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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

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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).

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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

4

* 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

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 dei fluidi intra e extra cellulari

0

50

100

150

mEq/l

Na K Cl Ca Proteine

Plasma

Interstizio

Intracellulare

Composizione ionica dei fluidi corporei

Effetti sull’osmolalità e sui volumi del fluido intracellulareed extracellulare in diverse circostanze

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Disturbo primario: Aumento dell’osmolarità di ECF

• Acqua abbandona la cellula– Volume ICF diminuisce (Cells shrink)

– Osmolarità ICF aumenta

H20 H20

•L’osmolarità Totale dell’organismo rimane più alta del normale

• Acqua entra in cellula– Volume ICF aumenta (Cells swell)

– Osmolarità ICF diminuisce

H20

Disturbo primario: Decremento dell’osmolarità di ECF

•L’osmolarità Totale dell’organismo rimane più bassa del normale

H20

La dimostrazione classica della pressione osmotica e dell’osmosi:eritrociti posti in soluzioni a osmolarità variabile

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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

Ruolo dei reni nel controllo dell’omeostasi

Schema del rene umanoTratto urinario

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

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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

Il nefrone

Schema delle parti componenti il nefrone e il sistema dei dotti collettori

Nefronejuxtamedullare

Nefrone corticale

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.

Tubulo renale

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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 liquidoproveniente dal sangue che passa dal tubulo e che contiene oltre all’acquale sostanze del plasma a basso peso molecolare

Nel tubulo e nel dotto collettore le componenti dell’urina primariavengono 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 salimediante riassorbimento in base al fabbisogno - in tal modo il volumedello spazio extracellulare e l’osmolarità vengono mantenute costanti

Percentuali del sodio filtrato e dell’acqua riassorbitadalle diverse porzioni del nefrone in condizioni normali

Circa l’1% del sodio filtrato e dell’acqua viene escreto

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Movimenti di acqua, ioni ed urea nel rene durante la formazione di urinamassimamente 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

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Controllo della sete e della liberazione di ADH

I Neuroni che producono ADH sonolocalizzati nel nuclei sopraottici eparaventricolari dell’ipotalamoanteriore

L’ ADH viene poi trasportato pervia assoplasmatica nei terminalinervosi dell’ipofisi posteriore doveviene 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

GlpF: omologo di E. Coli

AqpZ: omologo di E. Coli

AQP3Dotto collettore (basolaterale), pelle, occhio,

vie respiratorie

AQP7: tessuto adiposoAQP9: epatociti

AQP1: tubulo prox., ansa

discendente, vasa recta

discendente

AQP6:

Dotto cellettore

(secrezione

acida?)

AQP0: occhio

AQP4: cervello

AQP5:ghiandolesecretorie

(sudoripare,lacrimali,

salivari, delle vie

respiratorie)

AQP2:

dotto

collettore

(apicale) AQUAPORINE

AQUAGLICEROPORINE

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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.

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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.

Scambio in controcorrenteMeccanismo per mantenere il gradiente midollare

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.

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In presenza della concentrazione massima di ADH il dotto collettore èliberamente permeabile all’acqua. L’acqua si sposta osmoticamente dallume verso il liquido interstiziale più concentrato dove viene allontanata daicapillari dei vasa recta e rientra nel circolo sistemico ( urina= 1200mOsm).

In assenza di ADH il dotto collettore rimane impermeabile all’acqua el’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 1 stiramento atriale per aumento del volume ematico (inibisce)2 diminuizione della pressione arteriosa (stimola)3 osmolarità superiore a 280 mOsm (stimola)

Recettori 1 Recettori atriali di stiramentoMiocardio atriale2 barocettori carotidei e aortici3 osmocettori ipotalamici

Vie afferenti 1 neuroni sensoriali diretti all’ipotalamo peptide natriuretico atriale

Effettore Cellula del dotto collettore

Risposta dell’effettore Inserimento di pori per l’acqua che aumentano la permeabilitàdell’acqua

Risposta sistemica Riassorbimento dell’acqua dal dotto collettore

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La capacità del rene di regolare l’osmolarità dell’urina finaledipende da 2 fattori:

1- elevata osmolarità del liquido interstiziale della midollare che creaun gradiente osmotico

2- permeabilità del tubulo distale e dei dotti collettori all’acquaregolata dall’ADH

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 i l senso della sete

Distensione gastricaSecchezza delle fauci

_ angiotensina II_ angiotensina II

_ pressione sanguigna_ pressione sanguigna

_ volume ematico_ volume ematico

_ osmolarità_ osmolarità

Diminuzione della seteAumento della sete

Senso della sete

Rispostaall’eccessivaidratazione

Risposta alladisidratazione

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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 il95% della perdita

totale di sodio

Regolazione del volume del fluidoextracellulare (o del volumearterioso effettivo) attraverso unsistema di controllo a reazionenegativa

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Il sistema renina-angiotensina aiutaa manenere lanormale pressionesanguigna e ilnormale volumeextacellulare

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 d iminuzione 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.

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Effetti dell’angiotensina II

vasi Forte effetto vasocostrittore- Aumenta la pressione sanguigna e agisce a

livello delle arteriole

SNC Agisce a livello ipotalamico, attraverso il centro circolatorio, causando

vasocostrizione (effetto rapido)Aumenta secrezione di ADH

Aumenta stimolo della sete

Diminuisce appetito di sale

rene 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

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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.

_ riassorbimento di PO43-

_ riassorbimento di Ca2+

TCP, TAS, TCDPTH

_ riassorbimento di NaClTCD / DCANP

_ riassorbimento di H2OTCD / DCADH

_ riassorbimento di H2O,

NaCl

_ secrezione di H+

TCPAngiotensina II

_ riassorbimento di H2O,

NaCl

_ secrezione di K+

TCD / DCAldosterone

EffettiSito d’azioneOrmone

Effetto di ormoni sul riassorbimento nelle

diverse parti del nefrone