第六章　肾脏酸化功能

第一节　肾脏对HCO₃-的重吸收及其调节

血液中的HCO₃-可经由肾小球自由滤入肾小囊，滤过液中HCO₃-的浓度与血浆中水平接近（～25mEq/L）[1]。由肾小球滤过的HCO₃-有80%在近端肾小管被重吸收，15%～20%的重吸收发生于髓袢升支粗段，余下约5%在远端肾单位（主要是远曲小管）及集合管等部位重吸收[2,3]。因此，正常情况下终尿中是没有HCO₃-排出的。尿中出现HCO₃-则可被认为是近端肾小管HCO₃-重吸收功能发生障碍的标志[1]。对于一个肾小球滤过率为100ml/min的个体而言，每日滤过和重吸收的HCO₃-总量约为2 500mEq。

一、近端肾小管对HCO₃-的重吸收及其调节

HCO₃-重吸收最重要部位是近端肾小管。近端肾小管由近曲小管（包括S1和S2段）和近直小管（S3段）两部分组成，近曲小管对溶质和水的重吸收率高于近直小管[4]。同时，近端肾小管的前半段对HCO₃-的重吸收率较后半段高，S1节段的重吸收速率最快。

近端肾小管对HCO₃-不能够通透。在近端肾小管管腔内，滤出的HCO₃-与近端肾小管上皮细胞分泌出的H+结合生成H₂CO₃[5]。近端肾小管上皮细胞刷状缘锚定的碳酸酐酶Ⅳ（CA Ⅳ）与碳酸酐酶ⅩⅣ可将H₂CO₃进一步催化分解为H₂O和CO₂[5]。CO₂可经由顶端膜（也称为管腔侧膜）表达的水通道蛋白1（AQP1）自由进入细胞内，在胞质内碳酸酐酶Ⅱ的催化下水化并分解为H+和HCO₃-[5]。细胞内的H+则可通过顶端膜的Na+/H+交换子3（NHE3）和囊泡型H+-ATP酶（vH+-ATPase）被分泌入小管腔，并继续结合小管液中的HCO₃-；胞内HCO₃-可通过近端肾小管上皮细胞基底膜的Na+-3HCO₃-共转运子e1（NBCe1，或SLC4A4）被转运到管周组织间区域[5]。近端肾小管HCO₃-重吸收的功能缺陷是近端肾小管酸中毒（pRTA，也称2型肾小管酸中毒）重要原因。已有研究发现，因碳酸酐酶Ⅱ、NHE3、NBCe1、vH+-ATPase的基因敲除或缺陷能够导致小鼠和人HCO₃-重吸收功能障碍，进而引起遗传性的pRTA[1,6]。此外，对NBCe2（SLC4A5）的研究发现，其在近端小管和集合管上皮细胞的顶端面有表达，并且为高盐所诱导；其水平的下降能显著降低HCO₃-在近端小管的重吸收，提示其在近端肾小管和集合管HCO₃-重吸收中的重要作用[7]。

近端肾小管HCO₃-的重吸收受到尿流速率、细胞外液体量、机体酸碱平衡状态（如管腔内HCO₃-浓度、小管周围的HCO₃-浓度、CO₂分压等）、电解质水平（如Cl-、K+、Ca2+、磷酸根等）、激素（如血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）、内皮素（ET）、糖皮质激素、肾上腺素、甲状旁腺素等）等因素调节[6]（图1-6-1-1）。

（一）CO₂进入近端肾小管上皮细胞以及胞内HCO₃-的生成

CO₂进入近端肾小管细胞与胞内产生HCO₃-的过程涉及CO₂与HCO₃-的相互转化（H++HCO₃-⇔H₂CO₃⇔CO₂+H₂O），该过程需要碳酸酐酶参与[2]。碳酸酐酶是一种包含Zn2+的金属蛋白酶。CA家族有15种亚型，各亚型的动力学特征、对抑制剂的敏感性、组织特异性分布以及细胞内定位不同，分别参与到多种重要生理过程[7]。碳酸酐酶催化CO₂向HCO₃-的反应包含两个步骤：首先，CO₂与位于Zn2+的第4配体位的OH-结合，从而合成HCO₃-，当第4配体位被H₂O占据时，HCO₃-则扩散入胞质；其后，H₂O的一个H+将被转移到某个邻近的组氨酸残基，并在该配体位上重新生成OH-，而其他缓冲物质最终会将组氨酸残基上的H+转移。HCO₃-向CO₂转化则是上述过程的相反过程[2]。

在肾脏，大于95%的碳酸酐酶活性来自定位于胞质的碳酸酐酶Ⅱ[8]。在非啮齿类（人类、兔、牛等），其余5%的碳酸酐酶活性来自碳酸酐酶Ⅳ和Ⅻ；在啮齿类，除碳酸酐酶Ⅳ和Ⅻ外，碳酸酐酶ⅩⅣ与ⅩⅤ也在肾脏表达[7]。此外，在肾肿瘤组织中有碳酸酐酶Ⅸ的表达[7]。在人类，肾脏碳酸酐酶亚型以碳酸酐酶Ⅱ和碳酸酐酶Ⅳ为主[8]。碳酸酐酶Ⅱ的编码基因CA2定位于人类染色体8q22，其蛋白产物包含259个氨基酸，分子量29kDa，定位于多种组织的胞质内。在肾脏，碳酸酐酶Ⅱ定位于近端肾小管、髓袢降支细段、髓袢升支粗段、皮质集合管的闰细胞、外髓集合管与内髓集合管[8]。碳酸酐酶Ⅳ编码基因CA4定位于人类染色体17q23，其蛋白产物包含312个氨基酸，分子量接近35kDa，作为一种磷脂酰基（GPI）锚定蛋白定位于多种组织的细胞膜。在肾脏，碳酸酐酶Ⅳ表达于近端肾小管（顶膜刷状缘及基底膜）、远端肾小管、外髓与内髓集合管、皮质集合管的闰细胞[8]。碳酸酐酶Ⅱ和Ⅳ均具有较其他碳酸酐酶更高的酶活性[8]。

