Гомеостатическая функция почек.

Для поддержания почками постоянства объема и состава внутренней среды и прежде всего крови существуют специальные системы рефлекторной регуляции, включающие специфические рецепторы, афферентные пути и нервные центры, где происходит переработка информации. Команды к почке поступают по эфферентным нервам или гуморальным путем.

В целом перестройка работы почки, ее приспособление к непрестанно изменяющимся условиям определяются преимущественно влиянием на гломерулярный и канальцевый аппарат аргинин-вазопрессина [антидиуретического гормона (АДГ)], альдостерона, паратгормона и ряда других гормонов.

Водно-солевой гомеостазис является одной из важнейших характеристик внутренней среды организма. От состояния водно-солевого обмена зависят фундаментальные свойства клеток и тканей (энергетический и пластический метаболизм, возбудимость, проводимость и сократимость, секреторная способность и т.п.) и, соответственно, функции практически всех физиологических систем. Основные характеристики водно-солевого обмена — количество поступающих в организм жидкости и солей, объемы внеклеточных и внутриклеточных водных пространств, содержание в них отдельных электролитов и осмотическое давление, наконец, выделение воды и солей почками — имеют взаимосвязанные комплексные механизмы регуляции. Эти механизмы легко проследить на примерах изменения приема жидкости или ее потерь, сдвигов баланса натрия и калия, изменения объема крови.

5.1.Роль почек в осморегуляции и волюморегуляции.

Почки являются основным органом осморегуляции. Они обеспечивают выделение избытка воды из организма в виде гипо­тонической мочи при увеличенном содержании воды (гипергидратация) или экономят воду и экскретируют мочу, гипертоническую по отношению к плазме крови при обезвожи­вании организма (дегидратация). При избыточном содержании воды в организме концентрация растворенных осмотически активных веществ в крови снижается и ее осмотическое давление падает. Это уменьшает активность центральных осморецепторов, расположенных в области супраоптического ядра гипоталамуса, а также перифериче­ских осморецепторов, имеющихся в печени, почке, селезенке и ряде других органов, что снижает выделение АДГ из нейрогипофиза в кровь и приводит к усилению выделения воды почкой.При обезвоживании организма (или введении в сосудистое русло гипертонического раствора хлорида натрия) увеличивается концентрация осмотически активных веществ в плазме крови, возбуждаются осморецепторы, усиливается секреция АДГ, возрастает факультативная реабсорбция воды, уменьшается мочеотделение и выделяется осмоти­чески концентрированная моча. В эксперименте'на животных было показано, что секре­ция АДГ возрастает при раздражении не только осморецепторов, но и специфических натриорецепторов. Поэтому после введения в область III желудочка мозга гипертони­ческого раствора хлорида натрия наступает антидиурез, а после введения в ту же область гипертонических растворов сахара угнетения мочеотделения не наблюдается.

Осморецепторы чутко реагируют на сдвиги концентрации осмотически активных веществ в плазме крови. При увеличении осмолярности плазмы крови на 1% концентра­ция АДГ возрастает на 1 пг/мл (пикограмм равен 1 миллионной доле микрограмма). Переход же к состоянию максимального осмотического концентрирования мочи требует всего лишь 10-кратного возрастания количества АДГ в крови.

Помимо информации от осморецепторов и натриорецепторов, уровень секреции АДГ зависит от активности волюморецепторов, реагирующих на изменение объема внутрисосудистой и внеклеточной жидкости. Ведущее значение в регуляции секреции АДГ имеют те волюморецепторы, которые реагируют на изменение напряжения сосуди­стой стенки в области низкого давления. В первую очередь следует назвать рецепторы левого предсердия, импульсы от которых передаются в ЦНС по афферентным волокнам блуждающего нерва. Изолированная активация волюморецепторов, возникающая в ответ на увеличение объема внутрисосудистой жидкости, приводит к повышению экскреции солей натрия и воды. Одновременная активация волюм- и осморецепторов в основном усиливает выведение воды, уменьшая ее реабсорбцию.

5.2. Роль почек в регуляции ионного состава крови.

Почки являются важнейшим эффекторным органом в системе ионного гомеостаза. Новейшие данные свидетельствуют о существовании в организме систем регуляции баланса каждого из ионов. Для некоторых из ионов уже описаны специфические рецепторы, например натриорецепторьг. Появились первые данные о рефлекторной регуляции баланса других ионов.

