Podstawowe prawa rządzące gospodarką wodno-elektrolitową i kwasowo-zasadową

Równowagą wodno-elektrolitową i kwasowo-zasadową rządzą dwa prawa fizykochemiczne i jedno prawo fizjologiczne. Są nimi:

Prawo elektroobojętności głosi, że płyny ustrojowe - obojętnie, w jakich przestrzeniach wodnych się znajdują - są elektrycznie obojętne. Znaczy to, że w danym płynie ustrojowym suma stężeń anionów (ładunków ujemnych) musi się równać sumie stężeń kationów (ładunków dodatnich). Na przykład w surowicy krwi suma stężeń kationów wynosi 153 mEq/l i równa się sumie stężeń anionów (ryc. 1.1).

Prawo izomolalności płynów ustrojowych mówi, że ciśnienie osmotyczne płynów ustrojowych wszystkich przestrzeni wodnych jest jednakowe. Jeżeli molalność osocza wynosi przeciętnie 290 mmol/kg H2O, to taką samą wartość otrzymuje się dla płynu pozakomórkowego pozanaczyniowego oraz dla płynu śródkomórkowego. Po wprowadzeniu do krwiobiegu określonej ilości 20-procentowego roztworu mannitolu (substancji nieprzenikającej przez błony komórkowe) ciśnienie osmotyczne płynu pozakomórkowego istotnie wzrośnie. Wzrost ten spowoduje "ściąganie" wody śródkomórkowej do przestrzeni pozakomórkowej aż do chwili wyrównania się molalności w obu przestrzeniach. Jest to praktycznie wykorzystywane np. w leczeniu obrzęku mózgu.

Powiązanie równowagi wodno-elektrolitowej i kwasowo-zasadowej. Diagram Gamble'a

W niniejszym rozdziale stężenia elektrolitów w płynach ustrojowych są podane w mEq/l, a nie w mmol/l, jak tego wymaga SI. Wynika to z uwarunkowania wszelkich zaburzeń elektrolitowych przesunięciami w zakresie liczby anionów i/lub kationów, co najlepiej można wyrazić, posługując się równoważnikowym systemem określania stężenia poszczególnych elektrolitów.

Jak widać na diagramie Gamble'a (ryc. 1.1), jon Na+ jest dominującym kationem w osoczu krwi (140-145 mEq/l). Suma stężeń pozostałych kationów (wapnia, potasu i magnezu) wynosi 11 mEq/l. Suma więc wszystkich kationów wynosi 153 mEq/l. Spośród anionów największe stężenie ma Cl- (101 mEq/l), a potem anion wodorowęglanu (26 mEq/l).

Białczany surowicy stanowią ok. 16 mEq/l. Pozostałe aniony (fosforany, siarczany, kwasy organiczne, takie jak kwas mlekowy, pirogronowy i acetooctowy) stanowią tzw. resztkowe aniony, wynoszące w sumie ok. 10 mEq/l.

Zgodnie z prawem elektroobojętności płynów ustrojowych suma stężeń anionów równa się sumie stężeń kationów. Jeżeli pominąć niewielkie stężenie fosforanów, suma stężeń zasad buforujących (BB) składa się praktycznie ze stężeń wodorowęglanów i białczanów i wynosi 42 mEq/l. Zasady buforujące są tym parametrem, który wiąże równowagę kwasowo-zasadową z wodno-elektrolitową.

W kwasicy metabolicznej, np. w kwasicy mocznicowej, stężenie wodorowęglanów ulega znacznemu zmniejszeniu. Aby zachowane zostało zjawisko elektroobojętności, musi się zwiększyć stężenie innego anionu (są to z reguły aniony fosforanowe i siarczanowe) lub musi ulec zmniejszeniu stężenie jakiegoś kationu. Zarówno nadmierne wytwarzanie kwasów, jak i egzogenna ich podaż oddziałują na równowagę kwasowo-zasadową, zmieniając stężenie anionów HCO3-. Inaczej mówiąc, zmiany elektrolitowe w zakresie anionów wpływają na równowagę kwasowo-zasadową przez zmianę stężenia wodorowęglanów (zob. równanie Hendersona-Hasselbalcha).

