第三章　肾脏的生理功能

血液流经肾小球毛细血管时，其血浆成分（除蛋白质分子外）在此处发生超滤（ultrafiltration），进入肾小囊。这是肾脏生成尿液的第一个步骤。用微穿刺方法取得肾小囊液体，分析其所含各种晶体物质的成分及浓度，发现与血浆的基本相同，还含有少量小分子量的血浆蛋白。由此人们认识到，在肾小球处发生的过滤是超滤而不是分泌，肾小囊内的液体是血浆的超滤液（ultrafiltrate）。由于滤过膜的结构特征，不带电的中性分子如直径小于4nm，可以自由滤过，直径大于8nm的分子则很难通过；对于蛋白质来说，如果分子量小，且带正电荷，则能滤过，如带负电荷，则不易通过。例如分子直径为7nm的白蛋白，由于带负电荷，就不易通过。故肾小囊液中的蛋白质含量极低，其浓度不及血浆中蛋白质浓度的0.2%。有人估计，一天中大约有7g白蛋白在肾小球滤过，但在肾小管中可被重吸收，故尿中不含蛋白质。

在研究肾小球滤过功能时，十分重要的是要了解单位时间内有多少血浆通过滤过膜进入肾小囊。在完整机体，每分钟两肾全部肾小球滤过的液量称为肾小球滤过率（glomerular filtration rate，GFR）。可以用菊粉（inulin）的清除率Cln代表GFR的值。用微穿刺的方法则可以在单个肾单位（single nephron）的水平上测定GFR，称为单个肾单位肾小球滤过率（SNGFR）。成人的GFR平均值为125ml/min，故每天经过两肾滤过的血浆超滤液总量可达180L。

需要指出，流经肾小球的血浆，仅有一部分经滤过进入肾小囊。单位时间内滤过的液量（即GFR）与肾血浆流量（renal plasma flow，RPF）的比值，称为滤过分数（filtration fraction，FF）。如果RPF为660ml/min，GFR为125ml/min，则可算出FF为19%。根据测定结果，当血液流经肾小球时，其血浆的15%～20%经滤过进入肾小囊。

血浆在肾小球毛细血管处的超滤过程与身体其他部位毛细血管处组织液的生成一样，决定滤过的因素是：有效滤过压（effective filtration pressure）和滤过系数（filtration coefficient，K _f）。

在肾小球毛细血管上的任何一点，超滤的动力是有效滤过压，其数值等于跨毛细血管静水压差（ΔP）和跨毛细血管胶体渗透压差（Δ∏）的差值，即ΔP－Δ∏。

跨毛细血管静水压差是指毛细血管血压（pressure of glomerular capillary，PGC）和肾小囊内静水压的差。用微穿刺方法在正常血容量的Munich-Wistar大鼠直接测量浅表肾小球的毛细血管血压，平均值为45～50mmHg，约为主动脉平均压的40%。一般认为，其他哺乳类动物的肾小球毛细血管平均压大约也在这一范围内。

在正常血容量的情况下，肾小球毛细血管两端（即入球小动脉端和出球小动脉端）之间的血压降落很小；肾小囊内的静水压平均为10～12mmHg；肾小球跨毛细血管静水压ΔP平均为33～35mmHg。

跨毛细血管胶体渗透压差是指毛细血管内血浆的胶体渗透压∏ _GC和肾小囊内液体胶体渗透压∏ _T的差，即∏ _GC－∏ _T。

在大鼠的实验中证实，肾小球毛细血管入球端和出球端血浆中蛋白质的浓度是不同的，因此胶体渗透压也不相同。毛细血管入球端血浆蛋白的浓度与动脉血一致，5～6g/dl；由此可计算出血浆胶体渗透压∏ _A为20mmHg。毛细血管出球端血浆蛋白的浓度CE一般为8～9g/dl，血浆的胶体渗透压∏ _E约35mmHg。发生这种情况的原因，是由于只有极微量的蛋白质在肾小球毛细血管处滤过，因此，随着血浆的滤过，从入球小动脉端至出球小动脉端血浆中蛋白质的浓度逐渐升高，血浆胶体渗透压也逐渐升高。在出球小动脉端，血浆的胶体渗透压升高到35mmHg，已达到ΔP的水平；由于仅有极微量的蛋白质滤过。故肾小囊内液体的胶体渗透压常可忽略不计，因此在出球小动脉端有效滤过压ΔP－Δ∏的值为零，也就是说，已没有血浆滤过。这种情况称为滤过压平衡状态（filtration pressure equilibrium）。在一根肾小球毛细血管从入球小动脉端至出球小动脉端，其ΔP值仅有很小的降低，而Δ∏值逐渐升高，因此有效滤过压逐渐降低。由于在毛细血管每一点上的滤过速率与该处的有效滤过压成正比，因此Δ∏的上升不呈线性。在入球小动脉端，有效滤过压ΔP－Δ∏的值较高，故滤过较快，毛细血管内血浆胶体渗透压上升的速率较大。如果肾血浆流量（RPF）增大，则毛细血管内血浆胶体渗透压升高的速率变慢，到出球小动脉端血浆胶体渗透压仍低于ΔP，因此就不会出现滤过压平衡状态，也就是说，在整根毛细血管上都有滤过发生。

