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B978-3-437-58072-7.00002-6

10.1016/B978-3-437-58072-7.00002-6

978-3-437-58072-7

Abb. 2.1

[L106]

Die wichtigsten Funktionsgrößen der NiereNierenfunktionParameter

Abb. 2.2

[L106]

Autoregulation mit Konstanz der GFR

Abb. 2.3

[L106]

Clearance für verschiedene Stoffe

Abb. 2.4

[L106]

Aus Kreatin (links) entsteht durch Zyklisierung Kreatinin (rechts).

Abb. 2.5

[L106]

Resorptionsmechanismen im proximalen Tubulus

Abb. 2.6

[L106]

Rückgewinnung von Bikarbonat durch Ansäuerung des HarnsHarnAnsäuerung; der PhosphatpufferPhosphatpuffer HPO42− verhindert ein Absinken des pH auf < 4,5.

Abb. 2.7

[L106]

Wirkungsweise von Diuretika.DiuretikaWirkungsweise

a In der dicken aufsteigenden Henle-Schleife greifen Schleifendiuretika wie Furosemid an und bewirken eine massive Diurese und Salzausscheidung, daneben aber auch einen Kaliumverlust.

b Im Sammelrohr hemmen Diuretika wie Amilorid die Rückresorption von Na+, jedoch mit dem Risiko einer sich ausbildenden Hyperkaliämie.

Abb. 2.8

[L106]

Symport von Glukose und Natrium und Abgabe ans Blut

Abb. 2.9

[L106]

Ionentransport im Nephron. In der Tabelle werden die Wiederfindungsraten in Prozent der filtrierten Mengen wiedergegeben.

Abb. 2.10

[L157]

Harnsäure

Abb. 2.11

[L106]

OxalsäureOxalsäure

Abb. 2.12

[L157]

Harnstoff

Abb. 2.13

[L106]

Harnstofftransport im Nephron

Abb. 2.14

[L106]

Darstellung der in verschiedenen Anteilen von Tubuluslumen und Sammelrohr verbleibenden Flüssigkeitsmenge (in Prozent des Ultrafiltrats) in ihrem Bezug zur osmotischen Konzentration des umgebenden Interstitiums

Abb. 2.15

[L106]

Synthese von Wasserkanälen infolge der ADH-Wirkung

Abb. 2.16

[L106]

Antidiurese bei Flüssigkeitsmangel

Abb. 2.17

[L106]

Wasserdiurese bei Flüssigkeitsüberschuss

Abb. 2.18

[L106]

Aldosteron

Abb. 2.19

[L106]

Wirkungen der Hormone ADH, Aldosteron und ANP an den Sammelrohren der Niere

Abb. 2.20

[L106]

Komponenten des Gegenstromprinzips (Hst = Harnstoff)

Abb. 2.21

[L157]

Temperaturausgleich zwischen arteriellem und venösem Blut durch das Gegenstromprinzip

Abb. 2.22

[L106]

Gegenstromkonzentrierungsmechanismus der Niere

Abb. 2.23

[L106]

Juxtaglomerulärer Apparat: Glomerulus mit afferenter und efferenter Arteriole (Gefäßpol), distaler Tubulus mit in die Wandung integrierter Macula densa und Renin-bildende Zellen als Bestandteil der Wandung der afferenten Arteriole, mit Kontakt zur Macula densa

Abb. 2.24

[L157]

Verteilung des Körperwassers

Abb. 2.25

[L157]

Verteilung von Ionen (mmol/l) und Proteinen (Näherungswerte – die Literaturangaben schwanken zum Teil erheblich)

Abb. 2.26

[L106]

Modell der Natrium-Kalium-Pumpe in Zellmembranen. Sie befördert unter Spaltung eines ATP-Moleküls 2 K+-Ionen von außen ins Zellinnere und 3 Na+-Ionen von innen nach außen.

Abb. 2.27

[G129]

Modell eines Wasserkanals, der unter Einwirkung von ADH in die Sammelrohre eingebaut wird

Abb. 2.28

[L106]

Wasserströmungen bei verschiedenen Formen der Dehydratation

Abb. 2.29

[L157]

Anpassungsvorgänge der Zellen

Abb. 2.30

[L106]

Überführung der Nahrungsbestandteile in Energie (Wärme und ATP), H2O und CO2

Abb. 2.31

[L190, L252]

Jegliche Nahrung („Substrate“) wird in Säure umgewandelt.

Abb. 2.32

[L190]

Ursachen von pH-Wert-Verschiebungen und ihre Pufferung

Abb. 2.33

[L157]

In der Leber wird Ammoniak an Glutaminsäure gebunden, wodurch Glutamin entsteht.

Abb. 2.34

[L106]

Bildung von Ammoniak aus Glutamin; Pufferung des Urins

Abb. 2.35

[L157]

Harnstoffbildung in der Leber unter normalen Bedingungen (links) und bei Azidose des Serums (rechts)

Abb. 2.36

[L106]

Phosphatpuffer der Niere

Abb. 2.37

[L231]

H+/K+-Antiporter der Sammelrohre

WasserbilanzWasserbilanz

Tab. 2.1
Wasseraufnahme/Tag [l] Wasserabgabe/Tag [l]
flüssige Nahrung ca. 1,3
in feste Nahrung integriert 0,7
Oxidationswasser 0,3
Niere ca. 1,4
Perspiratio (in)sensibilis (Haut + Atmung) 0,8
Darm 0,1

Ionale Konzentrationen in den Räumen des Organismus. Die hinsichtlich der Gesamtosmolarität im Vordergrund stehenden An- und Kationen sind durch Fettung hervorgehoben.

Tab. 2.2
Extrazellulär [mmol/l] Intrazellulär [mmol/l]
Kationen (positiv geladen)
Natrium (Na+) 140 14
Kalium (K+) 4–5 145
Calcium (Ca2+) 2,4 0,0001
Magnesium (Mg2+) 0,9 1,6 (gebunden > 20)
Anionen (negativ geladen)
Chlorid (Cl) 100–110 4
Phosphat (HPO42−) 2 30
Bikarbonat (HCO3) 25 12
Proteine (intravasal) 15
Proteine (interstitiell) 1 55
organische Phosphate wie ATP 6 55

Tagesbedarf der wichtigsten Ionen IonenTagesbedarfNatriumTagesbedarfCalciumMagnesiumKaliumTagesbedarfPhosphatTagesbedarfChloridTagesbedarfIonenKörpergehaltNatriumKörpergehaltCalciumMagnesiumKaliumKörpergehaltPhosphatKörpergehaltChloridKörpergehalt

Tab. 2.3
Ionen (Mineralien) Tagesbedarf Körpergehalt
Natrium (Na+) 2 g (= 5 g NaCl) laut WHO,
550 mg laut DGE
90 g
Kalium (K+) 2 g 200 g
Calcium (Ca2+)
  • 1.000 mg

  • Schwangerschaft, Stillzeit, Osteoporose: 1–1,5 g

1.200 g
Magnesium (Mg2+)
  • 350 mg

  • Schwangerschaft: 350 mg

  • Stillzeit: 400 mg

20 – 25 g
Chlorid (Cl) 3 g (5 g NaCl) laut WHO,
830 mg laut DGE
70 g
Phosphat (H2PO4-) 700 mg 900 g

Tagesbedarf wichtiger SpurenelementeSpurenelementeZinkTagesbedarfSelenEisenKupferIodidChromSpurenelementeZinkKörpergehaltSelenEisenKupferIodidChrom

Tab. 2.4
Ionen (Spurenelemente) Tagesbedarf Körpergehalt
Zink 10 mg 2 g
Selen 1 µg/kg KG; laut DGE 70 µg 20 mg
Eisen
  • 10–15 mg

