Biologia I

Vaikka munuaiset ovat tärkein osmoregulatorinen elin, myös iholla ja keuhkoilla on osansa prosessissa. Vettä ja elektrolyyttejä menetetään ihon hikirauhasten kautta, mikä auttaa kosteuttamaan ja viilentämään ihon pintaa, kun taas keuhkot poistavat pienen määrän vettä limakalvojen eritteiden muodossa ja vesihöyryn haihtumisen kautta.

Munuaiset: The Main Osmoregulatory Organ

Kuva 1. Munuaiset suodattavat verta ja tuottavat virtsaa, joka varastoidaan virtsarakkoon ennen poistumista virtsaputken kautta. (luotto: NCI:n työn muokkaus)

Kuvassa 1 esitetyt munuaiset ovat pari pavunmuotoista rakennetta, jotka sijaitsevat heti maksan alapuolella ja sen jälkeen vatsaontelossa. Lisämunuaiset sijaitsevat kummankin munuaisen päällä, ja niitä kutsutaan myös lisämunuaisiksi. Munuaiset suodattavat verta ja puhdistavat sitä. Munuaiset suodattavat kaiken ihmiskehon veren monta kertaa päivässä; nämä elimet käyttävät tähän tehtävään lähes 25 prosenttia keuhkojen kautta imeytyvästä hapesta. Hapen avulla munuaissolut voivat valmistaa tehokkaasti kemiallista energiaa ATP:n muodossa aerobisen hengityksen avulla. Munuaisista ulos tulevaa suodosta kutsutaan virtsaksi.

Munuaisten rakenne

Ulkoisesti munuaisia ympäröi kolme kerrosta, jotka on esitetty kuvassa 2. Niitä ympäröi kolme kerrosta. Uloin kerros on sitkeä sidekudoskerros, jota kutsutaan munuaiskalvoksi. Toista kerrosta kutsutaan perirenaaliseksi rasvakapseliksi, joka auttaa ankkuroimaan munuaiset paikoilleen. Kolmas ja sisin kerros on munuaiskapseli. Sisäisesti munuaisessa on kolme aluetta – ulompi aivokuori, keskellä oleva ydin, ja munuaislantio alueella, jota kutsutaan munuaisen hilumiksi. Hilum on pavunmuotoinen kovera osa, jossa verisuonet ja hermot tulevat ja poistuvat munuaisesta; se on myös virtsaputkien poistumiskohta. Munuaiskuori on rakeinen, mikä johtuu nefronien – munuaisten toiminnallisen yksikön – läsnäolosta. Sydänydin koostuu useista pyramidimaisista kudosmassoista, joita kutsutaan munuaispyramideiksi. Pyramidien välissä on munuaispylväiksi kutsuttuja tiloja, joiden läpi verisuonet kulkevat. Pyramidien kärjet, joita kutsutaan munuaispapilloiksi, osoittavat kohti munuaislantiota. Kussakin munuaisessa on keskimäärin kahdeksan munuaispyramidia. Munuaispyramidit ja niihin rajoittuva aivokuoren alue ovat munuaislohkoja. Munuaislantio johtaa munuaisen ulkopuolella olevaan virtsanjohtimeen. Munuaisen sisäpuolella munuaislohko haarautuu kahdeksi tai kolmeksi ulokkeeksi, joita kutsutaan suuriksi kalvoiksi ja jotka edelleen haarautuvat pieniksi kalvoiksi. Virtsanjohtimet ovat virtsaa johtavia putkia, jotka poistuvat munuaisesta ja tyhjenevät virtsarakkoon.

Kuvio 2. Virtsanjohtimet. Kuvassa on esitetty munuaisen sisäinen rakenne. (luotto: NCI:n työn muokkaus)

Koska munuainen suodattaa verta, sen verisuoniverkosto on tärkeä osa sen rakennetta ja toimintaa. Munuaista syöttävät valtimot, laskimot ja hermot tulevat ja lähtevät munuaisten hilumissa. Munuaisten verenkierto alkaa aortan haarautumisesta munuaisvaltimoihin (jotka on nimetty sen munuaisalueen mukaan, jonka läpi ne kulkevat) ja päättyy munuaisverisuonten poistumiseen, jolloin ne yhdistyvät alempaan laskimoon. Munuaisvaltimot jakautuvat useisiin segmentaalisiin valtimoihin munuaisiin tullessaan. Kukin segmentaalinen valtimo jakautuu edelleen useiksi interlobaarisiksi valtimoiksi ja johtaa munuaispylväisiin, jotka syöttävät munuaislohkoja. Interlobaariset valtimot jakautuvat munuaiskuoren ja -välikarsinan yhtymäkohdassa ja muodostavat kaarivaltimot. Kaarevat ”jousenmuotoiset” valtimot muodostavat kaaria medullaaristen pyramidien pohjaa pitkin. Kortikaaliset säteittäiset valtimot, kuten nimestä voi päätellä, lähtevät säteittäisesti kaarevista valtimoista. Kortikaaliset säteittäiset valtimot haarautuvat lukuisiksi afferentteiksi arterioleiksi, jotka sitten kulkeutuvat nefroneita syöttäviin kapillaareihin. Laskimot kulkevat valtimoiden reittiä, ja niillä on samanlaiset nimet, paitsi että segmentaalisia laskimoita ei ole.