Известны гормоны, регулирующие реабсорбцию и секрецию ионов в почечных канальцах. Реабсорбция натрия возрастает в конечных частях дистального отдела нефрона и собирательных трубках под влиянием гормона коры надпочечника альдосте- рона. Этот гормон выделяется в кровь при снижении концентрации натрия в плазме и уменьшении объема циркулирующей крови. Усиленное выделение натрия почкой вследствие угнетения его реабсорбции достигается при секреции в кровь так называемого натрийуретического гормона; его выработка возрастает при увеличении объема цирку­лирующей крови и повышении объема внеклеточной жидкости в организме. Хотя мысль о существовании этого гормона была высказана в конце 50-х годов, его структура и место секреции до сих пор не установлены.

Альдостерон усиливает выделение калия с мочой. Уменьшает выделение калия ин­сулин. Экскреция калия тесно связана с кислотно-щелочным состоянием. Алкалоз сопровождается усилением выделения калия с мочой, а ацидоз — его уменьшением.

При снижении концентрации кальция в крови паращитовидные железы выделяют паратгормон, который способствует нормализации уровня кальция в крови за счет увеличения его реабсорбции в почечных канальцах и повышения резсорбции кальция из костей. При гиперкальциемии под влиянием гастрина или подобного ему вещества, вырабатываемого в желудочно-кишечном тракте, стимулируется выделение в кровь клетками щитовидной железы гормона тирокальцитонина, который снижает концентра­цию кальция в крови, способствует увеличению его экскреции почкой и переходу ионов Са++ в кости.

В почечных канальцах регулируется также уровень реабсорбции магния, хлора, сульфатов и других ионов.

5.3 роль почек в регуляции кислотно-основного состояния.

Почки участвуют в поддержании постоянства концентрации Н+ в крови, экскретируя кислые продукты обмена. Активная реакция мочи у человека и животных может очень резко меняться в зависимости от состояния кислотно-основного состояния организма. Концентрация Н+ при ацидозе и алкалозе различается почти в 1000 раз, при ацидозе рН может снижаться до 4,5, при алкалозе — достигать 8,0. Это способствует участию почек в стабилизации рН плазмы крови на уровне 7,36. Механизм подкисления мочи основан на секреции клетками канальцев Н+ (рис. 12.10). В апикальной плазматической мембране и цитоплазме клеток различных отделов нефрона находится фермент карбоангидраза (КА), катализирующий реакцию гидратации СО2: СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3-.

Секреция Н+ создает условия для реабсорбции вместе с гидрокарбонатом равного количества Na+. Наряду с натрий-калиевым насосом и электрогенным натриевым насосом, обусловливающим перенос Na+ с С1- реабсорбция Na+ с гидрокарбонатом играет важную роль в поддержании натриевого баланса. Фильтрующийся из плазмы крови гидрокарбонат соединяется с секретированным клеткой Н+ и в просвете канальца превращается в СО2. Образование Н+ происходит следующим образом. Внутри клетки вследствие гидратации СО2 образуется Н2СО3 и диссоциирует на Н+ и НСО3-. В просвете канальца Н+ связываются не только с HCO3-, но и с такими соединениями, как двузамещенный фосфат (Na2HPO4), и некоторыми другими, в результате чего увеличивается экскреция титруемых кислот (ТА- ) с мочой. Это способствует выделению кислот и восстановлению резерва оснований в плазме крови. Наконец, секретируемый Н+ может связываться в просвете канальца с NHз, образующимся в клетке при дезаминировании глутамина и ряда аминокислот и диффундирующим через мембрану в просвет канальца, в котором образуется ион аммония: NH3 + Н+→ NH4+ Этот процесс способствует сбережению в организме Na+ и К+, которые реабсорбируются в канальцах.

При питании мясом образуется большее количество кислот и моча становится кислой, а при потреблении растительной пищи рН сдвигается в щелочную сторону. При интенсивной физической работе из мышц в кровь поступает значительное количество молочной и фосфорной кислот и почки увеличивают выделение «кислых» продуктов с мочой.

Кислотовыделительная функция почек во многом зависит от кислотно-основного состояния организма. Так, при гиповентиляции легких происходит задержка СО2 и снижается рН крови — развивается дыхательный ацидоз, при гипервентиляции уменьшается напряжение СО2 в крови, растет рН крови — возникает состояние дыхательного алкалоза. Содержание ацетоуксусной и β-оксимасляной кислот может нарастать при не леченом сахарном диабете. В этом случае резко снижается концентрация гидрокарбоната в крови, развивается состояние метаболического ацидоза. Рвота, сопровождающаяся потерей соляной кислоты, приводит к увеличению в крови концентрации гидрокарбоната и метаболическому алкалозу. При нарушении баланса Н+ вследствие первичных изменений напряжения СО2 развивается дыхательный алкалоз или ацидоз, при изменении концентрации НСО3- наступает метаболический алкалоз или ацидоз. Наряду с почками в нормализации кислотно-основного состояния участвуют и легкие. При дыхательном ацидозе увеличиваются экскреция Н+ и реабсорбция НСО3-, при дыхательном алкалозе уменьшаются выделение Н+ и реабсорбция HCΟ3.

