Vận chuyển tích cực qua màng ống thận

Khi dịch lọc đi vào ống thận, nó chảy lần lượt qua các phần của ống thận ống lượn gần, quai Henle, ống lượn xa, ống nối và cuối cùng là ống góp trước khi bài tiết ra nước tiểu. Trong quá trình này, một số chất được tái hấp thu trở lại máu, trong khi một số chất khác được bài tiết từ máu vào trong lòng ống.

Cuối cùng, nước tiểu được hình thành và tất cả các chất có trong nước tiểu là sự tổng hợp của ba quá trình cơ bản ở thận lọc ở cầu thận, bài tiết và tái hấp thu ở ống thận:

Bài tiết nước tiểu = lọc ở cầu thận - tái hấp thu ống thận + bài tiết ở ống thận

Đối với nhiều chất, tái hấp thu ở ống thận đóng một vai trò quan trọng hơn nhiều bài tiết trong việc xác định tỉ lệ bài tiết cuối cùng trong nước tiểu. Tuy nhiên, bài tiết giải thích cho số lượng đáng kể của các ion kali, ion hydro, và một vài chất khác xuất hiện trong nước tiểu.

Vận chuyển tích cực có thể di chuyển chất tan ngược chiều bậc thang điện hóa và đòi hỏi năng lượng sinh ra từ quá trình chuyển hóa. Vận chuyển được kết nối trực tiếp đến nguồn năng lượng, như quá trình thủy phân của ATP, được gọi là vận chuyển chủ động nguyên phát. Một ví dụ về cơ chế này là kênh Natri-kali-ATPase thực hiện chức năng ở hầu hết các phần của ống thận. Vận chuyển được gắn trực tiếp với 1 nguồn năng lượng, ví dụ như bậc thang nồng độ ion được gọi là vận chuyển tích cực thứ phát. Tái hấp thu glucose bởi ống thận là một ví dụ về vận chuyển tích cực thứ phát. Mặc dù chất tan có thể được tái hấp thu bởi cơ chế chủ động hay thụ động ở ống thận, nước luôn luôn được tái hấp thu bởi cơ chế vật lí thụ động gọi là thẩm thấu, có nghĩa là nước khuyếch tán từ nơi có nồng độ chất tan thấp (nồng độ nước cao) đến nơi có nồng độ chất tan cao (nồng độ nước thấp).

Chất tan có thể vận chuyển qua màng tế bào hoặc giữa các tế bào

Tế bào biểu mô ống thận, giống như tế bào biểu mô khác, được nối với nhau nhờ vòng bịt (tight junction). Khoảng gian bào nằm sau vòng bịt và phân cách tế bào biểu mô ống thận. Chất hòa tan có thể được tái hấp thu hoặc bài tiết qua tế bào thông qua con đường vận chuyển qua tế bào hay qua khoảng gian bào như trong con đường vận chuyển cạnh tế bào. Natri là chất tan di chuyển qua cả hai con đường, tuy nhiên hầu hết Natri được vận chuyển bằng con đường qua tế bào. Ở 1 vài đoạn của nephron, đặc biệt là ống lượn gần, nước được tái hấp thu qua con đường vận chuyển qua tế bào, và chất tan trong nước, đặc biệt là ion Kali, Magie, Clo được kéo theo cùng dịch hấp thu giữa các tế bào.

Vận chuyển chủ động nguyên phát qua màng ống thận được gắn với enzym thủy phân ATP

Điểm đặc biệt quan trọng của vận chuyển chủ động nguyên phát là nó có thể di chuyển chất tan ngược chiều bậc thang điện hóa. Năng lượng cho quá trình vận chuyển tích cực này đến từ việc thủy phân ATP bởi enzym ATPase gắn trên màng tế bào, đây cũng là thành phần của cơ chế vận chuyển chất tan qua màng tế bào. Vận chuyển chủ động nguyên phát trong thận gồm Natri-KaliATPase, Hydro ATPase, hydro-kali ATPase, và calci ATPase. Một ví dụ hay của vận chuyển chủ động nguyên phát là tái hấp thu ion Natri qua màng ống lượn gần, được trình bày trong hình.

