Ricordiamo quanto visto: Escrezione urinaria = Filtrazione glomerulare – Riassorbimento tubulare + Secrezione tubulare La velocità a cui ciascuna sostanza è filtrata si calcola come: Filtrazione= VFG x Concentrazione plasmatica

Come si nota dalla successiva tabella, i processi di filtrazione e di riassorbimento per molte sostanze, sono quantitativamente molto superiori all’escrezione. Inoltre, mentre la filtrazione glomerulare è relativamente non selettiva, il processo di riassorbimento tubulare è altamente selettivo.

FiltratoRiassorbitoEscreto % riassorbito Glucosio(gr/die) Bicarbonato (mEq/die) >99.9 Sodio(mEq/die) Cloro(mEq/die) Urea(gr/die) Creatinina(gr/die)

Il riassorbimento tubulare prevede meccanismi di trasporto passivo e trasporto attivo. Infatti una sostanza per poter essere riassorbita deve essere trasportata: attraverso la membrana dell’epitelio tubulare nel fluido interstiziale attraverso la membrana dei capillari peritubulari nuovamente nel sangue Il riassorbimento tubulare include meccanismi attivi e passivi

L’acqua e i soluti possono essere trasportati per via transcellulare (attraverso la membrana cellulare) e per via paracellulare (fra una cellula e l’altra). Successivamente le sostanze (acqua e soluti) passano dallo spazio interstiziale al lume capillare grazie a forze idrostatiche ed osmotiche, similmente a quanto accade al terminale venoso dei capillari sistemici.

Via di trasporto paracellulare e transcellulare attraverso le tight junctions.

Riepiloghiamo velocemente i meccanismi di trasporto con un grafico.

Trasporto attivo: movimento di un soluto contro gradiente. Richiede energia sotto forma di ATP (trasporto attivo primario: pompa Na-K ATPasi, H-ATPasi, Ca- ATPasi, H-K ATPasi). Un trasporto accoppiato indirettamente ad una forma di energia (ad esempio un gradiente ionico) è detto trasporto attivo secondario (ad esempio il glucosio a livello renale è riassorbito insieme al sodio).

A livello renale lo ione Na + è riassorbito a livello del TCP grazie alla Na-K ATPasi basolaterale che consuma elevatissime quantità di ATP: da qui i numerosi mitocondri presenti. Questo meccanismo vale per tutte le parti del nefrone.

Reabsorption Rapid modification of original filtrate Rapid modification of original filtrate 99% H 2 O reabsorbed 99% H 2 O reabsorbed 99% NaCl reabsorbed 99% NaCl reabsorbed all glucose, aa reabsorbed all glucose, aa reabsorbed 44% urea reabsorbed 44% urea reabsorbed Active and passive transport mechanisms Active and passive transport mechanisms

Il riassorbimento di sodio avviene a livello della membrana apicale per diffusione, sfruttando il gradiente elettrochimico che si viene a formare fra lume e cellula dell’epitelio tubulare. Si ha inoltre un trasporto facilitato che utilizza carrier che veicolano, insieme al sodio, anche glucosio, aminoacidi, lattato, fosfato etc.

This schematic diagram shows the reabsorption of Na + ions (pink) and water (blue). Na + crosses the tubular membrane into the blood outside the tubule by a pump, against the concentration gradient. H 2 O crosses the tubular membrane into the blood outside the tubule by passive diffusion through a channel, down the concentration gradient.

Vedremo quindi che il riassorbimento di sodio prevede almeno tre steps: Trasporto grazie ad una Na-K ATPasi a livello della membrana basolaterale Trasporto grazie ad una Na-K ATPasi a livello della membrana basolaterale Diffusione attraverso la membrana apicale lungo un gradiente elettrochimico stabilito dalla Na-K ATPasi basolaterale Diffusione attraverso la membrana apicale lungo un gradiente elettrochimico stabilito dalla Na-K ATPasi basolaterale Ultrafiltrazione a livello dei capillari peritubulari per il riassorbimento nel sangue grazie a forze idrostatiche ed osmotiche Ultrafiltrazione a livello dei capillari peritubulari per il riassorbimento nel sangue grazie a forze idrostatiche ed osmotiche

Trasporto attivo secondario: questo meccanismo sfrutta il gradiente elettrochimico del sodio per trasportare, utilizzando un carrier opportuno, un’altra sostanza contro il suo gradiente di concentrazione. Questo avviene ad esempio per il glucosio e aminoacidi. Si tratta di un meccanismo molto efficiente che rimuove tutto il glucosio a livello del TCP. Glucosio e aminoacidi fuoriescono dalla membrana basolaterale per diffusione facilitata.

Na + -glucose symport

Non bisogna dimenticare che il meccanismo è possibile grazie alla Na-K ATPasi che crea un opportuno gradiente per lo ione Na +. Esiste anche una secrezione attiva secondaria che permette la secrezione di sostanze nel tubulo renale sfruttando il movimento di ioni Na + in senso opposto. Un esempio tipico è la secrezione di ioni H + nel TCP. Si sfrutta un antiporto Na-H che porta ioni idrogeno nel liquido tubulare.

