Біохімічні особливості функціонування нирки
Нирки ссавців структурно складаються з двох шарів: зовнішнього, кіркового і розташованого під ним внутрішнього, мозкового, який у свою чергу, побудований із двох частин – зовнішньої та внутрішньої. Основною структурною і функціональною одиницею нирки в якій відбуваються молекулярно-клітинні процеси, що призводять до утворення сечі є нефрон (рис. 15.1). Розміри нирок у представників різних біологічних видів визначені кількістю нефронів. Кількість нефронів в кожній нирці людини становить від 1,3 млн. і більше. Довжина кожного нефрону, якщо його розгорнути, складає 50-75 мм, а загальна довжина всіх нефронів досягає 120 км. Кожна структурна одиниця нирки утворена окремим нирковим канальцем і відповідним йому клубочком. Починається нефрон двостінною капсулою ниркового клубочка (Шумлянського-Боумена). В середині капсули розміщені два клубочки капілярів, які називаються мальпігієвими. Кожний клубочок складається із великої кількості капілярних петель, утворених артеріолою. В порожнині капсули вона одразу ж розпадається на капілярні петлі, згодом усі вони зливаються у венозну артеріолу, яка знову утворює капілярну сітку навколо канальців.
Важливо відмітити, що кровоносна судина, по якій кров надходить до капсули, ширша, ніж та, по якій кров витікає з капсули. Цим створюється підвищений гідростатичний тиск, необхідний для фільтрації крові. У дорослої людини в стані спокою нирки одержують близько 1,2-1,3 л крові за 1 хв. При масі нирок 0,43 % від маси тіла, через них проходить до 25 % усієї крові, яка циркулює в системі кровообігу.
Складовими компонентами нефрону є також: проксимальні та дистальні звивисті канальці; збірні трубочки; низхідне та висхідне коліна петлі нефрону (петля Генле); дистальний сегмент, який складається з товстого висхідного коліна петлі; дистальний звивистий та зв’язувальний канальці. Звязувальний каналець з’єднується із збірною трубочкою. Ниркові канальці разом із трубочками пронизують кіркову і мозкову речовини нирок.
Від порожнини капсули нефрону відходить сечовий каналець, який спочатку має звивисту форму − звивистий каналець 1-го порядку. Доходячи до межі між кірковим і мозковим шаром нирки, каналець звужується і випрямляється. В мозковому шарі він утворює петлю Генле і повертається в кірковий шар нирки.
Таким чином, петля Генле складається з проксимальної і дистальної частин. В кірковому шарі нирки, або на межі кіркового і мозкового шарів, прямий каналець знову набуває звивистої форми, утворюючи звивистий каналець 2-го порядку. Останній впадає у вивідну протоку – збиральну трубочку (рис. 15.1).
Рис. 15.1. Будова нефрона
А – юкстамедулярний нефрон; Б – суперфіціальний нефрон.
І – кірковий шар, ІІ – зовнішня частина мозкового шару, ІІІ – внутрішня частина мозкового шару; 1 – клубочок; 2 – проксимальний звивистий каналець; 3 – проксимальний прямий каналець; 4 – тонкий каналець (тонка низхідна гілка петлі Генле); 5 – тонкий каналець (тонка висхідна гілка петлі Генле); 6 – дистальний каналець (товста висхідна гілка петлі Генле); 7 – щільна пляма; 8 – дистальний звивистий каналець; 9 – зв’язуючий каналець; 10 – початкові відділи збиральної трубочки; 11 – збірні трубочки зовнішньої мозкової речовини; 12 – збиральні трубочки внутрішнього шару мозкової речовини.
В нирках ссавців і людини наявні кілька типів нефронів, які відрізняються місцем розташування клубочків: повехневі, інтракортикальні (розташовані всередині кіркового шару) і юкстамедулярні (клубочки знаходяться на межі кіркового і мозкового шарів). Різні типи нефронів відрізняються довжиною і структурою петлі Генле та участю в процесі осмотичного концентрування сечі.
Тканина нирки містить близько 84% води, що вказує на високий рівень метаболічних процесів. Сухий залишок складає 16-17% і містить органічні (до 16%) та неорганічні (1%) речовини. Основа органічних речовин – білки (12,3%), які складаються з 5-6 білкових фракцій:
− 40% − за електрофоретичною активністю подібні до α-глобулінів сироватки крові;
− 20% − до β-глобулінів;
− 10-20% − до γ-глобулінів;
− 3-8% − до альбумінів;
−11-16% − становлять малорухливу фракцію.
