13.6.3. Реабсорбция в канальцах

В почках у человека за 1 сут образуется около 180 л ультрафильтрата объем выделяемой мочи составляет от 1 до 1,5 л, остальная жидкость реабсорбируется в почечных канальцах. В просвет почечного канальца поступают все растворенные в плазме крови низкомолекулярные вещества, а также очень небольшое количество белков. Поэтому основное назначение системы обеспечивающей обратное всасывание веществ в канальцах, состоит в том чтобы вернуть в кровь все жизненно важные вещества и в необходимых количествах а экскретировать конечные продукты обмена веществ, токсические и чужеродные соединения и физиологически ценные вещества, если они имеются в избытке. Важное значение имеет фильтрация в клубочках гормонов и некоторых других физиологически активных веществ, которые в процессе реабсорбции инактивируются, а их компоненты возвращаются в кровь или удаляются из организма.

Различные отделы почечных канальцев отличаются по способности всасывать вещества из просвета нефрона. С помощью анализа жидкости из отдельных частей нефрона были установлены состав, функциональное значение и особенности работы всех отделов канальцев почки. В проксимальном сегменте нефрона из ультрафильтрата в обычных условиях полностью реабсорбируются глюкоза, аминокислоты, витамины, небольшие количества белка, пептиды, ионы Na+ K⁺, Са²⁺, Mg²⁺, мочевина, вода и многие другие вещества. В последующих отделах нефрона органические вещества не всасываются, в них реабсорбируются только ионы и вода (рис. 13.8).

Рис. 13.8 Локализация реабсорбции и секреции веществ в различных частях почечного канальца

В проксимальном сегменте нефрона у млекопитающих всасываются около 60—70% профильтровавшихся ионов Na⁺ и Сl^—, более 90% НСО₃^—, перечисленные выше органические и неорганические вещества, доля которых меньше в общей концентрации веществ, растворенных в плазме крови.

Отличительной особенностью реабсорбции в проксимальном канальце является то, что вслед за всасываемыми веществами реабсорбируется вода вследствие высокой осмотической проницаемости стенки этого отдела нефрона. Поэтому жидкость в проксимальном канальце всегда остается практически изоосмотической плазме крови.

Всасывание отдельных веществ в канальцах обеспечивается разными способами, их описание поможет понять многообразие молекулярных механизмов реабсорбции в нефроне.

Клетки эпителия почечных канальцев являются полярными, асимметричными. Их плазматическая мембрана, обращенная в просвет канальца, называется люминальной, или апикальной (от лат. apex, apicis — верхушка). Ее свойства во многих отношениях иные, чем у плазматических мембран боковых частей и основания клетки, называемых базолатеральными мембранами.

Для понимания физиологических механизмов реабсорбции веществ существенно, что в люминальной мембране локализованы переносчики и ионные каналы для многих веществ, обеспечивающие прохождение последних через мембрану в клетку. В базолатеральных мембранах содержатся Na, К—АТФаза, Са—АТФаза, переносчики некоторых органических веществ. Это создает условия для всасывания органических и неорганических веществ из клетки в межклеточную жидкость, в конечном счете — в сосудистое русло. Наличие в апикальной мембране натриевых каналов, а в базолатеральных мембранах натриевых насосов обеспечивает возможность направленного потока ионов Na⁺ из просвета в клетку канальца и из клетки с помощью насоса в межклеточное вещество.

Таким образом, клетка функционально является асимметричной, обеспечивая поток веществ из просвета канальца в кровь. Для такого процесса имеются структурные и биохимические предпосылки. В базальной части клеток почечных канальцев сосредоточены митохондрии, в которых при клеточном дыхании вырабатывается энергия для работы ионных насосов.

Глюкоза. Ежесуточно в канальцы почек у человека поступает 990 ммоль глюкозы, за сутки в почках реабсорбируется около 989,8 ммоль, т. е. моча оказывается практически свободной от глюкозы. Следовательно, всасывание глюкозы происходит против концентрационного градиента, в результате из канальцевой жидкости в кровь реабсорбируется вся глюкоза при нормальной ее концентрации в крови.

