Физиология почек

Физиология почек ( лат. renes , « почки ») — это изучение физиологии почек . Она охватывает все функции почек, включая поддержание кислотно-щелочного баланса ; регуляцию баланса жидкости ; регуляцию натрия , калия и других электролитов ; выведение токсинов ; всасывание глюкозы , аминокислот и других малых молекул; регуляцию артериального давления ; выработку различных гормонов , таких как эритропоэтин ; и активацию витамина D.

Большая часть физиологии почек изучается на уровне нефрона , наименьшей функциональной единицы почки. Каждый нефрон начинается с фильтрационного компонента, который фильтрует кровь , поступающую в почку. Затем этот фильтрат течет по всей длине нефрона, который представляет собой трубчатую структуру, выстланную одним слоем специализированных клеток и окруженную капиллярами . Основными функциями этих выстилающих клеток являются реабсорбция воды и небольших молекул из фильтрата в кровь и секреция отходов из крови в мочу.

Для правильного функционирования почки необходимо, чтобы она получала и адекватно фильтровала кровь. Это осуществляется на микроскопическом уровне многими сотнями тысяч фильтрационных единиц, называемых почечными тельцами , каждое из которых состоит из клубочка и капсулы Боумена . Глобальная оценка функции почек часто определяется путем оценки скорости фильтрации, называемой скоростью клубочковой фильтрации (СКФ).

Способность почек выполнять многие из своих функций зависит от трех основных функций: фильтрации , реабсорбции и секреции , сумма которых называется почечным клиренсом или почечной экскрецией. То есть:

Скорость выделения мочи = Скорость фильтрации – Скорость реабсорбции + Скорость секреции ^[1]

Хотя самым строгим значением слова «экскреция» применительно к мочевыделительной системе является само мочеиспускание , почечный клиренс также условно называют экскрецией (например, в установленном термине « фракционная экскреция натрия» ).

Кровь фильтруется нефронами , функциональными единицами почки. Каждый нефрон начинается в почечном тельце , которое состоит из клубочка, заключенного в капсулу Боумена . Клетки, белки и другие крупные молекулы отфильтровываются из клубочка с помощью процесса ультрафильтрации , оставляя ультрафильтрат, который напоминает плазму (за исключением того, что ультрафильтрат содержит незначительное количество плазменных белков ), чтобы попасть в пространство Боумена. Фильтрация осуществляется силами Старлинга .

Ультрафильтрат поочередно проходит через проксимальный извитой каналец , петлю Генле , дистальный извитой каналец и ряд собирательных трубочек , образуя мочу .

Канальцевая реабсорбция — это процесс, посредством которого растворенные вещества и вода удаляются из канальцевой жидкости и транспортируются в кровь. Это называется реабсорбцией (а не абсорбцией ) и потому, что эти вещества уже были однажды абсорбированы (особенно в кишечнике ), и потому, что организм извлекает их из постгломерулярного потока жидкости, который находится на пути к превращению в мочу (то есть они скоро будут потеряны в моче, если их не извлечь).

Реабсорбция — это двухэтапный процесс, начинающийся с активного или пассивного извлечения веществ из канальцевой жидкости в почечный интерстиций (соединительная ткань, окружающая нефроны), а затем транспорт этих веществ из интерстиция в кровоток. Эти транспортные процессы управляются силами Старлинга , диффузией и активным транспортом .

В некоторых случаях реабсорбция является непрямой. Например, бикарбонат (HCO ₃ ⁻ ) не имеет транспортера, поэтому его реабсорбция включает ряд реакций в просвете канальцев и эпителии канальцев. Она начинается с активной секреции иона водорода (H ⁺ ) в жидкость канальцев через Na/H-обменник :

• В просвете
  • H ⁺ соединяется с HCO ₃ ⁻ , образуя угольную кислоту (H ₂ CO ₃ ).
  • Люминальная карбоангидраза ферментативно преобразует H ₂ CO ₃ в H ₂ O и CO ₂
  • CO2 _{свободно} диффундирует в клетку
• В эпителиальной клетке
  • Цитоплазматическая карбоангидраза преобразует CO2 _и H2O ₍ которые в изобилии присутствуют в клетке) _{в H2CO3} .
  • H ₂ CO ₃ легко диссоциирует на H ⁺ и HCO ₃ ⁻
  • HCO ₃ ⁻ облегчается выход из базолатеральной мембраны клетки

Некоторые ключевые гормоны, регулирующие реабсорбцию, включают:

• альдостерон , который стимулирует активную реабсорбцию натрия (и, как следствие, воды)
• антидиуретический гормон , который стимулирует пассивное обратное всасывание воды

Оба гормона оказывают свое действие главным образом на собирательные трубочки .

