Мочеобразование. Механизмы клубочковой фильтрации, реабсорбции и секреции.

Механизм образования мочи включает в себя три процесса: 1) клубочковая фильтрация; 2) канальцевая секреция; 3) канальцевая реабсорбция. В процессах образования мочи участвуют все факторы физического переноса - диффузия и осмос по градиентам концентрации, а также активные специфические транспортные системы, работающие против этого градиента.

Содержание вещества в конечной моче равно количеству его, поступившему в фильтрат, плюс секреция, минус реабсорбция. Одни вещества только фильтруются (инулин), другие фильтруются и секретируются клетками канальцев (гиппуровая кислота, аммиак), третьи после фильтрации или (и) секреции подвергаются полной или частичной реабсорбции (глюкоза, некоторые соли и белки), четвертые попадают в мочу только в составе секретов канальцевого эпителия (антибиотики).

Клубочковая фильтрация. Фильтрация - это физический процесс. Главным фактором, который обусловливает фильтрацию, является разность гидростатического давления по обе стороны фильтра (фильтрационное давление). В почках оно равно:

Р фильтрационное = Р в клубочке - (Р онкотическое + Р тканевое)

30 мм 70 мм 20 мм 20 мм

Кроме фильтрационного давления, имеют значение величина молекулы (молекулярный вес), растворимость в жирах, электрический заряд. В состав клубочкового фильтра входит 20-40 капиллярных петель, окруженных внутренним листком боуменовой капсулы. Эндотелий капилляра имеет фенестры (дырки). Подоциты боуменовой капсулы имеют широкие щели между отростками. Таким образом, проницаемость определяется структурой основной мембраны. Промежутки между коллагеновыми нитями этой мембраны равны 3-7, 5 нм.

Величина пор в фильтрующей поверхности капилляра и капсулы Боумена позволяет свободно проходить через почечный фильтр веществам с молекулярной массой не более 70 000 Более крупные молекулы проникают с трудом. По данным некоторых ученых, альбумины с молекулярной массой около 69 000 практически все фильтруются в почках и обратно всасываются в канальцах. По-видимому, 80 000 - абсолютный предел проницаемости через поры капсулы и клубочка нормальной почки. Содержание веществ с молекулярной массой не более 55000 в фильтрате такое же, как и в плазме крови. По мере возрастания молекулярной массы прохождение веществ через поры мембран затрудняется, т. е. происходит молекулярное просеивание. Например, фильтруемость гемоглобина, имеющего молекулярную массу 64500, составляет не более 3%, Таким образом, фильтрат почти не содержит макромолекул.

У мужчин скорость клубочковой фильтрации достигает 125 мл/мин, у женщин – 110 мл/мин. За сутки образуется около 180 л фильтрата. Поскольку объем плазмы равен примерно 3л, видно, то его фильтрация осуществляется всего за 25 минут, а за сутки плазма очищается почками 60 раз. Соответственно межклеточная жидкость подвергается очистке за сутки 12 раз.

Скорость клубочковой фильтрации (СКФ) поддерживается практически на постоянном уроне за счет миогенных реакций гладкой мускулатуры приносящих и выносящих сосудов, что обеспечивает постоянство эффективного фильтрационного давления. Ночью СКФ на 25% ниже. СКФ определяют по клиренсу инулина.

В образовании мочи участвуют все отделы нефрона. По мере прохождения крови через клубочки из них путем фильтрации образуется первичная моча. Фильтрат проходит через канальцы в собирательные трубочки. При этом его состав существенно изменяется в результате трансканальцевого транспорта воды и растворенных веществ. Этот транспорт происходит в двух направлениях. Если он направлен в каналец, то его называют канальцевой секрецией, если он направлен из канальца – канальцевой реабсорбцией.

В экскреции некоторых веществ, таких как К⁺, мочевая кислота и мочевина, участвуют все три механизма, только фильтрация и секреция – парааминогиппуровая кислота, только фильтрация и реабсорбция – глюкоза, только фильтрация – инулин.

Понятие о почечном клиренсе. Для того, чтобы объяснить различия в скорости выведения почками веществ, необходимо количественно оценить интенсивность их фильтрации в клубочках и переноса в канальцах. Такая оценка стала возможна после введения понятия клиренс. Почечный клиренс отражает скорость очищения плазмы от данного вещества.

Почечный клиренс какого-либо вещества В (С_в) равен отношению скорости выделения этого вещества с мочой к его концентрации в плазме крови.

С_в = М_в V/ П_в мл в минуту,

где М_в- содержание В в моче, П_в - содержание в плазме, а V - объем мочи за минуту.

Из этой формулы следует, что С_в х П_в= М_в х V, т.е. количество вещества, удаляемого из плазмы за единицу времени, равно количеству вещества, выделяемого за это время с мочой. Клиренс какого-либо вещества количественно равен объему плазмы, полностью очищаемого от этого вещества почками за 1 минуту.

Однако, известны только два вещества, от которых определенный объем плазмы действительно очищается полностью. Эти два вещества и служат основной для общей оценки функции почки.