Hình. Cơ chế cơ bản để vận chuyển tích cực natri qua tế bào biểu mô ống. Bơm natri-kali vận chuyển natri từ bên trong tế bào qua màng đáy, tạo ra nồng độ natri nội bào thấp và điện thế nội bào âm. Nồng độ natri nội bào thấp và điện thế âm làm cho các ion natri khuếch tán từ lòng ống vào tế bào qua đường viền bàn chải.

Ở màng đáy của tế bào biểu mô ống thận, màng tế bào có 1 lượng lớn bơm Natri-kali-ATPase, chúng thủy phân ATP và sự dụng năng lượng để vận chuyển ion Natri ra khỏi tế bào vào khoảng kẽ. Đồng thời, kali được vận chuyển từ khoảng kẽ vào trong tế bào. Bơm ion này hoạt động giúp duy trì nồng độ

Natri thấp và Kali cao ở trong tế bào, đồng thời tạo ra 1 điện tích âm khoảng -70 milivon trong tế bào.

Bơm hoạt động đẩy Natri qua màng đáy tạo điều kiện cho Natri khuyếch tán thụ động qua màng đỉnh, từ trong lòng ống thận vào trong tế bào, vì 2 lí do: (1) Một gadient nồng độ tồn tại giữa nồng độ Natri trong tế bào thấp (12 mEq/L) còn nồng độ Natri trong lòng ống thận cao (140 mEq/L) làm Natri khuyếch tán vào trong tế bào và (2) điện thế -70 milivon trong tế bào hút các ion Natri dương từ lòng ống thận vào trong tế bào.

Sự tái hấp thu Natri của kênh Natri-kali-ATPase có ở hầu hết các thành phần của ống thận. Ở một vài phần của nephron, cũng có thêm những hỗ trợ khác để di chuyển 1 lượng lớn Natri vào trong tế bào. Tại ống lượn gần, mặt ngọn màng tế bào có các diềm bàn chải (phía hướng về lòng ống) giúp tăng diện tích bề mặt lên khoảng 20 lần. Ngoài ra còn có các protein mang gắn với ion natri nằm trên mặt ngọn tế bào, sau đó giải phóng Natri vào trong tế bào, đây là phương pháp khuyếch tán thuận hóa Natri qua màng tế bào. Những protein mang Natri cũng quan trọng trong cơ chế vận chuyển tích cực thứ phát của nhứng chất khác, như glucose và acid amin.

Như vậy quá trình tái hấp thu natri từ trong lòng ống vào máu gồm ít nhất 3 bước:

1. Natri khuyếch tán qua màng ống (hay còn gọi màng đỉnh) vào trong tế bào dưới tác dụng của gradient điện thế tạo bởi bơm Natri- Kali-ATPase nằm ở màng đáy tế bào.

2. Natri vận chuyển qua màng đáy ngược chiều bậc thang điện hóa nhờ bơm Natri- Kali-ATPase.

3. Natri, nước, và các chất tan khác được tái hấp thu từ dịch kẽ vào các mao mạch cạnh ống thận nhờ quá trình siêu lọc, một quá trình thụ động được điều chỉnh bằng chênh lệch áp lực thủy tĩnh và áp lực keo huyết tương.

Tái hấp thu tích cực thứ phát qua màng đỉnh tế bào

Ở quá trình vận chuyển tích cực thứ phát, hai hoặc nhiều hơn chất tan tương tác với một protein màng đặc hiệu (một chất mang) và được vận chuyển cùng nhau qua màng tế bào. Khi một chất tan (ví dụ Natri) khuyếch tán theo chiều gradient điện thế của nó, năng lượng giải phóng ra được sử dụng để vận chuyển chất tan khác (ví dụ glucose) ngược chiều gradient điện thế.

Do đó, quá trình vận chuyển tích cực thứ phát không cần cung cấp năng lượng trực tiếp từ ATP hay từ nguồn giầu phosphat khác. Thay vào đó, nguồn năng lượng được giải phóng trực tiếp từ quá trình khuyếch tán theo chiều bậc thang điện hóa của những chất vận chuyển cùng.

