Rene e bilancio idrico-salino
Il controllo dell osmolalità ( msm/kgh 2 ) e del volume del LEC dipende dalla capacità del rene di eliminare o trattenere acqua, indipendentemente dai soluti (principalmente NaCl). In caso di ipo-osmolalità del LEC (eccesso di acqua), il rene elimina l acqua in eccesso. Riassorbimento soluti > riassorbimento acqua urina diluita (ipo-osmotica, fino a 50 msm/kgh 2 ). In caso di iper-osmolalità del LEC (carenza di acqua), il rene elimina meno acqua. Riassorbimento acqua > riassorbimento soluti urina concentrata (iper-osmotica, fino a 1200 msm/kgh 2 ). Tempo di equilibrio all ingestione di liquidi 30 min
La massima capacità di concentrazione dell urina, stabilisce il volume minimo di urina che deve essere escreto per poter eliminare dall organismo i prodotti di scarto del metabolismo. Quantità soluti da eliminare è 600 msm/die Concentrazione massima dell urina è ~1200 msm/kgh 2 Il volume minimo di urina, che può essere eliminato giornalmente (volume obbligatorio): 600 msm/die 1200 msm/kgh 2 = 0.5 l/die In un soggetto normale l osmolalità dell urina può variare da 50 a 1200 msm/kgh 2 mentre il suo volume può variare da 0.5 a 18 l/die.
Il processo di concentrazione o diluizione dell urina, richiede l escrezione indipendente di acqua e soluti. Urina diluita escrezione H 2 > soluti. Urina concentrata escrezione soluti > H 2. Clearance di tutti i soluti = Clearance osmolare (C osm ): volume di plasma completamente depurato dai soluti osmoticamente attivi, nell unità di tempo. U osm x V 600 msm/kgh 2 x 1 l/die C U osm = = msm/kgh 2 P osm = 2 l/die Se U osm = P osm C osm = V U (1 l/die) Se U osm > P osm = C osm > V U (> 1 l/die) Se U osm < P osm C osm < V u (< 1l/die)
P osm = msm/kgh 2 U osm = msm/kgh 2 In queste condizioni il volume di plasma depurato da tutti i soluti osmoticamente attivi nell unità di tempo (C osm ) = volume urine eliminate nell unità di tempo. Se in un giorno si elimina 1l di urina, la clearance è 1l/die
P osm = msm/kgh 2 U osm = 600 msm/kgh 2 In queste condizioni il volume di plasma depurato (C osm ) è il doppio del volume di urine. Se in un giorno si elimina 1l di urina, la clearance è 2l/die
P osm = msm/kgh 2 U osm = 100 msm/kgh 2 In queste condizioni il volume di plasma depurato (C osm ) è un terzo del volume di urine. Se in un giorno si elimina 1l di urina, la clearance è 0.33l/die
Il processo di concentrazione-diluizione dell urina significa che il rene trattiene o elimina acqua libera (senza soluti). L escrezione dell acqua libera è calcolabile come: V H2 = V U * (1 sm U /sm p ) Clearance acqua libera (C H2 ) = V U - C osm (2 l/die) C H2 positiva V u > C osm (escrezione H 2 in eccesso = urina diluita). C H2 negativa V u < C osm (escrezione soluti in eccesso = urina concentrata)
V u V plasma depurato (C osm ) Urine iso-osmotiche Acqua libera = 0
V u > V plasma depurato (C osm ) Urine ipo-osmotiche Acqua libera = +++
V u < V plasma depurato (C osm ) Urine iper-osmotiche Acqua libera = - - -
Condizioni fondamentali per la formazione di urina concentrata: Creazione di iper-osmolalità nell interstizio midollare (fornisce il gradiente osmotico per il riassorbimento di acqua) Elevati livelli di ADH (aumenta permeabilità nefrone distale all acqua) Elemento chiave nella formazione di urina concentrata è il transito, attraverso l interstizio midollare iper-osmotico, di un tubulo (dotto collettore) la cui permeabilità all acqua può essere regolata (ADH). Il fluido tubulare si mette in equilibrio con l interstizio iperosmotico, portando alla concentrazione dell urina.
