Het lichaam bevat een grote variëteit aan ionen, of elektrolyten, die een verscheidenheid van functies vervullen. Sommige ionen helpen bij de overdracht van elektrische impulsen langs celmembranen in neuronen en spieren. Andere ionen helpen bij het stabiliseren van eiwitstructuren in enzymen. Weer andere helpen bij het vrijmaken van hormonen uit endocriene klieren. Alle ionen in plasma dragen bij aan het osmotisch evenwicht dat de beweging van water tussen cellen en hun omgeving regelt.

Electrolyten in levende systemen zijn natrium, kalium, chloride, bicarbonaat, calcium, fosfaat, magnesium, koper, zink, ijzer, mangaan, molybdeen, koper, en chroom. Voor het functioneren van het lichaam zijn zes elektrolyten het belangrijkst: natrium, kalium, chloride, bicarbonaat, calcium en fosfaat.

Rollen van elektrolyten

Deze zes ionen helpen bij zenuwprikkelbaarheid, endocriene secretie, membraanpermeabiliteit, buffering van lichaamsvloeistoffen, en het regelen van de beweging van vloeistoffen tussen compartimenten. Deze ionen komen het lichaam binnen via het spijsverteringskanaal. Meer dan 90 procent van het calcium en fosfaat dat het lichaam binnenkomt, wordt opgenomen in botten en tanden, waarbij botten dienen als minerale reserve voor deze ionen. Als calcium en fosfaat nodig zijn voor andere functies, kan botweefsel worden afgebroken om het bloed en andere weefsels van deze mineralen te voorzien. Fosfaat is een normaal bestanddeel van nucleïnezuren; vandaar dat de bloedspiegels van fosfaat zullen stijgen wanneer nucleïnezuren worden afgebroken.

Excretie van ionen vindt hoofdzakelijk plaats via de nieren, met kleinere hoeveelheden die verloren gaan in zweet en in de feces. Overmatig zweten kan een aanzienlijk verlies veroorzaken, vooral van natrium en chloride. Ernstig braken of diarree zal een verlies van chloride- en bicarbonaationen veroorzaken. Door aanpassingen in de ademhalings- en nierfuncties kan het lichaam de niveaus van deze ionen in de ECF reguleren.

In de volgende tabel staan de referentiewaarden voor bloedplasma, cerebrospinale vloeistof (CSF), en urine voor de zes ionen die in dit hoofdstuk aan de orde komen. In een klinische omgeving worden natrium, kalium en chloride meestal geanalyseerd in een routine urinemonster. Voor de analyse van calcium en fosfaat daarentegen moet urine worden verzameld over een periode van 24 uur, omdat de productie van deze ionen in de loop van de dag aanzienlijk kan variëren. De urinewaarden geven de mate van uitscheiding van deze ionen weer. Bicarbonaat is het enige ion dat normaal gesproken niet in de urine wordt uitgescheiden; in plaats daarvan wordt het door de nieren bewaard voor gebruik in de buffersystemen van het lichaam.

Natrium

Natrium is het belangrijkste kation van de extracellulaire vloeistof. Het is verantwoordelijk voor de helft van de osmotische drukgradiënt die bestaat tussen het inwendige van cellen en hun omgeving. Mensen die een typisch westers dieet volgen, dat zeer rijk is aan NaCl, krijgen routinematig 130 tot 160 mmol natrium per dag binnen, terwijl mensen slechts 1 tot 2 mmol per dag nodig hebben. Dit teveel aan natrium blijkt een belangrijke factor te zijn bij hypertensie (hoge bloeddruk) bij sommige mensen. De uitscheiding van natrium gebeurt hoofdzakelijk door de nieren. Natrium wordt vrij gefilterd door de glomerulaire haarvaten van de nieren, en hoewel een groot deel van het gefilterde natrium weer wordt opgenomen in de proximale convoluole tubulus, blijft een deel achter in het filtraat en de urine, en wordt normaal uitgescheiden.