2 Zaburzenia gospodarki wodno-elektrolitowej

Przestrzenie wodne - ich wielkość i skład jonowy

Zawartość wody w ustroju

Woda stanowi przeciętnie 60% masy ciała dorosłego, nieotyłego człowieka, pozostałe 40% to sucha masa tkanek. Zawartość wody w ustroju zależy od wieku, płci oraz procentowej zawartości tłuszczu. Największa jest zawartość wody u noworodka (75-80% masy ciała, przy czym 45% znajduje się w przestrzeni pozakomórkowej, a 35% - w śródkomórkowej). Po ukończeniu 1. roku życia wartość ta obniża się do 65% masy ciała (głównie kosztem przestrzeni pozakomórkowej), osiągając w okresie dojrzewania płciowego wielkość spotykaną u osób dorosłych. U mężczyzn po ukończeniu 60. roku życia zawartość wody ustrojowej wynosi przeciętnie 54% masy ciała, a u kobiet 46%.

Mniejsza zawartość wody u kobiet oraz u osób otyłych związana jest z małą zawartością wody w tkance tłuszczowej (której jest więcej u kobiet niż u mężczyzn).

Woda ustrojowa jest rozmieszczona głównie w dwóch przestrzeniach wodnych: w przestrzeni wodnej pozakomórkowej oraz śródkomórkowej (tab. 2.1). Przestrzeń wodna pozakomórkowa składa się z wody pozakomórkowej pozanaczyniowej (zwanej również wodą śródmiąższową - stanowi ona 15% masy ciała dorosłego człowieka) oraz z wody pozakomórkowej śródnaczyniowej (zawartej w osoczu - stanowi ona 5% masy ciała). Całkowita przestrzeń wodna pozakomórkowa wynosi ok. 20% masy ciała dorosłego człowieka.

Tabela 2.1. Rozmieszczenie wody w poszczególnych przestrzeniach wodnych u mężczyzn i kobiet w wieku 20-40 lat oraz u dzieci do 1. miesiąca życia (podane liczby wyrażają procent całkowitej masy ciała)

Jak wynika z tabeli 2.1, udział przestrzeni wodnej pozakomórkowej w wodzie ogólnoustrojowej u dzieci w 1. miesiącu życia jest znamiennie większy niż u dorosłych.

Około 2,4% masy ciała stanowi woda transcelularna, zajmująca przestrzeń transcelularną. Składają się na nią płyny ustrojowe w jamach opłucnej, w świetle jelit i innych odcinków przewodu pokarmowego, dróg żółciowych, trzustkowych i moczowych, płyn mózgowo-rdzeniowy oraz płyn w komorach oka. W warunkach prawidłowych wielkość tej przestrzeni nie ma większego znaczenia w gospodarce wodno-elektrolitowej, jednak w niektórych stanach chorobowych odgrywa ona główną rolę przy obliczaniu bilansu wodno-elektrolitowego i jest określana jako "trzecia przestrzeń" (ang. third space). Jej objętość zwiększa się u chorych z niedrożnością porażenną jelit, z rozległymi oparzeniami skóry lub zmiażdżeniem mięśni.

Woda w przestrzeni śródkomórkowej stanowi 40% masy ciała (nieco mniej u kobiet niż u mężczyzn). Składa się z wody śródkomórkowej pozanaczyniowej (38% masy ciała) oraz wody śródkomórkowej śródnaczyniowej, zawartej w krwinkach (2% masy ciała).

Z powyższego wynika, że przestrzeń pozakomórkową tworzą: osocze, chłonka (bez elementów morfotycznych), płyn śródmiąższowy, chrząstki kości oraz woda transcelularna. Przestrzeń wodna śródkomórkowa stanowi różnicę między wodą ogólnoustrojową a przestrzenią wodną pozakomórkową.

Skład elektrolitowy płynów ustrojowych

Płyny ustrojowe są roztworami różnych substancji organicznych i nieorganicznych. Jak widać w tabeli 2.2, skład elektrolitowy osocza i płynu pozakomórkowego pozanaczyniowego jest bardzo podobny. Istniejące różnice są uwarunkowane występowaniem w osoczu białek, nieprzechodzących w zasadzie przez barierę naczyń krwionośnych. Głównym kationem osocza i płynu śródmiąższowego (czyli pozakomórkowego pozanaczyniowego) jest sód, głównymi anionami zaś są chlor i wodorowęglany. Duże podobieństwo w składzie elektrolitowym wymienionych dwóch płynów sprawia, że znając zmiany stężenia któregoś z elektrolitów w osoczu, można łatwo obliczyć jego niedobór lub nadmiar w całej przestrzeni pozakomórkowej. W praktyce identyfikuje się skład elektrolitowy osocza ze składem płynu śródmiąższowego.