  • Schwangerschaft: 30 mg

  • Stillzeit: 20 mg

3–5 g
Kupfer 1–1,5 mg 60–100 mg
Iodid
  • 200 µg

  • Schwangerschaft: 230 µg

  • Stillzeit: 260 µg

10–20 mg
Chrom 30–100 µg 6 mg

Urologie - Physiologie

  • 2.1

    Niere21

    • 2.1.1

      Aufgaben21

    • 2.1.2

      Tubuläre Transportmechanismen25

    • 2.1.3

      Harnkonzentrierung33

    • 2.1.4

      Juxtaglomerulärer Apparat39

    • 2.1.5

      Harnpflichtige Substanzen42

  • 2.2

    Salz- und Wasserhaushalt43

    • 2.2.1

      Wassergehalt des Körpers43

    • 2.2.2

      Zusammenhang zwischen Ionen und Wassergehalt44

    • 2.2.3

      Regulierung der Wasserausscheidung48

    • 2.2.4

      Kontrolle des Natriumhaushalts durch die Niere49

    • 2.2.5

      Dehydratation und Exsikkose50

    • 2.2.6

      Übersicht über Bedarf und Körpergehalt wichtiger Ionen und Spurenelemente51

  • 2.3

    Säure-Basen-Haushalt52

    • 2.3.1

      Energiegewinnung52

    • 2.3.2

      CO2 als Säure52

    • 2.3.3

      Säurebildung unter pathologischen Bedingungen54

    • 2.3.4

      Zusätzliche Säuren der Nahrung54

    • 2.3.5

      Puffersysteme55

    • 2.3.6

      pH-Wert des Serums58

    • 2.3.7

      Kaliumstoffwechsel59

Niere

Aufgaben

NiereAufgabenDie Funktion der Niere besteht in der Ausscheidung der sog. harnpflichtigen Substanzen wie Harnstoff, Harnsäure, Kreatinin, Ammonium (NH4+) und unzähligen weiteren Stoffwechselendprodukten oder körperfremden Stoffen, die dem Organismus bei ihrer Anhäufung schaden könnten. Diese Ausscheidung erfolgt v.a. bei Flüssigkeitsmangel der Nahrung in sehr konzentrierter Form, sodass nur geringe Mengen an wertvollem Körperwasser verloren gehen. Sie kontrolliert den Elektrolyt- und Wasserhaushalt sowie das Säure-Basen-Gleichgewicht.
Die beiden Hormone Erythropoetin und D-Hormon (Calcitriol) werden in der Niere gebildet, daneben wie überall im Körper die nur lokal wirkenden Prostaglandine (sog. Gewebehormone). Über das Enzym Renin (manchmal fälschlicherweise als Hormon bezeichnet) ist sie an der Regulierung des Blutdrucks beteiligt, was man v.a. bei ihrem Ausfall oder bei der Stenosierung einer HypertonieNierenarterienstenoseNierenarterie erkennt, wo eine arterielle Hypertonie entsteht (Fach Stoffwechsel, Fach Herz-Kreislauf-System). Schließlich ist die Niere, gemeinsam mit der Leber, auch der wesentliche Abbauort für die meisten Peptid-Hormone.
Ultrafiltrat
Der erste Schritt zur Bereitung Ultrafiltratdes glomeruläre FiltrationHarns besteht in der Filtration des Serums im Glomerulus. Dieses Ultrafiltrat enthält sämtliche Bestandteile des Serums in unveränderter Zusammensetzung bis hin zu einer Teilchengröße mit dem Molekulargewicht von etwa 70.000 Dalton, also der Größe des Albumin bzw., wegen der negativen Membranladungen, unterhalb dieser Größe. Es entspricht damit in seiner Zusammensetzung weitgehend genau der Flüssigkeit, die im gesamten Organismus im Bereich der Kapillaren abgepresst und teilweise (10 %) als Lymphflüssigkeit abtransportiert wird. Die besondere Anordnung der Glomeruluskapillaren,Glomeruluskapillaren die im Gegensatz zu den Körperkapillaren nicht von einem interstitiellen Gewebe, sondern lediglich vom Ultrafiltrat des Bowman-Kapselraums umgeben sind, verhindert die üblicherweise erfolgende Rückresorption. Anstelle der gut 2 l Lymphe, die pro Tag im gesamten Organismus gebildet werden, entstehen so > 170 l als Ultrafiltrat der Nierenkörperchen.
Das entscheidende Element für diese Diskrepanz ist allerdings, dass der Druck am Beginn der kapillären Strecke von den sonst üblichen 30 mmHg auf knapp 50 mmHg erhöht ist, sodass die austreibende Kraft, der hydrostatische Druckhydrostatischer DruckDruckhydrostatischer (= Fließdruck) auch eine größere Flüssigkeitsmenge abfiltrieren muss als in der Mikrozirkulation des restlichen Körpers. Abhängig ist der in den Glomeruluskapillaren ankommende Druck direkt von dem Druck, der in den präkapillären Arteriolen (Vasa afferentes) herrscht. Zusätzlich sorgt die besonders effiziente AutoregulationNierendurchblutung der Nierenarteriolen (Fach Herz-Kreislauf-System) dafür, dass dieser Druck zwischen einemNierenarteriolen systolischen Blutdruck von etwa 80 und knapp 180 mmHg konstant bleibt, sodass auch die Menge der filtrierten Flüssigkeit über diesen weiten Bereich konstant bleiben muss. Bemerkenswert dabei ist, dass diese Spanne die gesamte Bandbreite physiologischer Blutdrücke abdeckt, sodass ausschließlich pathologische Drücke unterhalb 80 und oberhalb 180 mmHg zu pathologischen Filtrationsraten führen können.

Exkurs

Die Autoregulation wird durch den Strömungswiderstand sowohl in den Aa. interlobulares als auch in den afferenten Arteriolen bestimmt und einreguliert, ergänztArteria(-ae)interlobulares (Ren) durch die Funktion der Macula densa (s. später). Dabei springen allerdings die Zwischenläppchenarterien nur dann zusätzlich ein, wenn bei sehr hohen Drücken die afferenten Arteriolen überfordert wären. Verstehen kann man die Autoregulation als Funktion der Gefäßwand, deren Muskelzellen sich bei zunehmenden Drücken kontrahieren und damit das Gefäßlumen verengen auf eine Weise, dass sich Blutdruck und Gefäßwiderstand genau aneinander ausrichten, wodurch am Übergang zu den Kapillaren sozusagen immer dasselbe Blutvolumen ankommt. Bei abnehmenden Drücken vermag das nunmehr erweiterte Gefäßlumen bis zu einem systolischen Druck von 80 mmHg den effektiven Filtrationsdruck stabil zu erhalten, doch ist damit die Arteriole an der Grenze ihrer Regulationsfähigkeit angekommen, weil ihre Dilatation vollständig ist. Noch weiter abfallende Drücke vermindern nun zunehmend den im Glomerulus ankommenden Filtrationsdruck, bis bei einem Blutdruck unterhalb 50 mmHg die Filtrationskraft erloschen ist.

Zwei weitere Faktoren sind dem FiltrationsdruckNiereFiltrationsdruck, effektiver von knapp 50 mmHg entgegengerichtet. DiesFiltrationsdruck, effektiver, Niere ist zum einen der Gegendruck im Bowman-Kapselraum von etwa 13 mmHg, der dadurch zustande kommt, dass das Ultrafiltrat nicht schnell genug in den proximalen Tubulus abfließen kann. Zum anderen ist dies der Druckonkotischeronkotischer Druckonkotische Druck der Serumeiweiße in der Größenordnung von 25 mmHg. Nur die verbleibende Differenz von ca. 12 mmHg (50 mmHg − 13 mmHg − 25 mmHg) stellt damit den eigentlich wirksamen Filtrationsdruck dar. Zusätzlich sinkt dieser Druck im Verlauf der Glomerulusschlingen, weil der hydrostatische Druck durch den Widerstand der Kapillaren zunehmend schwächer wird und weil durch die im Anfangsteil filtrierte Flüssigkeit der relative Anteil der Plasmaproteine soweit zunimmt, dass der onkotische Druck bis auf 35 mmHg ansteigt. Im Ergebnis wird bereits vor dem Ende der Kapillaren kein Ultrafiltrat mehr abgepresst.

