Resumen
Los riñones humanos producen aproximadamente 160-170 L de ultrafiltrado por día. El túbulo proximal contribuye a la homeostasis de líquidos, electrolitos y nutrientes al reabsorber aproximadamente el 60%-70% del agua y el NaCl, una mayor proporción de NaHCO3 y casi todos los nutrientes del ultrafiltrado. El túbulo proximal es también el sitio de secreción activa de solutos, producción de hormonas y muchas de las funciones metabólicas del riñón. Esta revisión analiza el transporte de NaCl, NaHCO3, glucosa, aminoácidos y dos aniones clínicamente importantes, citrato y fosfato. El NaCl y el agua que lo acompaña se reabsorben de forma isotónica. La energía que impulsa este proceso es generada en gran medida por la Na/K-ATPasa basolateral, que crea un potencial de membrana negativo hacia adentro y un gradiente de Na. Varios contratransportadores y cotransportadores dependientes de Na utilizan la energía de este gradiente para promover la absorción de HCO3 y varios solutos, respectivamente. Un cotransportador dependiente de Na media el movimiento de HCO3 a través de la membrana basolateral, mientras que varios transportadores pasivos independientes de Na logran la exportación de varios otros solutos. Para ilustrar su hazaña homeostática, el túbulo proximal altera su metabolismo y propiedades de transporte en respuesta a la acidosis metabólica. La absorción y el catabolismo de glutamina y citrato aumentan durante la acidosis, mientras que la recuperación de fosfato del ultrafiltrado disminuye. El aumento del catabolismo de la glutamina da lugar a un aumento de la amoníaco y la gluconeogénesis. La excreción de los iones de amonio resultantes facilita la excreción de ácido, mientras que las vías combinadas logran la producción neta de iones HCO3 que se agregan al plasma para restaurar parcialmente el equilibrio ácido-base.
Introducción
El espacio del líquido extracelular (ECF) proporciona un entorno constante para las células de un organismo multicelular y evita grandes fluctuaciones en el entorno ambiental. Esto permite a las células dedicar sus productos genéticos a funciones más productivas. El riñón es el órgano principal que mantiene la cantidad y composición del ECF mediante la ejecución de funciones de excreción, metabolismo y provisión de sustancias endocrinas. La mayoría de estas funciones renales ocurren en el túbulo proximal, que es un segmento antiguo en la evolución de las nefronas de los mamíferos.
En términos de excreción, el túbulo proximal mantiene una serie de mecanismos secretores heredados de las nefronas secretoras más arcaicas, que son ancestros de las nefronas de los mamíferos. El túbulo proximal es también un tour de force de reabsorción del filtrado glomerular. El esquema de filtración-reabsorción es crítico porque, a medida que las tasas metabólicas aumentaron durante la evolución de los mamíferos, la TFG tuvo que aumentar en consecuencia. La alta TFG exige un aumento correspondiente de la reabsorción para evitar la pérdida de solutos valiosos y agua. El túbulo proximal cumple la mayor parte de la función reabsorbente de NaCl y NaHCO3, dejando el ajuste fino a la nefrona distal. El túbulo proximal también completa la reabsorción de glucosa, aminoácidos y aniones importantes, incluidos el fosfato y el citrato, porque es el único sitio de transporte de estos solutos filtrados.
Además de la reabsorción y secreción de solutos, el túbulo proximal también es un órgano metabólico. Por ejemplo, dentro del túbulo proximal, la 25-hidroxi-vitamina D se convierte en 1,25-dihidroxi-vitamina D, una hormona que aumenta los niveles de Ca2 en sangre. El túbulo proximal es también el sitio de la reacción de la 24-hidroxilasa que convierte la 25-hidroxi-vitamina D y la 1,25-dihidroxi-vitamina D en sus formas inactivas. Además, el túbulo proximal es un sitio importante de gluconeogénesis que es paralelo al hígado. Como órgano endocrino, el riñón también libera eritropoyetina, renina y Klotho en la circulación sistémica y produce una gran cantidad de hormonas paracrinas/autocrinas e intracrinas localmente activas, como la dopamina, la endotelina, las PG, la renina, la angiotensina II, etc.
Las limitaciones de espacio no permiten una descripción completa de la función del túbulo proximal en este artículo. Por lo tanto, destacaremos el manejo de NaCl y NaHCO3 como ejemplos de recuperación de filtrado que son críticos para prevenir el shock y la acidosis fatal y donde el túbulo proximal logra la absorción masiva, dejando la finalización a la nefrona distal. También cubriremos brevemente la reabsorción de glucosa, aminoácidos, fosfato y un anión orgánico, citrato, donde toda la función reguladora y absorbente se limita al túbulo proximal. Mientras que la glucosa y el fosfato se devuelven principalmente a la circulación, el citrato representa un sustrato que se metaboliza parcialmente en el túbulo proximal. Otro sustrato orgánico que se absorbe y metaboliza es el aminoácido glutamina. Este proceso proporciona el esqueleto de nitrógeno y carbono necesario para soportar la gluconeogensis renal y la amoníaco. Por último, el túbulo proximal ajusta constantemente sus funciones en respuesta a las necesidades, lo que es el sello distintivo de un sistema homeostático estricto. La acidosis metabólica representa un estado en el que hay adaptaciones concertadas en el transporte de múltiples túbulos proximales y en las funciones metabólicas destinadas a minimizar el efecto del exceso de ácido en el organismo y rectificar la alteración.
