Lezione 1Soluzioni:

1mole= quantità di una sostanza pari al PM della sostanza espresso in grammiPM= somma dei singoli pesi atomici espresso in grammi

ESEMPIO:C6H12O6 (glucosio)-> PM= 1801mole di glucosio= 180 gr di glucosio soluzione 1 molare-> soluzione in cui sciogliamo 1mole di sostanza in 1litro di solvente (liquidi biologici= H2O)

1)MOLARITA = numero di n° numero fisso di molecole moli presenti in un litro mol/lperché usiamo le moli e non i grammi?La mole è caratterizzata dall’avere un numero fisso di molecole (180 gr di glucosio ->1mole di glucosio contiene sempre, in qualsiasi condizione, un numero di Avogadro di molecole) ciò é importante dal punto di vista osmotico.LEGGE di AVOGADRO, alla stessa temperatura e pressione, volumi uguali di gas contengono lo stesso numero di molecole (pesi diversi).Se prendiamo 1mole di glucosio possiamo ottenere una soluzione 1 molare; vediamo perché è importante, dal punto di vista osmotico, utilizzare 1mole e non 180gr di C6H12O6.LEGGE DEI GASPV=nRT dove R=costante=0,082 lxatm/gradoxmole N=n°moli del gas P=pressione del gas T=temperatura assoluta V=volume del gas

Anche per le soluzioni è valida tale legge, a patto che, esse siano molto diluite. Queste soluzioni, dove la concentrazione del soluto nel solvente è molto bassa, si comportano come gas dal punto di vista termodinamico.Tutte le soluzioni biologiche (liquidi biologici) sono considerate soluzioni in cui la concentrazione di soluto è molto bassa.

LEGGE DELLA DILUIZIONEQ=CVLa quantità è uguale alla concentrazione per il volume.Es: Q=180gr V=1litro C=? Q/V C=180/1=180g/l=[1]->concentrazione 1molareQ diverso da C-> Q=grandezza fisica espressa in peso C=quantità sciolta in un volumePossiamo avere concentrazioni diverse per una stessa quantità, perché possiamo discioglierla in volumi diversi.

Ma se P= n/V x RT dove, n/V=quantità/volume, allora n/V=Q/V=CLEGGE DI VON’T HOFF =csRT dove, =concentrazione=PRESSIONE OSMOTICAdata una certa T(temperatura corporea media –37°C) la pressione osmotica di un compartimento sarà direttamente proporzionale alla concentrazione dei soluti (se aumenta la concentrazione dei soluti aumenta la pressione osmotica).

Che importanza può avere ?Se pesiamo 1mole di NaCl, invece di 1mole di C6H12O6, PMNa=23PMCl=35->PMNaCl=58->1moleNaCl=58gdisciogliamo la mole di NaCl in 1litro di H2O, osserviamo che i 58g NON rimangono sottoforma di NaCl (il glucosio è una molecola inerte, mentre il cloruro di sodio è un sale)NaCl si scinde

Na+ Cl-

Abbiamo riversato 1mole di NaCl, ma in soluzione avremo 1mole di Na+ e 1mole di Cl-Non possiamo parlare di una soluzione, come per il glucosio 1molare, ma di una soluzione 1osmolare (abbiamo2moli, quindi 1osmol di NaCl).Si ha una soluzione 1osmolare quando sciogliamo in un solvente (H2O)una quantità di una sostanza dissociabile, tale per cui il n°delle osmoli è uguale alla molarità della soluzione che ho pesato, moltiplicata il n° delle specie ioniche.Quindi, se prendo 1mole di NaCl e la pongo in 1litro di H2O, non ottengo una soluzione 1molare, ma 2osmolare, perché la mia mole si è scissa in 2moli, ognuna delle quali esercita una pressione osmotica.

2)OSMOLARITA’ = concentrazione della soluzione espressa in osmolidipende dalla concentrazione di soluto, =csRT, SE il soluto è indissociabile come il glucosio non ha senso parlare di osmoli, si parlerà di moli, perché le osmoli e le moli sono la medesima cosa*n°moli=peso solvente/PMSE il soluto è dissociabile come il sale il n°delle osmoli=*n°delle moli x n°delle specie ioniche che si dissociano. Le specie ioniche in genere sono due, ma potrebbero essere più di due,Es: Na2HPO4 bifosfato di sodio ->3specie ioniche:

Na+ PO4- H+

In una soluzione molare 1 mole equivarrà a 1000mmol come 1osmol equivarrà a 1000mosmol.

