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Lecture Mosby''s paramedic textbook (4th ed) - Chapter 11: General principles of pathophysiology

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9/10/2012

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Chapter 11
General Principles of 
Pathophysiology

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Lesson 11.1
Cellular Environment, 
Water and Electrolyte 
Balance

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Learning Objectives
• Describe the normal characteristics of the cellular 
environment and the key homeostatic mechanisms 
that strive to maintain an optimal fluid and 
electrolyte balance.
• Outline pathophysiological alterations in water and 
electrolyte balance and list their effects on body 


functions.
• Describe the treatment of patients with particular 
fluid or electrolyte imbalances. 
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Cells
• Basic unit of higher life forms
• Components
– Cell membrane
• Holds cell together
• Separates internal cellular environment from external

– Enzymes help biochemical processes
– Internal membranes to encapsulate chemicals
– Genetic material for replication 
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Cells
• Form four basic types of tissue
– Epithelial tissue
– Connective tissue
– Muscle tissue
– Nervous tissue

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Cellular Environment
• Human body cells live in a fluid environment, 
consists mainly of water
– Body water essential
• Medium in which all metabolic reactions occur
• Body’s health depends on precise regulation of volume 
and composition of this fluid

– Body has two fluid compartments
• Intracellular fluid (ICF)
• Extracellular fluid (ECF)
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Intracellular Fluid and 
Extracellular Fluid 
• Intracellular fluid (ICF)
– Found in all body cells
– 40% of body weight

• Extracellular fluid (ECF)
– Fluid found outside of cells
– 20% of total body weight
– Blood plasma composes about 1/3

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Interstitial Fluid
• Cellular fluid between cells and outside 
vascular bed
• Includes cerebrospinal and intraocular fluid
• Accounts for 15 to 16% of total body weight

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Aging and Fluid Distribution
• Body water accounts for 50 to 60% of the total 
weight in adults
– With age, distribution and amount decrease to 
about 45 to 55%
• Increases risk of dehydration, electrolyte abnormalities

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Based on the causes of dehydration 
and your knowledge of anatomy and 
physiology, what two age groups do 
you think are at highest risk for 
dehydration?

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Water Movement Between 
ICF and ECF
• Body fluids constantly move from one 
compartment to another
– Remains about the same in healthy people

• To keep volume stable
– Osmosis
– Diffusion
– Mediated transport mechanism

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Osmosis
• For healthy body, molecules must be able to 
move within cell/across cell membrane
• Semipermeable membranes
– Separate fluid compartments
– Allow fluid to pass freely
– Regulate flow of solutes on the basis of size, 
shape, electrical charge

• Maintain  homeostasis

– Channels within permit solute passage
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Osmosis
• Diffusion or spreading of water molecules 
across semipermeable membrane from lower 
solute concentration to higher solute 
concentration
• Separates two solutions of different 
concentrations by blocking transport of salts 
or other solutes

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Osmosis
• Osmotic pressure
– Pressure that prevents the flow of fluid across a 
semipermeable membrane
– Pressure to maintain equilibrium depends on

• Number and molecular weight of particles on each side 
of the cell membrane 
• Membrane permeability to these particles

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Solutions
• Hypertonic solution
– When a living cell is placed in solution with a 
higher solute concentration, lower water 
concentration than that inside the cell
– When a cell is in solution, the osmotic pressure 
exerted produces net movement of water out of 
the cell
– Causes cell to dehydrate, shrink, possibly die

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Solutions
• Hypotonic solution
– When a living cell is placed in solution with a 
lower solute concentration, higher water 
concentration than that inside the cell

– Osmotic pressure draws water from the solution 
into the cell
• Net movement of water into the cell
• Can swell, possibly burst

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What happens to a raisin when it is 
placed in a cup of water for an hour? 
Why does this change occur? Is the 
water hypotonic, hypertonic, or isotonic 
relative to the inside of the raisin? Does 
a concentration gradient exist?
20

Solutions
• Isotonic solution
– When a cell is placed in solution with the same 
solute and water concentration as the solution 
inside the cell
• No net movement of water molecules

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Diffusion
• Result of constant motion of all atoms, 
molecules, or ions in a solution
• Passive process
– Molecules or ions move from an area of higher 
concentration to an area of lower concentration  
– Area of high concentration has more solute 
particles than area of low concentration

