Лекция 16. Физиология выделения
Главной функцией процессов выделения является очистка организма от конечных продуктов обмена веществ, избытка воды, ионов, лекарств, ксенобиотиков и сохранение постоянства внутренней среды организма.
Выделительные функции у млекопитающих выполняются почками, желудочно-кишечным трактом, легкими, потовыми, сальными железами.
Почки выводят из организма человека избыток воды, солей и продукты обмена веществ. Через легкие выделяются углекислый газ, пары воды и летучие вещества (продукты распада алкоголя, лекарственные вещества). Потовые железы выделяют воду, соли, мочевину, креатинин и молочную кислоту.
Ведущую роль в выделительных процессах и сохранении гомеостазиса играют почки и потовые железы.
К функциям почек относятся
-поддержание нормального содержания в организме воды, солей и некоторых веществ (глюкозы, аминокислот и т.д.);
-регуляция рН крови, осмотического давления, ионного состава и кислотно-щелочного состояния;
-экскреция из организма продуктов белкового обмена и ксенобиотиков;
-участие в регуляции артериального давления, эритропоэза и свертывания крови;
-секреция ферментов и биологически активных веществ (ренина, брадикинина, простагландинов, урокиназы и др.).
Основным элементом строения и функциональной единицей почки является нефрон. В каждой почке человека имеется около одного миллиона нефронов.
В нефроне выделяют мальпигиево (почечное) тельце и мочевые канальцы. По локализации нефроны делят на интракортикальные и юкстамедуллярные нефроны, последние имеют большую роль в механизме концентрирования мочи.
Мальпигиево тельце состоит из капсулы Шумлянского-Боумена, внутри которой находится сосудистый клубочек. В корковом слое расположено около 75% интракортикальных нефронов. В пограничной зоне (между корковым и мозговым слоем) располагаются остальные юкстамедулярные нефроны. Извитые канальцы этого комплекса находятся у границы с почечной лоханкой. Капсула Шумлянского-Боумена имеет форму двуслойной чашечки и образована впячиванием слепого расширенного конца мочевого канальца в ее просвет. Внутренняя стенка капсулы, состоящая из однослойного плоского эпителия, тесно соприкасается со стенками капилляров сосудистого клубочка, образуя базальную фильтрующую мембрану. Между ней и наружной стенкой капсулы находится щелевидная полость, в которую поступает плазма крови, фильтрующаяся через базальную мембрану из капилляров клубочка.
Мальпигиев клубочек состоит из приносящей артериолы, сложной сети из 30-50 артериальных капилляров и выносящей артериолы. Диаметр выносящей артериолы меньше, чем приносящей, что, по мнению некоторых физиологов, обеспечивает поддержание в капиллярах клубочков относительно высокого давления крови, хотя и количество крови, оттекающей по ним, меньше (часть жидкости –первичной мочи после фильтрации уходит в извитые канальцы).
Мочевые канальцы начинаются от щелевидной полости капсулы, которая переходит в проксимальный (ближайший) извитой каналец. На некотором расстоянии от капсулы проксимальный извитой каналец выпрямляется и образует петлю Генле, переходящую в дистальный извитой каналец, открывающийся в собирательную трубку. Собирательные трубки проходят через мозговой слой почки и открываются на верхушках сосочков. Собирание конечной мочи происходит в почечных лоханках, куда открываются почечные чашечки.
Важным фактором, определяющим мочеобразование в нефронах, являются особенности строения их кровеносных сосудов. Почечные артерии, после разветвления, образуют приносящие артериолы, входящие в мальпигиев клубочек. Выносящие артериолы, выходящие из сосудистого клубочка, на небольшом расстоянии от него вновь разветвляются на капилляры и образуют густую капиллярную сеть, оплетающую проксимальные и дистальные извитые канальцы. Из этих капилляров кровь через мелкие венулы поступает в почечную вену, впадающую в нижнюю полую вену. Таким образом, значительная часть крови в почке дважды проходит через капилляры - вначале в клубочке, а затем вокруг канальцев.