Канальцевая секреция происходит одновременно во время реабсорбции фильтрата. Вещества, обычно вырабатываемые организмом или побочные продукты клеточного метаболизма, которые могут стать токсичными в высокой концентрации, и некоторые лекарства (если они приняты). Все они секретируются в просвет почечных канальцев. Канальцевая секреция может быть как активной, так и пассивной или котранспортной. Вещества, в основном секретируемые в почечные канальцы: H+, K+, NH3, мочевина, креатинин, гистамин и лекарства, такие как пенициллин. Канальцевая секреция происходит в проксимальном извитом канальце (PCT) и дистальном извитом канальце (DCT); например, в проксимальном извитом канальце калий секретируется с помощью натрий-калиевого насоса, ион водорода секретируется с помощью активного транспорта и котранспорта, т. е. антипортера, а аммиак диффундирует в почечный каналец.

Почки секретируют множество гормонов , включая эритропоэтин , кальцитриол и ренин . Эритропоэтин выделяется в ответ на гипоксию (низкий уровень кислорода на уровне тканей) в почечной циркуляции. Он стимулирует эритропоэз (выработку эритроцитов) в костном мозге . Кальцитриол , активированная форма витамина D , способствует всасыванию кальция в кишечнике и почечной реабсорбции фосфата . Ренин — это фермент , регулирующий уровни ангиотензина и альдостерона .

Почки отвечают за поддержание баланса следующих веществ:

Тело очень чувствительно к своему pH . За пределами диапазона pH, совместимого с жизнью, белки денатурируются и перевариваются, ферменты теряют способность функционировать, и тело не способно поддерживать себя. Почки поддерживают кислотно-щелочной гомеостаз , регулируя pH плазмы крови . Прирост и потеря кислоты и основания должны быть сбалансированы. Кислоты делятся на «летучие кислоты» ^[12] и «нелетучие кислоты». ^[13] См. также титруемая кислота .

Главной гомеостатической контрольной точкой для поддержания этого стабильного баланса является почечная экскреция. Почка направлена ​​на экскрецию или удержание натрия посредством действия альдостерона , антидиуретического гормона (АДГ или вазопрессина), предсердного натрийуретического пептида (ПНП) ​​и других гормонов. Аномальные диапазоны фракционной экскреции натрия могут означать острый канальцевый некроз или гломерулярную дисфункцию.

Две системы органов, почки и легкие, поддерживают кислотно-щелочной гомеостаз, то есть поддержание pH около относительно стабильного значения. Легкие способствуют кислотно-щелочному гомеостазу, регулируя концентрацию углекислого газа (CO2 ₎ . Почки играют две очень важные роли в поддержании кислотно-щелочного баланса: реабсорбируют и регенерируют бикарбонат из мочи и выделяют ионы водорода и фиксированные кислоты (анионы кислот) в мочу.

Почки помогают поддерживать уровень воды и соли в организме. Любое значительное повышение осмоляльности плазмы обнаруживается гипоталамусом , который напрямую взаимодействует с задней долей гипофиза . Повышение осмоляльности заставляет железу секретировать антидиуретический гормон (АДГ), что приводит к реабсорбции воды почкой и повышению концентрации мочи. Эти два фактора работают вместе, чтобы вернуть осмоляльность плазмы к нормальному уровню.

АДГ связывается с основными клетками в собирательных трубочках, которые перемещают аквапорины в мембрану, позволяя воде покидать обычно непроницаемую мембрану и реабсорбироваться в организм через прямые сосуды, тем самым увеличивая объем плазмы в организме.

Существуют две системы, которые создают гиперосмолярный мозговой слой и, таким образом, увеличивают объем плазмы организма: рециркуляция мочевины и «единичный эффект».

Мочевина обычно выводится из почек как отходы. Однако, когда объем плазмы крови низкий и высвобождается АДГ, открытые аквапорины также проницаемы для мочевины. Это позволяет мочевине покидать собирательные трубочки в мозговое вещество, создавая гиперосмотический раствор, который «притягивает» воду. Затем мочевина может снова попасть в нефрон и выводится или снова перерабатываться в зависимости от того, присутствует ли еще АДГ или нет.

«Единичный эффект» описывает тот факт, что восходящая толстая часть петли Генле непроницаема для воды, но проницаема для хлорида натрия . Это позволяет системе противоточного обмена , при которой мозговое вещество становится все более концентрированным, но в то же время устанавливается осмотический градиент для воды, которая будет следовать, если аквапорины собирательного протока будут открыты АДГ.

