제 14장. 신장과 수분 및 무기 이온의 조절

[문형철]

콩과 팥, 콩팥

신장

물과 이온대사의 핵심, 신장

신장의 모든 기능은 결국 To be in motion을 위한 일임을 잊지 말자. 

인류 선배 탐구자들에게 존경과 감사를 보내며...

이장에서는 우리 몸의 수분과 무기이온의 항상성 조절에 대해 다룸. 

신장을 이러한 과정을 수행하는데 중심적인 역할

물질의 전신평형조절

이론상으로 물질은 섭취나 대사산물로 체내에서 나타나고, 배설이나 대사를 통해 없어짐. 따라서 이러한 물질의 양이 몸 안에서 일정하게 유지되려면 총 섭취량과 생산량이 총 배설량 및 대사량과 반드시 같아야 함. 

소변을 통한 배설조절반사는 세포외액의 특성을 결정하는 수분과 여러가지 무기이온의 균형을 조절하는 주요기전임. 세포외 주요 이온들의 농도는 표 4-1에 있음. 

A절. 신장 생리의 기본원리

1. 신장의 기능

신장은 혈장의 몇몇 물질을 제거하거나 첨가하는 과정을 수행함. 신장이 수행하는 다양한 기능들은 위의 테이블에 요약되어 있음. 

첫째, 신장은 물의 농도, 무기이온의 구성, 산-염기 평형, 내부환경의 체액부피 등을 조절함. 신장은 초과된 수분과 무기이온을 배설하여 이들의 양을 좁은 항상성 범위내에서 유지함. 우리가 염분의 섭취량을 늘리면 신장은 염분 배설량을 증가시켜 체내 염분의 양을 일정하게 유지함. 이와 반대로 염분의 양이 충분하지 않으면 신장은 염분을 별로 배설하지 않음. 

둘째, 신장은 대사 노폐물이 생기는대로, 가능한 빠르게 요로 배설함. 이것은 우리 몸에 유독한 작용을 할 수 있는 노폐물로부터 우리 몸을 지키기 위한 기전임. 이러한 노폐물로는 단백질의 이화대사 과정을 통해 만들어진 요소(urea), 핵산의 분해로 만들어진 요산(uric acid), 근육 크레아틴으로부터 만들어지는 크레아티닌, 헤모글로빈 대사산물인 빌리루빈(요의 색을 결정) 그리고 그 밖의 여러가지 물질이 있음.

셋째, 신장은 약물이나 살충제, 식품첨가물 등과 같은 외인성 화학물질을 요를 통해 배설함. 

넷째, 신장에서 당신생반응이 일어남. 지속되는 공복시 신장은 아미노산과 그밖의 전구물질로부터 포도당을 합성함. 

마지막으로, 신장은 내분비선 기능을 하며, 적혈구생성소와 1,25-디히드록시비타민 D  등 최소한 2가지 호르몬을 분비함. 또한 신장은 혈압과 나트륨 평형에 중요한 레닌이라는 효소를 분비함. 

2. 신장의 비뇨기계의 구조

신장은 복벽뒤에 있으나, 복강에 있지 않고 복강을 둘러싸고 있는 복막바로 뒤에 있음. 신장에서 흘러나오는 요는 수뇨관(ureter)을 통해 방광(bladder)으로 간 후, 요도(urethra)를 통해 제거됨. 

신장에는 네프론(nephron)이라는 소단위가 약 100만개 있음. 각각의 네프론은 다음과 같이 구성 1) 혈액의 여과가 시작되는 신소체(renal corpuscle) 2) 신소체로부터 뻗어나오는 세뇨관(tubule). 세뇨관은 한의 상피세포층으로 이루어진 매우 좁고 빈 원통형의 관임. 세뇨관을 따라 분비되어 있는 상피세포들은 세뇨관 위치에 따라 구조와 기능이 다르며, 현재 세뇨관을 적어도 8개의 구획으로 나눔. 신소체에서 혈액이 여과되면 세포와 단백질이 없는 여과액이 형성됨. 마지막으로 네프론 끝에 남아있는 세뇨관들이 수집관에서 합쳐져서 요가 되어 신장을 떠남. 

 우선 여과기인 신소체의 해부학적 구조를 살펴보자.

각각의 신소체는 서로 연결되어 있고 실타래처럼 뭉쳐있는 모세혈관 덩어리를 포함함. 이러한 구조를 사구체(glomerulus) 또는 사구체 모세혈관(glomerular capillaries)라 함. 각각의 사구체는 수입 소동맥(afferent arteriole)이라 불리는 소동맥을 통해 혈액을 공급받고 있으며, 체액으로 가득 찬 주머니인 보먼주머니(bowman's capsule)에 의해 둘러싸여 있음. 사구체와 보먼 주머니를 합쳐서 신소체(renal corpuscle)라고 함. 사구체를 통과하는 혈액의 20%만이 보먼주머니를 통해 여과됨. 그외의 남은 혈액은 수출 소동맥을 통해 빠져나감. 

위그림 c에 대한 설명 ; 혈액의 물질은 내피세포 사이의 모세혈관창을 통해 여과됨. 그 여과액이 기저막을 지나 다리세포의 여과틈새를 지나 협막공간으로 들어감. 그리고 그 여과액은 근위곡 세뇨관 내강으로 운반됨. 

신소체를 이루고 있는 구조들의 상호관계를 보는 한가지 방법으로 느슨하게 움켜쥔 주먹(사구체)이 풍선(보먼주머니)을 누르면서 풍선에 박혀있는 것을 상상하면 됨. 보먼주머니 안쪽은 사구체가 밀면서 접촉하고 있지만 바깥 면은 아무런 접촉이 없음. 따라서 체액으로 채워진 보먼 공간(bowman's space)은 주머니 안쪽에 있게 됨. 단백질이 없는 체액은 사구체로부터 이 공간으로 여과되어 들어감. 

사구체 안의 혈액은 세가지 층으로 구성된 여과장벽을 통과하여 보먼공간으로 유입됨. 여과 장벽은 다음과 같은 것을 포함함. 1) 단일층의 모세혈관 내피세포 2) 기저막의 비단백질성 층 3) 보먼주머니의 단일 상피세포층. 이 부위의 상피세포를 다리세포(podocyte)라고 하는데, 이들은 보먼주머니 나머지 부분의 단순 편평상피세포와는 아주 다름. 다리세포는 수많은 다리 돌기를 가지고 있어서 문어와 같은 구조를 함. 체액은 처음에 내피세포를 통과하고 이어서 기저막을 지나 마지막으로 다리세포의 돌기사이에 이르게 됨. 

모세혈관의 내피세포와 다리세포에 이어서 세번째 종류의 세포인 사구체 간질세포(mesangial cell)이 있음. 사구체 간질세포는 평활근 세포가 변형된 형태로 사구체 모세혈관 고리를 둘러싸고 있지만, 여과 경로를 이루고 있지는 않음. 보먼주머니와 연결되어 있는 세뇨관 구획이 근위세뇨관으로 근위곡세뇨관과 근위직세뇨관으로 이루어져 있음. 다음 구획은 헨레고리(loop of Henle)로서 깊이 내려갔다가 급격하게 다시 올라오는 것이 마치 머리핀같은 고리모양을 함. 

descending limb, distal convoluted tubule, ascending limb, cortical collecting duct, medullary collecting duct

renal pelvis - ureter로 이어짐. 

보먼주머니로부터 수집관계에 이르는 각 네프론은 서로 완전히 분리되어 있음. 이렇게 분리되어 있는 네프론은 피질수집관에서 합쳐짐. 이러한 구조적인 융합결과, 요는 수백개의 큰 수질 수집관을 통해 신장의 중심강인 신우(renal pelvis)에 모임. 신우는 수뇨관으로 이어짐. 

신장에서 부위별로 중요한 다른점이 있음. 바깥부분을 신장피질(renal cortex)이라하고, 안족 부분을 신장수질(renal medulla)라고함. 헨레고리는 피질에서 시작하여 수질로 내려가는데, 그 길이가 다름. 수질 수집관은 수질을 통과하여 신우로 이어짐. 모세혈관이 각 세뇨관의 길이를 따라 세뇨관을 둘러싸고 있는데, 이를 세뇨관주위 모세혈관(peritubular capillaries)라고 함. 신장에는 사구체 모세혈관과 세뇨관 주위 모세혈관 두 종류의 모세혈관이 있음을 유념해야 함. 두 종류의 모세혈관은 수출소동맥에 의해 서로 연결됨. 즉 신장의 순환은 두 종류의 소동맥과 두종류의 모세혈관을 포함하는 매우 특이한 순환임. 세뇨관 주위 모세혈관은 세뇨관에혈액을 공급한 후 합쳐져서 정맥을 이루고 혈액은 이를 따라 신장을 떠남. 

네프론은 두가지 종류가 있음. 

