Elimistössä on paljon erilaisia ioneja, eli elektrolyyttejä, jotka suorittavat erilaisia tehtäviä. Jotkin ionit auttavat sähköisten impulssien välittämisessä solukalvoja pitkin hermosoluissa ja lihaksissa. Toiset ionit auttavat stabiloimaan entsyymien proteiinirakenteita. Toiset taas auttavat hormonien vapautumisessa hormonaalisista rauhasista. Kaikki plasman ionit vaikuttavat osmoottiseen tasapainoon, joka säätelee veden liikkumista solujen ja niiden ympäristön välillä.

Elektrolyyttejä elävissä järjestelmissä ovat natrium, kalium, kloridi, bikarbonaatti, kalsium, fosfaatti, magnesium, kupari, sinkki, rauta, mangaani, molybdeeni, kupari ja kromi. Elimistön toiminnan kannalta tärkeimpiä ovat kuusi elektrolyyttiä: natrium, kalium, kloridi, bikarbonaatti, kalsium ja fosfaatti.

Elektrolyyttien roolit

Nämä kuusi ionia auttavat hermojen kiihtyvyydessä, hormonaalisessa erityksessä, kalvojen läpäisevyydessä, elimistön nesteiden puskuroinnissa ja elimistön nesteiden liikkeen ohjaamisessa lokeroiden välillä. Nämä ionit kulkeutuvat elimistöön ruoansulatuskanavan kautta. Yli 90 prosenttia elimistöön tulevasta kalsiumista ja fosfaatista kulkeutuu luihin ja hampaisiin, ja luu toimii näiden ionien mineraalivarastona. Jos kalsiumia ja fosfaattia tarvitaan muihin toimintoihin, luukudosta voidaan hajottaa, jotta veri ja muut kudokset saisivat näitä mineraaleja. Fosfaatti on nukleiinihappojen normaali ainesosa, joten veren fosfaattipitoisuudet nousevat aina, kun nukleiinihappoja hajotetaan.

Ionien poistuminen tapahtuu pääasiassa munuaisten kautta, ja vähäisempiä määriä menetetään hien ja ulosteen mukana. Liiallinen hikoilu voi aiheuttaa merkittävää menetystä, erityisesti natriumin ja kloridin osalta. Voimakas oksentelu tai ripuli aiheuttaa kloridi- ja bikarbonaatti-ionien menetystä. Hengitys- ja munuaistoimintojen säätöjen avulla elimistö pystyy säätelemään näiden ionien pitoisuuksia ECF:ssä.

Seuraavassa taulukossa on lueteltu veriplasman, aivo-selkäydinnesteen (CSF) ja virtsan vertailuarvot tässä jaksossa käsitellyille kuudelle ionille. Kliinisessä ympäristössä natrium, kalium ja kloridi analysoidaan yleensä rutiininomaisesta virtsanäytteestä. Sitä vastoin kalsiumin ja fosfaatin analysointi edellyttää virtsan keräämistä 24 tunnin ajalta, koska näiden ionien tuotanto voi vaihdella huomattavasti vuorokauden aikana. Virtsan arvot kuvastavat näiden ionien erittymisnopeutta. Bikarbonaatti on ainoa ioni, jota ei normaalisti erittetä virtsaan, vaan munuaiset säilyttävät sen käytettäväksi elimistön puskurijärjestelmissä.

Natrium

Natrium on solunulkoisen nesteen tärkein kationi. Se vastaa puolesta osmoottisesta painegradientista, joka vallitsee solujen sisäosan ja niitä ympäröivän ympäristön välillä. Ihmiset, jotka syövät tyypillistä länsimaista ruokavaliota, joka sisältää hyvin paljon NaCl:ää, saavat rutiininomaisesti 130-160 mmol natriumia vuorokaudessa, mutta ihminen tarvitsee vain 1-2 mmol vuorokaudessa. Tämä ylimääräinen natrium näyttää olevan merkittävä tekijä joidenkin ihmisten hypertensiossa (korkea verenpaine). Natriumin erittyminen tapahtuu pääasiassa munuaisten kautta. Natrium suodattuu vapaasti munuaisten glomerulaaristen kapillaarien läpi, ja vaikka suuri osa suodatetusta natriumista imeytyy takaisin proksimaalisessa kierteisessä tubuluksessa, osa jää suodokseen ja virtsaan, ja se erittyy normaalisti.

