БІОХІМІЯ НИРОК

/ Бх іспит / Методички побх / БІОХІМІЯ НИРОК

Біохімія нирок В.250599

Нирка — парний орган, основною структурною одиницею нирок є нефрон. За 1 хвилину в нирках фільтрується 1000 — 1300 мл крові. Завдяки гарному кровопостачанню, нирки знаходяться в постійній взаємодії з іншими тканинами і органами і здатні впливати на стан внутрішнього середовища всього організму.

1. екскреторна. Нирками виводяться з організму:

а) кінцеві продукти катаболізму (наприклад, такі продукти азотистого обміну, як сечовина, сечова кислота, креатинін, а також продукти знешкодження токсичних речовин).

б) надлишок речовин, всосавшихся в кишечнику або утворилися в процесі катаболізму: вода, органічні кислоти, вітаміни, гормони і інші.

в) ксенобіотики — чужорідні речовини (лікарські препарати, нікотин).

2. гомеостатической. Нирками регулюються:

а) водний гомеостаз

б) сольовий гомеостаз

в) кислотно-лужний стан

а) участь в вуглеводному, білковому, жировому обмінах

б) синтез в нирках деяких біологічно активних речовин: реніну, активної форми вітаміну D3. еритропоетину, простагландинів, кінінів. Ці речовини впливають на процеси регуляції артеріального тиску, згортання крові, на фосфорно-кальцієвий обмін, на дозрівання еритроцитів і на інші процеси.

З компонентів плазми крові нирки утворюють сечу і ефективно можуть регулювати її складу.

У процесі ультрафільтрації відбувається образовнія первинної сечі.

Кров, рухаючись по судинах нирки, фільтрується в порожнині клубочка через пори сполучнотканинною капсули — особливого фільтра, який складається з 3-х шарів. 1-й шар — ендотелій кровоносних капілярів, який має пори великого розміру. Через ці великі пори проходять всі компоненти крові, крім формених елементів і високомолекулярних білків. 2-й шар — базальна мембрана, яка побудована з колагенових ниток (фібрил), що утворюють молекулярне "сито". Діаметр пір — 4нм. Базальна мембрана не пропускає білки з молекулярною масою вище, ніж 50кДа. 3-й шар — епітеліальні клітини капсули, мембрани яких заряджені негативно, що не дає можливості негативнозарядженим альбуміну плазми крові проникати в первинну сечу. Форма тришарових пір складна і не відповідає формі білкових молекул плазми крові.Ця невідповідність запобігає проникненню нормальних білкових молекул в первинну сечу. Якщо ж структура, форма, заряд молекули білка змінені в порівнянні з нормальною білкової молекулою, то такий аномальний білок может пройти через фільтр і потрапити в сечу. Це один з механізмів очищення плазми крові від дефектних білків і відновлення її нормального складу.

Таким чином, ультрафильтрат (первинна сеча) в нормі майже не містить білків і пептидів (всього 3-4 г / л). Натомість склад низькомолекулярних небілкових компонентів, зміст різних іонів в первинна сеча такі ж, як і в плазмі крові. Тому первинну сечу іноді називають "безбілкових фільтратом плазми крові".

Кількістьутворюється ультрафильтрата залежить від величини рушійної сили ультрафільтрації — гідростатичного тиску крові в судинах клубочка (в нормі вона становить приблизно 70 мм.рт.ст.).

Рушійною силою ультрафільтрації протидіє онкотичноготиск білків плазми крові (близько 25 мм.рт.ст.) і гідростатичний тиск ультрафільтрату в порожнині капсули (близько 15 мм.рт.ст.).

Таким чином, рушійна сила ультрафільтрації становить:

70 — (25 + 15) = 30 (мм рт.ст.),

і називається ефективним фільтраційним тиском.

Енергія АТФ в процесі ультрафільтрації не витрачає.

Зрозуміло, що зниження артеріального тиску і / або збільшення гідростатичного тиску в порожнині капсули може призводити до уповільнення, а при значних змінах і до повного припинення утворення первинної сечі (анурія).

В результаті процесу ультрафільтрації утворюється первинна сеча. В добу через нирки людини проходить приблизно 1500л крові, при цьому утворюється близько 180 літрів первинної сечі (125мл за 1 хвилину).

Фільтраційну здатність нирок оцінюють шляхом обчислення фільтраційного кліренсу (коефіцієнта очищення) — для цього в кров вводять певні речовини, які тільки фільтруються, але не реабсорбуються і не секретируются (полісахарид інулін, манітол, креатинін).

