Канальцевая реабсорбция - это процесс всасывания клетками канальцев и транспорт в клетками жидкость и капилляры почек необходимых для организма веществ с первичной мочи.
В проксимальном канальцев реабсорбируется 80% веществ: вся глюкоза, все витамины, гормоны, микроэлементы; около 85% NaCl и Н2О, а также около 50% мочевины, которые поступают в капилляры канальцев и возвращаются в общую систему кровообращения.
Для процесса реабсорбции существенное значение имеет понятие о порог вывода. Порог вывода - это концентрация вещества в крови, при которой она не может быть реабсорбована полностью. Практически все биологически важные для организма вещества имеют порог вывода. Например выделение с мочой глюкозы (глюкозурия) наступает тогда, когда ее концентрация в крови превышает 10 ммоль / л. При глюкозурии растет осмотическое давление мочи, что приводит к увеличению количества мочи (полиурии). Существуют также непорогови вещества, которые выделяются при любой концентрации их в плазме и ультрафильтрате.
Механизм реабсорбции включая пути: сначала вещества попадают из фильтрата в клетки канальца, далее переносятся транспортными системами мембраны в межклеточное пространство; из межклеточных пространств диффундируют в высокопроницаемых биляканальцеви капилляры.
Транспортировка может быть активным и пассивным. Активная реабсорбция происходит при участии специальных ферментативных систем с затратой энергии против электрохимического градиента. Активно реабсорбируются фофаты, Na +. За счет активной реабсорбции возможно повторное всасывание из мочи в кровь веществ, даже в том случае, когда их концентрация в крови равна концентрации в жидкости канальцев или выше.
Сопряженное транспортировки глюкозы и аминокислот. Из полости канальцев в клетки вещества транспортируются с помощью переносчика, который обязательно дополнительно присоединяет Na +. Внутри клетки комплекс распадается. Концентрация глюкозы возрастает, и по концентрационным градиентом она покидает клетку.
Пассивная реабсорбция происходит без затрат энергии благодаря диффузии и осмоса. Большая роль в этом процессе принадлежит разницы гидростатического давления в капиллярах канальцев. За счет пассивной реабсорбции осуществляется повторное всасывание Н2О, хлоридов, мочевины.
Еще один механизм реабсорбции - пиноцитоз. Таким образом происходит всасывание белков.
В результате активного транспорта Na + и сопровождающих его анионов, осмотическое давление фильтрата снижается и в капилляры путем осмоса переходит эквивалентное количество воды. В результате в канальцы образуется фильтрат, изотонический крови капилляра. Этот фильтрат попадает в петлю Генле. Здесь проходит дальнейшая реабсорбция и концентрирование мочи за счет поворотно-противопоточному системы. Концентрирования мочи происходит следующим образом. В восходящей части петли нефрона, которая проходит в мозговом веществе, активно реабсорбируются Na, К, Са, Mg, Cl, мочевина, попадая в межклеточную жидкость, они повышают там осмотическое давление. Нисходящая часть петли Генле проходит в области высокого осмотического давления, поэтому с этой части петли выходит вода в межклеточное пространство по законам осмоса. Выход Н2О из нисходящей части петли приводит к тому, что моча становится более концентрированной относительно плазмы крови. Это способствует реабсорбции Na + в восходящей части петли, в свою очередь, вызывает выход Н2О в нисходящей части. Эти два процесса сопряжены, в результате моча теряет в петле Генле большое количество Н2О и Na +, и на выходе из петли моча снова становится изотонический.
Таким образом, роль петли Генле как протипоточного концентрирующего механизма определяют следующие факторы:
1) близко роташування восходящего и нисходящего колен;
2) проницаемость нисходящего колена для Н2О;
3) непроницаемость нисходящего колена для растворенных веществ;
4) проницаемость восходящего сегмента для Na +, K +, Са2 +, Mg2 +, СГ;
5) наличие механизмов активного транспорта в восходящем колене.
В дистальной части канальца происходит дальнейшая реабсорбция Na +, K +, Са2 +, Mg2 +, Н2О, которая зависит от концентрации этих веществ в крови - факультативная реабсорбция. Если их много, то они не реабсорбируются, если мало, то они возвращаются в кровь. Дистальный отдел регулирует и поддерживает постоянство концентрации ионов Na + и К + в организме. Проницаемость стенок дистальной части канальца для Н2О регулируется АДГ (АДГ) гипофиза (секреция которого зависит от осмотического давления крови). При повышении осмотического давления (то есть уменьшении количества Н2О), возбуждаются осморецепторы гипоталамуса, секркции АДГ увеличивается, увеличивается проницаемость стенок канальца для Н20 и она реабсорбируется в кровь, то есть задерживается в организме, и осмотическое давление уменьшается.
Аналогично регулируется реабсорбция воды в уборочной трубочке, которая также участвует в образовании гипертонической или гипотонической мочи, в зависимости от потребности организма в воде.
Величину канальцевой реабсорбации веществ определяют по разнице между количеством их в первичной и конечной мочи. Величину канальцевой реабсорбции воды (RH2O) определяют по разнице между скоростью клубочковой фильтрации (СИП) и количеством конечной мочи и выражают в процентах по отношению к СКФ. RH 2 O = Сип - V / Сип × 100%
В обычных условиях величина реабсорбции составляет 98-99%. Для оценки функции проксимальных канальцев определяют величину максимальной реабсорбции глюкозы (Tmg), увеличивая ее концентрацию в плазме крови до предела, что значительно превышает пороговую. Tmg = Сип × Pg - Ug × V , где Сип - СКФ; Рg - концентрация глюкозы в крови Ug - концентрация глюкозы в моче; V - количество выделенной за 1 мин мочи. Средняя величина Tmg у мужчин составляет 34,7 ммоль / л. В возрасте после 40 лет Tmg уменьшается на 7% за каждые 10 лет жизни.
