APPARATO URINARIO L’apparato urinario è formato dai reni e dalle vie urinarie: ureteri, vescica e uretra. Le funzioni del rene sono: Eliminare dal sangue le scorie azotate di origine proteica attraverso l’urina, Presiedere all’equilibrio idroelettrolitico mantenendo l’omeostasi dei liquidi circolanti, Controllare la emopoiesi attraverso la secrezione di un ormone, la eritropoietina, Contribuire al controllo della pressione del sangue con il sistema enzimatico della renina-angiotensina.

APPARATO URINARIO

RENE

CIRCOLAZIONE RENALE Il sangue viene depurato nel rene, per cui acquista particolare importanza la circolazione renale. I reni sono irrorati dalle arterie renali, rami della aorta addominale. All’ilo renale l’arteria si divide in tanti rami quante sono le piramidi, le arterie interlobari e, percorrendo lo spazio tra piramide e piramide, confluiscono nelle arterie arciformi. Da questa si staccano numerosi rami che decorrono in modo radiale verso la corticale: le arterie lobulari Le arterie lobulari lungo il loro decorso, emettono le arteriole afferenti che costituiscono il glomerulo renale.

SCHEMA CIRCOLO RENALE

NEFRONE Il nefrone costituisce l’unità funzionale del rene ed è formato: dal glomerulo, contenuto nella capsula del Bowman dove avviene l’ultrafiltrazione del sangue; Dal sistema tubulare di assorbimento e secrezione costituito: dal tubulo contorto prossimale, dove si verifica l’assorbimento obbligatorio; dall’ansa di Henle, dove si verifica l’assorbimento osmotico e la secrezione di alcune sostanze; dal tubulo contorto distale e dai tubuli collettori, nei quali l’assorbimento è regolato da due ormoni, l’ADH (ormone antidiuretico di origine ipofisaria) e l’aldosterone (ormone di origine surrenalica).

NEFRONE

MICROSTRUTTURA DEL RENE

FILTRAZIONE - 1 L’ultrafiltrazione avviene nel glomerulo renale. L’arteriola afferente all’ingresso nella capsula del Bowman si divide in 8-10 capillari circondati, oltre che dalla membrana basale, dalle cellule epiteliali dette podociti, per la loro forma particolare. Percorrendo i capillari, il sangue arterioso “filtra” le sostanze a basso peso molecolare riversando nella capsula del Bowman un ultrafiltrato plasmatico costituito da acqua, sali minerali (sodio, potassio, cloro, calcio….), glucosio, urea, acido urico, e tutte quelle sostanze idrosolubili non utilizzabili che provengono dal metabolismo. I capillari, raggiunto il massimo della loro divisione, si rianastomizzano e, dalla capsula del Bowman, esce l’arteriola efferente.

FILTRAZIONE - 2 La filtrazione glomerulare avviene per diffusione secondo il gradiente di pressione ed è regolata dalla relazione: Pfe = Pi – (Ponc + PB) 25 60 25 10 Pfe = pressione di filtrazione efficace Pi = pressione idrostatica, dipendente dalla pressione arteriosa. In condizioni normali pari a circa 60 mmHg Ponc = pressione oncotica del sangue che dipende dal contenuto delle proteine sieriche (circa 25 mmHg) PB = pressione esistente all’interno della capsula del Bowman (circa 10 mmHg) Il glomerulo non viene attraversato dalla aliquota corpuscolata, dalle albumine e globuline a medio alto peso molecolare, dai grassi

PREURINA In condizioni fisiologiche la portata ematica renale è di circa 1200 ml/min (globale nei due reni). Il volume della filtrazione glomerulare è di circa 120 ml/min pari a 170-180 litri di preurina al di. Con il termine di preurina si intende il filtrato glomerulare. Essendo la diuresi giornaliera di circa 1,5 l/giorno, la maggior parte della preurina (superiore al 99%) deve essere riassorbita, compito che viene svolto dal sistema tubulare

MECCANISMI GLOMERULO-TUBULARI principali

FUNZIONI DEL NEFRONE

ISTOLOGIA TUBULARE DEL NEFRONE

TUBULO CONTORTO PROSSIMALE Nel tubulo contorto prossimale avviene il riassorbimento obbligatorio, in parte per diffusione (assorbimento passivo) in parte con consumo di energia da parte delle cellule (assorbimento attivo). Per diffusione vengono riassorbite molecole a basso peso molecolare (ad es. l’urea). L’assorbimento attivo si esplica sul glucosio e sul sodio che trascina con se grandi quantità di acqua. La preurina entra nell’ansa di Henle con una pressione osmotica inferiore a quella del liquido interstiziale

ANSA DI HENLE Il riassorbimento detto osmotico dipende dalla differente osmolarità tra il liquido all’interno dei tubuli e il liquidi interstiziale. Lungo la branca discendente l’interstizio ha una pressione osmotica maggiore (ipertonico) rispetto al tubulo; per osmosi quindi la preurina verrà concentrata e raggiungerà una press. osmotica vicina al liquido interstiziale. Nella branca ascendente avviene una diluizione controllata della preurina.

