Informace

Jak protiproudý mechanismus koncentruje moč?


Pohyb iontů, jako je sodík, do intersticiálního prostoru způsobuje, že voda pasivně difunduje sestupnou smyčkou Henle. Jak to koncentruje moč? Rozpouštědlo se odstraní na jednom místě a rozpuštěná látka na jiném. Neměla by koncentrace zůstat stejná? Nebo odstranění malého množství rozpuštěné látky odstraní mnoho rozpouštědla? Proč?


Podívejte se na tento obrázek (odtud):

V sestupné smyčce je koncentrace NaCl nižší než v okolní tkáni, což vede k pasivnímu transportu vody podél gradientu, což vede ke koncentračnímu efektu. Ve vzestupné smyčce je NaCl ze smyčky aktivně transportován, což pak brání difúzi vody zpět do smyčky.

Ve sběrné trubici je voda aktivně transportována ven, což vede k ještě vyššímu účinku koncentrace. Pěknou animaci z toho najdete zde.


Savčí ledvina si udržuje téměř konstantní osmolalitu krevní plazmy a téměř konstantní koncentraci sodíku v krevní plazmě pomocí mechanismů, které nezávisle regulují vylučování vody a sodíku. Protože mnoho savců nemá nepřetržitý přístup k vodě, může být schopnost měnit vylučování vody zásadní pro přežití. Protože sodík a jeho anionty jsou hlavními osmotickými složkami krevní plazmy a stabilní koncentrace elektrolytů jsou také zásadní, vylučování vody musí být regulováno mechanismy, které jej oddělují od vylučování sodíku. Mechanismus koncentrace moči hraje zásadní roli v regulaci vylučování vody a sodíku. Když je příjem vody dostatečně velký na zředění krevní plazmy, produkuje se moč zředěnější než krevní plazma, když je příjem vody tak malý, že je krevní plazma koncentrována, moč je koncentrovanější než krevní plazma. V obou případech je celková rychlost vylučování rozpuštěné látky v moči a rychlost vylučování sodíku močí malá a obvykle se mění v úzkých mezích.

Na rozdíl od vylučování rozpuštěných látek se osmolalita moči v závislosti na změnách v příjmu vody velmi liší. Po několika hodinách bez příjmu vody, ke kterým dochází přes noc během spánku, může osmolalita lidské moči stoupnout na � mOsm/kg H2O, asi čtyřnásobná osmolalita plazmy (� mOsm/kg H2Ó). Naopak osmolalita moči může rychle klesat po požití velkého množství vody, jak se běžně vyskytuje při snídani, osmolalita moči člověka (a dalších savců) se může snížit na � mOsm/kg H2O. Většina fyziologických studií relevantních pro mechanismus koncentrace moči byla provedena u druhů (hlodavci, králíci), které mohou dosáhnout vyšších maximálních osmolalit moči než lidé. Králíci se například mohou soustředit na 𢏁 400 mOsm/kg H2O, krysy do 𢏃 000 mOsm/kg H2O, myši a křečci do 𢏄,000 mOsm/kg H2O a činčily do ∼ 7600 mOsm/kg H2O (zhodnoceno v [1]).

Všechny savčí ledviny udržují osmotický gradient, který se zvyšuje od hranice kortiko-dřeňové ke špičce dřeně (papilární hrot). Tento osmotický gradient je udržován i při diuréze, i když jeho velikost je ve srovnání s antidiurézou snížena [23]. NaCl je hlavní složkou osmotického gradientu ve vnější dřeni, zatímco NaCl a močovina jsou hlavními složkami vnitřní dřeně [23]. Kůra je téměř izotonická k plazmě, zatímco vnitřní dřeňový (papilární) hrot je hypertonický k plazmě a má osmolalitu podobnou moči během antidiurézy [4]. Sodík a draslík, doprovázené univalentními anionty, a močovina jsou hlavními rozpustnými látkami v moči močovina je obvykle převládající solut v moči během silné antidiurézy [23].

Mechanismy pro nezávislou kontrolu vylučování vody a sodíku jsou většinou obsaženy v ledvinové dřeni. Medulární nefronové segmenty a vasa recta jsou uspořádány ve složitých, ale specifických anatomických vztazích, a to jak z hlediska trojrozměrné konfigurace, tak z hlediska toho, které segmenty ke kterým segmentům navazují. Produkce koncentrované moči zahrnuje komplexní interakce mezi medulárními nefronovými segmenty [56] a vaskulaturou. Ve vnější dřeni tlusté vzestupné končetiny Henleových smyček aktivně absorbují NaCl. To slouží dvěma životně důležitým funkcím: ředí luminální tekutinu a poskytuje NaCl ke zvýšení osmolality medulárního intersticia, pars recta, klesajících končetin, vaskulatury a sběrných kanálků. Jak nefronové segmenty, tak cévy jsou uspořádány v protiproudé konfiguraci, což usnadňuje generování medulárního gradientu osmolality podél kortiko-medulární osy. Ve vnitřní dřeně se osmolalita stále zvyšuje, i když zdroj koncentračního účinku zůstává kontroverzní. Nejvíce široce přijímaným mechanismem zůstává pasivní reabsorpce NaCl v nadbytku sekrece rozpuštěné látky z tenkých vzestupných končetin Henleových smyček [78].

Perfúzované tubulární studie poskytly základ pro mnoho teorií o tom, jak vzniká koncentrovaná moč (přehled v [1]). Klonování mnoha proteinů, které zprostředkovávají transport močoviny, sodíku a vody v nefronových segmentech, které jsou důležité pro koncentraci a ředění moči, poskytlo další pohled na mechanismus koncentrace moči (obrázek 1). Transportní proteiny močoviny, sodíku a vody jsou obecně vysoce specifické a zdá se, že eliminují molekulární základ pro přetahování rozpouštědlem, což konkrétně naznačuje, že koeficienty odrazu by měly být 1 [1]. Podrobný přehled těchto transportních vlastností naleznete ve čtečce [1].

