尿液的生成与排泄
本章导读
肾脏的主要功能是调节细胞外液的容量和成分。通过肾小球滤过和肾小管及集合管的重吸收和分泌过程保持内环境的稳定，所以说肾脏和肺脏一起是保证机体细胞外液化学成分和容量恒定的最重要器官。肾单位是肾脏结构和功能的基本单位。
通过肾脏的血流量非常丰富，肾脏接受心输出量1／5的血液，即每分钟有1L血液通过肾脏。肾脏主要是通过排泄代谢废弃的产物而"净化"血液。肾脏通过对血液的处理，从而控制细胞外液（血液）的渗透压、容量、酸碱状态，以及离子成分。肾脏排除代谢废弃产物是以尿液的方式来进行的。在不同的情况下，肾脏具有排出浓缩尿或稀释尿的能力，以调节体内水分的平衡。尿液浓缩和稀释主要是在肾髓质中进行的，内髓越发达，髓袢越长，浓缩尿的能力越强。尿液的浓缩和稀释与肾髓质呈现和保持高渗状态有密切关系。
肾脏对泌尿功能的调节就是对肾小球滤过、肾小管和集合管重吸收、分泌及排泄的调节。这主要是通过神经和体液激素的影响来实现的。最重要的影响是肾脏的交感神经、肾素－血管紧张素系统、醛固酮、心房钠尿肽、抗利尿激素、前列腺素和甲状旁腺激素等。
为了了解肾脏的功能，往往需要测定血浆清除率。血浆清除率是指肾脏在每分钟内由尿排出某物质的量，相当于每分钟有多少毫升血浆将该物质完全清除，每分钟完全清除了某物质的血浆毫升数，即称为该物质的血浆清除率。测定血浆清除率可以了解肾小球滤过率、肾血流量及肾小管的功能等。
肾脏连续不断地生成尿液，最后终尿进入肾盂。通过肾盂的收缩和压力梯度作用将尿液排入输尿管，再通过输尿管蠕动将尿液送入膀胱。在膀胱中尿液贮存一定量时，通过排尿反射，将尿液经过尿道排出体外，完成尿的排放。
人体的细胞是由细胞外液的水样环境所包绕，而细胞的正常生命活动则需要细胞外液化学成分及容量相对的恒定。肾脏则是保证细胞外液化学成分及容量恒定的最重要器官之一。另外肾脏的重要性还可从肾脏的血液供应来体现。肾脏的重量仅约为体重的0.4％，但流经两肾的血量却是心输出量的1／5，即每分钟约有1L的血液流经肾脏。
肾脏的主要功能是排除代谢的废弃产物，"净化"血液从而调节细胞外液的渗透压、容量、酸－碱状态和离子成分等。肾脏排除代谢的废弃产物是以生成尿液的形式来完成的。但是细胞外液的水量是有限的，不能以无限的液体来进行这项重要的任务，因此需将流经肾脏的血浆量的99％进行重吸收，而将排出的物质浓缩。所以尿的生成是由肾小球滤过，肾小管及集合管重吸收和分泌三个基本过程完成的。本章主要介绍尿的生成及其调节，以及输尿管和膀胱的排尿过程。
第一节 肾脏的结构及功能概要
(Anatomical characteristics and general functions of the kidney)
一、肾脏的结构特征
(Anatomical characteristics of the kidney)
肾脏位于腹后壁，腹膜腔的外侧。成年人每个肾脏重约150g，大小像一个紧握的拳头，每个肾脏都有一个凹入区，叫做肾门(hilum)。经过肾门有肾动脉、肾静脉、淋巴管、肾神经，以及输尿管；输尿管带着最后的尿液从肾脏到达膀胱。尿液在膀胱中被贮存直至排空。如果将肾脏从顶端到底部切开，一分为二，可以看到有两个区域。外侧为皮质(cortex)，内侧为髓质(medulla)。髓质可以分为多个圆锥形的实体，叫做肾锥体(renal pyramids)。每个锥体的基底在皮质和髓质之间的边缘处开始，并终止在乳头(papilla)。乳头伸展到肾盂(renal pelvis)的空间，肾盂是输尿管(ureter)上端漏斗形的延续部分。肾盂的外缘为开口的小囊，叫做主肾盏(major calices)。向下延伸为小肾盏(minor calices)，它收集每一乳头小管来的尿液（图9-1）。肾盏、肾盂和输尿管含有收缩成分，推动尿液流向膀胱。
二、肾脏的血液供应
(Renal blood supply)
肾脏的血液供应非常丰富，两个肾脏的血液流量大约为心输出量的22％，或每分钟约 1 100ml。肾动脉经肾门进入肾脏，然后分支形成叶间动脉、弓形动脉、小叶间动脉和入球小动脉。入球小动脉在肾小体内分支形成肾小球毛细血管网。在此处大量的液体和溶质（除血浆蛋白）都被滤过，开始尿的形成（图9-2）。由肾小球毛细血管网再汇集成出球小动脉离开肾小体。出球小动脉再次分支形成第二次毛细血管网，缠绕于肾小管和集合管周围，即管周毛细血管。管周毛细血管
