Sistema urinario, Fisiologia degli apparati

Il sistema urinario

Funzioni principali dei reni

I reni svolgono un ruolo essenziale nel mantenimento dell'omeostasi regolando la concentrazione di molti costituenti plasmatici, specialmente elettroliti e acqua, ed eliminando i rifiuti metabolici (tranne la CO₂ rimossa dai polmoni). Regolano il volume e l'osmolarità (concentrazione di un liquido organico espressa come numero di moli osmoticamente attive di soluto presenti in un litro di soluzione) dell'ambiente liquido interno, regolando l'equilibrio del sale e dell'acqua. Regolano il pH, regolando l'eliminazione di acidi e basi nelle urine.

I reni sono gli organi a cui spetta la principale responsabilità del mantenimento della stabilità del volume del liquido extracellulare, della composizione elettrolitica e dell'osmolarità. I reni sono in grado di mantenere l'equilibrio idrico ed elettrolitico, nonostante un'ampia gamma di assunzioni e perdite di componenti mediante altre vie. Una delle funzioni più importanti del rene è quella di regolare la composizione del LEC (Liquido Extracellulare) e compensare le perdite anormali dovute a sudorazione, diarrea, vomito. Ad esempio, quando il LEC presenta un eccesso di acqua o un particolare elettrolita come il sale (NaCl), i reni sono in grado di eliminare l'eccesso tramite le urine. In caso di carenza, essi sono in grado di fornire quantità addizionali del costituente mancante, ma sono in grado di limitarne le perdite urinarie e quindi di conservarlo finché il soggetto non è in grado di assumerne maggiore quantità.

Eliminazione dei rifiuti metabolici

Inoltre, i reni sono la principale via d'eliminazione dei rifiuti metabolici potenzialmente tossici e dei composti estranei all'organismo. I prodotti di rifiuto non possono essere eliminati allo stato solido, ma devono essere eliminati in soluzione, costringendo i reni a produrre un volume minimo di circa 500 mL/giorno di urine cariche di prodotti di rifiuto.

Sguardo d'insieme alle funzioni renali

• Mantengono l'equilibrio idrico dell'organismo.
• Mantengono l'appropriata osmolarità dei liquidi organici: funzione importante per prevenire flussi osmotici di acqua dall'esterno all'interno delle cellule e viceversa, che potrebbero causare rispettivamente rigonfiamento o contrazione nocivi alle cellule.
• Regolano la quantità e la concentrazione della maggior parte degli ioni del LEC: sodio, cloruro, potassio, calcio, idrogeno, bicarbonato, fosfato, magnesio.
• Mantengono il volume plasmatico appropriato, il che è importante nella regolazione a lungo termine della pressione arteriosa.
• Contribuiscono a mantenere l'appropriato equilibrio acido-base dell'organismo, regolando l'emissione urinaria di H⁺ e HCO₃^-.
• Eliminano i prodotti finali del metabolismo organico, come urea, acido urico, creatinina.
• Eliminano composti estranei come farmaci, additivi alimentari, pesticidi ecc.
• Producono eritropoietina, ormone che stimola la produzione di eritrociti (globuli rossi).
• Producono renina, ormone con attività enzimatica.
• Convertono la vitamina D nella sua forma attiva.

Struttura del sistema urinario

Il sistema urinario è costituito dagli organi deputati alla formazione delle urine, i reni, e dalle strutture che trasportano le urine dai reni all'esterno per l'eliminazione dall'organismo. I reni sono organi a forma di fagiolo, situati nella parete posteriore dell'addome, in posizione retroperitoneale, ai lati della colonna vertebrale. Ogni rene è irrorato da un'arteria renale e drenato da una vena renale (che esce dal rene in corrispondenza dell'incisura sul margine concavo del rene). Le urine, dopo essersi formate, vengono drenate in una cavità colletrice centrale, la pelvi renale, localizzata in posizione mediale all'interno di ciascun rene. Dalla pelvi, le urine vengono convogliate nell'uretere, un condotto provvisto di muscolatura, che esce dal rene in corrispondenza del margine mediale, in stretta prossimità con l'arteria e la vena renali. Ciascuno dei due ureteri convoglia le urine da ciascun rene alla vescica urinaria. La vescica urinaria è un organo cavo dotato di muscolatura distensibile, di forma ovoidale, nel quale si raccolgono le urine, le quali vengono emesse tramite un altro condotto, l'uretra, per effetto della contrazione della vescica. Nella femmina l'uretra è dritta e corta, nell'uomo è più lunga. L'uretra maschile svolge la duplice funzione di eliminazione delle urine e via di passaggio per il liquido seminale dagli organi riproduttivi all'esterno.

