دانلود رایگان مقاله فیزیولوژی غلظت ادرار

مقدمه

      کلیه پستانداران, اسمولالیته پلاسمای خون را تقریباً ثابت نگه می دارد و غلظت سدیم پلاسمای خون را با استفاده از مکانیسم هایی تقریباً ثابت نگه می دارد که به طور مستقل دفع آب و سدیم را تنظیم می کند. از آنجا که بسیاری از پستانداران دسترسی مداوم به آب ندارند، قابلیت تغییر دفع آب می تواند برای بقا ضروری باشد. از آنجا که سدیم و آنیونهای آن, ترکیبات اسمزی اصلی پلاسمای خون هستند و غلظت های پایدار الکترولیت نیز ضروری می باشند، دفع آب باید توسط مکانیسمهایی تنظیم شود که آن را از دفع سدیم جدا می کند. مکانیسم تغلیظ ادرار, نقش اساسی را در تنظیم دفع آب و سدیم ایفا می کند. هنگامی که مصرف آب برای رقیق نمودن پلاسمای خون به اندازه کافی بزرگ باشد، ادرار رقیق تر از پلاسمای خون تولید می شود. هنگامی که مصرف آب آنقدر کوچک است که پلاسمای خون تغلیظ می شود، ادرار غلیظ تر از پلاسمای خون تولید می شود. در هر دو مورد، میزان دفع املاح ادراری کل و سرعت دفع ادراری سدیم کوچک هستند و به طور معمول در محدوده باریک متغیر می باشند.

      در تضاد با دفع املاح، اسمولالیته ادرار به طور گسترده ای در پاسخ به تغییرات در میزان مصرف آب متغیر است. پس از چند ساعت بدون مصرف آب، مانند خواب شبانه، اسمولالیته ادرار انسان ممکن است به∼1,200 mOsm/kg H2O ، در حدود 4 برابر اسمولالیته پلاسما (∼290 mOsm/kg H2O) افزایش یابد. در مقابل، اسمولالیته ادرار ممکن است به سرعت پس از مصرف مقدار زیادی از آب کاهش یابد، مانند آنچه معمولاً در صبحانه رخ می دهد، اسمولالیته ادرار انسان (و دیگر پستانداران) ممکن است تقریباً به 50 mOsm/kg H2O کاهش یابد. اکثر مطالعات فیزیولوژیک مربوط به ساز وکار تغلیظ ادرار در گونه ها (جوندگان، خرگوش) انجام شده است که می توانند به حداکثر اسمولیته های ادرار بالاتر از انسان برسند. به عنوان مثال، خرگوش ها می توانند تا ∼1,400 mOsm/kg H2O, موش های صحرایی تا ∼3,000 mOsm/kg H2O, موش ها و همسترها تا ∼4,000 mOsm/kg H2O ، و نوعی جانور جونده تا ∼7,600 mOsm/kg H2O (که در [1] بررسی شده است) تغلیظ شود.

       همه کلیه های پستانداران یک گرادیان اسمزی را حفظ می کنند که از مرز کورتیو-مدولاری به نوک مدولا (نوک برآمدگی) افزایش می یابد. این گرادیان اسمزی حتی در ادرار پایدار می شود، اگر چه دامنه آن نسبت به آنتی دیورسیس کاهش می یابد [2؛ 3]. NaCl یکی از ترکیبات عمده گرادیان اسمزی در بخش مدولای بیرونی است، در حالی که NaCl و اوره, اجزای تشکیل دهنده اصلی در مدولا درونی هستند [2؛ 3]. این قشر, تقریباً همنوا با پلاسماست، در حالی که نوک مغزی (برآمدگی) نوک داخلی, هیپرتونیک به پلاسما است، و دارای اسمولالیته مشابه با ادرار در طول آنتی دیورسیس است [4]. سدیم و پتاسیم که با آنیونهای یک ظرفیتی همراه می شود و اوره, املاح عمده ادراری هستند؛ اوره به طور معمول املاح ادراری غالب در طول آنتی دیورسیس  قوی است [2؛ 3].

