Физиология почек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физиология почек



Общие принципы работы почек

Что требуется от работы почек

Главная функция почек -- выделительная. Помимо нее, почки выполняют и другие функции:

метаболическую -- в почках протекает глюконеогенез и другие необходимые для организма в целом обменные процессы;

эндокринную -- почки выделяют стимулятор эритропоэза эритропоэтин, активную форму витамина D кальцитриол, ренин и некоторые простагландины.

Здесь мы рассмотрим только выделительную функцию почек, а остальные функции -- только в той мере, в которой они относятся к выделению.

Почки -- главный орган, отвечающий за выведение нелетучих растворенных в крови веществ (за выведение летучих веществ, прежде всего CO2, отвечают легкие). Все такие вещества можно (условно!) разделить на три группы.

Полезные для организма вещества. Это глюкоза, аминокислоты и белки. Иными словами, к этой группе относятся органические субстраты.

Вредные или бесполезные вещества:

эндогенные вещества. Это продукты распада, прежде всего мочевина (главный продукт распада белков), а также мочевая кислота (главный продукт распада нуклеиновых кислот), креатинин, сульфаты, фосфаты, метаболиты гормонов и пр.;

экзогенные вещества. Это лекарственные средства, пищевые добавки и другие чужеродные организму соединения (ксенобиотики).

Таким образом, к этой группе относятся метаболиты и ксенобиотики.

Вещества, концентрация которых в крови должна поддерживаться на строго определенном уровне. К ним относятся:

вода, Na+ и Cl- . От соотношения этих веществ зависит водно-осмотическое равновесие (гл. 9);

H+ и щелочные анионы, главный из которых -- HCO3-. От соотношения этих веществ зависит кислотно-щелочное равновесие (гл. 9);

прочие электролиты, важнейшие из которых -- K+, Ca2+, Mg2+ и PO42-.

Таким образом, к этой группе относятся вода и электролиты.

Требования, предъявляемые к выведению этих веществ, следующие:

органические субстраты -- полезные для организма вещества -- не выводить;

метаболиты и ксенобиотики -- вредные или по крайней мере бесполезные для организма вещества -- выводить максимально;

воду и электролиты -- постоянные компоненты внутренней среды -- выводить в таком количестве, чтобы их содержание поддерживалось на постоянном уровне.

Выполняя эти требования, почки выполняют две основные функции.

Очищающая функция: удаление из крови метаболитов и ксенобиотиков.

Гомеостатическая функция: поддержание водно-осмотического равновесия, кислотно-щелочного равновесия, электролитного равновесия и, косвенно (путем регуляции водно-осмотического баланса), артериального давления.

Как почки выполняют эти требования

Нефрон

Структурно-функциональной единицей почки является нефрон.

Два этапа образования мочи: клубочковая фильтрация и канальцевый транспорт

Важнейшая задача почек -- выведение метаболитов и ксенобиотиков. Некоторые из таких веществ выводятся в мочу (секретируются) с помощью специальных переносчиков, распознающих эти вещества. Однако невозможно предусмотреть переносчики для всех экзогенных веществ, подлежащих выведению из организма. В связи с этим природа пошла по пути двухэтапной очистки крови: сначала в клубочках почек отфильтровывается очень большой объем безбелковой части плазмы, а затем в канальцах почек распознаются и реабсорбируются (всасываются обратно в кровь) нужные для организма вещества. Вредные и бесполезные вещества, то есть метаболиты и ксенобиотики, при этом остаются в моче. Таким образом, образование мочи происходит в два этапа.

1. Клубочковая фильтрация.

2. Канальцевый транспорт.

Хотя канальцевый транспорт представляет собой в основном реабсорбцию, то есть обратное всасывание отфильтрованных веществ в кровь, в небольшом объеме он идет и в противоположном направлении -- из крови в мочу. Это секреция, необходимая для более полного выведения (и, соответственно, быстрого удаления из организма) ненужных веществ и для тонкой регуляции содержания в крови электролитов.

Обязательный и факультативный канальцевый транспорт

Обязательный канальцевый транспорт

В процессе клубочковой фильтрации образуется очень большой объем фильтрата -- около 180 л/сут. Следовательно, сразу после фильтрации должна происходить реабсорбция большей части отфильтровавшейся жидкости. Эта жидкость должна быть близкой по pH, осмотическому давлению и концентрации основных электролитов к плазме (малейшие отклонения в составе реабсорбируемой жидкости, учитывая огромный объем реабсорбции, неминуемо привели бы к многократно большим отклонениям в составе плазмы). Кроме того, должны реабсорбироваться все полезные вещества (органические субстраты) и при возможности дополнительно секретироваться в мочу все ненужные вещества, то есть метаболиты и ксенобиотики. Все эти процессы должны происходить обязательно, независимо от состояния организма. Это обязательный канальцевый транспорт.

Обязательный канальцевый транспорт протекает в проксимальном канальце -- отделе нефрона, непосредственно следующем за клубочком. В соответствии с предъявляемыми к обязательному канальцевому транспорту требованиями, в этом отделе нефрона:

реабсорбируются две трети отфильтровавшейся жидкости;

реабсорбируемая жидкость обладает такими же осмотическим давлением, pH и концентрацией основных электролитов (Na+, K+ , Cl- и Ca2+), как и плазма крови;

полностью реабсорбируются органические субстраты -- глюкоза, аминокислоты и прошедшие в фильтрат белки;

дополнительно секретируются из крови в мочу те ксенобиотики, для которых существуют переносчики.

Благодаря фильтрации с последующим обязательным канальцевым транспортом выполняется первая задача почек -- удаление из организма метаболитов и ксенобиотиков.

Факультативный канальцевый транспорт

Из отфильтровавшихся за сутки 180 л жидкости в проксимальных канальцах реабсорбируются две трети, то есть 120 л. Еще 40 л реабсорбируются в петле Генле. Значит, объем поступающей к извитому дистальному канальцу жидкости составляет 20 л/сут. В пределах этого, сравнительно небольшого объема действуют процессы факультативного канальцевого транспорта -- реабсорбция и секреция изменяются в соответствии с потребностями организма. Так, в зависимости от потребления жидкости суточный объем мочи (диурез) может колебаться от 0,5 до 20 л; в зависимости от кислотно-щелочного состояния может выделяться кислая или щелочная моча и т. д.

