Šalinimo sistema: organizmo filtrai

Šalinimas yra gyvybiškai svarbus procesas, kurio metu iš organizmo vidinės terpės pašalinamos medžiagų apykaitos (metabolizmo) atliekos, toksinai ir medžiagų perteklius. Tai leidžia palaikyti kraujo ir audinių skysčio sudėties pastovumą – homeostazę. Nors šiame procese dalyvauja keli organai (plaučiai, oda, žarnynas), pagrindinis vaidmuo tenka šlapimo šalinimo sistemai, o jos ašis – inkstai.

Inkstai veikia kaip ypač sudėtingi ir efektyvūs filtrai, kurie ne tik valo kraują, bet ir reguliuuoja kraujo tūrį, spaudimą, pH bei elektrolitų balansą. Šioje temoje nagrinėsime, kaip skirtingi organizmai šalinimo problemą sprendžia skirtingai, detaliai analizuosime žmogaus šlapimo šalinimo sistemos sandarą, gilinsimės į šlapimo susidarymo procesus nefrone ir aiškinsimės, kaip inkstai prisideda prie bendros organizmo homeostazės.

Pagrindinė šalinimo sistemos funkcija – pašalinti medžiagų apykaitos atliekas ir palaikyti organizmo vidinės terpės pastovumą (homeostazę). Jei šios medžiagos nebūtų šalinamos, jos kauptųsi ir apnuodytų organizmą.

Šalinime dalyvaujantys organai ir produktai:

Įkvepiamo ir iškvepiamo oro sudėtis

Inkstai – porinis, pupelės formos organas, filtruojantis kraują ir gaminantis šlapimą.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Žmogaus šlapimo šalinimo sistemos schema, kurioje pažymėti: 1. Inkstai, 2. Šlapimtakiai, 3. Šlapimo pūslė, 4. Šlaplė.

Pagrindiniai faktai apie inkstus:

• Kraujo tėkmė: Per inkstus prateka apie 20-25% viso kraujo, kurį širdis išstumia per minutę.
• Filtracijos greitis: Per parą inkstai išfiltruoja apie 180 litrų pirminio šlapimo.
• Galutinis šlapimas: Didžioji dalis pirminio šlapimo yra reabsorbuojama. Galutinio šlapimo per parą susidaro apie 1.5–2 litrai.
• Struktūrinis vienetas: Mažiausias inksto struktūrinis ir funkcinis vienetas yra nefronas (apie 1 milijonas kiekviename inkste).

Inksto pjūvis ir nefrono dalys

Nefrono sandara: Kapiliarų kamuolėlis (glomerulas) → Nefrono kapsulė → Proksimalinis (artimasis) vingiuotasis kanaliukas → Henlės kilpa → Distalinis (tolimasis) vingiuotasis kanaliukas → Surenkamasis latakas.

Šlapimo gamyba yra trijų etapų procesas, vykstantis nefrone.

1. Filtracija (glomerule ir kapsulėje)

• Kas vyksta? Dėl aukšto kraujo spaudimo iš glomerulo kapiliarų į Nefrono kapsulę yra išfiltruojama kraujo plazma.
• Kas praeina? Vanduo, gliukozė, aminorūgštys, druskos, šlapalas, kreatininas.
• Kas nepraeina? Kraujo ląstelės (eritrocitai, leukocitai) ir dideli baltymai.
• Rezultatas: Susidaro pirminis šlapimas.

2. Reabsorbcija (vingiuotuose kanaliukuose ir Henlės kilpoje)

• Kas vyksta? Organizmui reikalingos medžiagos iš pirminio šlapimo grąžinamos atgal į kraują.
• Kas grąžinama? Visa gliukozė, didžioji dalis vandens, aminorūgščių ir druskų.

3. Sekrecija (distaliniame kanaliuke)

• Kas vyksta? Tam tikros atliekos, kurių nepavyko išfiltruoti, aktyviai pernešamos iš kraujo į kanaliuką.
• Kas išskiriama papildomai? Kai kurie vaistai (pvz., penicilinas), vandenilio jonai (H⁺) (reguliuojant pH), amoniakas.
• Rezultatas: Susidaro galutinis šlapimas, kuris surenkamaisiais latakais teka į inkstų geldelę.

