Біохімічні особливості сечоутворювальної функції нирок
Нирки – парні органи, основне завдання яких полягає в підтриманні постійності внутрішнього середовища організму. Вони беруть участь у регуляції водно-електролітного балансу, кислотно-основної рівноваги, тиску крові, стимуляції еритропоезу, підтриманні осмотичного тиску рідин організму, виділенні азотистих шлаків.
Нефрон – основна структурно-функціональна одиниця нирок, у ньому відбуваються три основних процеси сечоутворення: фільтрація (у клубочках), реабсорбція та секреція (у канальцах).
Клубочкова фільтрація.Початковим етапом утворення сечі є фільтрація в клубочках ниркових тілець. В умовах спокою в дорослої людини біля ¼ крові, яка викидається в аорту лівим шлуночком серця, поступає в ниркові артерії.
Загальна фільтраційна поверхня клубочків нирок становить приблизно 1,5 м2. З кровоносних капілярів у просвіт капсули ниркового тільця пасивним шляхом фільтрується плазма крові, у результаті чого утворюється первинна сеча. Гломерулярна мембрана, через яку відбувається фільтрація, складається з трьох шарів: ендотелію капілярів, базальної мембрани та шару епітеліальних клітин на внутрішній стінці клубочка. Ендотелій формує велику кількість пор, які займають 30 % усієї поверхні. Власне фільтруючим шаром є базальна мембрана, товщина якої 300 нм. Вона утворена тонкими колагеновими фібрилами і має вигляд молекулярного сита. Речовини з молекулярною масою до 10 000 Да проходять крізь це сито вільно, а з молекулярною масою понад 50 000 – лише в мізерній кількості. Цей процес називають ультрафільтрацією. У таблиці 14.2 наведена проникність базальної мембрани для різних речовин порівняно з креатином, який фільтрується без обмежень і проникність для нього становить 100 %.
|
|
|
Таблиця 14.2. Проникність деяких речовин через базальну мембрану
| Речовина | Молекулярна маса | Розмір молекули, нм | Проникна здатність, % |
| Вода Сечовина Глюкоза Гемоглобін Сироватковий альбумін | 60 10 180 68 000 69 000 | 0,06 0,12 0,20 3,91 3,94 | 100 100 100 3 1 |
Добовий об’єм утвореної внаслідок фільтрації первинної сечі становить 180 л, що відповідає 1 000 г NaCl, 500 г NaHCO3, 250 г глюкози, 100 г вільних амінокислот тощо.
При патологічних станах проникність мембрани ниркового фільтра підвищується, що призводить до зміни складу ультрафільтрату. Підвищення проникності є основною причиною протеїнурії, передусім альбумінурії.
Під час фільтрації енергія не затрачається, потік рідини забезпечується її гідростатичним тиском, який створюють стінки капілярів.
В нормі об'ємна швидкість фільтрації в середньому становить 125 мл/хв. Для забезпечення процесу фільтрації необхідно, щоб гідростатичний тиск крові в капілярах перевищував суму онкотичного та внутрішньокапсулярного. У нормі ця величина становить 40 гПа (30 мм рт.ст). Речовини, які посилюють кровообіг в нирках або збільшують кількість клубочків (наприклад, теобромін, теофілін, плоди ялівця тощо), мають сечогінні властивості.
|
|
|
Капілярний тиск у нирках залежить не стільки від артеріального тиску, скільки від співвідношення просвіту "приносної" і "виносної" артеріол клубочка. "Виносна" артеріола приблизно на 30 % менша за діаметром від "приносної", регуляція їх просвіту здійснюється кініновою системою. Звуження "виносної" артеріоли збільшує фільтрацію. Навпаки, звуження "приносної" артеріоли знижує фільтрацію.
За величиною клубочкової фільтрації судять про фільтраційну здатність нирок. Якщо ввести в кров'яне русло речовину, яка фільтрується в клубочках, але не реабсорбується і не секретується канальцями нефронів, то її кліренс (очищення) чисельно дорівнює об'ємній швидкості клубочкової фільтрації.
