신장

수분 및 전해질 대사 장애

신장 생리

이론과 하이라이트 히스토리를 확인 할 수 있어요.

시험에 직접적으로 출제되는 부분은 아니지만 신장 과목을 공부하는데 가장 기본이 되는 내용이다. 이 내용을 잘 이해해야 신장 질환에서 발생하는 각종 혈량 불균형, 전해질 불균형, 산-염기 불균형, 이뇨제의 효과 및 부작용을 제대로 이해할 수 있다. 신장의 복잡한 생리를 이해할 자신이 없다면 각 질환에서 나타나는 각종 이상소견을 무작정 외우는 것도 불가능한 방법은 아니지만, 휘발성이 매우 강할 것이므로 본 단원의 내용을 머릿속에 새겨두는 것을 권한다.

1. 수분 및 전해질 대사 총론

1) Body fluid compartment

• Total body fluid: 남자는 체중의 60%, 여자는 체중의 50%

TBF (total body fluid)

60% of body weight

ICF (intracellular fluid, 세포내액)

40% (2/3)

ECF (extracellular fluid, 세포외액)

20% (1/3)

ISF (interstitial fluid, 세포간질액)

15% (3/4)

Plasma (혈장)

5% (1/4)

2) Serum osmolality (혈장 오스몰)

(1) 정의: 물 1kg에 포함된 solute 농도. Membrane을 통한 water shift에 영향을 주기 때문에 중요

(2) 정상범위: 275~295 mOsm/kgH₂O

(3) Calculated osmolality: 2×[Na⁺] + [Glucose]/18 + [BUN]/2.8

① [Na⁺] ≒ (총 cation 양) = (총 anion 양) 이므로, (총 ion 양 ) ≒ 2×[Na⁺]

② Glucose의 분자량 = 180g/mol, 따라서 mg/dL을 mmol/L로 환산 → [Glucose]/18

③ Urea의 질소 분자량 = 14×2 = 28g/mol, 따라서 mg/dL을 mmol/L로 환산 → [BUN]/2.8

* Serum osmolality에 영향을 미치는 주요 물질은 ion, glucose, urea이다. Na⁺, glucose, BUN 농도만으로 실제 osmolality를 이론적으로 예측한 값이 calculated osmolality다.

(4) Effective osmoles: Na⁺, glucose 등

① ICF 또는 ECF 중 어느 한 곳에만 머물고 이동하지 않음

② 삼투압 형성, cell membrane을 통한 water shift에 영향

(5) Ineffective osmoles: Urea 등

① ICF와 ECF 사이에서 자유롭게 확산

② 삼투압 형성 안함, cell membrane을 통한 water shift에 영향 없음

(6) 따라서 effective osmolality = 2×[Na⁺] + [Glucose]/18

2. 신장의 기능

1) 배설 기능

(1) 대사 부산물: Urea, creatinine, ammonia, uric acid, organic/inorganic acids

(2) 외부 물질: Drug, toxin 등

2) 조절 기능: 소변을 내보내는 과정에서 여러 성분들을 재흡수/배설해서 몸의 항상성 유지

(1) 체액의 volume과 osmolality

(2) 전해질 균형

(3) 산-염기 평형

3) 내분비 기능

(1) Renin: 간에서 생성된 angiotensinogen을 angiotensin I으로 전환

(2) Prostaglandin(PGE₂ 등): Afferent arteriole vasodilation, collecting duct에서 ADH를 분해해서 더 이상 작용하지 못하도록 함

(3) Erythropoietin(EPO): 적혈구 생성 촉진

(4) Vit. D(1,25-dihydroxyvitamin D₃): 체내 Ca, phosphate 평형에 중요

4) 대사 기능: Gluconeogenesis

3. 사구체(glomerulus, 콩팥토리)

1) 기능: Ultrafiltration

(1) 혈관 → 세뇨관으로 수분, 전해질, 노폐물을 일괄적으로 여과시킴

(2) Filtration barrier가 '무엇을 여과시킬지'를 결정

(3) Myocytes, juxtaglomerular apparatus가 '얼마나 여과시킬지'를 결정

2) Filtration barrier

(1) 구조

① 사구체 모세혈관 내피세포(glomerular capillary endothelial cells)

