the Formation and Excretion of
urine
（尿的生成与排出）
泌尿系统生理学
1. 通过尿的生成和排出，维持内环境稳态：①排泄代谢废物和摄入体内的异物
②调节机体的血容量，血压，电解质及渗透压的平衡③调节酸碱平衡
2. 内分泌作用：能生成和释放多种生物活性物质。如：erythropoietin, renin, 1 -羟化酶
3. 参与心血管活动的调节；是糖异生的场所之一。
肾脏的功能
概述General Introduction
E RYTHROPOIETIN (EPO)
Renin:
the rate-limiting enzyme in the RAAS.
Calcitriol (1,25-dihydroxyvitamin D3)
Hyper blood pressure 高血压 Edema 水肿 Anemia 贫血 Acidosis 酸中毒
？慢性肾功能衰竭患者可能出现哪些症状？
肾脏的功能
第一节
肾的功能解剖和肾血流量
一、肾的功能解剖
（一）肾单位和集合管
第一节肾的功能解剖和肾血流量
肾单位
肾小体
肾小管肾小球
肾小囊
近端小管
髓袢细段远端小管
近曲小管
近端小管直段
髓袢降支细段
髓袢升支粗段
髓袢升支细段远曲小管
集合管
Basic renal processes
1. Filtration
2. Reabsorption
3. Secretion
4. Excretion
一、肾的功能解剖
（二）球旁器：（juxtaglomerular apparatus ）
第一节
肾的功能解剖和肾血流量
1. 球旁细胞(juxtaglomerular cell) ：
也叫颗粒细胞或近球细胞，分泌肾素。2. 致密斑(macula densa)：
感受小管液中NaCl 的含量；调节球旁细胞对肾素的分泌。
3. 球外系膜细胞(extraglomerular mesangial cell)：吞噬作用
?How about mesangial cells?
球旁器(juxtaglomerular apparatus)
（三）肾脏的神经支配和血管分布
神经支配：
一般认为肾脏只接受交感神经的支配，无副交感神经支配分布：肾血管（动脉）（α1）、肾小管（近端）（α1）、球旁细胞（β2）。功能：调节肾血流量；
肾小球滤过率；
肾小管的重吸收和肾素的释放。
肾脏的血管分布：
肾动脉→叶间动脉→弓状动脉→小叶间动脉→入球小动脉→出球小动脉
（三）肾脏的神经支配和血管分布
Renal blood supply
---interlobular V---arcuate
V---interlobar V
Renal A
---interlobar A---arcuate A---interlobular A
---afferent arterioles
glomerular capillaries efferent arterioles ---peritubular capillaries
---Renal V
肾单位的类型：
皮质肾单位
近髓肾单位
数量（%）85 -90 10 -15肾小体分布中、外皮质层内皮质层肾小体体积较小
较大
小动脉口径入球＞出球（2∶1）入球≤出球（1∶1）毛细血管系统仅有网状毛细血管，分布于网状毛细血管和直小血管皮质部分肾小管周围，后者至内髓髓袢短、至外髓质层长、可深入内髓质层
球旁器有、含肾素多几乎不含肾素功能特点
原尿的生成
尿的浓缩与稀释
肾单位的类型
肾血液循环的特点：
1. 血流量大，分布不均。
安静时：两肾血流量1200ml/min
(占心输出量20 % -25%)
分布不均：94%皮质；5 %外髓；1 %内髓
2. 两套毛细血管网
肾小球毛细血管网（入球小动脉粗短、出球小动脉细长，血压高，有利于滤过）；
肾小管周围毛细血管网（血压低，胶渗压大，有利于重吸收）
二、肾血流量(renal blood flow, RBF)
在没有外来神经支配的情况下，当动脉血压在80-180mmHg 之间变化时，肾
血流量和肾小球滤过率能保持相对恒定的现象。
*肾血流量的自身调节（autoregulation ）
Myogenic theory
Poiseuille ’s
law:
If △P increases, but the radius decreases, the rate of flow can keep constant.
