배설 배설기관(신장, 콩팥)과 오줌

배설 배설기관(신장, 콩팥)과 오줌

김진국

몸에 필요한 물질이나 불필요한 물질을 운반하는 작용을 혈액이 수행한다.
세포 내의 호흡과정으로 생성된 불필요한 물질을 혈액이 운반할 때나 혈액에 과다한 물질이 존재할 때, 이들 물질을 혈액 중에서 호흡(CO2, 물)이나 오줌, 땀으로 배출하는 작용을 배설이라 하며, 이들 작용은 폐, 신장, 땀샘 등에서 일어난다.
배설작용은 혈액에 녹아 있는 여러 종류의 물질들의 농도를 일정하게 유지시키는 조절작용을 하는 것이므로 배설기관은 일종의 항상성 유지 기관인 것이다.
이들 기관 중 신장과 땀샘을 배설기관이라 하고, 폐는 호흡기관으로 취급하므로 배설기관이라고는 하지 않는다.
신장에서 혈액 중의 노폐물이나 과다한 물질을 걸러(여과)서 오줌으로 배설한다고 말한다. 실제로 신장에서 노폐물을 혈액에서 제거하는 방법은 간단히 혈액에서 노폐물만 삼투현상으로 분리하는 것이 아니고(투석기는 단순한 삼투 과정으로 요소 등을 분리함), 혈액 중 혈구와 단백질만 제외한 나머지 작은 물질을 여과로 버려 놓고(1/5 가량 여과, 원뇨라 함), 여과된 원뇨 중에서 필요한 모든 물질을 삼투 작용이나 에너지를 사용하여 흡수하는 능동 수송으로 재흡수 작용이 일어나며, 또 처음 여과로 내버리지 못한 물질 중에서 독성이 크거나 하여 급히 버려야 할 노폐물을 에너지를 사용하여(능동적 수송) 강제적으로 버리는 분비 작용으로 배설 작용이 일어난다. 그리고 이때 배설된 물을 삼투 작용으로 99% 재흡수한다.

* 배설(排泄, excretion)과 배출(排出, emission)

배설(排泄, excretion, 排 밀칠 배, 泄 샐설)은 배출(排出, emission)의 하나이지만 생물학에서 다음과 같이 구분하여 사용한다.
배설(排泄, excretion, 排 밀칠 배, 泄 샐설)은 체내로 흡수되어 사용된 후 생겨난 노폐물을 세포막을 통해 체외로 내 보내는 것이다. 오줌, 땀 등이 이에 속한다. 반면에 대변과 같이 체내로 흡수되지 않은 찌꺼기를 밖으로 내 보내는 것을 배출(排出, emission)이라 한다. 입 속, 위 속, 창자 속은 체내가 아니다. 그래서 대변은 아직 체내에 흡수되지 않은 음식물의 찌꺼기인 것이다.

1. 신장(腎臟, 콩팥, kidney)

신장은 혈액 중의 불필요한 물질을 걸러서 오줌을 생성하는 배설기관이다. 양 옆구리의 등 쪽에 1쌍의 완두콩 모양(콩팥)의 신장이 있다. 신장 한 개의 무게가 150g 정도이고 길이 10cm, 넓이 5cm, 두께 4cm의 크기로 체중의 약 0.5% 크기이며 섬유질로 된 단단한 주머니로 싸여 있다.
신장은 체내의 노폐물을 제거할 뿐만 아니라 수분, 무기염류의 농도 및 삼투압을 조절하며 산-염기 평형에 관여하는 등 생물체내 환경을 언제나 일정하게 유지시켜 주는(향상성 유지) 중요한 기관이다. 그러므로 심장에서 방출되는 혈류량의 약 25%가량이 신장을 지나간다.
즉 혈액 속에는 다양한 물질들이 용해되어 운반되고 있으며, 이들 각 물질의 농도는 일정하게 조절되어야 한다. 그렇게 되면 조직액도 일정한 농도로 유지되고 더 나아가서 2차적으로 세포 내액의 물질 농도도 일정하게 유지된다. 그러므로 신장은 배설 작용으로 체내 환경, 곧 체액의 농도를 일정하게 유지 조절하는 조절 기관이다.
따라서 체외로 배설되는 오줌은 신장이 여러 기능을 수행한 결과 체내에 필요 없는 물질을 물과 함께 체외로 내보내는 것이다.

