103 14. Exkrece a osmoregulace Všechny živé organizmy aktivně udržují koncentrace látek ve svém těle co nejblíže optima - v rámci tolerovatelných mezí. Vylučovací (exkreční) orgány se vyvinuly především proto, aby tuto vnitřní stálost zabezpečovaly po linii exportní - odstraňování těch látek, které překročily fyziologické koncentrace. Naopak import látek tělu chybějících zabezpečuje především trávicí soustava a některé specializované epitely povrchu těla. 14.1. Vylučování jako udržování koncentrací Vžitá definice, že exkreční orgány jsou specializovány na vylučování škodlivých látek, by zasluhovala určité zpřesnění. Zda je určitou látku třeba z těla vypudit nebo ne, je do značné míry otázkou její aktuální koncentrace. Přirozeně, skutečně toxické metabolity budou mít nižší koncentrační limit pro vylučování než látky tělu vlastní. Ale i voda, sodíkové ionty nebo glukóza - tedy látky, na nichž je život postaven - se stávají objektem vylučovacích procesů, překročí-li optimum, na něž je organizmus adaptován. Toto optimum je ovšem druhově velmi typické - co je pro jednoho živočicha toxická koncentrace, nemusí pro jiného znamenat žádné ohrožení. Škodlivost nebo potřeba látek je závislá na prostředí v němž živočich žije. V dalších odstavcích zjistíme, že právě při hospodaření s vodou a solemi řeší různé organizmy naprosto odlišná zadání. Právě udržování osmotického tlaku (osmolality) vnitřního prostředí a objemu tělních tekutin hospodaření se solemi a vodou patří mezi dominantní úkoly vylučovacích soustav. V tomto světle můžeme definovat exkreční látky jako: 1) Již dále nevyužitelné zplodiny a zbytky metabolizmu. 2) Látky sice pro organizmus potřebné a využitelné, ale v daném momentu pro svoji koncentraci nadbytečné. 3) Nosiče vylučovaných látek. 4) Látky organizmu cizorodé (léčiva, drogy, alkaloidy, toxiny apod.) 14.2. Dostupnost vody určuje formu exkrece Pro udržení osmolality tělních tekutin je u vodních živočichů zásadní, žijí-li ve sladké či slané vodě (obr. 14.1.). Sladká voda představuje prostředí vůči tělním tekutinám hypotonické, slaná zpravidla hypertonické. U slad-kovodních živočichů má voda tendenci osmoticky pronikat do těla a soli naopak difúzí z těla ven (obr. 14.1.a). Difúze žábrami ft V s^****. Difúze pokožkou žábrami Moč Vodac^ Difúze žábrami lonty *^ Aktivní transport žábrami Moč Obr. 14.1. Hospodaření se solemi a vodou u vodních živočichů. Sladkovodní, hyperosmotičtí živočichové (a) musejí kompenzovat únik iontů do okolí a naopak pronikání vody do těla. Soli jsou aktivně importovány epitelem zaber. Voda odchází s močí. Mořští, hypoosmotičtí živočichové (b) naopak získávají vodu pitím a soli vylučují žábrami a močí. Některé paryby (c) jsou díky vysoké koncentraci močoviny izoosmotické. Pro udržení osmotického tlaku se vyvíjejí epitely s velkým povrchem a výkonnými transportními pumpami čerpajícími ionty z vody proti velmi strmému gradientu. 104 14. EXKRECE A OSMOREGULACE Sladkovodní ryby tak čerpají ionty z vody prostřednictvím zaber nebo larvy vodního hmyzu přes tzv. anální papily. Přebytečná voda odchází s močí. Mořští živočichové řeší opačný problém. Voda je získávána pitím, přebytečné soli vylučovány zase aktivními pumpami v epitelu zaber, tentokrát směrem do vody (obr. 14.1. b). Jsou i jiné cesty, jak udržet homeostázu osmolality v mořské vodě. Např. u žraloků je krev izoosmotická vůči moři, díky vysoké koncentraci močoviny. Takovou strategii nazýváme ureo-osmo-konformní. Jistá energie je ušetřena na absenci masivního vylučování solí a potřebě pití, ovšem není to zadarmo: produkce močoviny a mechanizmy tolerance vůči ní také spotřebovávají energii (obr. 14.1.C). Dostupnost vody je určující i pro způsob, jakým se živočichové zbavují skutečně toxického odpadu. Metabolizmus aminokyselin a nukleových kyselin totiž produkuje dusíkaté odpadní látky, z nichž prvotní je amoniak. Ten je extrémně toxický a je potřeba se ho zbavovat již v nízkých koncentracích. Díky tomu, že je velmi dobře rozpustný, odchází u vodních druhů obratlovců i bezobratlých přímo povrchem těla prostou difúzí anebo rozpuštěn ve velkých objemech vylučované vody. Jen málo terestrických (suchozemských) zvířat vylučuje amoniak ve výkalech, v moči, případně do vzduchu. Těmto živočichům říkáme amonotelní. Zejména pro terestrické živočichy musí