Материал: Почки

4. Характеристика процесса мочеобразования.

Важнейшая задача почек — выведение метаболитов и ксенобиотиков. Некоторые из таких веществ выводятся в мочу (секретируются) с помощью специальных переносчиков, распознающих эти вещества. Однако невозможно предусмотреть переносчики для всех экзогенных веществ, подлежащих выведению из организма. В связи с этим природа пошла по пути двухэтапной очистки крови: сначала в клубочках почек отфильтровывается очень большой объем безбелковой части плазмы, а затем в канальцах почек распознаются и реабсорбируются (всасываются обратно в кровь) нужные для организма вещества. Вредные и бесполезные вещества, то есть метаболиты и ксенобиотики, при этом остаются в моче. Таким образом, образование мочи происходит в два этапа.

1. Клубочковая фильтрация.

2. Канальцевый транспорт.

Хотя канальцевый транспорт представляет собой в основном реабсорбцию, то есть обратное всасывание отфильтрованных веществ в кровь, в небольшом объеме он идет и в противоположном направлении — из крови в мочу. Это секреция, необходимая для более полного выведения (и, соответственно, быстрого удаления из организма) ненужных веществ и для тонкой регуляции содержания в крови электролитов.

5. Виды канальцевого транспорта, их соотношение. Назначение обязательного

и факультативного канальцевого транспорта. Общие представления о реабсорбции

Na+ в различных частях нефрона.

Обязательный канальцевый транспорт

В процессе клубочковой фильтрации образуется очень большой объем фильтрата — около 180 л/сут. Следовательно, сразу после фильтрации должна происходить реабсорбция большей части отфильтровавшейся жидкости. Эта жидкость должна быть близкой по рН, осмотическому давлению и концентрации основных электролитов к плазме (малейшие отклонения в составе реабсорбируемой жидкости, учитывая огромный объем реабсорбции, неминуемо привели бы к многократно большим отклонениям в составе плазмы). Кроме того, должны реабсорбироваться все полезные вещества (органические субстраты) и при возможности дополнительно секретироваться в мочу все ненужные вещества, то есть метаболиты и ксенобиотики. Все эти процессы должны происходить обязательно, независимо от состояния организма. Это обязательный канальцевый транспорт.

Обязательный канальцевый транспорт протекает в проксимальном канальце — отделе нефрона, непосредственно следующем за клубочком. В соответствии с предъявляемыми к обязательному канальцевому транспорту требованиями в этом отделе нефрона:

1. 1. Реабсорбируются две трети отфильтровавшейся жидкости;

2. 2. Реабсорбируемая жидкость обладает такими же осмотическим давлением, рН и концентрацией основных электролитов (Nа+, К+, Сl- и Са2+), как и плазма крови;

3. 3. Полностью реабсорбируются органические субстраты — глюкоза, аминокислоты и прошедшие в фильтрат белки;

4. 4. Дополнительно секретируются из крови в мочу те ксенобиотики, для которых существуют переносчики.

Благодаря фильтрации с последующим обязательным канальцевым транспортом выполняется очищающая функция почек — удаление из организма метаболитов и ксенобиотиков.

Факультативный канальцевый транспорт

Из отфильтровавшихся за сутки 180 л жидкости в проксимальных канальцах реабсорбируются две трети, то есть 120 л. Еще 40 л реабсорбируются в петле Генле. Значит, объем поступающей к дистальному извитому канальцу жидкости составляет 20 л/сут. В пределах этого сравнительно небольшого объема действуют процессы факультативного канальцевого транспорта — реабсорбция и секреция изменяются в соответствии с потребностями организма. Так, в зависимости от потребления жидкости суточный объем мочи (диурез) может колебаться от 0,5 до 20 л; в зависимости от кислотно-щелочного состояния может выделяться кислая или щелочная моча и т. д.

Факультативный канальцевый транспорт протекает в дистальном отделе нефрона, включающем дистальный извитой каналец и собирательную трубочку. Его основные особенности следующие:

1. 1. Факультативный канальцевый транспорт и, соответственно, дистальный отдел нефрона служат основной точкой приложения гормонов, регулирующих реабсорбцию и секрецию в соответствии с потребностями организма;

2. 2. От факультативного канальцевого транспорта зависят объем, осмолярность, рН и электролитный состав окончательной мочи.

Благодаря факультативному канальцевому транспорту выполняется гомеостатическая функция почек — поддержание водно-осмотического, кислотно-щелочного равновесия, электролитного равновесия и артериального давления.

