Medisin stadium 1A Geir Slupphaug, IKM. Vann Cellenes hovedbestanddel

Transkript

1 Medisin stadium 1A Geir Slupphaug, IKM Vann Cellenes hovedbestanddel

2 Vann er kroppens dominerende bestanddel Elementene i kroppen Oksygen og hydrogen utgjør nesten 75% av kroppsvekten, og av dette er ca 90 % vann (totalt ca 65%). Vanninnholdet varierer med alder (fra ca 75% hos nyfødte, helt ned til 50% hos eldre). Vanninnholdet varierer også mellom ulike vev, fra ca 85% i hjernen, til ca 10% i fettvev

3 Vannets fysisk- kjemiske- egenskaper Struktur δ o δ + H H δ - δ - O I vannmolekylet har hydrogenatomene en liten, positiv overskuddsladning, mens oksygenatomet bærer en tilsvarende negativ overskuddsladning. Disse ladningene danner en dipol. Slike forbindelser kalles polare.

4 Hydrogenbindinger Dipolmomentet gjør at svake, men tallrike bindinger vil oppstå mellom oksygenatomet på ett vannmolekyl, og et hydrogenatom på et annet. Disse kalles hydrogenbindinger, og gir vannet helt spesielle egenskaper Vannmolekyler Hydrogenbindinger

5 Vann har en høy h y overflatespenning Ved vannoverflaten vil hydrogenbindingene nedsette fordampingen, og danner en hinne. Denne sk.overflatespenningen hindrer f. eks. støvpartikler å berøre øyets overflate. Overflatespenningen gjør at vannoverflaten alltid vil anta det minst mulige areal, noe som f. eks. får vanndråper til å anta en sfærisk form. Den indre overflaten i lungene er dekket av en tynn væskehinne. Hvis denne hadde hatt overflatespenningen til rent vann, ville lungene øyeblikkelig ha kollapset. Dette unngås ved at lunge-celler utskiller bl. a fosfolipider som reduserer overflatespenningen.

6 Vann har høy h y varmekapasitet Hydrogenbindinger absorberer varme når de brytes, og frigjør varme når de dannes. De tallrike hydrogenbindingene gir derfor vannet en uvanlig høy varmekapasitet (evne til å holde på varme). Siden kroppen hovedsakelig består av vann, bidrar dette til å holde kroppstemperaturen konstant. Et stoffs spesifikke varmekapasitet er mengden energi som kreves for å varme opp 1 gram av stoffet 1 o C For vann er dette ca 1.00 cal/g/ o C, (4.18 J/g/ o C) (varierer litt med temperatur)

7 Vann har høy h y fordampingsvarme Siden svært mange hydrogenbindinger må brytes for at vann skal fordampe, kreves mye varmeenergi, Dette er viktig for å kunne regulere kroppstemperaturen (via refleksiv svetting fra kroppsoverflaten og fordamping fra lungene Den høye fordampingsvarmen bidrar også til å holde vann flytende over et stort temperaturområde Et stoffs fordampingsvarme er energien stoffet tar opp idet det går fra flytende til gassform. For vann er denne 2452 J/g (586 cal/g)

8 Vann har høy h y termisk ledningsevne Blodplasmaet kan derfor transportere og redistribuere store mengder varme i kroppen, f. eks for å varme opp kroppsoverflaten. Dette fører også til at kroppen blir mye raskere avkjølt av kaldt vann enn av luft av samme temperatur.