TUBULI COLLETTORI Nei tubuli collettori il riassorbimento è sotto controllo ormonale e avviene il rimaneggiamento dell’urina per arrivare alla minzione giornaliera di circa 1,5- 2 litri. Sul riassorbimento ormonale influisce la quantità di acqua introdotta e persa, il tipo di alimentazione, eccesso di sodio, di proteine, il tipo di attività, l’ambiente circostante, ecc.

OSMOSI RENALE

RIASSORBIMENTO-RICAPITOLAZIONE Tubulo contorto prossimale: assorbimento obbligatorio di: acqua 80-85% glucosio 100% ione bifosfato 99% ione bicarbonato 85% sodio 85% potassio 100% Ansa di Henle: riassorbimento osmotico Tubulo collettore: riassorbimento facoltativo ormonale

URINA Diuresi normale 1,5 litri/giorno Poliuria 3-5 litri/giorno Oliguria 500 ml/giorno Anuria inf. a 200 ml/giorno Il contenuto in sali e sostanze organiche di rifiuto è variabile con la alimentazione e con l’attività giornaliera. Varia inoltre il pH e il peso specifico

CONTROLLO DEL pH EMATICO Il mantenimento del pH ematico tra 7.0 e 7.6 dipende Dai sistemi tampone presenti nel sangue, Dalla funzione polmonare (vedi) Dalla funzione renale attraverso: il controllo dell’equilibrio bicarbonato-anidride carbonica, il controllo dell’equilibrio bifosfato-monofosfato l’ammoniogenesi

BICARBONATI Un eccesso di anidride carbonica nel sangue, quindi una situazione di acidosi, viene tamponata dalle cellule tubulari scambiando l’ione idrogeno con lo ione sodio presente nella preurina e quindi trasforma l’acido carbonico in bicarbonato di sodio sangue cellula tubulare preurina + CO2 acidosi CO2+ H2O H2CO3 H2CO3 H+ HCO3- H+ NaHCO3 Na+ acida

FOSFATI Un eccesso di anidride carbonica nel sangue, quindi una situazione di acidosi, viene tamponata dalle cellule tubulari scambiando l’ione idrogeno con lo ione sodio presente nella preurina e quindi trasforma il fosfato monoacido di sodio in biacido sangue cellula tubulare preurina + CO2 acidosi CO2+ H2O H2CO3 H2CO3 H+ HCO3- H+ HPO4-- H2PO4- NaHCO3 Na+

AMMONIACA - 1 L’ammoniaca, prodotto della deaminazione epatica, viene bloccata dall’acido glutamico (aminoacido) come amide dell’acido glutamico, la glutamina : CO- CH2- CH2-CH(NH2) COOH + NH3 OH acido glutamico H2N-CO- CH2- CH2-CH(NH2) COOH + H2O glutamina

AMMONIACA - 2 La glutamina presente nel sangue, viene scissa in ammoniaca e acido glutamico nelle cellule tubulari, scambia l’ammoniaca con lo ione sodio presente nella preurina e quindi trasforma il cloruro di sodio in cloruro di ammonio con recupero di sodio ed eliminazione di ammoniaca con le urine sangue cellula tubulare preurina glutamina Ac.glutamico+ NH3 CO2+ H2O H2CO3 H2CO3 H+ HCO3- Na+ Cl- NH3 NaHCO3 NH4+ Cl- Na+

CONTROLLO DELL’EMATOPOIESI Per ematopoiesi si intende il processo di produzione della serie cellulata da parte del midollo osseo. Il rene, attraverso l’apparato iuxtaglomerulare, controlla il processo emopoietico producendo l’ormone eritropoietina. Questo ormone viene prodotto dal rene in condizioni di ipossia e stimola la differenziazione e la divisione delle cellule staminali midollari che aumentano così la produzione di globuli rossi e per “trascinamento” le piastrine.

CONTROLLO DELLA PRESSIONE ARTERIOSA Il rene ha una importanza fondamentale nel controllo della pressione del sangue attraverso il riassorbimento e l’escrezione del sodio e dell’acqua che ad esso si associa, modificando la volemia. Il meccanismo è autoregolato in quanto la variazione di pressione delle arteriole afferenti viene rilevata dall’apparato iuxtaglomerulare e viene modificata la permeabilità del dotto contorto prossimale con aumento o riduzione del sodio riassorbito. Un aumento della pressione arteriosa riduce il riassorbimento di sodio e acqua con riduzione della volemia e riduzione della pressione arteriosa. Il contrario avviene nelle cadute di pressione.

