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生理学第七校对尿的生成和排出第八章 尿的生成和排出 肾是机体主要的排泄器官。通过尿的生成 (urine formation)和排出 (excretion)，肾实现排出机体代谢终产物以及进入机体过剩的物质和异物，调节水和电解质平衡，调节体液渗透压，体液量和电解质浓度，以及调节酸碱平衡等功能。 尿生成包括三个基本过程：血浆在肾小球毛细血管处的滤过，形成超滤液 (ultra-filtrate)；超滤液在流经肾小管和集合管的过程中经过选择性重吸收 (selective reabsorption)；肾小管和集合管的分泌，最后形成尿液。 肾也是一个内分泌器官，可合成和释放肾素，参与动脉血压的调节；可合成和释放促红细胞生成索等，调节骨髓红细胞的生成；肾的1-羟化酶可使25-羟维生素D3转化为1,25-二羟胆骨化醇 (1,25-dihydroxycholecalciferol)，从而调节钙的吸收和血钙水平；肾脏还能生成激肽、前列腺素 (PGE2,PGI2)，参与局部或全身血管活动和机体多种活动的调节。此外，在长期饥饿时肾还是糖异生的场所之一。可见，肾具有多种功能。本章重点讨论尿的生成和排出。 第一节 肾的功能解剖和肾血流量 肾为实质性器官，分为皮质和髓质两部分。皮质位于髓质表层，富有血管，主要由肾小体和肾小管构成。髓质位于皮质深部，血管较少，由1525个肾锥体 (renal pyramid)构成。锥体的底朝向皮质髓质交界，而顶部伸向肾窦，终止于肾乳头 (renal papilla)。在肾单位和集合管生成的尿液，经集合管在肾乳头处开口进入肾小盏 (minor calyx)，再进入肾大盏 (minor calyx)和肾盂 (pelvis)，最后经输尿管进入膀胱。肾盏、肾盂和输尿管壁含有平滑肌，其收缩运动可将尿液驱向膀胱。在排尿时，膀胱内的尿液经尿道排出体外。 一、肾的功能解剖 (一)肾单位的构成 人类每个肾约有100万个肾单位 (nephron)。肾单位是尿生成的基本功能单位，它与集合管共同完成尿的生成过程。肾不能再生新的肾单位。肾单位由肾小体 (renal corpuscle)及与之相连接的肾小管 (renal tubule)构成。肾小体由肾小球 (glomerulus)和肾小囊 (Bowmans capsule)组成 (图8-1)。肾小球是位于入球小动脉 (afferent arteriole)和出球小动脉 (efferent arteriole)之间的一团彼此之间分支又再吻合的毛细血管网。肾小囊有脏层和壁层，脏层和肾小球毛细血管共同构成滤过膜，壁层则延续至肾小管。肾小管包括近端小管 (proximal tubule)、髓袢 (loop of Henle)和远端小管 (distal tubule)。髓袢按其行走方向又分为降支 (descending limb)和升支 (ascending limb)。前者包括近端小管的直段和髓袢降支细段；后者包括髓袢升支细段和升支粗段。远端小管经连接小管 (connecting tubule)与集合管 (collecting duct)相连接。集合管不属于肾单位的组成成分，但功能上与肾小管的远端小管右许名相同之处。集合管与远端小管在尿液浓缩过程中起重要作用。 肾单位按其所在的部位可分为皮质肾单位和近髓肾单位两类。肾小体位于外皮质和中皮质层的肾单位称为皮质肾单位 (cortical nephron)，约占肾单位总数的8090。这类。肾单位的特点为：肾小体相对较小；髓袢较短，只达外髓质层，有的甚至不到髓质；入球小动脉口径比出球小动脉大，二者的比例约为2:1；出球小动脉分支形成小管周围毛细血管网，包绕在肾小管的外面，有利于肾小管的重吸收。近髓肾单位 (juxtamedullary nephron)的肾小体位于靠近髓质的内皮质层，其特点是：肾小球较大；髓袢长，可深入到内髓质层，有的可到达肾乳头部；入球小动脉和出球小动脉口径无明显差异；出球小动脉进一步分支形成两种小血管，一种为网状小血管，缠绕于邻近的近曲和远曲小管周围；另一种是细而长的U形直小血管 (vasa recta)。网状血管有利于肾小管的重吸收，直小血管在维持髓质高渗中起重要作用。