1. 비뇨기계의 기능
비뇨계통(urinary system)은 2개의 신장(kidney), 2개의 요관(ureter), 방광(urinary bladder) 그리고 요도(urethra)로 이루어져 있다.
1) 신장의 기능
① 대사과정에서 발생한 노폐물과 독소 같은 외부 물질 제거
② 식사와 배설의 균형을 통해 혈액량과 전해질 조절
③ 수소 배설을 통해 pH를 조절하여 항상성 유지
④ 호르몬 생산을 통해 레닌 분비로 혈압을 조절하고, 적혈구 형성인자(에리트로포이에틴, EPO)를 분비하여 적혈구 생성을 조절하여 혈액에 산소운반 능력을 도우며, 칼시트리온 합성에 관여하여 혈중 칼슘농도 조절(칼슘의 항상성 유지 및 뼈 대사 조절)
2. 신장의 구조
1) 해부학적 구조
하나의 신장(kidney)은 약 무게 150g, 길이 11cm, 너비 6cm, 두께 3cm로 성인의 주먹만한 크기이다. 바깥쪽 표면은 볼록하고 안쪽 표면은 오목하여 신경, 혈관, 림프관, 요관이 지나가는 신문(renal hilum)인 구멍이 있다.
소변을 만드는 신장의 선조직은 실질이라고 하며, 이는 신장동(renal sinus)이라고 하며 안쪽 공간을 둘러싸는 C자 모양이다. 신장동의 바깥쪽 약 1cm의 부분을 신장피질(renal cortex)인데 신장 혈류의 90~95%가 위치해 있으며, 안쪽을 신장수질(renal medulla)라고 하며 12~18개의 신수체로 구성된다. 신장수질은 신장기둥에 의해 6~10개의 신수체(pyramid)로 나뉜다. 각 신수체는 원뿔 모양이며 넓은 쪽은 신장피질과 마주하고, 꼭지점은 신장유두(renal papilla)라 하고 신장동과 마주한다.
각 신수체의 유두는 소변을 모으는 소신배(작은 콩팥잔, minor calyx) 안에 자리잡고 있다. 2~3개의 소신배가 모여 대신배(큰 콩팥잔, major calyx)가 만들어지고, 2~3개의 대신배가 모여 신우(콩팥깔때기, renal pelvis)가 되어 요관과 연결되어 방광으로 소변을 내려보낸다.
2) 신장순환(renal circulation)
각 신장은 대동맥에서 분지된 신장동맥(reanl artery)으로부터 혈액을 공급받는다. 신장동맥은 몇 개로 나뉘고, 신수체의 바닥면을 아치형으로 감싸는 궁상동맥(arcuate artery)을 이룬다. 각각의 궁상동맥은 가느다란 피질방사동맥(cortical radiate artery)으로 분지하여 다시 피질을 향해 위로 상승한다. 피질을 통해 올라가면서 피질방사동맥에서 여러 개의 수입소동맥(afferent arteriole)이 분지된다.
각 수입소동맥은 신장의 기능단위인 신원에 혈액을 공급한다. 혈액은 수출소동맥(efferent arteriole)으로 이루어져 세관주위모세혈관(peritubular capillary)으로 공급된다. 이후 신장정맥(renal vein)으로 연결되어 신문을 나와 하대정맥으로 흐른다.
3) 신원(nephron)
각 신장에는 약 120만 개의 신원이 있다. 신원은 혈장을 여과하고 소변을 형성하는 일련의 과정이 이루어지는 곳이다. 신원은 혈장을 여과하는 신소체와 여과액을 소변으로 만드는 신세뇨관으로 구성된다.
신소체는 사구체(토리)와 사구체주머니(토리주머니, 보우만주머니)로 이루어져 있다.
신세뇨관은 근위곡세관(토리쪽곱슬세관, 근위세뇨관)과 신원고리(콩팥단위고리, 헬레고리), 원위곡세관(먼쪽곱슬세관, 원위곡세관) 그리고 집합관으로 구성된다.
■ 신소체(renal corpuscle)
신소체는 모세혈관 덩어리인 사구체와 사구체를 싸고 있는 2개의 막으로 구성된 사구체주머니로 이루어져 있다. 사구체는 혈액을 여과하는 역할을 한다. 사구체 주머니의 2개의 막은 여과액이 찬 낭강(주머니공간, 피막성 공간)에 의해 벽쪽층과 내장층으로 나뉘어 진다.
수입소동맥은 소체 내부로 들어가 사구체로 혈액을 유입시키며, 수출소동맥은 사구체 외부로 혈액을 유출시킨다. 따라서, 수입소동맥이 수출소동맥 보다 높은 혈압을 유지하며 이는 혈액을 여과하는 신장 기능에 매우 중요하다. 여과액은 낭강으로 이동하여 신세뇨관을 통과한다.