네프론의 15%를 차지하는 방수질 네프론(juxtamedullary nephron)의 신소체는 피질-수질 접합부에 가장 가까운 피질 부분에 있음. 이 네프론의 헨레고리는 수질 깊숙이 뻗어 있으며, 수질내 삽투기울기 형성에 관여함. 수질 내 삼투기울기는 수분의 재흡수에 필요함. 방수질 네프론 가까이에 있는 긴 모세혈관을 "직립관(vasa racta)"라고 함. 직립관은 수질깊은 곳에서 고리를 이루고, 다시 피질-수질 접합부로 되돌아 옴. 네프론의 대부분은 피질 네프론(cortical nephron)으로, 신소체가 피질의 바깥쪽에 위치해 있으며 헨레고리는 수질 깊숙이 뻗어 있지 않음. 사실 어떤 피질 네프론은 헨레고리를 전혀 가지고 있지 않음. 이러한 피질네프론은 재흡수와 분비에 관여하지만, 이 장의 후반부에 언급하는 고장성 수질간질액에 관여하지는 않음. 

세뇨관과 소동맥의 구조적인 면에서 한가지 더 중요한 것이 있음. 헨레고리 상행각의 끝 부분은 수입소동맥과 수출소동맥 사이를 지나감. 원위곡세뇨관으로 이어지는 이 부위의 벽에 일단의 세포들이 있는데, 이들은 밀집반(macula densa)이라 함. 수입 소동맥 벽에는 방사구체 세포(juxtaglomerular cell, JC cell)라는 분비기능을 갖고 있는 세포가 있음. 밀집반과 방사구체 세포를 합쳐서 방사구체 장치(JGA)라고 함. 방사구체 장치(juxtaglomeurular cell). 방사구체 세포는 레닌을 혈액으로 분비

3. 신장의 기본적인 처리과정

요의 형성은 혈장이 사구체혈관으로부터 보먼공간으로의 여과로 시작됨. 이 과정을 사구체 여과(glomerular filtration)라고 하고, 여과액을 사구체 여과액이라 함. 이러한 종류의 여과액을 초여과액이라고 함. 여과액이 세뇨관을 따라 흘러가는 동안 물질이 세뇨관에서 세뇨관주위 모세혈관으로 이동하거너 또는 그 반대방향으로 이동하면서 여과액의 조성이 변함. 아래그림. 

세뇨관 내강으로부터 세뇨관주위 모세혈관으로 혈장이 이동하면, 세뇨관 재흡수(tubular reabsorption)  또는 간단하게 재흡수라고함. 이와 반대방향 즉 세뇨관 주위 모세혈관으로부터 세뇨관 내강으로 이동할때는 세뇨관 분비(tubular secretion)이라고 함. 세뇨관 분비는 또한 세뇨관 세포자신이 만든 물질을 세포내부로부터 세뇨관 내강으로 내보내는 것을 나타내는데 쓰이는 용어이기도 함. 

요약하면, 물질은 사구체 여과나 세뇨관 분비, 또는 이 두가지 모두를 통해서 세뇨관 안으로 들어가서 요로 배설될 수 있음. 물질이 일단 세뇨관안으로 들어가면 모두 배설될 필요는 없으나 재흡수 될 수 있음. 따라서 요를 통해 배설되는 물질의 양은 여과량에 분비량에서 재흡수량을 밴 값을 더한 것과 같음.

배설량 = 여과량 + 분비량 - 재흡수량

여과, 분비, 재흡수 등 세가지 과정이 모든 물질에 적용되는 것은 아님. 예를들어 포도당과 같이 중요한 용질은 완전히 재흡수 되는 반면, 독성물질은 재흡수되지 않고 배설됨. 

일반적인 원리를 강조하고자 아래 그림에 세가지 가상물질의 신장에서 처리과정을 나타냄. 사구체 모세혈관으로 들어오는 혈장의 약 20%가 보먼공간으로 여과되어 들어감. 이 여과액은 모세혈관의 혈장과 같은 농도의 X, Y, Z를 포함하고 있으며, 근위세뇨관으로 들어와서 나머지 세뇨관으로 계속 흐름. 동시에 남은 80%의 X, Y, Z 물질을 포함한 혈장은 사구체 모세혈관을 떠나 수출대동맥을 경유하여 세뇨관 주위 모세혈관에 들어감. 

물질 X는 세뇨관 주이 모세혈관에서 세뇨관 내강으로 100%분비 가능하지만 재흡수 될수 없다고 가정함. 그러면 신동맥으로 들어왔던 혈장에서 여과와 분비 작용으로 물질 X가 제고되고 요를 통해 체외로 배출됨.  이와는 달리 물질 Y와 Z는 재흡수는 가능하지만 분비는 되지 않는다고 가정함. Y는 적당량만 재흡수되고 여과량의 일부가 재흡수되지 않고 몸 밖으로 배설됨. 하지만 Z는 재흡수 기전이 매우 강력해서 모든 여과된 Z가 혈장으로 재흡수됨. 따라서 우리 몸으로부터 Z의 손실은 없음. 즉 Z의 경우 여과와 재흡수 과정이 서로 상쇄되어 마치 Z가 신장으로 들어온 적이 없는 것처럼 보임. 

혈장내의 물질들은 여과, 분비, 재흡수 등이 각각 다른 조합으로 일어남. 결정적인 점은 많은 물질에 있어서 과정이 진행되는 속도가 생리적인 조절을 받는다는 것임. 체내 물질의 양이 정상한계보다 높거나 낮으념 언제나 여과, 재흡수, 분비속도 변화가 유발되어, 항상성 기전이 물질내의 체내균형을 조절할 수 있음. 예를들어 체내에 수분이 충분한 사람이 많은 물을 마시면 어떤 일이 생길지 생각해 보자. 1-2시간 안에 생체내 필요량을 초과한 모든 물은 -일부는 여과 증가로- 주고 수분 재흡수 감소로 요를 통해 배설됨. 이러한 예에서 보듯이 신장은 매우 좁은 범위안에서 물의 농도를 유지하는 항상성 수행기관임. 

사구체 여과, 세뇨관 재흡수, 세뇨관 분비의 세가지 기본적인 신장의 처리과정 외에 세뇨관 세포의 대사라는 네번째 처리과정 또한몇몇 물질에서 중요한 역할을 함. 어떤 경우 신장의 세뇨관 세포는 일부 물질을 혈액이나 사구체 여과액으로부터 세뇨관 세포내로 제거한 후 물질대사시켜 체내에서 사라지게 함. 다른 경우, 세포는 물질을 만들고 만들어진 물질을 혈액과 세뇨관 체액에 더하기도함. 이러한 예로써 암모늄, 수소이온, 중탄산염 등이 있음. 

몇가지 질문을 해보자.

1) 신소체에서 물질이 어느정도 여과되는가?

2) 이 물질은 재흡수가 되는가?

3) 이 물질은 분비가 되는가?

4) 어떤 인자가 여과량, 재흡수량, 분비량을 조절하는가? 

사구체 여과

앞서 기술하였듯이 사구체 여과액-보먼공간의 유동액-은 일반적으로 세포를 포함하고 있지 않지만, 단백질을 제외한 혈장물질은 혈관내 혈장과 같은 농도로 포함하고 있음. 그 이유는 사구체 여과가 물과 저분자 물질(작은 펩티드)이 함게 이동하는 집단흐름의 과정이기 때문임. 대부분의 혈장 단백질-알부민과 글로불린- 여과액에서 완전히 제외됨. 이들이 배제되는 한가지 이유는 신소체가고분자량의 물질 이동을 제한하기 때문임. 두번째 이유는 신소체의 여과막이 음전하를 띠고 있어 대부분의 음전하를 띤 혈장다낵질의 이동에 반대로 작용하기 때문임. 비단백 혈장물질은 사구체 여과액과 혈장에서 같은 농도로 있지만 한가지 예외가 있음. 저분자 물질은 충붆 여과가 가능하지만, 혈장 단백질에 묶여서 여과되지 못하는 경우가 있음. 예를들어 혈장 칼슘의 절반과 혈장 내 모든 지방산은 혈장 단백질에 묶여서 여과되지 못함.

여과와 관련된 힘.

모세혈관을 가로지르는 여과는 상반된 스탈린 힘들에 의해 결정됨. 다시 말하면 이 힘들은 모세혈관 벽을 두고 형성되어 있는 정수압의 차와 단백질 농도의 차로 형성된 삼투압임. 정수압 차는 여과가 일어나는 방향으로 삼투압은 여과 반대방향으로 작용함. 

