HC42: Tubulaire functies - natrium en chloride

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college worden de functies van de tubuli van nefronen, en daarbij vooral reabsorptie en secretie, besproken
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Nefronen

In de nieren vinden 3 processen plaats die de samenstelling van urine regelen:

• Glomerulaire filtratie
• Tubulaire reabsorptie
• Tubulaire secretie

Door de NaCl balans de reguleren, wordt het vloeistofvolume onderhouden. Door de osmolariteit te onderhouden, wordt de waterbalans gereguleerd.

Het nefron bestaat uit een aantal onderdelen:

• Nierlichaampje
• Proximale tubulus: 70% wordt teruggeresorbeerd
• Lis van Henle: 15% wordt teruggeresorbeerd
• Distale gekronkelde tubulus: 5% wordt teruggeresorbeerd
• Verzamelbuis: 3% wordt geresorbeerd

Over de hele tubulus liggen aquaporinekanalen die water kunnen resorberen via het principe van osmose.

Natrium

Natrium komt in de extracellulaire vloeistof en bijna niet in de intracellulaire. Er is iets dat voorkomt dat er een evenwicht ontstaat. De natriumchloridebalans in het lichaam wordt behouden doordat zout wordt uitgescheiden via ontlasting, urine of zweet. Natrium speelt dus een belangrijke rol in de nieren:

• De concentratie in de ruimte van Bowman is hetzelfde als de plasmaconcentratie → 140 mmol/L
• Per 24 uur wordt 180 L x 140 mmol/L = 25.200 mmol natrium gefiltreerd
• Per 24 uur wordt 100 mmol/L x 2 L urine = 200 mmol natrium per 24 uur uitgeplast
• De fractionele natrium excretie is 0,79% (200/25.200)

Algemene principes van transport door celmembranen heen

Om de begrijpen hoe een stof gefiltreerd, geresorbeerd en gesecreteerd wordt is het nodig te begrijpen hoe de permeabiliteit van een membraan dit beïnvloedt:

• In een geheel permeabel membraan kunnen de deeltjes door het membraan verplaatsen → er ontstaat een evenwicht tussen de deeltjes aan beide kanten van het membraan
• In een semi-permeabel membraan kan water, maar niet deeltjes, zich verplaatsen → water zal zich zo verplaatsen dat de hydrostatische druk gelijk blijft → osmose
  • Waar meer deeltjes aanwezig zijn, is ook meer water aanwezig

Natrium en kalium kunnen diffunderen → in de bloedbaan is de concentratie hetzelfde als in het intersistitium. In celmembranen is dit niet het geval. De verschillende permeabiliteit van endotheel wanden van vaten en celmembranen bepaalt hoe een vloeistof zich verplaatst tussen de intravasculaire, intracellulaire en intersistiële ruimte:

• Water kan zich vrij verplaatsen
• Elektrolyten kunnen verplaatsen door vaatwanden, maar niet door celmembranen
  • Met hulp van eiwitten kunnen elektrolyten wel door een celmembraan gaan
• Grote eiwitten kunnen zich niet verplaatsen

Transportvormen:

Er zijn meerdere vormen van transport over een celmembraan heen:

• Simpele diffusie: door een dubbele laag lipiden, via de elektrochemische gradiënt
  • De concentratie in verschillende compartimenten is gelijk
  • Kan ongelimiteerd plaatsvinden
• Gefaciliteerde diffusie: door het celmembraan via intrinsieke membraaneiwitten (transporters) die poriën, kanalen of carriërs vormen
  • De transporter is specifiek voor een bepaald molecuul
    • Er is een eindig aantal transporters op een membraan
  • Poriën zijn altijd open ("non-gated channel")
  • Kanalen zijn "gated" → open of dicht
  • Carriërs bestaan uit 2 deuren die nooit op hetzelfde moment open zijn (een soort sluizen)
• Primair actief transport: tegen de elektrochemische gradiënt in → vergt energie (ATP)
  • De transporter heet een pomp
• Co-transport: gekoppeld transport gedreven door de energie van een inwaarts bewegende Na⁺-gradiënt
  • Symport: Na⁺en de stof verplaatsen zich in dezelfde richting (bijv. natrium en glucose)
  • Antiport: Na⁺en de stof verplaatsen zich in een andere richting (bijv. natrium en waterstof)
• Secundair actief transport: de beweging van een ion met zijn elektrochemische gradiënt wordt gekoppeld aan de beweging van een ander ion tegen zijn gradiënt
  • Omdat er aan de ene kant het ene gebeurt, wordt het mogelijk dat aan de andere kant het andere gebeurt
  • Bijv. als natrium aan de ene kant eruit wordt gepompt, kan glucose gekoppeld aan natrium aan de andere kant er weer inkomen

