Biologia I

Anche se i reni sono il principale organo osmoregolatore, anche la pelle e i polmoni hanno un ruolo nel processo. L’acqua e gli elettroliti vengono persi attraverso le ghiandole sudoripare della pelle, che aiutano a idratare e raffreddare la superficie cutanea, mentre i polmoni espellono una piccola quantità di acqua sotto forma di secrezioni mucose e attraverso l’evaporazione del vapore acqueo.

I reni: Il principale organo osmoregolatore

Figura 1. I reni filtrano il sangue, producendo urina che viene immagazzinata nella vescica prima dell’eliminazione attraverso l’uretra. (credito: modifica del lavoro di NCI)

I reni, illustrati nella Figura 1, sono una coppia di strutture a forma di fagiolo che si trovano appena sotto e posteriormente al fegato nella cavità peritoneale. Le ghiandole surrenali si trovano sopra ogni rene e sono anche chiamate ghiandole surrenali. I reni filtrano il sangue e lo purificano. Tutto il sangue del corpo umano viene filtrato molte volte al giorno dai reni; questi organi utilizzano quasi il 25% dell’ossigeno assorbito attraverso i polmoni per svolgere questa funzione. L’ossigeno permette alle cellule renali di produrre efficacemente energia chimica sotto forma di ATP attraverso la respirazione aerobica. Il filtrato che esce dai reni è chiamato urina.

Struttura dei reni

Esternamente, i reni sono circondati da tre strati, illustrati nella figura 2. Lo strato più esterno è uno strato di tessuto connettivo duro chiamato fascia renale. Il secondo strato è chiamato capsula di grasso perirenale, che aiuta ad ancorare i reni in posizione. Il terzo e più interno strato è la capsula renale. Internamente, il rene ha tre regioni – una corteccia esterna, un midollo nel mezzo, e la pelvi renale nella regione chiamata ilo del rene. L’ilo è la parte concava della forma a fagiolo dove i vasi sanguigni e i nervi entrano ed escono dal rene; è anche il punto di uscita degli ureteri. La corteccia renale è granulare per la presenza dei nefroni, l’unità funzionale del rene. Il midollo consiste di masse multiple di tessuto piramidale, chiamate piramidi renali. Tra le piramidi ci sono spazi chiamati colonne renali attraverso le quali passano i vasi sanguigni. Le punte delle piramidi, chiamate papille renali, puntano verso la pelvi renale. Ci sono, in media, otto piramidi renali in ogni rene. Le piramidi renali insieme alla regione corticale adiacente sono chiamate lobi del rene. La pelvi renale conduce all’uretere all’esterno del rene. All’interno del rene, la pelvi renale si ramifica in due o tre estensioni chiamate calici maggiori, che si ramificano ulteriormente nei calici minori. Gli ureteri sono tubi portatori di urina che escono dal rene e si svuotano nella vescica urinaria.

Figura 2. La struttura interna del rene è mostrata. (credito: modifica del lavoro di NCI)

Perché il rene filtra il sangue, la sua rete di vasi sanguigni è una componente importante della sua struttura e funzione. Le arterie, le vene e i nervi che riforniscono il rene entrano ed escono dall’ilo renale. Il rifornimento di sangue renale inizia con la ramificazione dell’aorta nelle arterie renali (che sono denominate ciascuna in base alla regione del rene che attraversano) e termina con l’uscita delle vene renali per unirsi alla vena cava inferiore. Le arterie renali si dividono in diverse arterie segmentali quando entrano nei reni. Ogni arteria segmentale si divide ulteriormente in diverse arterie interlobari ed entra nelle colonne renali, che forniscono i lobi renali. Le arterie interlobari si dividono alla giunzione della corteccia e del midollo renale per formare le arterie arcuate. Le arterie arcuate “ad arco” formano archi lungo la base delle piramidi midollari. Le arterie corticali radiate, come suggerisce il nome, si irradiano dalle arterie arcuate. Le arterie a raggiera corticali si ramificano in numerose arteriole afferenti, e poi entrano nei capillari che riforniscono i nefroni. Le vene tracciano il percorso delle arterie e hanno nomi simili, tranne che non ci sono vene segmentali.

Come menzionato precedentemente, l’unità funzionale del rene è il nefrone, illustrato nella Figura 3. Ogni rene è composto da oltre un milione di nefroni che punteggiano la corteccia renale, dandole un aspetto granulare quando viene sezionato sagittalmente. Ci sono due tipi di nefroni: i nefroni corticali (85%), che si trovano in profondità nella corteccia renale, e i nefroni juxtamedullari (15%), che si trovano nella corteccia renale vicino al midollo renale. Un nefrone è composto da tre parti: un corpuscolo renale, un tubulo renale e la rete capillare associata, che ha origine dalle arterie radiate corticali.

