Биофизика почек и выделительной системы

Физико-биологические основы функционирования почек и выделительной системы

Почки — это парный орган, выполняющий важнейшие функции гомеостаза: регуляцию водно-солевого баланса, кислотно-щелочного равновесия, экскрецию продуктов метаболизма и синтез гормонов. Основной структурно-функциональной единицей почки является нефрон — микроскопическое образование, в котором происходят процессы фильтрации, реабсорбции, секреции и экскреции.

Каждая почка содержит около 1–1,3 миллиона нефронов, каждый из которых включает:

Капсулу Боумена (для фильтрации крови);
Проксимальный извитой каналец (активная и пассивная реабсорбция);
Петлю Генле (концентрация мочи за счёт противоточной системы);
Дистальный извитой каналец;
Собирательные трубочки, ведущие к лоханке.

Гломерулярная фильтрация: механизмы и параметры

Гломерулярная фильтрация — первый этап мочеобразования. Кровь поступает в капилляры клубочка под высоким гидростатическим давлением (≈70–80 мм рт. ст.), создавая градиент, способствующий фильтрации плазмы через трёхслойный фильтр: эндотелий капилляра, базальную мембрану и подоциты капсулы Боумена.

Основные физические факторы фильтрации:

Гидростатическое давление крови в капиллярах (P_к ≈ 70 мм рт. ст.)
Онкотическое давление плазмы (π_п ≈ 30 мм рт. ст.)
Гидростатическое давление в капсуле Боумена (P_кБ ≈ 10–15 мм рт. ст.)

Эффективное фильтрационное давление:

P_эфф = P_к − (π_п + P_кБ) ≈ 70 − (30 + 15) = 25 мм рт. ст.

Скорость клубочковой фильтрации (СКФ) — важный клинический показатель, отражающий суммарную фильтрационную активность всех нефронов. В норме СКФ составляет около 120 мл/мин, или ≈180 литров в сутки.

Механизмы реабсорбции и секреции: физико-химические принципы

Реабсорбция — процесс обратного всасывания воды и растворённых веществ из первичной мочи в интерстициальную жидкость и далее в кровоток.

Ключевые физические механизмы:

Осмос: перемещение воды по градиенту осмотического давления.
Диффузия: пассивный перенос веществ (например, Na⁺, Cl⁻, мочевины).
Облегчённая диффузия и активный транспорт: перенос глюкозы, аминокислот, ионов натрия с использованием белков-переносчиков и энергии АТФ.

Проксимальный каналец активно реабсорбирует до 70% объёма фильтрата, включая все полезные органические вещества. В петле Генле реализуется противоточно-множительная система, обеспечивающая градиент осмотического давления в интерстиции мозгового вещества почки (до 1200 мОсм/л), что необходимо для концентрации мочи.

Секреция — активный транспорт веществ (например, ионы водорода, калий, органические кислоты и основания) из крови в просвет канальцев, важна для регуляции pH и удаления ксенобиотиков.

Механизмы концентрирования мочи: биофизика противоточной системы

Петля Генле организована по принципу противотока: нисходящая и восходящая части расположены рядом и функционируют синхронно, обеспечивая односторонний градиент концентрации.

Нисходящая часть: проницаема для воды, но непроницаема для ионов.
Восходящая часть: активный транспорт Na⁺ и Cl⁻ в интерстиций, но непроницаема для воды.

Этот механизм основан на механизме противоточного умножения, который создаёт градиент осмотического давления между корковым и мозговым веществом почки.

Результат — возможность концентрирования мочи до уровня, превышающего осмоляльность плазмы крови в 4–5 раз.

Канальцевая регуляция кислотно-щелочного баланса

Почки играют ключевую роль в поддержании pH крови на уровне 7,35–7,45, обеспечивая:

Выведение избытка H⁺ (секреция в канальцах);
Реабсорбцию и генерацию HCO₃⁻;
Аммониогенез — синтез и выведение ионов NH₄⁺, буферизующих H⁺.