      مکانیسم های کنترل مستقل دفع آب و سدیم عمدتاً در مدولا کلیه گنجانده شده اند. بخش های نفرون مدولاری و موجی در روابط آناتومیک پیچیده اما خاص، از نظر پیکربندی سه بعدی و از نظر اینکه کدام بخش ها به کدام بخش ها متصل می شوند مرتب می شوند. تولید ادرار غلیظ شده شامل فعل و انفعالات پیچیده در میان بخش های نفرون مدولاری [5؛ 6] و عروق خونی می شود. در مدولای بیرونی، اندام های صعودی ضخیم از حلقه های Henle به طور فعال در NaCl دوباره جذب می شوند. این مورد برای دو نقش حیاتی به کار گرفته می شود: رقیق شدن مایع مجرایی؛ و فراهم نمودن NaCl برای افزایش اسمولالیته میان بافتی مدولاری، پارس رکتا، اندام نزولی، عروق و جمع آوری مجاری. هر دو بخش نفرون و مجراها در یک پیکربندی مخالف مرتب می شوند و در نتیجه تولید یک شیب اسمولالیته مدولاری در امتداد محور کورتیکو-مدولاری تسهیل می شود. در مدولا داخلی، اسمولالیته همچنان رو به افزایش می گذارد، اگر چه منبع اثر تغلیظ مورد بحث است. پذیرفته ترین مکانیسم, بازجذب غیر فعال NaCl باقی مانده، در اضافه ترشح، از اندام های نازک و صعودی حلقه های Henle [7؛ 8] می باشد.

      مطالعات توبول تزریقی, پایه و اساس بسیاری از نظریه ها در مورد چگونگی تولید ادرار غلیظ تولید شده را ارائه نموده اند (که در [1] بررسی شده است). شبیه سازی بسیاری از پروتئین ها که واسطه نقل و انتقال اوره، سدیم و آب در بخش های نفرون هستند که برای غلظت ادراری و رقت مهم هستند, بینش های اضافی به مکانیزم تغلیظ ادرار (شکل 1) را فراهم نموده است. به طور کلی، پروتئین های نقل و انتقال اوره، سدیم، و آب به شدت خاص هستند و به نظر می رسد اساس مولکولی برای کشیدن حلال را از بین می برند؛ این به طور خاص نشان می دهد که ضرایب انعکاس باید 1 باشند [1]. برای بررسی دقیق این خصوصیات نقل و انتقال، خواننده به [1] ارجاع داده می شود.

ویژگی های کلی مکانیسم تغلیظ

ضرب جریان مخالف

       ضرب جریان مخالف به فرایندی اشاره می کند که به واسطه آن یک تفاوت اسمولالیته کوچک، در هر سطح از مدولای بیرونی، بین جریان های سیال در اندام های صعودی و نزولی حلقه های Henle، در پیکربندی جریان مخالف برای ایجاد یک تفاوت اسمولالیته محوری بزرگ ضرب می شود. این تفاوت محوری غالباً به عنوان شیب اسمولالیته کورتیو-مدولاری ارجاع داده می شود، زیرا در امتداد محور کورتیکو-مدولاری توزیع می شود. شکل 2, اصل ضرب جریان مخالف را نشان می دهد. پانل های شکل, یک شماتیک از یک حلقه کوتاه Henle را نشان می دهد. کانال سمت چپ نشان دهنده اندام نزولی است در حالی که کانال سمت راست نشان دهنده اندام صعودی ضخیم است. مانع نفوذ ناپذیر- آب, دو کانال را جدا می کند. فلش های عمودی, جریان رو به پایین و کانال سمت چپ و جریان رو به بالای کانال سمت راست را نشان می دهد. فلش های افقی (با جهت-چپ), نقل و انتقال فعال املاح کانال را کانال راست به چپ نشان می دهد. اسمولالیته مایع موضوعی توسط شماره های درون کانال ها نشان داده می شود. پانل های پی در پی نشان دهنده دوره فرآیند ضرب است.

      حلقه شماتیک با مایع ایزومولار در سراسر (پانل A از شکل 2) شروع می شود. در پانل B، املاح کافی توسط یک مکانیسم انتقال فعال برای ایجاد یک تفاوت اسمولالیته 20 mOsm/kg H2O بین جریان های صعودی و نزولی در هر سطح پمپاژ می شود. این تفاوت اسمولالیته کوچک، که در عرض جریان قرار دارد, "اثر تک" ارجاع داده می شود. مقادیر اسمولالیته بعد از همرفت مایع از نیمه راه املاح به سمت پایین کانال چپ و نیمه راه به سمت بالای کانال سمت راست در پنل C نشان داده شده است. در پانل D، یک تفاوت اسمولالیته 20 mOsm/kg H2O  دوباره توسط مکانیزم انتقال فعال ایجاد شده است و مایع مجرایی نزدیک خمش حلقه به اسمولالیته بالاتر از پانل A رسیده است.  یک اسمولالیته به تدریج بالاتر در خمش حلقه توسط تکرار های پی در پی این فرایند به دست می آید. یک تفاوت اسمولالیته بزرگ در امتداد جهت جریان تولید می شود, همانطور که در پانل E نشان داده شده است که در آن اسمولالیته در قوس حلقه تقریباً 300 mOsm/kg H2O بالاتر از اسمولالیته مایع ورودی به حلقه است. بنابراین، یک تفاوت 20 mOsm/kg H2O ، "اثر تک،" از نظر محوری در طول حلقه با فرآیند ضرب جریان مخالف ضرب شده است.

