–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 dell’acqua lungo il nefrone

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

Dove X rappresenta sostanze organiche filtrate al

glomerulo: glucosio, aminoacidi, lattato, acetato,

vitamine, ecc.

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.

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 para-

amminoippurato (PAI):

–un trasporto attivo secondario avviene

attraverso la membrana basolaterale sfruttando

il gradiente di una sostanza mediatrice (alfa-

ketoglutarato) 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).

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 dell’acqua nel dotto collettore

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

>>>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

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–]

oppure pH = costante + log “RENE”

Mostra il ruolo svolto da reni e polmoni nel regolare il pH.

0.03 PCO2

“POLMONI”

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).

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

Due esempi di patologie che coinvolgono la funzione renale

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

Volume interstizio

Gittata sistolica (volume/sistole)

Gittata cardiaca (volume/min)

Pressione arteriosa

Meccanismo di Frank-Starling

+

+

+

+

–

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

Volume interstizio

Gittata sistolica (volume/sistole)

Gittata cardiaca (volume/min)

Pressione arteriosa

Meccanismo di Frank-Starling

Barocettori

arteriosi centrali

Barocettori

cardiopolmonari

+

+

+

+

+

+

Peptide natriuretico atriale

(ANP)

+

RENE

Cellule granulari (art.afferente)

–

–

–

–

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

Volume interstizio

Gittata sistolica (volume/sistole)

Gittata cardiaca (volume/min)

Pressione arteriosa

Meccanismo di Frank-Starling

Barocettori

arteriosi centrali

Barocettori

cardiopolmonari

Cellule granulari (art.afferente)

Innervazione

simpatica del rene

+

+

+

+

+

+

Peptide natriuretico atriale

(ANP)

+

+

+ Escrezione di Na+

(+ Filtrazione/–Riassorbimento) RENE

Sintesi: il caso iper-volemico e quello ipo-volemico

Volume LEC Pressioni vascolari

Peptide natriuretico atriale

Barocettori vascolari Simpatico al rene

Cellule granulari renali

Escrezione di Na+

Volume LEC Pressioni vascolari Barocettori vascolari Simpatico al rene

Cellule granulari renali

Escrezione di Na+

Iper-volemia: (es. assunzione di sale o di liquido isotonico)

Ipo-volemia: (es. emorragia acuta, diarrea o vomito ripetuto, forte sudorazione)

Escrezione di Na+

Escrezione di Na+

Escrezione di Na+

Escrezione di Na+

Peptide natriuretico atriale

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)

98% 2%

Liquido Intracellulare LEC

Distribuzione del contenuto corporeo totale di K+

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.

Omeostasi dello ione potassio (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.

Ruolo renale nel bilancio del K+

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+)