Выделение. Функции почек. Этапы мочеобразования

Выделение — часть обмена веществ, осуществляемая путем выведения из внутренней среды организма во внешнюю среду конечных и промежуточных продуктов метаболизма, чужеродных и излишних веществ для обеспечения оптимального состава внутренней среды и нормальной жизнедеятельности организма.

Функция выделения веществ из внутренней среды организма осуществляется почками, желудочно-кишечным трактом, легкими, кожей и слизистыми оболочками, слюнными железами. Реализуемые ими процессы выделения находятся в координированной взаимосвязи и поэтому функционально эти органы объединяют понятием выделительная система организма.

ВЕХИ ИСТОРИИ
1662 - Л. Беллини (L. Bellini, Италия) открыл канальцы в сосочках почки (беллиниевы протоки).
1666 - М. Мальпиги (М. Malpighi, Италия) открыл в почках животных сферические образования (мальпигиево тельце), связанные с кровеносными сосудами.
1782 - А. М. Шумлянский (Россия) установил связь мальпигиева тельца с канальцами.
1842 - У. Боумен (W. Bowman, Великобритания) описал строение клубочка почки и его взаимосвязь с канальцами.

1849 - К. Людвиг (К. Ludwig, Германия) высказал мысль о значении гломерулярной фильтрации и канальцевой реабсорбции в образовании мочи.
1862 - Ф. Генле (F. Henie, Германия) открыл отдел нефрона (петля), названный в последующем петлей Генле.
1874 - Р. Гейденгайн (R. Heidenhain, Германия) обосновал значение канальцевой секреции в мочеобразовании.
1883 - И. П. Павлов (Россия) описал способ наложения фистулы мочевого пузыря у собак для проведения хронических опытов.

1917 - А. Кешни (A. Cushny, Великобритания) опубликовал первую монографию о функции почки "Секреция мочи", где сформулировал "современную теорию образования мочи".
1924 - А. Ричарде (A. Richards, США) осуществил микропункцию клубочка у лягушки и получил из капсулы безбелковый фильтрат сыворотки крови.
1924 - Э. Маршалл и М. Крейн (Е. Marshall, M. Crane, США) описали секрецию фенолового красного почкой кролика.
1924 - Л. А. Орбели (СССР) предложил метод раздельного выведения мочеточников у собак.
1926 - П. Реберг ((Р. Rehberg, Дания) предложил использовать экзогенный креатинин для измерения клубочковой фильтрации.

1929 - Д. Ван-Слайк (D. Van Slyke, США) предложил понятие "почечный клиренс" для оценки интенсивности экскреции мочевины.
1943 - Г. Смит (Н. Smith, США) разработал метод клиренсов и предложил использовать диодраст для исследования почечного кровотока.
1951 - X. Вирц, Б. Харгитей, В. Кун (Н. Wirz, В. Hargitay, W. Kuhn, Швейцария) обосновали и экспериментально показали роль противоточно-множительной системы в осмотическом концентрировании мочи.
1958 - А. Г. Гинецинский (СССР) высказал гипотезу о роли гиалуронидазы в действии антидиуретического гормона в почке.

Органы, принимающие участие в выделительных процессах
(очищение крови от продуктов метаболизма)

Выделительная функция кожи, непосредственно контактирующей с внешней средой большой площадью поверхности, преимущественно обеспечивается деятельностью потовых и сальных желез. В среднем у человека за сутки выделяется от 300 до 1000 мл пота, что зависит от:
1.температуры окружающей среды
2.интенсивности энергетического метаболизма. СОСТАВЫ ПОТА И ПЛАЗМЫ КРОВИ ОТЛИЧАЮТСЯ, ПОСКОЛЬКУ ПОТ ЯВЛЯЕТСЯ НЕ ПРОСТЫМ ФИЛЬТРАТОМ ПЛАЗМЫ, А СЕКРЕТОМ ПОТОВЫХ ЖЕЛЕЗ.

