Secrezione e assorbimento
Secrezione e assorbimento
di Gerhard Giebisch
SOMMARIO: 1. Introduzione. □ 2. Proprietà generali degli epiteli che effettuano un trasporto netto di soluti e di acqua. □ 3. Trasporto di sodio: a) il modello cellulare della pelle di rana; b) il modello cellulare del tubulo renale; c) l'epitelio intestinale; d) la ghiandola sottomascellare del ratto. □ 4. Accoppiamento fra trasporto di sodio e di acqua. □ 5. Accoppiamento fra trasporto di sodio e di non elettroliti. □ 6. Trasporto di altri cationi: a) potassio; b) idrogeno. □ 7. Trasporto di ioni cloro. □ 8. Trasporto di calcio e fosfato. □ 9. Conclusioni. □ Bibliografia.
1. Introduzione.
Un certo numero di tessuti epiteliali svolgono un ruolo chiave nel controllo dell'escrezione di sali e acqua e a essi spetta pertanto di mantenere costante l'ambiente interno dell'organismo. Questo scopo viene raggiunto con il trasferimento di sali e acqua attraverso gli strati delle cellule epiteliali. Tale trasferimento subisce l'influenza di molti fattori regolatori. Per convenzione, il trasporto dal sangue verso l'ambiente esterno è considerato secretorio, mentre il processo nella direzione opposta, quello che procede dall'ambiente esterno al sangue, è chiamato assorbimento.
Il rene è l'organo epiteliale più importante preposto alla funzione di eliminare e controllare l'acqua, il sodio, il cloro, l'idrogeno, i fosfati, l'acido urico e l'urea, come pure a quella di recuperare dal filtrato diversi composti organici, come il glucosio e gli amminoacidi. Inoltre, altre strutture, come i vari epiteli del tratto intestinale, la pelle e la vescica urinaria, le branchie e le ghiandole del sale, gli epiteli della colecisti, del pancreas, del plesso coroideo, della cornea, della retina e del cristallino, partecipano in maniera considerevole al controllo dell'equilibrio ionico dell'organismo. Molti epiteli producono secrezioni che hanno proprietà nettamente diverse dal plasma sanguigno dal quale esse vengono formate: ne forniscono un esempio le ghiandole che secernono il sudore, la saliva, i succhi gastrico e pancreatico, e la colecisti che estrae il liquido dalla bile epatica.
Gli epiteli sono strati cellulari che hanno la capacità di trasferire ioni e acqua attraverso le loro pareti. Lo scopo di questo articolo è quello di esaminare alcuni principi comuni e fondamentali che sono alla base delle funzioni di assorbimento e di secrezione delle strutture epiteliali. Apparirà chiaro che molti aspetti del comportamento degli epiteli sono strettamente legati al trasporto attivo di sodio e di potassio attraverso le membrane cellulari. In particolare il trasporto di sodio esplica un ruolo fondamentale, essendo il suo movimento transepiteliale la forza primaria responsabile del trasporto di acqua attraverso gli epiteli.
Per comprendere la funzione degli epiteli deve essere ben chiaro che le proprietà delle due membrane cellulari che separano le due fasi liquide possono essere completamente diverse fra di loro. L'asimmetria delle proprietà delle loro membrane cellulari è tipica delle cellule epiteliali. Oltre alle diverse proprietà fondamentali delle due superfici limite degli epiteli, è stata recentemente riconosciuta l'importanza che hanno alcune caratteristiche morfologiche e biochimiche dei tessuti che operano un trasporto (v. Morel e altri, 1980). Esempi di rilievo sono la diversa distribuzione di enzimi di trasporto, come l'ATP-asi sodio-potassio-dipendente, la quale è localizzata solo nelle membrane ‛basolaterali' degli epiteli di trasporto (v. Ernst e altri, 1980; v. Mills e Dibona, 1980; v. Berridge e Oschman, 1969) e la localizzazione preferenziale dei vettori di co-trasporto del sodio nella membrana luminale con orletto a spazzola dell'epitelio tubulare del rene e intestinale (v. Kinne, 1976 e 1979; v. Silverman e Turner, 1980). Dal punto di vista morfologico, molte cellule epiteliali possiedono un sistema di orletto a spazzola più o meno ben sviluppato, che consiste di microvilli apicali e di elaborate interdigitazioni basali (v. Berridge e Oschman, 1972).
Oltre alla differenziazione della membrana cellulare, è stato messo in evidenza che strutture subcellulari peculiari, come lunghi canali intercellulari a fondo cieco, esplicano un ruolo fondamentale nella funzione epiteliale. È stato dimostrato in diversi epiteli che la formazione e la disposizione delle zonule di occlusione fra cellule conferiscono agli epiteli importanti proprietà di permeabilità all'acqua e ai soluti (v. Erlij e Martinez-Palomo, 1978; v. Frömter e Diamond, 1972). Si ritiene oggi che il compartimento liquido intercellulare sia la sede dove il movimento del liquido si trova accoppiato al trasporto del soluto (v. Hill, 1975 e 1979; v. Diamond e Bossert, 1967; v. Sackin e Boulpaep, 1975). Infine, sembra lecito concludere che negli epiteli del tubulo renale e del tratto gastrointestinale i cambiamenti del comportamento idrodinamico del sistema interspaziale svolgano un ruolo chiave nella regolazione del trasporto transepiteliale di sodio e di liquidi, in quanto rappresentano un sistema di cortocircuito passivo e variabile che si oppone al trasporto attivo di sodio (v. Windhager, 1979; v. Earley e Daugharty, 1969). Queste considerazioni indicano che non solo le cellule epiteliali sono organizzate in maniera asimmetrica per quanto riguarda le proprietà di trasporto attivo delle loro membrane cellulari, ma che esse sono asimmetriche anche per quel che riguarda la loro struttura fine e le loro proprietà biochimiche.
2. Proprietà generali degli epiteli che effettuano un trasporto netto di soluti e di acqua.
Lo scambio di ioni fra l'organismo vivente e l'ambiente avviene attraverso strutture epiteliali costituite da uno o più strati di cellule specializzate. In genere, una o più cellule epiteliali sono interposte nella via di migrazione dei soluti e dell'acqua. In linea di principio, sia le molecole polari che quelle non polari possono attraversare le membrane epiteliali attraverso una o più vie: 1) alcune sostanze possono penetrare attraverso la membrana esterna (spesso quella del lume, quella apicale o della mucosa), diffondere attraverso il citoplasma e attraversare nuovamente la membrana (basale, dalla parte opposta del lume) al lato opposto della cellula; 2) il movimento del soluto e del liquido può procedere, almeno in parte, tra cellule epiteliali. Molte delle proprietà di permeabilità passiva degli epiteli dipendono in maniera fondamentale dalle proprietà funzionali di tali vie di trasporto intercellulare, ma l'importanza di questa via di trasporto varia grandemente nei diversi epiteli; 3) gli elettroliti possono passare attraverso compartimenti di trasporto specializzati dell'epitelio senza che vi sia commistione o scambio completo con l'intero contenuto intracellulare.
La pelle di rana è l'epitelio le cui proprietà di trasporto sono state probabilmente più largamente studiate. Ciò è dovuto alla facilità con la quale possono essere studiati in vitro sia le proprietà di trasporto sia i fenomeni elettrici di questo epitelio. Il lavoro pionieristico di Ussing e collaboratori (v. Ussing, 1949, 1960, 1965, 1967; v. Ussing e Johansen, 1969) ha fornito nuovi e importanti metodi, concetti e interpretazioni sul meccanismo di trasporto degli ioni e dei liquidi attraverso gli epiteli. Prenderemo pertanto in esame alcuni di questi concetti, dato che essi hanno importanza per quanto riguarda le proprietà di tutti gli epiteli.
Gli epiteli e i tessuti ghiandolari sono costituiti da strati di cellule epiteliali che, mentre mantengono costante la loro composizione interna in elettroliti, effettuano anche un trasferimento netto di sostanze non polari, di ioni e di acqua attraverso le pareti cellulari (v. Ussing, 1960; v. i contributi di Schultz, 1979; v. Keynes, 1969; v. Cereijido e Rotunno, 1970). La migliore conoscenza che abbiamo sul comportamento degli ioni sodio e potassio negli epiteli ci spinge a esaminare dettagliatamente questi ioni per chiarire alcune proprietà basilari del trasporto ionico nelle cellule epiteliali.
I risultati ottenuti negli epiteli isolati, soprattutto nella pelle di rana e nella vescica urinaria di rospo, hanno messo in evidenza le somiglianze fra i meccanismi responsabili del mantenimento di un contenuto normale di sodio e di potassio nelle cellule epiteliali e i meccanismi che compiono un trasporto netto di sodio (v. Ussing, 1960; v. Erlij e Ussing, 1978). È ormai ben provato che il mantenimento di una concentrazione bassa di sodio e alta di potassio nelle cellule dell'organismo avviene tramite la simultanea espulsione attiva di sodio al di fuori della cellula e la captazione di potassio nel suo interno. Fino a poco tempo fa le prove disponibili in favore di una captazione attiva di potassio erano molto stimolanti, ma non conclusive. La prova diretta che il trasporto di sodio e potassio negli epiteli è di natura attiva è stata ottenuta misurando le attività ioniche cellulari in diversi tipi di cellule epiteliali (v. Graf e Giebisch, 1979; v. Reuss, 1979; v. Civan e altri, 1980). Il potenziale elettrico intracellulare è spesso negativo in misura insufficiente, rispetto al liquido extracellulare circostante, per spiegare l'alta concentrazione intracellulare di potassio che si osserva comunemente. Inoltre, diverse prove suggeriscono che almeno una parte dell'espulsione attiva del sodio dalla cellula verso l'ambiente extracellulare è associata alla captazione attiva di potassio tramite una pompa ionica mediata da un trasportatore (v. Ussing, 1960; v. Erlij e Ussing, 1978). In questo modo, parte del processo di accumulo di potassio e di espulsione di sodio è mediata da processi di trasporto attivo che richiedono energia. In molti epiteli si è visto che l'ATP-asi è intimamente connessa con l'operazione di trasporto attivo che coinvolge gli ioni sodio e potassio (v. Jørgensen, 1980; v. Skou, 1965). Sebbene non sia del tutto sicuro che nelle cellule epiteliali tutta l'espulsione di sodio sia accoppiata alla captazione di potassio, mediante uno scambio fisso e forzato con il sodio, è certo tuttavia che, in quelle cellule epiteliali nelle quali tali processi di scambio ionico sono stati studiati, lo scambio di sodio con potassio partecipa in maniera fondamentale al mantenimento del rapporto potassio/sodio entro valori normali (v. Whittembury e altri, 1978).
La fig. 1 mostra come il funzionamento di un meccanismo di scambio attivo sodio-potassio, in aggiunta alle ineguali proprietà passive di permeabilità al sodio delle due opposte membrane cellulari, sia responsabile del trasporto netto di ioni sodio (v. Ussing, 1960; v. Erlij e Ussing, 1978). Diversi punti devono essere presi in considerazione. Come dimostrato nella fig. 1A, il trasporto netto di sodio è dovuto al fatto che la membrana che guarda verso l'esterno ha un'alta permeabilità passiva agli ioni sodio, mentre quella opposta al lume, che guarda verso il sangue, ha un'alta permeabilità agli ioni potassio e cloro, ma una bassa permeabilità al sodio. Inoltre, la pompa di scambio sodio-potassio è collocata nella membrana che guarda verso l'interno.
Il trasporto netto di sodio avverrebbe pertanto in due fasi distinte e sequenziali. Innanzitutto l'alta permeabilità al sodio della membrana che guarda verso l'esterno permette l'entrata passiva di sodio, per un gradiente di potenziale elettrochimico favorevole, dato che l'interno della cellula ha una concentrazione di sodio inferiore rispetto all'esterno e ha frequentemente un potenziale elettrico negativo rispetto all'ambiente extracellulare. In secondo luogo, una volta che gli ioni sodio sono entrati nel citoplasma, essi sono spinti attivamente all'esterno attraverso la parete cellulare opposta scambiandosi con il potassio. Questo stadio è attivo per il sodio, dal momento che il movimento netto di sodio avviene qui sia contro una differenza di potenziale elettrico, sia contro un notevole gradiente chimico. La bassa permeabilità al potassio (PK 〈 PNa) della membrana cellulare che guarda verso l'esterno, a differenza della membrana che guarda verso il sangue, che ha un'alta permeabilità al potassio, spiega come mai il sodio sia trasportato all'interno attraverso la pelle di rana, senza che gli ioni potassio siano trasportati attivamente dalla soluzione interna a quella esterna. Ciò nonostante gli ioni potassio sono necessari perché avvenga il trasporto attivo transepiteliale di sodio, dal momento che essi sono pompati nella cellula epiteliale in scambio con il sodio dalla soluzione interna. Successivamente essi possono ritornare indietro per diffusione passiva.
Il fatto che la membrana che guarda verso l'interno sia selettivamente permeabile al potassio e che la concentrazione di potassio nella cellula sia molto maggiore di quella della soluzione interna spiega come si generi un significativo potenziale di diffusione attraverso questa parete della cellula. Ciò rende il suo interno elettricamente negativo rispetto alla soluzione interna. Si ritiene che il movimento di ioni cloro sia passivo e si pensa che sia guidato da una differenza di potenziale elettrico tra la soluzione interna ed esterna. Esso può aver luogo per via sia transcellulare sia intercellulare ed è una conseguenza del fatto che il compartimento liquido nel quale sono pompati gli ioni sodio, come pure quello interno, è sempre elettricamente positivo rispetto al liquido esterno dal quale gli ioni sodio entrano nella cellula.
