該圖演示了正常腎生理機制之運作。它還包括一些插圖表示在某些類型利尿劑 下運作的情況,及它們做了些什麼。
腎尿的生成及調節示意圖(分為五個大階段(由左至右):1.腎小體 (藍色),2.近曲小管 (棕色),3.亨利氏環 (深淺兩小段綠色),4.遠曲小管 (紫色),5.腎小球收集管系統 (深紫色))
腎生理學 (renal physiology [ 註 1] )為腎 的生理学 研究,即研究腎臟的所有功能的學科。
腎功能 (renal function)包括葡萄糖 、氨基酸 ,及其它小分子的再吸收 ;鈉 、鉀 及其它电解质 的調節;體液平衡 及血壓 調節;酸鹼穩態 的維持;各種激素 的生成、包括红细胞生成素 ,及维生素D 的活化。
腎生理概要
腎生理機制術語 A WET BED
〈A WET BED〉這些助憶符號輔助了解腎臟功能的機制;符號的各個字母解釋如下:
A – 維持酸鹼(ACID-base)平衡。W – 維持水(WATER)的平衡。E – 電解液(ELECTROLYTE)平衡。T – 毒素(TOXIN)去除。B – 血(BLOOD)壓控制。E – 製造紅細胞生成素(ERYTHROPOIETIN)。D – 維生素(D)代謝。
腎生理運作
許多腎生理學在研究腎單位 、即腎臟的最小功能單元之水平。每個腎單位具有一組過濾元件開始於過濾血液進入腎。然後該濾液沿著腎單位長度而進行,而腎單位長度是由專門的细胞 單層襯裡及毛細管圍繞所成的管狀結構。這些襯細胞的主要功能是將由濾液進入血液的水及小分子,並及從血液進入尿液的廢物分泌進而再吸收。
腎的正常功能要求接受血液以及充分過濾血液。這在微觀上是由數十萬個稱為腎小體 的過濾單元所運作,每個過濾單元(腎小體)由腎小球 和鮑氏囊 所組成。腎功能 之全面評估通常通過估算過濾速率來確定,稱之為腎小球濾過率 (GFR)。
腎的功能
腎臟的功能可以分為三組:〈激素分泌〉、〈糖質新生作用〉(糖异生 ),以及pH 與血液成分的〈细胞外穩恆性〉。腎單位 是腎臟的功能單位。
激素分泌
糖質新生作用
人類腎臟能夠從乳酸 ,甘油 和谷氨酰胺 產生葡萄糖 。腎臟在人體空腹時擔負大約全部糖异生 作用的一半功能。通過胰岛素 、儿茶酚胺 及其它激素的作用來實現腎臟中葡萄糖製造的調節。[ 1] 腎臟的糖异生 產生在肾皮质 中。由於缺乏必需的酶 ,腎髓質 不能製造葡萄糖。[ 2]
細胞外穩恆性
腎臟是負責維持下列物質的平衡:
身體對其pH值 非常敏感。如果身體所需要的pH值在維生範圍以外,蛋白質會變性且消化掉,酶也會失去其功能,如此身體就不能維持自身之運作。腎臟通過調節血浆 的pH值來維持酸鹼穩態 。因此酸及鹼的損失必須平衡。酸也分為"揮發性酸"[ 13] 及"非揮發性酸"。[ 14] 另見可滴定酸 。
維持這種穩定平衡的主要稳态 控制點即是腎排泄。腎臟通過醛固酮 ,抗利尿激素 (ADH或加壓素),心房利鈉肽 (ANP)及其他激素等之作用的引導進而排泄或保留鈉。部分鈉排泄率 異常範圍的顯現可能意味著急性腎小管壞死 ,或腎小球 功能障礙。
腎生理機制
圖中顯示腎臟的基本生理機制。 1: 過濾,2: 再吸收,3: 分泌,4: 尿排泄。 〈尿排泄率(4))〉=〈過濾速度(1)−再吸收率(2)+分泌率(3)〉
腎臟執行其許多功能的能力取決於過濾 、再吸收 ,以及分泌 的三種基本功能,其總和功能稱之為腎清除率 或腎排泄率。亦即:
〈(尿排泄率)4)〉=〈過濾速度(1)−重吸收率(2)+分泌率(3)〉[ 15]
