13.6.6. Осмотическое разведение и концентрирование мочи

Почки практически всех пресноводных и наземных позвоночных способны выделять мочу, имеющую меньшее, чем кровь, осмотическое давление. Это дает им возможность экскретировать избыток воды и повышать сниженную осмоляльность крови до нормальных значений. При дефиците воды, когда осмотическое давление крови может быть повышено, необходимо экономить воду и экскретировать осмотически активные вещества в виде гиперосмотической мочи. Такой способностью обладают только млекопитающие и птицы, в почках которых имеется мозговое вещество. Чем более развито мозговое вещество в почке, чем более сформирована его внутренняя часть, в которой находятся тонкие отделы петель Генле, тем эффективнее осуществляется осмотическое концентрирование мочи. Так, у морской свинки всего 5% нефронов имеют длинные петли Генле, у белых крыс их 28%, а у больших песчанок (Rhombomys opimus), обитающих в пустыне, таких нефронов 100%. В почке морской свинки внутреннее мозговое вещество слабо развито, у большой песчанки почечный сосочек очень длинный, свисающий в почечную лоханку. Почки большой песчанки способны вырабатывать мочу, осмотическое давление которой превышает 100 атм.

Осмотическое концентрирование. В зависимости от состояния водного баланса организма почки млекопитающих и птиц выделяют разведенную или концентрированную мочу. В процессе осмотического концентрирования мочи в почке принимают участие все отделы канальцев, сосуды мозгового вещества, межклеточная ткань (рис. 13.13). В почках у млекопитающих 2/3 ультрафильтрата, образовавшегося в клубочках, реабсорбируется к концу проксимального сегмента. Оставшаяся в канальцах жидкость содержит осмотически активные вещества в такой же концентрации, как и плазма крови, хотя и отличается от нее по составу вследствие реабсорбции органических веществ и ионов. Далее канальцевая жидкость переходит из коркового слоя почки в мозговое вещество - в нисходящий отдел петли Генле - и движется до вершины почечного сосочка, где каналец изгибается на 180° и моча переходит в восходящий отдел

Рис. 13.13 Процесс осмотического разведения (А) и концентрирования (Б) мочи

I - корковое вещество, II - наружное мозговое вещество, III - внутреннее мозговое вещество почки; 1 - клубочек, 2 - проксимальный извитой канадец,

3 - нисходящая тонкая ветвь,

4 - восходящая тонкая ветвь,

5 - восходящая толстая ветвь петли Генле, 6 - дистальный извитой канадец, 7 - собирательная трубка коркового слоя почки, 8 - собирательная трубка наружного мозгового вещества почки, 9 - собирательная трубка внутреннего мозгового вещества почки; цифрами указана осмоляльность жидкости просвета канальца и межклеточного вещества; стрелками из просвета канальца обозначена реабсорбция воды (Н2О), неэлектролитов (Нэ, электролитов (Э), мочевины (М); сплошными стрелками - активный транспорт; пунктирными - за счет диффузии.

петли, расположенный параллельно ее нисходящему отделу. В нем жидкость течет в направлении от вершины сосочка к коре почки.

Функциональное значение различных отделов петли неоднозначно. Когда жидкость из проксимального канальца поступает в тонкий нисходящий отдел петли Генле, она попадает в зону почки, в межклеточном веществе которой концентрация осмотически активных веществ выше, чем в коре почки. Это повышение осмолярной концентрации в наружной зоне мозгового вещества обусловлено деятельностью толстого восходящего отдела петли Генле. Его стенка непроницаема для воды, а клетки транспортируют ионы СL- и Na+ в межклеточное вещество. Стенка нисходящего отдела петли проницаема для воды, и вода всасывается из просвета канальца в окружающую межуточную ткань почки по осмотическому градиенту.

Осмотическая концентрация жидкости в восходящем отделе петли на границе коры и мозгового вещества составляет около 200 моем, т. е. она ниже, чем в плазме крови и ультрафильтрате. Поступление ионов хлора и натрия в межклеточное вещество наружного мозгового слоя увеличивает его осмолярную концентрацию до 400 моем. На такую же величину растет и осмолярная концентрация жидкости, находящейся в просвете нисходящего отдела петли. Через его проницаемую для воды стенку в межуточную ткань по осмотическому градиенту переходит вода, а осмотически активные вещества остаются в просвете этого отдела канальца.

Чем дальше от коры по продольной оси почечного сосочка исследуют жидкость в нисходящем колене петли, тем выше оказывается ее осмолярная концентрация. В соседних смежных участках нисходящего отдела петли имеется лишь небольшое нарастание осмотического давления, но по длиннику почечного сосочка (внутреннего мозгового вещества) осмолярная концентрация постепенно растет от 300 мосм/л почти до 1450 мосм/л у человека или почти до 4500 мосм/л у большой песчанки.

