Фізіологія людини - Вільям Ф. Ґанонґ 2002

Утворення і виділення сечі
Функція нирок і сечовипускання
Окиснювання сечі та екскреція бікарбонату

Секреція Н⁺

Клітини проксимальних і дистальних відділів ниркових канальців, подібно до клітин шлункових залоз, виконують секрецію йонів Н⁺ (див. Розділ 26). Ацидифікація відбувається також у збірних трубочках. Головним процесом, за допомогою якого секретуються H⁺ у проксимальних канальцях, є Na⁺-H⁺ обмін (рис. 38-20). Це приклад вторинного активного транспортування; Na⁺-K⁺-ATO-aзa витісняє йони Na⁺ з клітин у міжклітинну рідину, що призводить до зменшення внутрішньоклітинної концентрації Na⁺. Завдяки цьому Na⁺ починає надходити всередину клітин із канальцевої рідини; у цьому разі відбувається витіснення одного йона Н⁺. Йони H⁺ утворюються внаслідок внутрішньоклітинної дисоціації Н₂СO₃, а НСO₃-, що виникає в цьому випадку, шляхом дифузії потрапляє в міжклітинну рідину. Отже, в обмін на секрецію кожного йона H⁺ у міжклітинну рідину надходить один йон Na⁺ і один йон НСO₃-.

Рис. 38-20. Секреція кислот клітинами проксимального відділу ниркового канальця; Н⁺ переходить у просвіт канальця за допомогою антипорта в обмін на йон Na⁺. Активне транспортування за допомогою Nа⁺-К⁺-АТФ-ази позначено стрілками у колі. Штриховими лініями позначено дифузію. Порівняйте з рис. 26-10.

Каталізатором реакції утворення Н₂СO₃ є ензим карбангідраза. Медикаментозні лікарські препарати, які інгібують його, водночас пригнічують секрецію Н⁺ у проксимальних відділах ниркових канальців і всі пов’язані з цим біохімічні реакції.

Уважають, що в секреції Н⁺ у проксимальній частині канальця беруть участь також інші нагнітальні системи, однак їхнє існування однозначно не доведено. В будь-якому випадку, вони відіграють незначну роль порівняно з Na⁺- Н⁺-обмінним механізмом. У дистальній частині канальця та збірних трубочках простежується цілком протилежна ситуація, адже там секреція Н⁺ практично не залежить від концентрації Na⁺ в канальцевій рідині. У цих ділянках канальця більшу частину Н⁺ секретує АТФ-залежна протонна помпа. Альдостерон діє на цю помпу, збільшуючи секрецію H⁺ у дистальній частині канальця. Вставні клітини (І-клітини) в цій ділянці ниркового канальця секретують H⁺ і, подібно до парієтальних клітин слизової шлунка, містять значну кількість карбангідрази та численні тубуловезикулярні структури. В літературі є дані про те, що в цих пухирцях і у внутрішній мембрані епітеліальних клітин канальців міститься так звана Н⁺-транслокувальна АТФ-аза, яка, власне, і продукує H⁺. У разі ацидозу кількість протонних помп збільшується внаслідок вставлення цих тубуловезикул в повернений до просвіту канальця бік клітинної мембрани. Деяку кількість H⁺ секретує Н⁺-К⁺-АТФ-аза. У базолатеральній мембрані І-клітин міститься так званий Band 3 - аніоно-обмінний білок, який, імовірно, відіграє роль С -НСО₃ -обмінника в процесі перенесення НСО₃- у міжклітинну рідину

Метаболізм Н⁺ у сечі

Інтенсивність секреції кислот залежить від процесів, описаних нижче. Для нирок кожного біологічного виду характерний максимальний градієнт концентрації Н⁺, за якого транспортні механізми ще здатні виконувати активне транспортування. У людини цей градієнт відповідає pH сечі близько 4,5, тобто концентрації йонів Н⁺, яка в 1000 разів перевищує їхню концентрацію в плазмі крові. Отже, pH 4,5 - це граничне значення pH сечі. В нормі саме таким є рН рідини у збірних трубочках. Якби не було буферних систем, які «зв’язують» Н⁺ у сечі, то граничне значення pH досягалось би дуже швидко, і секреція Н⁺ припинялась би. Однак є три важливі хімічні реакції, за допомогою яких надлишок вільних йонів Н⁺ легко виходить з канальцевої рідини, що дає змогу виконувати подальшу секрецію кислот (рис. 38-21). Це реакції з НСО₃ із утворенням СО₂ і Н₂О, із НРО₄² з утворенням Н₂РО₄, та з NH₃ із утворенням NH₄⁺.