До 80% профильтровавшегося натрия реабсорбируется в проксимальных сегментах канальцев, тогда как в дистальных сегментах и собирательных трубках его всасывается около 8 — 10%.
В проксимальном сегменте натрий всасывается с эквивалентным количеством воды, поэтому содержимое канальца остается изоосмотичным. В проксимальных отделах высока проницаемость и для натрия, и для воды. Через апикальную мембрану натрий входит в цитоплазму пассивно по градиенту электрохимического потенциала. Далее натрий движется по цитоплазме к базальной части клетки, где находятся натриевые насосы (Na-K-АТФаза, зависимая от Mg).
Пассивная реабсорбция ионов хлора происходит в зонах клеточных контактов, которые проницаемы не только для хлора, но и для воды. Проницаемость межклеточных промежутков не является строго постоянной величиной, она может меняться при физиологических и патологических состояниях.
В нисходящей части петли Генле натрий и хлор практически не всасываются.
В восходящей части петли Генле функционирует иной механизм всасывания натрия и хлора. На апикальной поверхности расположена система переноса в клетку ионов натрия, калия и двух ионов хлора. На базальной поверхности также имеются Na-K-насосы.
В дистальном сегменте ведущим механизмом реабсорбции солей является Na-насос, который обеспечивает реабсорбцию натрия против высокого концентрационного градиента. Здесь всасывается около 10% натрия. Реабсорбция хлора происходит независимо от натрия и пассивно.
В собирательных трубках транспорт натрия регулируется альдостероном. Натрий входит по натриевому каналу, движется к базальной мембране и переносится во внеклеточную жидкость Na-K-АТФазой.
Альдостерон действует на дистальные извитые канальцы и начальные отделы собирательных трубок.
Транспорт калия
В проксимальных сегментах всасывается 90-95% профильтровавшегося калия. Часть калия всасывается в петле Генле. Выделение калия с мочой зависит от его секреции клетками дистального канальца и собирательных трубок. При избыточном поступлении калия в организм его реабсорбция в проксимальных канальцах не снижается, но резко увеличивается секреция в дистальных канальцах.
При всех патологических процессах, сопровождающихся снижением фильтрационной функции, отмечается значительное увеличение секреции калия в канальцах почек.
В одной и той же клетке дистального канальца и собирательных трубок существуют системы реабсорбции и секреции калия. При дефиците калия они обеспечивают максимальное извлечение калия из мочи, а при избытке — его секрецию.
Секреция калия через клетки в просвет канальца является пассивным процессом, происходящим по концентрационному градиенту, а реабсорбция — активным. Усиление секреции калия под влиянием альдостерона связано не только с действием последнего на проницаемость калия, но и с увеличением поступления калия в клетку вследствие усиления работы Na-K-насоса.
Другим важным фактором регуляции транспорта калия в канальцах является инсулин, уменьшающий экскрецию калия. Большое влияние на уровень выделения калия оказывает состояние кислотно-щелочного равновесия. Алкалоз сопровождается увеличением выделения калия почкой, а ацидоз приводит к уменьшению калийуреза.
Транспорт кальция
Почки и кости играют главную роль в поддержании стабильного уровня кальция в крови. В сутки потребление кальция составляет около 1 г. Кишечником выделяется 0,8, почками — 0,1-0,3 г/сут. В клубочках фильтруется ионизированный кальций и находящийся в виде низкомолекулярных комплексов. В проксимальных канальцах реабсорбируется 50% профильтровавшегося кальция, в восходящем колене петли Генле — 20-25%, в дистальных канальцах — 5-10, в собирательных трубках — 0,5-1,0%.
Секреции кальция у человека не происходит.
В клетку кальций поступает по градиенту концентрации и сосредоточивается в эндоплазматическом ретикулуме и в митохондриях. Из клетки кальций выводится двумя путями: с помощью кальциевого насоса (Са-АТФаза) и Na/Ca обменника.
В клетке почечного канальца должна быть особенно эффективная система стабилизации уровня кальция, так как он непрерывно поступает через апикальную мембрану, а ослабление транспорта в кровь нарушило бы не только баланс кальция в организме, но и повлекло бы патологические изменения в самой клетке нефрона.
- Паратгормон
- Тирокальцитонин
- Соматотропный гормон
Гормоны, регулирующие транспорт кальция в почке:
Среди гормонов, регулирующих транспорт кальция в почке, наибольшее значение имеет паратгормон. Он уменьшает реабсорбцию кальция в проксимальном канальце, однако при этом снижается его экскреция почкой вследствие стимуляции всасывания кальция в дистальном сегменте нефрона и собирательных трубках.
В противоположность паратгормону тирокальцитонин вызывает увеличение экскреции кальция почкой. Активная форма витамина D3 увеличивает реабсорбцию кальция в проксимальном сегменте канальца. Соматотропный гормон способствует усилению кальцийуреза, именно поэтому у больных с акромегалией часто развивается мочекаменная болезнь.
