2 курс / Нормальная физиология / Общий_курс_физиологии_человека_и_животных_Том_2_Ноздрачев_А_Д_,

альных выделительных органов.

Выделение с помощью протонефридия осуществляется у животных нескольких типов, лишенных целома (плоские черви, немертины, приапулиды и др.). В ряде случаев они представлены у взрослых животных, обладающих целомической полостью (некоторые аннелиды), а также у личинок аннелид, у моллюсков, эхиурид, форонид и др.

Протонефридий представляет собой каналец, проксимальная часть которого состоит из терминальной клетки с ресничками (пламенная клетка). Биение ресничек создает отрицательное давление в просвете нефридиального канальца, благодаря чему в него засасывается жидкость. В просвете канальца реабсорбируются ионы натрия и вода.

При наличии целомической полости выделительная функция осуществляется метанефридиями и целомодуктами. Метанефридии функционируют у аннелид, измененные целомодукты имеются у моллюсков (боянусов орган), членистоногих (антеннальные железы, максиллярные железы) (рис. 12.2). Важную роль в экскреции у членистоногих выполняют выросты кишечника, из которых хорошо исследованы малышгиевы канальцы.

Рис. 12.2. Антеннальная железа речного рака: 1 — целомический мешочек, 2 — лабиринт, 3 —

проксимальный каналец, 4 — дистальный каналец, 5 — мочевой пузырь

Кольчатые черви обладают полостью тела, в которой находится целомическая жидкость, и замкнутой системой кровообращения. Нефридиостом метанефридия открывается в целомическую полость, из которой жидкость поступает в метанефридий, движется по канальцу (он состоит из нескольких отделов — узкого, ресничного и широкого) и поступает в мочевой пузырь, из которого содержимое через нефридиопору выделяется наружу. В канальцах реабсорбируются соли, в результате образуется

гипотоническая моча.

Перикардиальная полость у моллюсков является остатком целома. В нее через стенку желудочка сердца фильтруется жидкость, которая по реноперикардиальному каналу поступает в почечный мешок боянусова органа, движется по первичному и вторичному мочеточникам и выделяется наружу. Эпителиальные клетки почечного мешка имеет многочисленные микроворсинки на поверхности, обращенной в просвет мешка. В боянусовом органе пресноводных моллюсков из фильтрата всасываются глюкоза, ионы Na+, Cl-. Конечная моча морских моллюсков изоосмотична гемолимфе, у пресноводных — гипотонична ей.

Процесс образования мочи в антеннальной железе речного рака имеет черты сходства с почкой позвоночных. Из целомического мешочка жидкость поступает в просвет железы (рис. 12.2). Клетки целомического мешочка напоминают подоциты клубочка. В процессе мочеобразования жидкость проходит лабиринт, проксимальный и дистальный канальцы, поступает в мочевой пузырь. Клетки лабиринта на апикальной мембране имеют многочисленные микроворсинки. Для клеток дистального канальца характерно наличие многочисленных митохондрий. В процессе мочеобразования всасываются глюкоза, аминокислоты, вода, ионы Na+, Сl-. В антеннальной железе секретируется ряд веществ, в том числе парааминогиппуровая кислота и калий.

12.4. Почка позвоночных

Основным выделительным органом у позвоночных служит почка. У некоторых животных (морские и проходные круглоротые, рыбы, рептилии и птицы) ее функция не может обеспечить осморегуляцию, тогда у них появляются хлоридэкскретирующие клетки в жабрах и солевые железы.

Почка позвоночных построена по единому принципу: структуры, приспособленные для процесса ультрафильтрации, соединены с системой канальцев, которые обеспечивают реабсорбцию большинства компонентов профильтровавшейся жидкости и секрецию ряда веществ в мочу. Нефрон в почке у представителей всех классов позвоночных обычно начинается с мальпигиева тельца. От полости клубочка отходит шеечный сегмент, в ряде случаев он отсутствует и тогда париетальный листок, образующий внешнюю часть боуменовой капсулы, переходит в проксимальный сегмент нефрона (рис. 12.3), который существует в почках всех позвоночных. Отличительной особенностью его клеток являются многочисленные микроворсинки, образующие щеточную каемку. За ним следует промежуточный или соединительный отдел, который в почке млекопитающих образует тонкий отдел петли Генле. У большинства животных в почке представлен дистальный сегмент нефрона, в который могут входить толстый восходящий отдел петли Генле, дистальный извитой каналец и связующий каналец. Это конечная часть нефрона, которая соединяется с системой собирательных трубок.

