Riassorbimento dell’acqua lungo il nefrone
–La quota escreta di acqua varia fra 0.25% (0.5 L/giorno, massima antidiuresi) ed il 13% (24 L/giorno, massima
diuresi), attestandosi in condizioni normali intorno ad 1-2 L/giorno.
–La quota ‘regolata’ del riassorbimento di H2O è sotto il controllo dell’ormone Antidiuretico (ADH) o vasopressina.
Riassorbimento dello ione sodio (Na+) lungo il nefrone
–La quota escreta di sodio varia fra 0% ed il 2% (equivalente a 30 g/giorno di NaCl, massima natriuresi).
–La quota ‘regolata’ del riassorbimento di Na+ è principalmente sotto il controllo dell’ormone Aldosterone.
Vie del riassorbimento e della secrezione tubulare
I meccanismi di trasporto transcellulare
variano da tubulo a tubulo ma in generale
sfruttano il gradiente elettrochimico generato
dall’azione di una pompa Na-K espressa
sulle membrane basolaterali di tutte le cellule
dell’epitelio tubulare.
La permeabilità della via paracellulare è
elevata nei segmenti prossimali e diminuisce
verso i dotti collettori (epitelio più sigillato).
Fattori che determinano il riassorbimento di fluido nei capillari peritubulari
Step 1. La Na-K-ATPasi espressa nelle membrane
basolaterali mantiene bassa la concentrazione
intracellulare del sodio ed il potenziale elettrico
interno negativo.
Step 2. Il gradiente elettrochimico favorevole
all’ingresso di sodio dal lume del tubulo è sfruttato
da molti sistemi di trasporto espressi nelle
membrane apicali (o luminali), che vedremo in
parte.
Step 3. L’acqua segue per osmosi il trasporto di
soluti verso l’interstizio sia attraverso pori di
membrana (le acquaporine), che attraverso le
giunzioni serrate (via paracellulare). Il flusso di
acqua concentra il liquido tubulare favorendo il
passaggio di altri ioni (es. il cloro) e piccole
molecole verso l’interstizio attraverso le giunzioni
serrate.
Step 4. Riassorbimento nei capillari.
Riassorbimento dei soluti nel tubulo prossimale
La pompa Na-K in membrana basolaterale crea un
gradiente elettrochimico favorevole all’ingresso di
sodio nella cellula dal lume tubulare.
Nella membrana apicale dei simporti sfruttano il sodio
per trasportare sostanze organiche e fosfato. Queste
si concentrano nella cellula e passano all’interstizio
tramite meccanismi di diffusione facilitata nella
membrana basolaterale.
Un antiporto Na-H partecipa al riassorbimento di ione
bicarbonato parte di un importante sistema tampone
(vedremo parlando dell’equilibrio acido-base)
Il cloro viene trasportato all’interno della cellula
tramite antiporto con basi organiche (es. formato ed
ossalato) il cui riciclo nella cellula dipende dal lavoro
dell’antiporto Na-H (però il riassorbimento di cloro nel
tubulo prossimale è principalmente passivo per via
paracellulare).
Riassorbimento di sostanze organiche nel tubulo prossimale
Normalmente queste sostanze sono completamente
riassorbite lungo il tubulo prossimale e l’escrezione
urinaria è pressochè nulla.
I sistemi di trasporto di membrana sono però
limitati. Un notevole aumento della concentrazione
plasmatica di una sostanza può far superare la
soglia di trasporto massimo (Tm) e far comparire la
sostanza nelle urine: saturazione del trasportatore.
Ciascun tipo di trasportatore serve varie sostanze
analoghe. C’e competizione nel riassorbimento di
queste sostanze, quindi un aumento nella
concentrazione plasmatica di una può ripercuotersi
sul riassorbimento delle altre.
Dove X rappresenta sostanze organiche filtrate al
glomerulo: glucosio, aminoacidi, lattato, acetato,
vitamine, ecc.
La secrezione di anioni e cationi inorganici nel tubulo prossimale
Questi meccanismi sono particolarmente importanti per l’escrezione di sostanze che nel plasma sono legate
a proteine e quindi non filtrate al glomerulo!
Come per il riassorbimento di sostanze organiche esiste un Tm per ciascun trasportatore specifico e
competizione per la secrezione fra sostanze analoghe.
Facciamo solo l’esempio dell’anione paraamminoippurato (PAI):
–un trasporto attivo secondario avviene
attraverso la membrana basolaterale sfruttando
il gradiente di una sostanza mediatrice (alfaketoglutarato) a sua volta generato da quello
del sodio
–il trasporto verso il tubulo avviene poi
mediante diffusione facilitata.
