Механизмы. 
Физиология почек

Регуляция выведения воды

Для регуляции выведения воды почки должны обладать способностью выделять как гипертоничную, так и гипотоничную мочу, то есть обладать разбавляющей и концентрирующей функцией.

Механизм разбавления мочи

Из особенностей трансэпителиального переноса (см. выше) видно, что вода всегда реабсорбируется путем осмоса, то есть следует за реабсорбируемыми растворенными веществами, и в основном — за натрием. Следовательно, если в некоем отделе нефрона реабсорбируются растворенные вещества, и он высоко проницаем для воды — будет происходить изоосмотическая реабсорбция: и реабсорбируемая, и канальцевая жидкость будут изотоничны. Если же будут реабсорбироваться растворенные вещества, но каналец будет непроницаем для воды — реабсорбируемая жидкость будет гипертонична, а канальцевая — гипотонична.

Как мы уже знаем, проксимальный каналец проницаем для воды, и потому из него оттекает изотоничная жидкость. Напротив, восходящая часть петли Генле и ранний отдел дистального извитого канальца всегда непроницаемы для воды, а NaCl в них реабсорбируется, поэтому от них оттекает гипотоничная жидкость с осмолярностью 100 мосмоль/л.

Реабсорбция NaCl продолжается и в позднем отделе дистального извитого канальца и в собирательной трубочке; эти отделы в отсутствие АДГ (см. ниже) непроницаемы для воды, и в этих условиях осмолярность мочи в конечном счете может снижаться до минимального значения — 50 мосмоль/л.

Механизм концентрирования мочи

Из предыдущего раздела мы узнали, как почки могут образовывать изотоничную и гипотоничную мочу. Остается выяснить, как почки могут выделять гипертоничную мочу.

Предположим, что через интерстиций рядом друг с другом проходят два канальца. В одном из них в интерстиций реабсорбируются растворенные вещества, но не вода; интерстиций при этом становится гипертоничным. Другой же каналец, наоборот, проницаем для воды, но в нем не реабсорбируются растворенные вещества; тогда вода будет выходить из него по градиенту осмотического давления в интерстиций, и жидкость в канальце станет гипертоничной. Таким образом, принцип концентрирования мочи заключается в том, что одни отделы нефрона путем реабсорбции растворенных веществ создают повышенное осмотическое давление в интерстиции, а из других в этот гипертоничный интерстиций выходит вода.

Отделом, создающим гипертоничность интерстиция, является петля Генле.

Отделом, из которого в этот гипертоничный интерстиций выходит вода (а канальцевая жидкость при этом концентрируется), является собирательная трубочка.

Создание гипертоничной среды в интерстиции резко усиливается за счет работы петли Генле как поворотно-противоточной системы.

Чтобы понять назначение поворотно-противоточной системы, рассмотрим сначала, какова была бы эффективность концентрирования интерстиция в ее отсутствие.

На рис. 15.8, А изображен каналец, проходящий через интерстиций. Жидкость в канальце течет в направлении, указанном прямыми стрелками, а интерстициальная жидкость неподвижна. И сам каналец, и интерстиций разделены на несколько условных квадратиков. Пусть изначально осмолярность и канальцевой, и интерстициальной жидкости равна 300 мосмоль/л. Из канальца в интерстиций реабсорбируется NaCl с такой интенсивностью, что в каждом условном квадратике в интерстиций выходит 50 мосмоль/л этого электролита. Тогда канальцевая жидкость по мере продвижения будет становиться все более гипотоничной (на 50 мосмоль/л в каждом квадратике), а интерстиций в каждом квадратике будет становиться гипертоничнее на 50 мосмоль/л; иными словами, осмолярность интерстиция везде станет равной 350 мосмоль/л. Эти процессы отражены на графике в нижней части рис. 15.8, А. Из него видно, что:

осмолярность интерстиция выросла на всем его протяжении лишь на 50 мосмоль/л;

по ходу канальца создается нарастающий осмотический градиент между канальцевой и интерстициальной жидкостью (?Осм), служащий мощной движущей силой для обратного входа в каналец NaCl (или выхода из него воды). Это может свести на нет и без того незначительную гиперосмолярность, создаваемую в интерстиции.