在大鼠实验中观察到的滤过压平衡现象，并非普遍存在于所有的哺乳类动物。由于在许多动物中，特别是人类，目前还不可能直接测量肾小球的ΔP值，故不能直接观察是否有滤过压平衡状态出现。一般可以用观察GFR（或SNGFR）对肾血浆流量（或肾小球血浆流量）的依赖程度来推测是否有滤过压平衡状态的发生。目前尚未肯定在正常情况下人的肾小球中是否有此现象。

滤过系数是指在单位有效滤过压的驱动下，单位时间内经滤过膜滤过的液量。一般认为，决定滤过系数K _f值的两个主要因素是滤过膜的有效通透性系数K值和滤过膜的面积S。对滤过系数的测定一般是在大鼠的单个肾单位进行的。在Munich-Wistar大鼠中用微穿刺方法测得K值为0.08nl/（s•mmHg）。有人计算大鼠的一个肾小球的滤过面积平均为0.0019m ²。由于K _f等于K和S的乘积，故大鼠肾小球毛细血管的通透性系数K约为42.1nl/（s•cm ²•mmHg）。这个数值比其他组织中的毛细血管通透性系数高1～2个数量级。因此，虽然平均有效滤过压常不到10mmHg，但肾小球处的滤过率仍相当高。

从前面的叙述可以得知，肾小球滤过率等于滤过系数K _f与平均有效滤过压ΔP－Δ∏的乘积。在单个肾单位，其肾小球滤过率也可同样计算（图3-1）。

由上式可知，凡能影响肾小球毛细血管血压、血浆胶体渗透压、滤过膜面积和滤过膜通透性系数的因素，都可能影响SNGFR，从而影响GFR；另外，如前所述，肾小球血浆流量也是影响SNGFR的重要因素。

在大鼠中，肾小球血浆流量（Q _A）较低时，由于有滤过压平衡现象，毛细血管的后段无血浆滤过。在实验中可看到，当Q _A值低于130nl/min时，SNGFR随着Q _A增加而增加，两者之间呈线性关系。这主要是因为Q _A发生改变时可影响有效滤过压。当Q _A增加到滤过压平衡现象消失，则Q _A再增高时引起SNGFR增加的幅度就很小。狗在正常情况下无滤过压平衡现象，因此肾血浆流量的改变对GFR的影响不大。

滤过系数K _f值可以用肾小球滤过膜的有效通透性系数K和面积S的乘积来表示。在正常情况下，K _f值的变化很小。在正常大鼠中，K _f值已经足够大，故能出现滤过压平衡现象。在这种情况下，SNGFR仅取决于有效滤过压的大小；K _f值的变化对SNGFR的影响不大。当K _f值小于0.07nl/（s•mmHg）时，SNGFR才明显降低，并与K _f值成正比关系。狗由于没有滤过压平衡现象，因此K _f值的变化对GFR的影响比在大鼠中明显。

如前所述，只有当ΔP值高于Δ∏值时，才能发生滤过；也就是说，如果ΔP等于或小于Δ∏（约20mmHg），就没有滤过发生，即SNGFR等于零。SNGFR随ΔP的增大而增大，但两者之间并不呈线性关系。因为当ΔP增大时，随着滤过率增加，毛细血管内血浆胶体渗透压就升高，因此有效滤过压不能与ΔP的增大成比例地增加。

在后面将要叙述，肾小球滤过有自身调节现象，因此在许多情况下有效滤过压是比较恒定的，它对SNGFR的影响不如Q _A明显。

在一定范围内，SNGFR与动脉血中血浆蛋白浓度C _A成反变关系。C _A降低时，∏ _A就较低，因此有效滤过压就增大。当∏ _A升高到等于甚至高于ΔP（35mmHg）时，有效滤过压等于零，就没有滤过发生。