Modificazioni di osmolalità lungo il nefrone Massima concentrazione urina: elevati livelli ADH Massima diluizione urina: bassi livelli ADH 1200 0.2 ml smolalità (msm/kgh 2 ) 900 600 Effetto ADH 200 125 ml 44 ml 25 ml 25 ml 8 ml 100 25 ml 20 ml 0 Tubulo prossimale Ansa di Henle Tubulo distale Tubulo collettore corticale Dotto collettore midollare Urina
L iper-osmolalità della midollare è creata e mantenuta dal meccanismo di moltiplicazione controcorrente, dipendente dall organizzazione anatomica dell ansa di Henle (nefroni iuxtamidollari) e dei vasa recta (i capillari peritubulari della midollare renale), che permette la separazione tra soluti e acqua. Condizioni che permettono l iperl iper-osmolalità nella midollare: Branca ascendente ansa di Henle (impermeabile all acqua): riassorbimento NaCl: passivo (segmento sottile), attivo per simporto Na + -K + -2Cl - (NKCC), guidato da gradiente elettrochimico del Na + (segmento spesso, diluente) Branca discendente ansa di Henle (molto permeabile all acqua, poco ad Urea e NaCl): riassorbimento acqua Tubulo distale + Dotto collettore corticale (impermeabili all acqua in assenza di ADH): riassorbimento attivo NaCl Dotto collettore midollare interna (poco permeabile a acqua e Urea in assenza di ADH): riassorbimento attivo NaCl
Separa acqua e soluti smolalità smolalità
Corticale msm Midollare esterna msm Midollare interna H 2 H 2 100 msm msm H 2 Na +, K +, 2Cl - Na +, K +, 2Cl - H 2 H 2 Na +, K +, 2Cl - H 2 Na +,Cl - Na +,Cl - Na +,Cl - Concentrazione finale dell urina dipende dal livello di ADH Na + H 2 Na +, K +, 2Cl - H 2 Na +, K +, 2Cl - H 2 Urea Na + 100 msm Permeabilità H 2 0 variabile 50-1200 msm H 2 Na + H 2 H 2 Urea Na + msm 400 msm 600 msm 800 msm 1000 msm 1200 msm Valore massimo di concentrazione della midollare dipende dal livello di ADH
Meccanismo di moltiplicazione controcorrente a) Branca ascendente ansa di Henle: riassorbimento soluti non seguiti da H 2 osmolalità decrescente (effetto singolo). b) Nell interstizio si crea un gradiente osmotico verticale. c) Acqua è riassorbita dalla branca discendente osmolalità crescente del liquido tubulare. Il ciclo a-b-c si ripete, il flusso controcorrente nei tratti ascendente e discendente moltiplica (moltiplicazione controcorrente) il gradiente osmotico tra tratto ascendente e discendente e porta ad un gradiente osmotico crescente nell interstizio. d-e) Il sistema raggiunge l equilibrio quando la tendenza alla dissipazione passiva del gradiente nell interstizio (soluti verso la corticale, H 2 verso la midollare) controbilancia il meccanismo di moltiplicazione controcorrente.
1 2 3 400 200 400 400 200 400 200 400 400 200 400 400 200 200 400 400 400 400 200 200 Tubulo pieno di liquido isoosmotico col plasma 4 Singolo effetto della pompa crea gradiente di 200 msm 5 Movimento passivo di H 2 : equilibrio tubulo - interstizio 6 200 350 150 350 350 150 200 350 150 350 350 150 400 400 400 400 400 400 400 400 500 500 500 500 500 500 Entra nuovo liquido iso-osmotico esce liquido ipo-osmotico Pompa crea gradiente 200 msm Movimento passivo di H 2 : equilibrio tubulo - interstizio
Il gradiente di 200 msm/kgh 2 creato dalla pompa ionica ad ogni livello orizzontale tra il ramo ascendente e l interstizio, viene moltiplicato, in senso verticale, grazie al flusso controcorrente, fino a raggiungere osmolalità di 1200 msm/kgh 2, nella parte più profonda dell interstizio. 700 700 1000 1000 1200 1200 100 500 800 1000 NaCl riassorbito dalla branca ascendente dell ansa di Henle si aggiunge continuamente a nuovo NaCl moltiplicando la concentrazione nell interstizio della midollare. La massima concentrazione nell interstizio (1200 msm/kgh 2 ) dipende dall ADH che influenza il riassorbimento di NaCl ed Urea.
Mantenimento iper-osmolalit osmolalità midollare Il flusso ematico nella midollare (vasa recta) contribuisce al mantenimento dell iper-osmolalità, minimizzando la perdita di soluti dall interstizio perchè: E solo il 2% del FER I vasa recta funzionano da scambiatori controcorrente L elevata π c del plasma dei vasa recta conferisce notevole capacità di richiamare acqua dall interstizio Un aumento del flusso sanguigno nei vasa recta dissipa il gradiente dell interstizio midollare riducendo la massima capacità di concentrazione dell urina.
a) Il passaggio di un vaso rettilineo lungo la midollare porterebbe alla dissipazione del gradiente osmotico, perché il sangue, a causa del gradiente osmotico, acquisterebbe soluti e rilascierebbe H 2. b) La perfusione della midollare non modifica il gradiente osmotico perchè i vasa recta hanno andamento ad ansa. I soluti acquisiti dal ramo discendente sono rilasciati nell interstizio dal ramo ascendente e l H 2 fa il percorso inverso.
