А - ограничение воды (антидиурез). Б - высокое потребление воды (водный диурез)

Роль почек в поддержании рН крови

На рис. 9-25 А представлен один из путей НСО₃^- в

начальных отделах проксимального канальца. Его количество составляет 90% от профильтровавшегося. Механизм реабсорбции связан с секрецией ионов Н⁺ в просвет канальца (рис. 9-25 А), вступающих в реакцию с профильтровавшимся HCO₃^- с образованием CO₂, который диффундирует в клетку. Превращение HCO₃^- в CO₂ (и наоборот) катализируют мембранная (CA IV) и соответственно цитоплазматическая (CA II) карбоангидраза клеток канальца. Там CO₂ вступает в реакцию, ведущую к образованию HCO₃^-, который частично вступает в реакцию с OH^- с образованием CO₃^2- и H₂O, таким образом, в клетке содержатся вновь образованные HCO₃^-, CO₃^2-и H₂O. В конечном итоге HCO₃^-, CO₃^2- и Na⁺ (в соотношении 1:1:1) или альтернативно (не изображено) HCO₃^- вместе с 1Na+ покидают клетку через базолатеральную мембрану с участием общего переносчика NBC-1. В дополнение HCO₃^- выходит из клетки через базолатеральную мембрану в обмен на C1^- (антипорт, не изображен). При этом OH^- и Н⁺ взаимодействуют друг с другом в просвете канальца, превращаясь в воду.

На рис. 9-25 Б на примере H₂PO₄^- показано выведение кислот. Неорганический фосфат (Pi) встречается в плазме (рН 7,4) в форме HPO₄^2- и H₂PO₄^- (в соотношении 4:1). Обе формы свободно фильтруются и в проксимальном канальце реабсорбируются посредством механизма вторичного активного транспорта (котранспорта с Na⁺). Экскретируемая фракция фосфата (обычно 10-20%), величина которой регулируется почками, увеличивается при возрастающей и уменьшается при снижающейся концентрации фосфата в плазме крови. Фосфат, реабсорбируется на две трети посредством вторично-активного транспорта в проксимальном канальце с помощью переносчика NaPj-3, расположенного на апикальной мембране эпителиальных клеток и осуществляющего сопряженный с Na⁺ перенос (котранспорт). Ацидоз уменьшает количество этих переносчиков в мембране, тогда как алкалоз увеличивает их число. В плазме крови и клубочковом фильтрате (рН 7,4) фосфат представлен на 80% в виде HPO₄^2- и только на 20% в виде H₂PO₄^- (pKa' = 6,8). По мере прохождения через канальцы и собирательную трубочку нереабсорбированный HPO₄^2- посредством секретируемых ионов Н+ титруется в H₂PO₄^-, что в значительной мере способствует почечному выведению ионов Н+.

В проксимальном канальце ионы Н+ в просвете канальца титруют профильтровавшийся в клубочке бикарбонат- и фосфат^2- (рис. 9-25 А, Б), поэтому рН-значение в просвете канальца снижается

до 6,4-6,8.

На рис. 9-24 В представлена секреция и выведение аммиака NH₃ и аммония NH₄⁺. В результате клеточного метаболизма образуется NH₄⁺ и ОН^-. NH₄⁺ диссоциирует в клетках канальца на NH₃ и Н⁺, которые с одной стороны независимо друг от друга попадают в просвет канальца (неионная диффузия и соответственно активная секреция Н+), и с другой стороны в недиссоциированном виде покидают клетку в направлении просвета канальца в качестве заряженных ионов NH₄⁺ с помощью Na⁺-H⁺- переносчика (вместо Н+) (на рисунке не показано). Итак, оба продукта - NH₃⁺ и Н⁺ попадают независимо друг от друга в просвет канальца, где они вновь образуют NH₄⁺. Хотя удаление NH₄⁺ с мочой само по себе не способствует выведения кислот, оно представляет собой косвенную количественную меру выведение кислот. Если образованный таким образом NH₄⁺ действительно покидает организм с мочой (а не возвращается обратно в печень и там при синтезе мочевины использует HCO₃^-), количество NH₄⁺ является косвенным показателем элиминации Н⁺. Итак, выведение NH⁴⁺ способствует удалению Н⁺, причем на каждый выведенный NH₄⁺ в печени для синтеза мочевины используется меньше на один анион HCO₃^-. Однако это происходит не потому что NH₃ после выделения Н⁺ связывает ионы Н⁺. (При рН около 9 приблизительно 97% NH₄⁺ (↔NH₃) находится в ионизированном виде). Этот способ «выведения» Н⁺ принципиально отличается от канальцевого титрования фосфата (см. выше) и поэтому не может рассматриваться как титруемая кислота.