滤过液中的HCO₃-与近端肾小管上皮细胞分泌的H+结合，管腔内生成的H₂CO₃在细胞顶端膜刷状缘锚定的碳酸酐酶Ⅳ作用下进一步水解为CO₂和H₂O[8]。尽管碳酸酐酶Ⅳ的酶活性高，但其基因敲除的个体并未发生显著的缺陷表型；在人类，其基因突变也未引起显著的尿酸碱度改变[8]。CO₂被发现能够通过AQP1快速穿过细胞膜并迅速引起胞质酸化。胞内pH的下降又可通过消耗能量的pH动态调节机制快速回复至正常水平[5]。尽管细胞质膜本身对于CO₂几乎没有通透性，但CO₂可通过表达于近端肾小管顶端膜的AQP1四聚体形成的水通道进行跨膜快速转运[5]。敲除AQP1基因则会引起小鼠HCO₃-重吸收的严重缺陷[5]。进入细胞的CO₂在碳酸酐酶Ⅱ的催化下与H₂O结合生成H₂CO₃，H₂CO₃进一步水解为H+与HCO₃-[5]。人类碳酸酐酶Ⅱ的基因突变将导致遗传性的pRTA[6]。

碳酸酐酶与多种转运体在近端肾小管上皮细胞存在共定位和相互作用，从而可能影响彼此的功能[8]。例如，NHE3泌出的H+在小管腔内形成的H₂CO₃需要在刷状缘碳酸酐酶Ⅳ的催化方可生成CO₂，而NHE3蛋白可能存在碳酸酐酶Ⅱ的结合域，但目前碳酸酐酶Ⅱ和Ⅳ对NHE3的影响仍不清楚；碳酸酐酶Ⅱ虽可能在顶端膜与阴离子交换蛋白SLC26A6相互作用，但其产生的作用仍未知；在基底膜，碳酸酐酶Ⅱ与NBCe1的结合可为NBCe1提供转运底物；基底膜定位的碳酸酐酶可能与基底膜的NBCe1相互作用，从而增加HCO₃-经基底侧膜的外排[8]。

（二）近端小管上皮细胞管腔侧的H+分泌

胞质内的H+主要依赖近端肾小管顶端膜定位的NHE3和囊泡型H+-ATP酶（vH+-ATPase）分泌进入小管腔。NHE3通过Na+/H+交换参与H+分泌，其作用约占50%～60%，所需能量来自基底膜的Na+-K+-ATP酶（Na+-K+-ATPase）产生的胞内外Na+浓度差（胞外140mmol/L，胞内10～ 20mmol/L）。vH+-ATPase的泌H+作用约占40%[3]。

NHEs是一组参与调节细胞内pH、细胞容积和跨上皮离子转运的重要跨膜转运体，能够催化Na+和H+比例为1∶1的电中性交换[9]。已知哺乳动物NHEs至少有9种亚型，各亚型均具有类似的拓扑结构：其N末端为负责离子交换的12次跨膜α螺旋，C末端为具有调节功能的胞质区——当C末端被磷酸化或与调节蛋白结合时，可影响跨膜区对胞内H+的亲和力[9]。同时，NHE各亚型的组织定位、对抑制剂的敏感性、转录水平调节与转录后水平调节不同，因而功能各异[9]。其中，NHE1～NHE5是质膜型，NHE6～NHE9是膜内型[9]。质膜型NHEs能够在细胞内外溶质浓度差下，以胞外的Na+交换胞内的H+；胞内型NHEs的功能尚不完全清楚，有可能定位于胞内细胞器膜组分，转运H+入膜内腔并交换Na+进入细胞质，从而使细胞器膜内腔酸化[9]。在近端肾小管，NHE1～NHE4及胞内型NHEs均有表达[9]。

NHE3的编码基因SLC9A3定位于人类染色体5p15.3，产物包含834个氨基酸，分子量约为93kDa。NHE3特异性定位于近端肾小管上皮细胞和髓袢升支粗段肾小管上皮细胞的顶端膜，是成年个体顶端膜刷状缘表达最高的亚型[9]。NHE3不仅是负责近端小管Na+/H+交换的首要亚型，还能够参与近端小管Ca2+的重吸收，具有调节水、Na+、HCO₃-、Ca2+重吸收和酸碱平衡的重要功能，对血压维持非常重要[9,10]。微灌注研究显示NHE3单基因敲除小鼠的近端肾小管HCO₃-的重吸收显著减少，发生pRTA[6]。同时，小鼠发生低血容量、低血压和轻微的代谢性酸中毒[9]。人类的遗传性和后天获得性高血压都被发现与NHE3的活性增强有关，NHE3基因的多态性或突变也被发现与原发性高血压关联[4]。

