Biochimica del rene

Il rene è coinvolto nel mantenimento dell’omeostasi dell’organismo, attraverso la filtrazione del plasma e l’eliminazione dei cataboliti terminali del metabolismo, mentre le molecole necessarie vengonorecuperate, riassorbite e rimesse in

circolo.

I reni sono due voluminosi organi situati nella parte posterosuperiore della cavità addominale in posizione retroperitoneale. Il rene attraverso le sue unità funzionali, i “nefroni”, ha tra le sue funzioni principali quella escretoria di sostanze dannose o inutili per l’organismo con le urine

Le funzioni principali del rene sono:

• regolazione del contenuto di acqua e di elettroliti

(equilibrio idrico-salino);

• regolazione del pH plasmatico (equilibrio acido-

base);

• regolazione della pressione osmotica;

• controllo della calcemia

• eliminazione dei prodotti finali del catabolismo,

dei prodotti tossici o dei loro prodotti di

coniugazione

formati nel fegato

I reni hanno anche importanti funzioni endocrine, secernendo diversi ormoni ad azione sistemica, quali:

produzione di renina, per la regolazione della pressione arteriosa sistemica

produzione di eritropoietina, principale regolatore dell’eritropoiesi trasformazione dei precursori della vitamina D3 nella forma attiva; 1- 25 diidrossi-colecalciferolo, importantissimo ormone regolatore del metabolismo del calcio.

RENI

Importante è anche la funzione regolatoria dell’equilibrio idroelettrolitico (tramite l’escrezione di acqua e cloruro di sodio) e dell’equilibrio acido-base del sangue. Inoltre il rene svolge un ruolo endocrino-metabolico mediante la produzione di renina, eritropoietina, vitamina D, contribuendo alla regolazione della pressione arteriosa, all’eritropoiesi, alla mineralizzazione delle ossa e alla gluconeogenesi

RENI

I nefroni, ciascuno composto da glomerulo e sistema tubulare (tubulo prossimale, ansa di Henle, tubulo distale, tubulo collettore), operano mediante 3 meccanismi:1) Filtrazione del sangue con formazione della preurina nella capsula di Bowman, a livello del glomerulo2) Riassorbimento3) Secrezione di sostanze (acqua e soluti) a livello del tubulo

Nefroni

Corticale

midollare

Pelvi renale

Uretere

Struttura

L’unità funzionale del rene è il NEFRONE formato dal glomerulo e dal tratto

tubulare, a sua volta costituito dal tubulo prossimale, ansa di Henle, tubulo distale e

dotto collettore, che immette l’urina nell’uretere. Ciascun rene contiene circa 900.000 nefroni

Quasi tutto il nefrone si trova nella sostanza corticale, solo l’ansa di Henle si trova nella sostanza midollare. Ogni nefrone è composto da: un corpuscolo sferoidale (diametro 150-200 micron) detto il corpuscolo del Malpighi. Questo è costituito dall’insieme di glomerulo e capsula di Bowman.La parte del tubulo più vicina alla capsula è il tubulo contorto prossimale, a questo segue un tubulo a “U“ l’ansa di Henle che è seguita da un segmento detto tubulo contorto distale. I tubuli contorti distali riversano il loro contenuto nei dotti collettori. Questi si riuniscono tra loro, aumentando progressivamente il calibro e convergono verso l’uretere. In ciascun rene ci sono circa 250 di questi dotti collettori maggiori, ognuno dei quali convoglia l’urina proveniente da 4000 nefroni. In ogni ansa di Henle si distingue un ramo discendente ed uno ascendente

L’unità funzionale del rene è il Nefrone che effettua la filtrazione del sangue (1.1-1.3 dL/min, pari a 170 L/die).

La filtrazione glomerulare dipende, per ciascuna sostanza, da:

Flusso ematico renale;Pressione nei capillari glomerulari;Pressione nella capsula di Bowman;π plasmatica;coefficiente di filtrazione glomerulare.

