钠代谢

钠保持细胞外容量和调节酸碱平衡及维持渗透压

钠在空肠易被吸收,除腹泻外,粪便中含钠很少。钠的需要量可以在5~15g/d范围内波动,但实际上在非限钠饮食下,尿排出的钠大部分是过多摄入的部分。在无高血压病史的成人,摄入氯化钠的最大量为6g/d;而有高血压家族史者,饮食中的氯化钠以不超过3g/d为宜。

肾脏对钠的重吸收

正常人每天由肾小球滤过的钠20 000~40 000mmol,而尿液排出钠仅10~200mmol/d,重吸收率达99.4%。当摄入无钠饮食时,钠在尿中几乎可完全消失;摄入过多时,能完全由肾脏排出。近曲小管吸收钠约80%,Henle袢升支及远曲小管仅20%。近曲肾小管钠重吸收有一定限度,限制在肾小管管腔内钠浓度低于血浆钠浓度的75%,如已达此水平,则近曲小管就不再重吸收,而远曲小管则不受此影响。

消化道钠的吸收

包括食物中的钠和消化道分泌液中的钠。在小肠中被再吸收的钠约有1000mmol/d,仅约10mmol钠从粪便中排出。胃肠分泌液平均含钠浓度见下表。钠在吸收前先要变成等渗状态,吸收为逆电化学梯度进行(即主动转运)。肠上皮细胞的黏膜面与浆膜面存在着5~10mV的电势差,前者为负电荷,后者为正电荷,而细胞内又比肠腔液的电势低10mV。因此,肠腔内的钠逆浓度差和电势差进入肠壁细胞,并刺激细胞底侧部的“钠泵”再被排入组织间液。小肠钠的吸收与葡萄糖的吸收关系密切,了解这关系对霍乱的处理有重要临床意义。单独葡萄糖分子不能贴附于肠壁上皮细胞刷状缘处的载体。只有当载体与Na+结合才能与葡萄糖结合,然后钠才进入细胞。霍乱患者腹泻量每小时可达600ml,粪便中含钠140mmol/L、钾10mmol/ L、氯110mmol/L、碳酸氢根40mmol/L。因此单口服相同成分的液体治疗不能被吸收,且全由肠道排出,如果于液体中加入葡萄糖120mmol/L,即能使钠全部吸收。此外,促胃液素、AVP和cAMP都能降低Na+的肠吸收率。

胃肠分泌液平均含钠浓度

胃肠分泌液平均含钠浓度

水与钠的丢失

钠丢失量变化大的是汗液,一般每升汗液中含钠10~50mmol。高温环境下大量出汗可达8~10L/d,皮肤每日蒸发水分约300~600ml(非显性出汗)。显性出汗系汗腺所分泌,含Na+(10~70mmol/L)、K+、Cl-和尿素。大量出汗可使Na+丢失量达350mmol/d以上。

空气中的水分子含量形成生活环境的“湿度”(humidity),湿度是影响水代谢的重要外界因素之一。尤其在危重患者和人工通气、监护与氧疗的气管插管患者中,对水代谢的影响十分重要。一般要求对吸入的氧气或空气进行湿化,如加用空气湿化器等,否则可导致气道干燥和一系列并发症,并对机体的水、盐代谢有严重干扰。

50%钠分布在细胞外液中

体内的钠分为可交换钠(Na+e)和不可交换钠(Na+u)两部分。应用核素24Na或长寿核素22Na+稀释法测得的可交换钠约为42mmol/kg,相当于总钠量的70%。细胞内、外液和骨骼中含钠量的近半数属可交换钠,其余的18mmol/kg的钠为不可交换钠,主要与骨骼相结合,吸附在致密长骨深层的羟磷灰石晶状体的表面。骨和软骨所含的可交换钠约为8mmol/kg。可交换钠与血浆中的钠通过弥散而达到平衡。血浆钠浓度为135~145mmol/L,约占总体钠的11.2%。组织间液和淋巴液钠为140mmol/L,占总体钠的29%。这两部分细胞外液的钠在生理和临床上都具有重要意义。细胞外液的钠主要担负维持细胞外液渗透压的作用,而钾离子在细胞内液中起同样作用。因细胞内液的蛋白浓度高于细胞外液,细胞外液的钠能预防细胞内蛋白质产生的胶体渗透压所致的细胞水肿。因此,细胞外液钠浓度的任何改变可致细胞内、外液体积的显著变化。在正常情况下,细胞内、外液的电解质梯度是靠有生物活性的细胞膜来维持,以保持细胞内、外液间的渗透压相对平衡。

