Выделение органических веществ

23.01.2018
Глюкоза. У здорового человека каждую минуту в просвет нефрона поступает более 100 мг глюкозы (0,4-0,6 ммоль), с мочой она практически не экскретируется. В норме в 1 л суточной мочи обнаруживается от 10 до 150 мг глюкозы (0,06—0,83 ммоль*л-1). Так как в течение суток фильтруется около 1000 ммоль глюкозы, а выводятся лишь следы глюкозы, то очевидно, что практически вся профильтровавшаяся глюкоза реабсорбируется. Обратное всасывание глюкозы в кровь происходит в проксимальном сегменте нефрона. Концентрация глюкозы в просвете канальца снижается вследствие ее переноса в межклеточную жидкость, т.е. против концентрационного градиента.

В настоящее время достигнуты значительные успехи в понимании молекулярных механизмов реабсорбции глюкозы. Процесс ее транспорта из просвета канальца в кровь носит название вторично-активного. Это обусловлено тем, что реабсорбция глюкозы обеспечивается не активным переносом ее молекулы, как считалось раньше, а транспортом глюкозы через мембрану щеточной каемки с помощью переносчика, одновременно присоединяющего и ионы Na+, и глюкозу.

Рассмотрим подробнее механизм реабсорбции глюкозы. Клеточная энергия для реабсорбции глюкозы создается при работе натриевого насоса, локализованного в плазматических мембранах боковых и базальных частей клетки и удаляющего ионы Na+ из клетки в сторону межклеточной жидкости и кровеносных капилляров. Активный транспорт ионов Na+ из клетки приводит к тому, что в цитоплазме его концентрация снижается. Это служит движущей силой для пассивного по градиенту электрохимического потенциала входа ионов Na+ в клетку через мембрану щеточной каемки. На внешней стороне плазматической мембраны клетки переносчики образуют комплекс с глюкозой и ионами Na+, и тогда создаются условия для перемещения этих веществ в цитоплазму. Необходимость переносчика для трансмембранного передвижения глюкозы обусловлена тем, что глюкоза нерастворима в липидах и не может легко проходить через плазматическую мембрану внутрь клетки. Движение этого переносчика угнетается флоридзином. Внутренняя поверхность клетки отрицательно заряжена, в ней ниже концентрация ионов Na+, чем в просвете канальца, и его поступление по градиенту электрохимического потенциала создает условия для транспорта глюкозы против концентрационного градиента внутрь клетки. Проникновение глюкозы в клетку через люминальную мембрану является самым медленным этапом при реабсорбции глюкозы. Далее глюкоза движется по цитоплазме, достигает базолатеральных плазматических мембран, перенос глюкозы через которые в межклеточную жидкость происходит также с участием переносчика, чувствительного к флоретину, но уже не требуется присутствия ионов Na+. Таким образом, активный транспорт ионов Na+ через базальную мембрану, на который расходуется энергия клеточного метаболизма, способствует снижению его внутриклеточной концентрации и создаются условия для поступления из просвета через мембрану глюкозы по механизму вторично активного транспорта.

При патологии нередко наблюдаются не генерализованные, а локальные изменения в почках, патологический процесс может затрагивать отдельные участки почечных канальцев. В этой связи следует обратить внимание на некоторые отличия молекулярных механизмов реабсорбции тех же самых соединений, но в клетках различных частей даже одного отдела нефрона. Эту проблему можно проанализировать на примере реабсорбции глюкозы. Чем дальше от клубочка расположены клетки проксимального отдела канальцев, тем все меньше становится концентрация глюкозы, непрерывно реабсорбируемой в расположенных выше частях нефрона. Оказалось, что по длиннику проксимального канальца меняются физико-химические характеристики транспортера глюкозы. В начальных отделах этого канальца переносчик глюкозы, находящийся в мембране щеточной каемки, имеет два центра связывания — один для ионов Na+ и один для глюкозы. По мере удаления от клубочка на смену этому переносчику появляется другой, который связывает 1 молекулу глюкозы и 2 иона Na+, что обеспечивает большую движущую силу для реабсорбции глюкозы. Оба процесса транспорта глюкозы имеют разные кинетические характеристики, в частности сродство к глюкозе, от эффективности их работы зависит полнота всасывания глюкозы.

