background image

Physiology  

 

 

 

Lecture -1- 

29/09/2015 

 

Physiology of the body fluids 

 


background image

Physiology of the body fluids 

Daily Intake of Water 
Water is added to the body by two major sources: (1) it is ingested in the form of liquids or water in the 
food, which together normally add about 2100 ml/day to the body fluids, and (2) it is synthesized in the 
body  as  a  result  of  oxidation  of  carbohydrates,  adding  about  200  ml/day.  This  provides  a  total  water 
intake  of  about  2300  ml/day.  Intake  of  water,  however,  is  highly  variable  among  different  people  and 
even  within  the  same  person  on  different  days,  depending  on  climate,  habits,  and  level  of  physical 
activity. 
Daily Loss of Body Water 
(1)Insensible Water Loss.

 

Some of the water losses cannot be precisely regulated. For example, there is 

a continuous loss of water by evaporation from the respiratory tract and diffusion through the skin, which 
together account for about 700 ml/day of water loss under normal conditions. This is termed  insensible 
water  loss  because  we  are  not  consciously  aware  of  it,  even  though  it  occurs  continually  in  all  living 
humans. The insensible water loss through the skin occurs independently of sweating and is present even 
in  people  who  are  born  without  sweat  glands;  the  average  water  loss  by  diffusion  through  the  skin  is 
about  300  to  400  ml/day
.  This  loss  is  minimized  by  the  cholesterol-filled  cornified  layer  of  the  skin, 
which provides a barrier against excessive loss by diffusion. When the cornified layer becomes denuded, 
as occurs with extensive burns, the rate of evaporation can increase as much as 10-fold, to 3 to 5 L/day. 
For this reason, burn victims must be given large amounts of fluid, usually intravenously, to balance fluid 
loss.  Insensible  water  loss  through  the  respiratory  tract  averages  about  300  to  400  ml/day.  As  air 
enters the respiratory tract, it becomes saturated with moisture, to a vapor pressure of about 47 mm Hg, 
before it is expelled. Because the vapor pressure of the inspired air is usually less than 47 mm Hg, water 
is  continuously lost through the lungs  with  respiration.  In  cold  weather, the atmospheric vapor pressure 
decreases to nearly 0, causing an even greater loss of water from the lungs as the temperature decreases. 
This explains the dry feeling in the respiratory passages in cold weather. 
 
(2)Fluid Loss in Sweat. 
The amount of water lost by sweating is highly variable, depending on physical 
activity and environmental temperature. The volume of sweat normally is about 100 ml/daybut in very 
hot weather or during heavy exercise, water loss in sweat occasionally increases to 1 to 2 L/hour
. This 
would rapidly deplete the body fluids if intake were not also increased by activating the thirst mechanism.  
(3)Water Loss in Feces. Only a small amount of water (100 ml/day) normally is lost in the feces. This 
can increase to several liters a day in people with severe diarrhea.  
(4)Water Loss by the Kidneys. 
The remaining water loss from the body occurs in the urine excreted by 
the kidneys. For example, urine volume can be as low as 0.5 L/day in a dehydrated person or as high as 
20 L/day in a person who has been drinking tremendous amounts of water.  
 
Body Fluid Compartments 

 

The  total  body  fluid  is  distributed  mainly  between  two  compartments:  the  extracellular  fluid  and  the 
intracellular fluid. The extracellular fluid is divided into the interstitial fluid and the blood plasma
There is  another small  compartment  of fluid  that is  referred to  as  transcellular  fluid; this  compartment 
includes fluid in the synovial, peritoneal, pericardial, and intraocular spaces, as well as the cerebrospinal 
fluid;  it  is  usually  considered  to  be  a  specialized  type  of  extracellular  fluid.  All  the  transcellular  fluids 
together constitute about 1 to 2 liters. 
In the average 70-kilogram adult human, the total body water is about 60 per cent of the body weight, or 
about 42 liters. This percentage can change, depending on age, gender, and degree of obesity. As a person 
grows older, the percentage of total body weight that is fluid gradually decreases. This is due in part to the 
fact  that  aging  is  usually  associated  with  an  increased  percentage  of  the  body  weight  being  fat,  which 
decreases the percentage of water in the body. Because women normally have more body fat than men, 
they contain slightly less water than men in proportion to their body weight.  
 
Intracellular Fluid Compartment 


background image

About 28 of the 42 liters of fluid in the body are inside the 75 trillion cells and are collectively called the 
intracellular fluid. Thus, the intracellular fluid constitutes about 40 per cent of the total body weight in an 
“average” person. The fluid of each cell contains its individual mixture of different constituents, but the 
concentrations of these substances are similar from one cell to another.  
Extracellular Fluid Compartment 
All the fluids outside the cells are collectively called the extracellular fluid. Together these fluids account 
for  about  20  per  cent  of  the  body  weight,  or  about  14  liters  in  a  normal  70-kilogram  adult.  The  two 
largest compartments of the extracellular fluid are the interstitial fluid, which makes up more than three 
fourths
 of the extracellular fluid, and the plasmawhich makes up almost one fourth of the extracellular 
fluid,  or  about  3  liters.  The  plasma  is  the  noncellular  part  of  the  blood;  it  exchanges  substances 
continuously  with  the  interstitial  fluid  through  the  pores  of  the  capillary  membranes.  These  pores  are 
highly  permeable  to  almost  all  solutes  in  the  extracellular  fluid  except  the  proteins.  Therefore,  the 
extracellular fluids  are constantly mixing, so that the plasma and interstitial fluids  have about  the  same 
composition except for proteins, which have a higher concentration in the plasma

Blood Volume 

Blood contains both extracellular fluid (the fluid in plasma) and intracellular fluid (the fluid in the red 
blood cells). However, blood is considered to be a separate fluid compartment because it is contained in a 
chamber  of  its  own,  the  circulatory  system.  The  blood  volume  is  especially  important  in  the  control  of 
cardiovascular  dynamics.  The  average  blood  volume  of  adults  is  about  7  per  cent  of  body  weight,  or 
about  5  liters
.  About  60  per  cent  of  the  blood  is  plasma  and  40  per  cent  is  red  blood  cells,  but  these 
percentages can vary considerably in different people, depending on gender, weight, and other factors. 

