Sự điều hòa nồng độ kali dịch ngoại bào và sự bài tiết kali
Nồng độ kali dịch ngoại bào bình thường được điều hòa ở khoảng 4.2 mEq/L, hiếm khi tăng hoặc giảm nhiều hơn ±0.3 mEq/L. Sự kiểm soát chính xác này thì cần thiết bởi vì nhiều chức năng tế bào thì nhạy cảm với các sự thay đổi trong nồng độ kali dịch ngoại bào. Ví dụ, một sự tăng lên trong nồng độ kali huyết tương chỉ 3 đến 4 mEq/L có thể gây ra các rối loạn nhịp tim và các nồng độ cao hơn có thể dẫn đến ngừng tim hoặc rung tim.
Một khó khăn đặc biệt trong điều hòa nồng độ kali ngoại bào là hơn 98% tổng lượng kali của cơ thể được chứa trong các tế bào và chỉ 2% được chứa trong dịch ngoại bào (Hình 1). Đối với một người trưởng thành 70 kg, những người mà có khoảng 28 lít dịch nội bào (40% trọng lượng cơ thể) và 14 lít dịch ngoại bào (20% trọng lượng cơ thể), khoảng 3920 mEq kali là nằm trong tế bào và chỉ khoảng 59 mEq là nằm trong dịch ngoại bào. Ngoài ra, kali chứa trong một bữa ăn có thể cao đến 50 mEq và lượng ăn vào hằng ngày thường thay đổi giữa 50 và 200 mEq/ngày; vì thế, sự mất khả năng loại bỏ nhanh kali đã tiêu hóa khỏi dịch ngoại bào có thể gây ra tăng kali máu (hyperkalemia) đe dọa tính mạng (tăng nồng độ kali huyết tương). Tương tự, một sự mất ít kali khỏi dịch ngoại bào có thể gây ra hạ kali máu (hypokalemia) nghiêm trọng (nồng độ kali huyết tương thấp) trong sự vắng mặt của các cơ chế đền bù nhanh và thích hợp.
Sự duy trì một thăng bằng giữa lượng natri ăn vào và bài tiết phụ thuộc chủ yếu vào sự bài tiết bởi các thận bởi vì lượng được bài tiết trong phần chỉ chiếm khoảng 5% đến 10% lượng kali ăn vào. Vì thế, sự duy trì của một thăng bằng kali bình thường cần các thận điều chỉnh sự bài tiết kali của chúng một cách nhanh chóng và chính xác trong đáp ứng với sự thay đổi nhiều trong lượng ăn vào, điều mà cũng đúng đối với hầu hết các chất điện giải khác.
Kiểm soát sự phân bố kali giữa các thành phần dịch ngoại bào và nội bào cũng đóng một vai trò quan trọng trong cân bằng nội môi kali. Bởi vì hơn 98% tổng lượng kali trong cơ thể được chứa bên trong các tế bào nên chúng có thể đóng vai trò như là một “vị trí tràn” cho kali dịch ngoại bào quá mức trong suốt tình trạng tăng kali máu hoặc như là một nguồn kali trong suốt tình trạng hạ kali máu. Vì thế, sự tái phân bố của kali giữa dịch nội bào và ngoại bào cung cấp một lớp “phòng ngự” đầu tiên chống lại các sự thay đổi trong nồng độ kali dịch ngoại bào.
Sự điều hòa phân bố kali bên trong
Sau khi tiêu hóa một bữa ăn giàu kali, nồng độ kali dịch ngoại bào sẽ tăng đến một mức nguy hiểm nếu như kali được tiêu hóa không di chuyển bào bên trong các tế bào một cách nhanh chóng. Ví dụ, sự hấp thu của 40 mEq kali (lượng chứa trong một bữa ăn giàu rau củ và trái cây) vào trong một thể tích dịch ngoại bào là 14 lít, sẽ làm tăng nồng độ kali huyết tương lên khoảng 2.9 mEq/L nếu như tất cả kali vẫn ở trong thành phần dịch ngoại bào. May mắn thay, hầu hết kali được tiêu hóa nhanh chóng di chuyển vào bên trong các tế bào cho đến khi các thận có thể loại bỏ lượng dư thừa. Giữa các bữa ăn, nồng độ kali huyết tương cũng gần như hằng định bởi vì kali được giải phóng bởi các tế bào để cân bằng với kali ngoại bào được bài tiết bởi các thận. Bảng 1 tóm tắt một số yếu tố mà có thể tác động lên sự phân bố của kali giữa các thành phần dịch nội bào và ngoại bào.
