Fisiologia dell'apparato urinario

Il rene ha la funzione di depurare il sangue, rimovendo le sostanze non utili. Altri organi che servono a uno scopo simile, sebbene operino in maniera del tutto diversa, sono i polmoni. La procedura di filtraggio seguita dal rene è particolare: in un primo tempo esso "scarta" gran parte del plasma (urina primaria) e successivamente recupera da esso molte sostanze, preparando all'espulsione un fluido (urina secondaria) costituito solo da sostanze di scarto (oltreché acqua, ovviamente).
I reni sono funzionalmente legati al fegato: il fegato ha funzione di "demolitore" di sostanze, e il rene ha la funzione di eliminatore delle sostanze demolite ed inutili.

Cenni di anatomia
Il glomerulo renale, sistema che opera a notevole pressione, fa una ultrafiltrazione del sangue. La sua barriera filtrante è rappresentata dall'endotelio dei capillari glomerulari e dalla membrana basale dei capillari stessi e della capsula di Bowmann. Nè gli elementi corpuscolari del sangue nè le grosse proteine possono oltrepassare questa barriera. Soltanto la parte fluida e alcune piccole proteine riescono a passare il filtro del glomerulo, vanno a costituire l'ultrafiltrato primario (urina primaria), che quindi è costituito dalla parte plasmatica del sangue, privato delle proteine.

L'arterìola afferente al glomerulo arriva fino a 70 mmHg, quindi è molto maggiore della pressione che si misura normalmente nelle arterìole che, lo ricordiamo, raggiunge i 32 mmHg. Questa pressione più alta della norma, che favorisce la ultrafiltrazione, è causata dalla presenza di due distretti capillari in serie, che aumentano la pressione a monte e la diminuiscono a valle. Questi due distretti sono: la capillarizzazione glomerulare e la capillarizzazione post-glomerulare.

NB:  la maggiore pressione può essere anche in parte dovuta alla vicinanza dell'aorta (che dista solo qualche centimetro dai reni): si ricordi infatti che la resistenza fa diminuire la pressione, e quindi capillari con poca resistenza, come in questo caso, hanno pressioni di scorrimento più alte. Forse anche il diametro dell'arterìola efferente del glomerulo (che è minore di quello della afferente) può provocare un aumento della pressione, ma ciò non è sicuro: si consideri che c'è una diminuzione del diametro, ma anche una diminuzione del flusso (la parte del sangue che va a formare l'urina primaria non giunge all'arterìola efferente).

Poichè la parte corpuscolare del sangue che attraversa il glomerulo non è interessata da alcuna fase della filtrazione, è utile che il sangue che arriva al glomerulo sia impoverito delle componente corpuscolare, per motivi di economia di esercizio. Si consideri che prima di arrivare al glomerulo le arterie subiscono più di una diramazione: i rami però non si staccano dall'arteria principale in maniera "normale", ma presentano un angolo retto. In questo modo la parte corpuscolare del sangue, che viaggia al centro del vaso per motivi fisici di flusso viscoso, difficilmente entra nelle diramazioni perpendicolari. Così il sangue arriva al glomerulo risulta parzialmente impoverito di componente corpuscolare: si dice che ha un valore ematocrito minore della norma. Il valore normale viene recuperato dopo il glomerulo. 

Valori di filtrazione, la clearance dell'inulina
La quantità di plasma depurato dai reni si può calcolare iniettando in una vena dell'inulina, una sostanza innocua che si scioglie nella componente plasmatica del sangue. Essa non viene nè riassorbita dopo il glomerulo nè viene in alcun modo assimilata dall'organismo. Si misura la concentrazione di inulina nel sangue (Pi) e poi nelle urine (Ui). Si considera anche la quantità di urina prodotta (V). Il valore (detto clearance) Ui * V / Pi, che ha unità di misura ml/min indica quanti ml di plasma vengono depurati dall'inulina ogni minuto.