SISTEMA RENINA-ANGIOTENSINA L’apparato iuxtaglomerulare produce un enzima, la renina, che converte l’angiotensina I (globulina di sintesi epatica) in angiotensina II. L’angiotensina II provoca intensa vasocostrizione arteriolare con conseguente aumento della pressione del sangue, inoltre stimola la secrezione di aldosterone che provoca una ritenzione di sodio nel tubulo collettore con ulteriore aumento della pressione. La liberazione di renina è controllata dalla pressione dell’arteriola afferente, dal contenuto di sodio nella urina tubulare e dal sistema nervoso simpatico.

Funzioni La principale funzione del rene è il mantenimento dell’omeostasi dell’organismo Attraverso la filtrazione del plasma e l’eliminazione dei cataboliti terminali del metabolismo Le molecole necessarie invece vengono recuperate,riassorbite e rimesse in circolo.

Le funzioni principali sono: regolazione del contenuto di acqua e di elettroliti; regolazione del pH plasmatico; eliminazione dei prodotti finali del catabolismo, dei prodotti tossici o dei prodotti di coniugazione;

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. Vuol dire che ben 179 litri/die del filtrato glomerulare vengono riassorbiti

Nefrone L’unità funzionale fondamentale del rene è il nefrone. Ciascun rene umano ne contiene circa un milione

Ogni nefrone consta di: Glomerulo: costituto da cellule in grado di operare la filtrazione del plasma Tubulo: ricoperto da cellule renali e si distingue in: Prossimale Ansa di Henle Distale I tubuli distali confluiscono in un tubo più largo detto tubulo collettore, più tubuli collettori confluiscono del dotto collettore e che immette l’urina nell’uretere. Corticale Midollare

Filtrazione Il sangue viene filtrato a livello delle cellule del glomerulo: l’acqua, i soluti a basso peso molecolare (come gli ioni inorganici), urea, glucosio, aminoacidi (non sostanze che superano i 70.000 di peso molecolare, come le proteine plasmatiche) fuoriescono dai capillari passano attraverso le cellule del glomerulo e si raccolgono nello spazio capsulare e vengono convogliati verso il tubulo prossimale.

Mentre 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.

Metabolismo renale Per poter riassorbire l’acqua, gli elettroliti e gli altri composti è necessario l’intervento di specifiche proteine trasportatrici, che riportano questi composti all’interno delle cellule renali e da queste nel sangue. Per far ciò è necessario disporre di energia, ovvero ATP!

Le cellule renali che rivestono il tubulo prossimale della porzione corticale hanno un metabolismo ossidativo I principali substrati ossidabili da queste cellule sono: gli acidi grassi attraverso la β- ossidazione e il successivo Ciclo di Krebs Il loro catabolismo fornisce dal 60 al 80% dell’energia, la rimanente quota energetica è data dal catabolismo del glucosio. Queste cellule renali hanno una piccola riserva di glicogeno

Le cellule renali contenute nella porzione midollare (ansa di Henle e collettore) hanno pochi mitocondri e utilizzano solamente il glucosio, facendo una glicolisi anaerobica. Il glucosio utilizzato è quello prelevato direttamente dal plasma o quello che si trova nel filtrato. Durante il digiuno le cellule della porzione corticale svolgono una intensa gluconeogenesi (simile a quella epatica)

Gluconeogenesi renale Nel digiuno le cellule della corticale prelevano dal sangue filtrato: l’acido lattico il glicerolo alcuni aminoacidi e li trasformano in glucosio, che in parte viene dato alle cellule della midollare, in parte serve a mantenere la glicemia.

Meccanismi di riassorbimento L’energia prodotta come detto, serve a far funzionare i sistemi di riassorbimento. Riassorbimento del glucosio Sulle membrane delle cellule ad orletto a spazzola del tubulo prossimale, sono presenti delle proteine trasportatrici in grado di trasferire il glucosio e il sodio dal lume dentro la cellula e poi nel sangue

Sulla membrana che è rivolta al lume, è presente un trasportatore che trasferisce il Glucosio e il Na+ all’interno. Il Glucosio viene poi trasferito nel sangue ad opera del trasportatore il GLUT2. Il Na+ che è entrato viene riversato nel sangue ad opera di una Na/K ATP-asi che consuma ATP:

Riassorbimento Aminoacidi L’energia prodotta serve a far funzionare i sistemi di riassorbimento. Riassorbimento Aminoacidi Gli aminoacidi che vengono filtrati vengono tutti riassorbiti a livello del tubulo prossimale con differenti velocità. Esistono differenti trasportatori: Aa basici Aa neutri Aa acidi Glicina