Summary:

       The renal medulla produces concentrated urine through the generation of an osmotic gradient extending from the cortico-medullary boundary to the inner medullary tip. This gradient is generated in the outer medulla by the countercurrent multiplication of a comparatively small transepithelial difference in osmotic pressure. This small difference, called a single effect, arises from active NaCl reabsorption from thick ascending limbs, which dilutes ascending limb flow relative to flow in vessels and other tubules. In the inner medulla, the gradient may also be generated by the countercurrent multiplication of a single effect, but the single effect has not been definitively identified. There have been important recent advances in our understanding of key components of the urine concentrating mechanism. In particular, the identification and localization of key transport proteins for water, urea, and sodium, the elucidation of the role and regulation of osmoprotective osmolytes, better resolution of the anatomical relationships in the medulla, and improvements in mathematic modeling of the urine concentrating mechanism. Continued experimental investigation of transepithelial transport and its regulation, both in normal animals and in knock-out mice, and incorporation of the resulting information into mathematic simulations, may help to more fully elucidate the inner medullary urine concentrating mechanism.

       The mammalian kidney maintains nearly constant blood plasma osmolality and nearly constant blood plasma sodium concentration by means of mechanisms that independently regulate water and sodium excretion. Because many mammals do not have continuous access to water, the ability to vary water excretion can be essential for survival. Because sodium and its anions are the principal osmotic constituents of blood plasma, and stable electrolyte concentrations are also essential, water excretion must be regulated by mechanisms that decouple it from sodium excretion.

       The urine concentrating mechanism plays a fundamental role in regulating water and sodium excretion. When water intake is large enough to dilute blood plasma, a urine more dilute than blood plasma is produced; when water intake is so small that blood plasma is concentrated, a urine more concentrated than blood plasma is produced. In both cases, the total urinary solute excretion rate and the urinary sodium excretion rate are small and normally vary within narrow bounds.

       In contrast to solute excretion, urine osmolality varies widely in response to changes in water intake. After several hours without water intake, such as occurs overnight during sleep, human urine osmolality may increase to approximately 1,200 mOsm/kg H2O, about 4 times plasma osmolality (
290 mOsm/kg H2O). Conversely, urine osmolality may decrease rapidly after the ingestion of large quantities of water, such as commonly occurs at breakfast, at which point human urine osmolality (and that of other mammals) may decrease to approximately 50 mOsm/kg H2O. Most physiologic studies relevant to the urine concentrating mechanism have been conducted in species that can achieve higher maximum urine osmolalities than human beings. For example, rabbits can concentrate to approximately 1,400 mOsm/kg H2O, rats to approximately 3,000 mOsm/kg H2O, mice and hamsters to approximately 4,000 mOsm/kg H2O, and chinchillas to approximately 7,600 mOsm/kg H2O (reviewed by us previously1).

       All mammalian kidneys maintain an osmotic gradient that increases from the corticomedullary boundary to the tip of the medulla (papillary tip). This osmotic gradient is sustained even in diuresis, although its magnitude is diminished relative to antidiuresis.2,3 NaCl is the major constituent of the osmotic gradient in the outer medulla, whereas NaCl and urea are the major constituents in the inner medulla.2,3 The cortex is nearly isotonic to plasma, whereas the inner medullary (papillary) tip is hypertonic to plasma, and has osmolality similar to urine during antidiuresis.4 Sodium and potassium, accompanied by univalent anions, and urea are the major urinary solutes; urea is normally the predominant urinary solute during a strong antidiuresis.2,3