• 내피세포 사이사이에 구멍이 뚫린 것처럼 빈 공간이 존재함(fenestration) → 이 틈으로 물질들이 여과됨

② 사구체 기저막(glomerular basement membrane, GBM)

• 음전하를 나타내는 막

③ 족세포(podocyte)

• 족세포의 foot process가 깍지 끼듯이 사구체를 감싸고 있음 (깍지 사이의 작은 공간 = slit diaphragm)

(2) 위 ①~③이 얽혀 음전하를 띠며 4 nm 크기의 구멍들이 뚫린 filtration barrier를 형성

* 이 때문에 음전하를 띠는 albumin은 크기가 4 nm보다 약간 작아도 거의 정상적인 filtration barrier를 통과하지 못한다.

3) 사구체여과율(glomerular filtration rate, GFR)의 조절

(1) Afferent arteriole myocyte

① Renal a. 압력↑ → aff. arteriole 수축 → GFR↓

② Renal a. 압력↓ → aff. arteriole 이완 → GFR↑

(2) Tubuloglomerular feedback(TGF)

① Juxtaglomerular apparatus의 일부인 macula densa(distal tubule에 위치)가 distal tubule에 도달한 solute 양을 감지함

② GFR↑ → 많은 양의 solute가 DT로 흘러들어감 → MD가 이를 감지 → aff. arteriole 수축 → GFR↓

③ GFR↓ → 적은 양의 solute가 DT로 흘러들어감 → MD가 이를 감지 → aff. arteriole 이완 → GFR↑

(3) Angiotensin-II

① Juxtaglomerular apparatus의 일부인 granular cell(aff. arteriole에 위치)가 arteriole로 들어오는 혈류를 감지함

② GFR↑ → GC가 이를 감지 → renin 분비↓ → RAAS 억제 → angiotensin-II↓ → eff. arteriole 이완 → GFR↓

③ GFR↓ → GC가 이를 감지 → renin 분비↑ → RAAS 활성 → angiotensin-II↑ → eff. arteriole 수축 → GFR↑

4. 세뇨관(tubule)

* 후술할 세뇨관에서 이루어지는 거의 모든 재흡수/분비 과정은 tubule 세포의 interstitium 쪽에 있는 Na⁺/K⁺ ATPase pump가 생성하는 Na⁺ gradient를 에너지 기반으로 하여 이루어진다. Na⁺를 세포 내부에서 interstitium 쪽으로 퍼내면 세포 내부의 Na⁺는 상대적으로 부족해지게 되고, 이에 따라 tubular lumen에서 세포 내부로 Na⁺가 이동하는 것이다. 이 Na⁺의 이동을 따라 다른 물질들이 같이 유입되기도 하고(cotransport), 반대 방향으로 배출되기도 한다(exchange).

1) 근위 세뇨관(proximal tubule, PT)

(1) 기능: 사구체에서 여과된 물질의 약 70%를 재흡수(bulk reabsorption)

① 재흡수: H₂O, Na⁺, Cl^-, HCO₃^-, Ca²⁺, phosphate, glucose, amino acids 등

② 분비: H⁺, 기타 organic acids/bases

(2) 관련 주요 물질

H₂O	세포 사이로(paracellular) 확산 또는 aquaporin channel을 통한 수송
Na⁺	① Basolateral에서 Na⁺/K⁺ pump에 의해 세포 내부의 Na⁺↓ ② Apical에서 다양한 물질들과 함께 흡수
H⁺	Na⁺가 흡수될 때 반대 방향으로 분비됨 (분비된 H⁺는 NH₃ 등과 결합해 NH₄⁺ 등의 형태로 배설)
HCO₃^-	① 분비된 H⁺가 HCO₃^-와 tubular lumen에서 H₂CO₃로 결합 ② Carbonic anhydrase(CA)에 의해 H₂O + CO₂로 분리 ③ CO₂는 nonpolar하므로 세포 내부로 확산 ④ H₂O와 함께 CA에 의해 다시 H₂CO₃로 재결합 → H⁺ + HCO₃^-로 분리
Phosphate	Na⁺가 흡수될 때 같은 방향으로 흡수됨 * 칼슘/인 대사에서 혈중 P_i가 높을 때 FGF-23가 이 수송체를 억제해 P_i의 신장 재흡수를 억제한다.
Glucose	Na⁺가 흡수될 때 같은 방향으로 흡수됨 * 이 수송체의 이름이 SGLT-2로, 당뇨 치료제 SGLT-2 inhibitor는 이를 억제해 glucose의 신장 재흡수를 억제한다.