Transporte de NaCl y NaHCO3
Na es el catión primario que mantiene el volumen de ECF (ECFV). Debido a que el Cl es cuatro veces más abundante que el HCO3 como anión ECFV, el equilibrio de NaCl se ha convertido en sinónimo de regulación ECFV. El NaHCO3 también es un soluto importante del ECFV, solo superado por el NaCl, pero es el principal tampón intracelular y extracelular para el H1. Por lo tanto, el NaHCO3 es más conocido por su papel en el equilibrio ácido-base que por el mantenimiento del ECFV. Existe una regulación limitada de la absorción gastrointestinal de Na1, Cl2 o HCO3, por lo que el riñón es el órgano principal que regula el equilibrio electrolítico externo. La alta TFG en humanos (160-170 L/d) exige la reabsorción de los valiosos solutos filtrados. De lo contrario, se perderían aproximadamente 24.000 mmol de Na1 filtrado y aproximadamente 4000 mmol de HCO3 filtrado por día, con consecuencias desastrosas. El túbulo proximal es el primer segmento de nefrona después del glomérulo donde comienza la reabsorción. Es importante tener en cuenta que la reabsorción proximal de soluto y agua se produce principalmente de forma isotónica con cambios muy pequeños en la osmolaridad luminal. La Figura 1A muestra el perfil de los cambios en los solutos seleccionados a lo largo de la longitud del túbulo proximal. La Figura 1B muestra un modelo celular genérico de cómo se logra el transporte transepitelial. Los transportadores pueden ser vistos ampliamente desde un punto de vista termodinámico como impulsados principalmente por cambios en la entalpía o la entropía. Los transportadores activos o basados en entalpía están acoplados directamente a la hidrólisis de ATP. Utilizan la energía liberada de la hidrólisis de los enlaces de fosfoanhídrido para mover los solutos cuesta arriba; por lo tanto, tales transportadores son por naturaleza ATPasas. Los transportadores activos secundarios o basados en entropía disipan los gradientes electroquímicos existentes para mover un soluto contra un gradiente de concentración. Por lo tanto, utilizan el cambio de energía libre cuesta abajo de un soluto para energizar el movimiento cuesta arriba de otro soluto.
El transporte transepitelial puede ocurrir a través de la ruta paracelular o transcelular, las cuales son impulsadas por fuerzas electroquímicas. La energía para el movimiento del soluto se deriva en última instancia de enlaces de alta energía en sustratos orgánicos tomados de la sangre, cuyo catabolismo convierte la energía en ATP (Figura 1B). Aunque existen múltiples sistemas de transporte activos acoplados directamente a la hidrólisis de ATP, la Na-K-ATPasa basolateral es la principal consumidora de ATP en el túbulo proximal. Crea un [Na] celular bajo y un voltaje negativo, que proporciona la energía definitiva para transportar una multitud de solutos a través del túbulo proximal (Figura 1B). La entrada de soluto activo secundario apical puede proceder a través de cotransportadores dependientes de Na (simportadores), intercambiadores (antiportadores), sistemas de transportadores paralelos u otros transportadores facilitados independientes del Na.
Transporte de NaCl
Aproximadamente el 60%-70% del NaCl filtrado y el agua que lo acompaña son reabsorbidos por el túbulo proximal de una manera casi isotónica. Este proceso es vital para la preservación del ECFV frente a una TFG alta. La principal fuerza motriz es proporcionada por la Na-K-ATPasa basolateral, que establece el gradiente electroquímico para impulsar una serie de transportadores apicales que median la entrada de Na1 y Cl (Figura 2) como intercambiadores paralelos acoplados bipartitos o intercambiadores paralelos acoplados tripartitos que resultan en la entrada neta de NaCl en la célula. La salida basolateral de Cl está mediada por intercambiadores portadores y cotransportadores de Cl (Figura 2). El transporte acoplado de Na es un mecanismo general en la membrana apical, por lo que no todos los iones de Na que ingresan a la célula se dedican al transporte de NaCl. Por ejemplo, una cantidad significativa de glucosa ingresa a la membrana apical a través del cotransporte de Na-glucosa. Este proceso electrogénico (carga neta positiva que se mueve hacia la célula) contribuye a un ligero potencial luminal negativo. Además, la ávida absorción de HCO3 en el túbulo proximal temprano y la naturaleza isotónica del transporte elevan el luminal [Cl] por encima del plasma. Esta fuerza motriz electroquímica combinada en coalición con la permeabilidad paracelular al Cl da como resultado el movimiento del Cl de la orina a la sangre, que equivale esencialmente a la «absorción de Na-glucosa-Cl» (Figura 2). Alternativamente, el Na puede filtrarse desde el espacio paracelular hacia el lumen, proporcionando un sistema de reciclaje para el transporte de glucosa acoplado al Na.