Dal punto di vista storico l'epitelio della pelle di rana è stato il primo nel quale è stata compiuta un'analisi precisa della relazione tra flussi ionici unidirezionali e forze elettromotrici (v. Ussing e Zerahn, 1951; v. Ussing, 1965 e 1967; v. Ussing e Leaf, 1978). È stato dimostrato che per uno ione (j), che diffonde in maniera del tutto passiva, cioè per uno ione che non interagisce con altre particelle trasportate e che non è influenzato (‛convogliato') dal movimento del solvente, si ha la seguente relazione:
J1(1,2)/J2(2,1)=(aj(1)/aj(2)) exp[ZF(Ψ(1)−Ψ(2))/RT],
dove aj(1) e aj(2) rappresentano le attività dello ione nelle soluzioni e (Ψ(1)−Ψ(2)) è la differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana. Z, F, R e T hanno il loro solito significato. La fig. 2 mostra uno schema dell'apparato sperimentale per misurazioni in cortocircuito.
Due punti meritano attenzione. Primo, quando le soluzioni del bagno sono identiche e la differenza di potenziale elettrico attraverso il preparato è ridotta a zero dal passaggio di una corrente elettrica, il rapporto tra i flussi degli ioni che si muovono passivamente dovrebbe essere uguale a 1. Solamente gli ioni trasportati attivamente dovrebbero dare un rapporto tra i flussi diverso da 1. Secondo, la somma delle velocità di trasporto netto degli ioni trasportati attivamente, misurate in unità elettriche, deve essere eguale alla corrente elettrica che passa attraverso il preparato (v. Ussing e Zerahn, 1951; v. Ussing, 1967; v. Ussing e Leaf, 1978). In molti epiteli l'identità della corrente di cortocircuito e della velocità di trasporto netto di ioni sodio sottolinea l'importante funzione degli ioni sodio nei fenomeni di trasporto ionico negli epiteli.
La fig. 3 sintetizza alcune possibili relazioni tra il rapporto dei flussi osservati e il rapporto delle forze motrici elettrochimiche (v. Curran e Schultz, 1968; v. Giebisch e Windhager, 1973). Di interesse particolare è la situazione nella quale il rapporto tra le forze motrici (CA′ /CA″) è uguale a 1. A questo punto tutti i meccanismi di trasporto danno rapporti tra i flussi eguali a 1, con la rilevante eccezione del trasporto attivo. Sono importanti, da un punto di vista pratico, osservazioni sperimentali eseguite in condizioni nelle quali la forza di spinta netta è uguale a zero, perché le deviazioni dall'equazione del rapporto tra i flussi potrebbero altrimenti essere erroneamente interpretate come conseguenza di un trasporto attivo, mentre di fatto esse potrebbero essere dovute a un particolare tipo di trasporto non attivo. Inoltre, se si verifica la condizione di flusso netto zero, deve essere presente un trasporto attivo nel caso in cui si ottenga una differenza significativa di potenziale elettrochimico. Queste considerazioni sono state applicate al tubulo renale nello studio del trasporto di Na+ (v. Giebisch e altri, 1964), Cl- (v. Kashgarian e altri, 1963), K+ (v. Malnic e altri, Micropuncture... e Microperfusion..., 1966) e H+ (v. Malnic e Giebisch, 1972). Sono risultati particolarmente importanti gli esperimenti di microperfusione stazionaria, nei quali si può raggiungere la condizione di movimento netto zero con l'uso di non elettroliti scarsamente riassorbibili (v. Giebisch e altri, 1964; v. Kashgarian e altri, 1963; v. Malnic e altri, Microperfusion..., 1966).
Un più attento esame della fig. 3 mostra che le deviazioni dal comportamento previsto per la diffusione passiva possono verificarsi in numerose condizioni (v. Curran e Schultz, 1968; v. Giebisch e Windhager, 1973).
1. Il trasferimento netto può avvenire per diffusione in singola fila. Tale modalità di trasporto ha luogo lungo una differenza di potenziale elettrochimico e può facilmente essere dimostrata una volta abolito il trasporto attivo. Il rapporto di flusso osservato è una funzione esponenziale del rapporto della differenza di potenziale elettrochimico. Il passaggio di ioni è immaginato come se avvenisse attraverso uno stretto canale che contiene una singola fila di ioni. È essenziale per la diffusione in singola fila il fatto che il movimento di ioni nella direzione di una forza motrice elettrochimica contrasta fortemente il flusso passivo di ioni in direzione opposta.
2. Un trasporto facilitato può essere definito come un trasporto specifico e saturabile che imprime al movimento di ioni o di altri soluti una velocità maggiore di quella prevista dalla diffusione libera. Il trasporto non avviene contro una differenza di potenziale elettrochimico. Per spiegare il comportamento cinetico dei meccanismi di trasporto facilitato, si postula di solito l'esistenza di un meccanismo che coinvolge un trasportatore.
3. La diffusione a scambio consiste nello scambio di un ugual numero di ioni della medesima specie fra un lato e l'altro della membrana. Tale tipo di trasporto non ha per effetto un trasporto netto, ma è mediato da un trasportatore e può contribuire ampiamente ai flussi unidirezionali di traccianti. È tipico di una diffusione a scambio il fatto che un cambiamento nella concentrazione sul lato della membrana verso la quale il flusso è diretto influenzi il flusso unidirezionale nella medesima direzione. Riguardo al trasporto di elettroliti nel tubulo renale, vi sono prove che la diffusione a scambio è coinvolta nel trasporto di cloro nel tubulo (v. Burg e Stoner, 1974; v. Giebisch e Windhager, 1964 e 1973).
4. Una modalità di trasporto non illustrata nella fig. 1 è quella del trascinamento da parte del solvente (v. Giebische Windhager, 1973; v. Ussing, 1960). Essa rappresenta un'interazione tra il flusso del soluto e del solvente tale che si ottiene un movimento netto di soluto maggiore di quello prevedibile sulla base dell'equazione del rapporto tra i flussi. L'abolizione del trasporto netto di liquido può essere usata per stabilire la funzione svolta da questa modalità di trasporto. Una frazione del trasporto di Na+ nel tubulo prossimale è dovuta al trascinamento da parte del solvente (v. Frömter, 1979).
La fig. 1 mostra anche un certo numero di altre possibili distribuzioni dei parametri di trasporto nelle singole membrane cellulari. Per esempio, nella fig. 1B è mostrata una ‛cellula simmetrica', come quelle delle fibre muscolari o nervose, la quale ha proprietà di trasporto attivo e di permeabilità passiva distribuite uniformemente. Pertanto gli stessi mezzi di trasporto ionico servono esclusivamente a mantenere un alto contenuto cellulare di potassio e uno basso di sodio. Infine, nella fig. 1C è rappresentata una combinazione più complessa di pompe attive e di permeabilità passive. In pratica, una distribuzione simmetrica della pompa di scambio sodio-potassio su ambedue le membrane di questa ipotetica cellula epiteliale è combinata con una distribuzione asimmmetrica della permeabilità cellulare al sodio, che è più alta nella membrana che guarda verso l'esterno. In questo caso, sia gli ioni sodio sia gli ioni potassio sono soggetti a un trasporto netto nella stessa direzione e cioè dalla soluzione esterna a quella interna. Una caratteristica essenziale di questo modello è l'ineguale distribuzione di permeabilità al sodio e al potassio: un'alta permeabilità al sodio favorisce l'entrata di questo attraverso la membrana esterna della cellula, mentre un'alta permeabilità al potassio, al livello della parete interna, favorisce il passaggio di ioni potassio dalla cellula alla soluzione interna. La prima parte del tubulo distale del rene offre un esempio di questo tipo di trasporto. Gli ioni sodio e potassio sono riassorbiti intensamente lungo questa parte del nefrone. Misurazioni recenti, effettuate con l'uso di microelettrodi sensibili agli ioni, hanno chiaramente dimostrato che nella membrana cellulare del lume tubulare e in quella peritubulare sono presenti due pompe attive per il potassio (v. Oberleithner e Giebisch, 1981).
Recentemente, nuove acquisizioni sull'organizzazione funzionale delle cellule epiteliali sono state possibili grazie alla disponibilità di nuovi agenti, come l'amiloride e il bario, capaci di bloccare pressoché specificamente i canali, e di agenti capaci di aumentare la permeabilità ionica delle membrane cellulari.
La fig. 4 mostra un modello cellulare dell'epitelio della pelle di rana e le importanti modificazioni delle proprietà di permeabilità passiva. L'amiloride blocca specificamente la permeabilità al sodio della membrana che guarda verso l'esterno, il bario la permeabilità della membrana cellulare che guarda verso l'interno, e gli antibiotici polienici, come l'anfotericina, la nistatina o la filipina, aumentano drasticamente la permeabilità ai cationi della membrana che guarda verso l'esterno (v. Nielsen, 1971 e 1979; v. Lewis e Wills, 1979). È particolarmente interessante che il trattamento con filipina faccia si che ioni potassio possano essere secreti verso la soluzione esterna e che il rapporto di accoppiamento del trasporto attivo di sodio e di potassio sia 3 : 2 (v. Nielsen, 1979).
Un altro meccanismo fondamentale di trasporto, recentemente scoperto, è illustrato nella fig. 5. È oggi ben stabilito che il co-trasporto di cloruro di sodio può avvenire sia a livello apicale sia a livello antiluminale della membrana di certi epiteli (v. Frizzell e Duffey, 1980). In questi tessuti le attività cellulari del cloro sono più alte, di un fattore di 2-4, rispetto all'attività del cloro che può essere prevista per la distribuzione passiva di tale ione. Questo accumulo di cloro cellulare viene bloccato se manca il sodio nella soluzione adiacente al lato esterno. L'energia per l'accumulo del cloro cellulare e per il traporto transepiteliale proviene dall'interazione specifica, mediata da un trasportatore, tra sodio e cloro e dalla differenza di potenziale elettrochimico del sodio attraverso la rispettiva membrana cellulare. Questo sistema di co-trasporto sodio-cloro è sensibile ad alcuni diuretici come la furosemide. La sua presenza è stata dimostrata nella colecisti, nel tubulo renale prossimale degli Anfibi, nel piccolo intestino e nelle ghiandole rettali del pescecane (v. Frizzell e Duffey, 1980). Il movimento di cloro attraverso il co-trasporto con il sodio è stato anche definito come ‛trasporto attivo secondario', perché l'energia per trasportare il cloro ‛in salita' proviene dal movimento ‛in discesa' del sodio all'interno della cellula. È il gradiente di concentrazione del sodio attraverso la membrana che in ultima analisi è responsabile dello stabilirsi del movimento di cloro contro un gradiente di concentrazione. Così, in definitiva, è lo scambio attivo sodio-potassio che spinge il cloro verso l'interno della cellula contro un gradiente di potenziale elettrochimico.
La distribuzione asimmetrica delle proprietà di trasporto nelle due membrane opposte delle cellule epiteliali fornisce uno schema di base dell'organizzazione funzionale di molti organi epiteliali. Possiamo prendere in considerazione alcuni esempi rappresentativi. Apparirà chiaro che, mediante una adeguata distribuzione delle proprietà di pompa e di permeabilità, pochi elementi di trasporto possono dar luogo a un'ampia varietà di modelli di trasporto ionico.
In tutti i segmenti del tubulo renale (v. Giebisch e Windhager, 1964; v. Burg, 1981; v. Windhager, 1979) e della mucosa intestinale (v. Schultz e Curran, 1968 e 1974; v. Schultz, 1979) il trasporto attivo di sodio avviene attraverso la membrana cellulare che si trova dalla parte opposta del lume. Il riassorbimento di sodio lungo il tubulo renale e lungo il tratto intestinale è responsabile dell'assorbimento di notevoli quantità di liquido attraverso queste strutture epiteliali. La secrezione renale di potassio lungo il tubulo distale del rene è dovuta a una combinazione di componenti di trasporto attivo e passivo (v. Giebisch e Windhager, 1964; v. Giebisch, 1971; v. Giebisch e altri, 1967; v. Malnic e altri, 1964 e Micropuncture study..., 1966; v. Giebisch, 1979). Un'inversione nella direzione del trasporto netto di potassio può avvenire lungo lo stesso segmento di nefrone mediante una modificazione della velocità con cui le cellule accumulano potassio attraverso la membrana cellulare peritubulare dalla parte opposta del lume (v. de Mello-Aires e altri, 1973; v. Wiederholt e altri, 1971).
Nell'epitelio delle branchie dei pesci teleostei marini, che bevono acqua di mare e che non hanno la possibilità di eliminare un'urina ricca di sodio, questo ione è espulso attivamente all'esterno (v. Maetz, 1968; v. Motais, 1967; v. Potts e Parry, 1964; v. Lahlou, 1980). Al contrario, i teleostei e i crostacei d'acqua dolce, che devono affrontare il problema della perdita di sale con le urine, sono in grado attraverso le branchie di captare il cloruro di sodio da una soluzione esterna piuttosto diluita e stabilire differenze di concentrazione al di sopra di 1:100 (v. Maetz, 1968; v. Maetz e Garcia Romeu, 1964; v. Shaw, 1955, 1959 e i contributi del 1960; v. Motais e altri, 1966; v. Lahlou, 1980). Il passaggio da uno stato di assorbimento netto di sale a quello di una secrezione di sale è possibile in alcuni teleostei marini eurialini, ed è dovuto a profondi cambiamenti nelle proprietà di trasporto passivo e attivo che hanno luogo nella membrana branchiale che guarda verso l'esterno (v. Maetz, 1968; v. Motais e altri, 1966; v. Motais, 1967; v. Potts e Parry, 1964).