LUME CELL Na + H+H+ Questo meccanismo serve per il controllo del pH nel liquido tubulare.

Un altro meccanismo è la pinocitosi che serve per il riassorbimento dal liquido tubulare di piccoli peptidi che possono essere eventualmente passati nel glomerulo. Una porzione di membrana apicale si invagina ed interiorizza la molecola che viene poi ridotta nei suoi aa costituenti. Ricordiamo che questi meccanismi di riassorbimento e secrezione hanno un trasporto massimale legato ad un numero massimo di carriers. Abbiamo visto che per il glucosio questo valore massimo è 375mg/min.

Pinocitosi link Pinocitosi link Osmosi con aggiunta di NaCl Osmosi con aggiunta di NaCl Links to web

Sostanze riassorbite Trasportomassimo Glucosio 375 mg/min Fosfato 0.10 mM/min Solfato 0.06 mM/min Aminoacidi 1.5 mM/min Urato 15 mg/min Lattato 75 mg/min Sostanze secrete Trasporto massimo Creatinina 16 mg/min PAI 80 mg/min

Il riassorbimento passivo di acqua per osmosi è accoppiato principalmente al riassorbimento di soluti Quando i soluti sono riassorbiti, la loro concentrazione nel liquido tubulare diminuisce lasciando un ambiente ipo-osmotico. L’acqua tende a passare nella stessa direzione dei soluti per equilibrare. Una grossa percentuale di flusso osmotico avviene attraverso le tight junctions, specialmente a livello del TCP.

Osmosi= passaggio di acqua da un ambiente ipo- osmotico ad un ambiente iper-osmotico In questo flusso l’acqua funziona come drenaggio per vari soluti, fra cui ioni di varia natura. Questo processo è possibile nelle parti del nefrone che risultano permeabili all’acqua.

Riassorbimento di cloro, urea e altri soluti per diffusione passiva. Il passaggio di ioni cloro, che avviene nell’ultimo terzo del TCP, segue il riassorbimento di Na + perché, ogni volta che viene riassorbito sodio, rimane un potenziale negativo all’interno del lume che respinge gli ioni Cl -. La diffusione passiva di cloro avviene principalmente per via paracellulare. Inoltre il riassorbimento avviene anche per ragioni di gradiente di concentrazione.

L’urea, che diffonde passivamente a livello del glomerulo e che deriva dal catabolismo proteico a livello epatico, subisce un meccanismo simile, però non viene completamente riassorbita. Solo il 50% circa è recuperata con movimento passivo in seguito al riassorbimento di acqua. Il rimanente 50% viene eliminato con le urine, permettendone così l’eliminazione come prodotto di scarto. La creatinina, molecola più grossa dell’urea non passa affatto attraverso il tubulo ed è totalmente eliminata con le urine.

Riassorbimento di H 2 O Riassorbimento di Na + Potenziale negativo del lume ↑ Potenziale negativo del lume Concentrazione di Cl - ↑ Concentrazione di Cl - nel lume nel lume Concentrazione di urea ↑ Concentrazione di urea nel lume Riassorbimento passivo di cloro di cloro Riassorbimento passivo di urea

LUME PLASMA

Nel TCP viene riassorbito circa il 67% di acqua e il 67% di Na +, e una percentuale leggermente inferiore di Cl -. La membrana baso-laterale è ricca di mitocondri e presenta numerose pompe Na-K. La membrana apicale presenta proteine carrier che servono per meccanismi di: co-trasportocontro-trasporto

Nella prima metà del TCP, Na + è riassorbito in co- trasporto con glucosio, lattato, aminoacidi, bicarbonato. Nella seconda metà, quando tutti i soluti precedenti sono stati quasi completamente riassorbiti, il Na + è riassorbito prevalentemente con Cl -. A questo livello, farmaci quali penicillina e salicilati sono eliminati con le urine per secrezione. Questo costituisce un grave problema nel mantenere la concentrazione plasmatica con efficacia terapeutica.

Schema di una cellula epiteliale di TCP Microfotografia di una sezione di TCP in cui si intravvede la membrana apicale (freccia) caratterizzata dall’orletto a spazzola e i numerosi mitocondri sul versante baso-laterale.

Variazioni nella concentrazione di sostanze lungo il TCP Valore = 1 concentrazione tubulare uguale alla concentrazione del filtrato Valore > 1 sostanza riassorbita in minor misura dell’acqua Valore < 1 sostanza riassorbita più dell’acqua

Quindi, benché la quantità di sodio diminuisca molto nel TCP, la concentrazione del sodio e l’osmolarità del liquido rimangono relativamente costanti, perché acqua e soluti sono riassorbiti in uguale percentuale. Altri soluti, quali aa, glucosio e bicarbonato diminuiscono di concentrazione perché sono riassorbiti più dell’acqua. Sostanze meno permeabili come l’urea aumentano la loro concentrazione nel TCP.

Summary of Na + reabsorption in the early proximal tubule………..