l
Q 8Pr 4
灌流压80→180mmHg 入球小动脉收缩血流量不增多灌流压180→80mmHg 入球小动脉舒张血流量不减少灌流压<80mmHg 入球小动脉舒张达极限灌流压>180mmHg 入球小动脉收缩达极限
自身调节的机制之一——肌源性学说
管－球反馈(Tubuloglomerular feedback)：
肾小管内液体量变化影响肾小球滤过率和肾血流量的现象。机制：肾血流↓、肾小球滤过率↓ →小管液流量↓
→ 到达致密斑的NaCl ↓ →致密斑发出信息→肾血流↑、肾小球滤过率↑意义：保持肾血流、肾小球滤过率、小管液相对恒定。
？？自身调节的机制之二：
管-球反馈
One Possible Mechanism
？
肾血流量↓
肾小球滤过率↓致密斑NaCl ↓
Renin ↑Angiotensin II ↑出球小动脉阻力↑
入球小动脉阻力↓
（-）
（-）
？
：腺苷
肾血流量的神经和体液调节
神经调节
肾交感神经兴奋时，肾血管收缩，肾血流量减少。肾交感神经活动减弱时，肾血管舒张，肾血流量增加。体液调节
肾血管收缩：
肾上腺素、NE 、血管紧张素II 、血管升压素、腺苷等肾血管舒张：前列腺素、NO 、心房钠尿肽
H UMORAL
REGULATION OF RENAL BLOOD FLOW
Hormones Effect on renal blood flow
Norepinephrine ↓Epinephrine ↓Endothelin ↓NO
↑Prostaglandins ↑Bradykinin
↑
第二节
肾小球的滤过作用
第二节
肾小球的滤过作用
肾小球滤过(glomerular filtration)
血浆中的水和小分子物质经滤过膜进入肾小囊腔形成原尿的过程。
原尿
是血浆的超滤液(ultrafiltrate)
肾小球滤过率(glomerular filtration rate,
GFR):单位时间内两肾生成的原尿量(125ml/min)。滤过分数(filtration fraction)
肾小球滤过率与每分钟的肾血浆流量的比值。(125÷660)×100% = 19%
*
*
Renal plasma flow
大家来找茬
X
滤过膜的三层结构：
内层：毛细血管的内皮细胞
(endothelial cell)70-90 nm 窗孔
中间层：基膜（纤维网结构）
(basement membrane)2-8 nm
网孔
外层：肾小囊脏层足细胞的足突
4-11 nm
（一）滤过膜的构成
机械屏障
Substance
Molecular Weight
Filterability
Water 水18 1.0Sodium 钠23 1.0Glucose 葡萄糖180 1.0Inulin 菊粉5,500 1.0Myoglobin 肌红蛋白17,0000.75Albumin 白蛋白
69,000
0.005
不同分子量的物质的滤过率
（二）滤过膜的选择通透性
1.机械屏障
2.电学屏障：在滤过膜的各层均覆盖有
一层带负电荷的糖蛋白。
So…相
对
滤
过
率
有效分子半径（A）
正电荷
负电荷
滤过效应：
1.有效半径大于4.2的
物质不能通过；
2.电学屏障限制带负
电荷的大分子通过。
滤过系数（K F）对GFR的影响
The capillary filtration coefficient (K f)
K f= 滤过膜的有效通透系数 滤过膜的面积 ↑ K f↑GFR
↓K f↓GFR
可能导致K
f
改变的情况???