Co-trasporto Il meccanismo prevede il passaggio contemporaneo all’interno di un Aa e di Na+ Lume Cellula Sangue Na+ Aa Aa 3Na+ 2K+

Eliminazione H+ I reni controllano il pH del plasma agendo sugli H+ e sui bicarbonati presenti. Il pH del plasma viene in tal modo mantenuto a valori compresi tra 7,35 e 7,45 Se il pH del sangue si abbassa per la presenza di acidi (es: Acetacetico e β- idrossi butirrico), il rene riassorbe gli H+ li combina con l’ammoniaca trasformandoli in ioni NH4+, che vengono eliminati con l’urina.

Krebs e Decarbossilazioni Lume Cellula Sangue H+ H+ Na+ K+ H+ Na+ H2O + CO2 H+ + HCO3- H2CO3 HCO3- Cl- Il pH si innalza Anidrasi carbinica Krebs e Decarbossilazioni

Glutammina La glutammina prodotta dal muscolo scheletrico e dai neuroni viene attivamente assorbita dalle cellule renali in varie porzioni dei tubuli ed anche a livello dei dotti collettori. Le cellule renali contengono un enzima, la glutaminasi, enzima mitocondriale in grado di togliere il gruppo –NH2 trasformandolo in NH3 e producendo l’acido glutammico. Quest’ultimo viene trasformato in alfa chetoglutarico e da questo è possibile generare, con la gluconeogenesi, glucosio

Glutammina Acido glutammico + NH3 Escreta nel lume Glutammina Acido glutammico + NH3 Glutaminasi Alfa cheto glutarico NAD+ NADH.H+ Glutammico DH PEP Glucosio Ciclo di Krebs Ossalacetato Mitocondrio

Lume Cellula Sangue Glutammina NH3 NH4+ Na+ K+ Na+ H+ H2O + CO2 H+ + HCO3- H2CO3 Anidrasi carbinica

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

Diminuzione volume 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 in 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+

Adiuretina La regolazione dell’escrezione di acqua per via urinaria è regolata dall’ormine antidiuretico: Adiuretina (ADH) L’ormone ADH (conosciuto anche come vasopressina) è un ormone a struttura poli-peptidica (è fatto da 9 Aminoacidi) sintetizzato nell’ipotalamo ed accumulato nell’ipofisi posteriore.

Una diminuzione del volume ematico, viene recepita da recettori posti sulla ipofisi posteriore e viene rilasciata ADH nel sangue. L’ADH si lega a recettori presenti sulle cellule del tubulo contorto distale e dei collettori renali. Il segnale viene trasmesso all’interno della cellula mediante attivazione dell’adenilato ciclasi e formazione dell’AMP ciclico.

L’AMPc (secondo messaggero) attiva una Protein Cinasi (PK-A) che è in grado di fosforilare delle proteine presenti dentro la cellula che dopo fosforilazione si fondono con la membrana della cellula del tubulo renale. Queste proteine sono detto: Acquaporine e fondendosi con la membrana formano dei canali permeabili all’acqua.

Cellula del Tubolo distale Renale Diminuzione Volume e disidratazione Riass. H20 P Sangue Lume AMP c PK- A Il volume aumenta P ATP ADP IPOFISI ADH Acquaporine Diminuzione Volume e disidratazione

Riassorbimento del Na+ L’acqua viene riassorbita dal lume anche con un altro meccanismo, in cui è coinvolto l’assorbimento di Na+. Tale meccanismo è sotto il controllo di un ormone derivato dal colesterolo (di natura steroidea) denominato: Aldosterone L’assorbimento del Na+ avviene in contemporanea con l’assorbimento di acqua a livello delle cellule dell’ansa di Henle.

Aldosterone L’aldosterone è un ormone prodotto dalla zona corticale della ghiandola surrenale, deriva dal colesterolo ed il suo rilascio avviene ad opera di una proteina plasmatica denominata: Angiotensina II

Meccanismo rilascio Aldosterone Una diminuzione del volume o uno stato di disidratazione, viene recepita da alcune cellule del glomerulo renale che secernano un enzima proteolitico, la renina. Questo enzima converte una proteina presente nel plasma inattiva l’angio- tensinogeno, nella forma attiva angiotensina II

Diminuzione volume Sangue Angiotensinogeno Angiotensina II Renina Glomerulo Aldosterone Corteccia surrenale Ansa di Henle