Una terza forma di espressione è lo3)EQUIVALENTE = peso di un soluto diviso la valenza, quindi si applicherà alle specie ioniche.1eq=PMdi un soluto/valenza-> #Equivalenti=peso solvente x valenza/PM.In genere, si utilizzaL’equivalente quando si vuole far riferimento solo alla concentrazioneLe mosmoli quando si vuole dare il significato in termini di pressione osmotica.Solitamente gli ioni di importanza fisiologica hanno valenza=1Es:

Na+ > K+ > Monovalenti Cl- >

Ma, vi sono anche importanti Ioni Bivalenti come il Ca++, Mg++Es: Peso Equivalente Na+ ->PM/1; Peso EquivalenteCl- ->PM/-1Tutti i LIQUIDI CORPOREI (circa 70% della massa tot o più) occupano i COMPARTIMENTI

INTRACELLULARE EXTRACELLULARE ->INTRAVASCOLARE ->EXTRAVASCOLARE

In tutti questi 3 compartimenti ci sono strutture (cell, fibre..) sospese in H2O (più del 70%del peso tot di queste strutture). C’è un equilibrio regolato finemente tra il volume di H2O e la concentrazione dei soluti in tutti questi compartimenti.Se cambia la concentrazione dei soluti in uno dei 3 compartimenti,_ si è ridotto il volume di H2O_ è aumentata la concentrazione allora, le conseguenze (che possono essere anche gravissime) si ripercuotono anche sugli altri compartimenti.E importante capire come sia la concentrazione dei soluti in tutti questi compartimenti e come queste concentrazioni generino la pressione osmotica dei compartimenti, perché poi l’H2O si sposterà da un compartimento all’altro seguendo le differenze di concentrazione, quindi di pressione osmotica tra i vari compartimenti.Es: Sete= diminuzione del volume di H2O nel compartimento vascolare come risultato della disidratazione dei tessuti.>campanello di allarme che arriva all’ipotalamo per comunicare al SNC la condizione di disidratazione e quindi la sete.>comportamenti fisiologici del rene> riassorbimentoH2O>risposta comportamentale: si beve acqua-e ciò ha una base fisiologica-

PRESSIONE OSMOTICA

Membrana con porosità permette il passaggio di soluto. Il soluto permea attraverso le porosità della membrana. Si instaura un gradiente di concentrazione AC(1-2), siccome in natura si tende alla conservazione dell’energia e al mantenimento della minore energia libera, il soluto tenderà a spostarsi da 1 a 2 fino a che non venga raggiunta la stessa concentrazione nell’ambiente 1 e 2.*Gradiente= differenza -di pressione -di concentrazione-di temperatura (termico)->differenza di energia -chimica-elettrica-termica

EQUILIBRIOC1=C2Condizione di energia libera minima del sistema.

Se ripetessimo lo stesso esperimento, utilizzando però una membrana semipermeabile (attraverso la quale il soluto non permea),ossia permeabile al solvente e impermeabile al soluto, cosa succederebbe?

Le molecole di soluto hanno ancora la stessa energia chimica per spostarsi, lo stesso desiderio di spostarsi dall’ambiente 1 all’ambiente 2, ma vengono riflesse dalla membrana semipermeabileQuindi, siccome C1=Q/V(perché Q=CV)Per far variare la quantità, faremo variare il volume

H2O si sposta da 2 a 1, viene aumentata la concentrazione di H2O nell’ambiente1, non potendo ridurre la concentrazione di soluto. Entrando H2O la Q presente nell’ambiente1 si diluirà in un maggior volume.Si arriverà teoricamente alla stessa concentrazione.

