Vesitasapainon säätely Kappaleet 26 ja 27 Tortora 12ed
Yleistä Noin 60% ruumiinpainosta on vettä Yli puolet solujen sisällä Loput solunulkoisessa nesteessä Kudosneste Plasma Lymfa
Homeostaasi Solunulkoisen nesteen koostumus Tilavuus Ravinteita ruuansulatuskanavan kautta Maksa tuottaa proteiineja verenkiertoon Hengitys poistaa hiilidioksidin Munuaisilla ylläpitävät plasman koostumusta ja tilavuutta! Munuaiset poistavat vieraita- ja kuonaaineita!
Munuiasten toimintatapa Munuaisessa noin 1 milj. nefronia hiussuonikeränen, munuaistiehyt Veri suodatetaan (primaarivirtsa) ja kuljetetaan lopuksi virtsarakkoon. Filtraatio, reabsorptio, sekreetio
Toimintatapa Suodattuminen Reabsorptio Sekreetio
Munuaisten tärkeimmät tehtävät Erottaa kuona-aineet ja poistaa ne Erottaa vieraat aineet Pitää solunulkoisen nesteen osmoottisen paineen vakiona Säätelevät solunulkoisen nesteen tilavuutta Säätelevät solunulkoisen nesteen ionipitoisuutta (Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+, Cl -, SO 4 2- och PO 4 3- ) Happo- emäs tasapaino (H +, HCO 3- ) Muodostaa EPOa ja reniinia, aktivoi kalsidiolin kalsitrioliksi (vitamiini D) Glukoneogeneesi
Munuaisen rakenne
Nefronin rakenne
nefronin rakenne
Hiussuonikeränen, glomerulus Noin 10 samansuuntaista hiussuonea Verta tulee afferentin- ja poistuu efferentin pikkuvaltimon kautta (virtausnopeuden säätely) Efferentti pikkuvaltimo haarautuu peritubulaarisksi hiussuoniksi Glomerulusta ympäröi sidekudoskotelo, keräsenkotelo. Tämän uloin lehti muodostaa tiehytjärjestelmän.
Kiemuratiehyeet Proksimaalinen tubulus (kiemuratiehyt), henlen linko, distaalinen kiemuratiehyt, kokoojaputki. Distaalinen kiemuratiehyt kulkee tuoja- ja viejäsuonen välistä lähellä hiussuonikerästä (macula densa) Kokoojaputki tyhjenee munuaisnystyn kautta munuaisaltaaseen.
Proksimaalisella ja distaalisella kiemuratiehyeessä erilaiset olosuhteet Proksimaalisen kiemuratiehyeen solut soveltuvat hyvin suurten neste ja ionimäärien kuljettamiseen. Mutta soluvälit vuotavat Distaalisen kiemuratiehyeen soluilla pieni kuljetuskapasiteetti edelliseen verrattuna, mutta eivät vuoda Rakenne seuraa toimintaa!
Verenvirtaus munuaisten hiussuonissa Munuaisten läpi yli litra verta minuutissa! Tehokas plasman koostumuksen säätely Verenkierto voimakasta kuorikerroksessa, vähäisempää ytimessä -> oleellista virtsan tiivistyksen kannalta Verenpaine glomerulussuonissa korkeampi kuin verenkierron hiussuonissa. Johtuu siitä, että tuoja- ja viejäsuonten ominaisuudet erilaisia
Glomeruluksen toiminta
Suodatus Noin 125ml alkuvirtsaa / minuutti Melkein valkuaisaineetonta plasmaa Kaikki valkuaisaineita pienemmät aineet suodattuvat alkuvirtsaan (peptidihormonit, urea, glukoosi, aminohapot, ketonit ym. Olosuhteet -> ei takaisinimeytymistä! Suodatuspaine pyritään aina pitämään vakiona! koko plasma suodattuu 60 kertaa vuorokaudessa edellytys tarkalle säätelylle!
Suodatus Glomeruluksen paine Keräsenkotelon paine Plasman kolloidiosmoottinen paine
Suodatuksen säätely tuojasuonten supistus suodatus vähenee huomattavasti glomerulussuonten paine alas viejäsuonten supistus suodatus vähenee jonkin verran glomerulussuonten paine ylös Koska mekanismit ovat vastavaikutteisia suodatuspainetta ajatellen, niiden avulla voidaan pitää suodatuspaine vakiona!
