=>기본 개념
=>신장의 기능
신장의 주요 기능은 다음과 같이 분류할 수 있다.
1. 인체 조성의 유지. 신장은 소변으로 배설되는 물과 이온들의 양을 변화시킴으로써 체액의 양, 삼투압, 전해질 양과 농도, 산성도 등을 조절한다. 소변으로 배설되는 양이 변함으로써 조절되는 이온으로는 나트륨, 칼륨, 클로라이드, 마그네슘, 인산염 등이 있다. 2. 대사의 최종산물이나 외부 물질들의 배설. 신장은 요소와 같은 여러가지 대사산물이나 독성 물질과 약물을 배설한다. 3. 효소와 호르몬의 생산과 분비.
a. 레닌은 사구체옆장치(juxtaglomerular apparatus)의 과립세포에서 생산되어 혈장 글로불린인 안지오텐시노겐으로부터 안지오텐신이 만들어지는 과정에 촉매작용을 한다. 안지오텐신은 강력한 혈관수축제로 염분 균형과 혈압 조절에 중요한 역할을 한다. b. 165개의 아미노산으로 이루어진 당화 단백인 에리트로포에틴은 신피질의 간질세포에서 생산되어 골수에서 적혈구의 성숙을 자극한다. c. 근위 신세관 세포에서는 가장 활성화된 비타민 D3형인 1,25-디히드록시비타민 D3가 만들어진다. 이 스테로이드 호르몬은 체내 칼슘과 인산염 균형 조절에 중요한 역할을 한다. |
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이 책의 뒷부분에서 신장기능 감소의 병태생리학적 과정과 결과에 대해 자세히 논의할 것이다. 이 장에서는 신장의 기본적인 해부학과 정상적으로 소변이 만들어지는 기전 - 사구체 여과와 신세관에서의 운반 - 에 대해 알아볼 것이다.
신장과 항상성
인체는 체액의 조성이나 양이 적당한 범위 내에서 유지될 때 신체의 여러가지 기능이 적절하게 이루어진다. 예를 들어K+
l 심박출량과 혈압은 혈장량에 의해 좌우된다. l 대부분의 효소들은 좁은 범위의 pH와 이온 농도 내에서 가장 잘 반응한다. l 세포막 전위는 K+ 농도에 의해 결정된다. l 막 흥분성은 Ca2+ 농도에 의해 결정된다.
신장의 가장 중요한 기능은 음식물 섭취, 대사, 환경적인 요인, 운동 등의 결과로 발생한 체액의 조성이나 양의 변화를 교정하는 것이다. 일반적으로 건강한 사람에서 이런 변화는 수시간 내에 교정되기 때문에 장기적으로 봤을 때 체액량과 대부분의 이온들의 농도는 정상에서 크게 벗어나지 않는다. 그러나 많은 병적인 상태에서는 이런 조절기능에 장애가 생겨 체액량과 이온 농도에 지속적인 이상이 있을 수 있다. 이런 질병들을 이해하기 위해서는 정상 조절과정에 대한 이해가 있어야 한다.
균형에 관한 개념
안정된 체액의 구성을 유지하기 위해서는 어떤 물질들이 체내에 들어오고 나가는 비율이 균형을 이루고 있어야 한다. 균형은 다음과 같을 때 유지된다.
섭취량 + 생산량 = 배설량 + 소모량
많은 유기 화합물들에서 균형은 대사에 의한 생성과 소모의 결과이다. 그러나 전해질들은 체내에서 생성되거나 소모되지 않고 섭취한 양 만큼을 배설함으로써 균형이 유지된다. 그러므로 인간이 나트륨, 칼륨이나 다른 이온들의 균형을 유지하기 위해서는 섭취한 양과 같은 양을 배설해야만 한다. 신장은 배설을 조절할 수 있는 주요한 장기이기 때문에 이런 용질들의 소변내 배설은 식사에 의한 섭취와 밀접한 관련이 있다. 신장 생리학의 핵심은 이러한 체내 균형을 유지하기 위하여 소변의 조성이 변화하는 기전을 이해하는 것이다.
체액의 조성
인체의 많은 부분은 수분으로 이루어져 있다. 지방 조직은 수분량이 적다:
그러므로 비만인 사람은 마른 사람에 비해 체중에서 수분이 차지하는 비율이 낮다. 남성은 수분이 60%인 반면에 여성은 평균적으로 남성에 비해 지방이 약간 많기 때문에 수분이 차지하는 비율이 55% 정도로 낮다.
각 구획의 체액량을 임상적으로 추정하는 방법 기억해야 할 사항 체중 60 kg인 환자의 예 총 체액량 = 60% X 체중 60% X 60 Kg = 36 L 세포내액량 = 2/3 총 체액량 2/3 X 36 L = 24 L 세포외액량 = 1/3 총 체액량 1/3 X 36 L = 12 L 혈장량 = 1/4 세포외액량 1/4 X 12 L = 3L 혈액량 = 혈장량 - Hct 3 L / (1-0.40) = 6.6 L
혈장과 세포내액의 전형적인 이온 조성 혈장 (mEq/L) 세포내액 (mEq/L) 양이온 K+ 4 150 Na+ 143 12 Ca2+(ionized) 2 0.001 Mg2+ 1 28 총 양이온 150 mEq/L 190 mEq/L 음이온 Cl- 104 4 HCO3- 24 10 인산염 2 40 단백질 14 50 기타 6 86 총 음이온 150 mEq/L 190 mEq/L
=>신장의 구조
신장은 두 개의 강낭콩 모양으로 된 기관으로 후복강 내에 있으며 각각의 무게가 150 g 정도 된다. 신장은 해부학적으로 복잡한 기관으로서 고도로 분화된 서로 다른 세포들이 유기적으로 결합된 3차원적인 구조를 가진다. 신장의 기능단위는 신원(nephron)이라 불리며(인간 신장 1개에는 약 백만 개의 신원이 있다), 각 신원은 사구체(glomerulus)와 한 겹의 상피세포로 이루어진 긴 세관(tubule)으로 구성되어 있다. 신원은 서로 다른 분절로 나뉘어 지는데 - 근위세관(proximal tubule), 헨레 고리(loop of Henle), 원위세관(distal tubule), 집합관(collecting duct) - 각각은 전형적인 모양의 세포들과 특수한 기능적인 특징을 가지고 있다. 신원들이 단단히 모여서 신장의 실질을 이루고 신실질은 두 부분으로 구분된다. 신장의 외측부는 피질이라고 불리며 모든 사구체와 근위세관의 대부분과 원위부 일부를 포함하고 있다. 내측부는 수질이라 불리며 대부분이 평행하게 정렬된 헨레 고리와 집합관으로 구성되어 있다. 수질은 꼬깔 모양의 추체(pyramids)라 불리는 구역을 형성하는데(인간 신장은 전형적으로 7개내지 9개를 가지고 있다), 이들은 신우(renal pelvis)로 연결된다. 수질 추체의 끝은 신유두(papillae)라고 한다. 수질은 요를 농축 시키는데 중요한 역할을 하는데 이 부위 세포외액의 용질 농도는 혈장에 비해 약 4배까지 높으며 신유두 첨부에서 가장 높은 농도에 도달한다. 요가 형성되는 과정의 시작은 사구체의 모세혈관 덩어리로부터 시작하는데 이곳에서 혈장의 초여과가 시작된다. 여과된 체액이 보우만 피막(Bowman's capsule)에 모여서 신세관으로 들어가 돌아서 나가는 동안 서로 다른 운반기능을 가진 분화된 세관 상피세포에 순서대로 노출되면서 연속적으로 변화된다. 신피질에만 존재하는 근위곡세관에서는 사구체 여과액의 약 2/3가 흡수된다. 근위곡세관을 지난 여과액은 머리핀처럼 휘어져서 수질까지 깊숙히 들어가 있는 헨레 고리로 들어가게 된다. 세관내액은 피질로 다시 올라와서 시작된 사구체 주위에 있는 사구체옆장치를 지나 원위곡세관을 거쳐 마지막으로 집합관에 이르며 이 부위를 따라 수질로 되돌아 가서 신유두를 통해 신우로 배액된다. 세관을 따라 흐르는 동안 대부분의 사구체 여과액들이 흡수되지만 어떤 물질들은 분비되기도 한다. 마지막 생성물인 요는 신우로 배액되었다가 요관을 통해 방광에 모인 다음 결국 체외로 배설된다.