9 Vann er et godt smøremiddel Det er liten friksjon mellom vannmolekyler. Når to overflater er separert med et tynt vannlag, vil derfor friksjonen bli sterkt redusert Dette er spesielt viktig hvor benoverflater møtes (leddvæske), og mellom ulike kroppsrom og indre organer (f. eks. hjerte og lunger)

10 ..ogs også på det molekylære planet PCNA er et sirkelformet protein som inngår i DNAmetabolismen. Proteinet er negativt, men har en positivt ladd innside. Mellom PCNA og det negativt ladde DNAet, er det akkurat plass til et isolerende lag vannmolekyler, slik at PCNA kan gli langs DNA-heliksen DNA Vann PCNA

11 Vann er et godt løsningsmiddell Molekyler med mange polare bindinger (f.eks. ionebindinger i uorganiske salter) vil ha en høy løselighet i vann Vannmolekylene vil danne sk. hydratiseringsskjell rundt molekylene eller ionene, slik at de dissosierer Dette kan også innebære et problem da vannet vil hindre at polare molekyler kontakter hverandre og kan reagere. Hydratiserings-sfære Dette er løst ved at det finnes vannfattige mikromiljø inne i cellene δ - Negativ pol δ + δ + Positiv pol

12 Viktige elektolytter som dissosierer i kroppsvæskene skene NaCl natriumklorid Na + + Cl - KCl kaliumklorid K + + Cl - CaCl 2 kalsiumklorid Ca Cl NaHCO 3 natrium bikarbonat Na HCO 3 MgCl 2 magnesiumklorid Mg Cl - Na 2 HPO 4 dinatriumhydrogenfosfat 2 Na HPO 4 Na 2 SO 4 natriumsulfat 2 Na SO 4 Disse elektrolyttene gjør at strøm kan ledes gjennom kroppsvæskene, og muliggjør f. eks overføring av nerveimpulser. Små endringer i elektrolyttbalansen kan gi svært alvorlige utslag. Konsentrasjonen av elektrolytter i kroppsvæskene reguleres av utskillelse via nyrene, opptak fra tarmen og lagring/frigivelse fra skjelettet

13 Upolare eller hydrofobe forbindelser vil klumpe seg sammen i vann, og vil derfor løses dårlig. Slike hydrofobe interaksjoner er imidlertid grunnlaget for oppbygningen av cellemembranene Disse er hovedsakelig bygd opp av molekyler som har en hydrofil (polar) og en hydrofob (upolar) del. Fettsyrer (eks. palmitinsyre Fosfolipider (eks. sphingomyelin) Kolesterol

14 Den hydrofobe delen ( halen ) i disse molekylene vil orientere seg mot hverandre, mens det hydrofile hodet vil vende ut mot vannet. Slik dannes det som i elektronmikroskopet sees som en dobbeltmembran Glykolipider Ekstracellulær væske Fosfolipid bilag Integralt protein m. kanal Integrale glykoproteiner Fettsyrehaler Kolesterol Perifere proteiner Cytoskjelett Cytoplasma

15 Kolloider og suspensjoner Større molekyler, som f. eks. proteiner, vil også kunne holdes i løsning ved interaksjon mellom vann og polare grupper på molekylenes overflate. Slik kan det dannes danne tyktflytende, geleaktige væsker kalt kolloider Enda større partikler vil sedimentere hvis væsken holdes i ro. Dette kalles suspensjoner (f eks. blod)

16 Mål l og enheter for konsentrasjon Fysiologiske konsentrasjoner av spesifikke molekyler angis ofte i mmol/l (=mm) (ett mol er antall molekyler som har samme vekt i gram som molekylvekten, og inneholder x molekyler = Avogadros tall) Når det gjelder blandinger av molekyler (f. eks. ulike aminosyrer), brukes ofte mg/dl eller g/dl. Antall ladninger pr l angis som meq/l.

17 Hydroniumioner (H 3 O + ) i løsninger, ph Både vannet selv og mange andre forbindelser kan miste hydrogen i form av et proton (H + ). Protoner vil igjen reagere med andre vannmolekyler, og danne hydroniumioner (H 3 O + ). Hydroniumioner er ekstremt reaktive, og konsentrasjonen i kroppsvæsker er nøye regulert I rent vann har vi likevektsreaksjonen: Som gir: 2H 2 O H 3 O + + OH - [H 3 O + ] = 1 x 10-7 mol/l ph = 7 (nøytral) ph er den negative logaritmen til hydroniumionkonsentrasjonen målt i mol/l For å endre ph fra ph 7 til ph 6 må vi altså tidoble hydroniumionkonsentrasjonen