При недостаточности функции почек или печени возрастает выделение через кожу веществ, обычно экскретируемых с мочой — мочевины, ацетона, желчных пигментов и др. С потом выделяются пепсиноген, амилаза и щелочная фосфатаза, отражая тем самым функциональное состояние органов пищеварения.
РЕГУЛЯЦИЯ ПОТООТДЕЛЕНИЯ
осуществляется симпатическими холинергическими влияниями, а также гормонами — вазопрессином, альдостероном, гормонами щитовидной железы и половыми стероидами.

Выделительная функция печени реализуется за счет образования и секреции в ней желчи. С желчью из организма экскретируются конечные продукты обмена гемоглобина и других порфиринов в виде желчных пигментов, конечные продукты обмена холестерина — в виде желчных кислот.
В составе желчи из организма выделяются тироксин, мочевина, кальций и фосфор, а также вещества, поступающие в организм: лекарственные препараты, ядохимикаты и др.

Выделительная функция кишечника:
1. выделение продуктов распада пищевых веществ, не подвергшихся всасыванию в кровь и представляющих излишние или вредные для организма соединения.
2. кишечник экскретирует вещества, поступившие в его просвет с пищеварительными соками (желудочным, поджелудочным) и желчью. При этом многие из них в кишечнике подвергаются метаболизму и с калом выделяются не сами вещества, а их метаболиты, например метаболиты билирубина желчи.

3.стенка кишечника способна экскретировать из крови ряд веществ, среди которых особое значение имеет экскреция плазменных белков (ПРИ ЧРЕЗМЕРНОСТИ ЭТОГО ПРОЦЕССА ВОЗНИКАЕТ ИЗБЫТОЧНАЯ ПОТЕРЯ ОРГАНИЗМОМ БЕЛКА, ВЕДУЩАЯ К ПАТОЛОГИИ), а также из крови кишечный эпителий экскретирует соли тяжелых металлов, магний, почти половину всего выделяемого организмом кальция.
4.Вместе с экскрементами кишечником выделяется и некоторое количество воды (в среднем около 100 мл/сут).

Процессы газообмена, происходящие в легких, обеспечивают удаление из внутренней среды организма летучих метаболитов и экзогенных веществ — углекислого газа, аммиака, ацетона, этанола и др. Через слизистую оболочку дыхательных путей испаряется значительное количество воды (от 400 мл в покое до 1 л при усиленном дыхании), а при повышении проницаемости аэрогематиче— ского барьера из крови могут в избытке выделяться пурины, аденозин- и гуанозинмонофосфаты.

ВНЕПОЧЕЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ПРОДУКТОВ МЕТАБОЛИЗМА. А — ВЫДЕЛИТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ ЛЕГКИХ; Б — КОЖИ; В — СЛИЗИСТОЙ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОГО ТРАКТА; Г — ЖЕЛЧИ

ФУНКЦИИ ПОЧЕК
ПОЧКИ УЧАСТВУЮТ В РЕГУЛЯЦИИ:
1) водного баланса организма и, соответственно, объемов вне- и внутриклеточных водных пространств, поскольку меняют количество выводимой с мочой воды;
2) ионного баланса и состава жидкостей внутренней среды путем избирательного изменения экскреции ионов с мочой;

3) постоянства осмотического давления жидкостей внутренней среды за счет изменения количества выводимых осмотически активных веществ (солей, мочевины, глюкозы и др.);
4) кислотно-основного баланса, путем изменения экскреции водородных ионов, нелетучих кислот и оснований;
5) метаболизма белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и других органических соединений

6) циркуляторного гомеостазиса, путем регуляции обмена электролитов, объема циркулирующей крови, внутренней секреции гормонов, регулирующих функции сердечно-сосудистой системы, — ренина, кальцитриола и др., а также экскреции катехоламинов и других гормональных регуляторов системы кровообращения;
7) эритропоэза, за счет внутренней секреции эритропоэтина — гуморального регулятора эритрона;

8) гемостаза, путем образования гуморальных регуляторов свертывания крови и фибринолиза (урокиназы, тромбопластина, тромбоксана и простациклина) и участвуя в обмене физиологических антикоагулянтов (гепарина).
Таким образом, выделяют следующие ОСНОВНЫЕ функции почек:
ЭКСКРЕТОРНУЮ,
ГОМЕОСТАТИЧЕСКУЮ,
МЕТАБОЛИЧЕСКУЮ
ИНКРЕТОРНУЮ И
ЗАЩИТНУЮ.