5.4 экскреторная функция почек.

Почки играют ведущую роль в выделении из крови нелетучих конечных продуктов обмена и чужеродных веществ, попавших во внутреннюю среду организма. В процессе метаболизма белков и нуклеиновых кислот образуются различные продукты азотистого обмена (у человека — мочевина, мочевая кислота, креатинин и др.). Катаболизм пуриновых оснований в организме человека останавливается на уровне образования мочевой кислоты, в клетках некоторых животных имеются ферменты, обеспечивающие распад пуриновых оснований до СО2 и аммиака. Мочевая кислота в почке человека фильтруется в клубочках, затем реабсорбируется в канальцах, часть мочевой кислоты секретируется клетками в просвет нефрона. Обычно экскретируемая фракция мочевой кислоты довольно низкая (9,8 %), что указывает на реабсорбцию значительного количества мочевой кислоты в канальцах. Интерес к изучению механизмов транспорта мочевой кислоты в почечных канальцах обусловлен резко возросшей частотой заболевания подагрой, при которой нарушен обмен мочевой кислоты.

Образующийся в течение суток креатинин, источником которого служит креатинфосфорная кислота, выделяется почками. Его суточная экскреция зависит не столько от потребления мяса с пищей, сколько от массы мышц тела. Креатинин, как и мочевина, свободно фильтруется в почечных клубочках, с мочой выводится весь профильтровавшийся креатинин, в то время как мочевина частично реабсорбируется в канальцах.

Помимо перечисленных, имеется много разнообразных веществ, постоянно удаляемых почкой из крови. О том, какие вещества удаляет или разрушает почка, можно судить при изучении состава крови у людей с удаленными почками. В их крови, помимо мочевины, креатинина, мочевой кислоты, накапливаются гормоны (глюкагон, паратгормон, гастрин), ферменты (рибонуклеаза, ренин), производные индола, глюкуроновая кислота и др.

Существенно, что физиологически ценные вещества при их избытке в крови начинают экскретироваться почкой. Это относится как к неорганическим веществам, о которых шла речь выше при описании осмо-, волюмо- и ионорегулирующей функции почек, так и к органическим веществам — глюкозе, аминокислотам. Повышенная экскреция этих веществ может в условиях патологии наблюдаться и при нормальной концентрации в крови, когда нарушена работа клеток, реабсорбирующих то или иное профильтровавшееся вещество из канальцевой жидкости в кровь.

5.5 инкреторная функция почек.

В почках вырабатывается несколько биологически активных веществ, позволяющих рассматривать ее как инкреторный орган. Гранулярные клетки юкстагломерулярного аппарата выделяют в кровь ренин при уменьшении артериального давления в почке, снижении содержания натрия в организме, при переходе человека из горизонтального положения в вертикальное. Уровень выброса ренина из клеток в кровь изменяется и в зависимости от концентрации Na+ и С1- в области плотного пятна дистального канальца, обеспечивая регуляцию электролитного и клубочково-канальцевого баланса. Ренин синтезируется в гранулярных клетках юкстагломерулярного аппарата и представляет собой протеолитический фермент. В плазме крови он отщепляет от ангиотензиногена, находящегося главным образом во фракции α2-глобулина, физиологически неактивный пептид, состоящий из 10 аминокислот, — ангиотензин I. В плазме крови под влиянием ангиотензинпревращающего фермента от ангиотензина I отщепляются 2 аминокислоты, и он превращается в активное сосудосуживающее вещество ангиотензин II. Он повышает артериальное давление благодаря сужению артериальных сосудов, усиливает секрецию альдостерона, увеличивает чувство жажды, регулирует реабсорбцию натрия в дистальных отделах канальцев и собирательных трубках. Все перечисленные эффекты способствуют нормализации объема крови и артериального давления.

В почке синтезируется активатор плазминогена — урокиназа. В мозговом веществе почки образуются простагландины. Они участвуют, в частности, в регуляции почечного и общего кровотока, увеличивают выделение натрия с мочой, уменьшают чувствительность клеток канальцев к АДГ. Клетки почки извлекают из плазмы крови образующийся в печени прогормон — витамин D3 и превращают его в физиологически активный гормон — активные формы витамина D3. Этот стероид стимулирует образование кальцийсвязывающего белка в кишечнике, способствует освобождению кальция из костей, регулирует его реабсорбцию в почечных канальцах. Почка является местом продукции эритропоэтина, стимулирующего эритропоэз в костном мозге. В почке вырабатывается брадикинин, являющийся сильным вазодилататором.

