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)