再汇合成小静脉，通经小叶间静脉，弓形静脉，叶间静脉，肾静脉，入下腔静脉返回心脏。
肾循环是很独特的，因为它有两套毛细血管床：肾小球毛细血管和管周毛细血管，它们以串联方式相配置，通过出球小动脉而分开，这有助于调节两套毛细血管的静水压。在肾小球毛细血管中血压高（约60mmHg），引起快速的液体滤过；管周毛细血管中血压低（约13mmHg）使得液体迅速地被重吸收。通过调整入球和出球小动脉的阻力，肾脏能有效地调节肾小球和小管周围的毛细血管中的血压，从而改变肾小球的滤过作用和／或肾小管的重吸收，以保证身体的内环境的稳态。
三、肾脏的功能单位―肾单位
(Functional unit of the kidney－the nephron)
人体每个肾脏大约含有100万个肾单位，每个肾单位都有单独形成尿液的功能。因此肾单位不仅是肾脏的结构单位，也是肾脏的功能单位。肾脏不能再生新的肾单位，所以肾脏损伤、疾病或正常的衰老都会使肾单位的数量逐渐地减少。在人体40岁以后，功能性肾单位的数量每10年大约减少10％。这种丢失并不对生命构成太大的威胁，因为剩余下来的肾单位可以发生适应性的变化，不会妨碍排泄适当的水分、电解质和废弃的产物。
每个肾单位包括肾小体和肾小管两个部分。肾小体呈球形，由肾小球和肾小囊两部分组成。肾小球为一团毛细血管簇，从入球小动脉开始，由此分支成40～50条平行而互相吻合成网的毛细血管。和其它毛细血管相比它有很高的血压（约60mmHg）。毛细血管最后又汇合在一起成为出球小动脉。肾小球外被以包囊，称为肾小囊。从肾小球滤过的液体流入肾小囊中。肾小囊延续即为肾小管。肾小管的初始段高度屈曲，称为近曲小管，位于肾皮质。随后小管伸直下降，走行于髓质内，然后折返上升，又返回皮质，再度弯曲称为远曲小管，最后通入集合管。肾小管走行在髓质的一段呈"U"形，称为髓袢。髓袢由降支和升支组成。与近端小管连接的降支其路段管径变粗，称为降支粗段；以后管壁变薄，管腔缩窄，称为降支细段。降支细段在髓袢顶端折返称为升支细段，以后升支细段上行管径又增粗成为升支粗段。升支粗段与远端小管相连。肾单位的各部分组成如下： 肾小球（毛细血管球）
肾小囊（两层上皮细胞构成的包囊）
近曲小管
髓袢降支粗段
髓袢降支细段
髓袢升支细段
髓袢升支粗段
远曲小管
四、集合管
(Collecting duct)
集合管的功能与肾单位密切相关，但它并不包括在肾单位中，肾单位的远端小管以后为连接小管和皮质的集合小管。8～10个皮质集合小管结合形成一个较大的集合小管，向下走行进入髓质，成为髓质集合小管。许多髓质集合小管汇合成为较大的集合管。较大集合管合并形成大的集合管，最后经过肾乳头顶部进入肾盂。每个肾脏大约有250个很大的集合管，每个大的集合管收集大约4 000个肾单位来的尿液（图9-3）。
五、皮质肾单位和近髓肾单位
(Cortical nephron and juxtamedullary nephron)
根据肾小体在肾皮质中所处的位置不同，可以将肾单位分为皮质肾单位和近髓肾单位两类（图9-4）。
（一）皮质肾单位
肾小球位于皮质的外2／3，肾小球的体积较小，入球小动脉的直径比出球小动脉大，其直经之比约为2:1。髓袢较短，浸浴在外髓部分，只有很短的距离进入髓质。整个的小管系统被管周毛细血管网络所包绕。人类皮质肾单位约占肾单位总数的85％～90％。
（二）近髓肾单位
近髓肾单位的肾小体位于肾皮质的深部。这种肾单位具有很长的髓袢，可达内髓。肾小球的体积较大。出球小动脉的直径等于或大于入球小动脉。出球小动脉向下延伸到外髓部分，然后分为两类毛细血管：一类为管周毛细血管网，缠绕于近端小管；另一类由较深部的管周毛细血管发出，为细长呈袢状的直小血管(vasa recta)，延伸向下直到髓质，和髓袢并肩排列。直小血管有吻合支相通，并返回到皮质，注入到皮质静脉。人类近髓肾单位约占肾单位总数的10％～20％。它们在尿的浓缩与稀释过程中起重要作用。
六、近球小体
