Основні органи виділення (нирки)

Основним органом виділення служить нирка.

Нирка побудована за єдиним принципом: структури, пристосовані для процесу ультрафильтрации, сполучені з системою канальців, які забезпечують реабсорбцію більшості компонентів рідини, що профільтрувалася, і секрецію ряду речовин в сечу.

Інтенсивність процесів, які лежать в основі утворення сечі, — клубочкової фільтрації, реабсорбції і секреції — грає важливу роль в точній підтримці складу всіх основних компонентів рідкої частини плазми крові. Істотне значення має підвищення кровотоку і фільтрації для роботи протиточної системи і осмотичної концентрації сечі.

У людини кровотік в перерахунку на 100 г тканини складає для нирки 430 мл/хв, для коронарної системи серця — 66, для головного мозку — 53 мл/хв. Іншими словами, нирки людини, маса яких складає близько 0,5 % маси тіла, в умовах спокою отримують близько 25 % крові, що викидається лівим шлуночком, і витрачають до 10 % споживаного організмом кисню. Оскільки клубочкова фільтрація здійснюється з артеріальної крові, зростання об'єму фільтрації залежить від більшого кровопостачання нирок.

Уявлення про нирку тільки як про орган виділення жодним чином не відповідає сучасним даним про широкий спектр функцій, що виконуються нею в організмі. Як вже згадувалося раніше, нирки беруть участь в регуляції об'єму рідин внутрішнього середовища, концентрації в них окремих іонів, сумарної концентрації осмотично активних речовин, рН крові. Нирки забезпечують екскрецію кінцевих продуктів азотистого обміну, чужорідних речовин, надлишку органічних і неорганічних речовин. Важливе значення для організму має виробка в нирці фізіологічно активних речовин (реніну, активної форми вітаміну , ерітропоетину) і її метаболічна функція, пов'язана з регуляцією обміну вуглеводів, білків і ліпідів в організмі.

Таким чином, нирки грають найважливішу роль в підтримці постійності основних фізико-хімічних констант крові, регуляції її об'єму, артеріального тиску, складу її органічних компонентів.

Виконання ниркою цих різноманітних функцій забезпечують чотири процеси, які лежать в основі діяльності нирки:

· ультрафільтрація рідини в ниркових клубочках;

· реабсорбція (зворотне всмоктування) в канальцях цінних для організму речовин;

· секреція (надходження з крові навколоканальцевих капілярів в просвіт канальця) ряду речовин, що підлягають видаленню з організму;

· синтез нових речовин, які або поступають в кров, або видаляються ниркою.

Нирка структурно складається з двох шарів: зовнішнього (кіркового) шару і внутрішнього (мозкового) шару, який лежить під ним. Функціональною одиницею нирки є нефрон, в нирці у людини їх налічується близько 1 млн.

У нирці людини існує декілька типів нефронів, клубочків, що відрізняються по розташуванню: поверхневі, інтракортикальні (лежать усередині кіркового шару) і юкстамедулярні (їх клубочки знаходяться біля кордону кори і мозкової речовини). Нефрони різних типів розрізняються по довжині та структурі петли Генле, атакож участі в процесі осмотичної концентрації сечі.

Крім участі в сечоутворенні нирка грає важливу роль як інкреторний орган, в якому утворюється ряд фізіологічно активних речовин. Особливе значення в цьому відношенні має юкстагломерулярний апарат, де синтезується і секретується ренін.

Юкстагломерулярний апарат утворений наступними структурами: аферентною артеріолою клубочку, яка приносить кров, що притікає до клубочка; еферентною артеріолою, яка виносить кров, що відтікає від нього, і клітинами щільної плями дистального звитого канальця.

 

Процес сечоутворення

Клубочкова фільтрація

Утворення сечі в нирці починається з ультрафільтрації плазми крові в ниркових клубочках.

Фільтруюча мембрана складається з трьох шарів: ендотелію капілярів, базальної мембрани і внутрішнього листка капсули, що складається з клітин, - подоцитів.

Ендотелій капілярів обмежує проходження крізь клубочковий фільтр формених елементів і білків, але вільно пропускає низькомолекулярні речовини, розчинені в плазмі крові.

Наступний бар'єр гломерулярного фільтру — базальна мембрана. Її «пори» обмежують проходження молекул залежно від розміру, форми і заряду. Оскільки мембрана має сітчасту структуру, утворену тонкими нитками, відбувається обмеження проходження молекул розміром більше ніж 3,4 нм. Негативно заряджена стінка пори утрудняє проходження молекул з однойменним зарядом. Пори не є круглими, що також є суттєвим для обмеження фільтрації альбумінів.

