Una volta che nel glomerulo è avvenuto il fenomeno della filtrazione, avremo una seconda fase in cui il rene riassorbe ciò cheha filtrato. Il riassorbimento attraverso l'epitelio tubulare nel liquido interstiziale include sia trasporti attivi sia trasporti passivi, secondo gli stessi meccanismi di base di trasporto attraverso le membrane dell'organismo. Per esempio, l'acqua e i soluti possono essere trasportati sia attraverso la membrana cellulare (via transcellulare) sia attraverso gli spazi tra le giunzioni delle cellule (via paracellulare). Successivamente, dopo l'assorbimento nel liquido interstiziale attraverso le cellule epiteliali del tubulo, l'acqua e i soluti vengono trasportati attraverso le pareti dei capillari peritubulari nel sangue per ultrafiltrazione (flusso di massa), mediata dalle forze idrostatiche e colloidoosmotiche. I capillari peritubulari si comportano come le estremità venose di molti altri capillari, dove esiste una forza netta di riassorbimento che muove il liquido e i soluti dall'interstizio nel sangue.
Il trasporto attivo può trasportare un soluto contro un gradiente elettrochimico e richiede energia derivante dal metabolismo. Un trasporto direttamente accoppiato a una fonte di energia, come l'idrolisi dell'adenosina trifosfato (ATP) viene detto trasporto attivo primario. Un buon esempio ne è la pompa sodiopotassio, una ATPasi, attiva lungo la maggior parte del tubulo renale. Un trasporto indirettamente accoppiato a una fonte di energia, come quello dovuto a un gradiente ionico, viene detto trasporto attivo secondario. Il riassorbimento del glucosio da parte dei tubuli renali è un esempio di trasporto attivo secondario.
Anche se i soluti possono essere riassorbiti con meccanismo attivo e/o passivo dal tubulo, l'acqua è sempre riassorbita con un meccanismo fisico passivo chiamato osmosi, il che significa che l'acqua diffonde da una regione con una minore concentrazione di soluti (con una maggiore concentrazione di acqua) a una con un'elevata concentrazione di soluti (a minore concentrazione di acqua).
I soluti possono essere trasportati attraverso le cellule epiteliali o tra le cellule Le cellule dei tubuli renali, come altre cellule epiteliali, sono tenute assieme dalle giunzioni serrate (tight junctions). Sotto le giunzioni si trovano gli spazi intercellulari laterali che separano tra loro le cellule epiteliali del tubulo. I soluti possono essere riassorbiti o secreti attraverso le cellule tramite la via transcellulare o passando tra le cellule, attraverso le giunzioni serrate e gli spazi intercellulari, tramite la via paracellulare. Il sodio è una sostanza che usa entrambe queste vie, anche se la maggior parte di esso viene trasportata per via transcellulare.
In alcuni segmenti del nefrone, soprattutto il tubulo
prossimale, anche l'acqua viene riassorbita per via paracellulare e le sostanze
in essa disciolte, soprattutto il potassio, il magnesio e il cloro, sono
trasportate con il liquido riassorbito tra le cellule. Il trasporto attivo
primario attraverso la membrana tubulare è legato all'idrolisi dell'ATP. La
particolare importanza del trasporto attivo primario è legata al fatto che
esso può far muovere i soluti contro un gradiente elettrochimico.
L'energia per questo trasporto attivo deriva dall'idrolisi dell'ATP dovuta all'ATPasi
di membrana; anche l'ATPasi è un componente del meccanismo di trasporto che
lega e muove i soluti attraverso le membrane cellulari. Nei reni, i trasporti
attivi primari conosciuti sono la sodiopotassic ATPasi, Y idrogenopotassio
ATPasi e la calcio ATPasi. Un buon esempio di sistema di trasporto attivo
primario è il riassorbimento di sodio attraverso la membrana del tubulo
prossimale, come mostrato nella Figura 1: riassorbimento dell'acqua e dei soluti
filtrati dal lume tubulare attraverso le cellule epiteliali del tubulo,
attraverso l'interstizio renale indietro nel sangue. I soluti sono trasportati
attraverso le cellule (transcellulare) per diffusione passiva o per trasporto
attivo oppure tra cellule (via paracellulare) per diffusione.