Рис. 12.3. Строение нефрона. А — юкстамедуллярный нефрон; Б — суперфициальный нефрон: I — корковое вещество, II — наружная зона мозгового вещества, III —внутренняя зона мозгового вещества; 1

— клубочек, 2 — проксимальный извитой каналец, 3 — проксимальный прямой каналец, 4 — тонкий каналец (тонкая нисходящая ветвь петли Генле), 5 — тонкий каналец (тонкая восходящая ветвь петли Генле), 6 — дистальный каналец (толстая восходящая ветвь петли Генле), 7 — плотное пятно, 8 — дистальный извитой каналец 9 — связующий каналец (в юкстамедуллярном нефроне образует аркаду), 10 — начальные отделы собирательной трубки, 11 — собирательные трубки наружного мозгового вещества, 12 — собирательные трубки внутреннего мозгового вещества

Интенсивность процессов, лежащих в основе образования мочи, — клубочковой фильтрации, реабсорбции и секреции — не одинакова у представителей различных классов позвоночных. У круглоротых, рыб, амфибий и рептилий уровень клубочковой фильтрации составляет 1—4 мл/100 г массы тела за 1 ч, более высокий уровень клубочковой фильтрации наблюдается у птиц, у млекопитающих он в 10—15 раз выше. Объем фильтруемой жидкости у крыс достигает 50 мл/100 г массы тела за 1 ч.

Такое значительное изменение уровня фильтрации могло закрепиться в эволюционном

процессе только в том случае, если оно сочетается с эквивалентным увеличением реабсорбции; иначе животное было бы нежизнеспособным. Действительно, резкое повышение фильтрации у теплокровных сопровождается увеличением канальцевой реабсорбции. Возросший уровень фильтрации и канальцевой реабсорбции играет важную роль в более точном поддержании состава всех основных компонентов жидкой части плазмы крови. Существенное значение имеет повышение кровотока и фильтрации для работы противоточной системы и осмотического концентрирования мочи.

У человека кровоток в пересчете на 100 г ткани составляет для почки 430 мл/мин, коронарной системы сердца — 66, головного мозга — 53 мл/мин. Иными словами, почки человека, масса которых составляет около 0,5 % массы тела, в условиях покоя получают около 25 % крови, выбрасываемой левым желудочком, и расходуют до 10 % потребляемого организмом кислорода. Учитывая, что на реабсорбцию 22—29 ммоль натрия расходуется 1 ммоль кислорода, и, исходя из допущения, что в процессе эволюции почки энерготраты на перенос натрия не стали менее эффективными, чем у низших позвоночных, можно понять, насколько возросло расходование энергии почкой, если количество реабсорбированного натрия увеличилось у высших позвоночных по сравнению с низшими в 20—100 раз. В процессе естественного отбора эта особенность развития почки удерживалась именно потому, что она обеспечивала большую стабильность состава внутренней среды и ее независимость от случайных колебаний во внешней среде.

Так как клубочковая фильтрация осуществляется из артериальной крови, возрастание объема фильтрации зависело от большего кровоснабжения почек. У низших позвоночных также возможны ситуации, при которых необходима усиленная экскреция веществ из крови. Однако обеспечить более высокий уровень артериального кровоснабжения почки у них было невозможно, поэтому природа нашла иной выход.

Существенно отметить, что почки морских костистых рыб, амфибий, рептилий и птиц снабжаются кровью из двух источников. От аорты к почке подходят артерии, которые дают ветви только к клубочкам. Эфферентные артериолы клубочков изливают кровь в околоканальцевые капилляры. В них же поступает кровь и из другого источника — приносящей, ренопортальной вены. Последняясобирает венозную кровь от задних конечностей и нескольких вен поясничной области.

Биологическое значение ренопортальной системы состоит в том, что при малом объеме фильтрации обеспечивается приток крови в околоканальцевые капилляры и экскреторная функция почки не нарушается, так как эпителий проксимальных канальцев обладает способностью секретировать из крови в просвет нефрона некоторые органические вещества, а у морских рыб — и двухвалентные ионы.