Транспорт натрия в проксимальном канальце. Около 65 % профильтрованно­го натрия реабсорбируется в проксималь­ных канальцах. Одновременно реабсорбируются связанные с ним анионы и вода, поэтому жидкость в просвете канальцев остается почти изотоничной относительно плазмы. Реабсорбция натрия в прокси­мальном канальце носит характер актив­ного транспорта, в основе которого лежит механизм так называемого натриевого на­соса (с участием Na⁺-, К⁺-АТФ-азы). В апикальной мембране канальцевых клеток локализованы транспортные белки, а в базолатеральных мембранах, обра­щенных к интерстицию, находятся натри­евые насосы. Натрий поступает в клетку по электрохимическому градиенту, двига­ется по цитоплазме и достигает ионных насосов на базолатеральных мембра­нах, где транспортируется в межклеточ­ное пространство против электрохимичес­кого градиента за счет энергии АТФ.

Транспорт натрия в петле Генле. Даль­нейшая реабсорбция натрия происходит в толстом восходящем колене петли Генле. В этом сегменте всасывается около 25 % профильтровавшегося натрия. Однако в отличие от проксимального канальца ре­абсорбция солей в этом сегменте не связа­на с одновременным всасыванием воды. Эпителий восходящей части петли Ген­ле непроницаем для воды. Реабсорбция NaCl в сочетании с непроницаемостью мембраны для воды обуславливает гипоосмотичность канальцевой жидкости по отношению к плазме.

Транспорт натрия в дистальном ка­нальце. В начальной части дистального канальца реабсорбируется около 5 —10 % фильтруемого натрия. Этот сегмент ка­нальца плохо проницаем для воды. По­этому продолжающаяся реабсорбция NaCl ведет к дальнейшему разведению мочи. Процесс реабсорбции натрия в этом сег­менте канальца является активным и за­ключается в обмене ионов натрия на ионы водорода и калия. Несмотря на то, что в количественном отношении реабсорбция натрия в дистальном канальце значитель­но меньше по сравнению с проксималь­ным, она имеет решающее значение для сохранения натрия в организме.

Транспорт натрия в собирательных трубочках. В собирательных трубках реаб­сорбируется около 5 % натрия. Так же, как в дистальном канальце, всасывание на­трия сопровождается противотранспортом ионов К⁺ и Н⁺.

6. Механизмы активного и пассивного транспорта в проксимальных отделах. Отличия в механизмах первой и второй стадии проксимальной реабсорбции.

Строение эпителиального слоя

Канальцевый эпителий, представляющий собой типичный эпителиальный слой. Особенности строения таких слоев следующие:

1. Эпителиальные клетки образуют однослойный ряд, соприкасаясь друг с другом в области просвета канальца с помощью плотных контактов.

2. Поверхность эпителиальной клетки, обращенная в просвет, называется апикальной; поверхность, обращенная к интерстицию, — базолатеральной.

3. Со стороны базолатеральной поверхности между соседними клетками, а также между клетками и капиллярами имеются значительные межклеточные пространства.

Этапы трансэпителиального переноса

Из рисунка видно, что перенос веществ между просветом канальца и кровью перитубулярных (околоканальцевых) капилляров включает два этапа: перенос между просветом канальца и интерстицием, перенос между интерстицием и кровью.

Первый этап — это молекулярный транспорт, при котором с помощью каналов и переносчиков избирательно переносятся молекулы отдельных веществ. Именно он определяет избирательность и направленность канальцевого транспорта.

Второй этап — это, как и клубочковая фильтрация, конвекционный транспорт.

Виды молекулярного транспорта

Вещества могут переноситься между просветом канальцев и интерстицием как через клетки (чресклеточный путь), так и через плотные контакты (межклеточный путь). Эти контакты непроницаемы для макромолекул, но пропускают воду и электролиты.

Механизмы переноса делятся на две основные группы — активный и пассивный транспорт:

1. Активный транспорт идет против концентрационного градиента, а для заряженных частиц (в частности, ионов) — еще и электрического градиента и поэтому требует затрат энергии;

2. Пассивный транспорт идет в направлении концентрационного (и электрического) градиента и потому не требует затрат энергии; более того, идет с выделением энергии, которую можно использовать, например для активного транспорта других веществ (см. ниже).

Активный транспорт в зависимости от источника энергии подразделяется на:

1. Первичный активный транспорт: источником энергии служит распад АТФ; осуществляется белками-переносчиками с АТФазной активностью, называемыми также ионными насосами;

2. Вторичный активный транспорт: источником энергии для переноса некоего вещества против концентрационного или электрохимического градиента служит перенос другого иона (чаще всего — Nа+) в направлении его электрохимического градиента; последний создается первичным активным транспортом. Пример: Na+, К+-АТФаза создает высокий электрохимический градиент для Nа+; этот ион переносится в клетку в направлении данного градиента, и вместе с ним переносится глюкоза против ее концентрационного градиента.