Il nefrone

Il nefrone è l'unità funzionale del rene. Tra di essi sono legati da tessuto connettivo e rappresentano le più piccole parti del rene capaci di formare urine. La disposizione dei nefroni nei reni dà origine a due regioni distinte: una regione esterna, di aspetto granulare, detta corticale renale, e una regione interna, di aspetto striato, detta midollare. Ogni nefrone è inoltre costituito da una componente tubulare e una vascolare, strettamente correlate strutturalmente e funzionalmente.

Componente vascolare

La parte dominante è il glomerulo, un intreccio di anse capillari attraverso il quale viene estratta, dal sangue che l'attraversa, una parte dell'acqua e dei soluti. Questo liquido filtrato, la cui composizione è quasi identica a quella del plasma, attraversa poi la componente tubulare del nefrone. Entrando nel rene, l'arteria renale si suddivide per formare alla fine molti piccoli vasi, le arteriole afferenti, ciascuna delle quali irrora un nefrone. Esse portano sangue ai glomeruli renali. I capillari glomerulari si riuniscono per formare un'altra arteriola, l'arteriola efferente, attraverso la quale il sangue che non è stato filtrato nel componente tubulare esce dal glomerulo. Nota bene: le arteriole efferenti sono le uniche arteriole del corpo che drenano dai capillari, questo perché non vengono estratti dal sangue ossigeno o nutrienti, né vengono captati prodotti di rifiuto dai tessuti circostanti. Quindi sangue arterioso entra, sangue arterioso esce. L'arteriola efferente si suddivide in una seconda serie di capillari, i capillari peritubulari, che irrorano di sangue il tessuto renale e sono importanti negli scambi tra il sistema tubulare stesso e il sangue, durante la conversione del liquido filtrato in urine. Questi capillari peritubulari si intrecciano intorno al sistema tubulare e si riuniscono per formare venule che alla fine drenano nella vena renale dalla quale il sangue esce dal rene.

Componente tubulare

È un tubo cavo ripieno di liquido, formato da un singolo strato di cellule epiteliali. La componente tubulare comincia con la capsula di Bowman, un'invaginazione espansa, a doppia parete, che si avvolge attorno al glomerulo per raccogliere il liquido filtrato dai capillari glomerulari. Dalla capsula, il liquido passa nel tubulo prossimale, che è situato integralmente entro la corticale renale ed è molto contorto. Il successivo segmento è l'ansa di Henle, è incurvato a forma di U e si approfonda nella midollare renale. Il ramo discendente dell'ansa di Henle si approfonda dalla corticale nella midollare. Il ramo ascendente decorre dalla midollare alla corticale e ritorna alla regione glomerulare del proprio nefrone, dove attraversa l'angolo formato dall'arteriola afferente e dall'arteriola efferente. Sia le cellule tubulari che quelle vascolari presenti in questo punto vanno a formare l'apparato iuxtaglomerulare, una struttura localizzata in prossimità del glomerulo. Questa regione svolge un ruolo importante nella regolazione della funzione renale. Il tubulo, oltre l'apparato iuxtaglomerulare, presenta di nuovo un decorso contorto che va a formare il tubulo distale, situato nella corticale. Il tubulo distale si svuota nel dotto collettore. Ogni dotto collettore raccoglie il filtrato di più nefroni, fino a otto, e si approfonda nella midollare per svuotare il tutto nella pelvi renale. Tubulo distale e dotto collettore sono importanti per il riassorbimento regolato di Na⁺ e acqua, la secrezione di K⁺ e H⁺.

Nefroni corticali e iuxtamidollari

Due tipi di nefroni distinti sulla base della localizzazione e della lunghezza di alcune loro strutture. Tutti i nefroni si originano nella corticale renale, ma i glomeruli dei nefroni corticali sono collocati nello strato esterno della corticale, mentre i glomeruli dei nefroni iuxtamidollari si trovano nello strato interno della corticale, in prossimità della midollare renale. I due tipi di nefroni differiscono soprattutto per le loro anse di Henle. Nei nefroni corticali l'ansa a U si approfonda soltanto lievemente nella midollare; nei nefroni iuxta l'ansa si approfonda per l'intero spessore della midollare. I capillari peritubulari dei nefroni iuxta formano anse vascolari a U note come vasa recta, che decorrono in associazione con le lunghe anse di Henle. Nei nefroni corticali, invece, i capillari non formano vasa recta, ma si intrecciano attorno alle corte anse di Henle. Mentre attraversano la midollare, i dotti collettori dei nefroni corticali e iuxta decorrono parallelamente al ramo ascendente e discendente della lunga ansa di Henle e dei vasa recta dei nefroni iuxta. Ciò è importante per produrre urine di concentrazione variabile a seconda delle richieste dell'organismo. Nella specie umana, i nefroni corticali sono l'80%.