在人类，近髓肾单位仅占全部肾单位的10-15。 (二)球旁器 球旁器 (juxtaglomerulal apparatus)由球旁细胞 (juxtaglomerular cell)，球外系膜细胞 (extra-glomerular mesangial cell)和致密斑 (macula densa)三部分组成 (图8-2)，主要分布于皮质肾单位。球旁细胞又称颗粒细胞，是入球小动脉和出球小动脉中一些特殊分化的平滑肌细胞，细胞内含分泌颗粒，能合成、储存和释放肾素。球旁细胞的大小与血流量及血压有关，肾内动脉血压降低或严重高血压，球旁细胞的容积增加。 致密斑是远端小管起始部的一小块高柱状上皮细胞构成的组织。致密斑穿过由同一肾单位入球小动脉和出球小动脉间的夹角并与球旁细胞及球外系膜细胞相接触。它能感受小管液中NaCl含量的变化，并通过某种形式的信息传递，调节球旁细胞对肾素的分泌和肾小球滤过率。 球外系膜细胞是位于入球小动脉、出球小动脉和致密斑之间的一群细胞，细胞聚集成一锥形体，其底面朝向致密斑。该细胞具有吞噬和收缩等功能。 (三)滤过膜的构成 肾小球毛细血管内的血浆经滤过进入肾小囊，其间的结构称为滤过膜 (图8-3)。由毛细血管内皮细胞、基膜和肾小囊脏层足细胞 (podocyte)的足突 (foot process)构成。滤过膜的内层是毛细血管内皮细胞，细胞上有许多直径为7090nm的小孔，称为窗孔 (fenestration)，小分子溶质以及小分子量的蛋白质可自由通过，但血细胞不能通过；内皮细胞表面富含唾液酸蛋白等带负电荷的糖蛋白，可阻碍带负电荷的蛋白质通过。基膜层为非细胞性结构，型胶原是形成基膜的基本构架。膜上有直径为28nm的多角形网孔，网孔的大小决定分子大小不同的溶质是否可以通过，以及带负电荷的硫酸肝素和蛋白聚糖，也是阻碍血浆蛋白滤过的一个重要屏障。滤过膜的外层是肾小囊上皮细胞，上皮细胞有很长突起，相互交错对插，在突起之间形成滤过裂隙膜 (filtration slit membrane)，膜上有直径411nm的小孔，是滤过膜的最后一道屏障。足细胞裂隙膜的主要蛋白成分是nephrin，其作用是防止蛋白质的漏出。缺乏nephrin，尿中将出现蛋白质。 正常人两侧肾脏全部肾小球的总滤过面积达1.5m2左右，且保持相对稳定。不同物质通过滤过膜的能力取决于被滤过物质分子的大小及其所带的电荷。一般来说，分子有效半径小于2.0nm的中性物质可自由滤过 (如葡萄糖)；有效半径大于4.2nm的物质则不能滤过；有效半径在2.04.2nm之间的各种物质随有效半径的增加，其滤过量逐渐降低。用不同有效半径的中性右旋糖酐分子进行实验，也清楚地证明滤过物质分子的大小与滤过的关系。然而，有效半径约为3.6nm的血浆清蛋白 (分子量为96 000)却很难滤过，这是因清蛋白带负电荷。用带不同电荷的右旋糖酐进行实验可观察到，即使有效半径相同，带负电荷的右旋糖酐也较难通过，而带正电荷的右旋糖酐则较易通过 (图8-4)。以上结果表明滤过膜的通透性不仅取决于滤过膜孔的大小，还取决于滤过膜所带的电荷。在病理情况下，滤过膜的面积和通透性均可发生变化，从而影响肾小球的滤过。 (四)肾脏的神经支配和血管分布 肾交感神经节前神经元胞体位于脊髓胸12至腰2节段的中间外侧柱，其纤维进入腹腔神经节和位于主动脉、肾动脉部的神经节。节后纤维与肾动脉伴行，支配肾动脉 (尤其是入球小动脉和出球小动脉的平滑肌)、肾小管和球旁细胞。肾交感神经节后纤维末梢释放的递质是去甲肾上腺素，调节肾血流量、肾小球滤过率、肾小管的重吸收和肾素的释放。有资料表明，肾神经中有一些纤维释放多巴胺，引起肾血管舒张。肾脏各种感受器的感觉信息可经肾传入神经纤维传入至中枢，从而调节肾脏的功能。一般认为肾脏无副交感神经末梢分布。 肾动脉由腹主动脉垂直分出，入肾后依次分支形成叶间动脉、弓状动脉、小叶间动脉、入球小动脉。入球小动脉分支并相互吻合形成肾小球毛细血管网，然后再汇集形成出球小动脉。离开肾小体后，出球小动脉再次分支形成肾小管周围毛细血管网或直小血管，最后汇入静脉。 肾脏血管分布的特点是有两套相互串联的毛细血管网，两者之间由出球小动脉相连。肾小球毛细血管网与出球小动脉连接，毛细血管血压较高，约为主动脉平均压的4060，故有利于肾小球的滤过。