18 Opptak av vann Vann tas opp gjennom både tynntarmen og tykktarmen. Mye av transporten er passiv, og skjer ved osmose Osmose er diffusjon av vann fra et område med høy vannkonsentrasjon til et område med lav vann-konsentrasjon Ulikheter i vannkonsentrasjon oppsår når ulike partikler løses i vannet. Målet for hvor mange slike partikler som er løst kalles osmolaritet Osmolaritet = antall løste partikler/l

19 Osmolaritet vs.osmotisk trykk Væskenivå i røret Osmotisk trykk: mottrykket som må utøves for å presse væskenivået tilbake til det opprinnelige Semipermeabel membran Sukrose Vannmolekyler Det osmotiske trykket i en løsning er trykket som utøves når vann diffunderer over en membran som separerer løsningen fra rent vann P osm = krtc osm

20 Antall partikler som dannes når et stoff løses i vann varierer. Polare ikkeelektrolytter dissosierer ikke, slik at osmolariteten i f. eks. en 100 mm glukoseløsning vil være 100 mosm. CaCl 2 vil imidlertid dissosiere i ett Ca 2+ - ion og to Cl - -ioner, og vil gi tre ganger så høy osmolaritet (merk at CaCl 2 vil gi 4 ekvivalenter (4 ladninger)).

21 Hyperton Isoton Hypoton Økende osmolaritet i ekstracellulær væske Ved enkelte sykelige tilstander kan det bli unormalt høye verdier av urea, glukose og endel andre stoffer ekstracellulært. Dette kan ha svært alvorlige konsekvenser, da vann vil trekkes ut av cellene og disse uttørres

22 Selv ved isotone forhold vil cellene kunne få problemer med å opprettholde normalt volum. Cellene inneholder ladde makromolekyler og metabolitter som tiltrekker ioner med motsatt ladning. I tillegg er det en viss lekkasje av Na + og Cl - inn i cellene med konsentrasjonsgradienten I cellemembranen I alle animalske celler finnes derfor en Na/K-pumpe, som opprettholder ionebalansen og det osmotiske trykket Na/K-pumpe i cellemembranen Na + aktivt ut K + inn Na/K-pumpingen er meget energikrevende, og krever opptil 40% av energien produsert i en levende celle

23 Vanntransportproteiner Drevet av det osmotiske trykket kan vann transporteres direkte gjennom fosfolipidmembranene. Denne transporten er imidlertid langsom. Siden cellene reagerer svært forskjellig på forandringer I det ytre osmotiske trykket, mente en at det måtte finnes tilleggsmekanismer for å øke vanntransporten. Dette førte til oppdagelsen av akvaporiner, som er store kanalproteiner som traverserer cellemembranen Akvaporiner finnes særlig i celler hvor det trengs en stor bulktransport av vann, for eksempel ved reabsorbsjon av vann i nyrene

24 Det finnes mange ulike typer akvaproteiner, som til nå har fått betegnelsen AQP1-7 Ulike akvaporiner I nyrene

25 Forstørret bilde av selve vannkanalen gjennom et akvaporin-proteinmolekyl Proteinet benytter flere ulike teknikker for å transportere vannet gjennom kanalen

26 Andre vanntransportmekanismer I tynntarmen har en ikke funnet akvaporiner. Likevel blir det her tatt opp ca 8 l vann hver dag. Dette er mer enn hva som kan forklares ut fra ren osmose En har lenge visst at vannopptaket i tynntarmen kan økes kraftig når en samtidig gir glukose, noe som ofte benyttes for å behandle diaré Det har I det siste kommet flere holdepunkter som tyder på at mye av vanntransporten er koblet til en Na+/glukosekotransportkanal som finnes i tynntarmen.

