Выделительная функция почек

БИОЛОГИЯ ВЫДЕЛИТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ ПОЧЕК В. А. ЛАВРИНЕНКО Новосибирский государственный университет

ВВЕДЕНИЕ

EXCRETORY FUNCTION OF KIDNEYS V. A. LAVRINENKO

The modern understanding of the basic mechanisms of urine generation, i.e., glomerular ultrafiltration, tubule reabsorption and secretion, is presented. These processes provide for the homeostatic functions of kidney. The information on kidney morphology and blood supply is given. Излагаются современные представления об основных механизмах мочеобразования: клубочковой ультрафильтрации, канальцевой реабсорбции и секреции. Эти процессы обеспечивают выполнение почкой гомеостатических функций. Представлены сведения о функциональной морфологии почки, ее кровоснабжении.

Почки в организме человека и животных выполняют многообразные функции, при этом одни из них связаны с процессами выделения, другие же направлены на стабилизацию состава внутренней среды. Выполняя роль сложных биологических фильтров, почки пропускают через себя всю кровь, циркулирующую в организме. Их задача – отфильтровать лишнее: воду, мочевину, избыток всевозможных солей, конечные продукты обмена веществ – метаболиты. При этом нельзя допустить утечки “ценностей”: глюкозы, калия, натрия, витаминов, аминокислот, воды и т.д. Экскретируя из внутренней среды чужеродные и вредные вещества, почки выполняют защитную функцию. Благодаря почкам поддерживается постоянство состава крови, внутритканевой жидкости, регулируется общий объем жидкостей в организме. Наряду с другими органами выделения они участвуют в регуляции кислотно-основного гомеостаза. Особенно строго почки следят за балансом солей калия и натрия. В почках происходят разрушение различных гормонов, измененных белков, глюконеогенез, образование некоторых фосфолипидов. Важное значение для организма человека и животных имеет синтез в почке биологически активных веществ, участвующих в регуляции артериального давления, обмена кальция, эритропоэза. Выполнение разнообразных функций почкой обеспечивают следующие процессы: ультрафильтрация, реабсорбция (обратное всасывание) и секреция.

© Лавриненко В.А., 2001

СТРОЕНИЕ ПОЧКИ МЛЕКОПИТАЮЩИХ

www.issep.rssi.ru

Почки млекопитающих имеют бобовидную форму, располагаются на задней брюшной стенке с двух сторон от позвоночного столба. На поперечном разрезе (рис. 1) видны основные анатомические особенности. Через ворота почки проходят главные кровеносные сосуды, почечные нервы, лимфатические сосуды и мочеточник. Почка млекопитающих отчетливо разделяется на корковое вещество и находящееся под ним мозговое вещество, состоящее из двух зон: наружной (непосредственно под корковым веществом) и внутренней [1].

Л А В Р И Н Е Н К О В . А . В Ы Д Е Л И Т Е Л Ь Н А Я ФУ Н К Ц И Я П О Ч Е К

13

БИОЛОГИЯ Лоханка Нефрон

Почечная артерия

Почечная вена

Кора Мочеточник

Мозговое вещество

Рис. 1. Поперечный разрез почки млекопитающих. Выявляются разные слои почечной ткани (кора и мозговое вещество). Функциональные единицы – нефроны расположены внутри почечных пирамид. Верхушки пирамид или сосочки окружены чашечками, формирующими почечную лоханку. Моча из лоханки попадает в мочеточник и далее в мочевой пузырь

