Глава 14. Физиология выделения

14.1. Общая характеристика системы выделения

Выделение (экскреция) — это процесс удаления из орга­низма конечных продуктов обмена веществ, чужеродных и токсичных веществ, избытка воды, солей, органических соеди­нений, который постоянно происходит в организме и обеспе­чивает поддержание оптимального состава внутренней среды организма, в первую очередь крови. Конечными продуктами обмена веществ являются постоянно образующиеся в процес­се метаболизма вещества — углекислый газ, ионы водорода (Н⁺), вода, азотсодержащие вещества (мочевина, креатинин, мочевая кислота). Мочевина образуется в печени из аммиака, который выделяется при окислении белков. Креатинин обра­зуется при распаде мышечных белков, мочевая кислота — при распаде нуклеиновых кислот. Эти вещества не могут исполь­зоваться в организме и должны постоянно удаляться из него.

Функцию выделения в организме выполняют выделитель­ные (экскреторные) органы, к которым относятся почки, легкие, кожа, железы пищеварительного тракта. Главным вы­делительным органом являются почки, которые способны вы­водить из организма в составе мочи различные чужеродные ве­щества, продукты метаболизма и избыток веществ, необходи­мых для нормальной жизнедеятельности.

14.2. Строение и функции почек

Почки представляют собой парные органы бобовидной формы, расположенные вне брюшной полости и прилежащие к задней брюшной стенке по обе стороны от позвоночного столба. Снаружи почку покрывает плотная соединитель­нотканная капсула. На разрезе ткань почки неоднородна и со­стоит из двух зон. Наружная зона, или корковое вещество почки, имеет зернистый вид, так как она образована много­численными точечными структурами красного цвета — почеч­ными тельцами. Внутренняя зона, или мозговое вещество почки, состоит из 15—16 почечных пирамид, верхушки кото­рых открываются в почечную лоханку.

Несмотря на небольшие размеры, почки получают обиль­ное кровоснабжение по почечным артериям, которые отхо­дят от брюшного отдела аорты. Через почки, масса которых составляет около 300 г (или 0,4% от массы тела), за минуту проходит около 1 л крови (или 25% от минутного объема кро­вотока). Такое интенсивное кровоснабжение не является не­обходимым для протекания метаболических процессов, а свя­зано со способностью почек очищать кровь от токсичных ве­ществ и продуктов обмена.

Почки выполняют в организме важные функции: гомео- статическую, инкреторную, метаболическую и основную экскреторную.

• Гомеостатическая функция почек тесно связана с экс­креторной и заключается в поддержании постоянства состава внутренней среды организма — гомеостаза. Почки принимают участие в регуляции объема крови и внеклеточной жидкости, поддерживая таким образом водный гомеостаз организма; ре­гулируют ионный состав жидкостей внутренней среды орга­низма и содержание осмотически активных веществ в крови (ионный и осмотический гомеостаз); участвуют в регуляции кислотно-основного состояния организма. Все эти функции тесно связаны со способностью почек регулировать состав и количество выводимой из организма мочи.

• Инкреторная функция почек заключается в их способ­ности синтезировать и выделять в кровь ряд биологически ак­тивных веществ, необходимых для жизнедеятельности орга­низма. В почках образуется фермент ренин, который, действуя на белок плазмы крови ангиотензиноген, превращает его в ан- гиотензин-I, являющийся предшественником мощного сосудо­суживающего вещества — ангиотензина-П. Выделяя ренин и ряддругих биологически активных веществ, почки участвуют в регуляции уровня артериального давления крови. В почках об­разуется эритропоэтин, который стимулирует продукцию эритроцитов красным костным мозгом. Почки являются мес­том образования таких биологически активных веществ, как брадикинин, простагландины, активная форма витамина D. Инкреторная функция осуществляется, главным образом, клетками юкстагломерулярного аппарата почки.

• Почки принимают активное участие в метаболизме бел- Ков, жиров и углеводов — метаболическая функция. В усло­

• виях голодания в почках происходит активный синтез глюкозы из продуктов распада аминокислот (глюконеогенез).