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=>신장 순환
순환 해부학
신동맥은 신장의 문(hilum)으로 들어가는데 심박출량의 약 1/5에 해당하는 혈액을 운반하므로 신장은 체내의 다른 더 큰 장기들에 비해 단위 조직 당 가장 많은 혈액을 공급받는다(조직 100g 당 약 350 ml/min). 이런 풍부한 관류 결과 신장의 동정맥 산소분압차는 다른 조직에 비해 매우 낮다(그리고 신정맥 혈액의 색은 다른 정맥에 비해 눈에 띄게 붉다). 신동맥은 신장에 들어간 후 몇 차례 나뉘어져서 반원 모양의 궁상동맥(arcuate arteries)을 형성하여 피질과 수질의 경계부위를 따라 흐른다. arcuate 혈관들은 직각으로 분지하여 소엽간동맥(interlobular arteries)이 되어 신장의 표면을 향해 달린다. 사구체의 수입소동맥(afferent arterioles)은 소엽간혈관으로부터 나온다.
두 개의 모세혈관계
신장의 혈액순환은 특이하여 사구체 모세혈관계와 세관주위 모세혈관계라는 서로 다른 두 개의 모세혈관계로 이루어져 있다. 이 두 모세혈관망은 연속적으로 배열되어 있어 모든 신장내 혈액은 두 모세혈관망을 모두 거치게 되어 있다. 혈액이 사구체를 떠나면 모세혈관들이 모여 수출소동맥(efferent arteriole)을 이루게 되는데 곧 둘로 다시 나뉘어져 세관주위 모세혈관망을 형성한다. 이 두 번째 혈관망을 통해 세관에서 재흡수된 물질들이 순환계로 다시 들어간다. 세관주위 모세혈관의 압력은 체내 다른 부위의 모세혈관계 압력과 비슷한 반면에(약 5-10 mmHg), 첫번째 모세혈관계 즉 사구체의 압력은 더 높다(약 40-50 mmHg). 사구체에 도달하는 혈장의 약 25%가 여과 장벽을 통과하여 여과액이 된다. 혈구, 대부분의 단백질, 체액과 작은 용질 중 약 75%가 모세혈관 내에 머물러 있으면서 수출소동맥을 통해 사구체를 떠난다. 사구체를 지나면서 상대적으로 높은 단백과 혈구 농도를 가진 이 혈액들이 세관주위 모세혈관으로 들어가는데 이 부위에서는 높은 단백 농도로 인해 삼투압이 높아져 수분의 재흡수가 촉진된다. 세관주위 모세혈관들이 합쳐져서 소정맥을 형성하고 결국 신정맥이 된다.
수질의 혈액 공급
수질의 혈액 공급은 수질에서 가장 가까운 사구체(수질옆 사구체, juxtamedullary glomeruli)의 수출소동맥에서 나오는 직혈관(vasa recta)이라 불리는 특수한 세관주위 혈관에 의해 이루어진다. 수질의 신세관과 마찬가지로 직혈관도 수질 내에서 머리핀 모양으로 휘어진다.
=>사구체
구조
사구체는 모세혈관들의 뭉치인데 내피세포와 이를 둘러싸고 있는 분화된 상피세포들로 이루어져 있다. 모세혈관 고리를 싸고있는 기저막에는 사구체 족세포(podocyte)라 불리는 상피세포의 내층이 직접 부착되어 있다. 이들은 고도로 분화된 세포로서 모세혈관의 외층에 레이스 모양으로 배열된 족돌기를 만들고 있다. 외부 상피세포 피막은 보우만 피막이라 불리는데 여과액을 담는 주머니 역할과 이 여과액을 근위세관의 기시부로 보내는 역할을 한다. 모세혈관들은 사구체간질(glomerular mesangium)이라 불리는 세포들의 줄기에 의해 지지되고 있다.
사구체 여과 장벽(filteration barrier)
요의 생성은 사구체 여과 장벽에서 시작된다. 초여과액은 창이 있는 내피세포, 사구체 기저막, 족세포층의 세 층으로 이루어진 장벽을 통해 여과된다. 이 복잡한 "막"은 수분이나 녹아있는 작은 용질들은 자유롭게 투과시키지만 모든 혈액 세포들이나 대부분의 단백질과 큰 분자들은 보존한다. 사구체 여과장치를 통해 여과될 수 있는지를 결정하는 가장 중요한 인자는 분자의 크기이다. 이눌린(inulin, 5kDa)과 같은 분자들은 여과장치를 자유롭게 통과할 수 있고, 마이오글로빈(myoglobin, 16.9 kDa)과 같은 작은 단백질들도 많은 양이 여과된다. 물질의 크기가 커질수록 더 효과적으로 보존되어 크기가 60내지 70 kDa이 되면 여과되는 양이 아주 적어진다. 여과는 이온의 전하에 의해서도 영향을 받는데 알부민과 같이 음전하를 띈 단백질들은 크기가 같은 다른 물질들보다 보존되는 양이 훨씬 많다. 특정 사구체 질환들에서는 이런 전하에 의한 선택능력을 잃어버려 단백뇨가 발생한다.
사구체에서의 초여과
사구체에서 여과액의 형성은 일반적으로 모세혈관에서의 수분 이동을 결정하는 스탈링력(Starling forces)이라 불리는 힘에 의해 좌우된다. 사구체 여과율(glomerular filteration rate, GFR)은 순 여과압, 정수압에 의한 투과도, 여과면적의 곱이라 할 수 있다.
GFR = Lp X area X Pnet
Lp 는 정수압에 의한 투과도, Pnet는 순 초여과압을 나타낸다. 순 초여과압 혹은 유효 여과압은 모세혈관 고리를 따라 생성되는 정수압과 삼투압의 차이에 의해 결정된다.
P는 정수압, ∏는 삼투압, GC와 B는 각각 사구체 모세혈관과 보우만 강(Bowman's space)을 나타낸다. 사구체 여과율의 변화는 투과도/표면적의 곱(Lp X 면적)이나 순 초여과압의 변화에 기인한다. Pnet에 영향을 주는 요인 중에 수입소동맥과 수출소동맥의 저항이 있다. 수입소동맥의 저항이 높아지면(혈액이 사구체로 들어가기 전에) PGC와 사구체 여과율은 감소한다. 그러나 수출소동맥을 통해 혈액이 빠져나갈 때 저항이 높아지면 PGC와 사구체 여과율이 증가하는 경향을 보일 것이다. 세관의 폐쇄는 PB를 증가시키고 사구체 여과율은 감소시킬 것이고, 혈장 단백 농도의 감소는 사구체 여과율을 증가시키는 경향이 있을 것이다.
