Osmorregulação: Conceitos, princípios e fisiologia renal.

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1 Fisiologia Comparativa Osmorregulação: Conceitos, princípios e fisiologia renal. Prof. Márcio Reis Custódio (mcust@usp.br - Sala 300) Laboratório de Biologia Celular de Invertebrados Marinhos

2 Bases Marcos na história biológica Surgimento da vida (moléculas orgânicas) Membranas Citoesqueleto Núcleo Multicelularidade

3 Bases Membranas Origens > 3,8 3.8 bilhões de anos Quimiofósseis Esteranos = Colesterol Porfirinas = Clorofila? Acritarcos > 600 Ma (imagens) Acritarcos (~ 3,2 ba) Afinidade incerta Parede orgânica Estromatólitos (~ 2,7 ba) Cianobactérias Estromatólitos (Austrália)

4 Bases Mem branas Isolamento Externo Interno Comp artimentos Manutenção de elementos para uso próprio Gradiente Separação de (sub)processos Interação com meio Controlada Organismos Soluções aquosas compartimentalizadas

5 Bases Conceitos Água Dipolo Características Comum Polar Pontes de hidrogênio Alto calor específico Pontes de hidrogênio Coesão Withers (1992) Comparative animal physiology. Saunders Pub.

6 Bases Conceitos Água Dipolo solvente universal Interações H 2 O H 2 O H 2 O Interfaces H 2 O Íons H 2 O Macromoléculas Withers (1992) Comparative animal physiology. Saunders Pub.

7 Bases Conceitos Membrana semipermeável Osmose Movimento do solvente (água) H 2 O Membrana semipermeável Baixa concentração Alta concentração Osmolaridade Partículas osmóticamente ativas Pressão osmótica H 2 O Cálculo? Baixa concentração Alta concentração

8 Bases Pressão osmótica Inicial Membrana semipermeável Teórica Unidade Número de partículas (solúveis) Osmóis por litro (Osm) π = irtc (van't Hoff) miliosmóis (mosm) i = número de partículas dissociadas R = constante dos gases T = temperatura absoluta (K) c = concentração do soluto (mol) H 2 O Baixa concentração Alta concentração Ideal = Número 1 mm 1 mos Glicose = 1 mm Pressão = 1 mosm NaCl = 1 mm Pressão = 2 mosm Na + Cl - H 2 O Baixa concentração Equilíbrio Alta concentração Guyton & Hall (2011) Tratado de Fisiologia Médica, 12 a Ed. Elsevier

9 Bases Inicial Pressão osmótica Membrana semipermeável Real Interações Entre íons Entre íons e água Concentrações Coeficiente osmótico π = ΦiRTc Na Na K Cl Gli K Na Cl K Gli K K Gli Na Na Gli Na Cl Na Na K K Subst. i Coef. (Φ) NaCl MgSO CaCl Na 2 SO Glicose Sacarose Baixa concentração K Alta concentração Na Na K Cl K Gli Na K Equilíbrio de Donnan Na Na K Cl Gli Cl K Na Gli Gli Na K Na Pressão osmótica igual Distribuição desigual de compostos (e cargas) Coeficientes osmóticos iguais Baixa concentração Equilíbrio Alta concentração Guyton & Hall (2011) Tratado de Fisiologia Médica, 12 a Ed. Elsevier

10 Bases Pressão osmótica Real Interações Entre íons Entre íons e água Concentrações Partículas dissociadas (i) Concentração (c) Coeficiente osmótico π = ΦiRTc Temperatura (T) Subst. i Coef. (Φ) NaCl MgSO CaCl π π Na 2 SO Glicose Sacarose K Na Na K Cl K Gli Na K Equilíbrio de Donnan Na Na K Cl Gli Cl K Na Gli Gli Na K Na Pressão osmótica igual Distribuição desigual de compostos (e cargas) Coeficientes osmóticos iguais Baixa concentração Equilíbrio Alta concentração Guyton & Hall (2011) Tratado de Fisiologia Médica, 12 a Ed. Elsevier