Проксимальный каналец

Начало петли Генле Роем = 290-300 мосмоль

Вершина петли Генле Роем = 1200-1500 мосмоль

Рис. 14.1. Схема строения нефрона:

/ — приносящая артериола; 2— выносящая артериола; 3— капсула Шумлянско­го — Боумена; 4 —проксимальный извитой каналец; 5 — нисходящая часть петли Генле; 6 —восходящая часть петли Генле; 7 — толстый сегмент восходящей части петли Генле; 8- дистальный извитой каналец, 9 —собирательная трубочка

Реабсорбция: глюкозы, аминокислот, витаминов, других органических веществ и до 70% воды

Канапьцевая моча иэотонична плазме (Роем = 290-300 мосмоль)

•Экскреторная функция почек осуществляется почеч­ными нефронами. Нефрон является структурно-функциональ­ной единицей почки. В обеих почках взрослого человека насчи­тывается 2,5—4 млн нефронов. Каждый нефрон состоит из по­чечного (мальпигиева) тельца и системы канальцев (рис. 14.1). Почечное тельце является начальной частью неф- рона и образовано капиллярным клубочком (пучок переплета­ющихся капиллярных петель) и капсулой Шумлянского— Боумена, в которую вдается клубочек (рис. 14.2). Капилляры

5

7

Рис. 14.2. Схема строения почечного тельца: / - выносящая артериола; 2— приносящая артериола; 3 — капилляры клубочка;4— внутренний листок капсулы Шумлянского—Боумена; 5 — полость капсулы;

6— стенка проксимального канальца; 7— просвет проксимального канальца

клубочка формируются из приносящей артериолы и собира­ются в выносящую артериолу. Диаметр приносящей артерио­лы примерно на l/З больше, чем выносящей (это необходимо для обеспечения высокого уровня гидростатического давления крови в клубочковых капиллярах). Капсула Шумлянского— Боумена на разрезе имеет форму чаши, внутри которой распо­ложен клубочек. Внутренний листок капсулы плотно прилега­ет к стенкам клубочковых капилляров. Наружный листок рас­полагается на некотором расстоянии от внутреннего так, что между ними образуется щелевидное пространство — полость капсулы Шумлянского—Боумена. Полость капсулы непо­средственно переходит в просвет канальцев нефрона. В струк­туре нефрона выделяют проксимальные канальцы, петлю Ген­ле и дистальные канальцы, которые впадают в собирательные трубочки почки. Канальцы покрыты густой сетью околока- нальцевых капилляров и располагаются в глубине коркового и в мозговом веществе почки.

По ходу приносящей артериолы, а также в треугольном пространстве между приносящей и выносящей артериолами и прилегающим к ним дистальным канальцем располагаются клетки юкстагломерулярного аппарата почки, которые синте­зируют ряд биологически активных веществ (ренин, эритропо- этин и другие вещества).

14.3. Механизм мочеобразования

Образование мочи происходит в нефронах и включает про­цессы: клубочковую фильтрацию, канальцевую реабсорбцию и секрецию.

Клубочковая фильтрация. Клубочковая фильтрация — это первый этап мочеобразования, который заключается в пере­носе жидкости и растворенных в ней веществ из клубочковых капилляров в полость капсулы Шумлянского—Боумена. В ре­зультате этого процесса в полость капсулы поступает жидкая часть плазмы крови, не содержащая форменных элементов и почти лишенная белка, — клубочковый фильтрат (или пер­вичная моча). Содержание минеральных ионов и низкомолеку­лярных органических веществ (например, глюкозы, аминокис­лот) в клубочковом фильтрате соответствует их концентрации в плазме крови. Структуры, отделяющие кровь клубочковых капилляров от пространства капсулы Шумлянского—Боуме­на, называются клубочковым фильтром. Клубочковый фильтр состоит из трех слоев: эндотелий капилляров клубоч­ка, базальная мембрана, эпителий внутреннего листка капсу­лы Шумлянского—Боумена, образованный особыми клетками - подоцитами, имеющими пальцевидные отростки ножки, располагающиеся на базальной мембране.