Suodatuksen muutokset
Autoregulaatio säätelyä verenpaineen mukaan stressin mukaan autonominen hermosto (sympatikus) angiotensiini
Autoregulaatio I Verenpaineen nousu lisää tuojasuonten vastusta ja suodatuspaine pysyy vakiona Verenpaineen lasku lisää viejäsuonten vastusta ja suodatuspaine pysyy vakiona
Autoregulaatio II Jos verenpaine matalana minuutteja Reniini (tuojasuonen erikoistuneet lihassolut sekä macula densa) Angiotensiini II -> viejäsuonten supistus Verenpaineen lasku lisää viejäsuonten vastusta ja suodatuspaine pysyy vakiona
Madaltunut verenpaine siis Suurentaa verenkierron kokonaisvastusta Heikentää munuaisten läpivirtaavan veren määrää (paine pysyy vakiona) ja verta saadaan tärkeisiin elimiin Angiotensiini II lisää viejäsuonien vastusta -> peritubulaarisuonten verenpaine laskee -> enemmän nestettä imeytyy niihin -> enemmän nestettä verenkiertoon -> verenpaine ja tilavuus kasvavat. Angiotensiini II kiihdyttää myös aldosteronin tuotantoa -> tehostunut Na+ takaisinotto -> tehostunut veden imeytyminen Vaikka virtaus munuaisten läpi pienenee, paine pysyy samana -> kuona-aineiden eritys pysyy lähes muuttumattomana
Munuaistiehyen toiminta Tarkoitus muodostaa suodatetusta plasmasta virtsaa glomeruluksissa suodattuu alkuvirtsaa tiehyissä voidaan ottaa aineita aktiivisesti takaisin valikoiden tai poistaa aktiivisesti valikoiden
Takaisinimeytyminen Erikoistunut kuljettamaan takaisin aineita, joita elimistö tarvitsee Valikoivaa Energiaa vaativaa On vastuussa veriplasman koostumuksen säätelystä Esim, vuorokaudessa alkuvirtsaan suodattuu 150g sokeria ja 1.5kg suolaa!
Takaisinimeytyminen
Kuljetusmekanismit Passiivisia tai aktiivisia Neutraalien molekyylien passiivinen kuljetus aina konsentraatiogradientin mukaan Ionien passiiviseen kulkeutumiseen vaikuttaa solun kalvojännite! (positiiviset ionit negatiiviseen suuntaan jne.) Aktiivinen kuljetus primaarisesti tai sekundaarisesti aktiivista
Aktiivinen takaisinimeytyminen Natrium, glukoosi, aminohapot ym.
Aktiivinen takaisinimeytyminen primaarinen (Na+)
Sekundaarisesti aktiivinen kuljetus, glukoosi, aminohapot,..
Veden takaisinimeytyminen
Passiivinen takaisinimeytyminen Riippuvainen: Konsentraatiogradientista Rasvaliukoisuudesta
Sekreetio Aineiden siirtyminen peritubuaarisista suonista munuaistiehyeisiin Aktiivista tai sekundaarisesti aktiivista Esimerkkejä Protonit Urea Hormonit Lääkeaineet Jne (mutta vain ionisoituneet aineet)
Glukoosi ja pienet aminohapot Glukoosi Kaikki suodatettu glukoosi reabsorboidaan proksimaalisessa tubuluksessa. Sama pätee esim. aminohappoihin, ketoneihin, maitohappoon Pienimmät proteiinit suodattuvat mutta reabsorboidaan
Natrium Natrium Tarkoin säädelty. Tärkeä myös sekundaarisesti aktiivisen kuljetuksen kannalta. 70% kaikesta alkuvirtsan natriumista reabsorboidaan. Natriumin reabsorptio -> vesi seuraa osmoottisesti Aldosteroni lisää natriumin takaisinottoa ja kaliumin eritystä. Koska suhde 3/2 vesi seuraa suoniin Atriopeptidi (ANP) Vähentää natriumin takaisinottoa
Homeostatic responses to salt ingestion
P cell of distal nephron Interstitial fluid Blood 1 Aldosterone combines with a cytoplasmic receptor. Lumen of distal tubule K + secreted Na + reabsorbed 5 3 Translation and protein synthesis New channels 4 New pumps Proteins modulate existing channels and pumps K + Na + 2 1 ATP ATP Aldosterone receptor K + Na + Aldosterone K + 2 3 4 5 Hormone-receptor complex initiates transcription in the nucleus. New protein channels and pumps are made. Aldosterone-induced proteins modify existing proteins. Result is increased Na + reabsorption and K + secretion. Na +
The renin-angiotensin-aldosterone system (RAAS) Liver constantly produces Angiotensinogen in the plasma Blood pressure Granular cells (kidney) produce Renin ANG I in plasma Blood vessel endothelium contains ACE (enzyme) ANG II in plasma Arterioles Cardiovascular control center in medulla oblongata Hypothalamus Adrenal cortex Aldosterone Vasoconstrict Cardiovascular response Vasopressin Thirst Na + reabsorption Blood pressure Volume and maintain osmolarity