사구체 여과율의 측정
분당 여과된 양이 분당 요로 배설된 양과 같다는 핵심 요구조건을 만족시키는 물질의 요 배설량을 측정함으로써 사구체 여과율을 잴 수 있다. 이 물질이
(1) 신세관에서 흡수되거나 분비되지 않고, (2) 사구체 막을 통해 자유롭게 여과되며, (3) 신장에서 대사되거나 생성되지 않는다면 이 요구조건을 만족하는 것이다. 이런 중요한 성질들을 이상적으로 만족시키는 물질이 분자량 약 5000 정도로서 큰 당분자인 이눌린(inulin)이다. 사구체 여과율을 측정하는 시험에서는 간혹 이눌린을 투여한다. 비슷한 성질을 가지고 있고 임상에서 유용한 내인성 물질이 크레아티닌(creatinine)이다. 사구체 여과율을 구하는 식은 분당 여과량이 분당 배설량과 같다는 사실을 나타내는 계산의 단순한 치환으로부터 유도된다. 사구체 여과율 공식의 유도 1단계. 여과된 이눌린의 양 = 배설된 이눌린의 양
GFR X GFin = Uin X V
GFR은 사구체 여과율을, GFin은 여과액 이눌린 농도, Uin은 요 이눌린 농도, V는 요량을 나타낸다. 2 단계. 이눌린은 자유롭게 여과되기 때문에 혈장 농도와 여과액 농도가 같다. 그러므로
여과된 이눌린 양 = GFR X Pin
Pin은 혈장 이눌린 농도를 나타낸다. 3 단계. 치환하면
GFR X Pin = Uin X V
그러므로
청소율 공식이라 불리는 이 일반적인 공식은 요로 배설되는 특정 물질이 청소되는(cleared) 혈장량(mL/min) 즉 청소율을 나타낸다. 이눌린의 경우 이눌린의 청소율은 사구체 여과율과 같다. 크레아티닌은 세관에서 분비되기 때문에 배설되는 양이 여과되는 양에 비해 약간 많아서 크레아티닌 청소율은 사구체 여과율에 비해 약간 높다(15-20 %). 사구체 여과율은 일반적으로 여자에서는 100 mL/min 정도이고 남자에서는 120 mL/min 정도이다.
사구체옆장치
모든 사구체 소동맥의 입구와 출구 사이에는 밀집반이라 불리는 사구체에 단단히 붙어있는 원위세관 세포들의 반점이 있는데 사구체옆장치를 이루는 한 부분이 된다. 이 세포 반점은 원위세관에 속해 있는데 헨레 고리 비후상행각이 끝나는 마지막 부분과 원위곡세관으로 이행하기 직전 부위에 있다. 이 부위에서는 NaCl 농도가 잘 변하기 때문에 신원 중에 특별한 위치에 있다. 유량이 적어지면 이 부위의 염분 농도가 15 mEq/L 이하까지 떨어지는 반면에 유량이 많아지면 염분 농도가 40내지 60 mEq/L까지 올라간다. 이 부위의 NaCl 농도는 세관사구체 되먹이기(tubuloglomerular feedback)이라 불리는 기전을 통해 사구체 혈류량을 조절한다. 세관사구체 되먹이기는 염분 농도가 올라가면 사구체 혈류량이 감소하는 현상을 말한다. 사구체옆장치를 구성하는 또 다른 특이한 세포로는 레닌을 가지고 있는 사구체옆 과립세포이다. 레닌 분비도 밀집반이 있는 세관 내 염분 농도에 의해 국소적으로 조절 받고 있다. 또, 과립세포에는 많은 교감신경이 있어 레닌 분비는 교감신경계에 의해 조절을 받고 있다.
=>세관의 기능: 기초 원리
신세관에서의 흡수와 분비
사구체 여과액은 최종 요가 되기 전에 일련의 변화과정을 거친다. 이 변화는 용질과 수분의 제거 혹은 흡수, 그리고 추가 혹은 분비로 구성된다. 흡수와 분비는 운반의 방향을 나타내는 것이지 기전을 나타내는 것은 아니다.
1. 흡수. 흡수는 용질이나 수분이 세관 내강으로부터 혈액으로 이동하는 것으로 신장에서 Na+, Cl-, H2O, HCO3-, 포도당, 아미노산, 단백질, 인산염, Ca2+, Mg2+, 요소, 요산, 기타 물질들을 조절하는 주된 과정이다. 2. 분비. 분비는 용질이 혈액이나 세포 내에서 세관 내강으로 이동하는 것으로 신장에서 H+, K+, NH4+와 여러 가지 유기 산 및 염기를 조절하는 중요한 과정이다.
물질들은 내강측 세포막과 기저외측 세포막을 통과하는 세포를 통한 경로(transcellular pathway) 혹은 세포 사이를 통과하는 세포주위 경로(paracellular pathway)를 통해 세관으로 들어가거나 나올 수 있다.
신세관을 따라 분화된 많은 세포막 단백들이 물질의 세포막 통과 이동에 관여한다. 신장 세관 세포막을 통한 운반기전의 유형
신원의 분할
신세관의 가장 두드러진 특징 중 하나는 세포들의 극단적인 이질성이다. 초기 신장 해부학자들은 근위세관, 헨레 고리, 원위세관 세포들의 모양이 매우 다르다는 것을 알게 되었다. 이렇게 서로 다른 신원 분절들은 기능, 중요한 운반 단백들의 분포, 운반을 억제하는 이뇨제와 같은 약물에 대한 반응도 등이 매우 다르다.
근위세관 근외세관은 여과된 작은 용질들의 대부분을 흡수한다. 이 용질들은 근위세관액에 혈장과 같은 농도로 존재한다. 여과된 Na+, Cl-, K+, Ca2+, H2O의 약 60%와 HCO3-의 90% 이상이 근위세관에서 흡수된다. 또 정상적으로 여과된 포도당과 아미노산의 사실상 대부분을 Na+-의존성 결합운반을 통해 재흡수 한다. 근위세관의 다른 기능으로는 부갑상선 호르몬의 조절을 받는 인산염의 운반이다. 근위세관에서는 이런 재흡수 기능 외에 용질들의 분비도 일어난다. S3 또는 직부(pars recta)라 불리는 근위세관의 말단에서는 많은 유기 음이온과 양이온들을 분비하는데 많은 약물들과 독소들을 체내에서 제거하는 기전이 된다. 근위세관은 두드러진 쇄자연(brush border), 광범위하게 서로 맞물려있는 기저외측 주름, Na+,K+-ATPase에 에너지를 공급하는 크고 두드러진 미토콘드리아를 가지고 있다.
헨레 고리 헨레 고리는 근위세관의 끝부분 또는 직부, 박부 하행 및 상행각, 비후 상행각으로 이루어져 있고, 수질을 농축시키고 소변을 희석하는 중요한 역할을 한다. 비후 상행각은 희석 분절(diluting segment)이라 불리는데 수분에 비투과성인 이 부위에서 용질 운반이 세관액 희석을 초래하기 때문이다. 비후 상행각은 신원 중에서 Mg2+를 재흡수하는 중요한 부위이기도 하다. 이 부위에서 발현되는 중요한 내강측 운반체는 furosemide와 같은 이뇨제의 목표가 되는 Na+-K+-2Cl- cotransporter이다.
원위 신원 원위곡세관, 연결세관(connecting tubule), 피질과 수질 집합관으로 이루어진 원위 신원은 요의 조성, 장력(tonicity), 양을 최종적으로 조절하는 곳이다. 원위 분절은 알도스테론과 바소프레신과 같은 중요한 호르몬이 산과 칼륨 배설을 조절하고, 칼륨, 나트륨, 클로라이드의 요농도를 마지막으로 결정하는 부위이다. 원위곡세관과 연결세관은 근위세관과 마찬가지로 많은 미토콘드리아와 함께 잘 발달된 기저외측 주름을 가지고 있지만 쇄자연이 없기 때문에 근위세관과 구분이 된다. 원위곡세관은 thiazide계 이뇨제가 주로 작용하는 곳이다. 집합관 세포들은 입방형으로 생겼고 기저외측 주름은 광범위하게 맞물려있지 않다. 삼투압차가 클 때에는 수분이 상피를 통해 이동하며 세포 사이의 공간이 넓어진다. 피질에서 유두 첨부로 가면서 집합관의 모양이 변한다. 피질에는 주세포(principal cell)와 사이세포(intercalated cell)라는 두 가지 세포가 있다. 주세포는 염분과 수분의 운반이 주로 일어나는 곳이고 사이세포는 산-염기 조절에 핵심적인 부위이다. 수질 집합관, 특히 말단으로 갈수록 이행상피세포의 특징인 키가 큰 세포를 점차 닮아간다.
