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상엽 범
5 years ago
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1 배설계 2.1 서론 배설기관들의주된기능 1. 무기용질의적절한체내수준유지 (Na +, K +, Cl -, H +, CO 2 등 ) : 전해질농도변화는세포내뿐만아니라세포외액에도매우심각한영향을미칠수있음 2. 적당한혈압과조직내수분유지를위한적절한혈장내수분양유지 3. 대사과정의부산물 ( 암모니아, 요소, billirubin 등 ) 과소화되지않은물질 ( 식물 alkaloid, 약물 ), 적절한작용을한다음더이상도움이안되는영양분과해로운물질제거 4. 선택적보존과물, 이온배출에의한삼투압 ( 물과용해된용질의조합 ) 균형유지 배설을특수한기관없이확산과막수송에의존하는생물 : 단순환수생동물 ( 해면동물, 자포동물, 극피동물 ) 동물계에서 4 종류의기관계가배설과보존에관여 1. CO 2 를조절하는호흡계 : 아가미 ( 암모니아와 HCO 3 - 등의용질을제거 ) 와폐 2. 소화되지않은음식물과간에서생성되는 billirubin 과같은대사산물을제거하는소화계 3. 외피 ( 피부 ) 와분비샘 : 사람은땀샘에서노폐물을제거. 파충류, 바다새, 바다새우등은염류샘 (salt gland) 이초과된무기이온을배출. 양서류의피부는염과물의섭취를조절 4. 신장기관 ( 갑각류의촉각선, 곤충의말피기관, 척추동물의신장등 ) 은체액을여과하고물, 이온, 많은유기물질을선택적으로흡수하거나분비를통해조절

2 질소대사는특이한 stress 와 3 가지중요한최종산물을생산 : 암모니아, 요소, 요산 1. 단백질과핵산대사과정을통해다양한질소노폐물이생성 2. 아미노산대사를통해강염인암모니아 (NH 3 ) 가생성되어이어암모늄이온 (NH 4+ ) 이생성되며산 - 염기균형을변화시킴 3. 암모늄이온은유독하며세포막에서 K + 를대신하여 Na + / K + ATPase 수송을방해. 신경세포에서형태변화를유발하고이온전도를차단하며신경전달물질대사작용을방해. 포유류에서는 0.05mM, 물고기에서는 2mM 이면신경세포기능을마비시킴. 생성즉시희석하거나빠르게체외로배출되거나독성이적은다른형태로전환하여야함. 체내에존재하는가장일반적인형태는요소와요산임 ( 그림 12-1, 12-2). 이외에도거미류의질소주된노폐물은 guanine, 일부곤충에서는요산으로부터생성되는 allantoin, 척추동물의근육대사의부산물로신장에서제거되는 creatinine 등이있음 ( 그림 12-1, 그림 12-2) 암모니아 (NH 3 ) 1. 대부분의수생동물 ( 대부분의경골어류, 유생단계의양서류, 무척추동물등 ) 로아가미를통해배출 - 암모니아배출동물. NH 4+ 가아닌 NH 3 형태로배출 2. 물이암모니아를충분히희석할수있으며작고전하를띠지않아암모니아는빠르게막을통과하여쉽게독성이낮은상태로유지될수있음. 대부분의육상동물은간등에서대사에너지를소비하여요소나요산으로전환하고배설조직을통해밖으로배출 3. 오리와같은물새들은요산과암모니아가균등하게혼합되어배출

3 요소 (urea) 1. 대부분의양서류성체와포유류, 거북과같은일부파충류등의질소노폐물 2. 대부분척추동물에서 ornithine-urea cycle 을통해 ATP 를소비하여 2 개의암모늄이온과하나의중탄산염이온으로부터생성 ( 그림 12-2a) 3. 대부분의경골어류는요산분해경로를이용하여요소를생성 ( 그림 12-2b) 4. 요소는해양연골어류와 coelacanths( 실러캔스 ) 의주된질소노폐물이며삼투물질로체내에몇백 mm 의농도로축적되어있음. 요소는암모니아보다 10~100 배정도독성이약해높은농도로축적이가능 5. 하나의요소에 2 개의질소가제거할수있으며암모니아에비해주어진양의질소를제거하는데 10 배의적은양물이필요 6. 요소가체내에 100mM 이상되면단백질과결합하여구조를불안하게하고 ligand 와결합하는능력을방해하여몸에해로움 7. 반추동물에서요소는반추위에서미생물에의해암모니아로다시전환되고이암모니아는미생물이단백질을합성하는데사용. 말과토끼등은음식을발효시키는맹장과결장에서요소가미생물에의해단백질합성자료로이용됨 8. 단공류와사막에사는캥거루쥐 ( 평생물을마시지않음 ) 도요소로배출 요산 (uric acid) 1. 곤충, 새, 대부분의파충류, 숲의개구리, 사막두꺼비등은요산이주된질소노폐물임 2. 요산은아미노산과 Purine 대사의마지막산물로요소를생산하는것보다더많은 ATP 가필요 3. 요산은불용성이높기때문에상대적으로독성이약하고 1 번에 4 개의질소를제거할수있으나합성하는데보다많은대사비용이필요함 4. 요산은암모니아보다 50~100 배의적은양의물이필요 5. 항산화 ( 자유라디칼, 활성산소제거 ) 보호제역할 6. 포유동물은고농도의불용성요산을처리할수있는 mechanism 이발달되어있지않아과도한양의요산이형성되면관절이나세뇨관에불용성요산의결정체가형성되어관절성통풍과신장결석을야기 7. 수생달팽이도요산을사용