В клинике определение способности почки к реабсорбции глюкозы является одним из важных показателей функционального состояния клеток проксимального канальца и общего количества эффективно работающих канальцев. Из сказанного выше о сущности процесса реабсорбции глюкозы следует, что максимальное количество реабсорбируемых молекул глюкозы из канальцевой жидкости в кровь зависит от числа переносчиков глюкозы и скорости их оборота в мембране. Очевидно, что вся профильтровавшаяся глюкоза реабсорбируется до тех пор, пока количество переносчиков и скорость их движения в мембране обеспечивают перенос всех поступивших в просвет канальца молекул глюкозы. Экскреция глюкозы с мочой начинается лишь тогда, когда ее концентрация в плазме возрастает настолько, что количество профильтровавшейся глюкозы превышает реабсорбционную способность канальцев. Количество глюкозы, реабсорбируемой при максимальной загрузке всех мембранных переносчиков, участвующих в транспорте глюкозы (TmG), служит при стандартных условиях исследования важным показателем функции проксимального канальца. Максимальный транспорт глюкозы у мужчин равен 375±79,7, а у женщин — 303±55,3 мг/мин при расчете на 1,73 м2 поверхности тела.

Исследования с введением глюкозы в кровь и измерением TmG представляют интерес в клинике для характеристики баланса между клубочковой фильтрацией и реабсорбцией в проксимальном канальце каждого из нефронов. При вливании гипертонического раствора глюкозы в кровь гипергликемия не вызывает глюкозурии, пока в каком-либо из канальцев не будет достигнут предел его способности реабсорбировать глюкозу. Если во всех нефронах имеется соответствие между объемом фильтруемой жидкости (тем самым и глюкозы) и способностью к ее реабсорбции, то TmG будет достигнут одновременно во всех нефронах и при дальнейшем повышении концентрации глюкозы в крови наступит глюкозурия. Если же в двух нефронах имеется одинаковая фильтрация, но разное состояние канальцев, разная способность к реабсорбции глюкозы, то TmG будет достигнут неодновременно. Чем большие отличия существуют между отдельными нефронами, чем более гетерогенны популяции нефронов, чем меньше соответствия между уровнем клубочковой фильтрации глюкозы и ее реабсорбцией, тем значительнее расхождение между нефронами во времени наступления TmG при постепенном увеличении концентрации глюкозы в плазме. В некоторых нефронах TmG достигается при концентрации глюкозы в плазме 11 ммоль/л, в других же — 20 ммоль/л. Это явление носит название расщепления кривой титрования нефронов глюкозой; оно зависит от степени морфологической и функциональной гетерогенности популяций нефронов в почке. Увеличение TmG наблюдается при акромегалии, после введения тироксина, а его снижение характерно для болезни Аддисона, сывороточной сенсибилизации, при увеличении концентрации в фильтрате 1-лизина и 1-аланина.

Белок. В течение суток в норме выделение белка с мочой не превышает 50—80 мг. Профильтровавшаяся в клубочки жидкость содержит очень небольшие количества белков, среди них содержатся измененные белки, а также полипептиды и осколки белковых молекул, размер которых меньше диаметра пор фильтрующей мембраны. У здорового человека действует ряд эффективных механизмов, препятствующих поступлению белка из просвета капилляров в полость капсулы клубочка. В эндотелии капилляров имеются достаточно крупные отверстия (фенестры), но движение белка через них затруднено тем, что при нормальной скорости кровотока на поверхности коры образуется слой крупных белковых молекул и затрудняется прохождением белков с меньшей молекулярной массой. При замедлении кровотока нарушается структура этого слоя крупномолекулярных белков, облегчается прохождение белков к базальной мембране клубочка. Она считается основным барьером на пути белка, ее поры имеют меньший диаметр, чем у альбумина. Проникновению альбуминов препятствует также наличие отрицательного заряда в стенке поры (альбумины также имеют отрицательный заряд) и стерическое несоответствие формы поры и молекулы альбумина. При дезорганизации базальной мембраны меняются заряд и форма пор, что облегчает фильтрацию белка. Наконец, следующим препятствием на пути белка служат щелевые мембраны между ножками подоцитов и находящиеся на их поверхности сиалогликопротеины. Полианионная природа этих веществ также ограничивает прохождение белков, имеющих отрицательный заряд.