Diminuzione Volume e disidratazione Cellula Renale dell’Ansa di Henle Sangue RiassH20 Cloro Na Nucleo H2O Na+ Cl- ALDOSTERONE Corteccia Surrene Lume Diminuzione Volume e disidratazione

l’ormone natriuretico (ANF) Aumento volume sangue Un eccessiva introduzione di liquidi o di elettroliti, comporta un aumento del volume ematico che deve venir riequilibrato con il rilascio di maggior liquido ed elettroliti a livello renale. L’ormone coinvolto in questo meccanismo è: l’ormone natriuretico (ANF)

ANF E’ prodotto dalle cardiociti atriali e viene liberato nel sangue quando il suo volume aumenta. E’ un ormone di natura proteica in grado di agire aumentando la velocità di filtrazione glomerulare Viene eliminata sia l’acqua che il Na+ Il segnale trasmesso dall’ANF alla cellula renale del glomerulo avviene con produzione di un secondo messaggero che è il GMP ciclico

Cellula del Renale del glomerulo Aumento volume del sangue Escrezione PK-G attive GMP c GTP Guanilato ciclasi Atrio Cuore ANF --P Na H2O Sangue

Effetti del AFN L’azione del AFN determina: Aumento del volume urinario Aumento escrezione di Na+ Diminuzione della renina plasmatica Inibizione rilascio Aldosterone

Funzioni del rene Eliminazione di H2O con mantenimento della pressione osmotica del plasma Escrezione di alcuni prodotti del metabolismo Urea, creatinina, acido urico Controllo della concentrazione di alcune sostanze nel plasma Na, K, Cl, H, bicarbonato Controllo dello stato acido-base Circolazione renale 1200 ml/min 21% della gittata cardiaca Dotto collettore 1-2% del filtrato Filtrazione 125 ml/min Riassorbimento 99% Secrezione

Nefrone, unità funzionale del rene Alto consumo di O2 Pari a quello del cuore 3x quello del cervello 70% dell’energia prodotta destinata alla pompa Na/K

Glomerulo renale Alimentato da arteriola afferente, che si ramifica nella capsula di Bowman Membrana ad alta permeabilità Fenestrae (pori) con diametro di 8 nm Membrana basale con proteoglicani carichi negativamente

Filtrazione glomerulare Selettività: Bassa per molecole piccole e ioni Alta per proteine - specie se cariche negativamente Inulina (PM 5 200): 1 Proteine fino a PM 30 000: 0.5 Albumina (PM 69 000): 0.005 Filtrato glomerulare: Stessa composizione del plasma per ioni e molecole piccole Senza cellule 0.03% proteine (1/200 delle proteine del plasma) Autoregolato Guidato dalla pressione idrostatica, ma indipendente da pressione arteriosa 50-100 mmHg Glomerulonefrite (presenza di anticorpi diretti contro vari componenti della membrana del glomerulo) causa allargamento dei pori e passaggio di proteine e albumina

Tonicità del filtrato glomerulare Glomerulo: isotonico Tubulo prossimale: isotonico 80% di H2O riassorbita 1:1 con Na Ansa discendente: ipertonico Diffusione di H2O dal tubulo alla midollare (iperosmotica) Diffusione passiva di Na e Cl dalla midollare al tubulo Ansa ascendente: ipotonico Impermeabile a H2O Diffusione di Na e Cl dal tubulo alla midollare Causa iperosmolarità nella midollare Tubulo distale: Diffusione di Na e Cl dal tubulo alla corticale Scambio con K e H, sotto controllo di aldosterone Dotto collettore: ipertonico Sotto controllo di vasopressina

Scambio controcorrente: Osmolarità nella corteccia pari a quella del plasma, alta nella midollare

Interstizio e circolazione Meccanismo di base del riassorbimento di Na Sempre nella direzione tubulo  interstizio  plasma Cotrasporto (simporto) con: Glucosio, aminoacidi, Cl Scambio (antiporto) con: K, H, Pi, Ca, Mg Segue il gradiente creato da Na/K-ATPasi Tubulo  [Na+] X Na+ Epitelio  [Na+] X Na+ Interstizio e circolazione  [Na+] K+

Riassorbimento di: H2O: per osmosi Quando un elettrolita passa da un compartimento all’altro, H2O tende a seguire il passaggio per mantenere la concentrazione dell’elettrolita identica nei due compartimenti Parte prossimale: passaggio massiccio Tight junctions non così “tight” Parte distale: passaggio ridotto Tight junctions più “tight” Cl, urea (50%), creatinina (quasi 0): diffusione passiva Glucosio: accompagna Na (riassorbimento quasi totale) Aminoacidi: accompagnano Na Perdita 0.7 g/24 h Aumenta in aminoacidemia e malattie metaboliche Proteine: non dovrebbero essere filtrate Marker di danno renale Proteina di Bence-Jones (catene leggere di Ig): mieloma Hb e/o urobilinogeno: anemia emolitica Mb: danno muscolare Albumina: glomerulonefrite (presenza di anticorpi diretti contro vari componenti della membrana del glomerulo) o nefropatia diabetica Urobilinogeno e bilirubina: funzionalità epatica