(Juxtaglomerular apparatus)
近球小体是由近球细胞(juxtaglomerular cells)、致密斑(macula densa)和球外系膜细胞(extraglomerular mesangial cell)组成的（图9-5）。近球细胞是位于入球小动脉中层内的肌上皮样细胞，呈球形或椭圆形，内含分泌颗粒，颗粒内含肾素。致密斑位于髓袢升支粗段的未端部分或远端小管的始段。此段肾小管处于入球小动脉和出球小动脉的夹角之间，并紧靠这两条小动脉。此处的上皮细胞为高柱状，使该部呈斑状隆起，故称致密斑，具有调节肾素释放的作用。球外系膜细胞是位于入球和出球小动脉之间的一群细胞，具有吞噬作用。
七、肾的神经支配
(Renal nerve supply)
肾脏具有丰富的神经支配，从胸12至腰2脊髓节段发出的交感神经纤维分布于肾动脉及其分支、肾小球的入球和出球小动脉，以及近球小体中分泌肾素的细胞。它们都有特别密集的神经支配。交感去甲肾上腺素能纤维也支配近端小管和髓袢的升支粗段，以及远端小管。
八、肾脏在内环境稳态中的作用
(The roles of the kidneys in maintaining homeostasis)
肾脏对保证细胞进行正常生理活动的稳态环境具有重要作用，它主要是通过以下多种功能进行的。
（一）排泄代谢废弃产物、外来化合物、药物和激素的代谢物
这些产物包括尿素（氨基酸代谢产物）、肌酐（肌肉的肌酸代谢产物）、血红蛋白终末产物（如胆红素）、尿酸（核酸代谢产物），以及各种激素的代谢产物，这些代谢的废弃物质必须尽快地排出体外，服用的药物、食物添加剂，进入体内的毒素等多数物质也必须由肾脏排除，保证体内环境的稳态。
（二）调节水和电解质的平衡
为了维持内环境的稳态，排除水分和电解质必须和这些物质的摄取精确地相匹配。例如，增加钠的摄取从低水平每日30mmol/L增加到高水平每日300mmol/L时，在提高钠摄取的2～3天内，肾脏钠的排泄也增加到大约每日300mEq，以致再建立起摄取和排出之间的平衡。但是肾脏在适应高水平钠摄入的2～3天过程中，往往有一个不大的钠蓄积，轻度地提高了细胞外液的容量，并触发激素变化和其他代偿反应，给肾脏发出增加对钠排泄的信号。为了适应对钠摄入的变化，肾脏对改变钠排泄的能力非常巨大。许多人对钠的摄入可以增加到每 日1 500mmol/L（约高出正常的10倍），或减少到每日10mmol/L（少于正常的1／10），而细胞外液体容量和血浆钠浓度却只有很小的变化。水分和其他电解质，如氯、钾、钙、氢、镁和磷酸离子也都是这种情况。说明肾脏在保持内环境稳态过程中具有惊人的调节能力。
（三）调节红细胞的生成
肾脏皮质的管周细胞分泌促红细胞生成素(erythropoietin)，它可刺激红细胞的生成。缺O2是肾脏分泌红细胞生成素的重要刺激物。在人体血液循环中的促红细胞生成素几乎都是肾脏分泌的。在严重的肾脏病患者或摘除肾脏的病人和进行肾透析的患者发生严重的贫血就是促红细胞生成素减少的结果。
（四）调节1，25-二羟维生素-D3的生成
维生素D属于固醇化物，有D2和D3两种形式。通常维生素D2和D3本身都有生理活性，它们必须先在肝脏转变成25羟维生素-D2，然后再至肾脏转变成1，25-二羟维生素-D3才能发挥它们对钙、磷代谢的作用。
（五）葡萄糖的合成
肾脏可以把乳酸、甘油，某些氨基酸等非糖物质合成糖元，这个作用称为糖元异生作用。肾脏通过糖元异生作用，可使肝糖元贮备能力增强，有利于血糖浓度的调节。
（六）调节动脉血压
肾脏通过对钠和水可变量的排泄，在长时程动脉血压调节中起重要作用。此外，肾脏借助分泌血管活性因子，如肾素导致形成血管活性产物（例如，血管紧张素Ⅱ）也对短时程动脉血压起调节作用。
由上述可见，肾脏的功能是多方面的，但它的基本作用是保持机体内环境的相对稳定。
第二节 肾小球的滤过功能
(Glomerular filtration)
尿是由肾脏三个基本过程的总合形成的。这三个过程是：（1）肾小球滤过；（2）肾小管重吸收物质到血液；（3）从血液分泌物质到肾小管。用公式来表达则为：
尿的排泄率＝滤过率－重吸收率＋分泌率
本节主要介绍肾小球的滤过功能。