아래 그림처럼, 이 현상은 사구체 모세혈관에도 적용됨. 사구체 모세혈관내의 혈압-사구체 모세혈관 정수압-은 여과를 일으키는 힘임. 보먼 공간내 액체는 정수압을 형성하여 여과에 반대작용을 함. 또 다른 상반된 힘은 삼투압인데, 이는 사구체 모세혈관 내 혈장 단백질이 존재함으로써 생김. 사구체에서 여과가 일어나는 부위의 독특한 구조때문에 보먼 공간내 여과액에는 단백질이 없어보먼공간의 삼투압은 0임. 이와같은 단백질 분포의 비 균등성은 혈장 내 물의 농도를 보먼 공간내액의 농도보다 낮게 만들고 이러한 물 농도의 차이로 보먼 공간에서 사구체 모세혈관으로 체액이동이 있게 됨. 이때 물의 이동방향은 사구체 여과에 반대방향임. 

아래 그림에서 이 삽투압이 29mmHg 임을 주목하자. 이 수치는 모든 동맥과 비신장 모세혈관 삼투압인 24mmHg보다 큼. 그 이유는 우리 몸의 대부분과는 다르게 많은 물이 사구체 모세혈관을 통해 여과되어 사구체 혈장에 남아있는 단백질이 동맥혈장에 있는 것보다 더 농축되었기 때문임. 이와 달리 다른 모세혈관에서는 물이 별로 여과되지 않아, 모세혈관 단백질의 농도가 동맥의 단백질농도에서 근본적으로 변하지 않음. 다시 말하면 다른 모세혈관의 상황과는 달리, 혈장 단백질 농도, 즉 삼투압은 사구체 모세혈관의 시작에서 끝으로 가면서 증가함. 아래 그림에 나타나 있는 삼투압 값은 모세혈관을 따라 형성되어 있는 삼투압의 평균임. 

요약하면 순사구체 여과압(net glomerular filtration pressure)은 다음과 같음.

순 사구체여과압 = 모세혈관 정수압-보먼공간내 정수압- 삼투압

일반적으로 순사구체 여과압은 항상 양수값을 갖게 되는데, 그 이유는 사구체 모세혈관의 정수압이 보먼 공간의 정수압과 삼투압의 합보다 크기 때문임. 순 사구체여과압은 본질적으로 혈장의 무단백질 여과액을 사구체에서 밀어냄으로써 요생성을 시작하고, 보먼공간으로 그리고 더 나아가 세뇨관과 신우로 보냄. 

사구체 여과율

단위 시간당 사구체에서 보먼 공간으로 여과된 체액의 양을 사구체 여과율(glomerular filtration, GFR)이라고 함. 사구체 여과율은초 여과압 외에도, 신소체 막 투과도와 여과가 일어날 수 있는 표면적에 의해 결정됨. 즉 주어진 순 여과압조건에서 사구체 여과율은 막 투과도와 표면적에 비례할 것임. 

체중이 70킬로의 사람의 경우 평균 사구체 여과율은 180L/day(125ml/min)임. 

체내 심혈관계 혈장의 총 부피가 약 3리터인 것을 고려하면, 신장이 모든 혈장을 하루에 60번 여과하는 셈임. 이같이 많은 양의 혈장을 처리함으로써 신장은 내부 환경성분을 빨리 조절하고, 많은 양의 노폐물을 배설할 수 있게 함. 

사구체 여과율은 고정된 수치가 아니라 생리적으로 조절됨. 이는 신경과 호르몬이 수입 소동맥과 수출 소동맥에 작용하여 순 사구체 여과압력 변화가 일어나게 함으로써 가능하게 됨. 사구체 모세혈관은 두 종류의 소동맥-수입 소동맥과 수출 소동맥-사이에 위치하고 있다는 점에서 독특함. 수입 소동맥이 수축하면 사구체 모세혈관 정수압이 감소함. 이것은 다른 기관에 있는 소동맥의 수축가 유사하며 동맥과 모세혈관 사이에서 많은 압력 손실이 일어나기 때문임. 아래 그림 참조.

이와는 달리 수축 소동맥만 수축하면 사구체 모세혈관 정수압이 증가한다는 점에서 반대효과를 보임. 이는 수축 소동맥이 사구체 뒤에 위치하고 있어, 이것이 수축하면 사구체 모세혈관내에 있는 혈액이 막히기 때문임. 수출 소동맥이 확장되면, 사구체 모세혈관정수압이 감소하여 사구체 여과율이 감소하는 반면, 수입 소동맥이 확장되면 사구체 모세혈관 정수압이 증가하고 이어서 사구체 여과율이 함께 증가함. 마지막으로 두가지 소동맥이 동시 수축하거나 확장되면 서로 상반되는 작용을 하여 사구체 모세혈관 정수압은 변하지 않음. 

소동맥에 대한 신경과 내분비 영향이외에 사구체 모세혈관을 둘러싸고 있는 사구체 간질세포에 대한 신경과 체액성 자극이 있음. 이 세포들이 수축하면 모세혈관의 표면적이 감소하여 어떠한 순 여과압력에서도 사구체 여과율을 감소시키는 요인이 됨. 보먼 공간내로 여과된 어떤 비 단백질 또는 비단백질과 결합하는 물질의 총량을 측정할 수 있음. 사구체 여과율과 물질의 혈장농도를 곱하면 됨. 이 수치를 물질의 여과부하량이라고 함. 예를들어 사구체 여과율이 180리터/일이고, 혈장 포도당의 농도가 1g/L 라면 포도당의 여과부하량은 180L/일*1g/L = 180g/일 임. 

물질의 여과부하량을 배설되는 양과 비교하면, 물질이 순세뇨관 재흡수를 하게 되는지 또는 순 세뇨관 분비를 하게되는지를 알 수 있음. 요로 배설되는 물질의 양이 여과 부하량보다 적을때는 세뇨관 재흡수가 분명히 일어나게 된 것임. 반대로 배설되는 물질의 양이 여과부하량보다 클때는 세뇨관 분비가 반드시 일어난 것임. 

세뇨관 재흡수

아래 표는 여과와 재흡수를 거치는 몇가지 혈장 구성요소들을 요약한 것임. 아래 표에서 얻어지는 세가지 결론 1) 몸안에 있는 물질의 양에 비해 여과되는 양이 엄청나게 큼. 예를들어 우리 몸은 약 40리터의 수분을 포함하고 있는데, 하루에 여과되는 수분양은 180리터임. 2) 노폐물의 재흡수는 비교적 완전하지 않아(요소의 경우와 같이) 많은 양이 요를 통해 배설됨 3) 대부분의 유용한 혈장 구성성분들(물, 무기이온, 유기영양물)은 비교적 완전히 재흡수가 일어나서 여과된 양의 극히 일부만이 배설됨. 

생리적으로 재흡수 되는 과정과 그렇지 않은 과정을 구별하는 것이 중요함. 대부분 유기영양물질(예 포도당)의 재흡수율은 언제나매우 높으며 생리학적으로 조절되지 않음. 따라서 이렁 물질은 여과후에 완전히 재흡수 되어 요에는 나타나지 않음. 즉 그림 14-7의 Z와 같은 물질의 경우, 신장이 이러한 물질을 몸에서 제거하지 않기 때문에 신장이 존하지 않는 것처럼 보임. 따라서 신장은 이러한 유기 영양물의 혈장 내 농도를 조절하지 않음. 신장은 단지 이미 존재하는 혈장내 농도를 유지할 뿐임. 

신장의 주요 기능이 수용성 노폐물을 제거한다는 것을 다시 생각해보자. 이러한 일이 일어나기 위해서 혈액이 사구체에서 여과됨. 이러한 과정의 결과 중 하나로 정상 신체기능에 필요한 물질들이 혈장에서 세뇨관액으로 여과됨. 이과같이 중요한 물질의 손실을 막기 위해 신장은 중요한 물질을 다시 이용하고 동시에 노폐물을 배설하는 강력한 기전이 있음. 

수분과 많은 이온들의 재흡수율이 매우 높기는 하지만 생리적으로 조절됨. 예를들어 수분섭취량이 감소하면 신장은 수분을 줄이기위해 수분 재흡수를 증가시킴. 사구체 여과와는 대조적으로 물질을 간질액에서 세뇨관 내강으로 이동시키는 세뇨관 재흡수 과정에서는 집단흐름이 일어나지 않음. 왜냐하면 세뇨관을 가로지르는 압력차와 세뇨관 막의 투과성이 충분하지 않기 때문. 대신에 다음 두가지 처리과정이 관여. 1) 몇몇 물질은 세뇨관 상피세포를 연결하는 밀착연접을 가로질러 확산에 의한 재흡수가 일어남. 위 그림. 2) 나머지 물질의 재흡수는 세뇨관 세포원형질막에 있는 수송단백질이 필요함. 

재흡수의 마지막단계에서는 간질액으로부터 세뇨관 주위 모세혈관으로 물질이 이동하는데, 확산과 집단흐름의 조합으로 이루어짐.이 마지막 과정은 물질이 간질액에 도달하면 자동적으로 일어난다고 간주할 것임. 