 

 
Important Constituents of Extracellular Fluid 

Because  the  plasma  and  interstitial  fluid  are  separated  only  by  highly  permeable  capillary 

membranes,  their  ionic  composition  is  similar.  The  most  important  difference  between  these  two 
compartments is the higher concentration of protein in the plasma
 The extracellular fluid, including the plasma and the interstitial fluid, contains large amounts of sodium 
and  chloride  ions,  reasonably  large  amounts  of  bicarbonate  ions,  but  only  small  quantities  of 
potassium,  calcium,  magnesium,  phosphate,  and  organic  acid  ions
.    This  allows  the  cells  to  remain 
continually  bathed  in  a  fluid  that  contains  the  proper  concentration  of  electrolytes  and  nutrients  for 
optimal cell function. 
 
 
 
 
 
Important Constituents of the Intracellular Fluid 
The intracellular fluid is separated from the extracellular fluid by a cell  


background image

membrane  that  is  highly  permeable  to  water  but  not  to  most  of  the  electrolytes  in  the  body.  The 
intracellular fluid contains large amounts of potassium and phosphate ions plus moderate quantities of 
magnesium and sulfate ions
, all of which have low concentrations in the extracellular fluid. Also, cells 
contain  large  amounts  of  protein,  almost  four  times  as  much  as  in  the  plasma.  In  contrast  to  the 
extracellular fluid, it contains only small quantities of sodium and chloride ions and almost no calcium 
ions 

 

 
Measurement of Fluid Volumes in the Different Body Fluid Compartments—The Indicator 
Dilution Principle 
The volume of a fluid compartment in the body can be measured by placing an indicator substance in the 
compartment, allowing it to disperse evenly throughout the compartment’s fluid, and then analyzing the 
extent to which the substance becomes diluted.  “indicator-dilution” method of measuring the volume of 
a fluid compartment, which is based on the principle of conservation of mass. This means that the total 
mass of a substance after dispersion in the fluid compartment will be the same as the total mass injected 
into the compartment. A small amount of dye or other substance contained in the syringe is injected into a 
chamber, and the substance is allowed to disperse throughout the chamber until it becomes mixed in equal 
concentrations in all areas. Then a sample of fluid containing the dispersed substance is removed and the 
concentration is analyzed chemically, photoelectrically, or by other means. If none of the substance leaks 
out of the compartment, the total mass of substance in the compartment (Volume B  × Concentration B) 
will  equal  the  total  mass  of  the  substance  injected  (Volume  A  ×  Concentration  A).  By  simple 
rearrangement of the equation, we can calculate the unknown volume of chamber B as Note that all one 
needs to know for this calculation is (1) the total amount of substance injected into the chamber and (2) 
the concentration of the fluid in the chamber after the substance has been dispersed. 
  

This method can be used to measure the volume of virtually any compartment in the body as long as: 

(1) the indicator disperses evenly throughout the compartment. 

 (2) the indicator disperses only in the compartment that is being measured. 
 (3) the indicator is not metabolized or excreted.  
Several substances can be used to measure the volume of each of the different body fluids. 


background image

 

 

 

Regulation  of  Fluid  Exchange  and  Osmotic  Equilibrium  Between  Intracellular  and  Extracellular 
Fluid 

The  distribution  of  fluid  between  intracellular  and  extracellular  compartments  is  determined 

mainly  by  the  osmotic  effect  of  the  smaller  solutes—  especially  sodium,  chloride,  and  other 
electrolytes— acting across the cell membrane. The reason for this is that the cell membranes are highly 
permeable to water but relatively impermeable to even small ions such as sodium and chloride. Therefore, 
water  moves  across  the  cell  membrane  rapidly,  so  that  the  intracellular  fluid  remains  isotonic  with  the 
extracellular fluid. 
 
Basic Principles of Osmosis and Osmotic Pressure 
 
Osmosis  is  the  net  diffusion  of  water  across  a  selectively  permeable  membrane  from  a  region  of  high 
water concentration to one that has a lower water concentration.  
When a solute is added to pure water, 
this  reduces  the  concentration  of  water  in  the  mixture.  Thus,  the  higher  the  solute  concentration  in  a 
solution,  the  lower  the  water  concentration.  Further,  water  diffuses  from  a  region  of  low  solute 
concentration  (high  water  concentration)  to  one  with  a  high  solute  concentration  (low  water 
concentration). Because cell membranes are relatively impermeable to most solutes but highly permeable 
to water (i.e., selectively permeable), whenever there is a higher concentration of solute on one side of the 
cell  membrane,  water  diffuses  across  the  membrane  toward  the  region  of  higher  solute  concentration. 
Thus, if a solute such as sodium chloride is added to the extracellular fluid, water rapidly diffuses from 
the  cells  through  the  cell  membranes  into  the  extracellular  fluid  until  the  water  concentration  on  both 
sides of the membrane becomes equal. Conversely, if a solute such as sodium chloride is removed from 
the extracellular fluid, water diffuses from the extracellular fluid through the cell membranes and into the 
cells. The rate of diffusion of water is called the rate of osmosis. 
Relation  Between  Moles  and  Osmoles.  Because  the  water  concentration  of  a  solution  depends  on  the 
number  of  solute  particles  in  the  solution,  a  concentration  term  is  needed  to  describe  the  total 
concentration of solute particles, regardless of their exact composition. The total number of particles in a 

solution  is  measured  in  osmoles.  One  osmole  (osm)  is  equal  to  1  mole  (mol)  (6.02  ×  10

