Ricordiamo quanto visto: Escrezione urinaria = Filtrazione glomerulare – Riassorbimento tubulare + Secrezione tubulare La velocità a cui ciascuna sostanza.

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1 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

2 I processi di filtrazione e di riassorbimento per molte sostanze, sono quantitativamente molto superiori all’escrezione. Inoltre, mentre la filtrazione glomerulare è non selettiva (fatta eccezione per cellule e proteine plasmatiche), il processo di riassorbimento tubulare è altamente selettivo.

3 FiltratoRiassorbitoEscreto % riassorbito Glucosio(gr/die) 180 0100 Bicarbonato (mEq/die) 432043182>99.9 Sodio(mEq/die) 255602541015099.4 Cloro(mEq/die) 194401926018099.1 Urea(gr/die) 46.823.4 50 Creatinina(gr/die) 1.80 0

4 Poiché attraverso l’epitelio tubulare passano ovviamente sostanze liposolubili, le sostanze che devono essere eliminate (farmaci etc…) devono essere rese idrosolubili per restare intrappolate nel lume. A questo è volto il sistema di detossificazione epatico.  Poiché attraverso l’epitelio tubulare passano ovviamente sostanze liposolubili, le sostanze che devono essere eliminate (farmaci etc…) devono essere rese idrosolubili per restare intrappolate nel lume. A questo è volto il sistema di detossificazione epatico. ……..una precisazione

5 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

6 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.

7 N.B.: A livello renale abbiamo: Capillari glomerulari: filtrazione su tutto il tratto per predominanza della P C Capillari peritubulari: riassorbimento su tutto il tratto per aumento della π c che tende a richiamare acqua e soluti riassorbiti dal lume tubulare

8 Via di trasporto paracellulare e transcellulare

9 Principi base che governano il riassorbimento tubulare Na + riassorbito per trasporto attivo Il gradiente elettrochimico consente il riassorbimento di anioni L’acqua fluisce per osmosi, seguendo il riassorbimento di soluti Le concentrazioni di altri soluti aumentano mano a mano che il volume del liquido nel lume decresce. I soluti permeabili sono riassorbiti per diffusione (es.: urea, K +, Ca 2+ )

10 Riepiloghiamo velocemente i meccanismi di trasporto con un grafico.

11 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).

12 Per realizzare i differenti trasporti nei diversi tratti del tubulo renale l’epitelio tubulare non è omogeneo ma è caratterizzato da una notevole asimmetria strutturale e funzionale. Le cellule dell’epitelio sono polarizzate ed esprimono proteine e soprattutto sistemi di trasporto diversi sulla membrana apicale e sulla membrana basolaterale.

13 Caratteristiche generali di un epitelio di trasporto A. Un epitelio di trasporto consiste di un SINGOLO strato di cellule polarizzate organizzate in maniera esagonale

14 1. Intorno a ciascuna cellula nella zona apicale (verso il lume) si trova la zonula occludens che unisce la cellula alle cellule vicine. La parte basale poggia sulla membrana basale. La parte laterale di cellule vicine è separata da uno spazio paracellulare pieno di liquido che è separato dal lume grazie alla zonula occludens. 2. La microanatomia della membrana apicale può essere molto diversa da quella della membrana basolaterale

15 3. Le proteine o i complessi molecolari della membrana apicale e basolaterale possono essere diversi per tipologia e quantità

16 B. Le caratteristiche funzionali dell’epitelio sono determinate dai complessi molecolari che si trovano sulle membrane apicali e basolaterali e dalla permebiltà della zonula occludens C. Lo spazio paracellulare costituisce un microambiente che può differire in composizione dal liquido interstiziale

17 D. I soluti possono attraversare l’epitelio attraverso una via paracellulare o attraverso la cellula (transcellulare)

18 A livello renale lo ione Na + è riassorbito 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.

19 FILTRAZIONE TRASPORTI TUBULARI Meccanismo passivo regolato da livelli di pressione e flusso Processo complesso, in genere attivo, selettivo e altamente regolato

20 La Na + /K + ATPasi è il motore di tutto il sistema renale

21 SGLUT 1 GLUT 2

22 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

23 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. Va detto che il movimento massivo di sodio genera un gradiente osmotico che determina a sua volta un movimento di acqua che si muove quindi per osmosi.