Questo valore equivale alla quantità di plasma depurato da entrambi i reni. Un valore normale è 127 ml/min (= 183 l/24h circa). Poichè il plasma costituisce circa il 50% del volume del sangue (l'atro 50% è parte corpuscolare) si deduce che i reni filtrano in totale 183 * 2 = 366 l/24h circa. Immettendo diverse quantità di inulina si ottengono gli stessi risultati, poiché aumentano sia Ui che Pi.
Poichè si hanno circa 2.5* litri di plasma (altri 2.5 l sono di parte corpuscolare) si ha che il plasma, in un giorno, viene filtrato 183/ 2.5 = 73 volte circa. (*) La quantità di sangue (parte corpuscolare + plasma) può essere considerata approssimativamente come il 7% del peso corporeo.

Valori di flusso plasmatico renale, la clearance del PAI
Immettendo nel circolo sanguigno dell'acido para-amminippurico, con calcoli concettualmente identici a quelli fatti per l'inulina, si può ottenere un valore del flusso plasmatico renale.
Il PAI non viene filtrato dal glomerulo, e passa (quasi) totalmente nella capillarizzazione post-glomerulare. Da lì però, viene espulso verso i tubuli contorti (90% al primo passaggio). La clearance dal PAI quindi è una misura approssimata del flusso plasmatico renale, vale 625 ml/min circa, e risulta mediamente cinque volte superiore alla clearance dell'inulina.

La quantità di sangue (plasma + parte corpuscolare) trattata dal glomerulo in 24h si ottiene in questo modo: 0.625 l/min (clearance PAI) * 60 min * 24h * 2 = 1800 l/24h. Si moltiplica per due poiché il valore di clearance del PAI si riferisce sono a 50% del sangue, (infatti si riferisce solo al plasma). Considerato che un individuo possiede 5 litri di sangue, esso in 24h verrà filtrato 1800 : 5 = 360 volte.

Di seguito ci sono alcuni valori di filtrazione, riassorbimento ed escrezione tramite l'urina.
Sostanza ml o gr. filtrati ml o gr. riassorbiti ml o gr. di escrezione
Acqua 180 178.5 1.5 NaCl 1500 1185 15 Bicarbonato 255 255 0 Glucosio 170 170 0 Urea 50 30 20

Il riassorbimento dell'acqua
Il 60% dell'acqua ultrafiltrata dal glomerulo viene riassorbita quando si trova nel tubulo contorto prossimale, il 20% nell'ansa di Henle, il 10% nel tubulo contorto distale, il 9% nei tubuli collettori. L'urina che raggiunge il bacinetto renale quindi possiede l'1% della quantità d'acqua della urina primaria.

Cosa avviene nei tubuli - I meccanismi di riassorbimento* in entrambi i tubuli (prossimale e distale) sono passivi e dipendenti da fenomeni attivi. Questi fenomeni sono costituiti dall'attività di alcune pompe situate nei tubuli. Queste pompe, attivate (con dispendio di energia) dall'ossigeno portato dal sangue nel rene, spostano dall'interno del tubulo verso l'esterno (interstizio renale) delle sostanze, come i sali. In questo modo essi diventano più concentrati all'esterno del tubulo, e cosi l'acqua tende a "seguirli" ed esce anch'essa dal tubulo, causando una concentrazione dell'urina (riassorbimento dell'acqua).

Per questo motivo si parla di un meccanismo passivo (l'acqua esce spontaneamente senza dispendio di energia) dipendente da uno attivo (le pompe). Il meccanismo sopra descritto viene detto riassorbimento obbligatorio, poiché non è in alcun modo modificabile dall'organismo.

(*) Per riassorbimento di una sostanza si intende sempre la sua uscita dal tubulo contenente l'urina e la immissione nel tessuto o nei vasi del rene.

Cosa avviene nell'ansa di Henle - Nell'ansa di Henle si ha un altro processo di riassorbimento, questa volta basato sul principio di controcorrente. La parete della parte discendente dell'ansa è permeabile sia all'acqua che ai sali. Considerando che man mano che si scende nella zona midollare la concentrazione salina aumenta (osmolarità crescente: si passa da 300 a 1200 milliosmoli o mosm) segue che l'acqua tende a uscire dall'ansa (che all'inizio presenta una concentrazione pari a 300 milliosmoli). Per lo stesso motivo Na+ tende ad entrare nell'ansa.