Sodium Balance Decreased blood pressure stimulates renin secretion Blood pressure GFR Cardiovascular control center direct effect NaCl transport across Sympathetic activity Macula densa of distal tubule Paracrines Granular cells of afferent arteriole Renin secretion Figure 20-14
Sodium Balance Natriuretic peptides promote salt and water excretion Increased blood volume causes increased atrial stretch Myocardial cells stretch and release Natriuretic peptides Hypothalamus Kidney Adrenal cortex Medulla oblongata Less vasopressin Increased GFR Decreased renin Less aldosterone Decreased blood pressure NaCl and H 2 O excretion Figure 20-15
Kalsium Säädellään ulosteen ja munuaisten avulla Kalsiumin takaisinotonsäätely tapahtuu distaalisessa kiemuratiehyessä Kalsitoniini Parathormoni
Kalium Kalium proksimaalisessa tubuluksessa aktiivinen K+ reabsorbointi, distaalisessa tubuluksessa aktiivinen K+ sekreetio! Melkein kaikki kaikki kalium reabsorboidaan roksimaalisessa tubuluksessa. Säätely täten pääasiallisesti distaalisessa tubuluksessa! Aldosteroni lisää eritystä
Vesi Veden määrä virtsassa vaihtelee Riippuu juodun nesteen määrästä syödyn ruuan mineraalipitoisuudesta osmolaliteetti! veren määrästä
Virtsan väkevöityminen Säädellään tarpeen mukaan Tärkeitä säätelijöitä mm. ADH plasman osmolaliteetti n. 300mosmol/kg Munuaisten osmolaliteetti kasvaa mentäessä kuorikerrokselta ytimeen päin. Tämä mahdollistaa väkevöitymisen!
Virtsan väkevöityminen Proximal tubule Distal tubule 300 mosm 300 mosm 600 mosm Only water reabsorbed 900 mosm 300 100 1 Loop of Henle 2 Ions reabsorbed but no water 3 CORTEX MEDULLA Permeability to water and solutes is regulated by hormones. Variable reabsorption of water and solutes 1 2 3 4 Isosmotic fluid leaving the proximal tubule becomes progressively more concentrated in the descending limb. Removal of solute in the thick ascending limb creates hyposmotic fluid. Hormones control distal nephron permeability to water and solutes. Urine osmolarity depends on reabsorption in the collecting duct. 1200 mosm 1200 Collecting duct 4 50 1200 mosm urine excreted Figure 20-4
Countercurrent Heat Exchanger Warm blood Cold blood Warm blood Warm blood Heat lost to external environment Limb (a) (b) Figure 20-9
Water Balance Filtrate entering the descending limb 300 mosm 300 mosm Blood in the vasa recta 300 mosm 500 500 The ascending limb pumps out Na +, K +, and Cl 100 mosm Countercurrent exchange in the medulla of the kidney 600 600 600 600 900 900 1200 900 Vasa recta 900 (a) 1200 mosm 1200 mosm Loop of Henle KEY H 2 O = Cl = K + = Na + = Figure 20-10a
Ion reabsorption 4 100 mosm leaving the loop Active reabsorption of ions in the thick ascending limb creates a dilute filtrate in the lumen 3 Water cannot follow solute 2 Salt reabsorption 1 1200 mosm entering ascending loop of Henle Cells of ascending loop of Henle (b) KEY H 2 O = Interstitial fluid K + = Cl = Na + = Figure 20-10b
Kyky tuottaa vahvaa tai laimeata virtsaa
Excretion The relationship between clearance and excretion Filtration (100 ml/min) KEY = 100 ml of plasma or filtrate 2 1 2 Plasma concentration is 4/100 ml. GFR = 100 ml /min 1 Glucose molecules 3 4 100 ml plasma is reabsorbed. Clearance depends on renal handling of solute. 3 100 ml, 100% glucose reabsorbed No glucose excreted 4 Glucose clearance = 0 ml/min (a) Glucose clearance Figure 19-17a
Virtsa Keräytyy munuaisaltaisiin, poistuu virtsateitä pitkin. Alkuvirtsaa suodattuu noin 180 litraa vuorokaudessa, 178.5 imeytyy takaisin. Ei sisällä tärkeitä ravinne ja rakennusaineita, K ja Na pitoisuudet vaihtelevat. Virtsan mukana ulos kuona-aineita. Päivitäin tuotettava ainakin 500ml virtsaa Aminohappojen hajoamistuotteet Urea, KREATINIINI (huom, ei kreatiini!)