鉴于NHE3在水盐、HCO₃-重吸收中的重要作用，NHE3活性的微小改变即可引起显著后果。NHE3在机体内可直接或间接地受到多种激动剂和生理环境因素的影响[4,10]。其中一些影响因素可通过转录水平激活的方式缓慢地调节NHE3；另一些因素则可通过磷酸化修饰、干预膜回收利用过程（胞吞、胞吐、循环再利用）、影响其膜定位（脂筏、微绒毛-绒毛间隙）和蛋白-蛋白/蛋白-脂质相互作用等机制快速调节NHE3活性[10]。例如，NHE3编码基因SLC9A3的5’启动子区包含顺式作用序列，包括糖皮质激素和甲状腺素的反应元件[10]。糖皮质激素、甲状腺素、胰岛素均可提高NHE3的转录水平，增加NHE3的总量和膜上蛋白量，但其蛋白的转录后水平的调节及机制尚不清楚[10]。NHE3的N末端可结合阳离子，C末端含有PKA与PKC的磷酸化位点，因此胞内cAMP水平增高或者PKA激活可抑制NHE3的活性[10]。NHE3不仅表达于近端肾小管上皮细胞的刷状缘微绒毛，也在顶端膜旁、细胞内与囊泡组分被检测到，提示可通过调节其胞内转运过程影响其活性[4,10]。目前已知，NHE3与ezrin的直接或间接结合是其胞内转运的必需条件；NHE调节因子-1（NERHF-1）能够使NHE3与ezrin和细胞骨架相连，同时NERHF-1的活性受到RhoGTPase的调节[4]。85%的NHE3都定位于肾脏细胞膜的脂筏，破坏脂筏结构可影响NHE3的功能[4]。NHE3的活性还受到同在顶端膜的促进HCO₃-分泌的SLC26A6（PAT1、CFEX）转运体的影响。也发现纵向小管液的流速改变可被刷状缘微绒毛感知并进而调节NHE3。除以上因素外，α-肾上腺素、腺苷、醛固酮、Ang Ⅱ、ATP缺乏、心房钠尿肽、多巴胺、ET、渗透压改变、长链脂肪酸、甲状旁腺素、细菌内毒素、一氧化氮、喹巴因、PIP3等因素均可能参与调节NHE3功能[4,10]。

与NHE3不同，NHE1的组织定位广泛，表达于大多数肾小管（包括近端肾小管）上皮细胞的基底侧面，发挥包括维持细胞内pH值和细胞容量的管家基因功能[9]。NHE2与NHE3一样定位于近端肾小管与髓袢升支粗段上皮细胞的顶端膜，但对近端肾小管的HCO₃-重吸收方面未见显著影响[9]。NHE4主要在胃部表达，也表达于近端肾小管上皮细胞的基底侧，其表达水平略低于NHE1[9]。胞内型NHEs（NHE6、NHE7、NHE9）定位于内涵体和高尔基体，其功能尚不清楚[9]。NHE8在COS-7或Hela细胞中被表达时定位于高尔基体，在成年个体体内多定位于细胞质内，而在近端肾小管的S1～S3段亦定位于细胞顶端膜，因而推测其可能具有类似NHE3的功能[9]。研究发现NHE3/NHE8双基因敲除小鼠具有较NHE3单基因敲除小鼠更严重的酸中毒，进一步证明NHE8可能具有与NHE3类似的泌H+功能[9]。反之，也有研究发现NHE3单基因敲除小鼠近端小管残余的HCO₃-重吸收对阿米洛利拟似物ethylisopropylamiloride（EIPA）不敏感，而NHE8对阿米洛利是敏感的，因此不支持上述推论[9]。

研究发现，在近端肾小管重吸收的HCO₃-中约有40%是不依赖于Na+的交换，而对vH+-ATPase的抑制剂巴弗洛霉素（bafilomycin）及N-ethylmaleimide（NEM）敏感，因此推测这部分重吸收功能受在刷状缘质膜定位的vH+-ATPase的调节[3]。vH+-ATPase属于ATP酶（ATPases）超家族。其分子结构包括两个主要结构域——一个定位于胞质内的催化区V1（640kDa）和一个膜结合区V0（240kDa）[3]。V1区负责催化水解ATP，V0区参与H+运输[3]。特异性表达于肾脏的vH+-ATPase亚基有B1（ATP6V1B1）、a4（ATP6V0A4）、G3（ATP6V0D2）、C2（ATP6V1C2）和d2（ATP6V0D2）亚基构成，其中B1亚基构成V1区，a4亚基构成V0区[3]。几乎所有肾小管节段都有vH+-ATPase的表达，vH+-ATPase不仅能够定位于胞内的细胞器，也锚钉在多种肾脏细胞的质膜上，在维持细胞内和亚细胞器内的pH时均具有重要作用，尤其对远端小管泌H+过程起主要调节作用（见下节）[3]。在近端肾小管上皮细胞，vH+-ATPase定位于顶端膜刷状缘微绒毛的根部与微绒毛区的内涵体[3]。在人类近端肾小管和远曲小管，仅在刷状缘和顶端膜旁检测到a4亚基[3]。但目前没有证据表明ATP6V0A4基因突变可导致远端肾小管酸中毒（dRTA，1型肾小管酸中毒）[3]，因此vH+-ATPase在近端肾小管的功能仍有待进一步研究。

已知多种激素与体内环境因素能够调节vH+-ATPase的表达和功能[3]。例如，急性的AngⅡ水平增高能够促进近端肾小管vH+-ATPase的活性，长期AngⅡ水平增高可促进vH+-ATPase的表达上调；机体发生代谢性酸中毒时，近端肾小管上皮刷状缘的vH+-ATPase的活性增强。研究也表明，CO₂水平升高促进兔近端肾小管通过胞吐作用将vH+-ATPase表达于质膜表面；慢性高碳酸血症可增加近端肾小管vH+-ATPase的活性；低钾血症可引起定位于近端肾小管上皮细胞膜表面的vH+-ATPase增加，活性增强；vH+-ATPase与NHE3一样可被轴向小管液流速度的改变所调节[3]。

（三）近端小管上皮细胞基底侧的HCO₃-重吸收

由碳酸酐酶Ⅱ催化生成的HCO₃-，可通过近端肾小管上皮基底膜的肾型生电性NBCe1（NBCe1-A）被转运到组织间隙。编码NBCe1-A蛋白的基因SLC4A4属于可溶性载体4（SLC4）基因家族，在基底膜的HCO₃-重吸收中发挥约80%的功能[11]。