가. 신장의 구조

신장의 단면을 보면, 피질, 수질, 신우(腎盂, renal pelvis)로 구성되어 있다.
수질은 외측 수질과 내측 수질로 구분되는데, 내측 수질은 다시 8 ~ 18(평균 14개)개의 신추체(추 모양이며 네프론의 일부 세뇨관과 집합관들의 모임)를 형성하는데 신추체의 정점을 신유두라 한다. 신장에서 움푹 들어간 것이 신문인데, 이곳으로 수뇨관, 신동맥, 신정맥, 림프관 및 신경이 통과한다.
신장에서 오줌을 생성하는 기능적 기본 단위는 네프론(nephron, 신단위)이라 하는데, 피질로부터 수질 쪽으로 배열되고 있고, 한 개의 신장에 약 100만 개가 존재한다. 네프론(nephron)은 말피기소체(Malpighian corpuscle)와 세뇨관(細尿管, renal tubule)으로 구분되고, 말피기 소체는 피질에 존재하며 사구체와 보우만 주머니로 되어 있다.
말피기 소체(Malpighian corpuscle)는 17세기 이탈리아의 학자 말피기(마르첼로 말피기, Marcello Malpighi, 1628 ~ 1694)가 처음 발견하여 자기 이름을 따서 말피기 소체라고 하였다.
그 후 1824년 보우만(Sir William Bowman, 1816 ~ 1892, 영국)이 말피기 소체의 미세 구조를 발견하였는데, 각 사구체는 들어가는 동맥이 약 50개의 고리를 만들어 한 개의 모세혈관의 덩어리를 이루고 있다. 덩어리를 이룬 모세 혈관에서 다시 나온 모세 혈관은 모여서 한 개의 나가는 동맥을 이룬다.
이러한 사구체인 모세 혈관의 덩어리를 둘러싸고 있는 것을 보우만 주머니(Bowman capsule)이라고 한다.
한편 세뇨관(細尿管, renal tubule)도 역시 17세기 물리학자 벨리니(L. Bellini)에 의하여 발견되었으며 근위 세뇨관(헨레 고리 앞쪽에 있는 보우만 주머니 쪽의 세뇨관), 헨레 고리(Henle’s loop), 원위 세뇨관(헨레 고리 다음의 세뇨관) 및 집합관 등 네 부위로 구분된다. 보우만 주머니에 이어진 부위를 근위 세뇨관이라 하고, 근위 세뇨관은 피질로부터 수질 내부로 하행하여 헨레 고리에 연결되는데, 헨레 고리는 여자들의 머리핀 모양으로 되어 있으며, 근위 세뇨관과 연결된 부위가 깊숙이 하행했다가 고리를 형성한 후 하행각과 평형으로 상행하여 피질 부위에서 원위 세뇨관에 이어진다.(헨레 고리(Henle’s loop)라는 명칭은 독일 해부학자 프리드리히 구스타프 야코프 헨레(Friedrich Gustav Jakob Henryle, 1809 ~ 1885)에서 유래한 것이다).
원위 세뇨관은 네프론의 사구체 부위까지 올라갔다가 모여서 집합관에 이어지는데, 여러 개의 세뇨관이 하나의 집합관에 연결된다. 집합관은 피질로부터 수질 쪽으로 하행하여 수질의 정점인 유두부에서 합쳐진 후 소신배와 대신배를 지나 신저부에서 신우에 연결된 후 수뇨관을 지나 방광에 연결된다. 신장의 피질에는 사구체, 근위 세뇨관 및 원위 세뇨관이 있고, 수질 부위에는 헨레의 고리와 집합관의 일부가 있는 것이다.
그리고 신장 피질의 표면 부위에 있는 네프론과 수질 쪽에 가까운 부위에 있는 네프론은 그 형태적 차이가 현저하다. 그러므로 전자를 피질 네프론이라 하여 대체로 재흡수와 분비를 하고, 후자를 수질 옆 네프론이라 하며 이 기능 외에 삼투압을 조절한다.

나. 오줌의 형성 과정(네프론의 기능)

신장에서 오줌이 생성되는 과정은 여러 과학자의 연구로 알려졌다.
1661년 말피기는 말피기 소체를 발견하고 이곳에서 오줌이 생성된다고 하였고, 1842년 보우만은 사구체에서는 물이 분비되고 세뇨관에서는 용질들이 분비되어 오줌이 된다 하였으며, 1842년 루드비히(Carl Friedrich Wilhelm Ludwig, 1816 ~ 1895, 독일)는 오줌 생성에는 세뇨관 분비 과정은 일어나지 않고 사구체에서 단백질을 제외한 모든 혈장 성분이 여과되어 오줌이 되며, 이것이 세뇨관을 지날 때 물이 재흡수되어 농축된다고 하였다. 이것이 루드비히의 여과설이다.
그 이후 1921년 리차드(Alfred Newton Richards, 1876 ~ 1966)에 의하여 사구체에서의 여과 과정이, 1937년 워커(Arthur M. Walker)에 의하여 세뇨관에서의 분비 과정이 실험으로 증명되어 오줌 생성 과정에 관한 학설이 정립되었다.
현재의 오줌 생성 과정은 사구체 여과, 세뇨관 재흡수 그리고 세뇨관 분비의 세 과정으로 설명하고 있다.