23

)  of  solute 

particles. Therefore, a solution containing 1 mole of glucose in each liter has a concentration of 1 osm/L. 
If  a  molecule  dissociates  into  two  ions  (giving  two  particles),  such  as  sodium  chloride  ionizing  to  give 
chloride  and  sodium  ions,  then  a  solution  containing  1  mol/L  will  have  an  osmolar  concentration  of 
2osm/L. Likewise, a solution that contains 1 mole of a molecule that dissociates into three ions, such as 
sodium sulfate (Na

2

SO

4

), will contain 3 osm/L. Thus, the term osmole refers to the number of osmotically 

active particles in a solution rather than to the molar concentration. In general, the osmole is too large a 
unit for expressing osmotic activity of solutes in  the body fluids.  The term  milliosmole (mOsm), which 
equals 1/1000 osmole, is commonly used.

 

Osmolality  and  Osmolarity.  The  osmolal  concentration  of  a  solution  is  called  osmolality  when  the 
concentration is expressed as osmoles per kilogram of waterit is called osmolarity when it is expressed 


background image

as osmoles per liter of solution. In dilute solutions such as the body fluids. In most cases, it is easier to 
express body fluid quantities in liters of fluid rather than in kilograms of water. 
Osmotic  Pressure.  Osmosis  of  water  molecules  across  a  selectively  permeable  membrane  can  be 
opposed  by  applying  a  pressure  in  the  direction  opposite  that  of  the  osmosis.  The  precise  amount  of 
pressure required to prevent the osmosis is called the osmotic pressure. Osmotic pressure, therefore, is an 
indirect  measurement  of  the  water  and  solute  concentrations  of  a  solution.  The  higher  the  osmotic 
pressure  of  a  solution,  the  lower  the  water  concentration  and  the  higher  the  solute  concentration  of  the 
solution. 
Relation  Between  Osmotic  Pressure  and  Osmolarity.  The  osmotic  pressure  of  a  solution  is  directly 
proportional to the concentration of osmotically active particles in that solution
. This is true regardless of 
whether the solute is a large molecule or a small molecule. For example, one molecule of albumin with a 
molecular  weight  of  70,000  has  the  same  osmotic  effect  as  one  molecule  of  glucose  with  a  molecular 

weight of 180. One molecule of sodium chloride, however, has two osmotically active particles,Na+ and 

Cl–,  and  therefore  has  twice  the  osmotic  effect  of  either  an  albumin  molecule  or  a  glucose  molecule. 
Thus, the osmotic pressure of a solution is proportional to its osmolarity, a measure of the concentration 
of  solute  particles,  for  each  milliosmole  concentration  gradient  across  the  cell  membrane,  19.3  mm  Hg 
osmotic pressure 
is exerted. 
Osmolarity  of  the  Body  Fluids.    about  80  per  cent  of  the  total  osmolarity  of  the  interstitial  fluid  and 
plasma is  due to  sodium and chloride ions,  whereas for intracellular fluid, almost  half the osmolarity is 
due to potassium ions, and the remainder is divided among many other intracellular substances. the total 
osmolarity  of  each  of  the  three  compartments  is  about  300  mOsm/L,
  with  the  plasma  being  about  1 
mOsm/L greater than that of the interstitial and intracellular fluids.
 The slight difference between plasma 
and interstitial fluid is caused by the osmotic effects of the plasma proteins, which maintain about 20 mm 
Hg greater pressure in the capillaries than in the surrounding interstitial spaces. 
 
Osmotic Equilibrium Is Maintained Between Intracellular and Extracellular Fluids 
Large  osmotic  pressures  can  develop  across  the  cell  membrane  with  relatively  small  changes  in  the 
concentrations  of  solutes  in  the  extracellular  fluid.  For  each  milliosmole  concentration  gradient  of  an 
impermeant solute (one that will not permeate the cell membrane), about 19.3 mm Hg osmotic pressure is 
exerted  across  the  cell  membrane.  If  the  cell  membrane  is  exposed  to  pure  water  and  the  osmolarity  of 
intracellular  fluid  is  282  mOsm/L,  the  potential  osmotic  pressure  that  can  develop  across  the  cell 
membrane is more than 5400 mm Hg. This demonstrates the large force that can move water across the 
cell membrane when the intracellular and extracellular fluids are not in osmotic equilibrium. As a result 
of  these  forces,  relatively  small  changes  in  the  concentration  of  impermeant  solutes  in  the  extracellular 
fluid can cause large changes in cell volume. 