4 질소대사와동물배설의일반적인개요

6 12.2 신장배설기관 세뇨관은여과, 분비, 재흡수, 삼투농축등의과정을이용하여오줌을생산 1. 여과 : 대부분비선택적과정으로작은용질을가진물은대부분경계면을자유롭게통과. 세포와분자량이큰단백질만남게되며이러한과정을초미세여과라함. 수압이나농도차이에의해유도 2. 분비 : 특정용질을배출하기위해세뇨관의내강으로수송 3. 재흡수 : 특정용질과수분을내강으로부터다시체내로수송 5. 삼투농축 : 용질은남아있으나수분은내강으로부터제거되어체액보다농축된배설물을생성함으로수분을보존 ( 그림 12-3) 척추동물세뇨관의주요기능 : 여과, 분비, 재흡수

7 원신관 (protonephridia) 1. 섬모에의한초미세여과, 분비, 재흡수 mechanism 을수행 1. 일반적으로체강속으로돌출된말단부분이닫힌도관형태 2. 섬모운동은유체를이동하거나오줌을표피구멍을통해체외로방출케함 3. 하나로구획된내부체액을가지는윤형동물, 편형동물, 환형동물, 연체동물등에서발견 ( 그림 12-5a) 후신관 (metanephridia) 1. 유체압력에의해유도되는초미세여과, 분비, 재흡수, 삼투농축등 2. 2 개이상의체액공간 ( 체강과순환액 ) 을가진동물에서존재 3. 연체동물성체, 환형동물, 갑각류, 일부곤충과척추동물등에서발견 4. 세뇨관은여과캡슐이나깔때기모양의입구로시작되며이어지는세뇨관은선택적인분비와재흡수 ( 일부삼투농축 ) 를수행하고연결된수뇨관을통해후장 (hind gut) 이나방광으로연결 5. 후신관의세뇨관들이결합조직과함께신장이라하는커다란기관을형성하며척추동물신장의세뇨관을 nephron 이라함 말피기관 (Malpighian tubule) 1. 절지동물의 lymph 로부터이온들의분비에의해여과가시작되고후장과결합되어있으며재흡수와삼투농축을함 2. 독립된기관은아니며 nephron 세뇨관이분리된것이같은모양으로끝이막혀있는상피세포관. 관들은다양한숫자로후장에서 lymph 쪽으로뻗어있음 ( 그림 12-35)

8 (a) 편형동물 ( 원신관 ), (b) 갑각류의머리부분과촉각샘 ( 초록색 ) 의위치와배열

9 12.3 포유류의비뇨기계 1. 신장때문이포유동물은바다와상관없이건조한육지에서살수있게되었음. 신장은호르몬과신경계의영향아래세포외액부피와전해질의성분을유지하는기능을가지게됨 2. 신장은결핍성분보다과잉성분에대해보다효과적으로작용하며유용한물질의손실을완전히막을수없음 3. 신장은잠재적인독성대사노폐물 ( 예, 질소대사 ) 과외래화합물을제거하는주된경로 4. 신장은수분, 염분, 전해질의변화를조절할뿐만아니라체온조절에의한증발 ( 발한, 호흡촉진 ), 구토, 설사나출혈등의비정상적인손실을보충하는역할을함 5. 신장의성분조절기능 1 주요무기용질 ( 산 - 염기균형에관여하는이온포함 ) 2 혈장부피 3 유해하거나불필요한유기물질 4 삼투균형 포유동물의추가기능 5 적혈구생성을활성화하는호르몬인적혈구생성소 (erythropoietin) 의분비 6 신장에의한염분보존에중요한연쇄반응을유도하는효소성호르몬인 renin 의분비 7 비타민 D 를활성형태로전환 8 일부포유동물에서는성적인신호와영역을구축하는등에사용되는 pheromone 의분비

10 신장의오줌생성, 비뇨기계의나머지는방광과오줌을운반하는관 1. 포유류신장은 1 쌍의강낭콩모양으로척추양쪽등쪽에위치 2. 오줌은포유류에서신장내중앙부분의공간인신우에모인후평활근으로둘러싸인수뇨관으로이동 ( 그림 12-6b) 3. 2 개의수뇨관은일시적으로오줌을저장하는방광 ( 어류, 양서류, 파충류 ) 또는후장 ( 파충류와조류 ) 과연결됨 포유류 ( 사람 ) 의배설계

