Канальцевая реабсорбция: механизмы и регуляция.

Реабсорбция – обратное всасывание различных веществ из просвета канальцев в плазму перитубулярных капилляров. Происходит во всех отделах канальцев нефрона, в собирательной трубочке и определяется особенностями строения канальцевого эпителия почек. Поверхность клеток проксимального извитого канальца, обращенная в его просвет, имеет покрытую гликокаликсом густую щеточную каемку, которая в 40 раз увеличивает площадь контакта мембраны с канальцевой жидкостью. Под щеточной каемкой между клетками имеются проницаемые плотные соединения.

Апикальная часть плазмолеммы (люминальная) обладает высокой ионной проницаемостью, содержит различные белки-переносчики и обеспечивает преимущественно пассивный транспорт различных веществ.

Базолатеральная часть клетки увеличена за счет складчатости мембраны и содержит большое число митохондрий, что определяет сосредоточенность в ней систем активного транспорта (ионных насосов).

Пороговая реабсорбция отражает зависимость всасывания вещества от его концентрации в плазме крови. Если концентрация вещества в плазме не превышает определенный пороговый уровень, - вещество будет полностью реабсорбировано в канальцах нефрона, если превышает – то реабсорбируется не полностью и появляется в конечной моче, что связано с максимальным насыщением переносчиков.

Первичная моча, перед тем как превратиться в конечную мочу, претерпевает значительные изменения. Разница не только в ее количестве (с 180 л остается 1-1,5 л), но и качества. Некоторые вещества, нужные организму, полностью исчезают из мочи или их становится гораздо меньше. Происходит процесс реабсорбции. Концентрация других веществ во много раз увеличивается: они концентрируются при реабсорбции воды. Еще другие вещества, которых вообще не было в первичной мочи, появляются в конечной. Это происходит в результате их секреции.

Процессы реабсорбции могут быть активными или пассивными. Для осуществления активного процесса необходимо, чтобы были специфические транспортные системы и энергия. Пассивные процессы происходят без затраты энергии по законам физики и химии.

Канальцевая реабсорбция происходит во всех отделах, но ее механизм в разных частях неодинакова. Условно можно выделить: проксимальный извитой каналец, петлю нефрона и дистальный извитой каналец.

В проксимальных извитых канальцах полностью реабсорбируются аминокислоты, глюкоза, витамины, белки, микроэлементы. В этом же отделе реабсорбируется около 2/3 воды и неорганических солей Na +, К + Са2 +, Mg2 +, Cl- - вещества, которые нужны организму для его деятельности. Механизм реабсорбции главным образом прямо или косвенно связан с реабсорбцией Na+.

Большая часть Na+ реабсорбируется против градиента концентрации за счет энергии АТФ. Реабсорбция осуществляется в 3 этапа: перенос иона через апикальную мембрану эпителиальных клеток канальцев, транспортировки в базальной или латеральной мембраны и перенос через указанные мембраны в межклеточную жидкость и в кровь. Основная движущая сила реабсорбции - перенос Na+ с помощью Na +, К +-АТФ-азы через базолатеральную мембрану. Это обеспечивает постоянный отток ионов. Из-за этого Na+ по градиенту концентрации с помощью специальных образований эндоплазматического ретикулума поступает к мембранам, возвращенных в межклеточной среде. Из-за этого постоянно действующего конвейера концентрация ионов внутри клетки и вблизи апикальной мембраны становится гораздо ниже, чем с другой ее стороны, это способствует пассивному поступлению Na+ в клетку по ионному градиенту. Таким образом, 2 этапа натриевой реабсорбции клетками канальцев являются пассивными и один, конечный, требует затрат энергии. Часть Na+ реабсорбируется пассивно по межклеточным промежуткам вместе с водой.

Глюкоза реабсорбируется вместе с транспортом Na+. В апикальной мембране клеток есть специальные транспортеры. Это белки с молекулярной массой 320 000, которые в начальных отделах проксимального канальца переносят Na + и одну молекулу глюкозы (постепенное уменьшение концентрации глюкозы в моче приводит к тому, что в следующей области канальца для переноса одной молекулы глюкозы используется уже два Na+). Также движущая сила этого процесса - электрохимический градиент Na+. На противоположной стороне клетки комплекс Na - глюкоза - переносчик распадается на три элемента. Из-за этого освобожденный переносчик возвращается на свое прежнее место и снова приобретает способность переносить новые комплексы Na+ и глюкозы. В клетке концентрация глюкозы увеличивается, благодаря чему образуется градиент концентрации, который направляет его в базолатеральных мембранах клетки и обеспечивает выход в межклеточную жидкость. Отсюда глюкоза поступает в кровеносные капилляры и возвращается в общий кровоток. Апикальная мембрана не пропускает глюкозу обратно в просвет канальца. Транспортные переносчики глюкозы содержатся лишь в проксимальном отделе канальцев, поэтому глюкоза реабсорбируется только здесь.

