Учебник (Дегтярёв) - нормальная физиология

Г л а в а 1 3 ВЫДЕЛЕНИЕ

Выделение — процесс выведения конечных продуктов обмена веществ из внутренней среды организма во внешнюю среду. Кроме продуктов обмена, подлежат выведению из организма лекарственные, токсичные вещества, а также некоторые полезные для него субстраты, если их содержание в крови превышает оптимальную для метаболизма величину. Процесс выделения обеспечивает, с одной стороны, очищение организма от вредных для него продуктов, а с другой — поддержание постоянства внутренней среды организма, т.е. его

гомеостаз.

Кроме процесса выделения веществ во внешнюю среду, в организме сформировались механизмы, направленные на превращение вредных веществ в менее токсичные. Так, например, аммиак, образующийся в процессе метаболизма белков, оказывает вредное воздействие на клетки почечного эпителия, поэтому в печени аммиак превращается в мочевину, которая для них безвредна. В печени происходит обезвреживание и таких веществ, как индол, скатол, фенол. Они соединяются с серной и глюкуроновой кислотами, образуя менее токсичные вещества. Таким образом, процессам выделения предшествуют процессы защитного синтеза — превращения вредных для организма веществ в безвредные.

К органам выделения относятся почки, легкие, желудоч- но-кишечный тракт, потовые и сальные железы. Главным органом выделения является почка. Вместе с тем, осуществляя функцию очищения организма, почки выполняют различные функции, обеспечивающие поддержание постоянства внутренней среды организма на оптимальном для метаболизма уровне. Почки играют существенную, а в ряде случаев центральную, роль в обеспечении:

•водно-электролитного баланса;

•кислотно-основного состояния;

•осмотического давления крови;

•артериального давления;

•эритропоэза;

•свертывания крови;

•метаболизма белков, липидов и углеводов;

•синтеза биологически активных веществ — ренина, бра-

дикинина, простагландинов, урокиназы, витамина D и др.

Выполняя эти функции, почки очищают плазму крови от ряда веществ, концентрируя их в моче, значительную часть которых составляют конечные продукты белкового обмена —

491

ходящий отдел петли иефрона поднимается до уровня своего же клубочка, где начинается дистальный извитой каналец, который переходит в короткий связующий каналец, соединяющий нефрон с собирательными трубками.

Собирательные трубки начинаются в корковом веществе почки. Они сливаются и образуют более крупные выводные протоки, которые проходят через мозговое вещество и впадают в полости почечных чашек, открывающихся в почечную лоханку.

По локализации различают несколько типов нефронов. Поверхностные нефроны составляют 20—30 % от всех нефронов. Их клубочки, проксимальные и дистальные канальцы лежат в наружной части коркового слоя, а петля Генле не опускается на большую глубину.

Интракортикальные нефроны составляют 60—70 % от всех нефронов. Их основные компоненты лежат внутри коркового слоя. Они выполняют основную роль в процессах образования мочи.

Юкстамедуллярные нефроны составляют 10—15 % от всех нефронов. Их клубочки расположены на границе коркового и мозгового вещества. Приносящие артериолы имеют больший диаметр по сравнению с выносящими. Последние образуют прямые капиллярные сосуды, сопровождающие нисходящую и восходящую ветви петли Генле, которая имеет большую

494

длину и почти достигает вершины сосочков пирамид почки. В процессах концентрирования и разведения мочи эти нефроны играют главную роль. Юкстамедуллярные нефроны содержат юкстамедуллярный (юкстагломерулярный) аппарат (ЮГА). Он расположен в области контакта дистального извитого канальца с сосудистым полюсом своего клубочка (рис. 13.2). Гранулярные клетки ЮГА под влияние ряда стимулов секретируют ренин — протеолитическии фермент, участвующий в регуляции АД, ионного состава крови.

13.3.Особенности кровоснабжения почки

Увзрослого человека массой тела 70 кг скорость кровотока

вобеих почках составляет около 1300 мл/мин, что соответствует примерно 25 % общего сердечного выброса в покое. Эта величина значительно превышает уровень кровоснабжения других крупных органов — головного мозга, печени, сердца.