Структурно-функциональной единицей почки является нефрон. В каждой почке человека насчитывается более миллиона нефронов, в которых происходит образование мочи. Нефрон состоит из нескольких последовательно соединенных отделов, располагающихся в корковом и мозговом веществе почки. Каждый нефрон начинается двустенной капсулой почечного клубочка, внутри которой находится клубочек капилляров – почечное тельце. Полость капсулы переходит в просвет проксимального канальца, высокие клетки которого покрыты многочисленными микроворсинками и содержат большое количество митохондрий. Проксимальный каналец состоит из извитой и прямой частей. Следующий отдел нефрона – тонкая нисходящая часть петли нефрона (петли Генле), стенки которой образованы плоскими эпителиальными клетками. Каналец может глубоко спускаться в мозговое вещество, где он изгибается на 180°, образует петлю и поворачивается в сторону коры почки, образуя восходящую часть петли нефрона. Восходящий отдел петли нефрона поднимается почти до уровня клубочка и переходит в дистальный извитой каналец, выстланный кубическими эпителиальными клетками. Этот отдел обязательно контактирует с клубочком между приносящей и выносящей артериолами. В клетках этих отделов обнаруживается большое количество митохондрий. Далее следу-

14

ет конечный отдел нефрона – короткий связующий каналец, впадающий в собирательную трубку. Начинаясь в коре почки, собирательные трубки сливаются, образуют более крупные выводные протоки, открывающиеся в полость почечной лоханки. Различают два основных типа нефронов: кортикальный (85%) и юкстамедуллярный (15%). Различие между ними заключается в локализации, величине клубочков (юкстамедуллярные крупнее), глубине расположения клубочков (клубочки юкстамедуллярных нефронов лежат на границе коркового и мозгового слоя) и длине петель нефрона (рис. 2). Канальцы нефрона почки распределены строго по зонам. Так, в корковом веществе находятся почечные клубочки, проксимальные, дистальные, связующие и начальные отделы собирательных трубок; в наружной мозговой зоне – тонкие нисходящие и толстые восходящие отделы петель Генле, собирательные трубки. Во внутреннем слое мозгового вещества обнаруживаются тонкие отделы петель и собирательные трубки. Такое зональное распределение а Юкстамедуллярный нефрон

б Кортикальный нефрон Афферентная артериола

Клубочек

Эфферентная артериола

Клубочек

Кора Афферентная артериола

Мозговое вещество

Петля Генле

Собирательная трубка Прямые сосуды

Рис. 2. Разные типы нефронов. Показаны клубочковые капилляры в капсуле и околоканальцевые капилляры: а – юкстамедуллярный нефрон с длинной петлей Генле, проникающей во внутреннее мозговое вещество. Прямые сосуды окружают петлю Генле; б – кортикальный нефрон с короткой петлей Генле, расположенной в наружном мозговом веществе

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 1 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ частей нефрона в почке определяет особенности участия различных типов нефронов в деятельности почки, например в осмотическом концентрировании мочи. КРОВОСНАБЖЕНИЕ ПОЧКИ Уровень кровоснабжения почки имеет важное значение для выполнения ее функции. Работают почки титанически. Каждая весит не более 200 г, а обрабатывают они за сутки до тысячи литров крови. За минуту через обе почки протекает более 1200 мл крови, что составляет примерно 25% от общего количества крови, поступающей за то же время в аорту – главную магистраль сосудистой системы. Короткие почечные артерии отходят к каждой почке от брюшного отдела аорты, постепенно разветвляются на все более мелкие артерии, которые проходят через почечную лоханку и разделяются на междолевые артерии [2]. От них берут начало дуговые артерии, располагающиеся вдоль границ коркового и наружного мозгового слоев. Дуговые артерии дают начало междольковым артериям, от которых в почечный клубочек входит приносящая (афферентная) артериола. В клубочке она распадается на капилляры, образующие при слиянии выносящую (эфферентную) артериолу. По ней кровь оттекает от клубочка и изливается во вторую капиллярную сеть, оплетающую проксимальные и дистальные канальцы. Таким образом, большая часть крови в почке дважды проходит через капилляры – вначале в клубочке, затем вокруг канальцев. Околоканальцевые капилляры объединяются и образуют вены. Венозная кровь поступает в дуговые, междолевые вены и по почечным венам оттекает в нижнюю полую вену. Имеются существенные различия в анатомии кортикальных и юкстамедуллярных нефронов. У последних эфферентная артериола не распадается на околоканальцевую капиллярную сеть, а образует прямые артериальные сосуды. Они проходят во внутреннее мозговое вещество и делятся на длинные (до 40 мм) капилляры, по которым кровь поступает в венозные прямые сосуды. У млекопитающих почечный кровоток характеризуется высокой интенсивностью и неравномерностью распределения по зонам почки. Кровоток в коре почки достигает 4–5 мл в минуту на 1 г ткани – это самый высокий уровень органного кровотока. Для мозга эта величина равна 0,7 мл в минуту, печени – 1,0 мл/мин. В наружном мозговом веществе кровоток ниже – 1,5 мл/мин, во внутреннем мозговом веществе 0,3 мл/мин. Меньшая скорость кровотока в мозговом веществе по сравнению с корой почки обусловлена большим сопротивлением для движения крови длинных прямых сосудов. Еще одна особенность почечного кровотока состоит в том, что при изменении системного артериального давления (от 90 до 190 мм рт. ст.) кровоток поч-

