오줌의 생성(여과, 재흡수, 분비)

네프론은 신장의 구조적, 기능적 기본 단위로, 오줌을 생성하는 일련의 과정을 수행하는 세관 시스템이다. 각 신장에는 약 100만~150만 개의 네프론이 존재하며, 이는 크게 사구체와 세뇨관으로 구성된다.

사구체는 네프론의 시작 부분으로, 모세혈관 덩어리인 사구체 모세혈관과 이를 감싸는 보먼주머니로 이루어져 있다. 사구체 모세혈관은 혈액에서 원액을 여과하는 역할을 하며, 보먼주머니는 이렇게 여과된 액체를 받아 세뇨관으로 전달한다. 세뇨관은 길게 이어진 관으로, 근위곡세뇨관, 헨레고리, 원위곡세뇨관, 집합관으로 구분된다. 각 구간은 물질의 재흡수와 분비에 있어 서로 다른 기능을 담당한다.

네프론의 구성 요소를 구조와 위치에 따라 정리하면 다음과 같다.

네프론은 그 구조에 따라 피질 네프론과 근수질 네프론으로 분류되기도 한다. 피질 네프론은 신장 피질에 주로 위치하며, 헨레고리가 짧은 것이 특징이다. 반면 근수질 네프론은 신장 수질 깊숙이까지 뻗은 긴 헨레고리를 가지고 있어, 요액을 농축하는 데 결정적인 역할을 한다.

신장은 심장에서 박출되는 혈액의 약 20~25%를 받아들이는 고혈류 기관이다. 이렇게 많은 양의 혈액 공급은 사구체에서의 고효율 여과를 유지하기 위해 필수적이다.

혈액은 복부대동맥에서 갈라져 나온 좌우 신동맥을 통해 각 신장으로 유입된다. 신동맥은 신장 내에서 점차 가늘어지며, 다음과 같은 순서로 분지한다.

수입소동맥은 사구체 모세혈관망으로 이어져 여과가 일어난다. 여과 후 혈액은 수출소동맥을 통해 빠져나가며, 이는 세뇨관 주변에 조밀한 2차 모세혈관망을 형성한다. 이 모세혈관망은 세뇨관에서 재흡수된 물과 용질을 다시 받아들이는 역할을 한다. 최종적으로 혈액은 소엽간정맥, 호정맥, 신정맥을 거쳐 하대정맥으로 돌아간다.

신장의 혈류는 자동조절 기전에 의해 비교적 일정하게 유지된다. 평균 동맥압이 약 80~180 mmHg 사이에서 변동하더라도 신장 혈류와 사구체 여과율은 안정화된다. 이는 주로 수입소동맥의 평활근이 신장관류압 변화에 반응하여 수축 또는 이완하기 때문이다.

사구체 여과막은 사구체의 모세혈관 벽과 보먼주머니의 내벽이 결합하여 형성되는 세 층의 구조물이다. 이 막은 혈액에서 원뇨로의 여과 과정에서 선택적 장벽 역할을 수행하며, 크기와 전하에 기반한 분자 여과를 가능하게 한다.

여과막은 내피층, 기저막, 상피층의 세 층으로 구성된다. 내피층은 모세혈관 내피세포로 이루어져 있으며, 세포 사이에는 비교적 큰 공극이 존재한다. 기저막은 두꺼운 콜라겐과 당단백질로 구성된 결합 조직층으로, 물리적 여과의 주요 장벽 역할을 한다. 가장 바깥쪽 상피층은 족세포라 불리는 특수한 상피세포로 덮여 있으며, 이 세포들은 발 모양의 돌기(족돌기)를 서로 엮어 작은 틈을 형성한다. 이 틈이 최종적인 여과 공극을 이룬다.

여과막은 분자의 크기와 전하에 따라 선택적으로 통과시킨다. 일반적으로 분자량이 약 7만 달톤 이하인 작은 분자(예: 물, 전해질, 요소, 글루코스)는 자유롭게 통과할 수 있다. 그러나 분자량이 큰 단백질(예: 알부민)이나 혈구 세포는 통과가 제한된다. 또한, 기저막과 족세포 표면에 존재하는 음전하를 띤 당단백질은 혈장 내 음전하를 띤 단백질(예: 알부민)의 통과를 추가적으로 방해하는 전하 장벽 역할도 한다[2].