Hyponatremia on normaalia alhaisempi natriumpitoisuus, joka yleensä liittyy ylimääräiseen veden kertymiseen elimistöön, mikä laimentaa natriumia. Natriumin absoluuttinen menetys voi johtua ionin vähentyneestä saannista yhdistettynä sen jatkuvaan erittymiseen virtsaan. Epänormaali natriumin menetys elimistöstä voi johtua useista olosuhteista, kuten liiallisesta hikoilusta, oksentelusta tai ripulista, diureettien käytöstä, liiallisesta virtsanerityksestä, jota voi esiintyä diabeteksessa, ja asidoosista, joko metabolisesta asidoosista tai diabeettisesta ketoasidoosista.

Veren natriumin suhteellinen väheneminen voi johtua natriumin epätasapainosta jossakin muussa elimistön nesteosastossa, kuten IF:ssä, tai natriumin laimenemisesta, joka johtuu turvotukseen tai kongestiiviseen sydämen vajaatoimintaan liittyvästä vedenpidätyksestä. Solutasolla hyponatremia johtaa veden lisääntyneeseen kulkeutumiseen soluihin osmoosin avulla, koska solun sisällä olevien liuottimien pitoisuus ylittää nyt laimennetun ECF:n liuottimien pitoisuuden. Ylimääräinen vesi aiheuttaa solujen turpoamista; punasolujen turpoaminen – mikä vähentää niiden hapenkuljetustehokkuutta ja tekee niistä mahdollisesti liian suuria mahtuakseen kapillaareihin – yhdessä aivojen neuronien turpoamisen kanssa voi johtaa aivovaurioon tai jopa kuolemaan.

Hypernatremia on veren natriumin epänormaali nousu. Se voi johtua veden menetyksestä verestä, mikä johtaa kaikkien veren ainesosien hemokonsentraatioon. Hormonaalinen epätasapaino, johon liittyy ADH:ta ja aldosteronia, voi myös johtaa normaalia korkeampiin natriumarvoihin.

Kalium

Kalium on tärkein solunsisäinen kationi. Se auttaa hermosolujen ja lihassyiden kalvon lepopotentiaalin muodostumisessa kalvon depolarisaation ja toimintapotentiaalien jälkeen. Toisin kuin natriumilla, kaliumilla on hyvin vähän vaikutusta osmoottiseen paineeseen. Veren ja CSF:n alhaiset kaliumpitoisuudet johtuvat solukalvojen natrium-kaliumpumpuista, jotka ylläpitävät normaalia kaliumpitoisuusgradienttia ICF:n ja ECF:n välillä. Suositus kaliumin päivittäiseksi saanniksi/kulutukseksi on 4700 mg. Kalium erittyy sekä aktiivisesti että passiivisesti munuaistubulusten, erityisesti distaalisen kierteisen tubuluksen ja keräilykanavien kautta. Kalium osallistuu munuaistubuluksissa tapahtuvaan vaihtoon natriumin kanssa aldosteronin vaikutuksesta, mikä perustuu myös basolateraalisiin natrium-kaliumpumppuihin.

Hypokalemia on epänormaalin matala veren kaliumpitoisuus. Samoin kuin hyponatremian kohdalla, hypokalemia voi johtua joko absoluuttisesta kaliumin vähenemisestä elimistössä tai suhteellisesta kaliumin vähenemisestä veressä kaliumin uudelleen jakautumisen vuoksi. Absoluuttinen kaliumin väheneminen voi johtua kaliumin saannin vähenemisestä, joka liittyy usein nälkään. Se voi johtua myös oksentelusta, ripulista tai alkaloosista.

Joillakin insuliiniriippuvaisilla diabeetikoilla kaliumin suhteellinen väheneminen veressä johtuu kaliumin uudelleen jakautumisesta. Kun insuliinia annetaan ja glukoosia otetaan soluihin, kalium kulkeutuu glukoosin mukana solukalvon läpi, jolloin kaliumin määrä veressä ja IF:ssä vähenee, mikä voi aiheuttaa hermosolujen solukalvojen hyperpolarisoitumista, mikä vähentää niiden reaktioita ärsykkeisiin.

