Биохимия почек

Почка - парный орган, основной структурной единицей почек является нефрон. За 1 минуту в почках фильтруется 1000 - 1300 мл крови. Благодаря хорошему кровоснабжению, почки находятся в постоянном взаимодействии с другими тканями и органами и способны влиять на состояние внутренней среды всего организма.

ФУНКЦИИ ПОЧЕК:

1. ЭКСКРЕТОРНАЯ. Почками выводятся из организма:

а) конечные продукты катаболизма (например, такие продукты азотистого обмена, как мочевина, мочевая кислота, креатинин, а также продукты обезвреживания токсичных веществ).

б) избыток веществ, всосавшихся в кишечнике или образовавшихся в процессе катаболизма: вода, органические кислоты, витамины, гормоны и другие.

в) ксенобиотики - чужеродные вещества (лекарственные препараты, никотин).

2. ГОМЕОСТАТИЧЕСКАЯ. Почками регулируются:

а) водный гомеостаз

б) солевой гомеостаз

в) кислотно-основное состояние

3. МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ.

а) участие в углеводном, белковом, жировом обменах

б) синтез в почках некоторых биологически активных веществ: ренина, активной формы витамина D₃ , эритропоэтина, простагландинов, кининов. Эти вещества оказывают влияние на процессы регуляции АД, свертывания крови, на фосфорно-кальциевый обмен, на созревание эритроцитов и на другие процессы.

ЭТАПЫ МОЧЕОБРАЗОВАНИЯ

Из компонентов плазмы крови почки образуют мочу и эффективно могут регулировать ее состав.

1. УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ

В процессе ультрафильтрации происходит образовние первичной мочи.

Кровь, двигаясь по сосудам почки, фильтруется в полости клубочка через поры соединительнотканной капсулы - особого фильтра, который состоит из 3-х слоев. 1-й слой - эндотелий кровеносных капилляров, который имеет поры большого размера. Через эти крупные поры проходят все компоненты крови, кроме форменных элементов и высокомолекулярных белков. 2-й слой - базальная мембрана, которая построена из коллагеновых нитей (фибрилл), образующих молекулярное “сито”. Диаметр пор - 4нм. Базальная мембрана не пропускает белки с молекулярной массой выше, чем 50кДа. 3-й слой - эпителиальные клетки капсулы, мембраны которых заряжены отрицательно, что не дает возможности отрицательно заряженным альбуминам плазмы крови проникать в первичную мочу. Форма трехслойных пор сложная и не соответствует форме белковых молекул плазмы крови. Это несоответствие предотвращает проникновение нормальных белковых молекул в первичную мочу. Если же структура, форма, заряд молекулы белка изменены по сравнению с нормальной белковой молекулой, то такой аномальный белок може пройти через фильтр и попасть в мочу. Это один из механизмов очистки плазмы крови от дефектных белков и восстановления ее нормального состава.

Таким образом, ультрафильтрат (первичная моча) в норме почти не содержит белков и пептидов (всего 3-4 г/л). Зато состав низкомолекулярных небелковых компонентов, содержание различных ионов в первичная моча такие же, как и в плазме крови. Поэтому первичную мочу иногда называют “безбелковым фильтратом плазмы крови”.

Количество образующегося ультрафильтрата зависит от величины движущей силы ультрафильтрации - гидростатического давления крови в сосудах клубочка (в норме оно составляет приблизительно 70 мм.рт.ст.).

Движущей силе ультрафильтрации противодействует онкотическое давление белков плазмы крови (около 25 мм.рт.ст.) и гидростатическое давление ультрафильтрата в полости капсулы (около 15 мм.рт.ст.).

Таким образом, движущая сила ультрафильтрации составляет:

70 - (25+15) = 30 (мм рт.ст.),

и называется эффективным фильтрационным давлением.

Энергия АТФ в процессе ультрафильтрации не затрачивается.

Понятно, что понижение артериального давления и/или увеличение гидростатического давления в полости капсулы может приводить к замедлению, а при значительных изменениях и к полному прекращению образования первичной мочи (анурия).

В результате процесса ультрафильтрации образуется первичная моча. В сутки через почки человека проходит приблизительно 1500л крови, при этом образуется около 180 литров первичной мочи ( 125мл за 1 минуту).

Фильтрационную способность почек оценивают путем вычисления фильтрационного клиренса (коэффициента очищения) - для этого в кровь вводят определенные вещества, которые только фильтруются, но не реабсорбируются и не секретируются (полисахарид инулин, маннитол, креатинин).