La regulación de la reabsorción de NaCl del túbulo proximal facilita el mantenimiento del ECFV. Las hormonas que mantienen el ECFV y la integridad de la circulación a través de la antinatriuresis estimulan la absorción proximal de NaCl. Estos incluyen angiotensina II, endotelina y estímulos a-adrenérgicos. Por el contrario, las hormonas natriuréticas, como la dopamina, inhiben la reabsorción de NaCl en los túbulos proximales. Los factores hormonales regulan en gran medida el flujo transcelular de NaCl a través de la modulación de los transportadores de Na. Debido a que NHE3, el intercambiador apical de Na/H, sirve tanto para la reabsorción de NaCl como para la de NaHCO3, no está del todo claro cómo se puede disociar la modulación de estos dos modos de transporte cuando NHE3 es el objetivo principal de la regulación. En el túbulo proximal, también hay un conjunto único de reguladores que son en gran medida de naturaleza física e implican el acoplamiento coordinado para la regulación de la TFG. Es poco probable que estos reguladores operen en otros segmentos de nefronas. Cuando se reduce el volumen sanguíneo arterial efectivo, la TFG se mantiene mediante cambios en las resistencias arteriolares que aumentan la fracción de filtración a pesar de un menor flujo plasmático renal. Esto aumenta la concentración de proteínas y la presión oncótica en la sangre postglomerular, que junto con la presión hidrostática más baja promueven conjuntamente el movimiento del líquido proximal hacia el capilar peritubular.
Transporte de NaHCO3
Mientras que el NaHCO3 contribuye al mantenimiento del ECFV, el HCO3 es uno de los principales amortiguadores que protegen a un organismo de la acidificación constante y generalizada. Un ser humano de 70 kg contiene un [H] libre de 40 nM en unos 42 L de agua. El consumo de una dieta occidental alta en proteínas da como resultado una producción neta de 50-70 mEq de H por día. Por lo tanto, en ausencia de un tampón adecuado, la producción diaria de H disminuirá el pH corporal a <3 en una hora, lo que claramente no es compatible con la vida. Los iones HCO3 proporcionan el principal sistema tampón que evita la rápida acidificación del ECF. El riñón es el órgano primario que controla el plasma [HCO3]. La carga del transporte renal es excretar una cantidad de ácido equivalente a la producción neta diaria de H más la cantidad de HCO3 filtrado, que es equivalente a la adición de ácido si no se recupera. La recuperación de HCO3 no se logra tanto por la reabsorción de HCO3 como, más bien, por la secreción de H. Los aproximadamente 4000 mEq/d de HCO3 recuperado son mucho más altos que cualquier carga diaria de ácidos o bases en la dieta. Ya sea que el organismo esté consumiendo una dieta de ácidos netos de 50 mEq H equivalentes por día frente a una dieta alcalina neta de 50 mEq OH equivalentes por día, el H que debe secretarse en el lumen es de 4050 mEq/d frente a 3950 mEq/d, respectivamente. Por lo tanto, el epitelio tubular proximal está perpetuamente en un modo de secreción de H, independientemente de la carga dietética.
El túbulo proximal desempeña un papel fundamental en muchos aspectos de la homeostasis ácido-base, que se extiende más allá de la recuperación de HCO3 y la excreción de H. Debido a que la orina no puede mantener un pH lo suficientemente bajo como para contener 50-70 mEq de H libre, los tampones urinarios transportan la mayor parte del H. El túbulo proximal sintetiza el tampón abierto más importante (NH3/NH4) y regula el tampón cerrado más abundante (HPO4/H2PO4), que se discutirá con más detalle a continuación. Por último, el equivalente de base más abundante en la orina es el citrato2-/3-, cuya excreción urinaria también está regulada exclusivamente por el túbulo proximal.
El túbulo proximal cumple las funciones de recuperación de HCO3 y secreción de H a través del transporte ascendente de H hacia el lumen, un proceso conocido colectivamente como acidificación renal. Los experimentos clásicos de desequilibrio de pH han detectado muy poca reabsorción directa de HCO3. En el túbulo proximal, el H se secreta en el lumen principalmente por intercambio electroneutro Na/H. El transporte activo de H por la H-ATPasa (V ATPasa) también contribuye, pero en menor medida (Figura 3). La principal isoforma del intercambiador Na/H es NHE3, pero NHE8 también participa, particularmente en el neonato donde NHE3 no se expresa completamente. Además de H, NHE3 también media la secreción de NH4 formada en la célula por titulación de NH3, que equivale a la secreción neta de H. El H exportado al lumen tiene múltiples destinos (Figura 3A). Se combina con el HCO3 filtrado y, bajo la acción de la anhidrasa carbónica luminal (CA-IV), genera CO2, que se difunde en la célula y reconstituye el H y el HCO3. La reacción combinada logra la recuperación de HCO3 filtrado (Figura 3A). El H secretado también titula el citrato de su forma trivalente a su forma divente, que es el sustrato preferido para la absorción por el cotransportador de dicarboxilato de Na, NaDC-1 (Figura 3B). La reabsorción de citrato2-/3- es equivalente a la reabsorción de álcali. Por último, la secreción de H también valora el HPO4 divalente a H2PO4 monovalente que no es transportado por NaPi-2a y NaPi-2c (Figura 3B), lo que provoca fosfaturia y un aumento del tampón urinario de ácido titulable o no amoníaco que transporta iones H en la orina. El HCO3 generado intracelularmente por secreción apical de H o amoníaco sale de la membrana basolateral a través de la familia de cotransportadores de Na-bicarbonato. En particular, el altamente electrogénico NBCe1A (NBC1, SLC4A4), que es una variante de empalme de la familia electrogénica de NBCe1, es responsable de la salida basolateral de HCO3.