background image

Volume and Osmolality of Extracellular and Intracellular Fluids in Abnormal States 
Some  of  the  different  factors  that  can  cause  extracellular  and  intracellular  volumes  to  change  markedly 
are  ingestion  of  water,  dehydration,  intravenous  infusion  of  different  types  of  solutions,  loss  of  large 
amounts  of  fluid  from  the  gastrointestinal  tract,  and  loss  of  abnormal  amounts  of  fluid  by  sweating  or 
through the kidneys.  One can calculate both the changes in intracellular and extracellular fluid volumes 
and the types of therapy that should be instituted if the following basic principles are kept in mind: 
1.  Water  moves  rapidly  across  cell  membranes;  therefore,  the  osmolarities  of  intracellular  and 
extracellular fluids remain almost exactly equal to each other except for a few minutes after a change in 
one of the compartments. 
2. Cell membranes are almost completely impermeable to many solutes; therefore, the number of osmoles 
in  the  extracellular  or  intracellular  fluid  generally  remains  constant  unless  solutes  are  added  to  or  lost 
from  the  extracellular  compartment.  With  these  basic  principles  in  mind,  we  can  analyze  the  effects  of 
different abnormal fluid conditions on extracellular and intracellular fluid volumes and osmolarities. 
 
Fluids used in clinical practice: 
Isotonic,  Hypotonic,  and  Hypertonic  Fluids.  
If  a  cell  is  placed  in  a  solution  of  impermeant  solutes 
having an osmolarity of 282 mOsm/L, the cells will not shrink or swell because the water concentration in 
the  intracellular  and  extracellular  fluids  is  equal  and  the  solutes  cannot  enter  or  leave  the  cell.  Such  a 
solution  is  said  to  be  isotonic  because  it  neither  shrinks  nor  swells  the  cells.  Examples  of  isotonic 
solutions  include  a  0.9  per  cent  solution  of  sodium  chloride  or  a  5  per  cent  glucose  solution.  These 
solutions are important in clinical medicine because they can be infused into the blood without the danger 
of upsetting osmotic equilibrium between the intracellular and extracellular fluids. If a cell is placed into a 
hypotonic solution that has a lower concentration of impermeant solutes (less than 282 mOsm/L), water 
will  diffuse  into  the  cell,  causing  it  to  swell;  water  will  continue  to  diffuse  into  the  cell,  diluting  the 
intracellular fluid while also concentrating the extracellular fluid until both solutions have about the same 
osmolarity. Solutions of sodium chloride with a concentration of less than 0.9 per cent are hypotonic and 
cause  cells  to  swell.  If  a  cell  is  placed  in  a  hypertonic  solution  having  a  higher  concentration  of 
impermeant  solutes,  water  will  flow  out  of  the  cell  into  the  extracellular  fluid,  concentrating  the 
intracellular  fluid  and  diluting  the  extracellular  fluid.  In  this  case,  the  cell  will  shrink  until  the  two 
concentrations become equal. Sodium chloride solutions of greater than 0.9 per cent are hypertonic. 

 

Isosmotic,  Hyperosmotic,  and  Hypo-osmotic  Fluids.  The  terms  isotonic,  hypotonic,  and  hypertonic 
refer  to  whether  solutions  will  cause  a  change  in  cell  volume.  The  tonicity  of  solutions  depends  on  the 
concentration of impermeant solutes. Some solutes, however, can permeate the cell membrane. Solutions 
with  an  osmolarity  the  same  as  the  cell  are  called  isosmotic,  regardless  of  whether  the  solute  can 
penetrate the cell membrane. The terms hyperosmotic and hypo-osmotic refer to solutions that have a 
higher or lower osmolarity
, respectively, compared with the normal  extracellular fluid, without regard 
for  whether  the  solute  permeates  the  cell  membrane.  Highly  permeating  substances,  such  as  urea,  can 
cause transient shifts in fluid volume between the intracellular and extracellular fluids, but given enough 
time, the concentrations of these substances eventually become equal in the two compartments and have 
little effect on intracellular volume under steady-state conditions. 

 

 


background image

Effect of Adding Saline Solution to the Extracellular Fluid 
If  an  isotonic  saline  solution  is  added  to  the  extracellular  fluid  compartment,  the  osmolarity  of  the 
extracellular fluid  does  not  change;  therefore, no osmosis occurs through the cell membranes.  The only 
effect  is  an  increase  in  extracellular  fluid  volume  .The  sodium  and  chloride  largely  remain  in  the 
extracellular  fluid  because  the  cell  membrane  behaves  as  though  it  were  virtually  impermeable  to  the 
sodium chloride. 
If  a  hypertonic  solution  is  added  to  the  extracellular  fluid,  the  extracellular  osmolarity  increases  and 
causes osmosis of water out of the cells into the extracellular compartment. Again, almost all the added 
sodium  chloride  remains  in  the  extracellular  compartment,  and  fluid  diffuses  from  the  cells  into  the 
extracellular space to achieve osmotic equilibrium. The net effect is an increase in  extracellular volume 
(greater  than  the  volume  of  fluid  added),  a  decrease  in  intracellular  volume,  and  a  rise  in  osmolarity  in 
both compartments. 
If  a  hypotonic  solution  is  added  to  the  extracellular  fluid,  the  osmolarity  of  the  extracellular  fluid 
decreases
  and  some  of  the  extracellular  water  diffuses  into  the  cells  until  the  intracellular  and 
extracellular compartments have the same osmolarity. Both the intracellular and the extracellular volumes 
are increased by the addition of hypotonic fluid, although the intracellular volume increases to a greater 
extent. 
Glucose and Other Solutions Administered for Nutritive Purposes 
Many  types  of  solutions  are  administered  intravenously  to  provide  nutrition  to  people  who  cannot 
otherwise  take  adequate  amounts  of  nutrition.  Glucose  solutions  are  widely  used,  and  amino  acid  and 
homogenized  fat  solutions  are  used  to  a  lesser  extent.  When  these  solutions  are  administered,  their 
concentrations  of  osmotically  active  substances  are  usually  adjusted  nearly  to  isotonicity,  or  they  are 
given slowly enough that they do not upset the osmotic equilibrium of the body fluids. After the glucose 
or  other  nutrients  are  metabolized,  an  excess  of  water  often  remains,  especially  if  additional  fluid  is 
ingested. Ordinarily, the kidneys excrete this in the form of a very diluted urine. The net result, therefore, 
is the addition of only nutrients to the body. 
 