机体内的钠分布与水分布有关,实际上血清钠主要反映溶质和水之间的比例,故取决于总体可交换钠和细胞外液的含水量,而不单独与体内的钠总量呈平行变化,因而还同时采用Osm单位,以阐明细胞外液钠与水之间的关系,而Na+对细胞外液渗透压维持起重要作用。血清钠还与总体钾中的可交换钾(K+e)量有关。据研究报道,可交换钠的平均值为:男性41.6mmol/kg,女性40.2mmol/kg,绝对值分别为3029mmol和2328mmol。

可交换钠影响细胞外液渗透压

正常人可耐受3~10g氯化钠摄入量的波动,相当于51~170mmol钠(1g氯化钠=17mmol钠)。进食较多钠时,日摄入钠量可达60g;低盐饮食患者日摄入钠量可低于5g,相当于85mmol钠。在上述两种情况下,可无或很少有细胞外液钠及体重的改变。机体摄取钠的量波动如此大是通过肾脏对钠的排泄来调节达到机体钠平衡的。在摄钠量低至300mg/d氯化钠(5.1mmol钠)时,开始数天内,肾脏排钠超过摄入量,其负平衡累积值可达150~300mmol钠,相当于丢失细胞外液1~2L,随后渐恢复钠平衡,每天仅排5mmol钠,细胞外液和可交换钠维持于低水平,伴血浆肾素及ALD水平升高。反之,如摄入的钠量明显增高至20g氯化钠(340mmol钠),开始数天内肾排钠量低于摄入量,细胞外液增加1~2L,然后钠平衡恢复稳定,排钠量等于摄入量,体内有150~300mmol的钠积蓄,血浆肾素和ALD水平降低。

水分子泵(molecular water pumps)为水协同转运(cotransporter of the symport type)行为的分子基础。在水分子泵的作用下,水的转运总是伴随离子的转运。水分子泵又称水的转运蛋白,使水能随着水的化学能差进行转运。 同样离子的转运也是协同性的。例如,在脑膜的脉络膜丛中,存在K+/Cl-的协同转运,在视网膜色素上皮细胞中存在H+/乳酸盐的协同转运,在肠黏膜上皮中存在Na+/葡萄糖的协同转运即(SGLT1),肾小管上皮细胞中存在Na+/HCO3 -、K+/Cl-/H2O及Na+/葡萄糖/H2O的协同转运等。离子和水的协同转运是一种普遍现象,细胞“摄取”或“释放”水分总是伴有水分子泵的构象变化,同时,协同转运蛋白(cotransporters)也具有水通道的特点,与水孔蛋白(aquaporin,AQP)比较,单分子水的可通透性很低。

被动转运与高渗性非水溶性溶质转运耦联

中枢神经系统在维持正常细胞外液的稳定方面起了关键作用,因此,各种原因引起的脑损伤和肾脏损害必然导致水或电解质的平衡紊乱。

肾脏各节段对钠的调节

在正常情况下,每天滤过肾小球的钠量很大,但滤过钠的99.9%被重吸收。约65%的水以等渗形式被近曲小管重吸收,有人认为其中1/3为主动吸收,余2/3为被动吸收。再有25%在髓袢厚壁段被重吸收,在这个节段,Cl-主动转运造成管腔内正电位差,管腔外负电位差,从而使Na+被动吸收。还有一定量的钠在与肾小管分泌的H+相交换过程中被吸收,在远曲小管有一小部分钠在泌钾同时被吸收。至远曲小管又有8%滤过钠被重吸收。最后,残余钠沿集合管重吸收(下图),集合管是调节钠的最后部位。近年研究证明,ADH能促进远曲小管和集合管的钠被主动运转。

 肾小管Na+、Cl-的运转示意图

肾小管Na+、Cl-的运转示意图;注:主动运转被动运转

近曲小管的主动吸收是Na+与H+的交换运转的重要机制。降支段肾曲小管与Henle袢升段薄壁部位为被动吸收。Henle升支厚壁Cl-为主动吸收。远曲小管及集合管Na+为主动吸收,部分与H+及Cl-交换。

