III. Механизмы канальцевой реабсорбции

В обычных условиях в почке человека за сутки образуется до 180 л фильтрата, а выделяется 1,0 – 1,5 л мочи, остальная жидкость реабсорбируется (всасывается) в канальцах. В проксимальном сегменте нефрона практически полностью реабсорбируются аминокислоты, глюкоза, витамины, белки, микроэлементы, значительное количество ионов Nа+, Сl^–, НСО₃^–. Реабсорбция натрия и хлора представляет собой наиболее значительный по объему и энергетическим тратам процесс. В последующих отделах нефрона всасываются преимущественно электролиты и вода. Реабсорбция в дистальном сегменте характеризуется тем, что клетки переносят меньшее, чем в проксимальном канальце, количество ионов, но против большего градиента концентрации. В дистальном канальце калий не только реабсорбируется, но и секретируется при его избытке в организме.

В проксимальном отделе нефрона реабсорбция происходит через высокопроницаемую для воды мембрану стенки канальца (облигатная реабсорбция). Напротив, в толстом восходящем отделе петли нефрона, дистальных извитых канальцах и собирательных трубках реабсорбция ионов и воды происходит через малопроницаемую для воды стенку канальца; проницаемость мембраны для воды в отдельных участках нефрона и собирательных трубках может регулироваться, а величина проницаемости изменяется в зависимости от функционального состояния организма (факультативная реабсорбция). Под влиянием импульсов, поступающих по эфферентным нервам, и при действии биологически активных веществ реабсорбция натрия и хлора регулируется в проксимальном отделе нефрона. В конечных частям дистального сегмента нефрона и собирательных трубках проницаемость стенки канальца для воды регулируется вазопрессином.

Важное значение имеет порог выведения. Непороговые вещества выделяются при любой их концентрации в плазме крови (инулин). Выделение же глюкозы с мочой (глюкозурия) наступает тогда, когда ее концентрация в клубочковом фильтрате (и в плазме крови) превышает 10 ммоль/л.

Обратное всасывание различных веществ в канальцах обеспечивается:

1. Активным транспортом (вещество реабсорбируется против электрохимического и концентрационного градиентов). Различают два вида активного транспорта. Первично-активный – перенос вещества против электрохимического градиента за счет энергии клеточного метаболизма. Примером служит транспорт ионов Nа⁺, который происходит при участии фермента Nа⁺, К⁺-АТФазы, использующей энергию АТФ. Вторично-активный – перенос глюкозы, аминокислот против концентрационного градиента, с помощью специального переносчика, который обязательно должен присоединить ион Nа⁺. Движущей силой переноса этих веществ через плазматическую мембрану служит меньшая по сравнению с просветом канальца концентрация натрия в цитоплазме клетки. Градиент концентрации натрия обусловлен непрестанным активным выведением натрия из клетки во внеклеточную жидкость с помощью Nа⁺, К⁺-АТФазы.

2. Пассивный транспорт. Реабсорбция воды, хлора и некоторых других ионов, мочевины осуществляется по электрохимическому, концентрационному или осмотическому градиенту. Примером пассивного транспорта является реабсорбция в дистальном извитом канальце хлора по электрохимическому градиенту, создаваемому активным транспортом натрия. По осмотическому градиенту транспортируется вода, причем скорость ее всасывания зависит от осмотической проницаемости стенки канальца и разности концентрации осмотически активных веществ по обеим сторонам его стенки. В содержимом проксимального канальца вследствие всасывания воды и растворенных в ней веществ растет концентрация мочевины, небольшое количество которой по концентрационному градиенту реабсорбируется в кровь.

Небольшое количество профильтровавшегося в клубочках белка реабсорбируется клетками проксимальных канальцев с помощью пиноцитоза. Выделение белков с мочой в норме составляет не более 20 – 75 мг в сутки, а при заболеваниях почек оно может возрастать до 50 г в сутки. Увеличение выделения белков с мочой (протеинурия) может быть обусловлено нарушением их реабсорбции либо увеличением фильтрации.

Определение величины реабсорбции в канальцах почки. Обратное всасывание веществ, или, иными словами, их транспорт из просвета канальцев в тканевую (межклеточную) жидкость и в кровь, при реабсорбции определяется по разности между количеством вещества, профильтровавшегося в клубочках, и количеством вещества, выделенного с мочой.

 

IV. Канальцевая секреция. Образование вторичной мочи.

Многие продукты обмена и чужеродные вещества секретируются из крови в просвет канальца против концентрационного и электрохимического градиентов. Рассмотрим процесс секреции органических кислот на примере выделения почкой парааминогиппуровой к-ты (ПАГ). Принцип секреторного процесса при транспорте органических соединений состоит в том, что в мембране клетки проксимального канальца, обращенной к интерстициальной жидкости, имеется переносчик, обладающий высоким сродством к ПАГ. Переносчик обеспечивает поступление ПАГ внутрь клетки. Поступившая в клетку ПАГ движется по цитоплазме к апикальной мембране и выделяется в просвет канальца.