Nei tubuli malpighiani degli Insetti (v. Ramsay, 1952 e 1953; v. Berridge, 1968; v. Maddrell, 1969,1978 e 1980; v. Coast, 1969) e nell'intestino medio del baco da seta (v. Harvey e Nedergaard, 1964; v. Harvey e altri, 1967 e 1968; v. Nedergaard e Harvey, 1968; v. Zerahn, 1978) gli ioni più importanti implicati nel trasporto attivo sono quelli potassio. Nel tubulo malpighiano la secrezione attiva di potassio è pure responsabile di una secrezione netta di liquido (v. Berridge, 1968; v. Maddrell, 1978 e 1980). Sia nel tubulo malpighiano degli Insetti, sia nell'intestino medio di Cecropia una pompa per la secrezione attiva di potassio è localizzata nella membrana che guarda verso l'esterno. Oltre a secernere potassio e a essere responsabile della secrezione di liquido, il trasporto attivo di potassio nel tubulo malpighiano degli Insetti (v. Berridge, 1967 e 1968; v. Maddrell, 1978 e 1980) e nell'intestino medio di Cecropia (v. Wood e altri, 1969) genera anche direttamente una differenza di potenziale elettrico, rendendo in tal modo elettricamente positiva, rispetto all'interno della cellula, la soluzione nella quale il potassio è secreto.
Negli epiteli si riscontrano molti altri esempi di distribuzione asimmetrica di quegli elementi basilari che determinano le proprietà di trasporto ionico. Esempi di rilievo sono il plesso coroideo (v. i contributi di Wright, 1978), le ghiandole sudoripare e lacrimali (v. i contributi di Thaysen, 1978), gli epiteli dell'occhio (v. Zadunaisky, 1978) e l'epitelio gastrico (v. Machen e Forte, 1979). In quest'ultimo epitelio la secrezione attiva di ioni idrogeno rappresenta uno dei più importanti meccanismi di trasporto attivo.
La presenza di un meccanismo di scambio sodio-potassio è comune a tutte le cellule epiteliali. Modificazioni significative dei modelli di trasporto netto sono la conseguenza di una ineguale distribuzione delle permeabilità passive a diverse specie ioniche, di una ineguale distribuzione delle zone dove sono situate le pompe attive e di co-trasporto o, infine, perfino di un'inversione della ‛normale' direzione nella quale viene pompato il potassio dal liquido extracellulare a quello intracellulare. Mentre normalmente il potassio è pompato dal liquido extracellulare all'interno della cellula, alcuni risultati sperimentali fanno supporre che in alcuni epiteli di Insetti si possa avere anche l'espulsione di ioni potassio, cioè il loro passaggio dalla cellula all'ambiente esterno. E pure chiaro che in alcuni organi epiteliali devono esservi altre pompe ioniche, perché alcuni aspetti del trasporto degli ioni cloro, idrogeno e bicarbonato non sarebbero altrimenti spiegabili.
Altri due aspetti del trasporto epiteliale meritano di essere ricordati. Essi riguardano la possibilità di una eterogeneità funzionale delle cellule degli epiteli e il ruolo del trasporto epiteliale nel generare un certo numero di fenomeni elettrici.
Riguardo alla eterogeneità funzionale delle cellule, è importante tener presente che molti epiteli sono costituiti da diversi tipi cellulari: è questo il caso della mucosa gastrica, del tratto intestinale, del tubulo renale, della vescica degli Anfibi e anche dell'intestino medio degli Insetti. Incominciano a esserci prove, anche se in gran parte indirette, che non tutte le cellule contribuiscono nello stesso modo all'operazione globale di trasporto e che singoli tipi di cellule possono essere alla base di specifiche funzioni di trasporto. Molte delle prove disponibili si basano su accurate indagini sulle interrelazioni morfofunzionali rilevate in modelli di trasporto molto diversi (v. Kashgarian, 1980).
È anche evidente che la polarizzazione elettrica degli epiteli dipende in ultima analisi dall'attività delle pompe ioniche, dal momento che esse sono responsabili della creazione di gradienti ionici. Mentre la presenza di potenziali di diffusione è stata da lungo tempo riconosciuta come un meccanismo efficiente atto a stabilire una differenza di potenziale transmembranale e transepiteliale, è ora chiaro che le pompe ioniche possono essere direttamente ‛elettrogeniche' nel senso che, se operano a un rapporto di pompa diverso dall'unità, esse possono portare a un'effettiva separazione di cariche e pertanto a una diretta polarizzazione della membrana (v. Boulpaep, 1979; v. Lewis e Wills, 1979; v. Rose e Nahrvold, 1980; v. Zeuthen e Wright, 1978). Pertanto, è importante che l'attività di una pompa ionica possa polarizzare direttamente la membrana cellulare oltre a polarizzare le membrane cellulari generando gradienti di concentrazione transmembrana attraverso barriere selettivamente permeabili.
Chiaramente, per stabilire con accuratezza le proprietà di trasporto descritte, localizzate nelle singole membrane cellulari, che sono proprie delle cellule epiteliali che assorbono e secernono, è necessario misurare con precisione: 1) la direzione del trasporto netto degli ioni; 2) la differenza di potenziale elettrochimico e la conduttanza di ciascuno ione attraverso le membrane che separano i vari compartimenti liquidi; 3) i singoli flussi ionici unidirezionali. Solo la conoscenza di questi parametri permette di stabilire se uno ione si muove attivamente (cioè contro una differenza di potenziale elettrochimico), o se esso si muove seguendo il gradiente di potenziale elettrochimico. In quest'ultimo caso si può presumere che l'energia cellulare non sia direttamente associata al movimento ionico, ma che tale movimento sia iniziato e guidato da gradienti elettrici o di concentrazione chimica, generati da altri processi cellulari che richiedono energia.
Si deve tener presente che la precisa determinazione delle forze di spinta che agiscono su singole specie ioniche richiede la conoscenza dell'attività e non dei gradienti di concentrazione attraverso le barriere cellulari limitanti. Da quando si sono resi disponibili un certo numero di microelettrodi specificamente sensibili ai vari ioni è divenuto possibile misurare l'attività ionica cellulare degli ioni potassio, sodio, cloro e idrogeno (v. Boulpaep e Giebisch, 1978; v. Civan e altri, 1980; v. Frizzell e Duffey, 1980; v. Giebisch e altri, 1981; v. Reuss, 1979; v. Spring e Kimura, 1978 e 1979; v. Edelman e altri, 1978; v. Fujimoto e altri, 1980; v. Kubota e altri, 1980; v. Oberleithner e Giebisch, 1981). Queste misurazioni hanno in generale dimostrato che le attività ioniche cellulari sono minori delle concentrazioni misurate chimicamente. Attualmente si sa poco sul significato funzionale di quelle frazioni di ioni che non sono rilevate da elettrodi specifici, sebbene sia chiaro che il coefficiente di attività di molti ioni, particolarmente sodio e potassio, nel citoplasma è minore che nel liquido extracellulare.
3. Trasporto di sodio.
Molti epiteli possiedono meccanismi fondamentali comuni per il trasporto attivo di sodio e di potassio attraverso le loro membrane cellulari. Queste comuni caratteristiche suggeriscono che le proprietà fondamentali di trasporto della pompa del sodio siano simili in un'ampia varietà di tessuti.
1. La presenza di ioni potassio nel mezzo extracellulare, particolarmente nella soluzione interna (dalla parte del sangue), è necessaria affinché il trasporto di sodio si mantenga al suo massimo (v. Ussing, 1960; v. Keynes, 1969; v. Ussing e Leaf, 1978). Tuttavia, l'osservazione, che descriveremo in seguito dettagliatamente, che il trasporto di sodio continua in alcune strutture epiteliali in assenza o dopo riduzione significativa del potassio esterno, fa ritenere che una certa frazione dell'espulsione di sodio dalla cellula verso il liquido extracellulare possa procedere senza scambio col potassio (v. Whittembury, 1968; v. Whittembury e Proverbio, 1970). L'espulsione di ioni sodio può essere accoppiata a un eguale ingresso di ioni potassio e rappresentare pertanto un processo di scambio elettricamente neutro, oppure, alternativamente, può trattarsi di un processo elettrogenico, se il rapporto di scambio fra sodio e potassio differisce dall'unità. In quest'ultimo caso si può avere un trasporto passivo di ioni cloro (o di altri anioni) dovuto ad accoppiamento elettrico. Così, una caratteristica importante del movimento transepiteliale di sodio è il suo carattere direttamente elettrogenico, in quanto la parte verso la quale il sodio è trasferito diventa elettricamente positiva. Pertanto il trasporto di sodio genera una forza motrice responsabile del movimento di anioni nella stessa direzione. Questo meccanismo svolge un ruolo chiave nel trasporto di sali nella pelle di anfibio, nella vescica urinaria, nella mucosa intestinale, nel tubulo renale, nelle ghiandole del sale, nelle ghiandole salivari e nell'epitelio del rumine. Tuttavia, è necessario ricordare che la natura elettrogenica delle pompe ioniche, ora discussa, non è l'unico meccanismo con il quale gli epiteli possono diventare elettricamente polarizzati. Gradienti ionici, in presenza di ineguali conduttanze ioniche attraverso una delle due membrane cellulari delle cellule epiteliali, possono generare notevoli potenziali di diffusione. È chiaro che se essi sono di ineguale grandezza attraverso le due membrane cellulari delle cellule epiteliali, portano anche allo stabilirsi di una differenza di potenziale elettrico transepiteliale.
Per riassumere, si può dire che l'accoppiamento tra la fuoriuscita di sodio e l'entrata di potassio può variare ampiamente da un rapporto di scambio elettricamente neutro di 1 : 1 a rapporti molto superiori a 1 (v. Rang e Ritchie, 1968; v. Kernan, 1970; v. Bricker e altri, 1963; v. Cereijido e Rotunno, 1970; v. Boulpaep, 1979; v. Lewis e Wills, 1979). Se si ammette che il sistema sodio-potassio generi direttamente una separazione di cariche, l'entità della differenza di potenziale elettrico generata in questo modo dipende da: a) la forza elettromotrice della pompa del sodio; b) la presenza di altre specie di ioni capaci di diffondere liberamente. Così, l'effetto elettrogenico dovuto al trasporto di sodio attraverso una membrana epiteliale, in cui l'espulsione di sodio attraverso una delle membrane cellulari non è elettricamente neutra, e il suo effetto sul movimento di altri ioni dipendono in maniera critica dalla permeabilità del cloro e del potassio. Un'alta permeabilità per questi tipi di ioni ha come effetto di ridurre la differenza di potenziale generata dal trasporto elettrogenico del sodio. Un notevole movimento passivo di cloro nella direzione del trasferimento del sodio, oppure un movimento passivo di potassio non mediato da un trasportatore, in direzione opposta a quello del sodio, riduce la differenza di potenziale elettrico generata dal trasporto elettrogenico del sodio.
2. Le pompe di scambio sodio-potassio sono specificamente inibite dai glicosidi cardiaci, i quali sono attivi nelle stesse regioni degli ioni potassio, cioè nella zona verso la quale è trasportato il sodio (v. Ussing, 1960; v. Keynes, 1969; v. Glynn, 1964; v. Cereijido e Rotunno, 1970; v. Ussing e Leaf, 1978). Il fatto che in alcuni epiteli il trasporto di sodio possa continuare, anche se a velocità ridotta, in presenza di glicosidi cardiaci, indica la presenza di un ulteriore meccanismo di espulsione del sodio insensibile alla uabaina (v. Whittembury, 1968; v. Whittembury e altri, 1978; v. Kleinzeller e Knotkova, 1964; v. MacKnight, 1968; v. Willis, 1969). Un altro inibitore ad alta specificità è il vanadato (v. Grantham e Glynn, 1979; v. Grantham, 1980).
3. L'energia necessaria per il funzionamento della pompa di scambio sodio-potassio è fornita dall'ATP, e alcune proprietà della pompa del sodio sono state messe in stretta correlazione con l'ATP-asi attivata da sodio-potassio (v. Ussing, 1960; v. Keynes, 1969; v. Cereijido e Rotunno, 1970; v. Skou, 1957 e 1965; v. Jørgensen, 1980).
4. Esperimenti nei quali la velocità del trasporto netto di sodio è stata paragonata alla velocità del consumo di ossigeno hanno dimostrato che, in diversi tessuti epiteliali, esiste una relazione stechiometrica fra il trasporto di sodio e la velocità metabolica (v. Leaf e Renshaw, 1957; v. Zerahn, 1956; v. Kinne, 1979). Studi precedenti sulla pelle e sulla vescica di Anfibi hanno indicato che il rapporto sodio/ossigeno era lo stesso, indipendentemente dal gradiente di potenziale elettrochimico contro il quale gli ioni sodio venivano pompati. Tuttavia è verosimile che il rapporto possa diminuire con l'aumento dell'entità della barriera di energia (v. il contributo di Vieira e altri, 1972). Se l'ulteriore consumo di ossigeno osservato in presenza di sodio viene considerato come una misura di quella parte del metabolismo che ha a che fare col trasporto attivo, si può concludere che circa 20 atomi di sodio sono pompati per ciascuna molecola di ossigeno. Nel rene una frazione molto grande dell'ossigeno totale utilizzato è in relazione col processo di riassorbimento tubulare del sodio (v. Lassen e altri, 1961; v. Deetjen e Kramer, 1960; v. Kinne, 1979).
5. In alcuni epiteli capaci di assorbire sali da soluzioni molto diluite (le branchie dei pesci e dei crostacei di acqua dolce, la papilla anale delle larve di insetti, la superficie esterna della pelle di rana) è verosimile che esistano pompe che scambiano simultaneamente il sodio con l'ammonio e l'idrogeno, e il cloro con il bicarbonato e gli idrossilioni (v. Keynes, 1969; v. Lahlou, 1980). La pompa trasporta cloruro di sodio dall'esterno all'interno della cellula. La natura precisa dell'accoppiamento sodio-cloro in questo sistema di trasporto, nonché le proprietà elettrogeniche di questo sistema di scambio, sono al momento poco note. Inoltre, sembra che non vi sia un inibitore specifico per questo tipo di trasporto ionico.
