Выделение. Физиология почки
Содержание
Выделение. физиология почки
Механизмы мочеообразования
Канальцевая секреция и ее регуляция
Механизмы выведения мочи и мочеиспускания
Другие функции почек
Роль почек в регуляции артериального давления
Выделение - это процесс освобождения организма от продуктов обмена, которые не могут использоваться организмом, чужеродных и токсических веществ, избытка воды, солей, органических соединений.
К органам выделения относятся почки, легкие, потовые железы, желудочно-кишечный тракт. Легкие выделяют углекислый газ, пары воды, некоторые летучие вещества: пары эфира, алкоголя. Слюнные железы, железы желудка и кишечника способны выделять тяжелые металлы при попадании их в организм, лекарственные вещества, например, салицилаты, чужеродные органические соединения; роль этих желез возрастает при снижении функции почки.
Особое место среди органов выделения занимает почка.
Почка является истинным органом выделения - благодаря ее деятельности происходит экскреция конечных продуктов азотистого обмена и чужеродных веществ: мочевины, мочевой кислоты, креатинина, аммиака.
Почка осуществляет экскрецию лекарственных и избытка органических веществ, поступивших с пищей или образовавшихся в ходе метаболизма, например, глюкозы, аминокислот.
Почка является одновременно и органом регуляции - за счет механизмов мочеобразования регулируются объемы циркулирующей крови, внутри - и внеклеточной воды, постоянство осмотического давления и ионного состава плазмы и других жидкостей организма, осуществляется регуляция кислотно-щелочного равновесия (КЩР).
За счет продукции биологически активных веществ и гормонов, почка участвует в регуляции системного артериального давления, эритропоэза, гемокоагуляции.
Моча образуется в почках из крови, причем почка относится к наиболее интенсивно кровоснабжаемым органам - ежеминутно через почку проходит 1/4 всего объема крови, выбрасываемой сердцем. Основной структурно-функциональной единицей почки, обеспечивающей образование мочи, является нефрон. В почке человека и многих млекопитающих содержится около 1,2 миллионов нефронов. Однако, не все нефроны работают в почке одновременно, существует определенная периодичность функционирования отдельных нефронов, когда часть из них функционирует, а другие нет. Эта периодичность обеспечивает надежность деятельности почки за счет функционального дублирования. В связи с этим важным показателем функциональной активности почки является масса действующих нефронов в конкретный момент времени.
Схема строения нефрона. Ва- междолевая артерия, 2 - междолевая вена, 3 - дугообразная венула, 5 - междольковая артериола, 6 - междольковая венула, 7 - приносящая артериаола, 8 - выносящая артериола, 9 - сосудистый клубочек, 10 - проксимальный извитой каналец, 11 - прямой нисходящий сосуд, 12 - прямой восходящий сосуд, 13 - петля Генле, 14 - дистальный извитой каналец, 15 - собирательная трубочка.
Нефрон состоит из нескольких последовательно соединенных отделов, располагающихся в корковом и мозговом веществе почки.
1) Сосудистый клубочек. Снаружи клубочки покрыты двухслойной капсулой Боумена-Шумлянского.
2) Главный или проксимальный отдел канальцев, начинающийся от полости капсулы извитой частью, которая затем переходит в прямую часть канальца. Клетки проксимального отдела на апикальной мембране имеют щеточную каемку из микроворсин, покрытых гликокаликсом. Проксимальный отдел расположен в корковом веществе, где переходит в петлю Генле.
3) Тонкий нисходящий отдел петли Генле, спускающийся в мозговое вещество почки, где поворачивает на 180В° и переходит в восходящую часть, являющуюся началом дистального отдела канальцев.
4) Дистальный отдел канальцев, состоящий из восходящей части, петли Генле или прямого отдела и извитой части. Дистальные извитые канальцы через короткий связующий отдел впадают в коре почек в следующий отдел нефрона - собирательные трубки.
5) Собирательные трубки спускаются из коры почек вглубь мозгового вещества, сливаются в выводные протоки, открывающиеся в полость лоханки.
По особенностям локализации клубочков в коре почек, строения канальцев и особенностям кровоснабжения различают три типа нефронов: суперфициальные, интракортикальные и юкстамедуллярные.
