IgA신증환자의 일본생활기

안녕하세요.

제이슨99 입니다.

오늘은 꽤나 기본적이면서도 실은 다들 잘 모르는 내용.

바로 소변을 만들어내는 과정에 대해서 간단하게 다뤄보는 내용입니다.

잊기쉽지만 잊어서는 안되는 내용이라고 생각합니다.

우리 몸에는 다양한 장기가 있고, 각각의 기능으로 생명의 유지가 이루어지고 있습니다.
장기의 기능에는 심장이 혈액을 박출(펌프)하는것처럼 물리적인 기능도 있고 간이 혈액의 단백질을 합성하는 것처럼 화학적인 기능도 있으며, 뇌의 지각반사처럼 정보에 대한 반응을 하는 기능도 있습니다.

신장은 혈액의 여과에 의해 소변을 만드는것으로 잘 알려져 있으나 실제로는 "여과"라는 한마디로 정리할 수 없을정도로 복잡한 기능을 가지고 있습니다. 여과라는 한마디로 연상되는 것은 극히 단순한 작업이지만 소변을 만들어내는것은 오염된 물을 정수하는것처럼 일괄적인 작업이 아니라 불필요한 것은 버리고, 필요한것은 다시 흡수하는 기능을 전부 가지고 있기때문입니다.

신장의 목표는 무엇인가? (소변을 만드는 이유)

인체의 다양한 기능을 위해서는 이상적인 수치(정상치)라는 것이 정해져 있습니다.

이 이상적인 수치는 장기가 안정된 기능을 할 수 있는 "배경"에 해당하는 조건이 되는 경우가 많습니다.

예를들어 체온은 36.0 - 37.0 ℃, 심박수는 분당 60 - 80, 혈액의 다양한 성분 역시 정상치가 정해져있습니다.

그러나 소변의 양과 성분중에는 정상치라는것의 범위가 매우 모호한 경우가 있습니다.
왜냐하면 지금부터 1시간후에 신장이 만들어내는 소변의 양과 성분은 지금부터의 행동으로 시시각각 크게 변하기 때문입니다. 예를 들어 눈앞에 있는 물 500mL를 단번에 마신다고 가정을 하면 1시간후에는 소변의 양이 크게 늘어날겁니다. 신장이 몸속 체액성분의 전해질 농도를 일정하게 유지하기위해 소변의 양과 성분을 그때그때 변화시킨겁니다.

혈액은 약 45%의 세포성분 (혈구)와 약 55%의 액체성분 (혈장) 으로 구성되어 있으며, 모세혈관 주위의 간질에 포함된 체액을 조직액이라고 합니다. 혈장이나 조직액 등 세포밖의 체액에는 NaCl (즉, 염화나트륨) 이 많이 포함되어있고 그 농도는 엄격하게 일정 (약 0.9%) 하게 유지되어야만 합니다. 다른 이온 (예 : K )이 증가하거나 전해질 전체 농도가 변화하게되면 세포의 기능이 지장을 받게되어 생명의 위협으로 이어질 수 있습니다.

체액의 전해질 농도를 일정하게 유지하기 위해서는 계속해서 변화하는 수분속에서도 전해질의 균형을 유지해야만 합니다. 물과 전해질이 출입하는 주요 통로는 

① 소화기 (음식과 배변)
② 호흡기
③ 피부 (땀과 불감증설 (피부,호흡기로부터 무의식적으로 증발되는 수분) )

상기 3가지로 이 부분에서는 물과 전해질이 출입이 빈번하게 이루어지므로 일반적인 체액의 전해질 농도와는 균형이 무너지는 경우가 종종 있습니다.

예를들어 맥주를 한잔 마셨다고 할때 신장은 체액의 전해질 농도를 일정하게 유지하기위해 소변을 생성합니다. 그러나 이때 단순 맥주로 인해 늘어난 수분만이 아니라 더운 날씨로 인해서 땀이 흐르고 있다면? 알콜의 분해를 위해 수분이 사용되고 있다면? 다른 기관에서의 물과 전해질의 총합과 그 변화를 전부 체크하며 신장이 계산해서 총합을 맞추게 됩니다. 즉, 신장은 순간순간 상황에 따라 소변의 양과 성분을 신속하게 변경하고 조정하게 됩니다.

소변을 만드는 과정

신장의 조직에는 두가지로 나뉘어지게됩니다.

신장의 단면외부에서 표면의 피막에 가까운 부분이 피질이며 내부의 구멍에 가까운 부분을 수질이라고 일컫습니다. 현미경으로 관찰하면 피질은 사구체라는 모세혈관의 실타래 (즉, 끈뭉치)와 꼬불꼬불 엉킨 세뇨관이 존재합니다. 반면 수질은 피질과는 달리 곧바로 펼쳐진 세뇨관이 모여있습니다.

신장에서 소변을 만드는 일은 크게 두가지 단계로 이루어집니다.

제 1 단계로 사구체에서 소변의 여과로 여과되는 소변의 양은 분당 약 100mL 정도로 하루 약 150L 정도가 됩니다. 즉, 체중의 3배정도의 소변이 매일 사구체에서 여과되는것이며, 신장에 관해서 모르는 사람이라면 놀라는 동시에 거짓말이라고 생각할 수도 있을겁니다.

그러나 이 엄청난 양의 소변중 99%가 제 2단계에서 재흡수되어 혈액으로 돌아오게됩니다.

결과적으로 최종적으로 소변의 양은 개인에 수분섭취나 체격, 나이, 운동량, 날씨 등에 따라 차이가 있지만 하루에 1.5 L정도가 소변으로서 배출됩니다.