1) 사구체 여과 과정

사구체는 모세혈관이 공 모양으로 뭉쳐있는 것으로 보우만 주머니 속에 들어 있다. 수입 소동맥과 수출 소동맥 사이에 연결된 사구체의 모세혈관은 혈관 속의 혈액 중 혈구와 단백질을 제외한 물질을 모세혈관 막을 통해 혈관 밖 보우만 주머니로 통과시키는 반투과성 막의 역할을 한다. 사구체를 지나는 혈액의 1/5 이 사구체의 모세혈관 막을 통과하여 보우만 주머니 내로 여과된다.
이런 현상을 사구체 여과라 하고, 이때에 투과되어 나온 액체를 원뇨라고 한다. 원료는 혈장에서 단백질을 제외한 것과 같은데 pH 7.4, 비중은 1.010이다. 사구체 여과는 사구체 모세혈관의 높은 혈압에 밀려 혈구와 단백질을 포함하여 혈액의 4/5는 모세혈관을 지나가지만 혈액의 1/5에 해당하는 물과 포도당, 아미노산, 무기염류, 요소 등의 작은 입자들이 사구체의 모세혈관 막을 투과하여 혈관 밖으로 나가는 수동적 수송이다.
사구체 모세혈관의 혈압은 약 70mmHg이고, 혈장 삼투압은 약 25mmHg이며, 보우만 주머니의 내압은 약 10mmHg이다. 이것을 Starting의 가설에 따라 여과 압력을 계산해 보면, 여과 압 = 모세혈관 압 - (혈장 삼투압과 Bowman주머니 내 팽압) = 70mmHg - 25mmHg - 10mmHg = 35mmHg으로서 일반 조직의 여과 압인 10mmHg보다 월등하게 높다.
1분 동안에 신장에서 일어나는 여과량을 사구체 여과 속도라고 부르며, 이것은 직접 측정할 수는 없으나 이눌린의 제거율을 이용하여 간접적으로 측정한다.
사구체 여과 속도의 측정에 쓰이는 물질은 이눌린 외에도 mannitol, endogenous creation, creatinine 등도 쓰인다. 이눌린은 사구체에서 원뇨로 여과되지만, 세뇨관에서 재흡수되거나 분비되지 않는다.
그러므로 여과된 이눌린은 모두 오줌으로 배설된다. 따라서 오줌 속의 이눌린 농도 측정값과 혈장의 이눌린 농도를 측정한 값으로부터 사구체가 걸러낸 원뇨량을 정확히 계산할 수 있다.
사구체 여과 정상 속도는 남자에서는 125ml/min이고 여자에서는 110ml/min가 된다.
이러한 사구체 여과 속도는 이눌린의 신장 혈장 제거율과 같다. 신장의 혈장 제거율은 신장의 물질 제거 능력을 의미한다.
위와 같이 측정한 사구체 여과 속도(GFR)를 평균 매분 125ml라고 볼 때, 하루 24시간으로 셈하면 180L나 된다.
1일 1 ~ 2L의 오줌을 만드는데 첫 단계로서 사구체에서 무려 180L의 혈장을 여과하는 것이다. 이것은 신체 총수분량이 40L 정도이므로 총 체액량의 약 4.5배이다. 그러므로 우리의 체액은 하루에 적어도 4 ~ 5번 정도로 노폐물이 걸러진다.

2) 세뇨관 재흡수

사구체에서는 혈장 성분 중 분자량이 작은 물질은 모두 여과되므로 노폐물뿐만 아니라 포도당, 아미노산 등 영양물질, Na+, Cl-, HCO3-등 무기 염류와 수분이 보 오만 주머니 내의 원뇨로 여과된다. 이들 물질의 여과량은 성인의 경우 물이 하루에 180L, 그리고 Na+이 약 600g으로서, 이는 체액량의 약 4.5배, 체내 총 Na+량의 약 7배에 해당된다. 따라서 이런 물질이 여과된 후 그대로 오줌으로 배설된다면 우리 몸의 수분과 영양소 등은 금방 고갈될 것이다.
그러나 사구체에서 여과된 180L의 여과액 중 179L가 재흡수되고 나머지 1L만이 오줌으로 배설된다. 즉 실제 오줌으로 배설되는 물과 Na+의 양은 약 1% 미만으로서 대부분이 세뇨관에서 재흡수되고, 쓸모없는 노폐물만 세뇨관을 지나 오줌으로 배설된다.
세뇨관에서 여러 가지 물질이 재흡수되는 과정은 능동적 재흡수와 수동적 재흡수로 구분된다.
능동적 재흡수는 세포막에서 에너지를 이용하여 물질을 능동적으로 운반하는 것으로, 포도당, 아미노산, 요산 및 대부분의 무기염류들의 재흡수가 여기에 속한다.
포도당 및 아미노산은 근위 세뇨관에서 전체의 7/8이 재흡수되고 나머지 1/8이 원위 세뇨관에서 재흡수된다. 반면에 potasiume(K+)은 근위 세뇨관에서 완전히 재흡수되고, 집합관에서 분비가 일어난다.
수동적 재흡수는 확산과 삼투로, 용액 속에 있는 물질의 분압차에 의한 분자 운동에 의한 현상이다. 수동적 흡수로 일어나는 수분 등의 재흡수에는 에너지 소모가 없다.
그리고 능동적 또는 수동적으로 재흡수되는 물질은 모두 체내에서 필요한 물질이다.

가) 포도당의 재흡수

혈당량이 정상인 사람은 혈액 100ml당 혈장 포도당 농도가 100mg(0.1%)이며, 혈장의 포도당이 오줌으로 배설되지 않는다.
이것은 사구체에서 여과된 포도당이 전부 근위 세뇨관의 포도당 운반체에 의하여 재흡수되기 때문이다.
그러나 혈당 농도가 180-200mg/100ml로 상승하게 되면 세뇨관에서 최대로 재흡수를 하고도 남은 포도당이 오줌 속으로 배설되기 시작한다. 이 농도를 포도당의 신장 역치라 하며, 혈당 농도가 신장 역치보다 높아져서 약 375mg/100ml를 지나면서부터는 더 이상 재흡수되지 않는다. 배설되는 포도당의 양은 혈장농도와 정비례한다.
포도당이 더 이상 재흡수되지 않는 농도를 포도당 재흡수의 한계 농도라 하며, 포도당 최대 흡수치라고 한다.
포도당의 Tmg는 성인 남자에서는 약 375mg/분이며, 여자에서는 300mg/분 정도이다.
다만 Na+만은 예외로 Tmg가 없다. insulin부족으로 인하여 혈장 포도당 농도가 높아졌을 경우에는 오줌으로 당이 배출되는 소위 당뇨 현상이 일어난다. 일반적으로 당뇨병은 혈당 농도가 이상적, 즉 비정상으로 높을 때에 생긴다.

