Khi dịch lọc cầu thận đi vào trong các ống thận, nó chảy một cách tuần tự qua các phần liên tiếp của ống thận – ống lượn gần, quai Henle, ống lượn xa, vi ống thu thập và ống thu thập – trước khi nó được bài tiết dưới dạng nước tiểu. Cùng với chặng đi này, một số chất được tái hấp thu một cách chọn lọc từ các ống thận quay trở lại vào trong máu, ngược lại, các chất khác được bài tiết từ máu vào trong lòng ống thận. Cuối cùng, nước tiểu được hình thành và tất cả các chất trong nước tiểu biểu diễn cho tổng của ba quá trình thận cơ bản – sự lọc cầu thận, sự tái hấp thu của ống thận và sự bài tiết của ống thận:
Sự bài tiết nước tiểu = Sự lọc cầu thận – Sự tái hấp thu của ống thận + Sự bài tiết của ống thận
Đối với nhiều chất, sự tái hấp thu của ống thận đóng một vai trò quan trọng hơn nhiều so với sự bài tiết trong việc xác định mức bài tiết trong nước tiểu cuối cùng. Tuy nhiên, sự bài tiết của ống thận đóng góp các lượng đáng kể của ion kali, ion hydrogen và một ít chất khác mà xuất hiện trong nước tiểu.
Sự tái hấp thu của ống thận thì lớn về mặt định lượng và có tính chọn lọc cao
Bảng 1 cho thấy sự xử lý của thận đối với một vài chất mà tất cả chúng đều được lọc một cách tự do trong các thận và được tái hấp thu ở các mức độ khác nhau. Mức mà mỗi chất này được lọc sẽ được tính toán như sau:
Mức lọc = Mức lọc cầu thận x Nồng độ huyết tương
Sự tính toán này giả sử rằng chất được lọc một cách tự do và không liên kết với các proteins huyết tương. Ví dụ, nếu như nồng độ glucose huyết tương là 1 g/L, thì lượng glucose được lọc mỗi ngày là khoảng 180 L/ngày x 1 g/L, hay 180 g/ngày. Bởi vì hầu như không có glucose được lọc bình thường bị bài tiết nên mức tái hấp thu của glucose cũng là 180 g/ngày.
Từ Bảng 1, hai điều mà ngay lập tức được nhận ra. Đầu tiên, các quá trình của sự lọc cầu thận và sự tái hấp thu của ống thận là lớn về mặt định lượng so với sự bài tiết trong nước tiểu của nhiều chất. Vì thế, một sự thay đổi nhỏ trong mức lọc cầu thận hoặc sự tái hấp thu của ống thận có thể có tiềm năng gây ra một sự thay đổi tương đối lớn trong sự bài tiết nước tiểu. Ví dụ, một sự giảm 10% trong sự tái hấp thu của ống thận từ 178.5 xuống 160.7 L/ngày, sẽ làm tăng thể tích nước tiểu từ 1.5 lên 19.3 L/ngày (tăng lên gần 13 lần) nếu như mức lọc cầu thận (GFR) vẫn hằng định. Trong thực tế, các sự thay đổi trong sự tái hấp thu của ống thận và mức lọc cầu thận thì được phối hợp một cách chặt chẽ sao cho các sự biến động lớn trong sự bài tiết nước tiểu thì được tránh khỏi.
Thứ hai, không giống như sự lọc cầu thận, mà tương đối không chọn lọc (về bản chất, tất cả các chất tan trong huyết tương đều được lọc trừ các proteins huyết tương hoặc các chất liên kết với chúng), sự tái hấp thu của ống thận thì có tính chọn lọc cao. Một số chất, như glucose và các amino acids, thì hầu như được tái hấp thu một cách hoàn toàn từ các ống thận, vì thế, mức bài tiết trong nước tiểu thì gần như là 0. Nhiều ion trong huyết tương, như natri, chloride và bicarbonate, thì cũng được tái hấp thu mạnh, nhưng các mức tái hấp thu và bài tiết trong nước tiểu của chúng thì thay đổi, phụ thuộc vào các nhu cầu của cơ thể. Các sản phẩm thải, như urea và creatinine thì ngược lại, chúng được tái hấp thu kém từ các ống thận thận và được bài tiết ở các lượng tương đối lớn.
Vì thế, bằng cách kiểm soát sự tái hấp thu của các chất khác nhau, các thận sẽ điều hòa được sự bài tiết của các chất tan một cách độc lập so với chất tan khác, một khả năng mà cần thiết cho sự kiểm soát chính xác của thành phần dịch cơ thể. Trong loạt bài viết này, chúng ta sẽ bàn đến cơ chế mà cho phép các thận tái hấp thu và bài tiết một cách chọn lọc các chất khác nhau với các mức độ khác nhau.
