第二节　肾小管和集合管的物质转运功能

一、肾小管和集合管的物质转运方式

正常人两肾生成的超滤液每天达180L，而终尿量仅1.5L左右，表明超滤液中的水99%被肾小管和集合管重吸收，超滤液中的其他物质被选择性重吸收或被肾小管上皮细胞主动分泌。例如，滤过的葡萄糖和氨基酸在近曲小管全部被重吸收，而肌酐、H+和K+等则可被分泌到小管液中而排出体外；Na+、Ca2+和尿素等则不同程度地被重吸收。

肾小管和集合管的物质转运功能包括重吸收（reabsorption）和分泌（excretion）。重吸收是指肾小管上皮细胞将物质从肾小管液中转运到血液中；分泌是指肾小管上皮细胞将自身产生的物质或血液中的物质转运到小管液中。肾小管和集合管的物质转运方式也分为被动转运和主动转运。被动转运包括扩散、渗透和易化扩散。主动转运包括原发性主动转运和继发性主动转运。前者包括H+泵、Na+-K+泵和Ca2+泵等；继发性主动转运包括Na+-葡萄糖、Na+-氨基酸同向转运，K+-Na+-2Cl-同向转运，还有Na+-H+和Na+-K+等逆向转运。此外，肾小管上皮细胞还可以通过入胞方式重吸收少量小管液中的小分子蛋白质。

各种转运体在肾小管上皮管腔膜（即细胞的顶端膜）的分布与在细胞基底及侧膜（称基底侧膜）的分布不同。因此上皮细胞的管腔膜和基底侧膜对各种物质的转运情况是不同的。肾小管和集合管中物质转运的途径可分为两种。一种途径为跨细胞转运途径重吸收，小管液中的溶质通过管腔膜进入小管上皮细胞内，进入细胞内的物质通过一定的方式跨过基底侧膜进入组织间隙液。另一途径为细胞旁转运途径重吸收。例如，小管液中的水分子和Na+、Cl-可直接通过小管上皮细胞间的紧密连接进入细胞间隙而被重吸收。

二、肾小管和集合管的各种物质的重吸收和分泌

由于肾小管和集合管各段的结构和功能不同，小管液的成分也不同，故肾小管各段的物质转运方式、转运量和转运机制也不相同。

（一）Na+、Cl-和水的重吸收

近端小管重吸收超滤液中含有65%～70%的Na+、Cl-和水，其中约2/3经跨细胞转运途径，主要发生在近端小管的前半段；约1/3经细胞旁途径被重吸收，主要发生在近端小管的后半段。在近端小管的前半段，Na+进入上皮细胞的过程与H+的分泌以及葡萄糖、氨基酸的转运相偶联（图2-1）。由于上皮细胞基底侧膜Na+泵的作用，细胞内Na+浓度低，小管液中的Na+和细胞内的H+由管腔膜的Na+-H+交换体进行逆向转运，H+被分泌到小管液中，而小管液中的Na+则顺浓度梯度进入上皮细胞内。小管液中的Na+还可以由管腔膜的Na+-葡萄糖共转运体和Na+-氨基酸共转运体与葡萄糖、氨基酸共同转运，Na+顺电化学梯度通过管腔膜进入细胞内，同时将葡萄糖和氨基酸转入细胞内。进入细胞内的Na+，经基底侧膜的Na+泵被泵出细胞，进入组织间隙。进入细胞内的葡萄糖和氨基酸以易化扩散的方式通过基底侧膜离开上皮细胞，进入血液循环。由于Na+、葡萄糖和氨基酸等进入细胞间隙，使细胞间隙中的渗透压升高，在小管上皮细胞两侧渗透差的作用下，水通过表达于上皮细胞膜的水通道蛋白（aquaporin，AQP）快速进入细胞间隙。由于上皮细胞间存在紧密连接，故细胞间隙内的静水压升高，可促使Na+和水进入毛细血管而被重吸收。在近端小管前半段，因Na+-H+交换使细胞内的H+进入小管液，则被重吸收，而Cl-不被吸收，其结果是小管液中Cl-的浓度高于管周组织间液的浓度。

在近端小管后半段，有Na+-H+交换和逆向转运体，其转运结果是Na+和Cl-进入细胞内，H+和进入小管液，可重新进入细胞。进入细胞内的Cl-由基底侧膜的K+-Cl-共转运体转运至细胞间隙，再吸收入血。由于进入近端小管后半段小管液的Cl-浓度比细胞间隙液中浓度高20%～40%，Cl-顺浓度梯度经紧密连接进入细胞间隙被重吸收。由于Cl-被动扩散进入间隙后，小管液中阳离子相对增多，造成管内外电位差，管腔内带正电荷，驱使小管液内的Na+顺电势梯度通过细胞旁途径被动重吸收。因此，这部分Na+顺电势梯度吸收是被动的，Cl-为顺浓度差被动扩散，均经过上皮细胞间隙的紧密连接进入细胞间隙液。因为上皮细胞主动和被动重吸收Na+、、Cl-、葡萄糖和氨基酸进入细胞间隙后，小管液的渗透压降低，细胞间隙液的渗透压升高，水在渗透压差的作用下通过上皮细胞膜表达的AQP1和细胞紧密连接两条途径进入细胞间隙，然后进入管周毛细血管而被吸收。因此，近端小管中物质的重吸收为等渗重吸收，小管液为等渗液。