Для регуляции кислотно-щелочного баланса важно, что при ацидозе образование и выведение NH₄⁺ в проксимальном канальце может возрасти в течение 1-2 дней в несколько раз по сравнению с нормальным значением. Это обеспечивается усиленным транспортом глутамина из печени в почку, так и активация в почке глутаминазы, а также глюконеогенеза. И наоборот, изменение кислотности мочи в собирательной трубочке (например, дефект Н⁺/АТФазы и/или переносчика, обеспечивающего обмен C1^-/HCO₃^-(антипорт)) приводит к недостаточному выведению NH₄⁺ и титруемых кислот, так что развивается дистальный почечный канальцевый ацидоз.

Рис. 9-25. Роль почек в поддержании кислотно-щелочного равновесия.

А - реабсорбция НСO₃^-. Б - принцип выведения кислот. В - экскреция аммония. СА II - карбонгидраза II. СА VI - карбонгидраза VI

Механизмы регуляции кислотнощелочного равновесия почками

Проксимальный извитой каналец (S1). В начальных отделах проксимального извитого канальца (рис. 9-26 А) количество профильтровавшегося HCO₃^- составляет 90%. Превращение HCO₃^- в CO₂ и ОН^- катализирует мембранная карбоангидраза IV IV), расположенная в апикальной мембране. CO₂, диффундирует в клетку через люминальную мембрану. В клетке CO₂ вступает в реакцию, катализируемую цитоплазматической карбоангидразой II II), ведущую к образованию HCO₃^-, который частично вступает в реакцию с OH^- с образованием CO₃^2- и H₂O, таким образом, в клетке содержатся вновь образованные HCO₃^-, CO₃^2- и H₂O. В базолатеральной мембране переносчик Na⁺-HCO₃^- (котранспорт) удаляет HCO₃^- из клетки, но в интерстициальном пространстве HCO₃^- вступает в реакцию, катализируемую мембранной (CА?) с образованием CO₂ и ОН^-. В апикальной мембране расположен электронейтральный (обмен 1:1) переносчик NHE3 или, иначе, Na⁺-H⁺-переносчик (антипорт), который осуществляет секрецию ионов H⁺ в просвет канальца в обмен на ионы Na⁺. Его движущая сила обмена - химический градиент Na⁺. При его работе ионы H⁺ в результате вторично-активного транспорта секретируются в просвет канальца. Снижение внутриклеточного pH (сдвиг в кислую сторону) активирует данный Na⁺-H⁺-переносчик (антипорт), поэтому в случае ацидоза усиленно секретируются ионы H⁺; и наоборот при алкалозе секреция ионов H⁺снижается. Кроме того в апикальной мембране расположена Н+-АТФаза, которая секретирует ионы H⁺ в просвет канальца. Данный насос позволяет секретировать ионы H⁺ независимо от реабсорбции Na⁺. Секреция H⁺ уже в первой трети проксимального канальца снижает рН в просвете канальца с 7,4 (в фильтрате) до 6,5-6,8 (рис. 9-26 А). Эти ионы вступают в реакцию с OH^- с образованием H₂O, которая уходит в клетку и там формирует ионы H⁺ и OH^-, замыкая, тем самым, цикл.