1. Клиренс инулина соответствует скорости клубочковой фильтрации, т.е. той части почечного плазматока, который фильтруется в клубочках.

2. Клиренс парааминогиппуровой кислоты (ПАГ) практически равен величине общего почечного плазматока, т.к. она выделяется как с фильтрацией, так и с секрецией полностью.

Для оценки функции почек не обязательно определять клиренс всех выводимых почками веществ. Достаточно оценить скорость клубочковой фильтрации (по инулину) и почечный плазматок (по ПАГ). Если оба эти показателя отчетливо снижены, то снижены и показатели очищения крови от других веществ. Обычно при этом повышена концентрация их в крови. Так, повышение содержания в крови небелкового азота свидетельствует о почечной недостаточности, если клиренс инулина снижен.

У взрослого человека весом 70 кг скорость кровотока в обоих почках равна 1300 мл/мин, что составляет 25% МОК. Такая высокая интенсивность кровотока необходима для обеспечения достаточного объема клубочковой фильтрации. У человека почечный кровоток (ПКТ) определяется методом измерения клиренса ПАГ, который равен почечному плазматоку (ППТ).

ПКТ = ППТ /(1-Гп),

где Гп - гематокритный показатель.

Особенностью почечного кровотока является его ауторегуляция. Она проявляется в том, что изменение величины среднего артериального давления от 80 до 180 мм рт. ст. не отражается на скорости почечного кровотока. Важнейшее значение этого явления состоит в поддержании постоянства скорости клубочковой фильтрации.

Содержание вещества в конечной моче равно его количеству, профильтровавшемуся в клубочках и поступившему в фильтрат при канальцевой секреции, за вычетом реабсорбированного.

Канальцевая секреция и реабсорбция. В обычных условиях в почке человека за сутки образуется до 180 л фильтрата, а выделяется 1, 0—1, 5 л мочи, остальная жидкость всасывается в канальцах. Роль клеток различных сегментов нефрона в реабсорбции неодинакова. В проксимальном сегменте нефрона практически полностью реабсорбируются аминокислоты, глюкоза, витамины, белки, микроэлементы, значительное количество ионов Na⁺, СI^-, НСО_з^–. В последующих отделах нефрона всасываются преимущественно электролиты и вода. Секреция и реабсорбция могут быть пассивными и активными, т.е. без расхода энергии или происходить с затратой свободной энергии, вырабатываемой в реакциях метаболизма. Активная реабсорбция и секреция происходят главным образом в проксимальной части канальца В более дистальных отделах нефрона осуществляется тонкая регуляция содержания сильных электролитов, воды и Н⁺.

Реабсорбция воды и электролитов. При нормальном потреблении воды с мочой выделяется 1% или менее фильтрата, образующегося в единицу времени. Следовательно, профильтровавшаяся вода на 99% или более реабсорбируется в канальцах. Чрезмерное потребление воды сопровождается усилением мочеотделения в виде водного диуреза, при котором мочеотделение достигает 15% от скорости фильтрации. В этом случае выделяются большие объемы мочи гипотонической по отношению к крови. У человека 80% воды реабсорбируется в проксимальной части канальца.

Ионы K⁺, Na⁺, Ca²⁺, HPO₄^–, Cl^–, Mg²⁺, HCO₃^–, реабсорбируются, главным образом, как и вода, в проксимальной части нефрона. Реабсорбция натрия и хлора представляет собой наиболее значительный по объему и энергетическим тратам процесс. В проксимальном канальце в результате реабсорбции большинства профильтровавшихся веществ и воды объем первичной мочи уменьшается, и в начальный отдел петли нефрона поступает около 30% профильтровавшейся в клубочках жидкости. Из всего количества натрия, поступившего в нефрон при фильтрации, в петле нефрона всасывается до 25 %, в дистальном извитом канальце — около 9 %, и менее 1% реабсорбируется в собирательных трубках или экскретируется с мочой.

Факультативная реабсорбция воды зависит от осмотической проницаемости канальцевой стенки, величины осмотического градиента и скорости движения жидкости по канальцу.

Для характеристики всасывания различных веществ в почечных канальцах существенное значение имеет представление о пороге выведения.

Непороговые вещества выделяются при любой их концентрации в плазме крови (и соответственно в ультрафильтрате). Такими веществами являются инулин, маннитол.

Порог выведения практически всех физиологически важных, ценных для организма веществ различен. Так, выделение глюкозы с мочой (глюкозурия) наступает тогда, когда ее концентрация в клубочковом фильтрате (и в плазме крови) превышает 10 ммоль/л. Глюкоза беспрепятственно проходит через клубочковый фильтр, но во вторичной моче она отсутствует или присутствует в ничтожном количестве. Иначе говоря, глюкоза полностью возвращается в кровь с помощью реабсорбции. При этом пороговый уровень реабсорбции составляет примерно 1, 8 г/л (10 ммоль/л). Реабсорбция аминокислот и глюкозы происходит в проксимальной части канальца. Она сопряжена с транспортом Na⁺. В моче присутствуют только следы аминокислот, а реабсорбция носит активный характер. Мочевина реабсорбируется пассивно, т.е. только в силу разности концентраций.

