Клетка ХIV. Гомеостаз и метаболизм
Гомеоста́з — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций. Наш организм устроен так, что отклонение от нормального функционирования в любой, сколь бы она не была малой его области, обнаруживается, фиксируется, и возникает реакция, направленная на устранение таких отклонений. Обеспечивается это кровеносной, лимфатической и нервной системами во взаимодействии со множеством других, которые распределены по всему объему организма.
Желательно, чтобы контроль состояния всего организма и возникающие возмущения нормы в той или иной области выполнялись бы непрерывно, но за это приходится платить ресурсами и очень дорого. Поэтому и в технических системах, и в живых организмах такой контроль осуществляется повсеместно, но периодически (дискретно, не непрерывно). Все системы контроля и управления в организме устроены очень разумно (хотя и не идеально), и достаточно сложно.
Кровь по сосудам перемещается непрерывно благодаря насосу-сердцу и по всему организму. Кровоток (как и ток лимфы, или нервный импульс) удобный транспорт, который захватывает частицы, например, «изломанных» белков, от которых избавляются клетки, выделяемые гормоны, избыток веществ (солей натрия, калия, мочевины), лишней жидкости и др.
Если на пути кровотока поставить фильтр-регулятор (это как раз почки), то кровь, и ее плазма будут очищаться, обломки белков разлагаться до аминокислот, вредные (ядовитые) вещества удаляться, а полезные — возвращаться в кровоток с целью доставки, туда, где они нужны, и повторого их использования. Задача удаления вредного и ненужного возлагается на естественную выделительную систему, а в случае ее отказа на искусственную почку (ИП), которая также устроена весьма непросто.
Цель публикации в первую очередь образовательная, познавательная, облегчить самостоятельное овладение фундаментальными представлениями и понятиями, популяризация науки, а также стремление привлечь в ряды исследователей, в науку приток новых молодых умов, вызвать в таких умах стремление к поиску ответов на возникающие вопросы. Масштабность темы требует ввести разумные ограничения.
Введение. Общие сведения
Кровь, тканевая жидкость и лимфа образуют внутреннюю среду организма. Для обеспечения оптимальных условий для жизни и размножения организмов необходимо постоянство внутренней среды (химический состав, tºC, рН, осмотическое давление и др.), т.е. гомеостатическое состояние. Это достигается согласованной деятельностью нервной и эндокринной систем.
Метаболизм (обмен веществ) — это все химические превращения (реакции), которые происходят в живом организме
Рисунок 1 — Две стороны обмена вещест
Диссимиляция (катаболизм, энергетический обмен) — это реакции распада и окисления веществ, протекающие с выделением и запасанием энергии.
Ассимиляция (анаболизм, пластический обмен) — это реакции образования сложных органических веществ, протекающие с затратами энергии.
В клетке и в организмеэти процессы протекают скоординированно и находятся в равновесии. Нарушение равновесия приводит к гибели клеток и заболеваниям.
Особая роль в поддержании гомеостаза и обеспечении нормального метаболизма отводится почкам. Роль других органов в этих процессах мы не склонны преуменьшать, но на примере почки проиллюстрируем схематически как и что происходит в организме.
Почка человека (лат. ren, греч. νεφρός [nephros]) — парный фасолевидный орган, очищающий кровь, выполняющий посредством функции мочеобразования регуляцию химического гомеостаза организма. Входит в систему органов мочевыделения (мочевыделительную систему). Находятся почки в поясничной области забрюшинно по обе стороны от позвоночника, по размеру сопоставимы с кулаком человека.
Почка создает в каждом организме физико-химическое постоянство состава околоклеточной среды, необходимого для функционирования каждой клетки. Почка избавляет клетки от забот о внутриклеточной среде: все ли нужные микроэлементы в этой среде присутствуют или чего-то не хватает.
Размеры одной почки составляют примерно 11,5—12,5 см в длину, 5—6 см в ширину и 3—4 см в толщину. Масса почек составляет 120—200 грамм, обычно левая почка несколько больше правой. В норме объем клетки должен быть постоянным, что обеспечивается осмотическим давлением, регулируемым почками.
Рисунок 2 — Положение некоторых органов человека в его теле
Осмотическое давление определяется концентрацией всех веществ, растворенных в жидкости: натрий, калий, кальций, сахар, все из таблицы Менделеева. При приеме пищи именно осмотическое давление способствует своевременной остановке, чувствуя насыщение во время еды. Каждую минуту в почки приходит четверть всей крови, которую сердце поставляет в сосуды, за день через почки проходит 170—200 литров крови, образуется 120—150 литров первичной мочи и 1,5—2 литра вторичной мочи.