나) Na+의 수송

사구체에서 여과된 Na+은 능동적 수송에 의하여 근위 세뇨관에서 80%가, 나머지는 헨렌 고리의 상행각, 원위 세뇨관(10%), 집합관에서 재흡수된다. 세뇨관에서 재흡수되는 Na+량은 사구체에서 여과되는 양에 비례하는데, 집합관에서의 Na+ 재흡수는 aldosterone(무기질 코르티코이드)의 작용에 의해 일어난다. (부신 피질에서 분비되는 알도스테론은 Na+을 재흡수하는 호르몬인 동시에, 칼륨의 재흡수를 억제하는 호르몬이다.)
즉, 혈액에서 Na+농도가 낮아지면 신장의 사구체 입구에 위치한 동맥을 둘러싸고 있는 특수한 세포에서 효소 레닌이 분비되어 안지오텐시노겐을 안지오텐신으로 전환시켜 활성화하며 안지오텐신은 동맥 수축을 촉진하고 동시에 부신피질을 자극하여 aldosterone(무기질 코르티코이드) 분비를 증가시킨다. aldosterone(무기질 코르티코이드)은 집합관을 자극하여 Na+의 재흡수를 촉진시킨다. 반면에 조직 내의 Na+ 농도가 높을 때는 부신 피질의 알도스테론(무기질 코르티코이드)의 생산을 억제하여 집합관의 Na+흡수를 줄인다. 부신피질 자극 호르몬(ACTH)은 부신피질의 코티손(당질 코르티코이드)의 분비를 촉진하지만 알도스테론의 분비 조절에는 영향을 거의 미치지 않는다.
알도스테론(무기질 코르티코이드)의 분비는 혈장 내의 Na+의 농도가 낮을 때뿐만 아니라 칼륨농도가 높아졌을 경우, 체액(조직액) 양이 감소되었을 경우, 출혈 및 외상을 입었을 경우, 간 경화증 및 신장염 등이 생겼을 경우에 촉진된다.
이뇨제의 작용은 Na+의 능동 수송을 억제함으로써 이뇨 작용이 이루어지는 것이다. 그러나 그 분비 과정은 아직 명확하게 알려져 있지는 않다.

다) 물의 재흡수

세뇨관(근위 세뇨관)에서 포도당, 아미노산, 무기염류 등이 ATP 에너지에 의해 능동적으로 흡수된다. 그 결과 모세혈관의 농도는 높아지고 세뇨관에 남아 있는 원뇨의 농도는 묽어진다. 그래서 헨레 고리의 앞쪽에 있는 근위 세뇨관에서 삼투 현상으로 80%가량의 물과 Na이온이 재흡수된다.
나머지 1/5만이 헨레 고리(Henle’s loop)와 집합관에서 재흡수된다.
헨레의 고리 중 하행각에서 수동적 즉 삼투압차로 물이 재흡수된다. 헨레의 고리 가운데에서 어떤 것은 농도가 높은 수질 깊숙이까지 뻗어 있어 헨레 고리 주위 모세혈관(방향은 근위 세뇨 관과 반대로 흐름-반류) 농도가 헨레 고리의 오줌보다 높기 때문이다. 헨레의 고리 중 상행각에서는 상당량의 Na이온이 흡수된다.
그리고 집합관에서 4%가량의 물이 재흡수된다. 집합관에서 일어나는 물 흡수는 뇌하수체 후엽에서 분비되는 바소프레신(항이뇨, 抗利尿) 호르몬에 의한 것이다. 바소프레신(항이뇨호르몬)이 분비되면 물은 나트륨의 이동에 따라 집합관 벽에서 재흡수되어 오줌의 양이 감소된다. 반대로 많은 물을 마셨을 때에는 바소프레신(항이뇨호르몬)의 분비가 억제되므로 집합관 벽의 물의 투과성이 저하되어 물의 재흡수가 감소된다. 그 결과 농도가 낮은 오줌이 다량으로 배설된다.
다시 집합관에 작용하는 바소프레신(하이뇨호르몬)의 작용과정을 설명하면 다음과 같다. 집합관은 수질에 분포하는데 수질 부분의 삼투압은 신장의 중심 쪽으로 갈수록 높다. 오줌이 집합관을 따라 신장의 중심에 있는 신우로 이동할 때 바소프레신(항이뇨호르몬)이 분비되면 집합관에 접해있는 신장의 수질 부분의 삼투압을 높이므로 집합관의 물이 수질 쪽으로 삼투 작용에 의해 흡수된다.
즉 물의 능동적 재흡수(에너지를 사용하는 흡수, 방법은 삼투현상) 중에서 집합관에서 흡수되는 물의 재흡수는 뇌하수체 후엽에서 분비되는 항이뇨 호르몬(바소프레신)에 의해 조절된다. 뇌의 시상하부에 시상상핵이라는 신경 세포의 집단이 있는데, 여기에 삼투 수용기라고 하는 특수한 신경 세포들이 있다. 혈액 내에 삼투압이 높아지면 시삭상핵 자체 또는 그 주위에 있는 뉴런들이 삼투 수용기로써 흥분한다. 이 수용기가 흥분하면 시삭상핵-뇌하수체를 경유하여 뇌하수체 신경부로 하여금 뇌하수체 후엽에서 바소프레신(항이뇨 호르몬)을 배출시킨다. 분비된 바소프레신은 신장의 수질에 작용하여 집합관 주위에 있는 수질 부분의 농도를 증가시켜 삼투압을 높이면 집합관의 물이 삼투현상으로 수질로 흡수된다.
이 같은 조절작용은 다음과 같은 실험으로 알 수 있다.
포유동물의 양쪽 시삭상핵이나, 여기서부터 뇌하수체 후엽으로 가는 신경섬유를 절단하면 오줌량이 많아지는 질환이 생긴다.
또한 정맥주사에 의한 뇌하수체 후엽 추출액 투여는 이뇨를 지연시키고, 요붕증 환자의 오줌량을 감소시킨다.
그리고 체내의 수분 농도가 충분히 높으면 뇌하수체 후엽에서 분비되는 ADH(바소프레신) 생산이 억제된다.