入球小动脉和出球小动脉呈串联关系，其间为肾小球毛细血管。假设仅某一个因素发生改变而其他因素无明显变化，则入球小动脉阻力R _A升高时，会导致Q _A和 降低，从而使SNGFR降低；而出球小动脉阻力R _E升高时，对Q _A和 的效应是相反的，即Q _A降低，而 则增高，SNGFR可能增大。

肾脏有一个特性，即当肾动脉灌注压在一个相当大的范围内（一般在80～160mmHg之间）发生变化时，肾血流量RBF能保持相对恒定。这就是说，当肾动脉灌注压降低时，肾血管阻力会相应降低；反之，当肾动脉灌注压升高时，肾血管阻力会相应增大，因此RBF能保持恒定。在将肾神经完全去除和将肾脏血流与全身循环隔离后，上述现象仍旧能够保持。所以说这是肾脏血管对其血流量的一种自身调节（autoregulation）。当肾动脉灌注压的变化超出上述范围后，RBP就随灌注压的改变而发生相应的变化。肾脏的血管阻力主要取决于入球小动脉、出球小动脉和小叶间动脉的阻力；在自身调节中，入球小动脉的变化起主要作用。

一般认为，肾血流量的自身调节是由肾脏小动脉血管平滑肌的特性决定的，称为肌源性机制（myogenic mechanism）。当动脉压降低时，肾脏入球小动脉壁的张力降低，即血管平滑肌所受的牵张减低，平滑肌就舒张，因此入球小动脉的阻力R _A降低。反之，当动脉血压升高时，R _A也增高。

肾血流量、肾血浆流量是影响肾小球滤过率的重要因素。肾血流量的自身调节机制也同时成为肾小球滤过率自身调节的机制。也就是说，在一定的动脉血压变动范围内，GFR能保持相对恒定。

RBF和GFR的自身调节有重要的生理意义，机体在进行各种活动时，动脉血压常会发生变化。如果RBF和GFR很容易随动脉血压的变化而发生改变的话，则肾脏对水分和各种溶质的排出就会发生改变，从而影响体内水和电解质的平衡。因此，RBF和GFR的自身调节的生理意义在于使肾功能不随动脉血压的变化而改变，使水和电解质的排出保持稳定。需要指出的是，自身调节只能使RBF和GFR保持相对的稳定；另外，RBF和GFR还受多种神经和体液因素的调节，以适应机体不同生理活动的需要。

管球反馈的全称是肾小管-肾小球反馈（tubulo-glomerular feedback，TGF），它实际上是GFR自身调节的另一种机制，即当肾小管内液体的流量发生改变时，可以通过这一反馈机制调节同一肾单位的SNGFR，使后者发生改变，从而使流经肾小管远端部分（如致密斑部位）的小管液的成分仅能在一个较狭小的范围内变动。

对TGF的现象和机制的认识，也是用微穿刺（micropuncture）和微灌流（microperfusion）的方法得到的。当人为地将肾小管微灌流的流量从0nl/min逐渐增加到40nl/min时，该肾单位的SNGFR减少30%～40%。

微灌流实验证明，TGF的感受部位是致密斑。在解剖学上，致密斑与肾小球、远球小管、入球和出球小动脉都很靠近，因此当小管液的流量和成分发生改变时，其信息被致密斑感受后，即可发动TGF机制，改变肾小球的滤过活动。致密斑处感受的信息主要是Na ^＋、K ^＋、Cl ^－等离子的转运速率。小管液流量增加时，这些离子的转运速率增加，就可通过TGF机制使入球和出球小动脉收缩，故Q _A值减小；同时也可使系膜细胞收缩，故滤过膜面积缩小，K _f值降低，最终结果是使SNGFR减少，于是肾小管内小管液的流量可趋向恢复。有人认为，致密斑部位Cl ^－离子的转运增加在TGF中起重要作用。在上述微灌流实验中，如果用甘露或其他负离子（如SO ₄ ^2－）取代Cl ^－，则在增加小管液流量时TGF现象就不能出现。实际上，在髓袢升支和致密斑处Cl ^－的转运主要是由Na ^＋-K ^＋-2Cl ^－共同转运（cotransport）机制进行的，因此TGF是与该转运机制的活动有关的。