12.5. Структура и функции почки млекопитающих

Представление о почке только как об органе выделения никоим образом не соответствует современным данным о широком круге функций, выполняемых ею в организме. Как уже упоминалось выше, почки участвуют в регуляции объема жидкостей внутренней среды, концентрации в них отдельных ионов, суммарной концентрации осмотически активных веществ, рН крови. Почки обеспечивают экскрецию конечных продуктов азотистого обмена, чужеродных веществ, избытка органических и неорганических веществ. Важное значение для организма имеет выработка в почке физиологически активных веществ (ренина, активной формы витамина D3, эритропоэтина) и ее метаболическая функция, связанная с регуляцией обмена углеводов, белков и липидов в организме (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Функции почки у млекопитающих (обозначены в квадратах): 1 — печень, 2 — артерия, 3 —

надпочечник, 4 — костный мозг, 5 — мочеточник, 6 — кишечник

Таким образом, почки играют важнейшую роль в поддержании постоянства основных физико-химических констант крови, регуляции ее объема, артериального давления, состава ее органических копонентов.

Выполнение почкой этих разнообразных функций обеспечивают четыре процесса, лежащие в основе деятельности почки: ультрафильтрация жидкости в почечных клубочках, реабсорбция (обратное всасывание) в канальцах ценных для организма веществ, секреция (поступление из рови околоканальцевых капилляров в просвет канальца) ряда веществ, подлежащих удалению из организма, и синтез новых веществ, которые либо поступают в кровь, либо удаляются почкой (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Основные процессы, обеспечивающие образование мочи: 1 — клубочковая фильтрация, 2 —

реабсорбция веществ в канальцах, 3 — синтез и секреция вещества из клетки в просвет нефрона или сосуд, 4 — секреция вещества клеткой из крови в просвет канальца

Почка млекопитающих структурно состоит из двух слоев: внешнего, коркового, и

лежащего под ним мозгового слоя, содержащего наружную и внутреннюю части (см. рис. 12.3). Функциональной единицей почки является нефрон, в почке у человека их насчитывается около 1 млн. Каждый нефрон начинается с двустенной капсулы Шумлянского — Боумена, внутри которой находится клубочек капилляров. Внешний, париетальный, листок капсулы Шумлянского — Боумена переходит в проксимальный сегмент нефрона, состоящий из извитой и прямой частей (см. рис. 12.3). Отличительной особенностью клеток этого сегмента являются многочисленные микроворсинки, образующие щеточную каемку. В некоторых нефронах имеется очень короткий, в других — длинный тонкий отдел петли Генле, который соединяется с дистальным сегментом. В его состав входят толстая восходящая ветвь петли Генле, дистальный извитой каналец и связующий каналец, который соединен с собирательной трубкой (см. рис. 12.3). Функция каждого из перечисленных отделов нефрона различна. В почке млекопитающих и человека существует несколько типов нефронов, отличающихся по расположению клубочков: поверхностные, интракортикальные (лежащие внутри коркового слоя) и юкстамедуллярные (их клубочки находятся у границы коры и мозгового вещества; см. рис. 12.3). Нефроны разных типов различаются по длине и структуре петли Генле и участию в процессе осмотического концентрирования мочи.

Помимо участия в мочеобразовании почка, как было показано выше, играет важную роль в качестве инкреторного органа, в котором образуется ряд физиологически активных веществ. Особое значение в этом отношении имеет юкстагломерулярный аппарат (от лат. juxta — вблизи, glomerulus — клубочек), где синтезируется и секретируется ренин (от лат. rеn — почка). Юкстагломерулярный аппарат образован следующими структурами: приносящей, афферентной, артериолой клубочка, по которой кровь притекает к клубочку, выносящей, эфферентной, артериолой, по которой кровь оттекает, и клетками плотного пятна дистального извитого канальца (рис. 12.6). Основное количество гранул, содержащих ренин, находится в эпителиоидных клетках, которые замещают мышечный слой в стенке приносящей артериолы. Пространство между артериолами и дистальным канальцем занято мелкими клетками почечного клубочка.

Рис. 12.6. Строение юкстагломерулярного аппарата: 1 — юкстагломерулярные клетки, 2 —

афферентная артериола, 3 — просвет дистального извитого канальца, 4 — эфферентная артериола, 5 — просвет капсулы почечного клубочка (боуменовой капсулы)

12.6.Процесс мочеобразования

12.6.1.Кровоснабжение почки

В1 мин через сосуды обеих почек у человека проходит около 1200 мл крови, т. е. около 20—25 % крови, выбрасываемой сердцем в аорту. Так как масса почек у человека составляет лишь 0,43 % массы тела, очевиден исключительно высокий уровень органного кровотока. Через сосуды коры почки протекает 91—93 % крови, поступающей в почку, остальное ее количество снабжает мозговое вещество почки. Кровоток в коре почки в норме составляет 4—5 мл/г ткани. Важной особенностью почечного кровотока является высокий уровень саморегуляции — кровоток остается постоянным при изменении артериального давления более чем в два раза (например, с 90 до 190 мм рт. ст.).