Проксимальный прямой каналец (S3). Посредством электронейтрального Na⁺-Н⁺-переносчика (антипорт), расположенного в апикальной мембране, осуществляется реабсорбция Na⁺ (рис. 9-26 Б). Кроме того в апикальной мембране расположена Н+-АТФаза, которая секретирует ионы H+ в просвет канальца. Большая часть HCO₃^- была

реабсорбирована в проксимальном извитом канальце на первой стадии реабсорбции, поэтому H⁺, выходящий в просвет канальца в результате обмена с Na⁺ (антипорт), не может быть использован для связывания с HCO₃^-. Здесь основная роль принадлежит реабсорбции Na+ и ее механизм - обмен Na⁺/Н⁺ (NHE3-переносчик). Из клетки в интерстициальное пространство HCO₃^- попадает двумя путями: в результате обмена С1^-/НСO₃^- (антипорт) и Na⁺/НСO₃^- (синпорт).

Дистальный прямой каналец (толстая восходящая часть петли Генле). В этом отделе на апикальной мембране клеток эпителия локализован переносчик, обеспечивающий обмен Na⁺/H⁺. Он предотвращает увеличение значения pH канальцевой мочи, которое в верхнем отделе проксимального канальца было снижено до 6,5-6,8, тем более что на этом отрезке нефрона положительный в просвете канальца трансэпителиальный потенциал представляет собой движущую силу для межклеточной реабсорбции H⁺. Кроме того переносчик, обеспечивающий обмен Na⁺/H⁺ (антипорт), расположенный на апикальной мембране, служит для того, чтобы доставлять в просвет канальца ионы H⁺, возникающие из другого источника: диссоциация реабсорбированного NH₄⁺

на NH₃ + H⁺ (рис. 9-26 В).

Собирательные протоки. В эпителии связующего канальца, коркового и мозгового собирательного протока находятся вставочные клетки α-типа которые имеют в люминальной мембране, как уже упоминалось, Н⁺/К⁺-АТФазу и Н⁺/ АТФазу (рис. 9-26 Г). Вставочным клеткам типа α удается с помощью H⁺-АТФаз сдвинуть значение рН в собирательном протоке и конечной моче до уровня меньше 5. Образующийся с помощью карбоангидразы HCO₃^- через базолатеральную мембрану выводится из клетки с помощью переносчика, осуществляющего обмен HCO₃^- /Cl^-, при этом входящий Cl^- снова выводится из клетки через Cl^--каналы.

Итак, pH в просвете связующего канальца, а также в корковом и мозговом собирательном протоках, может быть значительно сдвинуто в кислую сторону за счет механизма первичного активного транспорта (H⁺-АТФаза вставочных клеток α-типа), обеспечивающего секрецию ионов H⁺ в просвет нефрона. При ацидозе оно может достигать значения 4,5. При алкалозе вставочные клетки (вместо ионов H⁺) выделять бикарбонат в базолатеральной мембране, поэтому значение pH мочи сдвигается до 8,2.

Рис. 9-26. Роль почек в подержании кислотно-щелочного равновесия.

Превращение HCO₃^- в CO₂ (и наоборот) катализируют мембранная (CA IV) и, соответственно, цитоплазматическая (CA II) карбоангидраза клеток канальца

Транспорт NH₄+

Аммиак NH₃ (соответственно, ионы аммония: NH₃ о NH₄⁺) образуется в больших количествах (около 1000 ммоль в день) при расщеплении аминокислот в печени, но он ядовит даже в малых концентрациях, поэтому в печени в среднем около 95% его количества, взаимодействует с эквимолярным количеством HCO₃^-, и превращается (при потреблении АТФ-) в мочевину, которая выводится с мочой как инертное вещество (2NH₄⁺ + 2HCO₃^- ↔ NH₂ - C(=O) - NH₂ + CO₂ + 3H₂O).

Оставшиеся 5% NH₃ ↔ NH₄⁺ (около 50 ммоль в день) попадают в неизменном виде или в виде глутамина в почки, где снова из глутамина образуется NH₃ ↔ NH₄⁺, который большей частью выводится из организма.