11 신장의기능적단위인 nephron 1. nephron 은신장의기본기능을하는가장작은기능단위. 돼지는약 125 만개, 사람은약 100 만개, 개는약 50 만개, 고양이는약 25 만개 2. 포유동물의 nephron 은바깥쪽과립형태의신피질과안쪽가로무늬부위인신수질로형성 ( 그림 12-6b) 3. 각 nephron 은세뇨관과이와관련된혈관으로구성되며이들을구조적, 기능적으로밀접하게연관되어있음 ( 그림 12-7). 대부분의척추동물에서주된혈관부위는사구체 ( 모세혈관이공처럼생긴혹부분으로혈액이지나가면서수분과용질을여과하는장소 ) 임 4. 세뇨관의다양한분절 ( 그림 12-7, 12-8) 1 세뇨관분절은모세혈관으로부터여과된용액이모이는곳으로이중벽이함입된형태인보우만주머니또는사구체낭에서시작 2 여과된용액은피질에위치한근위세뇨관 ( 피질내에분포하며매우꼬여있거나복잡하게얽혀있음 ) 을지남 3 헨레고리 (loop of Henle, nephron loop)) 는포유류와조류에만분포하며 U 자나머리핀모양으로신수질에분포. 상행지는신수질에서신피질의 nephron 사구체로되돌아감. 입수동맥과출수동맥에의해형성된분기점의세뇨관과혈관세포는방사구체장치또는방사구체복합체를형성 4 방사구체장치를지나세뇨관은다시복잡하게엉켜신피질에위치하는원위세뇨관을형성 ( 원위세뇨관은해양에서식하는경골어류에는없음 )

12 포유동물신장의 nephron

13 5 포유동물에서원위세뇨관은 8 개로분리된 nephron 으로부터각각배수액이모아지는집합관과연결. 척추동물은집합관에서신우쪽으로용액 ( 오줌으로전환 ) 을이동시키며다른척추동물은수뇨관으로이동시킴 5. nephron 구조에서길이와위치에따라 2 가지가있음 ( 그림 12-8). 모든 nephron 은피질에서시작됨 1 피질 nephron : 사구체는신피질외부층에위치. 헨레고리가머리핀모양으로신수질부위를약간포함 2 방수질 nephron : 사구체는신수질근처인신피질의내부층에위치. 헨레고리가신수질속에깊게분포 5. 신동맥은신장으로들어가면세분화되어입수소동맥을형성하고입수소동맥의혈액은사구체모세혈관으로운반되고다른소동맥인출수소동맥과연결됨 6. 출수소동맥은세뇨관주위모세혈관으로세분화되어신장조직에혈액을공급하고여과액이오줌으로전환되는동안세뇨관계와혈액사이의교환에중요한역할을수행. 세뇨관주변의모세혈관이재결합하여소정맥을형성하고소정맥에서신정맥으로모여진혈액은신장을빠져나옴 7. 포유동물방수질 nephron 의세뇨관주위모세혈관은머리핀모양의혈관고리를형성하는데이를직립관 ( 헨레고리평행을유지, 다양한농도의오줌을생산할수있음 ) 을형성. 세뇨관과혈액의이러한평행배열은신수질조직의가로무늬를생성

14 방수질 nephron 과피질 nephron 의비교 ( 포유동물의신장 )

15 신장의기본적인진행과정 : 사구체여과, 세뇨관재흡수, 세뇨관분비와삼투농축과정 1. 사구체여과 : 혈액이사구체모세혈관을통해단백질을제외한혈장 ( 수분, 영양소, 전해질, 노폐물, 식이독소, 미세단백질과호르몬같은 peptide 는선택적으로여과 ) 이보우만주머니로여과됨. 사람의신장은 1 일전체혈액량의 65 배를여과. 무차별적여과는새로운식물독소같은작은유해물질을체내로부터제거하는데도움이됨 2. 세뇨관재흡수 : 세뇨관으로여과액이유입되면대부분의수분, 포도당, 아미노산등유용한물질들은세뇨관주위모세혈관혈장으로되돌아가며에너지를사용하여선택적흡수를함. 1 일여과되는혈장량중수분은 90% 이상, 포도당과아미노산은 100% 가재흡수되고흡수되지않은용액은신우를지나오줌으로방출. 신장은 ATP 를사용하여유용한물질을세뇨관재흡수과정을통해회수 3. 세뇨관분비 : 세뇨관주위모세혈관에서세뇨관내강으로물질을선택적으로이동. 혈장의약 20% 만사구체에서여과되고남은 80% 는수출소동맥에서세뇨관주위모세혈관으로흘러감. 유기질이온같은물질은세뇨관분비에의해세뇨관주위모세혈관속의혈장에서선택적으로세포외액으로이동하여세뇨관내강으로들어감 4. 삼투농축 : 신수질고리에서염화나트륨과요소 ( 포유류 ) 의농도가높아지면신수질의세포외액도함께높은농도로변함. 신장에필요한더많은수분을보존하고회수하여오줌으로농축

