21. Echilibrul hidro-electrolitic și acido-bazic

21.1. Introducere

Homeostazia mediului intern este influențată de echilibrul:

• lichidelor;
• electroliților;
• acizilor;
• bazelor.

Un organism normal se caracterizează prin:

• nivel constant de fluide și electroliți;
• pierderile selective înregistrate la nivelul aparatului excretor echilibrează aportul de apă și electroliți.

În cazul unor pierderi masive de lichide și electroliți, este necesar să se intervină rapid cu înlocuirea lor.

Compusul chimic care pune în libertate într-o soluție ioni de hidrogen, se numește acid. Exemple: acidul clorhidric, acidul lactic – sunt acizi din corpul uman.

21.2. Fluidele corpului

Conținutul de fluide al corpului face referire la cantitatea de apă de la acest nivel, care înregistrează variații dependente de:

• greutate;
• sex;
• vârstă;
• grăsimea din corp.

Procentul mai mare de grăsimi din corpul femeilor comparativ cu al bărbaților, justifică cantitatea de apă mai mică de la nivelul celulei, în cazul femeilor (țesutul adipos prezintă o cantitate foarte mică de apă).

Conținutul procentual de apă la adult, este următorul:

• la bărbați – circa 60% din greutatea corporală;
• la femei – circa 50% din greutatea corporală.

Compartimentele lichidiene

Întreaga cantitate de apă din organism se distribuie în:

• compartimentul intracelular (2/3 din total, procentual 63% din total) – cumulează lichidele de la nivelul tuturor celulelor corpului;
• compartimentul extracelular (1/3 din total, procentual 37% din total: 25% plasma sanguină și 75% lichidul interstițial și limfa) – cumulează lichidele din afara celulelor care asigură un mediu relativ constant pentru acestea. Lichidul interstițial se află în jurul celulelor și limfa în vasele limfatice. Plasma este bogată în proteine, iar lichidul interstițial este sărac în proteine.

Un procent relativ mic (circa 1%) din compartimentul extracelular este reprezentat de lichidul transcelular, care prin intermediul unor straturi de celulele epiteliale este separat de alte lichide. Din acest tip de lichid fac parte:

• lichidul cefalorahidian (cerebro-spinal);
• lichidul sinovial;
• transpirația;
• lichidul din pericard;
• lichidul din pleură;
• lichidul din peritoneu;
  
• lichidul din camerele oculare;
  
• lichidul din tractul digestiv;
  
• lichidul din tractul respirator;
  
• lichidul din tractul urinar.
  

Figura 21.1 Distribuția apei în cele două compartimente lichidiene ale organismului.

Conținutul lichidului extracelular este următorul:

• în cantitate mare se află ioni de: sodiu, clor, bicarbonat;
• în cantitate mică se află ioni de: potasiu, magneziu, calciu, fosfat, sulfat, ioni organici.

Conținutul lichidului intracelular este următorul:    

• în cantitate mică se află ioni de sodiu și în cantitate mare ioni de potasiu – concentrație susținută în principal de activitatea pompei Na\K din membrana celulară;
• în general, se înregistrează o concentrație crescută de proteine ca urmare a sintezei constante cu scopul de a fi valorificate în funcțiile celulare.

Modalitățile prin care apa intră în organism (în sânge) sunt:

• pe cale alimentară, prin lichide sau alimente ingerate – din tractul digestiv;
• apa rezultată ca produs final al reacțiilor chimice (catabolism tisular).

Modalitățile prin care apa se poate pierde din organism (din sânge), sunt prin:

• rinichi – procesul de excreție a urinei;
• plămâni – prin aerul expirat se elimină apa;
• pielea – prin transpirație;
• intestine – prin fecale se elimină apa.

În general există un echivalent între aportul de apă și cantitatea de apă pierdută din organism.