Se ponessimo a lato della vaschetta un manometro*strumento molto semplice: stanghettina di vetro che possiamo inserire in un ambiente per far passare l’H2O

inizialmente il livello di H2O nel manometro sarebbe pari a quello nella vaschetta (teoria dei vasi comunicanti) ma, nel momento in cui l’H2O passa dall’ambiente2 all’ambiente1 aumenta la pressione idraulica e l’H2O tende a salire nel tubetto.EQUILIBRIO: l’H2O smette di salire quando smette di passare da 1 a 2, il liquido smette di salire nella colonnina quando la variazione di P, che pesa sul compartimento 1, è uguale e contraria alla tendenza dell’H2O a passare da 2 a 1Si crea una differenza di altezza (h) che a sua volta genera una differenza di pressione

P=gh Es: gh=0 -> pressione atmosferica al velo dell’H2O ghpressione maggiore cioè, la pressione idraulica che si è generata nell’ambiente1 è uguale e contraria alla differenza di P osmotica tra l’ambiente1 e l’ambiente2, che ha generato questo richiamo di H2O. Se noi abbiamo 2ambienti:nell’ambiente 1 il soluto ha una concentrazione c1nell’ambiente 2 il soluto ha una concentrazione c2cosa succede se la membrana è semipermeabile?

Flusso di H2O va per osmosi da 2 a 1, perché c1>c2, tale flusso è descritto come flusso netto (stesso significato della risultante fissa); è come la risultante di due flussi unidirezionali-flusso unidirezionale di H2O che va da 2 a 1-flusso unidirezionale di H2O che va da 1 a 2Siccome la 1>2, perché C1RT 2=C2RTEntrambi i compartimenti esercitano nei confronti dell’altro una pressione osmotica, quindi entrambi richiamano l’H2O, però la risultante è tale per cui il flusso netto è a favore di uno spostamento di H2O da 2 a 1.Quando si raggiungerà l’equilibrio il flusso netto sarà pari a zero, ma i flussi unidirezionali da 2 a 1 e da 1 a 2 non saranno nulli, ma uguali e contrari.Il flusso netto è la risultante: affermare che tra due compartimenti c’è flusso netto=0, significa che ognuno dei due riceve tanta acqua quanta ne cede, non significa che tra i due compartimenti non c’è scambio di H2O. Tale scambio può essere di estrema importanza(cellule) , ma V1/2=cost C1/2=cost

Quindi, la concentrazione del soluto determina la pressione osmotica della soluzione che è molto importante, perché insieme alla pressione osmotica del soluto ci permette di stabilire qual è il richiamo di H2O che quel compartimento esercita nei confronti dei compartimenti adiacenti.Se è vero che la pressione osmotica determina il richiamo di H2O dobbiamo quantificarlo.Passiamo ora dalle concentrazioni ai numeri reali delle pressioni,Se stiamo parlando di un gas:1mole di gas occupa un volume=22,4litriesercita =22,4atm Quindi, una soluzione M=1 di C6H12O6 esercita una =22,4atmCapiamo dunque l’importanza della distinzione tra soluzioni molari (delle specie non dissociabili) dove 1mole, in una soluzione[1], esercita una =22,4atm e soluzioni osmolari (delle specie dissociabili) dove 1osmole, in una soluzione 1osmolare, esercita una =22,4atm Es: NaCl ->1mole=58g ->1osmol=58g/2 >>perchè 2 sono le specie dissociabili =29g/l di NaCl esercitano =22,4atm (da 1mole di NaCl in H2O->2osmol->Na+ ->Cl-)La stessa è esercitata da 29g/l di NaCl e da 180g/l di C6H12O6.Le due soluzioni avranno la stessa osmolarità, stessa , e stesso n°di molecole che la esercitano, sempre in n°di Avogadro.Perché mettiamo in relazione il n°di Avogadro con la ?

