Qual é a distribuição normal do K+ no meio intra e extracelular?

A água é a biomolécula mais abundante nos seres vivos, compondo 60 a 75% do peso corporal. Nos animais adultos este valor está próximo de 60%, enquanto que nos neonatos é de 75%.

Todas as reações químicas do organismo são realizadas em meio aquoso e o equilíbrio de tais reações depende da concentração dos produtos de ionização da água, isto é, dos íons H+ e OH–. A água do organismo está localizada em dois compartimentos:

• Compartimento intracelular, que contém 55 a 60% do total da água do organismo;
• Compartimento extracelular, que contém 40 a 45% do total da água.

Apesar das variações no consumo e na perda de água e de eletrólitos no organismo, suas concentrações nos diferentes compartimentos são mantidas em forma relativamente constante. A água ingressa ao organismo através dos alimentos e da água de bebida, e se perde por quatro vias: pele, pulmões, rins e intestino. O volume de água no compartimento extracelular corresponde a 15-30% do seu peso corporal e inclui o plasma, o fluido intersticial, a linfa e os fluidos transcelulares. Entre estes últimos está o fluido gastrointestinal, que tem especial importância nos grandes animais (30-45 L no cavalo e 30-60 L na vaca).

Propriedades físico-químicas da água

Em relação ao tamanho da molécula, a água tem altos valores dos pontos de fusão (0°) e de ebulição (100°C). O calor de vaporização (energia calórica necessária para converter 1 g de água em vapor em condições de temperatura de ebulição e sob pressão atmosférica) tem também um valor relativamente alto na água (2,26 kJ/g). A água também tem um alto calor específico (energia calórica necessária para aumentar a temperatura de 1 g de água em 1°C) quando comparado com moléculas de peso molecular similar. Os dados anteriores revelam que a molécula de água possui uma grande força de atração entre suas moléculas. Este fato se deve à característica dipolar de sua estrutura; os átomos de hidrogênio compartilham um par eletrônico com o átomo de oxigênio e os pares de elétrons do oxigênio não compartilhados geram uma carga parcial negativa. Por sua vez, a força de atração eletrônica do átomo de oxigênio, elemento mais eletronegativo que o hidrogênio, origina uma carga parcial positiva sobre os átomos de hidrogênio, resultando em uma molécula dipolar. Esta característica faz com que uma molécula de água possa realizar pontes de hidrogênio com até outras quatro moléculas de água. Se considera que, em estado líquido, cada molécula de água se une mediante pontes de hidrogênio a 3 ou 4 moléculas vizinhas, enquanto que em estado sólido o faz com quatro. O grande número de pontes de hidrogênio entre as moléculas da água causa uma grande coesão entre elas, embora a água seja bastante fluida devido à curta meia-vida de tais ligações (10-9 segundos). A energia da ponte de hidrogênio é bem menor (20 kJ/mol) do que a da ligação covalente (460 kJ/mol).

A água é um líquido polar por sua tendência a atrair eletrostaticamente a outras moléculas. Ela pode realizar pontes de hidrogênio com outros átomos eletronegativos, tais como o oxigênio e o nitrogênio. As pontes de hidrogênio também podem ser formadas entre moléculas diferentes da água; o hidrogênio unido com oxigênio ou com nitrogênio, mas não com carbono, pode ter ligação com N ou O:

                     -O-H  —  O=C-

                     -O-H  —  N

                     -N-H  —  O=C-

                     -N-H  —  N

Devido a suas características polares, a água pode dissolver: (a) sais (exemplo NaCl) por interatuar com os íons que unem os átomos do sal entre si; (b) compostos orgânicos polares (açúcares, álcoois, aldeídos, cetonas, ácidos) devido à formação de pontes de hidrogênio com os grupos hidroxila ou carbonila; (c) substâncias anfipáticas (fosfolipídios, proteínas, ácidos nucleicos), que formam micelas com a água, interatuando com a porção hidrofílica e repelindo a porção hidrofóbica.