Nella parte più bassa dell'ansa l'urina raggiunge una concentrazine pari a 1100 mosm (non si raggiunge un completo equilibrio poiché l'ansa non è completamente permeabile all'acqua, ma la sua permeabilità è influenzata da un ormone, l'ADH, ma questo lo vedremo più avanti).
La parte ascendente dell'ansa di Henle è impermeabile all'acqua (che tenderebbe ad entrare poiché all'interno si ha una concentrazione di 1100 mosm mentre risalendo la concentrazione all'esterno diminuisce). Essa è invece permeabile a Na+, che tende a uscire, portando l'urina alla fine della parte ascendente dell'ansa a valori di concetrazione pari a 100 milliosmoli. A rigor di logica l'equilibrio con l'interstizio renale, che qui ha valori di 300 milliosmoli, dovrebbe dare origine ad una urina anch'essa concentrata a 300 milliosmoli. Na+ però esce con tal "vigore" che fa scendere la concentrazione fino a 100 milliosmoli. Questa uscita di Na+ contro il gradiente di concentrazione è resa possibile dalla presenza di pompe specifiche, pilotate dall'aldosterone.

L'aldosterone è un ormone steroideo, appartenente al tipo dei mineralcorticoidi, prodotto dalla zona corticale della ghiandola surrenale.
Cosa avviene nel tubulo contorto distale - Nel tubulo contorto distale si verificano eventi del tutto simili a quelli che avvengno nel tubulo prossimale. Poichè l'urina proveniente dall'ansa di Henle possiede un valore di 100 milliosmoli l'acqua tende a uscire dal tubulo, poiché l'interstizio renale possiede una osmolarità pari a 300 milliosmoli. Si ricordi che la parte ascendente dell'ansa era impermeabile all'acqua, mentre il tubulo distale è presenta una parete nuovamente permeabile.
Questo evento viene detto riassorbimento facoltativo, poiché esso è variabile. Infatti l'aldosterone può portare la concentrazione nell'ansa di Henle da 100 fino a 80 o 60 milliosmoli, e più è bassa la concentrazione nell'ansa (e quindi poi nel tubulo distale) maggiore sarà il riassorbimento dell'acqua.

Cenni sui farmaci diuretici
I farmaci diuretici sono essenzialmente di due tipi. Farmaci di tipo anti-aldosterone inibiscono l'aldosterone e quindi, poiché esso non può far uscire dal tubulo il sodio, nemmeno l'acqua ha motivo di uscire (si ricordi l'uscita passiva conseguente all'uscita attiva del sale). Ciò causa un aumento del volume di urina prodotta. Farmaci di questo tipo però causano anche la perdita, con l'urina, di ingenti quantità di Na+ che, non venendo allontanato dai tubuli, viene eliminato.

Farmaci contenenti molecole osmoticamente attive, una volta entrati nei tubuli renali, "trattengono" l'acqua dentro al tubulo. Ciò causa un aumento del volume di urina prodotta, mentre non si hanno perdite di Na+ che, potendo venir liberamente allontanato dal tubulo, non viene eliminato.

Le regolazioni della attività renale
Il rene è dotato, per le sue attività di filtrazione e assorbimento, di sistemi di controllo endocrini. Non si hanno quindi vie nervose, ma molecole (ormoni) che collegano recettori, centri regolatori e organi bersaglio tramite le vie ematiche.
I recettori sono situati nel apparato iuxtaglomerulare, che è costituito dalla porzione di tubulo contorto distale che passa vicinissimo al glomerulo e dalla porzione delle arterìole afferenti ed efferenti del glomerulo vicina all'ilo del glomerulo stesso. I recettori sono sensibili ai cambiamenti di pressione e di volume che possono avvenire nelle arterìole, e sono sensibili anche alle variazioni della concentrazione di Na+.

