[혈액과 요의 생화학]신장의 구조와 기능










신장의 구조


사람은 2개의 신장을 가지고 있으며 1개의 신장은 약 100만개의 nephron이라는 여과장치로 되어 있다. Nephron은 1개의 신소체(Malpighian body)와 세뇨관으로 되어 있다.(그림1 참조)


그림 1 Nephron의 구조

 

신소체는 사구체(모세혈관총)와 보우만낭(Bowman's capsule)으로 구성되어 있으며 사구체 전체 모세혈관의 길이는 50Km에 달한다.


사구체는 수입혈관이 평활근을 잃고 모세관망을 형성한 것으로 이 혈관벽은 50∼100㎚의 내피세포강을 가진 내피세포, gel성 점질다당류(mucopolysaccharide)로 구성되어 gel 여과를 일으키는 기저막, 20∼30㎚ 간격으로 늘어선 족세포로 된 상피세포의 3층으로 되어 있으며 기저막은 분자량 40,000∼60,000의 물질을 투과할 수 있게 한다.(그림 2 및 표 1 참조) 또 기저막은 전체가 음전기를 띠고 있어 양전기를 띤 물질이 투과하기 쉽다.


그림 2 사구체 혈관벽의 구조

 

정상적일 때는 사구체에서 단백질은 거의 통과할 수 없고 또 직경 70Å, 분자량 65,000 이상인 물질은 사구체 filter를 거의 투과할 수 없다. 투과한 미량의 혈청 albumin은 근위세뇨관 세포에서 식작용을 받아서 재흡수된다. 기저막이 팽화하거나 밀도가 낮아지면 단백질이 통과하여 단백뇨를 일으키고, 기저막에 균열, 파괴 등이 일어나면 적혈구 등의 혈액 고형성분이 투과하여 혈뇨가 된다.


혈액성분

분자량

분자반경(Å)

여액농도/혈장농도

Urea

60

1.6

1.0

Glucose

180

3.6

1.0

Sucrose

342

4.4

1.0

Insulin

5,500

14.6

0.98

Myoglobin

17,000

19.5

0.75

Ovalbumin

43,500

28.5

0.22

Hemoglobin

68,000

32.5

0.03

Serum albumin 

69,000

35.5

0.01

표 1. 혈액성분의 크기와 여과비율



신장의 기능


신장은 체액의 화학조성을 최적인 조건으로 유지하고 체액에 의한 생체환경의 항상화를 담당하고 있다.

1. 요의 생성

1) 사구체에 의한 혈장의 여과

사구체는 혈장 중의 물이나 염류를 배설하여 체액량과 혈장성분을 일정하게 유지한다. 또 삼투압이나 산, 염기평형에 관여하고 있으며 물질대사에 의해 생긴 분해산물이나 노폐물을 배설한다. 신장에는 매분 1,000∼1,300㎖의 혈액이 통과하므로 모든 혈액이 순환하는데 4∼5분이 걸린다. 


사구체에서 여과되는 혈액량은 한 개의 신장 당 60㎖/분이며 이것은 전혈장량의 20%에 해당한다. 사구체여과에서 포도당이나 염류 등은 비선택적으로 여과되지만 단백질, 혈구, 지방 등은 여과되지 않는다.



사구체에서 혈장의 여과는 사구체 내부에서부터 보우만낭으로 여과액을 밀어내는 실효여과압에 의해 일어난다. 그림 3에 의하면 사구체의 실효여과력은 75 - (30 + 10 + 10) = 25mmHg로 계산된다. 즉 사구체의 실효여과력은 모세관 혈압에 대한 사구체혈압, 혈장단백질 삼투압 및 보우만낭내압의 합계와의 차이에 의해 결정된다.


그림 3 사구체에 걸리는 압력표

 

심장쇠약 등으로 사구체 혈압이 50mmHg로 낮아지면 실효여과압은 0 으로 되어 무뇨가 된다. 또 사구체신염 등의 염증으로 세포간압이나 세뇨관압이 상승하면 역시 여과가 원활히 일어나지 않게 된다.

