신장에서의 반류교환의 원리(반류설)
집에 설치되어 있는 보일러의 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 속이나 얼음 위에 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.
실험실의 증류기에서 수증기를 냉각시켜 증류수를 만들 때 찬물을 수증기가 나오는 관의 둘레를 흐르게 하여 냉각시킨다. 이때 찬물이 수증기가 나오는 반대 방향으로 흐르게 하여 수증기를 냉각시킨다. 이렇게 역류시키면 같은 방향으로 찬물을 흐르게 할 때보다 냉각 효과가 높다.
이런 현상을 반류 교환(countercurrent exchange)의 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 이용된다.
그림에서와 같이 투석기에서 투석액과 혈액의 흐름을 막을 경계로 역방향으로 흐르게 하면 같은 방향으로 흐르게 할 때보다 요소의 제거율을 매우 높다.
이와 같이 막을 경계로 하여 두 용액을 역방향으로 흐르게 함으로써 삼투 작용이 잘 일어나게 되는 원리를 반류 교환의 원리(역류 이론, 逆流理諭, countercurrent theory, 반류설, 역류설)라 한다.
신장에서는 물이 99% 재흡수된다. 신장에서 일어나는 99% 물의 재흡수를 반류 교환의 원리로 설명한다.
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 오줌을 농축시키는 과정에서 반류 교환의 원리가 이용되리라고 하였다. 즉 물의 재흡수가 잘 되는 원리를 설명할 수 있게 된 것이다.
1958년 고트샬크(Carl W. Gottschalk, 미국, 의학)는 Countercurrent multiplier(역류 증폭)를 실험으로 확인했다.
헨레 고리에서 일어나는 역류 증폭계(countercurrent multiplication system)라는 용어는 단순한 수동적인 역류 교환과는 달리 ATP를 사용하여 조직의 삼투 농도를 높이는 능동적인 역류 교환을 의미한다. 즉 물의 재흡수는 삼투현상에 의한 수동적 수송이지만 이에 필요한 삼투압을 ATP를 사용하여 매우 높인다는 것이다.
포유동물과 조류의 신장만이 헨레의 고리를 갖고 있음이 밝혀졌으며 오줌을 농축시키는 동물은 포유동물과 조류뿐이다.
근위세뇨관에서 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 높임으로써 직행 혈관의 끝과 헨레의 고리 회전부가 있는 유두에서는 혈장 삼투압의 4배가 되는 1,200 mOsm에 이른다(오스몰 농도, osmolarity, mOsm(milliosmole) : 삼투 농도 단위, 밀리 오스몰 농도, mOsm=mlosm=milliosmol/L =mosml/L, 삼투를 일으키는 물질의 밀리몰 농도).
또한 미소 천자 법으로 세뇨관 액을 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 mOsm인 고장성이 된다.
이러한 신장의 오줌 농축 과정이 반류 증폭설(역류 증폭계)이다. 이와 같이 신장은 체액이 희석되면 많은 물을 오줌 중으로 배설하고 체액이 너무 농축되어 있으면 오줌량을 감소시킴으로써 체액의 삼투 물질 농도를 정상화하는 역할을 담당하는 것이다.
물 재흡수량의 조절은 집합관에서 일어난다. 집합관에서 4%가량의 물이 재흡수된다. 집합관에서 일어나는 물 흡수는 뇌하수체 후엽에서 분비되는 바소프레신(항이뇨, 抗利尿) 호르몬에 의해 조절된다. 오줌이 집합관을 따라 신장의 중심에 있는 신우로 이동할 때 바소프레신(항이뇨호르몬)이 분비되면 집합관에 접해있는 신장의 수질 부분의 조직으로 나트륨이 이동함에 따라 조직의 삼투압이 높아지고 집합관의 물이 수질의 조직으로 흡수된다. 그 결과 오줌의 양이 감소된다. 반대로 체액의 농도가 낮으면 바소프레신(항이뇨호르몬)의 분비가 억제되므로 집합관 주위 조직의 삼투압아 낮아져 물의 재흡수가 감소된다. 그 결과 농도가 낮은 오줌이 다량으로 배설된다.
반류교환의 원리.hwp