Nel rene si distinguono:

una porzione esterna o corticale, comprendente la parte del nefrone costituita - dal glomerulo, - i tubuli prossimale, distale e di collegamento e - l’inizio del tubulo collettore

una porzione interna o midollare comprendente - l’ansa di Henle, - la rimanente porzione del tubulo collettore e - i dotti collettori che confluiscono nella pelvi renale

Il tubulo contorto prossimale provvede a:•riassorbimento attivo della maggior parte dei soluti filtrati (glucosio, bicarbonati, potassio, 2/3 del sodio, proteine) e di un volume isosmotico di acqua;•Secrezione di creatinina, steroidi e loro derivati glicuronidi.

L’ansa di Henle, cui perviene urina isosmotica provvede:•al processo di moltiplicazione in controcorrente che genera l’ipertonicità midollare, indispensabile per regolare l’eliminazione dell’acqua e formare urina concentrata.

Il tubulo contorto distale, cui perviene urina ipotonica provvede a:•microregolazione della composizione dell’urina:•riassorbimento del sodio mediato dall’aldosterone•secrezione di K+ e H+

Il dotto collettore:•regola l’osmolalità urinaria mediante riassorbimento di acqua senza soluti, per azione della vasopressina;•forma urina ipertonica (1200-1400 mOsm =500 ml/die) in caso di antidiuresi;•forma urina ipotonica (30 mOsm = 16 ml/min) in caso di diuresi da acqua.

Glomerulo

Nella capsula di Bowman avviene la filtrazione glomerulare

Componente principale della membrana basale glomerulare è il collagene di tipo IV; fibronectina e proteoglicani

Il glomerulo è un gomitolo di capillari circondato dalla capsula di bowman, membrana che riveste il glomerulo.

È costituita di un foglietto viscerale, in intimo contatto con i capillari del glomerulo e di un foglietto parietale che si continua nel tubulo contorto di primo ordine.

Nella capsula di B. avviene la filtrazione glomerulare.

Una delle funzioni primarie del rene è eliminare dal sangue, riversandole nelle urine, sostanze non necessarie,e trattenere le sostanze necessarie.

La formazione dell’urina deriva da tre processi:• Filtrazione glomerulare• Riassorbimento tubulare• Secrezione tubulare

FiltrazioneRiassorbimentoSecresioneEscrezione

MECCANISMI DI FILTRAZIONE E RIASSORBIMENTO

L’energia prodotta dal metabolismo renale serve a far funzionare i sistemi di riassorbimento.

L’ultrafiltrazione a livello del glomeruli è generata dalla forte differenza di pressione tra il sangue (60-70 mm Hg) e l’interno della capsula di Bowman (5 mmHg)

-la membrana filtrante è permeabile all’acqua, ai soluti a basso peso molecolare (come gli ioni inorganici), urea, glucosio e aminoacidi

- sostanze che superano i 70.000 dalton di P.M., come le proteine plasmatiche, non possono essere filtrate.

Filtrazione

Le sostanze filtrate fuoriescono dai capillari passano attraverso le cellule del glomerulo, si raccolgono nello spazio capsulare e vengono convogliate verso il tubulo prossimale.

NB: in presenza di danno renale con coinvolgimento dei glomeruli, la membrana semipermeabile lascia passare nel filtrato molecole più grandi come le proteine. Queste non vengono riassorbite e si ritrovano nell’urina ( protenuria). La composizione del filtrato è simile al plasma con l’eccezione delle proteine che vengono trattenute

Alcune sostanze utili vengono riassorbite, quali:-acqua;-sodio, potassio, cloro;-glucosio, aminoacidi.Altre sostanze quali:-l’urea, l’acido urico, la creatinina, lo ione ammonio ed eventuali sostanze tossiche vengono escrete con l’urina.

-In un uomo di 70 Kg il filtrato glomerulare è di circa 180 litri/die.-Il volume dell’urina eliminata è di 1 litro/die.- Quindi ben 179 litri/die del filtrato glomerulare vengono riassorbiti.