Clearance o velocità di filtrazione glomerulare (GFR) Inulina (PM 5200, polisaccaride di fruttosio eliminabile solo per via renale) Dose di carico i.v. Infusione continua per mantenere concentrazione costante nel plasma (Pin) Raccolta urina, misura di volume (V) Prelievo di sangue Esempio: Inulina nelle urine (Uin)=29 mg/ml Volume raccolto (V)=1.1 ml/min Inulina nel plasma (Pin)=0.25 mg/ml Clearance Cin= (Uin x V) / Pin = 128 ml/min V.n.: 105-132 ml/min donne; 110-150 ml/min uomini Poco pratico (richiede linea flebo)

Clearance o velocità di filtrazione glomerulare Creatinina (deriva da creatina) Riassorbimento/secrezione dai tubuli trascurabile (ma non sempre) Creatinina nel plasma: Pcr (v.n. 20-80 mM) Creatinina nell’urina: Ucr Volume urina in 24 h: V Clearance = (Ucr x V) / Pcr GFR = clearance, Pcr Cystatina C Prodotto di un gene housekeeping ubiquitario 122 aa, 13 Kda Carica negativamente, passa la membrana glomerulare, ma è riassorbita e catabolizzata dal tessuto renale (non torna al sangue) Presenza di CysC nel plasma: marker di clearance

rilascio norepinefrina Angiotensina I (10 aminoacidi) Renina Renina-angiotensina Angiotensinogeno (400 aminoacidi) Angiotensina II (8 aminoacidi) vasocostrittore Angiotensin converting enzyme (ACE) Muscolo liscio contrazione proliferazione Miocardio Sistema nervoso rilascio epinefrina rilascio norepinefrina Surrenali Aldosterone Rene riassorbimento Na escrezione K GFR flusso di sangue IPERTENSIONE

Aldosterone Ormone steroideo (mineralocorticoide) prodotto nelle surrenali Target: epitelio del dotto collettore attività di Na/K-ATPasi riassorbimento di Na escrezione di K e H Patologie correlate: Iperaldosteronismo (sindrome di Conn): produzione di renina e ipertensione Morbo di Addison: distruzione delle ghiandole surrenali, aldosterone, secrezione renale di K, iperkalemia Tumore delle ghiandole surrenali: aldosterone, secrezione renale di K, ipokalemia

Riassorbimento di H2O nel tubulo distale e nel dotto collettore Vasopressina (o ormone antidiuretico ADH) Asse ipotalamo-pituitaria posteriore Recettori sulle membrane di tubulo distale e dotto collettore Stimola sintesi di aquaporina 2 Determina volume e osmolarità finale del filtrato Risponde a variazioni di volume (<10%) e osmolarità (>1%) del plasma Aquaporine, AQP1 e AQP2 Mutazioni di AQP1/2 e del recettore di vasopressina  diabete insipido

Riassorbimento/escrezione di H2O Permeabilità a H2O diversa nelle varie sezioni del tubulo Tubulo prossimale: 80% del riassorbimento insieme a Na Ansa ascendente: impermeabile a H2O, ma Na riassorbito, causa iperosmolarità del filtrato Dotto collettore: sotto controllo di vasopressina e aquaporine

Link fra metabolismo di H2O e Na Disidratazione Volume circolante Flusso ematico renale GFR Osmolarità del plasma Osmorecettori Barorecettori Sete Vasopressina Renina-angiotensina-aldosterone Riassorbimento renale di H2O AQP2 Intake di H2O Ritenzione di Na Volume circolante Osmolarità

Peptide natriuretico atriale (ANP) Brain natriuretic peptide (BNP) Prodotti in risposta a stress atriale Sovraccarico cardiaco dovuto a aumento di volume ematico Insufficienza cardiaca Marker dell’evoluzione della malattia Pro-ANP (126 aminoacidi) ANP (28 aminoacidi) Rene escrezione Na Pro-BNP (108 aminoacidi) BNP (32 aminoacidi) Muscolo liscio contrazione Ipertensione

Sistemi acido-base e loro regolazione Richiami acido-base, sistemi tampone; Forza del tampone; Difese dell’organismo contro CO2 e H+; Sistemi tampone del sangue; Sistema CO2-bicarbonato; Reazione di idratazione della CO2; Equazione di Henderson-Hasselbalch; Trasporto di CO2 nei sangue.

