MUNI MED Poruchy osmolarity a iontové rovnováhy 1 Celková tělesná voda - věk a pohlaví Kompartmenty tělesné vody Intracelulárnítekutina (ICT-cca © PhysiologyWeb at www.physiologyweb.com • Extracelulární tekutina (ECT-cca 1/3) • Plazma • Intersticium • Lymfa má složení odpovídající intersticiální tekutině • Transcelulární tekutina (CSF, nitrooční tekutina, patologicky výpotky) • Z funkčního hlediska sem lze zařadit i primární moč Složení ICT a ECT ICT: více proteinů, K+, Mg2+, fosfáty (H2P04~/HP042~); Ca2+je umístěno ve specializovaných kompartmentech ECT: Na+, Ca2+, Cl", HC03- (alkaličtější prostředí) v plazmě je více proteinů než v intersticiu a transcelulární tekutině Stejná osmolarita (285-295 mosmol/l - část proteinů + fosfátů v ICT je nerozpustná, na kationtové straně hlavně Mg2+; v ECT pouze malé množství Ca2+ a proteinů) 20Í - W. - 195 Cí- lí*' Cař" HCO, A:: Is Cíilnn:; Aninns Plij™ HCO," W,1 -EdrsMíYjÉíFJiid- litorsliul FljO hlsroelijlsr Flud Parameter ECF Plasma CSF Na+(mEq/l) K+(mEq/l) Ca2+(mEq/1) kíg2+(mEq/l) Cl" (mEq/1) HCCy (mEq/1) Lh P^CmrnHg) PC02(mmHg) Glucose (mg/ml) Osmolality (mOsm kg"1 H20) Temperature (°C) 136-145 3.5-5 3.4 1.50-2.5 110-118 22-28 7.35-7.45 35 39.5 70-110 280-296 36.6-37.3 150 4.6 4.7 1.6 105.0 24.8 7.38-7.42 A-WB 75-100 A-WB 35-45 A-WB 70-110 280-296 37.0 147 2.9 (0.62) 2.3 (0.49) 2.2 (1.39) 120 (1.14) 25.1 7.4 42 50.2 64 289 37.7 lA-WB: Arterial whole blood; ECF (extracellular fluid ) and CSF (cerebrospinal flurd) values different from plasma are indicated in bold font. Agnati etal., 2017 Osmóza - přesun vody při změně osmolarity o c c o ° e ° 0 t> o o Buňka v hypotonickém prostředí o es c o o ° 0 o o o° o °c e 260 mmol/l t c o !c H2° * „ c ° e c o o ŕ 0 co o ° • 280 . mmol/l u c C o c 0 c c o O o o O o o o 0 o o o 8 o o o° . 260 . mmol/l H20 H20 o ° B o o c c c c o c e 0 o o o ° c • e c « Koncentrace solutů v ECT a ICT se vyrovnají vstupem vody do buňky _2_if_:_ Koncentrace solutů v ECT a ICT se vyrovnají výtokem vody z buňky o o o Extracelulární soluty Intracelulární soluty Osmolarita a osmolalita • Osmolarita - koncentrace osmoticky aktivních částic (na jednotku objemu) • 1 mol NaCI disociuje na 1 mol Na+ a 1 mol Cľ a má tak stejnou osmolaritu jako 2 moly glukózy • Osmolalita - podobné, ale na jednotku hmotnosti • U zředěných vodných roztoků lze v praxi zaměnit • Osmoticky tlak - ji = R.T.I(c.i) • Odhad celkové osmolarity z koncentrací plazmatických solutů: 2Na+ + 2 K+ + urea + glukóza • tj. dvojnásobek plazmatických kationtů + neutrální látky • na aniontové straně platí princip elektroneutrality: Cľ a další anionty jsou dorovnávány HC03" a naopak, s důsledky pro ABR, ne však pro osmolaritu • hlavním faktorem osmolarity plazmy je tedy natrémie Tonicita (efektivní osmolarita) • Osmolarita solutů, které nepřecházejí přes membránu a generují tak osmotický tlak (tj. jsou osmoticky aktivní) • Dobře přechází: • Krevní plyny-nepolární • Etanol • Urea - polární, ale hojnost kanálů (podobně jako voda) • umělá fosfolipidová dvojvrstva: 0=0,95 • většina membrán a stěna kapilár: a<0,l • hematoencefalická bariéra: a=0,5 (cave rychlá korekce urémie při dialýze -> edém mozku) • Buňky obsahují řadu osmoticky aktivních aniontů a musejí vydávat energii na 3Na+/2K+ ATP-ázu, která udržuje stejnou tonicitu na obou stranách membrány Regulace osmolarity a cirkulujícího volumu • RAAS (hi. angiotensin II/III a aldosteron) - primárně zvyšuje cirkulující volum při zachování osmolarity Na+ i voda), zároveň vazokonstrikce • ADH (V2 receptory) - primárně snižuje osmolaritu reabsorbcí čisté vody ve sběrném kanálku ledvin voda), zároveň vazokonstrikce (vysoké hladiny - šok) • Natriuretické peptidy-snižují cirkulující volum (4^ Na+ivoda), zároveň vazodilatace Natriuretické peptidy ANP - skladován v granulech srdečních síní -„látka rychlé reakce" při ^ žilním návratu BNP - převážně kardiomyocyty komor (a mozek), bez zásob, dlouhý eliminační poločas - chronické srdeční selhání (marker) CNP - cévní endotel - pouze vazodilatace, nemá natriuretické účinky Urodilatin - alternativní (delší) transkript genu pro ANP, parakrinní působení v ledvinách Internal Izatlon.1 clearance of peptides BlaLogl&al actions GTP eCMP Biological action?. Antidiuretický hormon • Spolu s oxytocinem tvořen v nucleus supraopticus (SON) a nucleus paraventricularis (PVN), uvolňován z neurohypofýzy (oba hormony fungují i jako neurotransmitery se vztahem k sociálnímu chování) • Hypotalamický "osmostat" a ADH • reaguje na 1% odchylky od normy • produkci ADH tlumí • snížení osmolarity, alkohol, chlad • Pro osmotickou a objemovou rovnováhu mají význam především V2 receptory V2R OTR Chemical Structures of Oxytocin and Vasopressin Oxytocin Via vascular smooth muscle,platelet, liver, brainstem ft Ig Cvasoconstriction, platelet agregation, glycogenosis AVP Vlb V2 anterior pituitary gland, hypothalamus > collecting duct (kidney), heart, t pancreas v water retention, stimulation of insulin synthesis Diabetes insipidus (DI) (a) centrální Dl při poškození >85% ADH-produkujících neuronů PVN a SON nebo neurohypofýzy = i ADH (b) renální Dl • z důsledku mutací v genech pro ADH-receptory (V2) nebo aquaporin-2 = T ADH • diuréza až 201/den (ii osmolarita moči /1 osmolarity plazmy) • hypernatremie (Na >145mmol/l) • pocit žízně a příjem tekutin může Dl kompenzovat • ale při poruše příjmu tekutin nebo poruše pocitu žízně (hypodipsie, adipsie) hrozí dehydratace pituitary pttubvy Euvolemičtí/hypervolemičtí hyponatremičtí pacienti s nádorem mají výrazně zvýšený intracelulární volum, zatímco extracelulární volum může být normální nebo mírně zvýšený kvůli syndromu ^inappropriate antidiuretic hormone (SIADH)". ADH podporuje vychytávání vody v distálním tubulu vazbou na V2 receptor. Mechanismus žízně utlumen - (u laboratorních zvířat zástava příjmu tekutin, lidští pacienti obvykle pijí i při nízké osmolaritě). SIADH se nejčastěji rozvíjí u tumorů plic, pleury, tymu a mozku (např. 10% až 45% pacientů s malobuněčným plicním karcinomem má příznaky SIADH. latrogenní příčiny (cytostatika) Hyper- a hypovolémie • Hypervolémie • systémové edémy • plieni edém • hypertenze • Hypovolémie • ztráta kožního turgoru • hypotenze, šok • selhání ledvin (prerenální; urea:kreatinin > 100:1) Poruchy tonicity a CNS Jako každé buňky se i neurony a glie v hypotonickém prostředí nafouknou (hrozí edém mozku) a v hypertonickém svraští (hrozí demyelinizace) U chronických poruch dokáží neurony rozdíl osmolarity (tonicity) kompenzovat zvýšeným