=>염분과 체액량의 조절
나트륨 흡수
나트륨의 세포외액 농도가 높기 때문에 많은 양의 Na+와 동반된 음이온들이 사구체 여과액에 존재하며 여과된 Na+를 흡수하는 것이 신세관이 하는 일 중 양적으로 가장 큰 일이다. 세관에서 흡수되는 Na+의 양은 여과된 Na+ 양과 배설된 Na+ 양의 차이다:
Na+ 흡수량 = 여과된 Na+ - Na+ 배설량
또는
Na+ 흡수량 = (GFR X PNa) - (V X UNa)
UNa는 요 Na+ 농도이고 PNa는 혈장 Na+ 농도이다. 사구체 여과율이 120 mL/min이고 혈장 Na+ 농도가 145 mEq/L라면, 분당 17.4 mEq, 하루 25,000 mEq 혹은 575 g의 Na+가 여과된다. 하루에 약 100내지 250 mEq의 Na+ 만이 배설되기 때문에(이는 전형적인 서구 식사에서 평균적으로 섭취하는 양을 반영한 것이다), 여과된 Na+의 약 99% 이상이 세관에서 재흡수됨을 추정할 수 있다. Na+ 분획배설(fractional excretion of Na+, FENa)은 요로 배설되는 여과된 Na+의 분획으로 정의한다. 사구체 여과율 측정에 크레아티닌을 이용하면 FENa는 다음과 같이 계산할 수 있다.
FENa는 일반적으로 1% 이하이다. 그러나 이 값은 Na+ 섭취량에 따라 변하기 때문에 생리학적으로 섭취량이 극단적으로 낮다면 0%에 가깝게 되고 섭취량이 극단적으로 많다면 약 2% 정도 된다. FENa는 세관에서 Na+ 운반에 이상이 생긴 질병이 있을 때에도(예, 대부분의 급성 신부전) 1%를 넘을 수 있다.
Na+ 흡수의 기전
세관에서 Na+ 흡수는 Na+,K+-ATPase라는 효소에 의해 생성되는 일차적 능동운반 과정이다. 체내 다른 대부분의 세포와 마찬가지로 신장 상피세포에서도 이 펌프는 Na+ 를 세포 밖으로 이동시켜(K+는 세포 내로) 세포 내 Na+ 농도를 낮춘다(세포 내 K+ 농도는 올린다). 세관 내강에서 혈액으로 순 Na+ 이동이 일어나는 가장 중요한 원동력은 이 효소가 비대칭적으로 존재하기 때문이다. 즉 이 효소는 모든 신원 분절에서 기저외측 막(혈액쪽)에만 존재하고 내강 막에는 존재하지 않는다. Na+ 를 펌프가 있는 곳까지 운반하는 기전은 Na+ 가 유리한 전기화학적 경사를 따라 세포의 내강측에서 들어감으로써 유지된다. Na+에 대한 내강 막의 투과도가 기저외측 막보다 높기 때문에 Na+의 유입은 내강의 Na+로부터 이루어진다. 투과도의 비대칭성은 서로 다른 운반단백과 통로들이 오직 내강 막에 존재하기 떄문이다.
다수의 내강쪽 운반체들이 이뇨제 작용의 목표가 되는 분자이다. 각 신원 분절에서 Na+와 Cl-가 들어가는 중요한 기전(및 효과적인 이뇨제)은 다음과 같다.
1. 근위세관의 초반부: Na+-dependent cotransporter, Na+/H+ exchanger 2. 근위세관의 말단부: Na+/H+ exchanger, Cl-/anion exchanger 3. 헨레 고리 비후 상행각: Na+-K+-2Cl- cotransporter(furosemide-sensitive carrier) 4. 원위곡세관: Na+/Cl- cotransporter(thiazide sensitive cotransporter) 5. 집합관: Na+ channel(amiloride-sensitive channel)
NaCl 배설의 조절
Na+ 염이 세포외 용질 중 가장 많기 때문에 세포외액량은 체내 나트륨의 양(총 체내 나트륨)에 의해 결정된다. 그러므로 신장에 의해 Na+ 염이 배설 혹은 저류되는가가 세포외액량의 조절에 중요하다. 혈장 Na+ 농도는 총 체내 나트륨이나 세포외액 공간이 얼마나 차 있는가와는 연관성이 없다. 사실 총 체내 나트륨이 과잉인 상태이거나 부족한 상태 모두에서 혈청 Na+가 낮은 경우를 관찰할 수 있다. 그러나 혈장 Na+ 농도는 세포외액 삼투압의 주 결정인자이다. 일반적으로 Na+ 농도의 이상은 장력 조절의 이상에서 생기는 것이지 체액량 조절의 이상에서 생기는 것이 아니다. 체액량 조절의 이상 특히 염분 저류 증가는 병적인 상태에서 흔하다. 교감신경계, 레닌-안지오텐신-알도스테론계(renin-angiotensin-aldosteron, RAS), 심방 나트륨배설 펩타이드(atrial natriuretic peptide, ANP), 바소프레신이 체액량의 변화에 반응하여 그들의 활성도를 바꾸는 네 개의 주요 조절계이다. 이런 활성도의 변화는 체액량이 요 Na+ 배설에 미치는 영향을 매개한다.
교감신경계 세포외액량의 변화는 흉부에 있는 저압 순환계, 예를 들어 하대정맥, 심방, 폐혈관에 주로 존재하는 신장 수용체(stretch receptor)에 의해 감지된다. 이 체액량 수용체에서 구심성 신경을 통해 들어오는 자극의 빈도가 떨어지면 심혈관계 연수 중추로부터 교감신경 자극의 유출이 증가한다.
신장 교감신경 긴장도가 증가하게 되면 신장에서 염분의 재흡수가 증가하게 되고 신혈액량이 감소하는 경우가 많아진다. 신장 기능에 대한 직접적인 영향 외에도 교감신경 자극의 유출이 증가하게 되면 다른 염분 저류계인 RAS의 활성도가 증가한다.
렌닌-안지오텐신계 레닌은 사구체 입구 근처의 신장 수입소동맥의 벽에 있는 과립세포에서 생성되고 분비되는 효소이다. 이 과립세포는 사구체옆장치의 일부이다. 레닌은 간에서 주로 생성되는 대형 순환 단백인 안지오텐시노겐(angiotensinogen)으로부터 안지오텐신 I을 잘라내는 효소이다. 10 개의 펩타이드로 이루어진 안지오텐신 I은 안지오텐신 전환효소(angiotensin-converting enzyme)에 의해 생물학적으로 활성이 있는 안지오텐신 II로 전환된다. 레닌에 의한 촉매작용이 안지오텐신 II를 생산하는 속도를 결정하는 단계이기 때문에 레닌의 혈장 농도가 혈장 안지오텐신 II를 결정한다.
1. 밀집반 기전. 밀집반은 자신들의 사구체와 접촉하고 있는 헨레 고리 비후 상행각의 벽에 존재하는 독특한 상피세포군을 말한다. 여기서는 NaCl 농도가 30내지 40 mEq/L 사이인데 세관내액량에 따라 직접적으로 영향을 받아 유량이 많으면 농도가 높아지고 유량이 적으면 농도가 낮아진다. 밀집반에서의 NaCl 농도가 낮아지면 레닌의 분비를 강력하게 자극하고 농도가 높아지면 분비를 억제한다. 체액량 조절의 연결은 밀집반 세포를 지난는 유량이 체내 Na+ 양에 미치는 영향에 의해 좌우된다. Na+가 과잉인 상태에서는 유량이 높고 Na+가 부족하면 유량이 낮아진다. 2. 압수용체 기전. 레닌의 분비는 동맥압이 감소하면 자극되는데 그 효과는 압력, 신장, 전단 변형력에 반응하며 수입소동맥 벽에 존재하는 "압수용체(baroreceptor)"에 의해 매개된다고 믿고 있다. 3. β-아드레날린 자극. 신장 교감신경의 활성도나 순환 카테콜아민이 증가하면 사구체옆 과립세포에 존재한는 β-아드레날린 수용체를 통해 레닌 분비가 자극된다.
심방 나트륨배설 인자 심방 나트륨배설 인자(atrial natriuritic factor, ANF)는 심방의 근육세포에서 생산되어 심방의 신전이 증가하면 분비되는 펩타이드 호르몬이다. 그러므로 ANF 분비는 체액량이 팽창하면 증가하고 체액량이 감소하면 억제된다. ANF로 인한 나트륨배설의 주된 기전은 집합관에서 Na+ 재흡수를 억제하는 것이지만 때때로 사구체 여과율의 증가도 기여한다.