Aproximadamente entre el 70% y el 90% del HCO3 filtrado es reabsorbido por el túbulo proximal. Por lo tanto, este segmento desempeña un papel fundamental en la recuperación de HCO3. En términos de excreción neta de H, todo el NH3/NH4 en la orina final se sintetiza en el túbulo proximal. El pH luminal en el extremo del túbulo recto proximal es de aproximadamente 6,7-6,8, lo que significa que prácticamente todo el NH3 se titula a NH4 (pK 5 9,3). Del mismo modo, la mitad del fosfato ya está en su forma monovalente. Por lo tanto, el túbulo proximal desempeña un papel esencial en la excreción neta de ácido porque una gran fracción de los tampones urinarios ya está titulada al final del túbulo proximal.
Otros transportes de solutos
Otra función principal del túbulo proximal es la recuperación de metabolitos del filtrado glomerular. Aproximadamente 180 g de glucosa (1000 mEq) y 50 g de aminoácidos (400 mEq) son filtrados por el riñón humano por día. El proceso de transporte transepitelial normalmente logra la recuperación del 99,8% de estos metabolitos del líquido luminal del túbulo proximal. Como se mencionó anteriormente, este proceso requiere la asociación asimétrica de distintos transportadores en las membranas apical y basolateral. Por lo general, un transportador activo secundario dependiente de Na en la membrana del borde del cepillo utiliza el gradiente de Na para lograr la absorción inicial de solutos. Por el contrario, el transporte posterior de los solutos a través de la membrana basolateral utiliza con frecuencia un transportador pasivo independiente del Na. Ejemplos importantes de transporte transepitelial son los implicados en la recuperación de glucosa, glutamina, citrato y fosfato.
Transporte de glucosa
Dos transportadores distintos dependientes de Na median la absorción de glucosa desde la luz del túbulo proximal. SGLT2 (SLC5A2) es un transportador de glucosa de afinidad moderada que media el cotransporte de glucosa y un ion Na. El transportador SGLT2 se localiza en la membrana del borde en cepillo de los segmentos S1 y S2 del túbulo proximal, donde extrae la mayor parte de la glucosa filtrada. Por el contrario, SGLT1 (SLC5A1) tiene una afinidad ligeramente mayor, cotransporta dos iones Na por glucosa y se expresa preferentemente en la membrana apical del segmento S3. El cotransporte de dos iones Na hace que la absorción de glucosa sea energéticamente más favorable y, por lo tanto, aumenta el poder de concentración del SGLT1. Así, el posicionamiento secuencial de los dos transportadores que favorecen la capacidad y afinidad en el túbulo temprano y tardío, respectivamente, crea un mecanismo eficaz para asegurar que el <1% de la glucosa filtrada salga del túbulo proximal. Los estudios de knockout selectivo indican que SGLT2 normalmente representa el 97% de la reabsorción neta de glucosa, mientras que SGLT1 elimina la glucosa residual y proporciona capacidad de reserva. La inhibición selectiva de SGLT2 se ha propuesto como una terapia potencial para el tratamiento de la diabetes que puede mejorar la glucemia y reducir la hiperfiltración asociada. Las membranas basolaterales de los segmentos temprano y tardío del túbulo proximal contienen los transportadores de glucosa independientes de Na, GLUT2 y GLUT1, respectivamente. Ambos transportadores facilitan el movimiento pasivo de la glucosa desde las células tubulares proximales hasta el espacio intersticial. El túbulo proximal metaboliza poca o ninguna glucosa, lo que es compatible con la muy baja hexoquinasa en este segmento. En el equilibrio ácido-base normal, la diferencia arterial-venosa de glucosa a través del riñón es nula o ligeramente positiva, lo que refleja una gluconeogénesis sustancial del túbulo proximal contrarrestada por el consumo de glucosa por el resto de los segmentos de la nefrona.