不是生理情况下影响GFR的主要因素
促进滤过的动力：
肾小球毛细血管血压
肾小囊内液的胶渗压
阻止滤过的阻力：
血浆胶渗压
肾小囊内压
*有效滤过压(effective filtration pressure)
有效滤过压= 肾小球毛细血管血压-（血浆胶渗压+肾小囊内压）
452510
＝0
肾小囊内压（P BS）对GFR的影响肾小囊内压即肾小囊内静水压
↑ P BS ↓GFR
↓P BS ↑GFR
P BS改变的情况:
（肿瘤，结石。。。）
也不是生理情况下影响GFR的主要因素
肾小球毛细血管压（P GC）对GFR的影响
↑ P GC ↑GFR
↓P GC ↓GFR
P GC is determined by:
1. 入球小动脉阻力（afferent arteriole resistance）(R AA)
2. 出球小动脉阻力（efferent arteriole resistance）(R EA) **生理情况下影响GFR最重要的因素！！！
Two factors influence GC :
1. 血液胶体渗透压( A )
↑ A
↑ Gc ↓GFR ↓ A
↓ Gc ↑GFR
2. 肾血浆流量(see next slide)
血浆胶体渗透压（ GC ）对GFR 的影响
滤过平衡(filtration equilibrium)
有效滤过压= 肾小球毛细血管血压-（血浆胶渗压+肾小囊内压）
滤过平衡点
肾血浆流量（RBF ）对GFR 的影响
Influence the filtration equilibrium:
血浆流量大→血浆胶体渗透压上升的速度↓
→滤过平衡更靠近出球小动脉端，有效滤过面积增大→ GFR↑
410
9212566096609min)
/(min)/(min)
/125min(2
ml ml RPF mEq PP 535
9
1070
182125132018132018min)
/(min)
/(min)
/125min(2
ml ml RPF mEq PP RBF increase, slower increasing
GC ：
RBF ↑
RBF ↓
Renal blood flow (RBF)
Q UESTION :
肾血流量改变是生理情况下影响肾小球滤过率的主要因素吗?
WHY?
A UTOREGULATION
Renal plasma flow
1. 肾小球毛细血管血压
2. 囊内压
3. 血浆胶体渗透压
4. 肾血浆流量
5. 滤过系数（K f )？？？K f = 滤过膜的有效通透系数 滤
过膜的面积
* 影响肾小球滤过的因素
有效滤过压
C LINICAL CASE STUDY 1：
现病史：5岁小男孩因无尿和双下肢水肿入院。
既往史：两周前，因链球菌咽炎曾使用青霉素治疗。家长认为他病情好转，几天后停药。
PHYSICAL EXAMINATION
VS: T 37°C, P 78/min, R 15/min, BP 120/90 mm Hg PE: 患者少尿，下肢和眼周明显水肿。
LABORATORY STUDIES
Urinalysis: 颜色深，有红细胞，红细胞管型和蛋白(>3 g/day)ASO titer: 250 Todd units/mL (normal: <160 units/mL)BUN:32 mg/dL (normal: 7-18 mg/dL)
Creatinine: 2.0 mg/dL (normal: 0.6-1.2 mg/dL)
你的诊断？解释症状发生的原因。
滤过主要内容：
滤过膜（组成、选择性）
三个概念：肾小球滤过率；滤过分数；
有效滤过压
一个问题：
影响肾小球滤过的因素有哪些？机制？
第三节
肾小管和集合管的物质转运功能Part 1：水钠重吸收及其调节
第三节
肾小管和集合管的物质转运功能
重吸收Reabsorption :
小管液中的物质进入血液的过程。分泌Secretion:
小管上皮细胞产生的物质或血液中的物质进入小管液中的过程。
Urinary excretion = Glomerular filtration
－Tubular reabsorption ＋Tubular secretion