Richiami acido-base Acido: molecola o ione che dona H+ [H+] in soluzione aumenta Base: molecola o ione che accetta H+ [H+] in soluzione diminuisce Acido o base forte: forte tendenza a rilasciare o catturare [H+] HCl, NaOH Acido o base debole: debole tendenza a rilasciare o catturare [H+] H2CO3, tutti gli acidi organici pH = - log10H+ Le forme viventi vivono solo se 6.5<pH<8 Nell’uomo, la tolleranza è più ristretta (7.2<pH<7.5) Stato di salute: 7.35<pH<7.43 Tampone: Sistema di ioni che limita (non annulla) i cambiamenti di pH indotti dall’aggiunta di H+ o OH- H-Cl + NaHCO3  H2CO3 + NaCl Acido forte + base debole  acido debole + sale Na-OH + H2CO3  NaHCO3 + H2O Base forte + acido debole  base debole + sale

pK=pH al quale la capacità tamponante è massima Curva di titolazione pH 5 6 7 8 9 pH 50 100 OH- H+ Tampone forte Tampone Solo H2O pK=pH al quale la capacità tamponante è massima

Forza del tampone Forza del tampone o  = H+ necessari per variare il pH della soluzione di 1 unità Equivale alla pendenza della curva di titolazione Dipende da: Concentrazione del sistema tamponante |pH-pK| Forza massima per |pH-pK| < 1

Produzioni giornaliere di H+ e CO2 adulti: 50-70 millimoli infanti: 1-2 millimoli/Kg CO2 A riposo: 12 000 - 15 000 millimoli (288-360 litri) In attività: fino a 50 000 millimoli Contenuto di CO2 in lattina di Coca Cola: 258 millimoli CO2 + H2O  H+ + HCO3- Ogni giorno l’organismo produce fino a 15 litri di acido cloridrico 1 molare, o 1.5 litri di acido cloridrico fumante, ma il pH deve assolutamente rimanere 7.37-7.43 Difese dell’organismo contro CO2 e H+: Sistemi tampone del sangue (secondi) Fosfati, proteine, bicarbonato Regolazione della respirazione (minuti) Regolazione renale (ore/giorni)

Tampone fosfato H3PO4  H2PO4 -  HPO4 - -  PO4 - - - pK1=2.1 pK2=6.7 pK3=12.3 |pH-pK| = 0.7 Concentrazione dei fosfati nel sangue: 1-2 mM POCO POTERE TAMPONANTE

Tampone delle proteine 75% del potere tampone dell’organismo: Emoglobina:  = 21 mM H+/pH Proteine del plasma:  = 3-4 mM H+/pH Quali aminoacidi di Hb sono maggiormente coinvolti nel potere tampone? Val terminale delle catene  e , n=4, pK=7.7: + Arg terminale delle catene , n=2, pK=4.0: - His terminale delle catene , n=2, pK=4.0: - Lys, n=44, pK=9.7: - Asp e Glu, n=56pK=4.0: - His: n=38, pK=7.0: +++

Sistema CO2-bicarbonato X CO2 + H2O  H2CO3  H+ + HCO3- Reazione di idratazione della CO2 Lenta (secondi), ma accelerata da anidrasi carbonica (presente nei globuli rossi) Reazione di ionizzazione dell’acido carbonico (pK=3) Molto veloce: l’acido carbonico praticamente non esiste al pH del sangue (7.4) CO2 + H2O  H+ + HCO3- pK=6.1

Equazione di Henderson-Hasselbalch CO2 + H2O  H+ + HCO3-  = 0.03 millimoli/l/mmHg

Trasporto di CO2 nel sangue Fisicamente disciolta nel plasma (7%), o CO2 libera CO2 =  x PCO2, =0.03 mmoli/mmHg Come HCO3- (70%) CO2 + H2O  {H2CO3}  H+ + HCO3- In combinazione con l’Hb, carbaminoHb (23%)

Diagramma pH-bicarbonati Tre variabili!!!

Diagramma pH-bicarbonati 10 20 30 40 50 [HCO3-], mM 7.2 7.4 7.6 7.8 pH 7.0 PCO2=20 mmHg PCO2=60 mmHg PCO2=40 mmHg Hb Buffer lines 24-25

Diagramma pH-bicarbonati 10 20 30 40 50 [HCO3-], mM 7.2 7.4 7.6 7.8 pH 7.0 24-25 PCO2=40 mmHg PCO2=20 mmHg PCO2=60 mmHg Buffer lines [Hb]=150 g/l Eccesso di base Difetto di base, o eccesso di base negativo