Transporte de aminoácidos
El transporte renal de aminoácidos es un proceso complejo debido a la variedad de estructuras y propiedades iónicas de los aminoácidos libres en el plasma. Sin embargo, el >80% de los aminoácidos filtrados son aminoácidos neutros, todos los cuales son recuperados por el transportador apical BoAT1 (SLC6A19). BoAT1 es un cotransportador dependiente de Na de amplia especificidad que se expresa en la porción temprana del túbulo proximal y que se une a varios aminoácidos neutros, incluida la glutamina, con afinidades relativamente bajas. Estudios previos de micropunción establecieron que la glutamina filtrada se reabsorbe casi cuantitativamente desde la luz del túbulo proximal temprano. Las mutaciones en el transportador BoAT1 dan lugar al trastorno de Hartnup, que se caracteriza por una pérdida urinaria pronunciada de aminoácidos neutros. Un cotransportador separado dependiente de Na y H (SLC1A1) recupera los aminoácidos ácidos, mientras que un antiportador (SLC7A9) media la absorción de aminoácidos básicos y cisteína a cambio de un aminoácido neutro. Los transportadores que median la exportación de aminoácidos a través de la membrana basolateral están menos caracterizados. Sin embargo, se cree que en un equilibrio ácido-base normal, LAT2-4F2hc (SLC7A8), un intercambiador heterodimérico de aminoácidos neutros obligatorio, media el flujo de glutamina desde el túbulo proximal. Un intercambiador heterodimérico relacionado, y+LAT1-4F2hc (SLC7A7), promueve la exportación de aminoácidos básicos a cambio de un aminoácido neutro. Los dos antiportadores contribuyen al mantenimiento de los niveles intracelulares normales de aminoácidos. Sin embargo, el flujo neto requiere la participación de un uniportador que facilite la exportación pasiva de aminoácidos neutros. El transportador TAT1 (SLC16A10) puede realizar este último proceso.
Transporte orgánico de cationes y aniones
El túbulo proximal maneja una gama muy amplia de cationes y aniones orgánicos que utiliza una variedad de transportadores que operan en modos de absorción y secreción; Sin embargo, debido a las limitaciones de espacio, centraremos nuestra discusión en el citrato. La reabsorción del citrato filtrado se produce en la membrana apical del túbulo proximal por NaDC-1 (SLC13A2), un cotransportador de ácido dicarboxílico dependiente de Na. Los sustratos preferidos son los dicarboxilatos, como el citrato, el succinato, el fumarato y el α-cetoglutarato. En la luz tubular proximal, el citrato existe en equilibrio entre sus formas divalentes y trivalentes, pero el citrato2- es la especie transportada. Una vez que se absorbe del lumen, el citrato puede ser metabolizado por la citoplasmática ATP citrato liasa a oxaloacetato y acetil-CoA o transportado a las mitocondrias donde ingresa al ciclo del ácido cítrico. Cuando el citrato2-/3- se convierte en CO2 y H2O, se consumen iones 2 o 3 H. Por lo tanto, cada miliequivalente de citrato excretado en la orina equivale a 2 o 3 OH2 perdidos. En el día a día normal de un ser humano con una dieta occidental, hay una cantidad insignificante de HCO3 en la orina. El citrato es el único anión orgánico en cantidades milimolares en la orina y representa el principal modo de excreción de bases en circunstancias normales. Ante grandes cargas alcalinas, la bicarbonaturia se convierte en el principal mecanismo de excreción de bases.
El citrato tiene un doble propósito en la orina. Como se indicó anteriormente, es una base urinaria. Además de la excreción de bases, el complejo Ca2+:citrate3- 1:1 tiene una constante de asociación y solubilidad muy altas. Estas propiedades hacen que el citrato sea el quelante más eficaz del calcio en la orina, lo que evita su precipitación con fosfato y oxalato. La hipocitraturia es una de las principales causas subyacentes de los cálculos renales humanos y, por lo tanto, el citrato es el anión urinario más importante para los médicos.
Transporte de fosfato
La homeostasis del fosfato a nivel de todo el organismo implica flujos coordinados en el intestino, el hueso y el riñón, y una diafonía endocrina que constituye una compleja red multiorgánica. Aunque tanto el intestino como el hueso son órganos críticos para la homeostasis del fosfato, este manuscrito solo discutirá el componente renal. Es importante señalar que la absorción intestinal de fosfato implica una importante absorción paracelular que está mal regulada. Por lo tanto, el riñón es el regulador primordial del equilibrio externo. A diferencia de la reabsorción de Na, donde los ajustes finos de acabado se logran mediante segmentos más distales, la reabsorción de fosfato se logra casi en su totalidad por el túbulo proximal. Se ha propuesto una pequeña contribución del túbulo distal, pero aún es discutida. Los niveles plasmáticos reflejan el estado total del fosfato corporal, pero son muy insensibles; las concentraciones urinarias puntuales se confunden con la tasa de excreción de agua; y las tasas de excreción de fosfato se ven afectadas por la ingestión. Por lo tanto, todos estos parámetros no son los ideales para evaluar el manejo de fosfato tubular renal. Los parámetros enumerados en la Figura 4A son más adecuados para sondear el manejo tubular proximal independientemente de la carga excretada o filtrada.
El modelo celular para el transporte de fosfato en los túbulos proximales se muestra en la Figura 4B. La fuerza impulsora principal es la Na1-K1-ATPasa que genera un gradiente electroquímico para la entrada de fosfato apical. El modelo actual predice tres transportadores para la entrada apical; NaPi-2a (Npt2a, SLC34A1), NaPi-2c (Npt2c, SLC34A2) y Pit-2 (Npt3, SLC20A2, Ram-1). Las propiedades dispares de los tres transportadores fueron revisadas con gran detalle por Virkki y sus colegas. En la actualidad, el mecanismo basolateral de salida del fosfato sigue siendo enigmático. Es posible que uno o más de la plétora de mecanismos de intercambio aniónico puedan mediar la salida del fosfato. Hasta el momento, hay poca evidencia de la regulación de la salida basolateral del fosfato.