Суперфициальные нефроны имеют поверхностно расположенные в коре клубочки, наиболее короткую петлю Генле, их 20-30%. Интракортикальные нефроны, клубочки которых расположены в средней части коры почки, наиболее многочисленны (60-70%) и выполняют основную роль в процессах ультрафильтрации мочи. Юкстамедуллярных нефронов значительно меньше (10-15%), клубочки их расположены у границы коркового и мозгового вещества почки, выносящие артериолы шире приносящих, петли Генле самые длинные и спускаются почти до вершины сосочка пирамид.
Механизм мочеобразования складывается из трех основных процессов:
1) клубочковой ультрафильтрации из плазмы крови воды и низкомолекулярных компонентов с образованием первичной мочи;
2) канальцевой реабсорбции (обратного всасывания в кровь) воды и необходимых для организма веществ из первичной мочи;
3) канальцевой секреции ионов, органических веществ эндогенной и экзогенной природы.
Фильтрация - начальный и основной этап образования мочи. Фильтрация определяется, с одной стороны, величиной гидростатического давления, способствующего выходу жидкости из капилляра, а с другой стороны, величиной онкотического давления, создаваемого растворенными в плазме крупномолекулярными белками, которые препятствуют выходу жидкости из капилляров.
Эндотелиальные клетки капилляров клубочков приспособлены для процесса фильтрации - здесь имеются огромные поры диаметром до 40-100 нм, которые пропускают практически все крупные частицы крови, включая белки, за исключением форменных элементов крови - эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов. Основным барьером для фильтрации является базальная мембрана, которая отделяет эндотелиальные клетки капилляров от подоцитов.
Дополнительным фильтром служат подоциты - эпителиальные клетки висцерального листка капсулы. Между ножками этих клеток имеются диафрагмы, пронизанные порами. Вероятно, диаметр этих пор тоже не превышает 8 нм, и поры содержат анионы. Все это вместе приводит к тому, что в норме при обычном кровотоке проницаемость белка резко ограничена. Крупные молекулы белка закупоривают поры и за счет наличия на белках анионных зарядов не подпускают к порам более мелкие молекулы белка.
Итак, в процессе фильтрации вместе со 120-110 мл воды фильтруются все низкомолекулярные вещества, которые свободно проходят через фильтрационную поверхность, за исключением большей части белков и форменных элементов крови. Поэтому ультрафильтрат напоминает по концентрации веществ плазму.
Канальцевая реабсорбция и ее регуляция. Все ценные, необходимые вещества реабсорбируются в почечных канальцах. Так, натрий реабсорбируется на 99%, калий - на 90%, кальций - на 99%, магний - на 94%, хлор - на 99%, бикарбонаты - на 99%, фосфаты - на 90%, сульфаты - на 69%, глюкоза (если ее содержание не превышает норму) - на 100%, аминокислоты - на 90%, вода - на 99%, мочевина - на 53%. В итоге, объем конечной мочи достигает 1,0-1,5 л в сутки. Основная масса молекул реабсорбируется в проксимальном извитом канальце, и меньше - в петле Генле, в дистальном извитом канальце и собирательных трубках. Реабсорбция веществ осуществляется с участием различных механизмов, главным из которых является активный транспорт.
Проксимальная реабсорбция обеспечивает полное всасывание ряда веществ первичной мочи - глюкозы, белка, аминокислот и витаминов. В проксимальных отделах всасывается 2/3 профильтровавшихся воды и натрия, большие количества калия, хлора, бикарбоната, фосфата, а также мочевая кислота и мочевина. К концу проксимального отдела в его просвете остается только 1/3 объема ультрафильтрата.
Всасывание воды происходит пассивно, по градиенту осмотического давления и зависит от реабсорбции натрия и хлорида. Реабсорбция натрия в проксимальном отделе осуществляется как активным, так и пассивным транспортом. В начальном участке канальцев это активный процесс.
Проксимальная реабсорбция глюкозы и аминокислот осуществляется с помощью специальных переносчиков.
Малые количества профильтровавшегося белка практически полностью реабсорбируются в проксимальных канальцах с помощью пиноцитоза.