Micturition The storage of urine and the micturition reflex Relaxed (filling) state Bladder (smooth muscle) Higher CNS input Internal sphincter (smooth muscle) passively contracted External sphincter (skeletal muscle) stays contracted (a) Bladder at rest Tonic discharge Figure 19-18a
Micturition Stretch receptors 1 Sensory neuron Parasympathetic neuron 2 Higher CNS input may facilitate or inhibit reflex 1 Stretch receptors fire. 3 2 Parasympathetic neurons fire. Motor neurons stop firing. Internal sphincter External sphincter 3 Motor neuron 2 Tonic discharge inhibited 3 Smooth muscle contracts. Internal sphincter passively pulled open. External sphincter relaxes. (b) Micturition Figure 19-18b
Virtsan määrään vaikuttavia tekiöitä takaisinimeytyminen sympatikuksen aktiivisuus reniini-anp-angiotensiini-aldosteroni ADH verenpaineenmuutokset kolloidiosmoottinen paine
Elimistön nestemäärän ja osmolaliteetin säätely Nestetasapainoa säätelevät mekanismit aktivoi Verimäärän pieneneminen tai suureneminen painereseptorit angiotensiin, reniini Osmolaliteetin pieneminen tai suureneminen osmoreseptorit ADH, jano
ADH-järjestelmä ADH eritys aktivoituu: Osmolariteetti korkea hypotalamuksessa Yli 10% lasku verenmäärässä Painereseptorit laskimoissa ja sydämen oikeassa eteisessä TILAVUUTTA TARKKAILEVAT RESEPTORIT VOITTAVAT OSMOLARITEETTIA TARKKAILEVAT, nk. override
Veden reabsorptio Vasopressiini lisää kokoojaputken permeabiliteettia vedelle Akvaporiineja liitetään kokoojaputken solukalvoon Figure 20-5a
Veden reabsorptio- akvaporiineja kokoojaputkisolujen apikaalipuolelle Vasopressin causes insertion of water pores into the apical membrane Cross section of kidney tubule Collecting duct lumen Collecting duct cell Medullary interstitial fluid Vasa recta 1 Vasopressin binds to membrane receptor. Filtrate 300 mosm H 2 O H 2 O 600 mosm Storage vesicles H 2 O 600 mosm 4 H 2 O 700 mosm 2 Receptor activates camp second messenger system. Exocytosis of vesicles 3 Aquaporin-2 water pores 2 Second messenger signal camp 1 Vasopressin 3 4 Cell inserts AQP2 water pores into apical membrane. Water is absorbed by osmosis into the blood. Vasopressin receptor Figure 20-6
Figure 20-7
Virtsanmäärää muuttavat tekijät
DEHYDRATION Blood volume/ Blood pressure accompanied by Osmolarity CARDIOVASCULAR MECHANISMS RENIN-ANGIOTENSIN SYSTEM RENAL MECHANISMS HYPOTHALAMIC MECHANISMS Hypothalamic osmoreceptors Carotid and aortic baroreceptors + + Granular cells + Flow at macula densa + GFR Atrial volume receptors; Carotid and aortic baroreceptors CVCC + Renin Volume conserved Hypothalamus Angiotensinogen ANG I + Parasympathetic output Sympathetic output ACE Vasopressin release from posterior pituitary + + Heart Arterioles + ANG II + Thirst + Vasoconstriction Adrenal cortex osmolarity inhibits Rate Force Peripheral resistance Aldosterone Distal nephron Distal nephron Na + reabsorption Cardiac output Blood pressure Volume H 2 O reabsorption and H 2 O intake Osmolarity
Happo-emästasapaino