Kuten aiemmin mainittiin, munuaisten toiminnallinen yksikkö on nefroni, jota on havainnollistettu kuvassa 3. Kukin munuainen koostuu yli miljoonasta nefronista, jotka sijoittuvat munuaiskuoren päälle, mikä antaa sille rakeisen ulkonäön, kun sitä leikataan sagittaalisesti. Nefroneita on kahta tyyppiä – kortikaalisia nefroneita (85 prosenttia), jotka sijaitsevat syvällä munuaiskuoressa, ja juxtamedullaarisia nefroneita (15 prosenttia), jotka sijaitsevat munuaiskuoressa lähellä munuaisydintä. Nefroni koostuu kolmesta osasta – munuaisytimestä, munuaistiehyestä ja siihen liittyvästä kapillaariverkostosta, joka saa alkunsa kortikaalisista sädekehän valtimoista.

Kuvio 3. Nefroni, joka koostuu kolmesta osasta. Nefroni on munuaisten toiminnallinen yksikkö. Glomerulus ja kierteiset tubulukset sijaitsevat munuaiskuoressa, kun taas keräyskanavat sijaitsevat medullan pyramideissa. (luotto: NIDDK:n työn muokkaus)

Munuaiskeränen

Munuaiskuoressa sijaitseva munuaiskeränen koostuu glomerulukseksi kutsutusta kapillaariverkostosta ja sitä ympäröivästä kupinmuotoisesta kammiosta, jota kutsutaan nimellä glomerulaarinen tai Bowmanin kapseli.

Munuaistubulus

Munuaistubulus on pitkä ja kiemurteleva rakenne, joka lähtee glomeruluksesta ja joka voidaan jakaa kolmeen osaan toiminnan perusteella. Ensimmäistä osaa kutsutaan proksimaaliseksi kierukkatubulukseksi (proximal convoluted tubule, PCT) sen glomeruluksen läheisyyden vuoksi; se pysyy munuaiskuoressa. Toista osaa kutsutaan Henlen silmukaksi tai nefriittisilmukaksi, koska se muodostaa silmukan (jossa on laskevia ja nousevia haaroja), joka kulkee munuaisytimen läpi. Munuaistubuluksen kolmatta osaa kutsutaan distaaliseksi kierteiseksi tubulukseksi (DCT), ja myös tämä osa rajoittuu munuaiskuoreen. DCT, joka on nefronin viimeinen osa, yhdistyy ja tyhjentää sisältönsä keräysputkiin, jotka reunustavat medullaarisia pyramideja. Keräyskanavat keräävät sisältöä useista nefroneista ja sulautuvat yhteen, kun ne tulevat munuaisytimen papilloihin.

Kapillaariverkosto nefronissa

Munuaisvaltimoista lähtevä kapillaariverkosto syöttää nefroniin suodatettavaa verta. Glomerulukseen tulevaa haaraa kutsutaan afferentiksi arterioleksi. Glomeruluksesta lähtevää haaraa kutsutaan efferentiksi arterioleksi. Glomeruluksen sisällä olevaa kapillaariverkostoa kutsutaan glomerulaariseksi kapillaaripohjaksi. Kun efferentti valtimo poistuu glomeruluksesta, se muodostaa peritubulaarisen kapillaariverkoston, joka ympäröi munuaistubuluksen osia ja on vuorovaikutuksessa niiden kanssa. Kortikaalissa nefronissa peritubulaarinen kapillaariverkosto ympäröi PCT:tä ja DCT:tä. Juxtamedullaarisissa nefroneissa peritubulaarinen kapillaariverkosto muodostaa verkoston Henlen silmukan ympärille, ja sitä kutsutaan vasa recta -verkostoksi.