由于出球小动脉口径小，阻力大，故肾小管周围毛细血管血压较低，且胶体渗透压高，有利于肾小管的重吸收。 二、肾血流量的特点及其调节 在安静状态下，健康成年人每分钟两肾的血流量约1200ml，相当于心输出量的1/51/4，而肾仅占体重的0.5左右，因此，肾是机体供血量最丰富的器官400ml/ (100g·min)。此外，肾小球毛细血管血压较高，有利于血浆的滤过；肾小管周围毛细血管管内的血浆胶体渗透压较高，有利于肾小管的重吸收；直小血管的双向流动有利于肾髓质高渗透压的维持。肾脏在尿生成过程中需大量能量，约占机体基础氧耗量的10，可见肾血流量 (renal blood flow，RBF)远超过其代谢需要。肾血流量的另一特点是不同部位的供血不均，约94的血流供应肾皮质，约5供应外髓部，剩余不到1供应内髓。 (一)肾血流量的自身调节 肾脏的一个重要特性是，安静情况下，当肾动脉灌注压在一定范围内 (80180mmHg)变动时，肾血流量能保持相对稳定，即使在离体实验中也如此。当肾动脉灌注压在一定范围内降低时，肾血管阻力将相应降低；反之，当肾动脉灌注压升高时，肾血管阻力则相应增加，因而肾血流量能保持相对恒定。在没有外来神经支配的情况下，肾血流量在动脉血压一定的变动范围内能保持恒定的现象，称为肾血流量的自身调节。肾血流量的这种调节不仅使肾血流量保持相对恒定，而且使GFR保持相对恒定。这可防止肾排泄 (如水和钠等)因血压波动而出现大幅度波动。当肾动脉灌注压超出上述范围时，肾血流量将随灌注压的改变而发生相应的变化。肾血流量主要取决于肾血管阻力，包括入球小动脉、出球小动脉和叶间小动脉的阻力，其中最重要的是入球小动脉的阻力。关于肾血流量自身调节的机制有以下两种学说。 1肌源性学说 这一学说认为，当肾血管的灌注压升高时，肾入球小动脉血管平滑肌因压力升高而受到的牵张刺激加大，使平滑肌的紧张性加强，阻力加大。反之，当动脉血压降低时，肾入球小动脉平滑肌受到的牵张刺激降低，血管平滑肌就舒张，阻力降低。当动脉血压低于80mintg时，平滑肌舒张达到极限；当动脉血压高于180mmHg时，平滑肌达收缩极限，故肾血流量随血压改变而变化。用罂粟碱、水合氯醛或氰化钠等药物抑制血管平滑肌活动后，自身调节即减弱或消失，表明自身调节与血管平滑肌的功能有关。 2管-球反馈 管-球反馈是肾血流量自身调节的另一种机制。当肾血流量和肾小球滤过率增加时，到达远曲小管致密斑的小管液流量增加，Na+、K+、Cl-的转运速率也就增加，致密斑将信息反馈至肾小球，使入球小动脉和出球小动脉收缩，肾血流量和肾小球滤过率将恢复正常；反之，当肾血流量和肾小球滤过率减少时，流经致密斑的小管液流量减少，致密斑又将信息反馈至肾小球，使肾血流量和肾小球滤过率增加至正常水平。这种由小管液流量变化而影响肾小球滤过率和肾血流量的现象称为管-球反馈 (tubuloglomerular feedback，TGF)。有关管-球反馈的机制与肾脏局部的肾素-血管紧张素系统有关；肾局部产生的腺苷，一氧化氮 (NO)和前列腺素等也可能参与管-球反馈的调节过程。 (二)肾血流量的神经和体液调节 入球小动脉和出球小动脉血管平滑肌受肾交感神经支配。安静时，肾交感神经使血管平滑肌有一定程度的收缩。肾交感神经兴奋时，末梢释放去甲肾上腺素作用于血管平滑肌受体，可使肾血管强烈收缩，肾血流量减少。体液因素中，如肾上腺髓质释放的去甲肾上腺素和肾上腺素，循环血液中的血管升压素和血管紧张素，以及内皮细胞分泌的内皮素等，均可引起血管收缩，肾血流量减少；肾组织中生成的PGI2、PGE2、NO和缓激肽等，可引起肾血管舒张，肾血流量增加；而腺苷则引起入球小动脉收缩，肾血流量减少。总之，肾血流量的神经和体液调节能使肾血流量与全身血液循环相配合。例如，在血容量减少，强烈的伤害性刺激或情绪激动，剧烈运动时，交感神经活动加强，肾血流量减少；反之。当血容量增加或心肺容量感受器、动脉压力感受器受刺激时，将反射性抑制交感神经的活动，使肾血流量增加。此外，当细胞外液的渗透压升高，下丘脑渗透压感受器受刺激时，可选择性减弱肾交感神经活动，但其他器官的交感神经活动则加强。 第二节 肾小球的滤过功能 当血液流经肾小球毛细血管时，除蛋白质分子外的血浆成分被滤过进入肾小囊腔而形成超滤液，这是尿生成的第一步。