Проксимальный извитой каналец. Глутамин, который переносится с кровью в почки, где он транспортируется в клетки проксимального канальца как через апикальную, так и через базолатеральную мембрану (рис. 9-27 А). В митохондриях этих клеток локализована глутаминаза, которая снова гидролизует глутамин с образованием NH₄+ и глутамат-, который посредством глутаматдегидрогеназы расщепляется далее на второй NH₄⁺ и на 2-оксоглутарат2- (а-кетоглутарат2-), при превращении которого в глюкозу используется два иона H⁺, т.е. образуется два иона HCO₃^-. Образование этих двух ионов HCO₃^- остается неучтенным в общем балансе выведения NH₄⁺(↔NH³), поскольку они используются для образования 2-оксоглутарата2-, который в печени необходим для синтеза глутамина (рис. 9-27 А). NH₄⁺ диссоциирует внутриклеточно с образованием NH₃ + Н⁺; оба продукта попадают независимо друг от друга (за счет неионной диффузии и соответственно секреции H⁺) в просвет канальца, где они вновь образуют NH₄⁺. Последние данные демонстрируют, что по крайней мере такое же количество аммиака выделяется в ионизированной NH₄⁺-форме. В этом случае секреция в просвете канальца осуществляется с помощью Na⁺-Н⁺-обменника, который, по всей видимости, вместо ионов H⁺ может принимать также NH₄⁺.

Небольшие количества NH₄⁺ могут отщепляться от глутамина и в просвете проксимального канальца. Там в качестве «глутаминазы» действует γ-глутамилтрансфераза (γ-GT).

Дистальный прямой каналец (толстая восходящая часть петли Генле).

В результате секреции NH₃ и соответственно NH₄⁺ в конце проксимального канальца обнаруживается в 9 раз больше NH₄⁺ (↔ NH₃), чем в фильтрате. Однако лишь одна треть этого количества достигает дистального извитого канальца, оставшиеся две трети реабсорбируются (с помощью вторичного активного транспорта) в виде NH₄⁺-ионов в дистальном прямом канальце (рис. 9-27 Б) посредством расположенного на люминальной мембране переносчика BSC1 (котранспорт), который при этом связывает NH₄⁺-ионы вместо K+. После внутриклеточной диссоциации NH₄⁺ (на NH₃ и H⁺) H⁺ возвращается обратно в просвет канальца (Na⁺-H⁺-обменник), а NH₃ диффундирует из петли Генле в интерстициум мозгового вещества почек, поэтому там устанавливается высокая (возрастающая по направлению к сосочкам до 10 ммоль) концентрация NH₄⁺ о NH₃. NH₃ попадает оттуда за счет неионной диффузии в просвет собирательного протока.

Кроме того в дистальном прямом канальце на апикальной мембране клеток эпителия локализован переносчик, обеспечивающий обмен Na⁺/H⁺. Он предотвращает увеличение значения рН канальцевой мочи, которое в верхнем отделе проксимального канальца было снижено до 6,5-6,8, тем более что на этом отрезке нефрона положительный в просвете канальца трансэпителиальный потенциал представляет собой движущую силу для межклеточной реабсорбции H⁺.

Просвет собирательного протока

NH₃ в просвете собирательного протока (рис. 9-27 В) вследствие обычно очень низкого значения рН тотчас же превращается в NH₄⁺. Почти 80% секретируемого в проксимальном канальце количества попадает в конечную мочу.

На рис. 9-27 Д суммированы пути почечной секреции и выведения аммиака/аммония.

Рис. 9-27. Транспорт аммония (NH₄⁺) - почечная секреция и выведение аммиака/ аммония.

А - на люминальной и базолатеральной мембране клеток проксимального канальца существуют механизмы транспорта (котранспорт с Na+) внутрь клетки глутамина, который образуется в печени и превращается в почках в 2 NH₄⁺ + 2-оксоглутарат2-. NH₄⁺ диссоциирует в клетках канальца на NH₃ и H+, которые с одной стороны независимо друг от друга попадают в просвет канальца, и с другой стороны в недиссоциированном виде покидают клетку в направлении просвета канальца в качестве заряженных ионов NH₄⁺ с помощью Na⁺-Н+-переносчика (вместо H⁺). Б - большая часть образованного в проксимальном канальце NH₃ ↔ NH₄⁺ реабсорбируется в дистальном прямом канальце (толстой восходящей части петли Генле) в ионизированном виде и попадает в интерстициум мозгового вещества почки. В - из интерстициума мозгового вещества почки соединение в результате неионной диффузии переходит в собирательный проток. Высокая концентрация NH₃ ↔ NH₄⁺ в мозговом веществе почек и низкие значения pH мочи в собирательной трубочке ускоряют эту диффузию