■ 신세뇨관(renal tubule)
신세뇨관은 근위곡세관, 신원고리, 원위곡세관 그리고 집합관으로 구성되어 있다. 소변의 형성은 사구체에서 혈액을 여과시키는 단계부터 시작된다. 소변은 사구체주머니(낭) → 근위곡세관 → 신원고리 → 원위곡세관 → 집합관 → 유두관 → 소신배 → 대신배 → 신우 → 요관 → 방광 → 요도의 순서를 거쳐 배설된다.
3. 사구체여과
신장은 사구체여과, 세뇨관 재흡수, 세뇨관 분비, 수분 보존 4단계의 과정을 통해 소변을 생성한다.
① 사구체주머니 내의 액체를 사구체여과액이라 하는데, 혈액 내의 혈장과 비슷하지만 단백질이 거의 없다.
② 근위곡세관에서 윈위곡세관으로 흐르는 액을 세뇨관액이라 한다. 세뇨관 세포에 의해 용질이 제거되거나 추가되므로 사구체여과액과 성분이 다르다.
③ 집합관에 모이는 액체를 소변이라 하며, 수분량의 변화를 제외하고 다른 성분의 변화가 거의 없다.
사구체여과는 혈장의 수분과 용질이 사구체모세혈관에서 신원의 피질 공간으로 지나가는 과정이다. 이러한 과정을 거치면서 여과액은 3가지 종류의 여과막을 통과한다. (1) 모세혈관의 내피. 사구체모세혈관의 내피세포는 큰 여과구멍이 있는 벌집구조로 혈액세포는 여과가 되지 않지만, 투과성이 매우 높다. (2) 기저막. 아주 소량의 혈장단백질만이 통과한다. (3) 여과틈새.
1) 사구체여과율(토리여과율, GFR)
좌우 신장이 만들어내는 분당 여과액을 말하는데, 정상 범위가 성인 여성의 경우 약 105ml/min, 성인 남성은 약 125ml/min으로 90~120ml/min이다. 이로 인해 하루에 여과되는 양이 약 120~180L인데, 성인의 평균 여과액 재흡수율이 99%로 하루에 1~2L의 수변만이 배출된다. 따라서, 신장 기능이 떨어진 경우 사구체여과율이 떨어지므로 사구체여과율은 신장기능 평가에 중요한 수치이다.
2) 사구체여과 조절
사구체여과율은 정확히 조절되어야 한다. 만약 사구체여과율이 너무 높으면 여과액이 매우 빠르게 신세뇨관을 통과하여 정상적인 양의 수분과 용질을 재흡수할 수 없으므로 소변 배출이 증가하고 탈수와 전해질 불균형의 위험이 발생한다. 반대로 사구체여과율이 너무 낮으면, 여과액이 매우 느리게 신세뇨관을 통과하여 소변으로 배출되어야 할 노폐물이 재흡수된다.
상황에 따라 사구체여과율을 유지하기 위한 방법은 사구체 혈압을 변화시키는 것인데, 신경 조절과 호르몬 조절 그리고 국소 조절이라는 세 가지의 항상성 기전을 통해 유지할 수 있다.
(1) 신경 조절
교감신경섬유는 신장 혈관에 풍부하게 분지되어 있다. 격렬한 운동 또는 순환기 쇼크 같은 갑작스러운 상태에서 교감신경 자극이 수입소동맥을 수축시키는데, 이는 신장으로 오는 혈액을 줄이고 심장, 뇌, 골격근 등 혈액 공급이 더 요구되는 기관으로 보내므로 사구체여과율과 소변 배출량이 감소한다. 따라서 운동 중에 소변량이 감소하는 것이다.
(2) 호르몬 조절
사구체여과율은 혈압을 변화시키는 호르몬 연쇄반응에 의해서 조절된다. 혈압이 떨어지면 교감신경섬유는 사구체옆세포에서 레닌 분비를 촉진한다. 레닌은 혈장단백질인 앤지오텐시노겐과 반응하여 앤지오텐신Ⅰ을 형성한다. 폐와 신장에서 앤지오텐신Ⅰ은 앤지오텐신전환효소에 의해 앤지오텐신Ⅱ로 전환된다. 앤지오텐신Ⅱ는 몇 가지 기전에 의해 체액량과 혈압을 유지시킨다. 특히 갈증을 일으켜 수분 섭취를 증가시킨다. 이는 나트륨과 수분의 재흡수를 촉진하는 알도스테론을 부신피질에서 분비하도록 자극하고, 뇌하수체뒤엽을 자극하여 수분의 재흡수를 조절하는 항이뇨호르몬의 분비를 촉진한다. 즉, 갈증을 일으켜 수분 섭취를 증가시키고 소변 배설을 감소시킴으로써 체액량과 혈압을 유지하는 것이다.