이러한 구조적, 기능적 특성 덕분에 사구체 여과막은 혈액의 유용한 성분(대부분의 단백질과 혈구)은 보유한 채, 노폐물과 과잉 물질을 효율적으로 여과하여 원뇨를 생성한다.

여과율에 영향을 미치는 주요 요인은 사구체의 혈류량, 사구체 모세혈관 내의 혈압, 그리고 사구체 여과막의 투과성이다. 이 요인들은 서로 상호작용하며, 신장이 체내 환경을 안정적으로 유지하는 데 중요한 사구체 여과율을 결정한다.

사구체 모세혈관 혈압은 입동맥과 출동맥의 상대적인 수축 상태에 의해 정교하게 조절된다. 입동맥이 이완되고 출동맥이 수축하면 모세혈관 내 혈압이 상승하여 사구체 여과율이 증가한다. 반대로, 입동맥이 수축하거나 출동맥이 이완되면 혈압이 하락하여 여과율이 감소한다. 이는 자율신경계와 레닌-안지오텐신-알도스테론 시스템과 같은 호르몬 기전에 의해 조절된다.

사구체 여과막의 투과성은 기저막의 전하와 구조적 무결성에 크게 의존한다. 당뇨병이나 사구체신염과 같은 질환에서는 이 막의 투과성이 비정상적으로 증가하거나 감소하여, 단백질이 누출되는 단백뇨를 유발하거나 여과율을 현저히 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 혈장 삼투압이나 보먼 주머니 내의 압력 변화도 유효 여과압을 변화시켜 여과율에 영향을 미친다[3].

세뇨관에서의 재흡수는 주로 세포막을 가로지르는 능동 수송과 수동 수송의 복합적인 기전을 통해 이루어진다. 사구체에서 여과된 원뇨의 대부분은 신체에 필요한 물과 용질들이므로, 이를 혈액으로 되돌리는 과정은 에너지를 소모하는 능동 수송이 핵심 역할을 한다. 예를 들어, 포도당과 아미노산은 나트륨과의 공수송을 통해, 나트륨 이온은 나트륨-칼륨 펌프를 통해 주로 근위세뇨관에서 재흡수된다.

이 과정은 선택적이며, 각 물질마다 최대 재흡수 한계(운반 최대치)가 존재한다. 재흡수의 구체적인 경로는 세포간 경로와 세포내 경로로 나뉜다. 세포내 경로는 물질이 세뇨관 상피 세포의 관강막을 통과하여 세포 내로 들어간 후, 기저측막을 통해 간질액과 모세혈관으로 이동하는 경로이다. 세포간 경로는 상피 세포 사이의 조밀연접을 우회하여 간질 공간으로 빠져나가는 경로로, 주로 물과 일부 이온의 이동에 관여한다.

재흡수의 효율은 세뇨관의 각 구간마다 다르며, 그 구조와 상피 세포의 기능에 특화되어 있다. 주요 구간별 재흡수 특성을 요약하면 다음과 같다.

이러한 다단계적이고 정교한 재흡수 기전을 통해 신체는 항상성을 유지하기 위해 필요한 물과 전해질, 영양소를 보존하고, 최종적으로 배설될 오줌의 양과 조성을 결정한다.

근위세뇨관에서는 여과액의 약 65-70%에 해당하는 물이 삼투에 의해 수동적으로 재흡수된다. 이는 주로 나트륨 이온이 능동적으로 재흡수되면서 생성되는 삼투압 차이에 의해 이루어진다. 또한, 칼륨 이온, 염화 이온, 중탄산염 이온 등도 다양한 기전을 통해 대부분 재흡수된다.

