background image

Lecture 3

 

Physiology

 

Dr. Affan Ezzat

 

1

 

 

Physiology of the body fluids 

Objectives: By the end of these two lectures, you will be able to: 

-  Describe the daily water intake and loss by the human body. 
-  Define body fluid compartments. 
-  List the important constituents of extracellular and intracellular compartments. 
-  Outline the regulation of fluid exchange and osmotic equilibrium between 

extracellular and intracellular fluid. 

          -     Describe the volume and osmolality of Extracellular and Intracellular Fluids in  

abnormal States. 

-    State the filtration across capillaries. 
-  Define edema. 

 
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/day
,  but 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.  


background image

Lecture 3

 

Physiology

 

Dr. Affan Ezzat

 

2

 

 

(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 
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 plasma,  which 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. 


background image

Lecture 3

 

Physiology

 

Dr. Affan Ezzat

 

3

 

 

 

 
 
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 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 


background image

Lecture 3

 

Physiology

 

Dr. Affan Ezzat

 

4

 

 

 

 
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

Lecture 3

 

Physiology

 

Dr. Affan Ezzat

 

5

 

 

 

 

 

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  
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 osmolesOne 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 


background image

Lecture 3

 

Physiology

 

Dr. Affan Ezzat

 

6

 

 

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 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. 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 11 عضواً و 179 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