Il ramo discendente attraversa livelli di osmolalità crescente: ingresso soluti e uscita acqua π c aumenta ulteriormente favorendo il richiamo di acqua nel tratto ascendente
Na + -K + -2Cl - 600 1000 H 2 H 2 H 2 1200 100 H 2 Na + -K + -2Cl - H 2 Na + -K + -2Cl - 600 1000 H 2 H 2 1200 600 1000 600 H 2 Na + -Cl - H 2 1000 Na + -Cl - Na + -K + -2Cl - Na + -Cl - Na + -Cl - H2
Contributo dell urea alla creazione dell iperosmolalit iperosmolalità dell interstizio midollare Tubulo prossimale: riassorbimento passivo 50% urea filtrata. Ansa di Henle: secrezione urea (riduce riassorbimento H 2, impedisce eccessiva diluizione gradiente osmotico). Tubulo distale + dotto collettore midollare esterna: impermeabili all urea, che si concentra in seguito a riassorbimento H 2 (controllato da ADH). Dotto collettore midollare interna: ADH aumenta permeabilità H 2 + urea. Riassorbimento urea ( 60%) contribuisce, per circa la metà (600 msm), all osmolalità finale dell interstizio. 10% drenato dai vasa recta 50% riassorbito nel tratto sottile discendente dell ansa di Henle. Il ricircolo di urea, nei tratti terminali del nefrone, contribuisce ad aumentare la sua concentrazione nell urina ( 50 volte superiore a quelle del filtrato: 250 mm, 500 mm con livelli elevati di ADH).
2) concentrazione urea nel tubulo distale e collettore impermeabili all urea 1) concentrazione urea lungo il tubulo per riassorbimento H 2 e secrezione urea (trasportatore UT-A2) 3) urea diffonde passivamente nell interstizio a livello del dotto collettore della midollare interna (permeabilità controllata da ADH) e rientra nell ansa di Henle (UT-A2)
H 2 msm NaCl CRTICALE Il riassorbimento di H 2 in una parte del tubulo impermeabile all urea, incrementa la [urea] MIDLLARE ESTERNA MIDLLARE INTERNA [Urea] > [Urea] H 2 [NaCl] < [NaCl] H 2 H 2 H 2 H 2 Urea Urea Effetto netto: riassorbimento H 2 perchè prevale l effetto dell elevato gradiente di NaCl Urea 600 msm NaCl 600 msm NaCl msm Urea 600 msm NaCl 600 msm Urea 900 1200
Modificazioni di osmolalità lungo il nefrone Massima concentrazione urina: elevati livelli ADH Massima diluizione urina: bassi livelli ADH 1200 smolalità (msm/kgh 2 ) 900 600 Effetto ADH 200 100 0 Tubulo prossimale Ansa di Henle Tubulo distale Tubulo collettore corticale Dotto collettore midollare Urina
Meccanismo osmocettori-adh regola l osmolalitl osmolalità del LEC Iper-osmolalità LEC smocettori ipotalamici Ipotalamo anteriore: Nuclei sopraottico e paraventricolare (Cellule produttrici di ADH) Ipofisi posteriore Secrezione ADH Gli osmocettori rispondono solo ai soluti del plasma osmoticamente efficaci. Per esempio un aumento della concentrazione plasmatica di urea (osmoticamente inefficace) provoca effetti insignificanti sulla secrezione di ADH Permeabilità all H 2 dei segmenti distali del nefrone Riassorbimento H 2 Escrezione bassi volumi di urina concentrata permeabilità dotto collettore midollare all urea stimola riassorbimento NaCl nel tratto ascendente spesso dell ansa di Henle, nel t. distale e dotto collettore.
Iper-osmolalità H 2 smocettori ipotalamici Ipo-osmolalità H 2 smocettori Neurone sopraottico + Neurone paraventricolare smocettori Neurone sopraottico _ Neurone paraventricolare attivazione Barocettori Volocettori attivazione Barocettori Volocettori ADH ADH
Aumento permeabilità tubulo distale e dotto collettore all acqua acqua Meccanismo di azione dell ADH Lume tubulare Cellula dotto collettore Fluido interstiziale Vasa recta Filtrato msm 600 msm 600 msm H 2 H 2 H 2 camp 700 msm Esocitosi vescicole Protein-chinasi A Recettori ADH V2/G s Fosforilazione proteine coinvolte nel traffico di vescicole conteneti AQP-2 ADH Acquaporina 2 Regolazione a breve termine: ADH AMPc fusione vescicole contenenti AQP-2 con la membrana apicale aumento numero canali e permeabilità all acqua Regolazione a lungo-termine: ADH trascrizione gene per AQP-2 AQP-2. In caso di ridotta ingestione di acqua per periodi prolungati l espressione di AQP-2 aumenta favorendo l escrezione di urine a massima concentrazione.