existovat jiná forma vylučování dusíkatých odpadů. Mají obecně omezený přístup k vodě a amoniak je nutno koncentrovat přeměněním na močovinu (viz str. 34) za spotřeby 4 ATP na jednu molekulu močoviny. Je méně toxická než amoniak, dobře rozpustná a odchází s koncentrovanou, vůči krvi hyperosmotickou močí. Do této skupiny ureotelních živočichů patří korýši, ostnokožci, paryby, většina měkkýšů a savci včetně člověka. Mnoho suchomilných členovců, plžů, plazů a ptáků extrémně šetřících vodou konvertuje amoniak na kyselinu močovou nebo jiné deriváty purinu. Ty jsou nerozpustné a mohou být vylučovány ve vysokých koncentracích s minimálními ztrátami vody ve formě husté pasty. Jde o živočichy purinotelní, urikotelní. V průběhu ontogenetického vývoje může dojít ke změně exkrece. Např. žijí-li želvy ve vodě, vylučují amoniak a močovinu, žijí-li však na suchu, vylučují především kyselinu močovou a malé množství močoviny. V embryonálním vývoji ptáků se postupně vystřídají všechny typy exkrece dusíkatých látek. 14.3. Výměna vody a iontů u suchozemských živočichů Při přechodu na souš byli vodní živočichové vystaveni nebezpečí dehydratace. Udržení vodní bilance je závislé na tom, zda jsou mechanizmy ztráty vody v rovnováze s mechanizmy regulujícími její příjem. Voda se ztrácí z těla vypařováním, které nastává z celkového povrchu těla a z dýchacích orgánů. Touto cestou jsou ztrátami vody ohroženi zejména malí živočichové s relativně velkým tělesným povrchem. U hmyzu se největší množství vody ztrácí tracheální soustavou, u plazů zase povrchem těla (kolem 60 %). Velikost ztrát vody močí je dána tím, v jaké formě vylučují živočichové dusíkaté zplodiny z těla. Někteří živočichové (především hmyz), mají schopnost ukládat kyselinu močovou v těle, a to především v kutikule a tukové tkáni. Produkce hyperosmo-tické moči se stala podmínkou osídlení souše pro hmyz a většinu obratlovců. Ztráty vody výkaly závisejí na tom, j ak dokonale j e vstřebávána voda z potravy v trávicí trubici. Dokonalá resorpce vody ze střeva je vlastní mnoha suchomilným druhům. Naopak vodu do organizmu získávají živočichové především pitím a v potravě - někteří živočichové přijímají extrémně suchou potravu, zejména některé druhy hmyzu. Metabolickou vodu získávají spalováním organických látek, kdy 1 g glukózy může poskytnout asi 0,6 ml metabolické vody. Absorpce vzdušné vlhkosti byla prokázána u několika druhů hmyzu. U některých vyšších obratlovců (plazů a ptáků), kteří sekundárně osídlili moře a následkem toho přijímají potravu s velkým množstvím solí, se vyvinuly další orgány, kterými nadbytek solí z těla odstraňují. Jsou to solné žlázy, které jsou u ptáků a želv umístěny v malých prohlubeninách nad očima. 14.4. Fylogenetický vývoj exkrečních orgánů Úkoly kladené na exkreční systém plní původně transport povrchem těla. Tento způsob exkrece je typický zejména pro jednobuněčné a mnohé vodní živočichy. Již jsme zmínili epiteliální exkreční povrch rybích zaber nebo análních papil. Jinou modifikací exkrece povrchem těla je např. pocení, nebo svlékání pokožky. Pro nižší bezobratlé zůstávají typické procesy exo-cytózy. U jednobuněčných žijících v prostředí o nižším osmotickém tlaku plní osmoregulační funkci tzv. pulzující vakuola, která odstraňuje exocytózou přebytečnou vodu i odpadní látky z buňky. U houbovců, kde probíhá trávení potravy ještě intracelulárně, odcházejí exkreční látky z buněk do vnitřních tělních dutin a odtud pak ven z těla. Podobně ani u intracelulárně trávicích žahavců nejsou specializované exkreční orgány. U vyšších skupin bezobratlých mohou být exkreční látky vychytávány a odstraňovány z těla buď ještě specializovanými buňkami nebo již exkrečními orgány. Specializovanými buňkami jsou například chlorako-genní buňky máloštětinatců (Oligochaeta) nasedající na střevo a cévy nebo bloudivé amoeboidní buňky ost-nokožců (Echinodermata) plnící exkreční funkci spolu s ambulakrální soustavou. Speciální vnitřní exkreční orgány jsou vyvinuty od hlístu, přes kroužkovce, pásnice, měkkýše a členovce a také u obratlovců. Jde opět o specializované transport- 14. EXKRECE A OSMOREGULACE 105 ní epitely, organizované nyní ovšem jako vnitřní povrch uzavřeného tubulu, na jedné straně nasávajícího tělní tekutinu, na straně druhé otevírajícího se ven z těla. Přestože se jedná o celou škálu orgánů různé složitosti od protonefridií přes metanefridie, Malpigické trubice až k savčím ledvinám, můžeme si všimnout řady společných principů. 