SLC4家族包括10个成员（SLC4A1～5；SLC4A7～11），除SLC4A9编码产物AE4外均能够转运HCO₃-（或CO₂）[11]。10个成员除去AE4（SLC4A9）与BTR1（SLC4A11）具体功能未知外，其余可以分为三类：① Cl-/HCO₃-交换子（AE1～3）；② Na+/HCO₃-共转运体（生电性：NBCe1、NBCe2；电中性：NBCn1、NBCn2）；③ Na+驱动的Cl-/HCO₃-交换子（NDCBE）[11]。SLC4家族所有成员都具有一个很长的胞内亲水N末端和一个较短的胞内亲水C末端，晶体结构分析显示其N末端以二聚体形式存在[11]。两末端之间为10～14次跨膜结构，目前对于跨膜区1～5的氨基酸残基序列比较明确，其他部分则不清楚[11]。SLC4家族成员可被二磺酸茋类衍生化合物（如DIDS）抑制[11]。SLC4家族成员均参与调节各种形式的酸碱平衡[11]。

生电性的NBCe1-A由SLC4A4编码，定位于人类染色体4p21，编码产物包含1 035个氨基酸残基，分子量约130kDa，其结构包含10个跨膜区域和两个胞质内末端。NBCe1-A的跨膜区5与6间的较长的胞外环被证实为蛋白的糖基化位点。此外，NBCe1-A在这个环区具有其他家族成员所不具备的4个极其保守的半胱氨酸残基[11,12]。NBCe1-A主要定位于近端肾小管S1和S2段的基底膜，少量表达于髓袢升支粗段上皮细胞，并在角膜上皮和十二指肠上皮表达[11,12]。此外，NBCe1还有两种主要的mRNA剪切变异体翻译产物，分别为首次在胰腺和心脏克隆的NBCe1-B，以及首次在脑克隆的NBCe1-C。NBCe1-B虽然主要高表达于胰腺，在肾脏也有低水平表达。三种剪切体中，NBCe1-A的活性最高，NBCe1-B/C的活性仅约为NBCe1-A活性的20%～30%[11]。研究者发现，在近端肾小管细胞，NBCe1-A和NBCe1-B以Na+∶HCO₃-为1∶3的比例重吸收HCO₃-；而在集合管细胞和其他组织，此比例为1∶2[11]。因此，研究者推测近端肾小管存在独特的成分使转运比例保持在1∶3[11]。NBCe1基因敲除小鼠会发生严重的代谢性酸中毒，血pH值和HCO₃-的水平非常低[11]。目前，研究发现自然界的NBCe1基因至少存在12种突变，每一种都能够导致严重和持续的pRTA，动脉血pH低至7.1，且通常为常染色体隐性遗传[11]。

目前已知部分激素与体内环境因素能够调节近端肾小管上皮细胞NBCe1的表达和功能[11-13]。例如，机体的酸碱水平紊乱能够引起NBCe1的适应性反应[13]。体外近端肾小管灌注试验显示代谢性酸中毒可上调NBCe1表达，代谢性碱中毒可抑制NBCe1[13]。体内试验中，给予大鼠HCO₃-负荷时，近端肾小管的NBCe1表达水平下降；而在代谢性酸中毒或碱中毒模型中，近端肾小管NBCe1的表达水平不变，而其活性可能发生改变[13]。对兔的呼吸性酸/碱中毒模型的研究提示呼吸性酸/碱中毒可能影响近端肾小管NBCe1的功能[13]。也发现K+元素剥夺能够增加近端肾小管NBCe1的活性；cAMP可抑制近端肾小管的NBCe1；糖皮质激素能够增加兔近端肾小管NBCe1的表达与活性；AngⅡ能够增加兔近端肾小管的NBCe1的表达；甲状旁腺素能够通过PKA、cAMP通路抑制近端肾小管的NBCe1[13]。此外，肾交感神经也有可能增强近端肾小管NBCe1的活性[13]。

（四）调节近端肾小管HCO₃-重吸收的酸碱感受（Acid-base sensing）机制

肾脏上皮细胞如何感受酸碱变化，并继而引发其维持稳态的应答反应是肾脏生理学中尚未被完全阐明的问题。已有证据显示，pH、CO₂、HCO₃-、vH+-ATPase、酪氨酸激酶（Pyk2、ErbB1/2）等可能作为近端肾小管的酸碱感受器，进而影响该节段对HCO₃-的重吸收[1]。

近端肾小管上皮细胞胞内低pH值情况下，NHE3会被Pyk2间接激活[1]。Pyk2是一种可自身磷酸化的酪氨酸激酶。正常生理状态下，当pH从7.4降至7.0时，Pyk2的磷酸化与激酶活性均达最大化，并激活NHE3。该激活过程同样依赖于与Pyk2形成复合物的c-Src。细胞内pH降低也可以通过激活ErbB1/2和c-fos，进而激活NHE3。这两条平行通路均可参与上调ET受体的转录，继而通过激活ETB受体引发RhoA依赖的细胞骨架改变，从而增加NHE3在胞膜表面的聚集。

近端肾小管上皮基底面的pH、CO₂、HCO₃-浓度对于HCO₃-重吸收的影响不同：基底面的pH不影响HCO₃-重吸收；基底面CO₂浓度增高时，HCO₃-重吸收增加；基底面HCO₃-浓度增高时，HCO₃-重吸收减少[1]。上述调节过程依赖定位于基底膜的ErbB1/2异二聚体的受体型酪氨酸激酶活性。此外，对CO₂的感受还需要受体蛋白酪氨酸磷酸酶-γ的参与，其胞外结合域与碳酸酐酶的同源性很高。也发现AngⅡ受体AT1A对兔近端肾小管S2段CO₂诱发的HCO₃-重吸收是必需的。

可溶性腺苷酸环化酶（sAC）可被HCO₃-激活，并产生独立于经典跨膜AC通路的cAMP应答，因而可作为胞内HCO₃-浓度的感受器[1]。由于CO₂可在细胞内碳酸酐酶催化下产生HCO₃-，sAC也可作为CO₂的感受器。sAC能够调节cAMP依赖的生物学过程，包括vH+-ATPase感受到胞外HCO₃-后在细胞表面的聚集，也有可能直接影响其酶活性。