De proximale tubulus

De proximale tubulus is het eerste echte component wat een rol speelt in de resorptie en secretie van een nefron. In de proximale tubulus liggen veel microvilli en mitochondriën → grote oppervlakte. Dit is nodig om terugresorptie te laten plaatsvinden. 70% van het filtraat wordt geresorbeerd. De proximale tubulus heeft zowel een resorptie als een secretiefunctie:

• Resorptie
  • Chloride
  • Natrium
  • Water
  • Fosfaten
  • Bicarbonaat
  • Glucose
  • Aminozuren
• Secretie
  • Organische anionen en kationen
  • Kreatinine, H⁺, NH4⁺
  • Drugs en medicijnen

De vloeistof die uit de proximale tubulus komt is iso-osmolair → de verhouding tussen osmolariteit en plasma is 1. De proximale tubulus heeft ook een belangrijke rol bij de zuur-base huishouding. Sommige stoffen zijn verdund, andere zijn geconcentreerd.

De proximale tubulus bestaat uit twee verschillende delen:

• Proximale tubulus I (gekronkeld)
  • Resorptie van natrium, bicarbonaat, lactaat, fosfaat, glucose, aminozuren en water
  • De permabiliteit is hier het hoogste
    • ADH heeft geen invloed op de permeabiliteit
  • Er zijn carriers en transporters
    • Op het apicale membraan → symport en antiport (Na⁺/H⁺)
      • Aan de kant van het lumen
    • Op het basolaterale membraan bevindt zich de Na⁺/K⁺ATPase pomp → levert en kost energie
      • Aan de kant van het bloedvat
      • 3 natrium gaat de cel uit, 2 kalium gaat de cel in → glucose kan de cel uitgaan
  • De Cl^- en Na⁺ reabsorptie zijn niet direct gelinkt
• Proximale tubulus II (recht)
  • Passief transcellulair transport
  • Resorptie van Na⁺, gekoppeld aan het transport van Cl^-→ Cl^- en Na⁺ reabsorptie zijn direct gelinkt
  • Er zijn carriers en transporters
    • Op het apicale membraan: de Na⁺/H⁺ wisselaar is ook aanwezig en loopt parallel met het chloridetransport tegen organische anionen
    • Op het basolaterale membraan: 
      • Na⁺/K⁺ ATPase pomp
      • K⁺/Cl co-transporter

Transcellulair en paracellulair:

In de proximale tubulus vindt transcellulair en paracellulair transport plaats:

• Natrium wordt vooral transcellulair (door de cel heen) getransporteerd. De Na⁺/K⁺ATPase pomp maakt dit mogelijk. 
• Kalium en calcium worden paracellulair (langs de cellen) getransporteerd. Dit gebeurt via solvent drag: water gaat via tight junctions langs de cellen en spoelt opgeloste deeltjes zoals natrium en chloride mee

Aquaporine 1:

Aquaporine 1 zijn waterkanaaltjes die zich aan de apicale en basolaterale zijde van de proximale tubulus en in de verzamelbuizen bevinden. Hierdoor kan water zich in en uit de cel verplaatsen.

Natrium:

Natrium wordt transcellulair en paracellulair (solvent drag) in proximale tubulus I geresorbeerd:

• Apicaal: hier wordt natrium opgenomen
  • Glucose-symporter
    • Als er geen glucose aanwezig is kunnen lactaat, fosfaten en aminozuren de plaats van glucose overnemen
  • Na⁺/H⁺ antiporter
• Basolateraal: hier wordt natrium het interstitium ingepompt
  • Na⁺/K⁺ ATPase pomp
  • Na⁺/HCO3^- symporter

De concentratie natrium binnen de cel wordt steeds lager → er ontstaat een negatieve lading doordat meer positieve deeltjes eruit dan erin gepompt worden. Hierdoor ontstaat een elektrochemische gradiënt → er worden sneller positieve deeltjes opgenomen waardoor terugresorptie van natrium en glucose kan plaatsvinden. Dit is secundair actief transport.