L’urea è il soluto più abbondante nell’urina e rappresenta il 90% dei composti azotati dell’urina.

Urea è il prodotto terminale del metabolismo degli aa, acido urico è il prodotto terminale del metabolismo delle basi puriniche.

La creatinina è un catabolita della creatina. La creatina è sintetizzata nel rene e nel fegato (da arginina, glicina e metionina), attraverso il circolo diffonde ai tessuti, soprattutto quello muscolare, dove viene fosforilata ed utilizzata come riserva energeticaLa clearance della creatinina è un test accurato per valutare la filtrazione glomerulare, o dosaggio della creatinina sierica i cui livelli correlano bene con la filtrazione glomerulare e con la clearance della creatinina (Clearance, cioe’ la quantita’ di sangue che viene depurata dal rene nell’unita’ di tempo) In ogni individuo, il ritmo di produzione della creatinina è pressoché costante nell'arco delle 24 ore ed è scarsamente influenzato da altri fattori, come il contenuto proteico della dieta

Riassorbimento

I sistemi di trasporto di membrana sono localizzati -nelle cellule dei tubuli renali -Sulla membrana apicale e -Sulla membrana basolaterale

sanguelume

Espressione di recettori e trasportatori specifici sui due lati della membrana

Nel tubulo prossimale si ha il riassorbimento dell’80-90% dell’acqua, del sodio, del cloro, di tutto il glucosio, della maggior parte del calcio del magnesio, della vitamina C e di parte dei fosfati.Nell’ansa di Henle viene riassorbita parte dell’acqua e del sodioNel tubulo distale viene riassorbita parte di acqua e di fosfati e quella parte di sodio non ancora riassorbita dai segmenti precedenti

L’acqua tubulare residua con le sostanze in essa disciolte diventa L’acqua tubulare residua con le sostanze in essa disciolte diventa urinaurina. .

Riassorbimento di proteine

- Avviene nel tubulo contorto prossimale

- Processo molto efficiente

- Endocitosi mediata da recettori

Recettori:Megalina: proteina glicosilata di 600 kDa. Famiglia dei recettori delle LDL

Cubulina: glicoproteina di 460 kDa

Lisosomi

Le proteine vengono riassorbite nel tubulo contorto prossimale. Il processo di riassorbimento mediato da megalina e tubulina è estremamente efficiente ed è responsabile della assenza di proteine nelle urine. Megalina: proteina glicosilata di 600 kDa con ampio domino extracellulare, responsabile della capacità di legare differenti molecole. Cubulina: glicoproteina di 460 kDa, possiede domini CUB di120 aa responsabili dell’interazione con diversi ligandi. Vengono recuperate così molecole diverse (tabella) L’endocitosi è mediata dalla coda citosolica della megalina. Interazione ligandi recettori, formazione di un complesso megalina/cubulina, endocitosi, le componenti proteiche dei ligandi trasferite ai lisosomi, degradate da proteasi ad aa che vengono o utilizzati dalle cellule renali o immessi in circolo. I recettori vengono riciclati

Regolazione del pH ematico

I processi metabolici cellulari si accompagnano alla continua produzione di metaboliti acidi

- CO2 acidità volatile-Acidi organici acidità non volatile

-Il rene esercita un importante ruolo di mantenimento del pH plasmatico in due modi: Riassorbimento ed escrezione di HCO3

-

Riassorbimento ed escrezione di H+

Il pH del plasma viene mantenuto a valori compresi tra 7,35

e 7,45

Acidità volatile rappresenta la fonte prevalente ed è eliminata con la respirazione.

La non volatile è eliminata dal rene.