Le molecole di soluto si muovono, collidono contro la parete con una forza totale F che divisa per la superficie S da una pressione. Se aumenta il n°di molecole aumenta la F, quindi aumenta

Come vengono ripartiti fluidi&soluti nell’organismo

Circa 11litri liquido interstiziale 2bCirca 3,5 litri H2O nel compartimento vascolare 2aIn un soggetto di 70kg liquido interstiziale circa 14litri.La cellula con soluti all’interno è suscettibile alla concentrazione dei soluti che vi sono nel liquido extracellulareEs: globulo rosso –in H2Odistillata (soluzione ipotonica)->scoppia _in una soluzione molto concentrata (soluzione ipertonica)->raggrinzisceDevono essere costanti in una cellula:

PH TEMPERATURA CONCENTRAZIONI INTRCELL. di H2O e di soluti

Per garantire il corretto funzionamento cellulare devono sussistere scambi di liquido tra cell&interstizio e interstizio&compartimento vascolare.

Questi 3 compartimenti sono in perfetto equilibrio e il sistema renale, nonchè quello cardiovascolare, agiscono in modo tale da consentire il mantenimento di questo equilibrio di volume e di concentrazione.Come sono ripartiti i vari soluti nei 3 compartimenti

Istogrammi che si riferiscono al

-2a plasma (compartimento liquido, sangue)-2b liquido interstiziale-1 liquido intracellulareVi sono circa 5litri di sangue in un soggetto sano di 70kg ,di cuicirca 2litri componente corpuscolatacirca 3litri plasmaNella cellula possiamo osservare la presenza di molto k+ e poco Na+ e Mg++, associati ai cationi troviamo anche alcuni anioni. Una gran parte di cationi sono associati a proteine e ciò è molto importante per quanto riguarda il compartimento delle cellule eccitabili. Nel liquido extracellulare la situazione si ribalta:troviamo molto Na+ e poco K+ e anche qui troviamo diversi anioni:ione bicarbonato e Cl- sia per quanto riguarda il plasma che per quanto riguarda il liquido interstiziale.Vi sono poche proteine sia nel plasma 6g%, sia nell’interstizio circa 1-2g%

Gli stessi ioni sono fondamentalmente presenti sia all’int che all’ext della cellula, ma quantitativamente vi sono grosse differenze:INT CELL [K+]>[Na+]EXT CELL [K+]<[Na+]

Cl- è sempre associato al Na+, in genere le due concentrazioni sono simili

TOT -> circa 300mosmol

L’osmolarità dei compartimenti è la stessa (nonostante la distribuzione interna di ioni non sia la stessa).Se sommiamo tutti gli anioni e tutti i cationi troviamo la concentrazione totale dei soluti ionici nelle cellula: nonostante vi siano queste grosse differenze fra INT&EXT, quando poi andiamo a sommare le varie concentrazioni esprimendole in mM sono uguali.La somma dei soluti è pressoché la stessa all’interno e all’esterno della cellula, ed ecco perché il volume dei 3 ambienti rimane simile, perché la pressione osmotica dei 3 ambienti è simile ed è mantenuta simile.Ci sono 3 fattori, che possono andare a modificarla, ma la modificazione dell’osmolarità comporterebbe una modificazione del volume dei due ambienti (intracellulare/extracellulare)-> interviene sia il sistema cardiovascolare che renale a tamponarlo.Problema della reintegrazione dei liquidi corporeiCausa: decorso post-operatorio/riabilitazione dopo grande disidratazione.Non possiamo iniettare nelle vene del paziente H2O distillata->soluzione iposmotica- minore osmoticità rispetto a quella dei liquidi corporei->soluzione iperosmotica –maggiore osmoticità rispetto a quella dei liquidi corporeima dobbiamo iniettare una ->soluzione isosmotica –stessa osmoticità rispetto a quella dei liquidi corporeiL’osmoticità dei liquidi corporei che noi dobbiamo rispettare è quella precedentemente vista, pari a circa 300mosmoli.Qual è la di una soluzione che ha un’osmolarità=300mosmoli?* 1mole->specie che non si scinde*1osmole : 22,4atm = 0,300osm : xx = 22,4atmx0,3osm / 1osm -> circa7,4atm= 7,4atm circa5000mHg -> pressione osmotica dei liquidi corporeiatm=760mHgCome otteniamo una soluzione che abbia la stessa dei liquidi corporei?