Останнім бар'єром на шляху фільтрованих речовин служать подоцити. Вони обмежують проходження альбумінів та інших молекул з великою молекулярною масою. Такий багатошаровий фільтр у клубочковій мембрані забезпечує збереження білків в крові та утворення практично безбілкової первинної сечі.

Ультрафільтрація. Основною силою, що забезпечує можливість ультрафільтрації в ниркових клубочках, є гідростатичний тиск крові в судинах. Ефективний тиск фільтрації, від якого залежить швидкість клубочковой фільтрації, визначається різницею між гідростатичним тиском крові в капілярах клубочка і протидіючими йому чинниками — онкотичним тиском білків плазми крові і гідростатичним тиском рідини в капсулі клубочка. У міру того як відбувається ультрафільтрація рідини, онкотичний тиск в крові капілярів росте, тому що білок залишається в просвіті судини і його концентрація збільшується. Це призводить до зниження ефективного тиску фільтрації, який все більш знижується у напрямку до тієї ділянки, де кров поступає у виносячу артеріолу клубочка. У нирці в людини з кожного 1 л плазми крові утворюється 190 - 200 мл ультрафільтрату. Ця величина отримала назву фракції фільтрації, вона є часткою фільтрованої рідини із загального об'єму плазми крові, що притікає до ниркових клубочків.

За допомогою мікроманіпулятора і мікропіпетки з порожнини ниркового клубочка можна витягнути ультрафільтрат і визначити його склад. У нім такі ж, як і в плазмі крові, концентрація глюкози, амінокислот, сечовини, загальний вміст осмотично активних речовин. Між плазмою крові та ультрафільтратом є дуже невеликі відмінності в концентрації одновалентних іонів, що обумовлене наявністю в плазмі крові білків, зв'язують частину катіонів, проте не проходять через гломерулярний фільтр. Це явище носить назву рівноваги Доннана.

Сучасні методи дозволяють виміряти об'єм рідини, що утворюється в окремому нирковому клубочку, а також в цілій нирці. У обох випадках важливо точно знати час, протягом якого утворився ультрафільтрат або сеча.

Метод розрахунку швидкості клубочкової фільтрації. Цей метод (при дослідженні і людини, і тварин) заснований на принципі очищення. Суть його полягає в наступному. У кров вводять речовину (наприклад, інулін), що вільно розчиняється у воді та фільтрується в ниркових клубочках в тій же концентрації. У ниркових канальцях його кількість не міняється, воно не всмоктується в кров і не додається клітинами канальців з крові в первинну сечу.

Визначивши кількість цієї речовини, що виділилася ниркою в одиницю часу, можна розрахувати, який об'єм крові очистився від цієї речовини. Оскільки цей об'єм плазми крові рівний об'єму рідини, що профільтрувалася в ниркових клубочках, з'являється можливість розрахувати швидкість ультрафільтрації рідини в гломерулярному апараті нирки, використовуючи метод очищення.

Об'єм сечі, що виділяється, зазвичай розраховують на поверхню тіла або її масу. У людини величину об'єму клубочкової фільтрації відносять до стандартної поверхні тіла — людини масою близько 70 кг та зростом 1,73 м. У нормі у чоловіків в обох нирках клубочкова фільтрація складає 125 мл/хв.

 

Реабсорбція в канальцях

У нирках у людини за 1 добу утворюється близько 180 л ультрафільтрату, об'єм сечі, що виділяється, складає від 1 до 1,5 л, решта рідини реабсорбується в ниркових канальцях. У просвіт ниркового канальця поступають всі розчинені в плазмі крові низькомолекулярні речовини, а також дуже невелика кількість білків. Тому основне призначення системи, що забезпечує зворотне всмоктування речовин в канальцях, полягає в тому, щоб повернути в кров всі життєво важливі речовини і в необхідних кількостях, а екскретирувати кінцеві продукти обміну речовин токсичні та чужорідні з'єднання і фізіологічно цінні речовини, якщо вони є в надлишку. Важливе значення має фільтрація в клубочках гормонів і деяких інших фізіологічно активних речовин, які в процесі реабсорбції інактивуються, а їх компоненти повертаються в кров або видаляються з організму.

Різні відділи ниркових канальців відрізняються по здатності всмоктувати речовини з просвіту нефрона. За допомогою аналізу рідини з окремих частин нефрона були встановлені склад, функціональне значення і особливості роботи всіх відділів канальців нирки.

У проксимальном сегменті нефрона з ультрафільтрату в звичайних умовах повністю реабсорбуються глюкоза, амінокислоти, вітаміни, невеликі кількості білка, пептиди, іони Na⁺, K⁺, Ca⁺, Mg⁺, сечовина, вода і багато інших речовин. У подальших відділах нефрона органічні речовини не всмоктуються, в них реабсорбируются тільки іони і вода.