Факультативный канальцевый транспорт протекает в дистальном отделе нефрона, включающем дистальный извитой каналец и собирательную трубочку. Его основные особенности следующие:

факультативный канальцевый транспорт и, соответственно, дистальный отдел нефрона служат основной точкой приложения гормонов, регулирующих реабсорбцию и секрецию в соответствии с потребностями организма;

от факультативного канальцевого транспорта зависит объем, осмолярность, pH и электролитный состав окончательной мочи.

Благодаря факультативному канальцевому транспорту выполняется вторая задача почек -- поддержание гомеостаза.

Функциональные отделы нефрона

Итак, в нефроне можно выделить следующие основные функциональные отделы:

клубочек, отвечающий за фильтрацию;

проксимальный каналец, отвечающий за обязательные реабсорбцию и секрецию;

дистальный отдел (дистальный каналец + собирательная трубочка),отвечающий за факультативные реабсорбцию и секрецию;

петлю Генле, выполняющую двойственную функцию: с одной стороны, в ней продолжается обязательная реабсорбция; с другой стороны, она имеет ключевое значение для почечной регуляции водно-осмотического баланса, так как от ее функции зависит способность почек концентрировать мочу (см. ниже).

В клубочке и проксимальном канальце происходят обязательные процессы -- фильтрация с последующей обязательной реабсорбцией и секрецией. В связи с этим их можно объединить в единый проксимальный отдел нефрона.

Далее мы рассмотрим сначала общие механизмы работы почек; затем -- физиологию проксимального отдела, в котором протекают обязательные процессы; наконец, факультативные процессы -- почечную регуляцию водно-осмотического баланса и артериального давления, кислотно-щелочного равновесия и электролитного состава крови.

Общие механизмы работы почек

Клубочковая фильтрация и канальцевый транспорт принципиально отличаются не только по локализации и задачам, но и по механизмам. Клубочковая фильтрация представляет собой неизбирательный перенос всех растворенных низкомолекулярных веществ с током воды через крупные поры. Канальцевый транспорт -- это избирательный перенос отдельных веществ с помощью специализированных каналов и переносчиков.

Клубочковая фильтрация

Клубочковая фильтрация -- это выход жидкости из клубочковых капилляров в капсулу клубочка (называемую также капсулой Боумена, или капсулой Боумена--Шумлянского). Клубочковая фильтрация подчиняется тем же закономерностям, что и фильтрация в любых других капиллярах:

фильтрация осуществляется через крупные межклеточные поры;

через эти поры проходит вода с растворенными в ней мелкими и средними молекулами, включая глюкозу и аминокислоты; следовательно, этот вид транспорта неизбирательный (вместе с током воды проходят все вещества, размеры которых меньше пор);

движущей силой фильтрации служит гидростатическое давление в почечных капиллярах, которому противодействуют онкотическое давление в этих капиллярах и гидростатическое давление в капсуле клубочка.

Таким образом, клубочковая фильтрация -- это типичный конвекционный транспорт, при котором вещества перемещаются вместе с движущейся средой (convectio -- совместный перенос).

Основные факторы, влияющие на клубочковую фильтрацию:

гидростатическое давление в клубочковых капиллярах;

онкотическое давление в клубочковых капиллярах;

гидростатическое давление в капсуле клубочка;

проницаемость клубочкового фильтра.

В норме за сутки образуется около 180 л фильтрата.

Канальцевый транспорт

Канальцевый транспорт -- это перенос веществ из канальцевой жидкости в кровь (реабсорбция) или наоборот (секреция). Он подчиняется тем же закономерностям трансэпителиального переноса, что и в других эпителиальных слоях слизистых (ЖКТ, бронхов и пр.).

Строение эпителиального слоя

Канальцевый эпителий представляет собой типичный эпителиальный слой. Особенности строения таких слоев следующие.

Эпителиальные клетки образуют однослойный ряд, соприкасаясь друг с другом в области просвета канальца с помощью плотных контактов.

Поверхность эпителиальной клетки, обращенная в просвет, называется апикальной; поверхность, обращенная к интерстицию -- базолатеральной.

Со стороны базолатеральной поверхности между соседними клетками, а также между клетками и капиллярами, имеются значительные межклеточные пространства.

Этапы трансэпителиального переноса

Перенос веществ между просветом канальца и кровью перитубулярных (околоканальцевых) капилляров включает два этапа.

1. Перенос между просветом канальца и интерстицием.

2. Перенос между интерстицием и кровью.

Первый этап -- это молекулярный транспорт, при котором с помощью каналов и переносчиков избирательно переносятся молекулы отдельных веществ. Именно он определяет избирательность и направленность канальцевого транспорта.

Второй этап -- это, как и клубочковая фильтрация, конвекционный транспорт.

Виды молекулярного транспорта

Вещества могут переноситься между просветом канальцев и интерстицием как через клетки (чресклеточный путь), так и через плотные контакты (межклеточный путь).

Механизмы переноса делятся на две основные группы -- активный и пассивный транспорт:

активный транспорт идет против концентрационного градиента, а для заряженных частиц (в частности, ионов) -- еще и электрического градиента, и поэтому требует затрат энергии;

пассивный транспорт идет в направлении концентрационного (и электрического) градиента, и потому не требует затрат энергии; более того, идет с выделением энергии, которую можно использовать, например для активного транспорта других веществ (см. ниже).

