泌尿系统(一)

 医疗资讯     |      2020-10-10

  泌尿系统是人体内环境通向外界的一个出口。

  (区别于消化系统,消化系统排出消化道内的食物残渣,消化道不属于内环境,这些食物残渣也不是体内产生的,所以粗略地说消化系统并不能排出内环境中的物质)

  细胞代谢产生的代谢废物、循环系统中多余的液体、体液中多余的溶质、进入体内的药物等异物,都需要从机体中排出去,这个出口就是泌尿系统。

1、泌尿系统的组成

  循环系统把这些东西带到一个叫做的器官,在这里这些物质被富集,形成一种叫做尿的混合液体,然后通过一个管道把这个带着需要排出的物质的尿排出体外,于是完成了上面提到的生理功能。

  然而,我们在社会中生活,不是每时每刻都能往周围的世界里排尿的。于是需要另一个器官来把每时每刻生成的尿液集中储存一下,等到合适的时候再一起排出去,这个器官就是膀胱

  连接肾和膀胱的管道叫输尿管,连接膀胱和外界的管道叫尿道

  这就是泌尿系统的组成。

2、尿液的形成

  想象一下平时在厨房我们是如何洗菜的。一篮子菜放在面前,我们会先随手抓起一把,然后一点一点把脏东西去掉,最后加上调料,入锅。尿液的形成也是如此,稍后我们会看到,“随手抓起”这个操作叫做肾小球的滤过作用,抓起的这一把叫做原尿,去掉脏东西和加调料叫做分泌重吸收,最后洗完的菜入锅叫做终尿的排出。当然,你必须把所有菜都洗完才能一起下锅,所以先洗完的菜会被放在一个地方等着后面的菜来,这个地方就是刚刚提到的**。

  2.1 肾小球的滤过作用(filtration)

  2.1.1 滤过过程

  肾小球是一团毛细血管簇,进入肾脏的小动脉在这里分支形成40~50条并联的毛细血管网,在这里血液从毛细血管渗入肾小囊,完成滤过作用。滤过是指血管中的血液在有效滤过压的作用下向血管外渗出的过程,这一过程的发生需要两个条件:足够大的有效滤过压和足够大的膜通透性(也即大压力和小阻力)。正如在总论中讨论过的,有效滤过压为:

  

  这里的膜由三层结构构成:毛细血管内皮细胞、毛细血管基膜、肾小囊上皮细胞(足细胞)。滤过膜有两层屏障影响它对物质的通透性:

  机械屏障:足细胞形成小孔隙,因此滤过膜对小分子物质通透性大,对大分子物质通透性小;

  电荷屏障:毛细血管内皮表面附有带负电的糖蛋白,因此滤过膜对带正电荷物质通透性大,对带负电荷物质通透性小;

  滤过并不是一直进行的,毛细血管内的血浆蛋白由于分子量较大无法通过滤过膜,因此随着血浆的渗出血浆蛋白的浓度越来越大,即血浆的胶体渗透压越来越大,于是有效滤过压越来越小。当有效滤过压为零时,滤过停止,我们说达到了滤过平衡。此后血液不会再继续滤过,在达到滤过平衡前滤过的血浆,和流经肾的血浆总量的比值,就称为滤过分数,滤过分数是描述肾小球滤过能力的一个指标。另外,滤过的速率,即每分钟滤出去的血浆体积,称为肾小球滤过率

  2.2.2 滤过的调节

  2.2 肾小管的分泌与重吸收作用、肾小管的结构

  形成了原尿之后,我们要对原尿进行加工。由于滤过的选择性仅仅是分子量大小和电性正负,无法区分滤过的物质是否是确实需要排出的,因此我们必须对原尿中有用的物质进行重吸收(reabsorbtion)。另外,由于滤过分数的限制有些物质无法全部进入原尿然而又必须被排出,因此我们还要对原尿进行分泌(secretion),把这些没有滤进原尿又需要排出的物质分泌到尿中。这就是肾小管的分泌和重吸收作用。

  由于物质运输通常需要特定的载体,于是各种不同物质的分泌与重吸收被分别安排在肾小管的不同节段,因此有必要先对肾小管的分节进行介绍。

  2.2.1 肾小管的分段

图片源自Linda. Physiology

  肾小管从肾小囊出来,一直延续和其它肾小管合并为集合管,多条集合管进一步合并最终从肾盂出肾移行为输尿管走向膀胱。从肾小囊到集合管,肾小管依次可分为:近曲小管、髓袢、近曲小管,其中髓袢又分为降支粗段、降支细段、升支细段、升支粗段。

