Sự tái hấp thu của ống thận bao gồm các cơ chế thụ động và chủ động
Vận chuyển chủ động
Mức vận chuyển tối đa đối với các chất mà được tái hấp thu một cách chủ động. Đối với hầu hết các chất mà được tái hấp thu hoặc bài tiết một cách chủ động thì có một giới hạn đối với mức độ mà ở đó chất tan có thể được vận chuyển, mà thường được gọi là mức vận chuyển tối đa (transport maximum). Giới hạn này là do sự bão hòa của các hệ thống vận chuyển đặc hiệu liên quan khi lượng chất tan được vận chuyển đến ống thận (được gọi là tải ống thận [tubular load]) vượt quá khả năng của các proteins mang và các enzyme đặc hiệu liên quan đến quá trình vận chuyển.
Hệ thống vận chuyển glucose trong ống lượn gần là một ví dụ hay. Bình thường, mức glucose có thể đo được thì không xuất hiện trong nước tiểu bởi vì về bản chất tất cả glucose lọc sẽ được tái hấp thu trong ống lượn gần. Tuy nhiên, khi tải được lọc vượt quá khả năng của các ống thận trong việc tái hấp thu glucose thì sự bài tiết trong nước tiểu của glucose sẽ xảy ra.
Ở nam giới trưởng thành, mức vận chuyển tối đa đối với glucose trung bình là khoảng 375 mg/phút, ngược lại, tải lọc của glucose chỉ là khoảng 125 mg/phút (GFR x glucose huyết tương = 125 ml/phút x 1 mg/ml). Với các sự tăng lên lớn trong GFR và/hoặc nồng độ glucose huyết tương mà làm tăng tải lọc của glucose lên trên 375 mg/phút thì lượng glucose quá mức đã được lọc thì không được tái hấp thu và đi vào trong nước tiểu.
Hình 1 cho thấy mối liên hệ giữa nồng độ glucose huyết tương, tải glucose được lọc, mức vận chuyển glucose tối đa của ống thận và mức glucose mất trong nước tiểu. Chú ý rằng khi nồng độ glucose huyết tương là 100 mg/100 ml và tải lọc ở mức bình thường (125 mg/phút) thì không có sự mất của glucose trong nước tiểu. Tuy nhiên, khi nồng độ glucose huyết tương tăng trên 200 mg/100 ml; làm tăng tải lọc đến khoảng 250 mg/phút thì một lượng nhỏ glucose bắt đầu xuất hiện trong nước tiểu. Điểm này được gọi là ngưỡng đối với glucose. Chú ý rằng sự xuất hiện của glucose trong nước tiểu (ở ngưỡng) xảy ra trước khi mức vận chuyển tối đa được đạt đến. Một nguyên nhân cho sự chênh lệch giữa ngưỡng và mức vận chuyển tối đa là không phải tất cả các nephron có cùng mức vận chuyển tối đa đối với glucose và một số nephrons vì thế bắt đầu bài tiết glucose trước khi các nephrons khác đạt đến khả năng vận chuyển tối đa của chúng. Mức vận chuyển tối đa tổng quan đối với các thận, mà bình thường là khoảng 375 mg/phút, được đạt đến khi tất cả các nephrons đạt đến khả năng tái hấp thu glucose tối đa của chúng.