При повышении содержания глюкозы в плазме крови с 5 до 10 ммоль/л глюкоза появляется в моче. Это обусловлено тем, что в люминальной мембране клеток проксимального канальца находится ограниченное количество переносчиков глюкозы. Когда они полностью насыщаются глюкозой, достигается ее максимальная реабсорбция, а избыток начинает экскретироваться с мочой. Величина максимальной реабсорбции глюкозы имеет важное значение для функциональной оценки реабсорбционной способности клеток проксимальных канальцев (см. рис. 13.7).

Для определения максимальной величины транспорта глюкозы (Тт_G) достигают полного насыщения системы ее канальцевого транспорта. С этой целью в кровь вводят глюкозу, повышая ее концентрацию в клубочковом фильтрате до тех пор, пока не будет достигнут порог реабсорбции и глюкоза не начнет в значительных количествах выделяться с мочой. Величину Тт_G рассчитывают по разнице между количеством профильтровавшейся в клубочках глюкозы (равно произведению объема клубочкового фильтрата C_in на концентрацию глюкозы в плазме крови Р_G) и выделившейся с мочой (u_G — концентрация глюкозы в моче, V — объем выделившейся мочи):

Т т_G = С_inР_G — u_Gv.

Величина Тт_G характеризует полную загрузку системы транспорта глюкозы У мужчин она равна 2,08 ммоль/мин (375 мг/мин), у женщин — 1,68 ммоль/мин (303 мг/мин) при расчете на 1,73 м² поверхности тела.

На примере глюкозы можно рассмотреть мембранные и клеточные механизмы реабсорбции моносахаридов и аминокислот в почечных канальцах. В апикальной мембране клеток проксимального канальца глюкоза соединяется с переносчиком, который должен одновременно присоединить ион Na⁺ после чего комплекс приобретает способность транспортироваться через мембрану. В результате в цитоплазму клетки поступают и глюкоза, и натрий. Так как мембрана отличается высокой селективностью и односторонней проницаемостью, она не пропускает глюкозу обратно из клетки в просвет канальца. Энергетическим источником для переноса глюкозы через апикальную мембрану служит меньшая концентрация Na⁺ в цитоплазме клетки, удаляемого с помощью Na, К—АТФазы, локализованной в базальной плазматической мембране клетки. Такой процесс получил название вторично—активного транспорта, когда перенос веществ при их всасывании из просвета канальца в кровь происходит против концентрационного градиента, но без затраты на него энергии клетки. Она расходуется на перенос ионов натрия. Первично—активным называют транспорт в том случае, когда происходит перенос вещества против электрохимического градиента за счет энергии клеточного метаболизма. Наиболее ярким примером является транспорт ионов Na⁺, который осуществляется при участии фермента Na, К—АТФазы, расходующей энергию АТФ. После освобождения от связи с переносчиком глюкоза поступает в цитоплазму, достигает базальной плазматической мембраны и перемещается через нее с помощью механизма облегченной диффузии.

Белки и аминокислоты. Ультрафильтрация приводит к тому, что в просвет нефрона поступают неэлектролиты и электролиты. В отличие от электролитов которые, проникнув через апикальную мембрану, в неизменном виде достигай ют базальной плазматической мембраны и транспортируются в кровь, перенос белка обеспечивается иным механизмом, получившим название пиноцитоз. Молекулы профильтровавшегося белка адсорбируются на поверхностной мембране клетки, мембрана впячивается внутрь клетки с образованием пиноцитозной вакуоли. Эта вакуоль движется в сторону базальной части клетки; в околоядерной области, где локализован пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи) они могут сливаться с лизосомами, в которых высока активность ряда протеолитических ферментов. В лизосомах захваченные белки в результате ферментативного гидролиза расщепляются до аминокислот и удаляются в кровь через базальную плазматическую мембрану.

Профильтровавшиеся в клубочках аминокислоты почти полностью реабсорбируются клетками проксимального канальца. В люминальной мембране имеется не менее четырех раздельных механизмов транспорта аминокислот из просвета канальца в кровь: специальные системы реабсорбции для нейтральных, двуосновных, дикарбоксильных аминокислот и иминокислот (содержат в молекуле двухвалентную иминогруппу =NH). Каждая из этих систем обеспечивает всасывание нескольких аминокислот только одной группы. Так например, система реабсорбции двуосновных аминокислот участвует во всасывании лизина, аргинина, орнитина и, возможно, цистина. При введении в кровь избытка одной из указанных выше аминокислот начинается усиленная экскреция остальных аминокислот только этой группы. Системы транспорта отдельных групп аминокислот контролируются' раздельными генетическими механизмами. Описаны наследственные заболевания, одним из проявлений которых служит увеличенная экскреция определенных групп аминокислот.