Транспорт в нефроне К⁺ характеризуется тем, что К⁺ не только подвергается обратному всасыванию, но и секретируется клетками эпителия конечных отделов нефрона и собирательных трубок. При секреции К⁺ поступает в клетку в обмен на Na⁺ с помощью натрий-калиевого насоса. При избытке К⁺ в организме система регуляции стимулирует его секрецию клетками канальцев. При дефиците К⁺ в организме клетки конечных отделов нефрона и собирательных трубок прекращают секрецию К⁺ и только реабсорбируют его из канальцевой жидкости.

В почках также образуются некоторые вещества, выделяемые в мочу (например, гиппуровая кислота, аммиак) или поступающие в кровь (ренин, простагландины, синтезируемая в почке глюкоза и др.).

Почки теплокровных животных обладают способностью к образованию мочи с большей осмотической концентрацией, чем осмотическая концентрация крови за счет деятельности поворотно-противоточной множительной системы.

Механизм работы такой системы рассмотрим на примере кровеносных сосудов в конечностях арктических животных. Во избежание потерь тепла кровь в параллельно расположенных артериях и венах конечностей течет таким образом, что теплая артериальная кровь согревает охлажденную венозную кровь, движущуюся к сердцу. Здесь такая система функционирует только как противоточный обменник; в почке же она обладает множительным эффектом, т. е. увеличением эффекта, достигаемого в каждом из отдельных сегментов системы.

Шпилькообразная форма петли Генле с движением жидкости в противоположных направлениях по лежащим рядом нисходящему и восходящему коленам создает основу концентрирования здесь мочи по принципу противоточного умножения (рис. 2). NаС1 перекачивается из восходящего колена петли Генле в нисходящее, поэтому концентрация канальцевой жидкости в последнем все более повышается. Мембрана между двумя коленами водонепроницаема, поэтому происходит разведение раствора в восходящем колене и его концентрирование в нисходящем. Поступающий в нисходящее колено изотонический раствор по мере продвижения к вершине петли Генле становится все более гипертоничным.

 

Рис. 2. Схема нефрона, иллюстрирующая противоточный механизм в петле Генле. Сплошными стрелками показан транспорт NаС1 из восходящего колена в нисходящее, а штриховыми – выход воды из собирательной трубочки

 

На каждом уровне между двумя коленами существует лишь небольшая горизонтальная разность концентраций, и в восходящем колене натриевый насос может работать поэтапно с относительно небольшой затратой энергии. Однако за счет противотока эти отдельные эффект, умножаются, создавая очень большую вертикальную разность концентраций между основанием и вершиной петли Генле. Такой градиент важен для окончательного концентрирования мочи, и вот почему. Из восходящего колена в дистальный извитой каналец поступает гипотонический раствор; здесь он за счет осмоса теряет воду, и становится изотоническим, причем объем жидкости наполовину уменьшается. При прохождении раствора по собирательной трубочке к вершине сосочка вода продолжает удаляться, поскольку окружающая среда становится все более гипертоничной по отношению к раствору. Здесь, как и в дистальном извитом канальце, водопроницамость стенки регулируется антидиуретическим гормоном (АДГ). Его количество определяет концентрацию и объем мочи, покидающей почку в вершине сосочка. Таким образом, в корковом слое каналы нефрона содержат гипотонический раствор, в мозговом – гипертонический.

Столь простая модель годится лишь для описания основных принципов концентрирования мочи, а реальные механизмы, действующие в мозговом веществе почки, намного сложнее. Рассмотрим схему на рис. 3. Вслед за NaСl, выкачиваемым из толстого сегмента восходящего колена петли Генле, в межклеточное пространство из нисходящего колена петли Генле и соседних собирательных трубочек устремляется вода (этот процесс регулируется АДГ). Из нисходящей части петли Генле вода выходит и за счет гидростатического давления (участок сужен и возникает перепад давления). Трубочки относительно непроницаемы для мочевины, поэтому ее концентрация в канальцевой жидкости, достигающей внутренней зоны мозгового вещества, сильно повышается. Здесь проницаемость для мочевины возрастает, и она диффундирует в межклеточное пространство, что обеспечивает осмотическую потерю воды из нисходящего колена. Последнее непроницаемо для NaСl, и концентрация этой соли постепенно повышается к вершине сосочка. В тонком сегменте восходящего колена жидкость попадает в противоположные по проницаемости условия: здесь проницаемость низка для воды и высока для NaСl и мочевины. По градиенту концентрации NaСl диффундирует из петли Генле, а мочевина поступает в нее. У толстого сегмента восходящего колена низкая проницаемость для мочевины, как и у дистального извитого канальца и верхнего сегмента собирательной трубочки, в которых под влиянием АДГ реабсорбируется вода. Таким образом, концентрация мочевины в растворе непрерывно повышается, и последняя замещает NaСl, интенсивно реабсорбируемый дистальной частью нефрона, особенно в присутствии альдостерона. Следовательно, некоторое количество мочевины челночно перемещается в дистальном отделе нефрона, перенося энергию для концентрирования мочи из толстого сегмента петли во внутреннюю зону мозгового вещества.