L'acqua viene trasportata verso e tra le cellule tubulari per osmosi. Il trasporto di acqua e soluti liquido interstiziale nei capillari peritubulari avviene per ultrafiltrazione (flusso di massa). Sui lati basolaterali delle cellule epiteliali dei tubuli, la membrana cellulare presenta un esteso sistema di Na+K+ ATPasi che idrolizza l'ATP e usa l'energia rilasciata per trasportare gli ioni sodio al di fuori della cellula nell'interstizio.
Allo stesso tempo, il potassio
viene trasportato dall'interstizio all'interno della cellula. Il lavoro di
questa pompa ionica mantiene bassa la concentrazione intracellulare di sodio e
alta quella del potassio e mantiene una carica netta negativa di circa 70 mV
all'interno della cellula. Questa estrusione attiva del sodio dalla cellula
attraverso la membrana basolaterale favorisce la diffusione passiva di sodio
della cellula dal lume tubulare ella cellula attraverso la membrana luminale,
per due motivi: < 11 il gradiente di concentrazione favorisce la diffusione del
sodio, poichè la concentrazione intracellulare di sodio è bassa
I2mEq/L) e quella nel tubulo elevata (140mEq/L); (2) il ryjtenziale
intracellulare negativo, 70 mV, attrae gli ioni sodio carichi positivamente dal
lume tubulare nella cellula.
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Il riassorbimento attivo di sodio dovuto alla Na+K+ ATPasi avviene in quasi
tutte le porzioni del tubulo. In alcune parti del nefrone vi sono anche altri
meccanismi che trasportano grosse quantità di sodio nella cellula. Nel
tubulo prossimale vi è un esteso orletto a spazzola sul lato luminale della
membrana (la faccia che guarda all'interno del lume del tubulo) che moltiplica
la superficie di circa venti volte. Vi sono anche proteine che trasportano gli
ioni sodio, legandoli al lato luminale della membrana e rilasciandoli
all'interno della cellula, e provvedendo cosi' alla diffusione facilitata del
sodio attraverso la membrana della cellula. Queste proteine trasportatrici del
sodio sono anche inportanti per il trasporto attivo secondario di altre
sostanze, come il glucosio e gli aminoacidi.
Il riassorbimento netto di ioni sodio dal lume tubulare nel sangue coinvolge
quindi almeno tre passaggi:
1. Il sodio diffonde attraverso la membrana luminale (chiamata anche membrana
apicale) nella cellula secondo un gradiente elettrochimico creato dalla Na+K+
ATPasi posta sulla membrana basolaterale.
2. Il sodio viene trasportato attraverso la membrana basolaterale contro il
gradiente elettrochimico dalla Na+K+ ATPasi.
3. Il sodio, l'acqua e altre sostanze vengono riassorbite dal liquido
interstiziale nei capillari peritubulari per ultrafiltrazione, processo passivo
guidato dai gradienti di pressione idrostatica e colloidoosmotica.
Nella figura 2: Meccanismo di base per il trasporto attivo di sodio attraverso
la cellula epiteliale tubulare. La Na*K+ ATPasi estrude il sodio attraverso la
membrana basolaterale, cosi' che la concentrazione intracellulare di sodio
è bassa e si crea un potenziale elettrico intracellulare negativo. La bassa
concentrazione intracellulare di sodio e il potenziale elettrico negativo fanno
si' che gli ioni sodio diffondano dal lume del tubulo nelle cellule attraverso
l'orletto a spazzola.