Фильтрационныйклиренс - это такой объем плазмы крови, который полностью очищается от нереабсорбируемого вещества за 1 минуту.

Фильтрационный клиренс (ФК) рассчитывают по формуле:

где [A] мочи - концентрация вещества в моче

[A] крови - концентрация вещества в крови

V - скорость образования мочи (мл/мин)

Единицы измерения клиренса - мл (плазмы крови)/мин. У здорового человека ФК составляет около 125 мл/мин или 180 литров в сутки, т.е. это количество первичной мочи, образующейся в сутки.

Первичная моча, содержащая все низкомолекулярные компоненты крови и небольшое количество низкомолекулярных белков, подвергается реабсорбции в проксимальном канальце.

2. РЕАБСОРБЦИЯ

Реабсорбция - это движение веществ из просвета канальца в кровь. Реабсорбции подвергаются почти все белки, попавшие в ультрафильтрат, и другие необходимые организму вещества. Поэтому суточные потери белково-пептидного компонента мочи не превышают 100-150 мг/сутки, хотя в первичную мочу может фильтроваться до 8-10 граммов белка в сутки. 85% ультрафильтрата реабсорбируется в проксимальном отделе канальца. Здесь реабсорбируются около 99% воды, необходимые организму питательные вещества (глюкоза, аминокислоты), многие минеральные компоненты, и частично - конечные продукты азотистого обмена (мочевина, мочевая кислота).

Имеются два механизма реабсорбции:

1) простая диффузия (по градиенту концентраций);

2) активный транспорт - происходит против градиента концентраций и требует затрат энергии (АТФ).

Ионы Na⁺ реабсорбируются с участием натриевого насоса - мембранного фермента Na,К-зависимой АТФазы. Этот фермент имеет 2 центра связывания: для натрия и для калия. После связывания с натрием и калием АТФаза меняет свою конформацию, в результате происходит перенос обоих ионов через мембрану эпителия почечных канальцев. При этом используется энергия гидролиза АТФ. Многие вещества, например глюкоза и аминокислоты, реабсорбируются в комплексе с ионами Na, т.е. энергия для переноса этих соединений выделяется в результате действия АТФ-азы. Аналогично протекает реабсорбция ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ - в этом процессе участвует Ca²⁺,Mg²⁺-зависимая АТФаза. Кроме АТФаз в процессах активного транспорта участвуют особые транспортные белки-переносчики, которые называются транслоказами - они похожи по своим свойствам на ферменты:

- обладают способностью к избирательному связыванию с веществом, которое реабсорбируется (абсолютная и относительная избирательность);

- имеют предел работоспособности - уровень насыщаемости белка (подобно Vmax у ферментов). Он определяется не скоростью реабсорбции, а предельной концентрацией реабсорбируемого из первичной мочи вещества. Эта величина называется ПОЧЕЧНЫМ ПОРОГОМ РЕАБСОРБЦИИ. Кривая, отражающая процесс реабсорбции, похожа на кривую зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата:

Почечный порог реабсорбции равен наименьшей концентрации реабсорбируемого вещества, при которой достигается транспортный максимум реабсорбции (ТМ). Транспортный максимум характеризует состояние почечных канальцев. ТМ равен скорости транспорта вещества белком-переносчиком в условиях насыщения его переносимым веществом.

Для глюкозы, например, почечный порог реабсорбции (ППР) равен 10-12 ммоль/л. При нормальной концентрации глюкозы в крови транспортные системы еще не полностью насыщаются глюкозой, поэтому глюкоза в моче не появляется, т.е. она полностью реабсорбируется.

Существуют изотранслоказы, которые также, как изоферменты, отличаются друг от друга величиной константы Михаэлиса. Например, в начале проксимального отдела канальца, где еще велика концентрация глюкозы в фильтрате, находятся транслоказы с Км=6ммоль/л. В конце проксимального отдела, где большая часть глюкозы уже реабсорбирована, Км транслоказ равна 0.35ммоль/л. Благодаря этим транслоказам, имеющим различное сродство к глюкозе, практически вся глюкоза реабсорбируется из первичной мочи.

За сутки реабсорбируется:

- около 179 л воды;

- примерно 1 кг NaCl;

- около 340 г NaHCO₃;

- около 170 г глюкозы и т.д.

3. СЕКРЕЦИЯ

Канальцевая избирательная секреция похожа на реабсорбцию, но происходит в противоположном направлении - из крови в просвет канальцев. В основном секреция протекает в дистальной части канальца.

Процесс секреции также, как и процесс реабсорбции, протекает с затратой АТФ (активный транспорт) и характеризуется величиной транспортного максимума. Эта величина может служить характеристикой белков-переносчиков, обеспечивающих транспорт веществ.