14.5. Tubulární exkreční orgány Do tubulu je vždy přiváděna tělní tekutina určená k exkreční úpravě. Při průchodu tubulem je primární moč postupně upravována - látky, které jsou nadále užitečné jsou resorbovány zpět do oběhu (podobně jako ve střevě), odpadní látky v tubulu zůstávají a nakonec odcházejí se sekundární močí z těla ven. Taje nakonec vůči krvi hypo- nebo hyperosmotická, zpravidla v závislosti na tom, jaké vodní ztráty si může živočich dovolit. 14.5.1. Produkce primární moči je většinou založena na ultrafiltraci, kdy hydrostatický tlak žene krev nebo hemolymfu skrze semipermeabilní membránu do nitra tubulu. Takový podtlak nasávající hemolymfu do tubulu je u protonefridií nižších bezobratlých (ploštěnci a pásnice) vyvoláván kmitáním bičíků plaménkových buněk, jimiž kanálek v intersticiu začíná. Seskupením protonefridií a jejich vyústěním do jednoho sběrného kanálku vznikají tzv. solenocyty (u některých mnoho štětinatou a ještě i u kopinatce). Podobně víření brv obrvené nálevky (nefrostomu) metanefridií u kroužkovců vyvolává tlak potřebný k filtraci. Za odvozené od metanefridií se také považují filtrační systémy, u kterých je krev či herno lymfa přefil-trovávána tlakem udržovaným srdeční aktivitou. Platí to u měkkýšů, kde je krev filtrována přes srdeční stěnu do osrdečníku, antenálních žláz korýšů, kyčelních žláz pavoukovců nebo ledvin obratlovců. Metanefridie jsou do značné míry spojeny s existencí uzavřené cévní soustavy u célomát (obr. 14.2.). Od protonefridií nasávajících hemolymfu volně z tělních dutin je patrná vývojová tendence k filtrování krve uzavřené již v cévním systému. Obrvená nálevka původních metanefridií volně přiložená ke krevní cévě se vyvíjí v uzavřený váček těsně objímající cévní klubíčko (ledviny). Jiný je nasávací mechanizmus u Malpighických žláz hmyzu, které se jako slepé tubuly, spojené na jedné straně se střevem, volně vznášejí v hemolymfě. Do nich je voda se soluty strhávána spolu s aktivně čerpanými ionty. Motorem filtrace tedy není hydrostatický tlak. Obecně filtraci podléhají především molekuly vody, iontů a organických látek do určité velikosti. Plazmatické bílkoviny do filtrátu neprocházejí. Přehled základních transportních toků mezi tubulem a krví je na obr. 14.3. N efroštom ^fi Antenální žláza Perikard , a) Kroužkovci b) Korýši (rak) c) Měkkýši Bowmanův váček Malpigické trubice" d) Hmyz e) Obratlovci Obr. 14.2. Vztah exkrečních orgánů k célomové dutině (šedě). U célomát jsou exkrečním ústrojím metanefridie spojené s existencí cévní soustavy, u hmyzu však není célom zachován aexkreci zajišťují malpigické trubice. Cévy nejsou zakresleny. Krevní céva QPČy)Q t\ jV f f.\ f / l#Ci) ®j ©■ ■f© ®3ek--. w^ ^ IU I Aktivní resorpce Pasivní resorpce Aktivní sekrece (exkrece) 3 Obr. 14.3. Základní typy transportu látek mezi krví a močí v ledvinách. Filtrát je při průchodu tubulem upravován jednak zpětnou resorpcí, jednak dodatečnou sekrecí látek, které filtrací neprošly. 106 14. EXKRECE A OSMOREGULACE 14.5.2. Úpravy primární moči probíhají jinak v proximální, jinak v navazující distální části. V proximální části jsou zpětně resorbované objemy zpravidla obrovské (až 99 %). Pro organizmus je výhodnější nejprve prohnat filtrací vše a pak to, co je tělu užitečné, opět stáhnout zpět, než riskovat opomenutí toxické molekuly v oběhu. V kontrastu s masivními iontovými a vodními toky j e j en malá změna osmolality moči. V proximální části se spolu s ionty a vodou resorbují zejména glukóza a aminokyseliny. Obráceně se aktivní sekrecí mohou selektivně ještě dostat do filtrátu ty látky, které neprošly filtrací. V distálních částech se „dolaďuje" finální složení moči přesně řízenými a poměrně malými iontovými toky doprovázenými již také jen malými změnami objemu, za vzniku hyperosrnotické nebo hypoosmotické finální moči. 14.5.3. Stavba ledvin obratlovců Exkrečním orgánem obratlovcůjsou ledviny. Na podélném řezu ledvinou vyšších obratlovců lze rozlišit vnější kůru a vnitřní dřeň. Ledviny jsou odvozeny od metane fridií a u terestrických obratlovcůjsou adaptovány na minimalizaci vodních ztrát. Původní stavební plán me-tanefridiální nálevky přikládající se ke krevní cévě se mění. Céva vytváří v místě styku klubíčko vlásečnic (glomerulus) a nálevka (Bowmanovo pouzdro) toto klubíčko obklopí a hermeticky uzavře. Navazující tubu-lární oddíly podobně jako u metanefridií vytvářejí mno-hočetné kličky. Tak je organizována základní strukturní a funkční jednotka ledvin - nefron (obr. 14.4.). 