zadržováním, nebo naopak vylučováním osmoticky aktivních solutů Při rychlé korekci poruch osmolarity (NaCI, kličková diuretika) hrozí přesun vody opačným směrem a porucha opačného charakteru HCO3 RVI Sü;utü gar Cell shrinkage Organic Ositiof/tes Solute loss Organie GsFTtoJyles (VSQAQ ~4P Normal cell volume Cell swelling Poruchy volumu a tonicity - příčiny Hypoosmolární hyperhydratace • Psychogenní Polydipsie, SIADH, infúze glukózy -> metabolizace Glc Izoosmolární hyperhydratace • Srdeční selhání, selhání ledvin, iatrogenní- izotonické iontové roztoky Hyperosmolární hyperhydratace • Selhání ledvin, hyperaldosteronismus, vysoký přísun NaCI Hypoosmolární dehydratace • Addisonova choroba, predávkovaní diuretiky (kličkovými), absence NaCI v potravě Izoosmolární dehydratace • Krvácení, popáleniny, ascites, těžké (sekreční) průjmy Hyperosmolární dehydratace • Nedostatečný příjem vody, diabetes insipidus, diabetes mellitus, osmotická diuretika (m průjmy (Polydipsie) NEDOST. RENALM KXKREÍ K IM) 4 1 g SJADH 0 NEDOsTATEC. RENÁLNÍ EXKRECE H,Q SIADH q © SNÍŽENÁ RENAL. EX k RECK IM> 1 tlvpxjiKilretiiic 1 STRATA PREY ® Hvpoprotcinemie ZADRŽENÍ IIXJ í (Masivní příjem Xa NEDOSTATEJ RENÁI- EXKRECE Na SdhivHjici vdec Selháváni led™ ÍQFRl) -1 NSAF T H incraloloriikoidy T ztráta izotonk kyíti tekutin kwv.pl ssma. I AluŕJ, Kenólni zíraly - selhíuii ledvin í Hmotickü diurczii I Snlufťtikn I Níincralokonikindy i lHabrtonraitrnditt' ■ ztráta hypotonic. tekttin, pot, jcvraiky, průjem n nevrhopn oM sť napil ion Plasma [mmol/l] ICT [mmol/l] Na+ 140 10 K+ 4,5 140 Ca2+* Mg2+* 1 8 ci- H2P04/HP042- * 1 40 HCO3- • * zahrnuje ionizovanou i vázanou formu Příklady membránových transportů A a B jsou příklady membránových kanálů umožňujících difúzi látek X a Y podle jejich elektrochemických gradientů. C je iontová pumpa vyměňující soluty X a Y v opačném směru (právě díky její činnosti je X intracelulárním solutem a Y extracelulárním). D odpovídá sekundárně aktivnímu výměníku (antiportu) směňujícímu ionty Y za ionty Z, které se takto přesouvají proti svému elektrochemickému gradientu (podmínkou je dostatečný gradient iontů Y). Konečně E je kotransportérem, v němž se spolu s ionty Y a Z, které jím prochází podle elektrochemického gradientu, „sveze" iont X proti němu. I tady je primárním zdrojem energie iontová pumpa vytvářející dostatečný gradient iontu Y. V praxi můžeme za X dosadit např. draslík, za Y sodík a za Z chlór nebo vápník. Nejhojnější intracelulární kationt (98% intracelulárně) Nejochotněji přestupuje buněčnou membránu Koncentrační gradient je udržován Na+/K+ ATPázou Extra/intracelulární distribuce je regulována hormony (inzulín, adrenalin, aldosteron) a pH (viz dále) Celkové množství K v organismu závisí především na funkci ledvin Jak hyper-, tak hypokalémie jsou častými poruchami vnitřního prostředí a jsou proarytmogenní • Transcelulární výměna K+/H+, případně symport K+ + HC03~, fungují jako svého druhu pufrační systém umožňující vázat/uvolňovat H+ ionty při zachování elektroneutrality • V praxi je zvýšená nabídka H+ v cirkulaci spojená s přesunem K+ z buněk a naopak • Analogicky může např. hypokalémie při hyperaldosteronismu vést k metabolické alkalóze • Pozor při rychlé korekci poruch ABR - např. při chronické