Активный транспорт в зависимости от источника энергии подразделяется на:

первичный активный транспорт источником энергии служит распад АТФ; осуществляется белками-переносчиками с АТФазной активностью, называемыми также ионными насосами (например, Na+, K+-АТФаза, или Na+/K+-насос);

вторичный активный транспорт: источником энергии для переноса некоего вещества против концентрационного или электрохимического градиента служит перенос другого иона (чаще всего -- Na+) в направлении его электрохимического градиента; последний создается первичным активным транспортом. Пример: Na+, K+-АТФаза создает высокий электрохимический градиент для Na+; этот ион переносится в клетку в направлении данного градиента, и вместе с ним переносится глюкоза против ее концентрационного градиента. В зависимости от направления переноса вторичный активный транспорт делится на:

котранспорт: оба вещества переносятся в одном направлении;

контртранспорт: вещества переносятся в противоположных направлениях. Белки-переносчики, осуществляющие контртранспорт, называются также обменниками.

Пассивный транспорт подразделяется на:

простую диффузию, которая может идти через:

липидный бислой клеточной мембраны -- для гидрофобных (жирорастворимых) веществ;

каналы (водные или ионные) -- для мелких гидрофильных молекул (воды и ионов);

межклеточные контакты ;

осмос: диффузию воды по градиенту ее «концентрации» -- из раствора с меньшей концентрацией растворенных веществ в раствор с большей концентрацией;

облегченную, или опосредованную диффузию. Вещество связывается с белком переносчиком, и с его помощью перемещается через мембрану в направлении концентрационного градиента. С помощью этого механизма переносятся крупные гидрофильные (то есть не способные пройти ни через каналы, ни через липидный бислой) молекулы.

Кроме молекулярного транспорта, в канальцах осуществляется пиноцитоз, с помощью которого реабсорбируются особенно крупные молекулы (белки); однако поскольку белки фильтруются в незначительном количестве, интенсивность пиноцитоза невелика.

Общая схема трансэпителиального переноса

Перенос между просветом канальца и интерстицием

Поскольку составы фильтрата и плазмы одинаковы (за исключением белков), а состав интерстиция, как и любой другой межклеточной жидкости, также примерно соответствует составу безбелковой плазмы, между всеми этими жидкостями изначально не существует концентрационных или электрохимических градиентов, по которым могли бы переноситься вещества. Следовательно, перенос любых веществ между канальцевой жидкостью и интерстицием требует затрат энергии. Основным источником этой энергии служит электрохимический градиент для Na+, создаваемый Na+,K+-АТФазой (Na+/K+-насосом) базолатеральной мембраны и направленный от просвета канальца к внутриклеточной жидкости эпителиальных клеток. Переход Na+ по этому градиенту обеспечивает энергию для транспорта всех остальных веществ двумя способами:

вещества могут переноситься вместе с Na+ по механизму вторичного активного транспорта;

поток Na+ прямо или косвенно создает концентрационные, электрические и осмотические градиенты для пассивного переноса других веществ.

Таким образом, основные механизмы трансэпителиального переноса являются натрийзависимыми.

Приведем несколько примеров натрийзависимого переноса.

1. Вместе с Na+ через апикальную мембрану могут переноситься другие вещества против их концентрационных градиентов -- в клетку по механизму вторичного активного котранспорта (например, глюкоза и аминокислоты) или в канальцевую жидкость по механизму вторичного активного контртранспорта (например, ионы H+). В случае котранспорта будет происходить реабсорбция веществ, в случае контртранспорта -- секреция.

2. В результате работы Na+,K+-АТФазы в клетке создается высокий концентрационный градиент для K+. Если в мембране будут калиевые каналы, то K+ будет выходить из клетки точно так же, как в нервах и мышцах. Если такие каналы будут в апикальной мембране, то будет происходить секреция K+, если в базолатеральной -- реабсорбция.

3. В случае, если калиевые каналы будут в апикальной мембране, то выход в канальцевую жидкость K+ приведет к тому, что эта жидкость станет заряжена положительно по отношению к интерстицию, то есть сформируется электрический градиент, или так называемый трансэпителиальный потенциал. В направлении этого градиента будут переноситься из канальцев в интерстиций (в частности, межклеточным путем) катионы -- в частности Ca2+ и Mg2+.

4. Если же калиевые каналы будут в базолатеральной мембране, то K+ будет выходить в интерстиций; поскольку туда же Na+,K+-АТФазой перекачивается Na+, осмотическое давление в интерстиции вырастет, то есть создастся осмотический градиент между канальцевой жидкостью и интерстицием. По этому градиенту из канальцев в интерстиций будет выходить вода.

5. Выход воды в интерстиций по градиенту осмотического давления приведет к возрастанию концентраций растворенных веществ, остающихся в канальцевой жидкости. Если для таких веществ будут соответствующие каналы или переносчики либо для них будут проницаемы межклеточные контакты, они по концентрационному градиенту перейдут в интерстиций.

Итак, Na+,K+-АТФаза базолатеральной мембраны может создавать движущие силы для переноса различных веществ как прямо (для Na+ и K+), так и косвенно (например, перенос Na+ и K+ в интерстиций приводит к созданию осмотического градиента; переход воды по осмотическому градиенту ведет к возникновению концентрационных градиентов для растворенных веществ, и т. д.).

Из приведенных примеров видна следующая закономерность канальцевого транспорта: Na+,K+-АТФаза базолатеральной мембраны прямо или косвенно создает движущие силы для переноса почти всех компонентов канальцевой жидкости, но будет ли идти этот перенос, и если да -- то в каком направлении, зависит от следующих факторов: 1) какие имеются каналы и переносчики; 2) располагаются ли они в апикальной или базолатеральной мембране; 3) для чего проницаемы плотные контакты.

Следовательно, все особенности транспорта в разных сегментах нефрона объясняются наличием и локализацией в этих сегментах тех или иных переносчиков и каналов и проницаемостью их плотных контактов.

Перенос между интерстицием и кровью

Второй этап трансэпителиального переноса -- между интерстицием и кровью -- представляет собой неизбирательный конвекционный транспорт. Механизмы его те же, что и клубочковой фильтрации, однако он идет в противоположном направлении (из канальца в кровь):

перенос осуществляется через крупные межклеточные поры;

через эти поры проходит вода с растворенными в ней веществами, перешедшими в интерстиций на первом этапе трансэпителиального переноса; следовательно, этот вид транспорта неизбирательный (вместе с током воды проходят все вещества, размеры которых меньше пор);

движущей силой этого переноса служит разница между онкотическим и гидростатическим давлением в перитубулярных капиллярах. При прохождении крови через клубочковые капилляры ее гидростатическое давление падает, а онкотическое возрастает (жидкость отфильтровывается, а белки остаются в крови). Поэтому в перитубулярных капиллярах, в которые кровь поступает после клубочковых капилляров, онкотическое давление выше гидростатического, и суммарная движущая сила направлена из интерстиция в кровь.