Проницаемость клубочкового фильтра в первую очередь определяется размером пор в базальной мембране и шириной микрощелей, образующихся между ножками подоцитов. Клу­бочковый фильтр свободно пропускает молекулы органиче­ских веществ с молекулярной массой менее 7000 Дальтон. Фильтрация органических молекул с молекулярной массой от 7000 до 70 000 Дальтон прогрессивно уменьшается по мере увеличения их размеров. Частицы с молекулярной массой бо­лее 70 000 Дальтон практически не попадают в клубочковый фильтрат. Таким образом, многие пептиды и низкомолекуляр­ные белки плазмы крови в значительной степени фильтруются и попадают в состав мочи. Белок плазмы крови альбумин, име­ющий молекулярную массу 69 000 Дальтон, фильтруется в не­значительной степени (0,02% от его содержания в плазме кро­ви). При повреждении структур клубочкового фильтра и увеличе­нии размеров пор происходит увеличение фильтрации крупномо­лекулярных белков и выделение их с мочой (протеинурия).

В состав базальной мембраны и выстилки, покрывающей ножки по- доцитов, входят отрицательно заряженные гликопротеины, влияющие на проницаемость клубочкового фильтра для белковых молекул. Отрица­тельный заряд структур клубочкового фильтра отталкивает отрицательно заряженные белковые молекулы плазмы крови и препятствует их филь­трации. При утрате клубочковым фильтром своего отрицательного заря­да происходит увеличение фильтрации, главным образом, низкомолеку­лярных белков.

Основной силой, обеспечивающей фильтрацию плазмы крови из клубочковых капилляров в капсулу нефрона, являет­ся эффективное фильтрационное давление (Яф). Оно пред­ставляет собой разность между гидростатическим давлением крови в клубочковых капиллярах (Я_гк) и суммой онкотического давления плазмы крови (Я_он) и давления первичной мочи в капсуле Шумлянского—Боумена (Я_м):

^РФ⁼^гк ~~ (Лзн + Рм)-

Гидростатическое давление крови в капиллярах клубочка является силой, которая способствует фильтрации. У здорово­го человека оно составляет приблизительно 50—60 мм рт.ст. и практически не зависит от колебаний системного артериаль­ного давления вследствие включения механизмов саморегу­ляции почечного кровотока. Эти механизмы позволяют поддерживать гидростатическое давление в приносящей арте- риоле и клубочковых капиллярах на постоянном уровне при значительных колебаниях системного артериального давления (от 80 до 180 мм рт.ст.), что достигается изменением тонуса приносящих артериол клубочка. Онкотическое давление кро­ви и давление первичной мочи в капсуле Шумлянского—Боу­мена являются теми силами, которые препятствуют фильтра­ции. В норме Р_0И составляет около 25 мм рт.ст. и зависит от концентрации белков в плазме крови. Давление первичной мочи в капсуле нефрона составляет приблизительно 10— 15 мм рт.ст. Таким образом, эффективное фильтрационное Давление(Рф), обеспечивающее необходимый объем фильтра­ции в почечных клубочках, составляет:

Рф = 60 - (25 + 15) = 20 мм рт.ст.

Если системное артериальное давление падает до 50 мм рт.ст., гидростатическое давление в капиллярах клубочка снижается до 35—40 мм рт.ст., то эффективное фильтрационное давление приближается к нулю и процесс клубочковой фильтрации рез­ко уменьшается или полностью прекращается. Количество выделяющейся мочи у таких больных резко снижается (олигу- рия), либо процесс образования и выделения мочи полностью прекращается (анурия), что приводит к нарушению гомеоста­за и самоотравлению организма токсичными продуктами об­мена веществ.

При повышении Р_он (увеличение содержания белков в плазме крови) или Я_м (закупорка мочевыводящих путей) эф­фективное фильтрационное давление также снижается, что приводит к уменьшению образования первичной мочи.

Скорость клубочковой фильтрации (СКФ) — это коли­чество первичной мочи, образующееся в почках в единицу вре­мени. У взрослого здорового человека скорость клубочковой фильтрации поддерживается на постоянном уровне и состав­ляет приблизительно 180 л/сут или в среднем 110 мл/мин у женщин и 125 мл/мин у мужчин. Подавляющее количество этого фильтрата подвергается обратной реабсорбции в ка­нальцах нефрона так, что из организма выводится только 1 — 1,5 л конечной мочи.