Insulin kích thích sự hấp thu kali vào trong các tế bào. Insulin kích thích hoạt động của natri-kali adenosine triphosphatase (ATPase) trong nhiều mô, bao gồm cơ xương, mà cuối cùng giúp vận chuyển kali vào trong các tế bào. Insulin thì quan trọng đối với việc làm tăng sự hấp thu kali của tế bào sau một bữa ăn. Ở những người mà mắc đái tháo đường do thiếu hụt insulin thì sự tăng lên trong nồng độ kali huyết tương sau khi ăn một bữa ăn thì lớn hơn so với bình thường. Tuy nhiên, việc tiêm insulin có thể giúp điều chỉnh tình trạng tăng kali máu.
Aldosterone làm tăng sự hấp thu kali vào trong các tế bào. Tăng lượng kali ăn vào cũng giúp kích thích sự bài tiết aldosterone, thành phần mà làm tăng sự hấp thu kali của tế bào. Sự bài tiết aldosterone quá mức (hội chứng Conn) thì hầu như luôn luôn liên quan với hạ kali máu, một phần la do sự di chuyển của kali ngoại bào vào bên trong các tế bào. Ngược lại, những bệnh nhân mắc giảm sản xuất aldosterone (bệnh Addison) thường có tăng kali máu đáng kể trên lâm sàng do sự tích tụ của kali trong khoang ngoại bào, cũng như là sự giữ lại của thận đối với kali.
Sự kích tích β-adrenergic làm tăng sự hấp thu kali của tế bào. Tăng sự bài tiết của catecholamines, đặc biệt là epinephrine, có thể gây ra sự chuyển động của kali từ dịch ngoại bào vào trong dịch nội bào, chủ yếu là bởi sự hoạt hóa của các thụ cảm thể β2-adrenergic. Ngược lại, điều trị tăng huyết áp với các thuốc chặn thụ cảm thể β-adrenergic, như propranolol, làm cho kali di chuyển ra khỏi các tế bào và tạo ra một khuynh hướng tăng kali máu.
Các bất thường acid-base có thể gây ra các sự thay đổi trong sự phân bố kali. Nhiễm toan chuyển hóa làm tăng nồng độ kali ngoại bào, một phần do việc gây ra mất ion kali khỏi các tế bào, ngược lại, nhiễm kiềm chuyển hóa làm giảm nồng độ kali dịch ngoại bào. Mặc dù các cơ chế chịu trách nhiệm cho tác động của nồng độ ion hydrogen lên sự phân bố bên trong cơ thể của kali thì không được hoàn toàn hiểu rõ nhưng một tác động của tăng nồng độ ion hydrogen là làm giảm hoạt động của bơm Na+-K+-ATPase. Sự giảm này cuối cùng làm giảm sự hấp thu kali của tế bào và làm tăng nồng độ kali ngoại bào. Nhiễm kiềm có tác động đối nghịch, làm dịch chuyển kali từ dịch ngoại bào vào trong tế bào và có khuynh hướng gây ra hạ kali máu.
Phân giải tế bào gây ra tăng nồng độ kali ngoại bào. Khi các tế bào bị phá hủy, các lượng kali lớn chứa trong các tế bào được giải phóng vào trong dịch ngoại bào. Sự giải phóng kali này có thể gây ra tăng kali máu đáng kể nếu như các lượng lớn mô bị phá hủy, như xảy ra với tổn thương cơ nghiêm trọng hoặc với phân giải tế bào hồng cầu.