фільтраційнийкліренс — це такий обсяг плазми крові, який повністю очищається від нереабсорбіруемого речовини за 1 хвилину.

Фільтраційний кліренс (ФК) розраховують за формулою:

де [A] сечі — концентрація речовини в сечі

[A] крові — концентрація речовини в крові

V — швидкість утворення сечі (мл / хв)

Одиниці виміру кліренсу — мл (плазми крові) / хв. У здорової людини ФК становить близько 125 мл / хв або 180 літрів на добу, тобто це кількість первинної сечі, що утворюється в добу.

Первинна сеча, що містить всі низькомолекулярні компоненти крові і невелика кількість низькомолекулярних білків, піддається реабсорбції в проксимальному канальці.

Реабсорбція — це рух речовин з просвіту канальця в кров. Реабсорбції піддаються майже всі білки, що потрапили в ультрафильтрат, і інші необхідні організму речовини. Тому добові втрати білково-пептидного компонента сечі не перевищують 100-150 мг / добу, хоча в первинну сечу може фільтруватися до 8-10 грамів білка в добу. 85% ультрафільтрату реабсорбується в проксимальному відділі канальця. Тут реабсорбируются близько 99% води, необхідні організму поживні речовини (глюкоза, амінокислоти), багато мінеральні компоненти, і частково — кінцеві продукти азотистого обміну (сечовина, сечова кислота).

Є два механізми реабсорбції:

1) проста дифузія (по градієнту концентрацій);

2) активний транспорт — відбувається проти градієнта концентрацій і вимагає витрат енергії (АТФ).

Іони Na ​​+ реабсорбуються за участю натрієвого насоса — мембранного ферменту Na, К-залежною АТФази. Цей фермент має 2 центри зв'язування: для натрію і для калію. Після зв'язування з натрієм і калієм АТФаза змінює свою конформацію, в результаті відбувається перенесення обох іонів через мембрану епітелію ниркових канальців. При цьому використовується енергія гідролізу АТФ. Багато речовин, наприклад глюкоза і амінокислоти, реабсорбируются в комплексі з іонами Na, тобто енергія для перенесення цих сполук виділяється в результаті дії АТФ-ази. Аналогічно протікає реабсорбция іонів Ca 2+ і Mg 2+ — в цьому процесі бере участь Ca 2+, Mg 2+ -залежна АТФаза. Крім АТФаз в процесах активного транспорту беруть участь особливі транспортні білки-переносники, які називаютьсятранслоказ — вони схожі за своїми властивостями на ферменти:

— мають здатність до виборчому зв'язування з речовиною, яке реабсорбируется (абсолютна і відносна вибірковість);

— мають межа працездатності — рівень насичуваності білка (подібно Vmax у ферментів). Він визначається не швидкістю реабсорбції, а граничною концентрацією реабсорбіруемого з первинної сечі речовини. Ця величина називається ниркового порогу реабсорбції. Крива, яка відображає процес реабсорбції, схожа на криву залежності швидкості ферментативної реакції від концентрації субстрату:

Нирковий поріг реабсорбції дорівнює найменшій концентрації реабсорбіруемого речовини, при якій досягається транспортний максимум реабсорбції (ТМ). Транспортний максимум характеризує стан ниркових канальців.ТМ дорівнює швидкості транспорту речовини білком-переносником в умовах насичення його стерпним речовиною.

Для глюкози, наприклад, нирковий поріг реабсорбції (ППР) дорівнює 10-12 ммоль / л. При нормальній концентрації глюкози в крові транспортні системи ще не повністю насичуються глюкозою, тому глюкоза в сечі не з'являється, тобто вона повністю реабсорбується.

існують ізотранслокази, які також, як ізоферменти, відрізняються один від одного величиною константи Міхаеліса. Наприклад, на початку проксимального відділу канальця, де ще велика концентрація глюкози в фільтраті, знаходяться транслокази з Км = 6ммоль / л. В кінці проксимального відділу, де велика частина глюкози вже реабсорбіровать, км транслоказ дорівнює 0.35ммоль / л. Завдяки цим транслоказ, які мають різне спорідненість до глюкози, практично вся глюкоза реабсорбується з первинної сечі.

За добу реабсорбируется:

— близько 179 л води;

— приблизно 1 кг NaCl;

— близько 340 г NaHCO3 ;

— близько 170 г глюкози і т.д.

Канальцева виборча секреція схожа на реабсорбцію, але відбувається в протилежному напрямку — з крові в просвіт канальців. В основному секреція протікає в дистальної частини канальця.

