Особливості клубочкової фільтрації

Кров, яка тече по капілярах клубочка, від фільтрату, який міститься в порожнині між двома листками капсули ниркового клубочка, відокремлює ниркова мембрана, що складається з 3 шарів: ендотелію, базальної мембрани і епітеліальних клітин – подоцитів. За допомогою електронної мікроскопії виявлено, що всі ці утворення мають "вікна", через які можуть легко проходити вода і більшість розчинених у плазмі речовин.

Шар ендотелію має круглі або овальні отвори, які займають до 30% площі мембрани. Подоцити переплітаються відростками, між якими також утворюються щілини. Найменш проникною є базальна мембрана. Вона утворюється колагеновими волокнами і являє собою сітчасту структуру.

Важливе значення у функціонуванні фільтраційної мембрани належить мезангіальним клітинам. Володіючи фагоцитарною активністю, вони поглинають макромолекули, що фільтруються, в тому числі і імунні комплекси. Крім цього, мезангіоцити приймають участь у відновленні базальної мембрани.

Проникність ниркової мембрани. Сумарне сито мембрани капсули добре проникне для речовин, які мають молекулярну масу менше за 5500. У нормі молекулярна маса 80 000 - це абсолютна межа для проходження частин через пори. У проміжку 5 500-80 000 молекули фільтруються тим меншою мірою, чим більший їх розмір. Так фільтраційна здатність гемоглобіну (молекулярна маса 64 500) складає близько 3%, а альбуміну (молекулярна маса 69 000) – менше за 1%. Проходження молекул утруднене не тільки через їх розміри, але й через негативний заряд стінки пор і однойменний заряд молекули. Тому негативно заряджені молекули фільтруються в меншій мірі, а позитивно заряджені – в більшій мірі, ніж електронейтральні молекули.

Оскільки переважна більшість білків плазми несе тільки негативний електричний заряд, тому це є суттєвою перешкодою для їх проникнення через ниркову мембрану.

Слід вказати, що негативний заряд фільтраційної мембрани є перешкодою тільки по відношенню до макромолекул, але не по відношенню до неорганічних іонів не зв'язаних з макромолекулами або низькомолекулярних органічних розчинних речовин.

Таким чином, в умовах фізіологічної норми розміри пор визначають склад клубочкового фільтру. В нормі у фільтраті можна виявити майже всі речовини, які містяться в плазмі крові, за винятком білків великих розмірів. Кількість фільтрату, швидкість його утворення залежать від ефективного фільтраційного тиску та коефіцієнту фільтрації. Фільтрація відбувається без витрати енергії. Це пасивний вид транспорту речовини.

На відміну від плазми фільтрат (первинна сеча) майже не містить білків. Крім того, в ньому трохи менше катіонів, які затримуються в плазмі у зв'язаному з білками стані. Виділення одновалентних іонів незначне, а двовалентних – істотне. Так, у плазмі зв'язані з білками до 40 % Са²⁺ та 25 % Мg²⁺. Через це в плазмі кальцію міститься 2,5 ммоль/л, а у фільтраті – 1,5 ммоль/л вільних іонів та 0,2 ммоль/л низькомолекулярних комплексів.

Об'єм фільтрату (первинної сечі), що утворюється в нирках за одиницю часу, називається швидкістю клубочкової фільтрації. У чоловіків швидкість клубочкової фільтрації приблизно складає 125 мл/хв, а у жінок – 110 мл/хв з розрахунку на 1,73 м² площі поверхні тіла. У фільтрат надходить приблизно 1/5 об'єму плазми, яка проходить через нирки. Внаслідок цього за добу утворюється 150-180 л первинної сечі. Тобто вся плазма крові очищається нирками 50-60 разів на добу. Швидкість клубочкової фільтрації підтримується практично на постійному рівні. Правда вночі, вона суттєво знижується.

У фільтраті, така ж як і в плазмі крові, концентрація неіонізованих кристалоїдів, глюкози, амінокислот, сечовини, креатиніну. На відміну від плазми первинна сеча не містить форменних елементів, майже позбавлена білків. Крім того, у ній трохи менше катіонів, які затримуються в плазмі у зв'язаному з білками стані. Це стосується як одновалентних, так і двовалентних іонів. Так, у плазмі зв'язані з білками до 40% іонів Са²⁺ та 25% Mg²⁺. Не зв'язані катіони потрапляють у капсулу клубочка у вигляді або вільних іонів, або зв'язаних з низькомолекулярними аніонами. До останніх відноситься, наприклад, цитрат кальцію. Через це в плазмі кальцію міститься в середньому 2,5 ммоль/л, а у фільтраті – 1,5 ммоль/л вільних іонів та 0,2 ммоль/л низькомолекулярних комплексів.