Артерии почки отходят от брюшного отдела аорты, что обеспечивает высокий уровень артериального давления в приносящих артериолах, по которым кровь поступает в клубочек, содержащий разветвленную капиллярную сеть. Кровь от клубочка оттекает по выносящей артериоле, которая вновь распадается на капилляры вокруг проксимальных и дистальных канальцев, в конечном счете, по венам почки кровь поступает в нижнюю полую вену. Из клубочков юкстамедуллярных нефронов выносящая артериола доставляет кровь в мозговое вещество, где образуются прямые сосуды, глубоко спускающиеся в него

вместе с петлями Генле и участвующие в осмотическом концентрировании мочи.

12.6.2. Клубочковая фильтрация

Образование мочи в почке начинается с ультрафильтрации плазмы крови в почечных клубочках. Жидкость проходит через клубочковый фильтр из просвета кровеносных капилляров в полость капсулы клубочка. Рассмотрим подробнее структуру этого фильтра и силы, обеспечивающие процесс ультрафильтрации.

Фильтрующая мембрана. Фильтрующая мембрана состоит из трех слоев: эндотелия капилляров, базальной мембраны и внутреннего листка капсулы Шумлянского — Боумена, который образован эпителиальными клетками — подоцитами.

Клетки эндотелия капилляров имеют очень тонкие периферические участки, в просвет сосуда выступает лишь область клетки, где находится ядро. Боковые части клетки пронизаны довольно крупными отверстиями, обычно затянутыми тонкими диафрагмами. При нормальной скорости кровотока крупные молекулы белка образуют над этими порами барьерный слой, что служит препятствием для прохождения через поры не только глобулинов, но и альбуминов.

Таким образом, эндотелий капилляров ограничивает прохождение через клубочковый фильтр форменных элементов и белков, но свободно пропускает низкомолекулярные вещества, растворенные в плазме крови.

Следующий барьер гломерулярного фильтра — базальная мембрана. Ее «поры» ограничивают прохождение молекул в зависимости от размера, формы и заряда. Так как мембрана имеет сетчатую структуру, образованную тонкими нитями, происходит ограничение прохождения молекул размером более 3,4 нм. Отрицательно заряженная стенка пор затрудняет прохождение молекул с одноименным зарядом. Поры не являются круглыми, что также существенно для огуаничения фильтрации альбуминов.

Последним барьером на пути фильтруемых веществ служат подоциты. Их отростки («ножки») прилегают к базальной мембране со стороны капсулы клубочка, между ножками подоцитов находятся пространства, по которым течет фильтруемая жидкость. Однако и в этом случае существует заслон на пути фильтруемых веществ — щелевые мембраны, перегораживающие пространство между ножками подоцитов. Они ограничивают прохождение альбуминов и других молекул с большой молекулярной массой. Такой многослойный фильтр в клубочковой мембране обеспечивает сохранение белков в хрови и образование практически безбелковой первичной мочи.

Ультрафильтрация. Основной силой, обеспечивающей возможность ультрафильтрации в почечных клубочках, является гидростатическое давление крови в

сосудах. Эффективное фильтрационное давление, от которого зависит скорость клубочковой фильтрации, определяется разностью между гидростатическим давлением крови в капиллярах клубочка и противодействующими ему факторами — онкотическим давлением белков плазмы крови и гидростатическим давлением жидкости в капсуле клубочка.

Эффективное фильтрационное давление в клубочках, измеренное у крыс в прямом опыте, оказалось равным 12 мм рт. ст. (гидростатическое давление крови 47 мм рт. ст., онкотическое давление 25 мм рт. ст., внутрикапсулярное давление 10 мм рт. ст.). По мере того как происходит ультрафильтрация жидкости, онкотическое давление в крови капилляров растет, потому что белок остается в просвете сосуда и его концентрация увеличивается. Это приводит к снижению эффективного фильтрационного давления, которое все более снижается по направлению к тому участку, где кровь поступает в выносящую артериолу клубочка. В почке у человека из каждого 1 л плазмы крови образуется 190—200 мл ультрафильтрата. Эта величина получила название фильтрационной фракции, ока представляет собой долю фильтруемой жидкости из общего объема плазмы крови, притекающей к почечным клубочкам.