用微穿刺的方法获取肾小囊腔内的超滤液，并对超滤液进行分析，结果表明，超滤液中所含的各种晶体物质的成分和浓度与血浆基本相似，由此证明囊内液是血浆的超滤液而非分泌物。 单位时间内 (每分钟)两肾生成的超滤液量称为肾小球滤过率 (glomerular filtration rate，GFR)。菊粉 (inulin)的清除率 (见第六节)可用来代表肾小球滤过率。据测定，正常成年人的肾小球滤过率平均值为125ml/min，故每天两肾的肾小球滤过液总量可达180L。若用微穿刺方法则可测定单个肾单位肾小球滤过率 (single nephron glomerular filtration rate，SNGFR)。肾小球滤过率与肾血浆流量的比值称为滤过分数 (右ltration fraction，FF)。从肾小球滤过率和红细胞比容可计算肾血浆流量 (renal plasma flow，RPF)。若肾血浆流量为660ml/min，肾小球滤过率为125ml/min，则滤过分数约为19。这表明当血液流经肾脏时，约有19的血浆经滤过进入肾小囊腔，形成超滤液。 肾小球滤过率的大小取决于有效滤过压和滤过系数。 三、有效滤过压 肾小球毛细血管上任何一点的滤过动力可用有效滤过压来表示 (图8-5)。有效滤过压是指促进超滤的动力与对抗超滤的阻力之间的差值。超滤的动力包括肾小球毛细血管血压和肾小囊内超滤液胶体渗透压。正常情况下，前者约为45mmHg，后者接近于0mmHg；超滤的阻力包括肾小球毛细血管内的血浆胶体渗透压和肾小囊内的静水压。正常情况下，肾小球毛细血管始端胶体渗透压约为25mmHg，肾小囊内压约为10mmHg，所以 肾小球有效滤过压= (肾小球毛细血管血压+囊内液胶体渗透压) - (血浆胶体渗透压+肾小囊内压) (8-1) 将上述数据代入公式，则肾小球毛细血管始端的 有效滤过压= (45+0)- (25+10)=10 (mmHg) 肾小球毛细血管不同部位的有效滤过压是不相同的，越靠近入球小动脉端，有效滤过压越大。这主要是因为肾小球毛细血管内的血浆胶体渗透压不是固定不变的，当毛细血管血液从入球小动脉端流向出球小动脉端时，由于不断生成超滤液，血浆中蛋白质浓度就会逐渐升高，使滤过的阻力逐渐增大，因而有效滤过压的值就逐渐减小。当滤过阻力等于滤过动力时，有效滤过压降低到零，即达到滤过平衡 (flltration equilibrium)，滤过也就停止 (图8-6)。 二、影响肾小球滤过的因素 血浆在肾小球毛细血管处的超滤过受许多因素影响，如滤过系数，有效滤过压和滤过平衡的血管长度等。 (一)肾小球毛细血管血压 前已述及，正常情况下，当血压在80180mmHg范围内变动时，由于肾血流量的自身调节机制，肾小球毛细血管血压可保持稳定，故肾小球滤过率基本不变。如超出此自身调节范围，肾小球毛细血管血压、有效滤过压和肾小球滤过率就会发生相应的改变。如在血容量减少，剧烈运动，强烈的伤害性刺激或情绪激动等情况下，可使交感神经活动加强，入球小动脉强烈收缩，导致肾血流量、肾小球毛细血管血量和毛细血管血压下降，从而影响肾小球滤过率。 (二)囊内压 正常情况下囊内压一般比较稳定。当肾盂或输尿管结石、肿瘤压迫或任何原因引起输尿管阻塞时，小管液或终尿不能排出，可引起逆行性压力升高，最终导致囊内压升高，从而降低有效滤过压和肾小球滤过率。 (三)血浆胶体渗透压 正常情况下，血浆胶体渗透压不会发生大幅度波动。静脉输入大量生理盐水，或病理情况下肝功能严重受损，血浆蛋白合成减少，或因毛细血管通透性增大，血浆蛋白丧失，都会导致血浆蛋白浓度降低，胶体渗透压下降，使有效滤过压和肾小球滤过率增加。 (四)肾血浆流量 肾血浆流量对肾小球滤过率的影响并非通过改变有效滤过压，而是改变滤过平衡点。当肾血浆流量增大时，肾小球毛细血管中血浆胶体渗透压上升速度减缓，滤过平衡点向出球小动脉端移动，甚至不出现滤过平衡的情况，故肾小球滤过率增加；反之，当肾血浆流量减少时，滤过平衡点则靠近入球小动脉端，故肾小球滤过率减少。当肾交感神经强烈兴奋引起入球小动脉阻力明显增加时，如剧烈运动、失血、缺氧和中毒性休克等情况下，肾血流量和肾血浆流量明显减少，肾小球滤过率也显著降低。 (五)滤过系数 滤过系数 (Kf)是指在单位有效滤过压的驱动下，单位时间内经过滤过膜的滤液量。Kf是k和s的乘积，k是滤过膜的有效通透系数，s为滤过膜的面积。因此，凡能影响滤过膜通透系数和滤过面积的因素都能影响肾小球滤过率。 与肾血流量一样，肾小球滤过率受许多因素的调节，在安静时通过自身调节能维持相对稳定；应急状态下则受到神经和体液因素的调节。其调节机制与肾血流量的调节基本相同。 第三节 肾小管和集合管的物质转运功能 一、肾小管和集合管中物质转运的方式 正常人两肾生成的超滤液每天达180L，而终尿量仅1.5L左右，表明超滤液中的水分约99被肾小管和集合管重吸收，超滤液中的其他物质被选择性重吸收或被肾小管上皮细胞主动分泌。如滤过的葡萄糖和氨基酸可全部被重吸收，而肌酐、H+和K+等则可被分泌到小管液中而排出体外；Na+、Ca2+和尿素等则不同程度地被重吸收。 肾小管和集合管的物质转运功能包括重吸收和分泌。重吸收是指肾小管上皮细胞将物质从肾小管液中转运至血液中；分泌则为肾小管上皮细胞将自身产生的物质或血液中的物质转运至小管液 (tubular fluid)中。 肾小管和集合管的物质转运方式也分为被动转运和主动转运，其详细机制见第二章。 被动转运包括扩散、渗透和易化扩散。此外，当水分子通过渗透被重吸收时有些溶质可随水分子一起被转运，这一转运方式称为溶剂拖曳 (solvent drag)。 主动转运包括原发性主动转运和继发性主动转运。前者包括钠泵、质子泵和钙泵等；继发性主动转运包括：Na+-葡萄糖、Na+-氨基酸同向转运，K+-Na+-2Cl-同向转运；还有Na+-H+和Na+-K+逆向转运等。此外，肾小管上皮细胞还可通过入胞方式重吸收少量小管液中的小分子蛋白质。 各种转运体在肾小管上皮管腔面即细胞顶端膜 (apical membrane)上的分布与在细胞基底侧膜 (basolateral membrane)上的分布是不同的。因此上皮细胞的管腔面和基底侧膜对各种物质的转运情况是不同的。肾小管和集合管中物质转运的途径可分为两种，一种为跨细胞转运途径 (transcellular pathway)重吸收。这一过程包括两个步骤：小管液中的溶质通过管腔膜进入小管上皮细胞内，进入细胞内的物质通过一定的方式跨过基底侧膜进入组织间隙液。另一途径为细胞旁途径 (paracellular pathway)重吸收。例如，小管液中的水分子和Cl-、Na+可直接通过小管上皮细胞问的紧密连接进入细胞间隙而被重吸收，有些物质如K+和Ca2+也可通过这一途径以溶剂拖曳的方式被重吸收。 二、肾小管和集合管中各种物质的重吸收与分泌 由于肾小管和集合管各段的结构和功能 (各种转运体的分布)不同，小管液的成分也不同。故肾小管各段的物质转运方式、转运量和转运机制亦不相同。以下讨论几种重要物质在肾小管和集合管的转运。 (一) Na+、Cl-和水的重吸收 1近端小管 近端小管重吸收超滤液中约70的Na+、Cl-和水；其中约2/3经跨细胞转运途径，主要发生在近端小管的前半段；约1/3经细胞旁途径被重吸收。主要发生在近端小管的后半段 (图8-7)。 在近端小管的前半段，Na+进入上皮细胞的过程与H+的分泌以及与葡萄糖、氨基酸的转运相耦联。由于上皮细胞基底侧膜上钠泵的作用，细胞内Na+浓度较低，小管液中的Na+和细胞内的H+由管腔膜的Na+-H+交换体进行逆向转运，H+被分泌到小管液中，而小管液中的Na+则顺浓度梯度进入上皮细胞内。小管液中的Na+还可由管腔膜上的Na+-葡萄糖同向转运体和Na+-氨基酸同向转运体与葡萄糖、氨基酸共同转运，Na+顺电化学梯度通过管腔膜进入细胞内，同时将葡萄糖和氨基酸转运入细胞内。进入细胞内的Na+经基底侧膜上的钠泵被泵出细胞，进入组织间隙。进入细胞内的葡萄糖和氨基酸则以易化扩散的方式通过基底侧膜离开上皮细胞，进入血液循环。由于Na+、葡萄糖和氨基酸等进入细胞间隙，使细胞间隙中的渗透压升高，通过渗透作用，水便进入细胞间隙。由于上皮细胞间存在紧密连接，故细胞间隙内的静水压升高，可促使Na+和水进入毛细血管而被重吸收。在近端小管前半段，因Na+-H+交换使细胞内的H+进入小管液，HCO3-则被重吸收，而Cl-不被重吸收，其结果是小管液中Cl-的浓度高于管周组织间液中的浓度。 