtrazione di un volume molto grande di liquido proveniente dal sangue che passa dal tubulo e che contiene oltre all acqua le sostanze del plasma a basso peso molecolare Nel tubulo e nel dotto collettore le componenti dell urina primaria vengono riassorbite Il resto del filtrato viene eliminato insieme alle urine Tra i compiti del rene c è il controllo dell escrezione di acqua e di sali mediante riassorbimento in base al fabbisogno - in tal modo il volume dello spazio extracellulare e l osmolarità vengono mantenute costanti Percentuali del sodio filtrato e dell acqua riassorbita dalle diverse porzioni del nefrone in condizioni normali Circa l 1% del sodio filtrato e dell acqua viene escreto 8

Movimenti di acqua, ioni ed urea nel rene durante la formazione di urina massimamente concentrata A livello renale esiste un potentissimo feed-back che regola l osmolarità del plasma e la concentrazione di Na + : questo opera alterando l escrezione di acqua senza alterare l escrezione di soluti. L effettore principale di questo feed-back è l ormone ADH o vasopressina. Se l osmolarità del plasma aumenta sopra i livelli normali, la neuroipofisi rilascia ADH che aumenta la permeabilità all acqua nel TCD e nel DC. L acqua riassorbita diluisce il plasma facendo scendere l osmolarità al livello normale. Al contrario nel caso in cui l osmolarità diminuisca o ci sia ipervolemia. Osmoreceptors Osmoceptors 9

Controllo della sete e della liberazione di ADH I Neuroni che producono ADH sono localizzati nel nuclei sopraottici e paraventricolari dell ipotalamo anteriore L ADH viene poi trasportato per via assoplasmatica nei terminali nervosi dell ipofisi posteriore dove viene immagazzinato in vescicole. L ipotalamo contiene anche cellule osmocettrici che, attraverso contatti sinaptici, modificano la liberazione di ADH e la sete Meccanismo d azione dell ADH sull epitelio dei dotti collettori AQP6: Dotto cellettore (secrezione acida?) AQP0: occhio AQP2: dotto collettore (apicale) AQP5: ghiandole secretorie (sudoripare, lacrimali, salivari, delle vie respiratorie) AQP4: cervello AQUAPORINE AQP1: tubulo prox., ansa discendente, vasa recta discendente AqpZ: omologo di E. Coli GlpF: omologo di E. Coli AQP9: epatociti AQP7: tessuto adiposo AQP3 Dotto collettore (basolaterale), pelle, occhio, vie respiratorie AQUAGLICEROPORINE 10

I requisiti fondamentali per la produzione di urine concentrate sono: 1. Elevati livelli di ADH che permeabilizzano il nefrone distale all acqua permettendo che venga riassorbita 2. Elevata osmolarità dell interstizio midollare che fornisce il gradiente osmotico necessario per il riassorbimento di acqua Dobbiamo vedere come viene formato questo interstizio iper-osmotico. Il processo prevede il meccanismo in controcorrente. Questo meccanismo produce un interstizio midollare che da 300 mosm/l arriva a 1200mOsm/l all apice della papilla renale, grazie all accumulo di grandi quantità di soluto rispetto ad acqua. Una volta che questo interstizio si è formato, esso viene mantenuto grazie ad un continuo scambio di acqua e soluti con i vasa recta. Quali sono i meccanismi che formano questo gradiente? La causa più importante per la formazione del gradiente midollare è il trasporto attivo di Na + e co-trasporto di K +, Cl - e altri ioni dal tratto ascendente dell ansa nell interstizio. La pompa riesce a stabilire un gradiente di 200mOsm/l fra il lume tubulare e l interstizio midollare. Essendo impermeabile all acqua il movimento di soluti NON è accompagnato da acqua e quindi si aggiungono grandi quantità di soluti all interstizio. Al contrario il tratto discendente dell ansa è permeabile all acqua e l osmolarità del liquido tubulare diviene rapidamente simile a quello dell interstizio. All apice della papilla troviamo quindi un osmolarità di 1200mOsm/l nel liquido tubulare che deve immettersi nel TAs e nell interstizio midollare. Sistema di moltiplicazione in controcorrente Il meccanismo di moltiplicazione in controcorrente gradualmente intrappola soluti nella midollare e moltiplica il gradiente di concentrazione singolo stabilito dal trasporto attivo di ioni al di fuori del TAS dell ansa di Henle, portando l osmolaritá dell interstizio fino a 1200mOsm/l. Quindi il continuo riassorbimento di NaCl dal TAS e il continuo influsso di nuovo NaCl nel TCP prende il nome di moltiplicazione in controcorrente. 11