16 12.4 사구체여과 사구체막은다른모세혈관보다 100 배이상의투과성이있음 1. 사구체에서보우만주머니로여과된체액은사구체막으로구성된 3 층을지나야함 ( 그림 12-9). 혈장단백질은남기고물과같은여과가능한크기가작은분자의용질들을투과시키는미세분자의체역할을함 2. 납작한내피세포한층으로구성된사구체모세혈관의외벽은많은큰구멍또는창으로뚫려있어물과용질에대한투과성이다른모세혈관에비해 100 배이상높음 사구체막의층 ( 포유류신장 )

17 3. Collagen 과당단백질로구성된기저막은사구체와보우만주머니사이에위치하며 collagen 은구조적힘을제공하고강한음전하를띠는당단백질은작은혈장단백질여과방해로 albumin 과다른혈장단백질을밀어냄 4. 보우만주모니내막은사구체다발을둘러싼문어모양의세포 ( 다리세포 ) 로구성되어있음 ( 그림 12-10). 다리세포의발돌기사이로좁은구멍을여과틈 ( 사구체모세혈관을통과한체액이보우만주머니강으로들어갈수있는통로를제공 ) 이라함. Nephrin 단백질은 P-cadherin 과 podocin 과관련되어있어여과틈에지퍼모양의여과구조를형성 발돌기와여과틈새를가진보우만주머니다리세포 ( 포유류의신장 )

사구체모세혈관압은사구체초미세여과를유발하는주요한힘 1. 초미세여과시반응하는역할과원인 1 사구체모세혈관은다른모세혈관보다투과성이높아같은여과압에도더많이여과됨 2 사구체막을통한힘의균형은모세혈관전체길이에걸쳐여과가일어남. 다른모세혈관은말단부위에서재흡수가일어남 2. 4 가지물리적인힘이사구체여과와관련 ( 표 12-1) 1 사구체모세혈관압 : 체액압력.

18 사구체모세혈관압은사구체초미세여과를유발하는주요한힘 1. 초미세여과시반응하는역할과원인 1 사구체모세혈관은다른모세혈관보다투과성이높아같은여과압에도더많이여과됨 2 사구체막을통한힘의균형은모세혈관전체길이에걸쳐여과가일어남. 다른모세혈관은말단부위에서재흡수가일어남 2. 4 가지물리적인힘이사구체여과와관련 ( 표 12-1) 1 사구체모세혈관압 : 체액압력. 입수소동맥의지름이출수소동맥보다크므로평균 55mmHg 가발생하며다른곳의모세혈관압보다높음. 여과유도 2 혈장교질삼투압 : 여과방해. 사구체막을경계로혈장단백질불균등분포에의해발생. 혈장단백질이사구체모세혈관에남아있고보우만주머니에는없어삼투압으로물이보우만주머니에서사구체로이동하는현상. 포유류에서평균 30mmHg 3 보우만주머니정수압 : 여과방해. 보우만주머니밖으로용액을밀어내는경향을가진압력으로 15mmHg 4 보우만주머니삼투압. 사구체모세혈관압

19 2. 순여과압 : 사구체막을경계로하여작용하는여과압으로 10mmHg ( 사구체모세혈관압 55 mmhg, 반대로작용하는혈장교질삼투압 30 mmhg, 보우만주머니정수압 15 mmhg) 3. 사구체여과율 (GFR) : 여과의실제비율로순여과압, 투과에사용된사구체면적, 사구체막의투과력등이작용하며이들특성을종합하여여과계수 (K f ) 라함 GFR = K f X 순여과압 K f : 여과계수. 사구체로들어가는혈장의약 20% 는 10mmHg 순여과압에의해여과되고사람은모든사구체를통하여총 120mL/min 의평균 GFR 로매일 170L 의사구체여과가일어남 ( 그림 12-11) GFR 변화를입수소동맥지름조절

20 12.5 세뇨관재흡수 세뇨관재흡수는거대하고고도로선택적이며다양함 1. 일반적으로세뇨관은신체에필요한물질에대해높은재흡수력을가지며유용성이낮은물질에대해재흡수력이없거나낮음 ( 표 12-2) 2. 여과된혈장성분중매우적은양만오줌에남게됨. 전해질과같은필수물질의잉여분만이소변으로배출 3. 포유류의세뇨관은일반적으로여과된물과염분의 99%, 여과된포도당과아미노산의 100% 를재흡수

세뇨관재흡수는상피횡단수송을수반 1. 세뇨관은전체길이에걸쳐세뇨관주위의모세혈관과인접하여있음 ( 그림 12-16). 인접한세뇨관세포들은세뇨관강과접하는세포막근처측면테두리부분의밀착연접에의해서로연결 2. 밀착연접은물을제외한물질들이세포사이로이동하는것을차단.

