Sự điều hòa nồng độ kali dịch ngoại bào và sự bài tiết kali
Tóm tắt các yếu tố chính mà điều hòa sự bài tiết kali
Aldosterone kích thích sự bài tiết kali. Aldosterone kích thích sự tái hấp thu chủ động ion natri bởi các tế bào chính của đoạn cuối ống lượn xa và các ống thu thập (xem loạt bài viết trước). Tác động này được điều hòa thông qua một bơm Na+-K+ ATPase mà vận chuyển natri ra ngoài qua màng đáy-bên của tế bào và vào trong dịch kẽ thận cùng lúc mà nó bơm kali vào bên trong tế bào. Vì thế, aldosterone cũng có một tác động mạnh mẽ lên việc kiểm soát mức độ mà các tế bào chính bài tiết kali và tái hấp thu natri.
Một tác động thứ hai của aldosterone là làm tăng số lượng các kênh kali trong màng lòng và vì thế, làm tăng tính thấm của nó đối với kali, làm bổ sung nhiều hơn tính hiệu quả của aldosterone trong việc kích thích sự bài tiết kali. Vì thế, aldosterone có một tác động mạnh mẽ trong việc làm tăng sự bài tiết kali, như được thể hiện trong Hình 4, phần 1.
Tăng nồng độ ion kali ngoại bào kích thích sự bài tiết aldosterone. Trong các hệ thống kiểm soát phản hồi âm, yếu tố mà được kiểm soát thường có một tác động phản hồi lên hệ thống kiểm soát. Trong trường hợp của hệ thống kiểm soát aldosterone-kali, mức bài tiết aldosterone bởi tuyến thượng thận được kiểm soát một cách mạnh mẽ bởi nồng độ ion kali dịch ngoại bào. Hình 1 cho thấy một sự tăng lên trong nồng độ kali huyết tương khoảng 3 mEq/L có thể làm tăng nồng độ aldosterone huyết tương từ gần 0 lên cao đến 60 ng/100 ml, một nồng độ gần 10 lần so với bình thường.
Tác động của nồng độ ion kali trong kích thích sự bài tiết aldosterone là một phần của một hệ thống phản hồi mạnh mẽ trong điều hòa sự bài tiết kali, như được thể hiện trong Hình 2. Trong hệ thống phản hồi này, một sự tăng lên trong nồng độ kali huyết tương kích thích sự bài tiết aldosterone và vì thế, làm tăng nồng độ aldosterone huyết tương (khối 1). Sự tăng lên trong aldosterone huyết tương sau đó gây ra một sự tăng lên đáng kể trong sự bài tiết kali bởi các thận (khối 2). Sự bài tiết kali tăng lên sau đó làm giảm nồng độ kali dịch ngoại bào quay trở về mức bình thường (hình tròn 3 và khối 4). Vì thế, cơ chế phản hồi này đóng vai trò hợp lực, cùng với tác động trực tiếp của nồng độ kali ngoại bào tăng lên trong việc làm tăng sự bài tiết kali khi lượng kali ăn vào tăng lên (Hình 3).
Chặn hệ thống phản hồi aldosterone làm giảm đáng kể sự điều hòa kali. Trong sự vắng mặt của sự bài tiết aldosterone, như ở những bệnh nhân mắc bệnh Addison, sự bài tiết kali của thận bị suy giảm, vì thế, làm cho nồng độ kali dịch ngoại bào tăng đến các mức cao nguy hiểm. Ngược lại, với sự bài tiết aldosterone quá mức (cường aldosterone nguyên phát), sự bài tiết kali trở nên tăng mạnh, gây ra sự mất kali bởi các thận, vì thế dẫn đến hạ kali máu.
Ngoài tác động kích thích của nó lên sự bài tiết kali của thận, aldosterone cũng làm tăng sự hấp thu kali của tế bào. Điều này đóng góp vào hệ thống phản hồi aldosterone-kali mạnh mẽ, như được bàn đến trước đây.