ки остается постоянным. Это обусловлено саморегуляцией кровообращения в почке. Основная роль в этом отведена афферентной и эфферентной артериолам. Изменение просвета приносящей артериолы компенсирует колебание артериального давления в системном кровотоке, а регуляция сопротивления крови в выносящей артериоле стабилизирует давление в капиллярах почечного клубочка. Большое значение имеет чувствительность артериол к различным биологически активным веществам, оказывающим сосудосуживающий эффект. КЛУБОЧНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ Образование мочи в почке начинается с ультрафильтрации плазмы крови в почечных клубочках. Жидкость с растворенными в ней веществами переходит из просвета капилляров в полость капсулы клубочка через клубочковый фильтр [1, 3]. Фильтрационный барьер состоит из трех слоев: эндотелия капилляров, базальной мембраны и подоцитов – клеток, образующих капсулу клубочка (рис. 3). Эндотелиальные клетки капилляров имеют максимально уплощенные тонкие

Ножки подоцита

Базальная мембрана Эритроцит

Фенестеры

Эндотелиальная клетка

Микрофиламенты

Рис. 3. Фильтрационный барьер. Демонстрируется трехслойность фильтрационного барьера – эндотелий кровеносного капилляра, базальная мембрана и клетка-подоцит. Ножки подоцита прикрепляются к трехслойной базальной мембране, общей для подоцита и эндотелия капилляра клубочка. Между ножками подоцита имеются узкие щели (по Улумбекову, 1997)