As propriedades coligativas da água (pontos de congelação e ebulição, pressão de vapor e pressão osmótica) podem ser modificadas pela interação de alguns solutos dissolvidos na água. Os solutos tendem a romper a estrutura normal da água, ou seja, suas pontes de hidrogênio, diminuindo o número e a força dessas ligações, causando menor interação entre as moléculas de água e mudando assim suas propriedades. Esta modificação pode ser favorável para alguns organismos animais; por exemplo, esta propriedade impede o congelamento do sangue dos peixes que habitam águas com temperaturas abaixo do ponto de congelação, já que a concentração dos solutos presentes no sangue diminui a temperatura de fusão da água. Por outro lado, a presença de proteínas no sangue dá maior pressão osmótica à água dentro dos capilares do que à água dentro do fluido extracelular, fazendo com que a água flua para o interior dos capilares.

Os produtos de ionização da água

A água tem uma leve tendência a ionizar-se de forma reversível, conforme a seguinte equação:

A 25°C, somente uma pequena proporção das moléculas de água estão ionizadas, mas apesar disso, os produtos de ionização (H+ e OH–) têm um profundo efeito biológico. Quantitativamente, o grau de ionização da água pode ser expresso mediante a constante de equilíbrio da reação (Keq):

A concentração de H2O é alta comparada com os produtos [H+] e [OH–]. Como a densidade da água é de 1 g/mL, em 1 litro haverá 1.000 g ou 55,5 moles de água (peso molecular da água = 18 g). Isto significa que a concentração molar da água é de 55,5 M, concentração que pode ser considerada estável devido a sua pouca ionização. Também é conhecido, por medições de condutividade elétrica, que o valor da constante de equilíbrio (Keq) é de 1,8×10-16 M a 25°C. Então, substituindo na equação da constante Keq, obtém-se que:

ordenando, obtém-se o produto de ionização da água:

Quando as concentrações de H+ e OH– são iguais, como ocorre com a água neutra, a concentração de H+ é de 1×10-7 M. Se a concentração de H+ aumentar, a concentração de OH– diminui e vice-versa, de forma que o produto de ionização sempre será igual a 1×10-14. No caso de uma solução de NaOH 0,1 N, sabendo-se que [H+][OH–] = 1×10-14, a concentração de [H+] será:

[H+] = 1×10-14/1×10-1

[H+] = 1×10-13 M

Para designar a concentração de H+ em termos mais práticos usa-se a escala de pH, para soluções entre 1,0 M de H+ e 1,0 M de OH–. O pH é definido mediante a seguinte equivalência:

Assim, o valor do pH para uma solução neutra é:

pH = log [1/(1×10-7)]

pH = log (1×107)

pH = log1 + 7log10

pH = 7

E o pH de uma solução de HCl 1,0 M é:

pH = log 1/1

pH = log1

pH = 0

Equilíbrio hídrico

A capacidade dos animais para manter constante a composição dos fluidos intra e extracelulares é um grande avanço evolutivo pois lhes permite uma grande independência com relação às mudanças do meio. Os mecanismos estão basicamente localizados nos rins, o sangue e os pulmões, e se destinam a manter o volume, a composição iônica e o pH desses fluidos, para que possam ser realizadas as reações enzimáticas do metabolismo. De 60 a 75% do peso corporal é água.

Do total de água corporal, 2/3 estão localizados dentro das células constituindo o fluido intracelular.  O terço restante é o fluido existente fora das células, ou seja, o fluido extracelular, que está compreendido em vários subcompartimentos: 2/3 estão no fluido intersticial que contorna as células e 1/3 constitui o plasma sanguíneo. A principal diferença entre o líquido intersticial e o plasma é que este último contém proteínas. No fluido extracelular também estão incluídos a linfa, o líquido cérebro-espinal e o líquido transcelular, isto é, aquele contido no trato gastrointestinal.

A chamada água metabólica é uma das fontes de água e provém dos processos de oxidação; a oxidação total de 1 g de gordura, glicídio ou proteína, resulta na produção de 1,07, 0,06 ou 0,41 g de água, respectivamente. Como a água passa livremente através das membranas, o volume em cada compartimento está determinado pelos solutos que caracterizam cada espaço; no plasma são as proteínas e o Cl-; no fluido extracelular é o sódio e no espaço intracelular é o potássio.

Concentração (mEq/L) dos principais componentes dos fluidos corporais

As mudanças no espaço extracelular afetam os outros compartimentos e seu controle constitui a regulação homeostática. O controle é realizado basicamente sobre o volume e sobre a pressão osmótica do fluido extracelular, mediante a ação hormonal do sistema renina-angiotensina-aldosterona como ponto primário e da vasopressina (VP) ou hormônio antidiurético (ADH). Outros pontos de controle incluem sinais neurais como, por exemplo, o centro da sede.