Riassorbimento attivo secondario attraverso la membrana tubulare
Nel trasporto attivo secondario, due o più sostanze interagiscono con una
proteina di membrana specifica (una molecola trasportatrice) e vengono
trasportate insieme attraverso la membrana. Nel momento in cui una delle
sostanze (per esempio, il sodio) diffonde secondo il suo gradiente
elettrochimico, l'energia liberata viene usata per trasportare un'altra sostanza
(per esempio, il glucosio) contro il suo gradiente elettrochimico.
Per tale
ragione, il trasporto attivo secondario non richiede energia direttamente
dall'ATP o da un'altra fonte di fosfato ad alto contenuto energetico. Piuttosto,
la fonte diretta di energia è quella liberata dalla simultanea diffusione
facilitata di un'altra sostanza trasportata secondo il suo gradiente
elettrochimico.
Nell'ambito del meccanismo del trasporto attivo secondario del glucosio e degli
aminoacidi nel tubulo prossimale. In entrambi i casi, una specifica proteina
trasportatrice nell'orletto a spazzola si combina contemporaneamente con uno
ione sodio e un aminoacido o una molecola di glucosio. Tali meccanismi di
trasporto sono cosi' efficienti da rimuovere virtualmente tutto il glucosio e
gli aminoacidi dal lume del tubulo. Dopo che sono entrati nella cellula, il
glucosio e gli aminoacidi ne escono attraverso la membrana basolaterale per
diffusione, grazie alla loro elevata concentrazione intracellulare, facilitata
da specifiche proteine trasportatrici.
I cotrasportatori sodioglucosio (SGLT2
e SGLT1) sono localizzati sull'orletto a
spazzola delle cellule del tubulo prossimale e trasportano il glucosio nel
citoplasma cellulare contro un gradiente di concentrazione, come descritto in
precedenza. Circa il 90% del glucosio filtrato è riassorbito da SGLT2 nella
prima porzione del tubulo prossimale (segmento SI), mentre il restante 10%
è trasportato da SGLT1 nei segmenti finali del tubulo prossimale.
Al lato basolaterale della membrana, il glucosio fuoriesce dalla cellula negli spazi
interstiziali grazie ai trasportatori del glucosio GLUT2, nel segmento SI e
GLUT1 nella porzione finale (segmento S3) del tubulo prossimale.
Anche se il trasporto di glucosio contro gradiente chimico non usa direttamente
ATP, il riassorbimento del glucosio dipende dall'energia spesa dalla Na+K+
ATPasi della membrana basolaterale. Il gradiente elettrochimico per la
diffusione facilitata del sodio attraverso la membrana luminale viene mantenuto
dall'attività di questa pompa ed è questa diffusione del sodio
all'interno della cellula secondo gradiente che fornisce l'energia per il
contemporaneo trasporto contro gradiente del glucosio attraverso la membrana
luminale. Tale riassorbimento di glucosio è quindi detto "trasporto attivo
secondario", poichè il glucosio di per sè viene riassorbito contro un
gradiente chimico, ma è "secondario" al trasporto attivo primario di sodio.
Un altro punto importante è che si dice che una sostanza va incontro a
trasporto "attivo" quando almeno uno dei passaggi del suo riassorbimento
coinvolge un trasporto attivo primario o secondario, anche se altri passaggi nel
processo di riassorbimento possono essere passivi. Per il riassorbimento del
glucosio, vi è un trasporto attivo secondario nella membrana luminale, ma
in quella basolaterale avviene una diffusione facilitata passiva e nei capillari
peritubulari il glucosio entra passivamente, trascinato dal flusso d'acqua.
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Alcune sostanze vengono secrete nei tubuli per trasporto attivo secondario.