La regulación del transporte de fosfato en la membrana apical del túbulo proximal es precisa porque este es el único y último sitio de determinación del equilibrio de fosfato extracelular por el riñón. La absorción de fosfato se ve afectada por las señales entrantes, como la hormona paratiroidea, la dopamina, el factor de crecimiento de fibroblastos-23 y Klotho, que inhiben el transporte de fosfato e inducen fosfaturia. Uno de los reguladores más potentes de la fosfaturia es la ingesta de fosfato en la dieta, que puede involucrar una variedad de hormonas, incluidas enterocinas intestinales desconocidas, y la detección directa por el túbulo proximal. Esta es una de las áreas más importantes, pero menos conocidas, en la homeostasis del fosfato. La modulación del transporte proximal de fosfato se logra en gran medida mediante el tráfico de los transportadores dentro y fuera de la membrana apical, con la excepción de Klotho, que puede afectar directamente la actividad de transporte de fosfato.
Respuesta a la acidosis
El catabolismo de los aminoácidos ácidos y que contienen azufre da como resultado la producción neta de ácidos. Como resultado, una dieta alta en proteínas conduce a una acidosis metabólica crónica leve que generalmente está bien compensada. La condición clínica común de la acidosis metabólica se caracteriza por una disminución más significativa del pH plasmático y de la concentración de bicarbonato. Esta alteración en el equilibrio ácido-base puede ser causada por alteraciones genéticas o adquiridas en el metabolismo, en el manejo renal del bicarbonato y en la excreción de ácido. Además, los pacientes con caquexia, traumatismos, uremia, enfermedad renal terminal e infección por VIH suelen desarrollar acidosis como complicación secundaria que afecta negativamente a su desenlace. La acidosis crónica también causa deterioro del crecimiento, pérdida ósea, desgaste muscular, nefrocalcinosis y urolitiasis. En situaciones agudas con producción masiva de ácido que desborda la capacidad renal, la respuesta del riñón no es relevante; Sin embargo, en condiciones más crónicas, la compensación renal es crucial.
Una respuesta compensatoria renal esencial a la acidosis metabólica se inicia por el aumento de la extracción y el catabolismo de la glutamina plasmática que ocurre predominantemente en el túbulo contorneado proximal. Los aumentos resultantes en la amoníaco renal y el transporte a la orina logran la excreción de ácido, mientras que el aumento de la síntesis y el transporte de bicarbonato a la sangre corrigen parcialmente la acidosis sistémica. Estas adaptaciones ocurren rápidamente después del inicio agudo de la acidosis y posteriormente son sostenidas por cambios más graduales en la expresión génica.
Durante el equilibrio ácido-base normal, los riñones extraen y metabolizan muy poco de la glutamina plasmática. Aunque se filtra aproximadamente el 20% de la glutamina plasmática, la diferencia arteriovenosa-renal medida en ratas es del <3% de la concentración arterial de glutamina, y solo el 7% de la glutamina plasmática es extraída por los riñones humanos, incluso después de un ayuno nocturno. Por lo tanto, la utilización renal es significativamente menor que la fracción de glutamina plasmática filtrada por los glomérulos. Para explicar la reabsorción efectiva de glutamina, la actividad del transportador mitocondrial de glutamina o de la glutaminasa debe inhibirse o inactivarse en gran medida in vivo durante el equilibrio ácido-base normal.
El inicio agudo de la acidosis metabólica produce cambios rápidos en el metabolismo interorgánico de la glutamina que apoyan un aumento rápido y pronunciado en el catabolismo renal de la glutamina. En 1-3 horas, la concentración plasmática arterial de glutamina se incrementa 2 veces debido principalmente a una mayor liberación de glutamina del músculo. La extracción renal significativa de glutamina se hace evidente a medida que aumenta la concentración plasmática arterial. La extracción neta por el riñón alcanza el 35% de la glutamina plasmática, un nivel que supera la proporción (20%) filtrada por los glomérulos. Por lo tanto, la dirección normal del transportador de intercambio de glutamina basolateral, LAT2-4F2hc, se invierte para que las células del túbulo contorneado proximal extraigan glutamina tanto del filtrado glomerular como de la sangre venosa (Figura 5). Además, el transporte de glutamina a las mitocondrias puede activarse de forma aguda. Las respuestas adicionales incluyen una acidificación rápida de la orina que resulta de la translocación, como se evidencia en las células OKP, y por la activación aguda de NHE3. Este proceso facilita la rápida eliminación de los iones de amonio celulares y asegura que la mayor parte de los iones de amonio generados a partir de los nitrógenos amida y amina de la glutamina se excreten en la orina. Finalmente, las concentraciones celulares de glutamato y α-cetoglutarato disminuyen significativamente dentro de la corteza renal de rata. Estos últimos compuestos son productos e inhibidores de las reacciones de glutaminasa y glutamato deshidrogenasa, respectivamente. La disminución de las concentraciones de los dos metabolitos reguladores puede ser el resultado de una activación inducida por el pH de la a-cetoglutarato deshidrogenasa. Por lo tanto, el aumento agudo de la amoníaco renal puede ser el resultado de una rápida activación de los procesos de transporte clave, una mayor disponibilidad de glutamina y una disminución en la inhibición del producto de las enzimas de la amoníaco.