(3) 관련 질환: Fanconi syndrome

① Proximal tubule의 모든 cotransporter의 기능 상실

② Acidosis(H⁺ 분비↓, HCO₃^- 재흡수↓), hypophosphatemia(P_i 재흡수↓)

(4) 관련 이뇨제: CA inhibitor(acetazolamide)

① 원리: CA 억제 → HCO₃^- 재흡수↓ → 세포 내 H⁺ 생성↓ → Na⁺/H⁺ exchange↓ → Na⁺ 재흡수↓ → 이뇨 작용

② 부작용: 신세뇨관 산증(HCO₃^- 재흡수↓ → 혈중 pH↓)

2) 헨레 고리(loop of Henle, LoH)

(1) 기능: Na⁺/Cl^-/Ca²⁺ 재흡수, 요농축을 위한 countercurrent multiplication

① Descending limb: H₂O만 투과 가능, solute 투과 불가능

② Thin ascending limb: Solute만 투과 가능, H₂O 투과 불가능

③ Thick ascending limb: NKCC 등 수송체를 이용해 solute 투과 가능, H₂O 투과 불가능

(2) 관련 주요 물질

Na⁺	① Basolateral에서 Na⁺/K⁺ pump에 의해 세포 내부의 Na⁺↓ ② Apical에서 Na⁺/K⁺/2Cl^- channel(NKCC)를 통해 흡수
K⁺	① Na⁺가 흡수될 때 같은 방향으로 NKCC를 통해 흡수 ② K⁺ channel을 통해 다시 tubular lumen으로 분비 (K⁺ recycling)
Cl^-	Na⁺가 흡수될 때 같은 방향으로 NKCC를 통해 흡수
Ca²⁺/Mg²⁺	① Apical에서 K⁺가 분비되며 tubular lumen은 (+), 다른 곳은 (-) 전하를 띠게 됨 ② Electrical gradient에 따라 양이온인 Ca²⁺/Mg²⁺가 paracellular하게 interstitium으로 이동

(3) 관련 질환: Bartter's syndrome

① Thick ascending limb에 관여하는 수송체(NKCC 등)의 기능 상실

② 저혈량(Na⁺ 재흡수↓), hypoK/alkalosis(저혈량에 대한 aldosterone↑ 등), 요로결석(urine Ca²⁺↑)

(4) 관련 이뇨제: 고리이뇨제(loop diuretics - furosemide, torsemide 등)

① 원리: NKCC 억제 → Na⁺ 재흡수↓ → 이뇨 작용

② 부작용: HypoCa(NKCC 억제 → K⁺ 유입↓ → 다시 배출될 K⁺가 부족함 → electrical gradient 소실 → Ca²⁺ 이동 불가)

3) 원위 세뇨관(distal tubule, DT)

(1) 기능: Na⁺/Cl^-/Ca²⁺ 재흡수

(2) 관련 주요 물질

Na⁺

① Basolateral에서 Na⁺/K⁺ pump에 의해 세포 내부의 Na⁺↓

② Apical에서 Na⁺/Cl^- channel(NCC)를 통해 흡수

Cl^-

Na⁺가 흡수될 때 같은 방향으로 NCC를 통해 흡수

Ca²⁺

① Basolateral에서 Na⁺ gradient 따라 Ca²⁺ 배출 → 세포 내부의 Ca²⁺↓

② Apical에서 Ca²⁺ channel을 통해 흡수

(3) 관련 질환: Gitelman's syndrome

① NCC의 기능 상실

② HypoK/alkalosis(저혈량에 대한 aldosterone↑ 등), hyperCa(세포 내부 Na⁺↓ → Na⁺ gradient↑ → Ca²⁺ 재흡수↑)

(4) 관련 이뇨제: Thiazide

① 원리: NCC 억제 → Na⁺ 재흡수↓ → 이뇨 작용

② 부작용: HyperCa, hyperuricemia

4) 집합관(collecting duct, CD)