헨레고리의 하행각에서는 물만이 높은 투과성을 보여 주변 조직액으로 쉽게 이동하지만, 나트륨과 요소는 거의 재흡수되지 않는다. 이로 인해 하행각을 따라 내려갈수록 세뇨관액은 점점 농축된다. 반면, 상행각은 물에 대해 불투과적이며, 나트륨, 칼륨, 염화 이온을 능동적으로 재흡수하여 조직액의 삼투압을 유지하는 데 기여한다.

원위세뇨관과 집합관에서의 물 재흡수는 항이뇨호르몬의 조절을 받는다. 이 호르몬이 존재할 때, 집합관 상피세포에 수분통로인 아쿠아포린-2가 삽입되어 물의 재흡수가 촉진되어 농축된 오줌이 생성된다. 전해질 재흡수는 알도스테론의 영향을 받아 나트륨 재흡수와 칼륨 분비가 증가한다.

이러한 과정을 통해 신장은 체내 수분과 전해질 농도를 정밀하게 조절하며, 과잉 수분은 희석된 오줌으로, 부족 시에는 농축된 소량의 오줌으로 배설한다.

근위세뇨관에서는 포도당, 아미노산, 비타민 등의 유기 영양소가 거의 완전히 재흡수된다. 이 과정은 주로 나트륨과의 공동수송을 통해 이루어진다. 예를 들어, 포도당과 나트륨은 SGLT 수송체를 통해 상피 세포 내로 함께 이동한다. 세포 내로 들어온 포도당은 기저막 측의 GLUT 수송체를 통해 확산에 의해 간질액으로, 최종적으로 모세혈관으로 이동한다. 정상적인 상황에서는 포도당이 모두 재흡수되어 원뇨에 나타나지 않는다.

전해질의 재흡수는 체내 삼투압과 산염기 평형을 유지하는 데 중요하다. 나트륨 이온(Na⁺)은 근위세뇨관에서 가장 활발히 재흡수되며, 그 양은 여과된 나트륨의 약 65-70%에 이른다. 나트륨의 재흡수는 주로 나트륨-칼륨 펌프(Na⁺/K⁺-ATPase)에 의해 생성된 농도 구배를 이용한 이차적 능동수송으로 이루어진다. 칼륨 이온(K⁺)도 대부분 재흡수되며, 염소 이온(Cl⁻)은 나트륨에 이어 전기화학적 구배를 따라 수동적으로 재흡수된다.

이러한 영양소와 이온의 효율적인 재흡수는 체내 균형을 유지하고 에너지원을 보존하는 데 필수적이다. 재흡수 능력의 한계를 넘어서는 물질(예: 혈당 농도가 너무 높을 때의 포도당)은 재흡수되지 못하고 오줌으로 배설된다[4].

세뇨관 분비는 세뇨관 상피 세포가 혈액에서 세뇨관 내강으로 물질을 능동적으로 이동시키는 과정이다. 이 과정은 사구체 여과만으로는 충분히 제거되지 않는 특정 노폐물, 과잉 이온, 외래 물질을 혈액에서 최종적으로 제거하는 데 핵심적인 역할을 한다. 분비는 주로 근위세뇨관과 원위세뇨관에서 일어나며, 집합관에서도 일부 발생할 수 있다.

분비의 주요 대상은 수소 이온(H⁺), 칼륨 이온(K⁺), 유기산, 유기염기, 그리고 약물이나 독소와 같은 외인성 물질이다. 예를 들어, 페니실린이나 히스타민 같은 약물은 주로 세뇨관 분비 경로를 통해 신속하게 배설된다. 칼륨 이온의 분비는 혈중 칼륨 농도를 조절하는 중요한 기전이며, 특히 원위세뇨관과 집합관의 분비 세포에서 알도스테론의 영향을 받아 조절된다.

분비 기전은 일반적으로 능동수송을 포함한다. 세포의 기저막 측에서 혈액으로부터 물질을 흡수한 후, 세포 내 대사를 거쳐 세포의 정단막 측을 통해 세뇨관 내강으로 분비한다. 이 과정에는 특정 운반체 단백질이 관여한다. 유기산과 유기염기의 분비를 위한 전용 운반 시스템이 존재하여 서로 다른 경로로 배설된다[6].