14.5.3.1. Oddíly nefronu Ledvinová tělíska jsou uložena v kůře ledvin a skládají se z Bowman ova pouzdra a glomerulu, který je do pouzdra vchlípen. Mezi oběma je prostor, do něhož je filtrována primární moč. Krev do glomerulu přivádí arteriola (vasa afferens), rozdělující se zde na kapiláry, které se opět spojují do odvodné cévy (vasa efferens), z níž pak vzniká peritubulární kapilární pleteň (vasa recta). Proximální tubulus představuje nejdelší část nefronu, nejprve je stočený a pak přechází v přímou část. Henleova klička má sestupnou tlustou část (směřující do dřeně), tenké sestupné raménko a tenkou část vzestupnou a tlustý segment vzestupného raménka. Distální tubulus začíná tlustým segmentem, který přechází v část stočenou a ta ústí do sběrného kanálku. Bowmanovo pouzdro Glomerulus Metabolity, cizorodé látky Tlustý segment vzestupného raménka Henleovy kličky Sběrný kanálek C^H,0 Tenké sestupné raménko Henleovy kličky HO, Ch Ca2 Močovina : Pasivní transport T= Aktivní transport S = Glc, AK, Org.I. Obr. 14.4. Schéma stavby nefronu a transportních dějů při tvorbě moči. Primární filtrát je cestou tubulem upravován sekrecí a resorpcí. V proximálním tubulu se spolu s Na+ resorbují organické látky, většina vody a iontů. Tlustý segment Henleovy kličky exportuje NaCI bez doprovodu vody a generuje vysokou osmolalitu dřeně. V distálním tubulu se dolaďuje iontové složení moči. Ve sběrném kanálku se odchodem vody do dřeně tvoří hyperosmotická moč. 14. EXKRECE A OSMOREGULACE 107 Sběrný kanálek směřuje zpět z kůry do dřeně. Sběrné kanálky se spojují v papilární vývody ústící do ledvinové pánvičky. Struktura a počet nefronů v ledvinách obratlovců jsou druhově typické. Např. v jedné ledvině vrabce je asi 30 tisíc nefronů, v ledvině slepice asi 200 tisíc, v ledvině myši 5 tisíc. V ledvině hovězího dobytka asi 4 miliony a v ledvině člověka asi 1 milion nefronů. Ledviny se liší rovněž tvarem. U některých je povrch ledvin zcela hladký (králík, pes, kůň, člověk), jiní mají ledviny laločnaté (skot), nebo rozdělené na úplně samostatné lalůčky (medvěd, tuleň, delfín). Existují dva typy nefronů. Nefrony kortikální, které jsou téměř úplně umístěny v kůře ledviny a mají krátkou Henleovu kličku, a nefrony juxtamedulární, u nichž je glomerulus v kůře ledvin, ale blízko dřeně a Henleova klička je dlouhá a hluboko zasahuje do dřeně. U člověka připadá sedm kortikálních nefronů na jeden juxtamedulární. Převaha juxtamedulárních nefronů je u živočichů, kteří žijí v pouštních a suchých oblastech a musí dobře hospodařit s vodou. Z dalšího textu vysvitne proč. Na celé architektuře nefronů je nápadné jak odlišně je řešena kůra od dřeně. Tubuly se kolmo k povrchu za-nořují do hloubky dřeně, tam se otočí a těsně přiloženy k jiným tubulům stoupají opět vzhůru. Cévní systém zásobující ledvinu krví je řešen podobně. Toto vlásenkové antiparalelní uspořádání cévních, lymfatických a tubu-lárních drah je základem protiproudého multiplikač-ního dřeňového systému umožňujícího vznik hyper-osmotické moči. 14.5.4. Vznik hyperosmotické moči Pro terestrické obratlovce i bezobratlé je voda natolik cennou látkou, že se u nich vyvinuly mechanizmy pro tvorbu odvodněné - hyperosmotické moči, ve které jsou odpadní látky maximálně koncentrovány. Vytvořit v prostředí těla hyperosmotickou tekutinu není jednoduchý problém, protože, jak již víme (str. 11), neexistují žádné specializované pumpy pro vodu, které by ji z tubulu jednoduše odčerpaly proti savé síle odpadních so-lutů. Vodního toku (ať již transcelulárního nebo para-celulárního) lze dosáhnout pouze v podobě pasivního, osmotického doprovodu iontového toku. Odčerpáváme-li z tubulu ionty přes epitel pro vodu propustný („děravý epitel"), voda ionty doprovází a osmolalita roztoku se nezmění. Při iontovém čerpání přes vodu nepropustné epitely (tight junctions) vznikne uvnitř hypoosmotická tekutina. Jedinou cestou k zahuštění a odvodnění moči je připravení hyperosmotického savého prostředí, kterým bude tubulus procházet a odevzdávat vodu, aniž by z něj soluty odcházely. Účinnost odvodňování se zvýší, bude-li proud houstnoucí moči v tubulu antiparalelní (protisměrný) vůči toku hypertonického, tubulus obklopujícího roztoku. Protiproudá výměna je také mechanizmem umožňujícím vznik a udržení hyperosmotického mezibuněčného prostředí ve dřeni ledvin. * * * Dovolme si v tomto místě odbočku k vysvětlení obecného principu protiproude výměny, se kterou se ve fyziologických soustavách setkáváme při různých příležitostech (viz str. 42 a 85). 