Il controllo del pH si esercita attraverso: - sistemi tampone, che agisono molto rapidamente. - Ventilazione polmonare che elimina CO2 e - regolazione renale che è più lenta ma molto efficace

Riassorbimento di H2O

Il rene partecipa anche al controllo del bilancio idrico

Il controllo della sete, esercitato da vie nervose, e quello del volume dell’urina, esercitato dal rene, sono i principali meccanismi di controllo del bilancio idrico

- Il riassorbimento o l’eliminazione dell’acquaè in parte un fenomeno osmotico, legato anche al riassorbimento o all’eliminazione del Na+ e di altri ioni- L’acqua viene assorbita sia livello dei tubuli prossimali che distali.- Questo meccanismo si innesta quando si hanno variazioni del volume del sangue.

Un esercizio aerobico intenso e prolungato determina una perdita di liquidi e elettroliti con il sudore.

Questa perdita è di circa 1,25 Litri/ora per un soggetto di 60 Kg di peso.

Pertanto è necessario compensare le perdite sia di elettroliti che di acqua aumentando i processi di riassorbimento a livello renale di acqua e di ioni, in particolare di Na+.

Diminuzione volume del sangue

Un eccessiva introduzione di liquidi o di elettroliti, comporta un

aumento del volume ematico che deve venir riequilibrato con

la perdita di maggior liquido ed elettroliti a livello renale.

-L’ormone coinvolto in questo meccanismo è l’ormone

natriuretico (ANF)

- Peptidi natriuretici atriali: Prodotti dai cardiociti atriali e liberati nel sangue quando il suo volume aumenta

- Peptide natriuretico renale

- Gene unico

AUMENTO VOLUME SANGUE

Funzioni endocrine

Le cellule dell’apparato iuxaglomerulare sintetizzano la Renina, glicoproteina di p.m 40000.

Secrezione stimolata da diminuita concentrazione di Na+ plasmatico (chemiocettori) e da ipotensione (barocettori)

Enzima proteolitico

L’angiotensina II è un vasocostrittore molto potente, aumenta la pressione sanguigna e stimola il surrene a produrre aldosterone

( recettori AT1)

L’aldosterone stimola il riassorbimento di Na+ nel tubulo distale e nel dotto collettore .

Il segnale per la sintesi dell'aldosterone viene generato quando l'organismo richiede una maggiore pressione sanguigna, un maggior volume plasmatico e un incremento di ioni Na+ nel sangue.La sua sintesi è controllata dal sistema renina-angiotensina

Stimola la sintesi di nuovi canali agendo a livello trascrizionale

Aldosterone è ormone steroideo (mineralcorticoide) prodotto dalla corticale del surrene. Il segnale per la sintesi dell'aldosterone viene generato quando l'organismo richiede 1) una maggiore pressione sanguigna, 2) un maggior volume plasmatico e 3) un incremento di ioni Na+ nel sangue. L‘angiotensina II attiva la sintesi di aldosterone attraverso una via di trasduzione che passa per inositolo1,4,5 trifosfato e diacilglicerolo. L'aldosterone diffonde attraverso la membrana plasmatica, essendo un ormone steroideo, e si lega al recettore MRα nel citoplasma, cui segue una cascata di fosforilazioni e l'attivazione di fattori di trascrizione che aumentano la sintesi di proteine che aumentano l'assorbimento di ioni Na+ e acqua dal filtrato ed incentivando l'escrezione nel filtrato di K+.

Eritropoietina (EPO): ormone glicoproteico, che rappresenta il

principale stimolo per l’eritropoiesi.

Livelli plasmatici inversamente correlati all’ossigeno dei

tessuti

90% dell’EPO circolante è prodotta nel rene

Funzioni endocrine

un fattore di trascrizione (Hypoxia Inducible Factor, HIF) regola la sintesi di EPO

EPO Stimola la produzione di globuri rossi EPO Stimola la produzione di globuri rossi promuovendo la proliferazione di progenitori eritroidi. promuovendo la proliferazione di progenitori eritroidi.

In condizioni di normossia il fattore di trascrizione HIF1alfa viene idrossilato da una prolil-idrossilasi ossigeno dipendente e degradato.

