background image

Lecture 4

 

Physiology

 

Dr. Affan Ezzat

 

1

 

 

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. 

 


background image

Lecture 4

 

Physiology

 

Dr. Affan Ezzat

 

2

 

 

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. 
 
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. 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Lecture 4

 

Physiology

 

Dr. Affan Ezzat

 

3

 

 

 
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 pressure.  The 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. 
 

 

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 


background image

Lecture 4

 

Physiology

 

Dr. Affan Ezzat

 

4

 

 

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, 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: 
 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 


background image

Lecture 4

 

Physiology

 

Dr. Affan Ezzat

 

5

 

 

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.  
 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 13 عضواً و 192 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