Л А В Р И Н Е Н К О В . А . В Ы Д Е Л И Т Е Л Ь Н А Я ФУ Н К Ц И Я П О Ч Е К

15

БИОЛОГИЯ периферические участки толщиной 30–100 нм. Эти участки пронизаны порами (фенестрами) диаметром 50–100 нм, через которые свободно проходит основной поток жидкости с низкомолекулярными веществами, но не проникают форменные элементы и белки. Следующий элемент фильтрационного барьера – базальная мембрана толщиной до 300 нм. Она имеет сетчатую структуру, образованную тонкими фибриллярными нитями. “Поры” базальной мембраны ограничивают прохождение молекул в зависимости от размера (до 3,4 нм), формы и заряда. В матриксе базальной мембраны содержатся отрицательно заряженные молекулы – полианионы, ограничивающие движение молекул с одноименным зарядом, например альбумина, одного из белков плазмы крови. Наконец, последним барьером на пути фильтруемых веществ являются щелевые мембраны между отростками подоцитов. Они прилегают к базальной мембране со стороны капсулы клубочка и ограничивают прохождение белков плазмы крови с большой молекулярной массой. Такой многослойный фильтр в клубочковой мембране обеспечивает сохранение белков в крови и образование практически безбелковой первичной мочи. Процесс ультрафильтрации является пассивным. Основной силой, способствующей ультрафильтрации, является гидростатическое давление крови, создаваемое работой сердца. Из капилляра в капсулу клубочка проталкивается жидкая часть плазмы крови с растворенными в ней низкомолекулярными веществами, а в просвете остаются белки [3]. Ультрафильтрация возможна только в том случае, если гидростатическое давление выше осмотического (онкотического) давления белков плазмы крови. Эффективное фильтрационное давление (Рф), от которого зависит скорость клубочковой фильтрации, определяется разностью между гидростатическим давлением крови (Рг), онкотическим давлением белков плазмы (Ро) и гидростатическим давлением жидкости в капсуле клубочка (Рк) (рис. 4): Рф = Рг − (Ро + Рк) Фильтрующая поверхность в обеих почках достигает примерно 50 м2, из каждого литра плазмы крови образуется 200 мл ультрафильтрата. В сутки у человека отфильтровывается 150–200 л первичной мочи. Анализ ультрафильтрата, полученного из полости почечного клубочка с помощью микропункции [4], показал, что эта жидкость по составу практически идентична плазме крови, за исключением белков. В ней такие же, как в плазме крови, концентрации глюкозы, аминокислот, мочевины, органических кислот. Имеются небольшие различия в концентрации ионов Na+, Ca2+, Cl−, фосфатов. Это обусловлено наличием в плазме крови белков,

16

Афферентная артериола

Эфферентная артериола

Рг 55 мм рт. ст.

Капилляры

Ро 30 мм рт. ст.

Рк 15 мм рт. ст.

Капсула

Рф 10 мм рт. ст. Проксимальный каналец

Рис. 4. Схема процесса гломерулярной ультрафильтрации. Показано взаимоотношение факторов, способствующих (Рг) и препятствующих (Ро , Рк) процессу ультрафильтрации

не проходящих через фильтрационный барьер и связывающих часть электролитов. Отрицательно заряженные белки плазмы удерживают часть катионов для сохранения электронейтральности в плазме крови, вследствие этого в жидкость капсулы клубочка поступает относительно больше анионов. Существуют различные механизмы, поддерживающие стабильность кровотока и клубочковой фильтрации. Так, изменение тонуса гладкой мускулатуры афферентной артериолы обеспечивает быструю реакцию при резких изменениях системного артериального давления. Уровень гломерулярной фильтрации может изменяться и под влиянием различных физиологически активных веществ (ренин, ангиотензин, простагландины). КАНАЛЬЦЕВАЯ РЕАБСОРБЦИЯ Благодаря ультрафильтрации в просвет канальцев поступает большой объем первичной мочи, содержащей жизненно важные вещества и метаболиты. По мере продвижения клубочкового фильтрата по системе канальцев изменяется его качественный и количественный состав. Так, объем выделяемой мочи составляет 1– 1,5 л в сутки, остальная жидкость реабсорбируется в почечных канальцах [5]. Здесь же всасываются и все