………and in the middle and late proximal tubule

Proximal Tubular Reabsorption Proximal Tubular Reabsorption Links to web Loop of Henle Loop of Henle

L’ansa di Henle (AH) è formata da tre porzioni distinte con caratteristiche ben diverse : Tratto discendente sottile (TDs) Tratto ascendente sottile (TAs) (nefroni iuxtamidollari) Tratto ascendente spesso (TAS) TDs e TAs hanno una parete formata da cellule appiattite, prive di orletto a spazzola e con minima attività metabolica.

TDs è estremamente permeabile all’acqua, ma limitatamente permeabile a soluti quali urea e sodio. Circa il 20% dell’acqua filtrata è riassorbita nell’AH e in particolare in TDs, perché TAs e TAS sono impermeabili all’acqua. Le cellule del TAS sono invece cellule cuboidali, abbastanza grandi con molti mitocondri nella parte baso-laterale e prive di orletto a spazzola, capaci di intenso riassorbimento di sodio, cloro e potassio.

Anche nel TAS un ruolo considerevole è giocato dalla Na-K ATPasi baso-laterale che crea il gradiente di Na + necessario per il suo ingresso dal lume tubulare. Nel TAS l’ingresso di Na + dal lume avviene attraverso: Co-trasportatore Na-Cl-K (1 Na: 2 Cl : 1 K) che serve a riassorbire K + contro un gradiente chimico Antiporto Na-H (1 Na : 1 H) che media la secrezione di idrogenioni nel lume

Poiché il TAS è impermeabile all’acqua, il liquido che esce dall’AH è molto diluito e questo è molto importante per la formazione di urine diluite o concentrate. Ricordiamo che il TAS ha una bassa permeabilità all’urea, la cui concentrazione rimane quindi inalterata (perché non c’è riassorbimento di acqua). Inoltre bisogna ricordare che, nel caso arrivi al TAS un’aumentata quantità di Na +, il suo riassorbimento aumenta. Si parla di carico-dipendenza.

Questo riassorbimento è inibito dai diuretici dell’ansa quali furosemide (Lasix) e bumetanide (Bumex), che aiutano ad eliminare eccesso di acqua dall’organismo. Il pericolo è l’eccessiva perdita di K + che può essere molto pericolosa.

Il TAS si svuota nel TCD. La primissima parte del TCD fa parte dell’apparato iuxtaglomerulare, mentre la porzione rimanente della prima parte ha caratteristiche simili a quelle del TAS, essendo impermeabile all’acqua, ma riassorbendo in grandi quantità Na +, K + e Cl -. Per questo motivo esso viene definito segmento diluente.

La seconda metà del TCD e il DC hanno proprietà simili. Anatomicamente comprendono due tipi cellulari: Cellule principali: riassorbono acqua e sodio e secernono potassio Cellule intercalate: riassorbono potassio e secernono idrogenioni

Cellula principale Cellula intercalata LUMEINTERSTIZIO Na + K+K+ H2OH2O K+K+ H+H+ ATP Na + K+K+ diffusione CO 2 + H 2 O AC H + + HCO 3 - HCO 3 - ATP

Microfotografia che mostra le cellule principali (PC) e le cellule intercalate (IC)

Le caratteristiche funzionali della seconda metà del TCD e del DC possono essere così riassunte: 1. Le membrane tubulari di questi segmenti sono pressoché impermeabili all’urea, per cui tutta l’urea che entra nel TCD viene eliminata con le urine, fatta eccezione per una piccola percentuale che può essere riassorbita a livello del DC della midollare interna. 2. La seconda metà del TCD e il DC riassorbono ioni Na + il cui riassorbimento è sotto il controllo dell’ormone aldosterone.

3. Le cellule intercalate secernono idrogenioni grazie ad una pompa H-K ATPasi. 4. La permeabilità all’acqua di questi tratti è sotto il controllo dell’ormone ADH. Se ADH è elevato si ha elevata permeabilità all’acqua e quindi forte riassorbimento.

Summary of the distal tubule

Questa è l’ultima parte del nefrone, dove le urine assumono la loro definitiva composizione. L’epitelio è formato da cellule cuboidali con superfici lisce e relativamente pochi mitocondri. Le caratteristiche principali sono:

 La permeabilità all’acqua è sotto il controllo di ADH  La permeabilità all’urea è abbastanza elevata, contrariamente al DC corticale  Secerne idrogenioni contro un forte gradiente chimico

Nel DC il sodio entra dalla membrana apicale senza essere accompagnato da altre sostanze o ioni. Si genera così un potenziale negativo (-70mV) transepiteliale perché la membrana è quasi impermeabile al cloro. Il riassorbimento di sodio è carico-dipendente come in AH: è potenziato dall’ormone aldosterone e inibito dal diuretico amiloride

-70mV

Quindi, una sostanza nelle urine risulta più o meno concentrata in funzione del grado di riassorbimento di quella sostanza relativamente al riassorbimento di acqua. Se viene riassorbita una più elevata percentuale di acqua la sostanza si concentra, mentre se è riassorbita una maggior percentuale della sostanza, essa si diluisce.