Tầm quan trọng định lượng đặc hiệu của hệ thống phản hồi aldosterone trong kiểm soát nồng độ kali được thể hiện trong Hình 4. Trong thực nghiệm này, lượng kali ăn vào được tăng lên gần 7 lần ở chó dưới hai điều kiện: (1) dưới các điều kiện bình thường; và (2) sau khi hệ thống phản hồi aldosterone được chặn bằng cách loại bỏ các tuyến thượng thận và đặt đường truyền aldosterone ở một mức hằng định lên chó, sao cho nồng độ aldosterone huyết tương được duy trì ở một mức bình thường nhưng không tăng cũng không giảm khi lượng natri ăn vào thay đổi.
Chú ý rằng ở những động vật bình thường, một sự tăng lên bảy lần trong lượng kali ăn vào chỉ gây ra một sự tăng lên nhẹ trong nồng độ kali huyết tương, từ 4.2 đến 4.3 mEq/L. Vì thế, khi hệ thống phản hồi aldosterone thực hiện chức năng một cách bình thường, nồng độ kali được kiểm soát một cách chính xác, mặc cho các sự thay đổi lớn trong lượng kali ăn vào.
Khi hệ thống phản hồi aldosterone bị chặn, cùng các sự tăng lên trong lượng natri ăn vào sẽ gây ra một sự tăng lên lớn hơn nhiều trong nồng độ kali huyết tương, từ 3.8 đến gần 4.7 mEq/L. Vì thế, sự kiểm soát nồng độ kali bị giảm mạnh khi hệ thống phản hồi aldosterone bị chặn. Một sự giảm tương tự của sự điều hòa kali được quan sát thấy ở những người có hệ thống phản hồi aldosterone thực hiện chức năng kém, như xảy ra ở những bệnh nhân mắc cường aldosterone nguyên phát (quá nhiều aldosterone) hoặc bệnh Addison (quá ít aldosterone).
Tăng mức lưu lượng ống lượn xa kích thích sự bài tiết kali. Một sự tăng lên trong mức lưu lượng ống lượn xa, như xảy ra với tăng thể tích, lượng natri ăn vào nhiều hay điều trị với một số thuốc lợi niệu, sẽ kích thích sự bài tiết kali (Hình 5). Ngược lại, một sự giảm trong mức lưu lượng ống lượn xa, như được gây ra bởi thiếu hụt natri, sẽ làm giảm sự bài tiết kali.
Tác động của mức lưu lượng ống thận lên sự bài tiết kali trong ống lượn xa và vi ống thu thập được tác động một cách mạnh mẽ bởi lượng kali ăn vào. Khi lượng kali ăn vào cao, mức lưu lượng ống thận tăng lên có một tác động lớn hơn nhiều trong việc kích thích sự bài tiết kali so với khi lượng kali ăn vào thấp (Hình 5).
Có hai tác động chính của một mức lưu lượng thể tích lớn mà làm tăng sự bài tiết kali:
1. Khi kali được bài tiết vào trong dịch ống thận, nồng độ kali lòng ống thận tăng lên, bằng cách đó, làm giảm lực điều khiển sự khuếch tán kali qua màng lòng. Với mức lưu lượng ống thận tăng lên, kali được bài tiết thì liên tục được đẩy dọc theo ống, làm giảm thiểu sự tăng lên trong nồng độ kali ống thận và làm tăng sự bài tiết kali toàn phần.
2. Một mức lưu lượng ống thận cao cũng làm tăng số lượng kênh BK có độ dẫn cao trong màng lòng. Mặc dù các kênh BK bình thường không hoạt động nhưng chúng trở nên hoạt hóa trong đáp ứng với các sự tăng lên trong mức lưu lượng ống thận, bằng cách đó, làm tăng đáng kể độ dẫn kali qua màng lòng.
Tác động của tăng mức lưu lượng ống thận thì cực kì quan trọng trong việc giúp bảo tồn sự bài tiết kali bình thường trong suốt các sự thay đổi trong lượng natri ăn vào. Ví dụ, với một chế độ ăn giàu kali, có một sự bài tiết aldosterone giảm, điều này sẽ có khuynh hướng làm giảm mức bài tiết kali và vì thế, làm giảm sự bài tiết kali trong nước tiểu. Tuy nhiên, mức lưu lượng ống thận cao mà xuất hiện khi lượng natri ăn vào nhiều có khuynh hướng làm tăng sự bài tiết kali (Hình 6). Vì thế, hai tác động của một sự ăn vào nhiều natri – giảm sự bài tiết aldosterone và mức lưu lượng ống thận cao – chúng đối kháng lại với nhau, vì thế, có ít sự thay đổi trong sự bài tiết kali. Tương tự, với một lượng natri ăn vào thấp, có ít sự thay đổi trong sự bài tiết kali do các tác động đối kháng của tăng bài tiết aldosterone và giảm mức lưu lượng ống thận lên sự bài tiết kali.