Недавно были получены данные, что в почечных канальцах могут реабсорбироваться дипептиды и трипептиды в неизмененном виде. Пептидные гормоны, фильтруемые в почечных клубочках, частично гидролизуются и возвращаются в кровь в виде аминокислот, частично экскретируются с мочой.

Выделение с мочой слабых кислот и оснований зависит от их ультрафильтрации в клубочках, реабсорбции и секреции в проксимальных канальцах, а также от «неионной диффузии», влияние которой особенно сказывается в дистальных канальцах и собирательных трубках. Эти соединения могут существовать в зависимости от рН среды в двух формах: неионизированной и ионизированной. Клеточные мембраны более проницаемы для неионизированных веществ. Многие слабые кислоты с большой скоростью экскретируются с щелочной мочой, а слабые основания, напротив, с кислой. У оснований степень ионизации увеличивается в кислой среде, но уменьшается в щелочной. В неионизированном состоянии эти вещества растворимы в липидах и проникают в клетки, а затем в плазму крови, т. е. реабсорбируются. Если в канальцевой жидкости значение рН сдвинуто в кислую сторону, основания ионизированы и преимущественно экскретируются с мочой. Так, например, никотин является слабым основанием, ионизированным на 50% при рН 8,1, он в 3—4 раза быстрее экскретируется с кислой мочой (рН около 5), чем при щелочной реакции (рН 7,8). Неионная диффузия влияет на выделение почкой аммония, ряда лекарственных препаратов.

Электролиты. Всасывание профильтровавшихся в клубочках ионов Na⁺, Сl^— и НСО₃^— требует наибольших энерготрат в клетках нефрона. У человека в 1 сут реабсорбируются около 24 330 ммоль натрия, 19 760 ммоль хлора, 4888 ммоль бикарбоната, а выделяется с мочой 90 ммоль натрия, 90 ммоль хлора, менее 2 ммоль бикарбоната. Транспорт натрия является первично—активным, т. е. именно на его перенос расходуется энергия клеточного обмена. Ведущую роль в этом процессе играет Na, К—АТФаза. В проксимальном канальце у млекопитающих реабсорбируется около 2/3 профильтровавшегося натрия. Обратное всасывание Na⁺ в этом канальце происходит против небольшого градиента, и его концентрация в канальцевой жидкости остается такой же, как и в плазме крови. В проксимальном канальце реабсорбируются все остальные ионы. Как отмечалось выше, из—за высокой проницаемости стенки этого канальца для воды жидкость в просвете нефрона остается изоосмотичной плазме крови.

Ранее считали, что в проксимальном сегменте нефрона происходит обязательная (облигатная) реабсорбция, т. е. при всех условиях всасывание ионов Na⁺, Сl^—, воды является постоянной величиной. Напротив, в дистальных извитых канальцах и собирательных трубках реабсорбция ионов и воды может регулироваться, ее величина меняется в зависимости от функционального состояния организма. Результаты последних исследований указывают на то, что под влиянием импульсов, поступающих по эфферентным нервным волокнам к почке, и при действии физиологически активных веществ (например, одного из натрийуретических гормонов) регулируется реабсорбция натрия и в проксимальном отделе нефрона. Это особенно отчетливо выявляется при увеличении объема внутрисосудистой жидкости, когда уменьшение реабсорбции в проксимальном канальце способствует усилению экскреции ионов и воды, а тем самым восстановлению объема крови.