肾小球滤过的NaCl约20%在髓袢被重吸收，约15%的水被重吸收。髓袢降支细段Na+泵活性很低，对Na+也不易通透，但由于表达AQP1，对水通透性较高。在组织液高渗作用下水被重吸收。故小管液在流经髓袢降支细段流动时，渗透压逐渐升高。髓袢升支细段对水不通透，但对Na+和Cl-易通透，NaCl扩散进入组织间液。故小管液经髓袢升支细段流动时，渗透压逐渐下降。髓袢升支粗段是NaCl在髓袢重吸收的主要部位，为主动重吸收。髓袢升支粗段的顶端膜上有电中性Na+-K+-2Cl-共转运体（NKCC），该转运体使小管液中1个Na+、1个K+和2个Cl-同向转运至细胞内。进入细胞内的Na+则通过细胞基底侧膜的钠泵至组织间液，Cl-由浓度梯度经管周膜上的Cl-通道进入组织间液，而K+则顺浓度梯度经管腔膜返回小管液中，并使小管液呈正电位。

远端小管和集合管重吸收约12%滤过的Na+和Cl-。Na+的重吸收主要受醛固酮调节，水的重吸收主要受抗利尿激素调节。在远曲小管始端，上皮细胞对水仍不通透，但仍然能主动重吸收NaCl，使小管液渗透压继续降低。Na+在远曲小管和集合管的重吸收是逆电化学梯度进行的，属主动转运。在远曲小管始端的管腔膜，小管液中的Na+和Cl-经Na+-Cl-共转运体（NCC）进入细胞内，细胞内的Na+由Na+泵泵出。远曲小管后段和集合管的上皮有两类不同的细胞，即主细胞和闰细胞。主细胞基底侧膜上的Na+泵维持细胞内低的Na+浓度，并成为小管液中Na+经顶端膜Na+通道进入细胞的动力源泉。而Na+的重吸收又造成小管液呈负电位，可驱使小管液中的Cl-经细胞旁途径而被动重吸收，也成为K+从细胞内分泌入小管腔的动力。

AQP是一类表达于细胞膜上的蛋白质，有6个跨膜螺旋，在细胞膜上组成“孔道”，可控制水通过细胞膜，水分子经过水通道蛋白时会形成单一纵列，进入弯曲狭窄的通道内，内部的偶极力与极性会帮助水分子旋转，最终使水分子以适当的角度穿越狭窄的通道，水通道蛋白在肾小管和集合管重吸收水方面发挥重要作用。目前已知哺乳类动物体内的水通道蛋白有 13 种，其中 AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP6、AQP7、AQP8 和 AQP11 在肾脏表达。这些亚型分布在肾小管和集合管细胞。AQP1表达于近曲小管、髓袢降支细段和直小血管降支。AQP2表达在集合管主细胞顶端膜，受抗利尿激素调控。AQP3和AQP4表达于集合管基底侧膜。AQP6位于集合管的A型泌酸的闰细胞中。AQP7表达于近曲小管。AQP8表达于近端肾小管，具体部位未知。AQP11可能位于近端小管细胞的内质网中。研究发现AQP11基因敲除可导致多囊肾病。

越来越多的研究发现，AQP在肾脏水重吸收过程中发挥重要作用。AQP1、AQP2、AQP3和AQP4在肾小管和集合管的水重吸收过程中发挥关键作用。AQP7可能介导近端小管上的甘油重吸收。AQP6、AQP8和AQP11的具体生理功能仍然不清楚，鉴于它们都表达于细胞内而不是细胞质膜上，提示它们可能与胞内的水和某些溶质平衡有关。

（二）的重吸收与H+的分泌

肾脏主要通过重吸收，分泌H+和NH3，对机体酸碱平衡的维持发挥重要的调节作用。正常情况下，从肾小球滤过的几乎全部被肾小管和集合管重吸收，高达80%的由近端小管重吸收。血液中的以钠盐NaHCO3的形式存在，当滤过进入肾小囊后，分解为Na+和。近端小管上皮细胞通过Na+-H+交换使H+进入小管液（图2-2），与结合生成H2CO3进而生成CO2和水，这一反应由上皮细胞顶端膜的碳酸酐酶（carbonic anhydrase，CA）催化。CO2为高度脂溶性，以单纯扩散方式进入上皮细胞内，CO2和水在CA的催化下形成H2CO3，后者分解成H+和。H+则通过顶端膜的Na+-H+逆向转运进入小管液，与结合形成H2CO3。其转运方式所需的能量由基底侧膜上的Na+-K+-ATP酶提供。由此可见，近端小管重吸收是以CO2的形式进行的，故的重吸收优先于Cl-的重吸收。CA在重吸收过程中起重要作用。此外，髓袢对的重吸收主要发生在升支粗段，其机制同近端小管。

