항상성 유지를 위한 ‘비뇨기계’의 작용

p384호 한국의약통신l승인2019.03.15 06:00:00

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신체기관으로 신장· 요관· 방광· 요도 포함
과도한 체액과 혈류에서 나오는 노폐물 걸러내

물은 흐른다⑧ 신장(kidney) 첫 번째 이야기(여과 filtration)

소변은 인체 신진대사에 의한 액체 부산물이다.
소변의 생성은 신체 내 무기염류 및 물의 균형을 유지하도록 도와주고, 세포 대사에서 생성된 요소(urea), 요산(uric acid), 크레아틴(creatine) 등의 질소화합물을 혈류에서 제거하는 역할을 한다.

성인이 하루에 배출하는 소변의 양은 약 1.5L정도이고, 소변의 노란색은 유로비린(urobilin, 또는 urochrome)이라는 색소의 함유량에 따라 달라진다. 또, 정상적인 소변에는 포도당, 적혈구 및 혈장 단백질 등이 존재하지 않는다.

비뇨기계(urinary system)는 과도한 체액과 혈류에서 나오는 노폐물을 걸러내는 것과 관련된 신체기관으로 신장(kidney), 요관(urethra), 방광(bladder) 및 요도(ureter)를 포함한다. 비뇨기계는 항상성 유지를 위해 다른 기관 및 시스템과 함께 작동하고, 신장은 산-염기 균형 및 물과 소금 균형 등 인체 항상성 유지를 위한 주요 기간이다.

1) 소변의 형성(urine formation)
소변의 형성은 산-염기 균형, 혈액의 삼투압, 혈장 구성 및 혈액의 부피 조절 등에 관여하고, 이 과정은 인체의 모든 세포에 영향을 받고 영향을 미친다. 건강한 성인은 1일 1.5L의 소변을 생산하고 이 과정은 사구체 여과(Glomerular filtration), 관상 재흡수(Tubular reabsorption), 관상 분비(Tubular secretion)로 나눌 수 있다.

신장 1개에는 약 100만개 정도의 네프론이 있고, 신장으로 흐르는 혈장은 550~600ml/min이다. 이 중에서 약 20%의 여과(125ml/min, 180L/day)가 일어나고, 여과된 물질의 99% 이상이 재흡수 되어 소변양은 약 1.5L/day가 된다. 

2) 사구체(glomerulus)

사구체는 틈(fenestra)이 많은 모세혈관으로 구성되어 있고, 보만낭(Bowman‘s capsule)이 모세혈관을 감싸고 있다. 사구체 모세혈관은 신장 동맥 순환의 구심성 세동맥(afferent arteriole)에서 혈액을 공급받고, 원심성 세동맥(efferent arteriole)으로 빠져나간다. (다른 모세혈관은 정맥으로 빠져나감) 

사구체는 틈이 많은 내피세포(endothelium), 기저막(basement membrane), podocyte 3층의 장벽을 통해서 여과가 일어난다. 기저막에는 음전하를 가지고 있는 heparan sulfate를 가지고 있고, 내피세포와 podocyte의 외피에는 sialoglycoprotein(sialic acid + glycoprotein)의 음전하로 코팅되어 있다. 모세혈관의 작은 틈으로는 알부민 등 혈장 단백질이 통과될 수 있지만 기저막과 사구체 여과장벽의 음전하로 인해서 알부민 등 혈장 단백질(단백질은 주로 음전하를 가짐)은 통과하지 못하고 물과 작은 분자만 통과하게 된다.

3) 사구체 여과

사구체 모세혈관은 다른 모세혈관과 달리 물질 교환이 아니라 혈액에서 보만낭으로 여과(filtration)만 일어난다. 사구체는 3가지 힘(그림6 참고)이 작용하는데 이 힘이 여과를 일으키게 한다.

사구체에서 보만낭으로 이동하는 힘
→ 여과압(glomerular capillary blood pressure, PGC)

보만낭에서 사구체로 이동하는 힘
→ 혈장-교질 삼투압(plasma-colloid osmotic pressure, πGC)
→ 보만낭 정수압(Bowman’s space hydrostatic pressure, PBS) 

대부분의 모세혈관은 동맥과 정맥을 연결한다.
정맥에 가까운 모세혈관은 정수압(hydrostatic pressure)이 떨어지면서 물질교환이 일어나는 반면에 사구체는 두 개의 세동맥 사이에 끼워져 있다. 혈액은 구심성 세동맥을 통해서 원심성 세동맥으로 빠져나간다. 혈액이 사구체를 빠져 나올 때 원심성 세동맥의 수축은 혈류에 대한 저항을 제공하고 여과압(glomerular capillary blood pressure, PGC)이 떨어지는 것을 방지한다. 또, 원심성 세동맥은 구심성 세동맥보다 직경이 작아서 여과압을 증가시키는 역할을 한다.  

혈장-교질 삼투압(plasma-colloid osmotic pressure, πGC)은 여과에 반대하는 힘이다.
이 힘은 사구체여과 장벽은 단백질의 이동이 없고, 이로 인해서 혈장과 보만낭 사이의 삼투농도 차이에 의해서 발생하고, 보만낭 정수압(Bowman’s space hydrostatic pressure, PBS)은 보만낭의 크기와 이것을 채우고 있는 여과액에 의해서 발생한다.
따라서 사구체에 작용하는 순여과압(net filtration pressure, NFP)은 다음과 같이 계산이 된다.

NFP = PGC - (PBS + πGC) = 55 - (15 + 30) = 10mmHg(평균값)

순여과압은 혈장이 사구체에서 보만낭으로 여과가 이루어진다는 것을 말한다.  
사구체여과율(glomerular filtration rate, GRF)은 단위 시간당 사구체에서 보만낭으로 여과된 체액의 양이다. 사구체여과율은 순여과압과 관련을 가지고 있으며, 계산식은 다음과 같이 된다.

GFR = Kf × NFP = Kf × (PGC - (PBS + πGC))
Kf는 여과계수(filtration coefficient)로 막의 물에 대한 투과성을 측정한 값이다.

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