Спр. материал / ВЫДЕЛЕНИЕ / 06.РОЛЬ ПЕТЛИ НЕФРОНА

РОЛЬ ПЕТЛИ НЕФРОНА

Петля нефрона обеспечивает создание высо­кого осмотического давления в мозговом ве­ществе почки, что осуществляется в основ­ном с помощью реабсорбции NaCl. Эту фун­кцию выполняют главным образом юкстаме-дуллярные нефроны, петля нефрона которых пронизывает весь мозговой слой почки. По мере продвижения от коркового слоя почки к мозговому осмотическое давление возрастает от 300 мосмоль/л (изотонический раствор 0,9 % NaCl) до 1450 мосмоль/л (гипертони­ческий раствор 3,6 % NaCl). В петле нефрона еще достаточно много реабсорбируется Na⁺ (до 25 %), за натрием идут хлор, вода (около 16 % объема первичной мочи), но в непро­порциональных количествах, что и обеспечи­вает создание высокой осмолярности в моз­говом слое почки. Высокое осмотическое давление создается петлей нефрона благода­ря тому, что она работает как поворотно-противоточная система, элементом которой является также и собирательная трубка. Зна­чение высокого осмотического давления в мочеобразовательной функции почки заклю­чается в том, что оно обеспечивает выполне­ние функции собирательных трубок, в кото­рых концентрируется моча вследствие пере­хода воды в интерстиций — в область с высо­кой осмолярностью.

Вопрос о том, как создается высокая осмоляр-ность, изучен недостаточно. Широко известная гипотеза Куна о суммации небольшого попере­чного градиента осмотического давления и боль­шого увеличения осмолярности в продольном на­правлении сама по себе соответствует реальной действительности, но она не согласуется с рядом данных. С помощью различных методик (микро­пункция жидкости из разных отделов канальца нефрона, изучение поперечных срезов заморо­женной почки — криоскопия, перфузия канальца растворами с радиоактивной меткой и др.) уста-

новлен фундаментальный факт: на одном уровне поперечного среза почки осмотическое давление в нисходящем колене петли нефрона, интерстиций и собирательной трубке одинаково. Исключение составляет восходящее колено петли нефрона: в нем осмотическое давление вторичной мочи при­мерно на 200 мосмоль/л меньше. Этот факт не­однократно подтвержден и признается всеми экс­периментаторами, изучающими функции почки. Твердо установлен факт увеличения осмолярнос­ти в продольном направлении от коркового слоя почки к сосочку. В области проксимальных из­витых канальцев осмотическое давление равно 300 мосмоль/л, как и в плазме крови, а в области сосочка почки осмотическое давление достигает 1450 мосмоль/л.

Первично-активного транспорта веществ в нисходящем колене не обнаружено. Мнения о его проницаемости противоречивы.

В восходящем колене первично-активный транспорт Na⁺ (за Na⁺ идет СГ) из толстой его части в интерстиций доказан и признается всеми исследователями, как и факт непроницаемости для воды всего восходящего колена петли нефрона. Возможно, из петли в интерстиций первично транспортируются и другие ионы. Вторично-ак­тивно здесь могут транспортироваться Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ из петли в интерстиций через межкле­точные шунты согласно электрическому градиен­ту — заряд в интерстиций — 7 мВ относительно просвета канальца. Но этому препятствует не­большой (200 мосмоль/л) концентрационный гра­диент: в восходящей части петли нефрона осмо-лярность вторичной мочи ниже, чем в интерсти­ций. В клетку из просвета канальца Na⁺ идет со­гласно законам диффузии (клетка внутри имеет отрицательный заряд, концентрация Na⁺ в ней мала). Са²⁺ здесь реабсорбируется также с помо­щью натрийзависимого транспорта (см. раздел 2.6.3). Наличие первичного транспорта электро­литов в тонкой части восходящего колена, на­против, отрицается. Это заключение обосновы­вается тем, что стенки тонкой части восходяще­го колена, как и нисходящего, состоят из плос­ких эпителиальных клеток с малым числом мито­хондрий.

Однако градиент осмотического давления между интерстицием и тонкой частью восходяще­го колена больше, нежели в канальце. Возникает вопрос, каков же механизм существования этого поперечного градиента осмотического давления. Ряд исследователей утверждают, что NaCl из тон­кой части восходящего колена петли нефрона диффундирует в интерстиций мозгового слоя почки. Но это противоречит законам диффузии и осмоса: растворенные частицы, как известно, дви­жутся через мембрану из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концент­рацией.

Осмолярность по направлению к почечному сосочку растет и в той части мозгового слоя, где располагается тонкая часть петли нефрона. Если бы не было первичного транспорта из тонкой части петли в интерстиций, осмолярность не воз­растала бы в этой области мозгового слоя почки.