Короткие почечные артерии отходят от аорты. В почке они разветвляются на более мелкие сосуды. В почечный клубочек входит приносящая (афферентная) артериола, которая в нем распадается на капилляры. Капилляры при слиянии образуют выносящую (эфферентную) артериолу, по которой осуществляется отток крови от клубочка. После отхождения от клубочка выносящая артериола вновь распадается на капилляры, образуя сеть вокруг проксимальных и дистальных извитых канальцев и петли Генле. Эфферентная артериола юкстамедуллярного нефрона не распадается на околоканальцевую капиллярную сеть, а образует прямые сосуды, которые спускаются в мозговое вещество почки параллельно петле Генле.

Особенностью почечного кровотока является его постоянство при изменении величины системного АД в широких пределах. Это обеспечивается миогенными механизмами саморегуляции кровообращения в почке и изменением количества функционирующих нефронов.

13.4.Процесс образования мочи

Вобразовании мочи участвуют все отделы нефрона. Процесс начинается в клубочках. По мере прохождения крови через клубочки из нее путем клубочковой фильтрации интенсивно образуется фильтрат — первичная моча.

• Клубочковая фильтрация. Эндотелий капилляров, базальная мембрана и внутренний листок капсулы Шумлянского— Боумена составляют своеобразный фильтр. При нормальной скорости кровотока крупные молекулы белка образуют на по-

495

верхности эндотелия капилляров барьерный слой, препятствуя прохождению через него форменных элементов и белков. Эндотелий капилляров имеет поры — фенестры, занимающие до 30 % его поверхности, поэтому низкомолекулярные компоненты плазмы крови свободно достигают базальной мембраны. Поры базальной мембраны несут отрицательный заряд, а их размер не превышает 4 нм. Фильтрация низкомолекулярных веществ через базальную мембрану зависит от размера, формы и заряда их молекул. Еще одним барьером на пути фильтруемых веществ является внутренний листок капсулы клубочка, который образован эпителиальными клетками — подоцитами. Подоциты имеют отростки («ножки»), которыми они прикрепляются к базальной мембране. Пространство между «ножками» подоцитов затянуто щелевыми мембранами, которые ограничивают прохождение молекул с большой мол. массой, например альбуминов. В целом многослойный фильтр капилляров клубочка обеспечивает сохранение форменных элементов и белков в крови и образование практически безбелкового ультрафильтрата — первичной мочи, поступающей в проксимальный извитой каналец.

Движущей силой клубочковой фильтрации является гидростатическое давление крови в капиллярах клубочков. Ему противодействует онкотическое давление плазмы и давление фильтрата в капсуле и канальцах. Для осуществления клубочковой фильтрации необходимо, чтобы гидростатическое давление превышало онкотическое и капсулярное давление вместе взятые. Разность давлений, обеспечивающих фильтрацию, называют фильтрационным давлением. Гидростатическое давление крови в капиллярах клубочка колеблется в пределах 40— 75 мм рт. ст. Онкотическое давление зависит от количества и качества белков плазмы крови и соотношения их фракций; оно составляет 28—32 мм рт. ст. Давление фильтрата в капсуле у человека равно 5—10 мм рт. ст; фильтрационное давление обычно составляет 30—40 мм рт. ст.

В дистальных сосудистых петлях клубочка происходит снижение гидростатического давления крови. В силу этого процесс фильтрации прекращается. Через сосуды почки человека в 1 мин проходит около 600 мл плазмы. Одна пятая ее часть, т.е. 120 мл, каждую минуту фильтруется, превращаясь в первичную мочу, которая является исходным продуктом для образования конечной мочи. В сутки образуется 150—200 л первичной мочи.

На величину фильтрации оказывают влияние различные внутрипочечные и внепочечные факторы.

496

противления почечных сосудов, например во время эмоционального стресса, при кровопотере, болевом синдроме;

•увеличивают фильтрацию атриопептиды, прогестерон, глюкокортикоиды, окситоцин, паратиреоидный гормон, гормоны щитовидной железы; уменьшают — вазопрессин, норадреналин, эндотенин, тромбоксан А2, ангиотензин II;

•количество функционирующих клубочков: из всех имеющихся в обычных условиях лишь 50—85 % находятся в активном состоянии; количество «активных» клубочков изменяется под влиянием процессов, связанных с нарушением водно-электролитного баланса, изменением рН, введением сосудоактивных веществ. Например, вдыха-

ние С02 , раздражение чревного нерва ведет к снижению числа «активных» клубочков до 5 %. Введение кофеина, напротив, заставляет функционировать все клубочки; количество функционирующих нефронов увеличивается при усилении почечного кровотока, например при физической нагрузке, стрессе;

•величина давления ультрафильтрата в капсуле клубочка: при затруднении оттока мочи вследствие образования мочевых камней или песчинок давление внутри почечных канальцев увеличивается. Когда сумма капсулярного и онкотического давления становится больше гидростатического, фильтрация полностью прекращается. Уменьшение канальцевого давления может быть связано с повышением реабсорбции, в результате чего фильтрация возрастает;

•проницаемость капилляров клубочка: при некоторых заболеваниях почек проницаемость капилляров настолько повышается, что через клубочковый фильтр проходят белки и форменные элементы крови.