      The mechanisms for the independent control of water and sodium excretion are contained mostly within the renal medulla. The medullary nephron segments and vasa recta are arranged in complex but specific anatomic relationships, both in terms of 3-dimensional configuration and in terms of which segments connect to which segments. The production of concentrated urine involves complex interactions among the medullary nephron segments5,6 and vasculature. In outer medulla, the thick ascending limbs of the loops of Henle actively reabsorb NaCl. This serves 2 vital functions: it dilutes the luminal fluid, and it provides NaCl to increase the osmolality of the medullary interstitium, pars recta, descending limbs, vasculature, and collecting ducts. Both the nephron segments and vessels are arranged in a countercurrent configuration, thereby facilitating the generation of a medullary osmolality gradient along the corticomedullary axis. In inner medulla, osmolality continues to increase, although the source of the concentrating effect remains controversial. The most widely accepted mechanism remains the passive reabsorption of NaCl, in excess of solute secretion, from the thin ascending limbs of the loops of Henle.7,8

       Perfused tubule studies provided the basis for many of the theories of how concentrated urine is produced (reviewed by us previously1). The cloning of many of the proteins that mediate urea, sodium, and water transport in nephron segments that are important for urinary concentration and dilution have provided additional insights into the urine concentrating mechanism (Fig. 1). In general, the urea, sodium, and water transport proteins are highly specific and appear to eliminate a molecular basis for solvent drag; this specifically suggests that the reflection coefficients should be 1.1 For a detailed review of these transport properties, the reader is referred to our previous report.1

GENERAL FEATURES OF THE CONCENTRATING MECHANISM

Countercurrent Multiplication

       Countercurrent multiplication refers to the process by which a small osmolality difference, at each level of the outer medulla, between fluid flows in ascending and descending limbs of the loops of Henle, is multiplied by the countercurrent flow configuration to establish a large axial osmolality difference. This axial difference frequently is referred to as the corticomedullary osmolality gradient because it is distributed along the corticomedullary axis. Figure 2 illustrates the principle of countercurrent multiplication. Figure 2 shows a schematic of a short loop of Henle: the left channel represents the descending limb and the right channel represents the thick ascending limb. A water-impermeable barrier separates the 2 channels. Vertical arrows indicate flow down the left channel and up the right channel. Horizontal arrows (left-directed) indicate active transport of solute from the right channel to the left channel. Local fluid osmolality is indicated by the numbers within the channels. Successive panels represent the time course of the multiplication process.

      The schematic loop starts with isosmolar fluid throughout (Fig. 2A). In Figure 2B, enough solute has been pumped by an active transport mechanism to establish a 20-mOsm/kg H2O osmolality difference between the ascending and descending flows at each level. This small osmolality difference, transverse to the flow, is called the single effect. Osmolality values after the fluid has convected the solute halfway down the left channel and halfway up the right channel are illustrated in Figure 2C. In Figure 2D, a 20-mOsm/kg H2O osmolality difference has been re-established by the active transport mechanism, and the luminal fluid near the bend of the loop has attained a higher osmolality than in Figure 2A. A progressively higher osmolality is attained at the loop bend by successive iterations of this process. A large osmolality difference is generated along the flow direction, as illustrated in Figure 2E, where the osmolality at the loop bend is nearly 300 mOsm/kg H2O above the osmolality of the fluid entering the loop. Thus, a 20-mOsm/kg H2O difference, the single effect, has been multiplied axially down the length of the loop by the process of countercurrent multiplication.

مقدمه

ویژگی های کلی مکانیسم تغلیظ

ضرب جریان مخالف

تبادل جریان مخالف

مکانیسم تغلیظ ادرار: تاریخچه و تئوری

بررسی اجمالی

مکانیسم تغلیظ ادرار در مدولای بیرونی

فرضیه مکانیزم منفعل برای مدولا داخلی

جایگزین های مکانیسم منفعل

نقش مجرای جمع کننده

نقل و انتقال آب

نقل و انتقال اوره

تنظیم سریع نقل و انتقال تسهیل شده اوره در IMCD

تنظیم طولانی مدت ناقل های اوره

واسوپرسین

بسته شدن ژنتیک ناقل های اوره

بازیافت اوره

خلاصه

Summary

General Features of the Concentrating Mechanism

Countercurrent Multiplication

Countercurrent Exchange

Urine Concentrating Mechanism: History and Theory

Overview

Urine Concentrating Mechanism in the Outer Medulla

The Passive Mechanism Hypothesis for the Inner Medulla

Critique and Re-emergence of the Passive Mechanism Hypothesis

Alternatives to the Passive Mechanism

Role of the Collecting Duct

Water Transport

Urea Transport

Rapid Regulation of Facilitated Urea Transport in the IMCD

Long-Term Regulation of Urea Transporters

Vasopressin

Genetic Knock-Out of Urea Transporters

Urea Recycling

Summary

References