Fisiologia del metabolismo g dell`acqua e del sodio
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Fisiologia g del metabolismo dell’acqua e del sodio Giuseppe Regolisti Gi R li i Dipartimento di Clinica Medica, Nefrologia e Scienze della Prevenzione Università di Parma Acqua totale corporea L acqua rappresenta il principale costituente dell L’acqua dell’organismo, organismo, sia in termini di volume che di peso. Rappresenta il 60% del peso corporeo nell’uomo, circa 50% nella donna E’ distribuita principalmente nel tessuto non adiposo e costituisce circa il 72% della massa magra E’ distribuita in due compartimenti principali, intra- (2/3) ed extracellulare (1/3) (rispettivamente 40% e 20% del peso corporeo) L’extracellulare ’ ll l è suddiviso dd in due d compartimenti: plasmatico l (1/4, 5% del peso corporeo) e interstiziale (3/4, 15% del peso corporeo) H20 interstiz H ziale H2O intracellulare H20 plasmatiica H H2O extracellulare ESEMPIO: Uomo di 70 Kg H20 totale l 42 L H20 intracellulare 28 L H20 extracellulare 14 L •H20 plasmatica 3.5 L H2O totale corporea •H2O interstiziale 10.5 L I soluti contenuti nell’acqua corporea L’acqua corporea non è “pura” ma è in realta’ una soluzione (solvente + soluti), nella quale il solvente è l’acqua stessa, e i soluti sono rappresentati principalmente da elettroliti e altre sostanze (ad es aminoacidi, vitamine, proteine etc.) I principali i i li elettroliti l tt liti del d l nostro t organismo i sono il sodio di (N (Na), ) il potassio (K), il cloro (Cl), il bicarbonato (HCO3), il calcio (Ca), il magnesio (Mg), il fosforo (P) Non tutti i compartimenti idrici corporei hanno la stessa concentrazione di elettroliti e in particolare: p Extracellulare: •Sodio 140 mmol/L •Potassio 4 mmol/L •Cloro 104 mmol/L •HCO3 24 mmol/L Intracellulare •Sodio 10 mmol/L •Potassio 140 mmol/L •Cloro 4 mmol/L •HCO3 10 mmol/L Compartimentalizzazione dei principali cationi: Ruolo della p pompa p Na/K-ATPasi Distribuzione dei fluidi corporei • La distribuzione e la composizione dei fluidi corporeii sono strettamente t tt t regolate, l t i in modo da assicurare condizioni costanti all’omeostasi ll’ t i generale l dell’organismo d ll’ i • Presupposto fondamentale di tale regolazione g è costituito dal mantenimento del bilancio dell’acqua e del sodio Bilancio dei fluidi: 2 tipi p di bilancio • Interno (distribuzione dei fluidi tra i compartimenti): basato sugli scambi tra i differenti compartimenti idrici corporei. E’ governato da: a) forze di Starling scambi tra compartimento intravascolare capillare e compartimento interstiziale b) variazioni di tonicità scambi di H2O tra extra ed intracellulare • Esterno: basato sugli scambi tra organismo ed ambiente esterno (introduzione e perdite di H2O) Bilancio dei fluidi: 2 tipi p di bilancio • Interno (distribuzione dei fluidi tra i compartimenti): basato sugli scambi tra i differenti compartimenti idrici corporei. E’ governato da: a) forze di Starling scambi tra compartimento intravascolare capillare e compartimento interstiziale b) variazioni di tonicità scambi tra extra ed intracellulare • Esterno: basato sugli scambi tra organismo ed ambiente esterno (introduzione e perdite di H2O) Mole (M): peso molecolare (o ionico o atomico) espresso in grammi. Contiene N di Avogadro (6.022 6 x 1023) di molecole (o di ioni o di atomi) Osmole ((Osm): ) unità equivalente q alla qquantità di soluto che si dissocia per dare N di Avogadro di particelle disciolte in soluzione • Osmolarità: è data dal numero di particelle osmoticamente attive formate in soluzione Osm/L = moles x n / L (n, numero di particelle in soluzione) • Assumendo una dissociazione completa di un composto: – 1 mole of glucosio in 1 L = soluzione 1 osmolare – 1 mole of NaCl in 1 L = soluzione 2 osmolare – 1 mole l off CaCl C Cl2 in i 1 L = soluzione l i 3 osmolare l • Concentrazioni fisiologiche: – unità ità milliosmolari illi l i più iù comunemente t impiegate i i t – 