Процес секреції також, як і процес реабсорбції, протікає з витратою АТФ (активний транспорт) і характеризується величиною транспортного максимуму. Ця величина може служити характеристикою білків-переносників, що забезпечують транспорт речовин.

Часто реабсорбция і секреція протікають одночасно — наприклад, секреція іонів K + відбувається під дією Na, K-залежною АТФази. Тільки K + секретується, а Na + реабсорбується. Також секретируются Н +. NH4 + .

Швидкість секреції можна визначити по виділенню з організму з сечею різних барвників, які виводяться нирками тільки шляхом секреції. Для цього барвники повинні бути попередньо введені в кров.

В результаті у вторинній сечі протягом доби залишається від 1000 до 2000 мл рідини. в якій розчинені:

— від 12 до 36 г сечовини;

— близько 1 г креатиніну;

— приблизно 1 г амонійних солей;

— приблизно 0,5-1 г інших продуктів азотистого обміну (зокрема, в нормі в сечі можуть бути присутніми креатин, гиппуровая кислота, индикан і пігменти)

— приблизно 5-7 г мінеральних солей

— продукти знешкодження токсичних сполук (в незначних кількостях)

В процесі виконання нирками екскреторної функції забезпечується їх участь у підтримці водно-сольового балансу організму і кислотно-лужної рівноваги.

Гомеостатична функція нирок

1. Водно-сольовий ГОМЕОСТАЗ.

Вода в організмі розподілена між двома основними просторами: внутрішньоклітинним і позаклітинним. Розподіл води залежить від загальної кількості розчинених речовин, тому що вода рухається в напрямку осмотичного градієнта. Нирки беруть участь у підтримці постійної кількості води шляхом впливу на іонний склад внутрішньо- і позаклітинних рідин.

Близько 75% іонів натрію, хлору і води реабсорбується з клубочкового фільтрату в проксимальному канальці завдяки згаданому АТФазной механізму. При цьому активно реабсорбуються тільки іони натрію, аніони переміщаються завдяки електрохімічного градієнту, а вода реабсорбується пасивно і ізоосмотіческій.

2. УЧАСТЬ ПОЧЕК В РЕГУЛЯЦІЇ кислотно-лужної рівноваги

Підтримка постійного значення рН крові забезпечується завдяки участі в цьому процесі нирок і буферних систем крові. Буферні системи крові не усувають порушень кислотно-лужної рівноваги в організмі, хоча і регулюють рН крові в значному діапазоні. Нирки здатні забезпечувати видалення кислотних або лужних компонентів і тим самим нормалізують співвідношення компонентів буферних систем.

Зміна рН крові і сечі може бути пов'язано з особливостями харчування людини. Їжа тваринного походження, багата аніонами сильних кислот (сульфатами, фосфатами), призводить до утворення кисло-реагуючих компонентів плазми крові. Це призводить до виділення з організму більш кислої сечі. Їжа рослинного походження містить сильні катіони (Na +, K +) і може призводити до утворення сечі лужного характеру.

Оскільки для організму особливу небезпеку становить ацидоз, в нирках є спеціальні механізми боротьби з ним:

Цей механізм включає в себе процес утворення СО2 в метаболічних реакціях, що протікають в клітинах дистального канальця; потім освіту Н2 СО3 під дією карбоангідрази; подальшу дисоціацію її на Н + і НСО3 — і обмін іонів Н + на іони Na ​​+. Потім натрій і бікарбонатні іони дифундують в кров, забезпечуючи її подщелачивание. Цей механізм перевірений в експерименті — введення інгібіторів карбоангідрази призводить до посилення втрат натрію з вторинної сечею і припиняється підкислення сечі.

Активність ферментів аммоніогенез в нирках особливо висока в умовах ацидозу.

До ферментам аммоніогенез відносяться глутамінази і глутаматдегідрогеназа:

Протікає в печінці і в нирках. Ключовий фермент процесу — ниркова піруваткарбоксілази. Фермент найбільш активний у кислому середовищі — цим він відрізняється від такого ж печінкового ферменту. Тому при ацидозі в нирках відбувається активація карбоксілази і кіслореагірующіе речовини (лактат, піруват) більш інтенсивно починають перетворюватися в глюкозу, яка не володіє кислими властивостями.

Цей механізм важливий при ацидозі, пов'язаному з голодуванням (при нестачі вуглеводів або при загальному недоліку харчування). Накопичення кетонових тіл, які за своїми властивостями є кислотами — стимулює глюконеогенез. А це сприяє поліпшенню кислотно-лужного стану та одночасно забезпечує організм глюкозою. При повному голодуванні до 50% глюкози крові утворюються в нирках.

