Funzionamento del Nefrone e Apparato Iuxtaglomerulare

Andiamo ora ad analizzare il funzionamento del nefrone, che in particolare agisce attraverso i meccanismi di filtrazione, riassorbimento e secrezione.

La filtrazione
Avviene a livello del glomerulo renale, avevamo già visto che a questo livello la pressione della rete mirabile arteriosa è molto elevata perchè il diametro dell’arteriola efferente è molto piccolo rispetto al diametro dell’arteriola afferente, infatti si arriva ad avere una pressione di filtrazione netta di pari a 70 mm di Hg.

A differenza delle reti capillari comuni che sono contraddistinti da un valore di pressione netta pari a 35 mm di Hg, quindi una grande quantità di filtrato entra nella capsula glomerulare, in particolare si parla di una produzione di questo ultrafiltrato che è di circa 180 litri al giorno, ma di urina ne viene espulsa circa un litro e mezzo al giorno.


cellula iuxtaglomerulare,capsula di bowman

Considerato tutto questo e considerato anche il meccanismo di filtrazione del sangue tra la parete endoteliale e le cellule presenti a questo livello che abbiamo visto precedentemente, possiamo osservare che il sangue dell’arteriola efferente avrà una maggiore concentrazione molecolare, ed in particolare di proteine (in quanto dal filtro presente a livello del corpuscolo renale le proteine sopra i 70 kD non passano), tenderà dunque a richiamare dell’acqua all’interno del vaso sanguigno, inoltre l’arteriola efferente si caratterizza anche per dare dei rami che passano a livello del tubulo contorto prossimale e del tubulo contorto distale, andando a formare la rete capillare peritubulare, inoltre ci sono dei vasi retti spuri che scendono nella porzione della midollare renale, ed il loro compito sarà quello di andare a richiamare acqua, anche se questo passaggio lo vedremo meglio in seguito.

Il Riassorbimento
Per quanto riguarda la funzione di assorbimento, vediamo che a livello del tubulo contorto prossimale avviene attivamente un riassorbimento di circa il 75 % dell’ultrafiltrato, in particolare avviene in maniera attiva perchè l’ATP prodotto dai numerosi mitocondri presenti a questo livello serve a reintegrare amminoacidi, proteine, glucosio, una buona concentrazione di liquido ma ad esempio non viene riassorbita l’urea, poi a livello del tratto sottile l’assorbimento passivo è pari a circa il 5 % dell’ultrafiltrato, mentre nel tubulo contorto distale abbiamo che il 15 % dell’ultrafiltrato viene recuperato, infine a livello del dotto collettore abbiamo che il 4 % dell’ultrafiltrato viene recuperato, ed in particolare il riassorbimento a livello di queste due ultime zone è legato principalmente all’azione dell’ormone vasopressina, che possiamo dire dunque essere responsabile del 19 % del riassorbimento dell’ultrafiltrato.

Il 99 % dell’ultrafiltato viene così recuperato in questa maniera, ma soprattutto a livello del tubulo contorto distale, c’è una secrezione attiva di sostanze che vengono liberate in questo ultrafiltrato proprio per eliminarle con l’urina, ad esempio ci possono essere diversi tipi di farmaci tra cui la penicillina, oppure sostanze provenienti dal nostro metabolismo come la creatinina, che ormai non servono più al nostro corpo.

 

Per capire meglio le funzionalità del nefrone, dobbiamo innanzitutto andare a vedere il meccanismo di moltiplicazione controcorrente, se infatti consideriamo un tubo lungo in cui scorre dell’acqua a 30 °C, se pongo una sorgente di calore a metà della lunghezza del tubo, vado a scaldare l’acqua portandola ad esempio ad una temperatura di 40 °C.
Se però vado a piegare in due il tubo a livello della sorgente di calore, in modo che essa ora si trovi in basso, e la porzione superiore e inferiore del tubo rispetto alla sorgente di calore si trovano ora appaiate e vicine, abbiamo un fenomeno di scambio di calore controcorrente, nel senso che il tubo che sta dopo la sorgente di calore, andrà anche a scaldare l’acqua passante per il tubo adiacente che deve ancora passare dalla sorgente di calore.
Quest’acqua passando dalla sorgente di calore tenderà a scaldarsi ancora di più, avendo una temperatura iniziale maggiore di quella precedente, e a raggiungere una temperatura più elevata, il sistema funzionando più e più volte porta dunque ad un’efficienza generale del sistema molto migliorata rispetto a quello che abbiamo visto nella situazione iniziale, si parla così di un meccanismo di moltiplicazione controcorrente, che comunque dopo un discreto aumento di temperatura nelle porzioni del tubo vicino alla sorgente di calore, tenderà a raggiungere uno stato di equilibrio.
Nel rene quello che accade però è un fenomeno legato all’osmolarità (numero totale di molecole o ioni in un litro di soluzione), ma la base del processo è esattamente la stessa.