Manutenção do volume efetivo circulante

As mudanças no volume efetivo circulante (líquido extracelular no sistema vascular) produzem mudanças na pressão sanguínea e na osmolaridade do plasma. O controle da pressão osmótica do fluido extracelular, por sua vez, está determinado pela regulação do volume sanguíneo, ou seja, pela ingestão e pela excreção de água.

A ingestão de água está controlada pelos mecanismos da sede, que respondem a dois estímulos diferentes:

• Desidratação celular, cujos receptores neurais estão localizados nas áreas laterais pré-ópticas do cérebro e respondem a uma diminuição hídrica de 1-2% nas células; perdas de água maiores a 4% do total corporal leva a sintomas de desidratação; perdas de 10 a 20% (dependendo da espécie) são fatais.
• Diminuição no volume extracelular detectado através de baro-receptores localizados nos grandes vasos sanguíneos. Estes últimos receptores também estimulam a liberação de renina e a produção de angiotensina II, a qual estimula diretamente o centro da sede. O sistema renina-angiotensina estimula a síntese e secreção de aldosterona no córtex adrenal. Este hormônio aumenta a taxa de reabsorção de Na+ nos túbulos renais, aumentando, portanto, o volume do fluido extracelular e promovendo também a excreção de K+ e de H+ nos mesmos túbulos.

A excreção de água é regulada pela ação da vasopressina, cuja secreção na neurohipófise é estimulada por aumentos de 1-2% na osmolaridade plasmática, através de osmo-receptores localizados na região supraóptica do hipotálamo. No entanto, o volume do plasma está regulado de forma mais rígida pelo conteúdo de Na+, mediante sua excreção e sua reabsorção em nível renal. O aumento no volume do fluido extracelular, leva a aumentar a excreção renal de Na+, o que conduz a uma maior perda de água na urina para diminuir o volume extracelular. Os mecanismos que regulam a excreção de Na+ são a taxa de filtração glomerular e a taxa de reabsorção tubular controlada pelo sistema renina-angiotensina-aldosterona, principalmente.

O sistema renina-angiotensina

Este sistema tem um importante papel na manutenção do volume efetivo circulante. A renina é uma enzima proteolítica produzida pelas células juxta-glomerulares das arteríolas aferentes dos glomérulos renais. A renina converte o angiotensinogênio, proteína que circula no plasma sanguíneo, em angiotensina I, um decapeptídeo com limitada ação biológica. A angiotensina I é convertida enzimaticamente no pulmão e nas células endoteliais dos vasos sanguíneos em angiotensina II, octapeptídeo biologicamente ativo.

A secreção de renina pode ser estimulada por:

(1) decréscimo na pressão arterial

(2) diminuição na concentração de sódio

(3) estímulo beta-adrenérgico

(4) prostaglandinas

(5) hipovolemia.

Os eventos que inibem a secreção de renina são:

(1) hipervolemia

(2) aumento da pressão arterial renal

(3) hipernatremia

(4) estímulos alfa-adrenérgicos

(5) angiotensina II.

A angiotensina II atua em vários níveis:

(a) Estimulando a biossíntese de aldosterona no córtex adrenal;

(b) Causando vasoconstrição e estimulando a liberação de catecolaminas, que também causam vasoconstrição e aumento da pressão arterial; e

(c) Induzindo sede para, mediante a ingestão de água, elevar o volume e a pressão sanguíneas.

A angiotensina II também é encontrada no cérebro, constituindo um possível neurotransmissor. A aldosterona é produzida na zona glomerular do córtex adrenal por estímulo da angiotensina II, sendo o hormônio mais potente que atua na reabsorção do sódio no rim. A aldosterona também pode ser secretada por estímulo direto do aumento na concentração plasmática de K+ obedecendo a pequenos aumentos da ordem de 0,1 mEq/L. O mecanismo de ação da aldosterona é mediante a indução da formação de proteínas que incrementam a permeabilidade da membrana apical (luminal) para o sódio, levando este íon da luz do túbulo para a célula do túbulo de forma passiva e desta para o espaço intersticial por transporte ativo, através da bomba Na‑K ATPase. A aldosterona estimula a síntese de várias enzimas mitocondriais que estimulam a formação do ATP necessário para que a bomba funcione.