В результате реабсорбции в проксимальном канальце большинства компонентов ультрафильтрата и воды объем первичной мочи резко уменьшается и в начальный отдел петли Генле у млекопитающих поступает около ^l/з профильтровавшейся в клубочках жидкости. В петле Генле всасывается до 25% натрия, поступившего в нефрон при фильтрации, в дистальном извитом канальце — около 9%; меньше 1% натрия реабсорбируется в собирательных трубках или экскретируется с мочой. В конечных отделах канальцев концентрация натрия может снижаться до 1 ммоль/л по сравнению с 140 ммоль/л в клубочковом фильтрате. В дистальном сегменте нефрона и собирательных трубках в отличие от проксимального сегмента всасывание происходит против высоких концентрационного и электрохимического градиентов.

Рис. 13.9 Мембранные механизмы транспорта Na⁺ в клетках различных отделов нефрона

В базальных мембранах всех типов клеток содержится Na, К—АТФаза, обеспечивающая обмен ионов Na+ на ионы К+. В люминальной мембране локализована система котранспорта Na+ и глюкозы (G), натриевые каналы, система котранспорта некоторых других ионов; стрелками указаны участки нефрона, где находятся клетки соответствующих типов.

Рис. 13.10 Транспорт Na+ и К+ клеткой дистального извитого канальца

Клеточные механизмы реабсорбции Na⁺, как и других ионов, могут существенно отличаться в разных отделах нефрона (рис. 13.9). В клетках проксимального канальца поступление натрия через люминальную мембрану внутрь клетки обеспечивается рядом механизмов. Оно может быть связано с обменом Nа⁺ на протоны (Na⁺/H⁺, а также с деятельностью натрийзависимых переносчиков аминокислот и глюкозы. В люминальной мембране клеток толстого восходящего отдела петли Генле поступление иона Na⁺ в клетку происходит одновременно с ионом К⁺ и двумя ионами Сl^—; эта система блокируется со стороны просвета канальца фуросемидом. В дистальном извитом канальце ведущее значение имеет прохождение иона Na⁺ по натриевому каналу, специфическим блокатором которого является амилорид. Во всех случаях поступившие внутрь клетки ионы натрия удаляются из нее Na, К—АТФазой, локализованной в базальной плазматической мембране.

Таким образом, молекулярные механизмы реабсорбции ионов натрия не одинаковы в разных участках нефрона. Это определяет отличие скорости реабсорбции и способов регуляции переноса натрия.

Электрофизиологические исследования клеток нефрона подтверждают высказанные выше представления о пассивном и активном компонентах системы реабсорбции натрия. При реабсорбции натрий вначале входит в клетку эпителия канальца пассивно по натриевому каналу мембраны, обращенной в сторону просвета канальца; внутренняя часть клетки заряжена отрицательно, и поэтому положительно заряженный Na⁺ движется в клетку по градиенту потенциала. Натрий направляется в сторону базальной плазматической мембраны, в которой имеется натриевая помпа, выбрасывающая его в межклеточную жидкость (рис. 13.10).

Регуляция реабсорбции и секреции ионов в почечных канальцах. В регуляции реабсорбции натрия участвуют эфферентные нервные волокна, подходящие к почке, и некоторые гормоны (рис. 13.11). Вазопрессин усиливает всасывание натрия в клетках толстого восходящего отдела петли Генле. Механизм этого эффекта основан на внутриклеточном действии цАМФ. Другим стимулятором реабсорбции натрия является альдостерон, который увеличивает транспорт Na⁺ в клетках дистальных почечных канальцев. Из внеклеточной жидкости этот гормон проникает через базальную плазматическую мембрану в цитоплазму клетки и соединяется с рецептором. Возникший комплекс поступает в ядро, где образуется комплекс альдостерона со стереоспецифичным для него хроматином.

В связывании альдостерона, по—видимому, участвует негистонный хромосомный белок, молекулы альдостерона связываются ядром почечной клетки. В ядре стимулируется транскрипция определенного участка генетического кода, синтезированная мРНК переходит в цитоплазму и активирует образование белков, необходимых для увеличения транспорта Na⁺.

Альдостерон стимулирует образование компонентов натриевого насоса (Na, К—АТФазы), ферментов его энергетического обеспечения, а также веществ, облегчающих вход Na⁺ в клетку из просвета канальца. В обычных физиологических условиях одним из факторов, ограничивающих реабсорбцию натрия, является низкая проницаемость апикальной плазматической мембраны. Возрастание числа натриевых каналов мембраны (или времени их открытого состояния) увеличивает вход натрия в клетку и повышает в ней его содержание, что стимулирует активный перенос натрия.