Часто реабсорбция и секреция протекают одновременно - например, секреция ионов K⁺ происходит под действием Na,K-зависимой АТФазы. Только K⁺ секретируется, а Na⁺ реабсорбируется. Также секретируются Н⁺, NH₄⁺.

Скорость секреции можно определить по выделению из организма с мочой различных красителей, которые выводятся почками только путем секреции. Для этого красители должны быть предварительно введены в кровь.

В результате во вторичной моче в течение суток остается от 1000 до 2000 мл жидкости , в которой растворены:

- от 12 до 36 г мочевины;

- около 1 г креатинина;

- примерно 1 г аммонийных солей;

- примерно 0,5-1 г других продуктов азотистого обмена (в частности, в норме в моче могут присутствовать креатин, гиппуровая кислота, индикан и пигменты)

- примерно 5-7 г минеральных солей

- продукты обезвреживания токсических соединений (в незначительных количествах)

В процессе выполнения почками экскреторной функции обеспечивается их участие в поддержании водно-солевого баланса организма и кислотно-щелочного равновесия.

ГОМЕОСТАТИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ ПОЧЕК

1. ВОДНО-СОЛЕВОЙ ГОМЕОСТАЗ.

Вода в организме распределена между двумя основными пространствами: внутриклеточным и внеклеточным. Распределение воды зависит от общего количества растворенных веществ, т.к. вода движется в направлении осмотического градиента. Почки участвуют в поддержании постоянного количества воды путем влияния на ионный состав внутри- и внеклеточных жидкостей.

Около 75 % ионов натрия, хлора и воды реабсорбируется из клубочкового фильтрата в проксимальном канальце благодаря упомянутому АТФазному механизму. При этом активно реабсорбируются только ионы натрия, анионы перемещаются благодаря электрохимическому градиенту, а вода реабсорбируется пассивно и изоосмотически.

2. УЧАСТИЕ ПОЧЕК В РЕГУЛЯЦИИ КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНОГО РАВНОВЕСИЯ

Поддержание постоянного значения рН крови обеспечивается благодаря участию в этом процессе почек и буферных систем крови. Буферные системы крови не устраняют нарушений кислотно-щелочного равновесия в организме, хотя и регулируют рН крови в значительном диапазоне. Почки способны обеспечивать удаление кислотных или щелочных компонентов и тем самым нормализуют соотношение компонентов буферных систем.

Изменение рН крови и мочи может быть связано с особенностями питания человека. Пища животного происхождения, богатая анионами сильных кислот (сульфатами, фосфатами), приводит к образованию кисло-реагирующих компонентов плазмы крови. Это приводит к выделению из организма более кислой мочи. Пища растительного происхождения содержит сильные катионы (Na⁺,K⁺) и может приводить к образованию мочи щелочного характера.

Поскольку для организма особую опасность представляет ацидоз, в почках имеются специальные механизмы борьбы с ним:

1) СЕКРЕЦИЯ Н⁺

Этот механизм включает в себя процесс образования СО₂ в метаболических реакциях, протекающих в клетках дистального канальца; затем образование Н₂СО₃ под действием карбоангидразы; дальнейшую диссоциацию ее на Н⁺ и НСО₃^- и обмен ионов Н⁺ на ионы Na⁺. Затем натрий и бикарбонатные ионы диффундируют в кровь, обеспечивая ее подщелачивание. Этот механизм проверен в эксперименте - введение ингибиторов карбоангидразы приводит к усилению потерь натрия с вторичной мочой и прекращается подкисление мочи.

2) АММОНИОГЕНЕЗ

Активность ферментов аммониогенеза в почках особенно высока в условиях ацидоза.

К ферментам аммониогенеза относятся глутаминаза и глутаматдегидрогеназа:

3) ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ

Протекает в печени и в почках. Ключевой фермент процесса - почечная пируваткарбоксилаза. Фермент наиболее активен в кислой среде - этим он отличается от такого же печеночного фермента. Поэтому при ацидозе в почках происходит активация карбоксилазы и кислореагирующие вещества (лактат, пируват) более интенсивно начинают превращаться в глюкозу, не обладающую кислыми свойствами.

Этот механизм важен при ацидозе, связанном с голоданием (при недостатке углеводов или при общем недостатке питания). Накопление кетоновых тел, которые по своим свойствам являются кислотами - стимулирует глюконеогенез. А это способствует улучшению кислотно-щелочного состояния и одновременно снабжает организм глюкозой. При полном голодании до 50% глюкозы крови образуются в почках.