Транспорт магния
Здоровый взрослый человек с мочой за сутки выделяет 60-120 мг магния. До 60% профильтровавшегося магния реабсорбируется в проксимальных канальцах. Большое количество магния реабсорбируется в восходящем колене петли Генле. Реабсорбция магния является активным процессом и ограничена величиной максимального канальцевого транспорта. Гипермагниемия приводит к усилению экскреции магния почкой и может сопровождаться преходящей гиперкальциурией.
При нормальном уровне клубочковой фильтрации почка быстро и эффективно справляется с повышением уровня магния в крови, предотвращая гипермагниемию, поэтому клиницисту чаще приходится встречаться с проявлениями гипомагниемии. Магний, как и кальций, не секретируется в канальцах почек.
Скорость экскреции магния возрастает при остром увеличении объема внеклеточной жидкости, при увеличении тирокальцитонина и АДГ. Паратгормон уменьшает выделение магния. Однако гиперпаратиреоидизм сопровождается гипомагниемией. Это, вероятно, связано с гиперкальциемией, которая увеличивает экскрецию не только кальция, но и магния в почках.
Транспорт фосфора
Почки играют ключевую роль в поддержании постоянства фосфатов в жидкостях внутренней среды. В плазме крови фосфаты представлены в виде свободных (около 80%) и связанных с белками ионов. За сутки через почки выделяется около 400-800 мг неорганического фосфора. 60-70% фильтруемых фосфатов всасывается в проксимальных канальцах, 5-10% — в петле Генле и 10-25% — в дистальных канальцах и собирательных трубках. Если резко снижена транспортная система проксимальных канальцев, то начинает использоваться большая мощность дистального сегмента нефрона, который может предотвратить фосфатурию.
В регуляции канальцевого транспорта фосфатов основная роль принадлежит гормону паращитовидных желез, который угнетает реабсорбцию в проксимальных сегментах нефрона, витамину D3, соматотропному гормону, которые стимулируют реабсорбцию фосфатов.
Транспорт глюкозы
Глюкоза, прошедшая через клубочковый фильтр, практически полностью реабсорбируется в проксимальных сегментах канальцев. За сутки может выделяться до 150 мг глюкозы. Реабсорбция глюкозы осуществляется активно с участием ферментов, затратой энергии и потреблением кислорода. Глюкоза проходит через мембрану вместе с натрием против высокого концентрационного градиента.
В клетке происходят накопление глюкозы, фосфорилирование ее до глюкозо-6-фосфата и пассивный перенос в околоканальцевую жидкость.
Полная реабсорбция глюкозы происходит лишь в тех случаях, когда количество переносчиков и скорость их движения через клеточную мембрану обеспечивают перенос всех молекул глюкозы, поступивших в просвет проксимальных отделов канальцев из почечных телец. Максимальное количество глюкозы, которое в состоянии реабсорбироваться в канальцах при полной загрузке всех переносчиков, в норме у мужчин составляет 375 ± 80, у женщин — 303 ± 55 мг/мин.
Уровень глюкозы в крови, при котором она появляется в моче, равен 8-10 ммоль/л.
Транспорт белка
В норме профильтровавшийся в клубочках белок (до 17-20 г/сут) практически весь реабсорбируется в проксимальных сегментах канальцев и в суточной моче обнаруживается в незначительном количестве — от 10 до 100 мг. Канальцевый транспорт белка — процесс активный, в нем принимают участие протеолитические ферменты. Реабсорбция белка осуществляется путем пиноцитоза в проксимальных сегментах канальцев.
Под воздействием протеолитических ферментов, содержащихся в лизосомах, белок подвергается гидролизу с образованием аминокислот. Проникая через базальную мембрану, аминокислоты поступают в около- канальцевую внеклеточную жидкость.
Транспорт аминокислот
В клубочковом фильтрате концентрация аминокислот такая же, как и в плазме крови, — 2,5-3,5 ммоль/л. В норме обратному всасыванию подвергается около 99% аминокислот, причем этот процесс происходит в основном в начальных отделах прокси-мального извитого канальца. Механизм реабсорбции аминокислот подобен описанному выше для глюкозы. Имеется ограниченное количество переносчиков, и когда все они соединяются с соответствующими аминокислотами, избыток последних остается в канальцевой жидкости и выводится с мочой.
В норме моча содержит лишь следы аминокислот.
- увеличение концентрации аминокислот в плазме при повышенном поступлении в организм и при нарушении их метаболизма, что приводит к перегрузке транспортной системы канальцев почек и аминоацидурии
- дефект переносчика, обеспечивающего реабсорбцию аминокислоты
- дефект апикальной мембраны клеток канальцев, что приводит к увеличению проницаемости щеточной каемки и зоны межклеточных контактов. В результате отмечается обратный ток аминокислот в каналец
- нарушение метаболизма клеток проксимального канальца
Причинами аминоацидурии являются:
Обратное всасывание различных веществ в канальцах обеспечивается активным и пассивным транспортом. Если вещество реабсорбируется против электрохимического и концентрационного градиентов, процесс называется активным транспортом. Различают два вида активного транспорта: первично-активный и вторично-активный. Первично-активным транспорт называется в том случае, когда происходит перенос вещества против электрохимического градиента за счет энергии клеточного метаболизма. Примером служит транспорт ионов Na + , который происходит при участии фермента Na + ,K + -АТФазы, использующей энергию АТФ. Вторично-активным называется перенос вещества против концентрационного градиента, но без затраты энергии клетки непосредственно на этот процесс; так реабсорбируются глюкоза, аминокислоты. Из просвета канальца эти органические вещества поступают в клетки проксимального канальца с помощью специального переносчика, который обязательно должен присоединить ион Na + . Этот комплекс (переносчик + органическое вещество + Na +) способствует перемещению вещества через мембрану щеточной каемки и его поступлению внутрь клетки. Движущей силой переноса этих веществ через апикальную плазматическую мембрану служит меньшая по сравнению с просветом канальца концентрация натрия в цитоплазме клетки. Градиент концентрации натрия обусловлен непрестанным активным выведением натрия из клетки во внеклеточную жидкость с помощью Na + ,К + -АТФазы, локализованной в латеральных и базальной мембранах клетки.