Канальцевая реабсорбция. Канальцевая реабсорбция (или обратное всасывание) - jto транспорт необходимых ор­ганизму веществ из канальцевой мочи в плазму крови около- канальцевых капилляров.

Реабсорбция веществ из первичной мочи происходит двумя путями: через клетки канальцевого эпителия (трансцеллю- лярно) либо через межклеточные контакты (парацеллюляр- но). Ре абсорбция макромолекул осуществляется за счет энд о- цитоза, а минеральных веществ и низкомолекулярных органи­ческих — за счет активного и пассивного транспорта.

Ионы Na⁺ поступают из канальцевой жидкости в клетку эпителия канальца пассивно, по концентрационному и элект­рическому градиентам, а из клетки канальца во внеканальце- вую среду — активно с помощью Na⁺K⁺-nacoca (против кон­центрационного градиента). Ионы С1~ НСО3 чаще всего реабсорбируются пассивно с током растворителя (воды), а также сопряженно с переносом ионов Na⁺ по электрическому и осмотическому градиентам.

Глюкоза, аминокислоты, витамины реабсорбируются пу­тем вторично-активного транспорта. Эти вещества связыва­ются со специальными переносчиками мембраны эпителиаль­ной клетки канальца и ионами Na⁺ Комплекс Na⁺ — органи­ческое вещество-переносчик перемещается внутрь клетки, причем движущей силой является диффузия ионов Na⁺ в клет­ку по концентрационному и электрическому градиентам.

Вещества, подвергающиеся реабсорбции в канальцах с по­мощью переносчиков, называются пороговыми, так как сте­пень их реабсорбции зависит от концентрации веществ в плаз­ме крови и от количества белков-переносчиков, локализую­щихся в мембране эпителиальной клетки канальца. При высо­кой концентрации вещества в плазме крови и первичной моче все белки-переносчики загружаются и вещество не может быть реабсорбировано в полном объеме, так как его количе­ство в первичной моче превышает реабсорбционную способ­ность канальцев. Минимальную концентрацию вещества в плазме крови, при которой оно не может быть полностью ре­абсорбировано и начинает обнаруживаться в конечной моче (выводиться из организма), называется порогом выведения. Порог выведения для глюкозы составляет 10 ммоль/л (1,8 г/л). Это означает, что если концентрация глюкозы в плазме крови превышает 10 ммоль/л, наблюдается выделение глюкозы с мочой — глюкозурия, интенсивность которой возрастает про­порционально увеличению содержания глюкозы в плазме кро­ви. Ряд веществ не подвергается реабсорбции и полностью экскретируется при любой их концентрации в крови за счет фильтрации и секреции (например, креатинин, инулин).

Реабсорбция в различных отделах нефрона. Осмотиче­ское разведение и концентрирование мочи. В проксималь­ных канальцах нефрона реабсорбируется большая часть первичной мочи (примерно 2/3 объема клубочкового филь­трата), значительное количество ионов Na К"¹" Са²⁺ С1~ НСО3 , аминокислоты, белки, глюкоза, витамины, микроэле­менты и другие вещества. Практически все органические ве­щества, необходимые организму, реабсорбируются в прокси­мальных канальцах. В других отделах нефрона осуществляется только реабсорбция воды и ионов. Особенность проксималь­ной реабсорбции заключается в том, что вода вместе с раство­ренными в ней веществами реабсорбируется эквивалентно ко­личеству Na⁺ и CI^- — основных осмотически активных ве­ществ. Поэтому канальцевая моча остается изоосмотичной Плазме крови (280—300 мосмоль/л).