В зависимости от направления переноса вторичный активный транспорт делится на:

1. Котранспорт: оба вещества переносятся в одном направлении;

2. Контртранспорт: вещества переносятся в противоположных направлениях. Белки-переносчики, осуществляющие контртранспорт, называются также обменниками.

Пассивный транспорт подразделяется на:

1. Простую диффузию, которая может идти через: липидный бислой клеточной мембраны — для гидрофобных (жирорастворимых) веществ; каналы — для мелких гидрофильных молекул; межклеточные контакты;

2. Осмос - диффузию воды по градиенту ее «концентрации» — из раствора с меньшей концентрацией растворенных веществ в раствор с большей концентрацией;

3. Облегченную, или опосредованную, диффузию. Вещество связывается с белком-переносчиком и с его помощью перемещается через мембрану в направлении концентрационного градиента. С помощью этого механизма переносятся крупные гидрофильные (то есть не способные пройти ни через каналы, ни через липидный бислой) молекулы.

Кроме молекулярного транспорта в канальцах осуществляется пиноцитоз, посредством которого реабсорбируются особенно крупные молекулы (белки); однако поскольку белки фильтруются в незначительном количестве, интенсивность пиноцитоза невелика.

Общая схема трансэпителиального переноса

Перенос между просветом канальца и интерстицием

Поскольку составы клубочкового фильтрата и плазмы одинаковы (за исключением белков), а состав интерстиция, как и любой другой межклеточной жидкости, также примерно соответствует составу безбелковой плазмы, между всеми этими жидкостями изначально не существует концентрационных или электрохимических градиентов, по которым могли бы переноситься вещества. Следовательно, перенос любых веществ между канальцевой жидкостью и интерстицием требует затрат энергии. Основным источником этой энергии служит электрохимический градиент для Nа+, создаваемый Nа+,К+ -АТФазой базолатеральной мембраны и направленный от просвета канальца к внутриклеточной жидкости эпителиальных клеток. Переход Nа+ по этому градиенту обеспечивает энергию для транспорта всех остальных веществ двумя способами:

1. Вещества могут переноситься вместе с по механизму вторичного активного транспорта;

2. Поток Na+ прямо или косвенно создает концентрационные, электрические и осмотические градиенты для пассивного переноса других веществ.

Таким образом, основные механизмы трансэпителиального переноса являются натрийзависимыми. Приведем несколько примеров натрийзависимого переноса.

1. Вместе с Nа+ через апикальную мембрану могут переноситься другие вещества против их концентрационных градиентов: в клетку по механизму вторичного активного котранспорта (например, при реабсорбции глюкозы и аминокислот) или в канальцевую жидкость по механизму вторичного активного контртранспорта (например, при секреции ионов Н+).

2 . В результате работы Nа+, К+-АТФазы в клетке создается высокий концентрационный градиент для К+, направленный наружу. Если в мембране будут калиевые каналы, то К+ будет выходить из клетки точно так же, как в нервах и мышцах. Если такие каналы будут в апикальной мембране, то будет происходить секреция К+, если в базолатеральной — реабсорбция.

3. В случае если калиевые каналы будут в апикальной мембране, то выход в канальцевую жидкость К+ приведет к тому, что эта жидкость станет заряжена положительно по отношению к интерстицию, то есть сформируется электрический градиент, или так называемый трансэпителиальный потенциал. В направлении этого градиента будут переноситься из канальцев в интерстиций (в частности, межклеточным путем) катионы — в частности Са2+ и Мg2+.

4. Если же калиевые каналы будут в базолатеральной мембране, то К+ будет выходить в интерстиций; поскольку туда же Na+, К -АТФазой перекачивается Na+, осмотическое давление в интерстиции вырастет, то есть создастся осмотический градиент между канальцевой жидкостью и интерстицием. По этому градиенту из канальцев в интерстиций будет выходить вода.

5. Выход воды в интерстиций по градиенту осмотического давления приведет к возрастанию концентраций растворенных веществ, остающихся в канальцевой жидкости. Если для таких веществ будут соответствующие каналы или переносчики либо для них будут проницаемы межклеточные контакты, они по концентрационному градиенту перейдут в интерстиций.

Из приведенных примеров видна следующая закономерность канальцевого транспорта: Nа+,К+ -АТФаза базолатеральной мембраны прямо или косвенно создает движущие силы для переноса почти всех компонентов канальцевой жидкости, но будет ли идти этот перенос, и если да — то в каком направлении, зависит от следующих факторов: 1) какие имеются каналы и переносчики; 2) располагаются они в апикальной или базолатеральной мембране; 3) для чего проницаемы плотные контакты.