바소프레신 또는 항이뇨호르몬 바소프레신 또는 항이뇨호르몬(antidiuretic hormone, ADH)는 일차적으로 체액의 삼투압에 의해 조절을 받는다. 그러나 혈관내액량이 부족한 상태에서는 바소프레신 분비의 역치가 변하여, 같은 혈장 삼투압이라도 바소프레신의 농도가 정상에 비해 높다. 이런 변화는 수분의 저류를 촉진시켜 체액량을 회복하는데 도움이 된다.
=>수분과 삼투압의 조절
체액 삼투압의 조절
수분 섭취가 적거나 체내로부터 수분이 소실 될 경우(예를 들어 땀과 같은 저장액) 신장은 적은 양의 농축된 소변을 생산함으로써 수분을 보존한다. 탈수된 상황에서 요는 하루에 1 L 이하(0.5 mL/min)가 생성 되고 삼투질 농도는 1200 mOsmmol/kg H2O에 이른다. 수분 섭취가 많을 때 요량은 하루에 14 L(10 mL/min)까지 증가하고 삼투압은 대체로 혈장보다 낮아진다(75-100 mOsmol/kg). 이런 요량과 삼투질 농도의 심한 변화가 필수적으로 매일 배설되는 용질의 양에 변화를 주지는 않는다. 그러므로 과도한 양의 약 1200 mOsmol/day의 용질이 12 L의 요에 배설될 수도 있고(Uosm는 100 mOsmol/L), 1 L의 요에 배설될 수도 있다(Uosm는 1200 mOsmol/L). 요량과 장력의 변화를 조절하는데 중요한 호르몬은 ADH(동의어: 바소프레신)이다.
삼투압 조절에서 ADH의 역할
항이뇨호르몬은 시상하부의 시삭상핵과(supraoptic nuclei) 실방핵(paraventricular nuclei)의 신경세포에서 생성되는 9개의 아미노산으로 이루어진 펩타이드이다. 항이뇨호르몬은 뇌하수체 후엽(신경뇌하수체)에 위치한 신경 말단부의 과립에 저장되어 있다가 분비된다. ADH의 분비는 혈장 삼투압의 변화에 아주 민감하여 Posm가 역치인 약 285 mOsmol/kg 이상으로 올라가면 ADH의 분비와 혈장 ADH 농도가 증가한다. 앞에서도 지적했듯이 분비의 실제 역치는 체액량에 의해 결정이 된다. ADH의 가장 중요한 역할은 원위부 신원 특히 집합관의 수분에 대한 투과도를 조절하는 것이다. ADH는 집합관 세포의 기저외측 막에 있는 수용체(R)와 결합한다. 이것이 adenylate cyclase(AC)를 활성화시켜 cAMP를 만든다. cAMP는 protein kinase를 활성화 시키고 이것이 잘 알려져 있지 않은 단백을 인산화 한다. 이런 인산화가 미리 만들어져 있는 수분 통로들이 있는 소포들을 막에 결합시킨다. 그 결과 집합관 세포의 첨부(내강) 막의 수분 투과도를 20배까지 증가시킨다. ADH가 없어지면 수분 통로들은 세포내이입(endocytosis)을 통해 첨부 막으로부터 빠르게 제거된다.
세관에서의 수분 흡수
신원의 각 지점에서 세관내액의 삼투압은 간질보다 낮다. 세관을 사이에 둔 이런 삼투압차는 세관에서의 수분 흡수에 추진력을 제공한다. 어떤 신원 분절에서 수분 흡수율은 삼투압차의 크기와 그 분절의 삼투압성 수분 투과도에 의해 결정된다. 근위세관 상피를 사이에 두고 삼투압차는 아주 작지만(3-4 mOsmol/L) 이 분절의 수분 투과도가 아주 크기 때문에 수분 흡수율이 매우 높다. 반대로 비후 상행각의 삼투압차는 250 mOsmol/L 정도로 높지만 이 부위가 수분에 대해 비투과성이기 때문에 실제 이 분절에서의 수분의 이동은 없다. 이 분절은 Na+와 Cl-를 흡수하기 때문에 요를 희석시킨다. 근위세관과 비후 상행각의 수분 투과도가 일정한데 비해 집합관의 수분 투과도는 ADH의 영향에 의해 변할 수 있다. ADH가 없다면 수분 투과도와 수분 흡수가 낮아져 비후 상행각에서 만들어진 저장성 상태가 집합관에서도 계속된다. 그 결과 희석된 소변이 배설된다. ADH가 존재하면 집합관의 수분 투과도가 높아져서 집합관의 세관내액이 고장성인 간질과 평형을 이룰 때까지 수분을 재흡수 한다. 이 경우 최종 요는 삼투질 농도가 높고 양은 적다.
수질의 고장성
삼투압에 의한 수분 이동이 가능하기 위해서는 수질부 간질의 삼투압 농도는 집합관 내강보다 약간 높아야 한다. 그러므로 삼투압이 1200 mOsmol/kg인 마지막 요가 배설되기 위해서는 유두 첨부의 수질부 간질은 1200 mOsmol/kg보다 약간 높아야 한다. 그런 독특한 세포외 환경은 신수질에서 헨레 고리의 하행 및 상행각이 서로 역류하는 형식으로 배열되어 있는 역류증폭계(countercurrent multiplication system)에 의해 만들어진다.
역류증폭
유체가 반대방향으로 흐르는 두 개의 인접한 관에서 내강액은 시스템의 장축을 따라 각 수준에서 볼 수 있는 정도를 넘어서는 삼투압 농도차에 도달하게 된다. 이 역류증폭의 원리에는 에너지 소비와 함께 시스템의 두 관 사이에 있는 막의 성질에 독특한 차이가 있어야만 한다. 다음과 같은 이유로 헨레 고리에 의해 설명이 되는 역류증폭계가 삼투압 경사를 만든다고 믿어지고 있다.
1. 상행각을 통한 능동적 NaCl 운반(역류계의 단일 효과라 불리는)이 세관내액과 주변 간질 사이의 삼투압차를 만든다. 2. 상행각의 낮은 수분 투과도가 삼투압 경사가 소실되는 것을 막는다. 3. 하행각의 높은 수분 투과도는 하행각 내용물이 주위 간질과 평형을 이루는 것을 가능하게 한다.
이런 시스템이 어떻게 피질모세혈관축을 따라 삼투질 농도를 점차 증가시키는가는 아래와 같다. 1 단계(0 시간)에서는 하행각, 상행각의 내강액과 간질액 혈장이 등장성이다. 2 단계에서는 삼투압차가 200 mOsmol/kg에 도달할 때까지 상행각으로부터 간질로 NaCl이 흡수된다. 3 단계에서는 수분이 세관 밖으로 이동함으로써 하행각의 내강액이 간질과 삼투압적으로 평형을 이룬다. 4 단계에서는 비후 상행각(TAL)에 고장액이 전해져서 시스템의 첨부 근처에서는 용질의 농도가 증가한다. 다시 상행각을 따라 능동적 NaCl 운반에 의해 200 mOsmol/kg의 경사, 간질 농도의 증가, 하행각 내용물로부터 수분의 추출이 이루어진다. 이때 첨부 근처의 농도가 기저부에 비해 높아지기 시작함을 주목하라. 이런 기전이 계속되면 유두 첨부의 삼투압이 가장 높게 되는 고장성 경사가 형성된다. 헨레 고리 역류증폭계의 상행각을 떠나는 세관내액은 저장성이다. 그러나 수질의 간질은 삼투압적으로 "긴장되어" 있다. 집합관이 유두 첨부로 가면서 고장성의 수질 환경으로 다시 돌아가기 때문에 삼투압 경사에 따른 수분의 이동으로 내용물이 다시 농축될 수 있다.