->soluzione fisiologica (o salin solution)

58g NaCl non danno una soluzione 1osmolare ma 2osmolare, quindi se vogliamo ottenere una soluzione 1osmolare utilizzeremo 29g NaCl, in questo caso vogliamo ottenere una soluzione 0,3 osmolare, dunque utilizzeremo 1/3 x 29gNaCl = 9,2gNaCl.Dobbiamo tener conto del fenomeno per cui alcune molecole di NaCl non si dissociano, perciò discioglieremo circa 9gNaCl in 1litro di H2O per ottenere 1litro di soluzione fisiologica che, se sterile, può essere iniettata (non è però ottimale perché formata solo da Na+ e da Cl-).

compartimenti [K+] [Na+]1)INTRACELLULARE 150mM

(150mE/l)12mM(12mE/l)

2)EXTRACELLULARE2a-INTRAVASCOLARE(plasma)2b- EXTRAVASCOLARE

4mM(4mE/l)

4mM(4mE/l)

153mM(153mE)

145mM(145mE)

Altre soluzioni che vanno a rispettare la composizione ionica dei liquidi corporei (più ideali perché anche con altri ioni) sono:

Soluzione Ringer oltre NaCl aggiunto in quantità precise KCl, CaCl2 e altri sali Soluzione Tyrode glucosio, MgCl2, NaHPO4 (tampone)

Possono essere aggiunti anche degli altri sali in modo da tenere conto delle esigenze delle altre specie ioniche, però l’osmolarità totale è invariata.Oppure si può aggiungere anche un tampone NaHPO4 (tampone monobasico di fosfato), del glucosio e del bicarbonato, ci possono essere delle varianti alla soluzione fisiologica, ma sono tutte comunque a base di NaCl (che sarà leggermente meno presente in tale forma, perché presente negli altri composti, come ad es nel bicarbonato nel monofosfato..e quindi in tot la [Na+] è quella che si è vista).Nei liquidi corporei vi sono comunque altri elementi (sostanze organiche: amminoacidi, trigliceridi, colesterolo, ac. Piruvico, fosfolipidi..)

RELAZIONI TRA I VARI COMPARTIMENTI*problema complesso perché i compartimenti sono molto diversificati

2a) PLASMA 3,0litri

Membrana capillare2b) FLUIDO INTERSTIZIALE 11,0litriMembrana cellulare1)FLUIDO INTRACELLULARE

28,0litri

Plasma: fonte per la cellula di H2O, O2, soluti; fonte di approvvigionamentoSistema linfatico (tampone): mantiene il volume del liquido interstiziale al suo valore normale Fluido interstiziale: liquido entro cui sono immerse le cellule e la matrice interstizialeMembrana cellulare: non è una barriera inerte, ma è fortemente coinvolta negli scambi di soluti. Vi sono delle proteine canale(carrier) che condizionano in modo consistente la produzione cellulare. È molto importante perché cellule adiacenti vanno a formare le membrane che tappezzano ad es i capillari, quindi le proprietà di queste membrane condizionano gli scambi di liquidi /soluti che si verificano nell’ambito dell’ambiente extracellulare.I volumi di liquido variano da soggetto, variano anche in relazione alla composizione organica (es: distribuzione dei liquidi corporei in un soggetto obeso diversa da quella di un soggetto sano ->t.adiposo povero di H2O).

Vi è uno scambio continuo tra liquido intracellulare & liquido interstiziale. Il liquido interstiziale riceve liquido dal plasma, perché il plasma è la fonte di ogni substrato che ha la cellula. La cellula per sopravvivere necessita di H2O, soluti, O2 (il metabolismo cellulare, a parte qualche condizione di lavoro anaerobio del muscolo, si basa sull’utilizzazione dell’O2 per ottenere ATP e grazie a questo, energia chimica per tutte le funzioni cellulari). Tutto l’O2 che giunto nella cellula viene trasformato in CO2 arriva dal plasma (permea la membrana cellulare dopo aver attraversato il fluido interstiziale), la CO2 prodotta (e i reagenti di scarto) nella centrale cellulare farà il percorso inverso. Il sistema circolatorio ci farà capire come il plasma viene portato fino alla cellula; questo sistema è un sistema di pompe sviluppatosi perché non siamo organismi unicellulari, perché le sostanze necessarie vengano portate dalla zona di approvvigionamento alla cellula.