Hình cho thấy vận chuyển tích cực thứ phát của glucose và amino acid tại ống lượn gần. Trong cả 2 trường hợp, protein mang đặc hiệu ở diềm bàn chải kết hợp đồng thời ion Natri với 1 phân tử amino acid hoặc 1 phân tử glucose. Cơ chế vận chuyển này giúp loại bỏ hầu hết glucose và amino acids trong lòng ống thận. Sau khi vào trong tế bào, glucose và amino acids thoát qua màng đáy bằng cách khuyếch tán, nhờ nồng độ cao glucose và amino acids trong tế bào mà protein vận chuyển đặc hiệu tạo ra.

Đồng vận chuyển Natri glucose (SGLT2 và SGLT1) nằm trên diềm bàn chải của tế bào ống lượn gần và vận chuyển glucose vào trong chất tế bào ngược chiều bậc thang điện hóa, như đã được nói đến trước đây.

Khoảng 90% lượng glucose được tái hấp thu bởi SGLT2 ở phần đầu ống lượn gần (đoạn S1), và 10% còn lại đưuọc vận chuyển bởi SGLT1 ở đoạn xa ống lượn gần. Ở màng đáy tế bào, glucose khuyếch tán từ tế bào ra khoảng kẽ nhờ kênh vận chyển glucose - GLUT2 ở đoạn S1 và GLUT1 ở phần sau (đoạn S3) của ống lượn gần.

Mặc dù vận chuyển glucose ngược chiều bậc thang điện hóa không sử dụng trực tiếp ATP, sự tái hấp thu glucose phụ thuộc vào năng lượng tiêu hao trong quá trình vận chuyển tích cực nguyên phát của kênh Natri Kali ATPase ở màng đáy tế bào.

Hình. Cơ chế vận chuyển tích cực thứ phát. Tế bào phía trên cho thấy sự đồng vận chuyển glucose và axit amin cùng với các ion natri qua đỉnh của tế bào biểu mô ống, tiếp theo là sự khuếch tán thuận lợi qua màng đáy. Tế bào phía dưới cho thấy sự phản vận chuyển các ion hydro từ bên trong tế bào qua màng đỉnh và vào lòng ống; sự di chuyển của các ion natri vào trong tế bào, theo một gradien điện hóa được thiết lập bởi bơm natri-kali trên màng đáy, cung cấp năng lượng để vận chuyển các ion hydro từ bên trong tế bào vào lòng ống. ATP, adenosine triphosphat; GLUT, chất vận chuyển glucose; NHE, chất trao đổi natrihydrogen; SGLT, đồng vận chuyển natri-glucose.

Nhờ hoạt động của bơm này, gradient điện hóa cho sự khuyếch tán được thuận hóa qua màng đỉnh tế bào được duy trì, và chính sự khuyếch tán Natri vào trong tế bào cung cấp năng lượng cho vận chuyển đồng thời glucose qua màng đỉnh tế bào. Do đó, quá trình tái hấp thu này của glucose được gọi là “vận chuyển tích cực nguyên phát” vì glucose được hấp thu ngược chiều bậc thang điện hóa, nhưng là thứ phát sau quá trình vận chuyển tích cực nguyên phát của Natri.

Điểm quan trọng khác là một chất được vận chuyển tích cực khi có ít nhất một bước trong quá trình tái hấp thu liên quan đến vận chuyển tích cực nguyên phát hay thứ phát, mặc dù bước còn lại trong quá trình tái hấp thu là thụ động. Đối với tái hấp thu glucose, vận chuyển tích cực thứ phát xảy ra ở màng đỉnh tế bào, nhưng khuyếch tán được thuận hóa thụ động xẩy ra ở màng đáy tế bào, và hấp thu thụ động bởi quá trình siêu lọc xẩy ra ở mao mạch quanh ống thận.

Bài tiết tích cực thứ phát vào trong ống thận

Một vài chất tan được bài tiết vào trong ống thận bởi quá trình vận chuyển tích cực thứ phát, thường liên quan đến quá trình vận chuyển ngược chiều với Natri. Trong vận chuyển ngược chiều, năng lượng giải phóng từ việc di chuyển thuận chiều của một chất (ví dụ ion Natri) cho phép chất thứ hai di chuyển ngược chiều theo hướng ngược lại.

Một ví dụ của vận chuyển ngược chiều, được thể hiện trong hình, là bài tiết tích cực của ion hydro cùng với tái hấp thu Natri ở màng đỉnh của ống lượn gần. Trong trường hợp này, Natri đi vào trong tế bào cùng với hydro đi ra khỏi tế bào bởi vận chuyển ngược chiều Natri-hydro. Trung gian của quá trình vận chuyển này là một protein chuyên biệt (trao đổi natri - hydro) ở diềm bàn chải của màng đỉnh tế bào.

