Podstawową drogą, którą ciało eliminuje substancje są nerki. Główną funkcją nerek jest wydalanie odpadów ustrojowych i szkodliwych substancji chemicznych do moczu. Jednostką funkcjonalną nerki odpowiedzialną za wydalanie jest nefron. Każda nerka zawiera około miliona nefronów. Nefron ma trzy podstawowe regiony, które funkcjonują w procesie wydalania nerkowego: kłębuszek nerkowy, kanalik proksymalny i kanalik dystalny (ryc. 2).
Figura 1. Elementy układu moczowego
(Źródło obrazu: Adapted from iStock Photos, ©)
W wydalaniu moczu biorą udział trzy procesy:
- Filtracja
- Sekrecja
- Reabsorpcja
- Kłębuszek nerkowy
- Efferent arteriole
- Kapsułka Bowmana
- Kanaliki proksymalne
- Korytkowy przewód zbiorczy
- Kanaliki dystalne
- Pętla Henlego
- Kanaliki włosowate
- Kanaliki okołopęcherzykowe
- Żyła główna
- Tętnica główna
- Tętniczka bolesna
- Przedsionek kłębuszka
.
Rycina 2. Nefron nerki
(Źródło obrazu: Adaptowane z Wikimedia Commons, uzyskane przez Public Domain, Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication. View original image.)
Filtracja
Filtracja odbywa się w kłębuszku nerkowym, który jest naczyniowym początkiem nefronu. Około jednej czwartej przepływu krwi z rzutu serca krąży przez nerki, co stanowi największą szybkość przepływu krwi dla każdego narządu. Znaczna część osocza krwi przesącza się przez kłębuszek do kanalika nefronu. Wynika to z dużej ilości krwi przepływającej przez kłębuszek, dużych porów (40 Angstremów) w kapilarach kłębuszka oraz ciśnienia hydrostatycznego krwi. Małe cząsteczki, w tym woda, łatwo przechodzą przez sitowaty filtr do kanalika nefronu. Zarówno substancje rozpuszczalne w lipidach, jak i polarne przechodzą przez kłębuszek do przesączu kanalikowego. Ilość filtratu jest bardzo duża, około 45 galonów na dobę u dorosłego człowieka. Około 99% przesączu wodopodobnego, małych cząsteczek i substancji rozpuszczalnych w lipidach jest ponownie wchłaniane w kanalikach nefronu. Oznacza to, że ilość eliminowanego moczu stanowi tylko około jeden procent ilości płynu przefiltrowanego przez kłębuszki nerkowe do kanalików nerkowych.
Molekuły o masie cząsteczkowej większej niż 60 000 (do których należą duże cząsteczki białka i komórki krwi) nie mogą przejść przez pory kapilar i pozostają we krwi. Jeśli mocz zawiera albuminy lub krwinki, wskazuje to na uszkodzenie kłębuszków nerkowych. Wiązanie się z białkami osocza wpływa na wydalanie moczu. Substancje polarne zwykle nie wiążą się z białkami osocza i dlatego mogą być odfiltrowane z krwi do przesączu kanalikowego. Natomiast substancje silnie związane z białkami osocza pozostają we krwi.
Sekrecja
Sekrecja, która zachodzi w proksymalnym odcinku kanalika nefronu, jest odpowiedzialna za transport niektórych cząsteczek z krwi do moczu. Do substancji wydzielanych należą jony potasu, jony wodorowe oraz niektóre ksenobiotyki. Wydzielanie zachodzi dzięki aktywnym mechanizmom transportowym, które są w stanie rozróżniać związki na podstawie ich polarności. Istnieją dwa systemy, jeden, który transportuje słabe kwasy (takie jak wiele leków sprzężonych i penicylin) i drugi, który transportuje substancje zasadowe (takie jak histamina i cholina).
Reabsorpcja
Reabsorpcja odbywa się głównie w kanaliku proksymalnym nefronu. Prawie cała woda, glukoza, potas i aminokwasy utracone podczas filtracji kłębuszkowej wracają do krwi z kanalików nerkowych. Reabsorpcja zachodzi głównie na drodze biernego przenoszenia w oparciu o gradient stężeń, przesuwając się od wysokiego stężenia w kanaliku proksymalnym do niższego stężenia w naczyniach włosowatych otaczających kanalik (ryc. 4-6).
Czynnikiem, który w znacznym stopniu wpływa na reabsorpcję i wydalanie moczu, jest pH moczu. Dotyczy to zwłaszcza słabych elektrolitów. Jeśli mocz jest zasadowy, słabe kwasy są bardziej zjonizowane i zwiększa się ich wydalanie. Słabe kwasy (takie jak glukuronidy i koniugaty siarczanowe) są mniej zjonizowane, jeśli mocz jest kwaśny i ulegają reabsorpcji, a wydalanie nerkowe jest zmniejszone. Ponieważ pH moczu jest różne u ludzi, wskaźniki wydalania słabych elektrolitów z moczem również się różnią.
- Przykładem jest fenobarbital (lek o odczynie kwaśnym), który jest jonizowany w moczu zasadowym i amfetamina (lek o odczynie zasadowym), która jest jonizowana w moczu kwaśnym. Leczenie zatrucia barbituranami (takimi jak przedawkowanie fenobarbitalu) może obejmować zmianę pH moczu w celu ułatwienia wydalania.
- Dieta może mieć wpływ na pH moczu, a tym samym na eliminację niektórych toksyn. Na przykład, dieta wysokobiałkowa powoduje kwaśny odczyn moczu.
Właściwości fizyczne (przede wszystkim wielkość cząsteczki) i polarność substancji w przesączu moczowym w dużym stopniu wpływają na jej ostateczną eliminację przez nerki. Małe substancje toksyczne (zarówno polarne, jak i rozpuszczalne w lipidach) są z łatwością filtrowane przez kłębuszek nerkowy. W niektórych przypadkach, duże cząsteczki (w tym niektóre związane z białkami) mogą być wydzielane (w drodze biernego przenoszenia) z krwi przez komórki śródbłonka naczyń włosowatych i błony kanalików nefronu i przedostawać się do moczu. Główna różnica w ostatecznym losie substancji zależy od jej polarności. Substancje, które są zjonizowane, pozostają w moczu i opuszczają organizm. Substancje toksyczne rozpuszczalne w lipidach mogą być ponownie wchłaniane i przedostawać się do krwiobiegu, co wydłuża ich okres półtrwania w organizmie i zwiększa potencjał toksyczności.
Nerki, które zostały uszkodzone przez toksyny, choroby zakaźne lub z powodu wieku, mają zmniejszoną zdolność do eliminacji toksyn, co czyni te osoby bardziej podatnymi na toksyny, które dostają się do organizmu. Obecność albuminy w moczu wskazuje, że system filtrujący kłębuszka nerkowego jest uszkodzony, przepuszczając duże cząsteczki. Obecność glukozy w moczu wskazuje, że reabsorpcja kanalikowa została zaburzona.