Esempio di competizione: La pennicillina viene
secreta con gli stessi meccanismi del PAI.
Durante la guerra quest’ultimo veniva associato
nei trattamenti per prolungare l’emivita
dell’antibiotico.
Riassorbimento di soluti nel tratto ascendente spesso dell’ansa di Henle
Nella membrana apicale un simporto Na-2Cl-K
sfrutta il sodio per trasportare cloro e potassio.
Questi ioni si concentrano nella cellula e passano
all’interstizio della midollare esterna tramite
meccanismi di diffusione facilitata nella membrana
basolaterale.
Un potenziale elettrico positivo del lume tubulare
rispetto all’intersizio (generato dal ricircolo del K+
attraverso canali ionici) induce riassorbimento per
via paracellulare di cationi inorganici mono- e
divalenti.
L’antiporto Na-H partecipa al riassorbimento di
ione bicarbonato (vedremo parlando dell’equilibrio
acido-base)
L’epitelio è impermeabile all’acqua >>> il tratto
ascendente spesso diluisce il liquido tubulare e
concentra l’interstizio (ne riparleremo discutendo il
ruolo dell’ansa di Henle nella concentrazione
urinaria).
Riassorbimento di soluti nel tubulo distale
Un simporto Na-Cl nella membrana luminale
media il passaggio di questi ioni nella cellula
epiteliale.
Canali ionici permeabili al cloro nella membrana
basolaterale permettono in passaggio di ioni cloro
nell’interstizio.
L’epitelio è impermeabile all’acqua >>> il tubulo
distale diluisce il liquido tubulare.
Riassorbimento e secrezione nel dotto collettore
[Per la precisione comprende anche la parte
terminale del tubulo distale]
Due tipi di cellula epiteliale:
Principali (perchè circa il 70% del totale):
–Na+ riassorbito e K+ secreto attraverso canali
ionici espressi sulla membrana luminale.
Gradienti favorevoli stabiliti dalla solita pompa
Na-K.
–Permeabilità all’acqua che dipende
dall’espressione di acquaporine nella membrana
luminale.
La cellula principale è il sito dove agiscono gli
ormoni antidiuretico e aldosterone nel regolare il
riassorbimento di acqua e sodio.
Intercalate:
Partecipa al riassorbimento di ione bicarbonato e
alla sua eventuale produzione ex-novo (vedremo
parlando dell’equilibrio acido-base).
Regolazione del riassorbimento dell’acqua nel dotto collettore
Cellule principali: L’ormone antidiuretico (ADH), un peptide, si lega al recettore V2 (vasopressina tipo 2)
>>> Stimolazione di una adenilato-ciclasi
>>> Aumento di cAMP intracellulare
>>> Induzione all’esocitosi in membrana apicale di vescicole contenenti l’isoforma Acquaporina-2
(viceversa una diminuzione dell’ADH plasmatico porta ad una rapida endocitosi delle acquaporine)
>>> Aumento della permeabilità all’acqua della membrana apicale (quella della membrana basolaterale è
costitutivamente alta grazie alla presenza di altre acquaporine).
Regolazione del riassorbimento dello ione sodio (Na+) nel dotto collettore
Cellule principali: L’ormone steroideo aldosterone, si lega ad un recettore intracellulare
>>> Stimolazione della trascrizione nucleare
>>> Aumento della sintesi proteica di canali ionici Na+ (e K+), nonchè di pompe Na-K, ed inserimento in
membrana
>>> Aumento del riassorbimento di Na+ (e di secrezione di K+)
Diluizione e concentrazione delle urine
I reni partecipano al controllo omeostatico dell’osmolarità del liquido extracellulare (LEC) attraverso
variazione del volume del solvente, l’acqua (in tandem con lo stimolo della sete). Ai reni è quindi
richiesto di variare l’escrezione di acqua, indipendentemente da quella dei soluti:
Facciamo i due casi estremi:
i. LEC ipo-osmotico a causa di forte assunzione idrica >>> Aumentata escrezione di acqua senza
aumento escrezione soluti >>> Urine ipo-osmotiche (fino a 50 mOsm), massima diuresi.
ii. LEC iper-osmotico a causa di privazione idrica (e perdita di acqua attraverso il respiro, la
sudorazione, ecc) >>> Diminuzione escrezione di acqua senza diminuzione escrezione soluti >>>
Urine iper-osmotiche (fino a 1200-1400 mOsm), massima antidiuresi.