Накоплению мочевины в мозговом веществе способствуют прямые сосуды; в них опять-таки по принципу противоточной диффузии ее концентрация повышается к вершине петли Генле. За счет этого эффекта, в свою очередь, поддерживается на низком уровне градиент концентрации между кровью и жидкостью в собирательной трубочке. Итак, концентрирование мочи, выделяемой почками, осуществляется осмотическим путем за счет транспорта NaСl, но сам NaСl замещается мочевиной, этот конечный продукт обмена выводится растворенным в минимальном объеме воды.

 

 

Рис. 3. Процесс противоточного концентрирования мочи в мозговом веществе почек. Из нисходящей части петли Генле вода выходит за счет гидростатического давления (участок сужен и возникает перепад давления). Прямой сосуд с высокой проницаемостью для NaСl, мочевины и воды образует единую жидкостную систему с межклеточным пространством. Сюда из толстого сегмента восходящего колена петли Генле выводится NaСl и концентрация мочевины постепенно растет к вершине сосочка. Структуры, проницаемые для мочевины, обозначены штриховой линией. Белые стрелки активный транспорт NaСl; сплошные стрелки перенос мочевины; штриховые стрелки перенос воды

 

Таким образом, деятельность петли нефрона, конечных частей дистального сегмента и собирательных трубок обеспечивает способность почек вырабатывать большие объемы разведенной (гипотонической) мочи – до 900 мл/ч, а при дефиците воды экскретировать всего 10–12 мл/ч мочи, в 4,5 раза более осмотически концентрированной, чем кровь. Способность почки осмотически концентрировать мочу исключительно развита у некоторых пустынных грызунов, что позволяет им длительное время обходиться без воды.

Количество мочи, выделяемое человеком за определенное время называют диурезом. Эта величина у здорового человека колеблется в широких пределах в зависимости от состояния водного обмена. При обычном водном режиме за сутки выделяется 1–1,5 л мочи. После потребления значительного количества воды скорость мочеотделения достигает 15–20 мл/мин. В условиях высокой температуры окружающей среды вследствие возрастания потоотделения количество выделяемой мочи уменьшается. Ночью во время сна диурез меньше, чем днем. Уменьшение мочеотделения под влиянием АДГ при дефиците воды в организме называют антидиурезом.

С мочой могут выделяться большинство веществ, имеющихся в плазме крови, а также некоторые соединения, синтезируемые в почке. Суточная экскреция натрия составляет 170–260 ммоль, калия – 50–80, хлора – 170–260, кальция – 5 ммоль.

Почки служат главным органом экскреции конечных продуктов азотистого обмена. Мочевина, составляющая до 90 % азота мочи образуется при распаде белков; ее суточная экскреция достигает 25 – 35 г. Белки в нормальной моче выявляются в очень небольшом количестве (суточная экскреция не превышает 125 мг). Небольшая протеинурия наблюдается у здоровых людей после тяжелой физической нагрузки и исчезает после отдыха.

Глюкоза в моче в обычных условиях не выявляется. При избыточном потреблении сахара, когда концентрация глюкозы в плазме крови превышает 10 ммоль/л, при гипергликемии иного происхождения наблюдается глюкозурия – выделение глюкозы с мочой.

Цвет мочи зависит от величины диуреза и уровня экскреции пигментов. Цвет меняется от светло-желтого до оранжевого. Пигменты образуются из билирубина желчи в кишечнике, где билирубин превращается в уробилин и урохром, которые частично всасываются в кишечнике и затем выделяются почками. Часть пигментов мочи представляет собой окисленные в почке продукты распада гемоглобина.

С мочой выделяются различные биологически активные вещества и продукты их превращения, по которым в известной степени можно судить о функции некоторых желез внутренней секреции. В моче обнаружены производные гормонов коркового вещества надпочечников, эстрогены, АДГ, витамины. При патологии в моче обнаруживаются вещества, обычно в ней не выявляемые, – ацетон, желчные кислоты, гемоглобин и др.