Выделение. Физиология почки

Содер жание Выделение. физиология почки Механизмы мочеообразования Канальцевая секреция и ее регуляция Механизмы выведения мочи и мочеиспускания Другие функции почек Роль почек в регуляции артериального давления Выделение. физиология почки Выделение - это процесс освобождения организма от продуктов обмена, которые не могут использоваться организмом, чужеродных и токсических веществ, избытка воды, солей, органических соединений . К органам выделения относятся почки, легкие, потовые железы, желудочно-кишечный тракт . Легкие выделяют углекислый газ, пары воды, некоторые летучие вещества : пары эфира, алкоголя . Слюнные железы, железы желудка и кишечника способны выделять тяжелые металлы при попадании их в организм, лекарственные вещества, например, салицилаты, чужеродные органические соединения ; роль этих желез возрастает при снижении функции почки . Особое место среди органов выделения занимает почка . Почка является истинным органом выделения - благодаря ее деятельности происходит экскреция конечных продуктов азотистого обмена и чужеродных веществ : мочевины, мочевой кислоты, креатинина, аммиака . Почка осуществляет экскрецию лекарственных и избытка органических веществ, поступивших с пищей или образовавшихся в ходе метаболизма, например, глюкозы, аминокислот . Почка является одновременно и органом регуляции - за счет механизмов мочеобразования регулируются объемы циркулирующей крови, внутри - и внеклеточной воды, постоянство осмотического давления и состава плазмы и других жидкостей организма, осуществляется регуляция кислотно-щелочного равновесия ( КЩР ). За счет продукции биологически активных веществ и гормонов, почка участвует в регуляции системного артериального давления, эритропоэза, гемокоагуляции . Механизмы мочеообразования Моча образуется в почках из крови, причем почка относится к наиболее интенсивно кровоснабжа емым органам - ежеминутно через почку проходит 1/4 всего объема крови, выбрасываемой сердцем . Основной структурно-функциональной единицей почки, обеспечивающей образование мочи, является нефрон . В почке человека и многих млекопитающих содержится около 1,2 миллионов нефронов . Однако, не все нефроны работают в почке одновременно, существует определенная периодичность функционирования отдельных нефронов, когда часть из них функционирует, а другие нет . Эта периодичность обеспечивает надежность деятельности почки за счет функционального дублирования . В связи с этим важным показателем функциональной активности почки является масса действующих нефронов в конкретный момент времени . Схема строения нефрона . - междолевая артерия, 2 - междолевая вена, 3 - дугообразная венула, 5 - междольковая артериола, 6 - междольковая венула, 7 - приносящая артериаола, 8 - выносящая артериола, 9 - сосудистый клубочек, 10 - проксимальный извитой каналец, 11 - прямой нисходящий сосуд, 12 - прямой восходящий сосуд, 13 - петля Генле, 14 - дистальный извитой каналец, 15 - собирательная трубочка. Нефрон состоит из нескольких последовательно соединенных отделов , располагающихся в корковом и мозговом веществе почки . 1 ) Сосудистый клубочек . Снаружи клубочки покрыты двухслойной капсулой Боумена-Шумлянского . 2 ) Главный или проксимальный отдел канальцев, начинающийся от полости капсулы извитой частью, которая затем переходит в прямую часть канальца . Клетки проксимального отдела на апикальной мембране имеют щеточную каемку из микроворсин, покрытых гликокаликсом . Проксимальный отдел расположен в корковом веществе, где переходит в петлю Генле . 3 ) Тонкий нисходящий отдел петли Генле , спускающийся в мозговое вещество почки, где поворачивает на 180° и переходит в восходящую часть, являющуюся началом дистального отдела канальцев . 4 ) Дистальный отдел канальцев, состоящий из восходящей части, петли Генле или прямого отдела и извитой части . Дистальные извитые канальцы через короткий связующий отдел впадают в коре почек в следующий отдел нефрона - собирательные трубки . 