Per quanto riguarda invece il meccanismo di scambio controccorrente, possiamo vederlo ad esempio con un flusso di sangue arterioso che scende accostato ad un flusso di sangue venoso che invece risale, in particolare possiamo osservare che questo sangue arterioso porta aria calda e il sangue venoso esce con dell’aria fredda, grazie alla temperatura in periferia che è più fredda scendendo lungo la struttura che stiamo studiando in questo sistema.
Il sangue che scende si raffredda e nel momento in cui risale torna ad acquistare il calore agli ambienti che più superiormente sono sempre più caldi, in questo modo si ha una ricircolazione del calore che permette di mantenere a questo livello un ambiente più caldo di quello che ci sarebbe stato se i due vasi sanguigni avessero avuto un decorso rettilineo, questo dunque è un sistema che limita le perdite di calore del nostro corpo.
In ogni caso però dobbiamo osservare che una minima parte di calore esce comunque dalla venula che fuoriesce da questo sistema, non è un sistema che garantisce la massima efficienza.
Questo sistema lo possiamo vedere a livello dei vasi retti che passano per la midollare del rene, ma invece di considerare il calore come variabile, consideriamo la concentrazione di ioni sodio.

Se analizziamo la situazione a livello del rene, vediamo come il tratto spesso discendente del tubulo contorto prossimale possiede una soluzione isotonica rispetto al sangue, come anche nel tratto discendente dell’ansa di Henle, essendo permeabile sia all’acqua che ai soluti, successivamente possiamo vedere che nella porzione del tratto ascendente dell’ansa di Henle, in quanto questo ambiente è permeabile agli ioni ma non all’acqua, si attivano dei meccanismi di trasferimento degli ioni a livello dell’interstizio, creando un ambiente ipertonico ed una soluzione ipotonica, l’ultrafiltrato del tratto discendente dell’ansa di Henle per questo effetto andrà incontro a una progressiva salinizzazione, per entrare in equilibrio con l’ipertonicità dell’adiacente interstizio, mentre si ha anche una parziale perdita d’acqua dovuta al fatto che si tenta di equilibrare la concentrazione salina a livello dell’interstizio.
Dunque la soluzione presente nel tratto ascendente dell’ansa di Henle viene progressivamente resa più ipotonica dalla perdita dei sali che si depositano a livello dell’interstizio, a questo livello però i sali, determinando un ambiente ipertonico, richiamano acqua dai tratti sottili dell’ansa circostante (inoltre essendo questi ambienti permeabili anche ai sali, parte di questi sali entrano in questi condotti per cercare di creare una situazione d’equilibrio), essendo appunto l’ansa permeabile all’acqua e ai soluti, in questo modo si viene a creare dalla base verso l’apice della papilla renale un importante gradiente di concentrazione, che mi permette appunto di riciclare grandi quantità d’acqua che nell’interstizio verranno poi acquisite dai vasi retti (questo è il fenomeno di moltiplicazione controcorrente).
Quest’acqua infatti se non viene eliminata attraverso questi vasi sanguigni, un suo continuo richiamo nell’interstizio rischia di modificare il gradiente di concentrazione che si viene a creare, fondamentale per la riuscita di questo processo.
Andiamo dunque a descrivere il sistema dei vasi retti, classico sistema di scambio controcorrente in cui vediamo che questi vasi salgono e scendono appaiati a livello dell’interstizio.
Essi sono caratterizzati dal fatto che possono scambiarsi gli ioni sodio presenti a questo livello, infatti durante il suo tragitto il tratto discendente che porta sangue arterioso si carica di sodio e entra in equilibrio con l’ambiente circostante, poi piega a forcina e torna su con la porzione venosa che risale, la quale mentre sale trova delle zone a concentrazione minore di sali, e dunque tende a cederli all’ambiente circostante.
Risalirà infatti con una concentrazione di sali solamente di poco maggiore rispetto a quella in entrata (non dissipa tutto il contenuto in sali accumulato durante la sua fase di discesa soprattutto per la sua elevata velocità a questo livello) in modo da preservare la situazione di potenziale osmolarità che si è venuta a creare
Se non riassorbisse in piccola parte i sali, l’acqua prelevata dai vasi retti spuri porterebbe ad un costante aumento del gradiente di osmolarità che si viene a formare a livello dell’interstizio, invece in questa maniera siamo in grado di stabilizzare il valore del gradiente a valori più o meno d’equilibrio.

