ФИЗИОЛОГИЯ ПОЧЕК

Рис.1. Кровоснабжение почки.

Нефрон: каждая почка содержит около миллиона нефронов. Нефрон состоит из клубочка и канальцев (рис.2). Канальцы разделены на следующие отделы: проксимальный каналец, петля мозгового слоя (петля Генле) и дистальный каналец, впадающий в собирательную трубку. Моча образуется в результате трехфазного процесса - простой фильтрации, избирательной реабсорбции, пассивной реабсорбции и экскреции.

ФИЛЬТРАЦИЯ

Фильтрация происходит через полупроницаемую стенку капилляров клубочка, которая, в основном, непроницаема для белков и крупных молекул. Таким образом, фильтрат не содержит белка и клеточных элементов. Клубочковый фильтрат формируется путем продавливания крови через капилляры клубочков. Движущей силой фильтрации является гидростатическое давление, которое регулируется приносящей и выносящей артериолами и обеспечивается артериальным давлением. Каждую минуту фильтруется около 20% почечного плазмотока (125 мл?мин^-1), что равняется   скорости клубочковой фильтрации (СКФ).

Для сохранения относительно постоянных величин почечного кровотока и СКФ поддерживается достаточно постоянное гидростатическое давление в клубочках. При изменении артериального давления происходит сокращение или расширение афферентной и эфферентной артериол - сосудов мышечного типа, входящих и выходящих из каждого клубочка. Этот процесс называется ауторегуляцией.

Ауторегуляция СКФ достигается посредством ауторегуляции почечного кровотока и механизма обратной связи, известного как “клубочково-канальцевое равновесие”.

Рис.2. Структура нефрона.

Клубочково-канальцевое равновесие. При уменьшении СКФ происходит снижение тока жидкости в канальцах. В петле Генле имеется большее время для реабсорбции ионов натрия и хлора. Таким образом, снижается количество ионов натрия и хлора, достигающих дистального канальца, что определяется клетками macula densa. Это, в свою очередь, ведет к снижению сопротивления афферентных артериол, что сопровождается повышением почечного кровотока. При этом усиливается выброс ренина из юкстагломерулярного аппарата, что стимулирует выброс ангиотензина II, вызывающего сокращение эфферентных артериол. Повышение гидростатического давления в капиллярах клубочков возвращает СФК к ее нормальным значениям (рис. 1).

Рис 1.Регуляция скорости клубочковой фильтрации

Юкстагломерулярный комплекс состоит из клеток плотного пятна (macula densa) -  юкстагломерулярных клеток,  являющихся специализированным эпителием дистального канальца, чувствительного к концентрации ионов натрия и способного влиять на клетки гладкой мускулатуры  стенок афферентной и эфферентной артериол. Клетки macula densa также секретируют ренин - фермент, конвертирующий сывороточный белок ангиотензиноген в ангиотензин I. Впоследствии, ангиотензин-превращающий фермент (АПФ), образующийся в небольших количествах в легких, проксимальных канальцах и других тканях, превращает ангиотензин I в ангиотензин II, вызывающий вазоконстрикцию и повышающий артериальное давление. Ангиотензин II также стимулирует кору надпочечников, повышая секрецию альдостерона, который в свою очередь вызывает задержку воды и натрия, увеличивая объем циркулирующей крови (ОЦК).

Приведенная схема поддержания клубочково-канальцевого равновесия является системой отрицательной обратной связи. Другими словами, начальным стимулом системы является падение ОЦК,  приводящее к снижению перфузионного давления почек. Когда ОЦК, перфузия почек и СКФ восстановились, система отвечает снижением или выключением ответа на исходный стимул.

СЕЛЕКТИВНАЯ ИЛИ ПАССИВНАЯ РЕАБСОРБЦИЯ

Функция почечных канальцев - селективная реабсорбция 99% клубочкового фильтрата. Проксимальный каналец абсорбирует 60% всех растворенных веществ, в том числе 100% глюкозы и аминокислот, 90% бикарбоната и 80-90% неорганического фосфора и воды.

Реабсорбция происходит посредством активного и пассивного транспорта. Активный транспорт требует энергии для перемещения веществ против электрохимического или концентрационного градиента. Это основная детерминанта потребления кислорода почками.  Посредством пассивного транспорта происходит реабсорбция веществ по электрохимическому и  концентрационному градиентам или по градиенту давлений.