Пороговые вещества

Любые виды транспорта, требующие переносчиков (первичный активный, вторичный активный, облегченная диффузия) характеризуются насыщением. Это означает, что при относительно низких концентрациях некоторых веществ в крови (а следовательно, и в фильтрате) переносчики успевают полностью реабсорбировать такие вещества, и в окончательной моче их нет. При превышении же некоторой критической, или пороговой, концентрации переносчики становятся полностью занятыми (насыщаются), вещество уже не может реабсорбироваться полностью и появляется в моче. Такие вещества называются пороговыми. К важнейшим из пороговых веществ относятся:

глюкоза;

аминокислоты;

бикарбонат;

фосфат.

Для многих пороговых веществ (в частности, глюкозы и аминокислот) пороговая концентрация выше нормальной концентрации в крови. В норме такие вещества с мочой не выводятся, но при возрастании их концентрации в крови выше пороговой они появляются в моче.

Проксимальный отдел нефрона

Проксимальный отдел нефрона должен поставлять в последующие отделы канальцевую жидкость в постоянном (и сравнительно небольшом) объеме и с постоянным (и близким к составу плазмы) электролитным составом. Постоянство состава оттекающей от проксимального отдела жидкости обеспечивается особенностями механизмов транспорта в этом отделе. Постоянство же объема этой жидкости обеспечивается поддержанием постоянства трех основных показателей: почечного кровотока, скорости клубочковой фильтрации (СКФ) и относительного объема проксимальной реабсорбции.

Требования

Как уже говорилось, требования, предъявляемые к проксимальному отделу нефрона, следующие:

должен отфильтровываться очень большой объем плазмы с последующей реабсорбцией большей части фильтрата;

должны реабсорбироваться все полезные органические субстраты;

по возможности должны дополнительно секретироваться ксенобиотики;

проксимальный отдел должен поставлять в дистальный отдел небольшой и постоянный объем жидкости;

концентрации основных электролитов (Na+, K+, Cl- и Ca2+) в этой жидкости также должны быть постоянными и такими же, как в плазме;

Количественные характеристики

Транспорт в проксимальном отделе нефрона включает три процесса:

почечный кровоток;

клубочковая фильтрация;

проксимальный транспорт (преимущественно реабсорбция, но также секреция).

Эти три процесса характеризуются соответственно тремя показателями.

Почечный кровоток: нормальное значение -- около 1 л/мин (для обеих почек взрослого человека среднего веса).

Скорость клубочковой фильтрации СКФ (один из основных параметров функции почек) -- 125 мл/мин (то есть, как уже говорилось, 180 л/сут).

Относительный объем проксимальной реабсорбции -- около 2/3 (65%) от СКФ («правило двух третей»).

Поскольку состав оттекающей от проксимального канальца жидкости должен быть близок к составу плазмы, процент реабсорбции воды и основных электролитов одинаков. Значит, «правило двух третей» касается и основных электролитов; исключение составляют бикарбонат, фосфат, магний и некоторые другие. Таким образом, относительный объем проксимальной реабсорбции воды и электролитов составляет:

H2O -- 65%;

Na+ -- 65%;

Cl- -- 65%;

K+ -- 65%;

Ca2+ -- 65%;

HCO3- -- 80--100%;

PO42- -- 80--100%;

Mg2+ -- 25%.

Механизмы транспорта в проксимальном канальце

Основные закономерности

Натрий активно реабсорбируется во всех отделах канальца, задавая «правило двух третей» (за реабсорбируемым на 65% натрием следуют вода и основные электролиты, также реабсорбируясь на 65%; см. следующие пункты).

На всем своем протяжении проксимальный каналец высоко проницаем для воды, поэтому вода свободно следует за переносимыми веществами (прежде всего -- натрием). Поэтому вода, как и натрий, реабсорбируется на 65%, осмотическое давление канальцевой жидкости не меняется -- она остается изотоничной, и реабсорбируемая жидкость также изотонична. Это так называемая изоосмотическая реабсорбция.

Для всех веществ, подчиняющихся «правилу двух третей», канальцевый эпителий высоко проницаем, и они свободно переходят через него; при этом их концентрации в реабсорбируемой и канальцевой жидкости остаются одинаковыми, а реабсорбируются они, разумеется, на столько же процентов, как и вода (65%).

Для всех веществ, не подчиняющихся «правилу двух третей», канальцевый эпителий мало проницаем, а реабсорбция этих веществ осуществляется путем вторичного активного транспорта.

Основные механизмы

В первой половине проксимальный каналец мало проницаем для растворенных веществ, но содержит мощные системы вторичного активного транспорта; следовательно, здесь реабсорбируются не подчиняющиеся «правилу двух третей» вещества, прежде всего бикарбонат, глюкоза и аминокислоты:

за счет работы Na+,K+-АТФазы базолатеральной мембраны реабсорбируется натрий, а в качестве аниона с ним реабсорбируется бикарбонат;

здесь же полностью реабсорбируются аминокислоты и глюкоза (путем котранспорта с Na+);

вслед за этими веществами изоосмотически реабсорбируется вода;

для растворенных веществ первая половина проксимального канальца мало проницаема, поэтому реабсорбция воды приводит к возрастанию концентраций этих веществ, и прежде всего Cl- (главного аниона плазмы), в канальцевой жидкости.