역류 기전에서 요소의 역할
Na+, Cl-와 함께 요소는 신수질에서 삼투압적으로 농축된 형태로 존재하는 또 다른 주요 용질이다. 요소는 집합관에서 재흡수되어 수질로 들어간다. 요소에 대한 투과도는 큰 차이가 있기 때문에 수질 집합관의 말단부가 되어서야 요소 재흡수가 시작된다. 집합관의 초반부는 요소에 대한 투과도가 낮기 때문에 요소의 재흡수가 일어날 수 없다. 수분이 ADH의 영향아래 세관에서 빠져나가기 때문에 뒤에 남은 요소는 점차 농축된다. 그 결과 상당한 요소 경사도가 생겨 요소의 투과도가 높아졌을 때 요소를 재흡수할 수 있는 추진력이 생긴다. 내수질 장력의 약 반정도가 요소에 의해 생기기 때문에 내수질 집합관에서 요소의 축적이 삼투압에 의한 수분의 재흡수에 기여하는 바는 아주 크다. 그러므로 단백 섭취가 줄어 요소의 생산이 줄어들면 신장의 농축능력이 현저하게 떨어진다.
체액량 조절과 삼투압 조절의 비교
체액량 조절은 여유가 있고 서로 겹치는 조절 기능들에 의해 통제되고 있으나 삼투압 조절은 하나의 호르몬계에 의해 통제되고 있다. ADH가 결핍되거나 과잉일 경우 과도한 수분의 소실이나 저류에 의한 명백하고 극적인 임상 증후군이 발생한다. 반면에 하나의 체액량 조절 기전에 문제가 생기더라도 다른 기전들에 의한 여분의 조절 능력이 있기 때문에 일반적으로 좀 더 미세한 이상만 발생한다. 그러므로 알도스테론 과잉이 생기더라도 다른 기전의 역할에 의해 경한 체액 저류를 초래하였다가 "회피(escape)" 현상에 의해 정상적인 Na+ 배설로 돌아간다. 비슷하게 ANF 과잉도 약간의 체액량 감소를 초래하지만 Na+ 배설에 지속적인 이상을 초래하지는 않을 것이다. 간경변과 울혈성 심부전과 같은 심한 염분 저류상태 는 모든 체액량 조절 기전들이 활성화된 상태이다. 마지막으로 삼투압 조절기전의 질환과 체액량 조절기전의 질환에 의한 증상의 특징이 서로 달라서, 저- 그리고 고나트륨혈증은 삼투압 조절 이상을 나타내고 체액량 조절의 이상은 부종이나 혈액량 감소를 초래한다.
=>체액 칼륨과 산도(acidity)의 조절
칼륨과 수소 이온은 K+가 약 4-4.5 mEq/L, H+가 약 40 nEq/L 정도로서 세포외액에 낮은 농도로 존재한다. 두 이온들은 다음과 같은 특징이 있다. 1. 상대적으로 작은 K+ 혹은 H+의 농도 변화가 생명에 위협을 줄 수 있기 때문에 K+ 및 H+ 농도의 조절에는 매우 민감하고 정밀한 통제 시스템이 필요하다. 2. K+ 및 H+ 농도가 오랜 기간동안 일정하게 유지될 수 있는 것은 이 이온들의 요 배설이 잘 조절되기 때문이다. 그러나 두 경우 모두 혈장 농도가 정상에서 심하게 벗어날 경우 즉시 보호할 수 있는 다른 기전이 존재한다. 3. K+와 H+의 신배설 조절은 많은 부분이 이 이온들의 집합관에서 분비의 변화에 의해 이루어진다. 집합관의 주세포가 K+ 분비를 조절하는 세포이고 사이세포가 H+ 분비를 조절하는 세포이다 4. K+와 H+ 분비의 속도는 알도스테론에 의해 증가한다. 5. 일차적인 K+ 균형의 이상이 산도의 장애를 유발할 수 있고 일차적인 산도의 장애가 K+ 항상성의 이상을 초래할 수 있다.
체액 칼륨의 조절
체내 K+의 분포 Na+,K+-ATPase가 실제로 모든 세포막에 존재하기 때문에 K+는 대개 세포내 공간에 존재한다. 3500 mEq의 체내 칼륨 중 약 1내지 2%만이 세포외 공간에 존재하기 때문에 이곳의 농도는 4내지 5 mEq/L 정도이다. 나머지(약 98%)는 세포에 저장되어 있다. 이런 분포는 세포내에 저장되어 있는 소량의 K+라도 방출이 되면 혈장 K+가 실제적으로 상승할 수 있는 잠재적인 위험을 가지고 있다(예, 인슐린 결핍, 세포 용해, 심한 운동). 다른 의미에서는 이런 세포내와 세포외 공간 사이의 K+ 분포가 혈장 K+ 농도의 급격한 변화에 대한 완충작용으로 이용된다. 예를 들어 갑작스러운 경구 K+ 투여는 흡수된 모든 K+가 세포외 공간에 남는 것 보다 훨씬 작은 혈장 K+ 농도 변화를 일으킨다. 칼륨 이온은 인슐린과 에피네프린의 자극에 의해 세포 내로 이동한다. 이 호르몬들의 효과는 주로 Na+,K+-ATPase를 활성화시켜 나타난다. K+ 분포를 결정하는 다른 중요한 인자는 혈장 H+ 농도이다. H+ 이온이 증가하면 H+의 세포내 흡수 증가와 세포내 완충 작용이 일어나는데 이런 흡수는 어느 정도 K+와의 교환으로 일어난다. 그러므로 산증은 혈장 K+를 증가시키는 경향이 있고, 알카리증은 감소키는 경향이 있다.
신장의 K+ 조절 칼륨 이온의 장기적 항상성을 위해 매일 섭취한 K+와 같은 양(50내지 150 mEq)을 배설해야 한다. 이를 위해 K+ 분획배설(FEK+)이 약 10%가 되어야 하는데 이는 FENa+보다 아주 높은 수치이다. 여과된 K+의 약 60내지 70%가 근위세관에서 흡수되고, 더 나아가 헨레 고리 비후 상행각도에서 K+가 재흡수 되어 여과된 K+의 약 10%만이 원위세관으로 들어간다. 집합관에서는 K+가 분비되기도 하고 흡수되기도 한다. 식이 K+ 섭취가 많아지면 집합관에서 K+ 분비가 증가한다. 반대로, 섭취가 줄어들 경우 집합관에서 실제 K+ 분비가 그치고 흡수가 주로 일어난다. 이와 같이 근위세관과 헨레 고리의 K+ 흡수는 섭취에 따라 많이 변하지 않고 집합관 K+ 분비만 변하기 때문에 집합관에서의 변화가 요 K+ 배설의 변화를 거의 좌우한다.
K+ 분비의 기전 집합관 상피에서의 K+ 분비는 세포를 통한 경로를 통한다. 기저외측 막을 통한 K+의 흡수는 Na+,K+-ATPase에 의해 이루어지는데 이 운반체에 의해 세포내 K+ 농도는 전기화학적 평형상태보다 높은 수준으로 올라간다. K+는 내강 막에 있는 칼륨 통로를 통하여 세포 내부로부터 세관 내강으로 농도경사를 따라 이동한다. 집합관 세포로부터 K+가 분비되는 속도는 다음 세 가지 중요한 변수에 의해 결정된다.
1. Na+,K+-ATPase 활성의 변화는 흡수와 이로 인한 세포내 K+ 농도에 영향을 준다. 펌프의 활성도가 증가하면 세포내 K+치가 올라가고 K+ 분비를 자극하는 경향이 생기게 된다. 2. 전기화학적 경사의 변화는 내강 막을 통한 K+ 이동의 추진력에 영향을 준다. 세포내 K+ 농도가 올라가거나 상피 내외의 전위차에서 내강의 음전하가 증가하면 추진력이 높아지고 K+ 분비가 증가하는 경향이 생긴다. 3. 내강 막의 투과도 변화는 주어진 추진력에 의해 분비될 수 있는 K+의 양을 결정한다. 내강쪽 K+ 전도율이 높아지면 K+ 분비가 증가한다.