  接下来我们对一些主要物质的重吸收和分泌进行介绍。

  2.2.2 水和钠离子的重吸收与分泌、水钠平衡

  我们已经在心血管系统中提到,心血管系统对于循环血量的调节是短期的、应急的,而机体对循环血量的长期调节是由泌尿系统完成的。人的体液量必须要维持在一个正常水平,在均衡时水的摄入和排出应该是相等的。但当遭遇一些环境的改变,造成摄入量或排出量发生变化时,就需要对水的摄入和排出进行相应调节,以维持内环境的稳态。由于细胞外液的溶质主要是NaCl,即水的减少意味着钠浓度的增加,水的增加意味着钠浓度的减少,因此我们把钠离子的浓度平衡和水的平衡放在一起讨论。

  机体中水的主要来源为:直接喝的水、食物中包含的水、机体代谢产生的水;

  机体中水的主要去路为:消化道排出的水(等渗)、呼吸道排出的水(低渗)、皮肤蒸发的汗液(低渗)、尿液中的水(渗透压可调);

  由此,来路里的饮水去路里的尿液中的水是我们最方便调节的环节,因此我们的身体对水平衡的调节就是主要在这两个地方进行的。饮水是一种自主行为,由大脑发起,通过运动系统进行饮水;尿液中的水我们通过控制肾小管对原尿中水的重吸收来进行调节:机体缺水时,我们增加肾小管对水的重吸收量;机体水富裕时,我们减少肾小管对水的重吸收量。总论中已经讨论过,肾小管对水的重吸收量取决于肾小管上皮细胞管腔面膜两侧的渗透压梯度和肾小管上皮细胞膜对水的通透性。当体液减少时,细胞外液渗透压会增高,它对尿液的生成有直接和间接两方面的作用:它升高了小管液的渗透压,直接促进了肾小管集合管对水的重吸收;它刺激下丘脑的渗透压感受器,促进垂体释放抗利尿激素(Antidiuretic hormone, ADH),ADH作用在远曲小管集合管上的V2受体上,提高水孔蛋白2的表达量,增加远曲小管集合管对水的通透性,促进了水的重吸收。因此,细胞外液含量的平衡(即水平衡)很大程度上依赖于肾的调节功能,其中渗透压是调节的关键因素,而作为细胞外液渗透压的主要来源,钠离子的浓度平衡和水平衡是直接相关的。

  和其它物质一样,水和钠也是先大量从肾小球滤过进入原尿,经历肾小管和集合管的重吸收和分泌过程。就水而言,人每天形成的原尿大约有180L,而最终排出体外的尿液大约只有2L,可见重吸收的水分占据肾小球滤过的水分的99%之多,这99%就是我们可调节的空间,我们既可以直接调节对水的重吸收,也可以通过调节体液中溶质(主要是NaCl)的浓度来间接调节水的重吸收。因此,下面介绍钠的重吸收和水的重吸收。

  钠的重吸收与分泌

  钠在肾小管全程均有重吸收,而分泌很少。钠在肾小管各段的重吸收方式因载体不同而不同,其生理意义也不一样,概述如下:

  在近曲小管,有约67%的钠离子被重吸收,主要和其它物质一起进行secondary active transport,利用钠离子的浓度梯度势能对其它物质进行逆浓度梯度的主动重吸收,这些物质包括葡萄糖、氨基酸、碳酸氢根、氯离子等,因此,这一段钠离子重吸收的生理意义是提供对其它物质重吸收所需的能量,而对维持水钠平衡不起主要作用。这一部分钠离子重吸收具体的调节及影响将在相关物质重吸收部分讨论。

  在髓袢升支粗段,有约25%的钠离子被重吸收,通过 完成,转运方式也是secondary active transport。这一段肾小管除了能重吸收钠离子,还对水不通透,因此小管液经过这一段肾小管后会成为低渗尿,在后续远曲小管集合管中就能被重吸收。因此这一段重吸收钠离子的生理意义是形成低渗尿,为水的重吸收创造条件,参与了维持水钠平衡,但并不具有调节功能。