С помощью микроманипулятора и микропипетки из полости почечного клубочка можно извлечь ультрафильтрат и определить его состав. В нем такие же, как и в плазме крови, концентрация глюкозы, аминокислот, мочевины, общее содержание осмотически активных веществ. Между плазмой крови и ультрафильтратом имеются очень небольшие различия в концентрации одновалентных ионов, что обусловлено наличием в плазме крови белков, не проходящих через гломерулярный фильтр и связывающих часть катионов. Это явление носит название равновесия Доннана.

Особое значение для ультрафильтрации имеет связывание с белком двухвалентных катионов. С белками связано около 40% ионов Са2+ и 25% ионов Mg2+ от общего их содержания в плазме крови. Остальные количества этих катионов поступают при ультрафильтрации в каисулу клубочка, где они представлены в двух формах: в виде свободных ионов и связанными с низкомолекулярными анионами. Эти соли свободно проходят через гломерулярный фильтр. К таким веществам относится, например, цитрат кальция. В плазме крови человека концентрация кальция составляет 2,5 ммоль/л, при ультрафильтрации в полость клубочка поступает 1,3 ммоль/л свободных ионов кальция и 0,2 ммоль/л низкомолекулярных комплексов кальция.

Современные методы позволяют измерить объем жидкости, образующейся в отдельном почечном клубочке, а также в целой почке. В первом случае для этого необходимо у животного извлечь микропипеткой жидкость из почечного клубочка, во втором — получить плазму крови и мочу. В обоих случаях важно точно знать время, в течение которого образовался ультрафильтрат или моча.

Метод расчета скорости клубочковой фильтрации. Этот метод (при исследовании и человека, и животных) основан на принципе очищения. Суть его состоит в следующем. В кровь вводят вещество (например, инулин), свободно растворяющееся в воде и фильтруемое в почечных клубочках в той же концентрации. В почечных канальцах его количество не меняется, оно не всасывается в кровь и не добавляется клетками канальцев из крови в первичную мочу. Определив количество этого вещества, выделившегося почкой в единицу времени, можно рассчитать, какой объем крови очистился от этого вещества. Так как этот объем плазмы крови равен объему жидкости, профильтровавшейся в почечных клубочках, появляется возможность рассчитать скорость ультрафильтрации жидкости в гломерулярном аппарате почки используя метод очищения.

Для измерения клубочковой фильтрации применяют кроме инулина полиэтиленгликоль-400, маннит. Все эти вещества необходимо вводить в кровь. Из эндогенных, вырабатываемых в организме веществ, для этой цели используют креатинин. Общими особенностями веществ, пригодных для измерения клубочковой фильтрации, являются физиологическая инертность, отсутствие токсичности, свободная растворимость в плазме крови, отсутствие связывания с белком, свободное проникновение через гломерулярный фильтр в той же концентрации, что и в плазме крови. Эти вещества не должны реабсорбироваться и секретироваться в почечных канальцах, а с мочой должны выделяться полностью в том количестве, которое профильтровалось в почечном клубочке (рис. 12.7). Эти данные позволяют вывести основную формулу для определения объема клубочковой фильтрации. Эта величина равна очищению, клиренсу (от англ. clearance) плазмы крови от инулина (In) и обозначается CIn. Количество профильтровавшегося в 1 мин инулина равно произведению скорости клубочковой фильтрации на концентрацию инулина в плазме крови (PIn). Количество инулина, выделяемое с мочой, равно произведению концентрации инулина в моче (UIn, от англ. urine — моча) на объем выделяемой мочи (V). Инулин не реабсорбируется и не секретируется, а только фильтруется, следовательно, СInРIn = VUIn, откуда

CIn = U In (мл/мин).

PIn

Объем выделяемой мочи обычно рассчитывают на поверхность тела или ее массу. У

человека величину объема клубочковой фильтрации относят к стандартной поверхности тела — человека массой около 70 кг — 1,73 м2. В норме у мужчин в обеих почках клубочковая фильтрация составляет 125 мл/мин, у женщин эта величина равна 110.

Рис. 12.7. Определение клубочковой фильтрации по инулину (CIn), максимальной реабсорбции глюкозы (TmG) и максимальной секреции парааминогиппуровой кислоты — ПАГ (ТтРАН) Толщина и направление стрелок указывают на количество выделяемого реабсорбируемого и секретируемого вещества; объяснение см. в тексте

12.6.3.Реабсорбция в канальцах

Впочках 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 инакти-вируются, 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+, К+, Са2+, Mg2+, мочевина, вода и многие другие вещества. В последующих отделах нефрона органические вещества не всасываются, в них реабсорбируются только ионы и вода (рис. 12.8).

Рис. 12.8. 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 (от лат. lumen — просвет) или апикальной (от лат. apex — вершина). 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