11 Bases Conceitos Osmolaridade Concentração da solução Soluções isosmóticas Isosmóticas Concentração igual Soluções hiposmóticas Concentração menor Soluções hiperosmóticas Concentração maior Hiposmótica Hiperosmótica

12 Bases Solução isotônica Conceitos Hemácia Tonicidade Pressão osmótica relativa Solução Soluções isotônicas Iguais Membrana Solução hipotônica Movimento da água Soluções hipotônicas Tonicidade menor Solução hipertônica Soluções hipertônicas Tonicidade maior

13 Bases Conceitos Osmolaridade Relativo a soluções Físico-Químico OsmolaRidade = nº de partículas por Litro de solução OsmolaLidade = nº de partículas por Quilo de solução Tonicidade Relativo a membranas Descritivo

14 Bases Princípios Organismos Ganhos e Perdas Ingestão H 2 O Sais Proteínas Outros Ganhos parcialmente controláveis Produção H 2 O CO 2 N Outros Contato com o meio O 2 Sais H 2 O Outros Compensação Na + K + H + Cl - Proteínas Ca ++ Outros H 2 O Fezes Superfícies Respiração Perdas parcialmente controláveis

15 Bases Claude Bernard ( ) Conceitos Walter B. Cannon ( ) Homeostase C. Bernard "A estabilidade do meio interno é a condição de uma vida livre, independente" W.B. Cannon "Manutenção da constância do meio in te rn o d e n tro d e lim ite s fis io ló g ic o s parâmetro Ambiente externo Equilíbrio Ambiente interno = Constante Ótimo Ambiente interno

16 Bases Princípios Concentrações (mmol) Ambientes Organismos Água do mar Água de rio Ligia (mar) Carassius (rio) Sódio (Na) 478 0, Magnésio (Mg) 54 0, Cálcio (Ca) 10 0, Potássio (K) 10 0, Cloro (Cl) 558 0, Sulfato (SO 4 ) 28 0,21 4 0,2 > x ~ 6 x

17 Bases Princípios Organismos Volume Funcionamento ótimo Concentração Volume Limites estreitos Concentração Mecanismos e órgãos de compensação

18 Peso (Kg) Compartimentos Artéria Fluídos corporais (humano) Água: ~ 42 L / 70 Kg Distribuição Fluído Intracelular (~25 L) Capilares Intracelular Intersticial Fluído Intersticial (~14 L) Sangue Sangue (~5,5 L) 60% Água Veia Células: 45% Plasma: 55% 40% Proteínas, Lipídios, Ossos. etc. Água: ~3 L Intracelular Intersticial Sangue Hill et al. (2008) Animal Phyisiology, 2 a Ed. Sinauer Associates

19 Compartimentos Fluídos corporais Quantidades Crianças Homens Mulheres Diferentes Idosos Crianças Adultos Idosos Compartimento Homens Mulheres Plasma 4% 4% 5% 5% Estruturas Intersticial 11% 11% 10% 15% Tecidos Matriz extracelular Intracelular Total 48% 77% 45% 35% 60% 50% 25% 45% Pearson Ed., 2013

20 Concentração total de soluto Compartimentos Fluídos corporais Equilíbrio (de Donnan) Plasma Intersticial Intracelular ~ mosm (humanos) Composição K +, Cl -, Na +, Mg +,... Intracelular Intersticial Diferentes Plasma Gradientes Impulso nervoso Contração Transporte... Pearson Ed., 2013

21 Fluídos corporais Regulação Intracelular Membranas Intersticial Endotélios Plasma Rins < 1% do peso total Artéria renal Veia renal 20-25% do fluxo cardíaco Volume total a cada 4-5 minutos Ureter 1200 ml sangue/min

22 Estrutura Cortex Cortex Medula Periferia Nefrons Medula Externa Interna Pélvis Pélvis Coleta Nefrons Formação da urina Ureter