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Diffusion
• Passive process
– More solute particles move from higher 
concentration to lower one
– Once at equilibrium, movement of solutes in one 
direction is balanced by equal movement in 
opposite direction

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Diffusion
• Concentration gradient
– When the concentration of the solute is greater at 
one point in the solvent than at another point
• Solutes diffuse down their concentration gradients 
from high to low concentration until equilibrium 
is achieved
• Some nutrients enter and some waste products leave 
the cell by diffusion

– Maintenance of proper intracellular 
concentrations of certain substances depends on 
this process
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Mediated Transport Mechanism
• Required to move large, water‐soluble molecules, 
electrically charged molecules across cell 
membranes
– Some vital molecules (glucose) cannot enter by diffusion
– Some products (proteins) cannot exit by diffusion

• Use carrier molecules
– Proteins combine with solute molecules on one side of 
the membrane
– Change shape, pass through the membrane, release solute 
molecule on other side

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Carrier‐Mediated Transport
• Two types
– Active transport
– Facilitated transport

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Carrier‐Mediated Transport
• Active transport
– Moves substances against concentration gradient, 
from areas of lower concentration to areas of 
higher concentration
• Cell must expend energy to work against this 
concentration gradient
• Occurs at faster rate than diffusion

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Carrier‐Mediated Transport
• Facilitated diffusion
– Moves substances into/out of cells from area of 
higher concentration to area of lower 
concentration
• Direction of movement is with concentration gradient
• Occurs more quickly than in normal diffusion
• Facilitated diffusion does not require cell to 
expend energy
• Moving force is downhill concentration gradient

31

What is the connection between 
necessary cellular processes and 
patient care?

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Water Movement Between 
Plasma and IF
• Fluid is transferred between circulating blood 
and interstitial fluid as a result of pressure 
changes

– Occur at arterial and venous ends of the capillary
• Human body has about 10 billion capillaries
• Few of the body’s functional cells are farther than 
5/1000 inch (20 to 30 microns) from one another

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Anatomy of Capillary Network
• Thin‐walled tube of endothelial cells
• No elastic, connective tissue, smooth muscle 
that would impede transfer of water, solutes
• Blood enters from arterioles, flows through 
capillary network into venules
– Capillary ends closest to arterioles are 
arteriolar capillaries
– Ends closest to venules are venous capillaries
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Anatomy of Capillary Network
• Nutrient, metabolic end product exchange 
takes place at the capillary level
• Arterioles give rise to capillaries, metarterioles


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Anatomy of Capillary Network
• Most tissues have distinct types
– True capillaries
– Thoroughfare channels

• From metarteriole, blood may flow into thoroughfare 
channel that connects arterioles and venules directly, 
bypassing true capillaries
– Blood flow through thoroughfare channel is constant
– From channel, fluid exits/reenters network of 
true capillaries

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Anatomy of Capillary Network
• Sphincters
– Capillary: small cuffs of smooth muscle that 
encircle proximal and distal capillary portions
– Precapillary: arterial end sphincter
– Postcapillary: venous end sphincter
– Control blood flow, open, close capillary 

entrance, exit 
– True capillary blood flow is not uniform, depends 
on contractile state, sphincter presence
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Anatomy of Capillary Network
• Nutritional flow
– Blood flow through capillaries that provides 
exchange of gases, solutes between blood, tissue

• Nonnutritional, shunt flow
– Blood bypasses capillaries traveling from arteriole 
to venous side of circulation

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AV Shunts
• True arteriovenous anastomoses (AV shunts)
– Occur naturally in sole of foot, palm of hand, 
terminal phalanges, nail bed
– Regulate body temperature
– Some evidence suggests presence upstream from 
capillary sphincters

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Capillary Network
• Sympathetic fibers innervate all blood vessels, 
except
– Capillaries
– Capillary sphincters
– Most metarterioles

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Capillary Network
• Sympathetic innervation includes 
vasoconstrictor, vasodilator, vasomotor fibers
– Vasoconstrictor fibers most important in 
regulating blood flow
– Normal circulation with adequate arterial BP, 
arterioles are open, AV shunts closed, 20% 
capillaries open at any given time

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Capillary Network
• Diffusion across capillary wall
– Tissue cells do not exchange material directly 
with blood
– Interstitial fluid acts as “middle man”
– Nutrients must diffuse across capillary wall into 
interstitial fluid to enter cell
– Metabolic end products (CO2, lactic acid) must 
cross membrane into interstitial fluid to diffuse 
into plasma
43