В основном реабсорбция происходит посредством активного транспорта веществ и свободного перемещения воды по принципу осмоса. При активной реабсорбции веществ происходит снижение их концентраций и, следовательно, падение осмотической активности в просвете канальца. Затем из-за присутствия осмотических сил вода перемещается из канальца в интерстиций, где концентрация осмотически активных веществ выше.

Петля Генле - это часть канальца, погружающаяся или “изгибающаяся” из коркового слоя в мозговой (нисходящее колено), и затем возвращающаяся в кору почек (восходящая колено). Именно в этой части канальца моча при необходимости концентрируется. Это возможно благодаря высокой концентрации веществ в интерстиции мозгового слоя, которая поддерживается за счет наличия “противоточно-поворотной системы”. Противоточно-поворотная система поддерживает высокий осмотический градиент интерстиция мозгового слоя, что позволяет почкам концентрировать мочу. Петля Генле - это противоточно-поворотный множитель, а vasa recta - это противоточно-поворотный обменник, механизм которого описан ниже.

Функции различных частей петли Генле:

A.  Нисходящее колено петли Генле относительно непроницаемо для растворенных веществ и хорошо проницаемо для воды, перемещаемой из канальца по осмотическому градиенту: жидкость в канальце становится гиперосмолярной.

B.   Тонкий сегмент восходящего колена петли Генле практически непроницаем для воды, но в то же время проницаем для растворенных веществ, особенно ионов натрия и хлора, которые перемещаются по концентрационному градиенту из просвета канальца, жидкость в котором вначале становится изотоничной, а затем гипотоничной по мере выхода из нее ионов. Мочевина, абсорбировавшаяся в интерстиций мозгового слоя почки из собирательной трубки, диффундирует в восходящее колено. Это поддерживает концентрацию мочевины  в интерстиции мозгового слоя, играя важную роль в процессе концентрации мочи.

C.  Толстый сегмент восходящего колена петли Генле и начальный отдел дистального канальца непроницаемы для воды. Однако здесь происходит активный транспорт ионов натрия и хлора из просвета канальца, вследствие чего жидкость этого отдела канальца становится крайне гипотоничной.

Vasa Recta (рис. 3) - это отдел перикапиллярной системы, входящий в мозговой слой в области высокой концентрации абсорбированных из первичной мочи веществ. Он взаимодействует с петлей Генле посредством сложного механизма, направленного на концентрацию мочи путем противоточно-поворотного обмена. При отсутствии vasa recta высокая концентрация веществ в мозговом слое вымывалась бы током крови. Вещества диффундируют из сосудов, несущих кровь прямо в корковый слой и в сосуды, спускающиеся в мозговой слой, в то время как вода делает противоположное: движется из нисходящих сосудов в восходящие. Эта система посредством подобного шунта позволяет веществам и воде рециркулировать внутри мозгового слоя.

Рис. 3. Vasa recta.

Дистальный каналец и собирательная трубка: конечная концентрация мочи зависит от  количества антидиуретического гормона (АДГ), секретируемого задней долей гипофиза. В присутствии АДГ дистальный каналец и собирательная трубка становятся проницаемыми для воды. При прохождении собирательной трубки через мозговой слой с высокой интерстициальной концентрацией веществ, вода выходит из просвета трубки, формируется концентрированная моча. При отсутствии АДГ стенки дистального канальца становятся непроницаемыми для воды; таким образом формируется большое количество разведенной мочи. Имеется тесная связь между гипоталамусом и задним гипофизом. В гипоталамусе присутствуют клетки-осморецепторы, чувствительные к изменению осмотического давления крови. При высоком потреблении воды наблюдается снижение осмотического давления крови, а при ее дефиците, соответственно, обратный процесс. При повышении осмотического давления крови нервные импульсы из гипоталамуса стимулируют задний гипофиз  и усиливают секрецию  АДГ. В результате выработки АДГ снижается потеря воды почками, так как она реабсорбируется в собирательных трубках.

ПОДДЕРЖАНИЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ

·      Кислота: вещество, способное отдавать ион водорода в растворе.

·      Основание: вещество, способное принимать ион водорода в растворе.

·      Буфер: вещество, чья константа диссоциации рКа (рН, при котором вещества находится наполовину в ионизированной и в неионизированной формах) близка к рН среды. При этих условиях добавление или удаление ионов водорода приводит к минимальному изменению рН, что и является целью буфера.