14.5.4.1. Protiproudy multiplikačnímechanizmus Dva proudy libovolných tekutin si budou po koncentračním spádu nejúčinněji vyměňovat látky, ale také např. teplo, budou-li jejich toky obrácené - proti sobě orientované, antiparalelní. Na obr. 14.5. je uvedeno srovnání účinnosti výměny stejnosměrných a protisměrných toků. Z obrázku je patrné, že (postupně klesající-cí) tepelný gradient mezi stejnosměrnými toky vyvolá -» 80° 70° 60° 50° -p. lil (t l "♦ 20° 30° 40° 50° -* h 80° 70° 60° 50° 40° - i í 1 i i \- 60° 50° 40° 30° 20° 80°-- 50c 20c Obr. 14.5. Srovnání stejnosměrné a protiproude výměny na příkladě teplot. Zatímco při stejnosměrné gradient klesá, až se výsledná teplota ustaví na průměru, při protiproude výměně je gradient po celé délce konstantní a výměna tepla je účinnější. 108 14. EXKRECE A OSMOREGULACE výměnu tepla, která na konci společného vedení vede ke srovnání teplot obou proudů na střední hodnotě. V případě antiparalelního toku je po celé délce gradient mezi toky konstantní. Čím delší je společné vedení, tím větších rozdílů mezi teplou a studenou stranou je možné dosáhnout. Tento princip je využíván několika fyziologickými systémy, a to vždy v případech, kdy je třeba maximalizovat účinnost výměny libovolných difuzibilních látek mezi dvěma proudy (rozhraní voda-krev v žábrech) nebo když je třeba prostorově oddělit tělní tekutiny teplou od studené nebo hypertonickou od hypotonické. 14.5.5. Děje v savčím nefronu Zpřesněme si to, co jsme si doposud řekli obecně o různých dějích v tubulu na příkladu savčího nefronu podle obr. 14.4. 1) Glomerulus Bowman ova váčku produkuje filtrát. Za minutu bývá přefiltrováno až 25 % krve. 2) Velký objem primární moči je již v proximálním tubulu zredukován na 25 % mohutnou resorpcí vody. Jde o kombinaci aktivního transportu Na+ s některými S = Glc, AK, Org.l. a) Proximální tubulus m LU Z> b) Tlustý segment Henleovy kličky Obr. 14.6. Některé transportní procesy v tubulu. a) Z dutiny proxi-málního tubulu jsou organické látky transportovány do buněk epitelu sekundárním aktivním kotransportem energií Na+ gradientu. Do intersticia projdou usnadněnou difúzí. Na+ ionty následuje pa-racelulárně voda, strhávající s sebou další látky, b) V tlustém segmentu Henleovy kličky se do intersticia dřeně přečerpávají Na+ a Cľ. (Kolo s výztuží = aktivní transport.) spřaženými kotransporty a antiporty (obr. 14.6.a). Resorpce Na+ z lumen tubulu do intersticia vyvolává vodní tok mezibuněčnými prostory děravého epitelu, který dále strhává (tah rozpustidla) řadu rozpuštěných solutůjako je Ca2+, Cľ, K+nebo močovina. Moč zůstává izoosmotická. V proximálním tubulu se také do krve vrací glukóza, aminokyseliny a další organické látky procesem sekundárního aktivního kotransportu. 14.5.5.1. Sekundární aktivní kotransport V úvodní kapitole jsme se setkali s tím, že všeobecně rozšířeného sodíkového membránového gradientu využívají jedny buňky k přenosu informací (nervové) jiné jako zdroje energie pro transporty látek proti koncentračnímu spádu. Transport glukózy v proximálním tubulu nefronu, ale i ve střevě je nejvhodnějším příkladem. Membránový transportér má dvě vazebná místa - pro glukózu i pro sodík. S využitím energie sodíkové hnací síly je do buňky „protlačena" i glukóza. Buňku tubulu už glukóza opouští pasivně, ale s pomocí přenašeče -tzv. facilitovanou difúzí. Takto jev proximálním tubulu zresorbováno až 99 % glukózy. Pro aminokyseliny, fosfáty, laktát a další látky se uplatňují podobné re-sorpční mechanizmy. Extra/intracelulární gradient sodíku je trvale udržován Na/K pumpou. 