1 mOSM = 10-3 osmoli/L Il concetto di tonicità • Il termine tonicità definisce le forze che determinano movimento di fluidi tra due soluzioni separate d da una membrana b permeabile bil all’acqua ma impermeabile ai soluti in soluzione • Poiché le membrane sono liberamente permeabili all’acqua, variazioni di concentrazione di soluti non permeabili ai due lati di una membrana provocheranno movimenti di acqua dalla soluzione più diluita a quella meno diluita, variando la concentrazione dei soluti all’interno ed all’esterno delle cellule ed anche il volume di esse • La pressione idrostatica necessaria ad impedire lo spostamento p di acqua q tra i due compartimenti equivale alla tonicità (osmolarità efficace) di una soluzione Tonicità o osmolarità efficace • L’osmolarità è data dal numero di particelle disciolte in soluzione, indipendentemente dalla carica elettrica e dalle dimensioni. • L’osmolarità fornisce informazioni sul numero totale di particelle contenute in una soluzione, soluzione ma non sul numero di particelle che, che non potendo attraversare le membrane liberamente, sono realmente in grado di determinare movimenti di acqua • Una quota dell’osmolarità è costituita da particelle (come ad esempio l’urea nei fluidi corporei) che sono liberamente permeabili attraverso tt l membrane le b cellulari ll l i • La tonicità corrisponde p invece all’osmolarità efficace, ff , cioè al numero di particelle che realmente sono in grado di determinare spostamento di acqua tra i due lati di una membrana semipermeabile Tonicità dell’extracellulare ed effetti delle sue variazioni sul volume cellulare Soluzione ipotonica La tonicità nell’extracellulare e’ minore che nell’intracellulare: l’acqua passera’ all’interno della cellula che aumenta di volume Soluzione isotonica Soluzione ipertonica La tonicità e’ uguale nei due compartimenti: non ci sara’ movimento di acqua (la cellula non cambia di volume) La tonicità nell’intracellulare e’ minore che nell’extracellulare: l’acqua passera’ dalla cellula (che si passera riduce di volume) all’esterno L’osmolarità efficace di ECF e ICF all’equilibrio ll’ ilib i deve d essere uguale l ICF ECF H2O ECF Osm = ICF Osm • Osmolarità plasmatica: p 2[Na+ ] (mmol/L) + [Urea] (mg/dL)/2.8 + [Glucosio] (mg/dL)]/18 • Tonicità plasmatica (o osmolarità efficace): 2[Na+] (mmol/L) + [Glucosio] (mg/dL)/18 • Volume ICF: determinato dalla tonicità plasmatica sodiemia (in rapporto inverso) •V Volume l ECF: ECF determinato d i d dall contenuto di Na+ nel fluido extracellulare Aumento della sodiemia ICF ECF H 20 + [Na ] Riduzione della sodiemia ICF ECF H 20 + [Na ] Cell Swelling Il mantenimento del patrimonio dei fluidi corporei è garantito dal controllo del bilancio esterno di H2O (entrate ed uscite) … … e dal controllo del bilancio esterno di Na+ (entrate ed uscite) • Il contenuto corporeo di Na+ dipende pp e l’escrezione dal bilancio tra l’apporto renale di Na+ • All’equilibrio, l’escrezione renale di Na+ deve essere uguale all’apporto di Na+ • L’escrezione renale di Na+ è regolata dalle variazioni del volume dell’ECF Bilancio dell’acqua dell acqua e del sodio Bilancio dell’acqua Bilancio del sodio Apporto regolato (sete sete)) Escrezione urinaria di H2O e Apporto non regolato Escrezione urinaria di sete g governate dalle variazioni di volume cellulare Na+ g governata dallo stato del volume dell’ ECF e dalla volemia efficace ffi Escrezione urinaria di H2O e sete influenzate dallo stato dei volumi (ECF e volemia efficace)) efficace Effettore Effettore:: ADH (vasopressina) vasopressina) Effettori multipli Bilancio dell’acqua dell acqua e del sodio Bilancio dell’acqua Bilancio del sodio Apporto regolato (sete sete)) Escrezione urinaria di H2O e Apporto non regolato Escrezione urinaria di sete g governate dalle variazioni di volume cellulare Na+ g governata dallo stato del volume dell’ ECF e dalla volemia efficace ffi Escrezione urinaria di H2O e sete influenzate dallo