background image

 

 

Fluid, Electrolyte Balance 

background image

 

 

Fluid, Electrolyte & Acid-Base 

Disorders

1.  Review of key concepts:

-- Fluid homeostasis– more than blood 

flow & plasma volume

-- Fluid Compartments & composition
-- Hormones and Fluid Balance

2. Interstitial Tissue, Starling Forces, 

& Edema Formation 

3. Fluid and Electrolyte Disorders
4. Control of pH & Acid – Base 

Disorders

-- regulatory systems: Buffers, Lungs, 

Kidneys

--   clinical laboratory applications

background image

 

 

Total Body Water & Fluid 

Compartments

• Fluid compartments average adult (70kg 

m)

– TBW 60% of body wt. (42L)*
– ECF 20% (plasma 5% + interstitial 15% =14L)
– ICF 40% (28L)
– (transcellular spaces- CSF, synovial etc 1-2%)

• GI Tract Fluid Loss

– GI secretes 6-8L per day & reabsorbs all but 

about 100ml lost with stool. Severe diarrhea 
can lose large amounts

background image

 

 

Distribution of Major Cations and 

Anions

ECF*

ICF

Na+ (mEq/L)

135-145

10

K+ (mEq/L

3.5-5.0

150

Ca++ (mEq/L) 5

(.0001)**

Cl- (mEq/l)

100-107 5

HCO3- (mEq/L)

22-28

12

Phosphate (mEq/L) 2

40-95

Proteins  16

54

pH 7.4 7.1

*Ionic composition of ISF & plasma is the same as ECF, 

exception plasma has more protein; ICF calcium  primarily 

bound-not free

background image

 

 

Osmolality & Tonicity

• Osmolarity = osmoles/L H2O (particles 

per unit volume or liter of  water)

• Osmolality = osmoles/Kg H2O (particles 

per unit wt of water)

• Tonicity = osmotic pressure of solutes 

(effective osmoles) that cause water 

movement (NaCl, glucose, KCL,) across 

cell membrane. Water moves out of the 

red cell (shrinks) in a  hypertonic  

solution.

– Although Na is the primary effective solute, 

other solutes can contribute to tonicity.  

Hyponatremia can occur in high, normal & 

low tonicity, ie. Hypertonic hyponatremia.

background image

 

 

Plasma Osmolality

• Normal plasma osmolality = 280-

295 mOsm/kg H2O

• 2 estimates of plasma osmolality

– plasma osm = 2x (plasma [Na+])
– plasma osm = 

2(Na+) + (glucose/18) + (urea/2.8)*

*Glucose & urea in mg/dl can converted to mmol/L or mOsm/kg – gives 
better estimate than using just sodium if pts with hyperglycemia or 
elevated BUN (see  Berne & Levy 5

th

 ed)

background image

 

 

Osmosis & Difference between 

“effective” osmolality of cell and 

surrounding fluid 

Osmolality 
=330

Osmolality 
=275

285

285

(Hypertonic)

(Hypotoni
c)

background image

 

 

Hormone Control of Volume & 

Sodium

• Two primary controls of ECF 

volume (water balance):

1.

Regulation of serum sodium 
concentration
– 

Antidiuretic Hormone (ADH)

    Thirst

2.

Regulation of total body sodium – 

  Renin-Angiotensin-Aldosterone system 

(RAA)

  Natriuretic Peptides (ANP & BNP)

background image

 

 

-Hormone Control of Volume & 

Sodium

• Hypothalamus & Posterior Pituitary

– Osmoreceptors in hypothalamus respond to 

decrease in vascular volume & increased 

osmolarity >295 mOsmols stimulate 

• thirst (diminished in age)
• ADH release from PP – regulates water excretion via 

change in permeability of distal tubule

• Syndrome of Inappropriate ADH (SIADH)

– High levels of ADH result in hyponatremia. Causes: 

infection, neoplasms of the CNS, pulmonary 

disease, operative stress.

• Diabetes Insipidus (Low ADH-dilute urine):

– Central : CNS infections, trauma, tumor
– Nephrogenic: unresponsive to ADH (drugs, 

congenital)

background image

 

 

Regulators of ADH

• Regulators of ADH

– Two major: interact

• Plasma osmolality (react to changes as small as 1%) 

osmoreceptors (shrink or swell based on plasma osmol) 

located in the hypothalamus.

• Volume and pressure (5-10% change in pressure is required) 

of the vascular system-activated by receptors in 

– Left atrium and pulmonary artery: vascular volume
– Aortic arch and carotid sinus: wall tension (arterial pressure)
– Both send signal via vagus and glossopharyngeal.