Приведенные данные о роли состояния гломерулярного фильтра для процесса ультрафильтрации имеют важное значение для понимания патогенетических механизмов развития протеинурии. В опытах на крысах было показано, что после введения нефротоксической сыворотки снижается содержание полианионов в клубочках и развивается протеинурия. Уменьшение величины заряда гломерулярного фильтра наблюдается после введения азотнокислого уранила, который, взаимодействуя с полианионами базальной мембраны, изменяет проницаемость для альбуминов. Большая часть поступивших в нефрон полипептидов и белков гидролизуется в клетках, и аминокислоты реабсорбируются в кровь. В проксимальном канальце всасывание белка осуществляется посредством пиноцитоза. Вещества, адсорбированные на наружной поверхности плазматической мембраны, и капельки находящейся в этом месте жидкости втягиваются в клетку вследствие впячивания мембраны внутрь между микроворсинками люминальной мембраны и образованием вакуоли. Пиноцитозные вакуоли отшнуровываются и движутся в сторону базальной части клетки, в околоядерной области, где находится пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи), они могут сливаться с лизосомами, обладающими высокой активностью ряда гидролитических ферментов, в частности кислой фосфатазы. Образующиеся аминокислоты выделяются через базальную плазматическую мембрану в кровь. В клетках канальцев имеются специфические механизмы для раздельной реабсорбции различных белков — альбумина, гемоглобина.

Выделение значительных количеств белка с мочой наблюдается при ряде физиологических и патологических состояний, суточная потеря белка может достигать 50 г и более. Появление небольших количеств белка в моче может наблюдаться при ряде физиологических состояний, когда нет патологических изменении в почке: при охлаждении, введении катехоламинов, раздражении кожных покровов, некоторых заболеваниях (феохромоцитома, гипертонический криз, псориаз), эмоциональном напряжении. Описана протеинурия после тяжелой физической нагрузки (маршевая протеинурия). Ортостатическая протеинурия наблюдается у здоровых лиц при длительном стоянии, она исчезает после перемены положения тела. У молодых людей с резко выраженным искривлением позвоночника выпуклостью кпереди при стоянии возрастает выделение белка с мочой. Протеинурия отмечена при застойной сердечной недостаточности и лихорадке.

Аминокислоты и пептиды. В клубочковом фильтрате концентрация аминокислот такая же, как и в плазме крови — 2,5—3,5 ммоль*л1. В обычных условиях обратному всасыванию подвергается почти 99 % профильтровавшихся аминокислот, причем этот процесс происходит главным образом в начальных частях проксимального извитого канальца. Механизм реабсорбции аминокислот подобен описанному выше для глюкозы. Аминокислота соединяется в люминальной мембране со специфичным для нее участком на переносчике, он присоединяет Na+, и комплекс перемещается в мембране, освобождая в цитоплазму аминокислоту и Na+. Имеется ограниченное количество переносчиков, и когда все они соединяются с соответствующими аминокислотами, избыток последних остается в канальцевой жидкости и экскретируется с мочой. Предположение о существовании одного типа переносчиков для некоторых групп разных аминокислот основано на том, что при увеличении концентрации в плазме крови одной аминокислоты усиливается экскреция всех аминокислот только данной группы. Описаны переносчики для основных — диаминокислот (цистин, лизин, аргинин, орнитин), кислых — дикарбоксильных аминокислот (глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота), иминокислот и глицина (пролин, оксипролин, глицин), нейтральных аминокислот (валин, лейцин, изолейцин и др.), в-аминокислот (в-аланин, в-аминоизомасляная кислота). Поступившие в клетку аминокислоты перемещаются к латеральным и базальной плазматической мембранам, где они через мембрану транспортируются в межклеточную жидкость. В щеточной каемке на ее люминальной поверхности имеются пептидазы, осуществляющие гидролиз пептидов, а образующиеся аминокислоты всасываются этими же клетками. Предполагают, что пептидазы в мембране не только расщепляют пептиды, но и участвуют в реабсорбции аминокислот.