Реабсорбция воды, хлора и некоторых других ионов, мочевины осуществляется с помощью пассивного транспорта -по электрохимическому, концентрационному или осмотическому градиенту. Примером пассивного транспорта является реабсорбция в дистальном извитом канальце хлора по электрохимическому градиенту, создаваемому активным транспортом натрия. По осмотическому градиенту транспортируется вода, причем скорость ее всасывания зависит от осмотической проницаемости стенки канальца и разности концентрации осмотически активных веществ по обеим сторонам его стенки. В содержимом проксимального канальца вследствие всасывания воды и растворенных в ней веществ растет концентрация мочевины, небольшое количество которой по концентрационному градиенту реабсорбируется в кровь. Достижения в области молекулярной биологии позволили установить строение молекул ионных и водных каналов (аквапоринов) рецепторов, аутакоидов и гормонов и тем самым проникнуть в сущность некоторых клеточных механизмов, обеспечивающих транспорт веществ через стенку канальца. Различны свойства клеток разных отделов нефрона, неодинаковы свойства цитоплазматической мембраны в одной и той же клетке.
Клеточный механизм реабсорбции ионов рассмотрим на примере Na + . В проксимальном канальце нефрона всасывание Na + в кровь происходит в результате ряда процессов, один из которых - активный транспорт Na + из просвета канальца, другой - пассивная реабсорбция Na + вслед за активно транспортируемыми в кровь как ионами гидрокарбоната, так и Cl - . При введении одного микроэлектрода в просвет канальцев, а второго - в околоканальцевую жидкость было выявлено, что разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью стенки проксимального канальца оказалась очень небольшой - около 1,3 мВ, в области дистального канальца она может достигать - 60 мВ. Просвет обоих канальцев электроотрицателен, а в крови (следовательно, и во внеклеточной жидкости), концентрация Na + выше, чем в жидкости, находящейся в просвете этих канальцев, поэтому реабсорбция Na + осуществляется активно против градиента электрохимического потенциала. При этом из просвета канальца Na + входит в клетку по натриевому каналу или при участии переносчика. Внутренняя часть клетки заряжена отрицательно, и положительно заряженный Na + поступает в клетку по градиенту потенциала, движется в сторону базальной плазматической мембраны, через которую натриевым насосом выбрасывается в межклеточную жидкость; градиент потенциала на этой мембране достигает 70-90 мВ. Имеются вещества, которые могут влиять на отдельные элементы системы реабсорбции Na + . Так, натриевый канал в мембране клетки дистального канальца и собирательной трубки блокируется амилоридом и триамтереном, в результате чего Na + не может войти в канал. В клетках имеется несколько типов ионных насосов. Один из них представляет собой Na + ,К + -АТФазу. Этот фермент находится в базальной и латеральных мембранах клетки и обеспечивает транспорт Na + из клетки в кровь и поступление из крови в клетку К + . Фермент угнетается сердечными гликозидами, например строфантином, уабаином. В реабсорбции гидрокарбоната важная роль принадлежит ферменту карбоангидразе, ингибитором которого является ацетазоламид - он прекращает реабсорбцию гидрокарбоната, который экскретируется с мочой.
Фильтруемая глюкоза практически полностью реабсорбируется клетками проксимального канальца, и в норме за сутки с мочой выделяется незначительное ее количество (не более 130 мг). Процесс обратного всасывания глюкозы осуществляется против высокого концентрационного градиента и является вторично-активным. В апикальной (люминальной) мембране клетки глюкоза соединяется с переносчиком, который должен присоединить также Na + , после чего комплекс транспортируется через апикальную мембрану, т.е. в цитоплазму поступают глюкоза и Na + . Апикальная мембрана отличается высокой селективностью и односторонней проницаемостью и не пропускает ни глюкозу, ни Na + обратно из клетки в просвет канальца. Эти вещества движутся к основанию клетки по градиенту концентрации. Перенос глюкозы из клетки в кровь через базальную плазматическую мембрану носит характер облегченной диффузии, a Na + , как уже отмечалось выше, удаляется натриевым насосом, находящимся в этой мембране.
Аминокислоты почти полностью реабсорбируются клетками проксимального канальца. Имеется не менее 4 систем транспорта аминокислот из просвета канальца в кровь, осуществляющих реабсорбцию: нейтральных, двуосновных, дикарбоксильных аминокислот и иминокислот. Слабые кислоты и основания могут существовать в зависимости от рН среды в двух формах - неионизированной и ионизированной. Клеточные мембраны более проницаемы для неионизированных веществ. Если значение рН канальцевой жидкости сдвинуто в кислую сторону, то основания ионизируются, плохо всасываются и экскретируются с мочой. Процесс «неионной диффузии» влияет на выделение почками слабых оснований и кислот, барбитуратов и других лекарственных веществ.
