Выведение ионов водорода, сопряженное с реабсорбцией или образованием бикарбонатов
В основе этого процесса лежит активируемая карбоангидразой (КА) реакция в эпителии почечных канальцев.
Чем ниже рН, тем активность карбоангидразы выше, и наоборот.
Существуют два механизма регуляции бикарбоната внеклеточной жидкости, реализующиеся в проксимальных отделах почечных канальцев:
А) Механизм реабсорбции бикарбоната.
Рис. 7. Секреция ионов водорода и реабсорбция бикарбоната в клубочках почки.
В процессе фильтрации бикарбонатные ионы поступают в просвет почечных канальцев. Почки должны предотвратить потерю бикарбонатов, но мембрана клеток эпителия почечных канальцев непроницаема для НСО3ˉ ионов. В просвете канальцев из бикарбонатного иона и ионов водорода под действием КА образуется Н2СО3, которая распадается до Н2О и СО2 (рис. 7).
Молекула СО2, обладая высокой диффузионной способностью, легко проникает в клетку эпителия почечного канальца. Повышение рСО2 в ультрафильтрате стимулирует диффузию газа в клетки эпителия почечных канальцев, снижение рСО2 – угнетает. Поступивший в клетку СО2 соединяется с водой в реакции, катализируемой карбоангидразой с образованием НСО3ˉ-ионов и ионов Н+. НСО3ˉ-анионы затем реабсорбируются в кровь вместе с катионами Na+, диффундируя в интерстиций, а далее в плазму. Вновь образованные ионы водорода секретируется в тубулярную жидкость, чтобы начать другой цикл.
Обычно только некоторое количество секретируемых ионов Н+ остается в тубулярной жидкости, поскольку секреция ионов водорода приблизительно эквивалентна числу НСО3ˉ ионов, которые фильтруются в клубочках.
В норме весь профильтровавшийся бикарбонат реабсорбируется, если его уровень в плазме не превышает 26 ммоль/л.
Б) Механизм образования бикарбоната.
Рис. 8. Образование бикарбоната в клетках эпителия почечных канальцев. (B – основание, не являющееся бикарбонатом).
В клетках эпителия почечных канальцев в результате аэробных метаболических процессов непрерывно образуется углекислый газ, который частично диффундирует в кровь, а частично вступает в реакцию с водой с участием КА, что завершается образованием угольной кислоты, диссоциирующей до иона Н+, поступающего в ультрафильтрат, и бикарбоната, диффундирующего из клеток во внеклеточную жидкость и кровь (рис. 8).
Ацидогенез
рН мочи поддерживается в пределах от 4,5 до 7,0. Эти значения определяются количеством незабуферированных ионов Н+, которые могут быть выведены почками. Когда число свободных ионов Н+, секретированных в канальцевую жидкость, угрожает крайне резкому сдвигу рН в кислую сторону, эти избыточные ионы водорода должны быть преобразованы в другую форму. Это достигается связываем ионов Н+ с внутриканальцевыми буферами перед тем, как они выводятся с мочой. В канальцах существуют две значимые буферные системы: фосфатная и аммонийная.
Рис. 9. Фосфатная буферная система почек (ацидогенез)
В почках происходит обмен ионов водорода на ионы натрия с участием двуосновного фосфата. Выделяющиеся в просвет канальца водородные ионы связываются анионом НРО42ˉ с образованием одноосновного натрия фосфата (NаН2РО4). Одновременно эквивалентное количество ионов натрия поступает в эпителиальную клетку канальца и связывается с ионом НСО3ˉ с образованием NаНСО3. Последний реабсорбируется и поступает в общий кровоток (рис. 9).
Фосфатный буфер является основным буфером мочи. В гломерулярном фильтрате 80% фосфатов присутствует в виде двухвалентного аниона (НРО4ˉ), который при взаимодействии с секретируемым ионом Н+ превращается в одновалентный фосфат Н2РО4ˉ:
Аммониогенез
При истощении фосфатного буфера (обычно при рН мочи ниже 4,5) выделение протонов и реабсорбци ионав натрия и бикарбоната осуществляется за счет аммониогенеза. Экскреция ионов Н+ и образование НСО3ˉ аммонийной буферной системой осуществляется в три этапа: образование аммонийного иона (NH4+) при дезаминировании аминокислот, в основном глутамина, в проксимальных канальцах, в толстой восходящей петле Генле и в дистальных канальцах;
Реакцию катализируют глутаминаза и глутаматдегидрогеназа (рис. 10).
Фермент глутаминаза, катализирующая эту реакцию, активируется при хроническом ацидозе, что сопровождается увеличением экскреции ионов водорода в виде ионов аммония
Метаболизм глутамата в проксимальных канальцах приводит к образованию двух ионов NH4+ и двух ионов НСО3ˉ. Два NH4+ иона секретируются в тубулярную жидкость в обмен на ион Na+ (рис. 10). Два НСО3ˉ иона перемещаются из канальцев наряду с реабсорбируемым ионом Na+, входя в перитубулярные капилляры. Таким образом, из каждой молекулы метаболизируемого глутамата в проксимальных канальцах два иона NH4+ секретируются в канальцевый фильтрат, а два иона НСО3ˉ реабсорбируются в кровь. Появляющиеся в результате этого процесса НСО3ˉ – вновь образованные ионы бикарбоната. Вторичный буферный механизм включает повторное использование NH4+ клетками канальцевого эпителия в мозговом слое почек. Здесь NH4+ превращается в NH3 и секретируется в просвет канальцев. В собирательных канальцах ионы Н+, которые секретировались в просвет канальца, соединяются с NH3, образуя ионы NH4+. Однако, эта часть канальцев относительно непроницаема для ионов NH4+; вследствие чего однократно прореагировавший с NH3 ион Н+ будет выведен с мочой в составе иона NH4+, который называют «ловушкой» для иона водорода. NH3 может свободно диффундировать через клеточные мембраны, тогда как ион аммония такой способностью не обладает. В просвете почечного канальца формируется аммонийная буферная система:
Рис. 10. Схема аммониогенеза.
В процессе преобразования в NH3 ион Н+ из повторно используемого NH4+ способствует реабсорбции НСО3ˉ путем связывания с НСО3ˉ, доставленного из проксимальных канальцев. Таким образом, дополнительные новые ионы НСО3ˉ образуются и добавляются в кровь для каждого иона NH4+, который используется повторно.
При нормальных условиях количество ионов Н+, элиминируемое аммонийной буферной системой, составляет около 50% экскретируемой кислоты и вновь образованных НСО3ˉ.
Таким образом, в канальцевой жидкости большая часть ионов водорода, поступающая из эпителия канальцев, связывается с ионами НСО3ˉ, НРО4ˉ и NH3 и выводится с мочой. Одновременно происходит поступление эквивалентного количества ионов натрия в клетки канальцев с образованием бикарбоната натрия, который реабсорбируется в канальцах и восполняет щелочной компонент бикарбонатного буфера.
Определение выведенного с мочой аммония и одноосновных фосфатов (титруемая кислотность – ТК) наряду с определением рН составляет основу для оценки функции дистальной части нефрона.