在近端小管后半段，有Na+-H+交换和Cl-HCO3-逆向转运体，其转运结果是Na+和Cl-进入细胞内，H+和HCO3-进入小管液，HCO3-可重新进入细胞 (以COz方式)。进入细胞内的Cl-由基底侧膜上的K+-Cl-同向转运体转运至细胞间隙，再吸收人血。前已述及，由于进入近端小管后半段小管液的Cl-浓度比细胞间隙液中浓度约高2040，Cl-顺浓度梯度经紧密连接进入细胞间隙被重吸收。由于Cl-被动扩散进入间隙后，小管液中正离子相对增多，造成管内外电位差，管腔内带正电荷，驱使小管液内的：Na+顺电位梯度通过细胞旁途径被动重吸收。因此这部分Na+顺电位梯度吸收是被动的，Cl-为顺浓度差被动扩散，Na+为顺电位差扩散，均经过上皮细胞间隙的紧密连接进入细胞间隙液 (图8-7B)。近端小管对水的重吸收是通过渗透作用进行的。因为上皮细胞主动和被动重吸收：Na+、HCO3-、Cl-、葡萄糖和氨基酸进入细胞间隙后，小管液的渗透压降低，细胞间隙液的渗透压升高。水在这一渗透压差的作用下通过跨上皮细胞和紧密连接两条途径进入细胞间隙，然后进入管周毛细血管而被吸收。因此，近端小管中物质的重吸收为等渗性重吸收，小管液为等渗液。 2髓袢 在髓袢，肾小球滤过的NaCl约20被重吸收，水约15被重吸收。髓袢降支细段钠泵活性很低，对Na+也不易通透，但对水通透性较高。在组织液高渗作用下水被重吸收。故小管液在流经髓袢降支细段时，渗透压逐渐升高。髓袢升支细段对水不通透，但对Na+和Cl-易通透，NaCl扩散进入组织间液。故小管液流经髓袢升支细段时，渗透压逐渐下降。升支粗段是NaCl在髓袢重吸收的主要部位，而且是主动重吸收。髓袢升支粗段的顶端膜上有电中性的Na+-K+-2Cl-同向转运体，该转运体可使小管液中1个Na+、1个K+和2个Cl-同向转运进入上皮细胞内 (图8-8)。Na+进入细胞是顺电化学梯度的，进入细胞内的：Na+通过细胞基底侧膜的钠泵泵至组织间液，Cl-由浓度梯度经管周膜上的Cl-通道进入组织间液，而K+则顺浓度梯度经管腔膜返回小管液中，并使小管液呈正电位。用哇巴因抑制钠泵后，Na+和Cl-的重吸收明显减少；呋喃苯胺酸 (呋塞米，furosemide)可抑制Na+-K+-2Cl-同向转运，所以能抑制Na+和Cl-的重吸收。 由于K+返回小管中造成正电位，这一电位差又使小管液中的Na+、K+和Ca2+等正离子经细胞旁途径而重吸收。这一部分重吸收属于被动转运。 髓袢升支粗段对水不通透，故小管液在流经升支粗段时，渗透压逐渐降低，但管外渗透压升高。 3远端小管和集合管 滤过的Na+和Cl-约12在远曲小管和集合管被重吸收，同时有不同量的水被重吸收。远曲小管和集合管对Na+、Cl-和水的重吸收可根据机体的水、盐平衡状况进行调节。Na+的重吸收主要受醛固酮调节，水的重吸收则主要受血管升压素调节。 在远曲小管始段，上皮细胞对水仍不通透，但仍能主动重吸收NaCl，使小管液渗透压继续降低。Na+在远曲小管和集合管的重吸收是逆电化学梯度进行的，属于主动转运。在远曲小管始段的管腔膜，小管液中的Na+和Cl-经Na+-Cl-同向转运体进入细胞内，细胞内的Na+由钠泵泵出。噻嗪类 (thiazide)利尿剂可抑制此处的Na+-Cl-同向转运。 远曲小管后段和集合管的上皮有两类不同的细胞，即主细胞 (principal cell)和闰细胞 (intercalated cell) (图8-9)。主细胞基底侧膜上的Na+泵起维持细胞内低Na+的作用，并成为小管液中Na+经顶端膜Na+通道进入细胞的动力源泉。而Na+的重吸收又造成小管液呈负电位，可驱使小管液中的Cl-经细胞旁途径而被动重吸收，也成为K+从细胞内分泌入小管腔的动力。氨氯吡咪 (阿米洛利，amiloride)可抑制远曲小管和集合管上皮细胞顶端膜的Na+通道，既减少Na+的重吸收，又减少Cl-经细胞旁途径的被动转运。闰细胞的功能与H+的分泌有关 (见H+的分泌节)。远曲小管和集合管上皮细胞的紧密连接对。Na+、K+、Cl-等离子的通透性较低，因此这些离子不易透过该部位返回小管液。 集合管对水的重吸收量取决于集合管主细胞对水的通透性。主细胞管腔膜侧胞质的囊泡内含水孔蛋白 (aquaporin)AQP2，而基底侧膜有AQP3和AQP4分布。