腎小管生理學
腎小管是一種極性細胞,有管腔膜和底側膜。大部分的溶質和離子在近端腎小管(PT:S1、S2、S3)被吸收,唯一的例外是鎂大部分在亨利氏環粗上行支(TAL)被吸收。
腎小管負責吸收和分泌,其方法是旁細胞運輸(被動運輸,不需要能量)和穿細胞運輸。後者有主動運輸、被動運輸、續發性主動運輸三種。所有腎小管的底側膜都有鈉-鉀幫浦(Na-K-ATPase),這是主動運輸和續發性主動運輸的能量來源。
腎臟的重量只佔體重的 0.5%,腎血流量卻佔心輸出量的 23%,而氧氣消耗量佔全身量的 7%(主要用於主動運輸)。主動運輸的例子是 H-ATPase、H-K-ATPase。續發性主動運輸的例子是鈉-氫離子逆運器(NHE),它們藉由 Na-K-ATPase 產生的低細胞內鈉濃度來分泌氫,雖然管腔的氫濃度小於腎小管細胞內的濃度(亦即不能靠濃度差來擴散)。被動運輸有二種,一種純粹靠擴散作用(藉由細胞膜內外的濃度差/電位差),一種要靠運送器來促進擴散。
每一段腎小管的管腔膜上都有運送器:PT 有 NHE 吸收鈉、分泌氫、分泌銨 NH4⁺(可被 amiloride 抑制);鈉-葡萄糖共運器(SGLT)吸收鈉和葡萄糖(可被 empagliflozin 抑制);氯-陰離子交換器吸收氯;鉀離子通道 ROMK 分泌鉀;鈉-磷轉運子(NPT)吸收鈉、磷和分泌尿酸鹽(可被副甲狀腺素 PTH、FGF23/klotho 抑制);瞬態感受器電位離子通道 TRPC 吸收鈣;尿酸鹽陰離子轉運子(URAT)吸收尿酸鹽;水通道(AQP1)吸收水;胺基酸轉運子吸收胺基酸;megalin/cubilin 吸收白蛋白;多藥與毒素排出蛋白質(MATE)分泌肌酸酐(可被 cimetidine 抑制,因此 cimetidine 會增加血清肌酸酐值)。
PT 管腔膜上的碳酸酐酶(CA,可被 acetazolamide 抑制)把 PT 分泌的氫和腎絲球超過濾的重碳酸立刻催化成二氧化碳和水,二氧化碳再被 PT 吸收,並被細胞質的 CA 轉變成重碳酸而被吸收到腎小管週邊微血管,亦即分泌一分子氫等於吸收一分子重碳酸。
亨利氏環下行支有尿素轉運子(UT)分泌尿素;AQP1 吸收水。亨利氏環細上行支有 UT 分泌尿素。TAL 有 Na-K-2Cl 共運器(NKCC2)吸收鈉、鉀、氯(可被 furosemide 抑制);NHE 吸收鈉、分泌氫 ;ROMK 分泌鉀。
遠端腎小管(DCT)有 ROMK 分泌鉀;電壓門控鉀離子通道 Kv1.1 也分泌鉀;瞬態感受器電位離子通道 TRPV 吸收鈣(可被 PTH 刺激);TRPM 吸收鎂;NHE. 吸收鈉、分泌氫。DCT 的前半段(DCT1)有 Na-Cl 共運器(NCC)吸收鈉、氯(可被 thiazide 抑制)。
DCT 的後半段(DCT2)、聯接小管(CNT)和集尿小管(CD:皮質 CCD、外髓質 OMCD、內髓質 IMCD)合稱「醛固酮敏感性遠端腎元(ASDN)」。其上的主細胞有 ENaC 吸收鈉(可被醛固酮刺激,被 ANP、amiloride 抑制); ROMK (可被醛固酮刺激)分泌鉀;大鉀通道(BK)分泌鉀;鉀-氯共運器(KCC)分泌鉀、氯。