Hinweis des Autors

Die Drücke und ihre Veränderungen bzw. Auswirkungen wurden an Rattennieren gemessen und auf menschliche Nieren übertragen. Dies gilt auch für den Bereich der Autoregulation, der eigentlich definitionsgemäß bis zu einem mittleren Blutdruck von 170–180 mmHg wirksam bleiben soll, während die Filtrationsrate danach kontinuierlich ansteigt. Gemessen bzw. hochgerechnet wurden die Filtrationsraten bis über 240 mmHg hinaus.

Das wesentliche Problem bei diesen Definitionen ist der „mittlere Blutdruck“, bei dessen Angabe es sich mit einiger Sicherheit um einen Übersetzungs- oder Übertragungsfehler bzw. letztendlich um ein simples Verständnisproblem handelt, das dann auch weit verbreitet in den Lehrbüchern auftaucht, weil oft genug „einer vom anderen abschreibt“: Ein mittlerer Blutdruck BlutdruckmittlererMitteldruckvon 170–180 mmHg, in aller Regel verstanden als Mitteldruck, entspräche beispielsweise einem Blutdruck von RR 220/130 mmHg, also der Mitte zwischen 220 und 130. Dieser Druck erfüllt beinahe schon das Kriterium einer hypertonen Krise, bei der es z.B. zerebral bereits zu Gefäßzerreißungen kommen kann. Die in den Kurven dargestellten Drücke, bei der Rattenniere auf 240 mmHg hochgerechnet, entsprächen dann einem Mitteldruck von beispielsweise RR 300/180 mmHg. Einen derartigen, von einem menschlichen Herzen kaum und von einem Rattenherzen keinesfalls aufzubringenden Druck würden weder menschliche noch tierische Gefäße überstehen. Genauer: Bei dem Druck, der dabei in den Kapillaren verbliebe, würden dieselben umgehend reißen.

Darüber hinaus ist bekannt, dass beim Menschen die Filtrationsrate in der Niere bereits bei systolischen (!) Drücken von weniger als 200 mmHg deutlich zunimmt und dass davon betroffene Nieren innerhalb weniger Jahre insuffizient werden (Kap. 4.5). Das passt exakt zur Annahme systolischer 180 mmHg als Obergrenze einer funktionierenden Autoregulation. Schließlich sollte man sich daran erinnern, dass sich der Mechanismus der Autoregulation von vornherein nicht auf „mittlere“ Drücke beziehen kann, sondern ausschließlich von der Druckwelle des jeweiligenBlutdrucksystolischer systolischen Drucks abhängig ist, die im Moment des Durchströmens der Arteriole über ihren Druck auf die Media deren automatisierte Gegenreaktion erzeugt. Im Anschluss an das Abströmen des Bolus in die Kapillaren entsteht ebenfalls kein fiktiver „Mitteldruck“, sondern der Druck der Diastole, verbunden mit dem wiederhergestellten Ausgangslumen des betroffenen Gefäßes. Arterielle Autoregulationen werden also grundsätzlich von systolischen Druckwellen und nicht von errechneten Durchschnittsdrücken erzeugt.

Man kann demnach zusammengefasst und im Gegensatz zu üblichen Angaben zwingend davon ausgehen, dass die Autoregulation von A. interlobularis und afferenter Arteriole bis zu einem durchschnittlichen, also individuell auch einmal leicht abweichenden systolischen Blutdruck von 170–180 mmHg wirksam bleibt, um oberhalb hiervon den Filtrationsdruck zunehmend ansteigen zu lassen. Exakt dieselbe Regelung findet sich im Übrigen an den zerebralen Gefäßen, indem dort die Autoregulation auch nach gültiger Definition systolisch bis 180 mmHg wirksam bleibt. Ab einem systolischen Druck von etwa 240 mmHg kommt es im Einzelfall bereits zu Gefäßzerreißungen und damit zum hämorrhagischen HirninfarktHirninfarkt.

Glomeruläre Filtrationsrate
Die Nieren werdenNierenfunktionglomeruläre Filtrationsrate (GFR) von glomeruläre Filtrationsrate (GFR)20 % des HZV, also gut 1 l Blut/min durchspült, entsprechend einer Menge von etwa 600 ml Serum (Plasma). Man kann davon ausgehen, dass 20 % dieses Serums (120 ml) im Glomerulus abgepresst werden (Abb. 2.1). Sinkt der Blutdruck im Schock auf < 80 mmHg, Schockglomeruläre Filtrationsrate (GFR)muss die Menge des Ultrafiltrats abnehmen, weil der erforderliche Anfangsdruck von 50 mmHg in den Glomerulusschlingen nicht mehr erreichbar ist (Abb. 2.2). Entsprechendes gilt für eine pathologische Erhöhung der Serumeiweiße (z. B. beim Plasmozytom) oder auch für einen erhöhten Gegendruck im Bowman-Kapselraum, wie er bei einem Abflusshindernis in den Harnwegen, etwa durch einen Harnleiterstein oder einen Tumor gegeben ist.
Es gilt zu beachten, dass dem Blut der efferenten Arteriole 20 % Serumflüssigkeit fehlen, dass es sich also um eine eingedickte Blutflüssigkeit handelt und dass deren onkotischer Druck zusätzlich auf mindestens 35 mmHg angestiegen ist. Dies erhält seine Bedeutung dadurch, dass die aus diesen Arteriolen hervorgehenden Kapillaren mit den Tubulusabschnitten der zugehörigen Nephrone kommunizieren und deren Wasseranteile mit sehr viel größerer Affinität anziehen als das bei üblichen Körperkapillaren möglich wäre.
Die Menge der filtrierten Flüssigkeit nennt manGFR s. glomeruläre Filtrationsrate glomeruläre Filtrationsrate (GFR). Die GFR beträgt bei physiologischen Blutdrücken und gesunden Nieren konstant etwa 120 ml (100–140 ml) pro Minute, bezogen auf einen „Normmenschen“ mit einer Körperoberfläche von 1,73 m2. 120 ml/min entsprechen einer filtrierten Flüssigkeitsmenge von > 170 l/Tag und damit dem 60-fachen Volumen des insgesamt vorhandenen Serums (= 3 l). Es wird bei einem gesunden erwachsenen Menschen also dessen gesamte Serumflüssigkeit an jedem Tag seines Lebens 60-mal durch die 2 Millionen Glomeruli abfiltriert, also auch 60-mal an einem einzigen Tag gereinigt und von „Schlacken“ befreit. Angefügt sei an dieser Stelle, dass die GFR bei Frauen aufgrund des durchschnittlich kleineren Blutvolumens etwas niedriger liegt (10 %) als bei Männern und dass sie mit zunehmendem Alter bei beiden Geschlechtern abnimmt.
Berechnung der GFR
Die im Glomerulusglomeruläre Filtrationsrate (GFR)Berechnung abfiltrierte Menge an Flüssigkeit lässt sich beim Menschen natürlich nicht direkt messen. Man kann aber in der Kenntnis der weiteren Vorgänge aus dem messbaren Harnvolumen eines Menschen sowie einem zugeführten Stoff, der in der Niere frei filtriert, danach jedoch nicht weiter verändert, nicht rückresorbiert oder zusätzlich sezerniert wird, die GFR berechnen. Substanzen, die in der Niere keinerlei aktiven Vorgängen unterliegen und damit für eine Bestimmung der GFR geeignet sind, sind z. B. Inulin, Natriumthiosulfat, Mannit oder auch das körpereigene Kreatinin.Kreatininglomeruläre Filtrationsrate (GFR)
In der folgenden Formel bedeutet „U“ die Urinkonzentration dieses Stoffes, „V“ das gemessene Harnvolumen und „P“ die zuvor im Plasma erreichte Konzentration:
GFR = U × V / P
Clearance
Man kann eineClearance glomerulär filtrierte Substanz, deren Anteil sich im Serum im selben Maße vermindern muss, wie sie über die Nieren ausgeschieden wird, auch als deren Clearance (Reinigung, Klärung) bezeichnen, da das Blut hierbei von dieser Substanz befreit (gereinigt, „geklärt“) wird.
Die Clearance ist definiert als Plasmamenge, die in der Zeiteinheit von dem zu bestimmenden Stoff befreit wird. Dies muss mengenmäßig exakt der GFR entsprechen, denn alles, was in Ultrafiltrat und Urin erscheint, kann im Plasma nicht mehr vorhanden sein und umgekehrt. Die Clearance wird daher mit derselben Formel berechnet wie die GFR:
C = U × V / P
Zur Bestimmung von GFR bzw. ClearanceNierenfunktionClearance kann man körpereigene, harnpflichtige Stoffe wie HarnstoffHarnstoff-Clearance oder KreatininKreatinin-Clearance benutzen (endogene Clearance), aber auch exogen zugeführte wie InulinInulin-Clearance oder ParaaminohippursäureParaaminohippursäure (PAH) (exogene Clearance). Während sich die GFR auf das filtrierte Volumen bezieht und deshalb nicht von irgendwelchen mitfiltrierten Stoffen abhängen kann, bezieht sich die Clearance auf einen definierten Stoff und muss daher näher bezeichnet werden. Es gibt demnach eine Clearance für Inulin und eine für Kreatinin und ungezählte weitere für ebenso viele weitere Stoffe.
Die Inulin-Clearance entspricht der Kreatinin-Clearance, weil beide Substanzen unverändert im selben Umfang ausgeschieden werden, wie sie im Ultrafiltrat erscheinen (Abb. 2.3). Aus diesem Grund entspricht die Clearance derartiger Substanzen auch der GFR.