Відмітною особливістю реабсорбції в проксимальном канальці є те, що слідом за всмоктуваними речовинами реабсорбується вода внаслідок високої осмотичної проникності стінки цього відділу нефрона.

Глюкоза. Щохвилини в канальці нирок у людини поступає 990 ммоль глюкози. Протягом 1 доби в нирках реабсорбується близько 989,8 ммоль, тобто сеча виявляється практично вільною від глюкози. Отже, всмоктування глюкози відбувається проти концентраційного градієнта, в результаті з канальцевої рідини в кров реабсорбується вся глюкоза при нормальній її концентрації в крові.

При підвищенні вмісту глюкози в плазмі крові з 5 до 10 ммоль/л глюкоза з'являється в сечі. Це обумовлено тим, що в люмінальній мембрані клітин проксимального канальця знаходиться обмежена кількість переносників глюкози. Коли вони повністю насичені глюкозою, досягається її максимальна реабсорбція, а надлишок починає екскретуватися з сечею. Величина максимальної реабсорбції глюкози має важливе значення для функціональної оцінки реабсорбційної здатності клітин проксимальних канальців.

Білки і амінокислоти. Ультрафільтрація призводить до того, що в просвіт нефрона поступають неелектроліти і електроліти. На відміну від електролітів, які, проникнувши через апікальну мембрану, в незмінному вигляді досягають базальної плазматичної мембрани і транспортуються в кров, перенесення білка забезпечується іншим механізмом, що отримав назву піноцитоз. Молекули білка, що профільтрувався, адсорбуються на поверхневій мембрані клітини, мембрана вп’ячується всередину клітини з утворенням піноцитозної вакуолі. Ця вакуоль рухається у бік базальної частини клітини, де може зливатися з лізосомами, в яких захоплені білки в результаті ферментативного гідролізу розщеплюються до амінокислот і видаляються в кров через базальну плазматичну мембрану.

Амінокислоти, що профільтрувалися в клубочках, майже повністю реабсорбуються клітинами проксимального канальця.

Слабкі кислоти і основи. Виділення з сечею слабких кислот і основ залежить від їх ультрафільтрації в клубочках, реабсорбції та секреції в проксимальних канальцях, а також від «неіонної дифузії», вплив якої особливо позначається в дистальних канальцях і збиральних трубках. Ці з'єднання можуть існувати залежно від рН середовища в двох формах: неіонізованій та іонізованій. Клітинні мембрани більш проникні для неіонізованих речовин. Багато слабких кислот з великою швидкістю екскретуються з лужною сечею, а слабкі основи, навпаки, з кислою. У основ ступінь іонізації збільшується в кислому середовищі, але зменшується в лужному. У неіонізованому стані ці речовини розчинні в ліпідах і проникають в клітини, а потім в плазму крові, тобто реабсорбуються. Неіонна дифузія впливає на виділення ниркою амонія, ряду лікарських препаратів.

Електроліти. Всмоктування іонів Na⁺ Cl^– та НСО₃^–, що профільтрувалися в клубочках, вимагає найбільших енерговитрат в клітинах нефрона. У людини за 1 добу реабсорбуються близько 24 330 ммоль натрію, 19 760 ммоль хлора, 4888 ммоль бікарбонату, а виділяється з сечею 90 ммоль натрію, 90 ммоль хлора, менше 2 ммоль бікарбонату.

Транспорт натрію є первинно-активним, тобто саме на його перенесення витрачається енергія клітинного обміну. Клітинні механізми реабсорбції Na, як і інших іонів можуть істотно відрізнятися в різних відділах нефрона. Таким чином, це визначає відмінність швидкості реабсорбції і способів регуляції перенесення натрію.

Реабсорбція іонів Сl^– відбувається за допомогою інших механізмів, чим реабсорбція Na⁺, що дає можливість роздільно регулювати виділення натрію і хлора ниркою.

У ниркових канальцях реабсорбируются також калій, кальцій, магній, фосфати, сульфати, мікроелементи. Нирки є найважливішим ефекторним органом в системі іонного гомеостазу. Новітні дані свідчать про існування в організмі систем регуляції балансу кожного з іонів.