Дистальная реабсорбция ионов и воды по объему значительно меньше проксимальной. Однако, существенно меняясь под влиянием регулирующих воздействий, она определяет состав конечной мочи и способность почки выделять либо концентрированную, либо разведенную мочу (в зависимости от водного баланса организма). В дистальном отделе нефрона происходит активная реабсорбция натрия, хлора, калия, кальция, фосфатов. В собирательных трубочках, главным образом юкстамедуллярных нефронов, под влиянием вазопрессина повышается проницаемость стенки для мочевины и она, благодаря высокой концентрации в просвете канальца, пассивно диффундирует в окружающее интерстициальное пространство. Под влиянием вазопрессина стенка дистальных извитых канальцев и собирательных трубочек становится проницаемой и для воды.
Способность почки образовывать концентрированную или разведенную мочу обеспечивается деятельностью противоточно-множительной канальцевой системы почки, которая представлена параллельно расположенными коленами петли Генле и собирательными трубочками. Моча двигается в этих канальцах в противоположных направлениях (почему систему и назвали противоточной), а процессы транспорта веществ в одном колене системы усиливаются ("умножаются") за счет деятельности другого колена. Определяющую роль в работе противоточного механизма играет восходящее колено петли Генле, стенка которого непроницаема для воды, но активно реабсорбирует в окружающее интерстициальное пространство ионы натрия. В результате, интерстициальная жидкость становится гиперосмотичной по отношению к содержимому нисходящего колена петли и по направлению к вершине петли осмотическое давление в окружающей ткани растет. Стенка же нисходящего колена проницаема для воды, которая пассивно уходит из просвета в гиперосмотичный интерстиций. Таким образом, в нисходящем колене моча из-за всасывания воды становится все более и более гиперосмотичной, т.е. устанавливается осмотическое равновесие с интерстициальной жидкостью. В восходящем колене, из-за всасывания натрия, моча становится все менее осмотичной и в корковый отдел дистального канальца восходит уже гипотоничная моча. Однако ее количество из-за всасывания воды и солей в петле Генле существенно уменьшилось.
Противоточно-множительная тубулярная система мозгового вещества почки.
Собирательная трубочка, в которую затем поступает моча, тоже образует с восходящим коленом петли Генле противоточную систему. Стенка собирательной трубочки становится проницаемой для воды только в присутствии вазопрессина. В этом случае, по мере продвижения мочи по собирательным трубочкам вглубь мозгового вещества, в котором нарастает осмотическое давление из-за всасывания натрия в восходящем колене петли Генле, все больше воды пассивно уходит в гиперосмотичный интерстиций и моча становится все более концентрированной.
Под влиянием вазопрессина происходит пассивный выход мочевины из собирательных трубочек в окружающее пространство. Мочевина интерстициальной жидкости по концентрационному градиенту диффундирует в просвет тонкой восходящей части петли Генле и вновь поступает с током мочи в дистальные канальцы и собирательные трубочки. Так осуществляется кругооборот мочевины в каналъцах, сохраняющих высокий уровень ее концентрации в мозговом веществе. Описанные процессы протекают в основном в юкстамедуллярных нефронах, имеющих наиболее длинные петли Генле, спускающиеся глубоко внутрь мозгового вещества почки.
В мозговом веществе почки имеется и другая - сосудистая противоточная система, образованная кровеносными капиллярами. Поскольку кровеносная сеть юкстамедуллярных нефронов образует длинные параллельные прямые нисходящие и восходящие капиллярные сосуды, спускающиеся вглубь мозгового вещества, двигающаяся по нисходящему прямому капиллярному сосуду кровь постепенно отдает воду в окружающее интерстициалъное пространство в силу нарастающего осмотического давления в ткани и, напротив, обогащается натрием и мочевиной, сгущается и замедляет свое движение. В восходящем капиллярном сосуде по мере движения крови в ткани с постепенно снижающимся осмотическим давлением происходят обратные процессы - натрий и мочевина по концентрационному градиенту диффундируют обратно в ткань, а вода всасывается в кровь. Таким образом, и эта противоточная система способствует поддержанию высокого осмотического давления в глубоких слоях ткани мозгового вещества, обеспечивая удаление воды и удержание натрия и мочевины в интерстиций.