В обычных условиях через обе почки, составляющие лишь 0,4% массы тела человека, проходит около 25% объема крови, выбрасываемой сердцем. Кровоток в коре почки достигает 4-5 мл/мин на 1 г ткани - это наиболее высокий уровень органного кровотока. Особенность почечного кровотока заключается также и в том, что, несмотря на существенные колебания артериального давления, кровоток в почках остается постоянным. Это обусловлено специальной системой саморегуляции кровообращения в них.
Образование конечной мочи - результат трех процессов: фильтрации, реабсорбции и секреции.
Гломерулярная фильтрация.Фильтрация воды и низкомолекулярных компонентов плазмы через стенки капилляров клубочка обусловлена разностью между гидростатическим давлением крови в капиллярах клубочков (около 50 мм рт. ст.) и онкотическим давлением белков плазмы крови (около 25 мм рт. ст.) совместно с гидростатическим давлением ультрафильтрата плазмы крови в капсуле клубочка (около 10 мм рт. ст.). Таким образом, эффективное фильтрационное давление, определяющее скорость клубочковой фильтрации, составляет около 15 мм рт. ст. Фильтрация происходит только в том случае, если давление крови в капиллярах превышает сумму онкотического давления белков плазмы и давления жидкости в капсуле клубочка.
Фильтрат, поступивший в капсулу Шумлянского-Боумена, составляет первичную мочу, которая по своему содержанию отличается от состава плазмы практически только отсутствием белков. В сутки через почки человека протекает 1500-1800 л крови. Из каждых 10 л крови, проходящей через капилляры клубочков, образуется около 1 л фильтрата, что составляет в течение суток 150-180 л первичной мочи.
Канальцевая реабсорбция.Образовавшаяся первичная моча поступает в извитые канальцы и петлю Генле, где происходит обратное всасывание -реабсорбция. Физиологически выгодным является такой процесс извлечения полезных веществ из первичной мочи, при котором сначала все содержащиеся в плазме (кроме белков) компоненты сбрасываются временно в первичную мочу, а затем уже из нее отбираются и возвращаются в кровь нужные компоненты. В этом случае нет необходимости для каждого выбрасываемого в мочу вещества создавать собственную систему транспорта. Механизмы реабсорбции напоминают те, которые реализуются при всасывании питательных веществ в желудочно-кишечном тракте.
Из 150-180 л первичной мочи реабсорбируется около 148-178 л воды. В почечных канальцах остается, таким образом, небольшое количество жидкости, которое составляет вторичную (конечную) мочу, суточный объем которой равен около 1,5 л. Через собирательные трубки, почечные лоханки и мочеточники она поступает в мочевой пузырь.
Реабсорбции подвергаются, кроме воды, многие необходимые для организма органические (глюкоза, аминокислоты, витамины) и неорганические (ионы К+, Na+, Са++, фосфаты) вещества. Эти вещества называют пороговыми. Они выводятся из организма с конечной мочой только при относительно высокой их концентрации в крови. Концентрация вещества в крови, при которой оно не полностью реабсорбируется и начинает выводиться из организма с конечной мочой, называется порогом выделения. Например, глюкоза выводится с мочой (глюкозурия), если ее концентрация в крови достигает 180 мг% (10 ммоль/л). Эта величина и будет характеризовать порог выведения глюкозы.
Вещества, которые не подвергаются обратному всасыванию и полностью выводятся с конечной мочой, называются непороговыми. К ним относят конечные продукты белкового обмена (мочевина, креатинин), сульфаты, некоторые лекарственные вещества.
Реабсорбция - процесс, который осуществляется или пассивным переносом, или активным транспортом веществ через мембраны извитых канальцев и петли Генле. В первом случае перенос веществ через мембрану происходит по градиенту концентрации, во втором осуществляется с затратой энергии АТФ.