Изложенные факты свидетельствуют о том, что восходящее колено петли нефрона действительно непроницаемо для воды и в нем, в том числе и в тонкой его части, имеется механизм первично-ак­тивного транспорта Na⁺ из канальца в интерсти-ций мозгового слоя почки, что и создает попере­чный градиент осмотического давления: в интерс-тиции оно больше, нежели в канальце, — послед­нее многократно подтверждено экспериментами. В нисходящем колене осмолярность вторичной мочи равна осмолярности интерстиция, что объ­ясняется отсутствием механизмов первичного транспорта веществ — здесь устанавливается ди­намическое равновесие в результате диффузии ос­мотически активных веществ и воды: из интерсти­ция в каналец переходят ионы Na⁺ и С1~, в обрат­ном направлении — вода.

Отметим важный факт — максимум осмоляр­ности наблюдается в области почечного сосочка (поворота петли нефрона, где нисходящее колено переходит в восходящее — именно в области, где отрицается первично-активный транспорт Na⁺).

Нередко для объяснения механизма создания высокого осмотического давления в мозговом слое почки петлю нефрона сравнивают с техни­ческой поворотно-противоточной системой в виде двух труб, по одной из которых течет холод­ная вода или воздух, по другой — вода с более вы­сокой температурой. Холодная вода нагревается на каждом участке незначительно (в нашем при­мере на 2 °С), но в результате суммации неболь­шого поперечного градиента температур возника­ет большой продольный градиент — 70 °С (рис. 17.2).

Этот технический пример помогает понять ме­ханизм работы поворотно-противоточной систе­мы почки. Однако необходимо иметь в виду и их различия: в почке имеется активный элемент со­здания небольшого поперечного градиента, а в системе труб он отсутствует. Тепло одной трубы пассивно передается другой трубе согласно раз­ности температур. Естественно, температура тру­бы, отдающей тепло, остается выше. В почке же, напротив, осмотически активные вещества из вос­ходящего колена активно переносятся вопреки градиенту концентрации, с затратой энергии. В результате концентрация веществ в восходящем (активном) элементе становится ниже, чем в нис­ходящем (пассивном) элементе, — в систему труб

наоборот. Поворотно-противоточная система почек сравнивается также с поворотно-противо­точной системой артерий и вен у арктических жи­вотных. Но в поворотно-противоточной системе артерий и вен арктических животных, как и в тех­нической системе труб, нет активного элемента для передачи тепловой энергии. Кровь по мере продвижения по артерии на периферию конеч­ностей отдает тепло идущим рядом венам, согре­вает их постепенно, согревается и кровь в венах, текущая в обратном направлении — к сердцевине тела организма. Подобный теплообменник имеет­ся не только у арктических, но и у всех животных. Он ярко выражен и у человека. Поэтому темпера­тура конечностей значительно ниже, и потери тепла благодаря подобному анатомическому стро­ению сосудов значительно уменьшены.

Механизм создания высокого осмотическо­го давления в мозговом слое почки можно представить следующим образом. Активным элементом является ионная помпа, транс­портирующая ионы Na⁺ из просвета восходя­щего колена петли нефрона в интерстиций вопреки концентрационному градиенту. За натрием идет ион СГ. Поскольку восходящее колено петли нефрона непроницаемо для воды, возникает концентрационный гради­ент: в интерстиций осмотическое давление больше, нежели в просвете канальца, на 200 мосмоль/л. Весьма важными факторами в создании и поддержании высокой осмоляр­ности в почке являются: 1) движение вторич­ной мочи в канальце нефрона, что обеспечи­вается работой сердца; 2) различная прони­цаемость для воды и ионов нисходящего и восходящего колен петли нефрона; 3) цирку­ляция Na⁺ и СГ в петле нефрона; 4) циркуля­ция мочевины в системе собирательная труб­ка — интерстиций — восходящее колено петли нефрона — собирательная трубка; 5) конструкция сосудов мозгового слоя почки, образующих собственную, но пассив­ную поворотно-противоточную систему, ко­торая не создает градиента осмотического давления, но и не разрушает его.

Суммация одиночного эффекта. Если представить петлю нефрона, заполненную вторичной мочой без ее движения, то на всем протяжении петли будет только по­перечный градиент — 200 мосмоль/л, а про­дольного градиента осмотического давления наблюдаться не будет (рис. 17.3, А). Так, при осмотическом давлении в нисходящем колене и интерстиций 300 мосмоль/л (изо­тонический раствор) в восходящем колене будет 100 мосмоль/л — гипотонический рас­твор. Как только вторичная моча начнет двигаться, в начальный участок восходящего

колена поступит из нисходящего колена первая порция вторичной мочи с нормаль­ным осмотическим давлением 300 мос-моль/л (для удобства пояснения — 200+100, см.рис. 17.3, Б).

Если теперь в самом начале восходящего колена эпителий переведет часть Na⁺ и СГ в интерстиций (количество, эквивалентное 100 мосмоль/л), то в интерстиций осмоти­ческое давление суммируется и возрастет с 300 до 400 мосмоль/л (300+50+50). В на­чальном же участке восходящего колена петли нефрота возрастет со 100 до 200 мос­моль/л — максимально возможное различие (рис. 17.3, Б). В остальной части восходяще­го колена гипотоническая вторичная моча имеет осмотическое давление 100 мос­моль/л. Эпителий восходящего колена до­полнительно не будет выводить Na⁺ и СГ в интерстиций — больше 200 мосмоль/л он не в состоянии обеспечить.