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25 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.

26 Vedremo quindi che il riassorbimento di sodio prevede almeno tre steps: 1.Trasporto grazie ad una Na-K ATPasi a livello della membrana basolaterale 2.Diffusione attraverso la membrana apicale lungo un gradiente elettrochimico stabilito dalla Na-K ATPasi basolaterale 3.Ultrafiltrazione a livello dei capillari peritubulari per il riassorbimento nel sangue grazie a forze idrostatiche ed osmotiche

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28 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.

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30 Na + -glucose symport (SGLUT)

31 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.

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

33 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 (caratterizzato quindi da saturabilità, specificità e competitività) legato ad un numero massimo di carriers. Abbiamo visto che per il glucosio questo valore massimo è 375mg/min.

34 Pinocitosi

35 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

36 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.

37 Il flusso osmotico per via paracellulare può variare dal 2% del riassorbimento (A) fino anche al 50% (B) AQP1 media il passaggio di acqua attraverso canali appositi nel TCP A B

38 Poiché il TCP ha tight junctions piuttosto lasse, i fluidi e i soluti possono attraversare questo segmento di nefrone non solo per via transcellulare, ma anche per via paracellulare. L’elevata permeabilità all’acqua su membrana apicale e basolaterale può essere giustificata dalla presenza di un numero elevato di canali selettivi per l’acqua detti aquaporina-1 (AQP-1).

39 Ultrastruttura delle tight junctions nel TCP

40 In questo flusso paracellulare 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. Osmosi = passaggio di acqua da un ambiente ipo- osmotico ad un ambiente iper- osmotico

41 Riassorbimento di cloro, urea e altri soluti per diffusione passiva. 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 -. Inoltre il riassorbimento avviene anche per ragioni di gradiente di concentrazione.

42 L’urea, che filtra liberamente 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 nel TCP 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.

43 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

44 LUME PLASMA

45 Nel TCP viene riassorbito circa il 67% di acqua e il 67% di Na +, e una percentuale leggermente inferiore di Cl -. Qui il riassorbimento di Na + coinvolge numerosi ed importanti sistemi di co-trasporto e controtrasporto, incaricati dell’estrusione di protoni e riassorbimento di glucosio, aa, bicarbonato, anioni inorganici e molecole organiche con caratteristiche di acido o base debole. La membrana baso-laterale è ricca di mitocondri e presenta numerose pompe Na-K.

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47 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 grazie ad uncarrier per anioni organici. Questo costituisce un grave problema nel mantenere la concentrazione plasmatica con efficacia terapeutica.

48 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.

49 L’antiporto Na-H è molto importante nel TCP ai fini del controllo del pH perché consente il riassorbimento totale di tutto il bicarbonato che è stato filtrato. Il processo sarà poi completato nel nefrone distale con l’eliminazione di protoni in eccesso e recupero e rigenerazione di basi tampone consumate nel tamponamento di acidi fissi.

50 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

51 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.

52 Summary of Na + reabsorption in the early proximal tubule……….. SGLUT 1GLUT 2

53 Early Proximal Tubule Observations Inside Tubule Lumen Explanation 1. Increased [Cl - ] Na + reabsorption with HCO 3 - preferred over Cl - 2. Decreased [HCO 3 -, glucose, amino acids] 2. Decreased [HCO 3 -, glucose, amino acids] Reabsorbed more rapidly than Na + 3. [Inulin] increased Inulin is not reabsorbed but H 2 O is 4. [Na + ] is constant Absorption of Na + is proportional to H 2 O 5. If we replace Na + with Li + in the proximal tubule, no H 2 O reabsorption will occur. Water reabsorption is linked to Na + reabsorption. 6. If we replace Cl - with NO 3 in proximal tubule, normal H 2 O reabsorption will still occur. Na + reabsorption is independent of anion present.