6. L'assenza di una significativa differenza di potenziale transepiteliale attraverso l'epitelio della colecisti, quando questo è esposto su ambedue i lati a identiche soluzioni di cloruro di sodio, ha indotto a supporre che in questo tessuto il trasporto del sodio sia così strettamente accoppiato a quello del cloro che bisogna presumere l'esistenza di un trasporto di cloruro di sodio elettricamente neutro, mediato da un trasportatore (v. Diamond, The mechanism of solute..., 1962 e 1969; v. Frizzell e Duffey, 1980; v. Reuss, 1979; v. Spring e Kimura, 1978). Questo tipo di trasporto di sale è fondamentalmente diverso da quello di altri epiteli, come tubulo renale, mucosa intestinale, pelle di rana, vescica di rospo, ghiandole salivari e sudoripare, nei quali una delle forze che agiscono sugli ioni cloro è la differenza di potenziale elettrico transepiteliale generata dal trasporto attivo degli ioni sodio.
È stato ipotizzato frequentemente che gli ioni sodio partecipino con altri tipi di cationi ai processi di scambio accoppiati, mediati da un trasportatore ed elettricamente nulli. Oltre alla pompa di scambio sodio-potassio, che è praticamente ubiquitaria e che porta all'espulsione di sodio e alla captazione di potassio attraverso la membrana cellulare degli epiteli che guarda verso l'interno, si pensa che esistano altri tipi di pompe a scambio cationico piuttosto specifiche che coinvolgono il trasferimento di sodio.
Si pensa che a livello dell'epitelio del tubulo prossimale del rene, gli ioni sodio e idrogeno siano scambiati attraverso la membrana cellulare del lume (v. Pitts, 1968). È stato anche ipotizzato che l'accumulo di ioni potassio nel tubulo renale distale sia mediato dalla secrezione attiva di potassio attraverso la membrana cellulare del lume che coinvolge lo scambio mediato da un trasportatore in accoppiamento con il sodio che funge da contro-ione a livello tubulare. Si è pensato che anche gli ioni idrogeno della cellula siano capaci di competere col potassio nello scambio col sodio mediato da un trasportatore nell'epitelio del tubulo distale (v. Berliner, 1961). L'ipotesi che nei tubuli renali vi siano pompe che funzionano con questo tipo di scambio era basata sull'osservazione secondo la quale sia la riduzione dell'escrezione del sodio renale, sia l'acidificazione dell'urina riducono l'escrezione urinaria del potassio. Si è pensato che un basso contenuto di sodio nell'urina rifletta una bassa concentrazione di sodio nella zona del tubulo distale che secerne potassio. Similmente, si è pensato che una bassa velocità di escrezione degli idrogenioni durante l'alcalinizzazione dell'urina sia accompagnata da una diminuita secrezione di tali ioni nel tubulo distale, permettendo in questo modo che una parte proporzionalmente più grande del trasportatore luminale sia disponibile per la secrezione degli idrogenioni (v. Berliner, 1961).
Alcuni aspetti di questi modelli di interazione ionica sono stati sottoposti recentemente a sperimentazione diretta. Questo è stato possibile mediante l'analisi dei processi di trasporto a livello del singolo nefrone (v. Giebisch, 1979). Il problema se si tratti di processi di trasporto ionico attivo a stretto accoppiamento, mediato da un trasportatore, o se l'interazione cationica osservata sia di natura più aspecifica, non è facile da risolvere. Nel caso del tubulo distale di Mammifero, per esempio, lo scambio cationico apparente, cioè l'assorbimento tubulare di sodio e la secrezione di potassio, può essere la conseguenza sia di uno scambio cationico forzato dovuto a una pompa ionica, sia di un riassorbimento cationico attivo primario che coinvolge il sodio, una bassa permeabilità agli anioni della membrana cellulare che guarda verso il lume e il movimento passivo di un altro tipo di catione in direzione opposta, cioè in quella della secrezione. In quest'ultimo caso, il legame tra il riassorbimento cationico e la secrezione di un altro catione (ioni potassio o idrogeno) non sarebbe attuato da uno specifico meccanismo mediato da un trasportatore, ma da una differenza di potenziale elettrico che risulta dalle diverse velocità del movimento di riassorbimento cationico e anionico.
Si può riassumere la situazione, quale si presenta attualmente, dicendo che in quegli epiteli nei quali si ha un assorbimento di sodio e una secrezione di potassio o idrogeno, manca una prova in favore di un ruolo importante delle pompe di scambio cationico a livello delle pareti esterne. È più verosimile che l'apparente accoppiamento nel trasporto di diversi ioni sia dovuto a un accoppiamento elettrico, a un co-trasporto e a fenomeni di trasporto attivo secondario.
Nel tubulo renale, dove il problema è stato studiato in dettaglio, sembra che la ‛secrezione' di potassio attraverso la membrana cellulare del lume non sia direttamente legata al riassorbimento di sodio, nè competa con la secrezione di ioni idrogeno (v. Giebisch, 1969 e 1979; v. Malnic e Giebisch, 1979; v. Giebisch e Malnic, 1970). Sembra piuttosto che l'effetto inibitorio esercitato sulla secrezione di potassio da una bassa concentrazione di sodio nel lume del tubulo distale e nel tubulo collettore corticale sia dovuto alla grandezza della differenza di potenziale elettrico transepiteliale. Una riduzione di negatività intratubulare e di accumulo passivo di potassio nel lume è dovuta a un abbassamento della concentrazione del sodio tubulare. Questa serie di eventi spiega in maniera soddisfacente il fatto che si ha diminuzione della secrezione di potassio quando cade la escrezione urinaria del sodio (v. Giebisch, 1971 e 1979).
Studi su singoli tubuli distali di Mammifero hanno inoltre portato a spiegare la relazione tra pH urinario ed escrezione urinaria di potassio ammettendo che i cambiamenti di pH intracellulare regolino la velocità di captazione del potassio peritubulare dentro la cellula, anziché postulando che gli ioni potassio e idrogeno competano a livello della membrana cellulare del lume per un meccanismo di trasporto comune (v. Giebisch e Malnic, 1970). Mediante l'uso di 42K come tracciante nel tubulo distale di Mammifero si è potuto dimostrare che l'alcalinizzazione stimola la captazione peritubulare di ioni potassio (v. de Mello Aires e altri, 1973). Molto probabilmente l'acidificazione riduce l'attività di questo meccanismo di trasporto attivo del potassio (v. Giebisch e altri, 1981). Sembra che modificazioni della captazione peritubulare di potassio siano coinvolte in maniera critica nella mediazione di cambiamenti pH-dipendenti nella secrezione tubulare di potassio, mediante la regolazione dell'attività del medesimo ione nelle cellule del tubulo distale e cosi mediante cambiamenti nella forza di spinta elettrochimica che agisce sugli ioni potassio, nel momento in cui questi si muovono attraverso la parete luminale della cellula ed entrano nel lume del tubulo distale. Nei tubuli collettori isolati di coniglio alcune prove hanno suggerito la presenza di una secrezione attiva di potassio in scambio con il sodio del lume (v. Grantham e altri, 1970). Tuttavia, studi più recenti hanno dimostrato che la membrana cellulare luminale dei tubuli collettori corticali di Mammifero possiede un'altissima permeabilità al potassio. Attualmente, considerazioni teoriche fanno ritenere meno verosimile che il trasporto attivo di potassio sia presente nella membrana luminale del tubulo collettore corticale (v. O'Neil e Boulpaep, 1979).
Mentre vi sono poche prove a favore dell'ipotesi che vi sia uno scambio di ioni sodio con ioni idrogeno o potassio lungo il tubulo distale, è oggi chiaro che lungo il tubulo prossimale esiste una componente importante di scambio ionico sodio-idrogeno (v. Murer e altri, 1976; v. Kinsella e Aronson, 1980; v. Ullrich, 1979; v. Chan e Giebisch, 1981; v. Sacktor, 1977). Quando si misura il trasporto di ioni sodio e idrogeno sia nei singoli tubuli perfusi (v. Ullrich, 1979; v. Chan e Giebisch, 1981) sia nelle vescicole della membrana dell'orletto a spazzola isolate dalla corteccia renale del coniglio (v. Murer e altri, 1976; v. Kinsella e Aronson, 1980; v. Sacktor, 1977), si può dimostrare che la secrezione di ioni idrogeno nel liquido tubulare dipende in larga misura dalla concentrazione di sodio nel lume e dal gradiente di concentrazione del sodio diretto dal lume verso la cellula attraverso la membrana luminale. Vi sono prove che oltre a uno scambiatore strettamente accoppiato sodio-idrogeno, il quale svolge un importante compito nell'acidificazione a livello del tubulo prossimale, nelle cellule tubulari prossimali vi è anche una pompa per lo ione idrogeno indipendente dal sodio, ma dipendente dall'ATP-asi (v. Murer e altri, 1980; v. Chan e Giebisch, 1981). Pertanto, nel tubulo renale esistono due meccanismi separati per la secrezione dello ione idrogeno. È evidente che il chiarimento del problema dell'accoppiamento tra flussi ionici individuali è complesso e il significato fisiologico di questi meccanismi diversi di trasporto attualmente non è accertato.
Oltre al trasporto in senso contrario del sodio e dell'idrogeno e al co-trasporto di sodio con il cloro ricordato in precedenza, vi sono oggi molti dati sperimentali in favore della presenza di un co-trasporto dipendente dal sodio con sostanze organiche (zuccheri, amminoacidi, acidi organici) e con fosfato e solfato nell'epitelio tubulare prossimale (v. Ullrich, 1979; v. Kinne, 1976 e 1979; v. Sacktor, 1977; v. Silverman e Turner, 1980). Prove in favore di questi meccanismi di trasporto si basano sulla sensibilità al sodio dei singoli meccanismi di trasporto per riassorbimento e sugli studi sulle vescicole dell'orletto a spazzola, i quali hanno dimostrato la chiara dipendenza del movimento del rispettivo soluto dal gradiente del sodio attraverso la membrana. Infine, alcuni dei processi di co-trasporto sono direttamente elettrogenici e la loro attivazione comporta una forte dpeolarizzazione elettrica delle cellule del tubulo prossimale (v. Ullrich, 1979; v. Frömter, 1979).
Discuteremo ora diversi esempi con lo scopo di chiarire alcuni dei principi che riguardano il trasporto di ioni sodio attraverso gli epiteli.
a) Il modello cellulare della pelle di rana.
In un preparato sperimentale nel quale la pelle di rana è immersa in una soluzione di Ringer, in modo che essa sia a contatto da ambedue i lati con questa soluzione, gli ioni sodio sono trasportati attivamente verso l'interno e così si genera una differenza di potenziale elettrico (positiva all'interno). La differenza di potenziale transepiteliale, nella maggior parte dei casi, è di entità sufficiente a spingere gli ioni cloro verso l'interno in maniera passiva, con una velocità uguale a quella degli ioni sodio (v. Ussing 1949, 1960, 1965 e 1967; v. Ussing e Johansen, 1969; v. Ussing e Leaf, 1978).
La fig. 6 presenta un riassunto schematico di un modello cellulare che contiene alcune proprietà di trasporto e di permeabilità e che illustra la teoria di Koefoed-Johnsen e Ussing sul meccanismo che è alla base del movimento netto di sodio. Molte cellule epiteliali di altri tessuti che effettuano un trasporto netto di sodio possiedono simili elementi funzionali come parte della loro struttura cellulare; questo modello cellulare ‛a due membrane' di trasporto ionico negli epiteli è oggi ampiamente accettato.
Per valori di concentrazione notevolmente diversi la superficie esterna della pelle di rana mostra la proprietà di un elettrodo al sodio, e l'interno della membrana quella di un elettrodo abbastanza selettivo al potassio. Da ciò si è dedotto che le cellule dello strato germinativo della pelle possiedono un'alta permeabilità passiva agli ioni sodio nella membrana che guarda verso l'esterno, e che la membrana interna è selettivamente permeabile agli ioni potassio. Come abbiamo ricordato in precedenza, la permeabilità al sodio della membrana esterna può essere inibita dall'amiloride, mentre il bario deprime fortemente la permeabilità al potassio della barriera cellulare che guarda verso l'interno (v. Erlij e Ussing, 1978).
Le cellule della pelle di rana compiono un trasporto netto di sodio verso l'interno. Una pompa di scambio sodio-potassio situata nella membrana cellulare che guarda verso l'interno ha le seguenti conseguenze: 1) essa mantiene bassa la concentrazione cellulare di sodio, e pertanto stabilisce un alto gradiente di concentrazione per il sodio attraverso la barriera esterna; questa differenza di concentrazione tra la soluzione esterna e l'interno della cellula è responsabile di un flusso netto di ioni sodio dall'esterno all'interno della cellula; 2) essa è responsabile dell'espulsione netta di ioni sodio dall'interno della cellula verso la soluzione esterna, contro un notevole gradiente elettrochimico; 3) permette l'accumulo di ioni potassio nella cellula. Di regola questi ioni accumulati nella cellula possono diffondere indietro verso l'interno, perché solamente la membrana cellulare che guarda verso l'interno ha la caratteristica di possedere un'alta permeabilità per il potassio; 4) siccome il rapporto di scambio sodio-potassio è 3 : 2 (v. Nielsen, 1979) e quindi maggiore di 1, la pompa è elettrogenica.