27 Modell: Binding av Na+ forårsaker en konformasjonsendring I kanalproteinet, slik at glukose kan bindes. Denne lommen er imidlertid stor nok til at store mengder vann bindes samtidig. Bindingen forårsaker nok en konformasjonsendring, slik at Na+, glukose og vann eksponeres mot innsiden av cellen, og frigjøres

28 Hydrostatisk trykk og strømningshastighet Hydrostatisk trykk er den potensielle energien som oppstår når en ytre kraft virker på en innesluttet væske

29 I blodet bidrar både hjertets kontraksjoner og tyngdekraften til det hydrostatiske trykket, mens friksjon mot blodåreveggen vil redusere trykket

30 Det parakapillære re kretsløpet Fordelingen av vann mellom interstitiet og det vaskulære rommet reguleres av det osmotiske og det hydrostatiske trykket. Plasmaproteiner skaper høyt vaskulært osmotisk trykk, og vann diffunderer inn fra interstitiet til venene, hvor det hydrostatiske mottrykket er lavt. På den arterielle siden av kapillærene er det hydrostatiske mottrykket høyt, og vann diffunderer ut til interstitiet. Slik skapes en konstant sirkulasjon av vann med løste stoffer mellom interstitiet og blodet. Denne væskestrømmen går på utsiden av og langs med kapillærene, og kalles det parakapillære kretsløp

31 Daglig tilførsel og tap av vann Tilførsel: Vann 1500 ml Føde 700 ml Vann fra forbrenningen 250 ml Tap: Lunger/hud Nyrer Feces 800 ml ml 200 ml Indre sekreter (nesten alt reabsorberes): Spytt Magesaft Galle Bukspytt Tarmsekreter 800 ml 2500 ml 500 ml 700 ml 3000 ml

32 Fordeling og bevegelse av vann Ca 2/3 av kroppens vann befinner seg inne i cellene, mens 1/3 er ekstracellulært. Osmolaliteten i og utenfor cellene er alltid like når systemet er i likevekt Intracellulær 30 l Ekstracellulær Interstitiet Plasma l 3.75 l Fordeling: P Osm = 300 mosm/l P Osm = 300 mosm/l

33 Tørste/vannbalanse Når kroppen taper vann, blir blodet mer salt, og cellene krymper. Bestemte celler (osmoreseptorceller) i hypotalamus sender da et tørstesignal til hjernen. Samtidig skiller hypofysen ut antidiuretisk hormon (ADH), som øker reopptak av vann fra urinen Ved stort tap av vann (f. eks blodtap), vil også to andre hormoner produseres. Angiotensin (fra nyrene) trekker blodårene sammen for å redusere volum, og aldosteron (fra binyrene) reduserer tap av salter. Ved enkelte sykelige tilstander med forstyrrelser i sentralnervesystemet (potomania) eller forgiftning/rusmidler (extasy) kan også overdreven tørst oppleves Dette kan føre til inntak av opptil 10 liter vann daglig, og er skadelig!

34 Vann deltar i mange kjemiske reaksjoner Vann inngår i svært mange kjemiske reaksjoner i kroppen, spesielt katabolske (nedbrytningsreaksjoner) Under fordøyelsen brytes f. eks mange makromolekyler ned til mindre komponenter ved at vann adderes Eks: Spalting av sukrose: H HO H 2 O H HO CH 2 OH H OH H Hydrolyse CH 2 OH H OH H O H HOCH O 2 H H OH O H OH H OH Glukose Sukrose O HOCH 2 HO H OH H OH O HO H HO H H 2 O CH 2 OH Dehydratisering Fruktose H CH 2 OH

35 Måling av vann og elektrolyttstatus i klinikken I tillegg til pasientens sykehistorie og fysisk eksaminasjon, gjøres følgende målinger: Serum elektrolytter: Na +, K +, bikarbonat, urea, kreatinin Blodets syre-basestatus: ph, pco 2, po 2 Serum albumin og osmolalitet Urinvolum og osmolalitet For pasienter som er innlagt med vann- og elektrolyttforstyrrelser gjøres i tillegg målinger av daglig opptak/tap av vann