В норме моча содержит следы аминокислот. При использовании колоночной ионообменной хроматографии в суточной моче у здорового человека выявляется до 2 мг в-аланина, от 2 до 12 мг валина, от следов до 34 мг глутаминовой кислоты, от 2 до 24 мг изолейцина, до 9 мг метионина, не более 7 мг орнитина. Увеличение выделения почкой аминокислот наблюдается при различных патологических состояниях и может зависеть от нарушения одного или нескольких физиологических механизмов, от которых зависит фильтрация и реабсорбция аминокислот. Аминоацидурия может быть вызвана возрастанием концентрации одной или нескольких аминокислот в плазме крови (и соответственно в ультрафильтрате) при поступлении в организм избытка этих аминокислот или нарушении их метаболизма. Так как реабсорбция аминокислот каждой из групп ограничена величиной максимального канальцевого транспорта, то после загрузки всех переносчиков излишние количества аминокислот данной группы будут экскретироваться с мочой. Другой причиной аминоацидурии может быть дефект переносчика, обеспечивающего реабсорбцию аминокислоты, в этом случае будет происходить ее потеря с мочой и при нормальном содержании данной аминокислоты в плазме крови.

У здорового человека люминальная зона клеточных контактов практически не пропускает аминокислот из внеклеточной жидкости и цитоплазмы в первичную мочу, что обеспечивает их эффективную реабсорбцию при участии переносчиков. Однако при дефекте люминальной мембраны клеток канальцев, когда возрастает ее проницаемость для аминокислот, возможен их отток из цитоплазмы в канальцевую жидкость и последующее выделение с мочой. Нарушение матаболизма клеток проксимального канальца также может сопровождаться нарушением реабсорбции ряда веществ, в том числе и аминокислот.

Описано несколько вариантов наследственных нарушений транспорта аминокислот в почечных канальцах. Цистинурия может быть в двух формах: 1) увеличение экскреции цистина, лизина, аргинина; 2) увеличение экскреции лишь цистина и цистеина (изолированная цистинурия). За сутки экскретируется до 700 мг цистеина, клиренс которого может превышать клиренс инулина. Глицинурия проявляется в уменьшенной реабсорбции глицина, несмотря на нормальную его концентрацию в плазме крови. В сутки почки выделяют до 1 г глицина. Иминоглицинурия сопровождается увеличением экскреции пролина, оксипролина и глицина, глюкоглицинурия — глицина и глюкозы. Аномалия транспорта триптофана, аланина, гистидина, изолейцина, лейцина, треонина, валина, глутамина и аспарагина характерна для болезни Хартнупа. Более генерализованное поражение систем реабсорбции в проксимальном канальце наблюдается при болезни де Тони — Дебре — Фанкони, когда наряду с аминоацидурией наблюдаются глюкозурия, фосфатурия, метаболический ацидоз, полиурия. Физиологически очевиден механизм усиленной экскреции именно перечисленных веществ, в то время как экскреция натрия, калия, магния остается нормальной. Из-за дефекта проксимального канальца большие количества самых различных веществ, в том числе глюкозы, аминокислот, ионов и воды, поступают в дистальный сегмент нефрона. Клетки этих отделов канальца не способны к реабсорбции органических веществ, но эффективно всасывают ионы натрия, калия, магния. Поэтому при болезни де Тони — Дебре — Фанкони увеличена экскреция почкой аминокислот, глюкозы, фосфатов; полиурия вызвана необходимостью растворения избыточных количеств этих веществ в канальцевой жидкости, чтобы сохранить осмоляльность, близкую к плазме крови.