Sự tái hấp thu của ống thận bao gồm các cơ chế thụ động và chủ động
Đối với một chất được tái hấp thu, nó phải được vận chuyển (1) qua các màng biểu mô ống thận vào trong dịch kẽ của thận và sau đó (2) qua mao mạch quanh ống thận quay trở vào trong máu (Hình 1). Vì thế, sự tái hấp thu của nước và các chất tan bao gồm một chuỗi các bước vận chuyển. Sự tái hấp thu qua biểu mô ống thận vào trong dịch kẽ sẽ bao gồm sự vận chuyển chủ động hoặc thụ động bởi cùng các cơ chế cơ bản sẽ được bàn đến trong các bài viết sau đối với sự vận chuyển qua các màng tế bào khác nhau của cơ thể. Ví dụ, nước và các chất tan có thể được vận chuyển qua các màng tế bào (chặng xuyên bào [transcellular route]) hoặc qua các khoảng giữa các liên kết tế bào (chặng cạnh tế bào [paracellular route]). Sau đó, sau sự hấp thu qua các tế bào biểu mô ống thận vào trong dịch kẽ, nước và các chất tan được vận chuyển qua các thành mao mạch quanh ống thận vào trong máu bởi sự siêu lọc (bulk flow – tạm dịch là dòng chảy khối) mà được điều hòa bởi lực thủy tĩnh và lực thẩm thấu keo. Các mao mạch quanh ống thận có vai trò giống như các đầu tĩnh mạch của hầu hết các mao mạch khác bởi vì có một lực tái hấp thu toàn phần mà làm di chuyển dịch và các chất tan từ dịch kẽ vào trong máu
Vận chuyển chủ động
Vận chuyển chủ động có thể di chuyển một chất tan ngược lại một gradient điện hóa; điều này yêu cầu năng lượng có nguồn gốc từ chuyển hóa. Sự vận chuyển mà được bắt cặp một cách trực tiếp với một nguồn năng lượng, như sự thủy phân của adenosine triphosphate (ATP) được gọi là vận chuyển tích cực nguyên phát (primary active transport). Một ví dụ của cơ chế này là bơm natri-kali adenosine triphosphatase (ATPase) (bơm Na+-K+ ATPase) mà thực hiện chức năng trên khắp hầu hết các phần của ống thận. Sự vận chuyển mà được bắt cặp gián tiếp với một nguồn năng lượng, như do một gradient ion, thì được gọi là vận chuyển tích cực thứ phát (secondary active transport). Sự tái hấp thu glucose bởi ống thận là một ví dụ của vận chuyển tích cực thứ phát. Mặc dù các chất tan có thể được tái hấp thu bởi các cơ chế chủ động và/hoặc thụ động bởi ống thận nhưng nước thì luôn luôn được tái hấp thu một cách thụ động qua màng biểu mô ống thận bởi sự thẩm thấu (osmosis).
Các chất tan có thể được vận chuyển qua các tế bào biểu mô hay giữa các tế bào. Các tế bào ống thận, cũng như các tế bào biểu mô khác, thì được giữ với nhau bởi các liên kết chặt (tight junctions). Các khoang gian bào bên nằm ở phía sau các liên kết chặt và phân tách các tế bào biểu mô của ống thận. Các chất tan có thể được tái hấp thu hoặc được bài tiết qua các tế bào thông qua con đường xuyên bào hoặc giữa các tế bào bằng cách di chuyển qua các liên kết chặt và các khoảng gian bào thông qua con đường cạnh tế bào. Natri là một chất mà di chuyển qua cả hai con đường, mặc dù hầu hết natri là được vận chuyển qua con đường xuyên bào. Trong một số đoạn của nephron, đặc biệt là ống lượn gần, nước cũng được tái hấp thu qua con đường cạnh tế bào và các chất tan hòa tan trong nước, đặc biệt là kali, magie, và chloride là được mang theo cùng với dịch được tái hấp thu giữa các tế bào.
Sự vận chuyển tích cực nguyên phát qua màng ống thận có liên quan đến sự thủy phân của adenosine triphosphatase. Tầm quan trọng đặc biệt của sự vận chuyển tích cực nguyên phát là nó có thể đưa chất tan đi ngược lại một gradient điện hóa. Năng lượng cho sự vận chuyển chủ động này đến từ sự thủy phân của ATP bởi con đường ATPase liên kết màng tế bào, đây cũng là một thành phần của cơ chế chất mang mà giúp liên kết và di chuyển các chất tan qua các màng tế bào. Các chất vận chuyển tích cực nguyên phát trong các thận mà đã biết bao gồm Na+-K+ ATPase, hydrogen ATPase, hydrogen-kali ATPase và canxi ATPase.
