Почечная физиология

Физиология почек ( лат. rēnēs изучающая физиологию почек , «почки») — наука , . Это охватывает все функции почек, включая поддержание кислотно-щелочного баланса ; регуляция баланса жидкости ; регуляция натрия , калия и других электролитов ; выведение токсинов ; поглощение глюкозы , аминокислот и других небольших молекул; регуляция артериального давления ; выработка различных гормонов , таких как эритропоэтин ; и активация D. витамина

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, а также выделение отходов из крови в мочу.

Правильная функция почек требует, чтобы они получали и адекватно фильтровали кровь. Это осуществляется на микроскопическом уровне многими сотнями тысяч фильтрующих единиц, называемых почечными тельцами , каждая из которых состоит из клубочка и капсулы Боумена . Общая оценка функции почек часто проводится путем оценки скорости фильтрации, называемой скоростью клубочковой фильтрации (СКФ).

Образование мочи

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 выведения с мочой = Скорость фильтрации – Скорость реабсорбции + Скорость секреции. ^{[ 1 ]}

Хотя самый строгий смысл слова «выведение» по отношению к мочевыделительной системе — это само мочеиспускание , почечный клиренс также условно называют выведением (например, в установленном термине дробное выведение натрия ).

Фильтрация

Кровь — функциональными единицами фильтруется нефронами почек. Каждый нефрон начинается в почечном тельце , которое состоит из клубочка, заключенного в капсулу Боумена . Клетки, белки и другие крупные молекулы отфильтровываются из клубочков в процессе ультрафильтрации , в результате чего ультрафильтрат, напоминающий плазму (за исключением того, что ультрафильтрат содержит незначительное количество белков плазмы ), попадает в пространство Боумена. Фильтрация осуществляется силами Старлинга .

Ультрафильтрат проходит, в свою очередь, через проксимальные извитые канальцы , петлю Генле , дистальные извитые канальцы и ряд собирательных трубочек с образованием мочи .

Реабсорбция

Канальцевая реабсорбция – это процесс, при котором растворенные вещества и вода удаляются из канальцевой жидкости и транспортируются в кровь. Это называется реабсорбцией (а не абсорбцией ) как потому, что эти вещества уже однажды всасывались (особенно в кишечнике ), так и потому, что организм забирает их из потока постклубочковой жидкости, который находится на пути к превращению в мочу (то есть они скоро будут потеряны с мочой, если не будут восстановлены).

Реабсорбция представляет собой двухэтапный процесс, начинающийся с активной или пассивной экстракции веществ из канальцевой жидкости в почечный интерстиций (соединительную ткань, окружающую нефроны), а затем транспорта этих веществ из интерстиция в кровоток. Эти транспортные процессы управляются силами Старлинга , диффузией и активным транспортом .

Непрямая реабсорбция

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

В просвете
- Н ⁺ сочетается с HCO ₃⁻ с образованием угольной кислоты (H ₂ CO ₃ )
- Люминальная карбоангидраза ферментативно превращает H ₂ CO ₃ в H ₂ O и CO _2.
- CO ₂ свободно диффундирует в клетку
В эпителиальной клетке
- Цитоплазматическая карбоангидраза превращает CO ₂ и H ₂ O (которых много в клетке) в H ₂ CO ₃
- H ₂ CO ₃ легко диссоциирует на H ⁺ и ОХС ₃⁻
- HCO_HCO3⁻ выводится из клетки базолатеральной мембраны

Влияние гормонов

Некоторые ключевые регуляторные гормоны реабсорбции включают:

альдостерон , который стимулирует активную реабсорбцию натрия (и, как следствие, воды)
антидиуретический гормон , стимулирующий пассивную реабсорбцию воды.

Оба гормона оказывают свое действие главным образом на собирательные трубочки .