21 세뇨관재흡수는상피횡단수송을수반 1. 세뇨관은전체길이에걸쳐세뇨관주위의모세혈관과인접하여있음 ( 그림 12-16). 인접한세뇨관세포들은세뇨관강과접하는세포막근처측면테두리부분의밀착연접에의해서로연결 2. 밀착연접은물을제외한물질들이세포사이로이동하는것을차단. 세뇨관강에서혈액으로물질이재흡수되기위해서는세포를통해서만가능 3. 물질이재흡수되기위해서는 5 단계장벽을횡단 ( 상피횡단수송, 그림 12-6) 1 세뇨관액이세뇨관세포의관내막을통과 2 세뇨관세포의세포질을지나반대쪽으로이동 3 세뇨관세포의기저층막을통과하여간질액으로이동 4 간질액을통한확산 5 모세혈관벽을투과하여혈장으로이동 상피횡단수송의단계 ( 포유동물의신장 )

22 수동재흡수와능동재흡수 1. 수동적재흡수는상피횡단수송 ( 세뇨관강에서혈장으로 ) 의전과정에서물질이동을위해 ATP 가필요하지않음 2. 능동적재흡수는상피횡단수송에서 5 단계중한단계라도물질수송을위해 ATP 가사용되면능동적재흡수라하며능동적으로재흡수된물질은포도당, 아미노산, 나트륨, 전해질, 다른유기영양소등임 기저막의에너지의존성 Na + -K + ATPase 수송 mechanism 은 Na + 재흡수을위해필수 1. 신장에서사용되는전체에너지요구량의약 80% 가 Na + 수송을위해사용 2. 여과된 Na + 의 99% 는정상적으로재흡수되며이중 67% 는근위세뇨관에서, 25% 는헨레고리에서, 8% 는원위세뇨관과집합관에서재흡수 근위세뇨관에서 Na + 재흡수는포도당, 아미노산, 수분, 염소, 요소의재흡수와세포외액부피를조절하는데중요한역할 헨레고리에서 Na + 재흡수는 Cl - 의재흡수와함께이루어지며신체상황에따라다양한농도와부피의오줌을생산하는데중요한역할 nephron 말단원위세뇨관에서 Na + 재흡수는세포외액의부피조절과 K + 와 H + 의분비에중요 3. Na + 은헨레고리하행지를제외하고는세뇨관전체에걸쳐재흡수됨

23 4. Na + 재흡수구간에서능동수송은세뇨관세포의기저측막에위치한에너지의존성 Na + -K + ATPase 펌프에이해일어나 ( 그림 12-17). 기저측막펌프는 Na + 을세뇨관세포에서세포측면공간으로수송하면서세포내 Na + 농도를낮게유지하며세포측면공간의 Na + 농도는증가시킴. 세뇨관강의막을통한 Na + 의이동은항상수동적인과정으로일어남. 세포내로들어온 Na + 은 Na + -K + 펌프에의해능동적으로세포측면공간으로배출됨. 이어전기화학적기울기에의해세포측면공간에서간질액으로, 최종적으로세뇨관주위모세혈관혈액으로이동함 나트륨재흡수 ( 포유동물의신장 )

24 포도당과아미노산은 Na + - 의존성 2 차능동수송에의해재흡수 1. 포도당과아미노산은근위세뇨관에위치한에너지의존적또는 Na + - 의존적 mechanism 의해혈액내로완전히재흡수됨 2. 포도당과아미노산운반체작동에는 2 차능동수송에의해수송됨. 특수한공동수송운반체가 Na + 과특정유기물질을동시에세뇨관강에서세포내로운반함. ATP 를필요로하는기저측 Na + -K + ATPase 펌프에의해유지되는세뇨관강과세포간 Na + 의전기적기울기는공동수송 system 을가동시킴. 포도당과아미노산은 Na + 기울기의에너지를사용하여농도기울기에역행하여수송 3. 2 차능동수송은세뇨관강내에 Na + 을필요로함 4. 세뇨관세포로수송된포도당과아미노산은농도기울기에따라수동확산되어기저측막으로이동하고이어비에너지의존성운반체를이용한촉진확산에의해혈장으로이동 5. 포도당과아미노산재흡수는직접적으로막을통과하여수송하는데 ATP 가사용되지않으나 Na + -K + ATPase 펌프가작동되어야하므로 ATP 의존적인능동적재흡수로봄 Na + 를제외하고능동적으로재흡수되는물질들은세뇨관최고치를가지고있음 1. 세뇨관에위치하며세포내에존재하는각각의운반체수는제한적이어서주어진기간동안세뇨관액에서능동적으로수송될수있는특정물질의양은제한됨 2. 최대재흡수율은모든특정운반체가특정물질을위해모두작동중이거나포화상태에도달한것을말함. 최대운반치는세뇨관최대수송능력 (T m ) 또는최대수송능력이라하며세뇨관세포가주어진시간내에능동적으로수송할수있는물질의최대량을나타냄 3. Na + 을제외하고는재흡수되는모든물질은최대수송능력으로나타남. Na + 은 aldosteone 이원위세뇨관과집합관세포에서필요에따라활성화된 Na + -K + ATPase 운반체의합성을촉진할수있어세뇨관수송능력을최대수송능력값보다낮은수준을유지할수있음 4. 여과된물질의양이해당물질의세뇨관최대수송능력을초과하게되면더이상재흡수가되지않고오줌을통하여밖으로배출됨