5.6 метаболическая функция почек.

Участие почки в метаболизме органических веществ отнюдь не ограничено способностью к реабсорбции этих соединений или экскреции их избытка. В почке образуются новые и разрушаются различные пептидные гормоны, циркулирующие в крови, происходят потребление низкомолекулярных органических веществ (глюкоза, аминокислоты, свободные жирные кислоты и др.) и образование глюкозы (глюконеогенез), процессы превращения аминокислот, например глицина в серин, необходимый для синтеза фосфатидилсерина, участвующего в образовании и обмене плазматических мембран в различных органах [Wesson L., 1969; Brenner В., Rector F., 1976; Guder W., Schmidt U., 1978]. Следует разграничить понятия «метаболизм почки» и «метаболическая функция почки». Метаболизм, обмен веществ в почке, обеспечивает выполнение всех ее функций. В этом разделе не будут обсуждаться вопросы, касающиеся особенностей биохимических процессов почечных клеток. Речь пойдет только о некоторых сторонах деятельности почки, которые обеспечивают одну из ее важнейших гомеостатических функций, связанную с поддержанием стабильного уровня в жидкостях внутренней среды ряда компонентов углеводного, белкового и липидного обмена.

Участие в обмене белков.

Ранее уже отмечалось, что фильтрующая мембрана клубочка практически непроницаема для альбуминов и глобулинов, но через нее свободно фильтруются низкомолекулярные пептиды. Тем самым в канальцы непрестанно поступают гормоны — инсулин, вазопрессин, ПГ, АКТГ, ангиотензин, гастрин и др. Расщепление до аминокислот этих физиологически активных пептидов имеет двоякое функциональное значение — в кровь поступают аминокислоты, используемые для синтетических процессов в различных органах и тканях, и организм непрерывно освобождается от поступивших в кровоток биологически активных соединений, что улучшает точность регуляторных влияний. Снижение функциональной способности почки к удалению этих веществ приводит к тому, что при почечной недостаточности может наступить гипергаспринемия, появляется избыток в крови ПГ (помимо увеличения его секреции). Вследствие замедления инактивации инсулина в почке у больных диабетом при развитии почечной недостаточности может снижаться потребность в инсулине. Нарушение процесса реабсорбции и расщепления низкомолекулярных белков приводит к появлению канальцевой протеинурии. При НС, наоборот, протеинурия обусловлена увеличением фильтрации белков; низкомолекулярные белки при этом по-прежнему реабсорбируются, а в мочу поступают альбумины и крупномолекулярные белки. Канальцевая реабсорбция отдельных аминокислот, расщепление и реабсорбция полипептидов, всасывание белков путем эндоцитоза — каждый из этих процессов насыщаем, т. е. имеет свою величину Тm. Это подтверждает представление о различии механизмов всасывания отдельных категорий белков. Существенное значение имеет большая скорость фильтрации в клубочках денатурированных альбуминов по сравнению с нативными. Весьма вероятно, что это служит одним из механизмов элиминации из крови, расщепления клетками канальцев и использования аминокислот тех белков, которые изменились, стали функционально неполноценными. Есть сведения о возможности извлечения некоторых белков и полипептидов клетками нефрона из околоканальцевой жидкости и их последующего катаболизма. К ним относятся, в частности, инсулин и β2-μ-глобулин. Таким образом, почка играет важную роль в расщеплении низкомолекулярных и измененных (в том числе денатурированных) белков. Это объясняет значение почки в восстановлении фонда аминокислот для клеток органов и тканей, в быстром устранении из крови физиологически активных веществ и сохранении для организма их компонентов.

Участие в обмене углеводов.