Fluid Filtration Across Capillaries  
 
The capillary wall is a thin membrane made up of endothelial cells. Substances pass through the junctions 
between endothelial cells and through fenestrations, when they are present. Some also pass through the 
cells by vesicular transport or, in the case of lipid-soluble substances, through the cytoplasm. The factors 
other than vesicular transport that are responsible for transport across the capillary wall are diffusion and 
filtration. Diffusion is quantitatively much more important in terms of the exchange of nutrients and 
waste materials between blood and tissue. O

2

 and glucose are in higher concentration in the blood stream 

than in the interstitial fluid and diffuse into the interstitial fluid, whereas CO

2

 diffuses in the opposite 

direction.  
 
Fluid moves into the interstitial space at the arteriolar end of the capillary, where the filtration 
pressure across its wall exceeds the oncotic pressure, and into the capillary at the venular end, where 
the oncotic pressure exceeds the filtration pressure.
 
The  hydrostatic  pressure  in  the  capillaries  tends  to  force  fluid  and  its  dissolved  substances  through  the 
capillary  pores  into  the  interstitial  spaces.  Conversely,  osmotic  pressure  caused  by  the  plasma  proteins 
(called  colloid  osmotic  pressure)  tends  to  cause  fluid  movement  by  osmosis  from  the  interstitial spaces 
into the blood. This osmotic pressure exerted by the plasma proteins normally prevents significant loss of 
fluid  volume  from  the  blood  into  the  interstitial  spaces.  To  distinguish  this  osmotic  pressure  from  that 
which occurs at the cell membrane, it is called either colloid osmotic pressure or oncotic pressureThe 
term  “colloid”  osmotic  pressure  is  derived  from  the  fact  that  a  protein  solution  resembles  a  colloidal 
solution despite the fact that it is actually a true molecular solution. 
Also  important  is  the  lymphatic  system,  which  returns  to  the  circulation  the  small  amounts  of  excess 
protein and fluid that leak from the blood into the interstitial spaces. 
 


background image

 

Normal Values for Plasma Colloid Osmotic Pressure.  
The  colloid  osmotic  pressure  of  normal  human  plasma  averages  about  28  mm  Hg;  19  mm  of  this  is 
caused  by  molecular  effects  of  the  dissolved  protein  and  9  mm  by  the  Donnan  effectthat  is,  extra 
osmotic pressure caused by sodium, potassium, and the other cations held in the plasma by the proteins 
 
Interstitial Fluid Colloid Osmotic Pressure 
Although the size of the usual capillary pore is smaller than the molecular sizes of the plasma proteins, 
this  is  not  true  of  all  the  pores.  Therefore,  small  amounts  of  plasma  proteins  do  leak  through  the  pores 
into  the  interstitial  spaces.  The  total  quantity  of  protein  in  the  entire  12  liters  of  interstitial  fluid  of  the 
body is slightly greater than the total quantity of protein in the plasma itself, but because this volume is 
four times the volume of plasma, the average protein concentration of the interstitial fluid is usually only 
40 per cent of that in plasma, or about 3 g/dl. Quantitatively, one finds that the average interstitial fluid 
colloid osmotic pressure for this concentration of proteins is about 8 mm Hg
 
Exchange of Fluid Volume Through the Capillary Membrane 
The average capillary pressure at the arterial ends of the capillaries is 15 to 25 mm Hg greater than at the 
venous ends. Because of this difference, fluid “filters” out of the capillaries at their arterial ends, but at 
their  venous  ends  fluid  is  reabsorbed back  into the capillaries.  Thus, a  small  amount of fluid  actually 
“flows” through the tissues from the arterial ends of the capillaries to the venous ends. The dynamics of 
this flow are as follows. 
Analysis of the Forces Causing Filtration at the Arterial End of the Capillary.  
The  approximate  average  forces  operative  at  the  arterial  end  of  the  capillary  that  cause  movement 
through the capillary membrane are shown as follows:  
Forces tending to move fluid outward: 
Capillary pressure (arterial end of capillary) 30 
Negative interstitial free fluid pressure 3 
Interstitial fluid colloid osmotic pressure 8 
total outward force 41 
Forces tending to move fluid inward: 
Plasma colloid osmotic pressure 28 
total inward force 28 
Summation of forces: 
Outward 41 
Inward 28 
net outward force (at arterial end) 13 
Thus, the summation of forces at the arterial end of the capillary shows a net filtration pressure of 13 mm 
Hg, tending to move fluid outward through the capillary pores. This 13 mm Hg filtration pressure causes, 
on  the  average,  about  1/200  of  the  plasma  in  the  flowing  blood  to  filter  out  of  the  arterial  ends  of  the 
capillaries into the interstitial spaces each time the blood passes through the capillaries. 
 