Molekulární identity a umístění transportních proteinů sodíku, močoviny a vody zapojených do hypotézy pasivního mechanismu pro koncentraci moči ve vnitřní dřeni [78]. Hlavní oblasti ledvin jsou uvedeny vlevo. NaCl je aktivně reabsorbován přes tlustou vzestupnou končetinu apikální plazmatickou membránou kotransportéru Na-K-2Cl (NKCC2/BSC1) a bazolaterální membránou Na/K-ATPázou (není znázorněno). Draslík je recyklován apikálním kanálem plazmatické membrány ROMK. Voda je reabsorbována přes sestupné končetinové segmenty pomocí vodních kanálů AQP1 v apikálních i bazolaterálních plazmatických membránách. Voda je reabsorbována přes apikální plazmatickou membránu sběrného potrubí pomocí vodních kanálů AQP2 za přítomnosti vazopresinu. Voda je reabsorbována přes bazolaterální plazmatickou membránu vodními kanály AQP3 v kortikálních a vnějších dřeňových sběrných kanálech a jak vodními kanály AQP3, tak AQP4 ve vnitřním medulárním sběrném kanálu (IMCD). Močovina je koncentrována v lumen sběrného potrubí (reabsorpcí vody), dokud nedosáhne koncového IMCD, kde je reabsorbována transportéry močoviny UT-A1 a UT-A3. Podle hypotézy pasivního mechanismu (viz text) má tekutina, která vstupuje do tenké stoupající končetiny ze sousedící tenké sestupné končetiny, vyšší NaCl a nižší koncentraci močoviny než vnitřní medulární interstitium, což má za následek pasivní reabsorpci NaCl a zředění tekutiny v tenké vzestupné končetině. Zkratky: AQP, aquaporin UT, transportér močoviny.


Tvorba moči

1,8 litru, tj. 1% ze 180 litrů denně, což znamená, že 99% glomerulárního filtrátu je reabsorbováno.

Autoregulace rychlosti glomerulární filtrace

2-mechanismus autoregulace

1) Myogenní systém

Když je TK vysoký, protažení aferentní arterioly se zvýší. To stimuluje „natahovací receptory“ arterioly a průměr aferentní arterioly je snížen Atriální natriuretický faktor (ANF), hormon vylučovaný ze srdce (síně), podporuje ztrátu sodíku v moči a také snižuje B.P.

2) Systém renin-angiotensin-aldosteron (RAAS)
Juxtaglomerulární aparát

Stěna aferentní arterioly obsahuje juxta-glomerulární buňky sekretující renin (JGC). V tomto okamžiku je epitel distálního tubulu histologicky upraven za vzniku Macula densa (MD). JGC, MD a přilehlé granulované buňky společně tvoří juxtaglomerulární aparát (JGA).

Když je TK nízký, buňky JG vylučují renin. Tím se přemění angiotensinogenový protein krevní plazmy, vyrobený z jater, na angiotensin I a poté angiotensin II. Angiotensin II je vazokonstriktor a zvyšuje TK. Angiotensin II také stimuluje kůru nadledvin pro sekreci Aldosteronu, který absorbuje sodík z glomerulárního filtrátu a zvyšuje TK.

Aldosteron je antagonistický vůči síňovému natriuretickému faktoru-ANF.

Složení glomerulárního filtrátu

Glomerulární filtrát jsou proteiny plazmy minus.

  1. Glukóza
  2. Aminokyseliny
  3. Voda
  4. Soli
  5. Vitamíny
  6. Močovina
  7. Kyselina močová
  8. Kyselina hippurová
  9. Kreatinin
  10. Bikarbonáty
  11. Fosfáty atd.

Koncentrace glukózy v glomerulárním filtrátu se rovná její koncentraci v krevní plazmě.

B) Selektivní reabsorpce

a) V PCT− V této části dochází k maximální reabsorpci z glomerulárního filtrátu.

  • Glukóza a aminokyseliny jsou absorbovány (100%) aktivním transportem.
  • [Aktivní doprava vyžaduje energii (ATP) a je proti koncentračnímu gradientu.] • Absorpce vody je 60–70% (povinná absorpce).
  • Absorpce solí (sodíku) se také pohybuje v rozmezí 60–70%. Absorpce chloridu je však pasivní.
  • Absorpce močoviny je

50%, zatímco absorpce kyseliny močové je

Látky s vysokým prahem

např. Glukóza a aminokyseliny Tyto látky jsou zcela reabsorbovány z glomerulárního filtrátu a za normálních podmínek se neobjevují v moči. Takové látky se v moči objevují pouze tehdy, když jejich koncentrace přesahuje renální práh. (Pro prahovou hodnotu glukózy je 170-180 mg/100 ml krevní plazmy).

Látky s nízkým prahem

např. Močovina a kyselina močová Tyto látky nejsou zcela absorbovány z glomerulárního filtrátu, a proto se za normálních podmínek objevují v moči.

B) V Henleově smyčce - glomerulární filtr v Henleově smyčce proudí v opačném směru a rovnoběžně, v sestupných a vzestupných končetinách. Tento mechanismus se nazývá protiproudý mechanismus/systém, který činí tekutinu koncentrovanější.

Ve skutečnosti existují 2 - protiproudé mechanismy

(i) Multiplikátor proudu (v Henleově smyčce).

(ii) Protiproudý výměník (ve Vasa recta)

Protiproudý mechanismus

Mechanismus protiproudu je proces, při kterém proudění probíhá paralelně a opačně, ale v určité vzdálenosti od proudu na určitou vzdálenost.

Osmolarita plazmy nebo intersticiální tekutiny v částech těla je asi 300 m Osm/lit, zatímco osmolarita v intersticiální tekutině v medulle (Medullary interstitium) ledvin je (postupně) mnohem vyšší, tj. Asi 1200 m Osm/lit. To znamená, že renální medulární interstitium nahromadilo rozpuštěné látky ve velkém nadbytku vody. Jakmile je této vysoké koncentrace rozpuštěné látky v medulle dosaženo, je udržována vyváženým přítokem a odtokem rozpuštěných látek a vody.

  1. Henlova smyčka funguje jako „multiplikátor protiproudu“ tím, že v medulárním intersticiu vytváří koncentrační gradient vysoké osmolarity.
  2. Vasa Recta funguje jako „protiproudý výměník“ tím, že udržuje nebo zachovává tuto vysokou koncentraci rozpuštěné látky v medulle.