Hyponatriëmie is een lagere natriumconcentratie dan normaal, die meestal gepaard gaat met een ophoping van overtollig water in het lichaam, waardoor het natrium wordt verdund. Een absoluut verlies van natrium kan het gevolg zijn van een verminderde inname van het ion in combinatie met de voortdurende uitscheiding ervan in de urine. Een abnormaal verlies van natrium uit het lichaam kan het gevolg zijn van verschillende omstandigheden, waaronder overmatig zweten, braken of diarree; het gebruik van diuretica; overmatige productie van urine, wat kan voorkomen bij diabetes; en acidose, ofwel metabole acidose of diabetische ketoacidose.

Een relatieve daling van natrium in het bloed kan optreden door een onevenwicht van natrium in een van de andere vochtcompartimenten van het lichaam, zoals IF, of door een verdunning van natrium als gevolg van waterretentie gerelateerd aan oedeem of congestief hartfalen. Op cellulair niveau leidt hyponatriëmie tot een verhoogde opname van water in de cellen door osmose, omdat de concentratie van oplosmiddelen in de cel hoger is dan de concentratie van oplosmiddelen in de nu verdunde ECF. Het teveel aan water veroorzaakt zwelling van de cellen; het opzwellen van de rode bloedcellen, waardoor hun zuurstofdragend vermogen afneemt en ze mogelijk te groot worden om door de haarvaten te passen, kan samen met het opzwellen van de neuronen in de hersenen leiden tot hersenbeschadiging of zelfs de dood.

Hypernatriëmie is een abnormale verhoging van het natriumgehalte in het bloed. Het kan het gevolg zijn van waterverlies uit het bloed, wat leidt tot hemoconcentratie van alle bloedbestanddelen. Hormonale onevenwichtigheden waarbij ADH en aldosteron betrokken zijn, kunnen ook leiden tot hoger dan normale natriumwaarden.

Kalium

Kalium is het belangrijkste intracellulaire kation. Het helpt bij het tot stand brengen van de rustmembraanpotentiaal in neuronen en spiervezels na membraandepolarisatie en actiepotentialen. In tegenstelling tot natrium heeft kalium zeer weinig effect op de osmotische druk. De lage kaliumgehalten in bloed en liquor zijn te wijten aan de natrium-kaliumpompen in de celmembranen, die de normale kaliumconcentratiegradiënten tussen de ICF en de ECF in stand houden. De aanbeveling voor de dagelijkse inname/consumptie van kalium is 4700 mg. Kalium wordt actief en passief uitgescheiden via de tubuli van de nieren, met name via de distale convoluole tubuli en de verzamelbuizen. Kalium neemt deel aan de uitwisseling met natrium in de renale tubuli onder invloed van aldosteron, dat ook een beroep doet op basolaterale natrium-kaliumpompen.

Hypokaliëmie is een abnormaal lage kaliumspiegel in het bloed. Net als bij hyponatriëmie kan hypokaliëmie ontstaan door een absolute afname van kalium in het lichaam of door een relatieve afname van kalium in het bloed als gevolg van de herverdeling van kalium. Een absoluut kaliumverlies kan het gevolg zijn van een verminderde kaliuminname, die vaak het gevolg is van verhongering. Het kan ook het gevolg zijn van braken, diarree of alkalose.

Bij sommige insuline-afhankelijke diabetespatiënten treedt een relatieve verlaging van het kaliumgehalte in het bloed op als gevolg van de herverdeling van kalium. Wanneer insuline wordt toegediend en glucose door de cellen wordt opgenomen, passeert kalium samen met glucose door het celmembraan, waardoor de hoeveelheid kalium in het bloed en IF afneemt, wat hyperpolarisatie van de celmembranen van neuronen kan veroorzaken, waardoor hun reacties op prikkels afnemen.

Hyperkaliëmie, een verhoogde kaliumspiegel in het bloed, kan ook de functie van skeletspieren, het zenuwstelsel en het hart aantasten. Hyperkaliëmie kan het gevolg zijn van een verhoogde inname van kalium via de voeding. In een dergelijke situatie komt kalium uit het bloed in abnormaal hoge concentraties in de ECF terecht. Dit kan resulteren in een gedeeltelijke depolarisatie (excitatie) van het plasmamembraan van skeletspiervezels, neuronen en hartcellen, en kan er ook toe leiden dat cellen niet meer kunnen repolariseren. Voor het hart betekent dit dat het zich na een samentrekking niet kan ontspannen en in feite “vastloopt” en stopt met het pompen van bloed, wat binnen enkele minuten fataal is. Door dergelijke effecten op het zenuwstelsel kan een persoon met hyperkaliëmie ook mentale verwarring, gevoelloosheid en verzwakte ademhalingsspieren vertonen.