Pertanto, il processo di trasporto del sodio attraverso la pelle dipende da due processi completamente diversi: 1) uno stadio di diffusione passiva attraverso la barriera esterna; 2) uno stadio di trasporto attivo, guidato da una pompa, attraverso la barriera interna della cellula. Quindi i meccanismi di trasporto ionico utilizzati dalla cellula al fine di mantenere il suo equilibrio ionico sono uguali a quelli usati per trasportare gli ioni sodio attraverso l'epitelio. Esperimenti sul modello di pelle di rana hanno portato a rivedere e perfezionare il modello originale appena discusso. Una notevole modificazione riguardante il modello transcellulare del trasporto del sodio è mostrata nella fig. 7 (v. Ussing e Windhager, 1964). In questo modello anatomicamente più realistico il trasporto ha luogo attraverso diversi strati cellulari e - fatto rilevante - anche attraverso gli spazi intercellulari. Questi sono chiusi ermeticamente da giunzioni a stretto contatto tra le cellule più esterne dello strato corneo, ma sono aperti verso l'interno. Va notato che nella pelle l'attività ATP-asica è confinata alle membrane cellulari che delimitano gli spazi intercellulari (v. Farquhar e Palade, 1964). In questo nuovo modello la barriera ‛esterna' si identifica con la parete anatomica esterna, mentre la barriera ‛interna' si identifica con le pareti cellulari che guardano gli interspazi. L'entità della via di cortocircuito intercellulare è molto variabile. L'aggiunta di alcune piccole molecole, come per es. l'urea, produce un rapido aumento della conduttanza intercellulare della pelle (v. Ussing e Windhager, 1964; v. Erlij e Ussing, 1978). Inoltre, si deve considerare che l'ultimo stadio del trasporto di sodio dall'esterno verso la soluzione interna è dovuto al flusso di volume del liquido intercellulare, lungo una piccola differenza di pressione idrostatica tra il fondo cieco della via intercellulare e il suo fondo aperto verso l'interno. Questa differenza di pressione è generata dall'accumulo di sodio e di liquido negli spazi intercellulari, dovuto al fatto che le pareti dei canali intercellulari hanno probabilmente una limitata distensibilità.
Le altre modifiche apportate al modello originale del trasporto di sodio nella pelle di rana vengono qui elencate.
1. Il fatto che in alcune specie non solo gli ioni sodio, ma anche quelli cloro sono trasportati attivamente attraverso gli strati epiteliali della cellula (v. Zadunaisky e De Fisch, 1964; v. Erlij e Ussing, 1978).
2. L'osservazione che il cloruro di sodio può essere ancora trasportato dall'esterno all'interno da soluzioni diluite fino a 1 mM (v. Krogh, 1937; v. Biber e altri, 1966) ha fatto dubitare della validità di alcuni aspetti del modello cellulare, poiché è molto improbabile che la concentrazione intracellulare di sodio nelle cellule epiteliali possa essere abbastanza bassa da permettere agli ioni sodio di entrare nella cellula passivamente dal mezzo esterno. Inoltre, è dubbio che, in queste condizioni, la differenza di potenziale elettrico transepiteliale sia abbastanza grande da spiegare un assorbimento passivo di cloro verso soluzioni di alcune centinaia di volte più concentrate. È possibile che un tipo diverso di pompa a scambio, a proposito della quale si è già discusso brevemente, scambi attraverso la membrana cellulare esterna il sodio con lo ione ammonio, e gli ioni cloro con quelli bicarbonato (v. Garcia Romeu e Salibian, 1968).
3. Si può dimostrare che solamente una piccola frazione del sodio cellulare totale è coinvolta nel trasporto di sodio attraverso l'epitelio (v. Cereijido e Rotunno, 1970; v. Rotunno e altri, 1970).
4. Studi recenti sul meccanismo di captazione del sodio attraverso la membrana esterna dell'epitelio della pelle di rana hanno fornito valide prove che l'ingresso di sodio avviene tramite canali o pori. Lindemann e Van Driessche (v., 1978) hanno analizzato le fluttuazioni spontanee della corrente del sodio attraverso la membrana cellulare esterna e la sua sensibilità al sodio e all'amiloride. La conduttanza di singoli canali, il numero di canali, il ciclo d'attività dei canali hanno permesso un'analisi dettagliata della cinetica d'ingresso del sodio. Un'importante scoperta è stata che la densità dei canali del sodio aumentava con il diminuire dell'attività del sodio nella soluzione esterna. Questo significa che la conduttanza al sodio può essere regolata in modo tale da ridurre al minimo i cambiamenti di concentrazione cellulare del sodio.
b) Il modello cellulare del tubulo renale.
Il recupero e la conservazione della maggior parte del filtrato glomerulare dipendono dalla capacità dell'epiteliotubulare del rene di riassorbire grandi quantità di sodio e di acqua dal lume tubulare verso il liquido peritubulare. Le cellule tubulari distali e prossimali dei nefroni hanno in comune con altri epiteli, compresa la pelle di rana appena discussa, molte proprietà di trasporto. I modelli cellulari che sono stati proposti consistono di tre compartimenti: luminale, intracellulare e interstiziale (peritubulare). Esistono differenze significative a livello delle pareti luminale e peritubulare della cellula per quanto riguarda sia le proprietà di permeabilità ionica specifica, sia le sedi del trasporto attivo. Inoltre, vi sono notevoli differenze nella morfologia delle giunzioni a stretto contatto fra le cellule del tubulo lungo il nefrone (v. Erlij e Martinez-Palomo, 1978). Mentre esse sono corte e poco profonde nel tubulo prossimale, la loro lunghezza e densità aumentano lungo i segmenti distali del tubulo. È probabile che la diminuzione della permeabilità lungo l'epitelio tubulare dipenda grandemente dalle proprietà dei complessi giunzionali fra le cellule.
Una modalità semplice di trasporto di sodio nei tubuli prossimali e distali del rene dei Mammiferi è illustrata nella fig. 8 (v. Giebisch e Windhager, 1964 e 1973). Per effetto dell'espulsione attiva di sodio peritubulare la cellula del tubulo prossimale mantiene una concentrazione di sodio che è notevolmente inferiore a quella sia del liquido prossimale sia di quello peritubulare, mentre la concentrazione degli ioni sodio nel liquido tubulare distale può avvicinarsi ai valori che si assumono normalmente come rappresentativi della concentrazione intracellulare distale di sodio. L'interno della cellula è elettricamente negativo rispetto al lume e al liquido peritubulare. Il movimento di riassorbimento degli ioni sodio attraverso la membrana cellulare del lume della cellula tubulare prossimale avviene sia lungo un gradiente chimico, sia lungo un gradiente di potenziale elettrico e può, dunque, essere dovuto a diffusione passiva. Lungo il tubulo distale, dove è presente solo un piccolo gradiente di concentrazione del sodio attraverso la membrana cellulare del lume, la forza elettromotrice, attraverso tale membrana, è la forza principale che spinge gli ioni sodio passivamente dal lume entro la cellula.
Tuttavia, è oggi dimostrato che è una eccessiva semplificazione il supporre che il trasferimento avvenga in forma esclusivamente passiva attraverso la membrana cellulare del lume. La fig. 9 illustra un modello cellulare che include diverse altre forme di trasporto di sodio attraverso la membrana luminale. Oltre ai meccanismi di co-trasporto del sodio con i soluti organici, come il lattato e il glucosio, e al meccanismo di co-trasporto del sodio con il cloro, anche lo scambio sodio-idrogeno è stato dimostrato essere un meccanismo di traslocazione del sodio del lume (v. Windhager, 1979; v. Burg, 1981).
Misure elettrochimiche effettuate alla parete cellulare peritubulare indicano che il trasporto netto di sodio al di fuori della cellula, attraverso questa membrana, è attivo, dal momento che avviene contro una differenza di potenziale, sia elettrico, sia chimico, abbastanza grande. La permeabilità passiva al sodio della membrana cellulare peritubulare è piccola e impedisce efficacemente il rientro degli ioni sodio dal liquido peritubulare all'interno della cellula.
Diverse osservazioni indicano chiaramente che il meccanismo di accoppiamento dello scambio sodio-potassio partecipa nell'espellere gli ioni sodio dalla cellula al liquido peritubulare (v. Whittembury, 1965 e 1968; v. Whittembury e altri, 1978; v. Whittembury e Proverbio, 1970; v. Giebisch e Windhager, 1973; v. Whittembury e Fishman, 1969; v. Cort e Kleinzeller, 1958; v. Mudge, 1951; v. Whittam e Willis, 1963; v. Kleinzeller e Knotkova, 1964; v. MacKnight, 1968; v. Willis, 1969): 1) gli ioni sodio sono espulsi dalle cellule del tubulo renale contro notevoli gradienti di potenziale chimico ed elettrico; 2) movimenti simultanei di sodio all'esterno e di potassio all'interno delle cellule tubulari si riscontrano particolarmente quando la concentrazione di sodio viene innalzata e quella di potassio abbassata artificialmente; 3) la fuoriuscita netta di sodio dalle cellule tubulari sembra dipendere dalla concentrazione di potassio nel mezzo extracellulare; 4) è stato mostrato, d'altra parte, che la captazione di potassio dipende dalla concentrazione intracellulare di sodio; una caduta di quest'ultima è associata a una riduzione della captazione del potassio peritubulare; 5) l'uabaina inibisce l'espulsione di sodio in scambio con il potassio; 6) la proprietà dell'uabaina di bloccare il meccanismo di scambio del sodio con il potassio è in relazione ed è proporzionale all'azione inibitoria che essa esercita sull'ATP-asi renale sodio-potassio-dipendente; 7) dal momento che sia l'uabaina sia una bassa concentrazione di potassio extracellulare deprimono l'assorbimento netto di sodio nel tubulo, è chiaro che la pompa di scambio, se da una parte mantiene normale la composizione cellulare rispetto al sodio e al potassio, dall'altra svolge pure un ruolo importante nel riassorbimento netto di sodio nel tubulo.
Un altro meccanismo del tipo del trasporto inverso che implica uno scambio sodio-calcio è stato recentemente descritto nelle cellule del tubulo prossimale (v. Taylor e Windhager, 1979; v. Windhager, 1979). Esso è illustrato nella fig. 10. Anche in questo caso, è il gradiente per il sodio generato dalla pompa sodio-potassio a essere responsabile dell'espulsione attiva secondaria del calcio contro un notevole gradiente di potenziale elettrochimico. Questo meccanismo è di notevole importanza perché vi sono prove che suggeriscono che il livello di calcio nel sol citoplasmatico è coinvolto nella regolazione della permeabilità al sodio della membrana del lume.
Come nella pelle di rana, il segmento più distale del nefrone, cioè l'epitelio del dotto collettore, ha la capacità di stabilire differenze di concentrazione di cloruro di sodio superiori a 100 (v. Giebisch e Windhager, 1964; v. Windhager, 1979; v. Burg, 1981). Da un esame delle principali forze di spinta è probabile che uno speciale meccanismo attivo della membrana luminale, per il riassorbimento del cloruro di sodio, risieda nelle parti più distali del sistema tubulare degli Anfibi e dei Mammiferi: ciò spiegherebbe la dimostrata capacità di questo organo epiteliale di produrre un'urina quasi completamente priva di sodio e cloro.
c) L'epitelio intestinale.
L'assorbimento di cloruro di sodio e di acqua attraverso lo strato di cellule epiteliali della parete intestinale coinvolge due barriere in serie: il bordo a spazzola (membrana mucosa) e la membrana sierosa. Il trasporto transcellulare, che si osserva attraverso la mucosa intestinale, è anche qui in relazione con le differenze fondamentali che si riscontrano nelle proprietà di trasporto delle membrane cellulari della mucosa e della sierosa, anzi di tale differenza è la conseguenza.
La fig. 11 mostra un modello per il trasporto del sodio attraverso le cellule intestinali (v. Schultz e Curran, 1968 e 1974; v. i contributi di Schultz, 1979). Appare chiaramente che vi sono notevoli somiglianze con la pelle di rana e il tubulo renale.
La bassa concentrazione intracellulare di sodio e l'alta concentrazione intracellulare di potassio, tipiche di tutte le cellule animali, mettono in evidenza la duplice funzione dei meccanismi di trasporto intestinali, cioè: 1) il trasferimento ionico per mantenere a livelli normali le concentrazioni ioniche intracellulari; 2) il trasporto netto di sodio transepiteliale. Come nelle cellule renali del tubulo, l'interno delle cellule che limitano il piccolo intestino è elettricamente negativo rispetto all'ambiente extracellulare. Un paragone fra l'attività cellulare del potassio e l'entità del potenziale elettrico mostra che l'entità di detto potenziale attraverso le due membrane cellulari è troppo piccola per spiegare l'alta concentrazione di potassio intracellulare per elettrodiffusione. Pertanto, l'accumulo di potassio cellulare nelle cellule intestinali deve essere il risultato di un meccanismo di trasporto attivo.
Sono stati descritti alcuni esempi di secrezione netta di potassio attraverso la parte inferiore del tratto intestinale, il colon (v. Edmonds, 1969; v. Powell, 1979).
La secrezione di potassio può essere aumentata in diverse condizioni: 1) con la somministrazione di aldosterone o con la liberazione di aldosterone ottenuta tramite deplezione di sodio o carico di potassio; 2) con la somministrazione di glicocorticoidi, la quale fa aumentare l'ATP-asi sodio-potassio-dipendente delle cellule del colon; 3) nell'insufficienza renale; 4) in un certo numero di condizioni che fanno aumentare la permeabilità al potassio del versante cellulare che guarda verso il lume, come il pH del lume, l'azione dell'anfotericina B e probabilmente gli effetti delle malattie infiammatorie intestinali (v. Powell, 1979).
La fig. 12 fornisce un modello cellulare di una ipotetica cellula del colon e include, oltre allo scambio attivo sodiopotassio, ulteriori meccanismi di trasporto, in particolare a scambio anionico, che coinvolgono lo ione cloro e quello bicarbonato. Questo meccanismo è sensibile alla stimolazione con AMP ciclico ed è verosimilmente responsabile della secrezione di potassio nel liquido del colon (v. Powell, 1979).
d) La ghiandola sottomascellare del ratto.
La ghiandola sottomascellare del ratto è stata recentemente studiata in dettaglio, mediante una combinazione di tecniche basate sulla micropuntura, sulla microperfusione e sull'uso di microelettrodi, tecniche applicate a ben determinate parti della ghiandola sottomascellare (v. Young e altri, 1967; v. Young e Schögel, 1966; v. Young e van Lennep, 1979).
Sebbene la saliva sia normalmente ipotonica rispetto al plasma, la sua tonicità e il suo contenuto elettrolitico possono essere soggetti ad ampie variazioni in concomitanza con le variazioni della velocità di secrezione. Prove dirette sono dal fortemente in favore dell'ipotesi che queste alterazioni nella composizione della saliva siano una funzione diretta del tempo di contatto del liquido con segmenti specializzati del sistema dei dotti.