 

2) 세뇨관에서 유효성분의 선택적 재흡수

여과액에서 내부환경의 유지나 각종의 대사반응을 진행하는데 필요한 전해질, 물, 포도당, 아미노산 등의 유효성분은 세뇨관에서 선택적으로 재흡수 되어 정맥총으로 들어간다. 즉 근위세뇨관에서는 사구체여과액에서 전해질, 포도당, 아미노산, 염류 등을 물과 함께 재흡수하고 원위세뇨관에서는 Na+과 물을 재흡수한다.

 

3) 정맥총에서 세뇨관으로 불필요한 성분의 분비

정맥총의 혈장에 함유되어 있는 요소, 요산, creatinine, 칼륨이온, 수소이온, 암모늄이온, 유기 음이온화합물 등의 과잉물질, 불필요한 물질, 유해물질은 원위세뇨관으로 분비하여 배출한다.또 생체내에서의 이물질인 phenolsulfonphthalein(PSP) 색소, salicylate, p-aminohippurate(PAH), iodopyracet, phenol red, penicillin 등도 분비된다. 그래서 PSP색소, PAH, iodopyracet 등은 신장기능검사에 이용된다.


그림 4 세뇨관의 구조와 기능

 

2. 요의 형성

세뇨관에서의 재흡수 또는 분비의 결과로 사구체여과액의 10%가 세뇨관에 남아 원뇨가 된다. 집합관에서 원뇨의 양은 1㎖/분으로 되고 비중이나 pH는 이미 요로서의 특성을 가진다. 집합관에서 원뇨는 물만 더 재흡수 되어 사구체여과액의 1∼2%(총계 약 99%가 재흡수)까지 농축되어서 방광으로 운반된다.


그림 5 요성분의 농축그림

 

3. 원위세뇨관 및 집합관에서 호르몬의 작용

혈액삼투압이 상승하면 시상하부영역에 있는 삼투압수용체가 이를 감지하여 뇌하수체후엽호르몬인 vasopressin(항이뇨호르몬; ADH)을 분비한다. Vasopressin은 집합관에 작용하여 물의 재흡수를 촉진하고 혈액을 희석하여 체액량을 증가시킨다. Vasopressin의 작용은 cAMP를 거쳐서 전달되며 cAMP는 protein kinase를 활성화하고 단백질의 인산화를 증가시켜 세포막의 물 투과소공을 넓게 하거나 소공의 수를 증가시킨다. 


Vasopressin의 분비는 알코올이나 약제로 억제되고 외과수술, 심한 외상, 마취제 등에 의한 스트레스로 과잉분비된다. 부신피질호르몬인 aldosterone은 세뇨관에 작용하여 혈액 중의 K+와 Na+의 평형을 정상으로 유지하기 위해 K+와의 교환으로 Na+의 재흡수를 촉진한다. Aldosterone은 angiotensin Ⅱ에 의해 분비가 촉진된다.


성분

혈중농도(%)

요중농도(%)

농축율(%)

재흡수율(%)

Na+

0.30

0.35

1

99

Cl-

0.37

0.6

2

98

Ca2+

0.003

0.015

5

95

K+

0.02

0.15

7

93

인산

0.009

0.15

16

84

요산

0.004

0.05

22

78

황산

0.003

0.18

60

40

요소

0.03

2.0

70

30

creatinine

0.001

0.075

75

25

 

4. 신장의 다른 기능

신장에 혈액이 원활하게 유입되지 않으면 신장의 방사구체세포에서 renin이라는 단백질 분해효소가 분비되어 혈장중의 angiotensinogen이라는 당단백질에 작용하여 angiotensin Ⅰ을 생성하고 이어서 순환혈액 중의 전환효소에 의해 angiotensin Ⅱ라는 활성물질로 변한다. 