Skład elektrolitowy płynu śródkomórkowego różni się istotnie od składu płynu pozakomórkowego. Jak przedstawiono w tabeli 2.2, głównym kationem płynu śródkomórkowego jest potas, a nie sód, głównymi zaś anionami - fosforany i białczany. Ze zmian zachodzących w jonogramie osocza nie można więc bezpośrednio wyciągnąć wniosków dotyczących wewnątrzkomórkowych zmian elektrolitowych.

Tabela 2.2. Średnie stężenie różnych składników nieorganicznych i białka w osoczu, w płynie pozakomórowym pozanaczyniowym oraz w płynie śródkomórkowym

* Ponieważ wśród kwasów organicznych znajdują się kwasy mono-, di- i trikarboksylowe, wyrażenie ich stężenia w mmol/l wymaga znajomości stężenia każdego z nich.** Białka są mieszaniną różnych białek, o bardzo zróżnicowanej masie cząsteczkowej. Ich udział w molalności osocza i płynu śródkomórkowego oraz płynu śródmiąższowego jest znikomy.

Z tabeli 2.2 wynika, że w obrębie danej przestrzeni wodnej suma kationów jest równa sumie anionów. Jest to zgodne z prawem elektroobojętności płynów ustrojowych.

Mimo istnienia różnic w łącznej ilości kationów oraz anionów między płynami śródkomórkowym i pozakomórkowym ich molalność pozostaje jednakowa. Jest to uwarunkowane tym, że wielkocząsteczkowe białczany wywierają tylko niewielkie ciśnienie osmotyczne (określane jako ciśnienie onkotyczne).

Regulacja składu i objętości płynów ustrojowych

Regulacja stałości środowiska wewnętrznego, czyli homeostaza ustrojowa, polega na utrzymywaniu:

Stałość środowiska wewnętrznego jest wynikiem interakcji wielu mechanizmów.

Podstawową rolę w utrzymywaniu homeostazy ustrojowej odgrywają nerki i płuca. Narządy te mają zdolność bezpośredniego reagowania na zaburzenia wodno-elektrolitowe i kwasowo-zasadowe przed otrzymaniem jakichkolwiek sygnałów nerwowych lub humoralnych (jest to tzw. autoregulacja). Ich czynność może jednak ulec modyfikacji pod wpływem bodźców nerwowych albo osmoreceptorów, chemoreceptorów lub baroreceptorów.

Homeostaza ustrojowa polega przede wszystkim na utrzymywaniu izotonii i fizjologicznych wielkości przestrzeni wodnych. Mimo że regulacje obu wymienionych czynników są ze sobą ściśle połączone, będą one ze względów dydaktycznych omawiane oddzielnie.

Regulacja izotonii płynów ustrojowych

Regulacja izotonii płynów ustrojowych jest realizowana dzięki działaniu dwóch mechanizmów:

Dzięki zmianie klirensu "wolnej" wody ustrój ma możność utrzymywania efektywnej molalności (osmolalności) płynów na jednakowym poziomie. Przez pojęcie efektywnej molalności płynu należy rozumieć molalność (osmolalność) uwarunkowaną nieprzenikającymi lub słabo przenikającymi przez błony komórkowe osmolitami (np. sodu, mannitolu). W tej osmoregulacji pośredniczy wazopresyna. Wzrost efektywnej molalności osocza o zaledwie 2% stymuluje wytwarzanie oktapeptydu arginino-wazopresyny (ang. arginine-vasopressin, AVP) w podwzgórzu (w okolicy nuclei supraoptici i paraventriculares). Wazopresyna po przemieszczeniu się do krwi zwiększa resorpcję zwrotną wody w kanalikach dalszych neuronów za pośrednictwem akwaporyny-2 (ang. aquaporin-2, AQP2). W ten sposób hipertonia osocza się normalizuje. Przywrócenie izotonii osocza następuje w wyniku zmiany klirensu "wolnej" wody (tj. wody niezawierającej osmolitów). Pobudzenie ośrodka osmoregulacji w podwzgórzu odbywa się również za pośrednictwem bodźców nerwowych, powstałych w osmoreceptorach zatoki szyjnej i wątroby oraz wolumoreceptorach lewego i prawego przedsionka serca, żył płucnych i dużych naczyń żylnych. Zmniejszenie efektywnej objętości krwi krążącej (termin ten opisuje tę objętość krwi, która znajduje się w monitorowanych przez wolumo- i chemoreceptory obszarach naczyniowych, stanowi ona zwykle 15-20% całkowitej objętości krwi krążącej) jest silniejszym bodźcem do wydzielania wazopresyny niż hipertonia osocza!