Vasopressina

A vasopressina u hormônio antidiurético (ADH) tem função importante na regulação da osmolaridade dos tecidos. Ela é sintetizada no hipotálamo e armazenada na neurohipófise. A secreção de ADH está relacionada com a concentração de sódio no plasma, pois este cátion é o determinante primário da osmolaridade plasmática. Um aumento da osmolaridade plasmática é detectado por sensores do hipotálamo e a resposta é estimular tanto o centro da sede para aumentar o consumo de água, como a secreção de ADH.

O ADH também se libera quando diminui o volume efetivo circulante, porém o sistema renina-angiotensina exerce o controle primário sobre mudanças neste volume. A vasopressina aumenta a reabsorção de água nos túbulos contorcidos distais e nos dutos coletores utilizando o AMP cíclico como segundo mensageiro. O cAMP ativa proteína-quinases que atuam alterando a permeabilidade das células tubulares. Quando a ingestão de água é pouca, o aumento na tonicidade dos fluidos corporais induz a secreção de vasopressina e o rim elabora urina hipertônica (concentrada e pouco volume). A perda de volume extracelular, por exemplo em hemorragias, também estimula a secreção de vasopressina. O ADH atua extra-renalmente como vasoconstritor arterial, aumentando a pressão sanguínea. A ação do ADH permite manter a osmolaridade do plasma em intervalos normais relativamente restritos (270-300 mOsm/kg H2O).

Equilíbrio eletrolítico

O Na+ é o principal cátion extracelular, enquanto que o K+ e o Mg2+ são os principais cátions intracelulares. O Cl- e o HCO3– são os ânions que predominam no espaço extracelular, ao passo que as proteínas e o HPO42- são os principais ânions intracelulares. O NaCl contribui principalmente para a pressão osmótica do plasma. O Ca2+, o Mg2+, as proteínas e os fosfatos contribuem para a pressão osmótica do fluido intracelular. As concentrações de Na+ e K+ são mantidas pela bomba Na-K ATPase das membranas plasmáticas, a qual transporta de forma ativa o Na+ para o exterior das células e o K+ para o interior. A membrana plasmática tem uma permeabilidade muito limitada para os fosfatos orgânicos e para as proteínas.

O rim é o órgão mais importante na regulação do volume e da composição dos fluidos corporais. As unidades funcionais do rim, os nefrons, realizam três processos: (1) ultrafiltração, através dos glomérulos capilares; (2) reabsorção seletiva de fluidos e de solutos nos túbulos proximais, alça de Henle, túbulos distais e dutos coletores; e (3) secreção seletiva de solutos no lúmen dos túbulos proximal e distal.

Em torno de 75% do Na+, do Cl- e da água do filtrado glomerular são reabsorvidos nos túbulos proximais por processos de transporte ativo. A reabsorção de sódio nesses túbulos é realizada por 3 mecanismos:

• O sódio é transportado do lúmen para célula tubular de forma passiva, devido ao gradiente químico presente, sendo logo enviado em forma ativa para o espaço intersticial, mediante a bomba Na‑K ATPase, processo favorecido pela aldosterona
• Troca de Na+ presente no líquido luminal do túbulo pelo H+ do interior da célula tubular, mediante um transportador de membrana antiport
• Ingresso do sódio impulsionado por íons Cl-, os quais estão na luz do túbulo com gradiente favorável para que sejam transportados para a célula tubular. Os anions (Cl-, HPO42-) são reabsorvidos passivamente devido ao gradiente elétrico preestabelecido pela transferência de Na+. A água passa também passivamente com o soluto (Na+). O ajuste restante é realizado pelos hormônios vasopressina e aldosterona.

Principais processos de transporte de Na+, Cl- e água no rim

A homeostase do K+, o principal cátion intracelular, é regulada de forma diferente do Na+; o mecanismo renal está mais orientado para a prevenção da hipercalemia (aumento da concentração plasmática de potássio), que pode gerar problemas cardíacos, e menos orientado para a prevenção da hipocalemia. O K+ é secretado no túbulo distal, embora 85 a 90% do K+ filtrado seja reabsorvido no túbulo proximal por mecanismos de transporte ativo. O processo de secreção é passivo, obedecendo a um gradiente, já que a luz tubular se encontra eletronegativa devido a reabsorção ativa do Na+. Também pode haver excreção ativa de K+ nos dutos coletores.