При алкалозі — гальмується глюконеогенез, (в результаті зміни рН пригнічується ПВК-карбоксилаза) гальмується секреція протонів, але одночасно посилюється гліколіз і збільшується утворення пірувату і лактату.

МЕТАБОЛІЧНА ФУНКЦІЯ НИРОК

1) Освіта активної форми вітаміну D3. В нирках, в результаті реакції мікросомального окислення відбувається заключний етап дозрівання активної форми вітаміну Д3 — 1,25-діоксіхолекальціферола. Попередник цього вітаміну — вітамін Д3. синтезується в шкірі, під дією ультрафіолетових променів з холестерину, і потім гідроксилюється: спочатку в печінці (в положенні 25), а потім в нирках (в положенні 1). Таким чином, беручи участь в утворенні активної форми вітаміну Д3. нирки впливають на фосфорно-кальцієвий обмін в організмі. Тому при

захворюваннях нирок, коли порушуються процеси гідроксилювання вітаміну Д3. може розвинутися остеодистрофією.

2) Регуляція еритропоезу. У нирках виробляється глікопротеїн, названий нирковим ерітропоетіческой фактором (ПЕФ або ЕРИТРОПОЕТИН). Він є гормоном, який здатний впливати на стовбурові клітини червоного кісткового мозку, які є клітинами-мішенями для ПЕФ. ПЕФ направляє розвиток цих клітин шляхом зрітропоеза, тобто стимулює утворення еритроцитів. Швидкість виділення ПЕФ залежить від забезпечення нирок киснем. Якщо кількість кисню, знижується, то збільшується вироблення ПЕФ — це веде до збільшення кількості еритроцитів в крові і поліпшенню постачання киснем. Тому при захворюваннях нирок іноді спостерігається ниркова анемія.

3) Біосинтез білків. У нирках активно йдуть процеси біосинтезу білків, які необхідні іншим тканинам. Тут синтезуються деякі компоненти:

— системи згортання крові;

— в нирках в клітинах юкстагломерулярного апарату (ПІВДНЯ) синтезується РЕНІН — протеолітичний фермент, який бере участь в регуляції судинного тонусу, перетворюючи ангиотензиноген в декапептид ангиотензин-I шляхом обмеженого протеолізу. з ангіотензіна-I під дією ферменту карбоксікатепсіна утворюється (теж шляхом обмеженого протеолізу) октапептид ангиотензин-II. Він має судинозвужувальну ефектом, а також стимулює вироблення гормону кори надниркових залоз — альдостерону. Альдостерон посилює реабсорбцію натрію і води в ниркових канальцях — це призводить до збільшення об'єму крові, що циркулює в судинах. В результаті підвищується артеріальний тиск. Коли молекула ангіотензіна-II виконає свою функцію, вона піддається тотальному протеолизу під дією групи спеціальних протеїназ — ангіотензіназ. Так працює РЕНІН-ангіотензин-альдостеронової системи.

Вироблення реніну залежить від кровопостачання нирок. Тому при зниженні артеріального тиску вироблення реніну збільшується, а при підвищенні — знижується. При патології нирок іноді спостерігається підвищене вироблення реніну і може розвиватися стійка гіпертензія (підвищення артеріального тиску).

Ренін-ангіотензин-альдостеронової системи працює в тісному контакті з іншою системою регуляції судинного тонусу: КАЛІКРЕЇН-кінінової системи, дія якої призводить до зниження артеріального тиску.

У нирках синтезується білок кининоген.Потрапляючи в кров, кининоген під дією серинових протеїназ — калликреинов перетворюється в вазоактивні пептиди — кініни: брадикинин і каллидин. Брадикинин і каллидин мають судинорозширювальний ефект — знижують артеріальний тиск. Інактивація кінінів відбувається за участю карбоксікатепсіна — цей фермент одночасно впливає на обидві системи регуляції судинного тонусу, що призводить до підвищення атеріального тиску. Інгібітори карбоксікатепсіна застосовуються в лікувальних цілях при лікуванні деяких форм артеріальної гіпертензії (наприклад, препарат Клофеллин).

Участь нирок у регуляції артеріального тиску пов'язане також з виробленням простагландинів, які мають гіпотензивну ефектом, а утворюються в нирках з арахідонової кислоти в результаті реакцій перекисного окислення ліпідів (ПОЛ).

