腎臓生理学

腎生理学（ラテン語の renes 、「腎臓」）は、腎臓の生理学の研究です。これには、酸塩基平衡の維持、体液バランスの調整、ナトリウム、カリウム、その他の電解質の調整、毒素の除去、ブドウ糖、アミノ酸、その他の小分子の吸収、血圧の調整、エリスロポエチンなどのさまざまなホルモンの生成、ビタミンDの活性化など、腎臓のすべての機能が網羅されています。

腎臓生理学の多くは、腎臓の最小の機能単位であるネフロンのレベルで研究されています。各ネフロンは、腎臓に入る血液を濾過する濾過成分から始まります。この濾液は、単層の特殊細胞で裏打ちされ、毛細血管に囲まれた管状構造であるネフロンに沿って流れます。これらの裏打ち細胞の主な機能は、濾液から血液への水と小分子の再吸収と、血液から尿への老廃物の排出です。

腎臓が適切に機能するには、血液を受け取り、適切に濾過する必要があります。これは、顕微鏡レベルでは、糸球体とボーマン嚢で構成される腎小体と呼ばれる数十万の濾過ユニットによって行われます。腎機能の総合的な評価は、糸球体濾過率 (GFR)と呼ばれる濾過速度を推定することで確認されることがよくあります。

腎臓が多くの機能を果たす能力は、濾過、再吸収、分泌という 3 つの基本的な機能に依存しており、これらを合わせたものは腎クリアランスまたは腎排泄と呼ばれます。つまり、

尿中排泄率 = 濾過率 – 再吸収率 + 分泌率^[1]

尿器系に関する排泄という言葉の最も厳密な意味は排尿そのものです。ただし、腎クリアランスは慣例的に排泄とも呼ばれます（たとえば、ナトリウムの分別排泄という設定用語）。

血液は腎臓の機能単位であるネフロンによって濾過される。各ネフロンは腎小体から始まり、腎小体はボーマン嚢に囲まれた糸球体で構成される。細胞、タンパク質、その他の大きな分子は限外濾過のプロセスによって糸球体から濾過され、血漿に似た限外濾過液（ただし限外濾過液には血漿タンパク質がほとんど含まれない）がボーマン腔に入る。濾過はスターリング力によって推進される。

限外濾過液は、近位尿細管、ヘンレ係蹄、遠位尿細管、一連の集合管を順に通過して尿を形成します。

尿細管再吸収は、溶質と水が尿細管液から除去され、血液中に輸送されるプロセスです。これらの物質はすでに一度吸収されているため（特に腸で）、また体がそれらを尿になる途中の糸球体後液流から回収しているため（つまり、回収されない限り、すぐに尿中に失われる）、吸収ではなく再吸収と呼ばれます。

再吸収は、尿細管液から腎間質（ネフロンを囲む結合組織）への物質の能動的または受動的な抽出から始まり、次にこれらの物質が間質から血流に輸送されるという 2 段階のプロセスです。これらの輸送プロセスは、スターリング力、拡散、および能動輸送によって駆動されます。

場合によっては、再吸収は間接的です。たとえば、重炭酸イオン (HCO ₃ ^{− ) にはトランスポーターがないため、その再吸収には尿細管腔と尿細管上皮での一連の反応が関与します。これは}、Na/H 交換輸送体を介して尿細管液に水素イオン (H ⁺ ) が能動的に分泌されることから始まります。

• 内腔内
  • H ^+はHCO ₃ ⁻と結合して炭酸（H ₂ CO ₃）を形成する。
  • 内腔炭酸脱水酵素はH ₂ CO _3をH ₂ OとCO _{2に酵素変換する。}
  • CO _2は細胞内に自由に拡散する
• 上皮細胞では
  • 細胞質炭酸脱水酵素は、細胞内に豊富に存在するCO ₂とH _{2 OをH 2} CO _{3に変換する。}
  • H ₂ CO _3は容易にH ⁺とHCO ₃ ^{−に解離する。}
  • HCO ₃ ^{− は}細胞の基底膜から排出される。

再吸収を調節する主なホルモンには以下のものがあります。

• アルドステロンは、ナトリウム（および結果として水分）の積極的な再吸収を刺激します。
• 抗利尿ホルモンは受動的な水分再吸収を刺激する。

どちらのホルモンも、主に集合管に作用を及ぼします。

尿細管分泌は、濾液の再吸収と同時に起こります。一般的に体内で生成される物質、または高濃度で有毒になる可能性のある細胞代謝の副産物、および一部の薬物（摂取した場合）が、すべて腎尿細管の内腔に分泌されます。尿細管分泌は、能動輸送、受動輸送、または共輸送のいずれかになります。主に腎尿細管に分泌される物質は、H+、K+、NH3、尿素、クレアチニン、ヒスタミン、およびペニシリンなどの薬物です。尿細管分泌は近位曲尿細管（PCT）と遠位曲尿細管（DCT）で起こります。たとえば、近位曲尿細管では、カリウムはナトリウム-カリウムポンプによって分泌され、水素イオンは能動輸送および共輸送、つまりアンチポーターによって分泌され、アンモニアは腎尿細管に拡散します。