•К внепочечным факторам относятся:

• величина кровяного давления в магистральных сосудах — аорте, почечной артерии. Фильтрация зависит не столько от величины системного АД, сколько от фильтрационного, т.е. от разности гидростатического, онкотического и капсулярного давления. Своеобразное строение системы кровообращения почки, особенно ее клубочков, позволяет при низких значениях систолического АД поддерживать высокий тонус приносящих сосудов, создавая тем самым необходимое гидростатическое давление и обеспечивая процесс фильтрации.

•Анурия, возникающая при низком АД, еще не указывает на прекращение фильтрации, так как процесс мочеобразования при этом может сохраняться. В таких случаях

497

наряду с фильтрацией в канальцевой системе наблюдается резко выраженная реабсорбция. Прекращение фильтрации происходит лишь в тех случаях, когда противодействующие силы в клубочках уравновешены;

•скорость почечного кровотока нередко может снижаться под влиянием нервных и гуморальных факторов, напри-

мер при физической нагрузке, под влиянием гормонов мозгового слоя надпочечников или ангиотензина;

• величина онкотического давления крови, которое зависит от количества и качества общего белка плазмы и соотношения белковых фракций;

•функциональное состояние других выделительных органов:

активность потовых желез, дыхания, ЖКТ;

•степень гидратации тканей (количество воды в тканях).

Состав фильтрата. Состав клубочкового фильтрата зависит прежде всего от проницаемости клубочковой мембраны. Он близок по составу к плазме с той лишь разницей, что в нем отсутствуют липиды, а белки находятся в очень незначительном количестве. Процесс фильтрации белков зависит от их мол. массы, размеров, структуры молекул, заряда и гидрофильности. В норме через клубочковую мембрану проходят соединения с мол. массой ниже 70 ООО. К этому значению близка мол. масса гемоглобина и альбуминов, поэтому, например, при гемолизе гемоглобин появляется в моче. В то же время глобулины, имеющие мол. массу 165 ООО и выше, не проникают через клубочковый фильтр. Все низкомолекулярные соединения — натрий, калий, хлориды, фосфаты, глюкоза, креатинин, мочевина, мочевая кислота и др. содержатся в первичной моче в тех же количествах, что и в плазме крови; рН, электропроводность провизорной мочи и плазмы одинаковы, однако часть положительных ионов удерживается от диффузии белками плазмы.

Канальцевая реабсорбция. Под реабсорбцией понимают обратное всасывание воды и других веществ, необходимых организму, из первичной мочи во внутреннюю среду организма — межтканевую жидкость, лимфу, кровь. Водовыделительная функция почки сводится не столько к выделению воды, сколько к ее сбережению в организме в необходимых для него количествах. Эта функция почки обеспечивает постоянство водного баланса организма, соотношение вне- и внутриклеточной жидкостей, стабильность их осмотического давления за счет регулирования объема выделяемой мочи и содержания растворенных в ней веществ. В процессе концентрации почка создает мочу с более высоким осмотическим давлением, чем осмотическое давление плазмы крови. Это связано с тем, что вода реабсорбируется в больших количествах, нежели осмотически активные вещества. Из 150—180 л

498

первичной мочи образуется и выделяется во внешнюю среду 1,0—1,5 л вторичной мочи. Остальная часть фильтрата реабсорбируется в канальцах и собирательных трубках. В процессе реабсорбции вода и вещества из просвета канальцев через люминальную (апикальную) мембрану, обращенную к просвету почечного канальца, поступают в цитоплазму клеток эпителия, затем через базолатеральную мембрану выносятся из клеток эпителия в интерстициальное пространство, после чего поступают в околоканальцевые капилляры.