TGF的机制也与肾脏局部的肾素-血管紧张素系统有关。小管液流量增加时，肾内的肾素-血管紧张素系统活动加强，生成的ANGⅡ增多，使Q _A和K _f值变小。此外，肾脏局部的前列腺素（prostaglandin）、腺苷（adenosine）和一氧化氮（nitric oxide，NO）等可能也参与TGF的过程。需要指出，腺苷在多数血管床是引起血管舒张的，但在入球小动脉则引起血管收缩。

入球小动脉和出球小动脉的血管平滑肌都受肾交感神经末梢支配。交感神经在平时有交感紧张（sympathetic tone），使血管平滑肌有一定程度的收缩。在某些情况下，如血容量减少、强烈的伤害性刺激或情绪激动，交感神经活动就会加强，使入球小动脉明显收缩，导致RBF和GFR减少；反之，当血容量增加时，交感神经活动减弱，RBF和GFR增加。

肾交感神经末梢释放的递质为去甲肾上腺素（norepinephrine，NE），后者作用于血管平滑肌的α-肾上腺素受体（α-adrenoceptor），引起血管收缩。肾交感神经中也有少量末梢释放递质多巴胺（dopamine，DA），后者使小动脉舒张，RBF和GFR增加。

体内有许多体液因素可改变肾脏入球小动脉、出球小动脉等血管平滑肌的舒缩状态，并能改变K _f值，从而改变RBF和GFR。在不同的生理状态下，不同的体液因素对RBF和GFR起调节作用。

全身和肾脏局部的肾素-血管紧张素系统都能生成血管紧张素Ⅱ（ANGⅡ），后者使血管平滑肌收缩，从而使RBF降低。ANGⅡ对GFR的影响比较复杂，取决于入球和出球小动脉收缩的程度。实验证明，出球小动脉对ANGⅡ的敏感性较高，在ANGⅡ浓度较低时，主要引起出球小动脉收缩。在这种情况下，虽然肾血流阻力有所增加，使RBF减少，但是肾小球毛细血管压升高，滤过分数增大，因此GFR变化不大。ANGⅡ浓度较高时，入球小动脉也明显收缩，则GFR降低。此外，ANGⅡ还能使系膜细胞收缩，故K _f值减小，也能使GFR降低。

失血时，血容量减少，肾素-血管紧张素系统活动加强中ANGⅡ生成增多，使RBF和GFR降低。在失血的情况下，ANGⅡ还与交感神经活动增强及去甲肾上腺素、肾上腺素的增加发生协同作用，对于维持动脉血压和保留体液起重要的作用。

ANGⅡ也参与GFR自身调节的机制。当肾动脉血压降低时，肾内ANGⅡ的生成增加，使出球小动脉收缩，故滤过分数增大，GFR能维持正常。用血管紧张素转换酶抑制剂使ANGⅡ的生成减少后，GFR的自身调节现象就明显减弱。

前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）和前列环素（prostacyclin，PGI2）能在肾组织内生成，可使肾小动脉舒张，RBF增加；但GFR无明显改变，主要是因为PGE2和PGI2同时能使系膜细胞收缩，故K _f值降低。

交感神经兴奋、末梢释放去甲肾上腺素（NE）增加、组织局部ANGⅡ增多时，都能使肾组织生成PGE2和PGI2增加；PGE2和PGI2能反过来调制NE和ANGⅡ的缩血管效应，使血管收缩不致过强。如果先用吲哚美辛（indomethacin）等药物阻断前列腺素的合成，然后再刺激交感神经或给予ANGⅡ，则引起的缩血管效应明显加强。

一氧化氮（nitric oxide，NO）由血管内皮细胞产生，能使血管平滑肌舒张。在肾脏，NO使入球和出球小动脉舒张。血流对小动脉血管内皮的切应力增大时，内皮细胞生成NO增加。一些体液因素，如乙酰胆碱、缓激肽、组胺等，作用于内皮细胞，也能使NO生成增加。

内皮素（endothelin）也可由肾脏血管内皮细胞分泌，引起强烈的缩血管效应，使入球和出球小动脉收缩，并使RBF和GFR降低。

肾脏组织中的激肽释放酶（kallikrein）可使激肽原裂解，产生缓激肽（bradykinin）。缓激肽在肾脏产生舒血管作用，也能引起NO和前列腺素的生成，其结果是使RBF和GFR增加。

血压升高和血容量增加时，都能使心房细胞释放心房钠尿肽（atrial natriuretic peptide，ANP）增加。ANP使入球小动脉舒张，但使出球小动脉收缩，故肾小球毛细血管血压升高，滤过分数增加；ANP还能使系膜细胞舒张，故K _f值增大。所以ANP能使GFR增加。