Analysis of Reabsorption at the Venous End of the Capillary. 
The  low  blood  pressure  at  the  venous  end  of  the  capillary  changes  the  balance  of  forces  in  favor  of 
absorption as follows: 


background image

 Forces tending to move fluid inward: 
Plasma colloid osmotic pressure 28 
total inward force 28 
Forces tending to move fluid outward: 
Capillary pressure (venous end of capillary) 10 
Negative interstitial free fluid pressure 3 
Interstitial fluid colloid osmotic pressure 8 
total outward force 21 
Summation of forces: 
Inward 28 
Outward 21 
net inward force 7 
Thus, the force that causes fluid to move into the capillary, 28 mm Hg, is greater than that opposing 
reabsorption, 21 mm Hg. The difference, 7 mm Hg, is the net reabsorption pressure at the venous ends of 
the capillaries. This reabsorption pressure is considerably less than the filtration pressure at the capillary 
arterial ends, but remember that the venous capillaries are more numerous and more permeable than the 
arterial capillaries, so that less reabsorption pressure is required to cause inward movement of fluid. The 
reabsorption pressure causes about nine tenths of the fluid that has filtered out of the arterial ends of the 
capillaries to be reabsorbed at the venous ends. The remaining one tenth flows into the lymph vessels and 
returns to the circulating blood. 
  
Edema: Excess Fluid in the Tissues 
Edema refers to the presence of excess fluid in the body tissues. In most instances, edema occurs mainly 
in the extracellular fluid compartment, but it can involve intracellular fluid as well. 
Intracellular Edema 
Two  conditions  are  especially  prone  to  cause  intracellular  swelling:  (1)  depression  of  the  metabolic 
systems of the tissues, and (2) lack of adequate nutrition to the cells.  
For example, when blood flow to a tissue is decreased, the delivery of oxygen and nutrients is reduced. If 
the blood  flow becomes too  low to maintain normal  tissue metabolism, the cell  membrane ionic  pumps 
become depressed. When this occurs, sodium ions that normally leak into the interior of the cell can no 
longer be pumped out of the cells, and the excess sodium ions inside the cells cause osmosis of water into 
the cells.  
Extracellular Edema 
Extracellular fluid edema occurs when there is excess fluid accumulation in the extracellular spaces.  
 


background image

 

Factors That Affect the Net Rate of Diffusion 

What is usually important is the net rate of diffusion of a substance in the desired direction. This net rate 
is determined by several factors. 
(1)Effect of Concentration Difference on Net Diffusion through a Membrane. 
The rate at which the substance diffuses inward is proportional to the concentration of molecules on the 
outside, because this concentration determines how many molecules strike the outside of the membrane 
each second. Conversely, the rate at which molecules diffuse outward is proportional to their 
concentration inside the membrane. Therefore, the rate of net diffusion into the cell is proportional to the 

concentration on the outside minus the concentration on the inside, or: Net diffusion μ (Co - Ci) 

in which Co is concentration outside and Ci is concentration inside. 
  (2)Effect of Membrane Electrical Potential on Diffusion of Ions—The “Nernst Potential.” 
 
If an electrical potential is applied across the membranethe electrical charges of the ions cause them to 
move  through  the  membrane  even  though  no  concentration  difference  exists  to  cause  movement.  Thus, 
the concentration of negative ions is the same on both sides of the membrane, but a positive charge has 
been applied to the right side of the membrane and a negative charge to the left, creating an electricrepels 
them. Therefore, net diffusion occurs from left to right. After much time, large quantities of negative ions 
have  moved  to  the    right,  creating  the  condition  in  which  a  concentration  difference  of  the  ions  has 
developed  in  the  direction  opposite  to  the  electrical  potential  difference.  The  concentration  differeal 
gradient across the membrane. The positive charge attracts the negative ions, whereas the negative charge 
nce now tends to move the ions to the left, while the electrical difference tends to move them to the right. 
When the concentration difference rises high enough, the two effects balance each other. At normal body 
temperature  (37°C),  the  electrical  difference  that  will  balance  a  given  concentration  difference  of 
univalent ions—such as sodium (Na+) ions—can be determined from the following formula, called the 
Nernst equation: 
 

 

 
which EMF is the electromotive force (voltage) between side 1 and side 2 of the membrane, C1 is in the 
concentration on side 1,  and C2 is  the concentration on side 2. This  equation is  extremely important  in 
understanding the transmission of nerve impulses.  
(3)Effect of a Pressure Difference across the Membrane. 
 
Pressure actually means the sum of all the forces of the different molecules striking a unit surface area at 
a given instant. Therefore, when the pressure is higher on one side of a membrane than on the other, this 
means that the sum of all the forces of the molecules striking the channels on that side of the membrane is 
greater than on the other side. The result is that increased amounts of energy are available to cause net 
movement of molecules from the high-pressure side toward the low-pressure side.

 

At 

times, considerable pressure difference develops between the two sides of a diffusible membrane. This 
occurs, for instance, at the blood capillary membrane in all tissues of the body. The pressure is about 20 
mm Hg greater inside the capillary than outside. 