Механизмы канальцевой реабсорбции. Обратное всасывание различных веществ в канальцах обеспечивается активным и пассивным транспортом. Если вещество реабсорбируется против электрохимического и концентрационного градиентов, процесс называется активным транспортом. Различают два вида активного транспорта — первично-активный и вторично-активный. Первично-активным транспорт называется в том случае, когда происходит перенос вещества против электрохимического градиента за счет энергии клеточного метаболизма. Примером служит транспорт ионов Na+, который происходит при участии фермента Na+, К+-АТФазы, использующей энергию АТФ. Вторично-активным называется перенос вещества против концентрационного градиента, но без затраты энергии клетки непосредственно на этот процесс; так реабсорбируются глюкоза, аминокислоты. Из просвета канальца эти органические вещества поступают в клетки проксимального канальца с помощью специального переносчика, который обязательно должен присоединить ион Na+. Этот комплекс (переносчик + органическое вещество + Na+) способствует перемещению вещества через мембрану щеточной каемки и его поступлению внутрь клетки. Движущей силой переноса этих веществ через апикальную плазматическую мембрану служит меньшая по сравнению с просветом канальца концентрация натрия в цитоплазме клетки. Градиент концентрации натрия обусловлен непрестанным активным выведением натрия из клетки во внеклеточную жидкость с помощью Na+, К+-АТФазы, локализованной в латеральных и базальной мембранах клетки.

Реабсорбция воды, хлора и некоторых других ионов, мочевины осуществляется с помощью пассивного транспорта — по электрохимическому, концентрационному или осмотическому градиенту. Примером пассивного транспорта является реабсорбция в дистальном извитом канальце хлора по электрохимическому градиенту, создаваемому активным транспортом натрия. По осмотическому градиенту транспортируется вода, причем скорость ее всасывания зависит от осмотической проницаемости стенки канальца и разности концентрации осмотически активных веществ по обеим сторонам его стенки. В содержимом проксимального канальца вследствие всасывания воды и растворенных в ней веществ растет концентрация мочевины, небольшое количество которой по концентрационному градиенту реабсорбируется в кровь.

Аминокислоты почти полностью реабсорбируются клетками проксимального канальца. Имеется не менее 4 систем транспорта аминокислот из просвета канальца в кровь, осуществляющих реабсорбцию нейтральных, двуосновных, дикарбоксильных аминокислот и иминокислот. Небольшое количество профильтровавшегося в клубочках белка реабсорбируется клетками проксимальных канальцев. Выделение белков с мочой в норме составляет не более 20—75 мг в сутки, а при заболеваниях почек оно может возрастать до 50 г в сутки. Увеличение выделения белков с мочой (протеинурия) может быть обусловлено нарушением их реабсорбции либо увеличением фильтрации.

В отличие от реабсорбции электролитов, глюкозы и аминокислот, которые, проникнув через апикальную мембрану, в неизмененном виде достигают базальной плазматической мембраны и транспортируются в кровь, реабсорбция белка обеспечивается принципиально иным механизмом. Белок попадает в клетку с помощью пиноцитоза. Молекулы профильтровавшегося белка адсорбируются на поверхности апикальной мембраны клетки, при этом мембрана участвует в образовании пиноцитозной вакуоли. Эта вакуоль движется в сторону базальной части клетки. В околоядерной области, где локализован пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи), вакуоли могут сливаться с лизосомами, обладающими высокой активностью ряда ферментов. В лизосомах захваченные белки расщепляются и образовавшиеся аминокислоты, дипептиды удаляются в кровь через базальную плазматическую мембрану. Следует, однако, подчеркнуть, что не все белки подвергаются гидролизу в процессе транспорта и часть их переносится в кровь в неизмененном виде.

Канальцевая секреция. В выделении продуктов обмена и чужеродных веществ имеет значение их секреция из крови в просвет канальца против концентрационного и электрохимического градиентов. Секреция органических кислот (феноловый красный, ПАГ, диодраст, пенициллин) и органических оснований (холин) происходит в проксимальном сегменте нефрона и обусловлена функционированием специальных систем транспорта. Калий секретируется в конечных частях дистального сегмента и собирательных трубках.

Транспорт в нефроне К⁺ характеризуется тем, что К⁺ не только подвергается обратному всасыванию, но и секретируется клетками эпителия конечных отделов нефрона и собирательных трубок. При секреции К⁺ поступает в клетку в обмен на Na⁺ через эту же мембрану с помощью натрий-калиевого насоса, который удаляет Na⁺ из клетки; тем самым поддерживается высокая внутриклеточная концентрация К⁺. При избытке К⁺ в организме система регуляции стимулирует его секрецию клетками канальцев. Возрастает проницаемость для К⁺ мембраны клетки, обращенной в просвет канальца, появляются «каналы», по которым К⁺ по градиенту концентрации может выходить из клетки.