또한, 앤지오텐신Ⅱ는 강력한 혈관수축제로 광범위하게 혈관을 수축시켜 혈압을 상승시킨다. 신장에서는 각 신원의 수입소동맥보다 수출소동맥을 더욱 수축시킨다. 사구체 출구를 입구보다 더 수축시키면서 사구체 혈압과 사구체여과율의 감소를 예방한다. 이는 혈액 노폐물의 여과작용이 계속될 수 있도록 유지시킨다.
(3) 국소 조절
신경이나 호르몬의 외부 통제 없이 신원에서 혈류와 사구체여과율을 스스로 조절하는 것이다. 국소조절은 근원성 기전과 세뇨관-사구체 되먹임 기전을 통해 이루어진다.
4. 세뇨관의 재흡수와 분비
1) 근위곡세관(proximal convoluted tubule)
근위곡세관은 긴 미세융모를 가지고 있어 물질의 재흡수 능력이 크다. 따라서, 세뇨관액의 65%를 재흡수한다. 거의 모든 물질을 재흡수하는데, 특히 포도당, 아미노산, 나트륨 그리고 비타민이나 혈장단백질 등을 능동적으로 재흡수한다.
2) 신원고리(nephron loop)
신원고리는 상행각과 하행각으로 구분할 수 있는데, 나트륨과 염소 그리고 물을 재흡수한다.
3) 윈위곡세관(distal convoluted tubule)
윈위곡세관은 미세융모가 없어서 재흡수보다는 분비 기능이 활발하다. 나트륨과 물을 재흡수하고, 수소와 칼슘은 분비한다. 이러한 기능은 신체가 전해질과 수분을 유지하도록 한다.
윈위곡세관은 여러 호르몬에 의해 조절되는데, 특히 알도스테론과 나트륨이뇨펩티드가 관여한다. 이는 재흡수와 분비 작용을 통해 수분과 염류를 보유하므로 혈액의 양과 혈압을 유지할 수 있도록 도와준다.
4) 세뇨관 분비(tuvular secretion)
세관주위모세혈관으로부터 화학물질이 세뇨관으로 이동하여 세뇨관액으로 분비되는 과정이다. 세뇨관 분비가 주로 이루어지는 곳은 군위곡세관과 신원고리이다.
세뇨관 분비는 세 가지 기능을 하는데, (1) 산염기의 균형을 맞추고 (2) 노폐물 제거로 혈중 요소, 요산, 담즙산, 암모니아가 세뇨관으로 분비된다. (3) 모르핀, 페니실린, 아스피린과 같은 체내 약물과 오염물질을 제거한다. 따라서, 약물이 반드시 하루에 2~3회 투약되어야 하는 근거가 여기 있다. 신장청소율의 속도에 맞추어 혈액 내로 치료적 농도를 유지하기 위함이다.
5. 수분 보존
1) 집합관(collection duct)
세관의 분비와 소변을 모으는 역할을 하며, 나트륨과 물을 다시 한 번 재흡수하고 칼슘을 분비하며 암모니아를 합성한다.
6. 소변의 저장과 배출
1) 요관(ureters)
요관은 길이 약 25cm, 지름 약 1.7cm로 방광 근처에 위치한다. 소변이 요관으로 흘러가면 요관이 확장되고 근육층이 수축하여 연동운동을 시작함으로 소변을 신우에서 방광으로 내보낸다.
2) 방광(urinary bladder)
방광은 골반강의 바닥쪽에 있는 근육성 주머니로, 복막의 아래, 치골결합 뒤쪽에 위치한다. 배뇨근은 3개의 평활근으로 되어 있다. 방광의 안쪽 바닥면에 삼각형 모양의 부위를 방광삼각이라고 말하는데, 감염이 잘 발생하는 부위이다.
방광은 팽창이 매우 잘되는데, 적당히 찬 방광은 약 500mL의 소변을 포함하며, 최대로는 700~800mL를 포함할 수 있다.
3) 요도(urethra)
요도는 방광으로부터 소변을 배출한다. 여성의 요도 길이는 3~4cm이고, 남성의 요도 길이는 약 18cm이다. 요도에는 외요도괄약근이라고 하는 근육이 둘러싸여 있어 배뇨를 조절한다. 남성의 경우 전립선 요도 또한 이 근처에 위치해 있다.