23 Nefron justamedular Nefron cortical Estrutura Nefrons Arteríola aferente Glomérulo Túbulo distal Arteríola aferente Cápsula de Bowman 1200 ml sangue/min ~ 600 ml plasma/min Arteríola eferente Glomérulo Cortex 120 ml filtrado/min (20%) Cápsula de Bowman Medula Túbulo proximal Alça de Henle Ducto coletor (para a pélvis renal) Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

24 Estrutura Glomérulo Cápsula de Bowman Glomérulo Arteríola aferente Ultrafiltração Arteríola aferente Baixa resistência Filtrado Arteríola eferente Alta resistência Fluxo regulado por constrição Cápsula de Bowman Glomérulo Ultrafiltração Arteríola eferente Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

25 π = Φ irtc Ultrafiltração Pressão π π Coeficiente osmótico Cl Uréia Ptn K Ptn H 2 O Ptn Uréia Cl K Na H 2 O Maior Membrana (semi-)permeável Pressão π π + pressão Menor Ptn Ptn Ptn H 2 O Cl K Na H 2 O K Cl Na Na Uréia Membrana (semi-)permeável Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

26 Ultrafiltração Ptn H 2 O Ptn Cl K Ptn Na H 2 O K Cl Na Na Uréia Pressão Membrana (semi-)permeável Passagem Água Uréia Arteríola aferente Arteríola eferente Íons Retenção Aminoácidos Pressão capilar: + 55 mm Hg Pressão coloidal do plasma: - 30 mm Hg Cápsula de Bowman Proteínas Moléculas grandes Pressão intracapsular: - 15 mm Hg Capilares do glomérulo Pressão de filtração: - 10 mm Hg (~13g / cm 2 ) Não é totalmente seletiva Membrana filtrante Ultrafiltrado Túbulo proximal Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

27 Membrana filtrante Filtrado Endotélio capilar glomerular Fenestrado: < 100 nm Membrana basal do glomérulo Membrana basal Colágeno IV: < 8 nm Fenestrações endoteliais Sangue Principal barreira Seletividade Endotélio glomerular Tamanho Podócitos Epitélio da Cápsula de Bowman Podócitos Img: Cohen (2010) WebMD. Medscape

28 Podócito Membrana filtrante Endotélio capilar glomerular Epitélio da Cápsula de Bowman Podócitos Sialoproteínas Ácido siálico Podocalyxina Espaço de Bowman Pedicélios Proteglicanos Proteo Heparan sulfato Seletividade Epitélio (cápsula) Cargas Membrana basal Endotélio (glomérulo) Fendas de filtração Fenestrações endoteliais

29 Membrana filtrante Filtração e diâmetros < 4 nm Passam 4-8 nm Depende > 8 nm Retidas Filtração e cargas Negativas (ex. albumina) Dificultada Substância Diâmetro (nm) Filtração Sódio (Na) 0,4 100% Cloreto (Cl) 0,6 100% Glicose 0,7 100% Mioglobina 4,0 75% Hemoglobina 6,5 3% Albumina 7,2 ~ 0,1% Filtração e formatos Ex.: vs. Qual a composição do filtrado em relação ao plasma? Similar ~ mosm ~ mosm Sem células Sem proteínas

30 Formação da urina Glomérulo Túbulo distal Arteríola aferente Cápsula de Bowman Túbulo proximal Arteríola aferente Alça de Henle Arteríola eferente Glomérulo Cortex Túbulo distal Cápsula de Bowman Medula Túbu Ducto coletor Túbulo proximal Concentração Composição Alça de Henle Ducto coletor (para a pélvis renal) Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

31 Cápsula de Bowman Túbulo proximal Túbulo distal Formação da urina Túbulo (contorcido) proximal Remoção Capilares Na + (Cl - ) Água Glicose Aminoácidos Bicarbonato Cortex Medula externa Ducto coletor Secreção Subs. endógenas Subs. exógenas Ácido glicurônico (fígado) Medula interna ex. 75% do volume filtrado Epinefrina Penicilina Morfina... ~ mosm ~ mosm Alça de Henle Alça de Henle Transporte ativo de NaCl Osmolaridade do filtrado (mosm) Difusão passiva de uréia Difusão passiva de H 2 O Difusão passiva de NaCl Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