定位于内涵体的vH+-ATPase在近端肾小管上皮细胞发挥pH感受器的作用[1]。vH+-ATPase依赖的内涵体酸化功能的抑制可能导致上皮功能紊乱，因为内涵体等细胞器内的pH值的改变会导致其中蛋白功能的改变，最终破坏囊泡运输功能。例如，依赖于酸化而产生的vH+-ATPase与小GTPases的相互作用对于早期与晚期内涵体间的蛋白运输至关重要。

酸中毒可激活近端肾小管的代谢过程，通过一系列参与谷氨酰胺分解代谢的酶和转运体的表达上调，进而导致HCO₃-与NH₄+合成与运输的增加[1]。这一过程中涉及的酶和转运体包括SNAT3谷氨酰胺转运体、谷氨酰胺酶、谷氨酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶。此过程部分与mRNA的稳定性增强和转录水平增高有关。此外，一些蛋白自身的功能会直接受到酸碱度的影响[1]。例如TASK2钾通道可被基底侧的HCO₃-激活，并进而维持该处膜电位的稳定。TASK2钾通道对于近端肾小管的HCO₃-重吸收非常重要，基因敲除后可引起小鼠的代谢性酸中毒，血HCO₃-水平降低。

二、髓袢对HCO₃-的重吸收及其调节

未被近端肾小管重吸收的占滤过总量15%～20%的HCO₃-在髓袢升支粗段被重吸收[5]。髓袢升支粗段HCO₃-重吸收的基本过程与近端肾小管重吸收的基本过程相似。在此部位，胞内的H+主要依靠NHE3分泌入管腔，与流经髓袢升支粗段的HCO₃-相结合，转变为CO₂，被上皮细胞重吸收[5]。除NHE3外，NHE2也在髓袢升支粗段的顶端膜表达，参与泌H+[14]。当髓袢内的HCO₃-负荷过高时，NHE2对NHE3的功能起到重要的补充和代偿作用[14]。NHE3发挥功能依赖于NHE1；表达于基底膜的NHE1与NHE3发生相互作用参与髓袢对于HCO₃-重吸收功能的慢性调节[15]。此外，vH+-ATPase也在此部位参与泌H+（如图1-6-1-2）。

在髓袢升支粗段上皮细胞的基底侧，HCO₃-向组织间隙的跨膜转运依赖于电中性的NBCn1、AE2以及K+/HCO₃-共转运过程[11,12]。NBCn1由SLC4A7编码，是一种电中性的Na+/HCO₃-共转运体，定位于人类染色体3p24，编码产物包含1 214个氨基酸残基，分子量约130kDa。由于结构缺乏DIDS接触结构域，其对DIDS不敏感[11]。NBCn1表达组织广泛，在肾脏表达于髓袢升支粗段和内髓集合管[11]。NBCn1的蛋白水平在代谢性酸中毒时上调，而在代谢性碱中毒时下调[12]。NBCn1敲除小鼠感受器发育障碍，同时有轻微高血压，肾脏对酸负荷缺乏应对反应[11]。在人类，NBCn1编码基因SLC4A7的多态性位点被报道与高血压性状关联[12]。AE2是SLC4家族的Cl-/HCO₃-交换子之一，由SLC4A2编码，定位于人类染色体7q35-36，编码产物包含1 241个氨基酸残基，分子量约137kDa。AE2是表达最为广泛的AE，在肾脏表达主要表达于集合管，在髓袢升支粗段也有表达[11,12]。K+/HCO₃-共转运过程的机制尚不完全清楚[16]。目前有证据提示，HCO₃-可能取代基底膜K+/Cl-共转运体转运的Cl-，与K+一起离开细胞。该过程可受到管周高K+浓度或Ba2+浓度的抑制[16]。

总体而言，HCO₃-在髓袢升支粗段的重吸收过程可被醛固酮、AngⅡ、血管升压素以及晶体渗透压急性调节[17]。慢性代谢性酸中毒可增加髓袢升支粗段对HCO₃-的重吸收[17]。慢性Cl-剥夺造成代谢性碱中毒可降低该部位对HCO₃-的重吸收[17]。

三、远曲小管、集合管对HCO₃-的重吸收及其调节

肾小球滤过的HCO₃-余下约5%在远端肾单位重吸收，主要发生在远曲小管[2]，此外在集合管部位也有部分被重吸收。

在远曲小管所发生的重吸收过程与近端小管类似，同样通过NHE3分泌H+，并且依赖于NHE1的存在[2]。NHE2在远端肾小管的顶端膜表达，当流经小管腔的HCO₃-负荷过高时，NHE2足以代偿NHE3的功能，对HCO₃-的重吸收起主要作用[2]。此外，远曲小管表达vH+-ATPase与H+/K+-ATPase，可分泌H+[2]。在远曲小管上皮细胞的基底侧，HCO₃-向组织间隙的跨膜转运主要依赖于AE1交换子[2]。AE1是SLC4家族的Cl-/HCO₃-交换子之一，由SLC4A1编码，定位于人类染色体17q21-22，编码产物包含911个氨基酸残基，分子量约102kDa。AE1编码基因SLC4A1突变可导致远端肾小管酸中毒（dRTA，1型肾小管酸中毒）[2]。远曲小管对HCO₃-的重吸收可能受到碳酸酐酶、K剥夺、Ang Ⅱ与血管升压素等因素调节[18]。HCO₃-/Cl-交换子Pendrin（SLC26A4，PDS）蛋白定位于肾脏皮质集合管与连接管的B型闰细胞的顶膜，能够调节HCO₃-分泌与Cl-重吸收过程，因而被认为在酸碱、电解质平衡中具有重要作用[19]。PDS基因失活性突变的人类在基础状态下未表现出显著异常，但在有其他疾病并发时患者可出现严重的代谢性碱中毒[19]。