Механизмы мочеобразования
Основной структурно-функциональной единицей почки, обеспечивающей образование мочи, является нефрон. В почке человека находится около 1,2 млн. нефронов. Существует определенная периодичность активности отдельных нефронов: часть из них функционирует, а другие нет. Эта периодичность обеспечивает надежность деятельности почки за счет функционального дублирования.
В связи с этим важным показателем функциональной активности почки является масса действующих нефронов в конкретный момент времени.

Нефрон состоит из нескольких последовательно соединенных отделов, располагающихся в корковом и мозговом веществе почки.
Сосудистый клубочек, или мальпигиево тельце, является структурой, где происходит процесс ультрафильтрации плазмы крови через фильтрационный барьер и образование первичной мочи.
Главный, или проксимальный, отдел канальцев, начинающийся от полости капсулы извитой частью, которая затем переходит в прямую часть канальца.

Тонкий нисходящий отдел петли Генле.
Тонкая восходящая часть, соединяющаяся с дистальным отделом канальцев.
Дистальный отдел канальцев, состоящий из толстой восходящей части петли Генле или прямого отдела и извитой части.
Собирательные трубки спускаются из коры почек вглубь мозгового вещества.

Ультраструктура отдельных клеток эпителия канальцев почек (по Дж. Родину, 1958): I — клетка проксимального извитого канальца, II — клетка проксимального прямого канальца, III — клетка нисходящего тонкого колена петли Генле. IV — клетка толстого восходящего колена петли Генле, V — клетка дистального извитого канальца, VI — «темная» клетка связующего канальца и собирательной трубки, VII — «светлая» клетка связующего канальца

По особенностям локализации клубочков в коре почек, строения канальцев и особенностям кровоснабжения различают ТРИ ТИПА НЕФРОНОВ:
Суперфициальные имеют поверхностно расположенные в коре клубочки, наиболее короткую петлю Генле, их 20—30 %.
Интракортикальные, клубочки которых расположены в средней части коры почки, наиболее многочисленны (60—70 %) и выполняют основную роль в процессах ультрафильтрации мочи.

Юкстамедуллярных нефронов значительно меньше (10—15 %), клубочки их расположены у границы коркового и мозгового вещества почки, выносящие артериолы шире приносящих, петли Генле самые длинные и спускаются почти до вершины сосочка пирамид. Выносящие артериолы образуют прямые капиллярные нисходящие и восходящие сосуды, идущие в глубину мозгового вещества параллельно петлям Генле. Юкстамедуллярные нефроны играют ведущую роль в процессах концентрирования и разведения мочи.

Механизм мочеобразования складывается из трех основных процессов:
• клубочковой ультрафильтрации из плазмы крови воды и низкомолекулярных компонентов с образованием первичной мочи;
• канальцевой реабсорбции (обратного всасывания в кровь) воды и необходимых для организма веществ из первичной мочи;
• канальцевой секреции ионов, органических веществ эндогенной и экзогенной природы.

Процессы, происходящие в канальцах при прохождении по ним различных компонентов мочи

Клубочковая ультрафильтрация осуществляется под влиянием физико-химических и биологических факторов через структуры гломерулярного фильтра, находящегося на пути выхода жидкости из просвета капилляров клубочка в полость капсулы Боумена— Шумлянского. Гломерулярный фильтр состоит из З слоев:
эндотелия капилляров (пронизан отверстиями диаметром до 100 нм)
базальной мембраны (размер пор мембраны около 2,9 нм),
эпителия висцерального листка капсулы или подоцитов (щелевые диафрагмы с диаметром пор около 10 нм)

Физико-химические факторы обеспечения фильтрации представлены:
1. отрицательным зарядом структур фильтра
2. фильтрационным давлением, являющимся основной причиной фильтрационного процесса.
Фильтрационное давление — это сила, обеспечивающая движение жидкости с растворенными в ней веществами из плазмы крови капилляров клубочка в просвет капсулы.