Effetti ADH sulla permeabilità all Urea e al NaCl ADH, attraverso la cascata AMPc PKA, aumenta la permeabilità all Urea della membrana apicale delle cellule della porzione terminale del dotto collettore della midollare interna, determinando fosforilazione del trasportatore per l urea UT-A1 e forse UT-A3 (regolazione a breve termine). ADH determina aumento dei trasportatori UT-A1 in caso di prolungata deprivazione di acqua e riduzione in caso di carico idrico aumentato (regolazione a lungo termine). ADH stimola il riassorbimento di NaCl nel tratto ascendente spesso dell ansa di Henle, nel t. distale e dotto collettore, aumentando i trasportatori del sodio: simporto 1Na + -1K + -2Cl - (ansa di Henle), simporto Na + -Cl - (t. distale) e canale epiteliale del Na + (ENaC, tubulo distale e dotto collettore).
Controllo osmotico della secrezione di ADH Max [ADH]p 0 Valore di riferimento 260 270 280 290 310 smolalità plasmatica (msm/kgh 2 ) Valore di riferimento: valore di osmolalità plasmatica per il quale inizia ad incrementare la secrezione di ADH. Varia da individuo ad individuo ed è determinato geneticamente (280-295 msm/kgh 2 ). Il valore di riferimento può essere modificato da variazioni del volume ematico e della pressione arteriosa. La gravidanza si associa ad una diminuzione di questo valore.
Iper-osmolalità Ipo-volemia Ipo-tensione smocettori ipotalamici Volocettori cardiaci Barocettori arteriosi ADH Riassorbimento acqua La secrezione di ADH è molto più sensibile a variazioni di osmolalità, che a variazioni paragonabili di volume ematico. La liberazione di ADH è stimolata da droghe come la morfina e la nicotina ed è inibita dall alcool.
Controllo della secrezione di ADH da parte di variazioni di volume e pressione ematica Max volemia o P arteriosa stimolano secrezione ADH, attraverso volocettori atriali e barocettori arteriosi. [ADH]p 0 soglia Sensibilità inferiore a quella degli osmocettori. E necessaria una variazione di volume o di P arteriosa del 5-10% per stimolare la secrezione di ADH mediata da volo- e barocettori. -30-20 -10 0 10 20 Variazione del volume o della P arteriosa (%)
Le variazioni di volemia e di P arteriosa influenzano la risposta alle variazioni di osmolalità, spostando il punto di riferimento e la pendenza della curva. Max -15% volume-pressione Normale [ADH]p +15% volume-pressione 0 260 270 280 290 310 smolalità plasmatica (msm/kgh 2 ) Questo comportamento spiega perché, in un soggetto con collasso circolatorio, il rene continua a trattenere acqua, anche se la ritenzione di acqua riduce l osmolalità dei liquidi corporei.
Sete La maggior parte degli stimoli che provocano secrezione di ADH stimolano anche la sete attivando il centro della sete (parete antero-ventrale del terzo ventricolo, area AV3V). La sete è indotta da: Iper-osmolalità del LEC (stimolazione neuroni centro sete) P A e volemia (segnali nervosi da volo- e barocettori) Angiotensina II (agisce sul centro della sete) Secchezza del cavo orale e delle mucose esofagee Soglia della sete: 295 msm/kgh 2 (aumenti [Na + ] p di 2 meq/l rispetto valore normale). La sete è stimolata ad una osmolalità del LEC per la quale la secrezione di ADH è già massima.
Desiderio di sale L appetito per il sale è avviato dalla regione AV3V. Stimolato da: Ipo-osmolalità del LEC volemia e P A (erbivori: lontani dal mare, morbo di Addison: mancanza di aldosterone) Normalmente con la dieta si introducono quantità di Na + (~200 meq/l) nettamente superiori al fabbisogno giornaliero (20 meq/l)
Il meccanismo osmocettori-adh-sete controlla finemente la concentrazione plasmatica di Na + e l osmolalità del LEC [Na+]p (meq/l) 152 148 144 140 Normale Blocco Sistema ADH-sete 136 30 60 90 120 150 180 Assunzione Na + (meq/die) In assenza del sistema a feedback ADH-sete non c è controllo della concentrazione del Na + extracellulare e quindi dell osmolalità del LEC.