Khi Natri được vận chuyển vào trong tế bào, ion hydro ra ngoài tế bào theo chiều ngược lại vào trong lòng ống. Các nguyên tắc cơ bản của quá trình vận chuyển tích cực nguyên phát và thứ phát.

Ẩm bào - vận chuyển tích cực, cơ chế của tái hấp thu protein

Một số phần của ống thận, đặc biệt là ống lượn gần, tái hấp thu những phân tử lớn như protein bằng cách ẩm bào, một loại nhập bào. Trong quá trình này, protein gắn vào diềm bàn chải của màng đỉnh, phần màng tế bào này lõm vào trong tế bào cho đến khi tách ra hoàn toàn, hình tành 1 túi chứa protein. Khi vào trong tế bào, protein phân cắt thành amino acids và được tái hấp thu qua màng đáy vào trong khoảng kẽ. Bởi vì ẩm bào cần năng lượng, nên nó được coi là một dạng vận chuyển tích cực.

Mức vận chuyển tối đa của những chất được tái hấp thu tích cực

Đa số các chất tan được tái hấp thu và bài tiết tích cực đều được vận chuyển đến tỉ lệ giới hạn, được gọi là mức vận chuyển tối đa. Giới hạn này do sự bão hòa hệ thống vận chuyển, khi một lượng chất đi vào ống thận (gọi là tải lượng ống thận) vượt quá khả năng của protein mang và enzym chuyên biệt liên quan đến quá trình vận chuyển.

Hệ thống vận c huyển g luc ose ở tế bào ống lượn g ần là một ví dụ điển hình. Bình thường, hầu như glucose không xuất hiện trong nước tiểu do glucose lọc qua cầu thận đều được tái hấp thu ở ống lượn gần. Tuy nhiên, khi tải lượng lọc vượt quá khả năng tái hấp thu glucose của ống thận, glucose bài tiết ra nước tiểu.

Ở người trưởng thành, mức vận chuyển tối đa glucsose trung bình khoảng 375 mg/phút, khi tải lượng lọc glucose khoảng 125 mg/phút (GFR x glucose huyết tương = 125 ml/phút x 1 mg/ml).

Khi tăng lưu lượng lọc cầu thận và/ hoặc nồng độ glucose huyết tương tăng, tải lượng lọc glucose trên 375 mg/phút, glucose thừa không được tái hấp thu và thải ra nước tiểu.

Hình cho thấy mối quan hệ giữa nồng độ glucose huyết tương, lượng glucose lọc ở cầu thận, ngưỡng vận chuyển glucose ống thận, và tỉ lệ glucose trong nước tiểu. Khi nồng độ glucose huyết tương là 100 mg/100 ml và khả năng lọc bình thường (125 mg/phút ) thì không có glucose trong nước tiểu. Tuy nhiên, khi nồng độ glucose huyết tương tăng khoảng 200mg/100ml, mức lọc cầu thận tăng lên khoảng 200 mg/phút, một lượng nhỏ glucose bắt đầu xuất hiện trong nước tiểu.Điều này gọi là ngưỡng glucose của thận. Lưu ý rằng glucose xuất hiện trong nước tiểu (quá ngưỡng) xảy ra trước khi đạt được mức vận chuyển tối đa. Lí do có sự khác nhau giữa ngưỡng và mức vận chuyển tối đa là không phải tất cả nephrons đều đạt được mức vận chuyển tối đa glucose cùng lúc, một số nephron bắt đầu bài tiết glucose trước khi những nephrone khác đạt được mức vận chuyển tối đa. Tổng mức vận chuyển tối đa ở thận bình thường khoảng 375 mg/phút, đạt được khi tất cả nephron đều đạt công suất tái hấp thu glucose tối đa.

Glucose huyết tương ở người khỏe mạnh hầu như không cao đến mức bài tiết glucose ra nước tiểu, kể cả sau bữa ăn. Tuy nhiên, trong bệnh đái tháo đường, glucose huyết tương có tăng lên mức cao, gây ra tải lượng lọc glucose vượt quá mức vận chuyển tối đa glucose dẫn đến bài tiết glucose trong nước tiểu. Sau đây là mức vận chuyển tối đa của một số chất quan trọng tái hấp tích cực.