Young e i suoi collaboratori (v. Young e altri, 1967; v. Young e Schögel, 1966; v. Young e van Lennep, 1979) per spiegare il meccanismo di secrezione della ghiandola sottomascellare del ratto hanno suggerito le seguenti sequenze di eventi. La fig. 13 riassume i principali cambiamenti nella composizione del liquido quando questo attraversa le diverse parti del sistema dei dotti. Come primo passo, mediante secrezione attiva di elettroliti, viene prodotta nella regione dei dotti intercalari e degli acini della ghiandola una secrezione primaria, isotonica col plasma e avente concentrazioni di sodio e potassio abbastanza simili a quelle del plasma. Il meccanismo preciso che sta alla base della formazione di questo liquido primario è sconosciuto, ma si pensa che vi sia implicato un trasporto attivo sia di cloro sia di sodio attraverso la membrana basale delle cellule dell'acino. Quando si stimola la ghiandola attraverso dei neurotrasmettitori si ha un aumento della secrezione del liquido primario, ma non si osservano cambiamenti né nell'osmolalità, né nella concentrazione elettrolitica del liquido nei dotti intercalari o negli acini.
Dallo studio della funzione della ghiandola sottomascellare è apparso chiaro che la regione del dotto intercalare e dell'acino è l'unica sede nella quale avviene una secrezione netta di liquido. Sia il volume sia la composizione del liquido sono significativamente modificati non appena questo si dirige verso il dotto principale. Così, quando questo liquido passa dalla sua sede di origine a quella dei dotti sublobari, esso diventa ipotonico, con una bassa concentrazione di sodio. Questo cambiamento è dovuto al riassorbimento attivo di sodio attraverso una struttura epiteliale con permeabilità all'acqua relativamente bassa. L'intervallo di tempo necessario per raggiungere una bassa concentrazione di sodio in questa sede è breve rispetto alle variazioni della velocità di flusso della secrezione e pertanto solo quando il flusso salivare raggiunge i suoi limiti massimi il tempo di esposizione diventa critico e ha come conseguenza un aumento della concentrazione di sodio alla fine dei dotti sublobulari.
I dotti sublobulari sono anche in grado di secernere ioni potassio fino a un livello costante di circa 135 mEq/1. Il tempo di contatto necessario perché si raggiungano concentrazioni di questa entità è maggiore di quello riscontrato nel sodio. Pertanto la concentrazione di potassio è sempre minore, tranne in casi di velocità di secrezione molto basse, di quella riscontrabile in condizioni di equilibrio.
Un ristabilimento dell'equilibrio del liquido salivare con quello del plasma avviene nel punto terminale dell'albero dei dotti lobulari. Tuttavia, essendo il tempo di contatto necessario per raggiungere un completo ristabilimento di equilibrio abbastanza lungo, lo si ottiene solo alle più basse velocità di flusso. L'ultimo stadio nell'elaborazione della saliva include un ulteriore riassorbimento del sodio ipotonico e una secrezione di potassio lungo il sistema dei dotti principali. Esso ha come risultato che a basse velocità di flusso si ristabiliscono concentrazioni basse di sodio e alte di potassio. Al contrario, a velocità di flusso alte, il dotto principale contribuisce poco a cambiare la composizione del liquido.
Una valutazione delle rispettive forze motrici attive sugli ioni sodio e potassio dimostra che una modalità di trasporto attivo partecipa nei movimenti sia del sodio sia del potassio.
Il lume di tutti i segmenti del sistema dei dotti salivari è elettricamente negativo rispetto all'esterno, ma l'entità della differenza di potenziale elettrico misurato non spiega l'alta concentrazione intratubulare di potassio che si osserva comunemente. Pertanto, gli ioni potassio devono essere stati secreti attivamente attraverso l'epitelio dei dotti sublobulari e principali. Tuttavia, si può anche dimostrare che in questo processo è implicato un meccanismo di movimento passivo del potassio verso il lume del dotto, dal momento che una riduzione della differenza di potenziale transepiteliale diminuisce il trasporto di potassio verso l'interno. La fig. 14 esprime quanto sappiamo attualmente sulla natura dell'accoppiamento fra trasporto transepiteliale di sodio e trasporto di potassio nel tessuto ghiandolare sottomascellare (v. Knauf, 1973; v. Young e van Lennep, 1979).
Altre strutture epiteliali oltre quelle citate possono trasportare attivamente ioni sodio. Si rimanda il lettore alla rassegna di Keynes (v., 1969) e a una serie di libri che trattano il trasporto attraverso membrana in biologia (v. Giebisch, 1979) per una rassegna autorevole dei vari aspetti del trasporto di sale e di acqua in diversi epiteli. Trasporto attivo di sodio si osserva attraverso l'epitelio della vescica urinana (v. Lewis e Wills, 1979), delle branchie (v. Maetz, 1968), della papilla anale (v. Maddrell, 1978), del retto-degli Insetti (v. Maddrell, 1978), della colecisti (v. Reuss, 1979), della mucosa gastrica (v. Machen e Forte, 1979), delle ghiandole sudoripare e delle ghiandole del sale nasali (v. i contributi di Thaysen, 1978), del rumine (v. Chien, 1972; v. Stevens, 1964), e attraverso le cellule del fegato (v. Claret, 1979).
4. Accoppiamento fra trasporto di sodio e di acqua.
La natura dell'accoppiamento del trasporto di sodio e di acqua attraverso l'epitelio intestinale (v. Schultz e Curran, 1968), la colecisti (v. Diamond, The mechanism of water..., 1962, Transport of... e The mechanism..., 1964, 1968 e 1971) e il tubulo renale (v. Giebisch, 1971; v. Giebisch e altri, 1964; v. Windhager e altri, 1969; v. Whittembury e altri, 1959; v. Sackin e Boulpaep, 1975) è stata studiata ampiamente. I principi che sono stati sviluppati studiando questi tessuti sono d'interesse generale. Si è d'accordo nel ritenere che il movimento attivo transepiteliale di sodio provochi movimento di acqua per osmosi e che la velocità di movimento del fluido dipenda criticamente dalla velocità di movimento transepiteliale del sodio. L'efficienza di tale accoppiamento soluto-solvente è funzione della permeabilità all'acqua dello strato cellulare epiteliale. Sulla base del movimento d'acqua indotto osmoticamente attraverso vari epiteli come quello intestinale e quello renale, è stata calcolata l'entità della differenza di pressione osmotica che sarebbe richiesta per la velocità di movimento del liquido che si è di fatto osservata. Tuttavia, le prove sperimentali a nostra disposizione non ci permettono di dimostrare la zona di ipertonicità che si dovrebbe trovare nella immediata vicinanza di questi epiteli: per esempio, un notevole riassorbimento di liquido avviene attraverso l'epitelio tubulare prossimale o attraverso quello intestinale in completa assenza di una differenza di pressione osmotica tra il lume tubulare e il sangue capillare peritubulare.
La fig. 15 illustra un esperimento che dimostra sia la presenza di un trasporto attivo di ioni sodio attraverso uno strato di cellule epiteliali, sia la natura dell'accoppiamento fra il trasporto di sodio e di acqua (v. Giebisch e altri, 1964; v. Windhager e altri, 1959; v. Windhager, 1979; v. Giebisch, 1979). L'esempio è preso da esperimenti eseguiti sull'epitelio del tubulo prossimale del rene di Mammifero, ma risultati simili sono stati ottenuti in studi sul movimento di sale e di liquido nell'intestino (v. Curran e Solomon, 1957; v. Schultz e Curran, 1968). L'esperimento illustra il trasferimento netto di liquido nel senso del riassorbimento e la sua relazione con la concentrazione intratubulare di sodio. Si è avuto cura di evitare differenze nella osmolalità tra liquido tubulare ed extratubulare mediante l'aggiunta di una sostanza non elettrolitica scarsamente permeabile come il raffinosio o il mannitolo nel liquido tubulare. È chiaro che il trasferimento netto di liquido nel senso del riassorbimento cessa quando la soluzione intratubulare ha raggiunto circa 95 mEq/1 di sodio (il liquido peritubulare contiene sodio in concentrazione di 145 mEq/1). Pertanto se la differenza di concentrazione transepiteliale supera il valore di circa 50 mEq/1, la direzione del movimento di acqua è invertita e l'acqua entra nel tubulo. È importante il fatto che il trasferimento di liquido avviene normalmente in maniera isosmotica e che l'acqua segue in proporzione alla quantità di sodio riassorbito.
L'esperimento descritto fornisce una chiara prova di trasporto attivo operato dal sodio (che cessa una volta che si è stabilita una differenza critica di concentrazione) e di uno stretto accoppiamento tra il movimento di sodio e di acqua. L'osmolalità del liquido riassorbito è frequentemente uguale a quella del plasma sanguigno, ma essa può anche essere ipertonica. In questo caso si ha la formazione di un liquido ipotonico. Il formarsi di un liquido isosmotico o ipotonico dipende dalla relazione tra le velocità relative del trasporto di sodio e d'acqua. La permeabilità all'acqua delle strutture epiteliali può variare molto. Esempi significativi di secrezioni ipotoniche sono il liquido dei tubuli distali e dei dotti collettori, il sudore e la saliva.
Come è stato messo in evidenza precedentemente, non sono state osservate nella pressione osmotica dei liquidi che circondano gli epiteli differenze così significative da giustificare il trasferimento d'acqua indotto osmoticamente come conseguenza di una pompa del sodio. Evidentemente deve esistere nell'epitelio un compartimento contenente un liquido ipertonico. Recenti studi di morfologia e di fisiologia hanno reso necessario ammettere l'esistenza di un pool di liquido ‛intercellulare' contenuto negli spazi fra cellule contigue, nelle pieghe della membrana basale della cellula e nella lamina basale. Modelli teorici degni di rilievo sono stati descritti da Curran e McIntosh e dai loro collaboratori (v. Schultz e Curran, 1968; v. Curran e McIntosh, 1962), da Diamond (v. Diamond, The mechanism of water..., 1962, Transport of... e The mechanism.., 1964, 1968 e 1971; v. Diamond e Bossert, 1967), da Sackin e Boulpaep (v., 1975) e da Hill (v. i contributi del 1975 e 1979). Per dettagli sull'argomento si rimanda a questi lavori.
Caratteristiche importanti di questi modelli cellulari sono: 1) il cloruro di sodio è pompato nell'interno dell'epitelio in un compartimento liquido separato; 2) la concentrazione di ioni sodio in questo compartimento è mantenuta a livelli leggermente più alti di quelli del liquido extracellulare e non viene alterata; 3) l'osmosi locale è responsabile del movimento di acqua fuori del lume verso gli interspazi (sia attraverso il compartimento cellulare, sia attraverso le strozzature); 4) l'osmosi locale fa innalzare la pressione idrostatica, nell'interno del compartimento, al di sopra di quella che si ha all'estremità degli interspazi; 5) nel compartimento la soluzione è forzata verso la lamina basale e il letto capillare circostante mediante una differenza di pressione idrostatica, piccola ma definita, differenza che risulta dal fatto che lo spazio occupato dal liquido è relativamente inespansibile. È stato ipotizzato che il passaggio relativamente lento attraverso tali canali permetta al liquido riassorbito di equilibrarsi osmoticamente con il contenuto della cellula, dando così ragione del carattere isosmotico del liquido, riscontrabile all'estremità basale, opposta al lume, dello spazio liquido intraepiteliale.
Andreoli e Schafer (v., 1979) hanno proposto un modello di accoppiamento soluto-solvente per il tubulo prossimale dei Mammiferi, nel quale la differenza di pressione osmotica richiesta viene ottenuta attraverso l'elaborazione di una ipotonicità luminale molto piccola. Se la permeabilità all'acqua è alta, è sufficiente una piccolissima differenza di pressione osmotica (1-2 mosmilitro) per spiegare il trasporto di liquido osservato.
La flg. 16 illustra la via di trasporto del liquido nel tessuto epiteliale della colecisti (v. Diamond, 1971). Essa include gli spazi laterali, che sono una parte integrante dello speciale compartimento liquido che si pensa essere la sede della iperosmolarità locale, e che è stato definito come ‛gradiente osmotico stabile'. La fig. 17 descrive in maggior dettaglio il funzionamento del sistema di flusso a gradiente stabile come suggerito nel modello originale di Diamond (v., 1971). Il liquido trasportato diventa quasi isosmotico man mano che diminuisce il diametro o aumenta la lunghezza del canale, specialmente se si ammette che il meccanismo di pompa del sodio sia localizzato solo all'estremità cieca del sistema degli interspazi. Il modello del sistema di flusso a gradiente stabile ci spiega il trasporto continuo di liquido in assenza completa di gradiente osmotico esterno. Recentemente sono state apportate importanti modifiche a questo modello cellulare (v. Sackin e Boulpaep, 1975; v. i contributi di Hill, 1975 e 1979; v. Andreoli e Schafer, 1979).
Questo tipo di modello spiega l'osservazione che in molti epiteli il trasporto netto di sodio e di liquido è sensibile ai cambiamenti di quei fattori fisici che alterano la quantità di liquido trasportato al di fuori del compartimento liquido intercellulare, verso i capillari circostanti. Quest'ultimo fenomeno è stato studiato assai ampiamente nel rene (v. Windhager, 1979; v. Giebisch, 1978), ma ha anche attratto l'attenzione sul trasporto di sodio e di liquido a livello dell'intestino (v. Earley e Daugharty, 1969).