Capillary Network
• Diffusion across capillary wall
– At capillary arteriole end, the forces moving fluid 
out of capillary are greater than the forces 
attracting fluid into it 
– At venous end, forces are reversed, more fluid is 
attracted into capillary
– Hydrostatic and osmotic pressure forces 
responsible for fluid movement
– Hydrostatic pressure, created with each heart 
beat, forces water out arterial end
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Capillary Network
• Diffusion across capillary wall
– Blood colloid osmotic pressure or oncotic pressure

• When osmotic pressure results from presence of 
plasma proteins, mostly albumin, too large to pass 
through capillary wall

– At venous end
• Hydrostatic pressure is lower
• Protein concentration increases slightly, occurs from 
fluid movement out arteriolar end

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Capillary Network
• Diffusion across capillary wall
– Result is greater plasma protein concentration, 
greater colloid osmotic pressure
– Nearly all fluid that leaves capillary arteriolar end 
reenters venous end
– Remaining fluid enters lymphatic capillaries, 
eventually returned to general circulation
– Net filtration, fluid movement back and forth 
across capillary wall 
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Capillary Network
• Diffusion across capillary wall
– Starling hypothesis
• Net filtration = forces favoring filtration – forces 
opposing filtration
• Forces favoring filtration include capillary hydrostatic 
pressure, interstitial oncotic pressure
• Forces opposing filtration are plasma oncotic pressure, 
interstitial hydrostatic pressure 

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Capillary Network
• Diffusion across capillary wall
– Starling hypothesis
• Fluid also exchanged across wall as a result of cyclic 
dilation, constriction of precapillary sphincter
• When sphincter dilates, pressures rise in the capillary, 
which forces fluid into interstitial spaces
• When precapillary sphincter constricts, pressure drops, 
fluid moves into capillary

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Capillary and Membrane 
Permeability
• Permeability changes may allow plasma 
proteins to escape into interstitial space
– Resultant increase in interstitial oncotic pressure 
changes relationship defined by Starling 
hypothesis
– Leads to osmotic movement, water into interstitial 
space, results in tissue edema

50

Alterations in Water Movement
• Edema is fluid accumulation in interstitial 
spaces
– Caused by any condition that leads to fluid 
movement out of capillaries, into interstitial 
tissues
– Problem of fluid distribution, does not always 
indicate fluid excess

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Pathophysiology of Edema
• Factors of normal fluid flow through 
interstitial spaces 
– Capillary hydrostatic pressure filters from blood 
through capillary wall
– Oncotic pressure exerted by proteins in blood 
plasma, attracts fluid from interstitial space back 
into vascular compartment 

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Pathophysiology of Edema
• Factors of normal fluid flow through 
interstitial spaces 
– Permeability of capillaries, determines how easily 
fluid can pass through capillary wall
– Presence of open lymphatic channels, which 
collect some fluid forced out of capillaries by 
hydrostatic pressure of blood, return fluid to 
circulation
• When any factors are disturbed, changes in water 
movement can develop
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Pathophysiology of Edema
• Mechanisms most often responsible for 
edema

– Increase in hydrostatic pressure
– Decrease in plasma oncotic pressure
– Increase in capillary permeability
– Lymphatic obstruction

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Pathophysiology of Edema
• Increased capillary hydrostatic pressure 
– Caused by venous obstruction or sodium and 
water retention
– With venous obstruction, hydrostatic pressure of 
fluid in capillaries can become great enough to 
cause fluid to escape into interstitial spaces 

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Pathophysiology of Edema
• Increased capillary hydrostatic pressure 
– Conditions that can lead to venous 
obstruction, edema
• Thrombophlebitis (blood clot formation, inflammation 
in vein)

• Chronic venous disease
• Hepatic obstruction (hepatic veins or common bile 
duct blockage)
• Tight clothing around extremity
• Prolonged standing 
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Pathophysiology of Edema
• Increased capillary hydrostatic pressure 
– Sodium, water retention can cause increase  in 
circulating fluid volume, edema
– Conditions associated with sodium, 
water retention
• Congestive heart failure
• Renal failure

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Pathophysiology of Edema
• Decreased plasma oncotic pressure 
– Decreased plasma albumin leads to decreased 
plasma oncotic pressure
• Result: fluid moves into interstitial space