Итак, реабсорбция осмотически активных веществ из канальца в интерстиций без дополнительных механизмов была бы крайне неэффективным способом концентрирования интерстиция.

Для повышения концентрирования интерстиция петля Генле работает как поворотно-противоточный множитель. Рассмотрим сначала упрощенную схему его работы.

На рис. 15.8, Б приведена типичная поворотно-противоточная система, имеющая вид U-образной петли. Жидкость поступает в каналец А, движется до изгиба петли, заворачивает (отсюда — поворотная) и течет в канальце Б в противоположном направлении (отсюда — противоточная). Вновь разделим нашу систему на условные квадратики; в каждом из них из канальца Б в каналец, А поступает 50 мосмоль/л NaCl. Поскольку жидкость в канальце, А движется, то, переходя из квадратика в квадратик, она все больше обогащается NaCl, то есть становится все гипертоничнее. Совершив поворот, она поступает в каналец А, где происходит активное выкачивание NaCl; двигаясь по этому канальцу, жидкость в каждом квадратике теряет 50 мосмоль/л NaCl и тем самым становится все гипотоничнее.

В результате, как видно из графика на рис. 15.8, Б:

к изгибу петли достигается высокая осмолярность жидкости в обоих канальцах, и чем длиннее будет петля, тем большая осмолярность будет достигнута;

осмотический градиент между канальцами (?Осм) постоянен (одинаков на уровне каждого квадратика) и невелик.

Реальная же поворотно-противоточная система почек отличается следующими особенностями.

В толстом сегменте восходящей части петли Генле активно реабсорбируются электролиты (Na+, K+ и Cl-), но он не проницаем для воды. Напротив, тонкий нисходящий сегмент непроницаем для электролитов, но высоко проницаем для воды; поэтому электролиты не входят в него (как на рис. 15.8, Б), но вместо этого им навстречу по градиенту осмотического давлениявыходит вода. Понятно, что с точки зрения повышения осмолярности вход электролитов и выход воды равноценны.

Обмен между восходящей и нисходящей частью петли Генле осуществляется не непосредственно, а через интерстиций. Поскольку нисходящая часть петли Генле высоко проницаема для воды, осмолярность в интерстиции становится такой же, как в этой части, то есть постепенно повышается к изгибу петли. В этом концентрировании интерстиция, как уже говорилось, и заключается цель работы петли Генле.

Реабсорбируемые в восходящей части электролиты и выходящая из нисходящей части вода поступают в капилляры (прямые сосуды) и относятся с током крови. Поэтому петля Генле не только создает высокую осмолярность интерстиция, но также способствует дальнейшей реабсорбции воды и электролитов: из 60 л/сут жидкости, поступающей из проксимального канальца, 40 л/сут реабсорбируются в петле Генле.

Рассмотренный нами механизм концентрирования интерстиция, основанный на активной реабсорбции Na+ и других электролитов, работает в верхних отделах петли Генле — там, где восходящая часть представлена толстым сегментом. В тонком сегменте восходящей части петли Генле, как и в нисходящем тонком сегменте, процессы активного транспорта не идут; следовательно, данный механизм здесь невозможен. Тем не менее и здесь осмолярность интерстиция продолжает нарастать, но обусловлено это иным — мочевинным — механизмом концентрирования мочи. Суть этого механизма в следующем (рис. 15.9):

поздние отделы дистальных извитых канальцев и корковые отделы собирательных трубочек в присутствии АДГ (см. ниже) проницаемы для воды. Поскольку жидкость в них гипотонична (см. выше, разд. «Механизм разбавления мочи»), а тоничность окружающего интерстиция по направлению к глубинным слоям постепенно нарастает, вода выходит в интерстиций. Эти отделы непроницаемы для мочевины; по мере выхода воды концентрация мочевины в канальцевой жидкости нарастает, и в мозговом отделе собирательных трубочек становится очень высокой;