（孔晓牧　张晓燕　管又飞）

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第二节　肾脏HCO₃-的产生与调节

肾脏对体内HCO₃-含量的调节以及酸碱平衡的维持有非常重要的作用。肾脏除了可以重吸收HCO₃-，还可以新产生HCO₃-。肾脏在产生NH₄+及排出可滴定酸的同时生成HCO₃-。正常情况下，约有1/3至1/2新生成的HCO-与可滴定酸的分泌相关；剩余的1/2至2/3新生成的HCO-与NH+₃₃₄的产生与分泌相关。当体内酸的含量增加时，肾脏分泌可滴定酸的能力增加比较有限，然而分泌NH₄+的能力大大增加[1]。

一、肾脏NH₄+的产生与HCO₃-的新生

肾脏产生NH₄+的主要部位在近端小管。肾脏近端小管上皮细胞内的谷氨酰胺在谷氨酰胺酶（glutaminase）的作用下生成谷氨酸根和NH₄+；谷氨酸根在谷氨酸脱氢酶（glutamate dehydrogenase）的作用下生成α-酮戊二酸和NH₄+；α-酮戊二酸将被转化为葡萄糖并代谢用去2个H+，同时生成2分子HCO₃-。正常情况下，生成的NH₄+既可以分泌至小管液中，也可进入血液循环中。酸中毒时，大部分的NH₄+分泌至小管液中[1]。NH₄+通过Na+/H+（NH₄+）交换子（NHE3）分泌至小管液中，也可以NH₃的形式从顶端膜扩散进入小管液；生成的HCO₃-通过Na+-3HCO₃-共转运子（NBC）通过基底膜进入到组织液中（图1-6-2-1）。这个过程中，谷氨酰胺的摄取，谷氨酰胺酶、谷氨酸脱氢酶，以及将α-酮戊二酸转变为葡萄糖的关键酶——磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）都发挥了重要的作用。

正常情况下，肾脏很少摄取并代谢血浆中的谷氨酰胺。机体处于酸碱平衡时，血浆中约有20%的谷氨酰胺通过肾小球滤过膜进入到肾单位的管腔中，滤过的谷氨酰胺主要通过近端小管上皮细胞被重吸收[2]。急性酸中毒发生后的1～3小时，由于肌肉释放的谷氨酰胺增多，血浆中的谷氨酰胺浓度增加至两倍以上。这种情况下，肾脏可以摄取血浆中30%的谷氨酰胺。而此时，肾脏摄取的谷氨酰胺量已经超过了从肾小球滤过的量，所以肾脏的近端小管既从管腔面，也从基底面摄取谷氨酰胺。在慢性酸中毒时，血浆中谷氨酰胺浓度降至正常的70%，在这种情况下，血浆中仍有超过1/3的谷氨酰胺被肾脏摄取并代谢[2]。酸中毒时近端小管增加谷氨酰胺摄取的同时伴随的HCO₃-生成和吸收有助于维持机体内环境的酸碱平衡。肾脏中介导谷氨酰胺转运的转运子还有待确定。目前发现，SNAT3（SN1）可介导Na+依赖的谷氨酰胺转运，SNAT3在近端小管基底膜上有表达[3]，提示其介导了近端小管从血液中摄取谷氨酰胺。酸中毒、低钾血症以及高蛋白饮食可增加SNAT3的表达[4]。在近端小管上皮细胞的顶端面，Na+依赖中性氨基酸装运子B0AT1和B0AT3有表达，提示它们可能介导了近端小管从小管液中摄取谷氨酰胺[5]。

在近端小管，当发生代谢性酸中毒时，谷氨酰胺酶mRNA的稳定性增加，导致其表达增加，从而增加NH₄+的生成和HCO₃-的新生。谷氨酰胺酶mRNA的3’-UTR区包含pH反应元件。正常情况下，ζ-cryst（ζ-crystallin/NADPH:quinone reductase）和AUF1（AU-factor 1）与谷氨酰胺酶mRNA的pH反应元件相结合，它们可招募脱腺苷酶（deadenylase）使mRNA被降解。pH值降低时，ζ-cryst与pH反应元件的结合减弱，一种稳定mRNA结构的蛋白HuR从细胞核中转至胞质与谷氨酰胺酶mRNA的pH反应元件相结合，从而增加其mRNA的稳定性[6]。谷氨酸脱氢酶也以相似的机制被血浆pH值所调节[6]。高胰岛素血症-高氨血症综合征是一种由于谷氨酸脱氢酶突变导致其活性持续增加的遗传性疾病，肾脏产生的NH₄+增多是这种病人存在高氨血症的主要原因[7]。酸中毒可通过增加PCK1的转录引起PEPCK表达的显著增加。并且在PEPCK的mRNA的3’-UTR区也发现了pH反应元件，提示酸中毒也可以通过增加PEPCK mRNA的稳定性从而增加其表达[6]。除此之外，近端小管的Na+/H+（NH₄+）交换子（NHE3）的活性和表达量均增加，从而增加了NH₄+的分泌；Na+-3HCO₃-共转运子的表达也增加，从而增加了HCO₃-的吸收。

激素也可调节近端小管NH₄+的生成、排泄以及HCO₃-的生成。酸中毒时，机体中糖皮质激素的含量增加，糖皮质激素可增加Na+-3HCO₃-共转运子的表达，并且增加Na+-3HCO₃-共转运子和NHE3的活性，从而增加HCO₃-的吸收，这与糖皮质激素相关的代谢性碱中毒有关[8]。Ang Ⅱ可增加NHE3的活性，从而增加NH₄+的分泌。甲状旁腺素可以通过cAMP-PKA信号通路抑制NHE3的活性。