Durante la acidosis crónica, muchas de las respuestas agudas se revierten y la concentración plasmática arterial disminuye a un nuevo estado estacionario que es el 70% de lo normal. Sin embargo, más de un tercio de la glutamina plasmática todavía se extrae en un solo paso a través de los riñones. El aumento del catabolismo renal de la glutamina en el túbulo contorneado proximal ahora se sustenta en una mayor expresión de genes que codifican transportadores y enzimas clave del metabolismo de la glutamina (Figura 5). Un estudio exhaustivo de la respuesta adaptativa de los transportadores de aminoácidos conocidos en el riñón de ratón demostró que solo el transportador basolateral SNAT3 (SLC38A3) exhibe un aumento rápido y pronunciado durante el inicio de la acidosis. El transportador SNAT3 tiene una alta afinidad por la glutamina. En condiciones fisiológicas, cataliza una absorción reversible de glutamina dependiente de Na que se acopla al flujo de iones H. SNAT3 normalmente se localiza únicamente en la membrana basolateral del segmento S3 del túbulo proximal. Este segmento expresa altos niveles de glutamina sintetasa. Por lo tanto, el transportador SNAT3 normalmente puede facilitar la liberación de glutamina dependiente del pH. Sin embargo, durante la acidosis crónica, el aumento de la expresión del transportador SNAT3 se produce principalmente en las membranas basolaterales de los segmentos S1 y S2 del túbulo proximal, el sitio del aumento del catabolismo de glutamina. Dado el aumento sostenido en la concentración de iones H dentro de estas células, el aumento de la expresión del transportador SNAT3 ahora puede facilitar la absorción basolateral de glutamina y contribuir a su extracción sostenida durante la acidosis crónica. Dentro de las 8 a 24 horas posteriores al inicio de la acidosis, también se produce un aumento pronunciado de la fosfoenolpiruvato carboxicinasa solo en el túbulo contorneado proximal. Los aumentos más graduales en los niveles de glutaminasa mitocondrial y glutamato deshidrogenasa que requieren de 4 a 7 días también ocurren únicamente dentro del túbulo contorneado proximal. Además, se incrementa el nivel de acuaporina-8, un potencial transportador mitocondrial de amoníaco.
La absorción de glutamina en las mitocondrias de ratas normales está mediada por dos antiportadores de glutamina, mientras que un uniportador de glutamina altamente activo es evidente solo en las mitocondrias preparadas a partir de ratas acidóticas. Por lo tanto, la acidosis conduce a un aumento de la expresión o activación de un transportador de glutamina mitocondrial único, pero no identificado. La activación aguda y el posterior aumento de la expresión de NHE3 acidifican el líquido en la luz tubular y contribuyen al transporte activo de iones de amonio como sustrato directo de NHE3. La adaptación en NHE3 probablemente refleja el aumento de la demanda de secreción de iones de amonio, aunque esto es difícil de probar. La carga de HCO3 filtrada ciertamente disminuye en la acidosis metabólica, por lo que no se requiere una mayor capacidad de absorción de HCO3. Como resultado, el aumento de la amoníaco renal continúa proporcionando un catión desechable que facilita la excreción de ácidos fuertes mientras conserva los iones de sodio y potasio. En ratas y humanos, el α-cetoglutarato generado a partir del catabolismo renal de la glutamina se convierte principalmente en glucosa. Este proceso requiere fosfoenolpiruvato carboxiquinasa para desviar el oxaloacetato, derivado de intermediarios del ciclo del ácido tricarboxílico, hacia la vía de la gluconeogénesis. Las vías combinadas de amoníaco y gluconeogénesis dan como resultado una producción neta de 2 iones NH4 y 2 HCO3 por glutamina. La activación de NBCe1A, el cotransportador basolateral Na/3HCO3, facilita la translocación de iones HCO3 reabsorbidos y sintetizados de novo en la sangre venosa renal. Por lo tanto, las adaptaciones combinadas también crean una liberación renal neta de iones HCO3 que restaura parcialmente el equilibrio ácido-base.
El aumento adaptativo del transportador NaDC-1 contribuye a aumentar la reabsorción y el metabolismo del citrato dentro del túbulo proximal. Esto reduce la excreción de una base valiosa en la orina. Esta adaptación se produce a múltiples niveles. La acidificación de los títulos de pH luminal citrato3- a citrato2-, que es el sustrato preferido, y el pH bajo también activa directamente el NaDC1 para aumentar el transporte independiente de [citrato2-] (Figura 3B). Además del transporte, el aumento del metabolismo celular también impulsa la reabsorción de citrato. Después de la absorción celular, el citrato se metaboliza a través de una de dos vías: una vía citoplasmática que involucra la citrato liasa o una vía mitocondrial que involucra el ciclo del ácido cítrico. Durante la acidosis, también aumentan las actividades de la citrato liasa citoplasmática y la aconitasa mitocondrial. Debido a que ambas vías generan HCO3, el aumento de la reabsorción de citrato es equivalente a una disminución en la excreción de bases. El catabolismo mejorado del citrato también produce sustratos que apoyan el aumento de la gluconeogénesis.