Отже, кліренс – це кількість мілілітрів плазми крові, яка за 1 хв повністю звільняється від певної речовини при її проходженні через нирки. Найчастіше клубочкову фільтрацію визначають за інуліном і манітолом. Для визначення кліренсу (наприклад, інуліну) необхідно величину хвилинного діурезу помножити на Км/Ккр(співвідношення концентрацій даної речовини в сечі та плазмі крові):
|
|
|
С = Км/Ккр ´ V,
де: С – кліренс; Км – концентрація даної речовини в сечі; Ккр - концентрація в плазмі крові; V – кількість сечі за 1 хв, мл. У випадку з інуліном у нормі отримаємо величину клубочкової фільтрації, яка становить 125 мл/хв.
Реабсорбція.Добова кількість ультрафільтрату в 3 рази перевищує загальну кількість рідини, яка міститься в організмі. Первинна сеча під час проходження через ниркові канальці (їх загальна довжина приблизно 120 км) віддає велику кількість своїх речовин (особливо воду) назад у кров. Лише 1 % рідини, профільтрованої клубочками, перетворюється на сечу.
У канальцах реабсорбуєтся 99 % води, натрію, хлору, гідрокарбонатів, амінокислот, 93 % калію, 45 % сечовини тощо. Із первинної сечі в результаті реабсорбції утворюється вторинна сеча (1 200 – 1 800 мл на добу), яка потім поступає в ниркові чашечки, миски і по сечоводах потрапляє в сечовий міхур.
У даний час вивчені молекулярні механізми реабсорбції та секреції речовин клітинами ниркових канальців. Так, встановлено, що виділення Nа+ у складі сечі строго контролюється. За умов норми 99 % його реабсорбується, причому більша частина (⅔) – у проксимальних канальцях. Цей процес носить ізоосмотичний характер і являє собою активний транспорт, який вимагає великої затрати енергії, джерелами якої в клітинах нирок служать катаболізм жирних кислот, a-кетоглутарату та лактату. Іони Nа+ пасивно дифундують в напрямку електрохімічного градієнта з порожнини канальця в клітину, а потім активно транспортуються в міжклітинний простір, де відбувається локальне збільшення осмотичного тиску (рис. 14.5).
|
|
|
Рис. 14.5. Схема основних систем транспорту іонів Nа+ у проксимальному канальці нефрона: жирною стрілкою вказано поступлення Nа+ у клітину через натрієвий канал за концентраційним градієнтом (пасивний транспорт шляхом простої дифузії). На люмінальній мембрані чорними кружечками позначені переносники, які здійснюють вторинно активний транспорт шляхом полегшеної дифузії (Nа+ + глюкоза, Nа+ + амінокислоти) або пасивний котранспорт (Nа+ + фосфат) або антипорт (Nа+ + Н+). На базолатеральній мембрані знаходяться помпи. які забезпечують активний транспорт натрію з клітини (Nа+-, К+-АТФаза). Чорний прямокутник – основна речовина міжклітинного з’єднання, при деполімеризації якого можливий пасивний міжклітинний транспорт Nа+
Вода пасивно рухається за іонами Nа+ у міжклітинний простір, а потім у капіляр. Транспорт іонів води в капіляр відбувається під впливом гідростатичного та осмотичного тиску, який діє на базальну мембрану капіляра. У дистальному канальці всмоктування води відбувається незалежно від всмоктування іонів натрію, цей процес регулюється антидіуретичним гормоном.
Транспорт катіонів супроводжується пасивним транспортом Сl- та НСО3- у напрямку градієнта для збереження електронейтрального середовища.
Основна частина К+ реабсорбується в проксимальних канальцях у результаті активного транспорту. Цей процес залежить від кількості К+, який надходить з їжею. У дистальних канальцях К+ пасивно переноситься за електрохімічним градієнтом, який утворюється при активному транспорті Nа+. Будь-який вплив, який призводить до збільшення градієнта, збільшує виділення К+. При низькій концентрації К+ у внутрішньоклітинній рідині починають секретуватися іони Н+ і навпаки.