二、肾脏可滴定酸的排出与HCO₃-的新生

肾脏排出的可滴定酸主要为磷酸，此外肌酐对可滴定酸的形成也有一小部分的贡献。在近端小管，H+的分泌可使小管液的pH降低，使HPO₄2-结合H+转变为H₂PO₄-。此时，肾小管分泌的H+多于重吸收HCO₃-所需要分泌的H+，每形成1分子的H₂PO₄-，肾小管上皮细胞会形成1分子HCO₃-。这个过程中，小管液的pH是主要的调节因素，但当磷酸盐的缓冲能力达到最大值，小管液的pH进一步降低时，则不能进一步增加尿液中可滴定酸的量（除非小管液中有酮体阴离子存在）。所以，可滴定酸的形成对于肾脏酸碱调节能力的贡献是有限的。当小管液中有酮体存在时，酮体可贡献一部分的可滴定酸，当糖尿病酮症酸中毒时，β-羟基丁酸是尿液中可滴定酸的主要成分。

（王春炅　张晓燕　管又飞）

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第三节　肾脏对机体酸碱平衡的调节

机体内环境必须在适宜的酸碱度下才能维持正常的代谢和生理功能。正常生理情况下，机体摄入以及代谢过程中不断产生的酸性或碱性物质，依靠体内的缓冲系统和调节功能自动维持酸碱度的相对稳定，表现为动脉血pH保持在7.35～7.45这个较窄的正常范围，称为酸碱平衡。病理情况下，因酸碱超负荷、严重不足和/或调节机制障碍，导致体内酸碱稳态破坏，称为酸碱失衡。

一、机体酸碱物质的来源

人体内的酸性物质主要来自细胞的分解代谢。糖、脂肪、蛋白质氧化代谢的最终产物是CO₂和H₂O，在碳酸酐酶（CA）的作用下进行可逆的结合反应，产生大量H₂CO₃。H₂CO₃可释放H+，也可形成气体CO₂，从肺排出体外，称为挥发酸。而乳酸、丙酮酸、β-羟丁酸、乙酰乙酸、硫酸、磷酸、尿酸等物质代谢的中间产物，不能以气体形式呼出，只能通过肾脏由尿液排出，称为固定酸。摄入酸性食物（如乙酸）或是服用酸性药物（如水杨酸），也是体内固定酸的另一来源，但量较少。体内的碱性物质则主要来自食物，特别是蔬菜、瓜果中的有机酸盐，如柠檬酸盐、苹果酸盐、草酸盐，均可接收H+转化为柠檬酸、苹果酸和草酸，进一步代谢为CO₂和H₂O，金属盐离子则可与HCO₃-结合生成碱性盐。普通膳食条件下，体内产生的酸性代谢产物远多于碱性代谢产物。

二、机体对酸碱平衡的调节

尽管机体不断生成和摄取酸碱物质，但血液pH值并不发生显著变化，这是由于多种生理机制协同调节，维持了机体内环境酸碱平衡的稳态。主要的调节机制包括：细胞及细胞外的缓冲体液体系、呼吸系统及肾脏的代偿调节机制。前者用于减弱酸或碱负荷对血液pH变化产生的影响，后二者通过排泌或潴留碱来维持血液pH稳定或使血液异常pH恢复正常。细胞外液（主要是血液）缓冲系统是维持酸碱平衡的第一线反应，虽然它可以即刻发挥作用，但其缓冲能力有限且不能持久，仅能将强酸强碱变成弱酸弱碱而不能彻底清除；肺脏调节效能大且迅速，数分钟开始发挥作用，30分钟达到峰值，但仅能通过调节CO₂的呼出量控制挥发酸的释放；组织细胞通过膜内外的离子交换和细胞内液的缓冲系统提供强大的缓冲能力，但起效较慢，约3～4小时后才发挥作用；肾脏通过调节排出固定酸或保留碱的量维持机体酸碱平衡，虽然调节缓慢，数小时后发挥作用，3～5天才达峰值，但作用强大持久，是机体调节酸碱平衡的最后防线。因此肾脏调节机体酸碱平衡功能的正常与否具有重要意义。

三、肾脏对机体酸碱平衡的调节

肾脏功能的正常是保证酸碱平衡的关键。一方面，肾脏将非挥发性的酸性物质主要以H+及的形式通过尿液排出体外；另一方面，肾脏通过重吸收及新生HCO₃-至血液，补充体内缓冲酸性物质的消耗。正常情况下，肾脏的排酸由三个部分组成，即NH₄+的排泄、可滴定酸（TA）的排泄及HCO₃-的重吸收，三者的代数和成为肾脏的净排酸（NAE）。

NAE=(UNH₄+×V)+(UTA×V)+(UHCO₃-×V)（V为尿量）

上述几个过程相互交错、相互依赖，同时又受体液容量、其他电解质浓度、血气情况以及众多神经、体液等因子的影响，共同决定了肾脏对机体酸碱平衡的调节效果。

（一）近端小管酸化作用的机制

正常情况下，从肾小球滤过的HCO₃-几乎全部被肾小管和集合管重吸收（约4 000～5 000mmol/d），其中高达80%的HCO₃-是由近端小管重吸收的。前已述及（本章第一节），近端小管上皮细胞主要通过电中性的Na+/H+交换使H+进入小管液与HCO₃-结合形成H₂CO₃，然后通过CO₂的形式实现HCO₃-的重吸收。同时，近端小管通过谷氨酰胺代谢，生成NH4+进入小管液，并获得新生的HCO₃-（本章第二节）。