32 Cápsula de Bowman Túbulo proximal Túbulo distal Formação da urina Alça de Henle Alça descendente Cortex Alça ascendente Córtex e medula Medula externa Ducto coletor Medula interna ~ mosm ~ mosm Alça de Henle mosm?? Transporte ativo de NaCl Osmolaridade do filtrado (mosm) Difusão passiva de uréia Difusão passiva de H 2 O Difusão passiva de NaCl Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

33 Cortex Medula Concentração Concentração no interstício (mm) Medula externa Medula interna Rins Uréia Regiões diferentes Cortex Glomérulos/Bowman/Proximal Sódio Intersticio Medula interna Cloreto Isotônico Cortex Medula externa Medula Alças de Henle Dutos coletores Intersticio Hipertônico Multiplicador em contracorrente Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

34 Cápsula de Bowman Multiplicador em contracorrente Alça de Henle Fluxo contrário Descendente Fluido intersticial (medula) Ascendente Transporte ativo Características diferentes Cortex Alça descendente Permeável à água Intersticio Alça ascendente Impermeável à água Transporte ativo Na(Cl) Alça de Henle Na + Cl - Passivo Medula Hill et al. (2008) Animal Phyisiology, 2 a Ed. Sinauer Associates

35 Multiplicador em contracorrente Alça de Henle Fluxo contrário Descendente Fluido intersticial Ascendente Efeito Medula hipertônica Hill et al. (2008) Animal Phyisiology, 2 a Ed. Sinauer Associates

36 Cápsula de Bowman Túbulo proximal Túbulo distal Formação da urina Alça descendente Permeável Água Cortex Impermeável Equilíbrio com o interstício Na + (Cl - ) Uréia Medula externa Ducto coletor Alça ascendente Impermeável Água Remoção ativa Formação do gradiente Medula interna Na + (Cl - ) Alça de Henle Transporte ativo de NaCl Difusão passiva de uréia Túbulo distal Osmolaridade do filtrado (mosm) Difusão passiva de H 2 O Difusão passiva de NaCl Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

37 Cápsula de Bowman Túbulo proximal Túbulo distal Formação da urina Túbulo (contorcido) distal Remoção ativa Na + (Cl - ) Permeável Concentração do filtrado Cortex Água Medula externa Ducto coletor Medula interna Regulagem Água Sódio Alça de Henle Cálcio Magnésio Transporte ativo de NaCl Difusão passiva de uréia Ducto coletor Osmolaridade do filtrado (mosm) Difusão passiva de H 2 O Difusão passiva de NaCl Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

38 Cápsula de Bowman Túbulo proximal Túbulo distal Formação da urina Ducto coletor ~ 5% do inicial filtrado Remoção ativa (pouca) Na + (Cl - ) Cortex Permeável Uréia Água Concentração do filtrado Medula externa Ducto coletor Secreção K + (regulada) Medula interna Alça de Henle Na, Cl, água Uréia? Transporte ativo de NaCl Difusão passiva de uréia Osmolaridade do filtrado (mosm) Difusão passiva de H 2 O Difusão passiva de NaCl Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

39 Cápsula de Bowman Túbulo proximal Túbulo distal Urea trapping Túbulo proximal Permeável Cortex Alça de Henle Túbulo distal Pouco permeável Medula externa Ducto coletor Baixa permeabilidade Ducto coletor (medular) Medula interna Permeável Alça de Henle Manutenção na medula Medula hipertônica Urina concentrada Transporte ativo de NaCl Osmolaridade do filtrado (mosm) Difusão passiva de uréia Difusão passiva de H 2 O Difusão passiva de NaCl Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