CNT 和 CD 的主細胞有 AQP2 吸收水(有抗利尿激素 ADH 時);潤細胞有氫幫浦(H-ATPase)分泌氫(可被醛固酮刺激);氨轉運子 RHCG 分泌氨,氫-鉀幫浦(H-K-ATPase)分泌氫和吸收鉀(低血鉀時);pendrin(被代謝性鹼中毒和第二型血管張力素刺激)吸收氯/分泌重碳酸;IMCD 的主細胞有 UT(受 ADH 刺激)吸收尿素。CD 經由旁細胞運輸吸收氯。
某些段落的管腔膜有帶電:PT 的 S1 帶負電(因為吸鈉),S3 及 TAL 都帶正電(因為 ROMK 分泌鉀);CCD 帶負電(因為吸鈉),能經由電位差促進鉀的分泌。
PT 的 S3 經由旁細胞運輸吸收 65% 的鉀、鈣,也吸收ㄧ部分的鈉、氯、鎂和水(這些吸收都與 PT 的主動吸收鈉有關)。TAL 經由旁細胞運輸吸收ㄧ部分的鈉、鈣、鎂(因為管腔膜帶正電)。TAL 分泌的尿調理素(UMOD,功能未知)是尿液圓柱體中基質的主要成分。
PT 被動吸收 50% 的尿素,亨利氏環下行支與細上行支經由 UT 分泌 50%(來自 IMCD 吸收的尿素),管腔剩 100%。TAL、DT、皮質 CD 被動吸收 30%,管腔剩 70%。IMCD 經由 UT 吸收 20%(尿素再循環),管腔剩 50%,亦即尿液排泄 50%。
腎小管細胞內的 pH 是 7.0–7.4,PT 的 pH 是 6.8,CD 的 pH 是 4.5,亦即 PT 只要對抗 2–4 倍的濃度差,而 CD 卻要對抗幾乎 1000 倍的濃度差來分泌氫。
PT 由 glutamine 製造大部分的 NH4⁺ 並分泌。這是三種尿液緩衝劑之中最重要的,其餘二種是磷酸(稱為「可滴定酸」)和重碳酸。其中只有 NH4⁺ 和磷酸能產生新的重碳酸來補充身體中被代謝酸用掉的重碳酸,至於吸收腎絲球超過濾的重碳酸只是回收而已。在代謝性酸中毒時,NH4⁺ 和磷酸(UpH 下降會抑制 PT 的 NaPi2)的排泄都會增加,尤其是 NH4⁺ 特別明顯。NH4⁺ 大部分被 TAL 的 NKCC2 吸收,解離成氫與氨(NH3),NH3 經由 RHCG 分泌到 CD,形成一個銨再循環。
PT 等張吸收 65% 的腎絲球超過濾液。亨利氏環下行支吸水不吸鈉(管腔愈來愈濃縮),亨利氏環細上行支吸鈉,TAL 吸鈉不吸水(管腔愈來愈稀釋)。(除了最末端以外)DT 吸鈉不吸水(管腔愈來愈稀釋)。
如果有 ADH,CD 就經由打開的 AQP 吸水(因為髓質是高張的),管腔愈來愈濃縮,排泄濃縮的尿液;如果沒有 ADH,集尿小管就不吸水,管腔維持稀釋,排泄稀釋的尿液。(亨利氏環和 TAL 的 NKCC2 經由「對流作用」造成腎髓質的 NaCl 增加,尿素再循環造成髓質的尿素增加,NaCl 和尿素共同造成髓質的高張。)
大部分的低血鈉都是因為尿液無法稀釋(Uosm > 100 mOsm/kg)造成的,少數的例外是低溶質攝取(例如:茶-吐司、純喝啤酒、低鹽/低蛋白飲食)、SIADH 中罕見的 reset osmostat 等。尿液無法濃縮理論上可能會造成高血鈉,但是高血鈉很少見,因為血漿滲透壓上升會刺激下視丘的口渴中樞而喝水,也會刺激 ADH 而濃縮尿液。