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 1 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ ценные для организма вещества. Различные отделы почечных канальцев отличаются по способности всасывать вещества из просвета нефрона. В проксимальном сегменте нефрона полностью реабсорбируются аминокислоты, глюкоза, витамины, белки, микроэлементы, значительные количества натрия, калия, хлора, бикарбоната. У млекопитающих всасывается около 70% профильтровавшихся ионов натрия и хлора, более 90% бикарбоната. Вследствие высокой осмотической проницаемости проксимального канальца за всасываемыми веществами устремляется вода, поэтому жидкость в этом отделе нефрона всегда изоосмотична плазме крови. В нижележащих отделах нефрона органические вещества не всасываются, здесь реабсорбируются только ионы и вода. После обработки первичной мочи в проксимальном канальце ее объем резко уменьшается и в начальный отдел петли Генле поступает около 1/3 жидкости. В петле нефрона всасывается до 25% профильтровавшегося натрия, в дистальном извитом канальце – 9%, менее 1% натрия реабсорбируется в собирательных трубках. Для обеспечения реабсорбции веществ существенное значение имеет строение клеток эпителия почечных канальцев, характеризующихся полярностью (рис. 5). В апикальной мембране (обращенной в просвет канальца) локализованы переносчики и ионные каналы для многих веществ. В базо-латеральной мембране сосредоточены насосы Na,K-ATФаза, Са-АТФаза, переносчики органических веществ. Здесь же обнаруживается большое количество митохондрий, поставляющих энергию для работы насосов. Такое асимметричное распределение ионных каналов и насосов обеспечивает поток веществ из просвета канальца в кровь. Обратное всасывание различных веществ в канальцах обеспечивается активными и пассивными механизмами. Активный транспорт происходит с затратой энергии клетки и бывает первично- и вторично-активным. Перенос вещества против электрохимического градиента с затратой энергии является первично-активным. Так, реабсорбция ионов натрия осуществляется при участии фермента Na,К-ATФазы, использующей энергию АТФ. Положительно заряженный ион натрия входит в клетку через апикальную мембрану по электрическому градиенту, а удаляется из клетки Na,КATФазой, локализованной в базальной мембране. Вторично-активный перенос зависит от транспорта натрия и происходит против концентрационного градиента, но без затраты энергии клетки на этот процесс. Энергия клетки тратится на перенос натрия. Таким способом реабсорбируются глюкоза и аминокислоты. В апикальной мембране клеток проксимального канальца глюкоза соединяется с переносчиком, который одновременно присоединяет ион натрия. Этот

Микроворсинка

Плотный контакт

1 Просвет канальца Na+

Кровь

K+

Глюкоза

Na+ АТФаза K+

+ −

Na 2Сl K+

Сl−

(+) (−)

2 Рис. 5. Механизмы канальцевой реабсорбции натрия: 1 – структура клетки проксимального канальца. Морфологическая особенность клетки – густая сеть микроворсинок и базальная складчатость. Характерно наличие плотных межклеточных контактов, обеспечивающих целостность эпителиального пласта; 2 – некоторые транспортные системы реабсорбции в проксимальном канальце. Натрий пассивно проникает через апикальную мембрану, из клетки в кровь реабсорбируется активно с помощью базальной Na,K-ATФазы. К+ и Сl− выходят по концентрационному градиенту

комплекс транспортируется через мембрану и внутри клетки диссоциирует. Через базальную мембрану глюкоза переносится путем облегченной диффузии. Следовательно, перенос глюкозы через апикальную и базальную мембраны клетки обеспечивается разными механизмами. Профильтровавшиеся в клубочках аминокислоты полностью реабсорбируются в проксимальных канальцах. Имеются четыре специальные системы реабсорбции для нейтральных, двуосновных, дикарбоксильных аминокислот и иминокислот. Реабсорбция воды, углекислого газа, некоторых ионов, мочевины происходит по механизму пассивного транспорта. Перенос веществ в этом случае