Во второй половине проксимальный каналец высоко проницаем для растворенных веществ, а системы вторичного активного транспорта работают слабо, так как бикарбонат, глюкоза и аминокислоты уже в основном реабсорбировались; следовательно, здесь реабсорбируются подчиняющиеся «правилу двух третей» вещества:

Cl- реабсорбируется по концентрационному градиенту (созданному вследствие реабсорбции воды в первой половине);

вместе с Cl- для сохранения электронейтральности реабсорбируется Na+ (и Ca2+);

вслед за этими веществами продолжает изоосмотически реабсорбироваться вода;

продолжается реабсорбция Na+ за счет работы Na+,K+-АТФазы базолатеральной мембраны; в качестве аниона вместе с Na+ реабсорбируется уже не бикарбонат, а Cl-, так как бикарбоната в канальцевой жидкости остается очень мало. Таким образом, с одной стороны, Na+ реабсорбируется вслед за Cl-, с другой стороны -- Cl- вслед за Na+.

Основные переносчики и каналы, обеспечивающие чресклеточный транспорт веществ в проксимальном канальце, приведены в табл. 15.1.

Регуляция

Для нормального функционирования проксимального отдела нефрона, а следовательно, и почек в целом важно постоянство СКФ (при снижении СКФ уменьшается эффективность очистки крови от метаболитов и ксенобиотиков, при увеличении -- резко возрастает нагрузка на проксимальную реабсорбцию) и постоянство относительного объема (65%) проксимальной реабсорбции (в противном случае возможны резкие изменения нагрузки на дистальную реабсорбцию). В свою очередь, одним из условий постоянства СКФ служит постоянство почечного кровотока. Регуляторные механизмы в проксимальном отделе нефрона направлены на поддержание постоянства этих трех основных показателей.

Постоянство почечного кровотока обеспечивается ауторегуляцией почечного кровотока.

Постоянство СКФ обеспечивается канальцево-клубочковой обратной связью.

Постоянство относительного объема проксимальной реабсорбции обеспечивается клубочково-канальцевым равновесием.

Ауторегуляция почечного кровотока

Этот механизм заключается в том, что при повышении давления в почечной артерии мелкие ветви этой артерии сужаются, а при снижении давления -- наоборот. Таким образом, изменения давления (P) сопровождаются однонаправленными изменениями сосудистого сопротивления (R), и в результате кровоток (Q) остается постоянным, так как Q = P/R. Механизм этой ауторегуляции, видимо, миогенный;

Канальцево-клубочковая обратная связь

Эта регуляция осуществляется юкстагломерулярным комплексом, главные морфологические особенности которого следующие:

он располагается в области контакта начального отдела дистального извитого канальца с сосудами клубочка -- приносящей и выносящей артериолами;

он состоит из двух образований -- плотного пятна в стенке дистального канальца и юкстагломерулярных клеток в стенках приносящей и выносящей артериол.

Юкстагломерулярный комплекс работает по принципу отрицательной обратной связи:

при снижении СКФ уменьшается и количество отфильтрованного NaCl, а следовательно, количество NaCl, поступающее к дистальному извитому канальцу (доставка NaCl к дистальному извитому канальцу);

клетки плотного пятна воспринимают доставку NaCl;

при снижении этой доставки клетки плотного пятна вырабатывают:

сосудорасширяющие вещества, действующие на приносящие артериолы;

вещества, стимулирующие секрецию ренина юкстагломерулярным клетками;

ренин через ряд промежуточных этапов вызывает образование ангиотензина II;

ангиотензин II, помимо многих других эффектов, вызывает сужение выносящих артериол;

как сужение выносящих артериол, так и расширение приносящих артериол вызывает рост гидростатического давления в клубочковых капиллярах;

рост гидростатического давления в клубочковых капиллярах приводит к росту СКФ.

Это лишь некоторые из многих механизмов выработки ренина и действия ангиотензина II; подробнее см. ниже, разд. «Ренин-ангиотензиновая система».

Клубочково-канальцевое равновесие

Это равновесие заключается в том, что при изменениях СКФ относительный объем проксимальной реабсорбции остается постоянным -- 65% (2/3) от СКФ. Механизмы этого явления до конца не известны.

Почечная регуляция водно-осмотического равновесия

Требования

Поддержание водно-осмотического равновесия включает два компонента:

поддержание объема жидкости в организме;

поддержание ее осмолярности.

Для этого необходимо, чтобы:

суточное поступление воды (суточная водная нагрузка) соответствовало ее суточному удалению;

суточное поступление осмотически активных веществ (суточная осмотическая нагрузка) соответствовало их суточному удалению.

Иногда оба эти требования выполнить невозможно, и тогда приходится выбирать между поддержанием объема жидкости в организме и ее осмолярности. В таких случаях поддержанию осмолярности отдается более высокий приоритет (например, на поступление такого большого количества соли, с выведением которого почки не справляются, организм реагирует увеличением потребления и (или) снижением выделения воды; объем жидкости в организме при этом возрастает, но осмолярность ее остается прежней).

В идеале почки должны полностью справляться и с суточной водной нагрузкой, и с суточной осмотической нагрузкой. Следовательно, для того чтобы понять требования, предъявляемые к почечным системам регуляции водно-осмотического баланса, надо рассмотреть, какие диапазоны этих нагрузок характерны для среды обитания и образа жизни человека -- ведь именно к этим диапазонам в процессе эволюции приспособились регуляторные системы.

Суточная водная нагрузка у человека колеблется в диапазоне от 0 до 20 л.

Суточная осмотическая нагрузка подразделяется на экзогенную, основную часть которой составляет NaCl (солевая нагрузка) и эндогенную, основную часть которой составляет образующаяся при распаде белков мочевина (мочевинная нагрузка):

суточная солевая нагрузка колеблется от 1 до 10 г NaCl (диапазон потребления соли у человека), то есть от 30 до 300 миллиосмолей.

Цифры в осмолях получают так: 1 моль NaCl = 58 г, а 1 осмоль, соответственно -- 29 г (NaCl в растворе дает две осмотически активные частицы -- Na+ и Cl-); значит, 1 г NaCl = 30 миллиосмолей, а 10 г -- 300 миллиосмолей;

минимальная суточная мочевинная нагрузка при обычном питании и образе жизни составляет 500 миллиосмолей, что уже больше, чем максимальная суточная солевая нагрузка. Учитывая же, что потребление белка, а следовательно, и образование мочевины, может возрастать в несколько раз, очевидно, что суточная мочевинная осмотическая нагрузка существенно больше солевой.