Chloride

Chloride is het overheersende extracellulaire anion. Chloride levert een belangrijke bijdrage aan de osmotische drukgradiënt tussen de ICF en de ECF, en speelt een belangrijke rol bij de handhaving van een goede hydratatie. Chloride zorgt voor een evenwicht tussen de kationen in de ECF, waardoor de elektrische neutraliteit van deze vloeistof behouden blijft. De paden van secretie en reabsorptie van chloride-ionen in het renale systeem volgen de paden van natrium-ionen.

Hypochloremie, of lager dan normale bloedchloride-spiegels, kan optreden als gevolg van defecte renale tubulaire absorptie. Braken, diarree en metabole acidose kunnen ook leiden tot hypochloremie. Hyperchloremie, of een hoger dan normaal chloridegehalte in het bloed, kan ontstaan door uitdroging, overmatige inname van zout uit de voeding (NaCl) of het inslikken van zeewater, aspirinevergiftiging, congestief hartfalen en de erfelijke, chronische longziekte taaislijmziekte (cystische fibrose). Bij mensen met cystische fibrose is het chloridegehalte in zweet twee tot vijf keer zo hoog als normaal, en analyse van zweet wordt vaak gebruikt bij de diagnose van de ziekte.

Praktijkvraag

Bekijk deze video om een uitleg te zien van het effect van zeewater op de mens. Welk effect heeft het drinken van zeewater op het lichaam?

Toon antwoord

Drinken van zeewater droogt het lichaam uit, omdat het lichaam natrium door de nieren moet laten stromen, en water volgt.

Bicarbonaat

Bicarbonaat is het op één na meest voorkomende anion in het bloed. De belangrijkste functie ervan is het zuur-base-evenwicht van het lichaam in stand te houden door deel uit te maken van buffersystemen. Deze rol zal in een ander hoofdstuk worden besproken.

Bicarbonaationen zijn het resultaat van een chemische reactie die begint met kooldioxide (CO2) en water, twee moleculen die aan het eind van het aërobe metabolisme worden geproduceerd. Slechts een kleine hoeveelheid CO2 kan in de lichaamsvloeistoffen worden opgelost. Daarom wordt meer dan 90 procent van de CO2 omgezet in bicarbonaationen, HCO3-, via de volgende reacties:

CO2+ H 2 ↔ H2 + CO3 ↔ H2 + CO3- + H +

De pijlen in twee richtingen geven aan dat de reacties in beide richtingen kunnen verlopen, afhankelijk van de concentraties van de reactanten en de producten. Kooldioxide wordt in grote hoeveelheden geproduceerd in weefsels met een hoge stofwisselingssnelheid. Kooldioxide wordt omgezet in bicarbonaat in het cytoplasma van rode bloedcellen door de werking van een enzym dat koolzuuranhydrase wordt genoemd. Bicarbonaat wordt in het bloed getransporteerd. Eenmaal in de longen keren de reacties zich om en wordt CO2 uit bicarbonaat geregenereerd en als metabolisch afval uitgeademd.

Calcium

Ongeveer twee pond calcium in uw lichaam is gebonden in het bot, dat hardheid geeft aan het bot en dient als minerale reserve voor calcium en zijn zouten voor de rest van de weefsels. Tanden hebben ook een hoge concentratie calcium in zich. Iets meer dan de helft van het calcium in het bloed is gebonden aan eiwitten, de rest blijft over in geïoniseerde vorm. Calciumionen, Ca2+, zijn nodig voor spiersamentrekking, enzymactiviteit en bloedstolling. Bovendien helpt calcium bij het stabiliseren van celmembranen en is het essentieel voor het vrijkomen van neurotransmitters uit neuronen en van hormonen uit endocriene klieren.

Calcium wordt door de darmen geabsorbeerd onder invloed van geactiveerde vitamine D. Een tekort aan vitamine D leidt tot een daling van het geabsorbeerde calcium en uiteindelijk tot een uitputting van de calciumvoorraden van het skelet, wat kan leiden tot rachitis bij kinderen en osteomalacie bij volwassenen, wat bijdraagt tot osteoporose.