Щодо вмісту аніонів у первинній сечі, то відомо, що їх концентрація на 10% більша, ніж у плазмі.

Оцінити клубочкову фільтрацію можна за коефіцієнтом очищення (кліренсом). Кліренс речовини – це об'єм плазми, який повністю очищається від певної речовини за одиницю часу. Кожна речовина плазми має свою власну величину кліренса.

Для визначення швидкості клубочкової фільтрації використовують інертні нетоксичні речовини, не зв'язані з білками плазми крові, що вільно проходять через пори мембрани шляхом фільтрації і не підлягають ні реабсорбції, ні секреції. Такими речовинами є інулін, ендогенний креатинін та ін.

Швидкість клубочкової фільтрації вимірюють у мілілітрах за 1 хв на 1,73 м² поверхні тіла і кількісно вона відповідає кліренсу:

С_in = U_in – P_in ּV,

де С_in – кліренс інуліну, або швидкість клубочкової фільтрації; U_in – концентрація інуліну в сечі; P_in – концентрація інуліну в плазмі крові; V – кількість сечі (мл/хв).

З віком швидкість клубочкової фільтрації зменшується і її поправку на вік можна зробити за формулою:

С_in = 153,2 – 0,96 ּ вік (у роках)

У регуляції швидкості клубочкової фільтрації важливу роль відіграють два внутрішньониркових механізми ауторегуляції: міогенний механізм та канальцево-клубочковий зворотній зв'язок.

Міогенний механізм аналогічний для інших ділянок судинного русла кровоносної системи. Суть його зводиться до того, що гладкі м'язи приносних і виносних артеріол скорочуються при підвищенні в них артеріального тиску. Це веде до зменшення клубочкової фільтрації.

Канальцево-клубочковий зворотній зв'язок є більш складним механізмом регуляції.

Зростання швидкості клубочкової фільтрації внаслідок підвищення артеріального тиску в нирці веде до зростання швидкості току рідини через канальці нефрона. Юкстрагломерулярний апарат на це реагує виділенням аденозину, який, на відміну від його вазодилятуючого ефекту, в інших ділянках судинного русла викликає скорочення гладких м'язів аферентних артеріол і як наслідок наступає зменшення швидкості клубочкової фільтрації.

Ауторегуляція практично зникає при середньому артеріальному тиску нижче 70 мм рт.ст. і тоді вона не є регулятором швидкості клубочкової фільтрації.

Аферентні і еферентні артеріоли клубочків отримують симпатичну інервацію. Норадреналін, який виділяється в закінченнях цих нервів, діє на альфа-адренергічні рецептори і викликає звуження артеріол із наступним зниженням швидкості клубочкової фільтрації.

Симпатичні нерви через бета-адренорецептори стимулюють секрецію реніну юкстрагломерулярним апаратом з наступним зростанням концентрації ангіотензину ІІ. Ангіотензин ІІ, звужуючи приносні і виносні артеріоли, зменшує клубочкову фільтрацію. Крім цього, слід відзначити, що мезангіальні клітини мають ангіотензин ІІ рецептори. Тому ангіотензин ІІ викликає скорочення мезангіоцитів через фосфоліпазний С-інозітол-1,4,5-трифосфатний механізм. Завдяки скороченню мезангіальних клітин зменшується клубочковий кровотік, що сприяє зменшенню клубочкової фільтрації.

Скорочення мезангіоцитів, а відповідно і зменшення клубочкової фільтрації спостерігається під впливом вазопресину (АДГ).

Підвищена активність ниркових симпатичних нервів та збільшена продукція ангіотензину ІІ сприяють синтезу простагландинів – вазодилятаторів аферентних і еферентних артеріол. Розширення артеріол клубочків веде до зростання швидкості клубочкової фільтрації. Подібний ефект, внаслідок вазодилятації обох судин, виникає під впливом ацетилхоліну, дофаміну, оксиду азоту (NO). Зараз встановлено, що NO викликає розслаблення мезангіальних клітин, а відповідно збільшення клубочкового кровобігу і фільтрації.