Система работает так. В гипоталамусе (ЦНС) размещаются осморецепторы, чувствительные к изменениям осмотического давления. Оно должно быть постоянным (это одна из констант организма) у человека. При повышении концентрацией растворенных веществ пороговых величин осморецепторы реагируют на это изменение появлением жажды. Попили воды — кровь стала более разведенной, значит осмотическое давление уменьшается. В ситуации с появлением жажды именно почки запускают процесс насыщения крови влагой: из клеток мозга секретируется гормон вазопрессин — он поступает в кровь, с ее током поступает в почки и заставляет их по канальцам всасывать недостающую воду в кровь.
Сейчас население ходит с рюкзаками, где имеются наружные карманы не только для зонтов, но и для бутылочек с водой, соками. Рекомендации рекламы суточного потребления до 2,5 литров, что, конечно, завышено, хотя и поддерживается некоторыми врачами. Пьют в транспорте, на улице, в магазинах, заливая в себя эту «норму» порой через силу. Организму вполне хватает меньшего объема от 0,8 до 1,5 литра. Почки справляются и с 2,5 литрами они устроены так, что их потенциал — 25 литров в сутки. Проблема в другом. От чрезмерного количества выпитого кофе, может подскочить давление, а от грязных рук и бутылочек что-то еще нежелательное. Посмотрим как устроена почка и назовем ее функции.
Рисунок 3 — Устройство почки
Функции почек
Экскреторная (то есть выделительная),
Осморегулирующая,
Ионорегулирующая,
Эндокринная (внутрисекреторная),
Метаболическая,
Участие в кроветворении.
Основная функция почек — выделительная — достигается процессами фильтрации и секреции. Функции здоровой почки включают поддержание в организме человека баланса жидкости, поддержание кислотно-щелочного баланса; регулирование электролитов, включая натрий, калий, и другие электролиты; очищение токсинов; регулирование кровяного давления; и регулирование гормонов, таких как эритропоэтин; и активация витамина D.
Большая часть физиологии почек проявляется и изучается на уровне нефрона — наименьшей функциональной единицы почки. Каждый нефрон начинается с фильтрующего компонента, который фильтрует кровь, поступающую в почку. Затем этот фильтрат течет по всей длине нефрона, который представляет собой трубчатую структуру, выстланную одним слоем специализированных клеток и окруженную капиллярами. Основными функциями этих выстилающих клеток являются реабсорбция воды и небольших молекул из фильтрата в кровь и секреция отходов жизнедеятельности из крови в мочу.
Каждый из двух миллионов нефронов (структурных единиц почек) состоит из 12 частей. Для правильного функционирования почек требуется, чтобы они принимали и адекватно фильтровали кровь. Это выполняется на микроскопическом уровне многими сотнями тысяч фильтрующих единиц, называемых почечными тельцами, каждое из которых состоит из клубочка и капсулы Боумена.
Глобальная оценка функции почек часто устанавливается путем оценки скорости фильтрации, называемой скоростью клубочковой фильтрации (СКФ). СКФ рассматривается как наилучший общий показатель способности почек выполнять эти многочисленные функции. Однако СКФ не выявляет источник заболевания почек. Это достигается путем анализа мочи, измерения выделения белка с мочой, визуализации почек и, при необходимости, биопсии почки
Рисунок 4 — Мочевыделительная система и элементы строения почки
Заболевание почек
К наиболее частым заболеваниям относятся:
· Мочекаменная болезнь (нефролитиаз) — образование камней и песка в почках;
· Пиелонефрит — считается одним из воспалительных заболеваний почек, зачастую инфекция попадает в почку через кровь;
· Пионефроз — гнойное воспаление почки;
· Тупая травма почки;
· Нефроптоз (опущение почки) — заболевание может быть как врождённым, так и приобретённым. Чаще болеют женщины;
· Гидронефроз — характеризуется проблемами с оттоком мочи из почки;
· Почечная недостаточность — состояние, когда почки частично перестают функционировать и выполнять свои функции, выделяют острую и хроническую формы;
· Гломерулонефрит — ещё одно воспалительное заболевание, при котором поражаются почечные клубочки и канальцы;
· Дизурия нефрогенная (анурия, олигоурия, полиурия, поллакиурия) — нарушения мочеиспускания почечной природы;
· Почечный диабет;
· Почечная гипертензия;
· Ренальная анемия;
· Стеноз почечной артерии;
· Тромбоз почечной вены;
· Нефротический синдром;
· Почечноклеточный рак.