확산에 의한 재흡수(reabsorption by diffusion)

근위세뇨관에 의한 요소의 재흡수는 확산에 의한 수동적 재흡수의 한 예임. 요소는 신소체 막을 자유롭게 통과하기 때문에 보먼 공간내의 요소농도는 세뇨관주위 모세혈관의 확장과 세뇨관을 둘러싼 간질액의 요소농도와 같음. 이제 여가된 용액이 근위세뇨관을 따라 흐를때 수분의 재흡수가 일어남. 이러한 수분의 재흡수로 세뇨관액 요소농도가 증가하여 간질액과 세뇨관 주위 모세혈관의 농도보다 높게 됨. 따라서 요소는 이 농도의 기울기를 따라 세뇨관 내강으로부터 세뇨관주위 모세혈관으로 확산됨. 즉 요소의 재흡수는 수분의 재흡수에 의존적임. 이와같은 방식의 확산에 의한 재흡수는 다양한 지용성 유기물질-자연히 생긴 것이든 외부에서 들어온 것이든(예, 살충제 DDT)-에 대해 일어남. 

매개성 수송에 의한 재흡수(reabsorption by mediated transport)

위 그림은 매개성 수송에 의해 재흡수되는 물질은 먼저 세뇨관 내강과 세포내를 구분하는 내강막(luminal membrane)을 통과함. 기저측막은 밀착연접에서 시작되고 원형질막의 옆면과 세포의 기저부를 이룸. 이러한 경로를 세포관통 상피수송( transcellular epithelial transport)이라고 함. 물질이 상피세포 전체를 지나 이동하는 것은 세뇨관 내강과 간질액 사이의 전기화학적 기울기를 역행하여 일어나기 때문에 능동수송임. 그러나 이 과정에서 내강막과 기저측막 모두에서 능동수송이 일어날 필요는 없음. 예를들어 나트륨이온은 농도기울기를 따라 수동적으로 확산이나 촉진확산에 의해 내강막을 지나 세포안으로 들어가고 이어서 기저측막의 Na+/K-APT가수분해효소에 의해 농도기울기에 역행하여 기저측막을 지나 세포밖으로 능동수송됨. 

많은 물질의 재흡수는 염분의 재흡수와 짝을 이뤄 일어남. 나트륨 이온이 농도기울기를 따라 세포안으로 들어올때 공수송되는 물질( cotransported substance)은 같은 능동 공수송체( secondary active cotransporter)를 통해 농도기울기에 역행하여 세포 안으로 들어옴. 포도당, 아미노산, 다른 유기물질들이 이와같은 방식으로 재흡수 됨. 몇가지 무기이온도 다양한 방식으로 나트륨 이온의 재흡수와 짝을 이루어 재흡수 됨. 물질이 능동수송을 통해 세뇨관에서 재흡수 될때, 단위 시간당 운반될 수 있는 양이 정해져 있기 때문에 그 한계가 있음. 이를 최대 이동치(transport maximum)라고 함. 이는 수송되는 물질의 농도가 어느 수준까지 증가하면 막에 있는 수송단백질의 결합부위가 포화되기 때문임. 

중요한 예로 근위세뇨관에 있는 포도당 2차 능동수송 단백질을 들 수 있음. 포도당은 보통 요에는 없는데 그 이유는 모든 여과된 포도당이 재흡수 되었기 때문임. 아래 그림. 이 그림은 혈장 포도당 농도와 포도당의 여과부하량, 재흡수, 배설의 관계를 보여줌. 건강한 사람이 당분이 많은 음식을 먹어도 혈장 포도당 농도와 포도당 수준은 요에서 당이 나타나기 시작(당뇨)하는 역치보다 작음. 또한 신장 전체의 최대 이동치가 당뇨의 역치보다 큼. 그 이유는 네프론들이 일정 범위내에서 최대 이동치를 갖고 있으며, 이를 평균하면 아래 그림에서 보듯이 신장 전체의 최대 이동치가 되기 때문임. 

혈장 포도당 농도가 상당수 네프론 들의 최대 이동치를 넘어서면 포도당이 요에서 나타나기 시작함. 고혈당 중인 사람의 경우 혈장포도당 농도가 역치인 200mg/100ml보다 높으면, 포도당 여과부하량이 네프론이 포도당을 재흡수 할 수 있는 능력을 넘어서게 됨. 즉 당뇨병 환자의 경우 포도당을 재흡수 할 수 있는 신장의 능력이 정상일 수 있어도 크게 증가한 포도당 여과부하량을 모두 재흡수 할 수는 없음. 높은 포도당 여과부하량은 정상적인 신장기능을 상당히 파괴할 수 있음. 

많은 다른 유기영양분도 포도당과 같은 유형을 가짐. 예를들어 대부분의 아미노산과 수용성 비타민은 매일 많은 양이 여과되지만 대부분이 근위세뇨관에서 재흡수됨. 그러나 만약 이것들의 혈장내 농도가 매우 높다면 당뇨병에서와 마찬가지로 여과부하량에 대한 재흡수는 완벽하게 이루어지지 못하고 요로 많이 배설됨. 즉 비타민 C를 많이 섭취한 사람은 혈장내 비타민 C 농도가 높을 것이고, 여과부하량이 세뇨관 재흡수 최대 이동치를 초과하여 섭취된 비타민 C는 요로 배출되는 것임. 

세뇨관 분비(tubular secretion)

세뇨관 분비란 물질이 세뇨관 주위 모세혈관으로부터 세뇨관 내강으로 이동하는 것임. 세뇨관 분비는 사구체여과와 같이 세뇨관안으로 이동하는 경로를 갖고 있음. 세뇨관 분비는 재흡수와 같이 확산과 세포관통매개성 수동에 의해 이루어짐. 세뇨관을 통해 분비되는 물질 중 가장 중요한 것은 수소이온과 칼륨이온이 있음. 그러나 염소와 크레아틴과 같은 많은 유기음이온 역시 분비가 일어남. 또한 페니실린과 같은 외인성 화학물질도 분비됨. 물질의 능동적 분비에는 혈액(간질액)으로부터 세포(기저측막을 가로질러) 안으로 또는 세포막으로 나가 내강(내강막을 가로질러)들어가는 능동수송이 필요함. 재흡수와 마찬가지로 세뇨관 분비는 보통 나트륨의 재흡수와 짝을 이루어 일어남. 간질액 공간으로부터 세뇨관 액으로의 분비, 즉 세뇨관 주위 모세혈관으로부터 물질을 끌어내는 현상은 신장이 단지 여과부하량에만 의존하지 않고 보다 높은 속도로 물질을 제거할 수 있는 능력을 배가시키는 기전임. 

세뇨관에 의한 물질대사

공복시 신세뇨관들의 세포들이 포도당을 합성하여 혈류에 방출한다는 사실을 알아봄. 세포들인 또한 세뇨관 내강이나 세뇨관주위 모세혈관으로부터 얻은 몇몇 유기물질(예 펩티드)의 이화작용도 함. 이화작용을 통해 이러한 물질을 요로 배설함으로써 체내에서 제거하는 것임. 

막통로와 막운반체의 조절

많은 물질의 세뇨관 재흡수나 분비는 생리적으로 조절됨. 이러한 물질들의 재흡수나 분비는 세포막 채널과 수송단백질의 활성이나농도조절에 의해 이루어짐. 이러한 조절은 호르몬과 측분비 또는 자가분비되는 물질에 의해 이루어짐. 최근에 이루어진 신장 세뇨관 세포의 이온채널이나 운반체의 구조나 기능, 조절에 관한 연구에 따르면 몇몇 유전질환에서 나타나는 결함에 대해 설명이 가능함. 예를들어, 유전적 돌연변이로 근위세뇨관에서 포도당의 재흡수에 관여하는 나트름-포도당 공동운반체가 비정상이 될 수 있음. 이와같은 질병으로 인해 요 중에 포도당이 배설될 수 있음(가족성 신장당뇨, familial renal glucourea). 이와같은 경우는 포도당 재흡수 능력은 정상이고 포도당 여과부하량이 포도당 최대흡수력보다 큰 당뇨병과는 대조적임. 

세뇨관 분업(division of labor in ther tubules)

노페물을 적절히 배설하기 위해서는 사구체 여과율은 매우 커야만 함. 이것은 수분과 혈장에 용해된 비노폐물 또한 매우 많은 양이여과된다는 것을 의미함. 근위세뇨관의 주된 역할은 이러한 여과된 수분과 용질을 재흡수하는 것임. 중요한 예외로 칼륨이온의 경우 근위세뇨관이 주요 분비부위임. 헨레고리도 비교적 많은 양의 주요 이온들을 재흡수하고, 수분은 보다 적은 양을 재흡수함. 근위세뇨관과 헨레고리에서 상당한 양이 재흡수되어 헨레고리에 있는 세뇨관 구획으로 들어가는 용질의 양과 수분의 부피가 비교적 작음. 이들 세뇨관 부위에서는 대부분 물질들의 재흡수 속도를 미세하게 조절하여 요로 배설되는 최동 물질량을 결정함. 이때 분비도 조절되는데 그 분비 대상 물질의 종류는 적음. 따라서 대부분의 항상성 조절이 세뇨관 원위부에서 일어난다는 사실은 놀라운 일은 아님. 