Glucose huyết tương của một người khỏe mạnh gần như không bao giờ trở nên đủ cao để gây ra sự bài tiết glucose trong nước tiểu, thậm chí sau khi ăn một bữa ăn. Tuy nhiên, ở những người mắc đái tháo đường không kiểm soát, nồng độ glucose huyết tương có thể tăng đến các mức cao, làm cho tải lọc glucose vượt quá mức vận chuyển tối đa và gây ra sự bài tiết glucose trong nước tiểu. Một số mức vận chuyển tối đa đối với các chất mà được tái hấp thu một cách chủ động bởi các ống thận là như sau (/min = /phút):
Mức vận chuyển tối đa đối với các chất được bài tiết một cách chủ động. Các chất mà được bài tiết một cách chủ động cũng cho thấy mức vận chuyển tối đa, như sau:
Các chất mà được vận chuyển một cách chủ động nhưng không cho thấy một mức vận chuyển tối đa. Nguyên nhân mà các chất tan được vận chuyển một cách chủ động thường cho thấy một mức vận chuyển tối đa chính là do hệ thống chất mang vận chuyển trở nên bão hòa khi tải ống thận tăng lên. Một số chất mà được tái hấp thu một cách chủ động thì không cho thấy một mức vận chuyển tối đa bởi vì tốc độ vận chuyển của chúng được xác định bởi các yếu tố khác, như sau: (1) gradient điện hóa cho sự khuếch tán của chất qua màng tế bào; (2) tính thấm của màng đối với chất và (3) thời gian mà dịch chứa chất tan còn ở trong ống thận. Sự vận chuyển kiểu này này được gọi là sự vận chuyển gradient-thời gian bởi vì tốc độ vận chuyển phụ thuộc vào gradient điện hóa và thời gian mà chất nằm trong ống thận, điều mà cuối cùng phụ thuộc vào mức lưu lượng ống thận.
Một ví dụ của sự vận chuyển gradient-thời gian là sự tái hấp thu trong ống lượn gần, nơi mà khả năng vận chuyển tối đa của bơm Na+-K+ ATPase đáy-bên thường lớn hơn nhiều so với mức độ thực sự của việc tái hấp thu natri toàn phần bởi vì một lượng đáng kể natri được vận chuyển ra khỏi tế bào, quay trở lại vào trong lòng ống thận thông qua các liên kết của các tế bào biểu mô. Mức độ mà dòng natri ngược xảy ra phụ thuộc vào (1) tính thấm của các liên kết chặt; và (2) các lực vật lý kẽ, là các thành phần mà xác định mức độ của sự tái hấp thu “bulk flow” từ dịch kẽ vào trong các mao mạch quanh ống thận. Vì thế, sự vận chuyển natri trong ống lượn gần tuân theo chủ yếu các nguyên lý vận chuyển gradient-thời gian hơn là mức vận chuyển tối đa của ống thận. Điều này có nghĩa là nồng độ natri trong ống lượn gần càng cao thì mức độ hấp thu của nó càng cao. Ngoài ra, tốc độ dòng dịch ống thận càng chậm thì phần trăm natri mà có thể được tái hấp thu càng lớn từ các ống lượn gần.
Trong các phần xa hơn của nephron, các tế bào biểu mô có nhiều liên kết chặt và vận chuyển các lượng natri nhỏ hơn nhiều. Trong các đoạn ống này, sự tái hấp thu natri cho thấy một mức vận chuyển tối đa tương tự với đối với các chất được vận chuyển chủ động khác. Hơn thế nữa, mức vận chuyển tối đa này có thể được tăng lên bởi một số các hormones, như aldosterone.
Sự tái hấp thu nước thụ động bởi sự thẩm thấu bắt cặp chủ yếu với sự tái hấp thu natri
Khi các chất tan được vận chuyển ra khỏi ống thận bởi sự vận chuyển tích cực nguyên phát hoặc thứ phát thì các nồng độ của chúng có khuynh hướng giảm bên trong ống thận đồng thời tăng lên trong dịch kẽ. Hiện tượng này tạo ra một sự chênh lệch nồng độ mà gây ra sự thẩm thấu của nước theo cùng hướng mà các chất tan được vận chuyển, từ lòng ống thận đến khoảng kẽ của thận. Một số phần của ống thận, đặc biệt là ống lượn gần, thì có tính thấm cao với nước và sự tái hấp thu nước xảy ra nhanh đến nỗi mà chỉ có một gradient nồng độ nhỏ đối với các chất tan qua màng ống thận.
Một phần lớn của dòng nước thẩm thấu trong các ống lượn gần xảy ra thông qua các kênh nước (aquaporins) trong các màng tế bào, cũng như là qua các liên kết chặt giữa các tế bào biểu mô. Như được nói đến sau này, các liên kết giữa các tế bào thì không chặt như cái tên của chúng và cho phép sự khuếch tán đáng kể của nước và các ion nhỏ. Tình trạng này thì đặc biệt đúng trong các ống lượn gần, là nơi mà có tính thấm cao đối với nước và một tính thấm nhỏ hơn nhưng đáng kể đối với hầu hết ion, như natri, chloride, kali, canxi và magnesium.