Deplasarea apei în organism

Deplasarea apei în interiorul și în exteriorul celulei este rezultatul procesului de osmoză. Acest proces reprezintă difuziunea (deplasarea) apei printr-o membrană celulară semipermeabilă, dintr-o zonă în care apa este în concentrație mare, către o zonă în care concentrația acesteia este scăzută. Sau din punct de vedere al concentrației de solviți, prin procesul de osmoză, apa de deplasează dintr-o zonă în care concentrația de solviți este scăzută, către o concentrație mai mare de solviți (solviții atrag apa).

În condiții normale, concentrația de ioni solviți este similară atât în interiorul, cât și în exteriorul celulei, motiv pentru care valoarea presiunii osmotice este zero. În acest fel nu are loc nicio deplasare. Pierderea de electroliți din zona extracelulară însă, crește concentrația de ioni din interior, modificând astfel echilibrul. Se înregistrează o presiune osmotică care va permite intrarea moleculelor de apă în celulă, către concentrația mai mare de solviți, până la restabilirea echilibrului.

Membrana care căptușește capilarele este traversată constant de apa schimbată între plasmă și lichidul interstițial. Datorită proteinelor, apare o presiune osmotică care determină în mare parte deplasările apei. Drenarea excesului de lichid și proteine din spațiul interstițial, se face prin sistemul limfatic care îl readuce în circulația sanguină cu scopul de a reveni la homeostazie.

Reglarea echilibrului hidric

În menținerea echilibrului hidric intervin variate mecanisme care asigură o balanță între aport și pierderi. Setea sau dorința conștientă de a bea apă, reprezintă un astfel de mecanism aflat sub controlul unui centru nervos hipotalamic, la nivelul căruia se află neuroni denumiți osmoreceptori.

Absența consumului de apă se manifestă prin:

• scăderea secreției salivare care duce la uscarea gurii și declanșarea senzației de sete;
• scăderea volumului sanguin, alături de creșterea concentrației plasmatice a solviților (cum ar fi, sarea), determină o nevoie de apă;
• zbârcirea osmoreceptorilor, care se depolarizează și transmit impulsuri cortexului cerebral cu scopul de a stimula senzația de sete și nevoia de apă;
• scăderea volumului plasmatic reprezintă un stimul pentru baroreceptorii din sistemul cardiovascular care astfel transmit impulsuri către hipotalamus, în zone sale receptoare.

Activitatea hormonală influențează aportul de apă.

Rata de filtrare glomerulară și volumul de apă reabsorbit din tubii nefronului determină un anumit volum de urină. ADH-ul sau hormonul antidiuretic, secretat de hipotalamusul anterior și eliberat de hipofiza posterioară, este cel care controlează rata reabsorbției tubulare. Secreția lui este stimulată de factorii care declanșează senzația de sete. Astfel, ADH-ul determină un volum urinar scăzut (deci o urină mai concentrată), prin creșterea reabsorbției de apă din tubi (distali și colectori).

Rinichii au și funcție endocrină, prin secreția hormonului renină. Aceasta activează la nivel pulmonar producția de angiotensină II care crește senzația de sete la nivelul encefalului.

Corticosuprarenalele secretă aldosteron care intervine în reglarea reabsorbției de apă, ca răspuns la activarea sistemului renină-angiotensină-aldosteron. Secreția de aldosteron este stimulată de angiotensina II. Astfel, aldosteronul va crește reabsorbția de ioni de sodiu la nivelul tubilor, care vor fi urmați de moleculele de apă.

Deplasarea fluidelor prin membrana capilară

Într-un interval de timp, curgerea sanguină prin vasul de sânge este influențată de:

• presiunea sanguină;
• rezistența la curgere – forța care se opune curgerii sângelui (fluxului); măsurarea ei se face prin forța de frecare din vasele de sânge.