Hlavní příčinou vysoké medulární osmolarity je aktivní transport sodíku (a společný transport draslíku, chloridů a dalších iontů) ze silné vzestupné smyčky Henle do intersticia. Protože tato vzestupná končetina je pro vodu nepropustná, po odčerpaných rozpuštěných látkách nenasleduje osmotický průtok vody do intersticia. Toto čerpadlo vytváří koncentrační gradient asi 200 m Osm/lit mezi trubicovým lumenem a intersticiální tekutinou. Klesající končetina Henleovy smyčky je ve srovnání se stoupající končetinou vysoce propustná pro vodu, proto voda difunduje ven do interstícia a osmolarita tubulárního tekutiny (sestupné končetiny) se rychle rovná medulární osmolaritě. Tyto kroky se opakují znovu a znovu a čistým efektem je přidání více a více rozpuštěných látek do dřeně v přebytku vody. Zachycení rozpuštěné látky v důsledku aktivního čerpání iontů z tlustých vzestupných končetin Henle postupně znásobuje koncentrační gradient, což nakonec zvyšuje osmolaritu na špičce smyčky na

(Toto opakované opětovné vstřebávání sodíku z tlustého vzestupného ramene Henleovy smyčky a kontinuální přítok nového chloridu sodného z PCT je „protiproudé násobení“).

Vasa Recta, kapilární síť kolem jednotlivých končetin Henleovy smyčky, funguje jako protiproudý výměník a zachovává vysokou koncentraci rozpuštěných látek v medulárním intersticiu. Jak krev (ve Vasta Recta) sestupuje do dřeňové oblasti, postupně se stává koncentrovanější, částečně ztrátou vody do interstitia a párty vstupem solute z medulárního interstitia do Vasa Recta. V době, kdy krev dosáhne špičky Vasa Recta, má koncentraci asi 1200 m Osm/litr, stejně jako v medulárním intersticiu.

Krev nyní stoupá směrem ke kůře a stává se méně koncentrovanou, protože rozpuštěná látka difunduje ven do interstitia a voda se pohybuje do této části Vasa Recta. Přes Vasa Recta tedy dochází k velkému množství výměny tekutin a solutů, ale téměř nedochází k ředění intersticiální tekutiny v ledvinné míše. Vasa Recta tedy nevytváří dřeňovou hyperosmolaritu, ale brání jejímu zředění.

Absorpce vody v sestupné části Henleovy smyčky je

15%. Tato absorpce závisí na délce Henleovy smyčky. U ptáků, kde je vylučovací látka pevná (kyselina močová), jsou Henleovy kličky velmi dlouhé.

Absorpce sodíku probíhá pouze ve vzestupné končetině.

C) V DCT - V této oblasti je absorpce vody 4–5%. V přítomnosti hormonu vazopresinu (ADH) se však absorpce vody z glomerulárního filtrátu zvyšuje a může dosáhnout až 10%. Je to způsobeno změnou propustnosti DCT pro vodu.

Aldosteronový hormon také mění propustnost DCT, ale pro sodík, aby se zvýšila jeho absorpce.

Absorpce vody, stejně jako sodíku v DCT, je fakultativní.

V přítomnosti ADH se moč díky větší absorpci vody koncentruje. (To také umožňuje močovině projít ven z tubulu v dřeňové oblasti. V nepřítomnosti ADH může močovina z dřeňové tkáně vstoupit do tubulů.)

D) Ve sběrném tubulu a sběrném potrubí - Absorpce vody (5–10%) v této části je také závislá na ADH. Osmolarita tekutiny nakonec dosahuje

Termín „moč“ lze použít pro filtry ve sběrných tubulech. Od Bowmanovy kapsle po DCT se však tekutina nazývá glomerulární filtrát.

C. Tubulární sekrece

Do glomerulárního filtrátu se přidávají určité sekrece, produkované z výstelky močového tubulu. Obsahují:

(1) Kreatinin, (2) amoniak, (3) vodíkové ionty, (4) ionty draslíku a (5) kyselina močová

Maximální tubulární sekrece se přidává z výstelky PCT a DCT.

Složení moči

Močovina - 2% (2 g/100 ml moči)

Diuretika zvyšují objem moči a množství vylučování elektrolytů.

Moč normálního člověka může obsahovat vitamíny rozpustné ve vodě, ale neobsahuje bílkoviny a krevní elementy. Močový výdej se zvyšuje nadměrným příjmem vody, bílkovin, čaje, kávy, solí a alkoholu atd.

Močení nebo močení je primárně spinální rex, regulovaná vyšším dobrovolným centrem v mozku. Během močení se hladké svaly močového měchýře, zvané Detrusorův sval, stáhnou a svěrač močové trubice se uvolní, aby vyprázdnil moč.


Multiplikátor protiproudu

Výše popsaný protiproudý výměník by neexistoval, pokud by neexistoval nějaký mechanismus, který by zpočátku činil vasa recta koncentrovanější ve spodní části smyčky. Toho je dosaženo smyčkou Henle.

The vzestupný úd Henle a časné distální tubuly jsou nepropustné pro vodu, jak je naznačeno jejich tlustá zeď. Tyto regiony aktivně přepravují chlorid sodný (NaCl) z filtrátu a do okolí. (Hvězdička (*) v bloková šipka naznačuje, že se jedná o složitější mechanismus, ale čistý účinek je, že z filtrátu je přesunut pouze NaCl.)

The NaCl difunduje do sestupné končetiny vasa recta. bloková šipka. Cokoli, co by mohlo proniknout do sestupné končetiny Henle, bude čerpáno zpět pouze tehdy, když vstoupí do vzestupné končetiny, takže to není zobrazeno v myšlenkové mapě. Nebude difundovat do vzestupné vasa recta, protože tato tekutina je již vysoce koncentrovaná. Toto je mechanismus, který „znásobuje“ koncentraci NaCl v klesající vasa recta, což umožňuje protiproudý výměník!


Protiproudá výměna ve Vasa Recta zachovává hyperosmolaritu ledvinové dřeně

Do medully ledvin musí být zajištěn průtok krve, aby byla zajištěna metabolická potřeba buněk v této části ledvin. Bez speciálního medulárního systému průtoku krve by byly rozpuštěné látky čerpané do ledvinové dřeně systémem protiproudého multiplikátoru rychle rozptýleny.