Questo spesso coinvolge il controtrasporto della sostanza con ioni sodio. Nel
controtrasporto, l'energia liberata dal movimento secondo gradiente di una delle
sostanze (per esempio, gli ioni sodio) permette il movimento di una seconda
sostanza contro gradiente nella direzione opposta. Un esempio di controtrasporto,
è la secrezione attiva di ioni idrogeno accoppiata al riassorbimento di
sodio nella membrana luminale del tubulo prossimale. In questo caso, l'ingresso
di sodio nella cellula è accoppiato all'estrusione dell'idrogeno dalla
cellula tramite il controtrasporto sodioidrogeno. Tale trasporto è mediato
da una proteina specifica (lo scambiatore sodioidrogeno) nell'orletto a spazzola
della membrana luminale. Come il sodio viene trasportato all'interno della
cellula, gli ioni idrogeno sono costretti a uscire in direzione opposta nel lume
tubulare.
Pinocitosi: un meccanismo di trasporto attivo per il riassorbimento delle
proteine
Alcune porzioni del tubulo, soprattutto il tubulo prossimale, riassorbono
molecole di grosse dimensioni come le proteine per pinocitosi. In questo
processo, la proteina si lega all'orletto a spazzola della membrana luminale e,
successivamente, questa porzione della membrana si invagina all'interno della
cellula sino a staccarsi completamente, formando una vescicola che contiene la
proteina. Una volta all'interno della cellula, la proteina viene digerita nei
suoi costituenti aminoacidi, che sono riassorbiti attraverso la membrana
basolaterale nel liquido interstiziale. Poichè richiede energia, la
pinocitosi è considerata una forma attiva di trasporto.
Per molte sostanze che sono riassorbite o secrete attivamente, esiste un
limite alla velocità a cui la sostanza può essere trasportata, spesso
indicato come trasporto massimo. Tale limite è dovuto alla saturazione del
sistema di trasporto specifico coinvolto quando la quantità di soluto
liberata nel tubulo (detta carico tubulare) eccede la capacità delle
proteine trasportatrici e degli enzimi specifici coinvolti nel processo di
trasporto. Il sistema di trasporto del glucosio nel tubulo prossimale ne è
un buon esempio. Normalmente, nelle urine non vi è traccia di glucosio
perchè essenzialmente tutto il glucosio filtrato viene riassorbito nel
tubulo prossimale. Tuttavia, quando il carico filtrato supera la capacità
dei tubuli di riassorbire il glucosio, vi è escrezione di glucosio
nell'urina.
In un uomo adulto, il trasporto massimo per il glucosio (detto carico tubulare
massimo) è mediamente pari a circa 375 mg/min, mentre il carico filtrato
è pari solo a circa 125 mg/min (VFG x concentrazione plasmatica di glucosio
= 125 mL/min x 1 mg/mL). Per ampi aumenti della VFG e/o della concentrazione
plasmatica del glucosio che aumentano il carico filtrato di glucosio a oltre 375
mg/min, il glucosio filtrato in eccesso non viene riassorbito e si ritrova
nell'urina.
Si noti che quando la concentrazione plasmatica di glucosio è pari a 100
mg/100 mL e il carico filtrato è al livello normale, 125 mg/min, non
c'è perdita di glucosio nelle urine. Quando la concentrazione plasmatica di
glucosio cresce oltre i 200 mg/100 mL, aumentando il carico filtrato a 250
mg/min, una piccola quantità di glucosio comincia a comparire nelle urine
(fenomeno della glicosuria). Questo punto è detto soglia renale del
glucosio. Si noti che la comparsa del glucosio nell'urina (alla soglia) avviene
prima che sia raggiunto il carico tubulare massimo. Una ragione della differenza
tra la soglia e il carico tubulare massimo è che non tutti i nefroni hanno
lo stesso trasporto massimo per il glucosio e che, di conseguenza, alcuni dei
nefroni iniziano ad eliminare il glucosio prima che altri abbiano raggiunto il
loro trasporto massimo.