Primary urine (ultra)filtrate 180L/d
Tubular fluid
Final urine 1-2L/d
被动转运(passive transport)：
单纯扩散Simple diffusion 易化扩散Facilitated diffusion 水渗透
Osmosis （渗透压差是水的转运动力）
主动转运(active transport)：
原发性主动转运(sodium pump, calcium pump…)继发性主动转运(secondary active transport)入胞(endocytosis)
（一）肾小管上皮的转运方式
跨细胞途径(transcellular pathway)
小管液中的物质经顶端膜进入上皮细胞内，再被基底膜上的泵或转
运体运至细胞外，进入管周毛细血管。细胞旁路途径(paracellular pathway)
小管液内的物质通过上皮的紧密连接直接进入上皮的细胞间隙而被重吸收。
（二）肾小管上皮的转运途径
Reabsorption of Sodium and Chloride
65% Na + Cl -12% Na +
Cl
-20%Na +
Cl
-
adjustable
Un-adjustable
近端小管65 % ~70%
髓袢和远端小管起始段
20 %降支细段：透水不透钠（不重吸收钠）
升支细段：透钠不透水（被动扩散重吸收钠）升支粗段：同向转运体Na + : 2Cl : K +远端小管起始段：Na +-Cl -同向转运体远端小管远端和集合管
12 % 主动重吸收
必然性重吸收
调节性重吸收
**NaCl 和水的重吸收
近端小管前半段——跨细胞转运途径
结
果
葡萄糖和氨基酸继发性主动转运H +分泌
HCO 3-重吸收水被重吸收
Cl -被留在小管液中
近端小管后半段——细胞旁转运途径
结
果
Cl -顺浓度梯度被动扩散Na +顺电势梯度被动扩散
水被动重吸收
1. 等比重吸收65-70%，与机体是否需要Na +无关。
2. 2/3 跨细胞
主动形式（近端小管前段）1/3 细胞旁路
被动形式（近端小管后段）
3.伴随H +的分泌以及营养物质重吸收。
4.等渗重吸收（小管液为等渗液）；水的重吸收有两种途
径（跨细胞，细胞旁路）
近端小管重吸收Na +的特点：
球-管平衡(Glomerulotubular balance)：近球小
管的重吸收率始终占肾小球滤过率的65%～70%。
机制：
（肾血流不改变）肾小球滤过率↑ →毛细血管压↓血浆胶体渗透压↑
→组织液回流增多→组织间液静水压↓ →回漏入肾小管腔量↓ →重吸收↑
意义：保持尿钠和尿量稳定。
关于近端小管的等比重吸收
髓袢和远端小管起始段
重吸收滤过量的20% 。重吸收的机制
髓袢降支细段：钠不通，水通
髓袢升支细段：钠通（扩散），水不通
髓袢升支粗段：钠通（主动重吸收），水不通远端小管起始段：主动重吸收钠，水不通
NaCl 和水的重吸收
一、肾小管和集合管中各种物质的重吸收与分泌
第三节肾小管和集合管的物质转运功能
Na + ：K + ：2 Cl –同向转运体主动重吸收Na +
呋塞米
（速尿、利尿酸）
NaCl 和水的重吸收——髓袢升支粗段
正离子钠、钾、钙顺电位差被动转运
哇巴因
NaCl 和水的重吸收——远曲小管始段钠、水重吸收可以调节；始段水不通；钠主动重吸收。
噻嗪类利尿剂
NaCl 和水的重吸收
——远端小管远端、集合管
阿米洛利
Cl -
主细胞（principal cells, P cell ）钠通道重吸收Na +钾通道分泌K +
Cl -经细胞旁途径被动重吸收
闰细胞（intercalated cells, I cell ）
分泌H +（H +泵，H +-K +ATP 酶）
NaCl 和水的重吸收
——远端小管后段、集合管，由醛固酮调节
两类细胞
产生部位：肾上腺皮质球状带
作用部位：远曲小管、集合管上皮细胞作用：
促进重吸收Na +、排出K +
“保钠排钾，间接保水”
促进泌氢
机制：基因表达的学说
醛固酮
(1)血K +/血Na +浓度:
血Na +↓或血K +↑→直接刺激肾上腺皮质球状带→醛固酮分泌↑
(2) 肾素-血管紧张素-醛固酮系统