Канальцевая секреция происходит одновременно с реабсорбцией фильтрата. Вещества, обычно вырабатываемые организмом или побочные продукты клеточного метаболизма, которые могут стать токсичными в высоких концентрациях, а также некоторые лекарства (если их принимать). Все они секретируются в просвет почечных канальцев. Канальцевая секреция может быть активной, пассивной или котранспортной. Вещества, секретируемые в основном в почечные канальцы: H+, K+, NH3, мочевина, креатинин, гистамин и такие препараты, как пенициллин. Канальцевая секреция происходит в проксимальных извитых канальцах (PCT) и дистальных извитых канальцах (DCT); например, в проксимальных извитых канальцах калий секретируется посредством натрий-калиевого насоса, ионы водорода секретируются посредством активного транспорта и котранспорта, т.е. антипортера, а аммиак диффундирует в почечные канальцы.

Другие функции

Секреция гормонов

Почки секретируют различные гормоны , включая эритропоэтин , кальцитриол и ренин . Эритропоэтин высвобождается в ответ на гипоксию (низкий уровень кислорода на тканевом уровне) в почечном кровообращении. Он стимулирует эритропоэз (производство эритроцитов) в костном мозге . Кальцитриол , активированная форма витамина D абсорбции кальция и почечной реабсорбции фосфатов , способствует кишечной . Ренин – это фермент , который регулирует уровни ангиотензина и альдостерона .

Поддержание гомеостаза

Почки отвечают за поддержание баланса следующих веществ:

Вещество	Описание	Проксимальный каналец	Петля Генле	Дистальный каналец	Сборный канал
Глюкоза	Если глюкоза не реабсорбируется почками, она появляется в моче в состоянии, известном как глюкозурия . Это связано с сахарным диабетом . ^{[ 2 ]}	реабсорбция (почти 100%) через транспортные белки натрия-глюкозы ^{[ 3 ]} ( апикальный ) и GLUT ( базолатеральный ).	–	–	–
Олигопептиды , белки и аминокислоты	Все они реабсорбируются почти полностью. ^{[ 4 ]}	реабсорбция	–	–	–
Мочевина	Регуляция осмоляльности . Зависит от АДГ ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}	реабсорбция (50%) посредством пассивного транспорта	секреция	–	реабсорбция в собирательных трубочках мозгового вещества
Натрий	Использует антипорт Na-H , симпорт Na-глюкозы, каналы ионов натрия (второстепенные) ^{[ 7 ]}	реабсорбция (65%, изоосмотическая )	реабсорбция (25%, толстая восходящая, симпортер Na-K-2Cl )	реабсорбция (5%, симпортер хлорида натрия )	реабсорбция (5%, основные клетки), стимулируемая альдостероном через ENaC
Хлористый	Обычно следует за натрием . Активный (трансклеточный) и пассивный ( парацеллюлярный ). ^{[ 7 ]}	реабсорбция	реабсорбция (тонкая восходящая, толстая восходящая, симпортер Na-K-2Cl )	реабсорбция ( симпортер хлорида натрия )	–
Вода	Использует аквапориновые водные каналы. См. также мочегонное средство .	всасывается осмотически вместе с растворенными веществами	реабсорбция (нисходящая)	–	реабсорбция (регулируется АДГ через рецептор аргинин-вазопрессина 2 )
Бикарбонат	Помогает поддерживать кислотно-щелочной баланс . ^{[ 8 ]}	реабсорбция (80–90%) ^{[ 9 ]}	реабсорбция (толстая восходящая) ^{[ 10 ]}	–	реабсорбция (вставочные клетки, через полосу 3 и пендрин )
Протоны	Использует вакуольную H+АТФазу.	–	–	–	секреция (интеркалированные клетки)
Калий	Зависит от диетических потребностей.	реабсорбция (65%)	реабсорбция (20%, толстый восходящий, симпортер Na-K-2Cl )	–	секреция (часто, через Na+/K+-АТФазу , усиливается альдостероном ) или реабсорбция (редко, водородно-калиевая АТФаза )
Кальций	Использует кальций-АТФазу , натрий-кальциевый обменник.	реабсорбция	реабсорбция (толстая восходящая) посредством пассивного транспорта	реабсорбция в ответ на ПТГ и ↑ реабсорбция при применении тиазидных диуретиков.	–
Магний	Кальций и магний конкурируют, и избыток одного может привести к выведению другого.	реабсорбция	реабсорбция (толстая восходящая)	реабсорбция	–
Фосфат	Выводится в виде титруемой кислоты .	реабсорбция (85%) через натрий/фосфатный котранспортер . ^{[ 3 ]} Ингибируется паратгормоном .	–	–	–
Карбоксилат		реабсорбция (100% ^{[ 11 ]}) через карбоксилатные транспортеры .	–	–	–

