Fizjologia nerek - Renal physiology

Ta ilustracja przedstawia prawidłową fizjologię nerek, w tym proksymalny kanalik zawinięty (PCT), pętlę Henlego i dystalny kanalik zawinięty (DCT). Zawiera również ilustracje pokazujące, gdzie działają niektóre rodzaje leków moczopędnych i co robią.

Fizjologia nerek ( łacińskie Renes , „nerki”) to badanie fizjologii w nerkach . Obejmuje to wszystkie funkcje nerek, w tym utrzymanie równowagi kwasowo-zasadowej ; regulacja równowagi płynów ; regulacja sodu , potasu i innych elektrolitów ; klirens z toksyn ; wchłanianie glukozy , aminokwasów i innych małych cząsteczek; regulacja ciśnienia krwi ; produkcja różnych hormonów , takich jak erytropoetyna ; i aktywacja witaminy D .

Duża część fizjologii nerek jest badana na poziomie nefronu , najmniejszej funkcjonalnej jednostki nerki. Każdy nefron zaczyna się od składnika filtrującego , który filtruje krew wchodzącą do nerki. Ten filtrat następnie przepływa wzdłuż nefronu, który jest strukturą rurową wyłożoną pojedynczą warstwą wyspecjalizowanych komórek i otoczoną naczyniami włosowatymi . Główne funkcje tych komórek wyścielających to reabsorpcja wody i małych cząsteczek z filtratu do krwi oraz wydzielanie produktów przemiany materii z krwi do moczu.

Prawidłowe funkcjonowanie nerki wymaga przyjmowania i odpowiedniego filtrowania krwi. Odbywa się to na poziomie mikroskopowym przez setki tysięcy jednostek filtracyjnych zwanych ciałkami nerkowymi , z których każda składa się z kłębuszka i torebki Bowmana . Ogólną ocenę czynności nerek często zapewnia oszacowanie szybkości filtracji, zwanej szybkością filtracji kłębuszkowej (GFR).

Powstawanie moczu

Schemat przedstawiający podstawowe mechanizmy fizjologiczne nerek

Zdolność nerek do wykonywania wielu jej funkcji zależy od trzech podstawowych funkcji: filtracji , reabsorpcji i sekrecji , których suma nazywana jest klirensem nerkowym lub wydalaniem nerkowym. To jest:

Szybkość wydalania z moczem = Szybkość filtracji – Szybkość reabsorpcji + Szybkość wydzielania

Chociaż najściślejszym znaczeniem słowa wydalanie w odniesieniu do układu moczowego jest samo oddawanie moczu , klirens nerkowy jest również konwencjonalnie nazywany wydalaniem (na przykład w ustalonym terminie frakcjonowane wydalanie sodu ).

Filtrowanie

Krew jest filtrowana przez nefronów funkcjonalne jednostki nerki. Każdy nefron zaczyna się w ciałku nerkowym , które składa się z kłębuszka zamkniętego w torebce Bowmana . Komórki, białka i inne duże molekuły są odfiltrowywane z kłębuszka nerkowego w procesie ultrafiltracji , pozostawiając ultrafiltrat przypominający osocze (z wyjątkiem tego, że ultrafiltrat ma znikome ilości białek osocza ), który przedostaje się do przestrzeni Bowmana. Filtracja jest napędzana przez siły Starlinga .

Przepływ płynu w Kapsule Bowmana i Glomerulus.svg

Ultrafiltrat przechodzi z kolei przez proksymalny kanalik kręty , pętlę Henlego , dystalny kanalik kręty , oraz szereg przewodów zbiorczych w celu wytworzenia moczu .

Reabsorpcja

Reabsorpcja kanalikowa to proces, w którym substancje rozpuszczone i woda są usuwane z płynu kanalikowego i transportowane do krwi. Nazywa się to reabsorpcją (a nie wchłanianiem ) zarówno dlatego, że substancje te zostały już raz wchłonięte (szczególnie w jelitach ), jak i dlatego, że organizm odzyskuje je ze strumienia płynu zakłębuszkowego, który jest na dobrej drodze do przekształcenia się w mocz (to znaczy, że wkrótce zostaną utracone z moczem, chyba że zostaną odzyskane).

Reabsorpcja jest procesem dwuetapowym, rozpoczynającym się od czynnej lub biernej ekstrakcji substancji z płynu kanalikowego do tkanki śródmiąższowej nerek (tkanki łącznej otaczającej nefron), a następnie transportem tych substancji z tkanki śródmiąższowej do krwiobiegu. Te procesy transportowe są napędzane przez siły Starlinga , dyfuzję i aktywny transport .