一、肾小球的滤过作用和滤过率
(Glomerular filtration and glomerular filtration rate)
肾小球的滤过作用是尿生成的第一步。
（一）肾小球滤过液的成分
在动物实验中应用显微吸管抽取肾小囊内的液体（滤过液）进行化学分析表明，肾小球滤过的液体除蛋白质含量极少外，其他成分都与血浆相类似（表9-1）。肾小球毛细血管和其他毛细血管一样对蛋白质是不通透的。其他一些低分子量的物质，如钙、脂酸也不能滤过，因为它们部分地和血浆蛋白相结合。由肾小球滤过进入肾小囊内的液体称为原尿或肾小球滤液。肾小球滤液经过肾小管、集合管、输尿管到达膀胱最后形成的尿称为终尿。
表9-1 血浆、滤液和尿成分比较
成分 血浆（g/L） 滤液（g/L） 尿（g/L） 尿中浓缩倍数
水 900 980 960 1.1
蛋白质 70～90 0.30 微量 －
葡萄糖 1.0 1.00 极微量 －
Na+ 3.3 3.30 3.50 1.1
K+ 0.2 0.20 1.50 7.5
Cl- 3.70 3.70 6.00 1.6
H2PO4-、HPO42- 0.04 0.04 1.50 37.5
尿素 0.30 0.30 18.0 60.0
尿酸 0.04 0.04 0.50 12.5
肌酐 0.01 0.01 1.00 100
氨 0.001 0.001 0.4 400.0
（二）肾小球滤过率
单位时间内（每分钟）两肾滤过液体的量称为肾小球滤过率(glomerular filtration rate，GFR)。像其他毛细血管一样，肾小球滤过率决定于：（1）跨毛细血管的静水压和胶体渗透压；（2）毛细血管滤过系数（Kf），即毛细血管通透性和滤过面积的乘积。肾小球毛细血管比其他毛细血管具有更高的静水压和更大的Kf，因此有更大的滤过率。在成年人肾小球滤过率大约为125ml/min，即每天从肾小球滤出的血浆量可达180L，约为体重的3倍。肾小球滤过率与肾血浆流量的比值称为滤过分数(filtration fraction)，即被肾小球滤过的肾血浆流量的部分。据测定肾血浆流量约为660ml/min，则滤过分数为125／660×100＝19％。这就意味着大约1/5流经肾脏的血浆被肾小球毛细血管滤出，进入肾小囊。
二、滤过膜及其通透性
(Filtration membrane and its permeability)
肾小球的滤过膜包括三层结构：毛细血管内皮细胞层、基底膜层、肾小囊脏层上皮细胞层。这三层结构形成了肾小球的滤过屏障，尽管滤过膜具有三层结构，但比一般毛细血管的通透性大得多，据估计可多达数百倍。虽然肾小球毛细血管膜具有很高的通透性，但在正常条件下并不能滤过血浆蛋白。
毛细血管内皮细胞层厚约30～50nm，其上有许多直径50～100nm的小孔，称为窗孔结构(fenestrae)，其表面蛋白带有负电荷，可阻止血浆中带负电荷蛋白的滤过。
基底膜层是由胶原和蛋白聚糖原纤维细丝所组成的，厚约240～360nm，通透性大，故可滤过大量的水和小的溶质。
肾小囊脏层上皮细胞，它们是不连续的，有许多很长的足状突起附着在基底膜上。各足状突起之间有裂隙，称为滤过裂孔(filtration slit)。可以通过肾小球滤液，在上皮细胞上也具有负电荷，对血浆蛋白的滤过起排斥作用（图9-6）。
肾小球毛细血管膜比其他毛细血管膜要厚得多，但是它有更多的小孔，所以具有很高的通透性，由于这些小孔大小不等同时带有负电荷，故对过滤分子具有选择性，表9-2列出了分子大小对滤过的影响。滤过率(filterability) 1.0表明此物质可自由滤过，如水；滤过率为0.75则意味着和水相比只能滤过75％。电解质钠和小分子有机化合物，如葡萄糖，它们的分子量小，可以自由滤过。当分子量接近于白蛋白的分子量时，滤过率迅速下降，接近于零。
此外肾小球对某物质的通透性与该物质所带电荷的种类也密切相关。带负电荷的分子比同等大小带正电荷的分子不容易被滤过。举例来说，血浆白蛋白分子的直径只有6nm，而肾小球滤过膜孔直径约8nm，但是白蛋白却不能被滤过。因为白蛋白带负电荷。肾小球毛细血管壁蛋白聚糖也带负电荷，因而产生静电排斥作用，不能滤过。