3) Sestupné raménko Henleovy kličky obsahuje epitel bez významnějších transportních specializací. Jinak je tomu ale v tlustém segmentu vzestupného ramén-ka. Zde jsou pumpy a přenašeče vyčerpávající NaCl z tubulu do intersticia (obr. 14.6.b). Epitel tohoto segmentuje nepropustný pro vodu, která tedy nemůže iontový tok doprovázet. Stejně tak i permeabilita pro Na+ a Cl" je malá a nemohou se pasivně vracet z intersticia do tubulu. Výsledkem je vznik hypoosmotické moči a hyperosmotického intersticia dřeně. Antiparalelní toky v raménkách Henleyovy kličky jsou základem multiplikačního dřeňového systému. 14.5.5.2. Multiplikační dřeňový systém Osmolalita dřeně je zvyšována NaCl vyčerpávaným v tlustém segmentu. Voda přicházející s močí paralelním sestupným raménkem v opačném směruje v celém společném průběhu vysávána do intersticia a osmolalita roste tím víc, čím hlouběji klička do dřeně zasahuje -čím delší je společný průběh. Hovoří se také o osmotic-ké stratifikaci dřeně (obr. 14.7.). Podobně je organizována protiproudá výměna vody ve vasa recta, která ve skutečnosti vytváří složitou cévní pleteň kolem obou ramének (14.8. a 14.9.). Vodě krevní plazmy není dovoleno aby pronikla až do dřeně a nařeďovala ji. Uniká zkratkami ze sestupné části cévy do části vzestupné, aniž by vstoupila do dřeně. Opačně také platí, že například močovina přestupuje ze vzestupného raménka, které ji odnáší z hypertonické dřeně 14. EXKRECE A OSMOREGULACE 109 400 H„0 600 800 NaCl 1000 800 1000 1200 [mosm/kg HO] Obr. 14.7. Aktivní protiproudá multiplikace v Henleyově kličce (HK). V tlustém segmentu HK jsou čerpány do dřeně ionty Na+ a Cľ. Pro vodu je však epitel nepropustný. Voda přicházející tenkým segmentem je zkratkami strhávána do intersticia a osmolalita roste tím víc, čím je klička delší. Dřeň ledvin je proto hyperosmotická. 600 800 1000 600 800 1000 [mosm/kg H,0] 1200 Obr. 14.9. Protiproudá výměna vody ve vasa recta. Dřeň ledvin je zásobena krví cévou vasa recta. Voda přicházející s krví neproniká až do dřeně a nesnižuje její osmolalitu, protože uniká zkratkami z prívodného do odvodného raménka. Regulací prokrvení lze regulovat i osmotickou savost dřeně a tím i množství moče. Proximální tubulus Spojky mezi raménky vasa recta Obr. 14.8. Architektura dřeně ledvin. Cévy a kanálky jsou vedeny paralelně do hloubky dřeně. Tím je umožněna protiproudá výměna vody a rozpuštěných látek už mezi prívodnými a odvodnými cestami a je tak oddělena hyperosmotická dřeň od kůry. Vasa recta tvoří celou pleteň kolem tubulu (nezakresleno) s řadou spojek. Jejich vazomotorikou je regulováno prokrvení a tedy osmolalita dřeně. opět do raménka sestupného. Tak k vysoké osmolali-tě dřeně přispívá kromě zadržovaného NaCl i močovina. Krev je při průchodu dření stejně hyperosmotická jako dřeň samotná a vysoká osmolalita ledvinové dřeně je tak přes nutné krevní zásobení jen velmi málo narušována. 4) Pro distální tubulus platí, jak již bylo řečeno, že zde dochází k jemnému dolaďování objemu moči a ion- tové rovnováhy podle celkové situace organizmu. Zpětná resorpce Na+ a tedy i vody je pod přímým stimulačním vlivem aldosteronu. Na+ je po elektrochemickém spádu doprovázen Cľ, HCOj. Naopak K+, H+ a NH3 jsou sekretovány do lumen tubulu. 5) Ve sběrném kanálku jsou resorbovány zbytky NaCl, ale hlavně zde při průchodu dření dochází k úniku vody do intersticia a k finálnímu zahuštění a vzniku hypertonické moči až na asi 4x vyšší osmolalitu ve srovnání s plazmou. Průchodnost stěn sběrného kanálku pro vodu je pod stimulačním vlivem antidiuretického hormonu. Voda, která pronikne do dřeně je ihned odváděna do dřeňové cévní pleteně (vasa recta). Savá osmo-tická síla koloidní ch bílkovin plazmy zajistí nasátí vody do krevního proudu, aniž by se narušila osmotická stratifikace dřeně. 14.5.6. Rektální koncentrační systém hmyzu I někteří bezobratlí, dosahují obdivuhodných schopností produkovat hyperosmotickou moč, resp. výkaly aniž by u nich byl vyvinut dokonalý protiproudy koncentrační systém. Konkrétně jde o druhy hmyzu žijící v suchých biotopech. Příkladem mohou být rektální papily některých much (obr. 14.10) nebo kryptonefridiální komplex suchomilných brouků (obr. 14.11). Voda je i zde tažena proudem aktivně čerpaných iontů. Zatímco ty cirkulují přes membrány v uzavřeném okruhu tam i zpět, takže jejich čistý tok je nulový, voda je doprovází pouze v jednom směru - ze střeva do herno lymfy. Takový tok je umožněn separací prostor vedoucích vodu. V jedněch je epitel pro vodu propustný, ve druhých nepropustný. 