В нирках містяться амінокислоти тирозин, триптофан, фенілаланін, серин, треонін, оксипролін, аргінін, гістидин, лізин, цистин, метіонін; ферменти всіх шести класів; нуклеїнові кислоти; ліпіди (2-5% сухої маси: фосфоліпіди, сульфоліпіди, нейтральні жири, сфінгомієліни); вуглеводи (1,1-1,2%: глікоген, глюкоза, глікозамінглікани); мінеральні речовини (1,1-1,2%: Калій, Натрій, Хлор, Фосфор, Кальцій, Магній, Бром, Силіцій, Йод).
На кровообіг у нирках витрачається близько 1/3 роботи серця. При цьому нирками поглинається 8-10% всього кисню, що надходить в організм; 90% енергетичних речовин витрачається на власне видільну функцію, решта 10% − для інших потреб нирок.
Нирки в організмі людини є не лише органом виділення, а й виконують ряд важливих функцій. Вони приймають участь в регуляції об’єму рідин внутрішнього середовища, концентрації в них окремих йонів, сумарної концентрації осмотично активних речовин, рН крові. Нирки забезпечуть екскрецію кінцевих продуктів азотного обміну, чужорідних речовин, надлишку органічних і неорганічних речовин. Важливе значення для організму має утворення в нирці фізіологічно активних речовин (реніну, активної форми вітаміну D3, еритропоетину), а також її метаболічні функції, пов’язані з регуляцією обміну вуглеводів, білків і ліпідів в організмі (рис. 15.2).
Рис. 15.2. Функції нирок у ссавців
1 – печінка, 2 – артерія, 3 – наднирник, 4 – кістковий мозок, 5 – сечовід, 6 – кишка
Механізм утворення сечі
Згідно з загальноприйнятою фільтраційно-реабсорбіційною теорією, сечоутворення в нирках є наслідком ультрафільтрації і реабсорбції. Цей складний процес є результатом дії біохімічних та біофізичних механізмів, що забезпечують реалізацію трьох фізіологічних процесів: клубочкової (гломерулярної) фільтрації, канальцевої реабсорбції та канальцевої секреції.
Клубочкова фільтрація води і низькомолекулярних компонентів плазми – це пасивний процес, що зумовлений різницею між гідростатичним тиском крові в капілярах клубочків (Рk), онкотичним тиском білків плазми крові (Ро) та гідростатичним тиском ультрафільтрату плазми крові в капсулі клубочка (Рrk). У нормі ефективний фільтраційний тиск, що спричиняє клубочкову фільтрацію, визначається за формулою:
ЕФТ = Рk - (Ро + Рrk), де:
Рk = 70 мм рт. ст.,
Ро = 30 мм рт. ст.,
Рrk = 20 мм рт. ст.
Для проходження фільтрації необхідно, щоб сума онкотичного тиску білків плазми крові й тиску рідини в капсулі клубочка була меншою від гідростатичного тиску крові в капілярах клубочка. Отже, ЕФТ = 70 мм рт. ст. – (30 мм рт. ст. + 20 мм рт. ст.) = 20 мм рт. ст.
Величина гідростатичного тиску в капсулі нирок визначається співвідношенням просвіту приносної і виносної артеріол клубочків. У нормі діаметр приносної артеріоли на 30% більший, ніж виносної. Звуження виносної артеріоли буде збільшувати фільтрацію і навпаки, звуження приносної артеріоли знижує фільтрацію.
В умовах спокою у дорослої людини близько ¼ крові, що викидається в аорту лівим шлуночком серця, надходить у ниркові артерії. Тобто, через нирки дорослого чоловіка проходить 1,3 л крові за хвилину, в жінок дещо менше. Загальна фільтраційна поверхня клубочків складає приблизно 1,5 м2.
В клубочках з кровоносних капілярів в просвіт капсули ниркового клубочка відбувається ультрафільтрація плазми крові, в результаті чого утворюється первинна сеча, в якій практично немає білка. За добу в просвіт канальців надходить 180-200 л ультрафільтрату плазми крові. У фільтраті компоненти містяться приблизно в таких концентраціях, як і у плазмі. Білки потрапляють в ультрафільтрат у дуже незначній кількості. Це обумовлено сітчастою структурою основної перетинки капсули, яка складається з тонких колагенових волокон, розташованих на відстані 3,5–7 нм одна від одної (молекулярне сито). Оскільки діаметр молекул білків більший, ніж розміри щілин молекулярного «сита», вони не проходять в первинну сечу. Усі інші речовини плазми крові, з меншим діаметром молекул (молекулярною масою 5500 і менше) вільно проходять в первинну сечу.