Концентрацієзалежні ефекти проявляють циркулюючі в крові катехоламіни. Великі їх концентрації обумовлюють звуження приносних артеріол, внаслідок чого зменшується клубочкова фільтрація. Невеликі концентрації катехоламінів викликають звуження виносних судин, що веде до збільшення швидкості клубочкової фільтрації.

Передсердний натрійдіуретичний пептид обумовлює дилятацію аферентних артеріол, але звуження еферентних артеріол. Це викликає зростання клубочкової фільтрації в нирках. Цьому також сприяє вплив передсердного натрійуретичного пептиду на мезангіальні клітини, їх розслаблення, збільшення клубочкового кровотоку і відповідно клубочкової фільтрації.

 

Особливості процесів реабсорбції в канальцях нирок

Первинна сеча, проходячи по канальцях та збиральних трубочках, перед тим, як перетворитися на кінцеву сечу, зазнає значних змін. Різниця полягає не тільки в її кількості (із 180 л залишається 1-1,5 л), але й якості. Деякі речовини, потрібні організму, цілком зникають із сечі або їх стає набагато менше. Відбувається процес реабсорбції. Концентрація інших речовин у багато разів збільшується: вони концентруються при реабсорбції води. Ще інші речовини, яких взагалі не було в первинній сечі, з'являються в кінцевій. Це відбувається в результаті їх секреції.

Канальцева реабсорбція відбувається у всіх відділах, але її механізм в різних частинах не одинаковий.

Процеси реабсорбції можуть бути активними або пасивними. Для здійснення активного процесу потрібно, щоб були специфічні транспортні системи та енергія. Пасивні процеси відбуваються, як правило, без витрати енергії за законами фізики і хімії.

У проксимальних звивистих канальцях повністю реабсорбуються амінокислоти, глюкоза, вітаміни, мікроелементи. В цьому ж відділі реабсорбується близько 2/3 води та неорганічних солей Nа⁺, К⁺, Са²⁺, Мg²⁺, Сl^–, НСО^–, тобто ті речовини, які потрібні організму для його діяльності. Механізм реабсорбції головним чином прямо чи посередньо пов'язаний з реабсорбцією Nа⁺.

Реабсорбція натрію. Більша частина Nа⁺ реабсорбується проти градієнту концентрації за рахунок енергії АТФ. Реабсорбція Nа⁺ здійснюється в 3 етапи: перенесення іона через апікальну мембрану епітеліальних клітин канальців, транспортування до базальної або латеральної мембрани та перенесення через зазначені мембрани в міжклітинну рідині і в кров. Основною рушійною силою реабсорбції є перенесення Nа⁺ за допомогою Nа⁺, К⁺–АТФази через базолатеральну мембрану. Це забезпечує постійне відтікання іонів з клітин. Унаслідок цього Nа⁺ за градієнтом концентрації за допомогою спеціальних утворень ендоплазматичного ретикулуму надходить до мембран, повернутих до міжклітинного середовища.

Внаслідок цього постійно діючого конвейєра концентрація іонів в середині клітини і особливо поблизу апікальної мембрани стає значно нижчою, ніж з другого її боку. Це сприяє пасивному надходженню Nа⁺ в клітину по іонному градієнту. Таким чином, 2 етапи натрієвої реабсорбції клітинами канальців є пасивними і лише один, кінцевий, потребує витрат енергії. Крім того, частина Nа⁺ реабсорбується пасивно по міжклітинних проміжках разом із водою.

Реабсорбція глюкози. Глюкоза реабсорбується разом із транспортом Nа⁺. В апікальній мембрані клітин є спеціальні транспортери. Це білки з молекулярною масою 320 000, які в початкових відділах проксимального канальця переносять один Nа⁺ та одну молекулу глюкози (поступове зменшення концентрації глюкози в сечі призводить до того, що в наступній ділянці канальця для перенесення однієї молекули глюкози використовується вже два Nа⁺). Рушійною силою цього процесу є також електрохімічний градієнт Nа⁺, На протилежному боці клітини комплекс Nа-глюкоза-переносник розпадається на три елементи. Внаслідок цього звільнений переносник повертається на своє колишнє місце і знову набуває здатності переносити нові комплекси Nа⁺ та глюкози. В клітині концентрація глюкози збільшується, завдяки чому утворюється градієнт концентрації, який спрямовує її до базально-латеральних мембран клітини та забезпечує вихід у міжклітинну рідину. Звідси глюкоза надходить у кровоносні капіляри і повертається в загальний кровообіг. Апікальна мембрана не пропускає глюкозу назад у просвіт канальця.