В норме при обычном уровне глюкозы в крови и концентрации ее в первичной мочи, реабсорбируется вся глюкоза. Но при повышении уровня глюкозы в крови более 10 ммоль/л (около 1,8 г/л) мощность транспортных систем становится недостаточной для реабсорбции. Первые следы нереабсорбованой глюкозы в конечной моче обнаруживаются при превышении его концентрации в крови. Чем выше концентрация глюкозы в крови, тем большее количество нереабсорбованой глюкозы. До концентрации ее 3,5 г/л это увеличение не прямо пропорционально, поскольку в процесс еще не включается часть транспортеров. Но, начиная с уровня 3,5 г/л, выведение глюкозы с мочой становится прямо пропорционален концентрации ее в крови. У мужчин полная нагрузка системы реабсорбции наблюдается при поступлении 2,08 ммоль/мин (375 мг/мин) глюкозы, у женщин - 1,68 ммоль/мин (303 мг/мин) из расчета на 1,73 м2 поверхности тела.

Реабсорбция аминокислот происходит по такому же механизму, как и реабсорбция глюкозы. Полная реабсорбция аминокислот происходит уже в начальных отделах проксимальных канальцев. Этот процесс связан с активной реабсорбцией Na+ через апикальную мембрану клеток. Выявлено 4 типа транспортных систем:

1)для основных;

2)для кислых;

3)для гидрофильных;

4)для гидрофобных аминокислот.

Из клетки аминокислоты пассивно по градиенту концентрации проходят через базальную мембрану в межклеточную жидкость, оттуда - в кровь. Появление аминокислот в моче может быть следствием нарушения транспортных систем или очень высокой концентрации его в крови. В последнем случае может проявляться эффект, который по механизму напоминает глюкозурию - перегрузка транспортных систем. Иногда наблюдается конкуренция кислот одного типа за общий переносчик.

Механизм реабсорбции белков значительно отличается. Попадая в первичную мочу, небольшое количество белков в норме почти полностью реабсорбируется путем пиноцитоза. В цитоплазме клеток проксимальных канальцев белки распадаются при участии лизосомальных ферментов. Аминокислоты, которые образуются, по градиенту концентрации из клетки поступают в межклеточную жидкость, оттуда - в кровеносные капилляры. Таким путем может реабсорбироваться до 30 мг белка за 1 мин. При повреждении клубочков в фильтрат попадает больше белков и часть может поступать в мочу (протеинурия).

Возбуждение симпатических нервов ведет к увеличению реабсорбции Na⁺, глюкозы, фосфатов и воды, независимо от того, сопровождается это гемодинамическими изменениями или нет. Блуждающие нервы увеличивают реабсорбцию глюкозы.

Гормональная регуляция реабсорбции осуществляется не­сколькими гормонами - главный механизм регуляции мочеоб­разовательной функции почки. Количество реабсорбируемой воды сильно зависит от антидиуретического гормона (АДГ). Место приложения АДГ - конечные отделы дистальных извитых канальцев (половина их общей длины) и собирательные трубки. Проницаемость эпителия этих отделов нефрона значительно ниже, чем проксимального извитого каналь­ца. Электролиты здесь могут транспортироваться только первично активно, количество реабсорбируемой воды определя­ется состоянием проницаемости этого отдела нефрона. При умень­шении воды в организме АДГ вырабатывается в большем количестве, воды с мочой выводится меньше. Поскольку увеличивается проницаемость дистальных извитых канальцев и собирательных трубок, возрастает реабсорбция воды - переход ее в интерстиций мозгового вещества почки, где высо­кое осмотическое давление.

При действии АДГ увеличивается проницаемость собиратель­ных трубок не только для воды, но и для мочевины. Поэтому с уве­личением выхода воды в мозговой слой почки увеличивается выход и мочевины в интерстиций. Физиологическое значение перехода мочевины - в интерстиции не нару­шается высокая осмолярность, необходимая для формирования конечной мочи. Под действием альдостерона в клетках канальцевого эпителия увеличивается реабсорбция Nа⁺, вместе с ним увеличивается реабсорбция Сl- и воды. Натрийуретический гор­мон (атриопептид), вырабатываемый в предсердиях (больше в правом), частично в желудочках, увеличивает выведение Nа⁺ и Сl- почками, и воды.

Канальцевая секреция: механизмы и регуляция.

Канальцевая секреция – транспорт веществ из крови в просвет канальцев (мочу). Позволяет быстро экскретировать некоторые ионы, например калия, органические кислоты (мочевая кислота) и основания (холин, гуанидин), включая ряд чужеродных организму веществ, таких как антибиотики (пенициллин), рентгеноконтрастные вещества (диодраст), красители (феноловый красный), парааминогиппуровую кислоту (ПАГ).