Gắng sức mạnh có thể gây ra tăng kali máu bằng cách giải phóng kali từ cơ xương. Trong suốt quá trình gắng sức kéo dài, kali được giải phóng từ cơ xương vào trong dịch ngoại bào. Thường thì tăng kali máu thì nhẹ nhưng nó có thể đáng chú ý trên lâm sàng sau khi gắng sức mạnh, đặc biệt là ở những bệnh nhân được điều trị với các thuốc chặn β-adrenergic hoặc ở những người mà có sự thiếu hụt insulin. Trong các trường hợp hiếm, tăng kali máu sau gắng sức có thể đủ nặng để gây độc tính cho tim.
Tăng nồng độ thẩm thấu dịch ngoại bào gây ra sự tái phân bố của kali từ các tế bào vào trong dịch ngoại bào. Tăng nồng độ thẩm thấu dịch ngoại bào gây ra dòng nước thẩm thấu ra khỏi các tế bào. Sự mất nước tế bào làm tăng nồng độ kali nội bào, bằng cách đó, làm tăng cường sự khuếch tán của kali ra khỏi các tế bào và làm tăng nồng độ kali dịch ngoại bào. Giảm nồng độ thẩm thấu dịch ngoại bào có tác động đối nghịch.
Tổng quan về sự bài tiết kali của thận
Sự bài tiết kali của thận được xác định bởi tổng của ba quá trình: (1) mức lọc kali (mức lọc cầu thận [GFR] nhân với nồng độ kali huyết tương); (2) mức tái hấp thu kali bởi các ống thận; và (3) mức bài tiết kali bởi các ống thận. Mức lọc kali bình thường bởi các mao mạch cầu thận là khoảng 756 mEq/ngày (GFR, 180 L/ngày, nhân với nồng độ kali huyết tương, 4.2 mEq/L). Mức lọc này thì tương đối hằng định ở những người khỏe mạnh bởi vì các cơ chế tự điều hòa đối với GFR đã được nói đến trước đây và sự chính xác mà nồng độ kali huyết tương được điều hòa. Tuy nhiên, các sự giảm nghiêm trọng trong GFR trong các bệnh thận nhất định, có thể gây ra sự tích tụ kali nghiêm trọng làm tăng kali máu.
Hình 2 tóm tắt sự xử lý của ống thận đối với kali dưới các tình trạng bình thường. Khoảng 65% kali lọc được tái hấp thu trong ống lượn gần. 25% đến 30% kali được lọc khác thì được tái hấp thu trong quai Henle, đặc biệt là trong phần lên dày, nơi mà kali được đồng vận chuyển một cách chủ động cùng với kali và chloride. Trong ống lượn gần và quai Henle, một phần tương đối hằng định của tải kali lọc được tái hấp thu. Các sự thay đổi trong sự tái hấp thu kali trong các đoạn ống thận này có thể tác động lên sự bài tiết kali, nhưng hầu hết các sự thay đổi trong bài tiết kali hằng ngày thì không phải do các sự thay đổi trong sự tái hấp thu trong ống lượn gần hoặc quai Henle. Các vi ống thu thập và ống thu thập tái hấp thu kali ở các mức độ khác nhau, phụ thuộc vào lượng kali ăn vào.
Sự bài tiết kali thay đổi trong ống lượn xa và và vi ống thu thập điều hòa hầu hết các sự thay đổi hằng ngày trong sự bài tiết kali. Các vị trí quan trọng nhất trong điều hòa sự bài tiết kali là các tế bào chính của đoạn cuối ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ. Trong các đoạn ống này, kali nhiều khi có thể được tái hấp thu hoặc ở các thời điểm khác có thể được bài tiết, phụ thuộc vào nhu cầu của cơ thể. Với một mức kali ăn vào bình thường là 100 mEq/ngày, các thận phải bài tiết khoảng 92 mEq/ngày (phần còn lại là 8 mEq bị mất trong phân). Khoảng 60 mEq/ngày kali là được bài tiết vào trong ống lượn xa và vi ống thu thập, chiếm hầu hết lượng kali được bài tiết.
Với một lượng kali ăn vào lớn, sự bài tiết kali thêm cần thiết được đạt đến gần như hoàn toàn bằng cách tăng sự bài tiết kali vào trong ống lượn xa và vi ống thu thập. Trong thực tế, ở những người mà tiêu thụ các bữa ăn cực kì nhiều kali thì mức bài tiết kali có thể vượt quá lượng kali trong mức lọc cầu thận, cho thấy một cơ chế mạnh mẽ trong bài tiết kali.