분비 과정은 체내 산-염기 평형을 유지하는 데도 기여한다. 세뇨관 세포는 수소 이온(H⁺)을 분비하여 소변을 산성화시키고, 동시에 중탄산염(HCO₃⁻)을 혈액으로 재흡수함으로써 혈액의 pH를 정상 범위로 유지하도록 돕는다. 따라서 세뇨관 분비는 단순한 배설 기능을 넘어, 체내 환경의 항상성을 정교하게 조절하는 통합적 과정이다.

분비 과정은 세뇨관 상피 세포가 혈액에서 세뇨관 내강으로 물질을 능동적으로 이동시켜 오줌으로 배설하는 기전이다. 이 과정은 사구체에서의 여과만으로는 충분히 제거되지 않는 특정 노폐물이나 과잉 이온을 체외로 배출하는 데 핵심적인 역할을 한다. 특히 근위세뇨관과 원위세뇨관에서 활발히 일어난다.

분비의 주요 대상은 수소 이온(H⁺), 칼륨 이온(K⁺), 유기산, 유기염기, 그리고 일부 약물이나 독소와 같은 외인성 물질이다. 예를 들어, 요소나 크레아티닌과 같은 질소 노폐물은 주로 여과에 의해 제거되지만, 페니실린이나 히스타민 같은 물질은 분비 경로를 통해 더 효율적으로 배설된다. 칼륨 이온의 분비는 혈중 칼륨 농도를 조절하는 중요한 방법이며, 수소 이온의 분비는 체내 산-염기 균형을 유지하는 데 기여한다.

분비 기전은 대부분 능동 수송에 의존한다. 세뇨관 상피 세포의 기저막 측에는 혈액에서 특정 물질을 세포 내로 운반하는 운반체가 존재하며, 내강 측 막에는 이 물질들을 세뇨관 내강으로 배출하는 또 다른 운반체가 있다. 이 과정에는 에너지(ATP)가 소모된다. 분비되는 물질의 종류와 양은 체내 상태에 따라 호르몬을 통해 정교하게 조절된다. 예를 들어, 알도스테론은 칼륨 이온의 분비를 촉진시킨다.

분비 과정의 효율성을 보여주는 지표로 세뇨관 최대 분비 능력(Tm, transport maximum)이 있다. 이는 운반체가 포화 상태에 도달했을 때 단위 시간당 분비될 수 있는 물질의 최대량을 의미한다. 분비 기능의 이상은 특정 약물의 체내 축적이나 전해질 불균형을 초래할 수 있다.

반사류 증배 시스템은 신장의 수질 깊숙이 위치한 헨레고리의 구조적 특성과 기능적 상호작용을 통해 요액을 농축하거나 희석하는 핵심 기전이다. 이 시스템은 헨레고리의 하행각과 상행각이 나란히 배열되어 서로 반대 방향으로 액체가 흐르는 구조를 기반으로 한다. 이 물리적 배열은 삼투와 이온 운반을 효율적으로 결합하여 수질 간질에 점진적인 삼투압 구배를 형성하는 데 기여한다.

시스템의 작동은 헨레고리의 각 부분에서 물과 용질의 선택적 이동에 달려 있다. 하행각은 물에만 투과성이 높아, 삼투압이 높은 수질 간질로 물이 빠져나가면서 관 내 액체의 농도가 점점 높아진다. 반면, 상행각은 물에 투과성이 없지만, 나트륨, 칼륨, 염소 이온 등을 능동적으로 간질로 운반한다. 특히 상행각의 두꺼운 부분에서 일어나는 이온의 능동적 재흡수는 간질의 삼투압을 유지 및 강화하는 동시에, 관 내 액체를 희석시키는 역할을 한다.

이렇게 생성된 삼투압 구배는 집합관에서 최종 오줌의 농도를 결정하는 데 결정적으로 이용된다. 집합관이 수질을 통과할 때, 항이뇨호르몬(ADH)의 존재 여부에 따라 물의 재흡수량이 조절된다. ADH가 분비되면 집합관의 물 투과성이 증가하여, 고삼투압 간질을 따라 물이 재흡수되고 농축된 오줌이 생성된다. 반대로 ADH 분비가 억제되면 물 재흡수가 일어나지 않아 희석된 오줌이 배출된다.