Внаслідок зворотного всмоктування одних речовин, концентрації інших, а також додаткової секреції, первинна сеча перетворюється на вторинну, яка істотно відрізняється за своїм складом від плазми крові. Завдяки переміщенню крові через нирки відбувається очищення її від різних шкідливих речовин. Для оцінки стану очищення організму від різних речовин використовують показник клубочкової фільтрації − кліренс, або коефіцієнт очищення. Кліренс виражають кількістю мл плазми крові, яка очищається від продуктів обміну за 1 хв при проходженні через нирки.
За 1 добу в нирках людини утворюється близько 180 л первинної сечі, що відповідає утворенню за 1 хв приблизно 125 мл ультрафільтрату. В нормі у чоловіків в обох нирках клубочкова фільтрація складає 125 мл/хв, у жінок – 110 мл/хв. Якщо будь-яка речовина в проксимальних канальцях повністю зворотно всмоктується, то кліренс крові від даної речовини дорівнює нулю. І навпаки, якщо речовина, яка перейшла в льтрафільтат, зворотно не всмоктується, то її кліренс, виражений в мл плазми, дорівнює величині ультрафільтрату – 125 мл за 1 хв. Речовинами, за якими найчастіше визначають клубочкову фільтрацію, є інулін, манітол, креатинін.
Кліренс визначають за формулою:
С = (Кс/Кпл) · V, де
С – кліренс;
Кс – концентрація речовини в сечі, ммоль/л;
Кпл – концентрація речовини в плазмі, ммоль/л;
V – кількість сечі, мл/хв.
Наступний етап сечоутворення – реабсорбція окремих складових частин первинної сечі в проксимальних відділах ниркових канальців. Це фаза зворотного всмоктування. Вода та більшість хімічних сполук, що були профільтровані в клубочках, на протязі проходження первинної сечі через звивисті ниркові канальці підлягають зворотному всмоктуванню з просвіту канальця у кров (реабсорбція). Основна маса молекул реабсорбується в проксимальному звивистому канальці, менше – в петлі Генле, дистальному звивистому канальці і збірних трубочках. Реабсорбція речовин здійснюється за участі різних механізмів, основним з яких є активний транспорт (первинно-активний, вторинно-активний, ендоцитоз). Залежно від ступеня реабсорбції в проксимальних канальцях, всі речовини поділяються на три групи: речовини, що активно реабсорбуються (Na+, Cl-, Mg2+, Ca2+, H2O, глюкоза та інші моносахариди, амінокислоти, неорганічні фосфати, білки); речовини, що мало реабсорбуються (сечовина, сечова кислота); речовини, що не реабсорбуються (креатинін, манітол, інулін та ін.).
Глюкоза і білки реабсорбуються майже стовідсотково, амінокислоти – на 93%, Н2О – на 99%, Na+ − на 99%, К+ − на 90%, Ca2+ − на 99%, Mg2+ − на 94%, Cl- – на 99%, гідрокарбонати – на 99%, фосфати – на 90%, сульфати – на 69%, сечовина – на 53%.
Реабсорбція глюкози. Здійснюється за рахунок вторинно-активного транспорту: на апікальній поверхні мембрани є переносник, який володіє високою спорідненістю до глюкози та йонів Na+. За допомогою цього переносника глюкоза, разом з йонами Na+, використовуючи енергію Na+-градієнта на мембрані проникає всередину клітини. Там комплекс розпадається на складові компоненти. Завдяки цьому всередині ниркового епітелію створюється висока концентрація глюкози, тому в подальшому за градієнтом концентрації глюкоза залишає нирковий епітелій, переходить в інтерстицій, а далі – в кровотік. За 1 хв нирки чоловіка можуть реабсорбувати біля 375 мг глюкози, жінки – близько 300 мг.
Реабсорбція амінокислот. 90% амінокислот реабсорбуються в канальцях нирки. Цей процес здійснюється за допомогою вторинно-активного транспорту, який має чотири різних транспортних системи для перенесення амінокислот: для перенесення нейтральних амінокислот (валін, фенілаланін, аланін); для перенесення основниз амінокислот (аргінін, цистин, лізин, орнітин); для реабсорбції амінокислот (пролін, гідроксипролін); для перенесення дикарбонових кислот (глутамінова та аспарагінова кислоти).
Реабсорбція білків. В нормі невелика кількість білка (до 30 мг/хв) попадає у фільтрат і реабсорбується. За добу фільтрується і реабсорбується 1,8-18 г білка, а з кінцевою сечею виділяється 20-75 мг білка за добу.