이러한 2단계로 이루어진 소변 생성방식이야말로 사구체가 소변의 양과 성분을 상황에 따라(예를들어 갑작스레 수분섭취가 늘었다던가) 신속하게 소변양을 변경하는데 큰 도움을 줍니다.

예를들어 1단계를 거친 소변중 99%가 세뇨관에서 혈액으로 재흡수되지만 재흡수 비율을 99% 에서 95%로 조절하면 최종적으로 소변의 양은 단번에 5배가 됩니다.
즉, 1단계에서 이루어지는 대량의 여과작업은 소변의 양과 질을 쉽게 변경하기위한 제조(?)과정에 해당합니다.

소변의 여과에 대해서

사구체란 모세혈관의 실타래같은 모양이며, 이중벽으로 둘러싸인 주머니에 둘러싸여있고 주머니의 내부를 보우먼 주머니라고 하며 모세혈관의 혈액과 보우먼 주머니의 소변을 나누는 얇은 벽이 여과를 위한 필터로 구성되어있습니다. 사구체에서 소변의 여과는 모세혈관의 내부와 외부의 압력차에 의해 수행되는 순수한 역학적인(즉, 운동, 위치 에너지만으로 이루어지는) 과정이며 이러한 사구체 여과율 (GFR)에 대한 이론식은 아래와 같다.

GFR = Kf · P(uf) = k · S · (ΔP-ΔΠ)

사구체 여과계수 (Kf)는 필터의 투과성(k)와 면적(S)의 곱이며, 여과의 원동력 (P(uf))은 정수압 차 (ΔP)보다 작고, 콜로이드 이온의 삼투압 (ΔΠ)을 마이너스한 값이 된다. 정수압 차이는 사구체 혈압 (약 50 mmHg)과 보우먼 주머니의 압력 (약 15 mmHg)의 차이이다. 콜로이드 이온 삼투압이란 혈장에 포함된 약 7%의 단백질 분자에 의해 발생하는 삼투압이며 여과필터는 대부분 단백질을 통과시키지 않기에 여과된 소변의 단백질 농도는 제로에 가까워지게 됩니다.

즉, 사구체에서 여과압력의 원동력은 순수한 역학적인 과정이며 세포막에서의 능동수송처럼 화학 에너지를 소비하여 이루어지는 것도 아니고 신경세포의 활동전위처럼 전기적인 활동도 아닙니다.

사구체의 여과에는 전신혈압, 신장의 혈류량, 신장의 동맥(신동맥)의 수축상태, 혈장의 단백질농도 등 사구체여과율에 영향을 줄 수 있는 다양한 외부요인이 있으나 건강한 사람이라면 거의 자동적으로 일정범위내에서 움직이도록 운용되고 있습니다.

세뇨관에서의 상피수송

세뇨관에서의 재흡수는 상피수송이라는 전혀 다른 방식으로 이루어집니다. 

상피는 것은 세포가 폐쇄연접(tight junction)에 의해 결합되어 만들어진 1장의 막이며, 세포를 감싸고 있는 세포막은 지질 이중층과 단백질 분자로 구성되어 있습니다. 지용성 분자는 무제한으로 세포막을 투과하지만 수용성 분자는 특정한 것만이 세포막을 통해 수송이 가능합니다.

세뇨관 등의 상피세포는 내부의 공동부분과 혈관측의 세포막으로 구분되어 성질이 다릅니다.

나트륨 펌프 (Na + / K +/ ATPase)는 세포의 생명유지에 필수적인 장치로 혈관측의 세포막에 있으며 ATP 한개를 분해하여 에너지로 Na + 3개를 세포내에서 외부로 K + 2개의 세포밖에서 안으로 운반하는 작용을 하며, 이로인해 세포안에는 K+가 많아지게되고 세포밖에는 Na+가 많아지는 전해질의 분포가 이루어지게 되며, 혈관측의 세포막에서 칼륨채널(칼륨 통로)을 통해 K+가 농도 차이에 의해 세포밖으로 나오는것으로 인해 세포내에 약 -80 mV의 정지전위가 만들어지고, 이 전해질 분포와 정지전위를 전제로 소변에서 혈액으로 물질의 수송이 이루어지며 이것을 상피수송이라고 합니다.

 한가지 예로 소변에서 포도당을 재흡수하는 구조를 설명하면

1. 내부 공동의  세포막에는 Na+ 의존성 포도당 수송체 (SGLT1, SGLT2)가 있고, Na+ 및 포도당 1분자씩 세포에 운반하고, 세포내외의 전위차와 농도 차이에 의해 Na+은 세포내부로 강하게 흡수되기 때문에 포도당을 세포내에 축적할 수있다.

2. 혈관측의 세포막에는 단순한 포도당 수송체 (GLUT2)가 세포내외의 농도 차이에 따라 포도당이 세포밖으로 운반된다.

3. 세포내에 들어간 Na +은 나트륨 펌프의 작동에 의해 세포밖으로 운반된다. 이렇게 Na+ 과 포도당이 소변에서 혈액으로 운반되어 농도 차이가 발생하면 그 삼투압 차이에 의해 물분자가 물수송 채널 (Aquaporin)을 통해 옮겨지게된다.

참고
坂井建雄 (사카이 타츠오) 신장의 이야기 2013

인체의 정상적인 구조와 기능 V 신장 · 비뇨 (제 3판, 일본의학신보사 2017)

신장의 역할을 단순 "여과"라고 하기에는 수많은 작용과 원리가 있고 그 모든것을 이해하기는 그야말로 난해한것임을 알수있습니다. 그러나 그 복잡한 내용을 일부분이라도 이해하기위한 노력이 필요하다고 저는 생각합니다.