Проблема пребывания человека в космосе
Как уже упоминалось ранее, почка осуществляет фильтрацию и выделительную функцию. Другое важное назначение почки — регуляция объема крови в организме. Например, в ситуации избыточного переедания соленых огурцов количество соли возросло и осмотическое давление поднялось. Начинаем пить воду, объем которой в организме растет. Осмотическое давление выровнялось, но появился избыток жидкости, которую осмотические рецепторы уже не чувствуют. Здесь и включаются рецепторы объема, которые контролируют степень растяжения сосудов.
Все это оказалось крайне важно. При возвращении космонавтов на Землю после завершения полета в космосе (в условиях невесомости) они проходят период адаптации. Тех, кто летал в космос в первые годы после приземления и извлечения из спускаемого аппарата, уносили на носилках. В 1964 году обследовался экипаж корабля «Восход — 1» — Владимира Комарова, Константина Феоктистова и Бориса Егорова.
По результатам этого обследования Юрием Наточиным (ныне академиком РАН) специалистом, который знает все о физиологии почки и водно-солевом обмене было понято как можно купировать негативное состояние приземлившихся космонавтов. Оно зависело не только от комплекса физических упражнений на борту космического корабля, не позволяющему мышцам и костному каркасу ослабевать при отсутствии земной гравитации, но также и от осмо- и объемной регуляции жидкостей.
Любой человек, если он попадает в космос, испытывает перераспределение жидкости в организме в верхнюю часть тела. Возникла задача — как обернуть вспять такое перераспределение, как подготовить организмы космонавтов к приземлению. Ранее упоминалось про рецептор, который «чувствует» избыточную жидкость. Надо было создать условия, чтобы рецептор «сказал» почкам: «Убери эту избыточную жидкость!».
Но только через 10 лет (в 1974) было получено разрешение на проведение эксперимента, а в итоге автора наградили орденом. Решение оказалось очень простым, но эффективным. Перед посадкой космонавтам нужно дать по таблетке соли, чтобы восстановить дефицит солей и водно-солевой баланс и подготовиться к посадке и земной норме. Но для разрешения потребовалось 10 лет.
Космическая среда во многом была непонятна. Кто знал, как отзовется организм на резкое повышение уровня соли? Можно было бы ограничиться перед посадкой включением в пищевой рацион соленой тараньки, но требовалось все точно рассчитать. Ну, а после отладки осморегуляции и объемной регуляции космонавты по возвращению на Землю сразу же вставали на ноги и шли.
Следующие события, явления, факты можно рассматривать как предпосылки для возникновения нанотехнологических фильтров для появления новых устройств с новыми свойствами.
1854 Т. Грэхэм (Шотландия) метод изготовления полупроницаемых пергаментных мембран.
1904 Д. Абель (США) создал аппарат (фильтр) для удаления растворенных в крови веществ
1924 Г. Хаасом (Германия) первый гемодиализ человеку с уремией антикоагулянт — гирудин.
1925 Г. Хаасом произведена партия геперина из печени.
1927 Г. Хаасом. впервые при гемодиализе использовался в качестве антикоагулянта — гепарин.
1913 Д. Абель (США) создал аппарат гемодиализа, ставший прообразом искусственной почки.
1944 В. Колф (Голландия) впервые успешно применил в операции искусственную почку.
1945 В. Колф (Голландия) выведение человека из уремической комы с помощью гемодиализа.
1946 В. Колф первое руководство по лечению больных уремией с помощью гемодиализа.
1960 Б Скрибнер, В Квинтон хронический гемодиализ путем имплантации в лучевую артерию и подкожную вену двух тефлоновых трубок
1980 T. Agishi с коллегами (Япония) предложил фильтр для разделения уже полученной плазмы на низко- и крупномолекулярные фракции.
2001 плазмофильтр «Роса», разработанный и выпускаемый в Подмосковье,
2004 Ч. Дженнингс в лабораторных условиях тестирует имплантируемый аппарат (ИП).
2006 Ч. Дженнингс Патент № US7083653 B2 (ИП) зарегистрирован в патентном бюро США .
2009 переносной аппарат ИП; работа от батареек на 6–8 часов, вес 4 кг
2010 в США разработан имплантируемый в организм больного гемодиализный аппарат.
2011 Траннсплантация почки по всему миру
2013 Х. Отто и др. вырастили искусственную почку биоинженерным методом.
2013 плазмофильтр «Гемос-ПФС», состоящий из спирально навитых композитных мембран.
Трансплантация почки
Родственники заболевшего нередко предоставляют одну из своих почек для пересадки больным. Донору остается одна из двух почек, которая начинает работать за себя и до 80% «за того парня», что, конечно, является для нее перегрузкой, но вполне допустимой. Происходит такая компенсация-адаптация за 2–3 дня. А вот если оставшаяся единственная почка откажет наполовину, то тяжелой работой донору заниматься станет уже невозможно.
