Выведение ионов водорода, сопряженное с реабсорбцией или образованием бикарбонатов

В основе этого процесса лежит активируемая карбоангидразой (КА) реакция в эпителии почечных канальцев.

Чем ниже рН, тем активность карбоангидразы выше, и наоборот.

Существуют два механизма регуляции бикарбоната внеклеточной жидкости, реализующиеся в проксимальных отделах почечных канальцев:

А) Механизм реабсорбции бикарбоната.

Рис. 7. Секреция ионов водорода и реабсорбция бикарбоната в клубочках почки.

 

В процессе фильтрации бикарбонатные ионы поступают в просвет почечных канальцев. Почки должны предотвратить потерю бикарбонатов, но мембрана клеток эпителия почечных канальцев непроницаема для НСО₃ˉ ионов. В просвете канальцев из бикарбонатного иона и ионов водорода под действием КА образуется Н₂СО₃, которая распадается до Н₂О и СО₂ (рис. 7).

Молекула СО₂, обладая высокой диффузионной способностью, легко проникает в клетку эпителия почечного канальца. Повышение рСО₂ в ультрафильтрате стимулирует диффузию газа в клетки эпителия почечных канальцев, снижение рСО₂ – угнетает. Поступивший в клетку СО₂ соединяется с водой в реакции, катализируемой карбоангидразой с образованием НСО₃ˉ-ионов и ионов Н⁺. НСО₃ˉ-анионы затем реабсорбируются в кровь вместе с катионами Na⁺, диффундируя в интерстиций, а далее в плазму. Вновь образованные ионы водорода секретируется в тубулярную жидкость, чтобы начать другой цикл.

Обычно только некоторое количество секретируемых ионов Н⁺ остается в тубулярной жидкости, поскольку секреция ионов водорода приблизительно эквивалентна числу НСО₃ˉ ионов, которые фильтруются в клубочках.

В норме весь профильтровавшийся бикарбонат реабсорбируется, если его уровень в плазме не превышает 26 ммоль/л.

Б) Механизм образования бикарбоната.

Рис. 8. Образование бикарбоната в клетках эпителия почечных канальцев. (B – основание, не являющееся бикарбонатом).

 

В клетках эпителия почечных канальцев в результате аэробных метаболических процессов непрерывно образуется углекислый газ, который частично диффундирует в кровь, а частично вступает в реакцию с водой с участием КА, что завершается образованием угольной кислоты, диссоциирующей до иона Н⁺, поступающего в ультрафильтрат, и бикарбоната, диффундирующего из клеток во внеклеточную жидкость и кровь (рис. 8).

 

Ацидогенез

рН мочи поддерживается в пределах от 4,5 до 7,0. Эти значения определяются количеством незабуферированных ионов Н⁺, которые могут быть выведены почками. Когда число свободных ионов Н⁺, секретированных в канальцевую жидкость, угрожает крайне резкому сдвигу рН в кислую сторону, эти избыточные ионы водорода должны быть преобразованы в другую форму. Это достигается связываем ионов Н⁺ с внутриканальцевыми буферами перед тем, как они выводятся с мочой. В канальцах существуют две значимые буферные системы: фосфатная и аммонийная.

 

Рис. 9. Фосфатная буферная система почек (ацидогенез)

 

В почках происходит обмен ионов водорода на ионы натрия с участием двуосновного фосфата. Выделяющиеся в просвет канальца водородные ионы связываются анионом НРО₄²ˉ с образованием одноосновного натрия фосфата (NаН₂РО₄). Одновременно эквивалентное количество ионов натрия поступает в эпителиальную клетку канальца и связывается с ионом НСО₃ˉ с образованием NаНСО₃. Последний реабсорбируется и поступает в общий кровоток (рис. 9).

Фосфатный буфер является основным буфером мочи. В гломерулярном фильтрате 80% фосфатов присутствует в виде двухвалентного аниона (НРО₄ˉ), который при взаимодействии с секретируемым ионом Н⁺ превращается в одновалентный фосфат Н₂РО₄ˉ:

 

Аммониогенез

При истощении фосфатного буфера (обычно при рН мочи ниже 4,5) выделение протонов и реабсорбци ионав натрия и бикарбоната осуществляется за счет аммониогенеза. Экскреция ионов Н⁺ и образование НСО₃ˉ аммонийной буферной системой осуществляется в три этапа: образование аммонийного иона (NH₄⁺) при дезаминировании аминокислот, в основном глутамина, в проксимальных канальцах, в толстой восходящей петле Генле и в дистальных канальцах;

Реакцию катализируют глутаминаза и глутаматдегидрогеназа (рис. 10).

Фермент глутаминаза, катализирующая эту реакцию, активируется при хроническом ацидозе, что сопровождается увеличением экскреции ионов водорода в виде ионов аммония

Метаболизм глутамата в проксимальных канальцах приводит к образованию двух ионов NH₄⁺ и двух ионов НСО₃ˉ. Два NH₄⁺ иона секретируются в тубулярную жидкость в обмен на ион Na⁺ (рис. 10). Два НСО₃ˉ иона перемещаются из канальцев наряду с реабсорбируемым ионом Na⁺, входя в перитубулярные капилляры. Таким образом, из каждой молекулы метаболизируемого глутамата в проксимальных канальцах два иона NH₄⁺ секретируются в канальцевый фильтрат, а два иона НСО₃ˉ реабсорбируются в кровь. Появляющиеся в результате этого процесса НСО₃ˉ – вновь образованные ионы бикарбоната. Вторичный буферный механизм включает повторное использование NH₄⁺ клетками канальцевого эпителия в мозговом слое почек. Здесь NH₄⁺ превращается в NH₃ и секретируется в просвет канальцев. В собирательных канальцах ионы Н⁺, которые секретировались в просвет канальца, соединяются с NH₃, образуя ионы NH₄⁺. Однако, эта часть канальцев относительно непроницаема для ионов NH₄⁺; вследствие чего однократно прореагировавший с NH₃ ион Н⁺ будет выведен с мочой в составе иона NH₄⁺, который называют «ловушкой» для иона водорода. NH₃ может свободно диффундировать через клеточные мембраны, тогда как ион аммония такой способностью не обладает. В просвете почечного канальца формируется аммонийная буферная система:

 

Рис. 10. Схема аммониогенеза.

 

В процессе преобразования в NH₃ ион Н⁺ из повторно используемого NH₄⁺ способствует реабсорбции НСО₃ˉ путем связывания с НСО₃ˉ, доставленного из проксимальных канальцев. Таким образом, дополнительные новые ионы НСО₃ˉ образуются и добавляются в кровь для каждого иона NH₄⁺, который используется повторно.

При нормальных условиях количество ионов Н⁺, элиминируемое аммонийной буферной системой, составляет около 50% экскретируемой кислоты и вновь образованных НСО₃ˉ.

Таким образом, в канальцевой жидкости большая часть ионов водорода, поступающая из эпителия канальцев, связывается с ионами НСО₃ˉ, НРО₄ˉ и NH₃ и выводится с мочой. Одновременно происходит поступление эквивалентного количества ионов натрия в клетки канальцев с образованием бикарбоната натрия, который реабсорбируется в канальцах и восполняет щелочной компонент бикарбонатного буфера.

Определение выведенного с мочой аммония и одноосновных фосфатов (титруемая кислотность – ТК) наряду с определением рН составляет основу для оценки функции дистальной части нефрона.