 

Реабсорбція амінокислот. Реабсорбція амінокислот відбувається за таким же механізмом, як і реабсорбція глюкози. Повна реабсорбція амінокислот відбувається вже в початкових відділах проксимальних канальців. Цей процес також пов'язаний з активною реабсорбцією Nа⁺ через апікальну мембрану клітини.

Виявлено 4 типи транспортних систем: а) для основних; б) для кислих; в) для гідрофільних; г) для гідрофобних амінокислот. Із клітини амінокислоти пасивно по градієнту концентрації проходять через мембрану в міжклітинну рідину, а звідти – в кров.

Особливості реабсорбції білків. Механізм реабсорбції білків значно відрізняється від механізму реабсорбції описаних сполук. Потрапляючи в первинну сечу, невелика кількість білків у нормі майже повністю реабсорбується шляхом піноцитозу. В цитоплазмі клітин проксимальних канальців білки розпадаються за участю лізосомальних ферментів. Амінокислоти, які утворюються, за градієнтом концентрації з клітини надходять у міжклітинну рідину, а звідти – в кровоносні капіляри. Таким шляхом може реабсорбуватися до 30 мг білка за 1 хв. При ушкодженні клубочків у фільтрат потрапляє більше білків і частина їх може надходити в сечу (протеїнурія).

Реабсорбція води. Процеси реабсорбції води відбуваються в усіх відділах нефрона. У проксимальних звивистих канальцях реабсорбується в петлі нефрона і 15% – в дистальних звивистих канальцях та збиральних трубочках. У кінцевій сечі, як правило, залишається лише 1% води фільтрату. Причому в перших двох відділах кількість реабсорбованої води мало залежить від водного навантаження організму і майже не регулюється. У дистальних відділах реабсорбція регулюється залежно від потреби організму: вода, яка потрапила сюди, може затримуватися в організмі чи виводитися з сечею.

В епітелії канальців нефрона є шляхи полегшеного проходження для води – водні пори (канали). Їх молекулярну природу становлять білки – аквапорини. У даний час виділяють строго специфічні аквапорини, які забезпечують проникність тільки для води і аквагліцепорини, які крім води пропускають гліцерин, сечовину і інші крупні молекули. Для водних каналів проксимальних канальців і низхідного коліна петлі Генле характерні аквапорини АQР₁. Вони знаходяться в апікальних та базолатеральних мембранах клітин, які утворюють ці канальці. У збиральних трубочок виявлено 3 типи аквапоринів: АQР₂, АQР₃, АQР₄. Аквапорини АQР₂ локалізуються в апікальних мембранах. Сюди вони переміщаються під впливом вазопресину (АДГ) з внутрішньоклітинних везикул. У базолатеральних мембранах розміщені аквагліцеропорини АQР₃ і аквапорини АQР₄.

В основі реабсорбції води лежать процеси осмосу. Вода реабсорбується вслід за іонами. Основним іоном, який забезпечує пасивне всмоктування води, є Na⁺. Реабсорбція інших речовин (глюкози, амінокислот та ін.), яка здійснюється в цих відділах нефрона, також сприяє всмоктування води.

У звичайних умовах величина реабсорбції води становить 98-99%.

Активна секреція органічних кислот та основ. У проксимальних канальцях діють три типи транспортних систем, які активно (з використанням АТФ) секретують різні речовини. Одна з них секретує органічні кислоти (парааміногіпурову, сечову кислоти, пеніцилін тощо), друга – відносно сильні органічні основи (гуанідин, холін), третя – етилендіамінтетраацитат. Вони функціонують незалежно одна від одної. Завдяки активній секреції ці речовини надходять у сечу за допомогою клубочкової фільтрації і канальцевої секреції. Секретуються речовини проти градієнту концентрації за допомогою спеціальних переносників та з використанням АТФ.