Nước di chuyển qua các liên kết chặt bởi sự thẩm thấu cũng mang theo nó một số chất tan, một quá trình được gọi là “lôi kéo chất tan” (solvent drag). Ngoài ta, bởi vì sự tái hấp thu nước, các chất tan hữu cơ và các ion được bắt cặp với sự tái hấp thu natri nên các sự thay đổi trong sự tái hấp thu natri ảnh hưởng đáng kể đến sự tái hấp thu của nước và nhiều chất tan khác.
Trong các phần xa hơn của nephron, bắt đầu trong quai Henle và mở rộng qua vi ống thu thập, các liên kết chặt trở nên ít thấm hơn nhiều với nước và các chất tan và các tế bào biểu mô cũng có một diện tích bề mặt giảm đáng kể. Vì thế, nước không thể di chuyển một cách dễ dàng qua các liên kết chặt của màng ống thận bởi sự thẩm thấu. Tuy nhiên, các hormone chống bài niệu (antidiuretic hormone – ADH) sẽ làm tăng mạnh tính thấm đối với nước trong ống lượn xa và các vi ống thu thập.
Vì thế, sự di chuyển của nước qua biểu mô ống thận chỉ có thể xảy ra khi màng thấm được với nước, bất kể gradient thẩm thấu lớn như thế nào. Trong ống lượn gần và nhánh xuống của quai Henle, tính thấm của nước luôn luôn cao và nước được tái hấp thu một cách nhanh chóng để đạt được cân bằng thẩm thấu với dịch kẽ xung quanh. Tính thấm cao này là do sự biểu hiện dồi dào của kênh nước aquaporin-1 (AQP-1) trong các màng lòng và đáy-bên. Trong nhánh lên của quai Henle, tính thấm của nước thì luôn luôn thấp, vì thế, hầu như không có nước được tái hấp thu mặc dù một gradient thẩm thấu lớn. Tính thấm của nước trong các phần cuối cùng của các ống thận – các ống lượn xa, các vi ống thu thập và các ống thu thập – xảy ra thông qua các kênh aquaporins và có thể cao hoặc thấp, phụ thuộc vào sự có mặt hoặc vắng mặt của ADH.
Sự tái hấp thu của chloride, urea và các chất tan khác bởi sự khuếch tán thụ động
Khi natri được tái hấp thu qua tế bào biểu mô ống thận, các ion âm như chloride được vận chuyển cùng với natri nhờ điện thế. Nghĩa là, sự vận chuyển của các ion natri tích điện dương ra khỏi lòng ống để lại bên trong lòng ống một tích điện âm so với dịch kẽ, điều này làm cho các ion chloride khuếch tán một cách thụ động qua con đường cạnh tế bào. Sự hấp thu thêm ion chloride xảy ra nhờ một gradient nồng độ chloride mà phát triển khi nước được tái hấp thu từ ống thận bởi sự thẩm thấu, bằng cách đó, làm cô đặc ion chloride trong lòng ống thận (Hình 2). Vì thế, sự tái hấp thu chủ động natri được bắt cặp chặt chẽ với sự tái hấp thu thụ động của chloride bởi con đường điện thế và gradient nồng độ chloride.
Các ion chloride cũng có thể được tái hấp thu bởi sự vận chuyển tích cực thứ phát. Quan trọng nhất trong số các quá trình vận chuyển tích cực thứ phát đối với sự tái hấp thu chloride thì liên quan đến sự đồng vận chuyển của chloride với ion natri qua màng lòng.
Urea cũng được tái hấp thu một cách thụ động từ ống thận, nhưng với một mức độ nhỏ hơn nhiều so với ion chloride. Khi nước được tái hấp thu từ các ống thận (bởi sự thẩm thấu bắt cặp với sự tái hấp thu natri) thì nồng độ urea trong lòng ống thận tăng lên (xem Hình 2). Sự tăng lên này tạo ra một gradient nồng độ tạo điều kiện thuận lợi cho sự tái hấp thu urea. Tuy nhiên, urea không thấm qua ống thận dễ dàng như nước. Trong một số phần của nephron, đặc biệt là ống thu thập tủy trong, sự tái hấp thu urea thụ động được tạo điều kiện thuận lợi bởi các chất vận chuyển urea (urea transporters) chuyên biệt. Tuy nhiên, chỉ khoảng một nửa urea được lọc bởi các mao mạch cầu thận được tái hấp thu từ các ống thận. Phần urea còn lại đi vào trong nước tiểu, cho phép các thận bài tiết các lượng lớn sản phẩm thải chuyển hóa này. Ở các động vật có vú, hơn 90% nitrogen thải, chủ yếu được tạo ra trong gan như là một sản phẩm của chuyển hóa protein, thì bình thường được bài tiết bởi các thận dưới dạng urea.