5 ) Собирательные трубки спускаются из коры почек вглубь мозгового вещества, сливаются в выводные протоки, открывающиеся в полость лоханки . По особенностям локализации клубочков в коре почек, строения канальцев и особенностям кровоснабжения различают три типа нефронов : суперфициальные, интракортикальные и юкстамедуллярные . Суперфициальные нефроны имеют поверхностно расположенные в коре клубочки, наиболее короткую петлю Генле, их 20-30% . Интракортикальные нефроны, клубочки которых расположены в средней части коры почки, наиболее многочисленны ( 60-70% ) и выполняют основную роль в процессах ультрафильтрации мочи . Юкстамедуллярных нефронов значительно меньше ( 10-15% ), клубочки их расположены у границы коркового и мозгового вещества почки, выносящие артериолы шире приносящих, петли Генле самые длинные и спускаются почти до вершины сосочка пирамид . Механизм мочеобразования складывается из трех основных процессов : 1) клубочковой ультрафильтрации из плазмы крови воды и низкомолекулярных компонентов с образованием первичной мочи ; 2) канальцевой реабсорбции ( обратного всасывания в кровь ) воды и необходимых для организма веществ из первичной мочи ; 3) канальцевой секреции ионов, органических веществ эндогенной и экзогенной природы . Фильтрация - начальный и основной этап образования мочи . Фильтрация определяется, с одной стороны, величиной гидростатического давления, способствующего выходу жидкости из капилляра, а с другой стороны, величиной онкотического давления, создаваемого растворенными в плазме крупномолекулярными белками, которые препятствуют выходу жидкости из капилляров . Эндотелиальные клетки капилляров клубочков приспособлены для процесса фильтрации - здесь имеются огромные поры диаметром до 40 - 100 нм, которые пропускают практически все крупные частицы крови, включая белки, за исключением форменных элементов крови - эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов . Основным барьером для фильтрации является базальная мембрана, которая отделяет эндотелиальные клетки капилляров от подоцитов . Дополнительным фильтром служат подоциты - эпителиальные клетки висцерального листка капсулы . Между ножками этих клеток имеются диафрагмы, пронизанные порами . Вероятно, диаметр этих пор тоже не превышает 8 нм, и поры содержат анионы . Все это вместе приводит к тому, что в норме при обычном кровотоке проницаемость белка резко ограничена . Крупные молекулы белка закупоривают поры и за счет наличия на белках анионных зарядов не подпускают к порам более мелкие молекулы белка . Итак, в процессе фильтрации вместе со 120 - 110 мл воды фильтруются все низкомолекулярные вещества, которые свободно проходят через фильтрационную поверхность, за исключением большей части белков и форменных элементов крови . Поэтому ультрафильтрат напоминает по концентрации веществ плазму . Канальцевая реабсорбция и ее регуляция . Все ценные, необходимые вещества реабсорбируются в почечных канальцах . Так, натрий реабсорбируется на 99%, калий - на 90%, кальций - на 99%, магний - на 94%, хлор - на 99%, бикарбонаты - на 99%, фосфаты - на 90%, сульфаты - на 69%, глюкоза ( если ее содержание не превышает норму ) - на 100%, аминокислоты - на 90%, вода - на 99%, мочевина - на 53% . В итоге, объем конечной мочи достигает 1,0 - 1,5 л в сутки . Основная масса молекул реабсорбируется в проксимальном извитом канальце, и меньше - в петле Генле, в дистальном извитом канальце и собирательных трубках . Реабсорбция веществ осуществляется с участием различных механизмов, главным из которых является активный транспорт . Проксимальная реабсорбция обеспечивает полное всасывание ряда веществ первичной мочи - глюкозы, белка, аминокислот и витаминов . В проксимальных отделах всасывается 2/3 профильтровавшихся воды и натрия, большие количества калия, хлора, бикарбоната, фосфата, а также мочевая кислота и мочевина . К концу проксимального отдела в его просвете остается только 1/3 объема ультрафильтрата . Всасывание воды происходит пассивно, по градиенту осмотического давления и зависит от реабсорбции натрия и хлорида . Реабсорбция натрия в проксимальном отделе осуществляется как активным, так и пассивным транспортом . В начальном участке канальцев это активный процесс . Проксимальная реабсорбция глюкозы и аминокислот осуществляется с помощью специальных переносчиков . Малые количества профильтровавшегося белка практически полностью реабсорбируются в проксимальных канальцах с помощью пиноцитоза . Дистальная реабсорбция ионов и воды по объему значительно меньше проксимальной . Однако, существенно меняясь под влиянием регулирующих воздействий, она определяет состав конечной мочи и способность почки выделять либо концентрированную, либо разведенную мочу ( в зависимости от водного баланса организма ). В дистальном отделе нефрона происходит активная реабсорбция натрия, хлора, калия, кальция, фосфатов . В собирательных трубочках, главным образом