K zachování vysokých koncentrací rozpuštěných látek přispívají dva speciální rysy renálního medulárního průtoku krve:

1. Dřeňový průtok krve je nízký, což představuje méně než 5 procent celkového průtoku krve ledvinami. Tento pomalý průtok krve je dostatečný k uspokojení metabolických potřeb tkání, ale pomáhá minimalizovat ztráty rozpuštěných látek z medulárního intersticia.

2. Vasa recta slouží jako protiproudé výměníky, minimalizující vymývání rozpuštěných látek z dřeňového interstitia.

Mechanismus protiproudé výměny funguje následovně (obrázek 28-6): Krev vstupuje do dřeně a opouští ji prostřednictvím vasa recta na hranici kůry a ledvinné dřeně. Vasa recta, stejně jako jiné kapiláry, jsou vysoce propustné pro rozpuštěné látky v krvi, s výjimkou plazmatických proteinů. Jak krev sestupuje do dřeně směrem k papilám, stává se postupně koncentrovanější, částečně vstupem rozpuštěné látky z interstitia a částečně ztrátou vody do interstitia. V době, kdy krev dosáhne špiček vasa recta, má koncentraci asi 1200 mOsm/l, stejnou jako v medulárním intersticiu. Jak krev stoupá zpět do kůry, stává se postupně méně koncentrovanou, protože rozpuštěné látky difundují zpět do dřeňového interstitia a jak se voda pohybuje do vasa recta.

Ačkoli je tedy přes vasa recta velká výměna tekutin a rozpuštěných látek, dochází k malému čistému zředění koncentrace intersticiální tekutiny na každé úrovni renální dřeně kvůli tvaru U

Protiproudá výměna v vasa recta. Plazma stékající po sestupné končetině vasa recta se stává hyperosmotičtější kvůli difúzi vody z krve a difúzi rozpuštěných látek z intersticiální tekutiny ledvin do krve. Ve vzestupné končetině vasa recta rozpuštěné látky difundují zpět do intersticiální tekutiny a voda difunduje zpět do vasa recta. Velké množství rozpuštěných látek by bylo ztraceno z renální dřeně bez tvaru U kapilár vasa recta. (Číselné hodnoty jsou v miliosmolech na litr.)

Obrázek 28-6

Protiproudá výměna v vasa recta. Plazma stékající po sestupné končetině vasa recta se stává hyperosmotičtější kvůli difúzi vody z krve a difúzi rozpuštěných látek z renální intersticiální tekutiny do krve. Ve vzestupné končetině vasa recta rozpuštěné látky difundují zpět do intersticiální tekutiny a voda difunduje zpět do vasa recta. Velké množství rozpuštěných látek by bylo ztraceno z renální dřeně bez tvaru U kapilár vasa recta. (Číselné hodnoty jsou v miliosmolech na litr.)

kapilár vasa recta, které fungují jako protiproudé výměníky. Vasa recta tedy nevytváří dřeňovou hyperosmolaritu, ale brání jejímu rozptýlení.

Struktura nádob ve tvaru písmene U minimalizuje ztrátu rozpuštěné látky z intersticia, ale nebrání velkému toku tekutiny a rozpouští se do krve obvyklými koloidními osmotickými a hydrostatickými tlaky, které podporují reabsorpci v těchto kapilárách. V ustáleném stavu tedy vasa recta odnáší pouze tolik rozpuštěné látky a vody, kolik je absorbováno z dřeňových tubulů, a udržuje se vysoká koncentrace rozpuštěných látek stanovená protiproudým mechanismem.

Zvýšený medulární průtok krve může snížit schopnost koncentrace moči. Některá vazodilatační činidla mohou výrazně zvýšit renální medulární průtok krve, čímž „vymyjí“ některé rozpuštěné látky z renální dřeně a sníží maximální schopnost koncentrace moči. Velké zvýšení arteriálního tlaku může také zvýšit průtok krve ledvinovou dřeňí ve větší míře než v jiných oblastech ledvin a má tendenci vyplavovat hyperosmotické intersticium, čímž se snižuje schopnost koncentrace moči. Jak již bylo diskutováno dříve, maximální schopnost koncentrace ledvin je dána nejen hladinou ADH, ale také osmolaritou intersticiální tekutiny ledvinové dřeně. I při maximálních hladinách ADH se schopnost koncentrace moči sníží, pokud se medulární průtok krve zvýší natolik, že se sníží hyperosmolarity v ledvinové dřeni.

Shrnutí mechanismu koncentrace moči a změn osmolarity v různých segmentech tubulů

Změny osmolarity a objemu tubulární tekutiny při průchodu různými částmi nefronu jsou znázorněny na obrázku 28-7.

Proximální trubice. Asi 65 procent filtrovaných elektrolytů se reabsorbuje v proximálním tubulu. Trubicové membrány jsou však vysoce propustné pro vodu, takže kdykoli jsou rozpuštěné látky reabsorbovány, voda také difunduje skrz tubulární membránu osmózou. Osmolarita tekutiny proto zůstává přibližně stejná jako glomerulární filtrát, 300 mOsm/l.

Sestupná smyčka Henle. Jak tekutina stéká po sestupné smyčce Henle, voda je absorbována do dřeně. Klesající končetina je vysoce propustná pro vodu, ale mnohem méně propustná pro chlorid sodný a močovinu. Osmolarita tekutiny protékající sestupnou smyčkou se proto postupně zvyšuje, dokud není stejná jako u okolní intersticiální tekutiny, což je asi 1200 mOsm/l, když je koncentrace ADH v krvi vysoká. Když se tvoří zředěná moč, v důsledku nízkých koncentrací ADH je medulární intersticiální osmolarita menší než 1 200 mOsm/l, v důsledku toho se osmolarita sestupné smyčkové tubulární tekutiny také stává méně koncentrovanou. To je částečně způsobeno skutečností, že do medulárního intersticia je ze sběrných kanálů absorbováno méně močoviny, když jsou hladiny ADH nízké a ledviny tvoří velký objem zředěné moči.