Happo- emästasapaino Plasman normaali ph 7.38 7.42 H + konsentraatio tarkoin säädelty Proteiinien tertaarirakenne altistuu muutoksille, jos ph liian alhainen tai korkea Epänormaali ph vaikuttaa myös keskushermostoon Asidoosi: neuronien ärsytyskynnys korkeampi, keskushermoston toiminta alhaisempi Alkaloosi: hypereksitabiliteetti; neuronien ärsytyskynnys alhaisempi ph-häiriöt Kytköksissä K + häiriöihin
Vetyionien ja ph-tasapaino elimistössä Fatty acids Amino acids H + input CO 2 (+ H 2 O) Lactic acid Ketoacids Plasma ph 7.38 7.42 Buffers: HCO 3 in extracellular fluid Proteins, hemoglobin, phosphates in cells Phosphates, ammonia in urine CO 2 (+ H 2 O) H + output H + Figure 20-18
Happojen ja emästen input elimistöön Hapot Orgaaniset hapot Diet and intermediates Ääriolosuhteissa Metabolic organic acid production can increase Ketoacids Diabetes CO 2 tuotanto Acid production Emäkset Emäksisiä Few dietary sources of bases
ph homeostaasi Puskurit Moderate changes in ph Combines with or releases H + Cellular proteins, phosphate ions, and hemoglobin Hengitys Rapid response 75% of disturbances Munuaisten säätely Slowest of the three mechanisms Directly excreting or reabsorbing H + Indirectly by change in the rate at which HCO 3 buffer is reabsorbed or excreted
ph häiriöt Plasma H + ( ph) by Law of Mass Action Plasma P CO2 The reflex pathway for respiratory compensation of metabolic acidosis Negative feedback Carotid and aortic chemoreceptors Respiratory control centers in the medulla Action potentials in somatic motor neurons Central chemoreceptors Negative feedback Muscles of ventilation Rate and depth of breathing Plasma H + ( ph) by Law of Mass Action Plasma P CO2 Figure 20-19
ph häiriöt: munuaisten kompensaatiomekanismi asidoosissa Nephron cells Acidosis ph = H + Blood HPO 4 2 filtered CO 2 + H 2 O Carbonic Anhydrase H + secreted H + + HCO 3 HCO 3 reabsorbed H 2 PO 4 H + Excreted in urine Amino acids + H + NH 4 + HCO 3 buffer added to extracellular fluid Figure 20-20
Happo-emästasapainoon vaikuttavat transportterit munuaistubuluksissa Apical Na + -H + exchanger (NHE) Basolateral Na + -HCO 3 symport H + -ATPase H + -K + -ATPase Na + -NH 4+ antiport
Renal Compensation Glomerulus Filtration HCO 3 Na + Bowman s capsule Interstitial fluid Proximal tubule cell Peritubular capillary 1 2 Na + -H + antiport secretes H +. H + in filtrate combines with filtered HCO 3 to form CO 2. 1 Na + Na + Secreted H + H 4 + 3 4 CO 2 diffuses into cell and combines with water to form H + and HCO 3. H + is secreted again and excreted. Filtered HCO 3 + H + 2 CA H 2 O + CO 2 Secreted H + and NH 4 + will be excreted 7 3 6 CO 2 + H 2 OCA Glutamine Na + Na + HCO 3 HCO 3 H + + HCO 3 NH + 4 akg HCO 3 HCO 3 Na + Na + Na + 5 Reabsorbed 8 5 HCO 3 is reabsorbed. 6 7 Glutamine is metabolized to ammonium ion and HCO 3. NH 4+ is secreted and excreted. 8 HCO 3 is reabsorbed. Figure 20-21, steps 1 8
Intercalated Cells Type A intercalated cells function in acidosis Figure 20-22a
Intercalated Cells Type B intercalated cells function in alkalosis Figure 20-22b
Happo-emästasapaino Table 20-2