Riassorbimento dell acqua lungo il nefrone

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1 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 H 2 O è sotto il controllo dell ormone Antidiuretico (ADH) o vasopressina.

2 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.

3 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).

4 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.

5 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).

6 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.

7 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.

8 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).

9 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.

10 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).

11 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).

12 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 )

13 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 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.

14 Diluizione e concentrazione delle urine Massima diuresi ([ADH]plasma bassa) Massima antidiuresi ([ADH]plasma alta) >>>[ADH]plasma bassa >>>Parete del DC non permeabile alla acqua >>>Riassorbimento di acqua nel DC scarso, ma il riassorbimento di soluti continua >>>Urine ipo-osmotiche, flusso elevato >>>[ADH]plasma elevata >>>Parete del DC molto permeabile alla acqua >>>Riassorbimento di acqua nel DC fino ad equilibrare osmoticamente liquido tubulare ed interstizio della midollare >>>Urine iper-osmotiche, flusso ridotto

15 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

16 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.

17 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:

18 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 NH 3 <===> NH 2 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. CO 2 dal metabolismo ossidativo: CO 2 H 2 O <==AC==> H 2 CO 3 (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 HCO 3 nel rene.

19 Variazioni improvvise di [H ] sono parzialmente compensate da: Sistemi Tampone. Il più importante è il sistema CO 2 /HCO 3, cioè CO 2 H 2 O <==AC==> H 2 CO 3 (acido carbonico) <===> H HCO3 (ione bicarbonato) Ventilazione Polmonare. IPER VENTILAZIONE riduce la [CO 2 ] LEC ===> [H ] diminuisce IPO VENTILAZIONE aumenta la [CO 2 ] LEC ===> [H ] cresce Variazione nel medio/lungo periodo di [H ] sono compensate da: Variabile riassorbimento ed escrezione di HCO 3 dal rene, o addirittura produzione ex novo. Equazione di Henderson Hasselbalch: ph = pk log [HCO 3 ] 0.03 P CO2 oppure ph = costante log RENE POLMONI Mostra il ruolo svolto da reni e polmoni nel regolare il ph.

20 Riassorbimento parziale o totale di HCO 3

21 Produzione ex novo di HCO 3 E attivata solo in condizioni di acidosi, quindi dopo che l intero carico filtrato di bicarbonato è stato riassorbito. QuickTime and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. La glutamina è un amminoacido. Viene metabolizzato producendo ione ammonio (escreto) e bicarbonato (assorbito).

22 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

23 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...

24 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 Gittata sistolica (volume/sistole) Gittata cardiaca (volume/min) Pressione arteriosa

25 Rapporto tra volume del LEC, pressioni cardiovascolari e risposta renale Volume LEC Volume plasma Volume interstizio Volume sangue Peptide natriuretico atriale (ANP) Pressione venosa centrale (PVC) Pressioni di riempimento atriali e ventricolari Meccanismo di Frank-Starling Barocettori cardiopolmonari Gittata sistolica (volume/sistole) Gittata cardiaca (volume/min) Pressione arteriosa Barocettori arteriosi centrali Cellule granulari (art.afferente) RENE

26 Rapporto tra volume del LEC, pressioni cardiovascolari e risposta renale Volume LEC Volume plasma Volume interstizio Volume sangue Peptide natriuretico atriale (ANP) Pressione venosa centrale (PVC) Pressioni di riempimento atriali e ventricolari Meccanismo di Frank-Starling Barocettori cardiopolmonari Gittata sistolica (volume/sistole) Gittata cardiaca (volume/min) Pressione arteriosa Barocettori arteriosi centrali Innervazione simpatica del rene Cellule granulari (art.afferente) RENE Escrezione di Na ( Filtrazione/ Riassorbimento)

27 Sintesi: il caso iper-volemico e quello ipo-volemico Iper-volemia: (es. assunzione di sale o di liquido isotonico) Peptide natriuretico atriale Escrezione di Na Volume LEC Pressioni vascolari Barocettori vascolari Simpatico al rene Escrezione di Na Cellule granulari renali Escrezione di Na Ipo-volemia: (es. emorragia acuta, diarrea o vomito ripetuto, forte sudorazione) Peptide natriuretico atriale Volume LEC Pressioni vascolari Barocettori vascolari Simpatico al rene Cellule granulari renali Escrezione di Na Escrezione di Na Escrezione di Na

28 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)

29 Omeostasi dello ione potassio (K ) Liquido Intracellulare Distribuzione del contenuto corporeo totale di K 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.

30 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.

31 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 )