Образование конечной мочи (ее концентрирование) в почках осуществляется по возвратно-противоточному механизму, который обусловлен структурными особенностями и взаимным расположением канальцев и собирательных трубок нефрона. Нисходящее и восходящее колена петли Генле, тесно соприкасаясь друг с другом, функционируют как единый механизм. Совместная работа этого механизма заключается в том, что из полости нисходящего колена в тканевую жидкость почки обильно поступает вода, что приводит к повышению концентрации различных веществ в моче. Из восходящего колена в тканевую жидкость с помощью натриевых насосов активно выводятся ионы Na+, но не выводится вода. Увеличение концентрации ионов Na+ в тканевой жидкости способствует повышению ее осмотического давления, а следовательно, и усиленному поступлению воды из нисходящего колена. Это вызывает еще большее «сгущение» мочи в петле Генле, которая работает как концентрационный механизм. При дальнейшем движении мочи по восходящему колену канальца из нее реабсорбируется Na+ и Сl- , что приводит к повышению осмолярной концентрации жидкости в мозговом веществе почек. Вследствие этого облегчается реабсорбция воды из собирательных трубок и концентрация некоторых веществ в них достигает значений, характерных для конечной мочи.
В суточной порции конечной мочи содержится около 30 г мочевины, 15 г хлорида натрия, 3-3,5 г солей калия, 1-1,5 г креатинина, 1,5 г мочевой и гиппуровой кислот. В моче находится также небольшое количество обезвреженных печенью продуктов распада белков, ферменты, гормоны и некоторые витамины.
Канальцевая секреция.Клетки канальцев способны также выводить из организма некоторые вещества путем секреции. Такие вещества слабо фильтруются или совсем не переходят из плазмы крови в первичную мочу (некоторые коллоиды, органические кислоты). Механизм канальцевой секреции состоит в том, что клетки эпителия нефрона захватывают названные вещества из крови и межклеточной жидкости и переносят их в просвет канальца. Другой вариант канальцевой секреции заключается в выделении в просвет канальца новых органических веществ, синтезированных в клетках нефрона (мочевина, мочевая кислота, уробилин и др.). Скорость каждого из этих процессов регулируется в зависимости от состояния организма и характера воздействий на него.
Регуляция мочеобразования.Регуляция работы почек осуществляется нейрогуморальным путем. Высшим подкорковым центром регуляции мочеобразования является гипоталамус. Импульсы из осмо- и волюморецепторов почек по афферентным волокнам почечного и большого чревного нерва поступают в гипоталамус, где вырабатывается вазопрессин, или «антидиуретический гормон» (АДГ), усиливающий реабсорбцию воды из первичной мочи. Повышение секреции АДГ сопровождается увеличением проницаемости извитых канальцев и собирательных трубок для воды. Усиленная реабсорбция воды при недостаточном ее поступлении в организм приводит к снижению диуреза. Моча при этом характеризуется высокой концентрацией находящихся в ней веществ. При избытке воды в организме осмотическое давление плазмы падает. Через осмо- и ионорецепторы гипоталамуса и почек происходит рефлекторное снижение продукции АДГ и его поступления в кровь. В этом случае организм избавляется от избытка воды путем выделения большого количества мочи низкой концентрации.
Значительна роль в гуморальной регуляции мочеобразования и гормона коры надпочечников альдостерона (из группы минералокортикоидов), который увеличивает реабсорбцию ионов Na+ и секрецию ионов К+, уменьшая диурез. Антидиуретическое действие альдостерона осуществляется путем стимуляции биосинтеза белков, участвующих в транспорте ионов Na+ и в работе калий-натриевого насоса. Альдостерон косвенно усиливает реабсорбцию воды при увеличенной осмолярной концентрации Na+ в мозговом слое почки. В этом случае реабсорбция воды ускоряется из собирательных трубок.