Л А В Р И Н Е Н К О В . А . В Ы Д Е Л И Т Е Л Ь Н А Я ФУ Н К Ц И Я П О Ч Е К

17

БИОЛОГИЯ осуществляется по электрохимическому, концентрационному или осмотическому градиенту. Канальцевая реабсорбция различных веществ регулируется нервной системой и гормональными факторами [6]. Так, проксимальная реабсорбция натрия изменяется под влиянием стимулов, поступающих по симпатическим нервам и при действии натрийуретического гормона. Вазопрессин – гормон нейрогипофиза, усиливает обратный ток натрия в клетках толстого восходящего отдела петли Генле и реабсорбцию воды в дистальных отделах нефрона. Стимулятором дистальной реабсорбции натрия является альдостерон – гормон коры надпочечника. Регуляция транспорта кальция и фосфатов обеспечивается паратгормоном и тиреокальцитонином. КАНАЛЬЦЕВАЯ СЕКРЕЦИЯ Процесс секреции веществ из околоканальцевой жидкости в просвет канальца является одним из важных этапов в выделении из организма продуктов обмена и чужеродных веществ. Секреция позволяет быстро экскретировать органические и неорганические вещества. Различные вещества секретируются в разных сегментах почечных канальцев. В извитой части проксимального сегмента нефрона интенсивнее происходит секреция органических оснований, в прямой части – органических кислот, в конечных отделах нефрона (дистальном извитом канальце и собирательных трубках) – секреция калия и водорода. Различаются не только места секреции, но и клеточные механизмы этого процесса для веществ различных групп. Одни из них обеспечивают перенос органических веществ, например парааминогиппуровой кислоты (ПАГ) и химически близких соединений (пенициллин), другие клеточные механизмы участвуют в секреции калия и ионов водорода. Секреция органических кислот и оснований состоит в переносе их из околоканальцевой жидкости в клетку. На внешней поверхности базальной мембраны имеются переносчики, обладающие высоким сродством к секретируемому веществу. Комплекс переносчик–вещество перемещается в мембране и распадается на ее внутренней поверхности. Вещество высвобождается в цитоплазму и далее пассивно через апикальную мембрану в просвет канальца, а переносчик возвращается к внешней поверхности мембраны. Этот процесс происходит с затратой энергии. Секреция лимитируется числом переносчиков в мембране. Так, секреция ПАГ возрастает до тех пор, пока все молекулы переносчика не будут заняты ПАГ. Системы секреции органических кислот и оснований функционируют независимо друг от друга.

18

Клетки почечных канальцев млекопитающих способны к секреции и неорганических компонентов [7]. При секреции калия ион поступает в клетку из межклеточной жидкости в обмен на натрий с помощью Na,KATФазы. Скорость секреции калия зависит от его внутриклеточной концентрации, проницаемости апикальной мембраны и градиента электрохимического потенциала на мембране. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итак, мы рассмотрели строение почки и основные механизмы мочеобразования: ультрафильтрацию, реабсорбцию и секрецию. Процессы, протекающие в почках, обеспечивают не только экскреторную функцию – выделение конечных продуктов обмена и избытка неорганических и органических веществ. Благодаря специфическому строению и особенностям кровоснабжения почки высших животных являются биологическим фильтром, не допускающим потери жизненно важных веществ. Вся деятельность клеток нефрона требует значительной затраты энергии и обеспечивается различными механизмами, способными изменять в широком диапазоне интенсивность транспорта воды, электролитов и неэлектролитов. Это является необходимым условием выполнения работы почки как гомеостатического органа, участвующего в поддержании постоянства показателей внутренней среды. ЛИТЕРАТУРА 1. Гистология: (Введение в патологию) / Под ред. Э.Г. Улумбекова, Ю.А. Челышева. М.: ГЭОТАР, 1997. 960 с. 2. Сучков В.В. Почечное кровообращение: (Руководство по кардиологии). М.: Медицина, 1982. Т. 1. 263 с. 3. Бабарыкин Д.А., Иванова Л.Н., Наточин Ю.В. и др. Физиология водно-солевого обмена и почки. СПб.: Наука, 1993. 576 с. 4. Morel F. // Annu Rev. Physiol. 1992. Vol. 54. P. 1–9. 5. Randal D., Burggren W., French K. Eckert Animal Physiology: Mechanisms and Adaptations. N.Y., 1997. 722 р. 6. Duchatelle P., Akito Ohara et al. // Mol. and Cell. Biochem. 1992. Vol. 114. P. 27–34. 7. Simmons N.L. // Exp. Physiol. 1993. Vol. 78. P. 117–137.

Рецензент статьи Л.И. Корочкин *** Валентина Александровна Лавриненко, кандидат биологических наук, доцент кафедры физиологии Новосибирского университета. Область научных интересов – физиология водно-солевого обмена, функциональная морфология почки. Автор и соавтор 65 научных публикаций, в том числе пяти учебно-методических пособий и одного учебника для школы.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 1 , 2 0 0 1