腎臓は、エリスロポエチン、カルシトリオール、レニンなど、さまざまなホルモンを分泌します。エリスロポエチンは、腎循環における低酸素症（組織レベルでの酸素レベルが低い状態）に反応して放出されます。エリスロポエチンは、骨髄での赤血球生成（赤血球の生成）を刺激します。ビタミン Dの活性型であるカルシトリオールは、腸管でのカルシウムの吸収と腎臓でのリン酸の再吸収を促進します。レニンは、アンジオテンシンとアルドステロンのレベル を調節する酵素です。

腎臓は以下の物質のバランスを維持する役割を担っています。

体はpHに非常に敏感です。生命と両立する pH の範囲外では、タンパク質は変性して消化され、酵素は機能する能力を失い、体は自立できなくなります。腎臓は血漿の pH を調節することで酸塩基恒常性を維持します。酸と塩基の増減はバランスが取れていなければなりません。酸は「揮発性酸」 ^{[12]と「不揮発性酸」 [13]}に分けられます。滴定酸も参照してください。

この安定したバランスを維持するための主要な恒常性制御ポイントは、腎臓からの排泄です。腎臓は、アルドステロン、抗利尿ホルモン(ADH、またはバソプレシン)、心房性ナトリウム利尿ペプチド(ANP)、およびその他のホルモンの作用を介して、ナトリウムを排泄または保持するように指示されます。ナトリウムの分画排泄量の異常な範囲は、急性尿細管壊死または糸球体機能不全を 意味する場合があります。

腎臓と肺という 2 つの臓器系は、酸塩基恒常性、つまりpH を比較的安定した値に維持する機能を果たします。肺は二酸化炭素(CO _{2 ) 濃度を調節することで酸塩基恒常性に寄与します。腎臓は、酸塩基バランスの維持において、尿から重炭酸塩を再吸収して再生することと、}水素イオンと固定酸 (酸の陰イオン) を尿に排泄するという 2 つの非常に重要な役割を担っています。

腎臓は、体内の水分と塩分濃度を維持する働きをします。血漿浸透圧の大幅な上昇は、下垂体後葉に直接伝達する視床下部によって検知されます。浸透圧が上昇すると、下垂体後葉から抗利尿ホルモン(ADH) が分泌され、腎臓で水分が再吸収され、尿の濃度が上昇します。この 2 つの要素が連携して、血漿浸透圧を正常レベルに戻します。

ADH は集合管内の主要細胞に結合し、アクアポリンを膜に移行させます。これにより、通常は不浸透性の膜から水が出て、直腸血管によって体内に再吸収され、体内の血漿量が増加します。

高浸透圧髄質を形成して体内の血漿量を増加させるシステムは 2 つあります。尿素リサイクルと「単一効果」です。

尿素は通常、腎臓から老廃物として排泄されます。しかし、血漿血液量が少なく、ADH が放出されると、開いたアクアポリンも尿素を透過します。これにより、尿素は集合管から髄質に出て、水を「引き付ける」高浸透圧溶液を形成します。その後、尿素はネフロンに再び入り、ADH がまだ存在するかどうかに応じて排泄または再循環されます。

「単一効果」とは、ヘンレ係蹄の上行太肢は水を通さないが、塩化ナトリウムを通すという事実を説明しています。これにより、髄質が次第に濃縮される逆流交換システムが可能になりますが、同時に、集合管のアクアポリンがADHによって開かれた場合に水が従う浸透圧勾配が設定されます。

腎臓は血液を直接感知できないが、血圧の長期的な調節は主に腎臓に依存している。これは主に細胞外液コンパートメントの維持を通じて行われ、そのサイズは血漿ナトリウム濃度に依存する。レニンは、レニン-アンジオテンシン系を構成する一連の重要な化学伝達物質の最初のものである。レニンの変化は最終的にこの系の出力、主にホルモンであるアンジオテンシンIIとアルドステロンを変化させる。各ホルモンは複数のメカニズムを介して作用するが、どちらも腎臓の塩化ナトリウムの吸収を増加させ、それによって細胞外液コンパートメントを拡張して血圧を上昇させる。レニンレベルが上昇すると、アンジオテンシンIIとアルドステロンの濃度が上昇し、塩化ナトリウムの再吸収が増加し、細胞外液コンパートメントが拡張して血圧が上昇する。逆に、レニンレベルが低いと、アンジオテンシンIIとアルドステロンのレベルが低下し、細胞外液コンパートメントが収縮して血圧が低下する。

ヒトの腎臓は、乳酸、グリセロール、グルタミンからブドウ糖を生成することができる。絶食中のヒトでは、腎臓が総糖新生の約半分を担っている。腎臓におけるブドウ糖生成の調節は、インスリン、カテコールアミン、その他のホルモンの作用によって行われる。^[14]腎臓における糖新生は腎皮質で起こる。腎髄質は必要な酵素がないためブドウ糖を生成することができない。^[15]

腎機能を推定する簡単な方法は、 pH、血中尿素窒素、クレアチニン、および基本的な電解質（ナトリウム、カリウム、塩素、重炭酸塩を含む）を測定することです。腎臓はこれらの値を制御する最も重要な臓器であるため、これらの値が乱れている場合は腎機能障害の可能性があります。

腎機能の推定には、より正式な検査や比率がいくつかあります。

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