40 Cápsula de Bowman Túbulo proximal Túbulo distal Formação da urina Volume (por dia) Plasma Urina Reabsorção 180 L 1 a 2 L 178 L Cortex Medula externa Ducto coletor Concentração Plasma Urina Urina/Plasma (U/P) 300 mosm 1200 mosm 4 x Medula interna Alça de Henle Controle? Transporte ativo de NaCl Osmolaridade do filtrado (mosm) Difusão passiva de uréia Difusão passiva de H 2 O Difusão passiva de NaCl Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

41 Aldosterona Mais reabsorção de Na + Controle hormonal Renina-Angiotensina-Aldosterona Adrenal Túbulo distal Baixa pressão (arteríola aferente) Baixo Na + (túbulo distal) Posição AJG Secreção de Renina (granulares) Clivagem do precursor Angiotensina II Vasoconstrição sistêmica Aumento de Angiotensina II Vasoconstrição geral Liberação de Aldosterona Cápsula de Bowman Conversão (ACE) Angiotensina I Renina Angiotensinogeneo (fígado) Aumento na absorção de Na + Células granulares Arteríola aferente Túbulo distal Aparelho Justaglomerular (AJG) Mácula densa Arteríola eferente Glomérulo Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

42 Sede Osmolaridade plasmática Volume plasmático * Hipotálamo Pressão sanguínea Centro de sede Saliva Osmoreceptores (hipotálamo) Céls. justaglomerulares (rins) Osmolaridade: 1 a 2% Renina-Angiotensina Volume: -10 a -15% Boca seca Angiotensina II Umidade nas mucosas Distensão Centro de sede (hipotálamo) Sensação de sede Boca/garganta úmidas Estômago/intestino distendidos Água absorvida no trato gastrointestinal Osmolaridade plasmática Volume plasmático Aumento Redução Estímulo inicial Resposta fisiológica Resultado * Estímulo menor Pearson Ed., 2013

43 Cápsula de Bowman Controle hormonal Túbulo proximal Túbulo distal ~100 mosm Hormônio Antidiurético ~300 mosm ADH (Antidiuretic Hormone) Vasopressina Osmolaridade do plasma < 300 mosm Osmoreceptores (hipotálamo) Menos ADH (pituitária) Vaso Túbulo distal Ducto coletor Baixa permeabilidade Ducto coletor Urina mais diluída Plasma mais concentrado Impermeável à água ~1000 mosm ~65 mosm

44 Cápsula de Bowman Controle hormonal Túbulo proximal Túbulo distal ~100 mosm Hormônio Antidiurético ~300 mosm ADH (Antidiuretic Hormone) Vasopressina Osmolaridade do plasma > 300 mosm Osmoreceptores (hipotálamo) Mais ADH (pituitária) Vaso Túbulo distal Ducto coletor Aumento da permeabilidade Ducto coletor Urina mais concentrada Plasma mais diluido Impermeável à água ~1000 mosm ~ 1000 mosm Água Transporte?

45 Aquaporina Água Sem transporte ativo AQP 2 AQP 3 AQP 4 Osmose Aquaporinas (AQP) 4 subunidades Várias isoformas Água AQP 1 AQP 7 Altamente conservadas Canal de água Passagem em fila única 5 x 10 8 moléculas / s Bidirecional Membrana celular Membrana celular

46 Aquaporinas Aquaporinas e permeabilidade (túbulo distal e ducto coletor) Com ADH (sangue capilar peritubular) Receptor V2 (membrana basolateral) Lúmen do túbulo Espaço intersticial ADH Proteina G alfa AMPc intracelular Adenilato ciclase PKA Exocitose AQP2 Membrana basolateral Receptor V2 Fosforilação: proteinas celulares / Núcleo Incorporação das AQP2 em vesículas Inserção das AQP2 (exocitose) Vesícula Outras PTNs Fosforilação PKA Entrada de água Endocitose Síntese AQP2 Sem ADH APQ2 reinternalizadas por endocitose Núcleo AQP3 e AQP4 Membrana luminal impermeável Sem entrada de água Membrana basolateral L iv re m e n te p e rm e á v e l à á g u a AQP 3 e 4 Insensíveis ao ADH

47 Estrutura Córtex Isotônico Cortex Medula externa Medula interna Medula externa Hipertônica Medula interna Hipertônica Gradiente osmótico (mosm) ~ 300 ~ 1200 Plasma Medula interna Como as células da medula renal sobrevivem?