La sopravvivenza a breve dell’individuo è legata alla capacità renale di concentrare le urine!
–In diversi mammiferi la capacità di concentrare le urine è legata all’aridità dell’ambiente (nei roditori
del deserto arriva a 20 volte l’osmolarità del plasma, nell’uomo a 4-5 volte).
–Si è visto inoltre, confrontando mammiferi diversi, una correlazione fra percentuale di nefroni con ansa
di Henle che scende in profondità nella midollare e capacità di concentrazione delle urine.
Diluizione e concentrazione delle urine
Massima diuresi ([ADH]plasma bassa)
Massima antidiuresi ([ADH]plasma alta)
>>>[ADH]plasma bassa
>>>[ADH]plasma elevata
>>>Parete del DC non permeabile alla acqua
>>>Parete del DC molto permeabile alla acqua
>>>Riassorbimento di acqua nel DC scarso, ma il
riassorbimento di soluti continua
>>>Riassorbimento di acqua nel DC fino ad
equilibrare osmoticamente liquido tubulare ed
interstizio della midollare
>>>Urine ipo-osmotiche, flusso elevato
>>>Urine iper-osmotiche, flusso ridotto
Ansa di Henle: un moltiplicatore in controcorrente della concentrazione
Ad ogni livello dell’ansa di Henle abbiamo che:
–Il tratto discendente sottile è permeabile all’acqua >>> Liquido nel tubulo ed interstizio sono iso-osmotici
–Il riassorbimento attivo di soluti nei tratti ascendenti sostiene una differenza di osmolarità di 200 mOsm fra
lume del tubulo ed interstizio
Ricircolo dell’urea e sua concentrazione interstiziale in antidiuresi
–Il tratto ascendente spesso dell’ansa di Henle, il tubulo distale, il dotto collettore (corticale e midollare esterna)
sono costitutivamente impermeabili all’urea.
–Nel dotto collettore (midollare interna) l’epitelio è permeabile all’urea (diffusione facilitata stimolata dall’ADH)
–In antidiuresi parte del carico filtrato di urea ricircola e si accumula nella midollare interna
L’accumulo di urea nell’interstizio richiede il riassorbimento di acqua nel dotto collettore, quindi condizioni di
antidiuresi. E’ semplicemente un meccanismo diffusivo passivo e dipende dal dispendio energetico dell’ansa di
Henle nel concentrare ioni nell’interstizio e quindi permettere il riassorbimento di acqua nel dotto collettore.
I vasa recta: scambiatori a controcorrente
Il valore massimo di osmolarità raggiunto nella midollare dipende anche dal ‘lavaggio’ dovuto alla perfusione
capillare che è inevitabile: serve al riassorbimento/secrezione e al supporto metabolico dei tessuti
Nella midollare la capillarizzazione si è evoluta per minimizzare questa azione diluitoria e proteggere il
gradiente osmotico interstiziale creato dal meccanismo della moltiplicazione in controcorrente.
i. Flusso di perfusione particolarmente lento. Tessuti sfruttano principalmente il metabolismo anaerobico.
ii. Flussi discendenti ed ascendenti organizzati a controcorrente:
L’Equilibrio Acido–Base
pH = –log[H+], ad esempio [H+] = 10–7 M allora pH = 7.0
Il mantenimento del valore fisiologico di 7.4 del pH del LEC (omeostasi) è importante per la funzione proteica.
[H+] determina la carica elettrica su i gruppi amminici e carbossilici delle proteine, e di conseguenza la
loro conformazione secondaria e terziaria.
—COOH <===> —COO– + H+
—NH3+ <===> —NH2 + H+
pH costante significa che H+ aggiunto = H+ rimosso dal LEC
H+ aggiunto > H+ rimosso conduce all’ACIDOSI
H+ aggiunto < H+ rimosso conduce all’ALCALOSI
Sorgenti di H+
1. CO2 dal metabolismo ossidativo:
CO2 + H2O <==AC==> H2CO3(acido carbonico) <===> H+ + HCO3–(ione bicarbonato)
AC è l’enzima anidrasi carbonica
L’equilibrio è mantenuto dalla ventilazione polmonare.
2. Acidi non volatili:
fosforico, solforico, lattico ecc.
L’equilibrio è mantenuto attraverso la produzione di HCO3– nel rene.