I vasi retti sono fatti proprio in questa maniera, in modo che il gradiente di osmolarità sia mantenuto, in particolare questo è il sistema utilizzato dai vasi retti veri, mentre sono i vasi retti spuri che sono adibiti a ricaricarsi d’acqua a questo livello per mantenere il grandiente di osmolarità, infatti questi vasi spuri sono originari delle arteriole efferenti, sono carichi di molecole di natura diversa, ed essendo più ipertonici rispetto all’ambiente circostante si caricano di acqua.
Per la fuoriuscita dei sali che abbiamo appena visto caratterizzare il tratto ascendente dell’ansa di Henle, abbiamo visto che si viene a creare un ambiente ipotonico che attraversa poi il tratto reuniente per arrivare a livello del dotto collettore, che torna a passare in mezzo all’interstizio visto in precendenza, anche se un po’ più spostato, quindi viene di nuovo riassorbita acqua dall’ambiente circostante vista la loro ipertonicità rispetto all’ambiente del dotto collettore, in questo modo diamo origine all’urina ipertonica, proprio per il passaggio in questo gradiente di concentrazione di sali (in questo caso sappiamo che il riassorbimento di acqua, come quello che avveniva a livello del tubulo contorto distale, dipende dal’ormone adiuretina, che determina essenzialmente la fuoriuscita di acqua verso i vasi sanguigni circostanti presenti nell’interstizio) del dotto collettore, quindi l’urina vera e propria sbuca a livello della papilla renale.

 

L’Apparato Iuxtaglomerulare

è un sistema molto importante presente a livello del rene e composto da tre tipi cellulari, in particolare parliamo delle cellule iuxtaglomerulari, delle cellule ilari (chiamate anche cellule del Mesangio extraglomerulari, o cellule lacis o cellule a cuscinetto) e delle celulle della macula densa.
Questo apparato si localizza nel punto d’incontro a livello dell’angolo tra l’arteriola efferente e l’arteriola afferente, in particolare vediamo che a questo livello passa il tubulo contorto distale, dove sotto ha un andamento rettilineo mentre al di sopra dell’apparato iuxtaglomerulare presenta una struttura più convoluta.

Nefrone,corpuscolo,tubulo contorto,corticale,midollare

Le cellule iuxtaglomerulari appartengono alla tonaca media dell’arteriola afferente, a contatto con l’endotelio perchè a questo livello manca la membrana elastica interna, sono infatti cellule mioepitelioidi ricche di granuli, in quanto rappresentano delle cellule muscolari lisce modificate che contengono granuli di renina, rappresentano dei meccanocettori in grado di sentire le variazioni di pressione del sangue nell’arteriola, ed in caso di bassa pressione vanno a rilasciare in circolo appunto la renina.
Le cellule della macula densa sono cellule appartenenti al tubulo contorto distale, ma appartengono solo a quelle cellule che bene o male prospettano verso le cellule iuxtaglomerulari.
Sono cellule molto colorabili, con poco citoplasma e nuclei piuttosto grossi, svolgono una funzione di osmocettori, in pratica sentono le variazioni di concentrazione del sodio nel filtrato che passa nel tubulo contorto distale
Le cellule lacis stanno tra le cellule della macula densa e le cellule iuxtaglomerulari, probabilmente sono in grado di mediare le informazioni tra i due tipi di cellule visti in precedenza.