На вершине почечного сосочка осмолярная концентрация жидкости в петле Генле возрастает в несколько раз, объем ее уменьшается. При дальнейшем движении жидкости по восходящему отделу петли продолжается реабсорбция ионов СL- и Na+, вода же остается в просвете канальца. В начальные отделы дистального извитого канальца всегда поступает гипотоническая жидкость, концентрация осмотически активных веществ в которой менее 200 моем/л.

В условиях дефицита воды в организме гипофиз усиливает секрецию антидиуретического гормона (аргинин-вазопрессин, АДГ), что увеличивает проницаемость стенок конечных частей дистального сегмента и собирательных трубок для воды. Из гипотонической жидкости по осмотическому градиенту реабсорбируется вода, осмолярная концентрация жидкости в этом отделе увеличивается до 300 мосм/л, т. е. жидкость в просвете канальца становится изоосмотичной крови в системном кровотоке и коре почки.

Окончательное осмотическое концентрированно мочи наступает в собирательных трубках. Они расположены параллельно канальцам петли Генле в мозговом веществе почки. Как отмечалось выше, в межклеточной жидкости мозгового вещества почки возрастает осмолярная концентрация. Вследствие этого из жидкости собирательных трубок реабсорбируется вода и концентрация мочи в них увеличивается, уравновешиваясь со все повышающейся концентрацией осмотически активных веществ во внутреннем мозговом веществе почки. В конечном счете выделяется гиперосмотическая моча, в которой максимальная концентрация осмотически активных веществ может быть равна осмолярной концентрации межклеточной жидкости на вершине почечного сосочка.

В наружной зоне мозгового вещества почки повышение осмолярности главным образом основано на транспорте ионов Na+ и СL-. Увеличение осмолярной концентрации во внутренней зоне мозгового вещества почки зависит от нескольких механизмов, обеспечивающих накопление ионов натрия, хлора и мочевины. Особую роль для осмотического концентрирования играет в этой части почки аккумуляция мочевины, что происходит следующим образом.

Стенка проксимального канальца проницаема для мочевины, что приводит к реабсорбции до 50% профильтровавшейся мочевины. Однако при извлечении жидкости из извитого дистального канальца оказалось, что в нем содержание мочевины очень высоко.                             

Показано, что существует система внутрипочечного кругооборота мочевины, участвующая в осмотическом концентрировании мочи. В просвете собирательных трубок вследствие реабсорбции воды концентрация мочевины повышается. АДГ увеличивает проницаемость собирательных трубок в мозговом веществе не только для воды, но и для мочевины, в результате она диффундирует в мозговое вещество почки. Мочевина проникает из межклеточной жидкости в просвет прямого сосуда и тонкого отдела петли Генле.

Поднимаясь вместе с током жидкости по направлению к коре почки по прямому сосуду, мочевина непрерывно участвует в противоточном обмене, диффундирует в нисходящий отдел прямого сосуда и нисходящую часть петли Генле. Вследствие этого происходит постоянное поступление мочевины во внутреннее мозговое вещество, а также ионов СL- и Na+, реабсорбируемых клетками толстого восходящего отдела петли Генле и собирательных трубок. Эти вещества удерживаются в мозговом веществе благодаря деятельности противоточной системы прямых сосудов и петель Генле, что в конечном счете обеспечивает повышение осмотической концентрации во внутреннем мозговом веществе почки. Вслед за увеличением осмолярности межуточной ткани, окружающей собирательные трубки, возрастает и реабсорбция воды из них, повышается эффективность осморегулирующей функции почки. Увеличение проницаемости канальцевой стенки для мочевины в присутствии АД Г позволяет понять, почему при снижении мочеотделения уменьшается очищение от мочевины.

Прямые кровеносные сосуды мозгового вещества почки, подобно канальцам петли Генле, также образуют противоточную систему, играющую очень важную роль в осмотическом концентрировании. Благодаря параллельному расположению прямых сосудов и петель Генле обеспечивается эффективное кровоснабжение мозгового вещества почки, но не происходит вымывания осмотически активных веществ, так как в крови прямых сосудов наблюдаются такие же изменения осмотической концентрации, как и в тонком нисходящем отделе петли Генле. При движении крови по направлению к вершине почечного сосочка в ней постепенно возрастает осмотическая концентрация, а во время ее обратного движения к коре почки диффундирующие через сосудистую стенку соли и другие растворенные вещества переходят в межклеточную ткань.