肾小管重吸收钠的机制

肾小球滤过是钠排泄的第一步,钠排泄可通过GFR的改变和(或)重吸收的改变来调节,通常滤过量下降25%,小管的重吸收也相应减少20%左右,反之亦然。但在一定情况下,GFR的显著改变仅致终尿排泄轻度变化(球管平衡)。GFR变化本身对尿钠排泄影响不大,故肾脏对钠排泄的调节主要是通过改变肾小管重吸收来实现。影响肾小管钠重吸收主要有下列五个方面的因素。

肾小管周围毛细血管的流体静压和胶体渗透压能影响肾小管钠的重吸收。当肾小管周围毛细血管的流体静压升高和胶体渗透压下降时,钠的重吸收减少,反之则增加。钠从肾小管管腔重吸收分为两步:第一步是Na+顺电化学梯度扩散,进入肾小管上皮细胞内,随即又被细胞侧膜的钠泵泵出,进入细胞两侧的间隙,随着细胞间隙Na+浓度和渗透压升高,水随钠进入细胞间隙,使该处的流体静压升高,液体通过基底膜滤过,进入间质间隙中;第二步是液体在间质间隙中被肾小管周围毛细血管所摄取,输入全身循环。这种毛细血管的摄取液体受到其中胶体渗透压和流体静压的平衡力量的控制。当胶体渗透压升高和流体静压下降时,则液体流入毛细血管增加,肾小管上皮细胞主动泵出Na+亦增速,从而使肾小管Na+重吸收增加;反之,当肾小管周围毛细血管流体静压升高和胶体渗透压下降时,则毛细血管摄取液体减少,细胞间隙的钠潴留,肾小管上皮细胞泵出钠减少。

肾脏约65%的肾单位分布在肾表面部位,这些皮质单位的髓袢短。15%肾单位分布在皮质与髓质交界区,这些邻近髓质的肾单位的髓袢长。前者重吸收钠的能力较后者为小,因此,当肾内血流重新分配时,血流从皮质转向髓质时,就出现钠重吸收增加,排泄减少;反之,血流从髓质转向皮质,则尿钠排泄增加。

ALD

能增强远曲小管对钠的重吸收、排钾和氢离子,并促进钠与氯离子的共同吸收。当摄钠少使细胞外液减少时,直接或间接通过肾素-血管紧张素机制刺激ALD分泌,钠重吸收增加,直到细胞外液量恢复。ALD主要作用在远曲小管及集合管重吸收滤过钠的20%(约30g/d),超过每日饮食摄入的钠,说明ALD对纠正钠平衡的重要性。ALD是否增强近曲小管钠的重吸收尚未明了。近年认为血管紧张素、ACTH及血钾浓度升高和血钠浓度的降低可能作用于肾上腺皮质的球状带,引起ALD分泌,还可能有来自中枢神经与控制钠食欲的脑中枢的神经联系。

利钠因子

实验提示,能抑制钠重吸收的因素很多,除了心房利钠肽(atrial natriuretic peptide,ANP)、心房多肽(atrial polypeptide)、脑钠肽(brain natriuretic peptide,BNP)外,还有前列腺素(PG)。肾间质细胞能产生PGA2和(或)PGE2,这种PG能使血流从髓质转向皮质,扩张肾皮质血管的作用,特别是扩张出球小动脉,PGA2还可抑制Na+/K+-ATP酶活性和肾皮质耗氧量,从而使钠主动运转的能量受到抑制。最近实验提示,肾皮质血管壁合成的PG是一种很强的肾血管扩张剂,能增加钠和水的排泄,目前已试用于治疗肝肾综合征患者。