Рис.13.11 Место действия гормонов и медиаторов в различных сегментах почечного канальца

I — натрийуретический гормон, 2 — катехоламины, 3 — глюкокортикоиды, 4 — паратгормон, 5— кальцитонин, 6 — вазопрессин, 7 — альдостерон.

Уменьшение реабсорбции натрия достигается под влиянием так называемого натрийуретического гормона, выработка которого возрастает при увеличении объема циркулирующей крови, повышении объема внеклеточной жидкости в организме. Структура и место секреции этого гормона установлены лишь в последние годы, хотя мысль о его существовании была высказана в конце 50—х гг. Оказалось, что таких факторов несколько: один из них выделяется в предсердии, другой — в гипоталамической области; ряд натрийуретических веществ выделен из некоторых других органов. В настоящее время значение каждого из них в реальных процессах регуляции обмена натрия еще не ясно.

Реабсорбция ионов СL^— происходит в некоторых частях нефрона с помощью иных механизмов, чем реабсорбция Na⁺, что дает возможность раздельно регулировать выделение натрия и хлора почкой. В начальных частях проксимального отдела нефрона его стенка непроницаема для ионов Сl^—, ионы Na⁺ всасываются вместе с НСО₃^—. В результате концентрация Сl^— возрастает со 103 до 140 ммоль/л. В конечных участках проксимального канальца зона межклеточных соединений проницаема для ионов Сl^—. Так как концентрация Сl^— в канальцевой жидкости стала выше, чем в плазме крови, то СL^— по концентрационному градиенту движется в межклеточную жидкость и кровь. За ионами хлора следуют и ионы натрия.

Механизм реабсорбции ионов хлора в клетках толстого восходящего отдела петли Генле иной. В люминальной мембране имеется своеобразный молекулярный механизм транспорта ионов Сl^—, одновременно с которыми всасываются ионы Na⁺ и К⁺. В дистальном извитом канальце и собирательных трубках активно транспортируются через клетки ионы Na⁺, за ними по электрохимическому градиенту следуют ионы Сl^—.

Различие способов реабсорбции ионов хлора имеет важное значение для понимания многообразия молекулярных механизмов реабсорбции ионов. Особенно следует подчеркнуть, что для этого процесса имеет значение не только отличие свойств ионных каналов и ионных переносчиков в люминальной мембране клеток, но и своеобразие свойств зоны клеточных контактов. В начальных участках нефрона они непроницаемы для неэлектролитов и ионов Сl^—, последующие части проксимального канальца обладают высокой проницаемостью для ионов Сl^—. В дистальном сегменте нефрона и собирательных трубках зона клеточных контактов очень плохо пропускает растворенные вещества, что обеспечивает возможность их экскреции почкой.

В почечных канальцах реабсорбируются калий, кальций, магний, фосфаты, сульфаты, микроэлементы. 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 натриорецепторы. Появились и первые данные о рефлекторной регуляции транспорта ионов в почечных канальцах, включающей рецепторы, центральные аппараты и эфферентные пути передачи сигнала почке.

Регуляцию реабсорбции ионов Са²⁺ в почечных канальцах осуществляет ряд гормонов (рис. 13.12). При уменьшении концентрации кальция в крови паращитовидные

Рис. 13.12 Регуляция обмена кальция

1 — почка, 2 — кишка, 3 — пища, 4 — печень, 5 — плазма крови, 6 — щитовидная железа, 7 — кость, 8 — паращитовидная железа; пунктирными стрелками обозначено изменение реакции при увеличении или уменьшении концентрации кальция в крови.

железы выделяют паратгормон, который способствует нормализации уровня Са²⁺ в крови за счет увеличения его реабсорбции в почечных канальцах и повышения резорбции кости. При гиперкальциемии стимулируется выделение в кровь гормона щитовидной железы — тиреокальцитонина, который снижает концентрацию кальция в крови и способствует увеличению его экскреции почкой. Важную роль в регуляции обмена Са²⁺ играет активная форма витамина D₃— 1,25 (ОН)₂—D₃. В почечных канальцах регулируется уровень реабсорбции магния, хлора, сульфатов и других ионов.