Glucose:

Glucose wordt in de proximale tubulus I en II via secundair actief transport voor 98% terug geresorbeerd, het mag niet uitgeplast worden:

• Via natrium-glucose symporters gaat het de cel in
  • SGLT2 en SGLT1 transporters kunnen natrium en glucose terug resorberen
    • SGLT1 kan dit doen totdat er een gradiënt van glucose in de cel t.o.v. buiten de cel van 400 is
    • SGLT2 kan dit doen totdat er een gradiënt van glucose in de cel t.o.v. buiten de cel van 70 is
• Via GLUT2 glucosetransporters gaat het de cel uit en de bloedbaan in

De 2% die niet terug geresorbeerd wordt, wordt opgenomen in de dunne buis van het dalende deel van de lis van Henle. 

Iemand met diabetes en een hoog plasma glucose zal uitdrogen:

1. De concentratie glucose in de voorurine is zo hoog dat de natrium-SGLT2 co-transporter niet alle gefiltreerde glucose kan reabsorberen
2. De osmolaliteit in de verzamelbuis is hoger (meer deeltjes per liter)
3. Er wordt minder water terug geresorbeerd
4. Er wordt glucose uitgeplast → glucosurie
5. Dit leidt tot osmotische diurese (veel plassen, veel dorst)

Er zijn medicijnen die SGLT2 inhiberen, zoals empaglifloxine. Hierdoor gaat men glucose uitplassen waardoor het glucosegehalte in het bloed lager wordt. Dit kan patiënten met diabetes helpen.

Grafiek:

Hoe de concentraties van verschillende stoffen in het lumen van de tubuli veranderen kan weergegeven worden in een grafiek:

• Inuline: wordt niet terug geresorbeerd → in de tubuli is de hoeveelheid inuline de hele tijd gelijk, maar omdat water wel wordt terug geresorbeerd stijgt de concentratie inuline
• Natrium: er wordt evenveel natrium als water geresorbeerd → de concentratie verandert niet
• Bicarbonaat: wordt vooral in het begin van de tubulus terugn geresorbeerd
• Chloor: wordt verderop in de PTI terug geresorbeerd

Chloor:

Chloor wordt in de proximale tubulus I geresorbeerd via paracellulair transport. Ook komt het via solvent drag de intersistiële ruimte in. 

Natrium en chloride transport:

Chloor wordt in de proximale tubulus II actief de endotheelcel en vervolgens het interstitium in getransporteerd. Hiernaast vindt paracellulair transport van chloride gekoppeld aan paracellulair transport van natrium plaats, omdat ongeladen moleculen makkelijk het membraan passeren.

Er is een reden dat chloor pas later in de tubuli wordt terug geresorbeerd. Chloor is namelijk negatief geladen en de tubulus is verderop negatiever. Iets verderop in de tubulus is de concentratie chloor in de voorurine hoger geworden → er komt een gradiënt die paracellulaire reabsorptie van chloor faciliteert. 

Omdat chloor wordt geresorbeerd, ontstaat er een positief lumen voltage, wat natrium reabsorptie faciliteert.

Lis van Henle

De cellen van de proximale tubulus hebben een dikke bortsellaag, veel mitochondriën en onduidelijke laterale grenzen. Cellen in de distale tubulus hebben weinig microvilli en de mitochondria zijn geconcentreerd aan de onderkant. De cellen zijn lichter en stulpen uit in het lumen. Door laterale vouwingen zijn de laterale grenzen ook indistinct. In alle regio's zijn capillairen aanwezig. Het opstijgende been van de lis van Henle wordt weer dikker: de cellen gaan weer mitochondriën bevatten. Hier zitten pompen in die energie gebruiken om terugresorptie van natrium mogelijk te maken.