Renin-Angiotensin-Aldosterone systems, RAAS
醛固酮的分泌调节：
Renin–Angiotensin-Aldosterone System (RAAS)
Epithelium
Angiotensin converting enzyme
Angiotensinase A
Angiotensin III
Renin–
angiotensin-aldosterone system (RAAS)
肾素-血管紧张素-醛固酮系统的组成成分
肾素(球旁细胞分泌)
血管紧张素原
血管紧张素I 血管紧张素II
转换酶
血管紧张素III
醛固酮分泌
2. 血管紧张素Ⅱ的功能
对尿生成的调节：
①改变GFR （K f ，毛细血管压）
低浓度时：GFR 变化不大高浓度时：GFR 减小
②刺激Na +-H +交换，使近端小管重吸收NaCl ↑。③刺激ADH 的分泌，刺激醛固酮的分泌。
**肾素分泌的调节
（1）肾内机制
入球小动脉牵张感受器肾动脉灌注压↓→
入球小动脉壁受牵拉的程度↓→ 肾素↑致密斑
GFR↓→ 致密斑（小管液Na ＋）↓→ 肾素↑
肾素分泌的调节
（2）神经机制
交感神经兴奋释放NE →近球细胞的β肾上腺素能受体→肾素释放
（3）体液机制
刺激肾素释放：NE 、PGE 2、PGI 2
抑制肾素释放：ANGⅡ、ADH 、ANP
Thought Question:
急性大失血:
1.RAAS 会被激活吗？如何激活？
2.RAAS 发挥的作用是？
3.
对尿生成有什么影响？
近端小管65 % ~70%
髓袢和远端小管起始段
20 %降支细段：对NaCl 的通透性低，对水通透性高
——小管液NaCl 浓度高
升支细段：对NaCl 的通透性高，对水通透性低
——小管液NaCl 浓度低
升支粗段：同向转运体Na + : 2Cl : K +远端小管起始段：Na-Cl 同向转运体远端小管远端和集合管
12 % 主动重吸收
必然性重吸收
调节性重吸收，ALD
**NaCl 和水的重吸收
Reabsorption of Sodium and Cloride
65% Na + Cl -12% Na +
Cl
-20%Na +
Cl
-
adjustable
Un-adjustable
Reabsorption of Water
Osmotic reabsorption
(65%)
<14% water
20%water
adjustable
Un-adjustable
Reabsorption of water
Water channel (aquaporin) discovery
1988年，美国科学家Agre 从红细胞分离Rh 抗原时意外获得一种28kD 的疏水性跨膜蛋白。
人类表达10多种水孔蛋白，分布在血细胞，肾脏和神经系统。
The 2003 Nobel Prize in Chemistry was awarded jointly to Peter Agre for the discovery of aquaporins, and Roderick
MacKinnon for his work on the structure and mechanism of potassium channels .
Water channel (aquaporin) discovery
H 2O
近端小管: 65%
跨细胞途径：AQP1细胞旁途径
髓袢（降支细段）：20%
远曲小管和集合管: 12%
通过渗透被动转运
跨细胞途径：AQP1
跨细胞途径:AQP2 AQP3，AQP4
由抗利尿激素（antidiuretic hormone , ADH ）调节
等渗重吸收
非等渗重吸收Water Reabsorption –近端小管
Tubular Lumen
Interstitial Fluid
Tubular Cell water
AQP1
AQP1
Reabsorption of solutes results in a decreased local osmolarity.
osmosis
Reabsorption of solutes results in an increased local osmolarity.