4) Катаболізм білків. Нирки беруть участь в катаболизме деяких білків, що мають низьку молекулярну масу (5-6 кДа) і пептидів, які фільтруються в первинну сечу. Серед них гормони і деякі інші БАР. У клітинах канальців, під дією лізосомальних протеолітичних ферментів ці білки і пептиди гідролізуються до амінокислот, які надходять в кров і реутілізіруется клітинами інших тканин.

ОСОБЛИВОСТІ МЕТАБОЛІЗМУ ниркової ТКАНИНИ

1. Великі витрати АТФ. Основний витрата АТФ пов'язаний з процесами активного транспорту при реабсорбції, секреції, а також з біосинтезу білків.

Основний шлях отримання АТФ — це окислювальне фосфорилювання. Тому тканину нирки потребує значних кількостях кисню. Маса нирок становить всього 0,5% від загальної маси тіла, а споживання кисню нирками становить 10% від усього надійшов кисню. Субстратами для реакцій біоокислення в ниркових клітинах є:

2. Висока швидкість біосинтезу білків.

3. Висока активність протеолітичних ферментів.

4. Здатність до аммоніогенез і глюконеогенезу.

ГОРМОНАЛЬНА РЕГУЛЮВАННЯ мочеобразованіе

Обсяг сечі і вміст іонів в ній регулюється завдяки сумісному дії гормонів і особливостям будови почкі.На обсяг добової сечі впливають гормони альдостерону і вазопресину.

Альдостерону — це стероїдний гормон кори надниркових залоз з групи минералкортикоидов, який забезпечує посилення реабсорбції натрію з дистальної частини ниркового канальця завдяки активному транспорту. Особливістю дії цього гормону є те, що він починає активно секретироваться при значному зниженні концентрації натрію в плазмі крові.У разі дуже низьких концентрацій натрію в плазмі крові під дією альдостерону може відбуватися практично повне видалення натрію з сечі. Посилення реабсорбції натрію тягне за собою і затримку води в організмі. Гиперсекреция альдостерону (первинний альдостеронизм) призводить до затримки натрію і води — потім розвивається набряк і гіпертонія, аж до серцевої недостатності. Недостатність альдостерону призводить до стану, який характеризується значною втратою натрію, хлоридів і води і зменшення обсягу плазми крові. Крім того, в нирках одночасно порушуються процеси секреції Н + і NH4 + І це може призводити до ацидозу.

Вазопресин — пептидний гормон, який синтезується в гіпоталамусі і секретується з нейрогипофиза, має мембранний механізм дії. Цей механізм в клітинах — мішенях реалізується через аденилатциклазную систему. Вазопресин викликає звуження периферичних судин (артеріол). В результаті підвищується артеріальний тиск. Але в нирках вазопресин підвищує швидкість реабсорбції води з початкової частини дистальних звивистих канальців і збірних трубочок. В результаті збільшується відносна концентрація іонів Na, Cl, Pi і загального N. Секреція вазопресину збільшується при підвищенні осмотичного тиску плазми крові. Наприклад, при збільшенні споживання солі або при зневодненні організму. Вважається, що дія вазопресину пов'язано з фосфорилюванням білків апікальної мембрани нирки, в результаті чого збільшується її проникність. При ураженні гіпофіза, в разі порушення секреції вазопресину спостерігається нецукровий діабет — різке збільшення об'єму сечі (до 4-5 л) з низькою питомою вагою.

Паратгормон — гормон паращитовидної залози білково-пептидної природи, (мембранний механізм дії, через цАМФ) також впливає на видалення солей з організму. У нирках він підсилює канальцевую реабсорбцію Са +2 і Mg +2. збільшує екскрецію К +. фосфату, HCO3 — і зменшує екскрецію H + і NH4 +. В основному це відбувається завдяки зниженню канальцевої реабсорбції фосфату. Одночасно в плазмі крові збільшується концентрація кальцію. Гіпосекреція паратгормону призводить до зворотних явищ — збільшення вмісту фосфатів в плазмі крові і до зниження вмісту Ca +2 в плазмі.

Естрадіолу — жіночий статевий гормон. Стимулює синтез 1,25-діоксівітамінаD3. підсилює реабсорбцію кальцію і фосфору в ниркових канальцях.

Натрійуретичного фактора (НУФ) — це пептид, який утворюється в клітинах передсердя і в гіпоталамусі. Це гормоноподобное речовина. Клітини-мішені — клітини дистального відділу ниркових канальців. Діє через гуанілатціклазную систему — тобто внутрішньоклітинний посередник — цГМФ. Результатом впливу НУФ на клітини канальців є зниження реабсорбції Na +. тобто розвивається натріурія.