25 포도당재흡수특정물질이세뇨관최대수송능력에도달하고최초로소변으로보이기시작하는혈장농도를신역치라함 1. 여과된포도당양이세뇨관최대수송능력을초과할때까지오줌으로유출되지않음 2. 포도당의세뇨관최대수송능력은정상적인여과량보다크기때문에일반적으로모든포도당은신장에서재흡수됨 3. 신장에서농도가조절되지않고내분비계와간에서조절됨 PO 4 3- ( 인산염 ) 재흡수 1. 무기질이온의정상적인혈장농도가신역치와동일하기때문에신장은인산염과칼슘 (Ca 2+ ) 같은전해질조절에직접관여함 2. 동물성식품들은인산염이풍부하지만세뇨관은인산염의정상적인혈장농도까지만재흡수하고초과된부분은빠르게소변으로배출하여혈장내농도를정상적으로유지시킴 3. 인산염과칼슘의재흡수는호르몬의영향을받으며부갑상샘호르몬은신역치를바꿀수있기때문에신체의필요에따라보존되는전해질의양을조절할수있음 능동적 Na + 재흡수는 Cl -, 물, 요소등의수동적재흡수를동반기저측막 Na + -K + 펌프는 Cl -, 물, 요소등의수동적재흡수도능동적 Na + 재흡수에의존 염화물재흡수 1. 음전하의염화이온은양전하의 Na + 재흡수에의하여생성되는전기기울기에의해수동적으로재흡수됨 2. Cl - 재흡수량은신장에의해직접조절되는대신능동적 Na + 재흡수율에의해결정됨

26 물재흡수 1. 삼투에의해수동적으로재흡수. 여과된물의 45~65% 는근위세뇨관에서재흡수, 약 15% 는용질재흡수에따른삼투에의해헨레고리하행지에서재흡수, 20~25% 는원위세뇨관과집합관에서재흡수. 신체의상태에따라호르몬영향을받음 2. 근위세뇨관에서물의재흡수의추진력은기저막펌프에의한 Na + 의능동적배출에의해형성된세뇨관세포사이의세포측면공간의고장성 ( 용질의농도가높음 ) 구획 ( 그림 12-7) 3. Na + 의농도는펌프가위치한세포측면공간의안쪽에서증가하고동시에세뇨관용액과세뇨관세포에서빠르게감소하며이로인해삼투기울기가발생하고밀착연접을통해세뇨관강에서세포측면공간으로물이수동적으로이동이후수압을증가시켜간질액, 세뇨관주위모세혈관으로이동 4. 혈장 - 교질삼투압을초래하는혈장단백질의농도는세뇨관주위모세혈관으로들어가는혈액에서증가하여물을세뇨관주위모세혈관으로당김 일반적으로요소를제외한불필요한노폐물은재흡수되지않음 1. 노폐물과섭취된독소는나중에밖으로배출될수있게농축됨 2. 가장작은노폐물인요소는세뇨관내가인접한모세혈관혈장보다매우높아세뇨관강에서세뇨관주위모세혈관혈장으로수동확산되는농도기울기가형성 3. 근위세뇨관의벽은요소에대해중간정도의투과성이있어여과된양의약 50% 가재흡수됨

27 renin-angiotensin-aldosterone 계는원위세뇨관에서 Na + 의재흡수를자극하여혈압을상승시키고갈증과염류허기를자극 renin-angiotensin-aldosterone system 의활성화 1. 방사구체장치의과립세포들은염화나트륨 / 세포외액의부피 / 혈압의감소등을감지하여 renin 이라는호르몬을혈액내로분비 2. 과립세포들을자극하여 renin 의분비를증가시키는 3 가지정보 1 과립세포자체가신장내압력수용기로작용 : 입수소동맥내압력감소를인지하면 renin 이분비 2 방사구체장치의세뇨관부위에있는밀집반세포는세뇨강을지나가는 NaCl 양을감지 : NaCl 감소가감지되면밀집반세포는과립세포를자극하여 renin 분비를증가시킴 3 과립세포는교감신경계에의해자극 : 혈압이정상보다떨어지면압력수용기반사작용에의해서교감신경계의활성도를증가시킴 3. renin 의증가는장기적으로동맥압을정상상태로높이는역할, 원위세뇨관에서 Na + 의재흡수를증가, 물의보존을촉진하여혈장부피를회복