Figura 3. Il nefrone è l’unità funzionale del rene. Il glomerulo e i tubuli convoluti si trovano nella corteccia renale, mentre i dotti collettori si trovano nelle piramidi del midollo. (credito: modifica del lavoro del NIDDK)

Corpo renale

Il corpuscolo renale, situato nella corteccia renale, è costituito da una rete di capillari nota come glomerulo e dalla capsula, una camera a forma di coppa che lo circonda, chiamata capsula glomerulare o di Bowman.

Tubulo renale

Il tubulo renale è una struttura lunga e convoluta che emerge dal glomerulo e può essere diviso in tre parti in base alla funzione. La prima parte è chiamata tubulo convoluto prossimale (PCT) a causa della sua vicinanza al glomerulo; rimane nella corteccia renale. La seconda parte è chiamata ansa di Henle, o ansa nefritica, perché forma un’ansa (con arti discendenti e ascendenti) che passa attraverso il midollo renale. La terza parte del tubulo renale è chiamata tubulo convoluto distale (DCT) e anche questa parte è limitata alla corteccia renale. Il DCT, che è l’ultima parte del nefrone, si collega e svuota il suo contenuto nei dotti collettori che rivestono le piramidi midollari. I dotti collettori raccolgono il contenuto di più nefroni e si fondono insieme quando entrano nelle papille del midollo renale.

Rete capillare nel nefrone

La rete capillare che ha origine dalle arterie renali fornisce al nefrone il sangue che deve essere filtrato. Il ramo che entra nel glomerulo è chiamato arteriola afferente. Il ramo che esce dal glomerulo è chiamato arteriola efferente. All’interno del glomerulo, la rete di capillari è chiamata letto capillare glomerulare. Una volta che l’arteriola efferente esce dal glomerulo, forma la rete capillare peritubulare, che circonda e interagisce con parti del tubulo renale. Nei nefroni corticali, la rete capillare peritubulare circonda il PCT e il DCT. Nei nefroni juxtamedullari, la rete capillare peritubulare forma una rete intorno all’ansa di Henle ed è chiamata vasa recta.

Funzione e fisiologia dei reni

I reni filtrano il sangue in un processo in tre fasi. In primo luogo, i nefroni filtrano il sangue che scorre attraverso la rete capillare nel glomerulo. Quasi tutti i soluti, eccetto le proteine, sono filtrati nel glomerulo da un processo chiamato filtrazione glomerulare. In secondo luogo, il filtrato viene raccolto nei tubuli renali. La maggior parte dei soluti viene riassorbita nel PCT da un processo chiamato riassorbimento tubulare. Nell’ansa di Henle, il filtrato continua a scambiare soluti e acqua con il midollo renale e la rete capillare peritubulare. Anche l’acqua viene riassorbita durante questa fase. Poi, ulteriori soluti e rifiuti sono secreti nei tubuli renali durante la secrezione tubulare, che è, in sostanza, il processo opposto al riassorbimento tubulare. I dotti collettori raccolgono il filtrato proveniente dai nefroni e si fondono nelle papille midollari. Da qui, le papille consegnano il filtrato, ora chiamato urina, nei calici minori che alla fine si collegano agli ureteri attraverso la pelvi renale. L’intero processo è illustrato nella figura 4.

Figura 4. Un diagramma del nefrone.

Ogni parte del nefrone (visto nella Figura 4) svolge una funzione diversa nel filtrare i rifiuti e mantenere l’equilibrio omeostatico. (1) Il glomerulo spinge i piccoli soluti fuori dal sangue per pressione. (2) Il tubulo convoluto prossimale riassorbe ioni, acqua e nutrienti dal filtrato nel liquido interstiziale e trasporta attivamente tossine e farmaci dal liquido interstiziale nel filtrato. Il tubulo convoluto prossimale regola anche il pH del sangue secernendo selettivamente ammoniaca (NH3) nel filtrato, dove reagisce con H+ per formare NH4+. Più il filtrato è acido, più ammoniaca viene secreta. (3) L’ansa discendente di Henle è rivestita di cellule contenenti acquaporine che permettono all’acqua di passare dal filtrato al liquido interstiziale. (4) Nella parte sottile dell’ansa ascendente di Henle, gli ioni Na+ e Cl- si diffondono nel liquido interstiziale. Nella parte spessa, questi stessi ioni sono trasportati attivamente nel fluido interstiziale. Poiché si perde sale ma non acqua, il filtrato diventa più diluito mentre risale l’arto. (5) Nel tubulo convoluto distale, gli ioni K+ e H+ sono selettivamente secreti nel filtrato, mentre gli ioni Na+, Cl- e HCO3- sono riassorbiti per mantenere il pH e l’equilibrio elettrolitico nel sangue. (6) Il dotto collettore riassorbe i soluti e l’acqua dal filtrato, formando un’urina diluita. (credito: modifica del lavoro del NIDDK)

Filtrazione glomerulare

La filtrazione glomerulare filtra la maggior parte dei soluti a causa dell’alta pressione sanguigna e delle membrane specializzate nelle arteriole afferenti. La pressione sanguigna nel glomerulo si mantiene indipendente dai fattori che influenzano la pressione sanguigna sistemica. Le connessioni “a perdita” tra le cellule endoteliali della rete capillare glomerulare permettono ai soluti di passare facilmente. Tutti i soluti nei capillari glomerulari, tranne le macromolecole come le proteine, passano per diffusione passiva. Non c’è richiesta di energia in questa fase del processo di filtrazione. La velocità di filtrazione glomerulare (GFR) è il volume di filtrato glomerulare formato al minuto dai reni. Il GFR è regolato da molteplici meccanismi ed è un importante indicatore della funzione renale.