Một ví dụ hay về một hệ thống vận chuyển tích cực nguyên phát là sự tái hấp thu của ion natri qua màng ống lượn gần, như được thể hiện trong Hình 2. Trên phía đáy-bên của các tế bào biểu mô ống thận, màng tế bào có một hệ thống Na+-K+ ATPase phong phú mà thủy phân ATP và sử dụng năng lượng được giải phóng ra để vận chuyển ion natri ra khỏi tế bào vào trong dịch kẽ. Cùng lúc đó, kali được vận chuyển từ dịch kẽ vào phía bên trong tế bào. Sự hoạt động của bơm ion này giúp duy trì nồng độ natri nội bào thấp và nồng độ kali nội bào cao và tạo ra một sự tích điện âm toàn phần là khoảng -70 millivolts bên trong tế bào. Sự bơm chủ động natri ra khỏi tế bào qua màng đáy-bên của tế bào tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán thụ động của natri qua màng lòng ống của tế bào, từ lòng ống thận vào trong tế bào, vì hai lý do: (1) có một gradient nồng độ tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán của natri vào trong tế bào bởi vì nồng độ natri nội bào thì thấp (12 mEq/L) và nồng độ natri dịch ống thận thì cao (140 mEq/L); và (2) điện thế nội bào âm, -70 millivolts, làm kéo natri tích điện dương từ lòng ống vào trong tế bào.
Sự tái hấp thu chủ động của natri bởi Na+-K+ ATPase xảy ra trong hầu hết các phần của ống thận. Trong các phần nhất định của nephron, cũng có các cơ chế cung cấp thêm để giúp di chuyển các lượng lớn natri vào trong tế bào. Trong ống lượn gần, có một bờ bàn chải phong phú trên phía lòng của màng tế bào (phía mà hướng vào lòng ống thận) mà làm tăng diện tích bề mặt lên khoảng 20 lần. Cũng có các proteins mang mà liên kết ion natri trên mặt lòng của màng và giải phóng chúng vào bên trong tế bào, cung cấp sự khuếch tán có gia tốc (facilitated diffusion) của natri qua màng vào trong tế bào. Các proteins mang natri này cũng quan trọng đối với sự vận chuyển tích cực thứ phát của các chất khác, như glucose và amino acids, như sẽ được nói đến sau.
Vì thế, sự tái hấp thu toàn phần của ion natri từ lòng ống quay trở lại vào trong máu liên quan với ít nhất 3 bước:
1. Natri khuếch tán qua màng lòng (còn được gọi là màng đỉnh [apical membrane]) vào trong tế bào theo một gradient điện hóa được thiết lập bởi bơm Na+-K+ ATPase trên phía đáy-bên của màng.
2. Natri được vận chuyển qua màng đáy-bên ngược lại gradient điện hóa bởi bơm Na+-K+ ATPase.
3. Natri, nước và các chất khác được tái hấp thu từ dịch kẽ vào trong các mao mạch quanh ống thận bởi sự siêu lọc, một quá trình thụ động được điều khiển bởi gradient thủy tĩnh và áp suất thẩm thấu keo.
Sự tái hấp thu chủ động thứ phát qua màng ống thận. Trong sự vận chuyển tích cực thứ phát, hai hoặc nhiều chất hơn tương tác với một protein màng đặc hiệu (một phân tử mang) và được vận chuyển cùng với nhau qua màng. Khi một trong số các chất tan (như natri) khuếch tán theo gradient điện hóa của nó thì năng lượng được giải phóng được sử dụng để điều khiển một chất khác (như glucose) đi ngược lại gradient điện hóa của nó. Vì thế, sự vận chuyển chủ động thứ phát sẽ không cần năng lượng một cách trực tiếp từ ATP hoặc từ các nguồn phosphate cao năng khác. Thay vào đó, nguồn năng lượng trực tiếp chính là được giải phóng bởi sự khuếch tán có gia tốc đồng thời của chất khác được vận chuyển theo gradient nồng độ của nó.
Hình 3 cho thấy sự vận chuyển tích cực thứ phát của glucose và amino acids trong ống lượn gần. Trong cả hai trường hợp, các protein mang trong bờ bàn chải đều kết hợp với một ion natri và một amino acid hoặc một phân tử glucose đồng thời. Các cơ chế vận chuyển này thì hiệu quả đến nổi chúng vận chuyển hầu như tất cả glucose và amino acids khỏi lòng ống thận. Sau khi đi vào trong tế bào, glucose và amino acids thoát qua các màng đáy-bên bằng sự khuếch tán, được điều khiển bởi các nồng độ glucose và amino acids cao trong tế bào được gia tốc bởi các proteins vận chuyển đặc hiệu.