 

Per varie ragioni ci può essere un abbassamento della pressione a livello del sangue, in particolare abbiamo visto che ci può essere una liberazione di renina nel sangue da parte delle cellule iuxtaglomerulari quando la pressione del sangue si abbassa a livello dell’arteriola afferente, in particolare questo enzima va ad agire sull’angiotensinogeno prodotto a livello epatico, che viene clivato e diventa l’angiotensina I, poi su questo substrato va ad agire l’enzima convertente a livello dell’endotelio polmonare (ma può essere presente anche in altri distretti questo enzima convertente), che permette la formazione di angiotensina II.
Questa molecola agisce come un potente vasocostrittore, portando ad un aumento della pressione del sangue, mentre agisce anche a livello della corticale del surrene dove permette la liberazione di aldosterone, un ormone mineralcorticoide che va ad agire sul tubulo contorto distale determinando un riassorbimento attivo di sodio dall’ultrafiltrato.
In questa maniera aumenta il richiamo di acqua a questo livello, ed aumenta il volume del sangue e di conseguenza anche la sua pressione nei vasi sanguigni.
Le cellule della macula densa invece, che recepiscono un abbassamento delle concentrazioni di sodio nel tubulo contorto distale (una minore concentrazione salina porta di conseguenza ad avere un minore volume di acqua e dunque una minore pressione sul vaso sanguigno), quindi agiscono comunicando con le cellule iuxtaglomerulari portandole a liberare renina. In questo modo parte poi lo stesso meccanismo di regolazione sulla pressione del sangue visto in precedenza, possiamo poi sottolineare come le cellule lacis sembrino essere i mediatori di questi tipi di segnali.

Gli effetti dell’aldosterone (ma in genere anche degli ormoni corticosteroidi prodotti dalla corticale del surrene) sono quelli di garantire un riassorbimento di sodio a livello del tubulo contorto distale (che avviene a discapito del potassio che a questo livello viene eliminato), a cui seguirà dunque un riassorbimento di acqua, che infine determinerà un aumento della pressione del sangue sui vasi sanguigni. Il rene produce anche un altro enzima, l’eritrogenina, che agisce sull’eritropoietinogeno, un enzima in forma inattiva prodotto dal fegato, che va incontro ad un fenomeno di clivaggio e diventa l’eritropoietina, che agisce a livello del midollo osseo portando alla produzione di eritrociti maturi.

Per finire consideriamo l’effetto dell’ADH, o vasopressina o ormone antidiuretico, che viene prodotta dal nucleo sopraottico e dal nucleo paraventricolare dell’ipotalamo, raggiunge in vescicole attraverso delle terminazioni assonali la neuroipofisi, per poi essere liberata a livello della circolazione generale, dove andrà ad agire sul tubulo contorto distale e sul dotto collettore, aumentando la permeabilità all’acqua di queste strutture attraverso delle proteine canale ben specifiche chiamate acquaporine, in particolare questo ormone viene liberato quando il sangue è molto concentrato, l’organismo andrà incontro ad una maggiore ritenzione idrica e l’urina prodotta sarà decisamente ipertonica.

Nel caso di lesioni ipotalamiche il soggetto beve e urina continuamente perché non interviene la vasopressina a regolare la ritenzione idrica da parte dell’organismo, questa patologia si chiama diabete insipido.
Il paratormone, prodotto a livello della corteccia del surrene, ha due effetti, in particolare è un ormone ipercalcemizzante, in quanto a livello renale viene trattentuto maggiormente lo ione calcio mentre viene perso maggiormente lo ione fosfato.
Sull’osso questo ormone agisce andando ad attivare l’attività degli osteoclasti in maniera indiretta, attraverso le cellule della linea osteogenica. E’ in grado però anche di determinare sempre a livello renale la produzione dell’enzima 1α-idrossilasi che idrossila la vitamina D portandone alla formazione della sua forma attiva che stimola (attraverso un meccanismo che porta all’attivazione di uno specifico fattore trascrizionale) la formazione della calbindina, una proteina transmembrana che porta ad assorbire una maggiore quantità di calcio a livello intestinale, proprio per il suo ruolo di carrier specifico per gli ioni calcio.
Con effetti contrastanti agisce la calcitonina, un ormone prodotto dalle cellule C della tiroide che se è presente un’elevata concentrazione di calcio nel sangue, aumenta la perdita di calcio a livello renale, diminuisce l’assorbimento di calcio a livello duodenale (inibendo la sintesi renale della forma attiva della vitamina D) ed agisce direttamente sugli osteoclasti, per disattivarne la loro funzione.