Следовательно, все особенности транспорта в разных сегментах нефрона объясняются наличием и локализацией в этих сегментах тех или иных переносчиков и каналов и проницаемостью их плотных контактов.

Перенос между интерстицием и кровью

Второй этап трансэпителиального переноса — между интерстицием и кровью — представляет собой неизбирательный конвекционный транспорт. Механизмы его те же, что и клубочковой фильтрации, однако он идет в противоположном направлении (из канальца в кровь):

1. 1. Перенос осуществляется через крупные межклеточные поры;

2. 2. Через эти поры проходит вода с растворенными в ней веществами, перешедшими в интерстиций на первом этапе трансэпителиального переноса; следовательно, этот вид транспорта неизбирательный (вместе с током воды проходят все вещества, размеры которых меньше пор);

3. 3. Движущей силой этого переноса служит разница между онкотическим и гидростатическим давлением в перитубулярных капиллярах. При прохождении крови через клубочковые капилляры ее гидростатическое давление падает, а онкотическое возрастает (жидкость отфильтровывается, а белки остаются в крови). Поэтому в перитубулярных капиллярах, в которые кровь поступает после клубочковых капилляров, онкотическое давление выше гидростатического, и суммарная движущая сила направлена из интерстиция в кровь.

Проксимальный отдел нефрона

Как уже говорилось, требования, предъявляемые к проксимальному отделу нефрона, следующие:

1. Должен отфильтровываться очень большой объем плазмы с последующей реабсорбцией большей части фильтрата;

2. Должны реабсорбироваться все полезные органические субстраты;

3. По возможности должны дополнительно секретироваться ксенобиотики и ненужные метаболиты;

4. Проксимальный отдел должен поставлять в дистальный отдел небольшой и постоянный объем жидкости;

5. Концентрации основных электролитов (Nа+, К+, Сl- и Са2+) в этой жидкости также должны быть постоянными и такими же, как в плазме.

Количественные характеристики

Транспорт в проксимальном отделе нефрона включает три процесса: почечный кровоток; клубочковая фильтрация; проксимальный канальцевый транспорт (преимущественно реабсорбция, но также секреция).

Эти три процесса характеризуются соответственно тремя показателями.

Почечный кровоток: нормальное значение — около 1 л/мин (для обеих почек взрослого человека среднего веса), то есть 1/4—1/5 от общего сердечного выброса.

Скорость клубочковой фильтрации СКФ (один из основных параметров функции почек) — 125 мл/мин (то есть, как уже говорилось, 180 л/сут).

Относительный объем проксимальной реабсорбции — около 2/3 (65%) от СКФ («правило двух третей»). Поскольку состав оттекающей от проксимального канальца жидкости должен быть близок к составу плазмы, процент реабсорбции воды и основных электролитов одинаков. Значит, «правило двух третей» касается не только воды, но и основных электролитов; исключение составляют бикарбонат, фосфат, магний и некоторые другие. Таким образом, относительный объем проксимальной реабсорбции воды и электролитов составляет:

1. Н2О —65%;

2. Nа+ - 65%;

3. Сl- - 65%;

4. К+ - 65%;

5. Са2+ - 65%;

6. НСО3-; - 80-90%;

7. РО4^2- - 80-100%;

8. Мg2+ - 25%.

Механизмы транспорта в проксимальном канальце

Основные закономерности

1. Натрий активно реабсорбируется во всех отделах канальца, задавая «правило двух третей» (за реабсорбируемым на 65% натрием следуют вода и основные электролиты, также реабсорбируясь на 65%).

2. На всем своем протяжении проксимальный каналец высоко проницаем для воды, поэтому вода свободно следует за переносимыми веществами (прежде всего — натрием). Следовательно, вода, как и натрий, реабсорбируется на 65%, осмотическое давление канальцевой жидкости не меняется — она остается изотоничной, и реабсорбируемая жидкость также изотонична. Это так называемая изоосмотическая реабсорбция.

3. Для всех веществ, подчиняющихся «правилу двух третей», канальцевый эпителий высоко проницаем, и они свободно переходят через него вместе с водой; при этом их концентрации в реабсорбируемой и канальцевой жидкости остаются одинаковыми, а реабсорбируются они, разумеется, на столько же процентов, как и вода (65%).

4. Для всех веществ, не подчиняющихся «правилу двух третей», канальцевый эпителий мало проницаем, а реабсорбция этих веществ осуществляется путем вторичного активного транспорта.