Органы выделения. Мочеобразования и мочевыделение.

         Выделением называется процесс выведения из организма ненужных для метаболизма, роста или функции клеток и органов веществ. Это могут быть конечные или промежуточные продукты обмена, чужеродные вещества, различные продукты, которые эскретируются клетками в процессе их деятельности, а также вода и неорганические соли. Круг этих веществ достаточно широк.

      Органами выделения, способными выбрасывать указанные продукты во внешнюю среду, служат легкие (газы, вода), желудочно-кишечный тракт (широкий круг веществ), кожа (вода, соли), почки (вода, соли и многие другие вещества).

       В этой лекции мы большее внимание обратим на функции почек.

       Общее представление о функции почек. Главная функция почек - образование мочи. Структурно-функциональной единицей почек, осуществляющей эту функцию, является нефрон. В почке весом 150г их 1-1,2 млн. Каждый нефрон состоит из сосудистого клубочка, капсулы Шумлянского-Боумена, проксимального извитого канальца, петли Генле, дистального извитого канальца и собирательной трубочки, которая открывается в почечную лоханку. Более подробно о строении почки см. Гистологию.

      Почки очищают плазму крови от некоторых веществ, концентрируя их в моче. Значительная часть таких веществ являются 1) конечными продуктами обмена (мочевина, мочевая кислота, креатинин), 2) экзогенными соединениями (лекарства и т.д.), 3) веществами, необходимыми для жизнедеятельности организма, но содержание которых должно соблюдаться на определенном уровне (ионы Na, Ca, P, вода, глюкоза и др.). Объем экскреции подобных веществ почками регулируется специальными гормонами.

      Таким образом, почки участвуют в регуляции водного, электролитного, кислотно-щелочного, углеводного равновесия в организме, способствуя поддержанию постоянства ионного состава, рН, осмотического давления. Следовательно, главная задача почки заключается в избирательном удалении различных веществ с целью поддержания относительного постоянства химического состава плазмы крови и внеклеточной жидкости.

       Кроме этого, в почке образуются специальные биологически активные вещества, участвующие в регуляции АД и объема циркулирующей крови (ренин) и образования эритроцитов (эритропоэтины). Образование этих веществ происходит в клетках т.н. юкста-гломерулярного аппарата почек (ЮГА).

       Двусторонняя нефректомия или острая почечная недостаточность в течение 1-2-х недель приводит к смертельной уремии (ацидоз, повышение концентрации ионов Na, K,Р, аммиака и др.). Компенсировать уремию можно пересадкой почки или экстракорпоральным диализом (подключением искусственной почки).

     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 отросткам. 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 55 000 (инулин). Более крупные молекулы проникают с трудом (Нв с массой 64 500 фильтруется в 3%, альбумины крови (69 000) - в 1%). Однако, по данным некоторых ученых, альбумины практически все фильтруются в почках и обратно всасываются в канальцах. По-видимому, 80 000 - абсолютный предел проницаемости через поры капсулы и клубочка нормальной почки.

      Состав клубочкового фильтрата определяется размерами пор мембраны клубочка. В тоже время скорость фильтрации зависит от эффективного фильтрационного давления Рф. В связи с высокой гидравлической проводимостью капилляра в начале капилляра происходит быстрое образование фильтрата и столь же быстро нарастает осмотическое давление в нем. Когда оно становится равным гидростатическому минус тканевое, эффективное фильтрационное давление становится нулевым и фильтрация прекращается.

         Скоростью фильтрации называется объем фильтрации в единицу времени. У мужчин она составляет 125 мл/мин, у женщин - 110 мл /мин. В сутки фильтруется около 180 л. Значит, общий объем плазмы (3 л.) фильтруется в почках за 25 минут, и плазма очищается почками 60 раз в сутки. Вся внеклеточная жидкость (14 л) проходит через почечный фильтр 12 раз в сутки.

      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. Поэтому фильтрационная функция (ФФ), или часть почечного плазматока, переходящая в фильтрат, также постоянна. У человека она равна 0,2 (ФФ = СКФ/ППТ). Ночью СКФ на 25% ниже. При эмоциональном возбуждении ППТ падает и ФФ растет за счет сужения выносящих сосудов. СКФ определяют по клиренсу инулина.

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

           Св = Мв V/ Пв мл в минуту,

где Мв- содержание В в моче, Пв - содержание в плазме, а V - объем мочи за минуту.  

      Из этой формулы следует, что Св х Пв=Мв х V, т.е. количество вещества, удаляемого из плазмы за единицу времени, равно количеству вещества, выделяемого за это время с мочой. Почечный клиренс отражает обычно скорость очищения плазмы от того или иного вещества. 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, как 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. Почечный кровоток. 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.

      Ауторегуляция почечного кровотока. Конфигурация кривых АД и ПКТ свидетельствует том, что на ПКТ почти не влияют системы регуляции центральной гемодинамики. В пределах низких значений перфузионного давления скорость почечного кровотока растет пропорционально ему, в пределах 80-180 мм Hg - не меняется, а начинает возрастать лишь при АД больше 200 мм Hg. Эта особенность сохраняется и в изолированной перфузируемой почке.