Tre processi renali fondamentali

• Filtrazione glomerulare: mentre il sangue fluisce attraverso il glomerulo, il plasma privo di proteine filtra attraverso i capillari glomerulari entrando nella capsula di Bowman. Viene filtrato il 20% del plasma che entra nel glomerulo. Attraverso tutti i glomeruli si formano complessivamente, in media, 125 mL/min di filtrato glomerulare. Se tutto il filtrato passasse nelle urine, il volume plasmatico totale verrebbe escreto in meno di 0,5 ore, ma ciò non avviene perché i tubuli renali e i capillari peritubulari sono strettamente connessi e le sostanze possono passare tra il liquido all'interno dei tubuli e il sangue all'interno dei capillari peritubulari.
• Riassorbimento tubulare: mentre il filtrato fluisce nei tubuli renali, le sostanze utili all'organismo vengono ricondotte al plasma nei capillari peritubulari. Questo movimento selettivo è detto riassorbimento tubulare. Le sostanze riassorbite non vengono eliminate nelle urine, ma vengono trasportate dai capillari peritubulari e rimesse in circolo.
• Secrezione tubulare: trasferimento selettivo di sostanze dal sangue dei capillari peritubulari al lume tubulare.

NB: i reni agiscono soltanto sul plasma, ma il liquido extracellulare è costituito sia da plasma sia da liquido interstiziale. Quest'ultimo è in realtà il vero ambiente liquido interno dell'organismo, perché è l'unico componente del liquido extracellulare a diretto contatto con le cellule. Ma in virtù dei liberi scambi tra il plasma e il liquido interstiziale attraverso le pareti capillari, la composizione del liquido interstiziale rispecchia la composizione del plasma. Perciò, i reni, svolgendo il loro ruolo regolatore sul plasma, agiscono indirettamente sul liquido interstiziale.

Filtrazione glomerulare

Il liquido filtrato dal glomerulo nella capsula di Bowman deve attraversare tre strati che costituiscono la membrana glomerulare: parete capillare glomerulare, membrana basale e strato interno della capsula di Bowman. Questi tre strati funzionano come un setaccio molecolare a maglie fini, che trattiene le cellule ematiche e le proteine plasmatiche, ma lascia filtrare acqua e soluti di piccole dimensioni molecolari. La parete capillare glomerulare è costituita da un singolo strato di cellule endoteliali appiattite. È attraversata da grandi pori che la rendono permeabile all'acqua e ai soluti. La membrana basale è uno strato gelatinoso acellulare costituito da collageno e glicoproteine e interposto tra il glomerulo e la capsula di Bowman. Il collageno assicura resistenza strutturale, mentre le glicoproteine ostacolano la filtrazione delle piccole proteine plasmatiche. Le proteine plasmatiche più grandi non possono essere filtrate perché non possono adattarsi ai pori capillari, che sono tuttavia sufficientemente grandi da consentire il passaggio dell'albumina (1% del totale) e di altre proteine plasmatiche cariche negativamente. Alcune malattie renali sono caratterizzate dalla presenza di quantità di albumina notevolmente superiori ai livelli fisiologici. L'ultimo strato della membrana glomerulare è lo strato interno della capsula di Bowman. È costituito da podociti, cellule di forma irregolare che circondano il gomitolo glomerulare. Ogni podocita ha dei processi citoplasmatici che si ramificano a formare delle piccole estroflessioni dette "pedicelli", le quali si interdigitano con i pedicelli di podociti adiacenti. Le sottili fessure tra i pedicelli sono dette fessure di filtrazione e forniscono una via attraverso la quale il liquido che esce dai capillari glomerulari può entrare nel lume della capsula di Bowman.

La filtrazione glomerulare è favorita da forze fisiche passive, simili a quelle che agiscono attraverso i capillari in altri distretti dell'organismo. Dato che il glomerulo è un gomitolo di capillari, valgono in questo caso gli stessi principi della dinamica dei fluidi che causano l'ultrafiltrazione attraverso gli altri capillari, fatta eccezione per due differenze importanti:

• I capillari glomerulari sono molto più permeabili degli altri capillari, quindi viene filtrato molto più liquido per una data pressione.
• La filtrazione avviene lungo l'intero decorso dei capillari, mentre in tutti gli altri capillari, il bilancio delle forze si sposta in modo che nella parte iniziale del vaso avvenga la filtrazione, mentre nella parte finale il riassorbimento.