Exkurs

Auf die Clearance von z.B. Kreatinin bezogen bedeutet das, dass die ganzen 120 ml Serum, die pro Minute abgepresst werden, von dem zuvor im arteriellen Blut der Nierenarterie vorhandenen Kreatinin „befreit“ wurden, dass sich also die Konzentration im Blut der Nierenvene um 20 % vermindert haben muss. Denn die 120 ml „geklärtes Blut“ entsprechen 20 % der 600 ml Serum, die arteriell zur Niere gelangten. Den Kreatiningehalt des Blutserums kann man messen, ebenso denjenigen des ausgeschiedenen Urins. Wenn man dessen Gesamtmenge in 24 Stunden mit der darin enthaltenen Menge an Kreatinin auf 1 Minute herunterrechnet, erhält man damit die Kreatinin-Ausscheidung/min. Sofern dieselbe 20 % des Serumspiegels beträgt, kann man aus dem bekannten Plasmafluss von 600 ml/min sowohl auf eine Clearance von 120 ml (= 20 %) als auch auf die in diesem Fall identische GFR schließen.

Dagegen ist die ClearanceGlukoseClearance für Glukose eine ganz andere, weil Glukose zwar als kleines Molekül exakt in derselben Konzentration im Ultrafiltrat der Nierenkörperchen erscheint, wie dies der Plasmakonzentration entspricht, danach jedoch vollständig rückresorbiert wird, sodass sie im ausgeschiedenen Urin überhaupt nicht nachweisbar ist. Damit beträgt die Clearance für Glukose 0 (null).
Für Paraaminohippursäure (PAH)PAH (Paraaminohippursäure) PAH s. Paraaminohippursäuregilt, dass sie über die filtrierte Menge hinaus aus Plasma, das die Niere durchströmt, aber nicht abfiltriert wird (600 ml − 120 ml = 480 ml), sogar zusätzlich in späteren Tubulusabschnitten aktiv sezerniert wird.
Die Clearance für AminosäurenAminosäurenClearance liegt entsprechend der Glukose bei null, weil der abfiltrierte Anteil ebenfalls vollständig rückresorbiert wird. Für PAH gilt wegen der fast vollständigen aktiven Sekretion der Faktor 5 (120 ml × 5 = 600 ml = renaler Plasmafluss), sodass im venösen Blut der Niere praktisch nichts mehr von dieser Substanz nachzuweisen ist. Nur für Stoffe wie Inulin oder Kreatinin gilt demnach, dass der Wert der GFR demjenigen ihrer Clearance genau entspricht.
Bestimmung der Nierenfunktion
Mit der ClearanceClearanceNierenfunktionNierenfunktionClearance für eine bestimmte Substanz lässt sich die GFR und damit die Funktion der Niere bestimmen. Die Ermittlung der exogenen Clearance, z.B. für Inulin, ist für den medizinischen Alltag zu aufwendig. Man kann deshalb zur Ermittlung der Nierenfunktion, z. B. bei Verdacht auf eine Niereninsuffizienz, darauf verzichten, weil man mit KreatininKreatinin-Clearance eine körpereigene Substanz zur Verfügung hat, die eine ähnlich genaue Aussage zulässt.
Täglich entstehen im physiologischen Muskelstoffwechsel aus Kreatin,Kreatin dem Energiespeicher des Muskels, durch Zyklisierung 1–1,5 g Kreatinin (Abb. 2.4).Kreatinin Dies ist ein Durchschnittswert, der von muskelarmen Individuen unter- und von besonders muskulösen Menschen überschritten wird. Kreatinin ist für den Muskel nicht wiederverwertbar. Es wird deshalb ans Serum abgegeben und über die Niere ausgeschieden. Daraus folgt, dass die Höhe des Kreatinin-Serumspiegels bei guter Nierenfunktion ausschließlich von der Muskelmasse des betreffenden Menschen abhängt und bemerkenswert konstant bleibt.
Misst man nun den Kreatinin-SerumspiegelKreatinin-Serumspiegel, kann man auf eine Messung im Urin, also die eigentliche Clearance verzichten, weil man von einem normalen Serumspiegel direkt auf eine normale GFR und damit auch normale Nierenfunktion rückschließen kann. Bei einer verminderten Nierenfunktion müsste sich der Kreatinin-Serumspiegel erhöhen. Leider gilt dies nur mit gewissen Einschränkungen, was u.a. mit dem Referenzbereich von Kreatinin im Serum von 0,6–1,2 mg/dl zusammenhängt, weil eine noch wenig ausgeprägte Niereninsuffizienz den Serumspiegel nur innerhalb dieses Normbereichs ansteigen lässt.
Beim Verdacht auf eine beginnende Niereninsuffizienz NiereninsuffizienzKreatinin-ClearanceKreatinin-ClearanceNiereninsuffizienzwird man also um die Berechnung der Kreatinin-Clearance mit Messung in Blut (Entnahme am besten in der Mitte der Urinsammelperiode) und 24-Stunden-Urin (davon 10 ml ans Labor senden) nicht herumkommen, doch bleibt der Kreatinin-Serumspiegel im Hinblick auf Vorsorgeuntersuchungen (Suchtest) trotzdem derjenige Parameter, der am frühesten und sichersten auf eine Niereninsuffizienz hinweist.
Würde man einem muskelarmen älteren Menschen lediglich den unteren Referenzbereich zubilligen und dem muskelstarken Sportler sogar eine leichte Überschreitung der Normgrenze gestatten, ließe sich auf die Bestimmung der Clearance verzichten. Der ältere Mensch mit 1,1 mg/dl Kreatinin befindet sich ungeachtet des Referenzbereichs längst in der Niereninsuffizienz, der muskelbepackte Sportler mit 1,3 mg/dl besitzt trotz Überschreitung der Normobergrenze eine perfekte Nierenfunktion. Dies wird im medizinischen Alltag leider viel zu wenig beachtet, doch gilt dies letztlich für alle Referenzbereiche.
Ist die GFR auf < 50 % abgefallen, ist der Kreatinin-Serumspiegel in jedem Fall erhöht, wenn man von ungewöhnlich muskelarmen, evtl. bettlägerigen Individuen einmal absieht. Ab diesem Ausmaß lässt sich dann auch eine weitere Zunahme der Niereninsuffizienz am weiter ansteigenden Serumwert ablesen, sodass zusätzliche Parameter für eine Verlaufsbeobachtung nicht erforderlich sind. Vernachlässigt werden dabei kleine Abweichungen, die durch aktive Sekretion von Kreatinin bei geschädigten Nieren entstehen. Die Serumwerte können dadurch geringfügig besser erscheinen als der verbliebenen Restfunktion entspricht. Praktische Bedeutung besitzen diese minimalen Abweichungen nicht.