Variazioni improvvise di [H+] sono parzialmente compensate da:
– Sistemi Tampone. Il più importante è il sistema CO2/HCO3–, cioè
CO2 + H2O <==AC==> H2CO3(acido carbonico) <===> H+ + HCO3–(ione bicarbonato)
– Ventilazione Polmonare.
IPER–VENTILAZIONE riduce la [CO2]LEC ===> [H+] diminuisce
IPO–VENTILAZIONE aumenta la [CO2]LEC ===> [H+] cresce
Variazione nel medio/lungo periodo di [H+] sono compensate da:
– Variabile riassorbimento ed escrezione di HCO3– dal rene, o addirittura produzione ex–novo.
Equazione di Henderson–Hasselbalch:
pH = pk + log
[HCO3–]
0.03 PCO2
oppure
pH = costante + log
“RENE”
“POLMONI”
Mostra il ruolo svolto da reni e polmoni nel regolare il pH.
Riassorbimento parziale o totale di HCO3–
Produzione ex novo di HCO3–
E’ attivata solo in condizioni di
acidosi, quindi dopo che l’intero
carico filtrato di bicarbonato è
stato riassorbito.
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La glutamina è un amminoacido. Viene metabolizzato producendo ione ammonio (escreto) e
bicarbonato (assorbito).
Due esempi di patologie che coinvolgono la funzione renale
Il diabete insipido (neurogenico)
Dovuta a lesioni all’ipotalamo che compromettono la capacità dei neuroni magnocellulari di produrre ADH
>>> Permeabilità all’acqua dei dotti collettori costitutivamente bassa
>>> Elevata diuresi (fino a 24 L/giorno), urina ipo-osmotica
>>> Se il paziente non beve, il LEC diviene rapidamente iper-osmotico (disidratazione)
Il diabete mellito
Dovuto a disfunzioni nella secrezione pancreatica dell’ormone insulina (tipo 1) o sensibilità dei tessuti (tipo 2)
>>> Aumenta molto la concentrazione plasmatica di glucosio
>>> Si supera la soglia renale del glucosio (vedi trattazione del trasporto massimo nel tubulo prossimale)
>>> Compare glucosio nelle urine (fino a 100g al giorno!)
>>> Aumenta il carico di osmoli nei tubuli e nel dotto collettore (il glucosio stesso)
>>> Si riduce la percentuale di acqua riassorbita
>>> Aumenta il flusso urinario (diuresi osmotica)
>>> Disidratazione
Regolazione del volume del liquido extracellulare (plasma + liquido interstiziale)
SENSORI extra- ed intra-renali modulano EFFETTORI finali
I sensori rilevano:
• Pressione del sangue misurata a livello cardiovascolare
Gli effettori finali sono:
• Velocità di filtrazione glomerulare VFG
• Riassorbimento tubulare di Na+
Si controlla così il Na+ escreto:
Na+ escreto = Na+ filtrato – Na+ riassorbito = ([Na+]plasma x VFG) – Na+ riassorbito
(Aumento della VFG accompagnato a diminuzione del riassorbimento >>> maggiore escrezione)
(Diminuzione della VFG accompagnato ad aumento del riassorbimento >>> minore escrezione)
Vediamo prima i sensori...
Rapporto tra volume del LEC, pressioni cardiovascolari e risposta renale
Volume LEC
Volume plasma
+
Volume sangue
+
Pressione venosa centrale (PVC)
Pressioni di riempimento atriali e ventricolari
Meccanismo di Frank-Starling
+
Gittata sistolica (volume/sistole)
Gittata cardiaca (volume/min)
+
Pressione arteriosa
Volume interstizio
Rapporto tra volume del LEC, pressioni cardiovascolari e risposta renale
Volume LEC
Volume plasma
Volume interstizio
+
Volume sangue
+
+
+
Pressione venosa centrale (PVC)
Pressioni di riempimento atriali e ventricolari
Meccanismo di Frank-Starling
Barocettori
cardiopolmonari
+
Gittata sistolica (volume/sistole)
Gittata cardiaca (volume/min)
+
+
Barocettori
arteriosi centrali
Pressione arteriosa
–
Cellule granulari (art.afferente)
RENE
Peptide natriuretico atriale
(ANP)
Rapporto tra volume del LEC, pressioni cardiovascolari e risposta renale
Volume LEC
Volume plasma
Volume interstizio
+
Volume sangue
+
+
+
Pressione venosa centrale (PVC)
Pressioni di riempimento atriali e ventricolari
Meccanismo di Frank-Starling
Peptide natriuretico atriale
(ANP)
Barocettori
cardiopolmonari
+
Gittata sistolica (volume/sistole)
Gittata cardiaca (volume/min)
+
+
Barocettori
arteriosi centrali
–
Pressione arteriosa