48 Água e solutos Rins Capilar Formação da urina Soma de: 1) Filtração glomerular Filtração 2) Reabsorção tubular 3) Secreção tubular Túbulo renal Reabsorção Água e solutos Urina hipertônica Secreção Ureter Ureter Randall et al. (2002) Eckert: Animal Phyisiology, 1 a Ed. Freeman & Co.

49 Rins Formação da urina Urotélio Alta resistência elétrica Baixa permeabilidade p/ íons Hidrofóbica Ureter Impermeável?? Pélvis renal Urina descartada ph 5,7-6,6 6,6-7,0 Bexiga Osmol Na (mm) K (mm) Uretra Alterada... Aquaporinas Secreção ativa Shafik et al (2006) Urol Res 34: Rubenwolf et al (2009) Eur Urol 56: Img:

50 Sistema renal Atuação Volume Tonicidade Composição Água Outros elementos Uréia Sais inorgânicos (Cl, Na, K,...) Creatinina Amônia Ácidos orgânicos Várias toxinas solúveis Produtos da quebra da hemoglobina (eg. urobilina) Atuação conjunta!! Cápsula + túbulos + alça de Henle + ductos + sistemas de controle

51 Sistema renal Homeostase Balanço Ingestão Concentração Volume Perda Metabolismo +10% Alimentos +30% Fezes -4% Suor -8% Perda passiva -28% (pele, pulmões) Liquidos +60% Urina -60% Ingestão média diária Perda média diária Sistema Renal Pearson Ed., 2013

52 Concentração Bases Mecanismos Geral Mecanismos ~ comuns Área de coleta Túbulo proximal. reabsorção/secreção de alguns solutos Túbulo distal. Ducto coletor reabsorção/secreção não-isosmótica Ducto final Drenagem Meio externo Reabsorção Secreção Fluido corporal (meio interno) Estocagem Volume Descarte Maiores alterações na concentração osmótica Alterações: Menores na concentração osmótica (±) Maiores nas concentrações iônicas (±) Poucas alterações Faixa de concentração da urina Sistema renal Distância percorrida Outras funções? Willmer et al. (2005) Environmental physiology of animals. Blackwell

53 Temas sugeridos: 1. Cálculos renais: Formação, diagnóstico, prognóstico, tratamento e prevalência. 2. Café, cerveja e diurese: Existe realmente alguma relação? Por quê? 3. Osmorregulação em organismos nectarívoros e/ou hematófagos: Quais são os problemas dessas dietas? Quais as soluções? 4. Diabetes insipidus? Causas e tratamento? 5. Anidrobiose. Vida sem água é possível? 6. Osmorregulação no envelhecimento: Quais as alterações e problemas esperados? 7. Osmorregulação em Artemia: O que são? Adaptação e sobrevivência a variações extremas. 8. Osmoreceptores e Baroreceptores: Como os organismos e as células detectam mudanças? 9. Hemodiálise: Necessidade, mecanismo e complicações. Como funciona a máquina e até que ponto pode substituir o rim? 10. Osmorregulação em isópodes (crustáceos) terrestres: O que são? Como um organismo "aquático" sobrevive em ambientes terrestres? 11. Transplante de Rim: Quais as conseqüências e ajustes fisiológicos. 12. Osmorregulação em anfíbios de ambientes desérticos: Quais são as adaptações e estratégias necessárias. 13. Dois litros por dia? Quem disse? Qual volume de água é realmente necessário? Existem problemas se for demais? Isso pode variar? Seminários 14. Rins e gravidez: Quais são as alterações esperadas? Quais os problemas decorrentes? Resumos: Até DIA 13/10 Apresentação: DIA 20/10 Usem o formulário para os resumos!! Tempo: 10 min + 5 min