插入上皮细胞顶端膜AQP2的多少，决定上皮对水的通透性，而AQP2的插入又受血管升压素控制。 (二)HCO3-的重吸收与H+的分泌 在一般膳食情况下，代谢的酸性产物多于碱性产物。机体产生的挥发性酸 (CO2)主要由呼吸道排出。肾脏通过重吸收HCO3-和分泌H+，以及分泌氨，回收HCO3-，对机体酸碱平衡的维持起重要的调节作用。 1近端小管 正常情况下，从肾小球滤过的HCO3-几乎全部被肾小管和集合管重吸收，高达80的HCO3-是由近端小管重吸收的。血液中的HCO3-是以钠盐NaHCO3的形式存在，当滤过进入肾小囊后，离解为Na+和HCO3-。前已述及，近端小管上皮细胞通过Na+-H+交换使H+进入小管液，进入小管液的H+与HCO3-结合生成H2CO3，很快生成CO2和水，这一反应由上皮细胞顶端膜表面的碳酸酐酶 (carbonic anhydrase，CA)催化，近端小管重吸收HCO3-的机制如图8-10所示。CO2为高度脂溶性，很快以单纯扩散方式进入上皮细胞内，在细胞内，CO2和水又在碳酸酐酶的催化下形成H2CO3，后者很快离解成H+和HCO3-。H+则通过顶端膜上的Na+-H+逆向转运进入小管液，再次与HCO3-结合形成H2CO3。细胞内的大部分HCO3-与其他离子以联合转运方式进入细胞间隙；小部分通过Cl-HCO3-逆向转运方式进入细胞外液。两种转运方式所需的能量均由基底侧膜上的钠泵提供。由此可见，近端小管重吸收HCO3-是以CO2的形式进行的，故HCO3-的重吸收优先于Cl-的重吸收。碳酸酐酶在HCO3-重吸收过程中起重要作用，用碳酸酐酶抑制剂，如乙酰唑胺 (acetazolamide)可抑制H+的分泌。此外，小部分H+可由近端小管顶端膜上的质子泵 (H+-ATP酶)主动分泌人管腔。 2髓袢髓袢 对HCO3-的重吸收主要发生在升支粗段。其机制同近端小管。 3远端小管和集合管 远曲小管和集合管的闰细胞可主动分泌H+。一般认为，远曲小管和集合管的管腔膜上存在两种质子泵，一种是H+-ATP酶，另一种为H+-K+-ATP酶，均可将细胞内的H+泵入小管液中。泵入小管液中的H+可与HCO3-结合，形成H2O和CO2；也可与HPO42-反应生成H2PO4-；还可与NH3反应生成NH4+，从而降低小管液中的H+浓度。肾小管和集合管H+的分泌量与小管液的酸碱度有关。小管液pH降低时，H+的分泌减少。闰细胞的质子泵可逆1000倍左右的H+浓度差而主动转运，当小管液pH降至4.5时，H+的分泌便停止。肾小管和集合管上皮细胞的碳酸酐酶活性受pH的影响，当pH降低时，其活性增加，生成更多的H+，有利于肾脏排H+保碱。 (三)NH3的分泌与H+、HCO3-的转运的关系 近端小管、髓袢升支粗段和远端小管上皮细胞内的谷氨酰胺 (glutarnine)在谷氨酰胺酶 (glutaminase)的作用下脱氨，生成谷氨酸根 (glutamate)和NH4+；谷氨酸根又在谷氨酸脱氢酶 (glutamate dehydrogenase)作用下生成-酮戊二酸 (-ketoglutarate)和NH4+；-酮戊二酸代谢用去2个H+又生成二分子HCO3-。这一反应过程中，谷氨酰胺酶是生成NH3的限速酶。在细胞内，NH4+与NH3+H+两种形式处于一定的平衡状态。NH4+通过上皮细胞顶端膜逆向转运体 (Na+-H+转运体)进入小管液 (由NH4+代替H+)。NH3是脂溶性分子，可通过细胞膜单纯扩散进入小管腔，也可通过基底侧膜进入细胞间隙。HCO3-与Na+一同跨过基底侧膜进入组织间液。因此，1分子谷氨酰胺被代谢时，生成2个NH4+进入小管液，机体获得2个HCO3- (新生成的HCO3-)。这一反应过程主要发生在近端小管。 在集合管，NH3的分泌机制有所不同。集合管细胞膜对NH3能高度通透，而对NH4+的通透性较低，故细胞内生成的NH3通过扩散方式进入小管液，与分泌的H+结合形成NH4+，并随尿排出体外。这一反应过程中，尿中每排出1个NH4+就有1个HCO3-被重吸收回血液。 NH3的分泌与H+的分泌密切相关。如集合管H+的分泌被抑制，尿中NH4+的排出也就减少。生理情况下，肾脏分泌的H+，约50由NH3缓冲。