Componenti pressorie della filtrazione glomerulare

Nella filtrazione glomerulare intervengono tre componenti pressorie: pressione idrostatica nei capillari glomerulari, pressione oncotica plasmatica e pressione idrostatica nella capsula di Bowman.

• Pressione idrostatica nei capillari glomerulari: è la pressione esercitata dal sangue nei capillari glomerulari. Dipende dalla contrazione del cuore e dalla resistenza al flusso sanguigno, offerta dall'arteriola afferente e dall'arteriola efferente. La pressione idrostatica nei capillari glomerulari è più alta della pressione idrostatica degli altri distretti capillari (55 mmHg in media) e il motivo è il maggior calibro dell'arteriola afferente rispetto a quella efferente, quindi questa pressione viene mantenuta elevata per effetto dell'accumulo di sangue. Inoltre, a causa dell'elevata resistenza offerta dalle arteriole efferenti, la pressione sanguigna non ha la stessa tendenza a diminuire lungo il decorso dei capillari glomerulari che ha lungo gli altri capillari. Questa pressione elevata tende a spingere il liquido fuori dal glomerulo e dentro la capsula di Bowman. Quindi la pressione idrostatica dei capillari glomerulari favorisce la filtrazione.
• Pressione oncotica plasmatica: è causata dalla distribuzione disuguale delle proteine plasmatiche attraverso la membrana glomerulare. Dato che le proteine non possono essere filtrate, sono presenti nei capillari glomerulari ma non nella capsula di Bowman dove invece trovo una maggiore concentrazione di acqua. La tendenza dell'acqua a muoversi per osmosi, dalla capsula di Bowman al glomerulo, si oppone alla filtrazione glomerulare. Questa pressione ha un valore di circa 30 mmHg. Questa pressione è maggiore rispetto agli altri distretti capillari perché viene filtrata dal glomerulo molta più acqua.
• Pressione idrostatica nella capsula di Bowman: è la pressione esercitata dal liquido nella parte iniziale del tubulo renale. Il suo valore stimato è pari a 15 mmHg; questa pressione tende a spingere il liquido fuori dalla capsula di Bowman e si oppone quindi alla filtrazione.

Velocità di filtrazione glomerulare

Le pressioni che agiscono a cavallo della membrana glomerulare non sono in equilibrio. La pressione netta che favorisce la filtrazione è di 10 mmHg e costringe grandi volumi di liquido a fluire dal sangue attraverso la membrana glomerulare altamente permeabile. La velocità di filtrazione glomerulare (VFG) dipende sia dalla pressione netta di filtrazione, ma anche da quanta superficie glomerulare è disponibile per la penetrazione e dal grado di permeabilità della membrana glomerulare. Questa proprietà della membrana glomerulare è compendiata nel coefficiente di filtrazione (Kf).

VFG = Kf x PNF

Normalmente circa il 20% del plasma che entra nel glomerulo viene filtrato con una pressione netta di filtrazione di 10 mmHg, in questo modo si producono 180 L/die di filtrato glomerulare per una VFG di 125 mL/min nei maschi e 160 L/die di filtrato per VFG 115 mL/min per le donne.

Regolazione della filtrazione glomerulare

Le variazioni di una qualsiasi di queste pressioni sono in grado di influenzare la velocità di filtrazione glomerulare (VFG).

• Influenze non regolate: la pressione oncotica plasmatica e la pressione idrostatica nella capsula di Bowman non sono soggette a regolazioni e in condizioni normali non variano molto. La pressione idrostatica nella capsula di Bowman può diventare incontrollabilmente elevata (di conseguenza può diminuire la filtrazione) in caso di ostruzione delle vie urinarie (calcoli renali o ipertrofia prostatica).
• Modificazioni regolate: la pressione idrostatica nei capillari glomerulari può essere regolata in modo da adeguare la VFG alle richieste dell'organismo. Quando aumenta, aumentano anche la pressione netta di filtrazione e la VFG. La pressione idrostatica nei capillari dipende dalla portata del flusso sanguigno in ciascuno dei glomeruli, che dipende a sua volta dalla pressione arteriosa sistemica media e dalla resistenza offerta dalle arteriole afferenti. Se aumenta la resistenza nelle arteriole afferenti, meno sangue raggiunge il glomerulo e diminuisce la VFG. La VFG è regolata da due meccanismi di regolazione principale, entrambi diretti a regolare il flusso sanguigno glomerulare controllando il raggio e quindi la resistenza dell'arteriola afferente. Questi meccanismi sono 1) autoregolazione diretta a prevenire le variazioni spontanee di VFG e 2) regolazione.