Angiotensin Ⅱ는 심장 이외의 내장근이나 혈관벽근 등의 평활근의 수축을 일으켜 혈압을 상승시킨다. 그래서 생리적으로 혈압이 저하하면 renin이 분비되어 말초혈관의 수축, 저항의 증가에 의해 혈압을 정상으로 되돌려 신장의 혈류량을 일정하게 유지한다. 이것을 renin-angiotensin계라 한다. Angiotensin Ⅱ는 부신피질에 작용하여 aldosterone을 분비시킨다. 한편 혈중에는 angiotensinase라는 분해효소가 존재하여 angiotensin Ⅱ를 분해하여 그 작용을 소실시킨다.(그림 6 참조)


그림 6 효소-호르몬과 신장의 상호작용표

 

신장성의 kallikrein은 저분자의 kininogen에 작용하여 methionyllysylbradykinin을 생산한다. 이 물질은 혈관확장, 신장 순환촉진, 이뇨작용, 나트륨 배설작용 등을 통해 혈압조정에 대하여 하강적으로 작용한다. 이것을 kallikrein-kinin계라 한다. Kinin은 Kininase Ⅱ에 의해 불활성화 되지만 이 효소는 angiotensin Ⅰ 전환효소와 동일하다. 신장에서 생성되는 Prostaglandin류는 강력한 혈관확장물질로 작용하고 신장의 재흡수 작용에 관여하여 나트륨의 배설을 증가시키고 이뇨작용을 나타낸다. 


Erythropoietin은 골수에서 적혈구의 성숙을 촉진하는 호르몬으로 신장에서 산소분압이 저하할 때 분비된다. 신장은 포도당, 젖산, pyruvate, 지방산, glycerol, citrate, glutamine이나 소량의 lysine을 흡수한다. 이 물질들은 산화적으로 분해되고 산소소비와 Na+ 재흡수에 비례하여 소비가 증가하며 이 과정에서 생성된 에너지는 세뇨관에서의 수송과정에 이용된다. Glutamine은 신장에서 암모니아의 형성 및 신장의 산-염기 평형에 관계한다. 또 근위세뇨관에서 재흡수 된 아미노산은 당신생에 이용되고 부갑상선호르몬, epinephrine, angiotensin 등은 당신생을 높인다. 신장은 흡수된 대사산물에서 암모니아, hippuric acid, creatine, urochrome 등을 생성한다.

 

5. 신장역치(renal threshold)와 역물질(threshold substance)

어떤 물질이 혈장 중에 정상범위내의 농도로 존재할 때 그 물질은 세뇨관에서 완전히 재흡수 되지만 그 농도가 정상범위를 넘을 때에는 완전히 흡수되지 않아서 요 중에 나타나는 경우가 있다. 극히 일부이거나 또는 완전히 재흡수 되지 않는 물질을 낮은 역물질이라 하며 요소, 요산, creatinine 등이 이것에 해당한다. 또 생체에서 필요하여 매우 효과적으로 재흡수 되는 물질은 높은 역물질이라 하며 포도당, 아미노산 등이 그것에 해당한다. 보통 역치가 높은 물질의 흡수에는 능동수송기구가 존재한다. 그러므로 건강인에 있어서 포도당의 혈장농도가 140∼160㎎/㎗ 수준이면 전부 재흡수 된다.


포도당의 재흡수는 사구체에서 여과된 후 세뇨관의 헨레계제에 도달할 때까지의 과정에서 일어난다. 혈당수준은 100㎎/㎗로 여과속도가 120㎖/분이므로 여과액 중의 포도당 양은 120㎎/분이 되고 이 양은 세뇨관에서 완전히 재흡수 된다. 혈당수준이 증가하면 세뇨관에서는 흡수능력의 한계까지 재흡수하며 이 한계는 350㎎/분으로 세뇨관 극대 또는 T㎎라 한다. 이 한계를 넘으면 여분의 포도당이 요중으로 배설되어 당뇨가 나타난다. 세뇨관에서 포도당의 재흡수능력은 갑상선기능항진, 당뇨병 및 진행성 신부전으로 일어나는 세뇨관 비대 등일 때 정상치를 넘는 경우가 있으나 정상의 조건하에서는 변화하지 않는다.






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