Pobudzenie wolumoreceptorów pod wpływem oligowolemii zwiększa wydzielanie wazopresyny nawet wówczas, gdy osocze jest hipotoniczne.

Drugi mechanizm czuwający nad izotonią płynów ustrojowych polega na regulacji pragnienia. Zwiększa się ono pod wpływem hipertonii osocza i oligowolemii, czyli tych samych bodźców, które stymulują wydzielanie wazopresyny. Ponadto pragnienie wzmaga się u chorych z hipokaliemią, z hiperkalcemią oraz hiperangiotensynemią II.

Badania ostatnich lat ujawniły, że mononuklearne komórki fagocytujące tkanki śródmiąższowej odgrywają istotną rolę w regulacji przepływu sodu z przestrzeni śródnaczyniowej do przestrzeni śródmiąższowej pozakomórkowej, co oznacza, że wywierają istotny wpływ na wolemię i, co za tym idzie, na ciśnienie tętnicze krwi. Wykazano, że sód, wnikając do przestrzeni śródmiąższowej, może ulec czasem osmotycznej immobilizacji, wiążąc się z glikozaminopoliglikanami (ang. glycosaminoglycan, GAG) oraz pobudzając napływ monojądrzastych fagocytów wytwarzających śródbłonkowy czynnik wzrostu (ang. vascular endothelial growth factor, VEGF). Z kolei ten ostatni, stymulując limfangiogenezę i sieć naczyń włosowatych, reguluje przepływ sodu pozakomórkowego śródmiąższowego do przestrzeni śródnaczyniowej, przez co zwiększa wolemię. Wyniki tych badań sugerują występowanie znaczącej roli układu immunologicznego w regulacji ciśnienia tętniczego krwi.

W tym miejscu należy wspomnieć o istotnej roli izotonii nie tylko w regulacji wielkości poszczególnych przestrzeni wodnych, w szczególności w efektywnej wolemii, lecz także o roli poszczególnych jonów osocza w kształtowaniu sztywności naczyń krwionośnych, mającej istotne znaczenie w regulacji ciśnienia tętniczego (np. wzrost stężenia sodu zwiększa, a wzrost stężenia potasu zmniejsza sztywność naczyń krwionośnych). Stwierdzono, że wzrost natremii, stymulując przekształcenia globularnej postaci aktyny komórek śródbłonkowych w postać fibrylarną, w istotnym stopniu zwiększa sztywność naczyń krwionośnych. Powyższe fakty tłumaczą, dlaczego spożycie większej ilości sodu może być przyczyną gwałtownych wzrostów ciśnienia tętniczego.

Regulacja fizjologicznych wielkości przestrzeni wodnych

Na początku należy przypomnieć, że objętość krwi krążącej stanowi zaledwie 1/3-1/4 objętości przestrzeni wodnej pozakomórkowej. Ponadto tylko 15% krwi krążącej znajduje się w obszarze tętniczym (wysokociśnieniowym), co wyrażone w wartościach bezwzględnych odpowiada ok. 0,7 l u mężczyzn o masie ciała 70 kg. Pozostała ilość (czyli 85% ogólnej objętości krwi krążącej) znajduje się w obszarze naczyniowym niskociśnieniowym. Z biologicznego punktu widzenia największe znaczenie ma objętość krwi obszaru wysokociśnieniowego. Zależy ona od objętości minutowej serca i oporu naczyń krwionośnych. Objętość krwi tego obszaru określana jest jako efektywna objętość krwi krążącej. W jej regulacji udział biorą wolumoreceptory tętniczego obszaru naczyniowego (umiejscowione w zatoce szyjnej, łuku aorty, aparacie przykłębuszkowym w nerkach oraz lewej komorze serca) i niskociśnieniowego obszaru naczyniowego (receptory te znajdują się w przedsionkach serca, prawej komorze serca oraz naczyniach płucnych), a także chemoreceptory serca, płuc i wątroby.

Zmniejszenie efektywnej objętości krwi krążącej jest przyczyną aktywacji wolumoreceptorów oraz stymulacji:

Natomiast powoduje ono hamowanie sekrecji:

W następstwie aktywacji wymienionych mechanizmów wyrównawczych dochodzi do zatrzymywania w ustroju wody i sodu oraz przywrócenia izowolemii.

Wzrost efektywnej objętości krwi krążącej (hiperwolemia) jest przyczyną hamowania sekrecji AVP, układu RAA i układu współczulnego, natomiast powoduje wzmożenie natriurezy ciśnieniowej oraz sekrecji powyższych czynników natriuretycznych.