stato dei volumi (ECF e volemia efficace)) efficace Mediatore Mediatore:: ADH (vasopressina) vasopressina) Mediatori multipli Meccanismi di controllo del bilancio esterno dell’acqua • Introduzione di H2O: Meccanismo della sete • Conservazione ed eliminazione renale dell’H dell H2O (meccanismi di concentrazione e diluizione delle urine) gradiente osmotico midollare ADH Stimoli in grado di indurre il meccanismo della sete osmolalità plasmatica Volume circolante “efficace” efficace B Barocettori tt i Osmocettori O tt i (OVLT, SFO) (+) Angiotensina g II Secchezza delle fauci (+) (+) Sete (+) Fattori necessari per la concentrazione e la diluizione delle urine • Generazione e mantenimento dell’ipertonicità midollare: a) Adeguato delivery di sodio al nefrone distale Riassorbimento di sodio a livello dell’ansa di Henle e del tubulo contorto distale Impermeabilità all’acqua del THAL Moltiplicazione in controcorrente Ricircolo dell’urea Fl Flusso midollare id ll normale l b) c) d) e) f) • Variabile permeabilità all’acqua ll’ (ADH(ADH dipendente) del dotto collettore Generazione renale di acqua libera Riassorbimento di NaCl senza H2O Riassorb. Riassorb. NaCl diluisce il fluido endoluminale H Hays RM iin The Th Kidney, Kid B Brenner & Rector, R t eds, d 1976 Generazione renale di acqua libera Riassorb NaCl crea un gradiente di concentrazione midollare Hays RM in The Kidney, Brenner & Rector, eds, 1976 Arginin--Vasopressina (AVP o ADH) Arginin Sintesi e secrezione ADH • Sintesi nei neuroni secretori nuclei SO e PV ipotalamo • Trasporto assonale lungo il peduncolo ipofisario • Rilascio Ril i dalle d ll terminazioni t i i i assoniche i h nella ll ipofisi i fi i posteriore Regolazione g della secrezione di ADH • Vie Vi afferenti ff ti osmotiche ti h a partenza t d li dagli osmorecettori ipotalamici (OVLT e SFO, regione antero-ventrale 3° ventricolo) • Vie afferenti non-osmotiche a partenza dai barocettori arteriosi e di volume (nn. glossofaringeo e vago) •Gli inputs della via osmotica e della via nonosmotica convergono g sulla stessa p popolazione p di neuroni secretori Osmoregolazione vs Regolazione da volume della secrezione di ADH •Relazione lineare fra P Posm e secrezione i di ADH: variazioni della osmolarità dell’1-2% dell 1-2% modificano la secrezione di ADH •Relazione esponenziale fra volemia e secrezione di ADH: solo riduzioni della volemia efficace > 10% causano incrementi marcati della secrezione di ADH Fattori che influiscono sulla secrezione di ADH Stimoli Inibitori Iperosmolarità Ipo osmolarità Ipo-osmolarità Ipovolemia Ipervolemia Nausea Etanolo Dolore Fenitoina Stress (es. perioperatorio) Ipoglicemia IL-6 Gravidanza Nicotina Farmaci Stimolazione ed effetti ADH Posm + + Vol. Intravasc. ADH V2 Recettori Regolano riassorbimento H2O nel rene V1a Recettori Regolano Tono Vascolare V2-R R Meccanismo d’azione dell’ormone antidiuretico a livello delle cellule del tubulo collettore renale Effetto dell’ ADH sull’ escrezione di acqua libera Livelli soppressi di ADH: dotto collettore impermeabile ad H2O H2O Hays RM in The Kidney, Brenner & Rector, eds, 1976 Effetto dell’ ADH sull’ escrezione di acqua libera Livelli elevati di ADH: dotto collettore permeabile ad H2O (interstizio ipertonico) H2O Hays RM in The Kidney, Brenner & Rector, eds, 1976 ADH e Uosm Uosm varia da 50 mOsm/kg a 1200 mOsm/kg Robertson, GL J Lab Clin Med 1983; 101:351 Effetti renali dell’ADH Incremento della permeabilità all’acqua d ll’i t dell’intero CD Incremento della permeabilità all’urea del CD midollare Riduzione del flusso ematico nei vasa recta Aumento del’espressione del trasportatore Na/K/2Cl nel THAL Bilancio dell’acqua dell acqua e del sodio Bilancio dell’acqua Bilancio del sodio Apporto regolato (sete sete)) Escrezione urinaria di H2O e Apporto non regolato Escrezione urinaria di sete g governate dalle variazioni di volume cellulare Na+ g governata dallo stato del volume dell’ ECF e dalla volemia efficace ffi