Rassorbimento e secrezione tubulare

Il riassorbimento tubulare avviene nella parte PCT del tubulo renale. Quasi tutti i nutrienti sono riassorbiti, e questo avviene sia per trasporto passivo che attivo. Il riassorbimento dell’acqua e di alcuni elettroliti chiave è regolato e può essere influenzato dagli ormoni. Il sodio (Na+) è lo ione più abbondante e la maggior parte di esso viene riassorbito dal trasporto attivo e poi trasportato nei capillari peritubulari. Poiché il Na+ è trasportato attivamente fuori dal tubulo, l’acqua lo segue per equilibrare la pressione osmotica. L’acqua viene anche riassorbita indipendentemente nei capillari peritubulari grazie alla presenza di acquaporine, o canali dell’acqua, nel PCT. Questo avviene a causa della bassa pressione sanguigna e dell’alta pressione osmotica nei capillari peritubulari. Tuttavia, ogni soluto ha un massimo di trasporto e l’eccesso non viene riassorbito.

Nell’ansa di Henle, la permeabilità della membrana cambia. L’arto discendente è permeabile all’acqua, non ai soluti; il contrario è vero per l’arto ascendente. Inoltre, l’ansa di Henle invade il midollo renale, che è naturalmente ad alta concentrazione di sale e tende ad assorbire acqua dal tubulo renale e a concentrare il filtrato. Il gradiente osmotico aumenta man mano che ci si sposta più in profondità nel midollo. Poiché due lati dell’ansa di Henle svolgono funzioni opposte, come illustrato nella figura 5, essa agisce come moltiplicatore di controcorrente. La vasa recta intorno ad essa agisce come scambiatore di controcorrente.

Figura 5. L’ansa di Henle.

L’ansa di Henle (vista nella Figura 5) agisce come un moltiplicatore di controcorrente che usa l’energia per creare gradienti di concentrazione. L’arto discendente è permeabile all’acqua. L’acqua scorre dal filtrato al fluido interstiziale, quindi l’osmolalità all’interno dell’arto aumenta man mano che si scende nel midollo renale. In fondo, l’osmolalità è più alta all’interno dell’ansa che nel liquido interstiziale. Così, quando il filtrato entra nell’arto ascendente, gli ioni Na+ e Cl- escono attraverso i canali ionici presenti nella membrana cellulare. Più in alto, Na+ è attivamente trasportato fuori dal filtrato e Cl- lo segue. L’osmolarità è data in unità di milliosmoli per litro (mOsm/L)

Quando il filtrato raggiunge il DCT, la maggior parte dell’urina e dei soluti è stata riassorbita. Se il corpo richiede ulteriore acqua, tutta l’acqua può essere riassorbita a questo punto. Un ulteriore riassorbimento è controllato dagli ormoni, che saranno discussi in una sezione successiva. L’escrezione dei rifiuti avviene per mancanza di riassorbimento combinato con la secrezione tubulare. I prodotti indesiderati come i rifiuti metabolici, l’urea, l’acido urico e alcune droghe, sono escreti dalla secrezione tubulare. La maggior parte della secrezione tubulare avviene nel DCT, ma una parte si verifica nella parte iniziale del condotto di raccolta. I reni mantengono anche l’equilibrio acido-base secernendo gli ioni H+ in eccesso.

Anche se le parti dei tubuli renali sono chiamate prossimali e distali, in un sistema a croceezione del rene, i tubuli sono posti vicini e in contatto tra loro e con il glomerulo. Questo permette lo scambio di messaggeri chimici tra i diversi tipi di cellule. Per esempio, l’arto ascendente DCT dell’ansa di Henle ha masse di cellule chiamate macula densa, che sono in contatto con cellule delle arteriole afferenti chiamate cellule juxtaglomerulari. Insieme, la macula densa e le cellule juxtaglomerulari formano il complesso juxtaglomerulare (JGC). Il JGC è una struttura endocrina che secerne l’enzima renina e l’ormone eritropoietina. Quando gli ormoni innescano le cellule della macula densa nel DCT a causa delle variazioni del volume del sangue, della pressione sanguigna o dell’equilibrio elettrolitico, queste cellule possono comunicare immediatamente il problema ai capillari delle arteriole afferenti ed efferenti, che possono costringere o rilassare per cambiare il tasso di filtrazione glomerulare dei reni.