이 시스템의 효율성은 수질에 형성되는 삼투압 구배의 크기에 직접적으로 영향을 받는다. 구배가 클수록 더 많은 물을 재흡수하여 농축된 오줌을 생성할 수 있다. 포유류 중에서도 특히 사막 동물들은 매우 긴 헨레고리를 가져 반사류 증배 시스템의 효율을 극대화함으로써 극한의 환경에서 물을 보존한다.

항이뇨호르몬(ADH) 또는 바소프레신은 시상하부에서 합성되어 뇌하수체 후엽에 저장되었다가 혈장 삼투압이 상승하거나 혈액량이 감소할 때 분비되는 호르몬이다. 이 호르몬의 주요 표적 기관은 집합관과 원위세뇨관의 상피세포이며, 그 주요 기능은 물의 재흡수를 촉진하여 체내 수분을 보존하고 오줌을 농축하는 것이다.

ADH는 세뇨관 상피세포의 기저막에 있는 V2 수용체에 결합하여 세포 내에 아데닐산 고리화효소를 활성화시킨다. 이는 2차 전달자인 순환성 AMP(cAMP)의 농도를 증가시키고, 최종적으로 세포막에 수분통로단백질(AQP-2)이 삽입되도록 유도한다. 이 수분통로단백질이 관강 쪽 세포막에 많아지면, 물이 세포막을 쉽게 통과하여 간질액으로 재흡수될 수 있다. ADH의 분비가 억제되면 수분통로단백질은 세포 내 소포로 다시 들어가고, 물의 재흡수가 감소하여 희석된 오줌이 생성된다.

ADH 분비는 주로 혈장 삼투압에 의해 정밀하게 조절된다. 시상하부의 삼투압 수용체가 혈장 삼투압의 미세한 상승을 감지하면 ADH 분비를 자극한다. 반대로, 혈장 삼투압이 낮아지거나 혈액량이 증가하면(예: 수분을 많이 섭취했을 때) ADH 분비는 억제된다. 또한, 통증, 스트레스, 특정 약물도 ADH 분비에 영향을 미칠 수 있다.

ADH의 분비나 작용에 이상이 생기면 심각한 수분 대사 장애가 발생한다. ADH 분비가 부족한 요붕증에서는 희석된 다량의 오줌이 배출되고, 반대로 ADH가 과다 분비되는 항이뇨호르몬 부적절 분비 증후군(SIADH)에서는 물 재흡수가 과도해져 오줌량이 줄고 혈중 나트륨 농도가 낮아진다.

레닌-안지오텐신-알도스테론 시스템(RAAS)은 혈압, 혈액량, 전해질 균형을 장기적으로 조절하여 오줌의 생성과 배설을 정교하게 통제하는 주요 내분비 경로이다. 이 시스템은 신장의 사구체 근위 세포에서 분비되는 효소인 레닌의 방출로 시작된다. 레닌 분비는 사구체로 유입되는 혈류 감소, 나트륨 농도 저하, 또는 교감신경계의 활성화에 의해 촉진된다.

분비된 레닌는 혈장 내의 안지오텐시노겐을 안지오텐신 I으로 전환한다. 이어서 폐의 혈관 내피에 존재하는 안지오텐신 전환 효소(ACE)에 의해 안지오텐신 I은 활성형인 안지오텐신 II로 변환된다. 안지오텐신 II는 강력한 혈관수축물질로, 말초 혈관을 수축시켜 혈압을 상승시킨다. 또한, 이 물질은 부신 피질을 직접 자극하여 알도스테론의 분비를 유도한다.