In condizioni di ipossia non si ha idrossilazione. HIFalfa dimerizza con beta traslocano nel nucleo e attivano trascrizione di gene EPO

RENI

Le indagini di laboratorio per poter

dare informazioni sulla funzionalità

renale devono mirare ad esplorare la

funzione glomerulare e la funzione

tubulare

L’efficienza della funzione glomerulare viene misurata mediante il valore di filtrazione glomerulare (glomerular filtration rate, GFR) che dipende dalla pressione di filtrazione, dalla struttura della membrana del glomerulo e dal numero di glomeruli funzionanti

TEST CHE ESPLORANO LA FUNZIONE GLOMERULARE

Si definisce come clearance di una sostanza che viene eliminata dal rene il volume di plasma che, nell’unità di tempo, viene depurato di questa sostanza. Corrisponde al volume di filtrazione glomerulare (GFR) e viene calcolato con gli studi di clearance tramite la misura della concentrazione nel sangue e nell’urina di una sostanza filtrata dal glomerulo e non influenzata dal meccanismo tubulare

CLEARANCE

CLEARANCE

Clearance= U x V/P

U è la concentrazione urinaria

della sostanza (in mmol/L o mg/L)

V è il flusso urinario (in mL/min)

P è la concentrazione plasmatica

della sostanza (in mmol/L o mg/L)

Clearance

Caratteristiche ideali di una sostanza per la valutazione della clearance:

•liberamente filtrata dal glomerulo;

•eliminata solo per filtrazione renale;

•né secreta né riassorbita dal rene;

•non tossica;

•facilmente determinabile.

La sostanza che più si avvicina a queste proprietà ideali è la creatinina.

Quindi, per la misurazione della filtrazione glomerulare è possibile effettuare la clearance della creatinina.

CLEARANCE

Le caratteristiche ideali della sostanza da utlizzare per questo calcolo sono: liberamente filtrabile, non riassorbita, non secreta, non sintetizzata o degradata dal rene o da altro organo, non tossica e facilmente misurabile. Per misure accurate si ricorre all’iniezione di inulina (un carboidrato di pianta) in vena e relativo calcolo di clearance. Nell’uso clinico la clearance viene valutata impiegando la misura della creatinina: questa valutazione è basata sull’assunto che la creatinina è filtrata dal glomerulo e che la sua produzione, e di conseguenza l’escrezione, siano costanti

CREATININA

La creatinina è il prodotto del catabolismo della creatina (metabolita presente in grandi quantità a livello muscolare), ha un’emivita di circa 2,5 ore, viene filtrata, circa un 10-15% viene secreta dal tubulo e poi escreta con le urine anche se, nell’insufficienza renale cronica fino al 60% può essere eliminata attraverso il tratto

gastroenterico

CREATININA

La concentrazione plasmatica della creatinina, dipende poco dalla dieta ma ha un’elevata variabilità interindividuale.

Intervallo di riferimento negli adulti:- 0,8-1,3 mg/dL nei maschi- 0,6-1,2 mg/dL nelle femmine

CREATININA

Incremento di valori nel plasma di creatinina può essere dovuto a:- Cause pre-renali: ipertrofia o necrosi muscolare, uso di anabolizzanti steroidei, diminuita perfusione renale per ipotensione, cirrosi, ascite- Cause renali: uso di farmaci che interferiscono con la secrezione- Cause post-renali: ostruzione delle vie urinarie,

INDICI DI FUNZIONE

GLOMERULARE

Un altro indice di funzione glomerulare è

rappresentato dalla azotemia.