Munuaisten toiminta ja fysiologia

Munuaiset suodattavat verta kolmivaiheisessa prosessissa. Ensin nefronit suodattavat veren, joka kulkee kapillaariverkoston läpi glomeruluksessa. Lähes kaikki liukoiset aineet, proteiineja lukuun ottamatta, suodattuvat ulos glomerulukseen prosessissa, jota kutsutaan glomerulussuodatukseksi. Toiseksi suodos kerätään munuaistiehyisiin. Suurin osa liuenneista aineista imeytyy takaisin PCT:hen prosessilla, jota kutsutaan tubulaariseksi reabsorptioksi. Henlen silmukassa suodos jatkaa liuottimien ja veden vaihtoa munuaisytimen ja peritubulaarisen kapillaariverkoston kanssa. Myös vesi imeytyy uudelleen tämän vaiheen aikana. Tämän jälkeen munuaistubuluksiin erittyy lisää liuottimia ja jätteitä tubulaarisessa erityksessä, joka on pohjimmiltaan päinvastainen prosessi kuin tubulaarinen takaisinimeytyminen. Keräyskanavat keräävät nefronista tulevan suodoksen ja sulautuvat medullaarisiin papillaareihin. Sieltä papillat johtavat suodoksen, jota nyt kutsutaan virtsaksi, pieniin verisuoniin, jotka lopulta yhdistyvät munuaisaltaan kautta virtsajohtimiin. Tätä koko prosessia on havainnollistettu kuvassa 4.

Kuva 4. Kaavio nefronista.

Kullakin nefronin osalla (kuvassa 4) on erilainen tehtävä jätteiden suodattamisessa ja homeostaattisen tasapainon ylläpitämisessä. (1) Glomerulus pakottaa pienet liukoiset aineet pois verestä paineen avulla. (2) Proksimaalinen kierukkatubulus reabsorboi ioneja, vettä ja ravinteita suodoksesta interstitiaaliseen nesteeseen ja kuljettaa aktiivisesti toksiineja ja lääkkeitä interstitiaalisesta nesteestä suodokseen. Proksimaalinen kierteinen tubulus säätää myös veren pH:ta erittämällä selektiivisesti ammoniakkia (NH3) filtraattiin, jossa se reagoi H+:n kanssa muodostaen NH4+:n. Mitä happamampi filtraatti on, sitä enemmän ammoniakkia erittyy. (3) Henlen laskeva silmukka on vuorattu soluilla, jotka sisältävät akvaporiineja, joiden avulla vesi pääsee suodoksesta interstitiaaliseen nesteeseen. (4) Henlen nousevan silmukan ohuessa osassa Na+- ja Cl-ionit diffundoituvat interstitiaaliseen nesteeseen. Paksussa osassa nämä samat ionit kulkeutuvat aktiivisesti interstitiaaliseen nesteeseen. Koska suolaa, mutta ei vettä, menetetään, suodos laimenee, kun se kulkee raajaa ylöspäin. (5) Distaalisessa kierteisessä tubuluksessa K+- ja H+-ionit erittyvät selektiivisesti filtraattiin, kun taas Na+-, Cl- ja HCO3-ionit imeytyvät takaisin veren pH- ja elektrolyyttitasapainon ylläpitämiseksi. (6) Keräyskanava resabsorboi liuottimia ja vettä suodoksesta muodostaen laimeaa virtsaa. (luotto: NIDDK:n työn muokkaus)

Glomerulaarinen suodatus

Glomerulaarinen suodatus suodattaa suurimman osan liuottuneista aineista pois korkean verenpaineen ja afferenttien valtimoiden erikoistuneiden kalvojen ansiosta. Verenpaine glomeruluksessa säilyy riippumattomana systeemiseen verenpaineeseen vaikuttavista tekijöistä. Glomerulaarisen kapillaariverkoston endoteelisolujen väliset ”vuotavat” yhteydet päästävät liuokset helposti läpi. Kaikki glomeruluskapillaareissa olevat liukoiset aineet, lukuun ottamatta makromolekyylejä, kuten proteiineja, kulkevat läpi passiivisen diffuusion avulla. Suodatusprosessin tässä vaiheessa ei tarvita energiaa. Glomerulussuodatusnopeus (GFR) on munuaisten minuutissa muodostama glomerulussuodoksen määrä. GFR:ää säätelevät useat mekanismit, ja se on tärkeä munuaisten toiminnan indikaattori.