4. 신장 청소율(renal clearance)

신장의 기능을 수치화하는데 이용되는 유용한 개념으로 청소율이라는 것이 있음. 어떤 물질이 혈장내에서 단위 시간당 신장에 의해 완전히 제거되는 양을 신장의 청소율이라고 함. 모든 물질은 독특한 그 자신만의 청소율 값을 가지고 있으나 항상 단위 시간당 혈장의 부피임. 물질 S에 대한 기본적인 청소율 공식은 다음과 같음.

S의 청소율 = 단위시간당 배설된 S의 양/S의 혈장농도

즉 물질의 청소율은 단위 시간당 혈장내에서 물질이 완전하게 제거되는 정도를 나타냄. 이것으로 요로 배설되는 물질의 양을 알 수있음. 단위시간단 배설되는 물질의 양은 요 속의 농도에 요의 부피를 곱한 것과 같음. 따라서 물질 S의 청소율은 다음과 같음. 

S의 청소율 = 요속의 S농도 * 단위시간당 뇨량/혈장속의 S농도

정상조건에서 포도당의 청소율은 얼마나 되겠는가? 혈장에서 사구체로 여과되는 모든 포도당이 혈액으로 다시 재흡수되므로 포도당의 청소율은 0임. 그림 14-11에서 보는 바와같이 포도당의 최대 이동치가 초과할때에만 청소율이 양의 값을 가지게 됨. 

이제 자유로이 여과되지만 재흡수되거나 분비가 되지 않는 물질을 생각해보자. 다시말하면, 이러한 물질은 포도당과 같이 생리적으로 중요한 물질이 아니거나 독성을 띠는 것 이어서 배설되는 즉, 신장에서 무시되는 것임. 

아래그림은 자연계에서 발견되는 이눌린이라는 다당류의 예

유감스럽게도 혈장내에서 이눌린과 같이 신장에서 여과는 일어나지만, 재흡수, 분비, 대사가 일어나지 않는 물질은 없음. 따라서 임상에서는 크레아티닌을 보통 이용하여 대략적인 사구체 여과율을 얻음. 크레아티닌은 근육에서 방출되는 노폐물로 신소체에서 여과되지만 재흡수되지는 않음. 그러나 약간의 분비는 일어남. 따라서 크레아티닌 청소율이 사구체 여과율보다 약간 크기는 하지만 임사에서 활용하기에는 충분히 적합함. 몸에서 생성되는 크레아티닌 양은 일정하여 사람마다 비슷함. 따라서 혈액의 크레아티닌 농도가 증가한 것은 사구체여과율의 감소를 의미하는 것으로 이는 신장질환이 있음을 말해줌. 

5. 배뇨(micturition, urination)

요는 수뇨관 벽 평활근의 수축으로 수뇨관을 타고 방광으로 내려감. 요는 방광에 저장되었다가 배뇨시 배설됨. 

방광은 배뇨근(detrusor muscle)이라 불리는 평활근 벽으로 만들어짐. 풍선과 같은 방임. 배뇨근이 수축하면 방광강의 요가 눌려 배뇨가 일어남. 배뇨근의 기저부는 요도가 시작되는 부위로 내요도 괄약근(internal urethral sphincter)이라 불리는 괄약근이 있음.내요도 괄약근의 바로 아래엔느 수의근이 원형으로 요도를 둘러싸고 있음. 이것을 외요도(external urethral sphincter)라고하고, 이것은 배뇨근이 강하게 수축해도 배뇨가 일어나지 않도록 하는 기능을 함. 

아래 그림 참조.

요실금(incontinence)

요실금은 자신의 의지와 상관없이 요가 흘러나오는 것임. 긴장성 요실금(재채기, 기침, 운동에 의한)과 절박성 요실금(urge incontinence, 배뇨욕구와 관련된)이 있음. 여성에게 흔하며 60세 이상의 여성 25% 이상에서 일주일에 1-2회 일어남. 

B절. 이온과 수분 평형의 조절

1. 나트륨과 수분의 평형

아래 표는 체내 수분의 평형을 요약한 것임. 몸에서 획득되는 수분은 두가지 1) 유기영양분의 산화과정에서 생성된 물 2) 음식과 음료로 섭취된 물.

물이 외부 환경으로 손실되는 4부위 "피부, 호흡기도, 위장관, 요로" 여성에서 월경이 물의 손실이 일어나는 다섯째 요인

피부와 호흡기도에서 증발되는 수분의 손실은 지속적인 과정. 이는 불감성 수분손실(Insensible water loss)임. 위장관에서 대변을 통한 수분손실은 적지만, 설사가 일어나면 손실이 심각해짐. 구토에 의해서도 심각한 위장관 수분의 손실이 일어날 수 있음. 

위표는 체내 염화나트륨의 평형 요약

보통 피부나 위장관을 통한 나트륨과 염소의 배설은 적지만 심하게 땀을 흘리거나 구토 또는 설사를 하면 그 양이 현저하게 증가함. 출혈 또한 많은 양의 염분과 수분의 손실을 초래함. 

2. 신장에서 나트륨과 수분의 기본적인 처리과정

나트륨과 물은 분자량이 작고, 단백질에 결합되지 않으며, 혈장안을 자유롭게 돌아다니기 때문에 모두 사구체 모세혈관으로부터 보먼공간으로 자유롭게 여과됨. 이 두가지는 모두 상당한 양이 재흡수되고 - 보통 99%이상- 분비되지는 않음. 신장에서 사용하는 에너지의 대부분은 이런 엄청난 양의 물질을 재흡수하는 일에 사용됨. 많은 양의 나트륨과 물의 재흡수는 근위세뇨관에서 일어나지만 재흡수가 주로 조절되는 곳은 원위 곡세뇨관과 수집관임. 나트륨과 수분의 재흡수 기전은 다음 두가지로 요약 1) 나트륨의 재흡수는 헨레고리의 하행각을 제외한 모든 세뇨관 구획에서 능동수송에 의해서 일어남. 2) 물의 재흡수는 삼투에 의해서 일어나며 나트륨 재흡수에 의존적임.

1차 능동적 나트륨 재흡수

세뇨관에서 일어나는 나트륨 재흡수의 기본적인 특징은 나트륨을 세포안에서 간질액으로 내보내는 1차 능동수송으로 아래 그림에 근위세뇨관과 수집관의 예가 제시됨. 이 능동수송으로 그림 14-14에 근위세뇨관과 수집관의 예가 제시됨. 이 능동수송은 세포의 기저측막에 있는 Na+/K+-ATPase 펌프에 의해 일어남. 능동수송에 의해 나트륨이 세포밖으로 수송되면 세포내 나트륨 농도는 세뇨관 내강에 비교하여 낮아지게 되어 나트륨은 내강에서 세뇨관 상피세포 안으로 농도기울기에 따라 이동하게 됨. 

나트륨이 내강막을 가로질러 세포 안으로 농도기울기에 따라 이동하는 기전은 내강막에 있는 채널이나 수송단백질에 따라 구획마다 다름. 예를들어, 근위세뇨관 세포에서 내강에 의해 일어남. 수소이온 역수송인 경우, 나트륨이 세포안으로 들어갈때 수소이온이내강으로 들어감. 즉 근위세뇨관에서는 나트륨의 재흡수가 공수송되는 물질의 재흡수와 수소이온 분비를 유도함. 수집관에서 나트륨이 내강으로 들어가는 것을 주로 나트륨 채널을 통한 확산에 의해 이루어짐. 실제로 근위세뇨관 세포의 내강막에는 털변연부(brush border)가 있는데, 이것은 재흡수를 위한 표면적을 크게 증가시킴. 

나트륨이 내강에서 내강막을 가로질러 세포안으로 농도기울기에 따라 이동하는 방법은 세뇨관 구획에 따라 다름. 이와는 달리 기저측막에서 일어나는 방법은 모든 나트륨-재흡수 구획에서 동일함. 즉 이막에서는 Na+/K+-ATPase 펌프를 통한 나트륨의 1차 능동수송이 관여함. 세포내 나트륨 농도를 낮추어 나트륨이 농도기울기를 따라 내강막을 통해 세포안으로 들어올 수 있는 것은 바로 이 수송계 때문임. 