Оскільки мембрана клітин проксимальних канальців вільно пропускає СО2, а величина тиску СО2 для канальців і плазми приблизно однакова, то механізм реабсорбції НСО3- базується на активному транспорті Н+ через мембрану клітин канальців. Всередині канальця Н+ реагує з НСО3- з утворенням вугільної кислоти. Н2СО3. Під впливом карбоангідрази ця кислота розщеплюється на СО2 і Н2О. СО2 дифундує в клітину, де з допомогою цього ж фермента з нього знову утворюється Н2СО3. Іони НСО3-, утворені при дисоціації, дифундують у кров. За умовами електронейтральності вихід кожного іона Н+ з клітини супроводжується входом у неї одного іона Nа+.
Реабсорбція пептидів і білків відбувається практично повністю в проксимальних канальцях. Кількість відфільтрованого білка відносно незначна і становить приблизно 1,8 г/добу. У кінцеву сечу надходить не більше 0,15 г білка на добу. Молекули альбуміну після зв’язування з рецепторами на люмінальній мембрані клітин епітелію канальців підлягають ендоцитозу, внутрішньоклітинні міхурці захопленого білка зливаються з лізосомами і білкові молекули гідролізуються пептидазами, утворені амінокислоти поступають у перитубулярні капіляри.
Глюкоза та амінокислоти реабсорбуються майже повністю, вони транспортуються за допомогою спеціальних переносників разом з іонами Nа+, використовуючи при цьому енергію його градієнта на мембрані. Мало реабсорбуються сечовина та сечова кислота, вони транспортуються шляхом простої дифузії за осмотичним градієнтом. Зовсім не реабсорбуються креатинін, манітол, інулін тощо.
Внаслідок того, що для реабсорбції глюкози (та низки інших речовин) необхідне зв’язування кожної її молекули з молекулою-переносиком, то при надлишку глюкози в первинній сечі може настати повне завантаження молекул-переносників і глюкоза не зможе всмоктуватися в кров. Цю ситуацію називають «максимальним канальцевим транспортом речовин» і вона відображає максимальне зв’язування канальцевих переносників при певній концентрації речовин у первинній сечі та, відповідно, у крові. Ця величина становить 303 мг/хв у жінок і 375 мг/хв у чоловіків. Величині максимального канальцевого транспорту відповідає поняття «нирковий поріг виведення». Ним називають ту концентрацію речовини в крові та, відповідно, у первинній сечі, при якій вона вже не може бути повністю реабсорбована в канальцях і з’являється у кінцевій сечі. Такі речовини, для яких може бути знайдений поріг виведення, називаються пороговими. Прикладом слугує глюкоза, яка повністю всмоктується з первинної сечі при концентрації в плазмі крові нижче 10 ммоль/л, але з’являється в кінцевій сечі (тобто повністю не реабсорбується) при концентрації в плазмі крові понад 10 ммоль/л. Отже, для глюкози поріг виведення становить 10 ммоль/л.
Речовини, які не реабсорбуються в канальцях взагалі (інулін, манітол) або незначно реабсорбуються і виділяються пропорційно до накопичення їх у крові (сечовина, сульфати тощо) називають безпороговими, оскільки поріг виведення для них відсутній.
Секреція. У виділенні продуктів метаболізму та чужорідних речовин має значення їх секреція з крові в просвіт канальців проти концентраційного та електрохімічного градієнтів. Так, секреція органічних кислот (феноловий червоний, діодраст, пеніцилін) і органічних основ (холін) відбувається в проксимальних сегментах нефрона та обумовлена функціонуванням спеціальних транспортних систем. Принцип секреторного процесу при транспорті органічних сполук полягає в тому, що в мембрані клітини проксимального канальця, повернутій до інтерстиційної рідини, знаходиться переносник. У присутності, наприклад, пеніциліну, утворюється комплекс переносник-пеніцилін, який забезпечує перенесення останнього через мембрану, і на її внутрішній поверхні пеніцилін вивільняється в цитоплазму. При цьому переносник знову набуває здатності переміщатися на зовнішню поверхню мембрани і сполучатися з новою молекулою пеніциліну. Секреція пеніциліну зростає пропорційно до її збільшення в крові до того моменту, поки всі молекули переносника не наситяться пеніциліном. Рівень секреції залежить від кількості переносників у мембрані. Максимальна швидкість транспорту пеніциліну досягається в момент, коли його кількість, доступна для транспорту, зрівнюється з кількістю молекул переносника, які можуть утворювати комплекс. Спроможність нирок секретувати органічні кислоти та луги носить адаптивний характер: якщо впродовж кількох днів часто вводити пеніцилін, то інтенсивність секреції зростає. Пригнічення дихання ціанідами, роз’єднання дихання та окислювального фосфорилування у присутності динітрофенолу знижує і навіть припиняє секрецію.