Tenká vzestupná smyčka Henle. Tenká stoupající končetina je v podstatě nepropustná pro vodu, ale reabsorbuje část chloridu sodného. Vzhledem k vysoké koncentraci chloridu sodného v tubulární tekutině dochází v důsledku odstraňování vody z klesající smyčky Henle k určité pasivní difúzi chloridu sodného z tenké stoupající končetiny do medulárního intersticia. Trubičková tekutina se tedy zředí, protože chlorid sodný difunduje ven z tubulu a voda v tubulu zůstává. Část močoviny absorbovaná do dřeňového intersticia ze sběrných kanálků také difunduje do vzestupné končetiny, čímž vrací močovinu do tubulárního systému a pomáhá zabránit jejímu vymývání z ledvinné dřeně. Tato recyklace močoviny je dalším mechanismem, který přispívá k hyperosmotické ledvinové dřeně.

Silná vzestupná smyčka Henle. Tlustá část vzestupné Henleovy smyčky je také prakticky nepropustná pro vodu, ale velké množství sodíku, chloridů, draslíku a dalších iontů je aktivně transportováno z tubulu do medulárního intersticia. Proto se tekutina v tlustém stoupajícím údu Henleovy smyčky velmi zředí a klesá na koncentraci asi 100 mOsm/l.

Změny osmolarity tubulární tekutiny při průchodu různými tubulárními segmenty za přítomnosti vysokých hladin antidiuretického hormonu (ADH) a za nepřítomnosti ADH. (Numerické hodnoty udávají přibližné objemy v mililitrech za minutu nebo v osmolaritách v mil-liosmolech na litr tekutiny proudící různými trubicovými segmenty.)

Raná distální tubule. Časný distální tubul má vlastnosti podobné vlastnostem silné vzestupné smyčky Henle, takže k dalšímu ředění tubulární tekutiny dochází, když jsou rozpuštěné látky reabsorbovány, zatímco voda zůstává v tubulu.

Pozdní distální tubuly a kortikální sběrné tubuly. V pozdních distálních tubulech a kortikálních sběrných tubulech závisí osmolarita tekutiny na hladině ADH. Při vysokých hladinách ADH jsou tyto tubuly vysoce propustné pro vodu a značné množství vody se reabsorbuje. Močovina však není v této části nefronu příliš propustná, což vede ke zvýšené koncentraci močoviny, protože voda je reabsorbována. To umožňuje, aby většina močoviny dodávané do distálního tubulu a sběrného tubulu prošla do vnitřních dřeňových sběrných kanálků, z nichž se nakonec reabsorbuje nebo vylučuje močí. V nepřítomnosti ADH se v pozdním distálním tubulu a kortikálním sběrném tubulu reabsorbuje málo vody, a proto osmolarita klesá ještě dále kvůli pokračující aktivní reabsorpci iontů z těchto segmentů.

Vnitřní dřeňové sběrné kanály. Koncentrace tekutiny ve vnitřních dřeňových sběrných kanálech také závisí na (1) ADH a (2) na osmolaritě medulárního intersticia stanoveného mechanismem protiproudu. V přítomnosti velkého množství ADH jsou tyto kanály vysoce propustné pro vodu a voda difunduje z tubulu do interstitia, dokud není dosaženo osmotické rovnováhy, přičemž tubulární tekutina má přibližně stejnou koncentraci jako renální medulární interstitium (1200 až 1400 mOsm/L). Při vysokých hladinách ADH se tedy vytváří velmi koncentrovaný, ale malý objem moči. Protože reabsorpce vody zvyšuje koncentraci močoviny v trubičce

Obrázek 28-7

Změny osmolarity tubulární tekutiny při průchodu různými tubulárními segmenty za přítomnosti vysokých hladin antidiuretického hormonu (ADH) a za nepřítomnosti ADH. (Numerické hodnoty udávají přibližné objemy v mililitrech za minutu nebo v osmolaritách v mil-liosmolech na litr tekutiny proudící různými trubicovými segmenty.)

tekutina, a protože vnitřní dřeňové sběrné kanály mají specifické transportéry močoviny, které značně usnadňují difúzi, velká část vysoce koncentrované močoviny v kanálech difunduje ven z tubulárního lumenu do medulárního interstitia. Tato absorpce močoviny do ledvinné dřeně přispívá k vysoké osmolaritě medulárního intersticia a vysoké koncentrační schopnosti ledvin.

Je třeba vzít v úvahu několik důležitých bodů, které z této diskuse nemusí být zřejmé. Za prvé, ačkoli je chlorid sodný jedním z hlavních rozpuštěných látek, které přispívají k hyperosmolaritě medulárního intersticia, ledviny mohou v případě potřeby vylučovat vysoce koncentrovanou moč, která obsahuje málo chloridu sodného. Hyperosmolarita moči je za těchto okolností způsobena vysokými koncentracemi jiných rozpuštěných látek, zejména odpadních produktů, jako je močovina a kreatinin. Jednou z podmínek, kdy k tomu dochází, je dehydratace doprovázená nízkým příjmem sodíku. Jak je uvedeno v kapitole 29, nízký příjem sodíku stimuluje tvorbu hormonů angiotensinu II a aldos-teronu, které společně způsobují vášnivou reabsorpci sodíku z tubulů, přičemž opouštějí močovinu a další rozpuštěné látky k udržení vysoce koncentrované moči.

Za druhé, velké množství zředěné moči lze vyloučit bez zvýšení vylučování sodíku. Toho je dosaženo snížením sekrece ADH, což snižuje reabsorpci vody v distálnějších tubulárních segmentech, aniž by se významně změnila reabsorpce sodíku.

A nakonec bychom měli mít na paměti, že existuje povinný objem moči, který je dán maximální koncentrační schopností ledviny a množstvím rozpuštěné látky, kterou je třeba vyloučit. Pokud tedy musí být vyloučeno velké množství rozpuštěné látky, musí být doprovázeno minimálním množstvím vody potřebné k jejich vyloučení. Například pokud se musí každý den vyloučit 1200 mil-liosmolů rozpuštěné látky, vyžaduje to alespoň 1 litr moči, pokud je maximální schopnost koncentrace moči 1200 mOsm/l.