Một sản phẩm thải khác của chuyển hóa, là creatinine, là một phân tử thậm chí còn lớn hơn urea và hầu như không thể thấm với màng ống thận. Vì thế, hầu như không có creatinine lọc được tái hấp thu, vì thế, hầu như tất cả creatinine được lọc bởi mao mạch cầu thận thì được bài tiết trong nước tiểu.
Sự tái hấp thu và bài tiết dọc theo các phần khác nhau trong nephron
Trong các phần trước, chúng ta đã nói đến các nguyên lý cơ bản mà bằng cách đó, nước và các chất tan được vận chuyển qua màng ống thận. Với các sự khái quát hóa này trong đầu, chúng ta bây giờ có thể bàn luận đến các đặc điểm khác nhau của các đoạn ống thân riêng biệt mà cho phép chúng thực hiện các chức năng chuyên biệt. Chỉ các chức năng vận chuyển của ống thận mà quan trọng nhất về mặt định lượng sẽ được bàn đến, đặc biệt là khi chúng liên quan đến sự tái hấp thu của natri, chloride và nước. Trong các loạt bài viết kế tiếp, chúng ta sẽ bàn đến sự tái hấp thu và bài tiết của các chất khác nhau trong các phần khác nhau của hệ thống ống thận.
Sự tái hấp thu của ống lượn gần
Bình thường, khoảng 65% tải natri và nước được lọc và một phần trăm chloride được lọc hơi thấp hơn thì được tái hấp thu bởi ống lượn gần trước khi dịch lọc đến quai Henle. Các phần trăm này có thể được tăng lên hoặc giảm xuống trong các tình trạng sinh lý khác nhau, như sẽ được bàn đến sau.
Các ống lượn gần có khả năng tái hấp thu chủ động và thụ động cao. Khả năng cao của ống lượn gần trong sự tái hấp thu là đến từ các đặc điểm tế bào chuyên biệt của nó, như được thể hiện trong Hình 3. Các tế bào biểu mô ống lượn gần thì có khả năng chuyển hóa cao và có số lượng lớn các ty thể để hỗ trợ cho các quá trình vận chuyển chủ động mạnh mẽ. Ngoài ra, các tế bào ống lượn gần cũng có một bờ bàn chải lớn trên phía lòng (phía đỉnh) của màng, cũng như là một “hệ thống mê đạo” phong phú của các kênh gian bào và kênh đáy, tất cả điều này cùng với nhau sẽ cung cấp một diện tích bề mặt màng rộng lớn trên phía lòng và các phía đáy-bên của biểu mô cho sự vận chuyển nhanh của các ion natri và các chất khác.
Bề mặt màng rộng lớn của bờ bàn chải tế bào biểu mô cũng chứa các phân tử mang protein mà vận chuyển một phần lớn ion natri qua màng lòng, liên hệ thông qua cơ chế đồng vận chuyển với nhiều chất dinh dưỡng hữu cơ như amino acids và glucose. Nhiều natri hơn được vận chuyển từ lòng ống vào trong tế bào bởi các cơ chế đối vận chuyển mà tái hấp thu natri đồng thời bài tiết các chất khác vào trong lòng ống thận, đặc biệt là ion hydrogen. Như được nói đến trong các loạt bài viết sau, sự bài tiết ion hydrogen vào trong lòng ống là một bước quan trọng trong sự loại bỏ các ions bicarbonate khỏi ống thận (bằng cách kết hợp H+ với HCO3– để hình thành nên H2CO3, chất mà sau đó phân ly thành H2O và CO2).
Mặc dù bơm Na+-K+ ATPase cung cấp lực chính cho sự tái hấp thu của natri, chloride và nước trên khắp ống lượn gần nhưng vẫn có một số sự khác biệt trong các cơ chế mà bằng cách đó natri và chloride được vận chuyển qua mặt lòng của các phần gần và xa của màng ống lượn gần.
Trong nửa đầu của ống lượn gần, natri được tái hấp thu bởi sự đồng vận chuyển cùng với glucose, amino acids và các chất tan khác. Tuy nhiên, trong nửa sau của ống lượn gần, một ít glucose và amino acids vẫn được tái hấp thu. Nhưng, natri bây giờ được tái hấp thu, chủ yếu cùng với ion chloride. Nửa sau của ống lượn gần có một nồng độ tương đối cao chloride (khoảng 140 mEq/L) so với đoạn đầu ống lượn gần (khoảng 105 mEq/L) bởi vì khi natri được tái hấp thu, nó ưu tiên mang cùng với glucose, bicarbonate và các ion hữu cơ trong phần đầu ống lượn gần, để lại phía sau một dung dịch mà có một nồng độ chloride cao hơn. Trong nửa sau của ống lượn gần, nồng độ chloride cao hơn tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán của ion này từ lòng ống qua các liên kết gian bào vào trong dịch kẽ thận. Các lượng chloride nhỏ hơn cũng có thể được tái hấp thu qua các kênh chloride chuyên biệt trong màng tế bào ống lượn gần.
Các nồng độ của các chất tan dọc theo các ống lượn gần. Hình 4 tóm tắt các sự thay đổi trong nồng độ của các chất tan khác nhau dọc theo ống lượn gần. Mặc dù lượng natri trong dịch ống giảm một cách đáng kể dọc theo ống lượn gần nhưng nồng độ natri (và tổng nồng độ thẩm thấu) vẫn tương đối hằng định bởi vì tính thấm đối với nước của ống lượn gần thì lớn đến nỗi sự tái hấp thu nước theo kịp được sự tái hấp thu natri. Các chất tan hữu cơ nhất định, như glucose, amino acids và bicarbonate, thì được tái hấp thu một cách mạnh mẽ hơn nhiều so với nước và các nồng độ của chúng giảm một cách đáng kể dọc theo chiều dài của ống lượn gần. Tổng nồng độ chất tan, như được phản ánh bởi nồng độ thẩm thấu, về bản chất vẫn giống nhau dọc theo toàn bộ ống lượn gần do tính thấm cực kỳ cao của phần nephron này với nước.
Sự bài tiết của các acids và bases hữu cơ bởi các ống lượn gần. Ống lượn gần cũng là một vị trí quan trọng cho sự bài tiết của các acids và bases hữu cơ như các muối mật, oxalate, urate và catecholamines. Nhiều trong số các chất này là các sản phẩm cuối cùng của sự chuyển hóa và phải được loại bỏ nhanh khỏi cơ thể. Sự bài tiết của các chất này vào trong ống lượn gần cùng với sự lọc vào trong ống lượn gần bởi các mao mạch cầu thận và hầu như hoàn toàn không có sự tái hấp thu bởi các ống thận, tất cả kết hợp lại, đóng góp vào sự bài tiết nhanh vào trong nước tiểu.
Ngoài các sản phẩm thải của chuyển hóa, các thận cũng bài tiết nhiều thuốc hay chất độc có khả năng gây hại vào trong các ống thận và loại bỏ một cách nhanh chóng các chất này khỏi máu. Trong trường hợp của một số thuốc nhất định, như penicillin và salicylates, sự thanh thải nhanh bởi các thận tạo ra một thách thức trong việc duy trì một nồng độ thuốc hiệu quả về mặt điều trị.
Một hợp chất khác mà được bài tiết nhanh bởi ống lượn gần là para-aminohippuric acid (PAH). PAH được bài tiết nhanh đến nỗi người bình thường có thể loại bỏ khoảng 90% PAH khỏi huyết tương chảy qua các thận và bài tiết nó trong nước tiểu. Vì lý do này, mức thanh thải PAH có thể được sử dụng để ước tính lưu lượng huyết tương thận (renal plasma flow – RPF), như được nói đến sau này trong loạt bài viết.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