Многие пептиды, имеющиеся в крови и поступающие в фильтрат (вазопрессин, АКТГ, ангиотензин II, гастрин, брадикинин, инсулин и др.), метаболизируются и всасываются в кровь. Co стороны просвета канальца в люми-нальной мембране обнаружены активные пептидазы, которые быстро гидролизуют пептиды, и образовавшиеся аминокислоты реабсорбируются клетками проксимального канальца. Гидролиз физиологически активных пептидов имеет двоякое функциональное значение — в кровь поступают аминокислоты, используемые для синтетических процессов в различных органах и тканях, и организм непрерывно освобождается от поступивших в кровоток биологически активных соединений, что улучшает точность регуляторных влияний. Снижение функциональной способности почки по удалению этих веществ приводит к тому, что при почечной недостаточности может наступить гипергастринемия, появляется избыток в крови паратгормона (помимо увеличения его секреции) и подобных ему веществ. Кроме того, из-за замедления инактивации инсулина в почке у больных диабетом при развитии почечной недостаточности может снижаться потребность в инсулине.

Считалось, что всасываются только аминокислоты или белки, гидролизуемые в клетках канальцев. Однако было установлено, что в люминальной мембране клеток проксимального отдела нефрона имеется специфическая система транспорта дипептидов и трипептидов из канальцевой жидкости в цитоплазму. Так как в крови концентрация таких олигопептидов крайне низка, весьма вероятно, что они расщепляются внутри клеток до аминокислот. Источником дитрипептидов во внутриканальцевой жидкости могут быть полипептиды, поступающие в ультрафильтрат из крови и гидролизуемые пептидазами. Мембрана содержит очень высокую активность дипептидазы, но в отличие от амино-пептидаз при ее участии отщепляются от полипептидов не аминокислоты, а дипептиды. Выявлен механизм реабсорбции ди- и трипептидов и обнаружено его качественное отличие от всасывания аминокислот и глюкозы. Перенос ди- и трипептидов через люминальную мембрану осуществляется при участии ионов не Na+, a H+. В этой мембране имеется обменник, который удаляет из клетки ион H+ в обмен на Na+, поступающий в цитоплазму из просвета канальца. Благодаря этому создаются условия для совместного переноса (котранспорта) с помощью специфического мембранного переносчика дипептида и H+ по градиенту, связанному с транспортом протона. Эта физиологическая система имеет важное значение для сохранения в организме малых пептидов. Установлено, что аминоцефалоспорины, используемые в антимикробной терапии, по физико-химическим показателям имеют ряд черт сходства с дипептидами, благодаря чему эти антибиотики реабсорбируются почечной системой транспорта пептидов.

Органические кислоты и основания. Выделение некоторых конечных продуктов обмена веществ и чужеродных веществ обеспечивается, помимо фильтрации в клубочках, с помощью процесса секреции, т.е. переноса этих соединений клетками проксимального сегмента из межклеточной жидкости в просвет нефрона. К веществам, секретируемым клетками этого канальца, относятся феноловый красный, парааминогиппурат (ПАГ), диодраст, пенициллин, сульфаниламиды, салицилаты и др. Этот процесс обусловлен функционированием специальных систем транспорта.

Рассмотрим механизм секреции на примере выделения ПАГ. После введения ПАГ в кровь возрастает его концентрация в плазме, он фильтруется в почечных клубочках, а оставшийся в крови ПАГ по эфферентной артериоле с током крови поступает в околоканальцевые капилляры. В мембране клетки, обращенной к межклеточной жидкости, имеется переносчик, обладающий высоким сродством к ПАГ. В присутствии ПАГ образуется комплекс с переносчиком, он перемещается в мембране; на внутренней поверхности мембраны комплекс распадается, освобождая ПАГ в цитоплазму, а переносчик снова приобретает способность возвращаться к внешней стороне мембраны и соединяться с новой молекулой ПАГ.