      Адреналин и ангиотензин могут влиять на характер этого процесса. В основе поддержания постоянства ПКТ лежит поддержание постоянства Рф и скорости фильтрации.

      Все сказанное относится в корковому веществу. В мозговом же кровоток пропорционален АД. Повышение кровотока через мозговое вещество при повышении АД приводит к т.н. гипертензивному диурезу, обусловленному нарушением деятельности концентрационного механизма, сберегающего воду. Структуры, отвечающие за этот механизм, находятся в мозговом веществе. В условиях гипертензивного диуреза повышается экскреция Na и воды. Вследствие этого больные с повышенным АД (если у них нет патологии почечных сосудов) выделяют больше мочи, а концентрирующая функция почек у них падает.

      Дело заключается в непосредственной реакции гладких мышц резистивных сосудов почки. Приносящие артериолы суживаются при повышении АД - эффект Бейлиса)

     Транспорт в канальцах. Клубочковый фильтрат превращается в мочу в процессе переноса различных веществ в канальцах. Активная реабсорбция и секреция происходят главным образом в проксимальных канальцах. В более дистальных отделах нефрона осуществляется тонкая регуляция содержания электролитов, воды и ионов Н. Нефроны гетерогенны, так как только юкста-гломерулярные имеют длинные петли Генле и концентрируют мочу. Схему локализации важнейших транспортных процессов в нефроне смотрите на таблице.

      Особенности транспорта некоторых веществ в почках.

      Реабсорбция глюкозы. Несмотря на то, что глюкоза беспрепятственно проходит через клубочковый фильтр, в норме в моче ее не содержится или очень мало, так как она полностью реабсорбируется в канальцах. Глюкозурия происходит лишь когда ее содержание в крови превышает порог реабсорбции - 1,8 г/л (10 ммоль/л). При более высокой концентрации глюкоза не всасывается. Максимальная скорость ее транспорта около 375 мг/мин. Глюкоза реабсорбируется главным образом в начальных отделах проксимального извитого канальца, причем это Na-зависимый транспорт.

       При поражении почек возникает т.н. "почечный сахарный диабет", когда концентрация сахара в крови нормальна, а почечный порог падает и сахар появляется в моче.

      Реабсорбция белков. Почечный порог для аминокислот высок, они практически все реабсорбируются. В настоящее время обнаружены для различных групп аминокислот различные транспортные системы. При генетически обусловленных нарушениях этих систем могут быть наследственные аминоцидурии.

      В почках фильтруется 10-100 мг/л альбуминов, но в конечной моче в норме их нет.

Реабсорбция белков происходит   с использованием механизма   пиноцитоза, причем

 реабсорбируется до 30 мг белка минуту. Если нарушается эта функция почки - наблюдается протеиниурия.

       Активная секреция. В проксимальном отделе нефрона обнаружены три транспортные системы, активно секретирующие различные вещества.

      1. Секреция органических кислот (ПАГ, йод содержащих рентгеноконтрастных средств (диотраст), пенициллин, феноловый красный и т.п.).

     2. Секреция сильных органических оснований (тетраэтиламмоний, N-метилникотинамид т.п.).

     3. Секреция веществ типа этилен-диамин-тетраацетата (ЭДТА). Они действуют независимо друг от друга.

Пассивная реабсорбция мочевины. Мочевина беспрепятственно фильтруется в клубочках. В проксимальном канальце вследствие реабсорбции воды мочевина концентрируется. При этом возникает чрез канальный градиент концентрации, проводящий к диффузии мочевины в кровь. В области между собирательными трубками и петлей Генле происходит новое концентрирование мочевины. Некоторая часть ее диффундирует в межклеточное вещество. Концентрация ее здесь повышается и она идет в петлю Генле. Оттуда мочевина опять поступает в собирательные трубки.

     Неионная диффузия представляет собой особый вид пассивного переноса ряда слабых органических кислот и оснований в канальцах почки. В недиссоциированном состоянии такие вещества относительно хорошо растворяются в жирах и поэтому могут диффундировать чрез липоидный слой мембраны канальцевых клеток. В ионизированном состоянии они хуже проникают в клетки и выделяются с мочой. Для переноса вещества путем не ионной диффузии необходимо, чтобы по обе стороны стенки канальца существовал градиент концентрации недиссоциированных молекул этого вещества. Такой градиент обычно возникает в результате канальцевой реабсорбции жидкости (при этом концентрация отфильтрованных и секретированных веществ в фильтрате повышается. В данном случае направление градиента концентрации способствует их реабсорбции.

    Чрез канальцевый градиент концентрации недиссоциированных молекул может возникать и при изменении рН канальцевой мочи. При этом изменяется степень диссоциации кислот и оснований. При относительно низких значениях рН слабые кислоты находятся в моче в недиссоциированном виде, а основания - в диссоциированном. В связи с этим скорость реабсорбции слабых кислот при кислой реакции мочи возрастает, а скорость их выделения снижается. Напротив, скорость реабсорбции слабых оснований в этих условиях падает, а скорость выделения растет. При щелочной реакции мочи наблюдается обратная картина.