Hyperkalemia, kohonnut kaliumpitoisuus veressä, voi myös heikentää luustolihasten, hermoston ja sydämen toimintaa. Hyperkalemia voi johtua lisääntyneestä kaliumin saannista ravinnosta. Tällaisessa tilanteessa verestä peräisin oleva kalium päätyy EKF:ään epätavallisen suurina pitoisuuksina. Tämä voi johtaa luustolihaskuitujen, hermosolujen ja sydämen sydänsolujen plasmakalvon osittaiseen depolarisaatioon (eksitaatioon) ja johtaa myös solujen kyvyttömyyteen repolarisoitua. Sydämen osalta tämä tarkoittaa, että se ei rentoutu supistuksen jälkeen, vaan käytännössä ”kouristuu” ja lopettaa veren pumppaamisen, mikä on kohtalokasta muutamassa minuutissa. Tällaisten hermostoon kohdistuvien vaikutusten vuoksi hyperkalemiaa sairastavalla henkilöllä voi esiintyä myös henkistä sekavuutta, tunnottomuutta ja hengityslihasten heikkenemistä.

Kloridi

Kloridi on vallitseva solunulkoinen anioni. Kloridi vaikuttaa merkittävästi osmoottiseen painegradienttiin ICF:n ja ECF:n välillä, ja sillä on tärkeä rooli asianmukaisen nesteytyksen ylläpitämisessä. Kloridi tasapainottaa kationeja ECF:ssä ja ylläpitää tämän nesteen sähköistä neutraaliutta. Kloridi-ionien eritys- ja takaisinimeytymisreitit munuaisjärjestelmässä noudattavat natriumionien reabsorptioreittejä.

Hypokloremiaa eli normaalia alhaisempia veren kloridipitoisuuksia voi esiintyä munuaisten tubulaarisen imeytymisvajauksen vuoksi. Oksentelu, ripuli ja metabolinen asidoosi voivat myös johtaa hypokloremiaan. Hyperklooremiaa eli normaalia korkeampia veren kloridipitoisuuksia voi esiintyä kuivumisen, liiallisen ravintosuolan (NaCl) saannin tai meriveden nielemisen, aspiriinimyrkytyksen, kongestiivisen sydämen vajaatoiminnan ja perinnöllisen, kroonisen keuhkosairauden, kystisen fibroosin, vuoksi. Kystistä fibroosia sairastavilla ihmisillä hien kloridipitoisuus on kaksi- tai viisinkertainen normaaliin verrattuna, ja hikianalyysiä käytetäänkin usein taudin diagnosoinnissa.

Bikarbonaatti

Bikarbonaatti on veren toiseksi yleisin anioni. Sen pääasiallinen tehtävä on ylläpitää elimistön happo-emästasapainoa olemalla osa puskurijärjestelmiä. Tätä tehtävää käsitellään eri jaksossa.

Bikarbonaatti-ionit syntyvät kemiallisessa reaktiossa, joka alkaa hiilidioksidista (CO2) ja vedestä, kahdesta molekyylistä, joita syntyy aerobisen aineenvaihdunnan lopussa. Vain pieni määrä CO2:ta voi liueta kehon nesteisiin. Niinpä yli 90 prosenttia CO2:sta muuttuu bikarbonaatti-ioneiksi, HCO3-, seuraavien reaktioiden kautta:

CO2+ H 2 ↔ H2 + CO3 ↔ H2 + CO3- + H +

Kaksisuuntaiset nuolet osoittavat, että reaktiot voivat kulkea kumpaankin suuntaan riippuen reaktanttien ja tuotteiden pitoisuuksista. Hiilidioksidia syntyy suuria määriä kudoksissa, joiden aineenvaihduntanopeus on suuri. Hiilidioksidi muutetaan bikarbonaatiksi punasolujen sytoplasmassa hiilihappoanhydraasi-nimisen entsyymin vaikutuksesta. Bikarbonaatti kuljetetaan veressä. Keuhkoihin päästyään reaktiot kääntävät suuntaa, ja hiilidioksidi regeneroituu bikarbonaatista uloshengitettäväksi aineenvaihduntajätteenä.