Chất tan và mức vận chuyển tối đa

Glucose 375 mg/phút.

Phosphate 0.10 mmol/phút.

Sulfate 0.06 mmol/phút.

Amino acids 1.5 mmol/phút.

Urate 15 mg/phút.

Lactate 75 mg/phút.

Protein huyết tương 30 mg/phút.

Mức vận chuyển tối đa của những chất tan được bài tiết tích cực Các chất tan được bài tiết tích cực cũng xuất hiện mức vận chuyển tối đa như sau:

Chất tan và mức vận chuyển tối đa

Creatinine 16 mg/phút.

Para-aminohippuric acid 80 mg/phút.

Các chất được vận chuyển tích cực nhưng không thể hiện mức vận chuyển tối đa

Lý do mà các chất hòa tan được vận chuyển tích cực thường thể hiện cực đại vận chuyển là hệ thống chất mang vận chuyển trở nên bão hòa khi tải trọng ống tăng lên. Một số chất được tái hấp thu thụ động không chứng tỏ mức vận chuyển tối đa bởi vì tốc độ vận chuyển của chúng được xác định bởi các yếu tố khác, chẳng hạn như (1) gradient điện hóa đối với sự khuếch tán của chất qua màng, (2) tính thấm của màng đối với chất, và (3) thời gian mà chất lỏng chứa chất đó vẫn còn trong ống. Vận chuyển kiểu này được gọi là vận chuyển theo thời gian theo gradient vì tốc độ vận chuyển phụ thuộc vào gradien điện hóa và thời gian chất ở trong ống, do đó phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy của ống.

Hình. Mối liên quan giữa lượng glucose đã lọc, tốc độ tái hấp thu glucose của ống thận, và tốc độ bài tiết glucose trong nước tiểu. Mức vận chuyển tối đa là tốc độ tối đa mà glucose có thể được tái hấp thu từ ống. Ngưỡng glucose đề cập đến lượng glucose đã lọc mà tại đó glucose bắt đầu được bài tiết qua nước tiểu.

Các chất được vận chuyển thụ động không thể hiện mức vận chuyển tối đa và có các đặc điểm của vận chuyển theo thời gian gradient, có nghĩa là tốc độ vận chuyển phụ thuộc vào (1) gradien điện hóa, (2) tính thấm của màng đối với chất, và ( 3) thời gian chất lỏng chứa chất tiếp xúc với màng tế bào của ống lượn.

Một ví dụ về vận chuyển gradient thời gian là tái hấp thu Natri ở ống lượn gần, nơi mà năng xuất mức vận chuyển tối đa của bơm Natri-Kali-ATPase ở màng đáy thường lớn hơn nhiều so với tốc độ khuyếch tán thực của Natri khi một lượng có ý nghĩa Natri được vận chuyển qua khoảng giữa hai tế bào vào lòng ống thận thông qua màng bịt tế bào biểu mô. Mức độ rò rỉ dịch vào khoảng kẽ của thận phụ thuộc vào (1) tính thấm màng bịt và (2) các lực vật lý ở khoảng kẽ, dùng để xác định mức độ tái hấp thu quá trình siêu lọc từ dịch kẽ vào mao mạch cạnh ống thận. Do đó, Natri vận chuyển ở ống lượn gần chủ yếu tuân theo nguyên tắc vận chuyển gradient- thời gian hơn là mức vận chuyển tối đa ống thận.

Điều này có nghĩa là nồng độ Natri ở ống lượn gần càng lớn thì mức độ tái hấp thu của nó càng lớn. Ngoài ra, khi tốc độ chảy của dịch trong ống thận càng chậm thì phần trăm Natri được tái hấp thu từ ống lượn gần càng tăng.

Ở những đoạn xa của nephrone, tế bào biểu mô có nhiều màng bịt hơn và vận chuyển lượng Natri nhỏ hơn. Ở những đoạn này, tái hấp thu Natri xuất hiện mức vận chuyển tối đa giống như các chất tan được vận chuyển tích cực khác. Hơn nữa, mức vận chuyển tối đa có thể tăng bởi hormone, như là aldosteron.