Nhiễm toan cấp tính làm giảm sự bài tiết kali. Các sự tăng cấp tính trong nồng độ ion hydrogen dịch ngoại bào (nhiễm toan) làm giảm sự bài tiết kali, ngược lại, nồng độ ion hydrogen giảm (nhiễm kiềm) làm tăng sự bài tiết kali. Cơ chế chính mà bằng cách đó nồng độ ion hydrogen tăng làm ức chế sự bài tiết kali là bằng cách làm giảm hoạt động của bơm Na+-K+ ATPase. Sự giảm này cuối cùng làm giảm nồng độ kali nội bào và sự khuếch tán thụ động kế tiếp của kali qua màng lòng vào trong ống thận. Nhiễm toan cũng có thể làm giảm số lượng các kênh kali trong màng lòng.
Với sự nhiễm toan kéo dài hơn, kéo dài qua một khoảng thời gian một vài ngày, thì có một sự tăng lên trong sự bài tiết kali trong nước tiểu. Cơ chế cho tác động này một phần là do một tác động của nhiễm toan mạn tính ức chế sự tái hấp thu natri chloride và nước của ống lượn gần, việc mà làm tăng sự vận chuyển thể tích ở ống lượn xa, bằng cách đó, kích thích sự bài tiết kali. Tác động này “xóa bỏ” tác động ức chế của ion hydrogen lên bơm Na+-K+ ATPase. Vì thế, nhiễm toan mạn tính dẫn đến một sự mất kali, ngược lại, nhiễm toan cấp tính dẫn đến giảm sự bài tiết kali.
Các tác động có lợi của chế độ ăn giàu kali và ít natri
Trong hầu hết lịch sử loài người, chế độ ăn thông thường là một chế độ ăn ít natri và nhiều kali, so với chế độ ăn hiện đại thông thường. Ở các thành phần dân số tách biệt mà không trải qua quá trình công nghiệp hóa, như bộ lạc Yanomamo sống trong vùng Amazon của Bắc Brazil, lượng natri ăn vào có thể thấp đến 10 đến 20 mmol/ngày và lượng kali ăn vào có thể cao đến 200 mmol/ngày. Lượng ăn vào này là do sự tiêu thụ một chế độ ăn chứa các lượng lớn trái cây và rau củ và không có thức ăn chế biến sẵn của họ. Các dân số tiêu thụ loại chế độ ăn này thường không trải qua các sự tăng lên trong huyết áp theo tuổi và các bệnh tim mạch.
Với sự công nghiệp hóa và tăng tiêu thụ các thức ăn chế biến sẵn, mà thường có hàm lượng kali thấp và hàm lượng natri cao, có các sự tăng lên đáng kể trong lượng natri ăn vào và các sự giảm trong lượng kali ăn vào. Ở hầu hết các nước công nghiệp hóa, sự tiêu thụ kali trung bình chỉ khoảng 30 đến 70 mmol/ngày và lượng natri tiêu thụ trung bình là 140 đến 180 mmol/ngày.
Các nghiên cứu thực nghiệm và lâm sàng đã cho thấy rằng sự kết hợp của một chế độ ăn giàu natri và nghèo kali làm tăng nguy cơ tăng huyết áp và các bệnh tim mạch và bệnh thận liên quan. Tuy nhiên, một chế độ ăn giàu kali dường như bảo vệ cơ thể khỏi các tác động động xấu của một chế độ ăn giàu natri, làm giảm huyết áp và nguy cơ đột quỵ, bệnh mạch vành và bệnh thận. Các tác động có lợi của tăng lượng kali ăn vào là đặc biệt rõ ràng khi kết hợp với một chế độ ăn ít natri.