Kalsium

Kuusi kiloa elimistössäsi olevasta kalsiumista on sitoutuneena luuhun, joka antaa luulle kovuutta ja toimii kalsiumin ja sen suolojen mineraalivarastona muille kudoksille. Myös hampaissa on runsaasti kalsiumia. Hieman yli puolet veren kalsiumista on sitoutunut proteiineihin, jolloin loput jäävät ionisoituneeseen muotoonsa. Kalsiumionit, Ca2+, ovat välttämättömiä lihassupistukselle, entsyymitoiminnalle ja veren hyytymiselle. Lisäksi kalsium auttaa vakauttamaan solukalvoja ja on välttämätön välittäjäaineiden vapautumiselle hermosoluista ja hormonien vapautumiselle hormonaalisista rauhasista.

Kalsium imeytyy suoliston kautta aktivoituneen D-vitamiinin vaikutuksesta. D-vitamiinin puute johtaa imeytyvän kalsiumin vähenemiseen ja lopulta luuston kalsiumvarastojen ehtymiseen, mikä saattaa johtaa riisitautiin lapsilla ja osteomalasiaan aikuisilla, mikä edistää osteoporoosia.

Hypokalsemiaa eli epänormaalin alhaista kalsiumpitoisuutta veressä nähdään hypoparatyreoosissa, joka voi seurata kilpirauhasen poiston jälkeen, koska lisäkilpirauhasen neljä kyhmyräpystyä on sulautunut siihen. Hyperkalsemiaa eli epänormaalin korkeita kalsiumpitoisuuksia veressä esiintyy primaarisessa hyperparatyreoosissa. Myös jotkin pahanlaatuiset kasvaimet voivat johtaa hyperkalsemiaan.

Fosfaatti

Fosfaattia esiintyy elimistössä kolmessa ionimuodossa: {\text{H}}_{2}{\text{PO}}_{4-}, {\text{HPO}}_{4}^{2-} ja {\text{PO}}_{4}^{3-}. Yleisin muoto on {\text{HPO}}_{4}^{2-}. Luu ja hampaat sitovat 85 prosenttia elimistön fosfaatista osana kalsiumfosfaattisuoloja. Fosfaattia on fosfolipideissä, kuten solukalvon muodostavissa fosfolipideissä, sekä ATP:ssä, nukleotideissa ja puskureissa.

Hypofosfatemiaa eli epänormaalin alhaista fosfaattipitoisuutta veressä esiintyy happamuudensäätöaineiden runsaassa käytössä, alkoholin vieroitusoireiden aikana ja aliravitsemuksen yhteydessä. Fosfaattivajeen yhteydessä munuaiset yleensä varastoivat fosfaattia, mutta nälänhädän aikana tämä varautuminen heikkenee huomattavasti. Hyperfosfatemiaa eli epänormaalisti kohonneita fosfaattipitoisuuksia veressä esiintyy, jos munuaisten toiminta on heikentynyt tai jos kyseessä on akuutti lymfaattinen leukemia. Koska fosfaatti on lisäksi ICF:n tärkeä ainesosa, mikä tahansa merkittävä solujen tuhoutuminen voi johtaa fosfaatin joutumiseen ECF:ään.

Natriumin ja kaliumin säätely

Natrium imeytyy takaisin munuaisfiltraatista ja kalium erittyy munuaisten keräysputkessa filtraattiin. Tätä vaihtoa säätelee pääasiassa kaksi hormonia -aldosteroni ja angiotensiini II.

Aldosteroni

Kuva 1. Aldosteroni, jota lisämunuainen vapauttaa, helpottaa Na+:n takaisinimeytymistä ja siten veden takaisinimeytymistä.

Muistetaan, että aldosteroni lisää kaliumin erittymistä ja natriumin takaisinimeytymistä distaalitubuluksessa. Aldosteronia vapautuu, jos veren kaliumpitoisuus nousee, jos veren natriumpitoisuus laskee voimakkaasti tai jos verenpaine laskee. Sen nettovaikutus on plasman vesipitoisuuden säilyttäminen ja lisääminen vähentämällä natriumin ja siten veden erittymistä munuaisista. Negatiivisessa takaisinkytkennässä EKF:n lisääntynyt osmolaliteetti (joka seuraa aldosteronin stimuloimaa natriumin imeytymistä) estää hormonin vapautumista.

Angiotensiini II

Angiotensiini II aiheuttaa verisuonten supistumista ja systeemisen verenpaineen nousua. Tämä vaikutus lisää glomerulussuodatusnopeutta, jolloin glomeruluskapillaareista suodattuu enemmän ainetta Bowmanin kapseliin. Angiotensiini II signaloi myös aldosteronin vapautumisen lisääntymistä lisämunuaiskuoresta.