·      рН - отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода [H⁺]; отражает кислотность раствора. Чем более кислый раствор, чем выше концентрация Н⁺, тем ниже рН. В организме величина рН строго контролируется, так как активность большинства ферментов зависит от ее нормального значения.

Легкие и почки в совокупности поддерживают рН крови и внеклеточной жидкости в пределах 7,35-7,45 (34-46 нмоль?л^-1 - концентрация Н⁺). Углекислый газ (СО₂), растворенный в крови, является кислотой и элиминируется легкими. Почки же удаляют связанную кислоту посредством трех процессов:

1.      Канальцевая секреция кислоты (рис.4): бикарбонат натрия фильтруется в клубочке, реабсорбируясь затем в проксимальном канальце. Натрий абсорбируется посредством Na⁺/H⁺ ионной помпы, обменивая Na⁺ на H⁺ ионы на мембранах эпителия проксимального канальца. Na⁺/K⁺ помпа продвигает натрий через клетку из первичной мочи в обмен на калий.

2.      Клубочковая фильтрация буферов,

связанных с Н⁺:

A.     Основная часть фильтруемого бикарбоната реабсорбируется (90% в проксимальном канальце). Н⁺, высвобожденный при канальцевой секреции кислоты (см. выше), соединяясь с бикарбонатом (HCO₃) формирует углекислоту: Н⁺ + HCO₃ = H₂CO₃. Карбоангидраза, присутствующая в клетках проксимального канальца, катализирует реакцию расщепления угольной кислоты на СО₂ и Н₂О (cм. рис. 4). СО₂ диффундирует в эпителиальную клетку, где она снова в присутствии карбоангидразы образует углекислоту. Углекислота ионизируется до H⁺ и НСО³. H⁺ затем выкачивается из клетки в просвет канальца Na⁺/H⁺ помпой а натрий возвращается в плазму  Na⁺/K⁺ помпой (см. выше); вода же абсорбируется пассивно.

Рис. 4. Реабсорбция бикарбоната.

B.     Другие буферы, включая неорганический фосфат (НРО₃), ураты и ионы креатинина, экскретируются в мочу в дистальном отделе нефрона как кислоты, если они связаны с Н⁺.

3.      Аммиак образуется ферментативно из глутамина и других аминокислот и секретируется в канальцы нефрона. Аммиак (NH₃) в сочетании с секретированным в мочу Н⁺ ионом формирует недиффундирующий аммиак-ион (NH₄^-), выводимый с мочой. Продукция аммиака при тяжелом метаболическом ацидозе повышается до 700 ммоль/день.

ЭКСКРЕЦИЯ ПРОДУКТОВ МЕТАБОЛИЗМА

Фильтрация их происходит во время продвижения крови по клубочку. Некоторые  ненужные организму вещества и чужеродные субстанции, например лекарственные препараты, не могут быть выведены из организма путем фильтрации. Такие вещества секретируются в канальцы нефрона и выделяются  из организма с мочой.

ГОРМОНЫ И ПОЧКА

Ренин (см. выше) повышает продукцию ангиотензина II, высвобождаемого при снижении внутрисосудистого объема, например, при кровопотере или дегидратации. Это ведет к: констрикции эфферентных артериол для поддержания СКФ за счет повышения фильтрационного давления в клубочке;

·        выбросу альдостерона из коркового вещества надпочечников;

·        повышению секреции АДГ задней долей гипофиза;

·        жажде;

·        положительному инотропному действию на сердце и артериальной вазоконстрикции.

Альдостерон усиливает реабсорбцию ионов натрия и воды в дистальном канальце и собирательной трубочке, где Na⁺ обменивается на К⁺ и ионы водорода специфическими клеточными помпами. Секреция альдостерона усиливается при снижении концентрации Na⁺ в сыворотке крови. Это может произойти, к примеру, при потере большого количества желудочного сока, так как желудочный сок содержит большие количества ионов натрия, хлора, водорода и калия. Следовательно, невозможно корригировать возникающий алкалоз и гипокалиемию без предварительного  возмещения ионов натрия физиологическим раствором.

Предсердный натрийуретический пептид (ПНП) секретируется при повышении давления в предсердиях, например, при сердечной недостаточности или жидкостной перегрузке. ПНП приводит к повышению потерь натрия, хлоридов и воды преимущественно за счет повышения СКФ.