Для характеристики реабсорбции различных веществ в почечных канальцах имеет значение представление о пороге выведения, т.е. той концентрации вещества в крови, при которой оно не может быть полностью реабсорбировано и появляется в конечной моче. Практически все вещества, имеющие важное значение для организма, имеют порог выведения; их называют пороговыми. Примером порогового вещества является глюкоза: она полностью реабсорбируется, если ее

концентрация в плазме крови меньше или равна 10 ммоль/л. При увеличении концентрации глюкозы в крови сверх указанной величины определенная ее часть выделяется с мочой (глюкозурия).

Наличие порога реабсорбции определяется количеством переносчиков для данного вещества в мембране клеток. Неполная реабсорбция и выведение какого-либо вещества с мочой происходит при связывании всех молекул переносчика (насыщении) переносимым субстратом.

Непороговые вещества полностью выделяются с мочой при любой их концентрации в крови. Примером таких веществ является полисахарид инулин.

Обратное всасывание различных веществ осуществляется за счет активного и пассивного транспорта. Активно осуществляется перенос ионов Na+ и К+. Вторичноактивным транспортом реабсорбируются глюкоза и аминокислоты.

За счет пассивного транспорта реабсорбируются вода, С02 , мочевина, хлориды.

Реабсорбция веществ в различных отделах нефрона неодинакова. В проксимальном сегменте нефрона из ультрафильтрата в обычных условиях полностью реабсорбируются глюкоза, аминокислоты, витамины, белки, микроэлементы, значительное количество Na+ и СГ и многие другие вещества. В последующих отделах нефрона реабсорбируются в основном Na+, СГ и вода (рис. 13.3).

Большое значение в реабсорбции Na+ и воды, а также в

концентрировании мочи имеет работа поворотно-противоточ- ной системы, главным функциональным элементом которой является петля нефрона. Эпителий восходящего колена петли Генле почти непроницаем для воды; эпителий нисходящего колена пропускает воду.

499

Ввосходящем отделе петли Генле осуществляется активная реабсорбция Na+ и СГ, что повышает осмотическое давление межклеточной жидкости. Концентрационный градиент между жидкостью нисходящего отдела и межклеточной жидкостью, окружающей этот отдел нефрона, увеличивается, что вызывает переход воды из фильтрата нисходящего отдела петли Генле

вмежклеточную жидкость и далее — в кровь. В петле нефрона реабсорбируются большое количество воды, Na+ и СГ. Таким образом, в проксимальном отделе канальцевого аппарата большая часть воды ультрафильтрата всасывается обратно в кровь. Этот процесс называют проксимальной (обязательной)

реабсорбцией, так как вода обязательно следует за активно реабсорбируемыми веществами: натрием, глюкозой, фосфатами, хлоридами, бикарбонатами и пр.

Вдистальных отделах канальцев и собирательных трубках осуществляется дальнейшая реабсорбция воды, Na+, К+ и других веществ.

Реабсорбция воды в дистальных отделах нефрона происходит отдельно от натрия и называется факультативной. Переход воды в этих участках нефрона происходит через специальные водные каналы (водные поры) и регулируется эндокринной и нервной системами. Водный канал представлен транспортными белками — аквапоринами (AQP). У человека и других млекопитающих обнаружены 11 видов AQP. Они избирательно транспортируют воду через биологические мембраны из крови во внутреннюю среду органов. Некоторые аквапорины могут проводить воду в обратном направлении. В структуре нефрона описано 4 типа аквапоринов (рис. 13.4). Первый из них (AQP1) имеется в мембране проксимального канальца. Работа AQP2 полностью зависит от действия антидиуретического гормона (АДГ), а аквапорины 3-го и 4-го типов являются АДГ-независимыми. AQP3 и AQP4 располагаются на базолатеральных мембранах и свободно пропускают воду в интерстициальное пространство. АДГ взаимодействует с V2-рецепторами базальной цитоплазматической мембраны клеток почечного эпителия преимущественно в дистальных канальцах и собирательных трубках. При участии G-белков происходит активация фермента аденилатциклазы, и из АТФ образуется циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), который стимулирует протеинкиназу А и встраивание водных каналов в апикальную мембрану (рис. 13.5).

Протеинкиназа А является также регулятором синтеза белка AQP2 в ядре клеток эпителия. В отсутствие АДГ AQP2 подвергаются интернализации — поглощению внутрь клеток водного канала путем эндоцитоза. В клетке они доступны новому циклу активации, транспорта и встраивания в мембрану или подвергаются разрушению. Дефекты аквапоринов приводят к патологии многих органов, в том числе и почек.

5 0 1