Деятельность описанных противоточных систем во многом зависит от скорости движения находящихся в них жидкостей (мочи или крови). Чем скорее будет двигаться моча по трубкам противоточной системы канальцев, тем меньшие количества натрия, мочевины и воды успеют реабсорбироваться в интерстиций и большие количества менее концентрированной мочи будут выделяться почкой. Чем выше будет скорость кровотока по прямым капиллярным сосудам мозгового вещества почки, тем больше натрия и мочевины унесет кровь из почечного интерстиция, т.к они не успеют диффундировать из крови назад в ткань. Этот эффект называют "вымыванием" осмотически активных веществ из интерстиция, в результате его осмолярность падает, концентрированно мочи уменьшается и почкой выделяется больше мочи низкого удельного веса (разведение мочи). Чем медленнее происходит движение мочи или крови в мозговом веществе почек, тем больше осмотически активных веществ накапливается в интерстиций и выше способность почки концентрировать мочу.
Регуляция канальцевой реабсорбции осуществляется как нервным, так и, в большей мере, гуморальным путем.
Симпатические эффекты проявляются в виде активации процессов реабсорбции глюкозы, натрия, воды и фосфатов и реализуются через систему вторичных посредников
Основным фактором регуляции реабсорбции воды в дистальных отделах нефрона является гормон вазопрессин, называвшийся ранее антидиуретическим гормоном.
Канальцевая реабсорбция электролитов, также как и воды, регулируется преимущественно гормональными, а не нервными влияниями.
Канальцевой секрецией называют активный транспорт в мочу веществ, содержащихся в крови или образуемых в самих клетках канальцевого эпителия, например аммиака. Секреция осуществляется, как правило, против концентрационного или электрохимического градиента с затратами энергии. Путем канальцевой секреции из крови выделяются как ионы K+, Н+, органические кислоты и основания эндогенного происхождения, так и поступившие в организм чужеродные вещества, в том числе органического происхождения. Для ряда чужеродных организму веществ органической природы (антибиотиков, красителей и рентгеноконтрастных препаратов) скорость и интенсивность выделения из крови путем канальцевой секреции значительно превышает их выведение путем клубочковой фильтрации. Таким образом, канальцевая секреция является одним из механизмов обеспечения гомеостаза.
Механизмы образования мочи.
Способностью к секреции обладают клетки эпителия и проксимального, и дистальных отделов канальцев. При этом, клетки проксимальных канальцев секретируют органические соединения с помощью специальных переносчиков.
Состав и свойства конечной мочи. В сутки у человека образуется и выделяется от 0,7 до 2 л мочи. Эта величина носит название суточного диуреза и зависит от количества выпитой жидкости, т.к здоровым человеком выделяется 65-80% ее объема с мочой. Основное количество мочи образуется днем, тогда как ночью оно составляет не более половины дневного объема. Реакция суточной мочи обычно слегка кислая, однако рН колеблется в зависимости от характера питания. При растительной пище моча приобретает щелочную реакцию, а при белковой - становится более кислой. Белок и глюкоза в конечной моче практически отсутствуют, содержание аминокислот не превышает 0,5 г за сутки. В моче содержится широкий спектр органических кислот, небольшие концентрации витаминов (кроме жирорастворимых), биогенные амины и их метаболиты, стероидные гормоны и их метаболиты, ферменты и пигменты, определяющие цвет мочи. С мочой в разных концентрациях, зависящих от ее количества, выделяются практически все неорганические катионы и анионы, в том числе и широкий спектр микроэлементов.
Образовавшаяся в структурах нефрона моча поступает в почечные лоханки. По мере их заполнения и растяжения достигается порог раздражения механорецепторов, приводящий к рефлекторному сокращению мускулатуры лоханки и раскрытию мочеточника. За счет перистальтических сокращений их гладкой мускулатуры моча поступает в мочевой пузырь. Гладкие мышцы лоханки и мочеточников обладают значительной степенью автоматии, в связи с чем их перистальтика вызывается растяжением объемом поступающей мочи.
Заполняющая мочевой пузырь моча по мере накопления начинает растягивать его стенки, но при этом напряжение стенок пузыря не повышается до определенной величины растяжения, обычно соответствующей объему мочи в пузыре около 400 мл.
Появление напряжения стенки мочевого пузыря вызывает позывы к мочеиспусканию, так как раздражение механорецепторов ведет к поступлению афферентной информации в крестцовые отделы спинного мозга и формированию сложного рефлекторного акта. В этом акте участвуют не только спинальные, но и расположенные в головном мозге центральные структуры, позволяющие осуществлять произвольную задержку мочеиспускания или его начало.