  在远曲小管和集合管,有约8%的钠离子被重吸收,其中又分为远曲小管始端和远曲小管末端及集合管两段。在远曲小管始端,约5%的钠离子被重吸收,通过 完成,这一段肾小管同样对水不通透,因此这一段重吸收的意义依然是稀释尿液,使尿液的渗透压进一步下降。噻嗪类利尿剂(thiazide diuretics)能够抑制 的功能而使进入远曲小管集合管的小管液的渗透压上升,抑制水的重吸收,从而起到利尿的作用。因此虽然这一段钠离子重吸收也不是机体调节钠重吸收的位点,但却是利尿剂作用的位点。在远曲小管末端及集合管,有约3%的钠离子被重吸收,通过集合管上皮细胞中的主细胞上钠离子通道完成,钠离子通道的表达量受到醛固酮调节,因此这一段是机体控制钠离子重吸收量的调节部位。醛固酮是机体直接调节钠离子重吸收量量的激素,由肾皮质的球状带分泌,属于肾素-血管紧张素-醛固酮系统的一部分,位于远曲小管旁的致密斑能够感受远曲小管小管液中的钠离子浓度变化,当钠离子浓度下降,或小管液流量下降时,致密斑感受到钠离子的减少,于是通过信号传递令球旁细胞分泌肾素,肾素催化血管紧张素原转变为血管紧张素I,血管紧张素I又可在血管紧张素转化酶的作用下转变为血管紧张素II,血管紧张素刺激肾皮质球状带细胞分泌醛固酮,醛固酮作用在远曲小管末端及集合管上的受体上,提高了主细胞上钠离子通道的表达量,使远曲小管末端及集合管对钠离子的通透性上升,对钠离子的重吸收增加。这就是机体调节钠离子重吸收量的机制。

  可见,钠离子在近曲小管的重吸收的功能是为重吸收其它物质提供能量,在髓袢的重吸收是为了形成低渗尿,远曲小管末端及集合管重吸收的钠离子虽然只占到肾小球所滤过钠离子总量的3%,但却是钠离子重吸收的真正调节部位,其中致密斑是感受钠离子浓度变化的感受器,醛固酮是调节钠离子重吸收的关键激素。值得一提的是,当机体大量丢失水分,这里为了简单我们假定丢失的是等渗的水分,即水和钠的丢失是成比例的,尽管此时钠离子的浓度不变,体液的渗透压不变,但由于流经远曲小管的小管液流量减少,致密斑同样感受到钠离子的减少,同样可以激活RAS系统,增加钠离子的重吸收,降低进入远曲小管集合管的小管液的浓度,增加远曲小管集合管中对水的重吸收,起到增加体液量的作用。这也是钠离子浓度平衡如何维持水平衡的机制,再一次说明了钠的平衡和水的平衡是一致的。

  水的重吸收

  机体如何通过调控钠离子的重吸收来调控水的重吸收已于前述。这里我们讨论机体对水的直接重吸收。

  在近端小管上有水孔蛋白1,能够允许水分子自由通过。当小管液流经近端小管,各种溶质被重吸收,小管液渗透压降低,于是水分也通过水孔蛋白1进入近端小管上皮细胞中,进而回到血液里。因此,近端小管的重吸收是等渗的重吸收,溶质和水以一定的比例进行重吸收,实现机制就在于如果溶质重吸收大于水的重吸收时,小管液渗透压下降,水的重吸收增多;如果溶质重吸收小于水的重吸收时,小管液渗透压升高,水的重吸收减少;在这样的机制下溶质的重吸收和水的重吸收会自动趋于均衡,从而呈现出近端小管等渗的重吸收。水孔蛋白1的表达并不是可控的,因此水孔蛋白1介导的水的重吸收仅仅是渗透压依赖的。甘露醇可以经肾小球自由滤过,使小管液渗透压上升,从而抑制水的重吸收,产生利尿的效果。糖尿病人尿液中的葡萄糖浓度超过肾小管所能重吸收葡萄糖的最大限度,使尿液中葡萄糖的浓度高于常人,也能调高小管液渗透压,抑制水的重吸收,产生利尿的效果。这种利尿作用称为渗透性利尿。