수분재흡수와 나트륨 재흡수의 연관(coupling)

나트륨과 염소 등의 이온이 재흡수 되면 수분이 삼투현상에 의해 수동적으로 들어옴, 이러한 용질과 수분 재흡수 연관은 아래 그림에 요약됨 1) 나트륨은 세뇨관 내강에서 간질액으로 상피세포를 가로질러 수송됨. 포도당 아미노산 중탄산염과 같은 용질의 재흡수는 나트륨 수송에 의존적인데, 이들도 삼투현상에 기여함. 2) 이러한 용질이 세뇨관 상피세포에 의해서 세뇨관 내강으로부터 제거되면 세포 근처 세뇨관 체액의 국부적인 삼투질 농도가 감소함. 동시에 인접한 간질액에 용질이 있게 되면 국소적 삼투질 농도는 증가함. 3) 내강과 간질액의 물 농도차이는 내강으로부터 세뇨관 세포의 원형질막이나 밀착연접을 가로질러 간질액으로 들어가는 물의 순 확산을 야기함. 4) 물이 순확산될때 나트륨과 간질액에 용해된 모든 것들이 물과 함께 집단흐름으로 세뇨관주위 모세혈관으로 이동함. 

세뇨관 상피를 가로질러 수분이 이동하려면 상피가 수분에 대한 투과성이 있어야만 함. 수분의 농도 기울기가 아무리 크더라도 수분에 대한 투과성없이 상피를 지날 수 없음. 물의 투과성은 세뇨관이 구획에 따라 다양하며, 원형질막에 있는 아쿠아포린이라는 물의 채널존재 여부에 의해 좌우됨. 근위세뇨관에서 물의 투과성은 항상 매우 높아서 이 부분에서는 물 분자가 나트륨이 재흡수 되는 속도만큼 빠르게 재흡수 됨. 그 결과 근위세뇨관에서의 재흡수는 나트륨과 물이 같은 비율로 이루어짐. 

다음 구획인 헨레고리와 원위 곡세뇨관에서 물의 투과도에 대한 것은 다음에 미루기로 함. 이제 정말 중요한 지점으로 세뇨관 마지막 부위인 피질 수집관과 수질 수집관의 물투과도는 생리적 조절로 인해 매우 크게 변화함. 이들은 물의 투과도가 조절되는 유일한 세뇨관 구획임. 

수집관에서 물의 투과도 즉, 수동적 물 재흡수를 조절하는 물질은 뇌하수체 후엽에서 분비되는 펩티드 호르몬인 바소프레신 또는 항이뇨호르몬임. 바소프레신의 자극으로 수집관세포에서 만들어진 특정그룹의 아쿠아포린 물채널은 내강막으로 삽입됨. 우리 몸에는 10가지 이상의 아쿠라포린이 있음. 아래 그림. 

...요약하면 요를 통한 용질의 손실은 물의 손실(삼투성 이뇨)을 동반하지만, 그 역은 성립하지 않음. 즉 수분이뇨는 반드시 동등한 용질의 손실을 동반하지 않음. 

요의 농축 : 역류 증폭계

.. 요는 혈장에 비해 농축(고 삼투압성)되어 있음. 이 절에서는 어떤 기전에 의해서 이러한 고삼투압성이 이루어졌는지 알아봄. 

사람의 신장은 요의 농도를 최고 1400mOsmol/L까지 만들 수 있는데, 이는 혈장의 농도가 285-300mOsmol/L임을 감안할때, 무려 5배나 높음. 전형적인 요소, 황, 인, 기타 노폐물과 이온의 하루 배설량은 600mOsmol/L임. 따라서 요의 최소부피는 다음과 같이 계산함. 

600mOsmol/일/1400mOsmol/L=0.444리터/일

이 요의 부피를 필연적 수분손실량(Obligatory water loss)임. 물을 섭취하지 않은 사람은 이 필연적 수분손실에 의해 탈수가 됨. 요의 농축은 세뇨관이 수질 수집관을 따라 흐르면서 일어남. 이 관을 둘러싸고 있는 간질액은 매우 고 삼투성임. 바소프레신이 있으면 물은 관을 빠져나가 수질 간질액으로 들어간 후 혈관으로 들어가 혈액을 따라 운반됨. 

...헨레고리 전체구조는 역류증폭계의 기능을 하여 신장 수질의 간질액을 고삼투성으로 만듬. 

수질의 혈액순환

요소의 재순환은 고장성 수질의 간질액을 확립하는데 기여

요소의 재순환 : 요소의 재순환은 내수질에 요소를 가두어 삼투질 농도를 증가시켜서 고장성을 형성하고 유지하는 것을 도움. 

3. 신장의 나트륨 조절

배설되는 나트륨 = 여과된 나트륨 - 재흡수된 나트륨

사구체 여과율 조절

아래 그림에 나트륨 손실이 증가하면 사구체 여과율이 감소하는 중요한 기전이 요약됨. 

혈장 부피의 감소는 직접 또는 신경을 통한 반사경로를 통해 GFR 을 감소시키고 따라서 나트륨과 물의 배설도 감소됨. 

나트륨 재흡수 조절

나트륨 재흡수 속도를 결정하는 주요 인자는 호르몬인 알도스테론임.

아래 그림 요약

4. 신장의 수분조절

1) 삼투수용기에 의한 바소프레신 분비조절

물을 과도하게 섭취했을때, 바소프레신을 감소시키고 물의 배설을 증가시키는 삼투수용기 경로. 반대로 수분 결핍시 바소프레신 분비는 증가함.

2) 압력수용기에 의한 바소프레신 분비조절

심한 발한으로 나트륨과 물의 배설이 감소하는 경우를 설명함.

5. 발한에 대한 반응

6. 갈증과 염분에 대한 욕구

신장은 새로운 나트륨이온과 물을 만들 수 없기 때문에 염분과 물이 부족하면 우리가 이들을 섭취하여 보충해야 함. 신장은 섭취를 통해 손실이 보상될때까지 이들의 배설을 최소화할 뿐임. 

7. 칼륨조절

칼륨은 세포안에서 가장 풍부한 이온임. 전체 칼륨의 2%만이 세포외액에 있지만, 이 칼륨의 농도는 신경, 근육같은 흥분성 조직의 기능에 매우 중요함. 

세포외 칼륨농도가 증가하거나(고칼륨 혈증), 감소하면(저칼륨혈증), 비정상적인 주기(부정맥)와 비정상적인 골격근 수축을 야기함. 정상적인 사람은 칼륨 평형을 유지함. 이는 칼륨 섭취량에서 대변과 땀으로 배출된 칼륨 양을 뺀값과 요로 배설되는 칼륨의 양이 같기 때문임. 또한 나트륨 손실 양처럼, 땀과 위장관을 통한 칼륨 손실 양은 매우 적음. 그러나 구토와 설사를 하게 되는 경우 많은 양의 칼륨이 소실됨. 요를 통한 칼륨배설은 체내 칼륨조절의 중요한 기전임. 

신장의 칼륨조절

칼륨은 사구체에서 자유롭게 여과됨. 세뇨관은 여과된 칼륨을 대부분 재흡수하기 때문에 요로 배설되는 칼륨은 거의 없음. 그러나 피질의 수집관은 칼륨을 분비할 수 있으며, 칼륨 배설량의 변화는 이 세뇨관 구획에서 일어나는 칼륨 분비의 변화때문에 생김. 

칼륨 고갈시 항상성 반응이 일어나 칼륨 손실을 최소화하는데, 이때 피질의 수집관에서 칼륨분비는 없음. 여과된 칼륨 중 아주 작은 양이 재흡수되지 않고 배설됨. 정상적인 칼륨 섭취량 변동이 있으면 여과된 소량의 칼륨에 다양한 양의 칼륨이 첨가되고 재흡수되지 않음. 이와같이 전신의 칼륨균형이 유지됨. 

칼륨 분비와 칼륨평형을 연결해주는 두번째 요소는 호르몬인 알도스테론임. 알도스테론은 피질 수집관에서 나트륨 흡수를 자극하는 것과 동시에 이 세뇨관 구획에서의 칼륨분비를 증가시킴. 

8. 신장의 칼슘 및 인산조절

칼슘과 인산의 균형은 주로 부갑상선 호르몬과 1,25(OH)2D에 의해 조절됨. 

혈장 칼슘의 약 60%가 신장 여과에 관여하며 나머지는 단백질에 결합하거나 음이온 복합체를 이루고 있음. 칼슘은 모든 세포에서 중요하여 신장은 세뇨관액으로부터 칼슘을 재흡수하는 강력한 기전을 가지고 있음. 재흡수되는 칼슘의 60%이상이 호르몬의 조절을 받지 않는데, 이는 근위세뇨관에서 일어남. 칼슘 재흡수 조절은 주로 원위곡세뇨관과 피질 수집관에서 일어남. 혈장 칼슘농도가 낮으면 부갑상선에서 부갑상선 호르몬 분비가 일어남. 부갑상선 호르몬은 이 부위의 칼슘채널 개방을 자극하여 칼슘 재흡수를 증가시킴. 

제 11장에서 논의한 바와같이 부갑상선호르몬은 신장에서 다른 중요한 작용을 하는데 바로 1-수산화효소의 활성을 증가시켜 25(OH)2D를 1.25(OH)2D로 전환시켜 위장관에서 칼슘과 인산의 재흡수를 증가시킴. 혈장 인산의 약 50%는 이온화되어 여과될 수 있음. 칼슘과 같이 여과된 인산의 대부분은 근위세뇨관에서 재흡수됨. 그러나 칼슘과는 달리 인산 재흡수는 부갑상선 호르몬에 의해 감소하여 인산이온의 배설이 증가됨. 