Merke

Als Faustregel kann man sich merken, dass eine Einschränkung der Nierenfunktion, die zu einer Abnahme der GFR auf ⅟10 geführt hat, den Kreatinin-SerumspiegelKreatinin-SerumspiegelNiereninsuffizienzNiereninsuffizienzKreatinin-Serumspiegel auf den 10-fachen Wert ansteigen lässt. Entsprechend würde eine Abnahme auf ¼ den 4-fachen Wert erwarten lassen usw.

Nach sportlicher Betätigung, bei Muskelerkrankungen oder auch einmal nach dem exzessiven Verzehr von gekochtem Fleisch kann der Serumspiegel erhöht sein, weil das Kreatin durch Hitzeeinwirkung schneller zyklisiert und dadurch den Serumspiegel erhöht.
Filtermembran
Die FiltermembranNiereFiltermembran, die den PrimärharnPrimärharn durchlässt, besteht aus 3 Schichten:
  • gefenstertes Kapillarendothel

  • Basalmembran

  • Podozyten als viszerales Blatt der Bowman-KapselBowman-KapselPodozytenPodozyten (Kap. 1.1.6)

Der effektiveNierenkörperchenBasalmembranBasalmembranNierenkörperchen FiltrationsdruckFiltrationsdruck, effektiver, Niere ist das Resultat aus dem glomerulären (arteriellen) Blutdruck, NiereFiltrationsdruck, effektiverdem onkotischen Druck desDruckonkotischeronkotischer Druck Plasmas und dem Gegendruck im Raum der Bowman-Kapsel.
Die Blutzellen werden bereits vom Kapillarendothel zurückgehalten. Obwohl die Poren des Endothels mit 50–100 nm deutlich weiter als üblich sind, gilt dies auch für die großen Plasmaproteine. Wesentlich unterstützt bzw. überhaupt erst ermöglicht wird das Rückhaltevermögen für die üblicherweise negativ geladenen PlasmaproteinePlasmaproteine, Nierenfiltration durch elektrische Wandladungen aller 3 Membranschichten, die durch integrierte, negativ geladene Proteine verursacht werden. Während sich also die negativen Ladungen gegenseitig abstoßen, entgehen ungeladene oder positiv geladene Proteine von der Größe des Albumin diesem „elektrischen Filter“ und werden in großem Umfang glomerulär filtriert. Bedeutung bekommt diese Eigenschaft der Membran bei entzündlichen Erkrankungen wie der Minimal-change-Nephropathie, bei der die Wandladungen verändert sind. Es kommt zu starken Albumin-Verlusten über den Urin (Albuminurie). Vergrößert sich bei einer glomerulären Erkrankung die Porenweite der Filtermembran, können neben großen Globulinen sogar Erythrozyten ErythrozytenNierenfiltrationüber den Harn ausgeschieden werden.
Ergänzt werden soll, dass das MesangiumMesangium nicht einfach nur als Stützgewebe zu verstehen ist. Vielmehr handelt es sich hier um hoch spezialisierte Zellen mit zahlreichen Hormonrezeptoren, die über gap junctions ein funktionelles Synzytium ausbilden, zur Phagozytose und Antigenpräsentation befähigt sind und zusätzlich auch Makrophagen beherbergen. Zwischen ihnen und den anliegenden Endothelzellen gibt es nur die dünne Basalmembran des Endothels, sodass Austauschvorgänge und Beeinflussungen möglich sind. Bei Entzündungen der Niere wie einer Glomerulonephritis oder bei einer vermehrten Ablagerung von Proteinen an den Filterstrukturen ist das Mesangium regelhaft in das Geschehen einbezogen. Seine Proliferation kann u.a. zur Verdrängung von Glomeruluskapillaren führen und damit GFR und Nierenfunktion zusätzlich zu den ursächlichen Faktoren einschränken.