A secreção tubular do K+ é regulada pelos seguintes fatores: (a) K+ intracelular, (b) aldosterona por favorecer a reabsorção ativa de Na+, (c) taxa de fluxo urinário (maior fluxo, maior excreção), (d) estado ácido-básico: a alcalose provoca saída de H+ das células e entrada de K+ nas mesmas, levando a aumento do K+ intracelular e hipocalemia, e ainda ocorrendo maior excreção de K+ renal devido ao aumento deste íon dentro das células tubulares, o que exacerba a hipocalemia.

Diferença aniônica (anion gap)

A diferença aniônica (anion gap) se refere à diferença entre os cátions mais importantes (Na+ +K+) e os ânions mensuráveis (Cl– e HCO3–), como se define na equação:

Anion gap = ([Na+] + [K+]) – ([Cl–] + [HCO3–])

Na verdade, o anion gap dá uma ideia dos chamados ânions não mensuráveis, quais sejam, as proteínas plasmáticas carregadas negativamente, os ácidos orgânicos (ácido láctico, cetoácidos) e os ácidos inorgânicos (sulfato, fosfato). O anion gap normal na maioria das espécies está por volta de 10-20 mmol/L. O anion gap pode estar diminuído quando aumenta o Cl– (hipercloremia em acidose metabólica compensada) ou quando aumentam as proteínas com carga positiva (aumento de IgG no mieloma múltiplo). Aumentos do anion gap são observados em acidose metabólica por ácidos orgânicos (cetose, aumento de lactato, diabetes), em acidoses urêmicas ou em intoxicações (salicilato, paraldeído, metaldeído, metanol, etilenoglicol). Neste caso os ânions ácidos deslocam o ânion Cl– para manter o equilíbrio eletrolítico, de formas que com o menor valor de Cl–, o anion gap aumenta.

Acidose metabólica com anion gap elevado é suspeita de acúmulo de ânions (ácidos), enquanto que acidose com anion gap diminuído pode estar relacionada com uma hipercloremia. Por outro lado, quando a mudança do anion gap não acompanha a mudança da concentração de bicarbonato, pode tratar-se de um desequilíbrio ácido-básico misto, no qual coexistem acidose e alcalose. Em distúrbios ácido-básicos primários, o bicarbonato e a pCO2 desviam-se na mesma direção. Se esses dois parâmetros se desviarem em direções opostas, trata-se de uma alteração mista.

Osmolaridade

A principal força que influi na distribuição de água nos espaços intra e extracelulares é a pressão osmótica, que depende dos solutos dissolvidos, principalmente eletrólitos, compostos orgânicos de baixo peso molecular (glicose, ureia, aminoácidos) e proteínas. O papel das proteínas na distribuição de água é de especial importância nos capilares, uma vez que a concentração de eletrólitos e de compostos de baixo peso molecular é praticamente o mesmo entre o plasma e os fluidos tissulares (ambos espaços extracelulares). A pressão osmótica devida às proteínas denomina-se pressão oncótica. O plasma tem uma pressão oncótica maior que a dos fluidos tissulares, o que resulta na mobilização de água para o interior do plasma. Esta força é contrária à pressão hidrostática do sangue, que tende a forçar a saída de líquidos do capilar para o espaço tissular. Assim, nos capilares arteriais a pressão hidrostática é maior que a oncótica, ocasionando a saída de líquidos. Nos capilares venosos e linfáticos, a situação se inverte, a pressão hidrostática é menor que a oncótica e os líquidos entram nos capilares. A albumina é a principal proteína que contribui com a pressão oncótica. Para que ocorra uma alteração importante na pressão oncótica a concentração de albumina deve cair pelo menos em 50%. Como o Na+ é o principal cátion presente no plasma e a concentração de cátions deve estar equilibrada com a de ânions, o total de eletrólitos pode ser calculado multiplicando-se a concentração de Na por 2. Assim, a osmolaridade (em mOsm/kg H2O) pode então ser calculada pela seguinte fórmula (valores em mmol/L):

Osmolaridade = 2 [Na+] + [glicose] + [ureia]