Kvantifikace koncentrace a ředění renální moči: „Volná voda“ a osmolární vůle

Proces koncentrace nebo ředění moči vyžaduje, aby ledviny vylučovaly vodu a rozpustily se poněkud samostatně. Když je moč zředěná, voda se vylučuje v nadbytku rozpuštěných látek. Naopak, když je moč koncentrována, rozpuštěné látky se vylučují v přebytku vody.

Celková clearance rozpuštěných látek z krve může být vyjádřena jako osmolární clearance (Cosm), což je objem plazmy zbavené rozpuštěných látek každou minutu, stejným způsobem, jakým se vypočítá clearance jedné látky:

Pos, kde Uosm je osmolarita moči, V je rychlost toku moči a Posm je osmolarita plazmy. Pokud je například osmolarita plazmy 300 mOsm/l, osmolarita moči je 600 mOsm/l a průtok moči je 1 ml/min (0,001 l/min), rychlost osmolárního vylučování je 0,6 mOsm/min (600 mOsm/ LX 0,001 l/min) a osmolární clearance je 0,6 mOsm/min děleno 300 mOsm/l nebo 0,002 l/min (2,0 ml/min). To znamená, že každou minutu se z rozpuštěné látky odstraní 2 mililitry plazmy.

Relativní rychlosti vylučování rozpuštěných látek a vody lze posoudit pomocí konceptu „vůle volné vody“. „Clearance volné vody (Ch2c> gt) se vypočítá jako rozdíl mezi vylučováním vody (průtok moči) a osmolární clearance:

Rychlost clearance volné vody tedy představuje rychlost, kterou je voda bez rozpuštěných látek vylučována ledvinami. Když je clearance volné vody pozitivní, přebytečná voda se vylučuje ledvinami, když je clearance volné vody negativní, přebytečné látky se z krve odstraňují ledvinami a voda se konzervuje.

Pokud použijeme příklad diskutovaný dříve, pokud je průtok moči 1 ml/min a osmolární clearance 2 ml/min, clearance volné vody by byla -1 ml/min. To znamená, že místo toho, aby byla voda odstraněna z ledvin v nadbytku rozpuštěných látek, ledviny ve skutečnosti vracejí vodu zpět do systémového oběhu, k čemuž dochází při nedostatku vody. Kdykoli je tedy osmolarita moči větší než osmolarita plazmy, bude clearance volné vody negativní, což ukazuje na zachování vody.

Když ledviny tvoří zředěnou moč (to znamená, že osmolarita moči je menší než osmolarita plazmy), bude clearance volné vody kladnou hodnotou, což znamená, že voda je z plazmy odstraňována ledvinami v přebytku rozpuštěných látek. Thus, water free of solutes, called "free water," is being lost from the body and the plasma is being concentrated when free-water clearance is positive.

Disorders of Urinary Concentrating Ability

An impairment in the ability of the kidneys to concentrate or dilute the urine appropriately can occur with one or more of the following abnormalities:

1. Inappropriate secretion of ADH. Either too much or too little ADH secretion results in abnormal fluid handling by the kidneys.

2. Impairment of the countercurrent mechanism. A hyperosmotic medullary interstitium is required for maximal urine concentrating ability. No matter how much ADH is present, maximal urine concentration is limited by the degree of hyperosmolarity of the medullary interstitium.

3. Inability of the distal tubule, collecting tubule, and collecting ducts to respond to ADH.

Failure to Produce ADH: "Central" Diabetes Insipidus. An inability to produce or release ADH from the posterior pituitary can be caused by head injuries or infections, or it can be congenital. Because the distal tubular segments cannot reabsorb water in the absence of ADH, this condition, called "central" diabetes insipidus, results in the formation of a large volume of dilute urine, with urine volumes that can exceed 15 L/day. The thirst mechanisms, discussed later in this chapter, are activated when excessive water is lost from the body therefore, as long as the person drinks enough water, large decreases in body fluid water do not occur. The primary abnormality observed clinically in people with this condition is the large volume of dilute urine. However, if water intake is restricted, as can occur in a hospital setting when fluid intake is restricted or the patient is unconscious (for example, because of a head injury), severe dehydration can rapidly occur.

The treatment for central diabetes insipidus is administration of a synthetic analog of ADH, desmopressin, which acts selectively on V2 receptors to increase water permeability in the late distal and collecting tubules. Desmopressin can be given by injection, as a nasal spray, or orally, and rapidly restores urine output toward normal.

Inability of the Kidneys to Respond to ADH: "Nephrogenic" Diabetes Insipidus. There are circumstances in which normal or elevated levels of ADH are present but the renal tubular segments cannot respond appropriately. This condition is referred to as "nephrogenic" diabetes insipidus because the abnormality resides in the kidneys. This abnormality can be due to either failure of the countercurrent mechanism to form a hyperosmotic renal medullary interstitium or failure of the distal and collecting tubules and collecting ducts to respond to ADH. In either case, large volumes of dilute urine are formed, which tends to cause dehydration unless fluid intake is increased by the same amount as urine volume is increased.

Many types of renal diseases can impair the concentrating mechanism, especially those that damage the renal medulla. Also, impairment of the function of the loop of Henle, as occurs with diuretics that inhibit electrolyte reabsorption by this segment, can compromise urine concentrating ability. And certain drugs, such as lithium (used to treat manic-depressive disorders) and tetracyclines (used as antibiotics), can impair the ability of the distal nephron segments to respond to ADH.

Nephrogenic diabetes insipidus can be distinguished from central diabetes insipidus by administration of desmopressin, the synthetic analog of ADH. Lack of a prompt decrease in urine volume and an increase in urine osmolarity within 2 hours after injection of desmopressin is strongly suggestive of nephrogenic diabetes insipidus. The treatment for nephrogenic diabetes insipidus is to correct, if possible, the underlying renal disorder. The hypernatremia can also be attenuated by a low-sodium diet and administration of a diuretic that enhances renal sodium excretion, such as a thiazide diuretic.