K+ 배설의 조절 1. 혈장 K+ 농도. K+ 배설의 중요한 결정인자 중의 하나는 K+ 농도이다. 예를 들어 식이 K+ 섭취의 변화 후에 생기는 K+ 배설의 변화는 혈장 K+ 증가에 의해 매개된다. 혈장 K+가 분비에 미치는 영향의 일부는 세포내 K+ 농도의 증가에 의한 직접적인 효과에 의한다. 2. 알도스테론. 어떤 혈장 K+ 농도에서도 K+ 분비는 역시 혈장 알도스테론치에 영향을 받는다. 알도스테론은 Na+,K+-ATPase를 활성화하고 내강 막의 K+에 대한 투과도를 증가시킴으로써 K+ 분비를 촉진한다. 알도스테론은 그 생산과 분비가 혈장 K+ 농도에 의해 직접적으로 자극을 받기 때문에 식이에 의한 K+ 배설의 증가에 부분적으로 영향을 주고 있다. 이 효과는 안지오텐신과는 무관하다. 3. 세관 유량. K+를 분비하는 세포를 지나가는 세관 유량의 증가는 K+ 분비를 자극하고, 감소는 K+ 분비를 억제한다. 이 효과는 유량에 의존적인 첨부 막 K+ 경사의 변화에 의해 생긴다. K+ 분비는 세관내액의 K+ 농도를 올리고 이로 인해 K+ 경사와 K+ 분비 속도가 감소한다. 유량이 증가하면 내강 K+ 농도 증가율이 감소함으로써 K+ 분비에 좀 더 적절한 K+ 경사가 유지된다. 4. 원위부로의 나트륨 운반. 많은 Na+가 원위 신원으로 운반되었을 때 재흡수가 증가한다면 내강의 순 전위는 더 음전하를 띨 것이다. 이런 유리한 전기화학적 경사로 인해 요 K+ 분비는 증가하게 될 것이다. 5. 수소 이온. 알카리 상태에서 H+ 농도의 감소는 K+ 분비를 자극한다. 이 효과는 알카리증 때 생기는 세포내 K+ 농도 상승에 의해 매개된다.
이뇨제와 K+ 배설 이뇨제는 세관 유량을 증가시킨다. 고리관 이뇨제와 thiazide는 집합관 이전 분절에서(각각 헨레 고리와 원위세관에서) NaCl과 수분의 흡수를 방해하여 집합관 세포를 지나는 유량을 증가시켜 K+ 분비를 촉진한다. 또한, 이뇨제는 체액량 결핍을 초래하여 알도스테론 분비를 자극한다.
체액 산도의 조절
기본적 고려사항 세포외액 pH가 7.4 근처에서 일정하게 유지되는 것은 H+가 생산이 될 때 이것을 받아들이고 H+가 소모되었을 때는 이것을 방출하는 완충계가 작동하기 때문이다. 총 체내 완충 요구량의 상태는 세포외액의 가장 중요한 완충제인 HCO3-/CO2계의 반응을 평가함으로써 측정할 수 있다. 이 완충계의 질량작용의 법칙은 다음과 같다.
[CO2]가 용해상수와 PCO2와의 곱과 같기 때문에 이 식은 다음과 같이 다시 씌어질 수 있다.
유명한 이 Henderson-Hasselbach 식은 pH가 두 완충 요소들간의 일정한 비율에 의해 유지된다는 것을 말해주고 있다. HCO3-가 증가하거나 CO2가 감소하여 이 비율이 커지면 pH는 높아질 것이다(알카리증). HCO3-가 감소하거나 CO2가 증가하여 비율이 줄어든다면 pH는 낮아질 것이다(산증). HCO3-의 조절은 주로 신장에서 일어나고 CO2의 조절은 호흡기의 기능이다. 신장에 의한 HCO3-의 조절은 두 가지 중요한 요소로 구성되어 있다.
1. HCO3-의 흡수. 높은 사구체 여과율과 혈장 HCO3- 농도(24 mEq/L)로 인해 많은 양의 HCO3-가 여과된다. 여과된 HCO3-의 회수는 산-염기 균형에 절대적으로 중요하다. 신장에서의 HCO3- 흡수 과정이 새로운 HCO3-를 혈액에 더하는 것이 아니라 단지 여과된 HCO3-가 요로 소실되는 것을 방지하는 것이라는 사실을 아는 것이 중요하다. 그러므로 신장에서의 HCO3- 흡수가 이미 존재하는 대사성 산증을 교정할 수는 없다. 2. H+의 배설. 정상적인 식사 조건하에서는 하루에 약 40내지 80 mmol의 H+가 만들어진다(대부분이 황을 포함하고 있는 아미노산이 대사되면서 생산된 황산이다). 이 H+는 완충되면서 HCO3-를 소모한다. 신장은 HCO3-를 재생산하기 위해 이 H+를 배설해야 한다(그러므로 이 두 번째 작업을 "새로운" HCO3-의 생산이라 할 수 있다).
중탄산염 흡수의 기전 여과된 HCO3-(약 4300 mEq/day)는 신세관, 특히 주로 근위세관에서 효과적으로 흡수되기 때문에 정상적인 산-염기 상태에서는 매우 적은 양의 HCO3-만 요에서 발견된다. 일반적으로 세관에서의 HCO3- 흡수는 모두 H+ 분비의 결과로 이루어지는 것이지 HCO3- 이온을 직접적으로 흡수하는 것이 아니다. H+ 이온은 세포 내에서 H2O의 분해(또는 CO2가 H2O와 반응하여)에 의해 지속적으로 생성되고 내강으로 운반된다. 내강에서는 분비된 H+가 여과된 HCO3-와 결합하여 탄산이 되었다가 첨부 쇄자연 막에 있는 탄산탈수효소(carbonic anhydrase)의 촉매반응에 의해 CO2와 H2O로 분해된다. CO2와 H2O는 피동적으로 흡수된다. 이 과정에서 생성된 OH-는 CO2와 결합해서 HCO3-를 만드는데 이 과정은 세포질 탄산탈수효소의 촉매반응에 의해 일어난다. HCO3-는 세포의 기저외측막을 통해 Na+와 함께 혈액으로 돌아간다. 이 과정을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
신장 상피세포에 있는 특수한 운반 단백들은 H+와 HCO3-를 오른쪽 방향으로 움직이게 한다. 첨부 막에 있는 두 개의 다른 기전에 의해 수소이온이 내강액으로 분비된다.
1. 첫번째는 Na+/H+ exchanger로서 Na+ 경사에 의해 추진되며 근위세관에서 발견된다. 운반된 mEq로 환산하여보면 이 기전에 의해 대부분의 HCO3-가 흡수된다. 2. 두번째는 H+의 일차적인 능동 수송이다. H+-ATPase는 A형 집합관 사이세포의 내강 막에 있다. 또, 위점막 벽세포에서 발견되는 것과 비슷한 H+,K+-ATPase가 존재한다는 몇 가지 증거가 있다. 능동적인 H+ 이동은 Na+/H+ 교환보다 적은 H+를 분비하지만 좀 더 심한 경사를 거슬러 작용할 수 있다.
기저외측막에서의 HCO3- 운반에도 적어도 두 가지 기전이 존재한다. HCO3-의 이동이 Na+의 이동과 연결되어 일어나는 기전은 근위세관에서의 주된 배출 기전이다. 집합관에서의 HCO3-의 배출은 주로 기저외측 Cl-/HCO3- exchanger(적혈구의 band 3 protein과 동일)를 통해 일어난다.
중탄산염 분비 전체 신장에서 볼 때 총 HCO3- 이동은 항상 재흡수 방향으로 일어나지만 피질 집합관에 있는 어떤 종류의 사이세포는 실질적으로 HCO3-를 분비한다. HCO3--분비 세포는 H+-분비 세포와 반대의 극성을 가지고 있어 기저외측 막에 H+-ATPase가 있고 아마 내강 막에는 Cl-/HCO3- exchanger가 있을 것이다. HCO3- 분비는 염기를 제공하는 식이를 하는 동안이나 대사성 알카리증을 교정하는데 중요할 것이다.