Un esempio pertinente, riassunto nella fig. 18, è fornito dall'osservazione che cambiamenti nell'entità dell'assorbimento di liquido nel capillare peritubulare alterano profondamente la velocità del movimento netto transepiteliale di sale e di acqua attraverso l'epitelio del tubulo prossimale del rene (v. Windhager e altri, 1969; v. Windhager, 1979; v. Giebisch, 1978). Il riassorbimento di liquido isosmotico nel tubulo prossimale si riduce quando si abbassa la pressione colloido-osmotica nel capillare peritubulare o quando aumenta la pressione idrostatica peritubulare. Ambedue le condizioni impediscono il trasferimento di liquido dallo spazio interstiziale ai capillari peritubulari. È stata avanzata l'ipotesi che la diminuita velocità di rimozione del liquido riassorbito dall'epitelio porti a un'espansione volumetrica degli interspazi e a una più alta pressione idrostatica negli spazi liquidi intraepiteliali che sono interposti tra le membrane cellulari peritubulari e laterali e l'endotelio capillare. Ne consegue un aumento del flusso di sodio in senso inverso, dagli interspazi verso il lume del tubulo. Si è visto che questo meccanismo è presente durante l'espansione del volume extracellulare (carico di cloruro di sodio). In questo caso il trasporto netto di sodio attraverso l'epitelio del tubulo prossimale viene nettamente ridotto, come conseguenza di un aumento del flusso all'indietro di sodio attraverso canali intercellulari allargati (v. Boulpaep, 1969; v. Windhager, 1979). Questa interpretazione è sostenuta da Boulpaep (v., 1979), il quale ha osservato che, quando diminuisce il riassorbimento di sodio nel tubulo prossimale come risultato di un aumento della pressione idrostatica peritubulare, la conduttività elettrica transepiteliale aumenta in maniera significativa, nonostante che la conduttanza della membrana cellulare rimanga costante.
È stato proposto che i cambiamenti della velocità di assorbimento nei capillari peritubulari, ottenuti mediante alterazione di quei fattori fisici che regolano la captazione di ciò che viene riassorbito attraverso il tubulo nei capillari peritubulari, siano il fattore chiave responsabile della proporzionalità tra il carico di sodio filtrato e il riassorbimento di sodio nel tubulo prossimale (v. Windhager e altri, 1969; v. Windhager, 1979; v. Lewy e Windhager, 1968; v. Giebisch, 1978). Pertanto, quando un aumento della velocità di formazione del filtrato glomerulare è associato a una frazione di filtrazione maggiore, la pressione oncotica peritubulare aumenta e tale aumento fornisce una maggiore forza per la rimozione di ciò che viene riassorbito dall'epitelio. Di conseguenza, la velocità di trasporto del sodio attraverso l'epitelio del tubulo prossimale aumenta, e l'aumento del carico di sodio glomerulare viene accuratamente compensato dall'aggiustamento della pressione oncotica peritubulare. Fattori peritubulari, cioè extraepiteliali e fisici, emergono come importanti fattori di controllo nella regolazione del trasporto transepiteliale del sodio (v. Earley e Daugharty, 1969; v. Windhager e altri, 1969; v. Windhager, 1979; v. Lewy e Windhager, 1968; v. Giebisch, 1978).
5. Accoppiamento fra trasporto di sodio e di non elettroliti.
Un aspetto fondamentale del sistema di trasporto del sodio attraverso alcuni epiteli, particolarmente nell'intestino e nel tubulo renale, consiste nella marcata interazione che avviene tra i movimenti simultanei dei non elettroliti, come certi zuccheri e amminoacidi (v, Schultz e Curran, 1970; v. Crane, 1977; v. Kinne, 1976 e 1979; v. Silverman e Turner, 1980). Simili interazioni sono state osservate anche in alcune cellule non polarizzate, come gli eritrociti e le cellule dei tumori ascitici. Studi nei quali è stata esaminata in dettaglio la cinetica del sodio, degli zuccheri e degli amminoacidi nella mucosa intestinale e nell'epitelio tubulare renale avvalorano l'ipotesi che ciò che fa muovere i non elettroliti è lo stabilirsi di un gradiente di sodio attraverso la membrana cellulare della mucosa.
La fig. 19 mostra un modello di interazione fra il trasporto transmurale di sodio e quello di zuccheri nella mucosa isolata del piccolo intestino (v. Schultz e Curran, 1970; v. Schultz e Zalusky, Ion transport... II, 1964). Le cellule accumulano zuccheri o amminoacidi contro gradienti di concentrazione considerevoli, perché la concentrazione di sodio all'esterno è maggiore di quella che si ha all'interno della cellula. È questa differenza di concentrazione del sodio che provoca il trasporto netto verso l'interno del soluto organico attraverso un sistema di trasporto accoppiato. Il funzionamento continuo di tale sistema di co-trasporto richiede che il sodio sia espulso dalla cellula attraverso l'orletto della sierosa, al fine di mantenere il gradiente del sodio. Due agenti bloccano il funzionamento del meccanismo di trasporto transepiteliale di zuccheri. La pompa del sodio è direttamente legata al metabolismo cellulare ed è sensibile agli effetti di blocco dei glicosidi cardiaci. Mentre questi ultimi agiscono a livello della sierosa, la florizina blocca lo stadio d'entrata a livello del bordo a spazzola della mucosa. Dal momento che la concentrazione intracellulare degli zuccheri e degli amminoacidi nelle cellule intestinali è maggiore di quella riscontrabile sia nel liquido della sierosa sia nel plasma, lo stadio di uscita dalla sierosa è un processo in discesa. Sebbene si tratti di un trasporto di natura passiva, è stato recentemente dimostrato che alcuni degli zuccheri trasportati interagiscono anche con la membrana cellulare della sierosa durante la traslocazione verso l'esterno della cellula. L'interazione fra glucosio e sodio è stata documentata direttamente nelle vescicole della membrana dell'orletto a spazzola del tubulo prossimale dei Mammiferi (v. Ullrich, 1979; v. Kinne, 1976 e 1979; v. Sacktor, 1977; v. Silverman e Turner, 1980). La fig. 20 sintetizza i risultati fondamentali di un esperimento nel quale si dimostra direttamente la dipendenza dal gradiente di sodio del movimento di glucosio in salita. È evidente che l'ingresso passivo di glucosio aumenta fortemente in seguito allo stabilirsi di un gradiente di concentrazione del sodio e che la captazione di glucosio si riduce con l'estinguersi del gradiente del sodio attraverso il bordo a spazzola. Si può anche dimostrare in maniera convincente che l'ingresso di glucosio è soggetto a modulazione da parte della differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana, come ci si dovrebbe aspettare se il complesso che fa da vettore per il glucosio e gli zuccheri fosse carico positivamente.
Così i meccanismi responsabili degli accoppiati flussi in entrata di sodio e di zuccheri o amminoacidi sono elettrogenici, in quanto il meccanismo di co-trasporto porta direttamente a una diminuzione della differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana della mucosa e cioè a una depolarizzazione. Questo fa si che l'interno della cellula divenga meno negativo, e spiega pienamente perché si osservi un aumento totale della differenza di potenziale transepiteliale (v. i contributi di Schultz, 1979; v. White e Armstrong, 1970; v. Ullrich, 1979; v. Frömter, 1979).
Il meccanismo di trasporto dei soluti organici ora descritto è importante anche dal punto di vista dell'utilizzazione dell'energia da parte della cellula. L'energia metabolica è usata esclusivamente per l'espulsione di ioni sodio dalla cellula ed è accoppiata a questa, e l'energia che deriva dalla differenza di concentrazione di sodio attraverso la membrana della mucosa è utilizzata, attraverso il sistema di trasporto accoppiato, per effettuare il trasporto di soluti organici, senza la necessità di un accoppiamento separato e specifico per ciascuno di questi sistemi a processi metabolici.
6. Trasporto di altri cationi.
a) Potassio.
Diversi organi epiteliali sono capaci di trasportare potassio nella direzione sia dell'assorbimento sia della secrezione. L'epitelio del tubulo renale, per esempio, ha la capacità di riassorbire attivamente potassio dal lume per immetterlo nel liquido peritubulare e di rispondere a una varietà di stimoli con una secrezione massiva (v. Giebisch e Windhager, 1964; v. Giebisch, 1969, 1971 e 1979; v. Pitts, 1968; v. Malnic e altri, 1964 e Micropuncture study of distal..., 1966). Anche altri epiteli, come quelli delle ghiandole salivari (v. Young e altri, 1967; v. Young e Schögel, 1966; v. Young e van Lennep, 1979), del grosso intestino (v. Edmonds, 1969; v. Frizzel e altri, 1976; v. Powell, 1979) e della stria vascolare (v. Johnstone, 1967) sono in grado di secernere potassio. Inoltre il potassio è secreto da un certo numero di epiteli di Insetti, come quelli del tubulo malpighiano (v. Ramsay, 1952 e 1953; v. Berridge, 1968; v. Maddrell, 1969, 1978 e 1980), dell'intestino medio del baco da seta (v. Harvey e Nedergaard, 1964; v. Harvey e altri, 1967 e 1968; v. Nedergaard e Harvey, 1968; v. Zerahn, 1978) e della ghiandola labiale di alcune tarme (v. Kafatos, 1968). Una sintesi sul trasporto epiteliale del potassio è stata fatta recentemente da MacKnight (v., 1977).
Alcune proprietà di una tipica cellula epiteliale che opera una secrezione di potassio, come la cellula del tubulo distale del rene, sono descritte nella fig. 21 (v. Giebisch e Malnic, 1969; v. Giebisch, 1979; v. Giebisch e altri, 1981). Le principali caratteristiche di una cellula di questo tipo sono elencate qui di seguito.
1. Alta concentrazione intracellulare di potassio mantenuta da una pompa ionica a scambio peritubulare, che è responsabile dell'espulsione del sodio e dell'accumulo di potassio.
2. Ineguale polarizzazione elettrica, tale che la differenza di potenziale attraverso la membrana cellulare del lume è significativamente minore di quella che si ha attraverso la membrana peritubulare. La diversa polarizzazione elettrica è dovuta, almeno in parte, alle differenti proprietà di permeabilità passiva delle due membrane cellulari. Mentre la membrana cellulare peritubulare è selettiva rispetto al potassio, la membrana luminale è caratterizzata da eguali permeabilità al sodio e al potassio. Data la direzione dei rispettivi gradienti di concentrazione (K+cellula>K+lume, Na+lume>Na+cellula), la differenza di potenziale attraverso la membrana del lume è mantenuta a un livello più basso di quella che si ha attraverso la membrana cellulare peritubulare. Questa ineguale polarizzazione elettrica è responsabile della differenza di potenziale transepiteliale totale e della diffusione preferenziale di ioni potassio dalla cellula verso il lume tubulare.
3. Una pompa per il riassorbimento di potassio è localizzata nella membrana cellulare del lume. Essa abbassa la concentrazione di potassio nell'interno del lume a livelli molto inferiori a quanto ci si aspetterebbe sulla base della differenza di potenziale elettrochimico attraverso la parete luminale della cellula. La disposizione della pompa per il riassorbimento di potassio non è fuori del comune: essa rappresenta la direzione normale del movimento attivo del potassio, cioè il trasferimento in salita nell'interno della cellula. La presenza di una captazione attiva di potassio attraverso le membrane cellulari peritubulare e luminale è stata dimostrata direttamente misurando l'attività del potassio cellulare e non il potenziale transmembrana (v. Oberleithner e Giebisch, 1981; v. Giebisch e altri, 1981).
4. La grandezza del gradiente di potenziale elettrochimico del potassio attraverso la membrana cellulare del lume viene modificata in maniera notevole dalla velocità di captazione del potassio peritubulare (v. Giebisch, 1979; v. Giebisch e altri, 1981). Si può dimostrare che quest'ultima costituisce un importante punto di controllo della secrezione di potassio, in quanto essa costituisce ‛il' meccanismo di trasporto che è primariamente influenzato da alcuni dei fattori che regolano la velocità della secrezione di potassio. Stimoli noti per la captazione attiva del potassio peritubulare, e pertanto per la secrezione renale di potassio, sono un'alta introduzione cronica di potassio con la dieta, l'alcalinizzazione dei liquidi dell'organismo e la somministrazione di inibitori dell'anidrasi carbonica (v. Wiederholt e altri, 1971; v. de Mello Aires e altri, 1973). Anche un eccesso di ormoni corticosurrenali stimola la perdita di potassio con le urine, purché sia normale l'introduzione di sodio con la dieta (v. Berliner, 1961). È certo che i mineralcorticoidi hanno pure un sito d'azione peritubulare, anche se può essere presente un meccanismo luminale (v. Giebisch, 1979).
Esperimenti recenti hanno fornito una prova importante dell'esistenza di una pompa elettrogenica per il potassio alla superficie luminale delle cellule del tubulo malpighiano e di una pompa ad accoppiamento sodio-potassio alla superficie basale (v. Berridge, 1968; v. Maddrell, 1978). La fig. 22 illustra il modello cellulare. È interessante notare che basta che sia presente potassio nel mezzo esterno per produrre una secrezione massimale di liquido. Berridge e Oschman (v., 1969) hanno formulato l'ipotesi che i canalicoli intracellulari che si aprono dalla parte dell'emolinfa siano responsabili dell'accoppiamento soluto-liquido, come suggerito da Diamond (v. fig. 10). Proprietà del meccanismo di secrezione attiva di potassio simili a quelle del tubulo malpighiano sono state anche descritte nell'epitelio dell'intestino medio di Cecropia (v. Harvey e Nedergaard, 1964; v. Harvey e altri, 1968; v. Zerahn, 1978). Inoltre, tali formazioni sono ambedue caratterizzate dalla possibilità di trasportare ioni potassio fuori delle cellule in maniera elettrogenica, cosicché il liquido verso il quale il potassio è trasportato diviene elettricamente positivo (v. Wood e altri, 1969; v. Maddrell, 1978 e 1980; v. Zerahn, 1978).
b) Idrogeno.
Due tipi di tessuto epiteliale sono preminentemente dotati della capacità di acidificare i loro prodotti di secrezione: la mucosa gastrica e l'epitelio tubulare del rene. Le cellule parietali della mucosa gastrica possono produrre una soluzione isotonica di acido cloridrico (v. Heinz e Öbrink, 1954; v. Machen e Forte, 1979), e l'epitelio del dotto collettore del rene di Mammifero produce una differenza di concentrazione di ioni idrogeno dell'ordine di 1.000 : 1.