В петле Генле реабсорбция воды и ионов пространственно разделены. Стенка нисходящей части петли Генле хорошо про­ницаема для воды, но непроницаема для осмотически актив­ных веществ — ионов Na и С1~ В нисходящей части петли Генле происходит реабсорбция воды (вода выходит под дей­ствием высокого осмотического давления в окружающую ка­налец среду), а осмотически активные вещества остаются в ка­нальцевой моче. Поэтому осмотичность мочи по мере продви­жения к вершине петли Генле (в направлении от коркового к мозговому слою почки) возрастает, а объем — уменьшается. Этот процесс называется осмотическим концентрированием мочи. Максимальная осмотичность канальцевой мочи (1200- 1500 мосмоль/л) достигается на вершине петли Генле. Далее моча поступает в восходящее колено петли Генле, эпителий которого непроницаем для воды, но имеет мощную фермент­ную систему активного транспорта ионов Na⁺ и К Белки Na⁺K⁺-Hacoca встроены в базальные мембраны эпителиаль­ных клеток. Следовательно, из концентрированной канальце­вой мочи через апикальные мембраны эпителия ионы Na⁺ проникают по градиенту концентрации, а из эпителиальных клеток в интерстициальное пространство — переносятся ак­тивно. Вслед за ионами Na⁺ по градиенту заряда идут ионы СГ Некоторые авторы считают также, что имеется активный транспорт иона С1^_. Активный транспорт ионов из восходяще­го колена петли Генле в пространство, окружающее каналец, является важнейшим механизмом создания высокого осмоти­ческого давления в интерстиции мозгового слоя почки. Этот фактор (а также повышенная концентрация мочевины в ин­терстиции) обеспечивает выход воды из мочи нисходящего участка петли Генле.

В восходящем отделе петли Генле вода не реабсорбирует- ся, а концентрация осмотически активных веществ в каналь­цевой жидкости снижается из-за реабсорбции ионов Na⁺ и С1~ Поэтому на выходе из петли Генле в канальцах всегда на­ходится гипотоничная моча с концентрацией осмотически ак­тивных веществ ниже 200 мосмоль/л. Такое явление называ­ют осмотическим разведенем мочи, а петлю Генле — разво­дящим сегментом нефрона.

Таким образом, способность почек человека концентриро­вать мочу связана с наличием в структуре нефрона петли Ген­ле, которая создает корково-мозговой осмотический градиент, pi возможностью перемещения жидкости в канальцах в проти­воположном направлении. Поэтому механизм концентрирова­ния мочи в нефроне называют поворотно-противоточной ыножительной системой нефрона.

В дистальных канальцах нефрона и собирательных трубочках реабсорбция ионов Na и воды зависит от состоя­ния водно-электролитного баланса организма и находится под контролем различных гормонов (антидиуретического гормона, альдостерона), которые регулируют проницаемость стенок дистальных канальцев и собирательных трубочек для воды и ионов.

Канальцевая секреция. Канальцевая секреция — это пере­мещение веществ в просвет канальца, в направлении, проти­воположном реабсорбции, с помощью активного и пассивного транспорта. В канальцах нефрона осуществляется секреция как веществ из крови околоканальцевых капилляров, так и ве­ществ, образующихся непосредственно в клетках канальцево- го эпителия.

Секреция дает возможность быстро удалить из организма некоторые органические вещества и ионы. В проксимальных канальцах нефрона из плазмы крови секретируются многие органические кислоты и основания (например, парааминогип- пуровая кислота, холин), лекарственные вещества (пеницил­лин); в дистальных канальцах и собирательных трубочках — ионы К⁺, секреция которых находится под контролем гормона альдостерона.

В клетках канальцевого эпителия при дезаминировании аминокислоты глутамина образуется аммиак (NH3), который секретируется в просвет канальца и поступает в мочу. Кроме того, в эпителии канальцев различных отделов нефрона при­сутствует фермент карбоангидраза, катализирующий реакцию гидратации углекислого газа с образованием угольной кисло­ты (Н₂С0₃). При диссоциации угольной кислоты образуются ионы Н⁺ и НСО3, причем ионы НСО3 реабсорбируются в плазму крови околоканальцевых капилляров, а ионы Н⁺ сек­ретируются в просвет канальца, где могут связываться с амми­аком с образованием иона аммония NH₄⁺:

NH3 + Н⁺-> NH₄⁺

Секретируя аммиак и ионы Н⁺, почки принимают участие в регуляции кислотно-основного состояния организма.