Il carico tubulare massimo totale dei reni, che è
pari a circa 375 mg/min, viene raggiunto quando tutti i nefroni hanno raggiunto
la loro capacità massima di riassorbire il glucosio. Il glucosio plasmatico
di un soggetto sano in genere non diventa mai abbastanza elevato da causare
un'escrezione di glucosio nell'urina, anche dopo un pasto. Invece, nel diabete
mellito non controllato, il glucosio plasmatico cresce a livelli tali da
causarne l'escrezione con le urine poichè il carico filtrato supera la
quantità massima trasportata. Alcuni dei più importanti valori di carico
tubulare massimo per sostanze riassorbite attivamente dai tubuli sono:
Sostanze Carico tubulare massimo
Glucosio 375 mg/min
fosfafati 0,10mmol/min
Solfati 0,06mmol/min
Aminoacidi 1,5mmol/min
Lattato 75 mg/min
Proteine plasmatiche 30 mg/min
Carico tubulare massimo per alcune sostanze secrete attivamente
Creatinina 16mg/min
Acido paraaminoippurico 80mg/min
La ragione per cui i soluti trasportati attivamente di norma mostrano un carico tubulare massimo è che i sistemi di trasporto si saturano quando il carico tubulare aumenta. Le sostanze che sono riassorbite passivamente non mostrano un carico tubulare massimo perchè la loro velocità di trasporto è determinata da altri fattori, come (1) il gradiente elettrochimico per la diffusione della sostanza attraverso la membrana, (2) la permeabilità della membrana alla sostanza e (3) il tempo di permanenza del liquido contenente la sostanza all'interno del tubulo. Un trasporto di questo tipo è detto trasporto gradientetempo perchè I velocità del trasporto dipende dal gradiente elettrochimico e dal tempo di permanenza della sostanza nel tubulo, il che a sua volta dipende dalla velocità del flusso tubulare. Anche per alcune sostanze trasportate attivamente il trasporto ha caratteristiche gradientetempo dipendenti. Un esempio è il riassorbimento di sodio nel tubulo prossimale. Il motivo principale per cui non c'è un carico tubulare massimo per il trasporto di sodio nel tubulo prossimale è che altri fattori limitano la velocità di riassorbimento impedendo che venga raggiunta la velocità massima di trasporto attivo. Per esempio, nei tubuli prossimali, la capacità massima di trasporto della Na+K+ ATPasi basolaterale è di solito molto più grande della reale velocità netta di riassorbimento di sodio. Una delle ragioni è che una quantità significativa di sodio trasportata fuori dalla cellula torna nel lume tubulare attraverso le giunzioni epiteliali. La velocità a cui il sodio torna nel lume del tubulo dipende da diversi fattori, tra cui (1) la permeabilità delle giunzioni e (2) le forze fisiche che determinano la velocità di riassorbimento per flusso di massa dal liquido interstiziale nei capillari peritubulari. Perciò il trasporto di sodio nei tubuli prossimali obbedisce soprattutto ai principi del trasporto gradientetempo piuttosto che alle caratteristiche di un trasporto massimo tubulare. Questo significa che più grande è la concentrazione di sodio nei tubuli prossimali, più grande è la sua velocità di riassorbimento. Inoltre, minore è la velocità di flusso del liquido tubulare, più grande è la percentuale di sodio che può essere riassorbita dai tubuli prossimali. Nelle porzioni più distali del nefrone, le cellule epiteliali hanno giunzioni molto più strette e trasportano quantità di sodio molto più piccole. In questi segmenti, il riassorbimento di sodio mostra un carico tubulare massimo simile a quello di altre sostanze trasportate attivamente. Inoltre, tale carico tubulare massimo può essere aumentato da alcuni ormoni, come l'aldosterone.