Хроническая болезнь почек (ХБП) и заместительная почечная терапия (ЗПТ).
При уменьшении числа функционирующих нефронов развивается хроническая почечная недостаточность, при прогрессировании которой до терминальной почечной недостаточности необходимо лечение гемодиализом, перитонеальным диализом или выполнение трансплантации почки.
Трансплантация почки является наиболее эффективным видом заместительной почечной терапии, в том числе и потому, что она замещает все функции почки, тогда как диализ отчасти компенсирует только выделительную функцию почек, а для замещения других функций почки необходимо применение лекарственных средств (эритропоэтина, метаболитов витамина D и т. д.). В 2011 году по всему миру было пересажено 76 тысяч почек (всего пересажено 110 тыс. органов).
Искусственная почка
Гемодиализ — внепочечное очищение крови. Аппарат «искусственная почка» (ИП) фильтрует кровь через особую мембрану, очищает ее от воды и токсичных продуктов жизнедеятельности организма. Он работает вместо почек, когда те не в состоянии выполнять свои функции.
Плазмафере́з (синонимы: плазмофорез, плазмаферез, плазмофарез, плазмоцитофорез) — πλάσμα (плазма (крови)) + ἀφαίρεσις (отнятие или удаление) — процедура забора крови у пациента, внепочечное очищение и возвращение её или какой-то части обратно в кровоток.
Идее о возможности замещения функции почек предшествовало несколько открытий. Сначала люди поняли, для чего нужны почки и что моча может быть токсичной. Затем были открыты процессы диффузии и диализа. Наконец, в середине прошлого века появились технические возможности для создания диализаторов.
Оказывается абсолютную ИП практически невозможно сделать. Очень много функций возложено на этот орган и результаты их работы требуют очень тонкой подгонки и непрерывной регулировки. Основную работу в почке выполняют две части нефрона — клубочек и каналец. Из жидкости канальца забирается все что нужно организму, а остальлное выделяется наружу из организма.
В клубочке происходит фильтрация жидкости. Каждое вещество в отдельности должно быть тщательно проанализировано (как бы «ощупано») и нужное возвращено в кровь. Сотни литров крови за сутки проходит через почки, и из этого объема и массы необходимо после фильтрации вернуть все полезные вещества, а от вредных избавиться.
Специалисты молодцы изобретают искусственную почку, рассчитывая, что она будет спасать больных. Больные, которые поступали на гемодиализ с ИП, жили до 4 лет и умирали. Смерть наступала не от того, что почка плохо справлялась с выделением: ей не хватало всех тех дополнительных, названных ранее функций. По данным Российского диализного общества, в России более 42 тысяч человек живут на гемодиализе.
Искусственная почка не переваривает белки, не регулирует артериальное давление; рыбий жир — и тот без почки бесполезен, ведь из него именно в почке синтезируется молекула для регуляции баланса кальция. Поняв в чем дело, ученые стали разрабатывать способы гемодиализа, при которых люди, используя современные искусственные почки, могут жить долго.
Заключение
Все органы нашего тела заслуживают уважения и любви (нежного обращения) со стороны хозяина. Секрет такого подхода прост. Старайтесь жить в ладу с почками и другими органами тела.
Распорядок дня простой и неизменный, потребление пищи — еште сколько требует организм, т.е. сколько хотите сами без ограничений. Свежий хлеб, бутерброды. Возможно следует не переборщивать с сахаром, так как некоторые организмы не приемлют его избыток.
Литература
1. Бикбов Б.Т., Томилина
Н.А. Заместительная терапия больных с хронической почечной недостаточностью
методами перитонеального диализа и трансплантации почки в Российской Федерации
в 1998–2011 гг. (Отчет по данным Российского регистра заместительной почечной
терапии. Часть вторая). Нефрология и диализ. 2014. Т. 16. № 2. С. 198–199.
2. Бикбов Б.Т., Томилина Н.А. Состав больных и показатели качества лечения на
заместительной терапии терминальной хронической почечной недостаточности в
Российской Федерации в 1998–2013 гг. (Отчет по данным регистра заместительной
почечной терапии Российского Диализного Общества. Часть вторая) Нефрология и
диализ, 2016. Т. 18. №2. С. 123–125.
3. Бондарь И.А., Климонтов В.В., Королева Е.А. Альфакальцидол в коррекции
фосфорно–кальциевого обмена у больных с хронической болезнью почек // «Русский
медицинский журнал». 2008. №7. С. 463.