Секреция ПАГ возрастает пропорционально увеличению концентрации ПАГ в крови до тех пор, пока все молекулы переносчика не насыщаются ПАГ. В этот момент достигается максимальная скорость транспорта ПАГ (Tm), т.е. количество ПАГ, секретируемое почкой, способно насытить все молекулы переносчика с образованием комплекса. Дальнейшее увеличение концентрации ПАГ в крови уже не увеличивает секрецию ПАГ почкой. После распада внутри клетки комплекса ПАГ с переносчиком молекула ПАГ движется по цитоплазме в сторону апикальной мембраны клетки, обращенной в просвет канальца. Концентрация ПАГ внутри клетки резко увеличивается, и его выделение в просвет канальца через мембрану щеточной каемки происходит с участием системы, облегчающей движение ПАГ через мембрану.

Получены доказательства адаптивной природы системы секреции органических веществ в почечных канальцах. После введения в организм избытка ряда органических кислот или оснований наблюдалось постепенное увеличение скорости их секреции. Это обусловлено синтезом белковых веществ, являющихся необходимыми компонентами системы секреторного транспорта. Очевидно клиническое значение такого физиологического механизма, обеспечивающего более быструю экскрецию чужеродных веществ из организма.

Наиболее интенсивно секреция ПАГ происходит в прямом отделе проксимального сегмента нефрона. Оказалось, что активная секреция ПАГ в этом канальце может приводить и к секреции жидкости. Помимо ПАГ, секрецию жидкости стимулировали некоторые производные ариловых кислот, а также сыворотка крови больных уремией.

Высказывается гипотеза, что при уремии значительную роль в конечном объеме выделяемой мочи играет не только жидкость, поступающая при фильтрации в клубочках, но и образующаяся при секреции в прямом отделе проксимального канальца. В состав этой изотоничной плазме крови жидкости входят не только секретируемые органические кислоты, концентрация которых достигает 40 ммоль*л-1, но и натрий, хлор и ряд других электролитов, проникающих через зону клеточных контактов. Накопление в крови при уремии производных ариловых кислот позволяет объяснить такие особенности состояния почки при ХПН, как рефрактерность к фуросемиду и уменьшение накопления ПАГ почечной тканью под влиянием сыворотки крови, полученной от больных уремией. Это обусловлено тем, что в крови при уремии появляются органические кислоты, которые могут конкурировать с ПАГ и фуросемидом за переносчик в мембране почечной клетки. Вследствие этого снижается возможность секреции этих веществ, а также не создаются условия для диуретического действия фуросемида.

Секреция оксалата наблюдается при различных функциональных состояниях почки. Введение ПАГ прекращает секрецию оксалата. Скорость реабсорбции оксалата в проксимальном канальце значительно меньше, чем мочевой кислоты.
Выделение органических веществ

В клетках проксимального сегмента нефрона наряду с системой секреции органических кислот функционирует и система секреции органических оснований (например, холина, толазолина и др.). Обе системы обеспечивают независимый транспорт из крови в просвет канальца органических кислот и оснований (табл. 2.2). При угнетении секреции органических кислот после введения пробенецида секреция оснований не уменьшается. Секреция органических оснований характеризуется кинетикой насыщения и имеет определенную величину Tm.

Выделение с мочой кислот и оснований во многом зависит от pH внутриканальцевой жидкости. При сдвиге pH среды в кислую сторону равновесие между ионизированными и неионизированными формами кислот смещается к образованию неионизированных веществ, для которых более проницаемы клеточные мембраны. Благодаря этому из кислой мочи быстрее всасываются слабые кислоты, а слабые основания экскретируются в таких условиях с большой скоростью. У оснований степень ионизации уменьшается в щелочной среде, в которой хорошо диссоциируют слабые кислоты; например, никотин, являющийся слабым основанием, в 3—4 раза быстрее выделяется с кислой мочой при pH 5,0, чем при нейтральном значении pH около 7,3. Этот процесс зависимости реабсорбции кислот и оснований от pH канальцевой жидкости получил название «неионной диффузии». Он оказывает значительное влияние на скорость выделения почкой аммония, барбитуратов, ацетазоламида и др. Очевидно, что при необходимости ускорить выделение некоторых лекарственных веществ почкой можно повлиять на этот процесс, сдвинув pH мочи в кислую или щелочную сторону.