Регуляция кислотно-щелочного равновесия. Почки участвуют наряду с легкими в регуляции КЩР (кислотно-щелочного равновесия). Прежде всего это осуществляется за счет регуляции процесса реабсорбции бикарбоната натрия, составной части бикарбонатного буфера.
Итак, почка способна секретировать избыток ионов водорода. Эта секреция сопряжена с реабсорбцией натрия (вместе с бикарбонатом), а также с детоксикацией аммиака.
Регуляция водно-солевого обмена, как и большинство физиологических регуляций, включает афферентное, центральное и эфферентное звенья. Афферентное звено представлено массой рецепторных аппаратов сосудистого русла, тканей и органов, воспринимающих сдвиги осмотического давления, объема жидкостей и их ионного состава. В результате, в центральной нервной системе создается интегрированная картина состояния водно-солевого баланса в организме. Следствием центрального анализа является изменение питьевого и пищевого поведения, перестройка работы желудочно-кишечного тракта и системы выделения (прежде всего функции почек), реализуемая через эфферентные звенья регуляции. Последние представлены нервными и, в большей мере, гормональными влияниями.
Метаболическая функция почек. Метаболическая функция почек состоит в обеспечении гомеостазиса обменных процессов в организме, поддержании во внутренней среде определенного уровня и состава компонентов метаболизма. При этом участие почки в процессах обмена веществ в организме обеспечивается не только экскрецией субстратов и метаболитов, но и протекающими в ней биохимическими процессами. Почка метаболизирует фильтрующиеся с мочой пептиды малой молекулярной массы и денатурированные белки, возвращая в кровь аминокислоты и поддерживая в крови уровень этих пептидов, в том числе и гормонов. Ткань почки обладает способностью к новообразованию глюкозы - глюконеогенезу, причем в расчете на единицу массы органа эта способность у почки выше, чем в печени. При длительном голодании примерно половина поступающей в кровь глюкозы образуется почками. Почка является основным органом окислительного катаболизма инозитола, здесь синтезируются важный компонент клеточных мембран фосфатидилинозитол, глюкуроновая кислота, триацил-глицерины и фосфолипиды, поступающие в кровоток, а также простагландины и кинины.
Почки участвуют в регуляции артериального давления благодаря нескольким механизмам.
1. В почках образуется ренин, являющийся (глава 5) частью ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС), которая обеспечивает регуляцию тонуса кровеносных сосудов, поддержание баланса натрия в организме и объема циркулирующей крови, активацию адренергических механизмов регуляции насосной функции сердца и сосудистого тонуса. Уменьшение уровня давления крови в приносящей артериоле клубочка, повышение симпатического тонуса и концентрации натрия в моче дистального канальца активирует секрецию ренина, что с помощью ангиотензина - II и альдостерона способствует нормализации сниженной величины артериального давления. Неадекватно избыточная секреция ренина и активация РААС может быть причиной повышенного артериального давления.
2. Почка экскретирует большинство гормональных и физиологически активных веществ, обладающих выраженными сердечно-сосудистыми эффектами. За счет изменений экскреции поддерживается оптимальный уровень в крови гуморальных регуляторов артериального давления.
3. В почке образуются вещества депрессорного действия, т.е. снижающие тонус сосудов и артериальное давление - нейтральный депрессорный липид мозгового вещества, простагландины, кинины и др. Их образование получило название "антигипертензивной" функции почек, поскольку ее нарушение может приводить к артериальной гипертензии.
4. Почка экскретирует воду и электролиты, а их содержание в крови, вне - и внутриклеточной среде является важным для поддержания уровня артериального давления.
5. Одним из факторов участия почек в регуляции артериального давления является механизм "давление-диурез". Повышение артериального давления ведет к увеличению диуреза, за счет потери кровью большого объема жидкости уменьшается объем циркулирующей крови и нормализуется артериальное давление. Напротив, падение давления крови вызывает снижение мочеобразования, задержку воды, повышение объема крови и восстановление уровня давления.
Вместе с этим смотрят:
Анатомическое строение растений
Анатомия и физиология заднего мозга. Строение и механизм кровообращения
Анатомия человека
Анатомо-физологические механизмы безопасности и защиты человека от негативного воздействия
Бiологiчне рiзноманiття людських рас