远曲小管和集合管的闰细胞可主动分泌H+。一般认为，远曲小管和集合管的管腔膜存在两种主动转运机制，一种为H+泵，一种为H+-K+-ATP酶，均可将细胞内的H+泵入小管液中。泵入小管液中的 H+可与 结合，形成 H2O和 CO2；也可与反应生成；还可与NH3反应生成胺离子，从而降低小管液中的H+浓度。肾小管和集合管H+的分泌量与小管液的酸碱度有关。小管液pH降低时，H+的分泌减少。

（三）K+的重吸收与分泌

肾脏对K+的排出量取决于肾小球滤过、肾小管对K+的重吸收和肾小管对K+的分泌，决定尿K+排出量的重要因素是远曲小管和集合管K+的分泌量。65%～70%的K+被近曲小管重吸收，25%～30%在髓袢重吸收，该部位K+的重吸收比例是比较固定的。远曲小管和集合管能重吸收K+，也能分泌K+，并受多种因素的调节而改变其重吸收和分泌的速率。

远曲小管和集合管上皮细胞内K+浓度较高，K+可顺化学梯度通过管腔顶端膜的K+通道进入小管液。基底侧膜上的Na+-K+-ATP酶将细胞内的Na+泵出细胞，同时将细胞外液中的K+泵入细胞（图2-3），这是形成细胞内高K+浓度的基础。由于远曲小管和集合管顶端膜有Na+通道，小管液中的Na+顺电化学梯度扩散进入小管细胞内，造成小管液呈负电荷，也构成K+扩散的电位梯度。远曲小管后半段和集合管的主细胞分泌K+。

（四）Ca2+的重吸收和排泄

大约50%的血浆钙呈游离状态，其余部分与血浆蛋白结合。经肾小球滤过的Ca2+，约70%在近曲小管被重吸收，与Na+的重吸收平行；20%在髓袢被重吸收；9%在远曲小管和集合管被重吸收；少于1%的Ca2+随尿排出。近曲小管钙的重吸收，约80%由溶剂拖曳方式经细胞旁途径进入细胞间隙，约20%经跨细胞途径重吸收。上皮细胞内的Ca2+浓度远低于小管液中Ca2+浓度，且细胞内电位相对小管液为负，此电化学梯度驱使Ca2+从小管液扩散进入上皮细胞内，细胞内的Ca2+则经基底侧膜上的Ca2+-ATP酶和Na+-Ca2+交换机制逆电化学梯度转运出细胞。髓袢降支细段和髓袢升支细段对Ca2+不通透，仅髓袢升支粗段能重吸收Ca2+。髓袢升支粗段小管液为正电位，该段膜对Ca2+也有通透性，故可能存在被动重吸收，也存在主动重吸收。在远曲小管和集合管，小管液为负电荷，故Ca2+的重吸收是跨细胞途径的主动转运。

（五）葡萄糖和氨基酸的重吸收

肾小球超滤液的葡萄糖浓度与血浆中的相等。正常情况下，葡萄糖全部被重吸收，尿中几乎不含葡萄糖。滤过的葡萄糖均在近曲小管，特别是近曲小管的前半段被重吸收。近曲小管上皮细胞顶端膜上有Na+-葡萄糖同向转运机制，小管液中Na+和葡萄糖与转运体结合后，被转入细胞内，属继发性主动转运。进入细胞内的葡萄糖则由基底侧膜上的葡萄糖转运体转入细胞间隙。近曲小管对葡萄糖的重吸收是有一定限度的。当血糖浓度达180mg/100ml时，有一部分肾小管对葡萄糖的吸收已达极限，尿中开始出现葡萄糖，此时的血浆葡萄糖浓度为肾糖阈值。每一肾单位的肾糖阈并不完全一样，当血糖浓度继续升高时，尿中葡萄糖浓度也随之增高；当血糖浓度升至300mg/100ml时，全部肾小管对葡萄糖的重吸收均已达到或超过近曲小管对葡萄糖的最大转运率，此时每分钟葡萄糖的滤过量达两肾葡萄糖重吸收的极限量，尿糖排出率则随血糖浓度升高而平行增加。正常人两肾的葡萄糖重吸收的极限量，男性为375mg/min，女性为300mg/min。肾小球滤过的氨基酸和葡萄糖一样，主要在近曲小管被重吸收，其吸收方式也是继发性主动重吸收，需Na+的存在，但有多种类型氨基酸转运体。

（六）其他物质

肾内髓集合管末端表达尿素通道（urea transporter，UT），对尿素高度通透。当尿液流经集合管时，水被重吸收，使小管液内尿素浓度逐渐升高；到达内髓部集合管末端时，通过上皮细胞表达的尿素通道UT-A1和UT-A3，尿素从小管液向内髓部组织液扩散，使组织间液的尿素浓度升高，高浓度的尿素进入直小血管上行支被重吸收。此外，在正常情况下，可有微量血浆蛋白质被肾小球滤过进入肾小囊，肾小管液中的微量蛋白质通过吞饮进入肾小管上皮细胞，吞饮小泡中的蛋白质在细胞内分解为氨基酸，再被重吸收回血液。