–
Innervazione
simpatica del rene
Cellule granulari (art.afferente)
–
RENE
–
+ Escrezione di Na+
(+ Filtrazione/–Riassorbimento)
+
Sintesi: il caso iper-volemico e quello ipo-volemico
Iper-volemia: (es. assunzione di sale o di liquido isotonico)
Peptide natriuretico atriale
Volume LEC
Pressioni vascolari
Escrezione di Na+
Simpatico al rene
Escrezione di Na+
Cellule granulari renali
Escrezione di Na+
Barocettori vascolari
Ipo-volemia: (es. emorragia acuta, diarrea o vomito ripetuto, forte sudorazione)
Escrezione di Na+
Peptide natriuretico atriale
Volume LEC
Pressioni vascolari
Barocettori vascolari
Cellule granulari renali
Simpatico al rene
Escrezione di Na+
Escrezione di Na+
Omeostasi dello ione potassio (K+)
Elevata concentrazione intracellulare di K+ e bassa concentrazione extracellulare di K+
–La concentrazione extracellulare di K+ deve rimanere bassa ed entro limiti ristretti per non disturbare
l’eccitabilità neuronale e muscolare (attraverso variazione del potenziale di equilibrio del potassio)
– La concentrazione extracellulare di K+ dipende dalla sua suddivisione fra i due compartimenti (intra- ed
extracellulare) e dalla sua quantità corporea totale.
La suddivisione fra i due compartimenti è regolata principalmente dagli ormoni adrenalina e insulina
(corto periodo)
La quantità corporea totale dipende dal bilancio ingressi/uscite ed è regolata dai reni
(medio-lungo periodo)
Omeostasi dello ione potassio (K+)
Distribuzione del contenuto corporeo totale di K+
Liquido Intracellulare
LEC
98%
2%
Piccoli spostamenti dal compartimento intracellulare provocano notevoli variazioni della [K+] extracellulare
...questo può porre problemi:
–Attività muscolare si accompagna ad uscita di K+ dalle fibre ed aumento significativo della sua
concentrazione extracellulare
–Lesioni ai tessuti evocano notevole fuoriuscita di K+
...ma offre anche un opportunità:
–Nel breve periodo la [K+] extracellulare è regolata attraverso opportuni spostamenti da/verso il
compartimento intracellulare (che viene usato quindi come ‘sistema tampone’).
Es. Durante l’esercizio fisico o in seguito a trauma aumenta l’adrenalina circolante, che stimola lo
spostamento di K+ verso il compartimento intracellulare.
Es. In seguito ai pasti (assunzione di K+) aumenta l’insulina circolante, che stimola lo spostamento di K+
verso il compartimento intracellulare.
Ruolo renale nel bilancio del K+
L’escrezione urinaria del K+ varia molto per bilanciare ingressi e uscite, infatti la clearance del K+ può
essere
–minore di quella della creatinina: riassorbimento netto
–maggiore di quella della creatinina: secrezione netta.
In condizioni normali l’escrezione di K+ segue variazioni nell’assunzione alimentare di potassio
mantenendosi in un ambito del 15-80% del carico filtrato.
Comportamento lungo il nefrone:
Glomerulo – K+ liberamente filtrabile
Tubulo prossimale – riassorbimento costitutivo del 66%
(per via paracelluare, come per il cloro segue il riassorbimento di acqua)
Ansa di Henle tratto ascendente spesso – riassorbimento costitutivo del 20%
(per via transcellulare con il simporto Na-2Cl-K e paracellulare grazie al potenziale elettrico transepiteliale
positivo)
Dotto collettore cellule principali – secrezione regolata
Dotto collettore cellule intercalate (di tipo A) – riassorbimento costitutivo del 15%
Riassorbimento netto o secrezione netta dipendono dall’intensità della secrezione nelle cellule principali.
Secrezione regolata del K+ nel dotto collettore (cellule principali)
Un aumento della concentrazione di K+ nel LEC (iper-kalemia):
1. Facilita l’azione della pompa Na-K nelle membrane basolaterali delle cellule principali
>>> aumento del gradiente favorevole all’uscita di K+ attraverso i canali ionici nella membrana luminale
2. Stimola direttamente il rilascio di aldosterone dalla corticale del surrene
>>> aumenta la secrezione di K+ (insieme al riassorbimento di Na+)