Scambio in controcorrente Meccanismo per mantenere il gradiente midollare Il gradiente midollare sarebbe rapidamente dissipato se non esistesse un meccanismo che continua ad alimentarlo. Questo è possibile grazie al sistema dei vasa recta, vasi sanguigni che scorrono parallelamente al tubulo renale funzionando come scambiatori in controcorrente. I vasa recta entrano nella midollare e formano una specie di forcina per poi risalire nella corticale. Sono altamente permeabili ai soluti, eccezione fatta per le proteine. Mano a mano che il sangue scende nell interstizio, esso: perde acqua che passa per osmosi nell interstizio concentrato acquista soluti dall ambiente interstiziale iperosmotico Quando il sangue arriva all apice della papilla ha un osmolarità di 1200mOsm/l come l interstizio circostante. Quando il sangue risale nella branca ascendente, al contrario, cede soluti all interstizio e porta via acqua che per osmosi passa dall interstizio al sangue. In questo modo, nonostante vi sia un grosso movimento di acqua e soluti fra sangue e interstizio midollare, non si ha diluizione del gradiente proprio grazie a questa forma a U dei vasa recta. Si può quindi dire che : I vasa recta non creano il gradiente midollare, ma prevengono la sua dissipazione. 12

In presenza della concentrazione massima di ADH il dotto collettore è liberamente permeabile all acqua. L acqua si sposta osmoticamente dal lume verso il liquido interstiziale più concentrato dove viene allontanata dai capillari dei vasa recta e rientra nel circolo sistemico ( urina= 1200mOsm). In assenza di ADH il dotto collettore rimane impermeabile all acqua e l urina è diluita al massimo ( urina = 100mOsm). Mancata produzione di ADH: diabete insipido centrale perché l ipotalamo non produce l ormone. Non c è riassorbimento di acqua nel nefrone distale. Si ha produzione di urine diluite fino a 15 l/die. In assenza di un adeguata ingestione di acqua interviene una rapida disidratazione. Incapacità del rene di rispondere all ADH: diabete insipido nefrogenico. Può essere dovuto a: mancata formazione del gradiente interstiziale assenza dei recettori per ADH Elevati volumi di urine diluite. Fattori che influenzano il rilascio di ADH Stimoli Recettori Vie afferenti Effettore 1 stiramento atriale per aumento del volume ematico (inibisce) 2 diminuizione della pressione arteriosa (stimola) 3 osmolarità superiore a 280 mosm (stimola) 1 Recettori atriali di stiramento Miocardio atriale 2 barocettori carotidei e aortici 3 osmocettori ipotalamici 1 neuroni sensoriali diretti all ipotalamo peptide natriuretico atriale Cellula del dotto collettore Risposta dell effettore Inserimento di pori per l acqua che aumentano la permeabilità dell acqua Risposta sistemica Riassorbimento dell acqua dal dotto collettore 13

La capacità del rene di regolare l osmolarità dell urina finale dipende da 2 fattori: 1- elevata osmolarità del liquido interstiziale della midollare che crea un gradiente osmotico 2- permeabilità del tubulo distale e dei dotti collettori all acqua regolata dall ADH Senso della sete Il senso della sete è localizzato a livello ipotalamico in una regione antero-laterale rispetto al nucleo sopraottico. Vediamo quali sono gli stimoli principali nell evocare il senso della sete Aumento della sete _ osmolarità _ volume ematico _ pressione sanguigna _ angiotensina II Secchezza delle fauci Diminuzione della sete _ osmolarità _ volume ematico _ pressione sanguigna _ angiotensina II Distensione gastrica Risposta all eccessiva idratazione Risposta alla disidratazione 14