Khi lượng kali ăn vào thấp, sự bài tiết kali trong ống lượn xa và vi ống thu thập giảm, gây ra một sự giảm trong bài tiết kali trong nước tiểu. Cũng có một sự tái hấp thu kali tăng lên bởi các tế bào xen lẽ trong các đoạn ống xa của nephron và sự bài tiết kali có thể giảm xuống dưới 1% lượng kali trong dịch lọc cấu thận (đến < 10 mEq/ngày). Với lượng kali ăn vào bên dưới mức này, hạ kali máu nghiêm trọng có thể phát triển.
Vì thế, hầu hết sự điều hòa bài tiết kali hằng ngày xảy ra trong đoạn cuối ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ, nơi mà kali có thể được tái hấp thu hoặc được bài tiết, phụ thuộc vào các nhu cầu của cơ thể. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét đến các cơ chế cơ bản của sự bài tiết kali và các yếu tố mà điều hòa quá trình này.
Các tế bào chính của đoạn cuối ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ bài tiết kali
Các tế bào trong đoạn cuối ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ mà bài tiết kali được gọi là các tế bào chính (principal cells) và tạo nên hầu hết các tế bào biểu mô trong các vùng này. Hình 3 cho thấy các cơ chế tế bào cơ bản của sự bài tiết kali bởi các tế bào chính.
Sự bài tiết kali từ máu vào trong lòng ống thận là một quá trình hai bước, bắt đầu với sự hấp thu từ khoảng kẽ vào trong tế bào bởi bơm Na+-K+ ATPase trong màng tế bào đáy-bên. Bơm này đưa natri ra khỏi tế bào vào trong khoảng kẽ và cùng lúc đó, đưa kali vào trong tế bào.
Bước thứ hai của quá trình này là một sự khuếch tán thụ động của kali từ trong tế bào vào trong dịch ống thận. Bơm Na+-K+ ATPase tạo ra một nồng độ kali nội bào cao, mà giúp cung cấp lực điều khiển cho sự khuếch tán thụ động của kali từ tế bào vào trong lòng ống thận. Màng lòng ống thận của các tế bào chính thì có tính thấm cao với kali bởi vì có hai loại kênh đặc hiệu mà cho phép các ion kali khuếch tán qua màng một cách nhanh chóng: (1) các kênh kali tủy ngoài của thận (renal outer medullary potassium channels – ROMK channels), và (2) các kênh kali “lớn” có độ dẫn cao (“big” potassium channels – BK channels). Cả hai loại kênh kali đều cần cho sự bài tiết kali thận một cách hiệu quả và sự dồi dào của chúng trong màng lòng được tăng lên trong suốt quá trình ăn vào nhiều kali.
Sự kiểm soát bài tiết kali bởi các tế bào chính. Các yếu tố chủ yếu mà kiểm soát sự bài tiết kali bởi các tế bào chính của đoạn cuối ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ là như sau: (1) hoạt động của bơm Na+-K+ ATPase; (2) gradient điện hóa đối với sự bài tiết kali từ máu vào lòng ống thận; và (3) tính thấm của màng lòng đối với kali. Ba yếu tố quyết định này của sự bài tiết kali thì cuối cùng sẽ được điều hòa bởi một vài yếu tố, sẽ được nói đến sau.
Các tế bào xen kẽ có thể tái hấp thu hoặc bài tiết kali. Trong các trường hợp liên quan với sự thiếu hụt kali nghiêm trọng, có một sự ngừng bài tiết kali và một sự tái hấp thu toàn phần kali trong đoạn cuối ống lượn xa và vi ống thu thập. Sự tái hấp thu này xảy ra trong các tế bào xen kẽ type A. Mặc dù quá trình tái hấp thu này thì không hoàn toàn được hiểu, nhưng một cơ chế được cho là có đóng góp, đó là cơ chế vận chuyển của hydrogen-kali ATPase nằm trong màng lòng (xem loạt bài viết trước). Chất vận chuyển này tái hấp thu kali trong sự trao đổi với ion hydrogen được bài tiết vào trong lòng ống và kali sau đó khuếch tán qua các kênh kali màng đáy-bên vào trong dịch kẽ. Sự dồi dào này của các chất vận chuyển hydrogen-kali ATPase của tế bào xen kẽ được tăng cường với sự thiếu hụt kali và hạ kali máu, gây ra tăng sự bài tiết hydrogen và tình trạng nhiễm kiềm. Tuy nhiên, dưới các điều kiện bình thường, sự tái hấp thu kali bởi các tế bào xen kẽ chỉ đóng một vai trò nhỏ trong kiểm soát sự bài tiết kali.