Reabsorption and Secretion in the Distal Convoluted Tubule

Approximately 80 percent of filtered water has been recovered by the time the dilute forming urine enters the DCT. The DCT will recover another 10&ndash15 percent before the forming urine enters the collecting ducts. Aldosterone increases the amount of Na + /K + ATPase in the basal membrane of the DCT and collecting duct. The movement of Na + out of the lumen of the collecting duct creates a negative charge that promotes the movement of Cl &ndash out of the lumen into the interstitial space by a paracellular route across tight junctions. Peritubular capillaries receive the solutes and water, returning them to the circulation.

Cells of the DCT also recover Ca ++ from the filtrate. Receptors for parathyroid hormone (PTH) are found in DCT cells and when bound to PTH, induce the insertion of calcium channels on their luminal surface. The channels enhance Ca ++ recovery from the forming urine. In addition, as Na + is pumped out of the cell, the resulting electrochemical gradient attracts Ca ++ into the cell. Finally, calcitriol (1,25 dihydroxyvitamin D, the active form of vitamin D) is very important for calcium recovery. It induces the production of calcium-binding proteins that transport Ca ++ into the cell. These binding proteins are also important for the movement of calcium inside the cell and aid in exocytosis of calcium across the basolateral membrane. Any Ca ++ not reabsorbed at this point is lost in the urine.


Metabolism and the scaling of urine concentrating ability in mammals: Resolution of a paradox? *

Currently accepted theories of the urine concentrating mechanism of the mammalian kidney predict that concentrating ability should increase with increasing length of the loop of Henle. However, larger mammals have longer nephrons than do smaller ones, yet concentrating ability declines with increasing body mass (M, in kg) as M −0·097 . Greenwald & Stetson (1988, News Physiol. Sci. 3, 46–49) have suggested that the diminished concentrating ability of large mammals reflects their lower mass-specific metabolic rate. They propose that, because the urine concentrating mechanism depends upon the energy-dependent transport of sodium chloride, concentrating ability should be closely related to mass-specific metabolic rate. Examination of the allometric scalings with body mass of medullary thickness and metabolic rate indicate that the rate of increase in length of the loop of Henle with body size (M 0·129 ) is insufficient to offset the decline in mass-specific metabolism (M −0·24 ). The residual product of these scalings (M −0·11 ) indicates that urine concentrating ability should be inversely related to body size and is similar to the observed allometry of concentrating ability (M −0·097 ). The decline in concentrating ability of the kidney with body size is probably not a result of inability of the kidney to adapt physiologically or structurally to changes in size, but rather reflects the scaling of the need to conserve water. Small mammals, because of their high rates of evaporative and respiratory water loss, have a much higher rate of water turnover than do large mammals (water · kg −1 ∝ M −0·20 ). Because the need to concentrate the urine diminishes with increasing body size, the increase in loop length need only partially compensate for the simultaneous decline in metabolism.

This study was supported by the National Science Foundation (DCB 88-96203).


Formation of Urine in Human Body: 3 Processes

On an average 1100-1200 ml of blood is filtered by the kidneys per minute. The glomerular capillaries are narrower than the afferent renal arterioles. Therefore, the blood pressure in the glomerular capillaries becomes very high so that there is continuous process of ultrafiltration (filtration under pressure) through the semi-permeable glomerular capillaries.

Thus water and many dissolved substances from the blood are filtered into the lumen of the Bowman’s capsule through its walls. The glomerular filtrate contains a large amount of water and other dissolved sub­stances such as urea, uric acid, creatinine, amino-acids, glucose, sodium, potassium, vitamins, etc.

The blood flows into efferent renal arterioles. Thus the glomerular filtrate and blood plasma are similar except that glomerular filtrate does not have proteins and fats.

The amount of the filtrate formed by both the kidneys per minute is called the glomeru­lar filtration rate (GFR). In the normal person, the glomerular filtration rate is about 125 ml. per minute, i.e., 180 litres per day. Auto regulation of Glomerular Filtration. Three important intrinsic mechanisms pro­vide auto regulation of glomerular filtration rate.

An increase in blood pressure, tends to stretch the affer­ent arteriole which increases the blood flow to the glomerulus. When the wall of the arteriole contracts, the diameter of the afferent arteriole is reduced that increases the flow of blood.

(ii) Juxtaglomerular Mechanism:

Juxtaglomerular apparatus (JGA) cells secrete enzymes like renin that modulate blood pressure and thus renal blood flow. This regulates GFR.

Blood vessels of the kidney are innervated by nerve fibres of the sympathetic neural system. When activated, the nerve fibres bring about constriction of renal arteries and cause decrease in renal flow and glomerular filtration rate.

Proces # 2. Tubular Reabsorption (Fig. 19.15):

From the Bowman’s capsule, the glomerular filtrate enters the proximal convoluted tubule. Absorption of selected materials takes place from the filtrate into the blood of the peritubular capillaries or vasa recta. It is termed the tubular reabsorption.

Reabsorption involves both passive and active transport across the tubular epithelium. As already stated, the glomerular filtrate in the Bowman s capsule resembles blood plasma in composition except for plasma proteins and fats. Therefore, it is almost isotonic to the plasma.

(i) Proximal Convoluted Tubule (PCT):

About 65 per cent of the glomerular filtrate is normally reabsorbed in the proximal convoluted tubule before reaching the loop of Henle. Glucose, amino acids, vitamins, hormones, sodium, potassium, chlorides, phosphates, bicar­bonates, much of water and some urea from the filtrate are absorbed.

Sulphates and creatinine are not reabsorbed. Sodium and potassium are reabsorbed by primary active transport. Glucose and amino acids are reabsorbed by secondary active transport. Water is reab­sorbed by osmosis. Chloride ions, urea and other solutes are reabsorbed by diffusion. The filtrate is isotonic to blood plasma.

It consists of descending limb and ascending limb.

(a) Descending limb of loop of Henle:

As the filtrate flows in it, its water is reabsorbed due to increasing osmolality of interstitial fluid. Sodium and other solutes are not reabsorbed here. The filtrate becomes hypertonic to blood plasma.

(b) Ascending limb of loop of Henle:

It is impermeable to water but permeable to K + , Cl – and Na + and partially permeable to urea. Thus in the thick ascending limb of the loop of Henle sodium, potassium, calcium, magnesium, and chloride are reabsorbed. The filtrate becomes hypotonic to blood plasma.