Tubuläre Transportmechanismen

In die Epithelzellen tubuläre TransportmechanismenTubulussystem, NiereTransportmechanismenvon Tubuli und Sammelrohren sind sowohl in die lumenseitige Membran als auch auf der abgewandten Seite (basolateral) eine große Anzahl von Pumpen, Kanälen und Carrier-Systemen eingebaut, die den Primärharn der Nierenkörperchen auf vielfältigste Weise verändern. Man kann sich das Prinzip so vorstellen, dass diejenigen Stoffe, die im Ultrafiltrat zunächst in riesigen Mengen erscheinen, für den Organismus jedoch wesentlich sind wie z. B. Zuckermoleküle, Aminosäuren, Ionen und die riesigen Wassermengen, weitgehend wieder ins Blut rückresorbiert werden, während die im Stoffwechsel angefallenen Endprodukte im Urin verbleiben bzw. sogar zusätzlich in ihn ausgeschieden werden. So erreichen schließlich von den gut 170 l Ultrafiltrat/Tag nur noch bis zu 1,7 l (1 %) die Harnblase und werden ausgeschieden.
Proximaler Tubulus
Der Anfangsteil des proximalen Tubulus, das proximale Konvolut, ist lumenwärts analog zum resorbierenden Dünndarmepithel mit einem dichten Bürstensaum aus Mikrovilli bedeckt, wodurch die innere Oberfläche auf das 30–60-Fache vergrößert wird. Dieser Teil ist ungefähr 1 cm lang. Nimmt man die Oberflächen aller Nephrone dieses Bereichs zusammen, entsteht eine luminale Membranfläche von 40–80 m2. Dadurch besteht die Möglichkeit, bereits in diesem ersten Abschnitt von den > 170 l Primärharn/Tag 110 l Wasser sowie 900 g Kochsalz zu reabsorbieren. Dies entspricht jeweils 60 % der abfiltrierten Bestandteile. Damit diese gewaltige Menge in die basal den Tubuluszellen anliegenden Blutkapillaren (hervorgegangen aus den efferenten Arteriolen) gelangen kann, muss auch die Basalseite der Epithelien zur Oberflächenvergrößerung tief eingefaltet sein (sog. basolaterale Einfaltungen).
Natrium-Kalium-Pumpe
Eine der treibenden Kräfte für den Kochsalz- und WassertransportNatrium-Kalium-PumpeKochsalz- und Wassertransporttubuläre TransportmechanismenNatrium-Kalium-Pumpe ist die Natrium-Kalium-Pumpe (Na+-K+-ATPase). In die basale Membran eingebaut pumpt sie Natrium aus denNa+-K+-ATPase s. Natrium-Kalium-Pumpe Zellen ins Interstitium (neben die Kapillaren) Natrium-Kalium-Pumpeund im Gegenzug Kalium in die Zellen hinein (Abb. 2.5). Die Epithelien verarmen demzufolge an Natrium und häufen Kalium an, das allerdings gleichzeitig über Kaliumkanäle ins Tubuluslumen diffundiert. Dadurch entsteht ein Potenzial, das man auch als elektrochemischen Gradienten beschreiben kann, sodass nun Natrium über seine Kanäle aus dem Tubuluslumen in die Zelle einströmen kann, wobei es adäquate Mengen an Chlorid und Wasser mitnimmt. Zum Betrieb der großen Zahl an Ionenpumpen sind reichliche Mengen an ATP erforderlich. Die Tubuluszellen sind aus diesem Grunde mit zahlreichen Mitochondrien ausgestattet, die überwiegend basal, also in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Pumpen liegen. Die Na+-K+-ATPase des proximalen Tubulus scheint durch das Hormon Aldosteron (Fach Endokrinologie) nicht beeinflusst zu werden.
Passive Diffusion
Durch Lücken tubuläre TransportmechanismenDiffuion, passiveaneinander grenzender Zellen ist Diffusion, passiveeine passive Diffusion von Ionen und Wasser möglich. Die Wandung des proximalen Tubulus ist ein sog. leckes Epithel, sodass zwischen den Ionen des Lumens und denjenigen des peritubulären Interstitiums keine wesentlichen Unterschiede bestehen bleiben können. Dies hat zur Folge, dass mit dem Ausgleich der ionalen Konzentrationen gleichzeitig wiederum adäquate Mengen an Wasser den Tubulus verlassen. Ganz allgemein gilt also für den Anfangsteil des proximalen Tubulus, dass die Resorption von Salz und Wasser eng aneinander gekoppelt sind. Während die Natriumionen überwiegend aktiv ins Interstitium neben die Kapillaren gepumpt werden, folgen die Chlorid-Anionen und die riesigen Mengen an Wasser passiv nach, wobei sie überwiegend durch die Lücken zwischen den Epithelzellen hinausgelangen.
Symport
Ein weiteres System des proximalen TubulusSymportTubulus, proximaler koppelt die Rückresorption von Na+ und Wasser an die Resorption verschiedenster kleinmolekularer Stoffe wie u. a. Glukose (s. unten), Aminosäuren, Vitamin C, Milchsäure oder Phosphat. Diese Stoffe werden als Symporter (Symport-Carrier) bezeichnet, weil ihr aktiver Transport ein automatisches Mitnehmen entsprechender Mengen an Natrium zur Folge hat. Zusätzlich folgt dem Kation Na+ zur Erhaltung der Elektroneutralität sein Anion Cl−.
UniporterUniporter transportieren einzelne Moleküle ohne Mitnahme weiterer Stoffe. Als AntiporterAntiport(er) bezeichnet man Carrier, die gleichzeitig unterschiedliche Moleküle entgegengesetzt durch eine Membran transportieren. Pumpen wie die Natrium-Kalium-ATPase stellen solche Antiporter dar.
Na+-H+-Pumpe
Schließlich existiert im proximalen TubulusNatrium-Kalium-PumpeTubulus, proximaler noch eine Pumpe (Na+-H+-Pumpe), die im Gegenzug zur Natriumresorption Protonen (H+) ins Tubuluslumen sezerniert (Antiporter). Die besondere Bedeutung dieser Pumpe ist darin zu sehen, dass das mit dem Ultrafiltrat dem Serum entzogene BikarbonatBikarbonat (HCO3) mit dem aktiv sezernierten H+ Kohlensäure (H2CO3) bildet, die unter Katalyse der an den lumenseitigen Bürstensaum gebundenen CarboanhydraseCarboanhydrase in CO2 und H2O zerfällt, sodass nun das gasförmige Kohlendioxid passiv in die Tubuluszellen zurückdiffundieren kann (Abb. 2.6). Dort reagiert es mit dem zurückgebliebenen OH wiederum zu Bikarbonat. Bikarbonat wird schließlich aus der Tubuluszelle gemeinsam mit dem rückresorbierten Natrium aktiv ins Serum sezerniert. Auf diese Weise wird der wichtigste PufferPuffersysteme des Serums bereits im proximalen Tubulus weitgehend vollständig (90 %) zurückgewonnen:
Epithelzelle: H2O OH + H+
Tubuluslumen: H+ + HCO3 H2CO3 H2O + CO2
Epithelzelle: CO2 + OH HCO3
Epithelzelle: Na+ + HCO3 NaHCO3 Blut
Dieser häufig auf diese Weise geschilderte Vorgang ist chemisch allein schon deswegen nicht korrekt formuliert, weil beim pH-Wert der Tubuluszellen kein OH entstehen kann. Er wird also korrekter so beschrieben, dass die Tubuluszelle aus dem CO2 des Blutes und ihrer Eigenproduktion mit daraus entstehender Kohlensäure H+ gewinnt, ins Tubuluslumen sezerniert und das gleichzeitig entstandene Bikarbonat ans Blut zurückgibt (Abb. 2.6).
Einstellung des pH-Werts
Die Na+-H+-Pumpe dient nicht nur der pH-WertEinstellungResorption des Bikarbonats. Sie ist darüber hinaus für die Elimination von Stickstoff in der Form des NH4+ sowie für die Ansäuerung des Urins auf einen pH-Wert zwischen 4,5 und 6,5 verantwortlich. AmmoniakAmmoniak (NH3) stellt eine für den menschlichen Körper hochgiftige Substanz dar. Er entsteht überwiegend aus dem Abbau der Aminosäuren und wird in der Leber zu 95 % zu HarnstoffHarnstoff aufgebaut und damit unschädlich gemacht. Geringe Anteile gelangen an Glutaminsäure gebunden (= Glutamin) mit dem Blut zur Niere, werden dort im proximalen Tubulus sezerniert und schließlich zum größten Teil mit dem Urin ausgeschieden. Wäre der Urin nicht sauer, müsste NH3 teilweise in seiner toxischen Form als Ammoniak das Tubulussystem passieren. Durch die Anwesenheit von H+ wird er jedoch zum ungiftigen NH4+-Ion umgewandelt:
NH 3 + H + ( z . B . HCl ) NH 4 Cl ( Ammoniumchlorid ) = NH 4 + + Cl
Die Na+-H+-Pumpe wird durch eine AzidoseNatrium-Kalium-PumpeAzidose des Serums aktiviert und durch eine Alkalose gehemmt. Dies bedeutet einerseits, dass zusätzlich aufgenommene oder im Stoffwechsel entstandene Säuren auch zusätzlich ausgeschieden werden. Andererseits verliert dadurch der Harn bei einer AlkaloseAlkaloseHarnHarnAlkalose des Serums, wie sie u. a. durch eine Hyperventilation, rezidivierendes Erbrechen oder eine „Therapie“ der „Übersäuerung des Organismus“ zustande kommen kann, seine physiologische Ansäuerung und wird neutral oder sogar alkalisch. Dadurch geht der Säureschutz der HarnwegeHarnwege, ableitendeSäureschutz verloren mit dem Ergebnis, dass sich nun bakterielle Erreger ungehindert vermehren und Infektionen der Harnwege oder sogar der Niere verursachen können. Zusätzlich verliert der Organismus dabei Anteile seines Bikarbonats, sodass er in der Folge die physiologischerweise aus jeglicher Nahrung entstehende Kohlensäure nicht mehr zuverlässig abzupuffern vermag. Im schlimmsten Fall ermöglicht gerade der sinnlose Kampf gegen eine „Übersäuerung des Körpers“, die bis dahin gar nicht existierte, das Entstehen einer Azidose.
Wie sehr der pH-Wert des Serums und pH-WertSerumSerum-pH-Wertder Säureschutz der Harnwege evolutionär im Vordergrund gestanden hat, kann man auch daraus ableiten, dass es im Bürstensaum des proximalen Tubulus noch eine weitere Pumpe (H+-Pumpe) gibt, die ganz unabhängig von Natrium Protonen sezerniert, sodass der pH-Wert bereits in diesem Anfangsteil der Harnwege und dies trotz des leicht alkalischen Serum-pH von 7,4 und der in der Form von z.B. Bikarbonat filtrierten Basen auf etwa 6,5 absinkt.
Diese Pumpe existiert auch im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife sowie in den Sammelrohren. Zusätzlich gibt es dort eine dritte Pumpe, die H+ im Austausch gegen Kalium sezerniert (H+-K+-PumpeH+-K+-ATPase). Diese Pumpe dient neben der Ansäuerung des Harns auch dazu, bei einer HypokaliämieHypokaliämie Kaliumverluste über die Niere möglichst gering zu halten (s. später).