Тому в кінцевій сечі концентрація їх може у 500-1000 разів перевищувати концентрацію в крові. Деякі речовини секретуються так активно, що плазма, проходячи через подвійну мережу капілярів, майже звільняється від цих сполук. Транспортні секретуючі механізми мають здатність до адаптації – при тривалому надходженні цих речовин у крові кількість транспортних систем поступово збільшується за рахунок білкового синтезу. Це треба мати на увазі, наприклад, при лікуванні хворих препаратами групи пеніциліну: з часом кров очищається від них більшою мірою, а це означає, що для підтримання потрібної терапевтичної концентрації їх у крові слід збільшувати дозу.

 

Канальцева секреція

У сучасній фізіологічній науці термін секреція має два значення. Перше означає процес перенесення в незміненому вигляді речовини з перитубулярних капілярів через інтерстиціальну рідину в просвіт канальця. Таким чином секретуються органічні кислоти та основи, іони К⁺. Друге – виділення з клітин канальця утворених там речовин в його просвіт. Це скажімо стосується секреції аміаку, водню.

Секреція органічних кислот та основ. У проксимальних канальцях діють транспортні системи, які активно здійснюють секрецію. Одна з них забезпечує видалення з організму органічних кислот (парааміногіпурову, сечову кислоти, оксалати, пеніцилін, сульфаніламіди, фуросемід тощо).

Найбільш вивчено секрецію парааміногіпурової кислоти (ПАГ), речовини, яку використовують для вивчення канальцевої секреції ниркового плазмо- та кровотоку. Ця речовина активно переноситься в клітини проксимального канальця через базолатеральну мембрану. Виникаюча при цьому висока внутрішньоклітинна концентрація створює градієнт для полегшеної дифузії ПАГ через апікальну мембрану в просвіт канальця.

У проксимальних канальцях, подібно до ПАГ, секретується сечова кислота. Крім цього вона активно і реабсорбується в тому ж проксимальному канальці. Тому кількість сечової кислоти екскретованої – це частина її, яка секретувалась, а не реабсорбувалася.

У проксимальних канальцях існує і активна транспортна система для виділення органічних основ (ацетилхоліну, адреналіну, серотоніну, тіаміну тощо). Секреція цих речовин відбувається подібно до виділення органічних кислот.

Секреція аміаку. У канальцевих клітинах дезамінування амінокислоти глутамін супроводжується появою аміаку. Будучи нейтральним, добре розчинним у жирах, він легко дифундує через апікальні клітинні мембрани в канальцеву рідину. Але, якщо його не зв'язати в сечі, то він може повернутися клітину або міжклітинну рідину. У сечі завдяки присутності Н⁺ аміак перебуває у стані рівноваги з амонієм: NН₃ + Н⁺⇆NН₄⁺

Іон амонію погано проникає через мембрану і, зв'язуючись з катіонами, виділяється з сечею. Таким чином, кисла сеча, яка містить велику кількість Н⁺, сприяє секреції аміаку.

 

Склад вторинної сечі
Білок	0,01-0,1 г/добу
Продукти метаболізму білків:
– аміак	29-50 ммоль/добу
– загальний азот	5-12250 ммоль/добу
– сечовина	333-583 ммоль/добу
Продукти метаболізму вуглеводів:
– глюкоза	0-0,725 ммоль/добу
Мікроскопія осаду сечі дорослих:
– епітеліальні клітини	0-3 в полі зору
– лейкоцити	1-3 в полі зору
– еритроцити	поодинокі в полі зору
– циліндри: – гіалінові	поодинокі в полі зору
– зернисті і восковидні	відсутні
– солі	невелика кількість уратів та оксалатів
– проба за Нечипоренком /л	1-2 · 10^6 еритроцитів
	2-4 · 10^6лейкоцитів/л
– проба за Амбюрже	1 · 10^3 еритроцитів/хв
	2 · 10^3 еритроцитів/л
	1-2 гіалінових циліндри/хв

 

Показники функціонального стану нирок:
Добовий діурез	1-1,5л
Ефективний фільтраційний тиск	25 мм рт ст. /3,3кПа
Клубочкова фільтрація	90-130 мл/хв 1,73 м^2
Нирковий поріг для глюкози	8-10 ммоль/л
Реабсорбція води	98-99%
Нирковий кровотік	1150-1250 мл/хв,73 м^2
Нирковий плазмотік	550-600 мл/хв 1,73м^2
Секреція парааміногіпурової кислоти (ПАГ)	80 мг/хв 1,73м^2
Проба за Зимницьким:
– максимальна відносна густина	не нижче 1,018 г/см^3
– денний діурез	2/1