28 4. renin-angiotensin-aldosterone system( 그림 12-18) 혈액내로분비된 renin 은 angiotensinogen 을 angiotensinⅠ 으로전환시키는효소로작용 angiotensinogen 은간에서합성되는혈장단백질로혈장내에항상고농도로존재 폐를통과할때 angiotensinⅠ 은폐모세혈관에있는 angiotensin-converting enzyme(ace, angiotensin 전환효소 ) 에의해 angiotensinⅡ( 체순환동맥의강력한수축자로혈압상승, 근위세뇨관과원위세뇨관, 집합관에서 Na + 의재흡수를자극하고염분섭취를갈망하게뇌에서염류허기 (salt hunger) 를자극 ) 로전환됨 angiotensinⅡ 는주로부신피질에서 aldosterone( 스테로이드호르몬, 원위세뇨관과집합관에서 Na + 재흡수를증가시키며이로인해수동적으로 Cl - 가이동하고삼투현상으로물이이동. 갈증자극으로액체섭취증가와 vasopressin 자극을통해혈장부피확장과동맥압상승 ) 호르몬분비를자극 renin-angiotensin-aldosterone system 은염분을보전하여물보존과동맥압상승을유도하게됨. 음성되먹임 mechanism 에의해 renin 이방출되면염분고갈, 혈장부피감소, 동맥압의감소등은요인들이경감됨

29 포유류 renin-angiotensin-aldosterone system

30 12.6 세뇨관분비 1. 세뇨관분비는세뇨관주위모세혈관에서세뇨관강으로물질들이불연속적으로이동하는과정 2. 선택된물질들은몸밖으로제거하기위한추가적인과정 3. 세뇨관에서분비되는물질들중중요한것은 H +, K +, 유기음이온과유기양이온이고유기음이온과유기양이온의대부분은몸에존재하지않는외래물질임 H + 분비는산 - 염기균형에중요 1. H + 은근위세뇨관과원위세뇨관, 집합관에서 V-ATPase 양성자펌프를통해분비 2. H + 의분비량은체액의산성도에따라달라짐 3. 체액이매우산성이면 H + 분비량은증가하고체액의 H + 농도가낮으면 H + 분비량은감소 K + 의분비는 aldosterone 에의해조절 1. K + 은근위세뇨관에서능동적으로제흡수되고원위세뇨관과집합관에서능동적으로분비 2. K + 은근위세뇨관에서항상재흡수되는것은조절되지않지만세뇨관의후반부에서분비되는것은조절될수있음. 일반적으로여과된 K + 의약 10~15% 는소변으로배설. 배설되는양은여과된 K + 의대부분은근위세뇨관에서재흡수되므로 nephron 말단부에서조절되어분비된 K + 임 3. 체내 K + 의양이부족하면 nephron 말단부분에서분비되는 K + 의양을최소화함 4. 혈장내 K + 의농도가높아질경우정상수준을유지하기위해 K + 분비를증가시켜소변으로배설함. K + 분비만이혈장내적절한 K + 농도을유지하고 K + 배설율을조절

31 K + 분비 mechanism 1. 원위세뇨관과집합관에서 K + 분비는기저측막의에너지의존성 Na + -K + 펌프를통해 Na + 의재흡수와함께일아남 ( 그림 12-20) 2. K + 을세뇨관세포외부공간으로보낼뿐만아니라 K + 을세뇨관세포로수송하기도함 3. 높아진세포내 K + 의농도는 K + 을세포내에서세뇨관강으로확산을유도함 4. 세뇨관강막을가로지르는 K + 의이동은세뇨관강경계에존재하는많은 K + 채널을통해수동적으로일어남 칼륨이온 (K + ) 분비 ( 포유류의신장 )

32 5. 원위세뇨관과집합관에서에서 K + 가재흡수되지않고분비가일어나는것은수동적인 K + 채널이세뇨관강막에밀집되어있고다른부분은 K + 채널이기저측막에주로분포하기때문 6. aldosterone 호르몬은 nephron 후반부의세뇨관세포에서 K + 의분비를촉진하고 Na + 의재흡수를촉진. aldosterone 은초과된 K + 의분비를촉진하여궁극적으로소변으로배출되게함 ( 그림 12-21) K + 과 Na + 에의한 aldosterone 분비의이중적조절 ( 포유류 )

33 유기음이온과양이온의분비는신체로부터외부화합물의제거를효과적으로도움 1. 유기이온중일부는 prostagladin, histamine, norepinephrine 등과같은특정혈액에서유래한화학전달자 2. 유기이온들은물에잘녹지않기때문에혈액을통해운반되며혈장단백질과결합함. 유기이온은혈장단백질과결합되어있어사구체에서여과되지못하고사구체분비를통해소변으로배출 3. 유기이온분비체계를이용하여많은외부화합물들을신체밖으로배출할수있음. 식품첨가제, 환경오염물질 ( 살충제 ), 약물, 영양분이아닌유기물질과같은외부유기화합물질등을제거할수있음 nephron 의근위세뇨관과원위세뇨관에서재흡수와분비과정 1. 근위세뇨관에서는대부분재흡수가일어남. 여과된물과필요한용질들을조절없이혈액으로돌려보냄 2. 원위세뇨관과집합관은수분, Na +, K +, H + 등이소변을통해배설되는최종양을결정. Na + 과수분의재흡수. K + 과 H + 의분비량을미세하게조절할수있음 3. nephron 말단부위에서신체의순간적인필요에의해조절됨. 유용하지않은여과된노폐물은재흡수되지않고남은여과액과분비된노폐물이함께소변으로제거됨

수질의수직삼투기울기는집합관으로부터물의재흡수와 vasopressin 의조절을통해농도가다른오줌을배설 1. 근위세뇨관과헨레고리로부터물이재흡수된다음남아있는여과된물은원위세뇨관과집합관에서 vasopressin 의조절에따라매우유동적으로재흡수됨. vasopressin 은 nephron 전반부에서는물의재흡수에영향을미치지않음 2.