H+ 이온의 배설(새로운 HCO3-의 합성) 요의 산 배설은 자유 H+의 형태로는 어느 정도 이상 일어날 수 없다. 인간에서 절대적으로 가장 낮은 요 pH는 약 4.5이고 이는 H+ 농도로 0.03 mEq/L 정도 밖에 되지 않는다. 하루에 약 40내지 80 mEq의 H+가 배설되어야 하기 때문에 대부분의 H+ 이온은 결합된 형태나 완충된 형태로 배설되어야 한다. 결합된 H+의 배설은 (1) 내강의 비중탄산염 완충제에 의해 적정(titration)되거나 (2) 신장에서의 암모늄 생산과 배설에 의해 이루어진다.
적정가능 산도(Titratable Acidity) 분비된 H+가 여과된 비중탄산염 완충 음이온들과 결합하면 요 적정가능 산도(적정가능 산도는 요 pH를 7.4로 되돌리는데 더해주어야 할 NaOH 분자수로 정의할 수 있다)의 생산과 배설이 이루어진다. H+에 대한 완충능은 해리상수(dissociation constant, pK)와 완충제의 양에 의해 결정된다. 정상 상태에서는 HPO42-/H2PO4- 완충제만이 세관내 H+ 수용체로 작용하기에 충분한 양으로 존재한다. 이 완충제 쌍은 pK가 6.8이고 매일 약 50 mmol정도가 배설된다. 인산염 완충제에 대한 Henderson-Hasselbach 식에 의하면 (pH 6.8 + log[HPO42-]/[H2PO4-]) 다음과 같은 관계를 계산해낼 수 있다(실제로 배설된 양은 총 인산염의 일부, 즉 여과된 인산염 부하의 약 25-30%임을 고려해야 한다).
이 내용은 세관내 pH가 충분히 낮아진다면 HPO42-의 완충능을 완전히 사용할 수 있음을 보여준다. 어떤 경우에는 다른 요 완충제가 중요해진다. 당뇨병성 케톤산증에서는 많은 양의 베타옥시 낙산염(β-hydroxybutyrate)이 배설된다(예, 300 mmol/L). 이 완충 요소의 pK는 4.8에 불과하지만 리터당 H+ 150 mmol까지 처리할 수 있다.
암모늄 배설 요에서 결합된 H+의 두번째 형태는 암모늄이다. NH4+의 배설은 HCO3-의 생산 혹은 H+의 배설과 같다. 글루타민(glutamine)은 간에서 글루타민산염(glutamate)으로부터 만들어지고, 신장의 근위세관 세포의 내강과 기저외측 막에서 흡수기전에 의해 혈액으로부터 추출되는데 요 암모늄의 가장 중요한 근원이 된다. 암모늄은 근위세관에서 글루타민이 글루타민산염이 되었다가 다시 α-키토글루타르산염(α-ketoglutarate)으로 분해되는 과정에서 2NH4+와 2HCO3-(NH3, CO2, H2O를 생산하는 대신에)를 생산하는 대사경로에 의해 만들어진다(NH4+ 이온이 독특한 운반 경로에 의해 근위세관의 내강으로 분비되기 때문에 새로운 HCO3- 이온이 혈액에 더해지게 되는 것이다). 신장 근위세관에서 형성된 NH4+가 우선적으로 세관 내강으로 분비되고, 다음에 요로 배설되는 것이 필수적이다. 만약 생산된 NH4+가 신세관 상피세포에 의해 흡수되거나(또는 우선적으로 혈액으로 분비되면) 이것은 요소(H2NCONH2)를 만드는데 사용될 것이다. 요소생성(ureagenesis)은 H+를 만드는데 이들은 생산된 HCO3-를 소비하여 총 염기 생산을 무효화 시킬 것이다. 이는 다음과 같은 반응을 보인다.
NH4+ 형태로 배설되는 요 H+ 배설은 약 40내지 50 mmol/day이다. 신장에서의 NH4+ 생산과 배설은 대사성 산증에서 매우 증가한다. 근위세관에서 NH4+의 생산이 부족한 것이 만성 신부전에서 대사성 산증이 발생하는 주 이유이다.
H+ 분비의 조절 1. 세포내 pH. pH 변화의 원인이 혈장 HCO3-의 변화에 의한 것이든(대사성), 혹은 PCO2의 변화에 의한 것이든(호흡성), 전신 pH 변화에 따라 H+ 분비가(그리고 그 결과 HCO3-의 흡수도) 달라진다. 산증 때 발생하는 세포내 산화는 H+ 분비를 자극하고 세포내 알카리화(알카리증)는 분비를 억제한다. 2. 알도스테론. Na+ 흡수와 K+ 분비에 미치는 영향 외에 알도스테론은 집합관에서 H+ 분비를 자극한다. 3. 칼륨. 혈장 K+ 농도의 변화는 H+ 분비에 영향을 줄 수 있는데 어느 정도는 세포내 pH 변화에 의한다. 즉, 저칼륨혈증은 세포내 산도를 올려서 H+ 이온의 분비를 자극한다. 저칼륨혈증 자체의 효과는 상대적으로 작아서 H+ 분비를 현저하게 자극하는 경우는 저칼륨혈증이 높은 혈장 알도스테론치와 함께 나타났을 때이다. 이런 경우는 원발성 고알도스테론혈증이나 이뇨제를 투여하는 경우에 나타나는데, 신장에 의해 대사성 알칼리증이 발생할 수 있다.
=>신장에서 포도당과 아미노산의 조절
신세관의 중요한 기능 중 하나는 사구체 여과액에 포함되어 있고 만약 재흡수되지 않으면 체내에서 소실되는 포도당과 아미노산을 회수하는 것이다. 대부분 이것은 근위세관의 기능이고 포도당과 아미노산 운반의 이상은 근위세관의 기능을 방해하는 질환의 특징이다. 근위세관에서 포도당의 이동은 내강 막에 존재하면서 포도당 한 분자와 함께 나트륨 이온 하나를 운반하는 운반 단백인 glucose-sodium cotrnasporter에 의해 일어난다. 이 운반체는 포도당을 세포 내로 이동시키기 위해 나트륨 농도 경사(물론, 나트륨 농도는 세포 내보다 외부가 더 높다)를 이용한다. 그 뒤 포도당은 기저외측 막을 통해 세포 외로 확산되는데 이 과정은 두 번째 운반 단백에 의해 촉진된다. 이 재흡수 과정은 매우 효과적이어서 정상적인 상황에서는 여과된 모든 포도당이 근위세관액에서 제거되어 실제로 요에는 포도당이 존재하지 않는다. 혈장 포도당 농도가 높아지면 여과되는 포도당의 양이 많아지고 어떤 지점에 이르면 여과된 포도당 부하가 근위 운반 기전의 용량을 넘어서게 된다. 이런 최고 재흡수율을 포도당의 최대 세관 운반(the tubular transport maximum for glucose, TmG)이라 부른다. TmG를 넘어서는 포도당이 전해지면 과도한 포도당은 요로 배설된다. 이 원칙들 중 많은 부분이 아미노산의 재흡수에도 적용된다. 아미노산의 흡수도 역시 근위세관의 기능이고 매우 효과적이다. 대부분의 아미노산은 여과된 양의 1% 이하만 요로 배설된다. 사구체 여과액으로부터 아미노산을 제거하기 위해서는 서로 다른 여러가지 내강 및 기저외측 운반 단백이 필요하다. 어떤 특정 운반체는 2염기성 아미노산인 L-arginine과 L-lysine을 운반하고, 다른 운반체는 산성 아미노산을 세관내액으로부터 제거하는 역할을 한다. Sodium-glucose cotransporter처럼 어떤 아미노산을 나트륨과 함께 운반하는데 나트륨 농도 경사를 이용하는 내강 운반체도 있다. 기저막에 있는 다른 운반 분자들은 아미노산이 세포로부터 나가는 것을 촉진한다.
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첫댓글 감사합니다....여러모로 신경쓰이게 하지요? 그려도 건강할께요!