Pośrednia reabsorpcja

W niektórych przypadkach reabsorpcja jest pośrednia. Na przykład wodorowęglan (HCO 3 ) nie ma transportera, więc jego reabsorpcja obejmuje szereg reakcji w świetle kanalika i nabłonku kanalików. Rozpoczyna się aktywnym wydzielaniem jonu wodorowego (H + ) do płynu w kanalikach poprzez wymiennik Na/H :

  • W świetle
    • H + łączy się z HCO 3 tworząc kwas węglowy (H 2 CO 3 )
    • Luminalna anhydraza węglanowa enzymatycznie przekształca H 2 CO 3 w H 2 O i CO 2
    • CO 2 swobodnie dyfunduje do ogniwa
  • W komórce nabłonkowej
    • Cytoplazmatyczna anhydraza węglanowa przekształca CO 2 i H 2 O (który jest obficie w komórce) w H 2 CO 3
    • H 2 CO 3 łatwo dysocjuje na H + i HCO 3
    • HCO 3 - jest ułatwione z komórki bocznopodstawnej błony

Wpływ hormonów

Niektóre kluczowe hormony regulujące wchłanianie zwrotne obejmują:

Oba hormony oddziałują głównie na przewody zbiorcze .

Wydzielanie kanalikowe zachodzi jednocześnie podczas reabsorpcji filtratu. Substancje, zwykle wytwarzane przez organizm lub produkty uboczne metabolizmu komórkowego, które mogą stać się toksyczne w wysokich stężeniach oraz niektóre leki (jeśli są przyjmowane). Wszystkie one są wydzielane do światła kanalików nerkowych. Wydzielanie kanalikowe może być aktywne, pasywne lub współtransportowe. Substancje wydzielane głównie do kanalików nerkowych to; H+, K+, NH3, mocznik, kreatynina, histamina i leki takie jak penicylina. Wydzielanie kanalikowe zachodzi w proksymalnym kanaliku zawiniętym (PCT) i dystalnym kanaliku zawiniętym (DCT); np. w kanaliku proksymalnym krętym potas jest wydzielany za pomocą pompy sodowo-potasowej, jon wodorowy jest wydzielany na drodze transportu aktywnego i kotransportu, czyli antyportera, a amoniak dyfunduje do kanalików nerkowych.

Inne funkcje

Wydzielanie hormonów

Nerki wydzielają różne hormony , w tym erytropoetynę , kalcytriol i reninę . Erytropoetyna jest uwalniana w odpowiedzi na niedotlenienie (niski poziom tlenu na poziomie tkankowym) w krążeniu nerkowym. Stymuluje erytropoezę (produkcję czerwonych krwinek) w szpiku kostnym . Kalcytriolu aktywowaną postacią witaminy D , sprzyja wchłanianie wapnia i nerek reabsorpcji z fosforanu . Renina jest enzymem regulującym poziom angiotensyny i aldosteronu .

Utrzymanie homeostazy

Nerki odpowiadają za utrzymanie równowagi następujących substancji:

Substancja Opis Kanał proksymalny Pętla Henle Cewka dystalna Kanał zbiorczy
Glukoza Jeśli glukoza nie zostanie ponownie wchłonięta przez nerki, pojawia się ona w moczu, w stanie zwanym glikozurią . Jest to związane z cukrzycą . reabsorpcja (prawie 100%) przez białka transportujące glukozę sodową ( wierzchołkowe ) i GLUT ( podstawno-boczne ).
Oligopeptydy , białka i aminokwasy Wszystkie są niemal całkowicie wchłonięte. reabsorpcja
Mocznik Regulacja osmolalności . Zależy od ADH reabsorpcja (50%) przez transport bierny wydzielanie reabsorpcja w szpikowych przewodach zbiorczych
Sód Wykorzystuje antyport Na-H, symport Na-glukozy, kanały jonowe sodu (niewielkie) resorpcja (65%, izosmotyczna ) reabsorpcja (25%, gęsty rosnąco, symporter Na-K-2Cl ) reabsorpcja (5%, symporter chlorku sodu ) reabsorpcja (5%, komórki główne), stymulowana przez aldosteron poprzez ENaC
Chlorek Zwykle następuje sód . Aktywny (transkomórkowy) i pasywny ( parakomórkowy ) reabsorpcja reabsorpcja (cienka rosnąco, gruba rosnąco, symporter Na-K-2Cl ) reabsorpcja ( symporter chlorku sodu )
Woda Wykorzystuje kanały wodne akwaporyny . Zobacz także moczopędne . wchłaniany osmotycznie wraz z substancjami rozpuszczonymi reabsorpcja (malejąco) reabsorpcja (regulowana przez ADH, poprzez receptor argininowo-wazopresyny 2 )
Dwuwęglan Pomaga w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej . reabsorpcja (80-90%) reabsorpcja (gruba rosnąco) reabsorpcja (komórki interkalowane przez pasmo 3 i pendrynę )
Protony Wykorzystuje H+ATPazę wakuolową sekrecja (komórki interkalowane)
Potas Różni się od potrzeb żywieniowych. resorpcja (65%) reabsorpcja (20%, gęsty rosnąco, symporter Na-K-2Cl ) sekrecja (często poprzez Na+/K+-ATPazę , zwiększona przez aldosteron ) lub reabsorpcję (rzadko, ATP-aza wodorowo-potasowa )
Wapń Wykorzystuje wapnia ATPazy , wymiennika sodowo-wapniowego reabsorpcja reabsorpcja (grube wznoszenie) przez transport bierny reabsorpcja w odpowiedzi na PTH i reabsorpcja ↑ z tiazydowymi lekami moczopędnymi.
Magnez Wapń i magnez współzawodniczą, a nadmiar jednego może prowadzić do wydalania drugiego. reabsorpcja reabsorpcja (gruba rosnąco) reabsorpcja
Fosforan Wydalany jako kwas miareczkowany . reabsorpcja (85%) przez kotransporter sodowo-fosforanowy . Hamowany przez parathormon .
Karboksylan reabsorpcja (100%) przez transportery karboksylanowe .