Merke

Durch die Aktivität der 3 Protonenpumpen erreicht der Urin letztendlich pH-WertHarnHarnpH-Werteinen pH-Wert zwischen 4,5 und 6,5 (selten bis 7,0). Alles andere ist im höchsten Maße unphysiologisch, wenn man einmal von einer vorübergehend sehr einseitigen, streng veganen Kost absieht, die überwiegend aus Obst, Gemüse und Salaten besteht. Und selbst dabei müsste man noch sehr gezielt auswählen, um den Urin sicher in den alkalischen Bereich zu verschieben.

Physiologischer pH-Wert des Urins

Ursachen

  • Na+-H+-Pumpe des proximalen Tubulus

  • H+-Pumpe des proximalen und distalen Tubulus

  • H+-K+-Pumpe der Sammelrohre

  • zusätzliche Ausscheidung organischer Säuren (Harnsäure, Ascorbinsäure, Ketosäuren, Milchsäure, Säureüberschuss der Nahrung, Medikamente wie ASS)

Physiologische Folgen

  • Säureschutz als Teil des unspezifischen Immunsystems – entsprechend sämtlichen äußeren und inneren Körperoberflächen

  • Umwandlung des toxischen Ammoniak (NH3) in Ammonium (NH4+)

  • Rückgewinnung des Bikarbonat-Puffers

NaCl-Resorption
Bereits bis zum Ende des proximalen Konvoluts NiereNaCl-ResorptionNaCl-Resorption, Nierewurden vom ursprünglichen Ultrafiltrat etwa 60 % Wasser sowie 60 % des filtrierten Natriums und Chlorids aus dem Primärharn entfernt (Abb. 2.9). Weitere 25 % des filtrierten Wassers sowie jeweils ein Drittel der Natrium- und Chlorid-Ionen werden in der Henle-Schleife rückresorbiert:
  • Der dünne absteigende Anteil der Henle-SchleifeHenle-SchleifeReabsorption ist bis zur Schleifenumkehr gut wasserpermeabel, jedoch für Ionen und weitere Moleküle weitgehend undurchlässig. In diesem Tubulusanteil werden etwa 25 % des filtrierten Wassers rückresorbiert, indem sie passiv ins hyperosmolare Milieu des Marks abströmen.

  • Der aufsteigende Teil der Henle-Schleife ist dagegen für Wasser impermeabel, lässt aber die Reabsorption von Natrium und Chlorid zu, sodass allein in diesem Tubulusanteil etwa 30 % dieser Ionen reabsorbiert werden. Die Reabsorption erfolgt im dicken Anteil der Henle-Schleife über einen Na+-K+-2Cl-Cotransporter, also gemeinsam mit Kalium, und ist durch die sog. SchleifendiuretikaSchleifendiuretika wie z.B. FurosemidFurosemid (Lasix® und Generika) hemmbar (Abb. 2.7a). Schleifendiuretika bewirken demnach durch Hemmung dieses Cotransporters neben der erwünschten Natriumausscheidung auch einen Verlust von Kalium in den Urin, sodass eine Hypokaliämie HypokaliämieSchleifendiuretikaentstehen kann. Das besitzt Bedeutung für den medizinischen Alltag und für die Prüfung!

  • Im distalen Konvolut werden weitere 5 % der filtrierten Na+- und Cl--Ionen reabsorbiert, sodass am Übergang in die Sammelrohre nur noch 5 % der ursprünglich filtrierten Natriumionen übrig sind. Die Resorption erfolgt durch einen Transport, der unabhängig von Kalium stattfindet und durch die zweite, medizinisch bedeutsame Diuretika-Klasse, die Thiazid-DiuretikaThiaziddiuretika (HydrochlorothiazidHydrochlorothiazid) hemmbar ist. Thiaziddiuretika rechnet man aus diesem Zusammenhang heraus zu den „Kalium-neutralen Diuretika“. Sie sind unkritisch in der Anwendung und werden besonders häufig eingesetzt, obwohl sie die überragende Wirksamkeit von Furosemid nicht erreichen.

  • In den Sammelrohren werden SammelrohrAldosteron-abhängige Natrium-Kalium-Pumpedurch eine Aldosteron-abhängige Natrium-Kalium-Pumpe, Aldosteron-abhängige Natrium-Kalium-PumpeNatrium-Kalium-PumpeAldosteron-abhängigeabhängig von der zugeführten Menge, nur noch 0,5–5 % der filtrierten Na+- und Cl−-Ionen reabsorbiert. Stimulierbar ist die Reabsorption also (ausschließlich in diesem Bereich) durch AldosteronAldosteron, hemmbar durch die Kalium-sparenden Diuretika vom Typ des AmiloridAmilorid (Abb. 2.7b). Das Aldosteron der NNR regelt demnach die Na+-Reabsorption und K+-Ausscheidung hauptsächlich in den distalsten Abschnitten von Tubulus und v.a. Sammelrohren und besitzt in den proximalen Anteilen keine Wirksamkeit.

Resorption der Glukose
Glukose sowie praktisch alle Glukoseresorption, NiereNiereGlukoseresorptionAminosäuren werden im proximalen Tubulus zu nahezu 100 % rückresorbiert. Neben einem Carrier (SGLT-2), der im proximalen Konvolut den weitaus größten Teil der filtrierten Glukose resorbiert, befindet sich ein weiterer Glukose-Carrier (SGLT-1) zusätzlich im dicken Teil der absteigenden Henle-Schleife. Das Transportmaximum für die beiden Glukose-CarrierGlukose-Carrier im Symport mit Na+ liegt bei einer Serumkonzentration von etwa 180 mg/dl (= 10 mmol/l), weil die Carrier oberhalb dieser Konzentration gesättigt sind (Abb. 2.8). Aus diesem Grund bezeichnet man diese Serumkonzentration als Nierenschwelle für Glukose. Nierenschwelle, GlukoseGlukoseNierenschwelleSteigen also die Serumwerte für Glukose auf > 180 mg/dl, ist das System überfordert. Es kommt zu Glukoseverlusten in den ausgeschiedenen Urin (Glukosurie), Glukosuriewas gleichzeitig den Verdacht auf einen manifesten Diabetes mellitusDiabetes mellitusGlukosurie rechtfertigt. Da die Ursache für den Glukoseverlust im überhöhten Serumspiegel, also vor der Niere zu suchen ist, spricht man von der prärenalen Glukosurie.GlukosurieGlukosurie Dagegen entsteht eine, in der Regel angeborene renale Glukosurie, wenn einer der beiden Glukose-Symporter des proximalen Tubulus einen Defekt aufweist.
Zuckermoleküle binden aufgrund ihrer ausgeprägten Dipol-Momente reichliche Mengen Wasser, sodass beim Überschreiten der Nierenschwelle eine sog. osmotische DiureseDiureseosmotische osmotische Diureseentsteht. Die Polyurie ist gleichzeitig für das Durstgefühl des Diabetikers verantwortlich. Auch ein Übermaß an ausgeschiedenen Ionen, z. B. Ca2+ bei einer Hyperkalzämie, führen zur osmotischen DiureseHyperkalzämieosmotische Diurese.
Die beiden weiteren Zucker, die im menschlichen Organismus neben Glukose eine gewisse Bedeutung besitzen, Fruktose (Fruchtzucker)FruktoseRückresorptionGalaktose, Rückresorption und Galaktose (Teil des Milchzuckers), werden ebenfalls im proximalen Tubulus weitgehend vollständig rückresorbiert. Die Weitergabe der 3 Zuckermoleküle aus den Tubuluszellen ans Blut erfolgt spezifisch über Carrier, wobei dafür allerdings keine Energie in Form von ATP erforderlich ist (sog. erleichterte Diffusion).
Resorption der Aminosäuren
Für AminosäurenAminosäurenResorption, renale gibt es, entsprechend NiereAminosäurenresorptiondem Zottenepithel des Dünndarms, verschiedene Carrier, die jeweils auf eine ganze Gruppe chemisch verwandter Aminosäuren spezialisiert sind und ebenfalls einem Symport mit Na+ unterliegen. Ist eine einzelne Aminosäure einer solchen Gruppe aus irgendwelchen Gründen im Serum pathologisch erhöht, geht nicht nur diese Aminosäure teilweise mit dem Urin verloren, sondern daneben auch weitere Aminosäuren, die an dem gesättigten Gruppen-Carrier nicht mehr gebunden werden können (kompetitive Hemmung). Der Transport aus den Tubuluszellen ins Blut erfolgt wie bei den Zuckern als erleichterte Diffusion.
Die geringen Mengen an AlbuminAlbuminRückresorption und kleineren Eiweißmolekülen wie z.B. Peptidhormonen, die täglich dem glomerulären Filter entgehen, werden weitgehend vollständig durch Endozytose rückresorbiert und in den Tubulusepithelien abgebaut. Der Hormonabbau in der Niere stellt also, im Gegensatz zur Leber, keinen aktiven und gesteuerten Mechanismus dar, sondern entspricht zumindest teilweise eher einem zufälligen Verlust dieser Hormone durch Filtration in den Primärharn.
Andererseits stellt die Endozytose von Proteinen und Peptiden einen aktiven, energieabhängigen Prozess dar. In der luminalen Membran der Tubulusepithelien existieren spezifische Andockstellen u.a. für Albumin oder Insulin, aber auch z.B. für Transportproteine essenzieller Plasmafaktoren wie Transcobalamin (mit B12 = Cobalamin beladen) oder die Transportproteine für Retinol (Vitamin A) oder Calcidiol, das in der Leber hydroxylierte Vitamin D. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass rückresorbierte Vitamine ans Blut weitergereicht werden, während die endokrine Funktion der Niere in Bezug auf das D-Hormon (Calcitriol) Calcitriol (D-Hormon)Rückresorptiondarin besteht, dass die Tubulusepithelien, die das abfiltrierte Calcidiol rückresorbieren, mittels ihrer α-Hydroxylase (Fach Stoffwechsel) zunächst das eigentliche Hormon Calcitriol herstellen, bevor es auf der Rückseite (basolateral) ins Blut entlassen wird. Allerdings ist diese Hormonsynthese rückgekoppelt und an den tatsächlichen Bedarf des Organismus angepasst, sodass bei guter Vitamin D-Versorgung das filtrierte Calcidiol weit überwiegend lediglich einer Transzytose unterliegt und auf diese Weise zurück ins Blut gelangt.