 

 


background image

 

 
Osmosis Across Selectively Permeable Membranes— “Net Diffusion” of Water 
By  far  the  most  abundant  substance  that  diffuses  through  the  cell  membrane  is  water.  Normally,  the 
amount  that  diffuses  in  the  two  directions  is  balanced  so  precisely  that  zero  net  movement  of  water 
occurs.  Therefore,  the  volume  of  the  cell  remains  constant.  However,  under  certain  conditions,  a 
concentration difference for water can develop across a membrane, just as concentration differences for 
other  substances  can  occur.  When  this  happens,  net  movement  of  water  does  occur  across  the  cell 
membrane,  causing  the  cell  either  to  swell  or  to  shrink,  depending  on  the  direction  of  the  water 
movement.  This  process  of  net  movement  of  water  caused  by  a  concentration  difference  of  water  is 
called osmosis. 
To  give  an  example  of  osmosis,  with  pure  water  on  one  side  of  the  cell  membrane  and  a  solution  of 
sodium chloride on the other side. Water molecules pass through the cell membrane with ease, whereas 
sodium  and  chloride  ions  pass  through  only  with  difficulty.  Therefore,  sodium  chloride  solution  is 
actually  a  mixture  of  permeant  water  molecules  and  nonpermeant  sodium  and  chloride  ions,  and  the 
membrane is said to be selectively permeable to water but much less so to sodium and chloride ions. Yet 
the  presence  of  the  sodium  and  chloride  has  displaced  some  of  the  water  molecules  on  the  side  of  the 
membrane where these ions are present and, therefore, has reduced the concentration of water molecules 
to less than that of pure water. As a result more water molecules strike the channels on the left side, where 
there  is  pure  water,  than  on  the  right  side,  where  the  water  concentration  has  been  reduced.  Thus,  net 
movement of water occurs from left to right—that is, osmosis occurs from the pure water into the sodium 
chloride solution. 

 

Osmotic Pressure 
If  pressure  were  applied  to  the  sodium  chloride  solution,  osmosis  of  water  into  this  solution  would  be 
slowed,  stopped,  or  even  reversed.  The  exact  amount  of  pressure  required  to  stop  osmosis  is  called  the 
osmotic pressure of the sodium chloride solution. 
a  selectively  permeable  membrane  separating  two  columns  of  fluid,  one  containing  pure  water  and  the 
other  containing  a  solution  of  water  and  any  solute  that  will  not  penetrate  the  membrane.  Osmosis  of 


background image

water  from  chamber  B  into  chamber  A  causes  the  levels  of  the  fluid  columns  to  become  farther  and 
farther apart, until eventually a pressure difference develops between the two sides of the membrane great 
enough to oppose the osmotic effect. The pressure difference across the membrane at this point is equal to 
the osmotic pressure of the solution that contains the nondiffusible solute. 
The osmotic pressure exerted by particles in a solution, whether they are molecules or ions, is determined 
by the number of particles per unit volume of fluid, not by the mass of the particles. The reason for this 
is that each particle in a solution, regardless of its mass, exerts, on average, the same amount of pressure 
against the membrane.  

 

 
 
 
 “Active Transport” of Substances Through Membranes 
When  a  cell  membrane  moves  molecules  or  ions  “uphill”  against  a  concentration  gradient  (or  “uphill” 
against an electrical or pressure gradient), the process is called active transport. Different substances that 
are  actively  transported  through  at  least  some  cell  membranes  include  sodium  ions,  potassium  ions, 
calcium ions, iron ions, hydrogen ions, chloride ions, iodide ions, urate ions, several different sugars, and 
most of the amino acids. 
Active  transport  is  divided  into  two  types  according  to  the  source  of  the  energy  used  to  cause  the 
transport:  primary  active  transport  and  secondary  active  transport.  In  primary  active  transport,  the 
energy is derived directly from breakdown of adenosine triphosphate (ATP) or of some other high-energy 
phosphate compound. In secondary active transport, the energy is derived secondarily from energy that 
has been stored in the form of ionic concentration differences of secondary molecular or ionic substances 
between  the  two  sides  of  a  cell  membrane,  created  originally  by  primary  active  transport.  In  both 
instances, transport depends on  carrier proteins that penetrate through the cell membrane, as is true for 
facilitated  diffusion.  However,  in  active  transport,  the  carrier  protein  functions  differently  from  the 
carrier in facilitated diffusion because it is capable of imparting energy to the transported substance to 
move it against the electrochemical gradient
 
 
Sodium-Potassium Pump as an example of Primary Active Transport: 
The  active  transport  mechanism  that  has  been  studied  in  greatest  detail  is  the  sodium-potassium  (Na+-
K+)  
pump, a transport process  that pumps sodium  ions  outward through  the cell membrane of all cells 
and at the same time pumps potassium ions from the outside to the inside. This pump is responsible for 
maintaining the sodium and potassium concentration differences across the cell membrane, as well as for 
establishing a negative electrical  voltage inside the cells.  This  pump  is  also  the basis of nerve function, 
transmitting  nerve  signals  throughout  the  nervous  system.  The  carrier  protein  is  a  complex  of  two 

separate globular proteins: a larger one called the  a subunit, and a smaller one called the  b subunit, the 

larger protein has three specific features that are important for the functioning of the pump: 
1. It has three receptor sites for binding sodium ions on the portion of the protein that protrudes to the  
 

inside of the cell. 

2. It has two receptor sites for potassium ions on the outside. 
3. The inside portion of this protein near the sodium binding sites has ATPase activity
When  two  potassium  ions  bind  on  the  outside  of  the  carrier  protein  and  three  sodium  ions  bind  on  the 
inside,  the  ATPase  function  of  the  protein  becomes  activated.  This  then  cleaves  one  molecule  of  ATP, 
splitting it to adenosine diphosphate (ADP) and liberating a high-energy phosphate bond of energy. This 
liberated  energy  is  then  believed  to  cause  a  chemical  and  conformational  change  in  the  protein  carrier 


background image

molecule,  extruding  the  three  sodium  ions  to  the  outside  and  the  two  potassium  ions  to  the  inside.  For 
some cells, such as electrically active nerve cells, 60 to 70 per cent of the cells’ energy requirement may 
be devoted to pumping Na+ out of the cell and K+ into the cell. 