54 ………and in the middle and late proximal tubule

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56 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) AH è la struttura fondamentale che permette la produzione di urina con osmolarità diversa dal plasma. TDs e TAs hanno una parete formata da cellule appiattite, prive di orletto a spazzola e con minima attività metabolica.

57 TDs è estremamente permeabile all’acqua, limitatamente permeabile all’urea e poco permeabile al sodio. Forma una pre-urina fortemente concentrata che cede acqua all’interstizio. Circa il 20% dell’acqua filtrata è riassorbita 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.

58 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

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60 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.

61 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.

62 TAS

63 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.

64 La seconda metà del TCD e il DC hanno proprietà simili. Anatomicamente comprendono due tipi cellulari: Cellule principali: riassorbono sodio e secernono potassio. Queste cellule sono bersaglio di aldosterone e peptide natriuretico atriale (ANP). Riassorbono acqua in presenza di ADH. Queste cellule controllano natriemia e kaliemia in modo coordinato sotto il controllo dell’aldosterone. Sono bersaglio di diuretici risparmiatori di K + come l’amiloride Cellule intercalate: riassorbono potassio e secernono idrogenioni nel lume che si complessano con ammoniaca per eliminare l’eccesso accumulato di protoni.

65 Cellula principale Cellula intercalata LUMEINTERSTIZIO Na + K+K+K+K+ H2OH2OH2OH2O K+K+K+K+ H+H+H+H+ ATP K+K+K+K+ diffusione CO 2 + H 2 O AC H + + HCO 3 - HCO 3 - ATP

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

67 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.

68 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.

69 Summary of the distal tubule

70 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. Presentano molte molecole di aquaporine-2 che migrano sulla membrana apicale in risposta all’ADH e trasportatori di urea Le caratteristiche principali sono:

71 2. La permeabilità all’urea è abbastanza elevata, contrariamente al DC corticale 3. Secerne idrogenioni contro un forte gradiente chimico 1. La permeabilità all’acqua è sotto il controllo di ADH

72 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

73 -70mV

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75 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.

76 A. L’urea è un prodotto di scarto che deriva dal catabolismo proteico a livello epatico a seguito della deaminazione degli aa che non sono utilizzati dall’organismo per la sintesi proteica. Si trova nel plasma ad una concentrazione di 30mg/dl. Questa sostanza a livello renale è riassorbita e parzialmente secreta.

77 B. È liberamente filtrata dal glomerulo con C urea <C inulina poiché viene in parte riassorbita, principalmente per diffusione. Il gradiente per questo riassorbimento è dovuto al riassorbimento di acqua. Quindi il riassorbimento di urea varia con la rate di riassorbimento di acqua (in TCP). Il riassorbimento è ca del 50%, una quantità sufficiente ad impedire che l’urea possa divenire tossica.

78 C. I vari segmenti del nefrone hanno diversa permeabilità all’urea. La maggior parte è riassorbita nel TCP (il riassorbimento di acqua crea un gradiente per la sua diffusione e la concentrazione aumenta lievemente) e nella parte midollare di DC (sotto azione di ADH il nefrone è permeabilizzato grazie ad un trasportatore di urea, UT1, che qui è fortemente concentrata). Nell’AH *, TCD e DC corticale è aggiunta al liquido tubulare e quindi si concentra.

79 * Il TAs di AH è circondato da un interstizio midollare con elevata concentrazione di urea e quindi appena il liquido tubulare passa in questo tratto di nefrone, la diffusione di urea si inverte e l’urea è secreta nel liquido tubulare. Nei segmenti successivi il riassorbimento di acqua con pochissima urea fa sì che la concentrazione di urea aumenti notevolmente.