Misure del bilancio acido/base pH: 7.38-7.42 PCO2: 35-40 mmHg Bicarbonato: 22-26 mEq/l Eccesso di base (Base excess, BE): -2 - +2 mEq/l Espressione empirica, indica quanto H+ occorre per titolare il pH a 7.4 e PCO2=40 mmHg Esprime il contributo metabolico al disordine acido/base Utile per stimare quanto NaHCO3 (per acidosi) o NH4Cl (per alcalosi) occorre per ristabilire il pH a 7.4 Anion gap=(Na+ + K+) - (Cl- + HCO3 -): 12-16 mEq/l Non influenzato da alterazioni di NaHCO3 o NH4Cl Alterato solo se HCO3- è rimpiazzato da lattato o acetato Diagnosi differenziale di acidosi metabolica

Alcalosi respiratoria Patologie acido-base 10 20 30 40 50 [HCO3-], mM 7.2 7.4 7.6 7.8 pH 7.0 PCO2=40 mmHg PCO2=20 mmHg PCO2=60 mmHg Alcalosi metabolica Acidosi respiratoria Alcalosi respiratoria Acidosi metabolica

CO2 + H2O  H+ + HCO3- Acidosi metabolica (H+): Eccessivo ingresso di H+ Chetosi diabetica Esercizio muscolare intenso Digiuno (chetoni) Ingestione di salicilati o alcool Mancata escrezione renale di H + Insufficienza renale Disfunzione della secrezione renale di H + Perdita di HCO3- Diarrea Lavaggio gastrico (perdita HCO3-) Alcalosi metabolica (HCO3-): Eccessivo ingresso di HCO3- Amministrazione i.v. di HCO3- o citrato (dopo arresto cardiaco) Perdita di H + Vomito Ipokalemia Acidosi respiratoria (PCO2): Ipoventilazione Enfisema Ostruzione delle vie respiratorie Asma Oppiacei e stupefacenti Debolezza dei muscoli respiratori (poliomielite e sclerosi multipla) Alcalosi respiratoria (PCO2): Iperventilazione Ipossia Febbre Ansia Ventilazione artificiale Avvelenamento da salicilati

Compensazione delle patologie acido-base Obiettivo primario: riportare il pH del sangue a 7.4 Cause delle patologie acido/base: Metaboliche: alterazioni di [H+] Respiratorie: alterazioni di [HCO3-]/[CO2] Il pH é riportato a 7.4 mediante un’alterazione del fattore opposto: Se la causa patologica era metabolica, la compensazione è respiratoria Se la causa patologica era respiratoria, la compensazione è metabolica BOH???

Compensazione di alcalosi respiratoria 10 20 30 40 50 [HCO3-], mM 7.2 7.4 7.6 7.8 pH 7.0 PCO2=40 mmHg PCO2=20 mmHg PCO2=60 mmHg 1 Eccesso di base negativo 2 Alcalosi respiratoria 3 Compensazione metabolica

Compensazione di acidosi metabolica 10 20 30 40 50 [HCO3-], mM 7.2 7.4 7.6 7.8 pH 7.0 PCO2=40 mmHg PCO2=20 mmHg PCO2=60 mmHg 1 Eccesso di base negativo 2 Acidosi metabolica 3 Compensazione respiratoria

Patologie e compensazioni Termine regolabile con la respirazione Termine regolabile con escrezione o secrezione di H+ PATOLOGIA  COMPENSAZIONE Acidosi respiratoria  Escrezione di urine acide Alcalosi respiratoria  Escrezione di urine alcaline Acidosi metabolica  Iperventilazione Alcalosi metabolica  Ipoventilazione Risposte respiratorie relativamente rapide Risposte renali relativamente lente Compensazioni mai complete

Controllo renale e secrezione di H+ Tubulo prossimale (presenza di HCO3-): trasporto secondario >90% del totale Debolmente contro gradiente Neutralizzato dal riassorbimento di HCO3- Tubulo distale (assenza di HCO3-): trasporto primario 5% del totale Può concentrare H+ fino a 900 volte (pH urine 4.5) Fino a 3.5 millimoli/min, ma sotto il controllo di [H+]sangue H+ tamponato da Pi e NH3 Extracellulare Epitelio Tubulo Extracellulare Epitelio Tubulo Na+ K+ H+ ATP ADP H+ ATP ADP

Come si generano gli H+

Riassorbimento di HCO3- Nel tubulo prossimale: Secrezione di H+: 3.5 millimoli/min Riassorbimento di HCO3-: 3.46 millimoli/min Urine leggermente acide (pH 6) Rimozione di 60 millimoli/giorno di H+ In c.n. [HCO3-] nelle urine = 0

Tamponi delle urine (pH fino a 4.5) Fosfato (3-4 mM): |pH-pK|<1 Ammonio: glutaminasi presente nel rene (Gln  Glu + NH3), reazione che produce NH3