Регуляцію реабсорбції іонів Са в ниркових канальцях здійснює ряд гормонів. При зменшенні концентрації кальцію в крові паращитовидні залози виділяють паратгормон, який сприяє нормалізації рівня Са⁺ у крові за рахунок збільшення його реабсорбції в ниркових канальцях і підвищення резорбції рідини. При гіперкальцемії стимулюється виділення в кров гормону щитовидної залози — тіреокальцитоніну, який знижує концентрацію кальцію в крові та сприяє збільшенню його екскреції ниркою. Важливу роль в регуляції обміну Са²⁺ грає активна форма вітаміну D3. У ниркових канальцях регулюється рівень реабсорбції магнію, хлора, сульфатів та інших іонів.

Канальцева секреція

У сучасній фізіологічній літературі, що стосується діяльності нирок, термін секреція має два значення. Перше з них описує процес перенесення речовини через клітини з крові в просвіт канальця в незмінному вигляді, що збільшує швидкість екскреції речовини ниркою. Друге — виділення з клітини в кров або в просвіт канальця синтезованих в нирці фізіологічно активних речовин (наприклад, простагландіни, брадикінін та ін.) або речовин, що екскретуються, (наприклад, гипурової кислоти). Ми зупинимося на описі процесу секреції в першому його значенні.

Секреція органічних і неорганічних речовин — один з важливих процесів, що забезпечують процес сечоутворення.

У нирках секреція забезпечує виділення з крові в просвіт канальців додаткових кількостей деяких речовин, які можуть фільтруватися і в ниркових клубочках. Таким чином, секреція прискорює виділення ниркою деяких чужорідних речовин, кінцевих продуктів обміну, іонів. У нирці людини секретуються органічні кислоти (пеніцилін, парааміногіпурова кислота — ПАГ, діодраст, сечова кислота), органічні основи (холін, гуанидін), неорганічні речовини (калій).

Механізм процесу секреції органічних кислот. Розглянемо цей процес на прикладі виділення ниркою ПАГ. Після введення в кров ПАГ її секреція ниркою наростає і очищення від неї крові значно перевищує величину очищення крові від одночасно введеного інуліну. Цей процес відбувається з витратами енергії, яка невпинно поставляється до місць активного транспорту.

Пригноблення дихання ціанидами, роз'єднування дихання і окислювального фосфорилування динітрофенолом знижує і припиняє секрецію. У звичайних фізіологічних умовах рівень секреції залежить від числа переносників в мембрані. Секреція ПАГ зростає пропорційно збільшенню концентрації ПАГ в крові до тих пір, поки всі молекули переносника не наситяться ПАГ. Максимальна швидкість транспорту ПАГ досягається в той момент, коли кількість ПАГ, доступна для транспорту, рівна кількості молекул переносника, які можуть утворювати комплекс з ПАГ. Ця величина визначається як максимальна здібність до транспорту.

Секреція органічних основ. Цей процес (наприклад, секреція холіна), подібно до виведення органічних кислот, відбувається в проксимальному сегменті нефрона і характеризується визначеною величиной максимального транспорту. Системи секреції органічних кислот і основ функціонують незалежно одна від одної.

Секреція неорганічних речовин. Клітини ниркових канальців здатні не тільки до секреції органічних кислот і основ, але і деяких неорганічних речовин. У нирках секретуються іони К⁺ і Н⁺. Транспорт калія в нефроні відрізняється від перенесення натрію тим, що К⁺ піддається не тільки реабсорбції, але й секретується в нирці клітинами кінцевих відділів нефрона і збиральних трубок.

При реабсорбції калій поступає в клітину нефрона з просвіту канальця. Швидкість секреції К⁺ залежить від градієнта електрохімічного потенціалу на апіикальній мембрані клітини: чим більше її електронегативність, тим вище рівень секреції К⁺. Тому введення слабореабсорбуючих аніонів, наприклад сульфатів, збільшує секрецію К⁺. Таким образом, секреція калія залежить від його внутріклітинної концентрації, проникності для калія апікальної мембрани і градієнта електрохімічного потенціалу на мембрані. У регуляції секреції К⁺ важливе значення має гормон кори надниркової залози альдостерон, який збільшує реабсорбцію натрію і одночасно підсилює секрецію калія. Калій, що виділяється з сечею, секретується в кінцевих частинах дистального сегменту нефрону і збиральних трубках.

Синтез речовин в нирці

У нирці утворюються деякі речовини, що виділяються в сечу (наприклад, гіпурова кислота, аміак), а також поступають в кров (ренін, простагландіни, глюкоза та ін.). Гіпурова кислота синтезується в клітинах канальців з бензойної кислоти і глікокола. У клітинах канальців при дезамиліруванні амінокислот, головним чином глутаміну, з аміногруп утворюється аміак. Він поступає переважно в сечу, але частково проникає і через базальну плазматичну мембрану в кров: у нирковій вені аміаку більше, ніж в нирковій артерії.