라) 신장에서 요소가 재흡수되는 이유

신소체에서 여과된 요소의 양을 100이라 할 때 그 중약 50 정도는 세뇨관에서 재흡수되고 나머지 50 정도는 오줌으로 배설된다.
그 이유는 다음과 같다. 세뇨관에서 물 등이 모세혈관으로 재흡수되면 세뇨관 속의 요소 농도는 모세혈관의 요소 농도보다 높아지게 된다. 세뇨관의 요소 농도가 모세혈관의 요소 농도보다 높으면 삼투 현상으로 요소는 모세혈관으로 이동하므로 재흡수가 일어난다. 이와 같은 수동적으로 일어나는 재흡수를 막으려면 능동적 작용이 필요하다.
그런데 우리 몸에서는 불필요한 요소가 50% 정도 재흡수되는 것을 막기 위한 능동적 작용이나 분비를 위한 능동적(에너지를 사용하여 강제로 이동시키거나 막는 작용) 작용을 하지 않기 때문이다.
요소의 재흡수를 능동적으로 막지 않는 이유는 재흡수를 막기 위해서는 에너지를 사용해야 하는데 요소는 독성이 약하므로 에너지를 써서 100% 배설하는 것보다 에너지를 쓰지 않고 50% 정도만 배설해도 문제가 발생하지 않기 때문이다. 즉, 우리 몸에 요소가 조금 높은 농도로 존재해도 문제가 없으므로 50%씩만 제거해도 시간이 지나면 모두 배설될 수 있다. 재흡수를 막기 위해 굳이 에너지를 사용하여 에너지를 낭비할 필요가 없는 것이다.

3) 세뇨관 분비

세뇨관에서 일어나는 분비는 세뇨관을 감싸고 있는 모세혈관의 혈액에 있는 불필요한 물질(크레아틴-독성물질, 아미노산)을 세뇨관으로 배설하는 작용이다. 사구체의 여과(1/5)로 모든 불필요한 물질이 여과되는 것이 아니므로 사구체에 이어진 모세혈관에는 아직 불필요한 물질이 많이 남이 있다. 특히 모세혈관에 남아 있는 독성 물질을 제거하는 작용이 세뇨관 분비이다.
세뇨관 분비는 공동 운반체에 의한 능동 수송과 수동 수송이 있다.
공동체에 의한 능동 수송에서 두 종류 이상의 유기산 혹은 유기 염기들이 혈액에 존재할 때 운반체와 결합하기 위하여 이들 물질들은 서로 경쟁하게 되어 단독으로 존재할 때보다 그 분비가 억제되는데, 이러한 현상을 상호 경쟁적 억제라 한다. 이외에도 세뇨관의 능동적 분비 과정에는 수소 분비 과정이 있는 데, 수소 분비는 근위 세뇨관과 원위 세뇨관에서 모두 이루어진다.
신장의 세뇨관에서 수동적 과정을 통하여 분비되는 물질로는 quinine, procaine, ammonia 등의 약염기와 salicylic acid, pentobarbital 등의 약산이 있다.
한편 바다에 사는 goosefish, toadfish, pipefish 등 경골어류의 세뇨관은 무사구체 신장을 가지고 있는데, 이것은 포유동물 네프론의 근위 세뇨관과 같은 기능을 갖는다.
즉 사구체 없이도 오줌을 생성할 수 있는데, 이는 세뇨관 분비 기능이 있기 때문이다. 이와 같이 사구체가 없는 세뇨관의 분비는 능동적 이동이며 사람을 포함하여 모든 포유동물의 근위 세뇨관과 같은 과정으로 분비가 일어난다.
이상에서 본 바와 같이 신장에서 오줌은 사구체 여과, 세뇨관 재흡수, 그리고 세뇨관 분비의 3가지 과정에 의하여 생성됨을 알 수 있다.