Quando i soluti sono trasportati fuori dal tubulo per trasporto attivo primario o secondario, la loro concentrazione all'interno del tubulo tende a diminuire, mentre cresce nello spazio interstiziale del rene. Questo crea una differenza di concentrazione che causa il passaggio osmotico di acqua nella stessa direzione in cui sono trasportati i soluti, dal lume tubulare all'interstizio renale. Alcune porzioni del tubulo renale, specialmente il tubulo prossimale, sono molto permeabili all'acqua, e il riassorbimento di acqua avviene cosi' rapidamente che vi è solo un piccolo gradiente di concentrazione per i soluti a cavallo della membrana tubulare. Gran parte del flusso osmotico di acqua nei tubuli prossimali avviene sia attraverso le cosiddette giunzioni serrate tra le cellule epiteliali sia attraverso le cellule stesse. La ragione, come già discusso, è che le giunzioni tra le cellule non sono cosi' serrate come indicherebbe il loro nome, ma permettono un passaggio significativo di acqua e piccoli ioni. Ciò si verifica soprattutto nei tubuli prossimali, che hanno un'elevata permeabilità all'acqua e una più bassa ma significativa permeabilità alla maggior parte degli ioni come il sodio, il cloro, il potassio, il calcio e il magnesio. Mentre l'acqua si muove attraverso le giunzioni serrate per osmosi, può anche portare con sè alcuni soluti, in un processo detto trascinamento da solvente. Poichè il riassorbimento di acqua, soluti organici e ioni è accoppiato al riassorbimento di sodio, i cambiamenti nel riassorbimento di sodio influenzano significativamente il riassorbimento di acqua e di molti altri soluti. Nelle porzioni più distali del nefrone, a partire dall'ansa di Henle fino al tubulo collettore, le giunzioni serrate diventano molto meno permeabili all'acqua e ai soluti e, inoltre, l'area della superficie della membrana delle cellule epiteliali è notevolmente ridotta. Perciò, l'acqua non può facilmente attraversare le giunzioni serrate della membrana per osmosi. Tuttavia, l'ormone antidiuretico (ADH) aumenta notevolmente la permeabilità all'acqua nei tubuli distali e collettori, come si vedrà successivamente. Pertanto, il passaggio di acqua attraverso l'epitelio tubulare può avvenire solo se la membrana è permeabile all'acqua, indipendentemente dalla grandezza del gradiente osmotico. Nel tubulo prossimale, la permeabilità all'acqua è sempre elevata e l'acqua viene riassorbita alla stessa velocità dei soluti. Nel segmento ascendente dell'ansa di Henle, la permeabilità all'acqua è sempre bassa, cosi' che l'acqua non viene praticamente mai riassorbita, nonostante un ampio gradiente osmotico. La permeabilità all'acqua nell'ultimo tratto del nefrone tubuli distali, tubuli e dotti collettori può essere elevata o bassa a seconda della presenza o meno dell'ADH.. La creatinina, altro prodotto di rifiuto del metabolismo, è una molecola di maggiori dimensioni rispetto all'urea e non può attraversare la membrana tubulare. Perciò la creatinina filtrata non è riassorbita, e viene tutta escreta con l'urina.