Тем самым сохраняется градиент концентрации осмотически активных веществ внутри почки и прямые сосуды функционируют как противоточная система. Скорость движения крови по прямым сосудам влияет на количество удаляемых из мозгового вещества ионов натрия, хлора и мочевины, участвующих в создании осмотического градиента и оттоке реабсорбируемой воды.

Для количественной оценки концентрационной способности почки в условиях экономии воды используют два параметра: индекс осмотического концентрирования, показывающий, во сколько раз моча более осмотически концентрирована, чем кровь, и объем реабсорбированной осмотически свободной воды. Физиологическое значение этого показателя, имеющего очень важное значение, требует специального объяснения.

Образование мочи всегда происходит из жидкости, имеющей такую же общую концентрацию осмотически активных веществ, как и плазма крови. Так как выделение почкой осмотически активных веществ равно произведению диуреза (V, мл/мин) на концентрацию осмотически активных веществ в моче (Uosm, мосм/л), то очищение плазмы крови от осмотически активных веществ (Cosm) равно:

Cosm = UosmV/Posm

где  Posm - концентрация осмотически активных веществ в плазме крови, мосм/л. Величина Cosm характеризует тот условный объем плазмы крови, который очистился от осмотически активных веществ в течение 1 мин. Иными словами, если выделяется моча, имеющая такую же осмотическую концентрацию, как и плазма крови, то Cosm = V и почка только  уменьшает объем жидкости в организме, не участвуя в осморегуляции.

Однако при обезвоживании почка выделяет мочу более осмотически кок центрированную, чем кровь. Воду, выделяемую с мочой, условно можно разделить на две фракции. Одна из них содержит растворенные вещества в той же концентрации, что и плазма крови, т. е. равна Cosm" другая представляет собой чистую, свободную от веществ воду. Ее называют осмотически свободной водой (СН2О). Следовательно, сказанное можно представить в виде такой формулы:

V = Cosm + H2O

Образование гипотонической мочи. При потреблении больших количеств воды почки выделяют гипотоническую мочу и СН2О представляет собой положительную величину, при обезвоживании организма, напротив, отрицательную. Это означает, что осмотически свободная вода не экскретируется, а всасывается в канальцах в кровь. Выше был подробно описан механизм осмотического концентрирования мочи. Величина реабсорбции (мл/мин) осмотически свободной воды (ТсН2О) численно равна СН2О но с обратным знаком: ТсН2О=С. Существенно, что эта величина является константной для данного вида. Так, у человека при дегидратации максимальное значение реабсорбции осмотически свободной воды не превышает 5 мл/мин при нормальном значении клубочковой фильтрации.

При поступлении избытка воды в организм почки начинают выделять большие объемы гипотонической мочи. Переход от экономии к экскреции воды сопровождается снижением клубочковой фильтрации в юкстамедуллярных нефронах и ее увеличением в клубочках других популяций нефронов.

При водном диурезе относительная проксимальная реабсорбция ионов и воды не изменяется, а в дистальный сегмент нефрона поступает такое же количество жидкости, как и при дегидратации. Осмолярность мозгового вещества почки при водном диурезе становится ниже, чем при антидиурезе, а осмотическая концентрация жидкости, поступающей в дистальный сегмент нефрона, такая же - приблизительно 200 мосм/л. При водном диурезе стенка конечных отделов почечных канальцев остается водонепроницаемой, а из протекающей мочи клетки продолжают реабсорбировать соли натрия; в результате выделяется гипотоническая моча, концентрация осмотически активных веществ в которой ниже 50 мосм/л. Проницаемость канальцев для мочевины низка, и она экскретируется с мочой, не накапливаясь в мозговом веществе почки.

У человека на максимуме водного диуреза мочеотделение может достигать 18 мл/мин. Очищение от осмотически свободной воды в этом случае определяется по формуле Сизо = V- Cosm оно составляет у человека 13-15 мл/мин.

Таким образом, различие деятельности петли Генле, конечных частей дистального сегмента и собирательных трубок обусловливает способность почек при водной нагрузке выделять большие объемы разведенной, гипотонической, мочи, а при дефиците воды в организме экскретировать малые количества мочи, осмотически более концентрированной, чем кровь. Исключительно развита способность почки осмотически концентрировать мочу у некоторых пустынных грызунов, что позволяет им вообще не пить воду. У большой песчанки, например, концентрация осмотически активных веществ в моче может достигать 4000-4500 мосм/кг H2O, у ряда видов пустынных мышей она возрастает до 9000 мосм/кг H2O и выше.

Собирательные трубки обеспечивают реабсорбцию Na+, Cl- и других ионов против высокого градиента. Их основная функциональная особенность состоит в том, что реабсорбция веществ происходит в небольших количествах, но против наиболее значительного градиента, что и обусловливает резкие различия концентрации ряда неорганических веществ в моче по сравнению с кровью.