Эта сила создается гидростатическим давлением крови в капилляре клубочка. Препятствующими фильтрации силами являются онкотическое давление белков плазмы крови (так как белки почти не проходят через фильтр) и давление жидкости (первичной мочи) в полости капсулы клубочка. Таким образом, фильтрационное давление (Фд) представляет собой разность между гидростатическим давлением крови в капиллярах (Рг) и суммой онкотического давления плазмы крови (Ро) и давления первичной мочи (Рм) в капсуле:
ФД = Рг — (Ро + Рм)

Клубочковый диурез: А — взаимодействие давлений, участвующих в фильтрации мочи: I — гидростатическое, II — онкотическое, III—внутрипочечное (по данным Ю. Наточина (1985), внутрипочечное давление составляет 20 мм рт.ст.); Б — представление о фильтрационном давлении (IV)

Основной количественной характеристикой процесса фильтрации является скорость клубочковой фильтрации (СКФ). СКФ — это объем ультрафильтрата или первичной мочи, образующийся в почках за единицу времени.
Эта величина зависит от нескольких факторов:
1) от объема крови, точнее плазмы, проходящей через корковое вещество почек в единицу времени, т. е. почечного плазмотока, составляющего в среднем у здорового человека массой 70 кг около 600 мл/мин;

2) фильтрационного давления, обеспечивающего сам процесс фильтрации;
3) фильтрационной поверхности, которая равна примерно 2—З % от общей поверхности капилляров клубочка (1,6 м2) и может изменяться при сокращении подоцитов и мезангиальньтх клеток;
4) массы действующих нефронов, т. е. числа клубочков, осуществляющих процесс фильтрации в определенный промежуток времени.

СКФ определяют в результате сопоставления концентрации определенного вещества в плазме крови и моче.
При этом используемое вещество должно выделяться вместе с водой только путем фильтрации и не реабсорбироваться. Таким условиям больше всего соответствует полисахарид фруктозы инулин. Исходя из концентрации инулина в плазме [Пин], и, определив его концентрацию в определенном объеме (V) конечной мочи [Мин], рассчитывают, какой объем первичной мочи соответствует найденной концентрации инулина.

Этот показатель получил название «клиренса» инулина или коэффициента очищения и рассчитывается по формуле:
Син = Мин х V мочи = СКФ (мл/мин) Пин
Поскольку инулин в организме отсутствует, для определения СКФ его необходимо капельно вводить в кровоток, создавая постоянную концентрацию. Это затрудняет исследование, поэтому в клинике обычно используют эндогенное вещество креатинин, концентрация которого в крови довольно стабильна (проба Реберга).

В норме СКФ составляет у мужчин около 125 мл/мин, а у женщин 110 мл/мин. В сутки образуется около 180 л первичной мочи, а за 25 мин фильтруется примерно З л плазмы крови.
Регуляция СКФ осуществляется за счет нервных и гуморальных механизмов. Нервные влияния реализуются вазомоторными ветвями почечных нервов, преимущественно симпатической природы, обеспечивающими изменение соотношения тонуса приносящих и выносящих артериол клубочков. Кроме того, симпатические влияния на юкстагломерулярные клетки через бета-адренорецепторы стимулируют секрецию ренина и тем самым реализуют ангиотензинный механизм регуляции фильтрации (спазм выносящих и/или приносящих артериол).

КАНАЛЬЦЕВАЯ РЕАБСОРБЦИЯ И ЕЕ РЕГУЛЯЦИЯ
РЕАБСОРБЦИЯ представляет собой транспорт веществ из мочи в лимфу и кровь, и в зависимости от механизма выделяют пассивный, первично и вторично активный транспорт.
В апикальной мембране локализованы переносчики и ионные каналы, обеспечивающие прохождение веществ через мембрану в клетку. В базолатеральных мембранах содержатся Na, К—АТФаза, Са—АТФаза, переносчики некоторых органических веществ.