Quando il sodio viene riassorbito attraverso la cellula epiteliale del
tubulo, gli ioni negativi come il cloro seguono il sodio a causa del potenziale
elettrico. In altre parole, il trasporto degli ioni sodio, carichi
positivamente, fuori dal lume lascia l'interno del lume negativo, in confronto
al liquido interstiziale. Ciò determina la diffusione passiva degli ioni cloro
attraverso la via paracellulare. Un riassorbimento addizionale di ioni cloro
avviene a causa di un gradiente di concentrazione degli ioni cloro che si
sviluppa quando l'acqua viene riassorbita per osmosi dal tubulo, concentrando
cosi' gli ioni cloro nel lume tubulare (Figura 3). Pertanto il riassorbimento
attivo di sodio è strettamente accoppiato al riassorbimento passivo di
cloro per il gradiente elettrico e per il gradiente di concentrazione degli ioni
cloro. Gli ioni cloro possono anche essere riassorbiti per trasporto attivo
secondario. Il principale meccanismo di trasporto attivo secondario per il
riassorbimento del cloro è il cotrasporto del cloro con il sodio attraverso
la membrana luminale. Anche l'urea viene riassorbita passivamente dal tubulo, ma
in minor misura rispetto agli ioni cloro. Quando l'acqua viene riassorbita dai
tubuli (per osmosi accoppiata al riassorbimento di sodio), la concentrazione
dell'urea nel lume del tubulo aumenta (si veda la Figura 27.5), creando un
gradiente di concentrazione che favorisce il riassorbimento dell'urea. Comunque,
l'urea non permea il tubulo cosi' facilmente come l'acqua. In alcune porzioni
del nefrone, specialmente nel dotto collettore della midollare interna, il
riassorbimento passivo dell'urea è facilitato da trasportatori specifici
per l'urea. Ciononostante, solo circa metà dell'urea filtrata dai capillari
glomerulari viene riassorbita dai tubuli. La restante urea viene escreta con
l'urina, permettendo ai reni di eliminare grosse quantità di questo
prodotto di scarto del metabolismo. Nei mammiferi, oltre il 90% dell'azoto di
scarto, per lo più prodotto nel fegato come prodotto del metabolismo delle
proteine, è di norma escreto dai reni sotto forma di urea. Riassorbimento e
secrezione lungo i diversi tratti del nefrone Si è già discusso in
precedenza dei principi di base secondo cui l'acqua e i soluti vengono
trasportati attraverso la membrana tubulare. Tenendo presenti queste
considerazioni di carattere generale, ora si può discutere delle diverse
caratteristiche dei singoli segmenti tubulari che permettono loro di svolgere
specifiche funzioni. Verranno discusse solo le funzioni di trasporto tubulare
quantitativamente più importanti, soprattutto quelle correlate al
riassorbimento di sodio, cloro e acqua. Nei capitoli seguenti si illustrerà
il riassorbimento e la secrezione di altre sostanze specifiche in diverse
porzioni del sistema tubulare.
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Normalmente, circa il 65% del carico filtrato di sodio e di acqua e una percentuale lievemente inferiore di cloro sono riassorbiti dal tubulo prossimale prima che il filtrato raggiunga l'ansa di Henle. Queste percentuali possono essere aumentate o diminuite in diverse condizioni fisiologiche, come si vedrà in seguito. I tubuli prossimali hanno capacità di trasporto attivo e passivo molto elevate. L'elevata capacità di riassorbimento del tubulo prossimale dipende dalle caratteristiche peculiari delle sue cellule. Le cellule epiteliali del tubulo prossimale hanno un elevato metabolismo e un elevato numero di mitocondri per sostenere gli intensi processi di trasporto attivo. Inoltre, le cellule del tubulo prossimale hanno un abbondante orletto a spazzola sul lato luminale (apicale) della membrana e un esteso labirinto di spazi intercellulari e basali, i quali nel loro complesso fanno si' che la superficie delle membrane luminale e basolaterale sia molto estesa, favorendo il rapido trasporto di sodio e di altre sostanze. L'ampia superficie della membrana dell'orletto a spazzola presenta inoltre proteine trasportatrici che assorbono una grande quantità di ioni sodio insieme a diverse molecole di nutrienti organici come aminoacidi e glucosio per mezzo di meccanismi di cotrasporto. Ulteriore sodio è trasportato