Factorii care influențează rezistența sunt:

• vâscozitatea sângelui – dependentă de conținutul în globule roșii și solviți în lichidul sanguin;
• lungimea vasului de sânge – rezistența este direct proporțională cu lungimea vasului de sânge;
• diametrul vasului de sânge – este invers proporțional cu rezistența; astfel, pentru un diametru mai mic, rezistența este mai mare.

Conținutul de apă din sângele capilar se deplasează între plasmă și lichid interstițial, proces controlat de către legea Starling a capilarelor. Aceasta oferă indicații privind sensul deplasării apei între cele două compartimente. Controlul este exercitat prin intermediul a două forțe:

• presiunea hidrostatică (PH) – presiunea dată de presiunea apei din sânge, care favorizează mișcarea lichidelor în sensul capilar – lichid interstițial.
• presiunea coloid-osmotică (PO) – presiunea dată de prezența proteinelor în plasmă (de exemplu, albumina). Acestea se află în stare coloidală și atrag apa din exteriorul capilarului prin osmoză. Concentrația lor din capilar o depășește pe cea din lichidul interstițial.

Pe baza legii Starling, la capătul arterial al capilarului, apa se va deplasa din capilar în lichidul interstițial, proces favorizat de o presiune hidrostatică (arterială) mai mare decât cea coloid-osmotică. Acesta reprezintă de fapt un proces de filtrare, la fel cu cel de la nivelul glomerulului renal.

În schimb, la capătul venos, sensul de deplasare al apei este lichid interstițial – capilar, proces favorizat de o presiune coloid-osmotică mai mare decât presiunea hidrostatică (arterială). Acesta reprezintă de fapt un proces de reabsorbție. O anumită proporție din lichidul ajuns în spațiul interstițial va intra în capilarele limfatice, datorită presiunii osmotice apărute la acest nivel (în capilarele limfatice).

Capilarul prezintă un centru dinamic, o zonă în care cele două presiuni (hidrostatică și coloid-osmotică) sunt echivalente, fără a exista o deplasare netă a apei.

Figura 21.3 Legea Starling a capilarelor.

Acumularea anormală a unei cantități mari de lichid în țesutul interstițial poartă numele de edem. Printre cauzele multiple, se numără:

• obstrucția venoasă (dată fie de tromboză venoasă, fie de staza din insuficiență cardiacă) care va crește presiunea hidrostatică, favorizând expulzarea lichidului din capilare în exteriorul lor.
• conținutul scăzut de proteine în plasmă (malnutriție, boli hepatice, renale sau ca urmare a creșterii permeabilității capilare), care va scădea presiunea osmotică. În urma acestui fenomen, forța de reabsorbție a lichidelor în capilare va scădea.
• creșterea volumului extracelular dată de retenția de lichide din insuficiența renală.

21.3. Echilibrul electrolitic

Pentru electroliți, trebuie să fie un echivalent între cantitățile introduse sau produse în organism și ceea ce se elimină.

În lichidul extracelular se remarcă:

• cationi – ioni încărcați pozitiv; Na⁺, de exemplu;
• anioni – ioni încărcați negativ; Cl^-, de exemplu.

Sunt surse de electroliți:

• alimentele;
• lichidele;
• reacțiile metabolice.

Pierderile de electroliți se înregistrează prin:

• fecale;
• transpirație;
• rinichi, în mod special, în procesul de formare a urinei.

Ionii de sodiu

Ionii de sodiu – caracteristici:

• constituie circa 90% din totalitatea cationilor din lichidul extracelular;
• menține echilibrul osmotic celular;
• dacă aportul este mai mare decât pierderile se înregistrează următoarele: organismul reține apa, crescând astfel volumul plasmatic și al lichidelor extracelulare; în această situație apar edeme și se înregistrează o creștere în greutate;
• dacă aportul este mai mic decât pierderile se înregistrează următoarele: volumul plasmatic și al lichidelor extracelulare scade și presiunea arterială, de asemenea.