Хотя почки не могут напрямую чувствовать кровь, долгосрочная регуляция артериального давления в основном зависит от почек. Это в первую очередь происходит за счет поддержания внеклеточного жидкостного пространства, размер которого зависит от концентрации натрия в плазме . Ренин является первым в серии важных химических посредников, которые составляют ренин-ангиотензиновую систему . Изменения ренина в конечном итоге изменяют выход этой системы, в основном гормонов ангиотензина II и альдостерона . Каждый гормон действует через несколько механизмов, но оба увеличивают поглощение почками хлорида натрия , тем самым расширяя внеклеточное жидкостное пространство и повышая артериальное давление. Когда уровень ренина повышается, концентрации ангиотензина II и альдостерона увеличиваются, что приводит к увеличению реабсорбции хлорида натрия, расширению внеклеточного жидкостного пространства и повышению артериального давления. И наоборот, когда уровень ренина низкий, уровни ангиотензина II и альдостерона снижаются, сокращая внеклеточное жидкостное пространство и снижая артериальное давление.

Почки у людей способны вырабатывать глюкозу из лактата , глицерина и глутамина . Почки отвечают примерно за половину всего глюконеогенеза у голодающих людей. Регулирование выработки глюкозы в почках достигается действием инсулина , катехоламинов и других гормонов. ^[14] Почечный глюконеогенез происходит в корковом веществе почек . Мозговое вещество почек не способно вырабатывать глюкозу из-за отсутствия необходимых ферментов . ^[15]

Простым способом оценки функции почек является измерение pH , азота мочевины крови , креатинина и основных электролитов (включая натрий , калий , хлорид и бикарбонат ). Поскольку почки являются наиболее важным органом в контроле этих значений, любое отклонение от этих значений может указывать на почечную недостаточность.

Существует еще несколько формальных тестов и соотношений, используемых для оценки функции почек:

Измерение	Расчет	Подробности
почечный плазмоток	${\displaystyle {\text{RPF}}={\frac {\text{effective RPF}}{\text{extraction ratio}}}}$ [16]	Объем плазмы крови , доставляемый в почки за единицу времени. Клиренс ПАУ — метод анализа почек, используемый для оценки. Приблизительно 625 мл/мин.
почечный кровоток	${\displaystyle {\text{RBF}}={\frac {\text{RPF}}{1-{\text{HCT}}}}}$(HCT — гематокрит )	Объем крови , доставляемой в почки за единицу времени. У людей почки вместе получают примерно 20% сердечного выброса, что составляет 1 л/мин у взрослого мужчины весом 70 кг.
скорость клубочковой фильтрации	${\displaystyle {\text{GFR}}={\frac {U_{[{\text{creatinine}}]}\times {\dot {V}}}{P_{[{\text{creatinine}}]}}}}$(оценка с использованием клиренса креатинина )	Объем жидкости, профильтрованной из капилляров почечных клубочков в капсулу Боумена за единицу времени. Оценивается с использованием инулина . Обычно проводится тест на клиренс креатинина , но могут использоваться и другие маркеры, такие как растительный полисахарид инулин или радиоактивно меченая ЭДТА.
фракция фильтрации	${\displaystyle {\text{FF}}={\frac {\text{GFR}}{\text{RPF}}}}$ [17]	Измеряет долю почечной плазмы, которая фильтруется.
анионный разрыв	AG = [Na + ] - ([Cl - ] + [HCO 3 - ])	Катионы минус анионы . Исключает K + (обычно), Ca 2+ , H 2 PO 4 − . Помогает в дифференциальной диагностике метаболического ацидоза
Очистка (кроме воды)	${\displaystyle C={\frac {U\times {\dot {V}}}{P}}}$где U = концентрация, V = объем мочи/время, = выделение с мочой и P = концентрация в плазме [18]${\displaystyle U\times V}$	Скорость удаления
бесплатная очистка воды	${\displaystyle C={\dot {V}}-C_{osm}}$или [19]${\displaystyle {\dot {V}}-{\frac {U_{osm}}{P_{osm}}}{\dot {V}}=C_{{\ce {H2O}}}}$	Объем плазмы крови , очищаемый от растворенной свободной воды за единицу времени.
Чистая кислотная экскреция	${\displaystyle {\ce {NEA}}={\dot {V}}(U_{{\ce {NH4}}}+U_{{\ce {TA}}}-U_{{\ce {HCO3}}})}$	Чистое количество кислоты, выделяемой с мочой за единицу времени

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Физиология почек» .