Организм очень чувствителен к своему pH . За пределами диапазона pH, совместимого с жизнью, белки денатурируются и перевариваются, ферменты теряют способность функционировать, и организм не может 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 титруемую кислоту .

Основным гомеостатическим контролем поддержания этого стабильного баланса является почечная экскреция. Почки призваны выделять или удерживать натрий под действием альдостерона , антидиуретического гормона (АДГ или вазопрессина), предсердного натрийуретического пептида (АНП) и других гормонов. Аномальные уровни фракционной экскреции натрия могут свидетельствовать об остром канальцевом некрозе или клубочковой дисфункции.

кислотно-щелочной

Две системы органов, почки и легкие, поддерживают кислотно-щелочной гомеостаз, то есть поддержание pH на относительно стабильном уровне. Легкие способствуют кислотно-щелочному гомеостазу, регулируя концентрацию углекислого газа (CO ₂ ). Почки выполняют две очень важные функции в поддержании кислотно-щелочного баланса: реабсорбируют и регенерируют бикарбонат из мочи и выделяют в мочу ионы водорода и связанные кислоты (анионы кислот).

Осмоляльность

Почки помогают поддерживать уровень воды и соли в организме. Любое значительное повышение осмоляльности плазмы обнаруживается гипоталамусом , который непосредственно сообщается с задней долей гипофиза . Увеличение осмоляльности заставляет железу выделять антидиуретический гормон (АДГ), что приводит к реабсорбции воды почками и увеличению концентрации мочи. Эти два фактора работают вместе, чтобы вернуть осмоляльность плазмы к нормальному уровню.

АДГ связывается с основными клетками собирательных трубочек, которые транспортируют аквапорины к мембране, позволяя воде покинуть обычно непроницаемую мембрану и реабсорбироваться в организм прямыми сосудами, тем самым увеличивая объем плазмы в организме.

Существует две системы, которые создают гиперосмотический мозговой слой и, таким образом, увеличивают объем плазмы тела: рециркуляция мочевины и «единый эффект».

Мочевина обычно выводится почками в виде продуктов жизнедеятельности. Однако когда объем плазмы крови низкий и высвобождается АДГ, открывающиеся аквапорины также проницаемы для мочевины. Это позволяет мочевине покидать собирательные протоки в мозговое вещество, создавая гиперосмотический раствор, который «притягивает» воду. Затем мочевина может снова попасть в нефрон и снова выводиться или перерабатываться в зависимости от того, присутствует ли еще АДГ или нет.

«Единичный эффект» описывает тот факт, что восходящий толстый участок петли Генле не проницаем для воды, но проницаем для хлорида натрия . Это обеспечивает противоточную систему обмена , при которой мозговое вещество становится все более концентрированным, но в то же время создает осмотический градиент для воды, которая будет следовать за ней, если аквапорины собирательных трубочек будут открыты АДГ.