Реакції з буферними системами

Механізм роботи буферних систем розглянутий у Розділах 1 та 39. Значення рК’ бікарбонатної системи становить 6,1, фосфатної - 6,8, аміачної - 9,0. Концентрація НСО₃ у плазмі, і, як наслідок, у клубочковому фільтраті в юрмі становить 24 мекв/л, тоді як концентрація фосфату лише 1,5 мекв/л. Отже, у проксимальній частині канальця більша частина H⁺ реагує із НСО₃ з утворенням Н₂СО₃ див. рис. 38-21). Відповідно, Н₂СО₃ розпадається на СО₂ Н₂О. Щіточкова облямівка клітин проксимального (але не дистального) канальця містить карбангідразу, це полегшує утворення СО₂ і Н₂О в канальцевій рідині. Водночас СО₂, який легко дифундує через усі біологічні мембрани, надходить у канальцеві клітини, де він поповнює пул СО₂, використовуваний для синтезу Н₂СО₃. Оскільки переважна більшість Н⁺ виходить із канальця, то pH канальцевої рідній помітно не змінюється. Власне цей процес є механізмом, а допомогою якого відбувається реабсорбція НСО₃-: на кожен моль НСО₃, що виходить з канальцевої рідини, шляхом дифузії 1 моль НСО₃ переходить з канальцевих клітин кров, хоч це не є той самий моль, який перейшов від анальцевої рідини.

Виділений H⁺ взаємодіє з двоосновним фосфатом НРО₄² ), унаслідок чого утворюється одноосновний фосфат (Н₂РО₄). Цей процес найбільше виражений у дисальній частині канальця і у збірних трубочках, бо власне унаслідок реабсорбції води накопичується найбільша кількість йонів фосфату, які не були реабсорбовані в просимальній частині канальця. Реакція з NH₃ відбувається к у дистальній, так і в проксимальній частинах канальця: он Н⁺ з’єднується й з іншими буферними аніонами, та значно менше.

Кожен йон Н⁺, що реагує з буферними системами, є внеском до так званої титраційної кислотності сечі, яку визначають як кількість лугу, який треба додати до сечі, щоб її pH становив 7,4, що відповідає pH клубочкового фільтрату. Проте очевидно, що титраційна кислотність відображає лише частину Н⁺, яка була секретована, оскільки в цьому разі не врахована Н₂СО₃, що перетворилась на Н₂О і СО₂. Крім цього, рК' амонійної системи становить 9,0, а вона титрується тільки від pH сечі до 7,4, отже, її внесок до титраційної кислотності сечі є дуже незначним.

Секреція аміаку

Унаслідок хімічних реакцій у клітинах ниркових каналь- ців утворюються NH₄⁺ І НСО₃-. Йон NH₄⁺ перебуває у стані рівноваги із системою NH₃ + Н⁺ усередині клітин. Оскільки рК' цієї реакції дорівнює 9,0, то співвідношення між NH₃ і NH₄⁺ при pH 7,0 становить 1:100 (рис. 38-22). Крім того, NH₃ є жиророзчинною сполукою і тому за концентраційними градієнтами легко переходить через клітинні мембрани у міжклітинну рідину і канальцевий фільтрат. У сечі він реагує з Н⁺, утворюючи NH₄⁺, який залишається в сечі.

Головною реакцією, унаслідок якої в клітинах утворюється NH₄⁺, Є перетворення глутаміну у глутамат. Каталізатор цієї реакції - ензим глутаміназа, наявний у значній кількості в клітинах ниркових канальців (див. рис. 38-22). Глутамінова дегідрогеназа каталізує перетворення глутамату в а-кетоглутарат з утворенням додаткової кількості NH₄⁺. З подальшим перетворенням а-кетоглутарату споживається 2 Н⁺, унаслідок чого вивільнюється 2 НСО₃-.

Рис. 38-21. Метаболізм Н⁺, секретованого у канальцеву рідину в обмін на Na⁺. Угорі: реабсорбція бікарбонатів за допомогою СО₂. У центрі: утворення одноосновного фосфату. Унизу: утворення аміаку. Зверніть увагу, що на кожен секретований йон Н⁺ виділяється один Na⁺ і один НСО_3-; А^- - аніон.

Рис. 38-22. Головні реакції утворення аміаку в нирках. Див. також Розділ 17.

У разі хронічного ацидозу екскреція NH₄⁺ посилюється. Це простежується за будь-якого значення pH, оскільки більша кількість NH₃ надходить у канальцеву рідину. Це явище отримало назву адаптації секреції NH₃, його причину ще остаточно не з’ясовано. Адаптація секреції NH₃ призводить до посилення секреції Н⁺.

Процес, завдяки якому NH₃ секретує у сечу і в подальшому перетворюється на NH₄⁺, унаслідок чого підтримується концентраційний градієнт NH₃, називають нейонною дифузією (див. Розділ 1). Секреція саліцилатів та деяких інших медикаментів, які є слабкими основами чи слабкими кислотами, відбувається також шляхом нейонної дифузії. Швидкість їхнього екскретування залежить від pH сечі.