Небольшое количество профильтровавшегося в клубочках белка реабсорбируется клетками проксимальных канальцев. Выделение белков с мочой в норме составляет не более 20-75 мг в сутки, а при заболеваниях почек оно может возрастать до 50 г в сутки. Увеличение выделения белков с мочой (протеинурия) может быть обусловлено нарушением их реабсорбции либо увеличением фильтрации.
В отличие от реабсорбции электролитов, глюкозы и аминокислот, которые, проникнув через апикальную мембрану, в неизмененном виде достигают базальной плазматической мембраны и транспортируются в кровь, реабсорбция белка обеспечивается принципиально иным механизмом. Белок попадает в клетку с помощью пиноцитоза. Молекулы профильтровавшегося белка адсорбируются на поверхности апикальной мембраны клетки, при этом мембрана участвует в образовании пиноцитозной вакуоли. Эта вакуоль движется в сторону базальной части клетки. В околоядерной области, где локализован пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи), вакуоли могут сливаться с лизосомами, обладающими высокой активностью ряда ферментов. В лизосомах захваченные белки расщепляются и образовавшиеся аминокислоты, дипептиды удаляются в кровь через базальную плазматическую мембрану.
Определение величины реабсорбции в канальцах почки производится по разности между количеством вещества, профильтровавшегося в клубочках, и количеством вещества, выделенного с мочой. При вычислении относительной реабсорбции (% R) определяют долю вещества, подвергшуюся обратному всасыванию по отношению к количеству вещества, профильтровавшегося в клубочках.
Для оценки реабсорбционной способности клеток проксимальных канальцев важное значение имеет определение максимальной величины транспорта глюкозы. Эту величину измеряют при полном насыщении глюкозой системы ее канальцевого транспорта. Для этого вводят в кровь раствор глюкозы и тем самым повышают ее концентрацию в клубочковом фильтрате до тех пор, пока значительное количество глюкозы не начнет выделяться с мочой.
2 этапом образования мочи является реабсорбция - обратное всасывание воды и растворенных в ней веществ. Это точно доказано в прямых опытах с анализом мочи, полученной путем микропункции из различных отделов нефрона.
В отличие от образования первичной мочи, которая является результатом физико-химических процессов фильтрации, реабсорбция в значительной степени осуществляется за счет биохимических процессов клеток канальцев нефрона, энергия для которых черпается из распада макроэргов. Это подтверждается тем, что после отравления веществами блокирующими тканевое дыхание (цианиды) резко ухудшается обратное всасывание натрия, а блокада фосфорилирования монойодацетоном резко угнетает реабсорбцию глюкозы. Реабсорбция ухудшается также при понижении обмена веществ в организме. Например, при охлаждении организма на морозе и диурез при этом возрастает.
Наряду с пассивными процессами транспорта (диффузия, силы осмоса) в реабсорбции большую роль играют пиноцитоз, электростатические взаимодействия между различно заряженными ионами и т.д. Различают также 2 вида активного транспорта:
первично-активный транспорт осуществляется против электрохимического градиента и при этом транспорт происходит за счет энергии АТФ,
вторично-активный транспорт осуществляется против концентрационного градиента и при этом энергия клетки не тратится. С помощью этого механизма реабсорбируется глюкоза, аминокислоты. При этом виде транспорта органическое вещество входит в клетку проксимального канальца с помощью переносчика, который обязательно должен присоединить ион натрия. Этот комплекс (переносчик + органическое вещество + ион натрия) перемещается в мембране щеточной каймы, этот комплекс за счет разности концентраций Na + между просветом канальца и цитоплазмой поступает в клетку, т.е. в канальце ионов натрия больше, чем в цитоплазме. Внутри клетки комплекс диссоциирует и ионы Na + за счет Na-K насоса выводится из клетки.
Реабсорбция осуществляется во всех отделах нефрона, за исключением капсулы Шумлянского-Боумена. Однако характер обратного всасывания и интенсивность в различных отделах нефрона неодинакова. В проксимальных отделах нефрона реабсорбция идет очень интенсивно и мало зависит от водно-солевого обмена в организме (обязательная, облигатная). В дистальных отделах нефрона реабсорбция очень изменчива. Ее называют факультативной реабсорбцией. Именно реабсорбция в дистальных канальцах и собирательных трубках в большей степени, чем в проксимальном отделе определяет функцию почки как органа гомеостаза, регулирующего постоянство осмотического давления, рН, изотонии и объема крови.
Реабсорбция в различных отделах нефрона
Реабсорбция ультрафильтрата происходит кубовидным эпителием проксимального канальца. Здесь имеют большое значение микроворсинки. В этом отделе полностью реабсорбируется глюкоза, аминокислоты, белки, витамины, микроэлементы, значительное количество Na + , Са + , бикарбонатов, фосфатов, Cl - , К + и H 2 О. В последующих отделах нефронах всасываются только ионы и Н 2 О.
Механизм всасывания перечисленных веществ неодинаков. Самым значительным по объему и энергетическим затратам занимает реабсорбция Na + . Она обеспечивается как пассивным, так и активными механизмами и происходит во всех отделах канальцев.
Активная реабсорбция Nа вызывает пассивный выход из канальцев ионов Сl - которые следуют за Na + вследствие электростатического взаимодействия: положительные ионы увлекают за собой отрицательно заряженный Сl - и др. анионы.
