第三节 尿的生成
一、肾小球的滤过
血液经过肾小球毛细血管时,血浆中的水和小分子溶质滤入肾小囊形成滤过液,就是血浆的超滤液.每分钟两肾产生的超滤液量称为肾小球滤过率.若GFR为125ml/min,则每天从肾小球滤过的血浆总量将高达180L.肾小球滤过率和肾血浆流量的比值称为滤过分数,由此分析发现,流经肾的血浆约有1/5由肾小球滤过到囊腔中.GFR的大小决定于滤过系数Kf,即滤过膜的面积及其通透性的状态和有效滤过压.GFR=Kf.PUF,PUF表示有效滤过压.
(一)滤过膜及其通透性
人肾的全部肾小球毛细血管总面积约在1.5m2以上,通常情况下肾小球的滤过面积保持稳定.在急性肾小球肾炎时,由于有滤过功能的肾小球数量减少,有效滤过面积减少,可导致肾小球滤过率降低而出现少尿或无尿.
滤过膜由毛细血管的内皮细胞、基膜和肾小囊的上皮细胞3层结构构成:内皮细胞上的窗孔直径50～100nm,只能防止血细胞通过;基膜是主要滤过屏障,有4～8nm的多角形网孔;上皮细胞具有足突相互交错形成裂隙,裂隙上有一层滤过裂隙膜,膜上有直径4～14nm的孔,成为滤过的最后一道屏障.滤过膜各层含有糖蛋白为主的带负电荷物质,可限制带负电荷的血浆蛋白的滤过.在病理情况下,滤过膜上带负电荷的糖蛋白减少或消失,就会导致带负电荷的血浆蛋白滤过量比正常时明显增加,从而出现蛋白尿.因此,物质通过肾小球滤过膜的能力,取决于该物质的分子大小及其所带的电荷.通常认为,像葡萄糖分子(分子量180Da,有效半径为0.36nm)这样有效半径<2.0nm的中性物质,可自由滤过;而有效半径>4.2nm的大分子物质则不能滤过;有效半径在2.0～4.2nm的各种物质,随着有效半径的增加,它们被滤过的量逐渐降低.这种特性是由于滤过膜上存在着大小不同的孔道所致.另外,试验发现有效半径约3.6nm的血浆清蛋白(分子量为96kDa)却很难滤过,系清蛋白带负电荷所致,故滤过膜的通透性还取决于被滤过物质所带的电荷.
(二)有效滤过压
肾小球有效滤过压=(肾小球毛细血管血压+囊内液胶体渗透压)-(血浆胶体渗透压+肾小囊内压).由于肾小囊内液的胶体渗透压可忽略,故有效滤过压=肾小球毛细血管血压-(血浆胶体渗透压+肾小囊内压).由于肾小球毛细血管血压较其他器官的毛细血管血压高,如大鼠肾小球毛细血管血压平均值为45mmHg(1mmHg=0.133kPa),为主动脉平均压的40%左右,这样由肾小球毛细血管的入球端到出球端的血压下降不多,而肾小囊内压约为10mmHg,大鼠肾小球毛细血管入球端的血浆胶体渗透压约为25mmHg,因此在入球端的有效滤过压=45-(25+10)=10mmHg.由于血浆胶体渗透压在血液流经肾小球毛细血管时,随着不断产生滤过液而逐渐升高,导致有效滤过压逐渐下降,当有效滤过压下降到零时,就达到滤过平衡,不再产生滤过液.这样,滤过平衡越靠近入球小动脉端,有效滤过的毛细血管长度就越短,肾小球滤过率就越低.
二、肾小管与集合管的转运
人的两侧肾每天生成的肾小球滤过液可达180L,而排出的终尿仅为1.5L左右,表明滤过液中约99%的水被肾小管和集合管重吸收.而且,滤过液中的葡萄糖、氨基酸全部被肾小管重吸收回血,Na+、尿素等被不同程度地重吸收,肌酐、尿酸和K+等还被肾小管分泌到小管液中.重吸收是指物质从肾小管液转运至血液中,而分泌是指上皮细胞将本身产生的物质或血液中的物质转运至肾小管液内.
(一)近端小管中的物质转运
流经近端小管的滤过液中,约67%的Na+、Cl-、K+和水被重吸收,85%的HCO-3也被重吸收,100%的葡萄糖和氨基酸被重吸收,但H+则分泌到肾小管中.近端小管重吸收的关键动力是上皮细胞基侧膜上的钠泵;许多溶质和水的重吸收都与钠泵的活动有关.
1.Na+、Cl-和水的重吸收 在近端小管前半段,Na+主要与HCO-3、葡萄糖、氨基酸一起被重吸收.其中Na+进入上皮细胞的过程或与H+的分泌相耦联,称为Na+-H+交换(经Na+-H+交换体进行的逆向转运),与钠泵的作用有关,分泌到小管液中的H+还有助于小管液中的HCO-3的重吸收.而Na+进入上皮细胞的过程与葡萄糖、氨基酸的转运相耦联,称为Na+-葡萄糖(氨基酸)同向转运,是继发性主动转运.在近端小管后半段,Na+主要与Cl-同通过细胞旁路和跨上皮细胞两条途径被重吸收,其中Cl-顺浓度梯度经细胞旁路(即通过紧密连接进入细胞间隙)而被重吸收,而Na+通过细胞旁路重吸收是顺电位梯度进行的,都是被动的转运.水则随NaCl等溶质被重吸收,是靠渗透作用进行的.因此,此段小管液与血浆渗透压相同,是等渗重吸收.