Các chỉ dẫn trong chế độ ăn được xuất bản bởi các tổ chức khác nhau đã khuyến cáo giảm lượng natri chloride ăn vào trong chế độ ăn xuống khoảng 65 đến 100 mmol/ngày (tương ứng với 1.5 – 2.3 g/ngày của natri hay 3.8 – 5.8 g/ngày của natri chloride) đồng thời tăng lượng kali ăn vào đến 120 mmol/ngày (4.7 g/ngày) đối với người trưởng thành khỏe mạnh.
Sự điều hòa bài tiết canxi của thận và nồng độ ion canxi ngoại bào
Các cơ chế điều hòa nồng độ canxi thì sẽ được nói đến chi tiết trong loạt bài viết sau, cùng với nội tiết học của các hormone điều hòa canxi, là hormone cận giáp (PTH) và calcitonin. Vì thế, sự điều hòa ion calcium chỉ được nói đến ngắn gọn trong loạt bài viết này.
Nồng độ ion canxi dịch ngoại bào bình thường được kiểm soát chặt chẽ trong một vài phần trăm mức bình thường của nó, là 2.4 mEq/L. Khi nồng độ ion canxi giảm xuống các mức thấp (hạ canxi máu [hypocalcemia]), khả năng dễ bị kích thích của dây thần kinh và các tế bào cơ tăng lên một cách đáng kể và có thể, trong các trường hợp nghiêm trọng, gây ra các cơn co cơ không tự chủ do hạ canxi máu (các cơn tetany do hạ canxi máu [hypocalcemic tetany]). Tình trạng này được đặc trưng bởi các cơn co cứng cơ xương. Tăng canxi máu (hypercalcemia) (tăng nồng độ canxi) làm giảm khả năng kích thích thần kinh-cơ và có thể dẫn đến các loạn nhịp tim.
Khoảng 50% tổng lượng canxi trong huyết tương (5 mEq/L) tồn tại ở dạng ion hóa, là dạng mà có hoạt động sinh học ở các màng tế bào. Phần còn lại được liên kết với các proteins huyết tương (khoảng 40%) hoặc tạo phức ở dạng không ion hóa với các anions như phosphate và citrate (khoảng 10%).
Các sự thay đổi trong nồng độ ion hydrogen huyết tương tác động đến sự liên kết của canxi với các protein huyết tương. Với tình trạng nhiễm toan, ít canxi hơn được liên kết với các protein huyết tương. Ngược lại, với nhiễm kiềm, một lượng canxi lớn hơn được liên kết với các protein huyết tương. Vì thế, những bệnh nhân bị nhiễm kiềm thì dễ bị tetany do hạ canxi máu.
Giống như với các chất khác trong cơ thể, lượng canxi ăn vào phải được cân bằng với lượng canxi mất toàn phần trong khoảng thời gian dài. Tuy nhiên, không giống như các ion như natri và chloride, hầu hết sự bài tiết canxi là xảy ra trong phân. Mức canxi ăn vào thông thường trong chế độ ăn là khoảng 1000 mg/ngày, với khoảng 900 mg/ngày canxi được bài tiết trong phân. Dưới các điều kiện nhất định, sự bài tiết canxi trong phần có thể vượt quá lượng được tiêu thụ bởi vì canxi cũng có thể được bài tiết vào trong lòng ruột. Vì thế, đường tiêu hóa và các cơ chế điều hòa mà ảnh hưởng đến sự hấp thu và bài tiết canxi đóng một vai trò quan trọng trong cân bằng nội môi canxi, như sẽ được nói đến trong loạt bài viết sau.
Hầu như tất cả canxi trong cơ thể (99%) là được tích trữ trong xương, với chỉ khoảng 0.1% là trong dịch ngoại bào và 1% là trong dịch nội bào và các bào quan tế bào. Vì thế, xương, đóng vai trò như là một “hồ tích trữ” lớn đối với canxi và là một nguồn canxi khi nồng độ canxi dịch ngoại bào có khuynh hướng giảm.