dal lume tubulare nella cellula per controtrasporto; questo meccanismo riassorbe sodio in scambio con la secrezione nel lume tubulare di altre sostanze, in modo particolare di ioni idrogeno. La secrezione di ioni idrogeno nel lume tubulare è un passaggio importante nel rimuovere gli ioni bicarbonato dal lume del tubulo (l'H+ si combina con l'HCO3 per formare H2C03, che poi si dissocia in H20 e C02). Anche se la Na+K+ ATPasi è la principale forza motrice per il riassorbimento del sodio, del cloro e dell'acqua lungo tutto il tubulo prossimale, ci sono alcune differenze nei meccanismi grazie ai quali il sodio e il cloro attraversano la membrana luminale delle cellule nelle porzioni iniziali e terminali del tubulo prossimale. Nella prima metà del tubulo prossimale, il sodio viene riassorbito per cotrasporto con glucosio, aminoacidi e altri soluti. Nella seconda parte del tubulo prossimale, solo una piccola quota di glucosio e di aminoacidi deve essere ancora riassorbita e il sodio viene, quindi, riassorbito principalmente con gli ioni cloro. La seconda metà del tubulo prossimale presenta una concentrazione di ioni cloro relativamente elevata (circa 140mEq/L) se paragonata a quella nella porzione iniziale (circa 105mEq/L) perchè, quando il sodio viene riassorbito in questo tratto, preferenzialmente trasporta con sè glucosio, bicarbonato e ioni organici, lasciando quindi nel lume tubulare una soluzione a maggior concentrazione di cloro. Nella seconda metà del tubulo prossimale, la più alta concentrazione di cloro favorisce la diffusione di questo ione dal lume del tubulo attraverso le giunzioni intercellulari nel liquido interstiziale renale. Minori quantità di cloro possono essere riassorbite anche attraverso canali specifici per il cloro presenti nelle membrane delle cellule dei tubuli prossimali.
Anche se la quantità di sodio nel liquido tubulare diminuisce in modo marcato lungo il tubulo prossimale, la concentrazione di sodio (e l'osmolarità totale) resta relativamente costante perchè la permeabilità all'acqua del tubulo prossimale è cosi' grande che il riassorbimento di acqua segue di pari passo il riassorbimento del sodio. Alcuni soluti organici, come glucosio, aminoacidi e bicarbonato, sono riassorbiti molto più rapidamente dell'acqua, cosi' che la loro concentrazione diminuisce in modo significativo lungo tutta la lunghezza del tubulo prossimale. La concentrazione di altri soluti organici, che sono meno permeanti e non sono riassorbiti attivamente, come la creatinina, aumenta lungo il tubulo prossimale. La concentrazione totale dei soluti, come evidenzia la costanza dall'osmolarità, resta essenzialmente la stessa lungo tutto il tubulo prossimale essendo la permeabilità all'acqua di questa porzione del nefrone estremamente elevata.
Il tubulo prossimale è anche un'importante sede di secrezione di acidi e
di basi organiche come sali biliari, ossalati, urati e catecolamine. Molte di
queste sostanze sono prodotti finali del metabolismo e devono essere rapidamente
eliminate dall'organismo. La secrezione di queste sostanze, la loro filtrazione
nel tubulo prossimale da parte dei capillari glomerulari e la quasi completa
mancanza di loro riassorbimento dai tubuli, contribuiscono alla loro rapida
escrezione nell'urina. Oltre ai prodotti di rifiuto del metabolismo, i reni
secernono direttamente nei tubuli attraverso le cellule tubulari molti farmaci o
tossine potenzialmente nocivi e ripuliscono rapidamente il sangue da queste
sostanze. Nel caso di alcuni farmaci, come la penicillina e i salicilati, la
capacità dei reni di ripulire rapidamente il sangue da queste sostanze
è di ostacolo per il mantenimento dell'effettiva concentrazione terapeutica
del farmaco. Un altro composto che viene rapidamente secreto dal tubulo
prossimale è l'acido paraaminoippurico (PAI). Il PAI viene secreto cosi'
rapidamente che un soggetto sano può allontanare circa il 90% del PAI dal
sangue che passa attraverso il rene eliminandolo con le urine. Per questo
motivo, il valore della clearance del PAI può essere usato per stimare il
flusso plasmatico renale, come si vedrà successivamente.
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