В проксимальных канальцах реабсорбируется около 65 -70% воды. Этот процесс осуществляется за счет разности осмотического давления - пассивно. Переход воды из первичной мочи выравнивает осмотическое давление в проксимальных канальцах до уровня его в тканевой жидкости. Из фильтрата реабсорбируется также 60-70% кальция и магния. Дальнейшая их реабсорбция продолжается в петле Генли и дистальных канальцах и с мочой выделяется только около 1% профильтровавшегося кальция и 5-10% магния. Реабсорбция кальция и в меньшей степени магния регулируется паратгормоном. Паратгормон повышает реабсорбцию кальция и магния и снижает реабсорбцию фосфора. Кальцитонин оказывает противоположное действие.
Таким образом, в проксимальном извитом канальце реабсорбируются все белки, вся глюкоза, 100% аминокислот, 70-80% воды, а, Сl, Mg, Ca. В петле Генли за счет избирательной проницаемости ее отделов для натрия и воды дополнительно еще реабсорбируется 5% ультрафильтрата и в дистальную часть нефрона поступает 15% объема первичной мочи, которая активно обрабатывается в извитых канальцах и собирательных трубках. Объем окончательной мочи всегда определяется водным и солевым балансом организма и может колебаться от 25 л в сутки (17 мл/мин) и до 300 мл (0,2 мл/мин).
Реабсорбция в дистальных отделах нефрона и собирательных трубках обеспечивает возвращение в кровь идеальную в осмотическом и солевом отношении жидкости, поддерживая постоянство осмотического давления, рН, водный баланс и стабильность концентрации ионов.
Содержание многих веществ в окончательной моче во много раз выше, чем в плазме и первичной моче, т.е. проходя по канальцам нефрона, первичная моча концентрируется. Отношение концентрации вещества в конечной моче к концентрации в плазме называют концентрационным индексом . Этот индекс характеризует процессы, которые происходят в системе канальцев нефрона.
Реабсорбция глюкозы
Концентрация глюкозы в ультрафильтрате такая же, как и в плазме,но в проксимальном отделе нефрона она практически полностью реабсорбируется. В нормальных условиях за сутки с мочой выделяется не более 130 мг. Обратное всасывание глюкозы осуществляется против высокого концентрационного градиента, т.е. реабсорбция глюкозы происходит активно, причем она переносится с помощью механизма вторично-активного транспорта. Апикальная мембрана клетки, т.е. мембрана, обращенная в сторону просвета канальца, пропускает глюкозу только в одном направлении - в клетку, а обратно в просвет канальца не пропускает.
В апикальной мембране клетки проксимального канальца имеется специальный переносчик глюкозы, но глюкоза, прежде чем взаимодействовать с переносчиком, должна превратиться в глю-6 фосфат. В мембране имеется фермент глюкокиназа, который обеспечивает фосфорилирование глюкозы. Глю-6-фосфат соединяется с переносчиком апикальной мембраны одновременно с натрием .
Этот комплекс за счет разности концентрации натрия (натрия в просвете канальца больше, чем в цитоплазме ) перемещается в мембране щеточной каймы и попадает внутрь клетки. В клетке этот комплекс диссоциирует. Переносчик возвращается за новыми порциями глюкозы, а в цитоплазме остаются глю-6-фосфат и натрий. Глю-6-фосфат под влиянием фермента глю-6-фосфотазы распадается на глюкозу и фосфатную группу. Фосфатная группа используется для превращения АДФ в АТФ. Глюкоза перемещается к базальной мембране, где соединяется с другим переносчиком, который транспортирует ее через мембрану в кровь. Транспорт через базальную мембрану клетки носит характер облегченной диффузии и не требует присутствия натрия.
Реабсорбция глюкозы находится в зависимости от ее концентрации в крови. Глюкоза полностью всасывается, если ее концентрация в крови не превышает 7-9 ммоль/л, в норме ее от 4,4 до 6,6 ммоль/л. Если содержание глюкозы оказывается выше, то часть ее не реабсорбируется и выделяется с окончательной мочой - наблюдается глюкозурия.
На этом основании введем понятие о пороге выведения. Порогом выведения (порогом реабсорбции)называют концентрацию вещества в крови, при которой оно не может полностью реабсорбироваться и попадает в конечную мочу. Для глюкозы это составляет более 9 ммоль /л, т.к. при этом мощность систем переносчика оказывается недостаточной и сахар поступает в мочу. У здоровых людей это может наблюдаться после поступления больших его количеств (алиментарная (пищевая) глюкозурия).
Реабсорбция аминокислот
Аминокислоты также полностью реабсорбируются клетками проксимального канальца. Существует несколько специальных систем реабсорбции для нейтральных, двухосновных, дикарбоновых аминокислот и иминокислот.
Каждая из этих систем обеспечивает реабсорбцию нескольких аминокислот одной группы:
1 группа-глицин, пролин, оксипролин, аланин, глютаминовая кислота, креатин;
2 группа-двухосновные-лизин, аргинин, орнитин, гистидин, цистин;
3 группа-лейцин, изолейцин.
4 группа - Иминокислоты-органические кислоты, содержащие в молекуле двухвалентную иминогруппу (= NH), гетероциклические иминокислоты пролин и оксипролин входят в состав белков и обычно рассматриваются как аминокислоты.
В пределах каждой системы имеются конкурентные отношения между переносом отдельных аминокислот входящих в данную группу. Поэтому, когда одной аминокислоты много в крови, то переносчик не успевает транспортировать все аминокислоты этого ряда - они выделяются с мочой. Транспорт аминокислот происходит так же, как и глюкозы, т.е. по механизму вторично-активного транспорта.