Các chất đồng vận chuyển natri glucose (sodium glucose co-transporters) (SGLT2 và SGLT1) thì nằm trên bờ bàn chải của các tế bào ống lượn gần và mang glucose vào trong bào tương tế bào ngược lại một gradient nồng độ, như được mô tả trước đây. Gần 90% glucose được lọc được tái hấp thu bởi SGLT2 trong phần đầu của ống lượn gần (đoạn S1) và 10% còn lại được vận chuyển bởi SGLT1 trong các đoạn sau của ống lượn gần. Trên phía đáy-bên của màng, glucose khuếch tán ra khỏi các tế bào vào trong các khoảng kẽ với sự giúp đỡ của các chất vận chuyển glucose (glucose transporters) – GLUT2 trong đoạn S1 và GLUT1 trong phần sau (đoạn S3) của ống lượn gần.
Mặc dù sự vận chuyển của glucose ngược một gradient hóa học thì không sử dụng ATP một cách trực tiếp nhưng sự tái hấp thu của glucose phụ thuộc vào năng lượng mà được sử dụng bởi bơm Na+-K+ ATPase tích cực nguyên phát trong màng đáy-bên. Do hoạt động của bơm này, một gradient điện-hóa cho sự khuếch tán có gia tốc của natri qua màng lòng được duy trì, và chính sự khuếch tán theo gradient nồng độ này của natri vào trong tế bào giúp cung cấp năng lượng cho sự vận chuyển đồng thời ngược gradient nồng độ của glucose qua màng lòng. Vì thế, sự tái hấp thu này của glucose được gọi là vận chuyển tích cực thứ phát bởi vì chính glucose được tái hấp thu ngược gradient hóa học nhưng nó là thứ phát sau một sự vận chuyển tích cực nguyên phát của natri.
Một điểm quan trọng khác đó là một chất được cho là trải qua sự vận chuyển chủ động (tích cực) khi ít nhất một trong số các bước trong sự tái hấp thu liên quan đến sự vận chuyển tích cực nguyên phát hoặc thứ phát, mặc dù các bước khác trong quá trình tái hấp thu có thể là thụ động. Đối với sự tái hấp thu glucose, vận chuyển tích cực thứ phát xảy ra ở màng lòng nhưng khuếch tán có gia tốc thụ động xảy ra ở màng đáy-bên và hấp thu thụ động bởi “bulk flow” xảy ra ở các mao mạch quanh ống thận.
Sự bài tiết tích cực thứ phát vào trong các ống thận. Một số chất được bài tiết vào trong các ống thận bởi sự vận chuyển tích cực thứ phát, mà thường liên quan đến sự đối vận chuyển (counter-transport) của chất đó với ion natri. Trong đối vận chuyển, năng lượng được giải phóng từ sự di chuyển theo gradient hóa học của một trong số các chất (như ion natri) khơi mào cho sự di chuyển ngược gradient hóa học của một chất thứ hai theo hướng ngược lại.
Một ví dụ của đối vận chuyển, được thể hiện trong Hình 3, là sự bài tiết chủ động của hydrogen bắt cặp với sự tái hấp thu của natri trong lòng ống thận của ống lượn gần. Trong trường hợp này, sự đi vào của natri vào trong tế bào thì được bắt cặp với sự đi ra của hydrogen khỏi tế bào. Sự vận chuyển này được điều hòa bởi một protein đặc hiệu (chất trao đổi natri-hydrogen) trong bờ bàn chải của màng lòng ống thận. Khi natri được mang vào bên trong tế bào, các ion hydrogen được đẩy ra bên ngoài theo hướng ngược lại vào trong lòng ống thận. Các nguyên lý cơ bản của sự vận chuyển tích cực nguyên phát và thứ phát thì được bàn đến trong các bài viết tiếp theo.
Ẩm bào (pinocytosis) là một cơ chế vận chuyển tích cực cho sự tái hấp thu của proteins. Một số phần của ống thận, đặc biệt là ống lượn gần, tái hấp thu các phân tử lớn như proteins thông qua sự ẩm bào (pinocytosis), một loại nhập bào (endocytosis). Trong quá trình này, protein liên kết với bờ bàn chải của màng lòng và phần này của màng sau đó lõm xuống vào bên trong tế bào cho đến khi nó hoàn toàn được tách khỏi và một túi được hình thành có chứa protein. Một khi bên trong tế bào, protein được tiêu hóa thành các amino acids thành phần của nó, là thành phần được tái hấp thu qua màng đáy-bên vào trong dịch kẽ. Bởi vì ẩm bào cần năng lượng nên nó được xem là một dạng của vận chuyển chủ động.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