ЭТО СОЗДАЕТ УСЛОВИЯ для всасывания органических и неорганических веществ из клетки в межклеточную жидкость, в конечном счете — в сосудистое русло. Наличие в апикальной мембране натриевых каналов, а в базолатеральных мембранах натриевых насосов обеспечивает возможность направленного потока ионов Na+ из просвета в клетку канальца и из клетки с помощью насоса в межклеточное вещество.
Клетка функционально является асимметричной, обеспечивая поток веществ из просвета канальца в кровь. В базальной части клеток почечных канальцев сосредоточены митохондрии, в которых при клеточном дыхании вырабатывается энергия для работы ионных насосов.

Различают реабсорбцию ПРОКСИМАЛЬНУЮ И ДИСТАЛЬНУЮ. Проксимальная реабсорбция обеспечивает полное всасывание ряда веществ первичной мочи — глюкозы, белка, аминокислот и витаминов.
В проксимальном отделе канальцев также всасывается:
2/3 профильтровавшихся воды и ионов натрия
большие количества ионов калия, двухвалентных катионов,
анионов хлора,
бикарбоната,
фосфата
мочевая кислота и мочевина.

Всасывание воды происходит пассивно путем простой диффузии по осмотическому градиенту и прямо зависит от реабсорбции ионов натрия хлорида, других осмотически активных веществ. Благодаря этому содержимое проксимального отдела остается изоосмотичньим плазме крови. Реабсорбция ионов натрия в проксимальном отделе осуществляется:
1.ПЕРВИЧНО АКТИВНЫМ ТРАНСПОРТОМ. Ионы натрия входит в клетки эпителия через апикальную мембрану пассивно через натриевые каналы по концентрационному градиенту.

Его выведение через базолатеральные мембраны Эпителиальных клеток происходит активно с помощью натрий-калиевых насосов, использующих энергию АТФ.
2.АНТИПОРТ. На апикальной мембране имеется электронейтральный переносчик, обеспечивающий активный обмен Nа и Н, при этом ион натрия поступает в клетку в обмен на удаляемый из клетки Н-ион. Профильтровавшийся бикарбонатный анион вместе с Н-ионом образуют угольную кислоту: НСО3- + Н+ = Н2С03

Располагающаяся на щеточной каемке эпителия канальца карбоангидраза катализирует разложение в канальцевой жидкости угольной кислоты:
Н2С03 Н20 + СО2
после чего СО2 диффундирует в клетку по градиенту концентрации. В клетке протекает обратная реакция. Таким образом, сопровождающим всасывающийся ион натрия в начальных отделах проксимального канальца анионом является бикарбонат.

3. КОТРАНСПОРТ. Пассивно, по электрохимическому градиенту, вслед за анионом хлора. 4. На апикальной мембране расположены переносчики-котранспортеры натрия и органических веществ (глюкозы, аминокислот), натрия и фосфата или сульфата.

Проксимальная реабсорбция глюкозы и аминокислот осуществляется с помощью специальных переносчиков щеточной каемки апикальной мембраны эпителиальных клеток. Эти переносчики транспортируют глюкозу или аминокислоту, только если одновременно связывают и переносят натрий. Такой вид транспорта называют ВТОРИЧНО АКТИВНЫМ, ИЛИ СИМПОРТОМ, т. е. совместным пассивным транспортом одного вещества (глюкоза) из-за активного транспорта другого (натрия) с помощью одного переносчика.

При избытке глюкозы в первичной моче может произойти полная загрузка всех молекул переносчиков и глюкоза уже не сможет всасываться в кровь. Эта ситуация характеризуется понятием «МАКСИМАЛЬНЫЙ КАНАЛЬЦЕВЫЙ ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВА» (Тм глюкозы), которое отражает максимальную загрузку канальцевых переносчиков при определенной концентрации вещества в первичной моче и, соответственно, в крови.
Эта величина составляет от 303 мг/мин у женщин до 375 мг/мин у мужчин.
Величине максимального канальцевого транспорта соответствует понятие
«почечный порог выведения».

Почечным порогом выведения называют ту концентрацию вещества в крови и, соответственно, в первичной моче, при которой оно уже не может быть полностью реабсорбировано в канальцах и появляется в конечной моче. Такие вещества, для которых может быть найден порог выведения, т. е. реабсорбирующиеся при низких концентрациях в крови полностью, а при повышенных концентрациях — не полностью, носят название пороговых.