• Most often results from liver disease, 
protein malnutrition

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Pathophysiology of Edema
• Increased capillary permeability
– Result: greater than normal fluid filtration into 
interstitial space
– Associated with allergic reactions
– Linked to inflammation and immune response 
triggered by trauma






Burns, crushing injuries
Proteins escape from vascular bed
Capillary oncotic pressure decreases
Fluid oncotic pressure increases
Result: edema

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Pathophysiology of Edema
• Lymphatic obstruction
– Proteins, fluid accumulate in interstitial space 
when lymphatic channels are blocked by infection, 

surgically removed
– Obstruction blocks normal pathway by which fluid 
is returned from interstitial space into circulation 

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Pathophysiology of Edema
• Lymphatic obstruction
– Leads to edema in region normally drained by 
lymphatic channels
– Conditions that can cause obstruction
• Certain malignancies
• Parasitic infections
• Surgical removal of lymphatics

61

Pathophysiology of Edema
• Clinical manifestations of edema
– Localized







Limited to injury site or organ system
Sprained ankle
Cerebral edema
Pulmonary edema
Can be life threatening

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Pathophysiology of Edema
• Clinical manifestations of edema
– Generalized 
• More widespread
• Obvious in dependent body parts 
• First noted in legs and ankles when standing/sitting, 
sacrum and buttocks when lying down
• Causes weight gain, swelling, puffiness
• Linked to other symptoms caused by underlying illness

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Why does the RICE (rest, ice, 
compression, elevation) treatment 
for swelling from a sprained ankle 
decrease tissue edema?

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In septic shock, toxins affect the cell 
membrane permeability, allowing 
fluids to leak out of the blood 
vessels more freely. How could that 
affect cardiac output?
65

Pathophysiology of Edema
• Clinical manifestations of edema
– Generalized 
• In industrialized countries, most often caused by heart, 
kidney, liver disease
• In developing countries, most common cause is 
malnutrition and parasitic disease
• When tissue is compressed, fluid is pushed aside, 
leaving indentation that gradually refills, pitting edema
• Ascites: fluid accumulation in peritoneal cavity 

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Pathophysiology of Edema
• Water follows osmotic gradient established by 
changes in sodium concentration
– Sodium and water balance are closely related

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Water Balance
• Regulated by antidiuretic hormone (ADH)
– ADH secretion, thirst perception help regulate

• ADH release triggered by increase in plasma 
osmolality, decrease in circulating blood 
volume, and decline in venous and arterial 
pressure
– Increase in plasma osmolality stimulates 
hypothalamic neurons, osmoreceptors, causes 
thirst, increases ADH release from posterior 
pituitary gland
68

Water Balance
• ADH release response, water is reabsorbed into 
plasma from distal renal tubules, collecting ducts 
of kidneys
– Reduces water amount lost in urine

– Water reabsorbed, plasma osmolality deceases, 
returning to normal
– Volume‐sensitive receptors and pressure‐sensitive 
receptors also stimulate release

• Vomiting, diarrhea, excessive sweating cause 
fluid depletion
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Sodium and Chloride Balance
• Sodium is major ECF cation
• Sodium balance regulated by aldosterone
• Regulates osmotic forces with chloride, 
bicarbonate, hence water balance

70

Sodium and Chloride Balance
• Chloride is major ECF anion, provides 
electroneutrality in relation to sodium 
• Increases or decreases in chloride occur in 
proportion to changes in sodium
• Aldosterone secretion is triggered by decrease 

in sodium levels, increase in potassium levels
– Causes distal kidney tubules to increase sodium 
reabsorption, potassium secretion
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Sodium and Chloride Balance
• Renin enzyme is secreted by kidney
– Occurs when circulating blood volume is reduced, 
sodium–water balance is disrupted
– Stimulates formation of angiotensin I, changed to 
angiotensin II

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Sodium and Chloride Balance
• Renin enzyme is secreted by kidney
– Angiotensin II
• Potent vasoconstrictor
• Stimulates ADH secretion
• Results in reabsorption of sodium and water and 
increase in systemic BP

– Renin‐angiotensin‐aldosterone system

• Mechanism regulating sodium and water

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Sodium and Chloride Balance
• Natriuretic hormone
– Helps regulate sodium
– Promotes secretion of sodium in urine
– Decreases tubular sodium reabsorption
– Subsequent sodium, water loss

• Atrial natriuretic factor
– Substance released from arterial heart cells
– Helps control sodium, water balance
– Promotes renal elimination of sodium
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