Реабсорбция белков
За сутки в фильтрат поступает 30-50 г белка. Почти весь белок полностью реабсорбируется в канальцах проксимального отдела нефрона, и у здорового человека в моче только его следы. Белки, в отличие от других веществ, реабсорбируясь попадают в клетки с помощью пиноцитоза. (Молекулы профильтровавшегося белка адсорбируются на поверхностной мембране клетки с образованием, в конечном счете, пиноцитозной вакуоли. Эти вакуоли сливаются с лизосомой, где под влиянием протеолитических ферментов белки расщепляются и их фрагменты переносятся в кровь через базальную цитоплазматическую мембрану). При заболевании почек количество белка в моче возрастает - протеинурия. Она может быть связана либо с нарушением реабсорбции, либо с увеличением фильтрации белка. Может возникать после физической нагрузки.
Выводимые из организма продукты обмена веществ, вредные для организма, активной реабсорбции не подвергаются. Те соединения, которые не способны проникнуть в клетку путем диффузии, совершенно не возвращаются в кровь и выделяются с мочой в максимально концентрированном виде. Это сульфаты и креатинин, их концентрация в окончательной моче в 90-100 раз больше, чем в плазме - это беспороговые вещества. Конечные продукты азотистого обмена (мочевина и мочевая кислота) могут диффундировать в эпителий канальцев, поэтому они частично реабсорбируются, и их концентрационный индекс ниже, чем сульфатов и креатинина.
Из проксимального извитого канальца изотоничная моча попадает в петлю Генле. Сюда поступает примерно 20-30% фильтрата. Известно, что в основе работы петли Генле, дистальных извитых канальцев и собирательных трубочек лежит механизм противоточно-множительной канальцевой системы.
Моча двигается в этих канальцах в противоположных направлениях (почему систему и назвали противоточной), а процессы транспорта веществ в одном колене системы усиливаются (“умножаются”) за счет деятельности другого колена.
Принцип противоточной системы широко распространен в природе и технике. Это технический термин, которым определяют движение двух потоков жидкости или газов в противоположных направлениях, создающие выгодные условия для обмена между ними. Например, в конечностях арктических животных артериальные и венозные сосуды располагаются близко, кровь течет в параллельно расположенных артериях и венах. Поэтому артериальная кровь согревает охлажденную венозную кровь, движущуюся к сердцу. Контакт между ними оказывается биологически выгодным.
Примерно так устроена и работает петля Генле и остальные отделы нефрона, а механизм противоточно - множительной системы существует между коленами петли Генле и собирательными трубками.
Рассмотрим, как работает петля Генле. Нисходящий отдел располагается в мозговом слое и тянется до вершины почечного сосочка, где изгибается на 180и переходит в восходящий отдел, расположенный параллельно нисходящему. Функциональное значение различных отделов петли неодинаково. Нисходящий отдел петли хорошо проницаем для воды, а восходящий водонепроницаем, но активно реабсорбирует натрий, который повышает осмолярность ткани. Это приводит к еще большему выходу воды из нисходящей части петли Генле по осмотическому градиенту (пассивно).
В нисходящее колено поступает изотоничная моча, а на вершине петли концентрация мочи увеличивается в 6-7 раз за счет выхода воды, поэтому в восходящее колено поступает концентрированная моча. Здесь в восходящем колене происходит активная реабсорбция натрия и всасывание хлора, вода остается в просвете канальца и в дистальный каналец поступает гипотоническая жидкость (200 осмоль/л). Между сегментами колена петли Генле постоянно существует осмотический градиент в 200 миллиосмолей (1 осмоль = 1000 миллиосмоль - количество вещества, которое развивает в 1 литре воды осмотическое давление в 22,4 атм). По всей длине петли суммарное различие осмотического давления (осмотический градиент или перепад) равен 200 миллиосмолей.
Мочевина также циркулирует в поворотно-противоточной системе почки и участвует в сохранении высокой осмолярности в мозговом веществе почки. Мочевина выходит из собирательной трубки (при движении конечной мочи в лоханку). Попадает в интерстиций. Затем секретируется в восходящее колено петли нефрона. Далее поступает в дистальный извитой каналец (с током мочи), и снова оказывается в собирательной трубке. Т.о., циркуляция в мозговом слое является механизмом сохранения высокого осмотического давления, которое создает петля нефрона.
В петле Генле дополнительно реабсорбируется еще 5% от исходного объема фильтрата и из восходящего отдела петли Генле в извитые дистальные канальцы поступает около 15% объема первичной мочи.
Важную роль в сохранении высокого осмотического давления в почке играют прямые почечные сосуды, которые, как и петля Генле, образуют поворотно-противоточную систему. Нисходящие и восходящие сосуды идут параллельно петле нефрона. Кровь, движущаяся по сосудам, проходя через слои с постепенно понижающейся осмолярностью, отдает межклеточной жидкости соли и мочевину и захватывает воду. Т.о. противоточная система сосудов представляет шунт для воды, благодаря чему создаются условия для диффузии растворенных веществ.
Обработка первичной мочи в петле Генле заканчивает проксимальную реабсорбцию мочи, за счет которой из 120 мл/мин первичной мочи в кровь возвращается 100-105 мл/мин, а 17 мл идет дальше.
Вещество, подлежащее реабсорбции , должно (1) переместиться через эпителиальную выстилку канальца в межклеточную жидкость, а затем (2) через мембраны перитубулярных капилляров - обратно в кровь. Следовательно, реабсорбция воды и растворенных веществ - процесс многоэтапный. Перенос веществ через эпителий канальцев в межклеточную жидкость осуществляется с помощью механизмов активного и пассивного транспорта. Например, вода и растворенные в ней вещества способны проникать в клетки либо непосредственно через мембрану (трансцеллюлярно), либо используя промежутки между клетками (парацеллюлярно).