Артериальное давление

Хотя почки не могут напрямую воспринимать кровь, долгосрочная регуляция артериального давления преимущественно зависит от почек. В первую очередь это происходит за счет поддержания внеклеточной жидкости , размер которой зависит от концентрации натрия в плазме . Ренин является первым в ряду важных химических медиаторов, составляющих ренин-ангиотензиновую систему . Изменения ренина в конечном итоге изменяют продукцию этой системы, главным образом гормонов ангиотензина II и альдостерона . почками Каждый гормон действует посредством нескольких механизмов, но оба увеличивают абсорбцию хлорида натрия , тем самым расширяя объем внеклеточной жидкости и повышая кровяное давление. При повышении уровня ренина увеличиваются концентрации ангиотензина II и альдостерона, что приводит к усилению реабсорбции хлорида натрия, расширению объема внеклеточной жидкости и повышению артериального давления. И наоборот, когда уровень ренина низкий, уровни ангиотензина II и альдостерона снижаются, что приводит к сужению внеклеточной жидкости и снижению артериального давления.

Образование глюкозы

Почки человека способны вырабатывать глюкозу из лактата , глицерина и глютамина . Почки ответственны за около половины общего глюконеогенеза у голодающих людей. Регуляция выработки глюкозы в почках достигается действием инсулина , катехоламинов и других гормонов. ^{[ 14 ]} Почечный глюконеогенез происходит в коре почки . Мозговое вещество почек неспособно вырабатывать глюкозу из-за отсутствия необходимых ферментов . ^{[ 15 ]}

Измерение функции почек

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, контролирующим эти показатели, любое нарушение этих показателей может указывать на почечную недостаточность.

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

Измерение	Расчет	Подробности
почечный плазмоток	${\text{RPF}}={\frac {\text{effective RPF}}{\text{extraction ratio}}}$ ^{[ 16 ]}	Объем плазмы крови , доставленный в почку в единицу времени. Клиренс ЛАГ — это метод почечного анализа, используемый для оценки. Примерно 625 мл/мин.
почечный кровоток	${\text{RBF}}={\frac {\text{RPF}}{1-{\text{HCT}}}}$ (HCT – гематокрит )	Объем крови , доставленный в почку в единицу времени. У человека почки вместе получают примерно 20% сердечного выброса, что составляет 1 л/мин у взрослого мужчины массой 70 кг.
скорость клубочковой фильтрации	${\text{GFR}}={\frac {U_{[{\text{creatinine}}]}\times {\dot {V}}}{P_{[{\text{creatinine}}]}}}$ (оценка с использованием клиренса креатинина )	Объем жидкости, фильтрующейся из почечных клубочковых капилляров в капсулу Боумена за единицу времени. Расчетное значение с использованием инулина . Обычно на клиренс креатинина проводится тест , но можно использовать и другие маркеры, такие как растительный полисахарид инулин или меченая радиоактивным изотопом ЭДТА.
фракция фильтрации	${\text{FF}}={\frac {\text{GFR}}{\text{RPF}}}$ ^{[ 17 ]}	Измеряет часть фильтруемой почечной плазмы.
анионная щель	АГ = [На ⁺] − ([Cl ⁻] + [HCO ₃⁻])	Катионы минус анионы . Исключает К ⁺ (обычно), Ca ²⁺, H ₂ PO ₄⁻. Помогает в дифференциальной диагностике метаболического ацидоза.
Клиренс (кроме воды)	$C={\frac {U\times {\dot {V}}}{P}}$ где $U$ = концентрация, $V$ = объём мочи/время, $U\times V$ = выведение с мочой и $P$ = концентрация в плазме. ^{[ 18 ]}	Скорость удаления
бесплатная очистка воды	$C={\dot {V}}-C_{osm}$ или ${\dot {V}}-{\frac {U_{osm}}{P_{osm}}}{\dot {V}}=C_{{\ce {H2O}}}$ ^{[ 19 ]}	Объем плазмы крови , очищаемый от содержащей растворенных веществ, не воды, в единицу времени.
Чистая экскреция кислоты	${\ce {NEA}}={\dot {V}}(U_{{\ce {NH4}}}+U_{{\ce {TA}}}-U_{{\ce {HCO3}}})$	Чистое количество кислоты, выделяемой с мочой в единицу времени