Зміни pH у різних відділах нефрона

У проксимальному канальці простежується незначне зменшення pH, та, як зазначено вище, екскреція Н⁺ не має значного впливу на pH канальцевої рідини з причини утворення СО₂ і Н₂О з Н₂СО₃. На противагу цьому, клітини дистальної частини канальця значно менше здатні до секреції Н⁺, однак секреція саме на цьому відрізку найбільше впливає на pH сечі.

Фактори, що впливають на секрецію Н⁺

Секреція кислот з сечею змінюється під впливом P_CО2 всередині клітини, концентрації К⁺, рівня карбангідрази і концентрації гормонів кори надниркових залоз. Якщо Р_СО2 високий (респіраторний ацидоз), то більше Н₂СО₃ доступно для зв’язування гідроксильних йонів і секреція кислот посилюється, тоді як зі зниженням Р_СО2 простежуються протилежні явища. Нестача К⁺ зумовлює посилення екскреції кислоти, очевидно, тому, що втрата К⁺ призводить до внутрішньоклітинного ацидозу навіть у випадку, коли pH плазми крові збільшене. Навпаки, надлишок К⁺ всередині клітини пригнічує секрецію кислот. Під час інгібування карбоангідрази секреція кислот також зменшена, оскільки зменшується утворення Н₂СО₃. Альдостерон, а також інші гормони кори надниркових залоз, які посилюють канальцеву реабсорбцію Na⁺, паралельно підвищують секрецію Н⁺ і К⁺.

Екскреція бікарбонатів

Хоча в процесі реабсорбції НСО₃ не відбувається транспортування цього йона в канальцеві клітини, реабсорбція НСО₃ пропорційна до його фільтрації. Нема чітко визначеного Тм, проте реабсорбція НСО₃ послаблюється за допомогою невідомого механізму у випадках, коли збільшується об’єм ПКР (рис. 38-23). Якщо концентрація НСО₃ у плазмі крові мала, то НСО₃ реабсорбується повністю. Однак якщо концентрація НСО₃ перевищує 26-28 мекв/л (нирковий поріг для НСО₃-), то НСО₃ з’являється в сечі, і сеча стає більш лужною. Навпаки, коли концентрація НСО₃ в плазмі крові менше 26 мекв/л (значення, за якого всі секретовані йони Н⁺ використовуються для реабсорбції НСО₃-), то вивільняється більше Н⁺, які можуть зв’язуватися з аніонами інших буферних систем. Отже, чим менша концентрація НСО₃ у плазмі крові, тим кислішою стає реакція сечі і тим більший вміст у ній NH₄⁺.

Фізіологічне значення змін pH сечі

Залежно від тісно взаємнопов’язаних процесів секреції Н⁺, продукування NH₄⁺ і екскреції НСО₃ pH сечі у людини коливається в широких межах - від 4,5 до 8,0. Екскреція сечі, pH якої значно відрізняється від pH рідких середовищ організму, має важливе значення для електролітного та кислотно-лужного балансу організму, що детально розглянуто в Розділі 39. Кислоти зв’язуються в плазмі крові і клітинах, рівняння хімічної реакції виглядає так: НА + NaHCО₃ —> NaA + Н₂СО₃. Відповідно, Н₂СО₃ розпадається на СО₂ і Н₂О; СО₂ всмоктується в кров і виходить під час видихання, як NaA з’являється в клубочковому фільтраті. Та кількість Na⁺, яка заміщується в сечі на Н⁺, надходить назад в організм. На кожен йон Н⁺, що піддався екскреції з фосфатом або у вигляді NH⁺₄, організм отримує один йон НСО_3-, завдяки чому поповнюються запаси цього важливого буферного аніона. Натомість, коли до рідких середовищ організму надходить луг, то йони ОН зв’язуються з утворенням додаткової кількості НСО_3-. Якщо ж концентрація НСО₃ в плазмі крові перевищує 28 мекв/л, то сеча стає лужною і надлишок НСО₃ виходить з нею. Оскільки ж максимальна швидкість секреції Н⁺ в канальцях напряму залежить від Р_СО2 в артеріальній крові, то на реабсорбцію НСО₃ значно впливає Р_СО2 Детальніше про ці взаємовідношення описано у Розділі 39.

Рис. 38-23. Вплив об’єму ПКР на фільтрацію, реабсорбцію та екскрецію НСО_3- у дослідах на щурах. У людей екскреція НСО₃- відбувається подібно. В нормі концентрація НСО₃- у плазмі крові становить близько 24 мекв/л (відтворено за дозволом з Valtin Н: Renal Function, 2nd ed. Little, Brown and Co., 1983)