Pagrindinis azoto šaltinis atliekose – aminorūgščių ir nukleorūgščių katabolizmas. Pirminis produktas visada yra labai toksiškas amoniakas ($$NH_3$$). Gyvūnų evoliucija lėmė skirtingas strategijas, kaip šį nuodą pašalinti, atsižvelgiant į gyvenamąją aplinką ir prieinamą vandens kiekį.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Detali nefrono schema su kraujagyslėmis (įtekančioji ir ištekančioji arteriolės, kapiliarų tinklas). Rodyklėmis pažymėti filtracijos, reabsorbcijos ir sekrecijos procesai bei vietos.

Galutinio šlapimo sudėties analizė yra paprastas, bet labai informatyvus diagnostinis metodas, leidžiantis įvertinti ne tik inkstų, bet ir viso organizmo būklę.

Žmogaus gebėjimas išskirti koncentruotą (hipertoninį) šlapimą, t.y. labiau koncentruotą nei kraujo plazma, priklauso nuo unikalaus mechanizmo – priešpriešinės srovės daugintuvo, veikiančio Henlės kilpoje.

Mechanizmo esmė:

1. Nusileidžiančioji dalis: Pralaidumo vandeniui didelis, bet beveik nepralaidi druskoms. Vanduo pasyviai juda (osmosas) iš kanaliuko į labiau koncentruotą inksto šerdies audinių skystį.
2. Kylančioji dalis: Nepralaidi vandeniui, bet aktyviai transportuoja druskas (NaCl) iš kanaliuko į aplinkinį audinių skystį. Dėl to inksto šerdis tampa labai sūri (hipertoninė).

Šis priešpriešinis skysčio tekėjimas (žemyn ir aukštyn) ir skirtingas sienelių pralaidumas sukuria ir palaiko didelį osmosinio slėgio gradientą inksto šerdyje. Kai skystis iš distalinio kanaliuko keliauja per surenkamąjį lataką, kuris eina per šią hipertoninę šerdį, veikiant ADH, vanduo intensyviai reabsorbuojamas į kraują, ir šlapimas tampa labai koncentruotas.

Kuo ilgesnė Henlės kilpa (kaip dykumų gyvūnų), tuo didesnį gradientą ji gali sukurti ir tuo labiau koncentruotą šlapimą pagaminti.

Inkstai atlieka pagrindinį vaidmenį palaikant organizmo skysčių balansą – osmoreguliaciją. Šis procesas glaudžiai susijęs su antidiurezinio hormono (ADH) veikla.

Užduotis: reguliuokite organizmo hidrataciją

• Interaktyvus modelis: Osmoreguliacija
  • Ką darysite? Simuliacijoje stebėsite, kaip keičiasi ADH lygis, surenkamųjų latakų pralaidumas ir išskiriamo šlapimo koncentracija, kai organizmas patiria dehidrataciją (vandens trūkumą) arba hiperhidrataciją (vandens perteklių).
  • Tikslas: Suprasti ADH vaidmenį neigiamo grįžtamojo ryšio kilpoje, reguliuojant vandens kiekį organizme. Paaiškinkite, kodėl išgėrus daug vandens, pradedama dažniau šlapintis ir šlapimas tampa bespalvis.

Inkstai pasižymi unikalia savybe – gebėjimu palaikyti santykinai pastovų kraujo tekėjimą ir filtracijos greitį net esant dideliems sisteminio kraujo spaudimo svyravimams (nuo 80 iki 180 mmHg). Tai vadinama autoreguliacija. Ji yra būtina, kad būtų išvengta glomerulų pažeidimo dėl per didelio spaudimo ir užtikrintas stabilus atliekų šalinimas. Du pagrindiniai mechanizmai tai užtikrina:

1. Miogeninis atsakas: Tai įgimta įtekančiosios arteriolės lygiųjų raumenų savybė. Padidėjus sisteminiam kraujo spaudimui, arteriolės sienelė išsitempia. Atsakydami į tempimą, raumenys refleksiškai susitraukia (vazokonstrikcija). Tai padidina pasipriešinimą ir neleidžia spaudimo šuoliui pasiekti glomerulų. Sumažėjus spaudimui, arteriolė išsiplečia (vazodilatacija).