다. 반류교환(countercurrent exchange)에 의한 오줌의 농축

가정의 보일러 연통을 보면 연기는 속에 있는 연통으로 나오고 들어가는 공기는 연통을 감싸고 있는 바깥 통으로 들어간다. 그래서 나가는 연기가 가진 열에너지를 들어오는 공기가 다시 흡수하도록 되어 있다.
찬물 속에 있는 새의 다리는 체온이 내려가도 큰 문제가 없다. 그래서 다리에 반대 방향으로 흐르는 혈관이 서로 접하여 열을 다리로 가지 못하게 하여 열의 손실을 줄인다. 다리의 찬 혈액이 올라오면서 다리로 내려오는 따듯한 혈액의 열을 흡수하여 회수함으로써 몸체의 체온이 내려가는 것을 방지하는 것이다.
이런 현상을 반류 교환의 원리, 또는 역류 이론(逆流理諭, countercurrent theory, 역류설, 반류설)이라 하며 빌렘 J. 콜프(Willem Johan "Pim" Kolff, 1911 ~ 2009, 1943년경 발명, 1956년 상업화, 처음 셀로판관 이용 1960년대 후에 테플론관 사용, 네덜란드계 미국인)가 발명한 신장 투석기(인공신장기, artificial kidney)에서도 이용되고 있다.
1951년 베르너 쿤(Werner Kuhn , 1899~1963, 스위스, 물리화학자)과 제자 하지테이(VB Hargitay)는 제자였던 고트샬크(Carl W. Gottschalk, 미국, 의학)와 밀(Mylle)이 발견한 반류교환의 원리가 헨레의 고리의 반류교환 기구와 너무나 닮음을 지적하고, 신장이 요를 농축시키는 과정에서 반류 교환(countercurrent exchange)의 원리가 이용되리라고 하였다.
포유동물과 조류만이 헨레의 고리를 갖고 있음이 밝혀졌으며 오줌을 농축시키는 동물은 포유동물과 조류뿐이다.
근위 세뇨관에서 여과량의 80% 이상이 등장성으로 재흡수되고, 아직도 혈장과 등장성인 액체가 그 후에 어떻게 농축되어 오줌으로 집합관을 지나서 신우에 모이는가를 설명하는데 반류설(역류 이론, 逆流理諭, countercurrent theory, 역류설)이 이용된다.
헨레의 고리 가운데에서 어떤 것은 길게 뻗어서 수질 깊숙이까지 내려온 수질 옆 네프론이 있다. 이러한 네프론의 긴 고리에는 평행으로 모세혈관이 있는데 이를 직행 혈관이라고 부르며, 피질에서부터 수질로 내려왔다가 다시 피질로 돌아가는 모세혈관인 것이다.
이들 네프론과 직행 혈관이 반류 작용으로 오줌을 농축시키는 것이다.
한편 신장의 피질 부위의 삼투 농도는 몸의 다른 부위와 같은 300 mOsm이지만, ADH(바소프레신) 농도가 높을 경우에는 피질에서 신우에 가까운 유두로 들어가면서 ATP를 사용하여 조직의 삼투 농도를 점점 높여서 직행 혈관의 끝과 헨레의 고리 회전부가 있는 유두에서는 혈장 삼투압의 4배가 되는 1,200 mOsm에 이른다(mOsm : milliosmole, 삼투 농도 단위로 밀리삼투몰 농도, 밀리 오스몰 농도, mOsm=mlosm=milliosmol/L =mosml/L, 삼투를 일으키는 물질의 밀리몰 농도).
또한 미소 천자법으로 세뇨관액을 분석할 때 헨레의 고리 하행각에서는 삼투 물질 농도가 점점 증가되고 회전부에서는 최고조에 달하지만, 상행각에서는 농도가 다시 낮아진다. 주위 조직의 삼투 물질 농도가 점점 높아진 부위를 거슬러 유두 쪽으로 흐르기 때문에 수분의 수동적 수송인 흡수가 일어난다.
그러므로 오줌은 수질의 삼투 물질 농도가 다시 증가되어 최고치 1,200 mOsm(mosml/L)인 고장성이 된다.
이러한 신장의 오줌 농축 과정이 반류 증폭설(역류 증폭계)이다. 이와 같이 신장은 체액이 희석되면 많은 물을 오줌 중으로 배출하고 체액이 너무 농축되어 있으면 요량을 감소시킴으로써 체액의 삼투 물질 농도를 정상화하는 역할을 담당하는 것이다.
1958년 고트샬크(Carl W. Gottschalk, 미국, 의학)는 Countercurrent multiplier(역류 증폭)를 실험으로 확인했다.
헨레 고리에서 일어나는 역류 증폭계(countercurrent multiplication system)는 단순한 수동적인 역류 교환과는 달리 ATP를 사용하여 조직의 삼투 농도를 높여 헨레 고리 속 용액과의 농도차를 크게 함으로써 일어나는 능동적인 역류 교환이다. 즉 물의 재흡수는 삼투현상에 의한 수동적 수송이지만 이에 필요한 삼투압을 ATP를 사용하여 매우 높인다는 것이다.