Минимальную мочевинную нагрузку рассчитывают так: мочевина образуется при распаде белка, а этот распад в среднем составляет около 100 г/сут(гл. 11, разд. «Белки»); в этих 100 г содержится около 16% азота, то есть 16 г. Это чуть больше 1 г-атома азота; поскольку в молекуле мочевины содержится 2 атома азота, из 1 г-атома азота образуется 0,5 моля, т.е. 0,5 осмоля (500 миллиосмолей) мочевины.

Таким образом, к почечным системам регуляции водно-осмотического равновесия предъявляются следующие требования:

они должны справляться с очень большой водной нагрузкой, регулируя выведение воды в чрезвычайно широком диапазоне;

они должны справляться созначительной мочевинной осмотической нагрузкой, также регулируя выведение мочевины в широком диапазоне;

они должны справляться с существенно меньшей солевой осмотической нагрузкой;

в случае, если все эти требования одновременно удовлетвориться не могут, приоритет должен отдаваться поддержанию осмолярности крови, а не ее объема.

Количественные характеристики

Показатели, отражающие функцию почек по поддержанию водно-осмотического баланса, -- это суточный диурез (суточный объем мочи) и осмолярность мочи.

Осмолярность мочи может колебаться от 50 до 1200 мосмоль/л (осмолярность крови -- в среднем 285 мосмоль/л); иными словами, моча может быть в 6 раз гипотоничнее или в 4 раза гипертоничнее крови.

Предельные значения диурезаопределяются этими предельными значениями осмолярности мочи и суточной осмотической нагрузкой.

Средняя суточная осмотическая нагрузка составляет около 600 миллиосмолей (500 миллиосмолей за счет мочевины, см. выше; остальные 100 миллиосмолей за счет NaCl и некоторых других веществ). Для такой осмотической нагрузки минимальный диурез (при максимально концентрированной моче) составляет 600 (мосмоль/сут)/1200 (мосмоль/л) = 0,5 л; максимальный диурез (при максимально разбавленной моче) составляет 600 (мосмоль/сут)/50 (мосмоль/л) = 12 л. Существенно уменьшить суточную осмотическую нагрузку без ущерба для организма нельзя, так как эта нагрузка создается в основном мочевиной, и поэтому снизить ее можно только за счет уменьшения потребления белка ниже предельно допустимых величин. Увеличить же суточную осмотическую нагрузку в известных пределах можно, и тогда будет возрастать и максимальный диурез, достигая в крайних случаях 20 л/сут. Таким образом, суточный диурез может колебаться от 0,5 до 20 л.

Итак, при полном отсутствии потребления воды выделяется 0,5 л/сут предельно концентрированной мочи (1200 мосмоль/л). При резко повышенном потреблении воды может выделяться до 20 л/сут предельно разбавленной мочи (50 мосмоль/л).

Механизмы

Регуляция выведения воды

Для регуляции выведения воды почки должны обладать способностью выделять как гипертоничную, так и гипотоничную мочу, то есть обладать разбавляющей и концентрирующей функцией.

Механизм разбавления мочи

Из особенностей трансэпителиального переноса (см. выше) видно, что вода всегда реабсорбируется путем осмоса, то есть следует за реабсорбируемыми растворенными веществами, и в основном -- за натрием. Следовательно, если в некоем отделе нефрона реабсорбируются растворенные вещества, и он высоко проницаем для воды -- будет происходить изоосмотическая реабсорбция: и реабсорбируемая, и канальцевая жидкость будут изотоничны. Если же будут реабсорбироваться растворенные вещества, но каналец будет непроницаем для воды -- реабсорбируемая жидкость будет гипертонична, а канальцевая -- гипотонична.

Как мы уже знаем, проксимальный каналец проницаем для воды, и потому из него оттекает изотоничная жидкость. Напротив, восходящая часть петли Генле и ранний отдел дистального извитого канальца всегда непроницаемы для воды, а NaCl в них реабсорбируется, поэтому от них оттекает гипотоничная жидкость с осмолярностью 100 мосмоль/л.

Реабсорбция NaCl продолжается и в позднем отделе дистального извитого канальца и в собирательной трубочке; эти отделы в отсутствие АДГ (см. ниже) непроницаемы для воды, и в этих условиях осмолярность мочи в конечном счете может снижаться до минимального значения -- 50 мосмоль/л.

Механизм концентрирования мочи

Из предыдущего раздела мы узнали, как почки могут образовывать изотоничную и гипотоничную мочу. Остается выяснить, как почки могут выделять гипертоничную мочу.

Предположим, что через интерстиций рядом друг с другом проходят два канальца. В одном из них в интерстиций реабсорбируются растворенные вещества, но не вода; интерстиций при этом становится гипертоничным. Другой же каналец, наоборот, проницаем для воды, но в нем не реабсорбируются растворенные вещества; тогда вода будет выходить из него по градиенту осмотического давления в интерстиций, и жидкость в канальце станет гипертоничной. Таким образом, принцип концентрирования мочи заключается в том, что одни отделы нефрона путем реабсорбции растворенных веществ создают повышенное осмотическое давление в интерстиции, а из других в этот гипертоничный интерстиций выходит вода.

Отделом, создающим гипертоничность интерстиция, является петля Генле.

Отделом, из которого в этот гипертоничный интерстиций выходит вода (а канальцевая жидкость при этом концентрируется), является собирательная трубочка.

Создание гипертоничной среды в интерстиции резко усиливается за счет работы петли Генле как поворотно-противоточной системы.

Чтобы понять назначение поворотно-противоточной системы, рассмотрим сначала, какова была бы эффективность концентрирования интерстиция в ее отсутствие.