2.HCO-3的重吸收与H+的分泌 HCO-3的重吸收与小管上皮细胞管腔膜上的Na+-H+交换有密切关系,肾小管上皮细胞分泌1个H+就可使1个HCO-3和1个Na+重吸收回血,这在体内的酸碱平衡调节中起重要作用;同时,碳酸酐酶的作用也非常重要,用乙酰唑胺抑制碳酸酐酶的活性后,Na+-H+交换就会减少,Na+和HCO-3重吸收也会减少,而NaHCO3、NaCl和水的排出增加,可引起利尿.
3.K+的重吸收 肾小球滤过的K+,67%左右在近端小管被重吸收回血,可能是一个主动转运过程.尿中的K+主要是由远曲小管和集合管分泌的.
4.葡萄糖的重吸收 尽管肾小球滤过液中的葡萄糖浓度与血糖浓度相同,但尿中几乎不含葡萄糖,说明葡萄糖全部被重吸收回血.由于近端小管对葡萄糖的重吸收有一定的限度,在葡萄糖的滤过量(即GFRX血浆葡萄糖浓度)达到220mg/min时(即血浆葡萄糖浓度约9.99mmol/L)时,就有部分肾小管对葡萄糖的吸收已达到极限,尿中开始出现葡萄糖,此时的血浆葡萄糖浓度称为肾糖阈.血浆葡萄糖浓度再继续升高,则尿中葡萄糖含量也随之增加,当血浆葡萄糖浓度达16.65mmol/L(300mg/dl)时,葡萄糖的滤过量为375mg/min,全部肾小管对葡萄糖的吸收均已达到极限,此时葡萄糖的滤过量为葡萄糖吸收极限量.成年人肾的葡萄糖吸收极限量,男性为375mg/min,女性为300mg/min.
5.其他物质的重吸收和分泌 滤过液中的氨基酸与葡萄糖以同样的机制重吸收,即与Na+同向转运,但同向转运体可能不同.机体的代谢产物和进入体内的某些物质如青霉素、酚红和大多数利尿药等,由于与血浆蛋白结合而不能通过肾小球滤过,而在近端小管被主动分泌到小管液中.
(二)髓襻中的物质转运(https://www.daowen.com)
小管液在流经髓襻的过程中,约20%的Na+、Cl-和K+等物质被进一步重吸收,而且髓襻升支粗段的NaCl重吸收在尿液稀释和浓缩机制中具有重要意义.一般认为,髓襻升支粗段NaCl的继发性主动重吸收是以Na+∶2Cl-∶K+同向转运完成的,即①髓襻升支粗段上皮细胞基侧膜上的钠泵将Na+由细胞内泵向组织间液,造成管腔内与细胞内Na+的浓度梯度;②Na+与管腔膜上同向转运体结合,形成Na+-K+-2Cl-同向转运体复合物,Na+顺电化学梯度将2Cl-和K+一起同向转运至细胞内;③进入细胞内的Na+、Cl-和K+的去向各不相同:Na+由钠泵泵至组织间液,Cl-由于浓度梯度经管周膜上的Cl-通道进入组织间液,而K+则顺浓度梯度经管腔膜而返回管腔内,循环使用;④由于Cl-进入组织间液,K+返回管腔内,导致管腔内出现正电位;⑤由于管腔内正电位,使管腔液中的Na+等正离子顺电位差从细胞旁路进入组织间液,这是不耗能的Na+被动重吸收.由于髓襻升支粗段对水的通透性很低,水不被重吸收,造成小管液低渗,组织间液高渗.Na+-K+-2Cl-同向转运体对呋塞米、依他尼酸等利尿药很敏感,抑制转运体后,干扰尿的浓缩机制,导致利尿.
(三)远曲小管和集合管中的物质转运
在远曲小管和集合管,重吸收大约12%滤过的Na+和Cl-,分泌不同量的K+和H+,重吸收不同量的水.水、NaCl的重吸收以及K+和H+的分泌可根据机体的水、盐平衡状况来进行调节.如机体缺水或缺盐时,远曲小管和集合管可增加水、盐的重吸收;当机体水、盐过多时,则水、盐重吸收明显减少,水和盐从尿排出增加.因此,远曲小管和集合管对水和盐的转运是可被调节的.水的重吸收主要受血管升压素(也称抗利尿激素)调节,而Na+和K+的转运主要受醛固酮调节.
远曲小管后段和集合管含有两类细胞,即主细胞和闰细胞.主细胞重吸收Na+和水,分泌K+.闰细胞则主要分泌H+.主细胞重吸收Na+主要通过管腔膜上的Na+通道.管腔内的Na+顺电化学梯度通过管腔膜上的Na+通道进入细胞,然后由钠泵泵至细胞间液而被重吸收.