Escrezione urinaria di H2O e sete influenzate dallo stato dei volumi (ECF e volemia efficace)) efficace Mediatore Mediatore:: ADH (vasopressina) vasopressina) Mediatori multipli Weight (kg) Bilancio esterno del Na+ 72 71 So odium (m mEq) 150 A Apporto t =E Escrezione i 100 50 Intake Excretion Days Sodium (mE Eq) Weig ght (kg) Bilancio del Na+: risposta i alla ll variazione i i di apporto 72 71 I t k Intake 150 Apporto > Escrezione 100 50 Intake Excretion Days Weig ght (kg) Bilancio del Na+: risposta i alla ll variazione i i di apporto 72 71 Intake Sodium ((mEq) S 150 100 L’escrezione di Na+ aumenta Excretion E Excretion ti nell’arco di alcuni gg Excretion 50 Days Sodium (mEq) Weight (kg) Bilancio del Na+: risposta i alla ll variazione i i di apporto 72 71 150 Weight Gain Intake Positive Balance Nuovo equilibrio: Escrezione = Apporto 100 Excretion 50 Days Weightt (kg) Bilancio del Na+: risposta i alla ll variazione i i di apporto 72 ECF Volume Nuovo equilibrio: 71 Contenuto di Na+ nell’ECF Peso corporeo Non [Na+] Sod dium (mE Eq) 150 100 (Poichè (P i hè vii sarà à stato t t incremento nell’introito e nella ritenzione di H2O) 50 Days Regolazione del volume dell’ ECF : meccanismi di segnale Il riempimento del sistema arterioso (“volemia efficace”) è una funzione complessa p di: Volume totale ECF Gittata cardiaca Resistenze periferiche Capacitanza venosa Pressione oncotica Permeabilità capillare Plas sma L escrezione renale di Na+ L’escrezione risponde allo stato del: “Volume circolante efficace” Fluido interstiziale 1/4 3/4 ECF C Sensori di “volume” • Cardiopulmonary – Atrial (distension) – Ventricles (distension) – Juxtapulmonary (interstitial pressure) • Arterial – Aortic arch (pressure) – Carotid sinus (pressure) • Hepatic – Portal vein (pressure) • Renal – Afferent arteriole (pressure) – Macula densa (NaCl delivery) Cardiac atria Cardiac ventricles adapted from Guyton AC. Textbook of Medical Physiology, 2002. Escrezione renale di Na+ : meccanismi effettori • Intrarenali I li – – – – – – – GFR A t g l i Autoregolazione del d l fl flusso renale l Bilancio glomerulo-tubulare Feed-back tubuloglomerulare g Attività dei nervi simpatici renali Distribuzione intrarenale del flusso ematico Relazione pressione/natriuresi Neuroumorali – – – – – – – – SNS SRAA Peptidi natriuretici (ANP, BNP, C-type, urodilatina) Composti digoxin-like ADH Endoteline Prostaglandine NO Regolazione della sodiemia vs regolazione d l contenuto del t t di N Na+ nell’ECF ll’ECF Concentrazione sierica di Na+ Contenuto di Na+ nell’ECF • Variabile semplice • Un sensore principale (osmocettori, tonicità del plasma) • Un singolo l ormone (ADH) • Un singolo effetto ormonale( l ( sintesi i t i ed d inserzione di AQP2 nel DC) • Variabile complessa(“volume p ( circolante eficace”) • Sensori multipli (baro- e volocettori) • Multiple regolazioni ormonali + SNS • Multipli effetti di ciascun mediatore di t neuro-umorale l Errori concettuali frequenti q • La sodiemia correla con il contenuto corporeo di sodio • I sistemi fisiologici di regolazione della sodiemia e del contenuto corporeo di sodio coincidono Errori clinici frequenti • L’iposodiemia ’i i i è espressione i dii deplezione i dii sodio i • Il trattamento razionale della iposodiemia consiste nella somministrazione di soluzione salina a concentrazione superiore a quella plasmatica • La soluzione salina fisiologica è comunque in grado di correggere parzialmente l’iposodiemia p p indipendentemente p dalle cause della iposodiemia p Approccio pp corretto Corrispettivo clinico Terapia fisiologica appr.ta Eccesso di sodio corporeo Espansione ECF Ipervolemia p Edema Escrezione di Na+ Deficit di sodio corporeo Deplezione ECF Ipovolemia Ripristinare il contenuto di Na+ Eccesso di H2O (libera) Iposodiemia Aumento volume cell Escrezione H2O (libera) Intake H2O (libera) Deficit di H2O (libera) Ipersodiemia Contrazione volume cell Escrezione H2O (libera) Intake di H2O (libera)