（二）髓袢酸化作用的机制

未被近端肾小管重吸收的占滤过总量15%～20%的HCO₃-在髓袢升支粗段被重吸收。在此部位，HCO₃-重吸收和再生的基本过程与近端肾小管相似。

（三）远端小管和集合管酸化作用的机制

肾小球滤过的HCO₃-余下约5%在远端肾单位被重吸收，主要发生在远曲小管和集合管。与近端小管和髓袢不同的是，目前认为远曲小管和集合管存在有丰富的闰细胞（intercalatedcell，IC），其管腔膜面存在两种H+主动转运机制，一种是ATP依赖的H+泵即囊泡型H+-ATP酶（vH+-ATPase），另一种属于H+/K+-ATP酶，两者均可逆H+浓度差而将细胞内的H+主动转运至小管液中[1]。这些闰细胞通过“感受”机体的酸碱状态来调节自身分泌H+的能力，从而对机体的酸碱平衡进行精细的调控[2]。

近端小管上皮细胞生成的NH₄+主要由顶端膜面的Na+/NH₄+交换体NHE3和Ba2+敏感的K+通道转运入小管液[3]，当流经髓袢升支粗段（TAL）时，小管液中的NH₄+经管腔膜面的Na+-K+（NH₄+）/2Cl-共转运体NKCC2被转运至小管上皮细胞内，并由基底侧膜的Na+/NH₄+交换体NHE4转运进入肾脏髓质间质进行积累[4]。随后部分NH₄+解离为NH₃和H+，主要通过远端小管和集合管闰细胞基地侧膜的Rhbg和Rhcg转运体将NH₃转运入细胞[5]，而部分NH₄+则由内髓集合管（IMCD）上皮细胞基底侧膜的Na+/NH₄+交换体转运入细胞[6]并继续解离为NH₃和H+。进入细胞的NH₃经由管腔膜面的Rhcg转运体进入小管液，与H+结合成NH₄+最终随尿液排出体外。与此同时，闰细胞内的Ⅱ型碳酸酐酶（CAⅡ）催化CO₂和H₂O生成H₂CO₃后解离为H+和HCO₃-，生成的H+主要由管腔膜面的囊泡型H+-ATP酶和H+/K+-ATP酶主动泵入小管液，新生的HCO₃-则通过基底侧膜面的Cl-/HCO₃-转运体进入髓质间质并继续以CO₂和H₂O的形式为细胞内的H+提供来源[7]（图1-6-3-1）。

生理情况下，肾脏分泌的H+在近曲小管几乎全部用于重吸收HCO₃-，而在远曲小管和集合管则主要被NH₃、HPO₄2-、肌酐等其他缓冲剂缓冲。所以远端肾小管和集合管主要以NH₃ 、NH₄+和可滴定酸（TA）的形式排泄H+。

（四）影响肾脏酸化作用的因素

1.细胞外液容量

首先，细胞外液容量减少时肾小球GFR降低，HCO₃-滤过减少；其次，细胞外液容量减少常伴随钠潴留，细胞内Na+浓度增加会抑制肾脏小管上皮细胞Na+/H+交换。上述两种情况都会而导致小管液中HCO₃-重吸收减少。反之亦然。

2.动脉血pCO₂

动脉血pCO₂同肾脏小管分泌H+回收HCO₃-的能力正相关。高碳酸血症时细胞内酸中毒，刺激肾脏小管上皮细胞H+排泄增加，肾脏回收更多的HCO₃-用于对呼吸性酸中毒进行代偿。

3.血钾、血氯水平

钾缺乏可导致肾小管上皮细胞K+/Na+交换减少从而促进H+/Na+交换，但是钾缺乏还可减少醛固酮的分泌，抑制远端肾单位的酸化，因此钾缺乏对酸碱状态的影响不完全一致。但氯离子缺乏对于代谢性碱中毒的发生则至关重要，此时机体通过HCO₃-代替Cl-与Na+结合维持电解质的电荷平衡，限制了HCO₃-的正常排泄，可导致严重的代谢性碱中毒。

4.盐皮质激素

盐皮质激素主要是醛固酮，在正常生理水平情况下不影响肾脏对机体酸碱平衡的调节。醛固酮分泌增多时，主要作用于皮质集合管的主细胞刺激Na+重吸收，促进H+和K+的排泄，间接实现肾脏的酸化作用。另外，在实验条件下也发现当皮质和髓质集合管内无Na+时，醛固酮可以直接引起H+分泌，这可能与同时平行地增加集合管闰细胞管腔膜面H+泵和基底侧膜HCO₃-交换体的活性有关。因醛固酮分泌减少而引起的代谢性酸中毒非常少见。

5.磷酸的排泄

磷酸是肾脏排出可滴定酸的主要形式，当小管液pH降低时HPO₄2-结合H+转变为H₂PO₄-。肾脏分泌磷酸盐的能力有限，当小管液的pH进一步降低而磷酸盐的缓冲能力达到最大时，则不能进一步增加尿液中可滴定酸的量。所以，可滴定酸的形成对于肾脏酸碱调节能力的贡献是有限的。当小管液中有酮体存在时，酮体可贡献一部分的可滴定酸，当糖尿病酮症酸中毒时，β-羟基丁酸是尿液中可滴定酸的主要成分。

6.氨的合成与转运

氨的合成与排泌是肾脏净酸排泄重要手段。在基础状态下，肾脏净酸排泄总量的50%～70%是通过这种形式实现的，在代谢性酸中毒的情况下甚至可以达到90%。泌氨障碍是人类Ⅳ型肾小管酸中毒的最常见原因[8]。如前文所述，肾脏泌氨的过程是H+依赖的，当小管液的pH值升高时则可妨碍NH₃的分泌，此时NH₃经肾静脉吸收入血，成为血氨的另一个来源，并最终进入肝脏生成尿素（Krebs-Henseleit循环）。因此，临床上对因肝硬化而产生腹水的病人，不宜使用碱性利尿剂，以免血氨升高。此外由于NH₃与H₂O相似的分子量和电中性，有研究报道水通道家族蛋白AQPs可能也介导了肾脏氨的转运[9]。

（刘　佳　张晓燕　管又飞）

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