(1) 기능

① Principal cells: Na⁺ 재흡수/K⁺ 분비 조절(aldosterone), H₂O 재흡수 조절(ADH)

② Intercalated cells: 산-염기 평형 조절

• Type A: H⁺ 분비, HCO₃^- 재흡수 (acidosis가 있을 때 주된 형태)

• Type B: H⁺ 재흡수, HCO₃^- 분비 (alkalosis가 있을 때 주된 형태)

(2) 관련 주요 물질

Na⁺	① Basolateral에서 Na⁺/K⁺ pump에 의해 세포 내부의 Na⁺↓ ② Apical에서 Na⁺ channel(ENaC)를 통해 흡수 (aldosterone에 의해 항진)
K⁺	① Na⁺가 흡수되며 일시적으로 tubular lumen은 (-), 세포 내부는 (+) 전하를 띠게 됨 ② Electrical gradient에 따라 양이온인 K⁺가 분비됨 (aldosterone에 의해 항진) ③ 분비된 K⁺ 중 일부는 intercalated cell에서 H⁺와 교환되어 재흡수
H₂O	① Loop of Henle 이후로 H₂O는 흡수되지 못함 → lumen은 hypotonic, interstitium은 hypertonic ② H₂O channel(aquaporin)을 통해 흡수 (ADH에 의해 항진)
H⁺	① H₂O, CO₂가 CA에 의해 H₂CO₃로 합성 → H⁺ + HCO₃^-로 분리됨 ② Acidosis가 있을 때 type A intercalated cell의 apical 쪽에서 H⁺ pump를 통해 분비됨 ③ Alkalosis가 있을 때 type B intercalated cell의 basolateral 쪽에서 H⁺ pump를 통해 재흡수됨
HCO₃^-	① H₂O, CO₂가 CA에 의해 H₂CO₃로 합성 → H⁺ + HCO₃^-로 분리됨 ② Acidosis가 있을 때 type A intercalated cell의 basolateral 쪽에서 Cl^-과 교환되어 재흡수됨 ③ Alkalosis가 있을 때 type B intercalated cell의 apical 쪽에서 Cl^-가 교환되어 분비됨

(3) 관련 질환: Liddle’s syndrome

① Principal cell의 ENaC의 과활성화

② HTN(Na⁺ 흡수↑ → 혈장량↑), hypoK(Na⁺ 흡수↑ → electrical gradient↑ → K⁺ 분비↑), alkalosis(K⁺ 분비↑ → H⁺/K⁺ 교환↑ → H⁺ 분비↑)

(4) 관련 이뇨제

① Spironolactone: Aldosterone 억제 → Na⁺ 재흡수↓, K⁺ 분비↓ → 이뇨 작용, K⁺-sparing 효과

② Amiloride, triamterene: ENaC 억제 → Na⁺ 재흡수↓, K⁺ 분비↓ → 이뇨 작용, K⁺-sparing 효과

5. 이뇨제(diuretics)

이뇨제	작용 부위	원리	부작용
Acetazolamide	PT	CA 억제 → Na⁺/H⁺ 교환↓ → Na⁺ 재흡수↓	Renal tubular acidosis
Loop diruetics	LoH	NKCC 억제 → Na⁺ 재흡수↓	HypoCa (+ hypoK, alkalosis)
Thiazide	DT	NCC 억제 → Na⁺ 재흡수↓	HyperCa (+ hypoK, alkalosis)
Spironolactone	CD	Aldosterone 억제 → Na⁺ 재흡수↓	HyperK
Amiloride	CD	ENaC 억제 → Na⁺ 재흡수↓	HyperK

신장 생리 정리
물질	PT	LoH	DT	CD
H₂O	재흡수			재흡수
Na⁺	재흡수	재흡수	재흡수	재흡수
K⁺		재흡수/분비		분비
Cl^-	재흡수	재흡수	재흡수
H⁺	분비			재흡수/분비
HCO₃^-	재흡수			재흡수/분비
Ca²⁺	재흡수	재흡수	재흡수
Phosphate	재흡수
Glucose	재흡수

Harrison 22e, pp.2363-2372