respirační acidóze kompenzují ledviny hyperkalémii zvýšeným vylučováním K+ a po korekci tak hrozí hypokalémie při přesunu K+ do Draslík a membránový potenciál • Kladně nabitý, intracelulární iont: T* koncentrace -> snížení polarity membrány (více, než odpovídá změně plazmatické koncentrace - analogie umyvadla spojeného hadicí s bazénem) • Řada funkčně odlišných typů K+ kanálů • Draslík různými mechanismy zvyšuje propustnost K+ kanálů • přímá vazba • kompetice s Mg2+, který kanály uzavírá • změny exprese a translokace Membránový potenciál kardiomyocytu o [mV] ř \\............ „rychlá" buňka t [s] Efekt na sodíkové kanály • Mírná hyperkalémie - snažší excitace • Výrazná hyperkalémie - trvalá blokáda části Na+ kanálů • Zpomalení převodu • Nakonec prahové napětí „uteče" membránovému a dochází k nemožnosti depolarizace • Mírná hypokalemie - hyperpolarizace • Výrazná hypokalemie - chybí substrát pro Na/K ATP-ázu -> polarita klesá, snažší excitace raslík-shrnutí hlavních efektů na EKG • Hyperkalémie • Hrotnatá T vlna (dif. dg. superakutní stadium IM) • Rozšíření QRS (s T vlnou až sinusoidní vlna) • Rozšíření, zploštění až vymizení P-vlny (ale dlouho sinusový rytmus) • Zpočátku vyšší excitabilita, později snížená, až zástava v diastole (srdce je depolarizované oproti normálnímu stavu) • "t* riziko re-entry (^ rozdíly rychlostí převodu) • Hypokalémie • Zploštělá, rozšířená T vlna • Patologické U (zpožděná repolarizace), prodloužení QI (QU) intervalu • EAD, torsades de pointes • Někdy hrotnaté P • T" riziko re-entry (T" rozdíly refrakterní fáze) • Excitabilita nejprve nižší (hyperpolarizace), později zvýšená Změny EKG při hypo- a hyperkalémii Periodická svalová paralýza při hypo- a hyperkalémii • heterogenní skupina onemocnění charakteristických přechodnými epizodami svalové slabosti v trvání hodin až týdnů dle typu • obvykle familiární onemocnění • podkladem jsou nejčastěji kanálopatie (Na, K i Ca) • sekundární periodická svalová paralýza při výraznějších změnách koncentrace K+ oběma směry, tyreotoxicitě (vystupňovaná aktivita sodno-draselné pumpy) • mechanismem je buď hyperpolarizace nebo přetrvávající depolarizace svalové buňky, jíž následuje inaktivace Na+ kanálů • vyvolávajícím faktorem může být přísun K+nebo cukrů, pokles K+, chlad, svalová námaha vystřídaná odpočinkem lont, který je spouštěčem svalového stahu V cytoplazmě je přítomen ve velmi nízkých koncentracích, což je spojeno s velmi vysokým gradientem na buněčné membráně (1:5000) V kardiomyocytu a buňce příčně pruhovaného svalstva je ve vysokých koncentracích v sarkoplazmatickém retikulu Kardiomyocyt (a buňka hladkého svalu) disponuje specifickými Ca2+-kanály, které hrají zásadní úlohu ve fázi 2 (plateau), pacemakerové funkci a převodu pomalými buňkami Tyto kanály mohou být blokovány specifickými léčivy za účelem zpomalení srdeční akce a/nebo vasodilatace Vápník a membránový potenciál • Extracelulární iont - dostává klidové napětí do zápornějších hodnot • Více než odpovídá koncentraci, protože Ca2+se váže na membrány a koncentruje se v jejich blízkosti • V rámci akčního potenciálu Ca2+uzavírá vápníkové (a chloridové) kanály, což zkracuje fázi 2 -> během repolarizace je Ca2+ odčerpáváno z cytoplazmy • důležité pro udržení kalciové