Il bilancio del sodio - I reni controllano il contenuto di ioni Na+ nel corpo - Na+ determina, come catione extracellulare più importante, il volume dello spazio extracellulare - A livello renale vengono filtrati ogni giorno quasi 25 000 mmoli di Na+. Di tale quantità, circa 2 4 000 mmoli vengono riassorbite a livello del tubulo prossimale e dell ansa di Henle. - A questo trasporto di Na+ risultano associati dal punto di vista energetico il riassorbim ento e la secrezione di varie sostanze organiche e inorganiche. - Dei restanti 1000 mmoli di ioni Na+, la quantità che sarà eliminata insieme all urina dipende dal c ontrollo dell aldosterone - L aldosterone regola l escrezione di ioni Na+ in relazione alla quantità di questo ione introdotta con l alimentazione Bilancio del sodio Responsabili per il 95% della perdita totale di sodio Regolazione del volume del fluido extracellulare (o del volume arterioso effettivo) attraverso un sistema di controllo a reazione negativa 15

Il sistema reninaangiotensina aiuta a manenere la normale pressione sanguigna e il normale volume extacellulare Schema del sistema renina-angiotensina La renina è una peptidasi che scinde l angiotensina I dal substrato angiotensinogeno. L angiotensin converting enzyme (ACE) scinde 2 aa dell angiotensina I formando angiotensinogeno. ( 30-60 min dopo la diminuzione di pressione). Il ruolo dell angiotensina II è quindi quello di agire su arteriola efferente per vasocostringere ed impedire che la velocità di filtrazione glomerulare raggiunga livelli troppo bassi. Alcuni farmaci, usati in alcuni pazienti ipertesi, che inibiscono la formazione di angiotensina II bloccando l enzima convertasi (farmaci ACE-inibitori), causano abbassamenti molto pericolosi di VFG. 16

Effetti dell angiotensina II vasi SNC rene Forte effetto vasocostrittore- Aumenta la pressione sanguigna e agisce a livello delle arteriole Agisce a livello ipotalamico, attraverso il centro circolatorio, causando vasocostrizione (effetto rapido) Aumenta secrezione di ADH Aumenta stimolo della sete Diminuisce appetito di sale Azione diretta sul riassorbimento di Na+ nel tubulo prossimale surrene Stimola sintesi di Aldosterone (corticale) Stimola il rilascio di adrenalina (midollare) Aldosterone azione primaria sulle cellule principali del dotto corticale. Aumenta il numero di Na-K ATPasi sulla membrana basolaterale e la permeabilità apicale al sodio. In caso di mancanza di aldosterone per mancato funzionamento delle ghiandole surrenali (morbo di Addison), si ha massiva perdita di sodio e accumulo di potassio. Al contrario nella sindrome di Conn (eccessiva produzione di aldosterone) si ha accumulo di sodio e mancanza di potassio. Meccanismo d azione dell aldosterone a livello renale 17

Fattori che influenzano il rilascio di aldosterone -diretti alla corteccia surrenale Aumento della concentrazione extracellulare di K+ (stimola) Aumento dell osmolarità (inibisce) -indiretti, attraverso la via RAAS Diminuzione della pressione arteriosa (stimola) Diminuzione del flusso a livello della macula densa (stimola) ANP Secreto a livello dell atrio destro ha un azione antagonista a quella dell aldosterone. Viene secreto in caso di ritorno venoso aumentato all atrio dx. Inibisce il riassorbimento di sodio e acqua a livello del DC causando un aumento nell escrezione urinaria e riportando il volume ematico alla norma. Effetto di ormoni sul riassorbimento nelle diverse parti del nefrone Ormone Aldosterone Angiotensina II ADH ANP PTH Sito d azione TCD / DC TCP TCD / DC TCD / DC TCP, TAS, TCD Effetti _ riassorbimento di H2O, NaCl _ secrezione di K + _ riassorbimento di H2O, NaCl _ secrezione di H + _ riassorbimento di H2O _ riassorbimento di NaCl _ riassorbimento di PO4 3- _ riassorbimento di Ca 2+ 18