Нервная регуляция мочеобразования выражена слабее, чем гуморальная, и осуществляется как условнорефлекторным, так и безусловнорефлекторным путем. В основном она происходит благодаря рефлекторным изменениям просвета почечных сосудов под влиянием различных воздействий на организм. Это ведет к сдвигам почечного кровотока и, следовательно, процесса мочеобразования. Условнорефлекторное повышение диуреза на индифферентный раздражитель, подкрепленное повышенным потреблением воды, свидетельствует об участии коры больших полушарий в регуляции мочеобразования. Следует также иметь в виду, что почки обладают высокой способностью к саморегуляции. Выключение высших корковых и подкорковых центров регуляции не приводит к прекращению мочеобразования.
Поддержание почками постоянства объема и состава внутренней среды, и прежде всего крови, осуществляется специальной системой рефлекторной регуляции, включающей специфические рецепторы, афферентные пути и нервные центры, где происходит переработка информации. Команды к почкам поступают по эфферентным нервам или гуморальным путем. Приспособление работы почек к изменяющимся условиям определяется преимущественным влиянием на клубочковый и канальцевый аппараты различных гормонов (АДГ, альдостерона, паратгормона, инсулина, гастрина, тиреокальцитонина).
Почки - основной орган осмо- и волюморегуляции. Они обеспечивают выделение избытка воды из организма в виде гипотонической мочи при увеличенном содержании воды (гипергидратации) или задерживают воду и выводят мочу, гипертоническую по отношению к плазме крови при обезвоживании организма (дегидратации). Эти особенности мочевыведения определяются активностью центральных и периферических осморецепторов и уровнем выделения АДГ из гипоталамуса в кровь. Характер секреции АДГ зависит также от активности волюморецепторов, реагирующих на изменение объема внутрисосудистой и внеклеточной жидкости. При этом ведущее значение в регуляции секреции АДГ имеют те волюморецепторы, которые расположены в сосудистых стенках с низким кровяным давлением. Активация осмо- и волюморецепторов в основном усиливает выведение воды, уменьшая ее реабсорбцию.
Система ионного гомеостазиса также в значительной мере определяется работой почек. Данные нефрологии последних лет свидетельствуют о существовании в организме систем регуляции кенцентрации каждого из ионов. Реабсорбция Na+ осуществляется в дистальных отделах канальцев и собирательных трубках под влиянием гормона коркового слоя надпочечников - альдостерона. Этот гормон выделяется в кровь при снижении концентрации Na+ в плазме и уменьшении объема циркулирующей крови.
Альдостерон усиливает выделение К+ с мочой, а инсулин уменьшает его выделение. Экскреция калия тесно связана с кислотно-щелочным состоянием: алкалоз сопровождается увеличением выделения калия с мочой, а ацидоз - его уменьшением.
При снижении концентрации Са++ в крови паращитовидные железы выделяют паратгормон, который способствует нормализации его концентрации путем увеличения реабсорбции в почечных канальцах и повышенного выведения кальция из костей. При гиперкальциемии под влиянием гастрина, вырабатываемого в желудочно-кишечном тракте, стимулируется выделение в кровь щитовидной железой гормона тирокальциотонина, который снижает концентрацию кальция в крови, способствует увеличению его экскреции с мочой и переходу ионов Са++ в кости. В почечных канальцах регулируется также уровень реабсорбции магния, хлора, сульфатов и других ионов.
Почки играют важную роль в регуляции кислотно-щелочного состояния. Активная реакция мочи у человека может резко изменяться. Концентрация ионов Н+ в моче при крайних состояниях работы почек различается почти в 1000 раз. В некоторых случаях рН снижается до 4,5 или возрастает до 8,0. Это обеспечивает участие почек в стабилизации рН плазмы крови. Избыток ионов Н+ в моче связывается угольным ангидридом (НСОз-), фосфатом натрия и аммиаком и в виде слабых кислот выводится из организма.
В почках осуществляется синтез ряда биологически активных веществ (ренина, брадикинина, урокиназы, простагландинов и др.).