È stato dimostrato che il trasporto attivo di ioni idrogeno attraverso la mucosa gastrica è in parte indipendente dal movimento di secrezione di ioni cloro (v. Heinz e Durbin, 1959; v. Durbin, 1964). Si può provare che una notevole frazione della secrezione acida continua in un mezzo privo di cloro; un'ulteriore prova della relativa indipendenza fra trasporto dello ione cloro e quello dello ione idrogeno può essere rappresentata dal fatto che gli inibitori esercitano azioni diverse sulle velocità di trasporto degli ioni cloro e idrogeno. Mentre il tiocianato e il dinitrofenolo bloccano preferenzialmente il trasporto dello ione idrogeno, l'acetazolammide sembra esercitare un potente effetto depressivo sulla secrezione del cloro.
Un modello cellulare che include gli elementi chiave che spiegano il trasporto di elettroliti attraverso la mucosa gastrica è illustrato nella fig. 23 (v. Machen e Forte, 1979). Un aspetto interessante dell'escrezione di acido nello stomaco sta nel coinvolgimento della K+−ATP-asi microsomiale gastrica e nella fusione vescicolare con la membrana delle cellule apicali, in seguito a stimolazione adeguata delle cellule acidosecernenti.
Il processo di secrezione dello ione idrogeno attraverso l'epitelio del tubulo renale è responsabile del riassorbimento della massa del bicarbonato filtrato, della produzione di acido titolabile e della conversione di ammoniaca in ioni ammonio (v. Pitts, 1968; v. Malnic e Giebisch, 1979; v. Rector, 1976). La reazione degli ioni idrogeno con il bicarbonato filtrato, attraverso la formazione di acido carbonico e la susseguente scissione in CO2 e H2O, non contribuisce alla eliminazione netta di acido, ma soltanto a restaurare le riserve di bicarbonato dell'organismo. È lo spostamento di ioni idrogeno in tamponi non bicarbonato e in ammonio a portare a una significativa secrezione netta di acido.
Il meccanismo che è alla base della secrezione di ioni idrogeno nel tubulo renale ha grande importanza per il fatto che i processi di riassorbimento del bicarbonato, di formazione di acido titolabile e di produzione dell'ammoniaca sono tutti mediati da un meccanismo centrale, cioè quello della secrezione nel tubulo di ioni idrogeno.
Indagini recenti hanno permesso di individuare i seguenti dati relativi ai processi di acidificazione tubulare prossimale (v. fig. 24).
1. La secrezione di ioni idrogeno è la principale responsabile del riassorbimento di tamponi luminali e della diminuzione del pH luminale. Studi recenti eseguiti da Lucci e altri (v., 1979) mediante perfusione del tubulo prossimale in vivo, e da McKinney e Burg nei tubuli prossimali isolati di coniglio in vitro, hanno messo in luce una inibizione del riassorbimento del bicarbonato da parte degli inibitori dell'anidrasi carbonica maggiore di quella precedentemente osservata. Questi esperimenti provano l'esistenza di una inibizione quasi completa del riassorbimento del bicarbonato in seguito a inibizione dell'anidrasi carbonica. Pertanto la quantità di bicarbonato che viene trasportata fuori dal lume, attraverso processi che non hanno a che fare con la secrezione di ioni idrogeno, è piccola.
2. La secrezione di ioni idrogeno avviene attraverso due processi. Il primo per opera di uno scambio di ioni sodio-idrogeno che avviene sotto l'azione del gradiente di sodio transmembranale attraverso la membrana cellulare del lume (v. Ullrich, 1979; v. Kinsella e Aronson, 1980; v. Murer e altri, 1980). Nella membrana luminale è presente anche un secondo processo, probabilmente di natura elettrogenica e sotto l'azione dell'ATP. Restano ancora insoluti i problemi concernenti la relativa entità di questi due processi di trasporto e la loro importanza da un punto di vista fisiologico in situazioni nelle quali è alterato il trasporto di ioni idrogeno del tubulo prossimale.
3. Come mostrato a sinistra, nella sezione superiore della fig. 24, gli ioni idrogeno interagiscono nel lume con i sistemi tampone. A seconda che il tipo di tampone sia diffusibile o meno, le concentrazioni dei tamponi costituiti da acidi deboli indissociati nel lume tubulare cadranno o resteranno elevate durante il processo di titolazione. Di conseguenza, una maggiore quantità di acido viene accumulata nel lume quando sono presenti specie di tamponi non diffusibili. Ciò spiega il motivo per cui, per un dato carico di tampone, vengono consumati più ioni idrogeno quando è presente nel lume una specie di tampone diffusibile piuttosto di una specie non diffusibile. Gli ioni bicarbonato e gli ioni fosfato sono, rispettivamente, esempi rilevanti di tamponi relativamente diffusibili e non diffusibili. Studi precisi hanno confermato che, per identici carichi di tampone luminale, il riassorbimento del bicarbonato procede a velocità significativamente più elevata rispetto all'acidificazione dei tamponi fosfato (v. Malnic e Giebisch, 1979).
4. Esistono prove secondo le quali i meccanismi di scambio di anioni luminali, che interessano ioni cloro, idrossile e bicarbonato, avvengono nella membrana luminale. Tali prove si basano: a) sull'inibizione del trasporto di cloro a opera di tipici inibitori di anioni come il SITS e la furosemide (v. Lucci e Warnock, 1979); b) su indagini su vescicole isolate della membrana luminale (v. Warnock e Lee, 1980). L'operazione simultanea di scambio sia fra ioni sodio e idrogeno sia fra ioni cloro e bicarbonato o idrossile non provoca acidificazione, dal momento che questa è equivalente al riassorbimento di cloruro di sodio neutro. È tuttavia possibile che, una volta che si sia stabilito il gradiente limitante il pH e che gli ioni cloro nel lume siano stati elevati a livelli superiori a quelli del plasma tubulare, l'operazione di questi doppi meccanismi di scambio in parallelo sia responsabile del trasporto continuo di cloruro di sodio neutro che implica lo scambio continuo di Na+−H+ e Cl-−OH- oppure di Cl-−HCO3-. Una parte del trasporto di sodio può inoltre avvenire indipendentemente da tali processi di scambio o di co-trasporto.
5. È di notevole interesse il fatto che lo scambio fra ioni sodio e idrogeno non sembri essere limitato alla membrana luminale. Nei tubuli prossimali di Amblystoma l'espulsione di ioni idrogeno, conseguente all'acidificazione della cellula, è fortemente ridotta quando diminuisce il sodio peritubulare (v. Boron e Boulpaep, 1980). Questo processo è sensibile all'amiloride, proprio come quello, sia detto incidentalmente, sul lato del lume (v. Kinsella e Aronson, 1980). Data la simmetria nello scambio fra ioni sodio e idrogeno, è verosimile che la membrana luminale sia responsabile dell'asimmetria dell'espulsione di ioni idrogeno e dell'acidificazione tubulare netta, o per la differente diffusibilità del bicarbonato (PHCO3-lume〈PHCO3- peritubulare) o per un più efficace meccanismo luminale di espulsione dello ione idrogeno.
6. Grazie a numerose indagini si sono raccolte molte prove a favore di un certo scambio cloruro-bicarbonato, non solo nella membrana luminale, ma anche nella membrana peritubulare. Questi processi di scambio sarebbero presenti in aggiunta alla via di diffusione del bicarbonato in questa membrana. È degno di nota il fatto che la conduttanza elettrica della membrana peritubulare agli ioni cloro è alquanto bassa e che il SITS peritubulare inibisce il trasporto di cloruro e bicarbonato. Da ciò si può concludere che alcuni processi di scambio che coinvolgono il bicarbonato e gli ioni idrossile o cloruro sono attivi nella membrana peritubulare.
7. È stato chiaramente provato che lo scambio sodio-potassio avviene attraverso la membrana peritubulare. Tale scambio avviene sotto l'azione dell'ATP ed è responsabile della bassa concentrazione di sodio nella cellula. Ne deriva che questo processo è un elemento chiave nello scambio secondario attivo di ioni idrogeno; ciò significa che la componente della secrezione dello ione idrogeno del lume dipende in modo critico dallo scambio ionico sodio-idrogeno.
8. Un ultimo problema riguarda la funzione svolta dalla PCO2 in questo sistema. Si era tradizionalmente creduto che la PCO2 luminale e quella peritubulare fossero in equilibrio e quindi che la permeabilità tubulare alla PCO2 fosse molto elevata. Attualmente si è risvegliato l'interesse nei confronti di questo problema. Sono stati osservati elevati livelli di PCO2 sia nel lume tubulare sia nei capillari peritubulari e si sono anche rilevati significativi gradienti di PCO2 attraverso l'epitelio peritubulare (v. Sohtell, 1979; v. Dubose e altri, 1979). Tale fatto ha ovvie implicazioni sulla permeabilità alla PCO2 di questa struttura. Al momento attuale non esiste un pieno accordo su questo argomento.
7. Trasporto di ioni cloro.
Nel complesso le nostre conoscenze sui meccanismi di trasporto del cloro sono molto più scarse di quelle che abbiamo per i cationi. In molti esempi nei quali il movimento di cloro avviene nel senso del riassorbimento, il gradiente di potenziale elettrochimico transepiteliale sembra fornire una importante forza motrice (il lume negativo rispetto al liquido extratubulare o della sierosa); tuttavia un numero sempre maggiore di dati mostra che la sua grandezza è frequentemente inadeguata a spiegare il movimento di cloro come dovuto unicamente a diffusione passiva. Pertanto è necessario postulare che sia in funzione una pompa. Questo è il caso della pelle di rana e dei segmenti terminali del tubulo renale, dell'epitelio dell'intestino e del rumine. Nelle branchie e nella mucosa gastrica la pompa del cloro opera con una modalità elettrogenica, espellendo all'esterno il cloro e rendendo elettricamente negativo il liquido verso il quale il cloro è secreto.
Abbiamo in precedenza (v. fig. 5) già rilevato l'importanza del co-trasporto di ioni cloro con ioni sodio. Esistono prove di tale meccanismo di trasporto nella mucosa intestinale (v. Frizzell e Duffey, 1980), nel tubulo prossimale di Necturus (v. Spring e Kimura, 1978 e 1979), nella parte spessa dell'ansa ascendente di Henle (v. Greger e Frömter, 1980) e nel segmento diluente degli Anfibi (v. Oberleithner e Giebisch, 1981). Anche in questo caso è sempre la pompa di scambio sodio-potassio a fornire l'energia immessa inizialmente mediante la produzione di un favorevole gradiente di concentrazione di sodio (trasporto primario attivo) ed è grazie al co-trasporto con lo ione cloro (trasporto secondario attivo) che gli ioni cloro sono legati al movimento del sodio.
8. Trasporto di calcio e fosfato.
Recenti ricerche hanno permesso di conoscere meglio il meccanismo cellulare di trasporto del calcio e del fosfato. La fig. 25 e la fig. 26 offrono una sintesi di alcuni tra i più importanti parametri di trasporto. Sono fattori comuni sia la configurazione del co-trasporto di sodio nell'ingresso di calcio e di fosfato entro la cellula, sia la presunta funzione dei mitocondri nell'operazione di trasporto, sia il nuovo ruolo dello scambio calcio-sodio nella membrana cellulare antiluminale. Vi sono numerose rassegne che descrivono in dettaglio i fattori ormonali e non ormonali che regolano il trasporto di calcio e di sodio (v. Massry e Fleisch, 1980; v. Sutton e altri, 1979; v. Avioli e Krane, 1978).
9. Conclusioni.
Secondo Keynes (v., 1969), Berridge e Oschman (v., 1972) e Oschman (v., 1978), la morfologia della maggior parte degli aggregati cellulari epiteliali possiede alcune caratteristiche comuni quali: 1) la presenza di strozzature che collegano fra loro cellule vicine e che sono localizzate in una zona attigua a una superficie cellulare; 2) un allargamento dell'area della superficie cellulare mediante microvilli dalla parte del lume o mediante estesi ripiegamenti dalla parte basale, in modo da formare canalicoli intercellulari e qualche volta intracellulari; 3) un accumulo di mitocondri; 4) la presenza di canalicoli intercellulari o intracellulari che svolgono un ruolo chiave come sedi di movimenti accoppiati tra soluto e acqua.
Tutte le cellule epiteliali sono asimmetriche rispetto alle proprietà delle loro membrane cellulari che guardano dalla parte interna ed esterna e alla distribuzione delle pompe attive e delle permeabilità passive. Sono di notevole importanza, ma attualmente non pienamente risolti, i problemi che riguardano il ruolo degli speciali ‛compartimenti di trasporto' intraepiteliali. È opportuno sollevare la questione se si possano determinare in maniera appropriata le forze motrici elettrochimiche attraverso le pareti cellulari quando solo una frazione di un compartimento intracellulare di ioni, distribuito in un volume sconosciuto, partecipa nel trasporto transepiteliale. Un altro problema è quello del movimento ‛in discesa', lungo un gradiente di potenziale elettrochimico. Secondo un crescente numero di informazioni, sembra che una distribuzione puramente passiva di ioni sia un evento piuttosto eccezionale. Infine rimangono da risolvere diversi problemi relativi all'accoppiamento del trasporto di elettroliti al metabolismo. È ormai accertato che l'ATP e l'ATP-asi legata alla membrana svolgono un ruolo chiave nello scambio sodio-potassio. Tuttavia altri sistemi di ATP-asi, specifici per certi ioni, come l'ATP-asi attivata dal calcio e dal bicarbonato, cominciano a venire in luce. Future ricerche dovranno affrontare il problema se e fino a che punto il trasporto di ioni attraverso l'epitelio sia alimentato da substrati specifici diversi dall'ATP.
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