  在远曲小管和集合管上有水孔蛋白2,这种水通道蛋白的表达量受到抗利尿激素(antidiuretic hormone)的调控。当细胞外液减少,下丘脑的渗透压感受器可以感受血浆中晶体渗透压的升高,从而促进垂体释放抗利尿激素,抗利尿激素作用在远曲小管和集合管上的V2受体,通过细胞内信号转导途径上调水孔蛋白2的表达量,提高远曲小管集合管对水的通透性,从而促进水的重吸收,增加细胞外液的量。这是机体调节水重吸收的最重要机制。

  抗利尿激素能够提高远曲小管集合管对水的通透性,但只有在小管液为低渗液的前提下才能促进水的重吸收,而这一点始终是成立的,这是由所谓逆流倍增机制(countercurrent multiplication)尿素循环机制(urea cycling)所形成的,最终的结果是在肾内建立了一个从皮质到髓质的浓度梯度,使进入远曲小管集合管的小管液一定为低渗液。

图源:Linda. Physiology.6th. ELSEVIER

  上图是逆流倍增机制的一个图示。假定初始时刻髓袢内小管液和肾组织液的渗透压相等。前文已述,髓袢升支能通过 吸收NaCl,使小管液渗透压降低、肾组织液的渗透压升高。在之后的一段时间内,进入远曲小管流出髓袢的小管液和从近曲小管流入髓袢的小管液体积相等,但相比之下流出液是低渗的而流入液是高渗的,因此小管液在髓袢走一遭留下了很多溶质(NaCl)在肾组织液中,于是小管液的渗透压降低,肾组织液的渗透压升高,接着从解剖学上说集合管再一次进入肾的深面,因此对于集合管一定有小管液为低渗液肾组织液为高渗液,从而实现集合管对水的重吸收。

  当体内钠离子相对增加而水相对减少时,血浆渗透压上升,小管液钠离子浓度上升,分别刺激分泌抗利尿激素和和抑制分泌醛固酮,促进水的重吸收和抑制钠的重吸收,纠正紊乱;当体内钠离子相对减少而水相对增加时,血浆渗透压下降,小管液钠离子浓度下降,分别抑制分泌抗利尿激素和促进分泌醛固酮,抑制水的重吸收和促进钠的重吸收,纠正紊乱。当水和钠成比例上升或下降时,则通过RAS系统和心房钠尿肽等激素作用,对水和钠进行同向调节。此外,除了在重吸收阶段调节水钠,也能在滤过阶段通过调节肾小球滤过率调节水钠平衡,已与前述。

  水钠平衡紊乱

  当出现病理因素,导致水钠平衡偏离超过了机体的自动调节能力,便会出现水钠平衡紊乱的病理生理现象。机体水的病理性减少称为脱水,按照水和钠的相对含量关系又分为低渗性脱水、高渗性脱水和等渗性脱水;机体水的病理性增加称为水中毒。

  低渗性脱水是指丢钠大于丢水,导致细胞外液低渗,因此称为低渗性脱水,或低容量性低钠血症。这是由丢失大量高渗体液导致的。长期使用利尿剂可大量排出高渗尿液,肾炎等肾实质疾病导致肾浓度梯度无法建立使肾稀释尿液能力减弱,以及RAS系统受损导致醛固酮分泌受阻等因素,都能造成尿液持续高渗,导致低渗性脱水。此外,当大量出汗、大量呕吐、腹泻后只补充水分而不补充钠离子也会导致低渗性脱水。低渗性脱水发生后,由于细胞外液渗透压降低,细胞外液中的水还会流向细胞内液,进一步减少细胞外液的量,使循环血量进一步减少,易发生循环衰竭,导致休克等严重的后果。

  高渗性脱水是指丢水大于丢钠,导致细胞外液高渗,因此称为高渗性脱水,或低容量性高钠血症。这是由丢失大量低渗体液导致的。导致高渗性脱水最常见的原因是水摄入减少或水丢失过多,如长时间未饮水、高热天气出汗过多等,肾浓缩尿液能力缺陷也会导致高渗性脱水。由于高渗性脱水时细胞内液的水分会进入细胞外液,缓解脱水,因此高渗性脱水的症状不如低渗性脱水严重。

  水中毒是指机体内水分增加而钠的含量不变或增加程度小于水,因此又称为高容量性低钠血症。这是由补充大量低渗液或水分无法排出等原因造成。水分在机体内潴留,可能导致颅内压增高和脑水肿等疾病而对神经系统产生不利影响。循环血量增加会使血液静水压增加从而促进水分从血管向组织液渗出,导致组织水肿,产生后续不利后果。

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