W tym miejscu należy wspomnieć o znaczącej roli renalazy, enzymu wytwarzanego przez nerki, a inaktywującego aminy katecholowe nie tylko te wytwarzane przez nerki, ale i te zawarte w krwi systemowej, przez co narząd ten stanowi istotne ogniwo regulacji nie tylko wolemii, lecz także oporu naczyń krwionośnych.

Istotny wpływ na wolemię ma aktywność autokrynna i parakrynna śródbłonka naczyniowego. Ten ostatni jest miejscem syntezy substancji o działaniu zarówno rozszerzającym naczynia (prostaglandyna PGI2, bradykinina, tlenek azotu, adrenomedulina, naczyniowy czynnik natriuretyczny - CNP, medullipina), jak i kurczącym naczynia (adrenalina, noradrenalina, endotelina, neuropeptyd Y, angiotensyna II). Wymienione hormony, oddziałując na stan napięcia naczyń krwionośnych, wykazują istotny wpływ na ciśnienie tętnicze krwi i, co za tym idzie, na systemowe mechanizmy nerwowej, hormonalnej oraz nerkowej regulacji wolemii i oporu naczyń krwionośnych.

Rola nerek polega nie tylko na wydalaniu z ustroju końcowych produktów przemiany materii, ale przede wszystkim na utrzymywaniu stałego bilansu wodno-elektrolitowego oraz izohydrii. Izohydria jest przedmiotem bliższej analizy na s. 161.

Jednostką czynnościową nerek jest nefron. Jedna nerka zawiera około 1 mln nefronów. Istnieje duże zróżnicowanie strukturalne i czynnościowe nefronów korowych i przyrdzeniowych, nie zostanie ono jednak dokładniej omówione, ponieważ nie ma praktycznie znaczenia przy analizie bilansu wodno-elektrolitowego. Nefron składa się z:

Kłębuszek nerkowy jest miejscem powstawania przesączu pierwotnego. Przesącz jest wynikiem efektywnego ciśnienia filtracyjnego (ang. effective filtration pressure, EFP), które stanowi różnicę ciśnienia panującego w naczyniach kłębuszka nerkowego (ang. blood pressure, BP) oraz ciśnienia koloidoosmotycznego osocza (ang. colloid-osmotic pressure, CP) i wewnątrztorebkowego (ang. intracapsular pressure, IP) zgodnie z równaniem EFP = BP - (IP + CP).

Pomiar GFR przy użyciu inuliny jest złotym standardem przy ocenie przesączania kłębuszkowego. W praktyce lekarskiej używa się tzw. obliczonego GFR (ang. estimated glomerular filtration rate, eGFR) opartego na stężeniu kreatyniny lub/i cystatyny C w surowicy. Poniżej podano różne używane do tego celu równania (cyt. za: Schaeffner et al.):

1) BIS 1 : 3736 × kreat.-0,87 × wiek-0,95 × 0,82 (dla kobiet)

2) BIS 2 : 767 × cystat.-0,61 × kreat.-0,40 × wiek - 0,57 × 0,87 (dla kobiet)

3) CKD-EPI

a) dla kobiet z kreat. < 62 ?mol/l lub < 0,7 mg/dl:

b) dla kobiet z kreat. > 62 ?mol/l lub 0,7 mg%:

c) dla mężczyzn z kreat. ? 80 ?mol/l lub ? 0,9 mg%:

d) dla mężczyzn z kreat. > 80 ?mol/l lub > 0,9 mg%:

4) Cockroft-Gault:

a)

b) (140 - wiek) × 55,7 × kreat-0,79 (model l)

5) Stevens et al.

a) 221 × kreat.-1,12 × wiek-0,27 × 0,76 (u kobiet)

b) 61,6 × cystat.-0,67 × kreat.-0,29 × 0,76 (model 2)

6) Stevens et al.

80,6 × cystat.-0,82 × kreat.-0,41

7) Cystat. 1:

76,7 × cystat.-1,19

8) Cystat. 2:

127,7 × cystat.-1,17 × wiek 0,13 × 0,91 (u kobiet)

9) Cystat. 3:

177,6 × kreat.-0,63 × cystat.-0,57 × wiek-0,20 × 0,82 (u kobiet)

10) 63 × cystat.-0,97 (model 7)

11) 493 × cystat.-0,95 × wiek-0,46 × 0,93 (u kobiet; model 8)

12) MDRD:

175 × kreat.-1,154 × wiek-0,203 × 0,742 (u kobiet)

Cystat. - stężenie cystatyny, kreat. - stężenie kreatyniny w mg%, wiek w latach.