юкстамедуллярных нефронов, под влиянием вазопрессина повышается проницаемость стенки для мочевины и она, благодаря высокой концентрации в просвете канальца, пассивно диффундирует в окружающее интерстициальное пространство . Под влиянием вазопрессина стенка дистальных извитых канальцев и собирательных трубочек становится проницаемой и для воды . Способность почки образовывать концентрированную или разведенную мочу обеспечивается деятельностью противоточно-множительной канальцевой системы почки, которая представлена параллельно расположенными коленами петли Генле и собирательными трубочками . Моча двигается в этих канальцах в противоположных направлениях ( почему систему и назвали противоточной ), а процессы транспорта веществ в одном колене системы усиливаются (" умножаются " ) за счет деятельности другого колена . Определяющую роль в работе противоточного механизма играет восходящее колено петли Генле, стенка которого непроницаема для воды, но активно реабсорбирует в окружающее интерстициальное пространство ионы натрия . В результате, интерстициальная жидкость становится гиперосмотичной по отношению к содержимому нисходящего колена петли и по направлению к вершине петли осмотическое давление в окружающей ткани растет . Стенка же нисходящего колена проницаема для воды, которая пассивно уходит из просвета в гиперосмотичный интерстиций . Таким образом, в нисходящем колене моча из-за всасывания воды становится все более и более гиперосмотичной, т.е. устанавливается осмотическое равновесие с интерстициальной жидкостью . В восходящем колене, из-за всасывания натрия, моча становится все менее осмотичной и в корковый отдел дистального канальца восходит уже гипотоничная моча . Однако ее количество из-за всасывания воды и солей в петле Генле существенно уменьшилось . Противоточно-множительная тубулярная система мозгового вещества почки . Собирательная трубочка, в которую затем поступает моча, тоже образует с восходящим коленом петли Генле противоточную систему . Стенка собирательной трубочки становится проницаемой для воды только в присутствии вазопрессина . В этом случае, по мере продвижения мочи по собирательным трубочкам вглубь мозгового вещества, в котором нарастает осмотическое давление из-за всасывания натрия в восходящем колене петли Генле, все больше воды пассивно уходит в гиперосмотичный интерстиций и моча становится все более концентрированной . Под влиянием вазопрессина происходит пассивный выход мочевины из собирательных трубочек в окружающее пространство . Мочевина интерстициальной жидкости по концентрационному градиенту диффундирует в просвет тонкой восходящей части петли Генле и вновь поступает с током мочи в дистальные канальцы и собирательные трубочки . Так осуществляется кругооборот мочевины в каналъцах, сохраняющих высокий уровень ее концентрации в мозговом веществе . Описанные процессы протекают в основном в юкстамедуллярных нефронах, имеющих наиболее длинные петли Генле, спускающиеся глубоко внутрь мозгового вещества почки . В мозговом веществе почки имеется и другая - сосудистая противоточная система, образованная кровеносными капиллярами . Поскольку кровеносная сеть юкстамедуллярных нефронов образует длинные параллельные прямые нисходящие и восходящие капиллярные сосуды , спускающиеся вглубь мозгового вещества, двигающаяся по нисходящему прямому капиллярному сосуду кровь постепенно отдает воду в окружающее интерстициалъное пространство в силу нарастающего осмотического давления в ткани и, напротив, обогащается натрием и мочевиной, сгущается и замедляет свое движение . В восходящем капиллярном сосуде по мере движения крови в ткани с постепенно снижающимся осмотическим давлением происходят обратные процессы - натрий и мочевина по концентрационному градиенту диффундируют обратно в ткань, а вода всасывается в кровь . Таким образом, и эта противоточная система способствует поддержанию высокого осмотического давления в глубоких слоях ткани мозгового вещества, обеспечивая удаление воды и удержание натрия и мочевины в интерстиций . Деятельность описанных противоточных систем во многом зависит от скорости движения находящихся в них жидкостей ( мочи или крови ). Чем скорее будет двигаться моча по трубкам противоточной системы канальцев, тем меньшие количества натрия, мочевины и воды успеют реабсорбироваться в интерстиций и большие количества менее концентрированной мочи будут выделяться почкой . Чем выше будет скорость кровотока по прямым капиллярным сосудам мозгового вещества почки, тем больше натрия и мочевины унесет кровь из почечного интерстиция, т.