Las perturbaciones ácido-base son un regulador importante del manejo de fosfato en los túbulos proximales. La acidosis metabólica y respiratoria aumenta la excreción de fosfato y la alcalosis metabólica y respiratoria disminuye la excreción de fosfato. El mecanismo de la fosfaturia en la acidosis es complejo y está mediado por muchos factores, entre ellos el aumento de la liberación de fosfato del hueso, la titulación del fosfato luminal a la forma monovalente, la activación directa de NaPi-IIa y NaPi-Iic por el pH, la disminución de las proteínas de la membrana apical y las transcripciones de los transportadores, aunque se han descrito resultados dispares sobre los niveles de proteínas (Figura 3B). La fosfaturia inducida por el ácido sirve para aumentar el tampón H urinario, pero también acomoda el fosfato liberado por el hueso asociado con la carga ácida.
Los aumentos graduales de glutaminasa y glutamato deshidrogenasa son el resultado de la estabilización selectiva de sus ARNm. Por el contrario, el rápido aumento de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa es el resultado de una mayor transcripción del gen PCK-1, mientras que la estabilización del ARNm contribuye al aumento sostenido. La presencia de un elemento de respuesta al pH (pH-RE) que regula el recambio del ARNm de la glutaminasa se demostró inicialmente mediante la expresión estable de un ARNm indicador quimérico de b-globina, que incluye un segmento de 956 pb de la región de 39 no traducidos del ARNm de la glutaminasa. Los análisis de cambio de gel de ARN de varias construcciones de deleción mapearon el pH-RE a dos secuencias de AU de 8 nt dentro de la región de 39 no traducidos. La mutación del pH-RE dentro del ARNm reportero de b-globina bloqueó la estabilización que responde al pH. Además, la inserción de solo un segmento de 29 pb que contenía el pH-RE fue suficiente para producir una degradación rápida y una estabilización sensible al pH. Por lo tanto, el pH-RE identificado contribuye a la rápida renovación del ARNm de la glutaminasa y es necesario y suficiente para mediar su estabilización sensible al pH.
El análisis proteómico de túbulos contorneados proximales renales aislados de rata identificó 60 proteínas adicionales que aumentan durante la acidosis aguda y crónica. Más del 50% de los ARNm que codifican las proteínas inducidas contienen una secuencia AU que tiene una identidad del >85% con el elemento de respuesta al pH que se encuentra en el ARNm de la glutaminasa. Este hallazgo sugiere fuertemente que la estabilización del ARNm es un mecanismo primario por el cual la expresión de proteínas aumenta en respuesta a la aparición de acidosis metabólica.
El mantenimiento de la composición y el contenido del volumen de líquido extracelular es fundamental para la salud, como lo demuestra la insuficiencia orgánica múltiple que se observa en la enfermedad renal. El túbulo proximal de los mamíferos utiliza una matriz de transportadores de membrana polarizada para llevar a cabo el transporte vectorial de solutos. Al reducir el contenido luminal de muchos solutos abundantes a un nivel que está dentro de la menor capacidad de reabsorción de los segmentos distales de la nefrona, permite que la absorción de estos solutos se ajuste aguas abajo. Sin la gran capacidad de reabsorción proximal, sería imposible que el riñón mantuviera la alta TFG necesaria para mantener las altas tasas metabólicas características de los vertebrados terrestres. Para muchos solutos con concentraciones plasmáticas más bajas y, por lo tanto, menor carga filtrada, la reabsorción proximal es el árbitro final de la excreción urinaria. El riñón tiene una enorme capacidad para hacer frente a una amplia gama de desafíos fisiológicos. Mientras que los ácidos volátiles pueden excretarse en una fase gaseosa en el pulmón, el riñón es el único órgano donde se pueden excretar los ácidos no volátiles y donde los tampones corporales descompuestos, como el bicarbonato, pueden regenerarse. La carga de ácido metabólico y la acidosis metabólica tienen consecuencias agudas y crónicas indeseables y desencadenan una red multiorgánica coordinada de respuestas adaptativas que rectifican parcialmente la alteración. Aunque intuitivos en principio, los mecanismos reales son en realidad extremadamente complejos y el túbulo proximal está en el centro del escenario. Con un elenco incorporado de actores inherentes a este epitelio, el túbulo proximal provoca un conjunto complejo de mecanismos que incluyen la detección intrínseca del pH y las adaptaciones en los transportadores de membrana y las enzimas metabólicas para tomar una molécula neutra, dividirla en un ácido y una base, y transferir el ácido a la orina y la base a la sangre. Aunque el breve recuento de este artículo resume los avances significativos realizados a lo largo de décadas, la comprensión de este sistema apenas comienza. Con el auge actual de poderosos métodos de investigación, la delineación de los mecanismos de adaptación a la acidosis surgirá con mayor rapidez y claridad.