Organizm jest bardzo wrażliwy na jego pH . Poza zakresem pH, który jest zgodny z życiem, białka ulegają denaturacji i trawieniu, enzymy tracą zdolność do funkcjonowania, a organizm nie jest w stanie się utrzymać. Nerki utrzymują homeostazę kwasowo-zasadową regulując pH osocza krwi . Zyski i straty kwasu i zasady muszą być zrównoważone. Kwasy dzielą się na „kwasy lotne” i „kwasy nielotne”. Zobacz także kwas miareczkowany .

Głównym punktem kontroli homeostazy dla utrzymania tej stabilnej równowagi jest wydalanie przez nerki. Nerki są kierowane do wydalania lub zatrzymywania sodu poprzez działanie aldosteronu , hormonu antydiuretycznego (ADH lub wazopresyny), przedsionkowego peptydu natriuretycznego (ANP) i innych hormonów. Nieprawidłowe zakresy frakcjonowanego wydalania sodu mogą sugerować ostrą martwicę kanalików nerkowych lub dysfunkcję kłębuszków nerkowych .

Kwasowo-zasadowe

Dwa układy narządów, nerki i płuca, utrzymują homeostazę kwasowo-zasadową, czyli utrzymywanie pH na stosunkowo stabilnym poziomie. Płuca przyczyniają się do homeostazy kwasowo-zasadowej poprzez regulację stężenia dwutlenku węgla (CO 2 ). Nerki pełnią dwie bardzo ważne role w utrzymywaniu równowagi kwasowo-zasadowej: ponowne wchłanianie i regeneracja wodorowęglanów z moczu oraz wydalanie jonów wodorowych i związanych kwasów (anionów kwasów) z moczem.

Osmolalność

Nerki pomagają utrzymać poziom wody i soli w organizmie. Każdy znaczący wzrost osmolalności osocza jest wykrywany przez podwzgórze , które komunikuje się bezpośrednio z tylnym przysadką mózgową . Wzrost osmolalności powoduje, że gruczoł wydziela hormon antydiuretyczny (ADH), co powoduje reabsorpcję wody przez nerki i wzrost stężenia moczu. Te dwa czynniki współpracują ze sobą, aby przywrócić osmolalność osocza do normalnego poziomu.

ADH wiąże się z głównymi komórkami w przewodzie zbiorczym, które przemieszczają akwaporyny do błony, umożliwiając wodzie opuszczenie normalnie nieprzepuszczalnej błony i ponowne wchłonięcie do organizmu przez vasa recta, zwiększając w ten sposób objętość osocza organizmu.

Istnieją dwa systemy, które tworzą rdzeń hiperosmotyczny, a tym samym zwiększają objętość osocza ciała: recykling mocznika i „pojedynczy efekt”.

Mocznik jest zwykle wydalany przez nerki jako produkt odpadowy. Jednak gdy objętość krwi w osoczu jest niska i uwalniany jest ADH, otwarte akwaporyny są również przepuszczalne dla mocznika. Dzięki temu mocznik wydostaje się z przewodu zbiorczego do rdzenia, tworząc hiperosmotyczny roztwór, który „przyciąga” wodę. Mocznik może następnie ponownie wejść do nefronu i zostać ponownie wydalony lub poddany recyklingowi w zależności od tego, czy ADH jest nadal obecny, czy nie.