Білки реабсорбуються шляхом ендоцитозу – епітелій ниркових канальців активно захоплює білок, утворюючи навколо нього піноцитозний міхурець. Після транспорту у клітину, білок піддається гідролізу і перетворюється в амінокислоти, які виходять в інтерстицій, а далі – в кров. Процес піноцитозу (ендоцитозу) активний, потребує затрат енергії. За 1 хв за допомогою піноцитозу реабсорбується до 30 мг білка.
Реабсорбція сечовини. Сечовина добре фільтрується. Під час проходження сечі по проксимальному канальцю, вона концентрується за рахунок всмоктування речовин, концентрація сечовини при цьому зростає і за градієнтом концентрації сечовина через епітелій частково переходить у кров. Лише 53% сечовини реабсорбується, решта проходить в складі первинної сечі до збірних трубочок. Внаслідок концентрування сечі у збірних трубочках зростає концентрація сечовини і вона надходить в інтерстицій, де створює 50% осмотичного тиску. Цей перехід залежить від АДГ. З інтерстицію в силу градієнту концентрації сечовина знову надходить у висхідну частину петлі Генле і, таким чином, здійснюється внутрішньонирковий кругообіг сечовини. Надлишок сечовини виводиться з організму із сечею.
Реабсорбція Na+. Основна частина йонів Na+ (до 65%) реабсорбується в проксимальних канальцях, 25% − в петлі Генле, 9% − в дистальних канальцях нефрона і близько 1% − в збірних трубочках. Натрій – цінний йон, його реабсорбція важлива не лише для збереження йонів Na+, але й для транспорту глюкози та амінокислот. Існує три механізми активного транспорту натрію: натрій-калієва помпа (працює за принципом обміну йонів Na+ на йони К+), натрієва помпа (ізольовано здійснює викид йонів Na+ з епітеліальної клітини в інтерстицій, звідки натрій надходить у кров), натрій-воднева помпа (виносить з клітини надлишкові йони Н+, в результаті чого в клітину надходять йони Na+). Із ниркових канальців йони Na+ надходять до клітин епітелію, а звідти – в міжклітинне середовище. За ними із первинної сечі, відповідно до принципу електронейтральності, пасивно рухаються йони Cl- та НСО3-.
Реабсорбція К+. Калій добре фільтрується. 90% калію реабсорбується в проксимальному канальці нефрона, 10% − проходить в дистальні частини. Якщо рівень калію в крові низький, то в дистальних ділянках нефрону ці 10% повністю реабсорбуються, якщо ж рівень калію вище норми (більше 4,5 ммоль/л), то ці 10% виводяться із сечею.
Реабсорбція калію здійснюється за участю калієвої помпи, яка розташована на апікальній частині епітелію ниркового канальця. Секреція калію здійснюється за рахунок роботи калій-натрієвої помпи, розташованої на базальній частині епітеліальної клітини.
Реабсорбція Са2+. В проксимальному канальці реабсорбується 63% кальцію, в петлі Генле – 23%, в дистальному звивистому канальні – 11%, в збірних трубочках – 2,8%, екскретується з сечею – 0,2%. Реабсорбція кальцію посилюється паратгормоном і гальмується тирокальцитоніном.
Реабсорбція води. Вода реабсорбується пасивно за рахунок транспорту осмотично активних речовин: глюкози, амінокислот, білків, йонів (Na+, К+, Ca2+, Cl-). Велику роль відіграє осмос: в інтерстиції створюються ділянки високої осмотичної активності, і вода з просвіту канальців надходить в інтерстицій. Основна частина води реабсорбується в проксимальних канальцях, в низхідній частині петлі Генле, багато води реабсорбується у збірних трубочках, де цей процес залежить від двох факторів: осмотичного тиску в інтерстиції та від рівня в крові АДГ і кількості рецепторів до АДГ в епітелії збірних трубочок.
Заключний етап утворення сечі – секреція клітинами ниркових канальців у вторинну сечу продуктів обміну речовин: парааміногіпурової кислоти, сечовини, креатину тощо. Секреція здійснюється за рахунок спеціальних механізмів, що дозволяють ниркам вибірково звільняти кров від наявних у ній непотрібних для організму речовин. Механізм секреції полягає в тому, що речовина, яка секретується, залишає кров і надходить в інтерстицій. Тут, за рахунок активного транспорту, створюється низька концентрація цієї речовини і за допомогою цього ж механізму речовина вводиться в епітелій канальця, звідки, по градієнту концентрації, надходить у первинну сечу, тобто, в просвіт канальця.
У процесі секреції в сечу надходять чужорідні речовини, які потрапили в організм разом з їжею, водою, повітрям, окремі лікарські засоби та отруйні продукти.
Секреція – активний процес, що потребує затрат енергії.