Системи секреції органічних кислот і основ функціонують незалежно одна від одної, пригнічення секреції органічних кислот секреція основ не порушується.
Калій не тільки реабсорбується, він також і секретується у кінцевих відділах дистального сегмента та збірних трубочках. Під час секреції К+ потрапляє в клітину в обмін на Nа+ через туж мембрану за допомогою натрій-калієвої помпи, яка виводить Nа+ з клітини; у такий спосіб підтримується висока внутрішньоклітинна концентрація К+. При надлишку К+ в організмі система регуляції стимулює його секрецію клітинами канальців. Зростає проникність для К+ мембрани клітини, повернутої в просвіт канальця, з’являються канали, якими К+ за градієнтом концентрації може виходити з клітини. Швидкість секреції К+ залежить від градієнта електрохімічного потенціалу на цій мембрані клітини: чим більша електронегативність апікальної мембрани, тим вищий рівень секреції. При дефіциті іонів К+ в організмі клітини кінцевих відділів нефрона і збірних трубочок лише ре абсорбують його з канальцевої рідини.
Процеси реабсорбції та секреції регулюються ЦНС і гормонами. Наприклад, при сильних больових подразненнях або негативних емоціях може виникнути анурія (припинення процесу сечоутворення). Всмоктування води зростає під впливом антидіуретичного гормону. Альдостерон збільшує реабсорбцію натрію в канальцях, а разом з ним і води. Всмоктування кальцію і фосфату змінюється під впливом паратиреоїдного гормону. Паратгормон стимулює секрецію фосфату, а вітамін D затримує її. Натрійуретичні пептиди збільшують екскрецію натрію нирками, а надлишкова їх кількість інгібує фермент Na+, К+- АТФазу.
Екскреція. Нирки відіграють провідну роль у виділенні з крові нелетких кінцевих продуктів метаболізму та чужорідних речовин, які потрапили у внутрішнє середовище організму. У процесі обміну білків і нуклеїнових кислот утворюються сечовина, сечова кислота, креатинін. Зазвичай екскретована фракція сечової кислоти достатньо низька (9,8 %), що вказує на реабсорбцію значної її кількості в канальцях. Екскреція креатиніну, джерелом якого слугує креатинфосфат, залежить не стільки від кількості спожитого м’яса, скільки від м’язової маси людини. Він, як і сечовина, вільно фільтрується в ниркових клубочках, у складі сечі виводиться стовідсотково, тоді як сечовина частково реабсорбується в канальцях. Попри перераховані, є низка різноманітних речовин, які постійно виводяться з крові в складі сечі. При вивченні складу крові в людей з видаленими нирками встановлено, що крім сечовини, сечової кислоти та креатиніну, в їх крові накопичуються гормони (глюкагон, паратгормон, гастрит), ферменти (рибонуклеаза, ренін), похідні індолу, глюкуронова кислота тощо. Фізіологічно важливі речовини теж можуть екскретуватися нирками за умови їх надмірної кількості в крові. Це стосується як неорганічних, так і органічних речовин. За умов патології, при порушенні роботи нирок екскреція цих речовин може відбуватися і при їх нормальній концентрації в крові.
14.5. Роль нирок у підтриманні кислотно-основної рівноваги
Нирки впливають на кислотно-основну рівновагу, але їх дія проявляється значно пізніше ніж дія буферних систем крові та легенів: буферні системи крові включаються в процес відновлення рівноваги кислотно-основного стану вже через 30 сек, приблизно 1 – 3 хв потрібно легеням для того, щоб зрівноважити зсув концентрації іонів водню в крові, тоді як ниркам для цього необхідно біля 10 – 20 годин. Основним механізмом підтримки концентрації іонів водню в організмі, який реалізується в клітинах ниркових канальців, є процеси реабсорбції натрію та секреції іонів водню.