Затем осмолярность в нисходящем коле­не и интерстиций уравнивается вследствие встречной диффузии воды и ионов и стано­вится равной 350 мосмоль/л. Далее в восхо­дящее колено поступит вторичная моча с осмолярностью 350 мосмоль/л и ионная помпа снова переведет часть Na⁺ в интерс­тиций.

После многократной суммации одиноч­ных поперечных эффектов 200 мосмоль/л в области поворота петли нефрона и дополни­тельного выведения NaCl в интерстиций из восходящего колена по всей его длине в моз­говом слое почки установится стабильное ос­мотическое давление на всех уровнях (рис. 17.3, В). Максимально высокое осмотическое давление (около 1450 мосмоль/л) сформиру­ется в области поворота петли нефрона. Это объясняется тем, что в нисходящем колене вторичная моча движется вниз и на каждом

его участке из восходящего колена добавля­ются Na⁺ и СГ, что ведет к суммации оди­ночных осмотических градиентов в интерс­тиций и нисходящем колене петли нефрона в продольном направлении.

Однако осмолярность мочи по мере про­движения ее вверх по восходящему колену петли нефрона постепенно падает, так как все новые порции Na⁺ и СГ выводятся из него в интерстиций, а вода остается в каналь­це. Поэтому в корковом слое почки осмоти­ческое давление в восходящем отделе петли нефрона становится низким: 100 мосмоль/л (моча гипотонична, примерно 0,6 % NaCl) — на 200 мосмоль/л ниже, чем на том же уровне в начале нисходящего колена петли нефрона. Здесь создается только один поперечный гра­диент осмолярности 200 мосмоль/л.

Подобные представления о механизме со­здания высокого осмотического давления в мозговом слое почки свидетельствуют еще об одном факторе, играющем важную роль в со­здании высокой осмолярности в почке, — циркуляции Na⁺ и СГ в мозговом ее слое. Нат­рий и хлор выводятся из восходящего колена в интерстиций, затем диффундируют в нис­ходящее колено, далее с током мочи опять поступают в восходящее колено, а из него в интерстиций и т.д.

Несмотря на непрерывную работу эпите­лия восходящего колена петли нефрона и перенос NaCl в интерстиций и диффузию со­гласно электрическому градиенту Mg²⁺, Ca²⁺, в последнем не происходит чрезмерного на­копления электролитов, поскольку значи­тельная часть их реабсорбируется в общий кровоток.

Мочевина также циркулирует в поворот-но-противоточной системе почки и участву­ет в сохранении высокой осмолярности в мозговом веществе почки. Мочевина выхо-

дит из собирательной трубки (при движении конечной мочи в лоханку), попадает в ин-терстиций, затем в восходящее колено петли нефрона, далее — в дистальный извитой ка­налец и снова — в собирательную трубку. Мочевина движется в интерстиций вместе с водой, в восходящее колено согласно закону диффузии, а в канальце — с током мочи в результате работы сердца. Циркуляция мо­чевины — это также очень экономичный механизм.

И наконец, важную роль в сохранении высокого осмотического давления играют прямые почечные кровеносные сосуды, кото­рые так же, как и петля нефрона, образуют собственную поворотно-противоточную сис­тему, но не создают градиента осмотическо­го давления. Нисходящий и восходящий со­суды идут параллельно друг другу и парал­лельно петле нефрона, и, так же как и петля, нисходящий сосуд поворачивает на 180° и превращается в восходящий. На всем протяжении они образуют между собой петли. Кровь движется по нисходящему ко­лену в область с возрастающим осмотичес­ким давлением, а затем, повернув на 180°, — в обратном направлении. По мере того как кровь, продвигаясь к почечному сосочку, проходит через тканевые слои с возрастаю­щей осмолярностью, она обогащается Na⁺ и СГ и мочевиной и отдает тканям воду. Кровь, движущаяся в обратном направлении по восходящей части сосуда, проходит через слои с постепенно понижающейся осмоляр­ностью. При этом она отдает межклеточной жидкости соли и мочевину и захватывает воду.

Таким образом, противоточная система прямых сосудов представляет собой «шунт» для воды, благодаря чему создаются особые условия для диффузии растворенных ве­ществ. Метаболиты, образующиеся в глу­бинных слоях мозгового слоя (например, СО₂, молочная кислота) или концентрируе­мые в этих слоях (Na⁺ и СГ и мочевина), совершают челночные перемещения из одной части сосуда в другую и обратно, в связи с чем они долго задерживаются в глу­бинных слоях в относительно высоких кон­центрациях и тем самым способствуют со­хранению высокого осмотического давления в мозговом слое почки. Такая конструкция сосудов не создает и не разрушает осмоляр-ность в мозговом веществе почки, причем это осуществляется также без непосредст­венной затраты энергии.