„Pojedynczy efekt” opisuje fakt, że wznoszące się grube ramię pętli Henlego nie przepuszcza wody, ale jest przepuszczalne dla chlorku sodu . Pozwala to na system wymiany przeciwprądowej , w którym rdzeń staje się coraz bardziej skoncentrowany, ale jednocześnie tworzy gradient osmotyczny dla wody, jeśli akwaporyny w kanale zbiorczym zostaną otwarte przez ADH.

Ciśnienie krwi

Chociaż nerki nie mogą bezpośrednio wyczuwać krwi, długoterminowa regulacja ciśnienia krwi zależy głównie od nerki. Dzieje się tak przede wszystkim poprzez utrzymanie przedziału płynu pozakomórkowego , którego wielkość zależy od stężenia sodu w osoczu. Renin jest pierwszym z serii ważnych przekaźników chemicznych, które tworzą układ renina-angiotensyna . Zmiany w reninie ostatecznie zmieniają wydajność tego układu, głównie hormonów angiotensyny II i aldosteronu . Każdy hormon działa poprzez wiele mechanizmów, ale oba zwiększają wchłanianie chlorku sodu przez nerki , tym samym rozszerzając przedział płynu pozakomórkowego i podnosząc ciśnienie krwi. Gdy poziomy reniny są podwyższone, wzrastają stężenia angiotensyny II i aldosteronu, co prowadzi do zwiększonego wchłaniania zwrotnego chlorku sodu, rozszerzenia przestrzeni płynu pozakomórkowego i wzrostu ciśnienia krwi. Odwrotnie, gdy poziom reniny jest niski, poziom angiotensyny II i aldosteronu zmniejsza się, obkurczając przedział płynu pozakomórkowego i obniżając ciśnienie krwi.

Tworzenie glukozy

Nerki u ludzi są zdolne do produkcji glukozy z mleczanu , glicerolu i glutaminy . Nerki odpowiadają za około połowę całkowitej glukoneogenezy u ludzi na czczo. Regulacja produkcji glukozy w nerkach odbywa się poprzez działanie insuliny , katecholamin i innych hormonów. Glukoneogeneza nerkowa zachodzi w korze nerkowej . Rdzenia nerki jest zdolny do wytwarzania glukozy w wyniku braku niezbędnych enzymów .

Pomiar czynności nerek

Prostym sposobem oceny czynności nerek jest pomiar pH , azotu mocznikowego we krwi , kreatyniny i zasadowych elektrolitów (w tym sodu , potasu , chlorków i wodorowęglanów ). Ponieważ nerki są najważniejszym organem kontrolującym te wartości, wszelkie zaburzenia tych wartości mogą sugerować zaburzenia czynności nerek.

Istnieje kilka innych formalnych testów i wskaźników związanych z szacowaniem czynności nerek:

Pomiar Obliczenie Detale
nerkowy przepływ osocza Objętość osocza krwi dostarczanego do nerki na jednostkę czasu. Klirens PAH to metoda analizy nerek stosowana do oszacowania. Około 625 ml/min.
przepływ krwi przez nerki (HCT to hematokryt ) Objętość krwi dostarczanej do nerki na jednostkę czasu. U ludzi nerki łącznie otrzymują około 20% pojemności minutowej serca, co odpowiada 1 l/min u dorosłego mężczyzny o wadze 70 kg.
współczynnik filtracji kłębuszkowej (oszacowanie na podstawie klirensu kreatyniny ) Objętość płynu odsączyć z nerek kłębuszków naczyń włosowatych do tego kapsułki Bowmana jednostce czasu. Szacowany przy użyciu inuliny . Zwykle wykonuje się test klirensu kreatyniny, ale można również stosować inne markery, takie jak inulina polisacharydu roślinnego lub znakowany radioaktywnie EDTA.
frakcja filtracyjna Mierzy część osocza nerkowego, która jest filtrowana.
luka anionowa AG = [Na + ] − ([Cl ] + [HCO 3 ]) Kationy minus aniony . Nie obejmuje K + (zwykle), Ca 2+ , H 2 PO 4 . Pomoc w diagnostyce różnicowej do kwasicy metabolicznej
Prześwit (inny niż woda) gdzie U = stężenie, V = objętość moczu / czas, = wydalanie z moczem, a P = stężenie w osoczu Szybkość usuwania
wolny odprawy wody lub Objętość osocza krwi, która jest oczyszczona z wody wolnej od substancji rozpuszczonych w jednostce czasu.
Wydalanie kwasu netto Ilość netto kwasu wydalanego z moczem na jednostkę czasu

Bibliografia