Канальцевая секреция - преимущественно активный процесс, происходящий с затратами энергии для транспорта веществ против концентрационного или электрохимического градиентов. В эпителии канальцев существуют разные системы транспорта (переносчики) для секреции органических кислот и органических оснований.

Транспортные секретирующие механизмы обладают свойством адаптации, - при длительном поступлении вещества в кровоток количество транспортных систем за счет белкового синтеза постепенно увеличивается.

Т.к. при невысоких концентрациях в крови ПАГ или диодраста они полностью удаляются из крови при однократном прохождении через почку путем секреции клетками проксимальных канальцев, это позволило, определяя клиренс этих веществ, получить значение объема плазмы крови, которое протекает по сосудам коркового вещества почки, - эффективного почечного плазмотока.

Канальцевый эпителий синтезирует и секретирует вещества, образующиеся в самих клетках эпителия, например, аммиак (путем дезаминирования некоторых аминокислот), гиппуровую кислоту (из бензойной кислоты и гликокола), которые выделяются с мочой, ренин, простагландины, глюкозу почек, поступающие в кровь.

Состав конечной мочи зависит от процессов фильтрации, реабсорбции и секреции.

Регуляция канальцевой секреции осуществляется с помощью гормонов и симпатической нервной системы. Эффекты нервной регуляции реализуются за счет изменений кровотока в постгломерулярных капиллярах почки, - транспорта веществ кровью к секретирующим клеткам, и влияния на энергетический обмен в клетках эпителия канальцев. Гормоны, усиливающие проксимальную канальцевую секрецию органических веществ за счет метаболических эффектов, - соматотропин аденогипофиза, йодсодержащие гормоны щитовидной железы и андрогены.

Процесс секреции некоторых веществ в проксимальных канальцах идет настолько интенсивно, что за одно прохождение крови через корковое вещество почек из нее удаляются полностью путем секреции такие вещества, как, например, парааминогиппуровая кислота или рентгеноконтрастные препараты.

Противоточно-поворотная множительная система почек.

В почках предусмотрен механизм, позволяющий регулировать осмотическое давление плазмы крови за счет концентрирования или разведения мочи. Этот механизм получил название — поворотно-противоточно-множительный механизм, который локализован в петле Генле и собирательных трубках. Именно в этой части нефрона происходит изменение осмотиче­ской концентрации фильтрата, благодаря чему осуществляется регулирование объема выводи­мой жидкости и ее осмотического давления. В процессе осмотического концентрирования мочи в почке принимают участие все отделы канальцев, сосуды мозгового вещества, интерстициальная ткань.

Петля Генле вместе с капиллярами прямых сосудов и собирательной трубкой создает и поддерживает продольный градиент осмотического давления в мозговом веществе по направле­нию от коркового вещества к сосочку за счет повышения концентраций хлористого натрия и мо­чевины. Благодаря этому градиенту возможно переход воды по осмотическому градиенту из просвета канальца в интерстициальные пространства мозгового вещества, откуда она попадает в прямые сосуды. В конечном счете в соединительной трубке образуется гипертоничная моча.

Роль петли Генле как противоточного концентрирующего механизма определяют следую­щие факторы:

1)близкое соседство нисходящего и восходящего колен;

2)проницаемость нисходящего колена для воды;

3)непроницаемость нисходящего колена для растворенных веществ;

4)проницаемость тонкого сегмента восходящего колена для растворенных веществ;

5)наличие механизмов активного транспорта в толстом сегменте восходящего колена.

Движение ионов, мочевины и воды между петлей Генле, прямыми сосудами и собиратель­ной трубкой можно описать следующим образом:

1)корот­кий и относи­тельно широ­кий верхний сегмент нисхо­дящего колена непроницаем для солей, мо­чевины и воды. По этому уча­стку фильтрат переходит из проксимально­го извитого канальца в бо­лее длинный тонкий сегмент нисходящего колена, сво­бодно пропускающий воду;

2)благодаря высокой концентрации хлористого натрия и мочевины в тканевой жидкости мозгового вещества создается высокое осмотическое давление, вода покидает просвет канальца нисходящего колена по осмотическому градиенту, затем поступает в прямые сосуды.

3)в результате выхода воды из фильтрата его объем уменьшается, и он становится гипертоничным. В верхушке мозгового вещества (в сосочке) нисходящее колено петли Генле перехо­дит в восходящее колено, которое по всей своей длине непроницаемо для воды;

4)нижний участок восходящего колена - тонкий сегмент - проницаем для хлористого на­трия и мочевины, и хлористый натрий диффундирует из него, тогда как мочевина диффундирует внутрь;

5)в толстом сегменте восходящего колена осуществляется активный перенос ионов натрия и хлора из фильтрата в интерстиций мозгового вещества, из-за чего повышается осмотическое давление интерстиция мозгового вещества. Именно активный перенос ионов натрия и хлора в восходящей части петли Генле является главной движущей силой противоточно-поворотной системы;

6)в результате активного выхода ионов натрия и хлора из просвета восходящего колена в дистальные извитые канальцы поступает гипотоничный фильтрат.