 

Electrogenic Nature of the Na+-K+ Pump. 
 
The  fact  that  the  Na+-K+  pump  moves  three  Na+  ions  to  the  exterior  for  every  two  K+  ions  to  the 
interior means that a net of one positive charge is moved from the interior of the cell to the exterior for 
each cycle of the pump. This creates positivity outside the cell but leaves a deficit of positive ions inside 
the cell; that is, it causes negativity on the inside. Therefore, the Na+-K+ pump is said to be electrogenic 
because  it  creates  an  electrical  potential  across  the  cell  membrane.  This  electrical  potential  is  a  basic 
requirement in nerve and muscle fibers for transmitting nerve and muscle signals. 
 
Secondary Active Transport— Co-Transport and Counter-Transport 
When sodium ions are transported out of cells by primary active transport, a large concentration gradient 
of sodium ions across the cell membrane usually develops—high concentration outside the cell and very 
low  concentration  inside.  This  gradient  represents  a  storehouse  of  energy  because  the  excess  sodium 
outside the cell membrane is  always attempting  to  diffuse to  the interior. Under appropriate  conditions, 
this  diffusion  energy  of  sodium  can  pull  other  substances  along  with  the  sodium  through  the  cell 
membrane. This phenomenon is called co-transportit is one form of secondary active transport. 
For sodium to pull another substance along with it, a coupling mechanism is required. This is achieved by 
means of still another carrier protein in the cell membrane. 
The carrier in this instance serves as an attachment point for both the sodium ion and the substance to be 
co-transported. Once they both are attached, the energy gradient of the sodium ion causes both the sodium 
ion  and  the  other  substance  to  be  transported  together  to  the  interior  of  the  cell.  In  counter-transport, 
sodium  ions  again  attempt  to  diffuse  to  the  interior  of  the  cell  because  of  their  large  concentration 
gradient.  However,  this  time,  the  substance  to  be  transported  is  on  the  inside  of  the  cell  and  must  be 
transported to the outside. Therefore, the sodium ion binds to the carrier protein where it projects to the 
exterior  surface  of  the  membrane,  while  the  substance  to  be  counter-transported  binds  to  the  interior 
projection  of  the  carrier  protein.  Once  both  have  bound,  a  conformational  change  occurs,  and  energy 
released by the sodium ion moving to the interior causes the other substance to move to the exterior. 
Co-Transport of Glucose and Amino Acids Along with Sodium Ions 
Glucose and many amino acids are transported into most cells against large concentration gradients; the 
mechanism of this is entirely by co-transport. Note that the transport carrier protein has two binding sites 
on its exterior side, one for sodium and one for glucose. Also, the concentration of sodium ions is very 
high on the outside and very low inside, which provides energy for the transport. A special property of the 
transport protein is that a conformational change to allow sodium movement to the interior will not occur 
until a glucose molecule also attaches. When they both become attached, the conformational change takes 
place automatically, and the sodium and glucose are transported to the inside of the cell at the same time. 
Hence,  this  is  a  sodium-glucose  co-transport  mechanism.  Sodium  co-transport  of  the  amino  acids 
occurs  in  the  same  manner  as  for  glucose,  except  that  it  uses  a  different  set  of  transport  proteins.  Five 
amino  acid  transport  proteins  have  been  identified,  each  of  which  is  responsible  for  transporting  one 
subset of amino acids with specific molecular characteristics. Sodium co-transport of glucose and amino 
acids  occurs  especially through the epithelial  cells of the intestinal  tract and the renal  tubules of the 
kidneys  to  promote  absorption  of  these  substances  into  the  blood
.  Other  important  co-transport 


background image

mechanisms in at least some cells include co-transport of chloride ions, iodine ions, iron ions, and urate 
ions. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Active Transport Through Cellular Sheets 
At many places in the body, substances must be transported all the way through a cellular sheet instead of 
simply through the cell membrane. Transport of this type occurs through the (1) intestinal epithelium, (2) 
epithelium  of  the  renal  tubules,  (3)  epithelium  of  all  exocrine  glands,  (4)  epithelium  of  the  gallbladder, 
and (5) membrane of the choroid plexus of the brain and other membranes. 
The basic mechanism for transport of a substance through a cellular sheet is (1) active transport through 
the cell membrane on one side of the transporting cells in the sheet, and then (2) either simple diffusion or 
facilitated diffusion through the membrane on the opposite side of the cell. A mechanism for transport of 
sodium  ions  through  the  epithelial  sheet  of  the  intestines,  gallbladder,  and  renal  tubules.  This  figure 
shows  that  the  epithelial  cells  are  connected  together  tightly  at  the  luminal  pole  by  means  of  junctions 
called“kisses.” The brush border on the luminal surfaces of the cells is permeable to both sodium ions and 
water. Therefore, sodium and water diffuse readily from the lumen into the interior of the cell. Then, at 
the  basal  and  lateral  membranes  of  the  cells,  sodium  ions  are  actively  transported  into  the  extracellular 
fluid of the surrounding connective tissue and blood vessels. This creates a high sodium ion concentration 
gradient across these membranes, which in turn causes osmosis of water as well. Thus, active transport of 
sodium ions at the basolateral sides of the epithelial cells results in transport not only of sodium ions but 
also of water. These are the mechanisms by which almost all the nutrients, ions, and other substances are 
absorbed into the blood from the intestine; they are also the way the same substances are reabsorbed from 
the glomerular filtrate by the renal tubules. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
  
 
 
 

 

 


background image

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ismail AL Jarrah
المشاهدات: لقد قام عضوان و 152 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل