Mécanismes de récupération

Les mécanismes par lesquels les substances traversent les membranes pour la réabsorption ou la sécrétion comprennent le transport actif, la diffusion, la diffusion facilitée, le transport actif secondaire et l'osmose. Ceux-ci ont été abordés dans un chapitre précédent, et vous pouvez souhaiter les revoir.

Le transport actif utilise de l'énergie, généralement l'énergie trouvée dans une liaison phosphate de l'ATP, pour déplacer une substance à travers une membrane d'une faible à une forte concentration. Il est très spécifique et doit posséder un récepteur de forme appropriée pour que la substance puisse être transportée. Un exemple serait le transport actif de Na⁺ hors d'une cellule et de K⁺ dans une cellule par la pompe Na⁺/K⁺. Les deux ions sont déplacés dans des directions opposées, d'une concentration inférieure à une concentration supérieure.

La diffusion simple déplace une substance d'une concentration plus élevée à une concentration plus faible, suivant son gradient de concentration. Elle ne nécessite aucune énergie et doit seulement être soluble.

La diffusion facilitée est similaire à la diffusion en ce qu'elle déplace une substance selon son gradient de concentration. La différence est qu'elle nécessite des récepteurs membranaires spécifiques ou des protéines canaux pour le mouvement. Le mouvement du glucose et, dans certaines situations, des ions Na⁺, est un exemple de diffusion facilitée. Dans certains cas de transport médiatisé, deux substances différentes partagent le même port de protéine canal ; ces mécanismes sont décrits par les termes symport et antiport.

Les mécanismes de symport déplacent deux substances ou plus dans la même direction en même temps, tandis que les mécanismes d'antiport déplacent deux substances ou plus dans des directions opposées à travers la membrane cellulaire. Les deux mécanismes peuvent utiliser des gradients de concentration maintenus par des pompes ATPase. Comme décrit précédemment, lorsque le transport actif alimente le transport d'une autre substance de cette manière, on parle de « transport actif secondaire ». La réabsorption du glucose dans les reins se fait par transport actif secondaire. Les ATPases Na⁺/K⁺ sur la membrane basale d'une cellule tubulaire pompent constamment le Na⁺ hors de la cellule, maintenant un fort gradient électrochimique pour que le Na⁺ se déplace dans la cellule depuis la lumière tubulaire. Sur la surface luminale, une protéine de symport Na⁺/glucose assiste le mouvement du Na⁺ et du glucose dans la cellule. Le cotransporteur déplace le glucose dans la cellule contre son gradient de concentration tandis que le Na⁺ se déplace le long du gradient électrochimique créé par les ATPases Na⁺/K⁺ des membranes basales. La molécule de glucose diffuse ensuite à travers la membrane basale par diffusion facilitée dans l'espace interstitiel et de là dans les capillaires péritubulaires.

La plupart du Ca⁺⁺, du Na⁺, du glucose et des acides aminés doivent être réabsorbés par le néphron pour maintenir des concentrations plasmatiques homéostatiques. D'autres substances, telles que l'urée, le K⁺, l'ammoniac (NH₃), la créatinine et certains médicaments sont sécrétées dans le filtrat en tant que produits de déchet. L'équilibre acido-basique est maintenu par l'action des poumons et des reins : les poumons débarrassent le corps du H⁺, tandis que les reins sécrètent ou réabsorbent le H⁺ et le HCO₃^– (Tableau 25.6). Dans le cas de l'urée, environ 50 % est passivement réabsorbé par le TCP. Davantage est récupéré par les tubules collecteurs si nécessaire. L'ADH induit l'insertion de transporteurs d'urée et de protéines canaux aquaporines.

Réabsorption et sécrétion dans le TCP

Le corpuscule rénal filtre le sang pour créer un filtrat qui diffère du sang principalement par l'absence de cellules et de grosses protéines. De ce point jusqu'aux extrémités des tubules collecteurs, le filtrat ou urine en formation subit des modifications par sécrétion et réabsorption avant que la véritable urine ne soit produite. Le premier point où l'urine en formation est modifiée est le TCP. Ici, certaines substances sont réabsorbées, tandis que d'autres sont sécrétées. Notez l'utilisation du terme « réabsorbé ». Toutes ces substances ont été « absorbées » dans le tube digestif — 99 % de l'eau et la plupart des solutés filtrés par le néphron doivent être réabsorbés. L'eau et les substances réabsorbées sont renvoyées dans la circulation par les capillaires péritubulaires et les vasa recta. Il est important de comprendre la différence entre le glomérule et les capillaires péritubulaires et les vasa recta. Le glomérule a une pression relativement élevée à l'intérieur de ses capillaires et peut la maintenir en dilatant l'artériole afférente tout en rétrécissant l'artériole efférente. Cela assure une pression de filtration adéquate même lorsque la pression artérielle systémique varie. Le mouvement de l'eau dans les capillaires péritubulaires et les vasa recta sera influencé principalement par l'osmolarité et les gradients de concentration. Le sodium est activement pompé hors du TCP dans les espaces interstitiels entre les cellules et diffuse le long de son gradient de concentration dans le capillaire péritubulaire. Ce faisant, l'eau suivra passivement pour maintenir un environnement fluide isotonique à l'intérieur du capillaire. C'est ce qu'on appelle la réabsorption obligatoire de l'eau, car l'eau est « obligée » de suivre le Na⁺ (Figure 25.18).

Figure 25.18 Substances réabsorbées et sécrétées par le TCP

Plus de substances traversent les membranes du TCP que toute autre portion du néphron. Beaucoup de ces substances (acides aminés et glucose) utilisent des mécanismes de symport pour le transport avec le Na⁺. L'antiport, le transport actif, la diffusion et la diffusion facilitée sont des mécanismes supplémentaires par lesquels les substances sont déplacées d'un côté à l'autre d'une membrane. Rappelons que les cellules ont deux surfaces : apicale et basale. La surface apicale est celle qui fait face à la lumière ou à l'espace ouvert d'une cavité ou d'un tube, dans ce cas, l'intérieur du TCP. La surface basale de la cellule fait face à la base de tissu conjonctif à laquelle la cellule est attachée ou à la membrane cellulaire plus proche de la membrane basale s'il y a une couche stratifiée de cellules. Dans le TCP, il y a une seule couche de cellules endothéliales cubiques simples contre la membrane basale. Le nombre et les types particuliers de pompes et de canaux varient entre les surfaces apicale et basilaire. Quelques-unes des substances transportées avec le Na⁺ (mécanisme de symport) sur la membrane apicale comprennent le Cl^–, le Ca⁺⁺, les acides aminés, le glucose et ${\text{PO}}_4^{3-}$. Le sodium est activement échangé contre le K⁺ en utilisant l'ATP sur la membrane basale. La plupart des substances transportées par un mécanisme de symport sur la membrane apicale sont transportées par diffusion facilitée sur la membrane basale. Au moins trois ions, K⁺, Ca⁺⁺ et Mg⁺⁺, diffusent latéralement entre les membranes cellulaires adjacentes.

Environ 67 % de l'eau, du Na⁺ et du K⁺ entrant dans le néphron sont réabsorbés dans le TCP et renvoyés dans la circulation. Presque 100 % du glucose, des acides aminés et d'autres substances organiques telles que les vitamines sont normalement récupérés ici. Du glucose peut apparaître dans l'urine si les niveaux de glucose circulant sont suffisamment élevés pour que tous les transporteurs de glucose dans le TCP soient saturés, de sorte que leur capacité à déplacer le glucose est dépassée (transport maximal, ou T_m). Chez les hommes, la quantité maximale de glucose qui peut être récupérée est d'environ 375 mg/min, tandis que chez les femmes, elle est d'environ 300 mg/min. Ce taux de récupération se traduit par une concentration artérielle d'environ 200 mg/dL. Bien qu'un apport en sucre exceptionnellement élevé puisse entraîner l'apparition brève de sucre dans l'urine, l'apparition de glycosurie indique généralement un diabète sucré de type I ou II. Le transport du glucose de la lumière du TCP vers l'espace interstitiel est similaire à la manière dont il est absorbé par l'intestin grêle. Le glucose et le Na⁺ se lient simultanément aux mêmes protéines de symport sur la surface apicale de la cellule pour être transportés dans la même direction, vers l'espace interstitiel. Le sodium se déplace le long de son gradient électrochimique et de concentration dans la cellule et entraîne le glucose avec lui. Le Na⁺ est ensuite activement pompé hors de la cellule à la surface basale de la cellule dans l'espace interstitiel. Le glucose quitte la cellule pour entrer dans l'espace interstitiel par diffusion facilitée. L'énergie pour déplacer le glucose provient de l'ATPase Na⁺/K⁺ qui pompe le Na⁺ hors de la cellule sur la surface basale. Cinquante pour cent du Cl^– et des quantités variables de Ca⁺⁺, Mg⁺⁺ et ${\text{HPO}}_4^{2-}$ sont également récupérés dans le TCP.

La récupération du bicarbonate (HCO₃^–) est vitale pour le maintien de l'équilibre acido-basique, car c'est un tampon très puissant et à action rapide. Une enzyme importante est utilisée pour catalyser ce mécanisme : l'anhydrase carbonique (CA). Cette même enzyme et réaction est utilisée dans les globules rouges pour le transport du CO₂, dans l'estomac pour produire de l'acide chlorhydrique, et dans le pancréas pour produire du HCO₃^– afin de tamponner le chyme acide de l'estomac. Dans le rein, la majeure partie de la CA est située à l'intérieur de la cellule, mais une petite quantité est liée à la bordure en brosse de la membrane sur la surface apicale de la cellule. Dans la lumière du TCP, le HCO₃^– se combine avec les ions hydrogène pour former de l'acide carbonique (H₂CO₃). Celui-ci est catalysé enzymatiquement en CO₂ et en eau, qui diffusent à travers la membrane apicale dans la cellule. L'eau peut se déplacer osmotiquement à travers la membrane bicouche lipidique grâce à la présence de canaux hydriques aquaporines. À l'intérieur de la cellule, la réaction inverse se produit pour produire des ions bicarbonate (HCO₃^–). Ces ions bicarbonate sont cotransportés avec le Na⁺ à travers la membrane basale vers l'espace interstitiel autour du TCP (Figure 25.19). Simultanément, un antiporteur Na⁺/H⁺ excrète le H⁺ dans la lumière, tout en récupérant le Na⁺. Notez comment l'ion hydrogène est recyclé afin que le bicarbonate puisse être récupéré. Notez également qu'un gradient de Na⁺ est créé par la pompe Na⁺/K⁺.

La récupération significative des solutés de la lumière du TCP vers l'espace interstitiel crée un gradient osmotique qui favorise la récupération de l'eau. Comme noté précédemment, l'eau se déplace à travers les canaux créés par les protéines aquaporines. Ces protéines se trouvent dans toutes les cellules en quantités variables et aident à réguler le mouvement de l'eau à travers les membranes et les cellules en créant un passage à travers la membrane bicouche lipidique hydrophobe. La modification du nombre de protéines aquaporines dans les membranes des tubules collecteurs contribue également à réguler l'osmolarité du sang. Le mouvement de nombreux ions chargés positivement crée également un gradient électrochimique. Cette charge favorise le mouvement des ions négatifs vers les espaces interstitiels et le mouvement des ions positifs vers la lumière.

Figure 25.19 Réabsorption du bicarbonate par le TCP

Réabsorption et sécrétion dans l'anse de Henle

L'anse de Henle se compose de deux sections : les sections descendante épaisse et fine, et ascendante fine et épaisse. Les anses des néphrons corticaux ne s'étendent pas très loin dans la médulla rénale, voire pas du tout. Les néphrons juxtamédullaires ont des anses qui s'étendent sur des distances variables, certaines très profondément dans la médulla. Les portions descendante et ascendante de l'anse sont hautement spécialisées pour permettre la récupération d'une grande partie du Na⁺ et de l'eau qui ont été filtrés par le glomérule. Au fur et à mesure que l'urine en formation se déplace à travers l'anse, l'osmolarité passera d'isosmotique au sang (environ 278–300 mOsmol/kg) à la fois à une solution très hypertonique d'environ 1200 mOsmol/kg et à une solution très hypotonique d'environ 100 mOsmol/kg. Ces changements sont accomplis par osmose dans la branche descendante et par transport actif dans la branche ascendante. Les solutés et l'eau récupérés de ces anses sont renvoyés dans la circulation par les vasa recta.

Système multiplicateur à contre-courant

La structure de l'anse de Henle et des vasa recta associées crée un système multiplicateur à contre-courant (Figure 25.20). Le terme « contre-courant » vient du fait que les branches descendante et ascendante sont adjacentes et que leur fluide s'écoule dans des directions opposées. Le terme « multiplicateur » est dû à l'action des pompes à solutés qui augmentent les concentrations d'urée et de Na⁺ profondément dans la médulla.

Figure 25.20 Système multiplicateur à contre-courant

Comme discuté ci-dessus, la branche ascendante réabsorbe activement le NaCl de l'urine en formation vers les espaces interstitiels. De plus, les tubules collecteurs possèdent des pompes à urée qui pompent activement l'urée dans les espaces interstitiels. Cela entraîne la récupération du NaCl dans la circulation via les vasa recta et crée un environnement à forte osmolarité dans les profondeurs de la médulla.

L'ammoniac (NH₃) est un sous-produit toxique du métabolisme des protéines. Il est formé lorsque les acides aminés sont désaminés par les hépatocytes hépatiques. Cela signifie que le groupe amine, NH₂, est retiré des acides aminés lorsqu'ils sont décomposés. La majeure partie de l'ammoniac résultant est convertie en urée par les hépatocytes hépatiques. L'urée est non seulement moins toxique, mais elle est utilisée pour faciliter la récupération de l'eau par l'anse de Henle et les tubules collecteurs. En même temps que l'eau diffuse librement hors de la branche descendante à travers les canaux aquaporines vers les espaces interstitiels de la médulla, l'urée diffuse librement dans la lumière de la branche descendante à mesure qu'elle descend plus profondément dans la médulla, une grande partie étant réabsorbée de l'urine en formation lorsqu'elle atteint le tubule collecteur. Ainsi, le mouvement du Na⁺ et de l'urée dans les espaces interstitiels par ces mécanismes crée l'environnement hyperosmotique de la médulla. Le résultat net de ce système multiplicateur à contre-courant est de récupérer à la fois l'eau et le Na⁺ dans la circulation.

L'acide aminé glutamine peut être désaminé par le rein. Lorsque le NH₂ de l'acide aminé est converti en NH₃ et pompé dans la lumière du TCP, le Na⁺ et le HCO₃^– sont excrétés dans le liquide interstitiel de la pyramide rénale via un mécanisme de symport. Lorsque ce processus se produit dans les cellules du TCP, l'avantage supplémentaire est une perte nette d'un ion hydrogène (complexé à l'ammoniac pour former l'acide faible NH₄⁺) dans l'urine et un gain d'un ion bicarbonate (HCO₃^–) dans le sang. L'ammoniac et le bicarbonate sont échangés dans un rapport un à un. Cet échange est encore un autre moyen par lequel le corps peut tamponner et excréter l'acide. La présence de canaux aquaporines dans la branche descendante permet à des quantités prodigieuses d'eau de quitter l'anse et d'entrer dans l'interstitium hyperosmolaire de la pyramide, où elle est renvoyée dans la circulation par les vasa recta. Lorsque l'anse tourne pour devenir la branche ascendante, il y a une absence de canaux aquaporines, de sorte que l'eau ne peut pas quitter l'anse. Cependant, dans la membrane basale des cellules de la branche ascendante épaisse, les pompes ATPase éliminent activement le Na⁺ de la cellule. Un symporteur Na⁺/K⁺/2Cl^– dans la membrane apicale permet passivement à ces ions d'entrer dans le cytoplasme cellulaire depuis la lumière de l'anse le long d'un gradient de concentration créé par la pompe. Ce mécanisme vise à diluer le fluide de la branche ascendante, finalement à environ 50–100 mOsmol/L.

À la transition du TCD vers le tubule collecteur, environ 20 % de l'eau initiale est encore présente et environ 10 % du sodium. Si aucun autre mécanisme de réabsorption d'eau n'existait, environ 20 à 25 litres d'urine seraient produits. Considérons maintenant ce qui se passe dans les capillaires adjacents, les vasa recta. Ils récupèrent à la fois les solutés et l'eau à un rythme qui préserve le système multiplicateur à contre-courant. En général, le sang s'écoule lentement dans les capillaires pour laisser le temps à l'échange de nutriments et de déchets. Dans les vasa recta en particulier, ce débit est important pour deux raisons supplémentaires. Le flux doit être lent pour permettre aux globules sanguins de perdre et de regagner de l'eau sans se créneler ni éclater. Deuxièmement, un flux rapide éliminerait trop de Na⁺ et d'urée, détruisant le gradient osmolaire nécessaire à la récupération des solutés et de l'eau. Ainsi, en s'écoulant lentement pour préserver le mécanisme à contre-courant, à mesure que les vasa recta descendent, le Na⁺ et l'urée peuvent librement entrer dans le capillaire, tandis que l'eau quitte librement ; à mesure qu'elles montent, le Na⁺ et l'urée sont sécrétés dans la médulla environnante, tandis que l'eau y rentre et est éliminée.

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Regardez cette vidéo pour en savoir plus sur le système multiplicateur à contre-courant.

Réabsorption et sécrétion dans le tubule contourné distal

Environ 80 % de l'eau filtrée a été récupérée au moment où l'urine en formation diluée entre dans le TCD. Le TCD récupérera encore 10 à 15 % avant que l'urine en formation n'entre dans les tubules collecteurs. L'aldostérone augmente la quantité d'ATPase Na⁺/K⁺ dans la membrane basale du TCD et du tubule collecteur. Le mouvement du Na⁺ hors de la lumière du tubule collecteur crée une charge négative qui favorise le mouvement du Cl^– hors de la lumière vers l'espace interstitiel par une voie paracellulaire à travers les jonctions serrées. Les capillaires péritubulaires reçoivent les solutés et l'eau, les renvoyant dans la circulation.

Les cellules du TCD récupèrent également le Ca⁺⁺ du filtrat. Des récepteurs à l'hormone parathyroïdienne se trouvent dans les cellules du TCD et, lorsqu'ils sont liés à la PTH, induisent l'insertion de canaux calciques sur leur surface luminale. Ces canaux améliorent la récupération du Ca⁺⁺ de l'urine en formation. De plus, lorsque le Na⁺ est pompé hors de la cellule, le gradient électrochimique résultant attire le Ca⁺⁺ dans la cellule. Enfin, le calcitriol (1,25 dihydroxyvitamine D, la forme active de la vitamine D) est très important pour la récupération du calcium. Il induit la production de protéines de liaison au calcium qui transportent le Ca⁺⁺ dans la cellule. Ces protéines de liaison sont également importantes pour le mouvement du calcium à l'intérieur de la cellule et facilitent l'exocytose du calcium à travers la membrane basolatérale. Tout Ca⁺⁺ non réabsorbé à ce stade est perdu dans l'urine.

Tubules collecteurs et récupération de l'eau

Les solutés se déplacent à travers les membranes des tubules collecteurs, qui contiennent deux types de cellules distincts, les cellules principales et les cellules intercalaires. Une cellule principale possède des canaux pour la récupération ou la perte de sodium et de potassium. Une cellule intercalaire sécrète ou absorbe l'acide ou le bicarbonate. Comme dans d'autres portions du néphron, il existe un ensemble de micromachines présentes dans les membranes de ces cellules.

La régulation du volume et de l'osmolarité de l'urine sont des fonctions majeures des tubules collecteurs. En faisant varier la quantité d'eau récupérée, les tubules collecteurs jouent un rôle majeur dans le maintien de l'osmolarité normale du corps. Si le sang devient hyperosmotique, les tubules collecteurs récupèrent plus d'eau pour diluer le sang ; si le sang devient hypoosmotique, les tubules collecteurs récupèrent moins d'eau, ce qui entraîne une concentration du sang. Une autre façon de dire cela est : si l'osmolarité plasmatique augmente, plus d'eau est récupérée et le volume urinaire diminue ; si l'osmolarité plasmatique diminue, moins d'eau est récupérée et le volume urinaire augmente. Cette fonction est régulée par l'hormone antidiurétique de l'hypophyse postérieure. En cas de légère déshydratation, l'osmolarité plasmatique augmente légèrement. Cette augmentation est détectée par des osmorécepteurs dans l'hypothalamus, ce qui stimule la libération d'ADH par l'hypophyse postérieure. Si l'osmolarité plasmatique diminue légèrement, l'inverse se produit.

Lorsqu'ils sont stimulés par l'ADH, des canaux aquaporines sont insérés dans la membrane apicale des cellules principales, qui tapissent les tubules collecteurs. À mesure que les tubules descendent à travers la médulla, l'osmolarité qui les entoure augmente (en raison des mécanismes à contre-courant décrits ci-dessus). Si des canaux hydriques aquaporines sont présents, l'eau sera attirée osmotiquement du tubule collecteur vers l'espace interstitiel environnant et vers les capillaires péritubulaires. Par conséquent, l'urine finale sera plus concentrée. Si moins d'ADH est sécrétée, moins de canaux aquaporines sont insérés et moins d'eau est récupérée, ce qui entraîne une urine diluée. En modifiant le nombre de canaux aquaporines, le volume d'eau récupérée ou perdue est modifié. Cela, à son tour, régule l'osmolarité sanguine, la pression artérielle et l'osmolarité de l'urine.

Lorsque le Na⁺ est pompé hors de l'urine en formation, l'eau est passivement recapturée pour la circulation ; cette préservation du volume vasculaire est d'une importance critique pour le maintien d'une pression artérielle normale. L'aldostérone est sécrétée par le cortex surrénal en réponse à la stimulation de l'angiotensine II. En tant que vasoconstricteur extrêmement puissant, l'angiotensine II agit immédiatement pour augmenter la pression artérielle. En stimulant également la production d'aldostérone, elle fournit un mécanisme plus durable pour soutenir la pression artérielle en maintenant le volume vasculaire (récupération d'eau).

En plus des récepteurs à l'ADH, les cellules principales possèdent des récepteurs à l'hormone stéroïde aldostérone. Alors que l'ADH est principalement impliquée dans la régulation de la récupération d'eau, l'aldostérone régule la récupération de Na⁺. L'aldostérone stimule les cellules principales à fabriquer des canaux luminaux de Na⁺ et K⁺ ainsi que des pompes ATPase Na⁺/K⁺ sur la membrane basale des cellules. Lorsque la production d'aldostérone augmente, plus de Na⁺ est récupéré de l'urine en formation et l'eau suit passivement le Na⁺. Lorsque la pompe récupère le Na⁺ pour le corps, elle pompe également le K⁺ dans l'urine en formation, puisque la pompe déplace le K⁺ dans la direction opposée. Lorsque l'aldostérone diminue, plus de Na⁺ reste dans l'urine en formation et plus de K⁺ est récupéré dans la circulation. Les canaux de symport déplacent le Na⁺ et le Cl^– ensemble. D'autres canaux encore dans les cellules principales sécrètent le K⁺ dans le tubule collecteur en proportion directe de la récupération du Na⁺.

Les cellules intercalaires jouent un rôle important dans la régulation du pH sanguin. Les cellules intercalaires réabsorbent le K⁺ et le HCO₃^– tout en sécrétant le H⁺. Cette fonction abaisse l'acidité du plasma tout en augmentant l'acidité de l'urine.