9. 요약

10. 이뇨제

요 배설량을 증가시키는 약을 이뇨제(diuretics)라고 함. 이뇨제는 나트륨의 재흡수를 억제하고 이에 따라 염소와 중탄산염의 재흡수도 억제되어 이들 이온의 배설이 증가함. 물 재흡수도 나트륨 재흡수에 의존하기 때문에 물의 재흡수 또한 감소되어 물의 배설량이 증가함. 

이뇨제의 사례

푸로세미드(furosemide)와 같은 고리 이뇨제(loop diuretics)는 헨레고리의 상행각에서 나트륨 재흡수 첫단계를 매개하는 수송단백질을 억제함. 

칼륨보존성 이뇨제(potassium-sparing diuretics)를 제외하면, 모든 이뇨제는 나트륨배설을 증가시키는데 종종 원하지 않는 칼륨배설도 함께 증가시킴. 칼륨 보존성 이뇨제는 피질수집관에서 나트륨 재흡수를 억제하고 동시에 칼륨 분비를 억제함. 칼륨 보존성 이뇨제는 또한 알도세테론의 작용을 억제하거나(spironolactone, eplerenone) 수집관에 있는 나트륨 채널을 차단함. 

만니톨(mannitol)같은 삼투성 이뇨제는 여과가 되지만 재흡수 되지는 않아 물이 요에 남아 있게됨. 당뇨병과 이와 연관된 당뇨로 인해 지나친 수분손실과 탈수가 일어나는 이유는 이와 같음. 

이뇨제는 가장 흔히 사용되는 약제임. 이뇨제는 신장의 염분과 수분유지와 관련된 질환을 치료하는데 이용됨. 이장 앞부분에서 강조한 것처럼 혈압조절은 신체 총 나트륨양과 세포의 부피를 안정화시키는데, 그 이유는 이들 사이에 밀접한 상호관계가 있기 때문임. 

여러 유형의 질환에서 이러한 상호작용에 문제가 발생하여 혈압을 유지시키는 반사작용이 신장에 의한 나트륨잔류를 야기함. 지속적인 나트륨 섭취에도 불구하고 나트륨 배설이 거의 없게 되어 세포외액이 비정상적으로 팽창됨(부종). 이뇨제는 이와같이 신장에서 일어나는 나트륨과 물의 잔류 방지에 이용됨. 

이러한 현상의 가장 흔한 에로 울혈성 심부전이 있음. 심부전을 가진 사람은 사구체 여과율이 감소하고 알도스테론 분비가 증가함.그러면 요에 사실상 나트륨이 없게 됨. 그 결과 세포외 부피의 팽창과 부종이 생김. 나트륨이 이러한 잔류반응은 심장 박출량감소와 이로 인한 동맥혈압의 감소에 의해 자극됨. 이뇨제가 사용되는 또 다른 질환은 고혈압임. 이뇨제로 인해 나트륨과 물이 배설되어 체액의 양이 감소되는데, 이것은 동맥을 확장시키고 혈압을 낮춤. 체액의 나트륨 감소가 동맥을 확장시키는 기전은 불명함. 

C절. 수소이온의 조절 

물질대사 반응은 반응이 일어나는 용액의 수소이온 농도에 매우 민감한데, 그 이유는 수소이온이 효소와 같은 단백질의 형태에 영향을 미쳐 단백질의 기능이 변하기 때문임. 따라서 세포외액의 수소이온 농도는 잘 조절되고 있음. 제 2장에 있는 수소이온,산성도, pH를 복습하면 도움. 

이러한 조절은 다른 이온들이 획득과 손실을 맞추어 균형을 유지하는 것과 같은 방식임. 손실이 획득을 초과하면 동맥 혈장 수소이온농도가 감소하며 pH가 7.4를 넘는데, 이것을 알카리증(alkalosis)라고 함. 획득이 손실을 초과하면 동맥혈장 수소이온 농도가 증가하여 pH가 7.4보다 작게 되는데, 이것을 산증(Acidosis)라고 함. 

1.  수소이온의 획득과 손실의 근원

아래 표에 수소이온의 획득과 손실에 있어 중요한 경로가 요약되어 있음. 제 13장에서 언급하는 바와 같이 많은 양의 CO2-약 20000mmol-가 산화적 대사작용으로 매일 생산됨. 이러한 CO2분자들은 혈액이 말초조직을 지나갈 때 다음 반응을 통해 수소이온의 생성에 관여함. 

CO2+H2O <-->H2CO3 <-->HCO3- + H+

위 반응에서 형성된 수소이온은 혈액이 폐를 지나는 동안 역반응이 진행되어 다시 물로 통합되기 때문에 수소온의 순획득을 나타내는 것이 아님. 저환기나 호흡계의 질환이 있을때 CO2 가 남게 되어 수소이온의 순 획득이 일어남. 역으로 과환기에서는 CO2의 순 손실이 발생하며 이것은 수소이온의 순제거를 유발함. 또한 우리 몸에서는 CO2가 아닌 다른 물질로부터 유기산이나 무기산을 생성함. 이들을 비 휘발성 산이라고 함. 이들은 인산과 황산을 포함하는데 주로 단백질, 젖산, 여러 유기산의 이화작용에 의해 생성됨. 이러한 산들이 해리되면 음이온과 수소이온이 생김. 그러나 동시에 다양한 유기 음이온의 대사작용에 의해 수소이온이 이용되고 중탄산염이 생산됨. 즉 비휘발성 용질의 대사작용은 수소이온을 생산하기도 하고 이용하기도 함. 고단백 섭취가 일반적인 미국에서는 대부분의 사람들에게서 비휘발성 산이 많이 생성되어 하루 평균 수소이온 순 생성량은 40-80mmol dla. 

수소이온의 순획득과 손실의 세번째 원인은 위장관에서 분비된 물질이 몸밖으로 나갈때 생김. 구토물은 높은 농도의 수소이온을 함유하고 있어 순손실의 원인이 됨. 이와는 달리 다른 위장관 분비물은 염기성임. 이들은 수소이온이 별로 없고 중탄산염의 농도가혈장보다 높음. 설사를 할때 일어나는 위장관의 염기성 분비물 손실은 근본적으로 수소이온의 획득을 가져옴. 우리몸에서 중탄산염을 잃는다는 것은 수소이온을 획득하는 것과 같음. 그 이유는 중탄산염의 손실로 체내의 수소이온을 생성하기 때문임. 

마지막으로 신장은 수소이온의 순획득이나 순손실의 네번째 원인이 됨. 즉 신장은 혈장으로부터 수소이온을 제거하거나 첨가할 수있음. 

2. 체내에서 수소이온에 대한 완충작용

수소이온과 가역적으로 결합할 수 있는 물질은 완충제(buffer)라고 함. 대부분의 수소이온은 세포외, 세포내 완충제에 의해 완충됨. 정상적인 세포외액의 pH는 7.4인데, 이는 0.00004mmol/L의 수소이온 농도에 해당됨. 

... 완충작용은 몸으로부터 수소이온을 제거하거나 몸안으로 첨가하는 것이 아님. 단지 평형이 회복될때까지 수소이온을 붙잡아 두는 것뿐임. 평형이 어떻게 이루어지는가 하는 것은 수소이온 조절에서 남은 주제로 뒤에서 다룸. 

3. 항상성 조절의 통합

신장은 혈장의 수소이온 농도를 좁은 범위에서 유지하기 위해 수소이온의 획득과 손실의 균형을 맞추는데 중요한 기능을 함. 즉 신장은 대사과정에서 생산된 비휘발성산으로부터 유리된 과다한 수소이온을 배설함. 이러한 비휘발성 산의 생성증가, 저환기나 호흡기능부전 혹은 위장관에서의 알카리 손실 증가등으로 수소이온의 순 획득이 일어날 수 있음. 이러한 일이 생기면 신장은 평형을 회복시키기 위해 몸에서 수소이온을 제거함. 

과환기나 구토로 인해 수소이온의 순손실이 생기면 신장은 수소이온을 보충함. 신장이 궁극적인 수소이온 균형조절기구이지만 호흡계도 항상성에 중요한 역할을 수행함. 우리는 저환기, 호흡부전, 과환기 등이 수소이온의 불균형을 야기한다는 사실을 알고 있음. 수소이온 불균형이 비호흡성 원인 때문이라면 환기는 불균형을 보상하기 위해 반사적으로 변한다는 사실을 강조하고자 함. 

동맥의 수소이온 농도가 증가하면 환기를 자극하고 이로 인해 동맥의 이산화탄소 분압이 감소하며 이어서 수소이온 농도가 감소함.이와 반대로 혈장의 수소이온 농도가 감소하면 호흡이 억제되어 동맥의 이산화탄소 분압과 수소이온농도가 증가함. 