Reglarea concentrației ionilor de sodiu din organism, depinde de formarea urinei la nivel renal, în mod special în zona glomerulară, astfel:

• scăderea presiunii arteriale scade implicit fluxul sanguin glomerular și astfel se va filtra mai puțin sodiu;
• odată cu creșterea concentrației de apă și sare, implicit crește și presiunea arterială care va crește excreția de sodiu.

La nivel renal, reabsorbția de sodiu este reglată de:

• aldosteron – acțiunile sale se manifestă la nivelul tubilor contorți distali și colectori, glandelor sudoripare, tractului gastrointestinal; secreția sa este parte din sistemul renină-angiotensină-aldosteron;
• renină – secretată de aparatul juxtaglomerular al nefronului (Completare: conform Glosarului de la finalul cărții, aparatul juxtaglomerular este o structură celulară localizată în apropierea glomerulului; controlează fluxul sanguin în glomerul); secreția de renină este stimulată de: presiunea sanguină scăzută, concentrația de sodiu din sânge scăzută, sau în urma unor pierderi mari de apă din organism.

La nivel plasmatic, renina interacționează cu angiotensinogenul (proteină sintetizată în ficat), pe care o transformă în angiotensină I. Aceasta, la nivel pulmonar, devine angiotensină II.

Figura 21.4 Sistemul renină-angiotensină-aldosteron implicat în reglarea sodiului.

Angiotensina II, odată produsă, are următoarele efecte care pot influența în mod direct sau indirect reabsorbția renală de sodiu:

• stimulează eliberarea de aldosteron din suprarenale, zona corticală;
• declanșează senzația de sete;
• declanșează secreția de ADH;
• declanșează secreția de ACTH;
• determină vasoconstricție și creșterea presiunii arteriale.

Potasiul

Ionul de potasiul – caracteristici:

• cel mai important cation intracelular;
• intervine în activitatea electrică a nervilor și a mușchilor;
• menține echilibrul osmotic celular;
• în lichidul extracelular influențează echilibrul acido-bazic.

Reglarea concentrației de potasiu din sânge se face de către aldosteron. Dacă crește concentrația de ioni de potasiu, acesta va acționa în mod direct asupra glandelor suprarenale, zona corticală, cu stimularea secreției de aldosteron. Ulterior, hormonul va stimula secreția urinară de ioni de potasiu și reabsorbția celor de sodiu.

Factorii care duc la deficit de ioni de potasiu sunt:

• diaree;
• boli renale;
• edeme.

Deficitul de ioni de potasiu determină apariția artimiilor.

Insuficiența renală determină un exces de ioni de potasiu, care se poate manifesta prin fibrilații cardiace.

Alți ioni

Ioni care se găsesc în echilibru în organism sunt:

• calciu;
• magneziu;
• sulfiți;
• cloruri;
• fosfați;
• bicarbonat.

În reglarea nivelului ionilor de calciu intervin hormonii secretați de către glandele paratiroide și calcitonina (secretată de către tiroidă). Rolurile ionilor de calciu, sunt în:

• coagulare;
• contracția musculară;
• activitatea hormonală;
• conductivitatea nervoasă.

Totodată, ionii de calciu intră în structura dinților și a oaselor. (Completare: mai sus spune despre calciu că este un ion ce se găsește în cantitate mică în lichidul extracelular. Da, comparativ cu concentrația altor ioni, calciu este în cantitate mică. Pe figura 21.5 se remarcă concentrația mai mare a calciului în lichidul extracelular față de concentrația sa din lichidul intracelular.)

Ionul de clor – caracteristici:

• anionul cel mai comun din spațiul extracelular;
• aproape în toate cazurile se află legat de sodiu;
• asigură un mediu izotonic pentru celule;
• intervine în stabilitatea presiunii osmotice intra și extracelulare;
• este excretat în sucul gastric sub formă de acid clorhidric;
• în general, reabsorbția lor se face în partea terminală a tractului gastrointestinal;
  
• concentrația lor, precum și a altor anioni, este menținută prin activitatea unor mecanisme reglatoare secundare (de exemplu, în cursul reabsorbției, ionii de sodiu atrag electric ionii de clor).