На рис. 15.8, А изображен каналец, проходящий через интерстиций. Жидкость в канальце течет в направлении, указанном прямыми стрелками, а интерстициальная жидкость неподвижна. И сам каналец, и интерстиций разделены на несколько условных квадратиков. Пусть изначально осмолярность и канальцевой, и интерстициальной жидкости равна 300 мосмоль/л. Из канальца в интерстиций реабсорбируется NaCl с такой интенсивностью, что в каждом условном квадратике в интерстиций выходит 50 мосмоль/л этого электролита. Тогда канальцевая жидкость по мере продвижения будет становиться все более гипотоничной (на 50 мосмоль/л в каждом квадратике), а интерстиций в каждом квадратике будет становиться гипертоничнее на 50 мосмоль/л; иными словами, осмолярность интерстиция везде станет равной 350 мосмоль/л. Эти процессы отражены на графике в нижней части рис. 15.8, А. Из него видно, что:

осмолярность интерстиция выросла на всем его протяжении лишь на 50 мосмоль/л;

по ходу канальца создается нарастающий осмотический градиент между канальцевой и интерстициальной жидкостью (?Осм), служащий мощной движущей силой для обратного входа в каналец NaCl (или выхода из него воды). Это может свести на нет и без того незначительную гиперосмолярность, создаваемую в интерстиции.

Итак, реабсорбция осмотически активных веществ из канальца в интерстиций без дополнительных механизмов была бы крайне неэффективным способом концентрирования интерстиция.

Для повышения концентрирования интерстиция петля Генле работает как поворотно-противоточный множитель. Рассмотрим сначала упрощенную схему его работы.

На рис. 15.8, Б приведена типичная поворотно-противоточная система, имеющая вид U-образной петли. Жидкость поступает в каналец А, движется до изгиба петли, заворачивает (отсюда -- поворотная) и течет в канальце Б в противоположном направлении (отсюда -- противоточная). Вновь разделим нашу систему на условные квадратики; в каждом из них из канальца Б в каналец А поступает 50 мосмоль/л NaCl. Поскольку жидкость в канальце А движется, то, переходя из квадратика в квадратик, она все больше обогащается NaCl, то есть становится все гипертоничнее. Совершив поворот, она поступает в каналец А, где происходит активное выкачивание NaCl; двигаясь по этому канальцу, жидкость в каждом квадратике теряет 50 мосмоль/л NaCl и тем самым становится все гипотоничнее.

В результате, как видно из графика на рис. 15.8, Б:

к изгибу петли достигается высокая осмолярность жидкости в обоих канальцах, и чем длиннее будет петля, тем большая осмолярность будет достигнута;

осмотический градиент между канальцами (?Осм) постоянен (одинаков на уровне каждого квадратика) и невелик.

Реальная же поворотно-противоточная система почек отличается следующими особенностями.

В толстом сегменте восходящей части петли Генле активно реабсорбируются электролиты (Na+, K+ и Cl-), но он не проницаем для воды. Напротив, тонкий нисходящий сегмент непроницаем для электролитов, но высоко проницаем для воды; поэтому электролиты не входят в него (как на рис. 15.8, Б), но вместо этого им навстречу по градиенту осмотического давлениявыходит вода. Понятно, что с точки зрения повышения осмолярности вход электролитов и выход воды равноценны.

Обмен между восходящей и нисходящей частью петли Генле осуществляется не непосредственно, а через интерстиций. Поскольку нисходящая часть петли Генле высоко проницаема для воды, осмолярность в интерстиции становится такой же, как в этой части, то есть постепенно повышается к изгибу петли. В этом концентрировании интерстиция, как уже говорилось, и заключается цель работы петли Генле.

Реабсорбируемые в восходящей части электролиты и выходящая из нисходящей части вода поступают в капилляры (прямые сосуды) и относятся с током крови. Поэтому петля Генле не только создает высокую осмолярность интерстиция, но также способствует дальнейшей реабсорбции воды и электролитов: из 60 л/сут жидкости, поступающей из проксимального канальца, 40 л/сут реабсорбируются в петле Генле.

Рассмотренный нами механизм концентрирования интерстиция, основанный на активной реабсорбции Na+ и других электролитов, работает в верхних отделах петли Генле -- там, где восходящая часть представлена толстым сегментом. В тонком сегменте восходящей части петли Генле, как и в нисходящем тонком сегменте, процессы активного транспорта не идут; следовательно, данный механизм здесь невозможен. Тем не менее и здесь осмолярность интерстиция продолжает нарастать, но обусловлено это иным -- мочевинным -- механизмом концентрирования мочи. Суть этого механизма в следующем (рис. 15.9):

поздние отделы дистальных извитых канальцев и корковые отделы собирательных трубочек в присутствии АДГ (см. ниже) проницаемы для воды. Поскольку жидкость в них гипотонична (см. выше, разд. «Механизм разбавления мочи»), а тоничность окружающего интерстиция по направлению к глубинным слоям постепенно нарастает, вода выходит в интерстиций. Эти отделы непроницаемы для мочевины; по мере выхода воды концентрация мочевины в канальцевой жидкости нарастает, и в мозговом отделе собирательных трубочек становится очень высокой;

глубинные отделы собирательных трубочек проницаемы для мочевины; мочевина выходит в интерстиций по концентрационному градиенту, увеличивая тем самым его осмолярность;

из интерстиция мочевина частично входит обратно в канальцы в области тонкого сегмента, так как: 1) этот сегмент для нее проницаем; 2) ее концентрация в интерстиции мозгового вещества очень высока. Тем самым мочевина совершает кругооборот; благодаря которому, с одной стороны, постоянно поддерживается высокая осмолярность мозгового вещества, с другой -- бо{`}льшая часть мочевины выделяется с мочой.

В результате совместной работы натриевого и мочевинного механизмов концентрирования мочи в глубинных слоях интерстиция достигается осмолярность порядка 1200 мосмоль/л. Если собирательная трубочка, проходящая через эти слои, будет проницаема для воды, то вода выйдет в интерстиций до выравнивания осмотического градиента, и осмолярность мочи достигнет максимального значения -- 1200 мосмоль/л. Именно это и происходит под действием АДГ.