Наряду с фильтрацией и реабсорбцией профильтровавшейся глюкозы почка не только потребляет ее в процессе обмена, но и способна к значительной продукции глюкозы. В обычных условиях скорости этих процессов равны. На утилизацию глюкозы для выработки энергии в почке идет около 13% общего потребления кислорода почкой. Глюконеогенез происходит в коре почки, а наибольшая активность гликолиза характерна для ее мозгового вещества. В процессе обмена в почке глюкоза может окисляться до СО2 или превращаться в молочную кислоту. Гомеостатическое значение ведущих биохимических путей превращения глюкозы в почке можно показать на примере метаболизма глюкозы при сдвигах КЩС. При хроническом метаболическом алкалозе потребление почкой глюкозы возрастает в несколько раз по сравнению с хроническим метаболическим ацидозом. Существенно, что окисление глюкозы не зависит от КЩС, а увеличение pH способствует сдвигу реакций в направлении образования молочной кислоты. Почка обладает весьма активной системой образования глюкозы; интенсивность глюконеогенеза при расчете на 1 г массы тючки значительно больше, чем в печени. Метаболическая функция почки, связанная с ее участием в углеводном обмене, проявляется в том, что при длительном голодании почки образуют половину общего количества глюкозы, поступающей в кровь. Превращение кислых предшествеников, субстратов в глюкозу, являющуюся нейтральным веществом, одновременно способствует регуляции pH крови. При алкалозе, наоборот, уменьшен глюконеогенез из кислых субстратов. Зависимость скорости и характера глюконеогенеза от величины pH отличает углеводный обмен почки от такового печени. В почке изменение скорости образования глюкозы сопряжено с изменением активности ряда ферментов, играющих ключевую роль в глюконеогенезе. Среди них в первую очередь следует назвать фосфоенолпируваткарбоксикиназу, пируваткарбоксилазу, глюкозо-6-фосфатазу и др. Особенно важно, что организм способен к локальному изменению активности ферментов при генерализованных реакциях. Так, при ацидозе увеличивается активность фосфонолпируваткарбоксикиназы только в коре почки; в печени активность такого же фермента не меняется. В условиях ацидоза в почке возрастает глюконеогенез преимущественно из тех предшественников, которые участвуют в образовании щавелевоуксусной кислоты (оксалацетат). С помощью фосфоенолпируваткарбоксикиназы он превращается в фосфоенолпируват (далее — d-глицеральдегид-3 РО4, фруктоза-1,6-дифосфат, фруктоза-6 РО4); наконец, глюкозу-6 РО4, из которой с помощью глюкозо-6-фосфатазы освобождается глюкоза. Сущность активации ключевого фермента, обеспечивающего усиление образования глюкозы при ацидозе, — фосфоенолпируваткарбоксикиназы, по-видимому, заключается в том, что при ацидозе происходит превращение мономерных форм этого фермента в активную димерную форму, а также замедляется процесс разрушения фермента. Важную роль в регуляции скорости глюконеогенеза в почке играют гормоны (ПГ, глюкагон) и медиаторы, увеличивающие образование цАМФ в клетках канальцев. Этот посредник способствует усилению процессов превращения в митохондриях ряда субстратов (глутамин, сукцинат, лактат и др.) в глюкозу. Важное значение в регуляции имеет содержание ионизированного кальция, который участвует в увеличении митохондриального транспорта ряда субстратов, обеспечивающих образование глюкозы. Превращение различных субстратов в глюкозу, поступающую в общий кровоток и доступную для утилизации в различных органах и тканях, свидетельствует о том, что почке присуща важная функция, связанная с участием в энергетическом балансе организма. Интенсивная синтетическая активность некоторых клеток почки зависит, в частности, от состояния углеводного обмена. В почке высокая активность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы свойственна клеткам macula densa, проксимального канальца и части петли Генле. Этот фермент играет важнейшую роль в окислении глюкозы по гексозомонофосфатному шунту. Он активизируется при уменьшении содержания натрия в организме, что приводит, в частности, к интенсификации синтеза и секреции ренина. Почка оказалась основным органом окислительного катаболизма инозитола. В ней миоинозитол окисляется в ксилулозу и затем через ряд стадий — в глюкозу. В ткани почки синтезируется фосфатидилинозитол — необходимый компонент плазматических мембран, в значительной степени определяющий их проницаемость. Синтез глюкуроновой кислоты важен для образования кислых мукополисахаридов; их много в интерстиции внутреннего мозгового вещества почки, что существенно для процесса осмотического разведения и концентрирования мочи.

Участие в обмене липидов.

Свободные жирные кислоты извлекаются почкой из крови и их окисление в значительной степени обеспечивает функцию почки. Так как свободные жирные кислоты связаны в плазме с альбумином, то они не фильтруются, а поступают в клетки нефрона со стороны межклеточной жидкости; перенос через мембрану (клетки связан со специальным механизмом транспорта. Окисление этих соединений происходит больше в коре почки, чем в ее мозговом веществе. Помимо участия свободных жирных кислот в энергетическом обмене почки, в ней происходит образование триацилглицеринов. Свободные жирные кислоты быстро включаются в фосфолипиды почки, играющие важную роль в различных транспортных процессах. Роль почки в липидном обмене состоит в том, что в ее ткани свободные жирные кислоты включаются в состав триацилглицеринов и фосфолипидов и в виде этих соединений участвуют в циркуляции.