儘管在泌尿系統 中的排泄 一詞之嚴格的詞義 本身就是排尿 ,但是腎清除率 也通常被稱為腎排泄(比如,在固定的術語中之部分鈉排泄率 )。
過濾
血液 通過腎臟的基本的功能單元腎元 進行過濾。每個腎單位從一個腎小體 開始,由一個封閉在鮑氏囊 內的腎小球 所組成。通過腎超濾 過程將細胞,蛋白質和其他大分子從腎小球中過濾出來,留下類似血漿的超濾液(除了超濾液具有可忽略不計的血浆蛋白 )以進入鮑氏囊 腔。過濾是由斯塔林力量 所驅動的。
超濾液依次通過近曲小管 、亨利氏環 、遠曲小管 ,以及一系列收集管系統 進而形成尿液 。
再吸收
腎小管再吸收 是將溶質及水從腎小管液 中去除並再吸收之腎小管液體流物質輸送到血液的過程。這過程被稱為再吸收 (而不是吸收 ),一來因為這些物質已經被吸收了一次(特別是在胃腸道 中);再則因為身體從正將成為尿液的"後腎小球 液體流"回收(也就是說,除非液體流物質被回收,否則很快就會流失到尿液中)。
再吸收是一個二步驟的過程。開始於從主動運輸 或被动运输 所提取的物質從小管流體進入腎間質 ( renal interstitium)(即圍繞腎單位的結締組織 ),然後將這些物質從間質輸送到血液中。這些再吸收的輸送過程是由斯塔林施力 ,扩散作用 ,以及主動運輸 所驅動。
間接再吸收
在某些情況下,再吸收是間接性的。比如:碳酸氫鹽 (HCO3 − )不具有轉運蛋白,因此其再吸收涉及在小管腔和管狀上皮中的一系列反應。它開始於通過鈉氫反轉運輸器 將氫離子(H+ )活性分泌物輸入到小管液中:
在管腔中
H+ 與HCO3 − 結合形成碳酸(H2 CO3 ) 。
腔內碳酸酐酶 將H2 CO3 酶促轉化為H2 O及CO2 。
CO2 自由擴散到細胞中 。
在上皮細胞中
"細胞質碳酸酐酶"(cytoplasmic carbonic anhydrase)將CO2 和H2 O(這些元素在細胞中存量豐富)轉化為H2 CO3 。
H2 CO3 很容易分解成H+ and HCO3 − 。
HCO3 − 從細胞基底膜 促進擴散 。
激素
再吸收的一些關鍵調節激素包括:
醛固酮 (Aldosterone),刺激活性鈉的再吸收(且水亦是如此)。
抗利尿激素 (vasopressin),刺激非活性水(passive water)的再吸收。
兩種激素主要在收集管系統 (collecting duct system)裡發揮其作用。
分泌
管狀分泌是將材料從腎小管周邊微血管 轉移到腎小管腔。管狀分泌主要由主動運輸 所引起。
本然地新陳代謝只有少數物質被分泌出來。這些物質以大量過量地出現,或為天然毒物。但是,許多藥物通過腎小管來分泌清除 (Table of medication secernated in kidney)。
腎功能的測量
一個簡單估計腎功能是方法是測量pH值 、尿素氮 、肌酸酐 ,以及鹼性电解质 (包括鈉 、鉀 、氯化物 ,以及碳酸氢盐 )等參數值。由於腎臟是控制這些參數值的最重要的器官,這些參數值的任何紊亂現象都可能表明腎功能受到損害。
參與評估腎功能的幾個正式測試法與比例值:
測量單位
計算表示式
細節說明
腎血漿流量
R
P
F
=
effective RPF
extraction ratio
{\displaystyle RPF={\frac {\text{effective RPF}}{\text{extraction ratio}}}}
[ 16]
每單位時間輸給腎臟的血浆 容量積。PAH清除率 是用於提供腎臟分析法的估計。大約是 625 ml/min.