즉 호흡계와 신장은 함께 작용함. 호흡계는 혈장속의 변화된 수소이온 농도에 대해 빠르게(수분) 반응하여, 수송온 농도가 너무 많이 변하는 것을 방지함. 이런 과정보다 느리게 반응하는 신장이(수시간 또는 수일) 불균형을 제거할때까지 일어남. 호흡계가 수소이온 불균형의 실질적인 원인이라면 신장은 유일한 항상성의 반응자임. 역으로 신기능 부전으로 몸에서 너무 적거나 너무 많은 양의 수소이온이 제거되면 수소이온의 불균형을 초래할 수 있음. 이경우 호흡반응이 유일하게 조절에 관여함. 

4. 신장이 체내 수소이온을 조절하는 기전

신장은 혈장 중탄산염 농도를 변화시켜 몸으로부터 수소이온을 제거하거나 보충함. 혈장 중탄산염 농도가 바뀌면 어떻게 수소이온이 제거되거나 보충되는지에 대한 내용은 앞에서 언급함. 즉 요로 중탄산염이 배설되면 혈장 수소이온농도가 증가함.이것은 마치 수소이온이 혈중에 첨다괴는 것과 같음. 마찬가지로 혈장에 중탄산염이 첨가되면 혈장 수소이온 농도가 감소되는데 이것은 수소이온이 혈장에서 제거된 것과 같음. 

즉 어떤 이유에서든 혈장 수소이온 농도가 낮아지면(알카리증), 신장은 많은 양의 중탄산염을 배설하여 항상성 반응을 함. 그러면 혈장 수소이온 농도가 정상으로 회복됨. 이와 반대로 혈장 수소이온 농도가 높아지면( 산증) 신장은 오줌으로 중탄산염을 배설하지 않음. 오히려 신장 세뇨관 세포는 새로운 중탄산염을 생산하여 혈장에 첨가함. 이리하여 혈장 수소이온 농도가 낮아져 정상으로회복함. 

중탄산염 처리과정

중탄산염은 신소체에서 완전히 여과되고, 근위세뇨관, 헨레고리 상행각, 피질수집관에서 상당량 재흡수 됨. 중탄산염은 또한 수집관에서 분비될 수 있음. 중탄산염 분비량은 무시해도 될만큼 소량임. 

중탄산염 재흡수는 능동적인 과정임. 그러나 이 과정은 세뇨관세포의 내강막이나 기저측막에 있는 능동펌프를 이용한 일반적인 방식으로 이루어지지 않음. 대신 중탄산염 재흡수는 세뇨관에서 수소이온 분비에 의존함. 이 분비된 수소이온은 내강에서 여과된 중탄산염과 결합함. 

아래그림.

먼저 이산화탄소와 물이 결합하여 탄산이 형성되는데, 탄산무수화효소가 이반응을 촉진함. 탄산은 즉시 해리되어 수소이온과 중탄산염이 생김. 중탄산염은 기저측막을 가로질러 간질액으로 이동하고 이어서 혈액으로 들어감. 동시에 수소이온은 내강으로 분비됨. 세뇨관 구획에 따라 수소이온 분비는 1차 H+-ATP가수분해효소 펌프, 1차 H+/K+-ATP가수분해 효소 펌프, Na+/H+ 역수송체 등의 조합으로 이루어짐. 그러나 분비된 수소이온은 배설되지 않음. 대신 수소이온은 내강에서 여과된 중탄산염과 결합하여 이산화탄소와 물을 만들고, 이들은 세포로 확산되어 들어가 수소이온 생산의 또 다른 순환을 위해 사용됨. 

전체적으로 볼때, 신소체에서 혈장으로부터 없어진 중탄산염을 세포안에서 생산된 중탄산염이 채움. 결국 혈장에서의 중탄산염 농도의 순변화는 일어나지 않음. 이 과정을 재흡수라고 부르는게 적절한지 모르겠음. 왜냐하면 세뇨관주위 혈장에서 있는 중탄산염이 여과된 중탄산염과 같은 것이 아니기 때문. 그래도 전체적인 결과는 여과된 중탄산염이 나트륨이나 칼륨과 같은 방식으로 재흡수 되는 것과 같다고 볼 수 있음. 

혈장에 새로운 중탄산염의 첨가

모든 중탄산염이 재흡수되어 내강에서 수소이온과 결합할 것이 더 이상 없다면 수소이온은 어떻게 되겠는가?

그림 14-34에서 보듯이 초과 분비된 수소이온은 여과된 비중탄산염 완충제와 내강에서 결합한다는 것임. 비중탄산염 완충제로는 보통 인산염이 있음. 수소이온은 그후 인산염의 일부분으로서 요에 배설됨. 

세뇨관이 새로운 중탄산염을 혈장으로 추가하는  또 다른 기전이 있음. 이기전은 수소이온 분비와 연관되어 있지 않고, 신장이 암모늄이온(NH4+)을 생산하고 분비함으로써 이루어짐. 주로 근위세뇨관에 있는 세뇨관 세포가 사구체 여과액과 세뇨관 주위 혈장으로부터 글루타민을 흡수하고 대사작용을 함. 이 과정에서 암모늄과 중탄산염이 세포안에서 형성됨. 중탄산염이 세뇨관 주위 모세혈관으로 이동하여 새로운 혈장 중탄산염이 생기는 동안, 암모늄은 Na+/NH4+역수송체를 통해 내강으로 능동적으로 분비되고 배설됨. 

.. 신장은 수소이온을 배설하면서 충분한 양의 새로운 중탄산염을 혈장에 가함으로써 체내에서 생산된 비휘발성 산에서 생기는 수소이온을 상쇄시킴. 

산증과 알카리증에 대한 신장의 반응

이제 산증과 알카리증에 반응하는 신장의 반응을 중탄산염에 적용할 수 있음. 위 14-7테이블에 요약됨. 이러한 항상성 반응이 일어나려면 수소이온 분비, 글루타민대사, 암모늄 배설 등의 속도가 혈액 수소이온 농도 변화에 반응하여 생리적으로 조절되어야 함.이와같은 속도변화를 초래하는 특별한 경로와 기전은 매우 복잡하지만 여기서는 다루지 않음. 

5. 산증과 알카리증의 분류

산증은 동맥혈장의 수소이온 농도가 높아진 상태를, 알카리증은 낮아진 상태를 가리킴. 모든 상황은 2개 범ㅈ로 나뉨. 아래표. 

1) 호흡성 산증, 호흡성 알카리증 

2) 대사성 산증, 대사성 알카리증

호흡성 산증은 폐포환기 변화로 생김. 호흡성 산증은 호흡계가 이산화탄소 생산속도만큼 빨리 이산화탄소를 제거하지 못할때 발생함. 동맥의 수소이온 농도 불균형은 질량작용의 관점에서 충분히 설명됨. 즉 호흡성 산증에서는 동맥의 이산화탄소 분압과 수소이온 농도가 증가하고, 호흡성 알카리증은 둘다 감소함. 

대사성 산증과 알카리증은 호흡계 문제가 아닌 다른 모든 상황을 포함함. 대사성 산증의 일반적인 원인은 과다한 젖산의 생성(심한운동이나 저산소증)이나 과다한 케톤체 생상(조절되지 않는 당뇨) 혹은 공복시에 발생함. 대사성 산증은 설사와 같은 중탄산염의 과도한 손실로도 발생함. 

대사성 알카리증의 원인으로는 지속적인 구토가 있는데 이것은 위에서 수소이온이 HCL형태로 손실되는 것과 관련됨. 

대사성 산증이나 알카리증에서 동맥의 이산화탄소 분압은 얼마나 유지되는가?

대사성 산증과 알카리증은 이산화탄소의 과다한 유지나 손실보다 다른 요인때문에 일어남. 따라서 동맥의 이산화탄소 분압이 변하지 않을 것이라고 예상되지만, 실제는 그렇지 않음. 

이장의 앞에서 강조한 것처럼, 대사성 산증으로 수소이온의 농도가 증가하면 반사적으로 호흡을 자극하여 동맥의 이산화탄소 분압을 낮춤. 그러면 질량작용에 의해 수소이온 농도가 정상적으로 회복됨. 이와는 반대로 대사성 알카리증을 가진사람은 반사적으로 호흡을 억제함. 그 결과 동맥의 이산화탄소 분암이 증가하고, 질량작용에 의해 수소이온 농도가 정상으로 회복됨. 대사성 산증과 알카리증에서 혈장 이산화탄소 분압의 변화는 산증과 알카리증의 원인이 아니라 비호흡성 비정상에 대한 보상적 반사반응의 결과임. 즉 호흡성 산-알카리증과는 달리, 대사성 산-알카리증 조건에서는 동맥의 이산화탄소 분압과 수소이온 농도가 반대방향으로 변함. 

[정혜]

고맙습니다