Một trong số các yếu tố điều hòa quan trọng nhất của sự hấp thu và giải phóng canxi của xương là PTH. Khi nồng độ canxi dịch ngoại bào giảm xuống dưới mức bình thường, hoạt động của các thụ cảm thể cảm nhận canxi (calcium-sensing receptors – CSRs) trên màng tế bào của tuyến cận giáp bị giảm, thúc đẩy sự bài tiết PTH tăng lên. Hormone này sau đó đóng vai trò trực tiếp lên các xương để làm tăng sự tái hấp thu của các muối xương (sự giải phóng của các muối từ các xương) và giải phóng các lượng lớn canxi vào trong dịch ngoại bào, bằng cách đó, đưa các mức canxi về bình thường. Khi nồng độ ion canxi được tăng lên, hoạt động CSR của các tế bào tuyến cận giáp được kích thích, gây ra một sự giảm trong sự bài tiết PTH, vì thế, hầu như không có sự tái hấp thu xương xảy ra; thay vào đó, lượng canxi quá mức được lắng đọng trong các xương. Vì thế, sự điều hòa nồng độ ion canxi hằng ngày được điều hòa phần lớn bởi các tác động của PTH lên sự tái hấp thu xương.
Tuy nhiên, các xương không có một sự cung cấp canxi không cạn kiệt. Vì thế, qua khoảng thời gian dài, lượng canxi ăn vào phải được cân bằng với sự bài tiết canxi bởi đường tiêu hóa và các thận. Yếu tố điều hòa quan trọng nhất của sự tái hấp thu canxi ở cả hai vị trí này là PTH, mà điều hòa nồng độ canxi huyết tương thông qua ba tác động chính: (1) bằng cách kích thích sự tái hấp thu xương; (2) bằng cách kích thích sự hoạt hóa của vitamin D, mà sau đó làm tăng sự tái hấp thu canxi của ruột; và (3) bằng cách làm tăng sự tái hấp thu canxi bởi ống thận (Hình 7). Sự kiểm soát sự tái hấp thu canxi đường tiêu hóa và sự trao đổi canxi trong các xương sẽ được nói đến ở một bài viết khác; phần còn lại của phần này sẽ tập trung vào các cơ chế mà kiểm soát sự bài tiết canxi.
Sự kiểm soát bài tiết canxi bởi các thận
Canxi được lọc và được tái hấp thu trong các thận nhưng không được bài tiết bởi ống thận. Vì thế, mức bài tiết canxi của thận được tính toán như sau:
Sự bài tiết canxi của thận = Canxi được lọc – Canxi được tái hấp thu
Chỉ khoảng 60% lượng canxi huyết tương được ion hóa với 40% được liên kết với các protein huyết tương và 10% tạo phức với các anions như phosphate. Vì thế, chỉ khoảng 60% lượng canxi huyết tương được lọc ở mao mạch cầu thận. Bình thường, khoảng 99% của lượng canxi được lọc là được tái hấp thu bởi các ống thận với chỉ khoảng 1% lượng canxi được lọc là được bài tiết. Khoảng 65% lượng canxi được lọc là được tái hấp thu trong ống lượn gần, 25% đến 30% được tái hấp thu trong quai Henle, và 4% đến 9% được tái hấp thu trong ống lượn xa và vi ống thu thập. Kiểu tái hấp thu này thì tương tự đối với natri.
Như cũng đúng với các ion khác, sự bài tiết canxi được điều chỉnh để đáp ứng các nhu cầu của cơ thể. Với một sự tăng lên trong lượng canxi ăn vào, cũng có sự tăng bài tiết canxi của thận mặc dù phần lớn sự tăng lên trong lượng canxi ăn vào là được loại bỏ trong phân. Với sự thiếu hụt canxi, sự bài tiết canxi bởi các thận sẽ giảm do tăng cường tái hấp thu của ống thận.
Sự tái hấp thu canxi của ống lượn gần. Hấu hết sự tái hấp thu canxi trong ống lượn gần xảy ra thông qua con đường cạnh tế bào; nó được hòa tan trong nước và được mang cùng với dịch được tái hấp thu khi nó chảy giữa các tế bào. Chỉ khoảng 20% sự tái hấp thu canxi của ống lượn gần xảy ra thông qua con đường xuyên bào trong 2 bước:
1. Canxi khuếch tán từ lòng ống thận vào trong tế bào theo một gradient điện hóa do nồng độ cao hơn nhiều của canxi trong lòng ống thận, so với bào tương của tế bào biểu mô, và bởi vì bên trong tế bào có một tích điện âm so với lòng ống thận.
2. Canxi rời khỏi tế bào qua màng đáy-bên bởi bơm canxi-ATPase và bởi chất đối vận chuyển natri-canxi (Hình 8).
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