к они не успеют диффундировать из крови назад в ткань . Этот эффект называют " вымыванием " осмотически активных веществ из интерстиция, в результате его осмолярность падает, концентрированно мочи уменьшается и почкой выделяется больше мочи низкого удельного веса ( разведение мочи ). Чем медленнее происходит движение мочи или крови в мозговом веществе почек, тем больше осмотически активных веществ накапливается в интерстиций и выше способность почки концентрировать мочу . Регуляция канальцевой реабсорбции осуществляется как нервным, так и, в большей мере, гуморальным путем . Симпатические эффекты проявляются в виде активации процессов реабсорбции глюкозы, натрия, воды и фосфатов и реализуются через систему вторичных посредников Основным фактором регуляции реабсорбции воды в дистальных отделах нефрона является гормон вазопрессин, называвшийся ранее антидиуретическим гормоном . Канальцевая реабсорбция электролитов, также как и воды, регулируется преимущественно гормональными, а не нервными влияниями . Канальцевая секреция и ее регуляция Канальцевой секрецией называют активный транспорт в мочу веществ, содержащихся в крови или образуемых в самих клетках канальцевого эпителия, например аммиака . Секреция осуществляется, как правило, против концентрационного или электрохимического градиента с затратами энергии . Путем канальцевой секреции из крови выделяются как ионы K + , Н + , органические кислоты и основания эндогенного происхождения, так и поступившие в организм чужеродные вещества, в том числе органического происхождения . Для ряда чужеродных организму веществ органической природы ( антибиотиков, красителей и рентгеноконтрастных препаратов ) скорость и интенсивность выделения из крови путем канальцевой секреции значительно превышает их выведение путем клубочковой фильтрации . Таким образом, канальцевая секреция является одним из механизмов обеспечения гомеостаза . Механизмы образования мочи . Способностью к секреции обладают клетки эпителия и проксимального, и дистальных отделов канальцев . При этом, клетки проксимальных канальцев секретируют органические соединения с помощью специальных переносчиков . Состав и свойства конечной мочи . В сутки у человека образуется и выделяется от 0,7 до 2 л мочи . Эта величина носит название суточного диуреза и зависит от количества выпитой жидкости, т.к здоровым человеком выделяется 65-80% ее объема с мочой . Основное количество мочи образуется днем, тогда как ночью оно составляет не более половины дневного объема . Реакция суточной мочи обычно слегка кислая, однако рН колеблется в зависимости от характера питания . При растительной пище моча приобретает щелочную реакцию, а при белковой - становится более кислой . Белок и глюкоза в конечной моче практически отсутствуют, содержание аминокислот не превышает 0,5 г за сутки . В моче содержится широкий спектр органических кислот, небольшие концентрации витаминов ( кроме жирорастворимых ), биогенные амины и их метаболиты, стероидные гормоны и их метаболиты, ферменты и пигменты, определяющие цвет мочи . С мочой в разных концентрациях, зависящих от ее количества, выделяются практически все неорганические катионы и анионы, в том числе и широкий спектр микроэлементов . Механизмы выведения мочи и мочеиспускания Образовавшаяся в структурах нефрона моча поступает в почечные лоханки . По мере их заполнения и растяжения достигается порог раздражения механорецепторов, приводящий к рефлекторному сокращению мускулатуры лоханки и раскрытию мочеточника . За счет перистальтических сокращений их гладкой мускулатуры моча поступает в мочевой пузырь . Гладкие мышцы лоханки и мочеточников обладают значительной степенью автоматии, в связи с чем их перистальтика вызывается растяжением объемом поступающей мочи . Заполняющая мочевой пузырь моча по мере накопления начинает растягивать его стенки, но при этом напряжение стенок пузыря не повышается до определенной величины растяжения, обычно соответствующей объему мочи в пузыре около 400 мл . Появление напряжения стенки мочевого пузыря вызывает позывы к мочеиспусканию, так как раздражение механорецепторов ведет к поступлению афферентной информации в крестцовые отделы спинного мозга и формированию сложного рефлекторного акта . В этом акте участвуют не только спинальные, но и расположенные в головном мозге центральные структуры, позволяющие