Munuaisten distaalisissa kierteisissä tubuluksissa ja keräyskanavissa aldosteroni stimuloi natrium-kaliumpumpun synteesiä ja aktivoitumista. Natrium kulkeutuu suodoksesta tubulusten ja kanavien soluihin ja niiden läpi ECF:ään ja sieltä kapillaareihin. Vesi seuraa natriumia osmoosin ansiosta. Siten aldosteroni aiheuttaa veren natriumpitoisuuden ja veren tilavuuden suurenemisen. Aldosteronin vaikutus kaliumiin on päinvastainen kuin natriumiin; sen vaikutuksesta ylimääräinen kalium pumpataan munuaisfiltraattiin erittymistä varten elimistöstä.

Kuva 2. Angiotensiini II stimuloi aldosteronin vapautumista lisämunuaiskuoresta.

Kalsiumin ja fosfaatin säätely

Kalsiumia ja fosfaattia säätelevät molemmat kolmen hormonin: parathormonin (PTH), dihydroksivitamiini D:n (kalsitriolin) ja kalsitoniinin vaikutukset. Kaikki kolme vapautuvat tai syntetisoituvat vastauksena veren kalsiumpitoisuuteen.

PTH vapautuu lisäkilpirauhasesta vastauksena veren kalsiumpitoisuuden laskuun. Hormoni aktivoi osteoklasteja hajottamaan luun matriisia ja vapauttamaan epäorgaanisia kalsiumfosfaattisuoloja. PTH lisää myös ravinnon kalsiumin imeytymistä ruoansulatuskanavasta muuntamalla D-vitamiinia dihydroksivitamiini D:ksi (kalsitrioliksi), D-vitamiinin aktiiviseksi muodoksi, jota suoliston epiteelisolut tarvitsevat kalsiumin imeytymiseen.

PTH nostaa veren kalsiumpitoisuutta estämällä kalsiumin häviämistä munuaisten kautta. PTH lisää myös fosfaatin häviämistä munuaisten kautta.

Kalsitoniinia vapautuu kilpirauhasesta vastauksena kohonneeseen veren kalsiumpitoisuuteen. Hormoni lisää osteoblastien aktiivisuutta, jotka poistavat kalsiumia verestä ja sisällyttävät kalsiumia luiseen matriisiin.

Luvun tarkastelu

Elektrolyytit palvelevat eri tarkoituksia, kuten auttavat johtamaan sähköimpulsseja solukalvoja pitkin neuroneissa ja lihaksissa, stabiloivat entsyymirakenteita ja vapauttavat hormoneja hormonirauhasista. Plasman ionit vaikuttavat myös osmoottiseen tasapainoon, joka säätelee veden liikkumista solujen ja niiden ympäristön välillä. Näiden ionien epätasapaino voi johtaa erilaisiin ongelmiin elimistössä, ja niiden pitoisuuksia säädellään tiukasti. Aldosteroni ja angiotensiini II säätelevät natriumin ja kaliumin vaihtoa munuaissuodoksen ja munuaisten keräysputken välillä. Kalsiumia ja fosfaattia säätelevät PTH, kalsitroli ja kalsitoniini.

Self Check

Vastaamalla alla olevaan kysymykseen (kysymyksiin) näet, kuinka hyvin ymmärrät edellisessä osiossa käsiteltyjä aiheita.

Sanasto

dihydroksivitamiini D: D-vitamiinin aktiivinen muoto, jota suolen epiteelisolut tarvitsevat kalsiumin imeytymiseen

hyperkalsemia: Poikkeavasti kohonnut veren kalsiumpitoisuus

hyperkalsemia: normaalia korkeampi veren kloridipitoisuus

hyperkalemia: normaalia korkeampi veren kaliumpitoisuus

hypernatremia: Veren natriumpitoisuuden epänormaali nousu

hyperfosfatemia: Veren fosfaattipitoisuuden epänormaali nousu

hypokalsemia: Veren kalsiumpitoisuuden epänormaali lasku

hypokloremia: normaalia alhaisemmat veren kloridipitoisuudet

hypokalemia: epänormaalisti alentuneet veren kaliumpitoisuudet

hyponatremia: normaalia alhaisemmat veren natriumpitoisuudet

hypofosfatemia: epänormaalisti alhaiset veren fosfaattipitoisuudet