При алкалозе - тормозится глюконеогенез, (в результате изменения рН угнетается ПВК-карбоксилаза) тормозится секреция протонов, но одновременно усиливается гликолиз и увеличивается образование пирувата и лактата.

МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ ПОЧЕК

1) Образование активной формы витамина D₃. В почках, в результате реакции микросомального окисления происходит заключительный этап созревания активной формы витамина Д₃ - 1,25-диоксихолекальциферола. Предшественник этого витамина - витамин Д₃, синтезируется в коже, под действием ультрафиолетовых лучей из холестерина, и затем гидроксилируется: сначала в печени (в положении 25), а затем в почках (в положении 1). Таким образом, участвуя в образовании активной формы витамина Д₃, почки оказывают влияние на фосфорно-кальциевый обмен в организме. Поэтому при

заболеваниях почек, когда нарушаются процессы гидроксилирования витамина Д₃, может развиться ОСТЕОДИСТРОФИЯ.

2) Регуляция эритропоэза. В почках вырабатывается гликопротеин, названный почечным эритропоэтическим фактором (ПЭФ или ЭРИТРОПОЭТИН). Он является гормоном, который способен оказывать воздействие на стволовые клетки красного костного мозга, которые являются клетками-мишенями для ПЭФ. ПЭФ направляет развитие этих клеток по пути зритропоэза, т.е. стимулирует образование эритроцитов. Скорость выделения ПЭФ зависит от обеспечения почек кислородом. Если количество поступающего кислорода снижается, то увеличивается выработка ПЭФ - это ведет к увеличению количества эритроцитов в крови и улучшению снабжения кислородом. Поэтому при заболеваниях почек иногда наблюдается почечная анемия.

3) Биосинтез белков. В почках активно идут процессы биосинтеза белков, которые необходимы другим тканям. Здесь синтезируются некоторые компоненты:

- системы свертывания крови;

- системы комплемента;

- системы фибринолиза.

- в почках в клетках юкстагломерулярного аппарата (ЮГА) синтезируется РЕНИН - протеолитический фермент, который участвует в регуляции сосудистого тонуса, превращая ангиотензиноген в декапептид ангиотензин-I путем ограниченного протеолиза. Из ангиотензина-Iпод действием фермента карбоксикатепсина образуется (тоже путем ограниченного протеолиза) октапептид ангиотензин-II. Он обладает сосудосуживающим эффектом, а также стимулирует выработку гормона коры надпочечников - альдостерона. Альдостерон усиливает реабсорбцию натрия и воды в почечных канальцах - это приводит к увеличению объема крови, циркулирующей в сосудах. В результате повышается артериальное давление. Когда молекула ангиотензина-II выполнит свою функцию, она подвергается тотальному протеолизу под действием группы специальных протеиназ - ангиотензиназ. Так работает РЕНИН-АНГИОТЕНЗИН-АЛЬДОСТЕРОНОВАЯ СИСТЕМА.

Выработка ренина зависит от кровоснабжения почек. Поэтому при снижении артериального давления выработка ренина увеличивается, а при повышении - снижается. При патологии почек иногда наблюдается повышенная выработка ренина и может развиваться стойкая гипертензия (повышение артериального давления).

Ренин-ангиотензин-альдостероновая система работает в тесном контакте с другой системой регуляции сосудистого тонуса: КАЛЛИКРЕИН-КИНИНОВОЙ СИСТЕМОЙ, действие которой приводит к понижению артериального давления.

В почках синтезируется белок кининоген. Попадая в кровь, кининоген под действием сериновых протеиназ - калликреинов превращается в вазоактивные пептиды - кинины: брадикинин и каллидин. Брадикинин и каллидин обладают сосудорасширяющим эффектом - понижают артериальное давление. Инактивация кининов происходит при участии карбоксикатепсина - этот фермент одновременно влияет на обе системы регуляции сосудистого тонуса, что приводит к повышению атериального давления. Ингибиторы карбоксикатепсина применяются в лечебных целях при лечении некоторых форм артериальной гипертензии (например, препарат клофеллин).

Участие почек в регуляции артериального давления связано также с выработкой простагландинов, которые обладают гипотензивным эффектом, а образуются в почках из арахидоновой кислоты в результате реакций перекисного окисления липидов (ПОЛ).

4) Катаболизм белков. Почки участвуют в катаболизме некоторых белков, имеющих низкую молекулярную массу (5-6 кДа) и пептидов, которые фильтруются в первичную мочу. Среди них гормоны и некоторые другие БАВ. В клетках канальцев, под действием лизосомальных протеолитических ферментов эти белки и пептиды гидролизуются до аминокислот, которые поступают в кровь и реутилизируются клетками других тканей.

ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА ПОЧЕЧНОЙ ТКАНИ

1. Большие затраты АТФ. Основной расход АТФ связан с процессами активного транспорта при реабсорбции, секреции, а также с биосинтезом белков.

Основной путь получения АТФ - это окислительное фосфорилирование. Поэтому ткань почки нуждается в значительных количествах кислорода. Масса почек составляет всего 0,5% от общей массы тела, а потребление кислорода почками составляет 10% от всего поступившего кислорода. Субстратами для реакций биоокисления в почечных клетках являются:

- жирные кислоты;

- кетоновые тела;

- глюкоза и др.

2. Высокая скорость биосинтеза белков.

3. Высокая активность протеолитических ферментов.

4. Способность к аммониогенезу и глюконеогенезу.

ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ МОЧЕОБРАЗОВАНИЯ

Объем мочи и содержание ионов в ней регулируется благодаря сочетанному действию гормонов и особенностям строения почки.На объем суточной мочи оказывают влияние гормоны АЛЬДОСТЕРОН и ВАЗОПРЕССИН.

АЛЬДОСТЕРОН - это стероидный гормон коры надпочечников из группы минералкортикоидов, который обеспечивает усиление реабсорбции натрия из дистальной части почечного канальца благодаря активному транспорту. Особенностью действия этого гормона является то, что он начинает активно секретироваться при значительном снижении концентрации натрия в плазме крови. В случае очень низких концентраций натрия в плазме крови под действием альдостерона может происходить практически полное удаление натрия из мочи. Усиление реабсорбции натрия влечет за собой и задержку воды в организме. Гиперсекреция альдостерона (первичный альдостеронизм) приводит к задержке натрия и воды - затем развивается отек и гипертония, вплоть до сердечной недостаточности. Недостаточность альдостерона приводит к состоянию, которое характеризуется значительной потерей натрия, хлоридов и воды и уменьшению объема плазмы крови. Кроме того, в почках одновременно нарушаются процессы секреции Н⁺ и NH₄⁺ и это может приводить к ацидозу.

ВАЗОПРЕССИН - пептидный гормон, синтезируемый в гипоталамусе и секретируемый из нейрогипофиза, имеет мембранный механизм действия. Этот механизм в клетках - мишенях реализуется через аденилатциклазную систему. Вазопрессин вызывает сужение периферических сосудов (артериол). В результате повышается артериальное давление. Но в почках вазопрессин повышает скорость реабсорбции воды из начальной части дистальных извитых канальцев и собирательных трубочек. В результате увеличивается относительная концентрация ионов Na,Cl,Pi и общего N. Секреция вазопрессина увеличивается при повышении осмотического давления плазмы крови. Например, при повышенном потреблении соли или при обезвоживании организма. Считается, что действие вазопрессина связано с фосфорилированием белков апикальной мембраны почки, в результате чего увеличивается ее проницаемость. При поражении гипофиза, в случае нарушения секреции вазопрессина наблюдается НЕСАХАРНЫЙ ДИАБЕТ - резкое увеличение объема мочи (до 4-5 л) с низким удельным весом.

ПАРАТГОРМОН - гормон паращитовидной железы белково-пептидной природы, (мембранный механизм действия, через цАМФ) также влияет на удаление солей из организма. В почках он усиливает канальцевую реабсорбцию Са⁺² и Mg⁺², увеличивает экскрецию К⁺, фосфата, HCO₃^- и уменьшает экскрецию H⁺ и NH₄⁺. В основном это происходит благодаря снижению канальцевой реабсорбции фосфата. Одновременно в плазме крови увеличивается концентрация кальция. Гипосекреция паратгормона приводит к обратным явлениям - увеличению содержания фосфатов в плазме крови и к снижению содержания Ca⁺² в плазме.

ЭСТРАДИОЛ - женский половой гормон. Стимулирует синтез 1,25-диоксивитаминаD₃, усиливает реабсорбцию кальция и фосфора в почечных канальцах.

НАТРИЙУРЕТИЧЕСКИЙ ФАКТОР (НУФ) - это пептид, который образуется в клетках предсердия и в гипоталамусе. Это гормоноподобное вещество. Клетки-мишени - клетки дистального отдела почечных канальцев. Действует через гуанилатциклазную систему - т.е. внутриклеточный посредник - цГМФ. Результатом влияния НУФ на клетки канальцев является снижение реабсорбции Na⁺, то есть развивается натриурия.