(iii) Distal convoluted tubules (DCT):

There is active reabsorption of sodium ions from the filtrate under the influence of aldosterone (hormone secreted by the cortex of adrenal glands). Chloride ions are also reabsorbed in the distal convoluted tubules. Water is reabsorbed here under the influence of antidiuretic hormone (ADH) secreted by posterior lobe of pituitary gland. This makes the filtrate isotonic to blood plasma.

From distal convoluted tubule filtrate enters the collecting duct where further reabsorption of water takes place. Now the filtrate becomes more concentrated which makes filtrate hypertonic to blood plasma. The entire duct is permeable to water.

Thus a considerable amount of water is reabsorbed in the collecting duct under the influence of ADH. Sodium is reabsorbed in the collecting duct under the influence of aldosterone. The filtrate is now called urine. Thus urine is hypertonic to blood and isotonic to medullary fluid.

Some substances such as glucose and amino acids are reabsorbed actively into the blood by the active transport and, therefore, they do not appear in the urine. These substances are called the high threshold substances.

Renal threshold of a substance is its highest con­centration in the blood up to which it is totally reabsorbed from the glomerular filtrate. The renal threshold of glucose is about 180 mg per 100 ml blood. When this value is exceeded, glucose begins to appear in the urine.

Proces # 3. Tubular Secretion:

The cells of the renal tubule no. only remove substances from the filtrate by the process of reabsorption and send them to the blood capillaries (peritubular) but also excrete additional wastes from the blood stream into the filtrate by the process of secretion. Thus tubular secretion is the opposite of tubular reabsorption.

It occurs as follows:

(i) Creatinine, hippuric acid, pigments, drugs including penicillin are actively secreted into the filtrate in the proximal convoluted tubule from the interstitial fluid. Hydrogen ions and ammonia are also secreted into the proximal convoluted tubule.

(ii) Urea enters the filtrate by diffusion in the thin segment of the ascending limb of loop of Henle.

(iii) Potassium, hydrogen ions, ammonia, HCO3” ions are secreted by active transport into the filtrate in the distal convoluted tubule.

Maximum hydrogen secretion occurs in the proximal convoluted tubule. Removal of hydrogen ions and ammonia from the blood in the proximal convoluted tubule and distal convoluted tubule helps to maintain the pH of the blood between 6 to 8 (pW of blood is usually 7.4)

Tubular secretion probably plays a minor role in the function of human kidneys but in animals like marine fishes and desert amphibians, whose nephrons do not possess developed glomeruli, their urine is formed mainly by the tubular secretion of urea, creatinine and mineral ions. Kidneys excrete about 1.5 litres of urine in a day.


Elimination of Drugs and Hormones

Water-soluble drugs may be excreted in the urine and are influenced by one or all of the following processes: glomerular filtration, tubular secretion, or tubular reabsorption. Drugs that are structurally small can be filtered by the glomerulus with the filtrate. Large drug molecules such as heparin or those that are bound to plasma proteins cannot be filtered and are not readily eliminated. Some drugs can be eliminated by carrier proteins that enable secretion of the drug into the tubule lumen. There are specific carriers that eliminate basic (such as dopamine or histamine) or acidic drugs (such as penicillin or indomethacin). As is the case with other substances, drugs may be both filtered and reabsorbed passively along a concentration gradient.

Chapter Review

The major hormones regulating body fluids are ADH, aldosterone and ANH. Progesterone is similar in structure to aldosterone and can bind to and weakly stimulate aldosterone receptors, providing a similar but diminished response. Blood pressure is a reflection of blood volume and is monitored by baroreceptors in the aortic arch and carotid sinuses. When blood pressure increases, more action potentials are sent to the central nervous system, resulting in greater vasodilation, greater GFR, and more water lost in the urine. ANH is released by the cardiomyocytes when blood pressure increases, causing Na + and water loss. ADH at high levels causes vasoconstriction in addition to its action on the collecting ducts to recover more water. Diuretics increase urine volume. Mechanisms for controlling Na + concentration in the blood include the renin–angiotensin–aldosterone system and ADH. When Na + is retained, K + is excreted when Na + is lost, K + is retained. When circulating Ca ++ decreases, PTH stimulates the reabsorption of Ca ++ and inhibits reabsorption of HPO42−. pH is regulated through buffers, expiration of CO2, and excretion of acid or base by the kidneys. The breakdown of amino acids produces ammonia. Most ammonia is converted into less-toxic urea in the liver and excreted in the urine. Regulation of drugs is by glomerular filtration, tubular secretion, and tubular reabsorption.


Explain the process of ultrafiltration in the kidney.

Ultrafiltration begins in the nephron in the kidney. Blood travels through a coiled structure of capillaries called the glomerulus surrounded by the Bowman's capsule. The hydrostatic pressure of the flow of bloods allows small molecules within the blood to pass through the capillary membrane and through the gaps in the podocytes surrounding the Bowman's capsule. These molecules include small ions such as sodium and potassium, glucose, water, urea and amino acids. Large molecules such as erythrocytes (red blood cells) and plasma proteins cannot cross the plasma membrane due to their size. The fluid in the capsule is now referred to as the FILTRATE. The filtrate then enters the proximal consulted tubule, where the majority of glucose and amino acids are selectively reabsorbed. The filtrate then passes to the loop of Henlé, which is responsible for the transport of salts and creating an osmotic gradient in the surrounding tissue to aid the absorption of water. Sodium ions and potassium ions are pumped out of the loop to decrease the water potential of the surrounding fluid, creating an osmotic gradient that drives water out of the fluid and into the tissue. The longer the length of the tubule, the more salt is pumped out and the more water is reabsorbed into the body. Water reenters the filtrate in the distal convoluted tubule and collecting ducts due to the negative osmotic gradient created by the remaining urea in the filtrate (urea decreases the water potential of the filtrate, so some water moves into the filtrate due to osmosis.) The volume of water absorbed in the collecting ducts is controlled by a hormone called anti-diuretic hormone (ADH) which increases the expression of aquaporins in the cell membrane of the collecting ducts causing more water to be reabsorbed. More ADH means more water is absorbed and less, concentrated urine is produced, less ADH means less water is absorbed and more, dilute urine is produced.


Podívejte se na video: STD 10 Science - Nephron Structure and functions (Listopad 2021).