Water Reabsorption –髓袢降支细段Tubular Lumen Interstitial Fluid
Tubular Cell
AQP1AQP1
AQP1AQP1
Water Reabsorption–
远曲小管远端与集合管Tubular Lumen Interstitial Fluid
Tubular Cell
AQP2？AQP3/4
AQP2？AQP3/4
Mechanism of ADH**ADH的生理作用：
①ADH + V2受体→Gs →激活AC → cAMP↑→
蛋白激酶A→含水通道AQP2的小泡磷酸化后镶嵌
在管腔膜上→远曲小管远段和集合管对水的重吸收
↑（抗利尿）
②ADH + 血管平滑肌V1受体→血管收缩→血压升
高（升压）
(也叫血管升压素，Vasopressin)
ADH synthesis and secretion
Vasopressin (VP)/Antidiuretic Hormone (ADH)
合成：下丘脑
a)视上核（Supraoptic
nucleus，SON)
b)室旁核
（Paraventricular
nucleus，PVN)
释放：垂体后叶
Regulation of ADH secretion 1.血浆晶体渗透压
下丘脑渗透压感受器
调定点：280mOsm/L
(分泌阈值)
Day to day regulation
渗透压↑1% →ADH↑1pg/ml
(0-4pg/ml)Regulation of ADH secretion
2. 血容量和血压
(心肺容量感受器/压力感
受器)
Volume or BP↑(5-10%)
→ADH ↓
The relation
between
the changes of
stimulators and
ADH release
Other factors that regulate ADH
secretion
Increase ADH: Nausea, pain, Ang II,
hypoglycemia, Nicotine and morphine
Decrease ADH: Cold, ethanol and ANP
Thought Questions:
1. 成人一次饮清水1L，其尿量和渗透压怎
么变？
2. 剧烈运动大量出汗后，尿生成量和渗透
压有什么变化？
水利尿（WATER DIURESIS ）
解释：
大量饮清水后尿量在半小时内开始显著增加，1
小时达峰，2-3小时后恢复正常的现象
U r i n e e x c r e t i o n m l /m i n
Time (h)
Figure: Different effects of drinking 1L water (filled circle) and 1L normal saline (open circle) on urine excretion
Major response to water deficit:
Thirst
氯化钠是在哪一段肾小管？
A
B
C
D
E
第三节肾小管和集合管的物质转运功能
水钠平衡
酸碱平衡与血钾平衡 葡萄糖的重吸收
Reabsorption and secretion of K +
K +(65%)
K +secretion
and absorption
25%K +
Na + ：K + ：2 Cl –同向转运体主动重吸收Na +
呋塞米
（速尿、利尿酸）
髓袢升支粗段
正离子钠、钾、钙顺电位差被动转运
哇巴因
集合管重吸收K +
H +-K +
交换？？
K +的分泌
远端小管和集合管分泌K +分泌的动力：
①Na +主动重吸收电位差②Na +-K +泵主细胞泌K +的影响因素：细胞外K + 浓度、醛固酮、小管液的流速
Secretion of Hydrogen
H +
H +
Reabsorption of HCO 3-
HCO 3-(85%)
<15% HCO 3-
Secretion of hydrogen —proximal tubule
小管腔
Secretion of hydrogen —distal half of distal tubules and collecting duct
小管腔
与氢的分泌密切伴随：近端小管及髓袢升支粗段：Na +-H +
远端小管远端和集合管：H +-ATP
HCO 3-的重吸收量和过程
Na +-H +
Na +-H +
H +-ATP
HCO 3-的重吸收
近端小管重吸收80%~90%
远端小管和集合管重吸收10%~20%
HCO 3-重吸收机制：与泌H +相伴，以CO 2方式H +的分泌
近端小管为主，髓袢，远端小管, Na +-H +交换集合管，质子泵泌H +（闰细胞）
HCO 3-的重吸收和H +的分泌
问题来了：
生理状态下，氢离子的分泌约为4400mEq/d ，剩余的80mEq 的H +如何被排出？
Free ion?
被缓冲！！
Minimum urinary pH=4.5
900-fold concentration gradients 相当于log -4.5=0.03mEq
若要排出80mEq 的游离氢，需要产生2667L 尿液