Solitamente i liquidi corporei possiedono una osmolarità che, con poche eccezioni vale 280 milliosmoli/litro (nei paragrafi precedenti l'abbiamo approssimata a 300 mosm/l). L'assunzione di sostanze solide e liquide dal parte dell'intestino fa variare notevolmente questi valori. Poichè variazioni troppo notevoli dell'osmolarità rappresentano un pericolo per l'organismo, esso si è dotato di sofisticati e precisi meccanismi per regolarla in maniera molto precisa. Il bilancio idrico e quello salino sono controllati da due ormoni: l'adiuretina o ormone anti-diuetico (ADH) e l'aldosterone. Il loro organo bersaglio principale è il rene.

Per studiare le risposte che il rene dà in seguito a diversi stati in cui si può trovare, consideriamo quattro situazioni fondamentali: deficit e sovraccarico idrico e deficit e sovraccarico salino.
Deficit idrico - Quando le perdite di acqua corporea non sono sufficientemente compensate, l'osmolarità del plasma sanguigno aumenta. Un aumento di sole 3 mosm/l è sufficiente per stimolare la secrezione di ADH nell'ipotalamo o la sua liberazione dalla neuroipofisi (lobo posteriore dell'ipofisi), vedi nota. Attraverso le vie ematiche l'ADH raggiunge il rene, dove induce una diminuzione del volume delle urine (maggior riassorbimento). Infatti l'ADH aumenta la permeabilità del dotto collettore, in modo che l'acqua possa uscire verso l'interstizio in maggior quantità.
Sovraccarico idrico - Un eccesso di acqua diminuisce l'osmolarità del sangue; Questo fatto inibisce la liberazione di ADH. Il tubulo collettore diviene quindi più impermeabile e non lascia uscire l'acqua, così si ha un aumento del volume delle urine.

Deficit salino - Una ingestione insufficiente di NaCl, con un normale apporto idrico, causa una diminuzione della osmolarità del sangue. A ciò segue, come abbiamo visto, una diminuzione dell'ADH. Il risultato è quindi un aumento del volume di urina prodotta, a cui segue una diminuzione del volume plasmatico*. La riduzione del volume plasmatico (e l'eventuale abbassamento della pressione sanguigna) inducono le cellule dell'apparato iuxtaglomerulare a liberare l'ormone renina. 
La renina priva l'angiotensinogeno di una sua parte, trasformandolo in angiotensina1. L'angiotensina1, quando a livello polmonare incontra l'enzima convertente, si trasforma in angiotensina2. L'angiotensina2, in dosi farmacologiche, è un potente vasocostrittore. A concentrazioni fisiologiche invece i suoi effetti di vasocostrittore sono trascurabili. La sua funzione principale è quella di stimolare la produzione, a livello surrenale, di aldosterone (la ghiandola surrenale agisce da centro regolatore).

L'aldosterone provoca un maggior riassorbimento di Na+ da parte dell'interstizio, presso il tubulo contorto distale. In questo modo la carenza di sale viene limitata.
(*) La riduzione del volume plasmatico provoca una caduta di pressione nel sistema circolatorio. I tensocettori dell'atrio sinistro del cuore si "accorgono" di questa situazione e informano, tramite via nervosa, l'ipotalamo, che promuove la secrezione di ADH (riflesso di Henry-Gauer).
Sovraccarico salino - L'aumento della osmolarità plasmatica causa un incremento della secrezione di ADH, a cui segue un aumento del volume plasmatico**. Un aumento del volume plasmatico limita la liberazione di renina, e così si blocca il meccanismo renina-angiotensina2-aldosterone e si ha un aumento della escrezione di Na+ con le urine.

A questo punto il plasma diviene ipotonico, la concentrazione di ADH diminuisce ed il volume del plasma e l'osmolarità si normalizzano.

(**) Un aumento del volume plasmatico causa uno stiramento delle fibre degli atrî. In queste condizioni le cellule del'atrio destro secernono l'ormone natriuretico atriale (le cellule contenevano il suo precursore, nel momento dell'espulsione esso viene privato di una sua parte, trasformandosi così in ormone vero e proprio). Nel rene questo ormone riduce il riassorbimento del sodio da parte degli interstizi renali (probabilmente ciò avviene limitando l'attività delle pompe).