110 14. EXKRECE A OSMOREGULACE Hemolymfa H20 Dutina rekta Obr. 14.10. Rektální papila much. Systémem dutin v papile cirkulují ionty v uzavřeném cyklu - tenké šipky. Vysoká osmolalita prostředí vysává vodu z rekta - bílé šipky. Voda však neprojde, na rozdíl od solí, zpět epitelem odvodného kanálku a proudí do he-molymfy. Zpětnému toku vody brání systém záklopek (není neza-kreslen). Í>Na,K tf 'H„0 Hemolymfa H20 H20 Na,K L Na,K ^ Na,K H„0 H O * Dutina střeva Obr. 14.11. Kryptonefridiální komplex je tvořen konci malpigických tubulů přiloženými ke střevu. Opačné proudy ve střevě a v tubulu si vyměňují vodu. Ta je z rekta nasávána do perirektálního prostoru hyperosmotickým prostředím, odtud pokračuje tubulem do hemolymfy. Soli jsou čerpány zpět do tubulu - jejich cirkulace je uzavřená. Voda je však následovat nemůže - epitel komplexu je pro ni nepropustný. Nervově je krevní průtok řízen tak, že sympatickým nervovým systémem se snižuje glomerulární filtrace a tedy i diuréza (vylučování moči). Parasympatikem se naopak zvyšuje. Pocit žízně vedoucí k napití je jiným druhem zpětnovazebného zásahu vedoucího k obnovení osmolality. Při nadměrné ztrátě vody z organizmu (např. při velkém pocení) registrují osmoreceptory v supra-optickém jádru hypotalamu a v krční tepně osmotické změny, což vede ke zvýšení produkce ADH. Tento hormon pak působí na distální část ledvinového nefronu, kde zvyšuje zpětnou resorpci vody. Naopak při poklesu osmotického tlaku krve (nadbytku vody) bude diuréza stimulována. Jsou v zásadě dva způsoby řízení diurézy v ledvinách: řízení renální hemodynamiky prekrvení a řízení tubulárních procesů. Pod řízení hemodynamiky spadá řízení průtoku krve jak glomerulárním, tak peritubulárním řečištěm mechanizmy vazomotoriky prívodných a odvodných cév. Změnami prekrvení v peritubulárním řečišti - řízenými zkraty mezi sestupným a vzestupným raménkem - lze ovlivnit efektivnost multiplikačního systému dřeně. Zvýšení průtoku bude vést k většímu proplachování dřeně srážejícímu osmotický gradient a tím omezující zpětnou resorpci vody. Co se týče řízení tubulárních procesů, zmiňme se o dvou nejdůležitějších hormonech ovlivňujících diurézu: antidiuretický hormon (ADH) ovlivňuje propustnost sběrného kanálku tím, že stimuluje vkládání aquaporinů (viz str. 11) do j eho membrány. Bez ADH j e velmi malá, takže se z moči ve dřeni neresorbuje už žádná voda a diuréza je vyšší. Při žízni je produkován aldosteron (přes dvojici renin-angiotenzin) zvyšující retenci Na+ v dis-tálním tubulu a tím i retenci vody. Retence vody má přímý vliv na zvýšení krevního tlaku (viz str. 121). Regulace funkcí vývodných cest ledvin se zabezpečuje zejména nervovými mechanizmy. Vývodné cesty (močovody) mají vlastní nervovou síť, ze které vycházejí impulsy k peristaltickým kontrakcím těchto cest. Funkce močovodů řídí rovněž zvláštní nervová centra v prodloužené míše, mezimozku a mozkové kůře. 14.6. Vodní hospodářství a řízení exkreční činnosti ledvin Buňky tkání musejí být chráněny před kolísáním osmotického tlaku extracelulárního prostoru a tím i svého objemu. Příjem většího množství NaCl potravou nebo ztráty vody (např. průjem, pocení) představují zásah do vodního hospodářství organizmu, který je třeba negativním regulačním zásahem kompenzovat. Receptory tohoto regulačního okruhu jsou hlavně osmoreceptory v hypotalamu, regulujícím zásahem pak nervový vegetativní nebo hormonální povel. Např. vyloučení anti-diuretického hormonu (ADH) k cílovému orgánu - ledvinám. Při zmíněné situaci velkého příjmu NaCl bude nárůst osmolality vyřešen retenci vody. 14.7. Ledviny a acidobazická rovnováha Ledviny mají zásadní úlohu v řízení iontového složení krve a podílejí se proto významně i na funkcích udržování acidobazické rovnováhy (str. 61). V nejdůležitějším otevřeném pufrovacím systému savců C02/HCOj zajišťují udržování poolu hydrogenuhličitanových anion-tů a - spolu s plícemi - vylučování iontů H+. Sekrece iontů H+ do tubulu probíhá opět jako sekundární aktivní transport (antiport) výměnou za ionty sodíku především v proximálním tubulu (obr. 14.6.a). Ionty HCOj, bohatě obsažené v primárním filtrátu, musejí být z tubulu resorbovány zpět. To se děje pomocí reakce 14. EXKRECE A OSMOREGULACE 111 s H+ na C02 + H20. C02 už snadno difunduje do buňky tubulu. Vzestup (nebo pokles) pC02 v plazmě vede ke zvýšení (nebo snížení) sekrece H+ a tím i zpětné resorpce HCOj, což je důležité pro kompenzaci výkyvů pH. 14.8. Juxtaglomerulární aparát V místě přechodu vzestupného ramene Henleovy kličky do distálního tubulu tvoří buňky tubulu útvar zvaný macula densa, který se dotýká prívodné a odvodné arterioly glomerulu. Je to oblast cév obsahující speciální granulami buňky. Všechny tyto uvedené buňky tvoří dohromady juxtaglomerulární aparát. Jeho poloha je velmi vhodná jednak pro analýzu složení moči jednak pro odesílání endokrinních signálů. Je však také inervován sympatickými vlákny. Uvolňuje do krve proteolytický enzym renin, jehož působením vzniká angiotenzin II (viz str. 125), způsobující vasokonstrikci v oběhové soustavě a zvýšení krevního tlaku. Jeho vliv na vylučování je jednak přes stimulaci uvolňování aldosteronu (viz str. 120) jednak přes přímé ovlivnění renální hemodyna-miky. V obou posledních případech zvyšuje krevní tlak stimulací zpětné resorpce vody. 14.9. Moč Výsledkem činnosti exkrečních orgánů je moč. Moč savců je čirá, slabě žlutá tekutina. Její chemické složení je výrazně odlišné od složení krevní plazmy a tkáňového moku. Obsahuje především vodu, ale i řadu organických a anorganických látek. Z anorganických převládají chloridy, dále bývají přítomny sírany, fosforečnany a uhličitany. V malém množství se v moči savců vyskytuje i amoniak. Z organických látek je v moči nejvíce sloučenin dusíku. Hlavní dusíkatou sloučeninou moči savců je močovina, v malém množství kyselina močová, kreatinin a ve stopách celá řada dalších látek. Moč ryb je čirá, jasně žlutá tekutina. Její složení je druhově typické, ale závisí rovněž na velikosti ryb. Moč obojživelníků je rovněž čirá, bez sedimentu. Z organických látek je v ní nejvíce močoviny. Moč plazů je hustá, kašovitá, bělavé barvy. Moč ptáků obsahuje mnoho mu-koidních látek a urátů, proto bývá hustá a hlenovitá. Obsahuje (podobně jako u plazů) více kyseliny močové, než močoviny ve srovnání s močí savců. Dospělý člověk vyloučí denně 0,6-1,6 litrů moči. Během dne existuje ve vylučování moči (v diuréze) určitý biorytmus. Největší množství se vyloučí večer, nejméně ráno. Za patologických stavů se v moči vyskytují ve větším množství některé látky, vyskytující se za normálních okolností jen ve velmi malém množství. Jejich kvalitativní a kvantitativní hodnocení je proto důležité pro posouzení fyziologického stavu organizmu. 14.10. Pomocné exkreční systémy Kromě specifických pomocných exkrečních orgánů (např. výše uvedených solných žláz), existují také všeobecné pomocné (doplňující) orgány exkrečního charakteru. Patří sem především vícefunkční kůže. Kůže je složena ze tří vrstev - pokožky (epidermis), škáry (cutis) a podkožního vaziva (subcutis). Pokožku tvoří několik vrstev epitelových buněk, které na povrchu rohovatí a odlupují se. Škára je složena z kompaktnější vrstvy (corium) a řídkého vaziva (tela subcutanea). Základní funkce kůže: 1) Vylučuje z těla exkreční látky (potem). 2) Chrání tělo před vnějšími mechanickými a chemickými vlivy. 3) Chrání organizmus proti pa-togenům. 4) Zúčastňuje se v procesech termoregulace. 5) Zasahuje do metabolických dějů organizmu (např. syntéza vitaminu D). 6) Resorbuje celou řadu látek z prostředí. 7) Jsou zde různé typy receptoru, zabezpečujících příjem informací z prostředí. V kůži nacházíme rozmanité typy keratinózních struktur (srst, vlasy, peří). Jsou rovnoměrně rozmístěny na celém povrchu těla a místy dochází k jejich výraznému seskupení. Podobně kožní potní žlázy (glandulae sudoriporae) jsou po těle rozptýleny nebo seskupeny do určitých oblastí. Pot je čirá, bezbarvá tekutina. Obsahuje 98-99 % vody, bílkoviny, močovinu, amoniak, mastné kyseliny, aminokyseliny, soli a další látky. Např. v lidském potu je poměrně hodně kys. urokanove (vzniká z aminokyseliny histidinu působením enzymu histidiná-zy). Tato kyselina má pravděpodobně ochranný účinek proti UV záření. V kůži jsou rovněž mazové žlázy, které obvykle vyúsťují do vlasového váčku. Jejich produkt -maz (sebum) pokrývá kůži jako tenký film, chránící ji před UV zářením a jinými škodlivými vlivy. Specifický vztah k exkreci a homeostaze organizmu mají i slzné žlázy. Jejich produkt - slzy, mají zvlhčovači funkci a očišťují oko od mechanických částic i bakterií.