라. 혈장 제거율(Clearance)

신장은 사구체에서 많은 양의 혈장을 여과하는데, 여과된 원뇨 성분의 각 물질의 농도는 혈장과 같다. 그러나 세뇨관을 통과하는 동안에 많은 종류의 물질들이 재흡수나 분비됨으로써 오줌의 성분은 처음의 원뇨와 아주 다르다는 것을 알 수 있다.
신장은 체액 내의 노폐물을 제거한다고 볼 때, 신장의 노폐물 제거 기능을 혈장 제거율(Clearance)을 이용하여 알 수 있다.
혈장 제거율(Clearance) 이란 혈장 중의 어느 물질을 정화하는 신장의 제거 능력을 나타내는 말이다. 만일 X라는 물질이 0.1mg/100ml의 농도로 있는 혈장이 신장을 통과하고 1분 동안에 오줌 중으로 0.1mg이 배설되었다면 단위 시간에 그 물질을 정화하는 혈장은 100ml/min이다.
정상인의 혈장이나 사구체 여과액 내 요소 농도는 0.26mg/ml이고, 오줌 중으로 나온 요소의 양이 분당 18.2mg이었다면 18.2mg/min ÷ 0.26mg/ml=70ml/min내에 들어 있는 양만큼의 요소가 오줌으로 배설되고 있다는 셈이 된다.
클리어랜스를 측정하는 데는 다음과 같은 방법을 쓴다.

혈장 클리어랜스=1분당 요량 ×요 중 농도/혈장 내 물질 농도

K=Q×CU/CB

K는 클리어런스 (mL/min)
Q는 소변 흐름(부피/시간, mL/min, or mL/24h)
C U 는 소변 농도(mmol/L, or mg/mL)
C B 는 혈장 농도(mmol/L, or mg/mL)

따라서 클리어랜스의 단위는 ml/min이다.
위에서 언급한 바와 같이 요소의 클리어랜스가 80ml 이하가 되었을 때는 이 신장에 요소 장애가 있는 것을 뜻한다. 포도당의 혈장 클리어랜스는 0이다. 그리고 이눌린 클리어랜스에 대한 어떤 물질의 클리어랜스 비율을 클리어랜스 비율이라고 한다.
이 비율이 1보다 적으면 이 물질이 세뇨관에서 재흡수되었고, 클리어랜스 비율이 1보다 크면 이 물질이 세뇨관에서 분비가 되었음을 뜻한다. 따라서 혈중의 이눌린 농도는 여과액 내 농도와 같고 여과된 량이 그대로 오줌으로 나온다.
그러므로 이눌린 클리어 랜스는 사구체 여과율을 뜻할 수 있는 바, 정상인의 이눌린 클리어랜스 즉 사구체 여과율은 약 125ml/min이다. 사구체 여과 속도는 이눌린의 신장 혈장 클리어랜스와 같다.
한편 파라아미노마뇨산(paraaminohippuric acid, PAH)은 이눌린처럼 사구체에서 자유로이 여과되고 사구체를 거쳐 수출세동맥을 통하여 나간 혈중의 파라아미노마뇨산(paraaminohippuric acid, PAH)은 세뇨관 주위를 흐르는 동안에 세뇨관 상피 세포를 통하여 세뇨관 내로 모두 분비되어 신장을 떠나는 혈 중에는 파라아미노마뇨산(PAH)가 거의 없다. 그러므로 파라아미노마뇨산(PAH)클리어랜스는 신장 혈류량을 뜻한다. 즉 파라아미노마뇨산(PAH) 클리어랜스 비율은 5ml/min에 가까우며 세뇨관에서 다량으로 분비되는 물질인데, 사구체 여과량과 세뇨관에서 분비된 량이 함께 오줌으로 나간다.
예를 들어 혈장 내 파라아미노마뇨산(PAH)농도, 오줌 중 파라아미노마뇨산(PAH)농도, 요량 등을 글리어랜스를 구하는 공식에 대입하면 혈장 유통량을 구할 수 있게 된다.
이때 파라아미노마뇨산(PAH)이 신장으로 관류되는 중에 제거되는 양은 대략 90% 정도이고, 10%는 정맥으로 나간다. 따라서 파라아미노마뇨산(PAH) 클리어랜스로 측정한 값을 유효유통량이라 하고, 이 값을 교정하여 얻는 값을 실제의 혈장 유통량이라고 한다.
이것은 양쪽 신장에서 1분간 순환하는 혈장량과 거의 일치한다. 이것을 혈액 유통량으로 환산하면 약 1200ml/min내외가 된다.