Afdalende been:

Het eerste deel van de lis van Henle is heel dun. Het afdalende been heeft een hele andere anatomie:

• Het eerste deel van de dunne lis van Henle is alleen permeabel voor water door AQP1 kanalen
• In het dunne dalende been kan via passieve diffusie wat NaCl reabsorptie plaatsvinden
• Het lichtelijk oblique deel ontstaat door de transitie van het dikke dalende deel naar het dunne deel → het wordt plasveiselcelepitheel

In het dalende been van de lis van Henle vindt waterresorptie plaats:

• Permeabel voor water → het water kan de lus in en uit
• Hier vindt 15-20% van de waterresorptie plaats
• Er is een osmotisch evenwicht tussen de vloeistof in het lumen en in de lus zelf
  • De osmotische waarde van de medulla (1200 mOsm/kg H2) is veel hoger dan in de cortex (300 mOsm/kg H2) → de concentratie wordt 4x zo groot als voorheen

Doordat het interstitium een hogere concentratie deeltjes heeft, vindt er concentratie van de urine plaats. 

Stijgende been:

In het stijgende deel vindt verdunning van de urine plaats. Het stijgende deel bestaat uit 2 gedeelten:

• Dunwandig gedeelte
  • Impermeabel voor water → volume blijft gelijk
  • Passieve reabsorptie van natrium
  • Secretie van ureum
• Dikwandig gedeelte
  • Impermeabel voor water
  • Prominente cellen met veel mitochondriën
  • Actieve reabsorptie van natrium, kalium en chloride met de Na/2Cl/K co-transporter → urine wordt verdund
    • De concentratie wordt 12x zo klein: van 1200 naar 100 mOsm/kg H2O

Omdat het transport van water en stoffen gescheiden gaat ontstaat er een horizontale osmotische gradiënt. Het grootste verschil tussen het dunne en dikke gedeelte is de aan- of afwezigheid van co-transporters.

Reabsorptie van NaCl in het dikke stijgende been vindt trans- en paracellulair plaats:

• 50% Actief transcellulair secundair transport: gekoppeld aan Na en Cl transport
• 50% Passief paracellulair transport: diffusie langs de chemische gradiënt

De reabsorptie van NaCl in het dikke stijgende been wordt geïnhibeerd door lisdiuretica. Lisdiuretica inhibeert de Na/2Cl/K co-transporter, waardoor de reabsorptie wordt geremd. Omdat er meer deeltjes aanwezig zijn, blijft er meer water achter. Hierdoor neemt de flow van de urine toe → lisdiuretica is een plaspil.

Countercurrent multiplicatie:

Er zijn twee soorten nefronen:

• Corticale nefronen liggen oppervlakkig
• Juxta-medullaire nefronen liggen dieper

In de proximale tubulus is er sprake van iso-osmolariteit:

• De proximale tubulus heeft een osmolariteit van 300
• In het intersistitium rondom de tubulus is de osmolariteit 300

Countercurrent multiplication is het proces waarbij een verticale osmotische gradiënt in het lumen en het interstitium wordt gecreëerd. De voorurine heeft dus een osmolariteit van 300. In de lis van Henle (van een juxta-medullair nefron) gebeuren verschillende dingen:

• In het stijgende deel wordt natrium het lichaam in gepompt: er is resorptie van natrium → de osmolariteit van de voorurine wordt bijv. 200
  • Het stijgende deel heeft altijd een concentratieverschil van 200 met het interstitium → dit betekent dat de osmolariteit van het interstitium van 300 naar 400 gaat
• In het dalende deel vindt passieve resorptie van water plaats → alleen water kan de lus uitgaan
  • Het concentratieverschil moet hier 0 zijn → de osmolariteit is 400

Dit proces herhaalt zich voortdurend, waardoor de osmolariteit dieper in de lus steeds hoger wordt. De maximale osmolariteit onderin de lis van Henle is 1203. Dit heeft te maken met de capaciteit van zoutpompen.

Single effect:

Het single effect is de horizontale gradiënt tussen het lumen van het opstijgende deel en het interstitium:

1. Oplosbare stoffen worden actief vanuit het dikke opstijgende been gedeponeerd in de ICF
2. Vanuit het afdalende been en de medullaire verzamelbuizen vindt waterverplaatsing plaats

De grootte van de verticale osmotische gradiënt in de medulla hangt af van:

• Grootte van het single effect
• Tubulaire flow: hoe sneller, hoe kleiner het single effect wordt
• Lengte van de lis van Henle: beïnvloedt hoe vaak het "single effect" wordt vermenigvuldigd
• Countercurrent flow in de vasa recta