4. Гавриленков П.В. Особенности фосфорно-кальциевого обмена у больных
хронической почечной недостаточностью, получающих лечение хроническим
гемодиализом: Дис. … к-та мед. наук. Санкт-Петербург, 2002. 15 с.
5. Ермоленко В.М. Хроническая почечная
недостаточность. Нефрология: национальное руководство. Под ред. Н.А. Мухина.
М.: ГЭОТАР-Медиа. 2009. С. 579–629.
6. Земченков А.Ю., Герасимчук Р.П. Активаторы рецепторов витамина D и
сосудистая кальцификация (обзор литературы). Нефрол. диал. 2009. 4(11). С.
276–292.
7. Коломиец М.В., Бильченко А.В. Метаболизм ксантинов при прогрессировании
хронической сердечной недостаточности: особенности нарушений у больных с
сопутствующей хронической болезнью почек // Научный результат. Серия «Медицина
Фармация». 2016. Т. 2. № 1(7). С 17–23
8. Милованова Л.Ю., Милованов Ю.С., Козловская Л.В. Нарушения
фосфорно-кальциевого обмена при хронической болезни почек III–V стадий//
Клиническая нефрология. 2011. №1. С. 58–68.
9. Новые возможности в лечении вторичного гиперпаратиреоза у больных на
программном гемодиализе при комбинированной терапии цинакальцетом и малыми
дозами активного метаболита витамина D/ Шутов Е.В., Лашутин С.В., Люосев В.С.,
Рябинская Г.В., Горелова Е.А., Леванковская Е.И. // Клиническая
нефрология. 2011. №5. С. 41–46.
10. Свиридова М.С., Ефремова О.А., Камышникова Л.А. Распространенность
хронической болезни почек I-III стадий в Белгородской области. // Научные
ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Медицина.
Фармация. 2013. Т. 21. № 4. (147). С. 182–186.
11. Современные аспекты диагностики и лечения гиперпаратиреоза у больных с
хронической болезнью почек / Ефремова О.А., Маликова А.А., Камышникова Л.А.,
Болховитина О.А. // Научные ведомости БелГУ. Серия: Медицина. Фармация. 2015.
№22 (219). С. 12–17.
12. Чупрасов В.Б. Программный гемодиализ. СПб.: Фолиант, 2001. С. 312.
13. Block G.A., Hulbert-Shearon T.E., Levin N.W., Port F.K. Association of serum
phosphorus and calcium x phosphorus product with mortality risk in chronic
hemodialysis patients: A national study. Am J Kidney Dis 1998. 31. Pp.
607–617
14. Craver L., Marco M.P., Martinez I. et al. Mineral metabolism parameters
throughout chronic kidney disease stages 1–5-achievement of K/DOQI target
ranges. Nephrol. Dial. Transplant. 2007. 22. Pp. 1171–1176.
15. Danese M., Belozeroff V., Smirnakis K. et al. Consistent control of mineral
and bone disorder in incident hemodialysis patients. Clin. J. Am. Soc. Nephrol.
2008. 3. Pp. 1423–1429.
16. Floege J., Kim J., Ireland E. et al. Serum iPTH, calcium and phosphate, and
the risk of mortality in a European haemodialysis population. Nephrol. Dial.
Transplant. 2010. 10. Pp. 1–8.
17. Horl W.H. The clinical consequences of secondary hyperparathyroidism:
focus on clinical outcomes. Nephrol. Dial. Transplant. 2004. Vol. 19, Suppl. 5.
Pp. 2–8.
18. Kalantar-Zadeh K., Kuwae N., Regidor D. et al. Survival predictability of
time-varying indicators of bone disease in maintenance hemodialysis patients.
Kidney Int 2006. 70. Pp. 771–780.
19. National Kidney Foundation. K/DOQI clinical practice guidelines: bone
metabolism and disease in chronic kidney disease. Am. J. Kidney Dis. 2003. 42
(Suppl 4). Pp. 1–201.
20. Tan AU Jr., Levine B.S., Mazess R.B. et al. Effective suppression of
parathyroid hormone by 1 alpha-hydroxy-vitamin D2 in hemodialysis patients with
moderate to severe secondary hyperparathyroidism. Kidney Int. 1997. 51.
Pp. 317–323.
21. Wang L., Jerosch-Herold M., Jacobs J. et al. Coronary Artery Calcification
and Myocardial Perfusion in Asymptomatic Adults: The MESA (Multi-Ethnic Study
of Atherosclerosis). J. Am. Coll. Cardiol. 2006. 48. Pp. 1018–1026.