Con questo termine si indica la misura dello

stessa catabolita, urea o azoto ureico in

essa contenuto, secondo due diversi

approcci, molecola totale o azoto ureico (la

massa dell’azoto ureico è circa metà di

quella dell’urea)

AZOTEMIA

L’azotemia viene usata quale indice di funzionalità del rene, anche se la sua utilità clinica in tal senso appare inferiore a quella della creatinina, dal momento che oltre la metà dell’urea filtrata viene riassorbita dai tubuli. Tale fatto spiega anche la scarsa utilità del dato ottenuto dalla misura della clearance dell’urea, dal momento che la compromissione di oltre la metà del parenchima renale può mostrare ancora valori nella norma

AZOTEMIAL’azotemia è un indice piuttosto grossolano di funzione glomerulare, poichè è influenzato - dall’apporto alimentare azotato, - dallo stato di idratazione del paziente, - dal catabolismo proteico e - dall’entità della diuresi. Costituisce quindi un indicatore meno sensibile della diminuzione della funzione glomerulare rispetto alla creatinina.L’intervallo di riferimento per l’urea negli adulti è pari a: 17-50 mg/dL, mentre per l’azoto ureico è: 8-22 mg/dL

FUNZIONE TUBULARE

La funzione tubulare è

rappresentata da:

1) Capacità di concentrare l’urina

(riassorbimento di acqua)

2) Capacità di eliminare valenze acide:

(idrogenioni) o acidi organici

3) Capacità di riassorbire glucosio,

fosforo, aminoacidi ed altre sostanze

TEST PER VALUTARE LA FUNZIONE

TUBULARE

L’Osmolalità ed il peso specifico delle urine

sono di solito i test che sono impiegati per la

valutazione della funzione tubulare.

L’Osmolalità misura il numero di particelle di

soluto presenti in una soluzione: poichè tale

concentrazione osmotica nei liquidi biologici

è bassa, l’unità di misura (osmoli per kg di

solvente) è di solito espressa in mOsm/kg

TEST PER VALUTARE LA FUNZIONE TUBULARE

Nella routine, come esame di I livello, al posto dell’osmolalità viene misurato il peso specifico delle urine. Tale parametro (v.n. 1015-1025) si misura con un apparecchio, densitometro, che calcola il seguente rapporto:peso specifico= peso di un volume urine/ peso di uguale volume acquaIl peso specifico rientra tra i parametri misurati nell’esame standard delle urine

ESAME DELLE URINE

I parametri oggetto di valutazione

sono:

1) Parametri fisici: peso specifico,

colore, trasparenza, odore

2) Parametri chimici: pH, glucosio,

proteine, bilirubina, urobilinogeno,

sangue, corpi chetonici, nitriti, leucociti

PROTEINURIA

La presenza di proteine nelle urine

(proteinuria) è un segnale di alterata

funzione glomerulare e/o tubulare.

Normalmente si eliminano al massimo 150

mg/24 h di proteine. In condizioni normali in

un campione di urine delle 24 ore la

proteinuria è < 150 mg, rappresentata per il

25% da proteine plasmatiche e per il 75% da

proteine renali

PROTEINURIA

La proteinuria può essere classificata in:

1) Proteinuria glomerulare, da alterazioni del

filtro renale

2) Proteinuria tubulare, da alterato

riassorbimento tubulare o aumentata

secrezione

3) Proteinuria da sovraccarico, dovuta alla

maggiore quantità di proteine che talvolta

giunge al rene, ad esempio dopo trauma

muscolare (mioglobina) oppure in corso di

emolisi post-trasfusionale (emoglobina)

ALBUMINA

L’albumina, di norma la più

rappresentata tra le proteine

plasmatiche, è abitualmente nelle

urine < 20 mg/L.

Si definisce microalbuminuria un livello

di 20-200 mg/L e macroalbuminuria

valori > 200 mg/L

INSUFFICIENZA RENALE ACUTA (IRA)

E’ caratterizzata da rapida diminuzione del GFR (volume di filtrazione glomerulare) con ritenzione di composti azotati ed è dovuta a cause pre-renali, renali e post-renali. In genere l’IRA si presenta con un fase oligurica o anurica in cui il volume urinario giornaliero si riduce a meno di 400 mL fino all’anuria. Nell’IRA la creatininemia aumenta, l’urea tende ad aumentare più della creatinina e sono sempre presenti iperpotassiemia ed iperfosfatemia. La calcemia può essere

diminuita o normale