알도스테론은 원위 세뇨관과 집합관의 상피 세포에 작용한다. 주요 기능은 이들 세관에서 나트륨 이온(Na⁺)의 재흡수와 칼륨 이온(K⁺)의 분비를 촉진하는 것이다. 나트륨의 재흡수가 증가하면 삼투압 차이에 의해 물의 재흡수도 함께 증가하여, 결과적으로 혈액량이 늘어나고 오줌의 양은 감소한다. 이 시스템은 음성 되먹임 고리에 의해 조절되며, 혈압과 혈액량이 회복되면 레닌 분비가 억제되어 전체 활동이 감소한다.

오줌 생성의 신경 조절은 주로 자율신경계, 특히 교감신경계를 통해 이루어진다. 교감신경 섬유는 신장으로 직접 분포하며, 혈류와 네프론의 기능에 영향을 미친다.

교감신경이 활성화되면(예: 스트레스, 출혈, 저혈압 시) 노르에피네프린이 분비되어 신장 동맥을 수축시킨다. 이로 인해 신장 혈류량과 사구체 여과율이 감소한다. 동시에 근위세뇨관에서 나트륨과 물의 재흡수를 촉진하며, 레닌의 분비를 자극한다. 이는 레닌-안지오텐신-알도스테론 시스템을 활성화하여 혈압을 유지하고 체액량을 보존하는 방향으로 작용한다.

반대로 교감신경 활동이 감소하면 신장 혈관이 이완되어 혈류량과 사구체 여과율이 증가한다. 이는 체액이 과다한 상태에서 배설을 촉진하는 데 기여한다. 이러한 신경 조절은 순환 혈액량과 혈압의 항상성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

신장 기능을 평가하기 위해 사용되는 주요 지표는 사구체여과율(GFR)입니다. 사구체여과율은 단위 시간당 사구체를 통해 여과되는 혈장의 양을 의미하며, 신장의 여과 기능을 직접적으로 반영합니다. 정상 성인의 사구체여과율은 분당 약 90-120 mL 정도입니다. 사구체여과율을 측정하는 가장 정확한 방법은 이눌린 청소율 검사이지만, 임상적으로는 혈청 내 크레아티닌 농도를 이용한 추정 공식(eGFR)이 널리 사용됩니다[9].

혈액 및 오줌 검사를 통해 측정할 수 있는 다른 주요 지표들은 다음과 같습니다.

이러한 지표들은 단독으로보다 종합적으로 해석되어 급성 신손상(AKI)이나 만성 신장병(CKD)의 진단, 병기 분류, 치료 반응 모니터링에 활용됩니다. 특히 추정 사구체여과율(eGFR)은 만성 신장병의 5단계를 분류하는 핵심 기준으로 사용됩니다.

신장 기능 이상으로 인해 오줌 생성 과정에 장애가 발생하면 다양한 질환이 나타난다. 대표적인 질환으로는 급성 신손상, 만성 신질환, 신증후군, 요붕증 등이 있다. 이들 질환은 사구체 여과율의 변화, 세뇨관 기능 장애, 또는 호르몬 조절 이상에 의해 발생하며, 그 결과 오줌의 양과 성분에 비정상적인 변화가 일어난다.

이러한 질환들은 신장의 기본 기능인 여과, 재흡수, 분비 과정 중 하나 이상에 이상이 생겨 발생한다. 예를 들어, 신증후군은 주로 사구체의 여과막 장벽 기능 상실로 인해 단백질이 누출되는 것이 특징이다. 반면, 요붕증은 집합관에서 물의 재흡수를 촉진하는 항이뇨호르몬의 부재 또는 무반응으로 인해 농축된 오줌을 만들지 못한다. 급성 신손상은 세뇨관 괴사 등으로 인해 여과액의 재흡수와 분비 기능이 급격히 저하된다.

오줌 생성 이상은 체내 항상성 유지에 심각한 문제를 일으킨다. 전해질 불균형(예: 고칼륨혈증), 대사성 산증, 체액 과부하 또는 탈수, 그리고 요독증과 같은 노폐물 축적이 발생할 수 있다. 따라서 오줌의 양, 농도, 그리고 성분(단백질, 당, 혈액 세포 등)을 분석하는 요검사는 이러한 질환들을 진단하고 진행 상황을 모니터링하는 데 필수적인 도구이다.