Действие АДГ

АДГ:

вырабатывается в гипоталамусе;

хранится в нейрогипофизе;

выбрасываетсяв ответ на стимуляцию осморецепторов гипоталамуса (то есть на повышение осмолярности крови), а также в ответ на существенное снижение импульсации от волюмо- и барорецепторов (то есть, на снижение объема крови и артериального давления);

действуя на почки, повышает реабсорбцию воды и, следовательно, по механизму отрицательной обратной связи снижает осмолярность крови и повышает ее объем.

Механизм действия АДГ на почки заключается в том, что этот гормон повышает проницаемость для воды поздних отделов дистальных канальцев и собирательных трубочек:

в поздних отделах дистальных канальцев под действием АДГ вода начинает выходить вслед за активно реабсорбируемым Na+, и в результате уменьшается степень разбавления мочи (см. выше, разд. «Механизм разбавления мочи»);

в собирательных трубочках под действием АДГ вода начинает выходить в гипертоничный интерстиций, достигая в конечном счете предельной осмолярности -- 1200 мосмоль/л;

кроме того, в присутствии АДГ срабатывает мочевинный механизм концентрирования мочи (см. выше).

Резюме: механизмы концентрирования и разбавления мочи

1. Петля Генле, работая как поворотно-противоточная система, создает высокую гипертоничность интерстиция.

2. В собирательную трубочку поступает гипотоничная жидкость.

3. Собирательная трубочка проходит через интерстиций, который по направлению к глубинным отделам становится все более гипертоничным; если собирательная трубочка не проницаема для воды, из нее будет оттекать та же гипотоничная жидкость, что в нее поступает; если она проницаема для воды, то вода будет реабсорбироваться, а оттекать будет гипертоничная моча.

4. Гормоном, повышающим проницаемость собирательной трубочки для воды, является АДГ.

Регуляция выведения воды при разных водных нагрузках

При максимальной водной нагрузке (например, потреблении 12 л чистой воды в сутки):

кровь становится гипоосмолярной;

уменьшается стимуляция осморецепторов гипоталамуса;

прекращается выделение АДГ;

в отсутствие АДГ вода в собирательных трубочках не реабсорбируется, и выделяется большой объем (12 л/сут) резко гипотоничной (50 мосмоль/л) мочи.

Это состояние называется водным диурезом.

При минимальной водной нагрузке (отсутствие приема воды, сухоядение):

кровь становится гиперосмолярной;

стимулируются осморецепторы гипоталамуса;

выделение АДГ становится максимальным;

при максимальной секреции АДГ вода в собирательных трубочках реабсорбируется до достижения осмотического равновесия с интерстицием, и выделяется малый объем (0,5 л/сут) резко гипертоничной мочи (1200 мосмоль/л).

Это состояние называется антидиурезом.

Регуляция выведения NaCl

почка нефрон выделительный моча

Общие принципы

Регуляция выведения NaCl отличается от регуляции выведения воды следующим принципиальным моментом. Если под действием АДГ меняется реабсорбция чистой воды, и моча при этом может становиться как гипо-, так и гипоосмолярной, то все системы регуляции выведения NaCl меняют реабсорбцию не чистого NaCl, а NaCl вместе с водой, то есть примерно изотоничной жидкости. Осмолярность мочи при этом меняется мало. Причина этого в приоритете поддержания осмолярности крови перед поддержанием ее объема (см. выше, разд. «Требования»).

Рассмотрим последовательность реагирования организма на изменения солевой нагрузки.

При повышении потребления NaCl:

кровь становится гиперосмолярной;

стимуляция осморецепторов гипоталамуса вызывает выброс АДГ;

увеличивается реабсорбция воды;

кровь становится нормоосмолярной, но возрастает ее объем (развивается гиперволемия);

гиперволемия запускает системы, повышающие выведение натрия и воды (натрийурез и диурез) и подавляет системы, снижающие натрийурез и диурез;

избыток изотоничной жидкости выводится с мочой.

При снижении потребления NaCl развиваются обратные процессы.

Итак, изменения солевой нагрузки компенсируются в два этапа.

1. Включается система АДГ, нормализующая осмолярность крови, но ценой изменений ее объема.

2. Измененный объем крови корректируется системами регуляции натрийуреза (и, одновременно, диуреза). Все эти системы, как уже говорилось, регулируют выведение примерно изотоничной мочи.

Системы регуляции натрийуреза следующие:

прессорный диурез;

ренин-ангиотензиновая система;

предсердный натрийуретический гормон.

Прессорный диурез (прессорный натрийурез)

Повышение объема крови (гиперволемия) приводит к повышению артериального давления. Повышение артериального давления, в свою очередь, приводит к увеличению выделения изотоничной мочи. В результате объем крови и артериальное давление возвращаются к прежнему значению.

Ренин-ангиотензиновая система

Выше (см. разд. «Проксимальный отдел нефрона») мы рассмотрели роль ренин-ангиотензиновой системы в поддержании постоянства СКФ. Однако это лишь один из механизмов действия данной системы, регулирующей выведение Na+ и воды на всех уровнях нефрона:

в клубочке;

в проксимальном канальце;

в дистальном отделе.

Этапы активации ренин-ангиотензиновой системы:

1. Вырабатывается ренин.

2. Ренин в крови превращает ангиотензиноген в ангиотензин I.

3. Ангиотензин I под действием ангиотензинпревращающего фермента переходит в ангиотензин II.

4. Ангиотензин II обладает множественными влияниями на почки и сосуды, и кроме того, стимулирует секрецию альдостерона.

5. Альдостерон стимулирует реабсорбцию Na+ (и, одновременно, секрецию K+).

Ренин вырабатывается, как уже упоминалось в разд. «Канальцево-клубочковая обратная связь», в юкстагломерулярных клетках юкстагломерулярного комплекса. В этом разделе мы рассмотрели один механизм стимуляции выброса ренина (макулярный), на самом же деле их три.

1. Макулярный механизм (от macula densa -- плотное пятно). Выработку ренина стимулирует снижение доставки Na+ в дистальный каналец.

...