1.K+的分泌 尿中K+的排泄量视K+的摄入量而定.高钾饮食可排出大量的K+,低钾饮食则尿中排K+量少,使机体的K+摄入量与排出量保持平衡,维持血浆K+浓度的相对恒定.
2.H+的分泌 除了近端小管细胞通过Na+-H+交换分泌H+,促进NaHCO3重吸收外,远曲小管和集合管的闰细胞也可分泌H+.H+的分泌是一个逆电化学梯度进行的主动转运过程.闰细胞分泌的H+可与上皮细胞分泌的NH3结合,形成NH+4,是尿液酸碱度的决定因素之一.
3.NH3的分泌 在远曲小管和集合管的上皮细胞,由谷氨酰胺脱氨而生成NH3,因具有脂溶性而通过细胞膜向小管周围组织间液和小管液自由扩散.分泌的NH3能与小管液中的H+结合并生成NH+4,小管液的NH3浓度因而下降,于是管腔膜两侧形成了NH3的浓度梯度,此浓度梯度又可加速NH3向小管液中扩散.由此可见,NH3的分泌与H+的分泌密切相关.
三、尿液的浓缩和稀释
随着体内缺水或水过多等不同情况,尿的渗透浓度可出现大幅度的变动,当体内缺水时,机体将排出渗透浓度明显高于血浆渗透浓度的高渗尿,即尿被浓缩,而体内水过多时,将排出渗透浓度低于血浆渗透浓度的低渗尿.正常人尿液的渗透浓度可在50～1 200mmol/(kg.H2O)波动.肾的浓缩和稀释能力在维持体液平衡和渗透压恒定中起重要的作用.
(一)尿液的稀释
尿液的稀释是由于小管液中的溶质被重吸收而水不易被重吸收而造成的.这种情况主要发生在髓襻升支粗段,因主动吸收NaCl而对水几乎不通透,故小管液低渗.在体内水过多而抗利尿激素释放被抑制时,远曲小管和集合管对水的通透性非常低,NaCl被重吸收而水不被重吸收,故小管液渗透浓度可降低至50mmol/(kg.H2O),形成低渗尿,造成尿液的稀释,当抗利尿激素完全缺乏时产生尿崩症,每天可达20L的低渗尿.
(二)尿液的浓缩
由于小管液中的水被重吸收而溶质留在小管液中,可造成尿液的浓缩.重吸收水的动力来自肾髓质的渗透梯度的建立,即髓质的渗透浓度从髓质外层向乳头部不断升高,肾皮质部的组织间液的渗透浓度与血浆的渗透浓度之比为1.0,而髓质部组织间液与血浆的渗透浓度之比,由髓质外层向乳头部逐渐升高,分别为2.0、3.0、4.0,表明肾髓质的渗透浓度由外向内逐步升高形成渗透梯度.当抗利尿激素促进远曲小管和集合管对水的通透性增加时,小管液从外髓集合管向内髓集合管流动时,水便不断地进入高渗的组织间液,使小管液不断被浓缩而变成高渗液,最后尿液的渗透浓度可高达1 200mmol/(kg.H2O),形成浓缩尿.因此,髓质的渗透梯度的建立是浓缩尿的必要条件.
形成髓质渗透梯度的重要结构是髓襻,髓襻越长则浓缩能力就越强,如沙鼠的肾髓质内层特别厚,它的肾能产生20倍于血浆渗透浓度的高渗尿.猪的髓襻较短,只能产生1.5倍于血浆渗透浓度的尿液.人的髓襻具有中等长度,最多能产生4～5倍于血浆渗透浓度的高渗尿.至于肾髓质渗透梯度的形成机制,通常用肾小管各段对水和溶质的通透性不同和逆流倍增现象来解释.研究发现,髓襻升支粗段对Na+和Cl-的主动重吸收是髓质渗透梯度建立的主要动力,而尿素和NaCl是建立髓质渗透梯度的主要溶质.
(三)直小血管在保持肾髓质高渗中的作用
与髓襻相适应的直小血管,由于可产生逆流交换现象,即直小血管降支在进入髓质的入口处,其血浆渗透浓度约为300mmol/(kg.H2O),由于直小血管对溶质和水的通透性高,当它在向髓质深部下行的过程中,周围组织间液中的溶质就会顺浓度梯度不断扩散到直小血管降支中,而其中的水则渗出到组织间液,使血管中的血浆渗透浓度与组织间液达到平衡.在折返处,其渗透浓度可高达1 200mmol/(kg.H2O).当直小血管升支从髓质深部返回外髓部时,血管内的溶质浓度比同一水平组织间液的高,溶质又逐渐扩散回组织间液,并且可以再进入降支,这是一个逆流交换过程.因此,当直小血管升支离开外髓部时,只把多余的溶质带回循环中.此外,组织间液中的水不断进入直小血管升支,又把组织间液中多余的水随血流返回循环,进而发挥维持肾髓质渗透梯度的作用.