осуществлять произвольную задержку мочеиспускания или его начало . Другие функции почек Регуляция кислотно-щелочного равновесия . Почки участвуют наряду с легкими в регуляции КЩР ( кислотно-щелочного равновесия ). Прежде всего это осуществляется за счет регуляции процесса реабсорбции бикарбоната натрия, составной части бикарбонатного буфера . Итак, почка способна секретировать избыток ионов водорода . Эта секреция сопряжена с р е абсорбцией натрия ( вместе с бикарбонатом ), а также с детоксикацией аммиака . Регуляция водно-солевого обмена , как и большинство физиологических регуляций, включает афферентное, центральное и эфферентное звенья . Афферентное звено представлено массой рецепторных аппаратов сосудистого русла, тканей и органов, воспринимающих сдвиги осмотического давления, объема жидкостей и их ионного состава . В результате, в центральной нервной системе создается интегрированная картина состояния водно-солевого баланса в организме . Следствием центрального анализа является изменение питьевого и пищевого поведения, перестройка работы желудочно-кишечного тракта и системы выделения ( прежде всего функции почек ), реализуемая через эфферентные звенья регуляции . Последние представлены нервными и, в большей мере, гормональными влияниями . Метаболическая функция почек . Метаболическая функция почек состоит в обеспечении гомеостазиса обменных процессов в организме, поддержании во внутренней среде определенного уровня и состава компонентов метаболизма . При этом участие почки в процессах обмена веществ в организме обеспечивается не только экскрецией субстратов и метаболитов, но и протекающими в ней биохимическими процессами . Почка метаболизирует фильтрующиеся с мочой пептиды малой молекулярной массы и денатурированные белки, возвращая в кровь аминокислоты и поддерживая в крови уровень этих пептидов, в том числе и гормонов . Ткань почки обладает способностью к новообразованию глюкозы - глюконеогенезу, причем в расчете на единицу массы органа эта способность у почки выше, чем в печени . При длительном голодании примерно половина поступающей в кровь глюкозы образуется почками . Почка является основным органом окислительного катаболизма инозитола, здесь синтезируются важный компонент клеточных мембран фосфатидилинозитол, глюкуроновая кислота, триацил-глицерины и фосфолипиды, поступающие в кровоток, а также простагландины и кинины . Роль почек в регуляции артериального давления Почки участвуют в регуляции артериального давления благодаря нескольким механизмам . 1 . В почках образуется ренин, являющийся ( глава 5 ) частью ренин-ангиотензин-альдостероновой системы ( РААС ), которая обеспечивает регуляцию тонуса кровеносных сосудов, поддержание баланса натрия в организме и объема циркулирующей крови, активацию адренергических механизмов регуляции насосной функции сердца и сосудистого тонуса . Уменьшение уровня давления крови в приносящей артериоле клубочка, повышение симпатического тонуса и концентрации натрия в моче дистального канальца активирует секрецию ренина, что с помощью ангиотензина - II и альдостерона способствует нормализации сниженной величины артериального давления . Неадекватно избыточная секреция ренина и активация РААС может быть причиной повышенного артериального давления . 2 . Почка экскретирует большинство гормональных и физиологически активных веществ, обладающих выраженными сердечно-сосудистыми эффектами . За счет изменений экскреции поддерживается оптимальный уровень в крови гуморальных регуляторов артериального давления . 3 . В почке образуются вещества депрессорного действия, т.е. снижающие тонус сосудов и артериальное давление - нейтральный депрессорный липид мозгового вещества, простагландины, кинины и др . Их образование получило название " антигипертензивной " функции почек, поскольку ее нарушение может приводить к артериальной гипертензии . 4 . Почка экскретирует воду и электролиты, а их содержание в крови, вне - и внутриклеточной среде является важным для поддержания уровня артериального давления . 5 . Одним из факторов участия почек в регуляции артериального давления является механизм " давление-диурез ". Повышение артериального давления ведет к увеличению диуреза, за счет потери кровью большого объема жидкости уменьшается объем циркулирующей крови и нормализуется артериальное давление . Напротив, падение давления крови вызывает снижение мочеобразования, задержку воды, повышение объема крови и восстановление уровня давления .