2. Tubuloglomerulinis grįžtamasis ryšys: Tai sudėtingesnis mechanizmas, kuriame dalyvauja speciali struktūra – jukstaglomerulinis aparatas (JGA), esantis ties ta vieta, kur distalinis vingiuotasis kanaliukas liečiasi su įtekančiąja arteriole. JGA ląstelės (macula densa) nuolat „ragauja“ kanaliuku tekančio filtrato sudėtį (ypač NaCl koncentraciją). Jei filtracijos greitis per didelis, pro macula densa prateka daug NaCl. Atsakydamos į tai, šios ląstelės išskiria signalines molekules (pvz., adenoziną), kurios sukelia įtekančiosios arteriolės susitraukimą. Dėl to sumažėja kraujo tėkmė į glomerulą, krenta filtracijos greitis ir viskas normalizuojasi.

Diuretikai – tai vaistų grupė, didinanti šlapimo išsiskyrimą (diurezę). Jie yra vieni iš pagrindinių vaistų gydant arterinę hipertenziją ir edemas (skysčių kaupimąsi audiniuose), kylančias dėl širdies ar inkstų nepakankamumo. Dauguma diuretikų veikia blokuodami specifinių jonų (daugiausia Na⁺) reabsorbciją skirtingose nefrono dalyse.

Pagrindinių diuretikų grupių veikimo mechanizmai:

Bendras principas: Slopinant Na⁺ reabsorbciją, daugiau natrio lieka nefrono kanaliukuose. Dėl osmoso, kartu su natriu pasilieka ir vanduo. Didesnis vandens kiekis kanaliukuose lemia didesnį išskiriamo šlapimo tūrį, dėl to sumažėja cirkuliuojančio kraujo tūris ir krenta kraujo spaudimas.

Tai viena svarbiausių hormoninių sistemų, reguliuojančių ilgalaikį kraujo spaudimą ir skysčių balansą. Ji aktyvuojama, kai sumažėja kraujo spaudimas arba kraujo tūris.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: RAAS kaskados schema.

Aktyvacijos kaskada:

1. Renino išskyrimas: Sumažėjus kraujo tėkmei pro inkstus, jukstaglomerulinio aparato ląstelės išskiria fermentą reniną.
2. Angiotenzino I susidarymas: Reninas kraujo plazmoje paverčia neaktyvų baltymą angiotenzinogeną (gaminamą kepenyse) į angiotenziną I.
3. Angiotenzino II susidarymas: Kraujui tekant pro plaučius, fermentas angiotenziną konvertuojantis fermentas (AKF) paverčia angiotenziną I į labai aktyvų angiotenziną II.

Angiotenzino II poveikis (galingas kraujospūdžio didinimas):

• Kraujagyslių sutraukimas (vazokonstrikcija): Tiesiogiai veikia arteriolių lygiuosius raumenis, sukeldamas jų susitraukimą ir padidindamas bendrą periferinį pasipriešinimą.
• Aldosterono sekrecijos stimuliavimas: Skatina antinksčių žievę išskirti hormoną aldosteroną. Aldosteronas veikia distalinius kanaliukus ir surenkamuosius latakus, skatindamas Na⁺ ir vandens reabsorbciją bei K⁺ sekreciją. Tai didina kraujo tūrį.
• ADH sekrecijos stimuliavimas: Skatina hipofizę išskirti ADH, kas dar labiau padidina vandens reabsorbciją.
• Troškulio sukėlimas: Veikia pagumburio troškulio centrą.

Klinikinė reikšmė: Ši sistema yra pagrindinis daugelio vaistų nuo hipertenzijos taikinys. AKF inhibitoriai (pvz., enalaprilis) ir angiotenzino II receptorių blokatoriai (ARB) (pvz., losartanas) yra plačiai naudojami vaistai, kurie blokuoja šią sistemą ir mažina kraujo spaudimą.