2. 방광의 배뇨

사구체에서 여과된 여과액은 세뇨관에서 재흡수, 분비 등을 거쳐 집합관으로 모이고 다시 신우로 모여 신장을 떠난다. 신장을 떠난 오줌은 방광으로 운반되는데 운반 통로가 수뇨관이다.
수뇨관에서는 벽의 평활근이 매초 20-30mm의 속도로 수축파를 일으켜 들어온 오줌을 방광으로 내어보낸다.
방광은 평활근인 배뇨근으로 된 얇은 주머니로 되어 있고 요도는 내괄약근(평활근, 교감신경에 의해 수축)과 외괄약근(골격근, 대뇌에서 운동신경)으로 배뇨를 조절한다. 배뇨는 자율신경에 의해 지배되는데 교감 신경은 배뇨 전에 요도의 내괄약근(평활근)을 수축하여 배뇨 억제작용을, 부교감 신경은 평활근을 수축시켜 배뇨를 촉진작용을 한다.
실제로 배뇨를 직접 담당하는 것은 부교감신경이다. 부교감신경은 척수의 천수에서 나오는 골반신경을 따라 배뇨관에, 교감신경은 하흉수, 상요수에서 나오는 하복신경을 거쳐서 방광에 이른다.
오줌이 방광에 모이면 팽압이 증가되어 방광벽이 확장된다. 이리하여 방광 내압이 어떤 수준 이상이 되면 배뇨반사와 함께 방광은 수축과 이완이 계속 일어나고, 부교감신경에 의해 방광이 수축하여 내압이 오르고 의지에 의하여 방광의 외괄약근이 이완되면서 오줌이 밖으로 배출된다. 이 과정이 곧 배뇨이다(이때 교감신경은 작용을 하지 않으므로 요도의 내괄약근은 이완됨).
평상시 방광 출구인 요도는 골격근으로 된 외괄약근이 교감신경에 의해 수축하고 있어 방광으로부터 오줌이 나오지 않는다. 그러나 방광 내압이 오르고 외괄약근의 긴장이 풀리면 배뇨 반사가 일어나 배뇨를 하게 된다.
배뇨 반사는 방광에 오줌이 차면 배뇨근 속의 장력감수기가 흥분하고 이 흥분이 척수에 전해지면 척수반사로 배뇨근의 수축과 내괄약근의 이완으로 오줌이 배출된다. 이때 배뇨근은 수축을 계속하면서 방광내압을 올리며, 한편 흘러내리는 오줌이 요도 벽의 감각 신경을 자극하는 척수 반사가 계속되어 방광의 배뇨근이 쉬지 않고 수축하여 방광이 다 비워지게 될 때까지는 배뇨가 계속된다. 즉 오줌이 흘러내릴 때 요도 벽을 계속 자극하므로 이 자극에 의해 척수의 배뇨 반사가 계속되어 오줌이 모두 배출되게 되는 것이다.
구체적으로 이 과정을 보면 방광이 오줌으로 차면 방광이 팽창하면서 방광 내암이 오르게 된다.
처음 압력이 올라가는 부분을 분절 I이라 하고, 그다음 10 ~ 15cm H2O의 압력을 유지하는 수평부를 분절 II, 급격하게 압력이 증가하는 마지막 부위를 분절 III이라 한다. 이 곡선을 방광의 방광 내압-용적 곡선이라 부른다.
배뇨는 분절 III이 시작되는 부위, 즉 방광 내압이 15 ∼ 20cm H2O 이상, 방광의 내용물이 400cc에 이르면 방광벽에 있는 장력 수용기가 자극을 수용하고, 이것은 골반 신경을 통하여 천수에 들어가서 척수 반사와 동시에 척수 반사를 일으키는 그 수준보다 높은 중추로 올라가 그곳에 있는 소통 중추와 억제 중추에 자극을 전하게 된다.
소통 중추는 배뇨 반사를 촉진하는 중추로서 시상하부와 뇌교에 있고, 억제하는 중추는 대뇌 피질과 중뇌에 위치한다. 이 중에서도 대뇌피질에 있는 억제 중추가 가장 강력하게 배뇨에 관계한다.
즉 오줌을 배설할 장소와 시기가 좋다고 판단되면 대뇌 피질이 천수에 있는 배뇨 중추를 통하여 배뇨하게 하고, 시기와 장소가 알맞지 않으면 어느 한계까지는 억제하여 배뇨를 않는 것이다.
그 예로서 대뇌의 발달이 불충분한 소아나 뇌출혈 등의 환자에게 있어서는 중추적 억제가 되지 않아 오로지 반사적으로만 배뇨하게 된다. 즉 방광에 오줌이 어느 정도 차면 방광벽에 있는 장력 수용기가 자극을 수용하고, 이것을 골반 신경을 통하여 척추 속의 천수에 들어가면 척수 반사를 일으켜 오줌을 배출하게 된다. 대뇌의 피질이나 소통 중추의 작용을 받지 않고 일어난다.
척수병 등으로 척수의 방광 중추가 마비되면 방광의 마비 때문에 요실금을 일으킨다.
뇌병으로 중추적 억제가 풀려도 요실금이나 야뇨증이 나타난다.

* 오줌의 성분

혈액 중에서 오줌을 걸러내는 신장은 체내에서 발생된 노폐물을 배설할 뿐만 아니라 배설되는 물과 무기염류의 양을 조절하여 물의 양과 삼투압 조절 등으로 우리 몸의 항상성을 유지한다. 그 결과 필요 없는 물질이나 여분의 물질을 오줌으로 배출한다.
정상인 성인이 하루에 배출하는 오줌량은 1~2리터가량이다.
오줌의 성분은 일정하지 않지만 물이 90% 이상이고, 요소 2%, 크레아티닌(creatinine) 0.07%, 요산 0.05%, 미량의 아미노산, 마뇨산(hippuric acid 히푸르산, 벤조산이나 톨루엔이 간에서 해독되면서 생성됨), 비타민, 호르몬 등의 유기물과 무기염류인 염화나트륨 2%, 인산 0.3%, 황산 0.3%, 암모니아 0.04% 등이다.
그리고 오줌은 담즙 색소의 하나인 빌리루빈(bilirubin)이 우로크롬(urochrome, urobilin 유로 빌린) 형태로 배출되므로 오줌색이 노란색이다.

배설(오줌의 생성과 배출).hwp

배설(오줌의 생성과 배출).hwp

0.3MB