глубинные отделы собирательных трубочек проницаемы для мочевины; мочевина выходит в интерстиций по концентрационному градиенту, увеличивая тем самым его осмолярность;

из интерстиция мочевина частично входит обратно в канальцы в области тонкого сегмента, так как: 1) этот сегмент для нее проницаем; 2) ее концентрация в интерстиции мозгового вещества очень высока. Тем самым мочевина совершает кругооборот; благодаря которому, с одной стороны, постоянно поддерживается высокая осмолярность мозгового вещества, с другой — бо{`}льшая часть мочевины выделяется с мочой.

В результате совместной работы натриевого и мочевинного механизмов концентрирования мочи в глубинных слоях интерстиция достигается осмолярность порядка 1200 мосмоль/л. Если собирательная трубочка, проходящая через эти слои, будет проницаема для воды, то вода выйдет в интерстиций до выравнивания осмотического градиента, и осмолярность мочи достигнет максимального значения — 1200 мосмоль/л. Именно это и происходит под действием АДГ.

Действие АДГ

АДГ:

вырабатывается в гипоталамусе;

хранится в нейрогипофизе;

выбрасываетсяв ответ на стимуляцию осморецепторов гипоталамуса (то есть на повышение осмолярности крови), а также в ответ на существенное снижение импульсации от волюмои барорецепторов (то есть, на снижение объема крови и артериального давления);

действуя на почки, повышает реабсорбцию воды и, следовательно, по механизму отрицательной обратной связи снижает осмолярность крови и повышает ее объем.

Механизм действия АДГ на почки заключается в том, что этот гормон повышает проницаемость для воды поздних отделов дистальных канальцев и собирательных трубочек:

в поздних отделах дистальных канальцев под действием АДГ вода начинает выходить вслед за активно реабсорбируемым Na+, и в результате уменьшается степень разбавления мочи (см. выше, разд. «Механизм разбавления мочи»);

в собирательных трубочках под действием АДГ вода начинает выходить в гипертоничный интерстиций, достигая в конечном счете предельной осмолярности — 1200 мосмоль/л;

кроме того, в присутствии АДГ срабатывает мочевинный механизм концентрирования мочи (см. выше).

Резюме: механизмы концентрирования и разбавления мочи

• 1. Петля Генле, работая как поворотно-противоточная система, создает высокую гипертоничность интерстиция.
• 2. В собирательную трубочку поступает гипотоничная жидкость.
• 3. Собирательная трубочка проходит через интерстиций, который по направлению к глубинным отделам становится все более гипертоничным; если собирательная трубочка не проницаема для воды, из нее будет оттекать та же гипотоничная жидкость, что в нее поступает; если она проницаема для воды, то вода будет реабсорбироваться, а оттекать будет гипертоничная моча.
• 4. Гормоном, повышающим проницаемость собирательной трубочки для воды, является АДГ.

Регуляция выведения воды при разных водных нагрузках

При максимальной водной нагрузке (например, потреблении 12 л чистой воды в сутки):

кровь становится гипоосмолярной;

уменьшается стимуляция осморецепторов гипоталамуса;

прекращается выделение АДГ;

в отсутствие АДГ вода в собирательных трубочках не реабсорбируется, и выделяется большой объем (12 л/сут) резко гипотоничной (50 мосмоль/л) мочи.

Это состояние называется водным диурезом.

При минимальной водной нагрузке (отсутствие приема воды, сухоядение):

кровь становится гиперосмолярной;

стимулируются осморецепторы гипоталамуса;

выделение АДГ становится максимальным;

при максимальной секреции АДГ вода в собирательных трубочках реабсорбируется до достижения осмотического равновесия с интерстицием, и выделяется малый объем (0,5 л/сут) резко гипертоничной мочи (1200 мосмоль/л).

Это состояние называется антидиурезом.