21.4. Echilibrul acido-bazic

Concentrația ionilor de hidrogen din lichidele organismului exprimată prin pH, influențează echilibrul între acizi și baze. În organism, valoarea pH-ului are prezintă următoarele efecte:

• influențează activitatea enzimelor celulare;
• menține structura normală a celulei;
• menține permeabilitatea membranei celulare.

Compusul chimic care pune în libertate într-o soluție ioni de hidrogen, se numește acid. Exemple: acidul clorhidric, acidul lactic – sunt acizi din corpul uman.

Acizii tari se deosebesc de cel slabi prin disocierea lor completă în urma căreia se pune în libertate un număr maxim posibil de ioni de hidrogen. De exemplu, acidul clorhidric este un acid tare, iar acidul carbonic este un acid slab.

Numeroasele procesele metabolice pun în libertate ioni de hidrogen. În cursul respirației, în urma reacției dintre dioxid de carbon și apă, rezultă acid carbonic care disociază și care duce la formarea de ioni de hidrogen și bicarbonat. Acizi rezultă și din degradarea acizilor grași și a aminoacizilor.

Concentrația ionilor de hidrogen din organism poate fi reglată prin:

• intervenția sistemelor tampon (în primul rând);
• activitatea centrului respirator din trunchiul cerebral;
• intervenția rinichilor.

Sistemele tampon

Sistemul tampon este o soluție care nu permite pH-ului să sufere modificări majore, în situația în care soluției respective i s-ar adăuga mici cantități de acid sau bază.

În general, în alcătuirea unui sistem tampon, intră:

• un acid slab;
• sarea acidului respectiv.

Sistemul tampon acid carbonic-bicarbonat de sodiu prezintă următoarele caracteristici:

• în alcătuirea lui intră acidul carbonic (acid slab) și sarea sa, bicarbonat de sodiu (NaHCO₃);
• în cazul în care se adaugă peste sistemul tampon, un acid tare, cum ar fi acidul clorhidric: acesta din urmă intră în reacție cu ionii de bicarbonat (HCO₃^-) din sare, în urma căreia rezultă acid carbonic și clorură de sodiu. Comparativ cu acidul clorhidric, acidul carbonic este un acid slab care va duce la o creștere minimă a numărului de ioni de hidrogen. Are loc disocierea acidului carbonic în apă și dioxid de carbon; apa – contribuie la eliminarea ionilor de hidrogen ai acidului (apa este eliminată din organism pe diferite căi), iar dioxidul de carbon – va crește frecvența respiratorie cu scopul de a elimina excesul de atomi de carbon prin plămâni. Totodată, ionii de hidrogen (H⁺) pot fi eliminați (excretați) prin rinichi. La acest nivel ei pot fi utilizați și pentru formarea unei rezerve de ioni bicarbonat.
• în cazul în care se adaugă peste sistemul tampon, o bază tare, cu ar fi hidroxidul de sodiu: aceasta din urma va intra în reacție cu acidul carbonic, în urma căreia rezultă bicarbonat de sodiu. Astfel, baza rezultată este mai slabă decât hidroxidul de sodiu, înregistrându-se astfel o modificare minimă a pH-ului.

Figura 21.6 Acțiunea tampon a ionilor bicarbonat (HCO₃^-) la intrarea în sistem a ionilor de hidrogen (H⁺) care provin de la un acid.