Буферные системы в просвете канальцев (фосфатный, аммонийный буфер) и в крови (бикарбонатный буфер) обеспечивают физико-химическое равновесие и защиту тканей от ацидоза или алкалоза.

Мочевыделительная система: гидродинамика и транспорт мочи

Уретер и мочевой пузырь функционируют как органы активного транспорта и накопления мочи. Передвижение мочи по мочеточникам осуществляется за счёт перистальтики гладкой мускулатуры, регулируемой автономной нервной системой.

Гидродинамические особенности:

Скорость тока мочи: зависит от объёма мочи, давления в лоханке и тонуса стенок мочеточника.
Давление в мочеточнике: в норме не превышает 10–20 мм рт. ст.
Угол впадения мочеточника в мочевой пузырь и клапанный механизм предотвращают рефлюкс мочи.

Мочевой пузырь выполняет функцию резервуара. Его наполнение сопровождается активацией рецепторов растяжения (механо-рецепторов), запускающих рефлекс мочеиспускания. При объёме 300–400 мл возникает позыв к мочеиспусканию. При этом:

Детрузор (мышца пузыря) сокращается;
Сфинктеры (внутренний и наружный) расслабляются.

Регуляция осуществляется на уровне спинальных центров (S2–S4) и высших корковых структур, обеспечивая произвольность акта мочеиспускания.

Электрофизиология и биоэлектрические свойства

Клетки канальцевой системы и гладкомышечные волокна мочевыводящих путей обладают мембранным потенциалом покоя и способны к генерации медленных волновых колебаний, обусловленных активностью ионных каналов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺). Эти потенциалы регулируют:

Сократительную активность мочеточников;
Регуляцию объёма канальцевых клеток;
Секрецию и реабсорбцию через эпителий.

Электрическая активность детрузора может быть зарегистрирована с помощью уроцистометрии и электромиографии, применяемых в диагностике нейрогенных дисфункций.

Гемодинамика почек: особенности кровоснабжения

Почки получают около 20–25% минутного объёма крови, что соответствует ≈1200 мл/мин. Артериальное кровоснабжение осуществляется через почечную артерию, которая делится на сегментарные, междольковые и дуговые артерии.

Ключевые особенности:

Двойная капиллярная сеть нефрона: капилляры клубочка и перитубулярные капилляры.
Афферентная (приносящая) артериола шире эфферентной (выносящей), что создаёт высокий уровень давления в клубочке.
Автономная регуляция (ауторегуляция) обеспечивает постоянство СКФ при изменениях системного давления в пределах 80–180 мм рт. ст.

Регуляция осуществляется через миогенный механизм (ответ гладких мышц артериол на растяжение) и тубулогломерулярную обратную связь, где плотное пятно (macula densa) анализирует состав мочи и регулирует тонус артериол.

Участие почек в эндокринной регуляции

Почки синтезируют и секретируют ряд биологически активных веществ:

Ренин: запускает ренин-ангиотензин-альдостероновую систему (РААС), регулирующую артериальное давление и объем циркулирующей жидкости.
Эритропоэтин: гормон, стимулирующий эритропоэз в костном мозге.
Кальцитриол (активная форма витамина D₃): регулирует всасывание кальция и фосфатов.

Эти функции делают почки не только органом экскреции, но и важным компонентом нейро-гуморальной регуляции гомеостаза.

Физические методы исследования выделительной функции почек

Современные физические методы позволяют количественно оценить функцию почек:

Клиренс-методика: определение скорости выведения определённого вещества (например, креатинина, инсулина).
Радиоизотопная ренография: позволяет исследовать кровоток, фильтрацию и экскрецию.
Ультразвуковая допплерография: определение скорости и направления кровотока в почечных сосудах.
МРТ и КТ: дают возможность визуализации анатомии и функциональной активности.
Импедансометрия: регистрация изменений электросопротивления тканей при патологиях.

Физика этих методов основана на принципах радиоактивного распада, ультразвукового излучения, электромагнитного резонанса и электрического сопротивления, что делает их эффективными инструментами клинической диагностики.