– Nausea-stimulates
– Atrial natriuretic peptide (ANP) inhibits
– Angiotensin II stimulates
– Drugs (nicotine-stimulates secretion, alcohol-

inhibits)

Berne & Levy, 2000, p 437 & 
438

ADH

background image

 

 

-Hormone Control of Volume & 

Sodium

• Renin-Angiotensin --> Aldosterone (RAA)

– Controls ECF by regulating Na excretion
– Acts on distal tubules retains Na (& water) 

excretes K

– Angiotensin also direct effect of Na reabsorption 

in proximal tubules & enhances ADH effect

• Atrial Natriuretic Peptide (ANP) & “Brain” 

Natriuretic Peptide (BNP)*

– Secreted by atrial myocytes (BNP ventricular 

myocytes-marker of HF) in response to increase 

venous/atrial pressure or increase blood volume

– Increase GFR, inhibits Na (water) reabsorption 

in collecting ducts

– Inhibits ADH & renin release

*Baughman KL NEJM 2002 347:158-9;  Levin ER et al NEJM ’98 
339:321-8 

background image

 

 

Aldosterone

• Stimulates Na+ 

reabsorption in 

the distal 

tubule and 

collecting duct

• Enhances Na+ 

reabsorption by 

cells of the 

thick ascending 

limb of the loop 

of Henle

Response to volume 
depletion 

background image

 

 

ADH and Aldosterone and ANP

Response to ECF contraction

Berne & Levy, 2000 p 
451

background image

 

 

ADH and Aldosterone and ANP

Response to ECF Expansion

Berne & Levy, 2000 p 
452

background image

 

 

Control of Urine Solute 

Concentration:

Age & Disease

• Normal

– Body must excrete a minimum of 1200 mOsm
– Healthy kidney can vary concentration from 40-

1400 mOsm/L

– Minimum urine volume at maximum [C] ability 

1200/1400 kgH2O/24 hr = 857ml/24hr 

(35ml/hr)

• Development, Aging & Disease

– Infant:  max concentrating ability ~ 

600mOsmols/kg due to low ADH  and immature 

renal concentrating 

– Elderly: renal function diminishes with age, >70 

yrs ~ 900mOsmols/kg H2O

– Minimum urine volume at maximum [C]          

1200/900 kgH2O/24 hr = 1300/24hr

 (55ml/hr)

background image

 

 

Capillary- Interstitial 

Exchange & Edema

background image

 

 

Normal Interstitial Tissue

• Interstitial Tissue 

– Provides the “microenvironment” of the cells
– Composed of cells, water & electrolytes, ground 

substances, and fibrillary elements

– Electrolytes & pH maintained in equilibrium 

both with capillary-plasma & intracellular fluid

• Fibrillary elements (collagen, elastin) 

produce by connective tissue cells, mainly 

fibroblasts & ground substance 

(glycoproteins, fibronectin). (Implications in 

aging)

• Lymphatics
• Fluid Exchange Forces: Capillary & Tissue 

hydrostatic & oncotic pressure- major 

difference between ISF & plasma – ISF very 

low in protein!*

background image

 

 

Starling Forces acting on capillary. 
(McCance)

background image

 

 

Edema Formation

• Excess fluid within interstitial space 

• Generalized:  2 or more liters excess in 

the interstitial space for edema to be 

clinically evident; thus patient can gain 

several kgs of H2O in weight before 

edema observable or palpable (pitting).  

– Cardiac, renal, hepatic failure. 

– Nutritional (low albumin)

• Localized: increased capillary 

permeability or Hp

– inflammation, hypersensitivity, lymph/venous 

obst, lymph node resection, filariasis

– Cirrhosis with accumulation in peritoneal 

space (ascites)

background image

 

 

Mechanisms of Edema 

Formation

• Increased Hydrostatic P

–  increased venous pressure or impaired 

venous return (heart failure -HF)

• Reduced Plasma Oncotic P*

–  hypoproteinemia (nephrotic syndrome-

loss, malnutrition & cirrhosis-impaired 

synthesis)

• Lymphatic obstruction

– Obstruction (neoplastic, surgical)

• Sodium retention (renal, HF, 

aldosteronism)

• Inflammatory (typically local)

*Role of reduced oncotic P? as edema does not always correlate with 
hypoalbuminemia

background image

 

 

Key Electrolytes 

Imbalances*

• Sodium [135-145mEq/L]  

– Hypernatremia >147  
– Hyponatremia <   135

• Potassium [3.5-4.5]

– Hyperkalemia >5.5
– Hypokalemia < 3.5

• Calcium [8.6-10.5 mg/dl]

– Hypercalcemia >12
– Hypocalcemia <8.5

*Huether 110-116, McCance 
89-102

background image

 

 

Regulators of ADH

• Regulators of ADH

Two major: interact

• Plasma osmolality (react to changes as small as 1%) 

osmoreceptors (shrink or swell based on plasma osmol) 

located in the hypothalamus.

• Volume and pressure (5-10% change in pressure is 

required) of the vascular system-activated by receptors in 

– Left atrium and pulmonary artery: vascular volume
– Aortic arch and carotid sinus: wall tension (arterial pressure)
– Both send signal via vagus and glossopharyngeal.

Nausea-stimulates

Atrial natriuretic peptide (ANP) inhibits

Angiotensin II stimulates

Drugs (nicotine-stimulates secretion, alcohol-

inhibits)

Berne & Levy, 2000, p 437 & 
438


Document Outline