Hypocalcemie, of abnormaal lage calciumbloedspiegels, wordt gezien bij hypoparathyreoïdie, die kan volgen op de verwijdering van de schildklier, omdat de vier knobbeltjes van de bijschildklier daarin zijn ingebed. Hypercalciëmie, of abnormaal hoge calciumwaarden in het bloed, komt voor bij primaire hyperparathyreoïdie. Sommige maligniteiten kunnen ook leiden tot hypercalciëmie.

Fosfaat

Fosfaat is in het lichaam aanwezig in drie ionische vormen: {\text{H}}_{2}{PO}}_{4-}, {\text{HPO}}_{4}^{2-}, en {\text{PO}}_{4}^{3-}. De meest voorkomende vorm is {text{HPO}}_{4}^{2-}. Botten en tanden binden 85 procent van het fosfaat in het lichaam als onderdeel van calcium-fosfaatzouten. Fosfaat komt voor in fosfolipiden, zoals die waaruit het celmembraan is opgebouwd, en in ATP, nucleotiden en buffers.

Hypofosfatemie, of abnormaal lage fosfaatspiegels in het bloed, komt voor bij veelvuldig gebruik van maagzuurremmers, bij alcoholontwenning en bij ondervoeding. Bij fosfaattekort houden de nieren gewoonlijk fosfaat vast, maar tijdens hongersnood is dit behoud sterk verstoord. Hyperfosfatemie, of abnormaal verhoogde fosfaatgehalten in het bloed, komt voor bij een verminderde nierfunctie of in gevallen van acute lymfocytaire leukemie. Bovendien, omdat fosfaat een belangrijk bestanddeel is van de ECF, kan elke significante vernietiging van cellen resulteren in dumping van fosfaat in de ECF.

Regulatie van natrium en kalium

Natrium wordt geherabsorbeerd uit het nierfiltraat, en kalium wordt uitgescheiden in het filtraat in de renale verzameltubule. De controle van deze uitwisseling wordt voornamelijk geregeld door twee hormonen-aldosteron en angiotensine II.

Aldosteron

Figuur 1. Aldosteron, dat door de bijnier wordt afgegeven, vergemakkelijkt de reabsorptie van Na+ en daarmee de reabsorptie van water.

Houd in gedachten dat aldosteron de uitscheiding van kalium en de reabsorptie van natrium in de distale tubulus verhoogt. Aldosteron komt vrij als het kaliumgehalte in het bloed stijgt, als het natriumgehalte in het bloed sterk daalt, of als de bloeddruk daalt. Het netto-effect is dat het watergehalte in het plasma wordt geconserveerd en verhoogd door de uitscheiding van natrium, en dus van water, door de nieren te verminderen. In een negatieve terugkoppellus remt de verhoogde osmolaliteit van de ECF (die volgt op aldosteron-gestimuleerde natriumabsorptie) de afgifte van het hormoon.

Angiotensine II

Angiotensine II veroorzaakt vasoconstrictie en een verhoging van de systemische bloeddruk. Deze werking verhoogt de glomerulaire filtratiesnelheid, waardoor meer materiaal uit de glomerulaire haarvaten wordt gefilterd en in het kapsel van Bowman terechtkomt. Angiotensine II signaleert ook een toename van de afgifte van aldosteron uit de bijnierschors.

In de distale convolueerde tubuli en verzamelbuizen van de nieren stimuleert aldosteron de synthese en activering van de natrium-kaliumpomp. Natrium stroomt vanuit het filtraat, in en door de cellen van de tubuli en ducten, naar de ECF en vervolgens naar de capillairen. Water volgt het natrium als gevolg van osmose. Aldosteron veroorzaakt dus een verhoging van het natriumgehalte in het bloed en van het bloedvolume. Het effect van aldosteron op kalium is omgekeerd aan dat van natrium; onder invloed van aldosteron wordt een teveel aan kalium in het nierfiltraat gepompt om uit het lichaam te worden uitgescheiden.

Figuur 2. Angiotensine II stimuleert de afgifte van aldosteron door de bijnierschors.