Цей процес відбувається за допомогою декількох механізмів. Перший з них – реабсорбція натрію при перетворенні двозаміщених фосфатів на однозаміщені. Нирковий фільтрат, який формується в клубочках, містить достатню кількість солей, у тому числі, фосфатів. Однак концентрація двозаміщених фосфатів поступово зменшується в міру просування первинної сечі по ниркових канальцях. Так, в крові відношення однозаміщеного фосфату до двозаміщеного становить 1:4, у клубочковому фільтраті 9:1; а в сечі, яка проходить через дистальный сегмент нефрону – 50:1. Це пояснюється вибірковим всмоктуванням клітинами канальців іонів натрію. Замість них з клітин канальців у їх просвіт виділяються іони водню. Таким чином, двозаміщений фосфат (Na2HРО4) перетворюється на однозаміщений (NaH2PО4) і в такому вигляді виділяється з сечею.
У клітинах канальців з вугільної кислоти утворюється бікарбонат, збільшуючи цим самим лужний резерв крові.
Другий хімічний механізм, який забезпечує затримку натрію в організмі і виведення надлишку іонів водню – це перетворення в просвіті канальців бікарбонатів на вугільну кислоту (рис. 14.6). У клітинах канальців при взаємодії води з вуглекислим газом під впливом карбоангідрази утворюється вугільна кислота. Іони водню вугільної кислоти виділяються в просвіт канальця і сполучаються там з аніонами бікарбонату; еквівалентний цим аніонам натрій поступає в клітини ниркових канальців. Так, утворена в просвіті канальців Н2СО3 легко розпадається на СО2 і Н2О і в такому вигляді виводиться з організму.
Третій механізм, який також сприяє збереженню натрію в організмі, є утворення в нирках аміаку та використання його для нейтралізації та виведення кислих еквівалентів із сечею. Основним джерелом для цього є дезамінування глутаміну та, можливо, гліцину, а також окиснювальне дезамінування, основним чином, глутамінової кислоти.
Від напрямку змін кислотно-лужної рівноваги в організмі залежить реакція сечі. При переважанні в харчовому раціоні м’ясної їжі з надлишком кислотних сполук (фосфатних, сірчаних і хлорних аніонів, органічних кислот) останні надходять у кров і нейтралізуються її катіонами. При цьому в крові зменшуються лужні резерви і виникає загроза ацидозу.
При виділенні з первинною сечею кислих продуктів у клітинах дистального відділу канальців з вугільної кислоти, яка синтезується з СО2 і води під дією ферменту карбоангідрази, утворюються Н+- іони (ацидогенез). З сечею виводяться вільні органічні кислоти (молочна, лимонна) і кислі фосфорнокислі солі (КН2РО4). Утворення кислих солей сприяє підтриманню постійності рН крові. Наприклад, зсув рН у кислий бік призводить до переміщення НСО3- - іону назад у кров, а це сприяє зберіганню лугів крові. При рН 6,0 вуглекислих іонів у сечі практично немає. Межа, до якої рН сечі може знижуватись без ушкодження клітин, дорівнює 4,5. Аніони сильних мінеральних кислот (хлоридної, сірчаної) не виводяться у вигляді вільних кислот. Значна їх дисоціація призвела б до зниження рН сечі нижче 4,5, що несумісне з життям клітин самих нирок. Збереження іонів Nа+ і К+ при цьому відбувається шляхом заміщення їх катіоном амонію (амонійогенез). У вигляді амонійних солей виводяться також солі фосфатної, органічних та інших мінеральних кислот. Цей процес також має значення для організму, оскільки він сприяє збереженню Nа+ і К+ більше, ніж ацидогенез.
При вживанні мінеральних лужних вод і харчуванні переважно рослинною їжею (овочі, фрукти) сеча стає лужною. У збереженні цінних для організму кислот велику роль при цьому відіграють бікарбонати: у дистальному відділі ниркових канальців вони заміщують інші аніони і виділяються разом з сечею, а у кров повертаються аніони сульфатної, хлоридної та інших кислот. Так, при рН 6,0 у сечі виявляються сліди бікарбонатів, при рН 7,0 їх уже виводиться до 15 %, а при рН 7,8 – приблизно 93 %. Бікарбонатурію, як симптом, спостерігають при нирковому ацидозі.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 1139; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!