Затем после попадания в межклеточную жидкость оставшуюся часть пути растворы совершают путем ультрафильтрации (массового передвижения), опосредованной гидростатическими и коллоидно-осмотическими силами. Под действием результирующей силы, направленной на реабсорбцию воды и растворенных в ней веществ из межклеточной жидкости в кровь, перитубулярные капилляры выполняют функцию, сходную с венозными концами большинства капилляров.
Используя энергию , выработанную в процессе обмена, активный транспорт способен перемещать растворенные вещества против электрохимического градиента. Вид транспорта, который зависит от затрат энергии, полученной, например, при гидролизе аденозинтрифосфата, называют первично активным транспортом. В качестве примера такого транспорта приведем натрий-калиевую АТФ-азу, деятельность которой осуществляется во многих частях канальцевой системы.
Вид транспорта
, который напрямую не зависит от источника энергии, например обусловленный градиентом концентрации, называют вторично активным транспортом. Примером этого вида транспорта является реабсорбция глюкозы в проксимальном канальце. Вода всегда реабсорбируется пассивно с помощью механизма, называемого осмосом. Под этим термином подразумевают диффузию воды из области с низкой концентрацией вещества (высокого содержания воды) в область с высокой концентрацией вещества (низким содержанием воды).
Растворенные вещества
могут перемещаться через мембрану эпителиоцитов или через межклеточные промежутки.
Клетки почечных канальцев , как и другие эпителиоциты, удерживаются друг с другом с помощью плотных контактов. По бокам контактирующих между собой клеток позади этих соединений расположены межклеточные промежутки. Растворенные вещества могут реабсорбироваться через клетку, используя трансцеллюлярный путь, или же проникать через область плотного контакта и межклеточных промежутков по парацеллюлярному пути. Этот способ транспорта также используется в некоторых сегментах нефрона, особенно в проксимальных канальцах, где реабсорбируются вода и такие вещества, как ионы калия, магния, хлора.
Первично активный транспорт через мембрану связан с гидролизом АТФ. Особое значение первично активного транспорта в том, что с его помощью растворенные вещества могут перемещаться против электрохимического градиента. Энергию, необходимую для этого вида транспорта, предоставляет АТФ, гидролиз молекулы которой обеспечивается связанной с мембраной АТФ-азой. Фермент АТФ-аза является также составной частью транспортной системы, присоединяющей и перемещающей растворенные вещества через мембрану. Известные первично активные системы переноса веществ включают следующие АТФ-азы: натрий-калиевую, переносящую ионы водорода, водородно-калиевую и кальциевую.
Ярким примером работы системы первично активного транспорта является процесс реабсорбции натрия через мембрану проксимального извитого канальца. Она расположена на боковых поверхностях эпителиальных клеток ближе к базальной мембране и представляет собой мощный Nа+/К+-насос. Его АТФ-аза снабжает систему энергией, высвобождаемой с гидролизом АТФ и используемой для переноса ионов Na+ из клетки в межклеточное пространство. В это же время калий из межклеточной жидкости переносится в клетку. Деятельность этого ионного насоса направлена на поддержание в клетке высокой концентрации калия и низкой - натрия.
Кроме того, создается относительная разность потенциалов с зарядом внутри клетки около -70 мВ. Выведение натрия с помощью насоса, расположенного на мембране базолатеральной области клетки, способствует его диффузии обратно в клетку через область, обращенную в просвет канальца, по следующим причинам: (1) наличие градиента концентрации для натрия, направленного из просвета канальца в клетку, т.к. его концентрация в клетке низка (12 мэкв/л), в просвете - высока (140 мэкв/л); (2) отрицательный заряд внутри клетки (-70 мВ) притягивает положительно заряженные ионы Na .
Активная реабсорбция натрия
с помощью натрий-калиевой АТФ-азы происходит во многих частях канальцевой системы нефрона. В определенных ее частях существуют дополнительные механизмы, обеспечивающие реабсорбцию большого количества натрия в клетку. В проксимальном канальце сторона клетки, обращенная в просвет канальца, представлена щеточной каемкой, увеличивающей площадь поверхности примерно в 20 раз. На этой мембране также расположены белки-переносчики, которые присоединяют и переносят натрий из просвета канальцев в клетку, обеспечивая им облегченную диффузию. Эти белки-переносчики также играют важную роль во вторично активном транспорте других веществ, таких как глюкоза и аминокислоты. Подробно данный процесс изложен далее.
Таким образом, процесс реабсорбции ионов Na+
из просвета канальцев обратно в кровь состоит минимум из трех этапов.
1. Диффузия ионов Na+ через мембрану клеток эпителия канальцев (называемую также апикальной мембраной) внутрь клеток по электрохимическому градиенту, поддерживаемому Nа+/К+-насосом, который расположен на базолатеральной стороне мембраны.
2. Перенос натрия через базолатеральную мембрану в межклеточную жидкость . Осуществляется против электрохимического градиента с помощью Nа+/К+-насоса, обладающего АТФ-азной активностью.
3. Реабсорбция натрия , воды и других веществ из межклеточной жидкости в перитубулярные капилляры путем ультрафильтрации - пассивного процесса, обеспечиваемого градиентами гидростатического и коллоидно-осмотического давления.