Tubulaarinen reabsorptio ja eritys

Tubulaarinen reabsorptio tapahtuu munuaistubuluksen PCT-osassa. Lähes kaikki ravintoaineet reabsorboituvat, ja tämä tapahtuu joko passiivisella tai aktiivisella kuljetuksella. Veden ja joidenkin keskeisten elektrolyyttien takaisinimeytymistä säädellään ja niihin voidaan vaikuttaa hormoneilla. Natrium (Na+) on runsain ioni, ja suurin osa siitä imeytyy takaisin aktiivisen kuljetuksen avulla ja kuljetetaan sitten peritubulaarisiin kapillaareihin. Koska Na+ kuljetetaan aktiivisesti ulos tubuluksesta, vesi seuraa sitä osmoottisen paineen tasaamiseksi. Vesi imeytyy myös itsenäisesti takaisin peritubulaarisiin kapillaareihin, koska PCT:ssä on akvaporiineja eli vesikanavia. Tämä johtuu matalasta verenpaineesta ja korkeasta osmoottisesta paineesta peritubulaarisissa kapillaareissa. Jokaisella liuenneella aineella on kuitenkin kuljetusmaksimi, eikä ylimäärä imeydy takaisin.

Henlen silmukassa kalvon läpäisevyys muuttuu. Laskeva raaja on läpäisevä vedelle, ei liuoksille; nousevassa raajassa on päinvastoin. Lisäksi Henlen silmukka tunkeutuu munuaisytimeen, jonka suolapitoisuus on luonnostaan korkea ja jolla on taipumus imeä vettä munuaistubuluksesta ja konsentroida suodosta. Osmoottinen gradientti kasvaa siirryttäessä syvemmälle ydinlaskimoon. Koska Henlen silmukan kaksi puolta suorittavat vastakkaisia tehtäviä, kuten kuvassa 5 on esitetty, se toimii vastavirtakertoimena. Sen ympärillä oleva vasa recta toimii vastavirranvaihtimena.

Kuva 5. Henlen silmukka.

Henlen silmukka (kuvassa 5) toimii vastavirran kerrannaisena, joka käyttää energiaa pitoisuusgradienttien luomiseen. Laskeva raaja on vettä läpäisevä. Vesi virtaa filtraatista interstitiaaliseen nesteeseen, joten osmolaliteetti raajan sisällä kasvaa laskeutuessaan munuaisytimeen. Pohjalla osmolaliteetti on silmukan sisällä korkeampi kuin interstitiaalisessa nesteessä. Näin ollen suodoksen tullessa nousevaan raajaan Na+- ja Cl-ionit poistuvat solukalvossa olevien ionikanavien kautta. Ylempänä Na+ kulkeutuu aktiivisesti ulos filtraatista ja Cl- seuraa perässä. Osmolaarisuus ilmoitetaan yksiköissä milliosmola litrassa (mOsm/L)

Kun filtraatti saavuttaa DCT:n, suurin osa virtsasta ja liuenneista aineista on imeytynyt takaisin. Jos elimistö tarvitsee lisää vettä, kaikki se voidaan imeyttää uudelleen tässä vaiheessa. Hormonit säätelevät imeytymisen jatkumista, mitä käsitellään myöhemmässä jaksossa. Jätteiden erittyminen johtuu takaisinimeytymisen puutteesta yhdistettynä tubulaariseen eritykseen. Epäsuotuisat tuotteet, kuten aineenvaihduntajätteet, urea, virtsahappo ja tietyt lääkkeet, erittyvät tubulaarisen erityksen kautta. Suurin osa tubulaarisesta erityksestä tapahtuu DCT:ssä, mutta osa tapahtuu keräyskanavan alkupäässä. Munuaiset ylläpitävät myös happo-emästasapainoa erittämällä ylimääräisiä H+ -ioneja.

Vaikka munuaistubulusten osat nimetään proksimaalisiksi ja distaalisiksi, ristikkäis-sKun munuaisten munuaistiehyet sijaitsevat lähellä toisiaan ja ovat kosketuksissa toisiinsa ja glomerulukseen. Tämä mahdollistaa kemiallisten lähettien vaihdon eri solutyyppien välillä. Esimerkiksi Henlen silmukan DCT:n nousevassa raajassa on macula densa -nimisiä solumassoja, jotka ovat kosketuksissa afferenttien valtimoiden solujen kanssa, joita kutsutaan juxtaglomerulaarisiksi soluiksi. Yhdessä macula densa ja juxtaglomerulaariset solut muodostavat juxtaglomerulaarisen kompleksin (JGC). JGC on endokriininen rakenne, joka erittää reniini-entsyymiä ja erytropoietiinihormonia. Kun hormonit laukaisevat DCT:n macula densa -soluja veren tilavuuden, verenpaineen tai elektrolyyttitasapainon vaihtelun vuoksi, nämä solut voivat välittömästi välittää ongelman afferenttien ja efferenttien valtimoiden kapillaareille, jotka voivat supistua tai rentoutua muuttaakseen munuaisten glomerulussuodatusnopeutta.