Khi có lượng kali quá mức trong các dịch cơ thể, các tế bào xen lẽ type B trong đoạn cuối ống lượn xa và vi ống thu thập bài tiết một cách chủ động kali vào trong lòng ống và có các chức năng mà đối nghịch với các tế bào type A (xem loạt bài viết trước). Kali được bơm vào trong tế bào xen kẽ type B bởi một chất vận chuyển hydrogen-kali ATPase trên màng đáy-bên và nó sau đó khuếch tán vào trong lòng ống qua các kênh kali.
Tóm tắt các yếu tố chính mà điều hòa sự bài tiết kali
Bởi vì sự điều hòa bài tiết kali bình thường xảy ra chủ yếu như là kết quả các các sự thay đổi trong sự bài tiết kali bởi các tế bào chính của đoạn cuối ống lượn và và vi ống thu thập nên trong loạt bài viết này chúng ta sẽ bàn luận đến các yếu tố chính mà tác động đến sự bài tiết của các tế bào này. Các yếu tố quan trọng nhất mà kích thích sự bài tiết kali bởi các tế bào chính bao gồm các yếu tố sau đây: (1) tăng nồng độ kali dịch ngoại bào; (2) tăng aldosterone và (3) tăng mức lưu lượng ống thận.
Một yếu tố mà làm giảm sự bài tiết kali là một nồng độ ion hydrogen tăng lên (nhiễm toan).
Tăng nồng độ kali dịch ngoại bào kích thích sự bài tiết kali. Mức bài tiết kali trong đoạn cuối ống lượn xa và vi ống thu thập được kích thích một cách trực tiếp bởi tăng nồng độ kali dịch ngoại bào, dẫn đến các sự tăng trong sự bài tiết kali như được thể hiện trong Hình 4. Tác động này đặc biệt rõ rệt khi nồng độ kali dịch ngoại bào tăng trên khoảng 4.1 mEq/L, hơi thấp hơn nồng độ bình thường. Vì thế, tăng nồng độ kali huyết tương, đóng vai trò như là một trong số các cơ chế quan trọng nhất trong việc làm tăng sự bài tiết kali và điều hòa nồng độ ion kali dịch ngoại bào.
Tăng lượng kali ăn vào trong chế độ ăn và tăng nồng độ kali dịch ngoại bào sẽ kích thích sự bài tiết kali bởi ít nhất 4 cơ chế:
1. Tăng nồng độ kali dịch ngoại bào kích thích bơm Na+-K+ ATPase, bằng cách đó, làm tăng sự hấp thu kali qua màng đáy-bên. Sự tăng hấp thu kali này cuối cùng làm tăng nồng độ ion kali nội bào, làm cho kali khuếch tán qua màng lòng vào trong ống thận.
2. Tăng nồng độ kali ngoại bào làm tăng gradient kali từ dịch kẽ thận vào bên trong tế bào biểu mô, điều mà làm giảm sự thoát ngược của ion kali từ bên trong tế bào qua màng đáy-bên.
3. Tăng lượng kali ăn vào kích thích sự tổng hợp của các kênh kali và sự chuyển dịch vị trí của chúng từ bào tương đến màng lòng, điều mà cuối cùng sẽ làm tăng sự dễ dàng của sự khuếch tán kali qua màng tế bào.
4. Tăng nồng độ kali kích thích sự bài tiết aldosterone bởi vỏ thượng thận, điều mà kích thích nhiều hơn sự bài tiết kali, như sẽ được bàn đến sau.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