Regulatie van calcium en fosfaat

Calcium en fosfaat worden beide gereguleerd door de werking van drie hormonen: parathyroïdhormoon (PTH), dihydroxyvitamine D (calcitriol), en calcitonine. Alle drie worden vrijgemaakt of gesynthetiseerd als reactie op de calciumconcentratie in het bloed.

PTH wordt vrijgemaakt door de bijschildklier als reactie op een daling van de calciumconcentratie in het bloed. Het hormoon activeert de osteoclasten om de botmatrix af te breken en anorganische calcium-fosfaatzouten vrij te maken. PTH verhoogt ook de gastro-intestinale absorptie van calcium uit de voeding door vitamine D om te zetten in dihydroxyvitamine D (calcitriol), een actieve vorm van vitamine D die darmepitheelcellen nodig hebben om calcium te absorberen.

PTH verhoogt de calciumspiegels in het bloed door het verlies van calcium via de nieren te remmen. PTH verhoogt ook het verlies van fosfaat via de nieren.

Calcitonine wordt afgegeven door de schildklier in reactie op verhoogde bloedspiegels van calcium. Het hormoon verhoogt de activiteit van osteoblasten, die calcium uit het bloed halen en in de botmatrix opnemen.

Hoofdstukbespreking

Electrolyten dienen verschillende doelen, zoals het helpen geleiden van elektrische impulsen langs celmembranen in neuronen en spieren, het stabiliseren van enzymstructuren, en het afgeven van hormonen door endocriene klieren. De ionen in plasma dragen ook bij aan het osmotisch evenwicht dat de beweging van water tussen cellen en hun omgeving regelt. Onevenwichtigheden van deze ionen kunnen leiden tot verschillende problemen in het lichaam, en hun concentraties worden strak gereguleerd. Aldosteron en angiotensine II regelen de uitwisseling van natrium en kalium tussen het nierfiltraat en de verzameltubuli van de nieren. Calcium en fosfaat worden gereguleerd door PTH, calcitrol, en calcitonine.

Zelfcontrole

Beantwoord de onderstaande vraag of vragen om te zien hoe goed je de onderwerpen begrijpt die in het vorige deel zijn behandeld.

Kritische denkvragen

1. Leg uit hoe het CO2 dat door cellen wordt gegenereerd en in de longen wordt uitgeademd als bicarbonaat in het bloed wordt getransporteerd.
2. Hoe kan men een onevenwicht in een stof hebben, maar niet daadwerkelijk verhoogde of deficiënte niveaus van die stof in het lichaam hebben?

Antwoorden tonen

1. Zeer weinig van het kooldioxide in het bloed wordt opgelost in het plasma vervoerd. Het wordt omgezet in koolzuur en vervolgens in bicarbonaat om zich te vermengen met plasma voor transport naar de longen, waar het terugkeert in zijn gasvorm.
2. Zonder een absolute overmaat of tekort van een stof te hebben, kan men te veel of te weinig van die stof in een bepaald compartiment hebben. Een dergelijke relatieve toe- of afname is het gevolg van een herverdeling van water of het ion in de compartimenten van het lichaam. Dit kan te wijten zijn aan het verlies van water in het bloed, wat leidt tot een hemoconcentratie of een verdunning van het ion in weefsels als gevolg van oedeem.

Glossary

dihydroxyvitamine D: actieve vorm van vitamine D die door de darmepitheelcellen nodig is voor de opname van calcium

hypercalcemie: abnormaal verhoogd calciumgehalte in het bloed

hyperchloremie: hoger dan normaal chloridegehalte in het bloed

hyperkaliëmie: hoger dan normaal kaliumgehalte in het bloed

hypernatriëmie: abnormale verhoging van het natriumgehalte in het bloed

hyperfosfatemie: abnormaal verhoogd fosfaatgehalte in het bloed

hypocalcemie: abnormaal laag calciumgehalte in het bloed

hypochloremie: lager dan normaal chloridegehalte in het bloed

hypokaliëmie: abnormaal verlaagd kaliumgehalte in het bloed

hyponatriëmie: lager dan normaal natriumgehalte in het bloed

hypofosfatemie: abnormaal laag fosfaatgehalte in het bloed