Nota - La neuroipofisi: la neuroipofisi non contiene corpi cellulari di cellule nervose, ma contiene solo i loro assoni, mentre i corpi si trovano superiormente nell'ipotalamo, presso i nuclei sopraottico e paraventricolare. Gli assoni trasportano granuli contenenti ADH. Questi granuli vengono liberati nella neuroipofisi (fenomeno questo detto di neuro-secrezione). La neuroipofisi è fortemente irrorata da capillari, proprio perché l'ADH che in essa si riversa è un ormone, che "viaggia" solo per via ematica.
L'ADH esce dagli assoni in seguito ad un aumento di osmolarità: i corpi cellulari degli assoni contenenti ADH sono degli osmocettori. Così quando l'osmolarità cresce si sviluppano in queste cellule dei potenziali d'azione che 'fanno uscire" l'ADH dalla cellula nervosa.

L'eliminazione delle sostanze di scarto
Na+, HCO3- ed H+ - I processi di eliminazione di queste sostanze avvengono nei tubuli prossimale e distale. In ogni cellula della parete del tubulo avvengono i seguenti processi:
H2O + CO2 (presente nella cellula o proveniente dell'interstizio) = H2CO3 H2CO3 si dissocia in H+ e HCO3- HCO3- va dalla cellula all'interstizio, tramite gradiente di concentrazione H+ va dalla cellula al tubulo, tramite pompe a scambio sodio/idrogeno Nel tubulo H+ può restare libero o attaccarsi al tampone H2PO3-, ad ogni modo viene eliminato Na+ va dal tubulo alla cellula, tramite pompe a scambio sodio/idrogeno.

Composti azotati - I composti azotati, che sono tossici, sono trasportati nell'organismo verso il rene sfruttando l'acido alfa-chetoglutarico, derivante dal ciclo di Krebs. Avvengono le seguenti reazioni:
radicale azotato NH2 + acido alfa-chetoglutarico = acido alfa-chetoglutammico radicale azotato NH2 + acido alfa-chetoglutammico = glutammina.

Nel rene i radicali azotati NH2 vengono "staccati" dall'acido alfa-chetoglutammico o dalla glutammina, e ad essi vengono aggiunti due H+, in modo da ottenere NH2 + 2H+ = NH4+ (produrre ammoniaca NH3 aggiungendo un solo H+ all' NH2 sarebbe controproducente, essendo l'ammoniaca altamente tossica). L' NH4+ (ione ammonio) viene legato al Cl- (ma può essere legato anche ad altri anioni), e viene eliminato sottoforma di NH4Cl.

Cenni sull'acqua dell'organismo ed sui suoi compartimenti
Come è noto gli organismi viventi sono costituiti in grandissima parte d'acqua. Nell'uomo, come anche negli animali, possiamo individuare quattro distinti compartimenti in cui l'acqua può essere conservata. Essi sono:
- il compartimento intra-cellulare: ogni cellula possiede al suo interno dell'acqua, questo compartimento è separato dagli altri tramite la membrana cellulare, che è semipermeabile.
- il compartimento interstiziale
- il compartimento ematico, separato dagli altri tramite le pareti dei vasi
- il compartimento extracellulare, ossia le strutture contenenti all loro interno liquidi come quello cerebro-spinale, sinoviale e pleurico.

L'organismo, in caso di necessità, può far ricorso all'acqua contenuta nei vari compartimenti. Il primo ad essere sfruttato è quello ematico (il sangue, in caso di carenza d'acqua, diviene più denso), il secondo è il compartimento interstiziale (pelle secca, mucose meno irrorate, ecc). L'utima risorsa d'acqua è il compartimento cellulare. Quando esso inizia ad essere intaccato, si è in pericolo di vita, poichè il metabolismo cellulare viene alterato. Il compartimento extracellulare non può essere sfruttato come risorsa di liquidi.

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