34 수질의수직삼투기울기는집합관으로부터물의재흡수와 vasopressin 의조절을통해농도가다른오줌을배설 1. 근위세뇨관과헨레고리로부터물이재흡수된다음남아있는여과된물은원위세뇨관과집합관에서 vasopressin 의조절에따라매우유동적으로재흡수됨. vasopressin 은 nephron 전반부에서는물의재흡수에영향을미치지않음 2. 헨레고리에서원위세뇨관으로들어오는용액은 100 mosm 로주변신피질간질액등장액 (300 mosm) 에비해저장액 ( 그림 12-23) 3. 세뇨관을통해물의재흡수가일어나기위한조건 세뇨관을경계로삼투기울기가형성되어야함 세뇨관은물의투과성을가지고있어야함 4. 원위세뇨관및집합관은 vasopressin 이존재하는경우를제외하고는물에대해비투과적 사람신수질의수질삼투농도기울기

5. vasopressin 은 antidiuretic hormone(adh, 항이뇨호르몬 ) 으로물에대한투과성을증가시키며시상하부의신경세포에서합성되어뇌하수체후엽에저장됨. 시상하부의삼투압감지하는세포들은음성되먹임 mechanism 에의해세포외액이너무농축되어 ( 고장액 ) 물을체내로보존하여야할때분비가촉진.

35 5. vasopressin 은 antidiuretic hormone(adh, 항이뇨호르몬 ) 으로물에대한투과성을증가시키며시상하부의신경세포에서합성되어뇌하수체후엽에저장됨. 시상하부의삼투압감지하는세포들은음성되먹임 mechanism 에의해세포외액이너무농축되어 ( 고장액 ) 물을체내로보존하여야할때분비가촉진. vasopressin 이원위세뇨관과집합관세포의기저측막에도달하면수용체와결합 ( 그림 12-26). 이후세뇨관세포내 camp 2 차전달자체계를활성화시키고세뇨관강막에삽입되는 aquaporin( 물채널 ) 의수를증가하여물에대한투과성을높임 ( 물의재흡수촉진 ) 포유동물에서 vasopressin 의활동 mechanism

6. 탈수 물부족으로 vasopressin 분비가증가되고원위세뇨관과집합관의물투과성이증가하고원위세뇨관으로들어오는저장성세뇨관용액은삼투에의해간질액으로물을내보냄 ( 그림 12-27a) 100 mosms 의세뇨관액이원위세뇨관으로들어가서 300 mosm 의간질액에노출되면물은삼투압에의해물투과성을가진세뇨관을통해내보내짐 vasopressin

36 6. 탈수 물부족으로 vasopressin 분비가증가되고원위세뇨관과집합관의물투과성이증가하고원위세뇨관으로들어오는저장성세뇨관용액은삼투에의해간질액으로물을내보냄 ( 그림 12-27a) 100 mosms 의세뇨관액이원위세뇨관으로들어가서 300 mosm 의간질액에노출되면물은삼투압에의해물투과성을가진세뇨관을통해내보내짐 vasopressin 이신체내물이보존을촉진하지만물을전혀섭취하지않은상태에서오줌생성을완전히막을수없음. 물의최소량은노폐물과함께배출되기때문 사람의오줌으로제거되는노폐물과기타성분은평균 600 mosm 정도매밀배출. 인간의최대오줌농도가 1,200 mosm 이므로노폐물을배출하는데오줌의최소량은하루에 500ml 임 (600 mosm 노폐물 /day 1,200 mosm 소변 = 0.5L/day)

37 7. 과수화 (overhydration) 물을과잉섭취하여초과된물은항상성을유지하기위해용질의손실없이체내로부터배출되어야함 vasopressin 은분비되지않음 원위세뇨관과집합관은물에대한비투과성이됨 ( 그림 12-27b) 오줌은포유동물의체내상태에따라다양한농도로배출됨 ( 사람 )

12.11 곤충의말피기관 1. 1600 년에 Marcelo Malpighi 가처음발견 2.

38 12.11 곤충의말피기관 년에 Marcelo Malpighi 가처음발견 2. nephron 세뇨관이분리된것과같은모양으로끝이막혀있는상피세포관 3. 관들은다양한수로후장에서림프쪽으로뻗어있음 ( 그림 12-35) 말피기관

35장 비뇨계

35장 비뇨계 35 장비뇨계 1 Copyright 2011 Pearson Education, Inc. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 35.1 비뇨계의 기본적인기능은무엇인가? 비뇨계 (urinary system): 세포내의항상성유지 수분평형 : 세포와세포외액사이의삼투압유지 용해물질 : 요소, 당, 아미노산, 단백질, 나트륨, 염소, 칼슘등의이온