慢性酸中毒时可刺激肾小管和集合管上皮细胞谷氨酰胺的代谢，增加NH4+和NH3的排泄和生成HCO3-。故NH3的分泌也是肾脏调节酸碱平衡的重要机制之一。 (四)K+的重吸收和分泌 肾脏对K+的排出量取决于肾小球滤过量、肾小管对K+的重吸收量和肾小管对K+的分泌量，但决定尿K+排出量最重要的因素是K+在远端小管和集合管的分泌量。 小管液中的K+有6570在近端小管重吸收，2530在髓袢重吸收，这些部位对K+的重吸收比例是比较固定的。远端小管和皮质集合管既能重吸收K+，也能分泌K+，并可接受多种因素的调节，因而其重吸收和分泌的速率是可变的。 远端小管和集合管上皮细胞内的K+浓度较高，管腔顶端膜对K+有通透性，K+可顺电化学梯度通过K+通道进入小管液 (K+的分泌)。基底侧膜上的钠泵可将细胞内的Na+泵出细胞，同时将细胞外液中的K+泵入细胞，这是形成细胞内高K+的基础。由于远端小管和集合管顶端膜有Na+通道，小管液中的Na+可顺电化学梯度扩散进入上皮细胞内，造成小管液呈负电位，也构成了K+扩散的电位梯度。 远端小管后半段和集合管约90的上皮细胞是主细胞。主细胞可分泌K+，而闰细胞则可重吸收K+，但其机制尚不十分清楚。有人认为是位于管腔膜的H+-K+-ATP酶的作用，即每分泌1个H+进入小管液中，可交换1个K+进入上皮细胞内，进入细胞内的K+再扩散进入血液。一般认为，这一交换过程只有当细胞外液中K+浓度较低时才发挥作用，而在正常情况下作用不大。 由于肾对K+的排出量主要取决于远端小管和集合管主细胞K+的分泌量，故凡能影响主细胞基底侧膜上钠泵活性和顶端膜对Na+、K+通透性的因素，均可影响钾的分泌量。 刺激主细胞分泌K+的因素包括细胞外液K+浓度升高、醛固酮分泌增加和小管液流速 (tubular flow rate)增高；而H+浓度升高，细胞外液K+浓度降低，小管液流速降低时，则K+的分泌减少。细胞外液K+浓度升高可通过三方面机制使K+分泌增加：刺激钠泵，加速K+通过基底侧膜进入细胞内的过程，由于细胞内K+浓度升高，有利于K+通过顶端膜分泌入小管液；细胞外液K+的浓度升高，可增高小管顶端膜对K+的通透性，也有利于K+的分泌；细胞外K+浓度升高可刺激肾上腺皮质分泌醛固酮，醛固酮则能促进K+的分泌 (见后文)。给予利尿剂，或当细胞外液量增加时，小管液流速增加，而小管液流速增加可促进K+的分泌。因为肾小管细胞将K+分泌入小管液后，小管液的K+浓度升高，可对抗小管细胞对K+的进一步分泌；而小管液流速增加时，可将分泌的K+加快带走，故小管液中K+的浓度不容易升高，从而有利于K+的分泌。 (五)钙的重吸收和排泄 约50的血浆Ca2+呈游离状态，其余部分与血浆蛋白结合。经肾小球滤过的Ca2+约70在近端小管重吸收，与Na+的重吸收平行；20在髓袢重吸收，9在远端小管和集合管重吸收，少于1的Ca2+外随尿排出。 近端小管对Ca2+的重吸收约80由溶剂拖曳的方式经细胞旁途径进入细胞间隙，约20经跨细胞途径重吸收。上皮细胞内的Ca2+浓度远低于小管液中的Ca2+浓度，且细胞内电位相对小管液为负，此电化学梯度驱使Ca2+从小管液扩散进入上皮细胞内，细胞内的Ca2+则经基底侧膜上的Ca2+-ATP酶和Na+-Ca2+交换机制逆电化学梯度转运出细胞。髓袢降支细段和升支细段对Ca2+均不通透，仅髓袢升支粗段能重吸收Ca2+。升支粗段小管液为正电位，该段膜对Ca2+也有通透性，故可能存在被动重吸收，也存在主动重吸收。在远端小管和集合管，小管液为负电位，故Ca2+的重吸收是跨细胞途径的主动转运。 肾脏对Ca2+的排泄受多种因素影响，最主要的因素是甲状旁腺激素 (parathyroid hormone，PTH)。细胞外液Ca2+浓度升高一方面增加肾小球的滤过，使Ca2+排泄增加，同时又抑制PTH的分泌，使Ca2+重吸收减少。血浆磷浓度升高可刺激PTH分泌，使肾小管对Ca2+的重吸收增加，减少Ca2+的排泄。细胞外液量增加或动脉血压升高可降低近端小管对Na+和水的重吸收，也能减少Ca2+的重吸收，这是因为80的Ca2+是由溶剂拖曳而重吸收的。此外，血浆pH的改变能影响远端小管对Ca2+的重吸收，代谢性酸中毒时Ca2+的重吸收增加，而代谢性碱中毒时Ca2+的重吸收减少。 (六)葡萄糖和氨基酸的重吸收 肾小囊超