homeostázy v buňce • u extrémní hyperkalcémie může fáze 2 zcela chybět • U hypokalcémie opačný efekt • Mechanické efekty • Extrémní hyperkalcémie: spouštěná aktivita (DAD), zástava v systole (velmi vzácně) • Extrémní hypokalcémie: spouštěná aktivita (EAD), hypokalcemická kardiomyopatie, akutní srdeční selhání EKG u změn plazmatické koncentrace vápníku HpMfóůlcemia ■ Prodloužení QT intervalu je dáno především fází 2 (u draslíku fází 3) i Při blokádě vápníkových kanálů dominují především převodní blokády v AV a/nebo SA uzlu Vápník a teta nie Action potential In a neuron Hypocalcemia * excitability Neurony mají normálně menší rozdíl mezi klidovým a prahovým potenciálem než myocyty Při poklesu Ca2+dochází k posunu membránového potenciálu lokálně do kladnějších hodnot a spontánním depolarizacím nervů/svalů Buňka kosterního svalu má krátkou refrakterní fázi a ke kontrakci dochází prakticky až po jejím skončení -nový impuls tedy může přijít už během kontrakce Dochází tak k sumaci svalových záškubů K tetanii dochází i při alkalóze, kdy se snižuje ionizovaná frakce Ca2+(Ca2+kompetuje s H+ve vazbě na proteiny) nebo při 4/Mg2+, kdy se snižuje Ca2+v extracelulárním prostoru (lokálně i systémově při n|/PTH) U hyperkalcémie naopak snížená dráždivost, hyporeflexie až kóma (obdobně acidóza a i^Mg2+) ON SWITCH - Calcium Influx Induces an action,"on switch"eg; a thought, muscle nirtv;ii-:Mi r ~i eľ: OFF SWITCH - Magnesium is shuttled out of the cell and blocks Calcium Influx blocking the "on switch". Taurine holds Magnesium in the channel to enforce the Magnesium blockade. Chlór a ABR Princip elektroneutrality: kladný náboj v plazmě = záporný náboj Kationtová strana: Na+, K+, Ca2+, Mg2+ • Relativně fixní, regulace spíše dlouhodobá Aniontová strana: C ľ, HC03", proteiny, fixní kyseliny • Silný vztah k ABR Chlór sám je ve vodném roztoku plně ionizován a nepůsobí jako donor nebo akceptor H+ • Ale HC03" a fixní kyseliny (součást anión gap) ano Anions - Cations and the anion gap -m-■-1 m r usni Na - uc { 4. _ AG = AG = [(Na + K) - {CI + HCO3)] [HA - [CI + HC03)] Hyper- a hypochlorémie Sama o sobě není problém, klíčové jsou koncentrace Na+ a HC03~ Jsou-li změny Cl" doprovázeny odpovídajícími adekvátními změnami Na+ ve stejném směru, jedná se primárně o poruchu osmolarity • Např. ztráta čisté vody, Dl x SIADH • Nedochází ke změně HC03~ a anion gap Naopak „čistá'' změna Cl" (bez Na+) je vždy doprovázená změnami dalších aniontů „Čistá'' hypochlorémie -> 1^HC03" , metabolická alkalóza • Mentální bulimie, sekreční průjmy s vysokými ztrátami Cľ, Bartterův syndrom při nedostatečnosti Na+/K+/2Cľ kot ran s porte r u v ledvinách „Čistá" hyperchlorémie -> \|/HC03" , metabolická acidóza • Rychlé podání hyperchloremického izotonického roztoku („fyziologický roztok" má 154 mmol/l Na+ i Cľ, Cľ se tak zvyšuje rychleji než Na+) Sekundární „čistá" hyper- a hypochlorémie „dorovnává" změny HC03~ nebo anion gap (princip elektroneutrality) Hyperchlorémie • Renální tubulární acidóza - ztráty HC03~ • Hyperparathyreóza - ztráty fosfátového aniontu Hypochlorémie • Posthyperkapnická alkalóza po rychlé korekci globální respirační insuficience (/hHC03) • Diabetická ketoacidóza - zvýšení ketolátek (součást anion gap) se ztrátami Cľ i HC03"