影响肾小管钠重吸收的各种因素之间在细胞外液容量控制系统的调节下,可相互代偿。在病理状态下,机体钠的代谢紊乱,常是多因素综合作用的结果。

细胞外液容量与钠平衡相关

钠摄入不足时,ECFV减少,所以水钠平衡均受ECFV控制系统调节。ECFV对肾小管钠的重吸收作用是有效的细胞外液容量(EECFV),实际上是有效血容量。当EECFV发生改变时,通过头部、颈内动脉分支、心房、胸部大血管的肾外及肾内感受器的影响,引起自主神经功能改变,调节肾血流量和GFR,从而影响肾小管钠重吸收,致使尿钠排泄增多或减少。当EECFV减少时,通过容量减少的刺激传入中枢神经系统,使交感神经兴奋增强,引起肾小动脉收缩,使GFR减少。当出球小动脉收缩大于入球小动脉时,滤过分数增大,使肾小管周围毛细血管的胶体渗透压升高,流体静水压降低,导致近曲小管的钠重吸收增加;肾内血流重新分布,血流由皮质进入髓质,使远端肾小管的钠重吸收增强,因而尿钠排泄减少。这些变化又可通过肾内感受器的作用,使肾素-血管紧张素系统发生变化,进而调节肾小管钠的重吸收。灌注压下降时,球旁细胞释放肾素增加,这种释放还受到致密斑钠流量的调节。

当流进致密斑进入球旁细胞周围间隙钠量减少时,肾素释放也增加。在转换酶作用下,血管紧张素原变为血AT-1、AT-2、AT-3。AT-2直接使小动脉收缩,也刺激肾上腺皮质球状带,使ALD分泌增加,从而促进肾小管钠的重吸收。AT-2降解为AT-3仍有刺激肾上腺皮质分泌ALD的作用。总之,有效血容量不足对肾小管钠重吸收是通过肾内、肾外、神经、体液来调控肾小管对钠的重吸收的(下图)。凡能引起EECFV减少,如休克时,均可通过上述机制引起水钠潴留。临床上以水肿为特征的慢性心衰、肝硬化腹水、肾病综合征,虽ECFV总量增加,但EECFV是不足的,所以均可通过相同机制引起水钠潴留,而水钠潴留并不能使EECFV不足得以纠正,相反,水钠的不断潴留,导致难治性心衰和肝硬化腹水。

 有效血容量不足对肾小管钠重吸收的影响

有效血容量不足对肾小管钠重吸收的影响
注:EECFV:有效的细胞外液容量;AT:血管紧张素;GFR:肾小球滤过率;↑:升高;↓:下降

AVP、RAA和口渴中枢调节体内的水代谢及其渗透压。水的代谢紊乱常表现为高钠血症或低钠血症(血清Na+<135mmol/ L)。引起低钠血症的最常见原因是肾脏的水排泄障碍(如细胞外液容量不足)或AVP分泌过多,其中AVP受体拮抗剂可用于等容量性低钠血症(euvolemic hyponatremia)和高容量性低钠血症(hypervolemic hyponatremia)的治疗。高钠血症(Na+>145mmol/L)主要由于原发性水缺乏(伴或不伴缺钠)或口渴机制损害引起,处理的重度在于限制液体摄入,避免神经并发症和其他并发症。

心钠素/水孔蛋白/肾上腺髓质素/前列腺素调节钠代谢

除上述的水钠调节机制外,机体还可通过多种途径调节水与钠的代谢平衡。其中较为明显和重要的主要有心钠素(ANP)-ALD-AVP系统和肾上腺髓质素(AM)旁分泌系统等。

  1. 心钠素及其调节系统:心钠素(心房利钠肽,ANP)是拮抗ALD的主要激素,可通过增加肾小球滤过率和肾血流量调节肾脏内的血流分布,引起利尿、利钠和降压等作用。ANP也抑制中枢AVP的分泌,加强了其抗ALD作用。
  2. 水孔蛋白调节:肾脏可表达多种AQP,其中AQP2的表达和功能受AVP调节。而AQP0、AQP4和AQP5也有水的调节作用。
  3. 肾上腺髓质素旁分泌系统:肾上腺髓质素(AM)主要具有降压活性,肾上腺髓质素原的N端20肽(PAMP)亦具有水钠代谢调节作用,但主要在肾上腺、肾脏、心脏、肝脏和中枢起作用,AM与ANP可拮抗内皮素和AT-2的活性,但对水钠代谢的直接作用还有待进一步研究。
  4. PGE2调节:PGE2与G蛋白耦联的PGE受体(EP)结合而发挥作用,肾集合管主要表达EP1,抑制Na+的重吸收,引起钠利尿作用。EP2受体主要调节局部的血管通透性。EP2受体基因敲除小鼠发生盐敏感性高血压。EP3受体在血管和Henle袢的升支厚壁段表达,拮抗AVP引起的水、盐转运。而EP4 mRNA在肾小球和肾集合管表达,可以调节肾小球内压和肾素的释放。

(颜湘屈 国云)

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