Sistemul tampon al proteinelor – prezintă următoarele caracteristici:

• cel mai puternic sistem tampon din organism;
• din el fac parte: proteine intracelulare, cum ar fi hemoglobina și proteine plasmatice extracelulare (cum ar fi, albumina);
• gruparea amino din aminoacizii care intră în alcătuirea proteinelor, acceptă ioni de hidrogen în grupare și astfel proteinele acționează ca baze;
• gruparea carboxil din aminoacizii care intră în alcătuirea proteinelor, cedează ioni de hidrogen din grupare și astfel proteinele acționează ca acizi;
• deci, proteinele funcționează ca acizi sau baze, comportându-se ca un sistem tampon.

Reglarea echilibrului acido-bazic prin respirație

Centrul respirator de la nivelul trunchiului cerebral intervine în reglarea concentrației de ioni de hidrogen, controlând:

• frecvența respirației;
• amplitudinea respirației.

În cursul efortului fizic, producția celulară de dioxid de carbon crește și totodată și concentrația de acid carbonic din sânge. Prin disocierea sa sunt puși în libertate ioni de hidrogen care determină creșterea acidității sanguine. Aceasta are efect stimulator asupra receptorilor chimici (chemoreceptori) din centrul respirator, determinând creșterea frecvenței și amplitudinii respiratorii cu scopul de a elimina cât mai mult dioxid de carbon de la nivel pulmonar. În paralel cu pierderea de dioxid de carbon și concentrația de ioni de hidrogen se diminuează. Acest lucru este justificat de scăderea concentrației de acid carbonic din sânge.

În pneumonie sau bronșită, când respirația este îngreunată, determină acumularea de dioxid de carbon, ducând la acidoză respiratorie. Același lucru se întâmplă și în caz de ventilație deficitară.

Pe de altă parte, hiperventilația duce la creșterea pierderilor de dioxid de carbon, determinând alcaloză respiratorie.

Reglarea renală a echilibrului acido-bazic

Reglarea echilibrului acido-bazic de către rinichi se face în diferite etape, în cursul excreției ionilor de hidrogen, astfel:

• dioxidul de carbon din plasmă difuzează în celulele epiteliale ale tubilor renali; la acest nivel intră în reacție cu apa și rezultă acid carbonic. Acesta disociază în ioni de hidrogen și de bicarbonat. Ionii de hidrogen sunt apoi secretați în lumenul tubular și excretați ulterior în urină, scăzând în acest fel aciditatea plasmatică.
• de asemenea, odată cu secreția ionilor de hidrogen, are loc captarea ionilor de sodiu în celulele epiteliale ale tubilor. De la acest nivel, ionii de sodiu împreună cu ionii de bicarbonat sunt transportați în interstițiul renal și ulterior în sânge. Atunci când sângele devine alcalin, se diminuează (descrește) secreția de ioni de hidrogen și totodată concentrația lor din urină scade. Reabsorbția ionilor de bicarbonat se face în proporție mică, aceștia rămânând în urină și fiind apoi eliminați. Prin pierderea de ioni bicarbonat, care se comportă ca o bază, are loc diminuarea alcalozei.

O alternativă de reglare renală a echilibrului acido-bazic o reprezintă sistemul tampon fosfat. Acesta se concentrează în tubii renali și fixează ionii de hidrogen din fluidul tubular pe care îi elimină în urină. Acest mecanism prezintă avantajul de a elimina ionii de hidrogen fără să crească aciditatea urinei care ar putea afecta componentele tractului urinar.

Investigarea sângelui arterial sistemic oferă informații despre statusul acido-bazic al organismului.

Sângele arterial prezintă o valoare normală a pH-ului de 7,4. Însă, sângele venos și lichidul interstițial au un caracter ușor mai acid.

O valoare mai mică de 7,35 a pH-ului arterial poartă numele de acidoză, iar o creștere peste 7,45 se numește alcaloză.

Dacă natura cauzei este metabolică și nu respiratorie, atunci acidoza sau alcaloza va fi metabolică. Un pacient cu diabet dezechilibrat poate prezenta acidoză metabolică dată de prezența corpilor cetonici în sânge.