7)окончательное концентрирование мочи происходит в собирательных трубках; они рас­положены параллельно канальцам петли нефрона, в мозговом веществе почки. Выход воды из собирательной трубки происходит за счет осмотического давления, которое создается вокруг собирательной трубки в интерстиций наличием осмотически активных веществ — ионов натрия, хлора, мочевины. Мочевина появляется в интерстиции благодаря выходу из собирательных тру­бок за счет градиента концентрации.

Существует система внутрипочечного кругооборота мочевины, которая участвует в осмо­тическом концентрировании мочи. В просвете собирательных трубок из-за реабсорбции воды повышается концентрация мочевины. При увеличении проницаемости для мочевины соби­рательных трубок под влиянием АДГ она диффундирует в мозговое вещество почки, затем по градиенту концентрации переходит или в нисходящий прямой сосуд, или в восходящий отдел петли Генле. Попав в восходящий отдел петли Генле, мочевина в составе фильтрата переходит в дистальный каналец, затем снова в собирательную трубку. Т.к. вода покидает просвет собирательной трубки по осмотическому градиенту, то концентрация мочевины возрастает и соз­дает градиент концентрации между просветом соединительной трубки и интерстицием мозгового вещества, по которому часть мочевины снова переходит в интерстиций, другая часть мочевины выделяется со вторичной мочой.

Роль почек в поддержании постоянства внутренней среды организма (изоволюмии, изоосмии, изоионии, кислотно-основного равновесия).

Наиболее важная функция почек - обеспечить постоянство основных физико-химических констант внутренней среды организма. Только деятельностью почек эффективно регулируются:

1)водно-электролитный баланс организма;

2)постоянство осмотического давления жидкостей внутренней среды;

3)кислотно-щелочной баланс;

4)процессы метаболизма белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и других органических соединений за счет удаления конечных продуктов обмена;

5)поддержание необходимого объема циркулирующей крови, артериального давления, обмена электролитов и перемещения физиологически активных веществ - регуляторов;

6)регуляцию кроветворения, выделяя в кровоток эритропоэтин;

7)свертывание крови, синтезируя факторы гемостаза и фибринолиза урокиназу, тромбопластин, тромбоксан и простациклин;

8)выделение в кровь витамина D3, эритропоэтина.

Сочетая эти процессы, почки участвуют в эксткреторной, гомеостатической, метаболической, эндокринной и защитных функциях организма, - являются главной системой, сохраняющей гомеостаз. Глубокие нарушения этих процессов несовместимы с жизнью.

Огромна роль почек и в поддержании кислотно-щелочного равновесия. В организме человека постоянно протекают процессы, создающие условия для ацидоза. При полном окислении углеводов образуется углекислый газ, при окислении белков и аминокислот — серная кислота, процессы метаболизма сопровождаются накоплением органических кислот. Все эти кислоты нейтрализуются с помощью буферных систем организма. Для обозначения силы действия буферных систем введен термин «буферная емкость» («буферная мощность»), под которым понимают количество кислоты или щелочи в грамм-эквивалентах, прибавленное к литру раствора и вызывающее смещение рН этого раствора на 1 единицу.

Буферы крови представлены в основном сочетанием четырех систем: гемоглобин-оксигемоглобин; угольная кислота-гидрокарбонат; белки плазмы; фосфаты. Наиболее мощная - система гемоглобин-оксигемоглобин, наиболее лабильная — система угольная кислота-гидрокарбонат.

Благодаря наличию в организме буферных систем концентрация водородных ионов в плазме крови поддерживается на постоянном уровне (рН 7,4).

В поддержании кислотно-щелочного равновесия важная роль принадлежит бикарбонатам. Здоровые почки в состоянии повысить рН мочи до 8, что достаточно, чтобы удалить избыточное количество бикарбоната и сохранить важные для организма кислые радикалы.

Функция почек тесно связана с деятельностью всего организма в целом и находится под влиянием нейрогенных и нейрогуморальных регуляторных механизмов. Большое влияние на функцию почек оказывает ВНС, которая находится под контролем ЦНС, в частности коры больших полушарий. Именно кора головного мозга обеспечивает тонкое приспособление почки к различным внутренним и внешним условиям, к изменениям кислотно-щелочного равновесия внутренней среды, к возрастающим или уменьшающимся потребностям очищения организма от продуктов метаболизма.