     Канальцевая реабсорбция воды и электролитов. Отфильтрованная воды на 99% или более реабсорбируется в канальцах. При чрезмерном потреблении воды - до 85% СКФ. В основном (80% СКФ) это происходит в проксимальном извитом канальце. Здесь идет активная реабсорбция Na и вода идет вслед за натрием. В дистальном идет т.н. гомеостатическая регуляция экскреции воды, именно эти отделы служат точкой приложения АДГ.

     Влияние гормонов на транспорт ионов и реабсорбцию воды в канальцах. На деятельность почек влияют как минералокортикоиды, так и глюкокортикоиды. Наиболее эффективным является альдостерон. Под действием этого гормона увеличивается реабсорбция Na и секреция К и Н в канальцах. Паратгормон - регулирует выведение Р, снижая его канальцевую реабсорбцию. Кальцитонин - выводит Са (повышает секрецию Са). Однако наибольшим действием на процессы мочеобразования обладает АДГ.

      Механизм действия АДГ. Типы диуреза. Антидиуретический гормон ( АДГ, вазопрессин) сберегает воду путем уменьшения диуреза и увеличения концентрации мочи. АДГ повышает реабсорбцию воды в дистальных отделах нефрона путем увеличения проницаемости для воды эпителиального слоя дистального канальца и собирательной трубочки. Действие АДГ опосредовано ц-АМФ, значит точкой приложения АДГ служит аденилатциклаза (фермент, катализирующий превращение АТФ в ц-АМФ).

    В отсутствие АДГ дистальные отделы нефрона почти непроницаемы для воды. При этом моча гипотонична и скорость ее выделения увеличен. Такой тип диуреза называется водным диурезом. Максимальная скорость экскреции мочи в этих условиях может достигать 15% СКФ, т.е. 25 л в сутки. Больные несахарным диабетом (недостаток АДГ) постоянно пребывают в состоянии водного диуреза.

        Существует еще т.н. осмотический диурез - когда содержание плохо реабсорбируемых веществ в фильтрате значительно повышено по сравнению с нормой. Скорость диуреза при этом настолько высока, что, несмотря на высокую активность АДГ в крови, сберегающий воду эффект может отсутствовать. Скорость мочеотделения при этом может достигать 40% СКФ.

       При острой сердечной недостаточности наблюдается анурия - из-за снижения фильтрационного давления, падения СКФ, а весь фильтрат реабсорбируется.

Концентрирование мочи в противоточной системе мозгового вещества почки. 

         Противоточная система почки. Механизм концентрирования мочи в почках обусловлен деятельностью противоточной системы. Противоточная система состоит из петли Генле и собирательной трубки. В такой системе происходит умножение одиночного эффекта, приводящее к концентрированию в одном колене и разбавлению в другом, что обусловливается противоположно направленным током жидкости и особенностями проницаемости стенок.

      При повышении гидростатического давления в нисходящем колене петли Генле вода идет в восходящую часть петли, при этом раствор в первом колене концентрируется, так как вода выходит в межклеточное пространство по градиенту осмотической концентрации. Во восходящей части петли идет разбавление, так как Na выходит в ткани. Создается градиент осмотического давления, соответствующий градиенту гидростатического давления. В конечном счете достигается состояние равновесия, при котором создается продольный градиент осмотической концентрации с максимальными значениями в области соединительной трубки. При этом концентрация вытекающего раствора равна притекающему. В этом случае концентрационный эффект не реализуется. Нужен еще третий капилляр, роль которого играет собирательная трубка.

      В петле Генле восходящее колено по всей длине практически непроницаемо для воды. Вследствие выхода Na жидкость в просвете восходящего становится гипотонична, а межклеточная жидкость гипертонична. Вода по осмотическому градиенту диффундирует в межклеточную жидкость из собирательной трубки.  В обратном направлении могут переноситься растворенные вещества. Осмотическая концентрация конечной мочи устанавливается при прохождении через собирательную трубку. На одном и том же уровне в мозговом веществе почки осмотическая концентрация почти одинакова во всех жидкостных пространствах. Исключение составляет восходящее колено петли Генле, содержимое которой гипотонично по отношению к близлежащим структурам.

      Гомеостатическая функция почек состоит в поддержании постоянства ионного состава и обмена межклеточной жидкости. При этом почки играют роль исполнительного органа в целом ряде функциональных систем: функциональной системы поддержания осмотической концентрации межклеточной жидкости (ФСОК), функциональной системы поддержания кислотно-щелочного равновесия (ФСКЩР), функциональной системы поддержания объема внеклеточной жидкости (ФВКЖ). Все эти функции становятся возможными из-за наличия соответствующих осмо-, хемо- и волюморецепторов. Последние расположены в предсердиях, при их раздражении усиливается выработка АДГ и возникает чувство жажды. Это - один из механизмов жажды у людей при потере более 10% крови.

      Конкретные схемы деятельности каждой из этих систем Вы разберете на семинаре.