腎血流量
R
B
F
=
R
P
F
1
− − -->
H
C
T
{\displaystyle RBF={\frac {RPF}{1-HCT}}}
(HCT 表血细胞压积 )
每單位時間輸給腎臟的血液 量。在人類中,在70公斤的成年男性中,腎臟一起獲得約20%的心輸出量,達到 1L/min。
腎小球濾過率
G
F
R
=
U
[
肌 酐 酸
]
× × -->
V
˙ ˙ -->
P
[
肌 酐 酸
]
{\displaystyle GFR={\frac {U_{[{\text{肌 酐 酸 }}]}\times {\dot {V}}}{P_{[{\text{肌 酐 酸 }}]}}}}
(使用肌酐清除率 估計)
每單位時間從腎 的腎小球 毛細血管過濾到鮑氏囊 的流量體積。估計使用菊粉 。通常進行肌酐酸清除 試驗,但也可以使用其他標記物,例如植物性多醣菊粉或放射性標記EDTA。
濾過分數
F
F
=
G
F
R
R
P
F
{\displaystyle FF={\frac {GFR}{RPF}}}
[ 17]
測量過濾的腎血漿部分。
陰離子間隙
AG = [Na+ ] − ([Cl− ] + [HCO3 − ])
陽離子 減陰離子 。排除 K+ (經常),Ca2+ ,H2 PO4 − 。艾滋病代謝性酸中毒 的鑑別診斷
清除 (水之外)
C
=
U
× × -->
V
˙ ˙ -->
P
{\displaystyle C={\frac {U\times {\dot {V}}}{P}}}
而 U = 濃度,V = 尿量 / 單位時間,U*V = 尿排泄,以及 P = 血漿濃度 [ 18]
移除率
自由水清除率
C
=
V
˙ ˙ -->
− − -->
C
o
s
m
{\displaystyle C={\dot {V}}-C_{osm}}
or
V
˙ ˙ -->
− − -->
U
o
s
m
P
o
s
m
V
˙ ˙ -->
{\displaystyle {\dot {V}}-{\frac {U_{osm}}{P_{osm}}}{\dot {V}}}
=
C
H
2
O
{\displaystyle =C_{H_{2}O}}
[ 19]
血浆 容積即是每單位時"無溶液 "水 之清除率 (藥理學) 。
淨酸排泄
N
E
A
=
V
˙ ˙ -->
(
U
N
H
4
+
U
T
A
− − -->
U
H
C
O
3
)
{\displaystyle NEA={\dot {V}}(U_{NH_{4}}+U_{TA}-U_{HCO_{3}})}
單位時間尿 中排泄出的淨酸量
註釋
参考文献
^ J. E. Gerich. Role of the kidney in normal glucose homeostasis and in the hyperglycaemia of diabetes mellitus: therapeutic implications . Diabetic Medicine. 2010-02-01, 27 (2): 136–142 [2018-04-02 ] . ISSN 1464-5491 . doi:10.1111/j.1464-5491.2009.02894.x (英语) .
^ J. E. Gerich, C. Meyer, H. J. Woerle, M. Stumvoll. Renal gluconeogenesis: its importance in human glucose homeostasis . Diabetes Care. 2001-2, 24 (2): 382–391 [2019-02-12 ] . ISSN 0149-5992 . PMID 11213896 . (原始内容存档 于2016-06-05).
^ Sect. 7, Ch. 6: Characteristics of Proximal Glucose Reabsorption . lib.mcg.edu
^ 4.0 4.1 Sect. 7, Ch. 5: Cotransport (Symport) . lib.mcg.edu
^ Sect. 7, Ch. 6: Proximal Reabsorption of Amino Acids: Site of Reabsorption . lib.mcg.edu
^ Sect. 7, Ch. 6: Proximal Reabsorption of Urea . lib.mcg.edu
^ V. Excretion of Organic Molecules . lib.mcg.edu
^ 8.0 8.1 VI. Mechanisms of Salt & Water Reabsorption 互联网档案馆 的存檔 ,存档日期2007-02-10.
^ Sect. 7, Ch. 6: Proximal Reabsorption of Bicarbonate . lib.mcg.edu
^ Sect. 7, Ch. 12: Proximal Tubular Reabsorption of Bicarbonate . lib.mcg.edu
^ Sect. 7, Ch. 12: Bicarbonate Reabsorption, Thick Limb of Henle’s Loop . lib.mcg.edu
^ Walter F., PhD. Boron. Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approaoch . Elsevier/Saunders. 2005. ISBN 1-4160-2328-3 . Page 799
^ Sect. 7, Ch. 12: Physiological Definition of Acids: Volatile Acid . lib.mcg.edu
^ Sect. 7, Ch. 12: Nonvolatile Acids . lib.mcg.edu
^ p 314, Guyton and Hall, Medical Physiology , 11th edition
^ Sect. 7, Ch. 4: Measurement of Renal Plasma Flow; Renal Clearance of PAH . lib.mcg.edu
^ Sect. 7, Ch. 4: Filtration Fraction . lib.mcg.edu
^ IV. Measurement of Renal Function . kumc.edu
^ Sect. 7, Ch. 8: Free water clearance (CH2O) . lib.mcg.edu
延伸阅读
Gerich, J. E. (2010). "Role of the kidney in normal glucose homeostasis and in the hyperglycaemia of diabetes mellitus: Therapeutic implications". Diabetic Medicine 27 (2): 136–142. doi:10.1111/j.1464-5491.2009.02894.x. PMID 20546255
參閱
咖啡醇 (Cafestol)
咖啡豆醇 (Kahweol)
血液濾過 (Hemofiltration/連續性腎替代治療/Continuous renal replacement therapy/CRRT)
腎替代治療 (Renal replacement therapy)
腎小球收集管系統 (Collecting duct system)
美國腎臟學會期刊
內科學年鑑 (Annals of Internal Medicine)
腎超濾 (Ultrafiltration (renal))
外部連結