Pathologie

Beim Fanconi-SyndromFanconi-Syndrom, Natrium-Symporter-Störung, das in unterschiedlichen Formen (u. a. als Cystinose) vorkommt, werden infolge einer generellen Störung der Natrium-Symporter Aminosäuren Natrium-Symporterund weitere Moleküle einschließlich Glukose mit dem Harn ausgeschieden.

Calciumtransport
Calcium liegt im Plasma in einerCalciumtransport, NiereNiereCalciumtransport Konzentration von etwa 2,4 mmol/l vor. Der freie, nicht proteingebundene Anteil erscheint im Ultrafiltrat der Niere. Davon werden, ganz analog zum Natrium, im proximalen Tubulus 60 %, in der Henle-Schleife 30 % und in den distalen Abschnitten des Nephron nochmals annähernd 10 % rückresorbiert, sodass mit dem Urin lediglich 1–2 % der filtrierten Menge verloren gehen. Auch der Einstrom in die Tubuluszellen geschieht wie beim Natrium passiv sowohl durch die Interzellularspalten (das „Leck“ im Epithel) als auch über Calciumkanäle, beschleunigt durch den elektrochemischen Gradienten mit negativ geladener Zellinnenseite, während die Ausschleusung aus der Zelle ins Blut aktiv durch eine Pumpe der basolateralen Membran erfolgt, die im Austausch für Calcium Natrium in die Zelle hineinbringt.
Erst im distalen Konvolut wird die Rückresorption in Bezug zum Serumspiegel, aber auch zur Aktivität der Hormone der CalciumhomöostaseCalciumhomöostase gesetzt. Dort existiert eine Calciumpumpe, Calciumpumpedie einschließlich des anschließenden Transports durch die Tubuluszelle hindurch (in Bindung an das spezifische Protein Calbindin [nomen est omen]) durch das D-Hormon (Calcitriol) stimuliert wird. Indem das ParathormonParathormon (PTH) seinerseits die Calcitriol-Synthese in der Niere steigert, bewirken beide Hormone eine gesteigerte Rückresorption von Calcium aus der Niere ins Blut.
Allerdings gehen selbst bei ausreichenden Hormonspiegeln mindestens 200 mg Calcium/Tag verloren, die über die Nahrung ersetzt werden müssen, damit es nicht zu einem zunehmenden Verlust aus dem Knochen kommt. Hierfür sind als Minimum 600 mg/Tag mit der Nahrung zuzuführen, weil das Ion lediglich zu etwa einem Drittel aus dem Darm resorbiert wird. Die von der DGE empfohlene Zufuhr von 1.000 mg/Tag liegt damit im Gegensatz zu einzelnen weiteren essenziellen Nahrungsfaktoren im sicheren Bereich (Fach Endokrinologie).
Magnesiumtransport
Magnesium liegt im Plasma in Magnesiumtransport, NiereNiereMagnesiumtransporteiner Konzentration von etwa 0,9 mmol/l vor, entsprechend dem Calcium teilweise an die Plasmaproteine gebunden. Im Ultrafiltrat erscheinen ca. 0,6 mmol/l.
Bis zum Ende des proximalen Tubulus sind lediglich 25–30 % des filtrierten Magnesiums resorbiert. Der wesentliche Anteil von 50–70 % geht im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife ins Blut über, die noch verbleibenden 2–8 % im distalen Konvolut. Vor allem diese beiden Anteile sind abhängig von der Gesamtsituation des Körper-Magnesiums, werden also den vorhandenen Konzentrationen angepasst, daneben aber auch vom NaCl-Rücktransport beeinflusst. Entsprechend der Situation beim Calcium regulieren die Hormone ParathormonParathormon (PTH), D-Hormon und CalcitoninCalcitonin die Ausscheidungsrate spezifisch am aufsteigenden Schleifenschenkel und v.a. am distalen Konvolut. Zusätzlich existieren an den „Rückseiten“ dieser Zellen (basolateral) Messfühler, mit denen die Serumkonzentration der beiden Ionen gemessen und mit der Ausscheidungsrate in Übereinstimmung gebracht wird.
Ebenfalls der Situation des Calcium (Ca2+) entsprechend liegt die Resorptionsrate von Mg2+ im Dünndarm nur bei rund 33 %, sodass die tägliche Verlustrate von mindestens 100 mg durch eine Nahrungszufuhr von 300–400 mg/Tag ausgeglichen werden muss. Bei einer unphysiologischen Diurese, wie sie u.a. beimDiabetes mellitusMagnesiumverlusteAlkoholabususMagnesiumverlusteFurosemidMagnesiumverluste Diabetiker, bei Alkoholabusus oder reichlichem Kaffeegenuss besteht, ist der Tagesbedarf weiter gesteigert. Dies gilt mindestens im selben Umfang für die Einnahme von Schleifendiuretika wie Furosemid, die neben Kalium offensichtlich auch Magnesium verstärkt zur Ausscheidung bringen. Da die Zusammenhänge im medizinischen Alltag nicht immer beachtet werden, sollte der Heilpraktiker seinen diesbezüglichen Patienten gezielte Ernährungsempfehlungen geben bzw. das Mineral (abhängig vom Serumspiegel) substituieren.

Merke

Die zweiwertigen Kationen Calcium und Magnesium werden hinsichtlich ihrer Resorption im Dünndarm, ihrer Verteilung im Körper – von der teilweisen Bindung an die Plasmaproteine bis hin zum Knochen als Hauptspeicherort, ihrer Beeinflussung v.a. durch die 3 Hormone Parathormon, Calcitonin und D-Hormon, sowie ihrer angepassten Rückresorption im distalen Nierentubulus – weitgehend identisch behandelt.

Kaliumtransport
Kalium wird zu rund 10 % KaliumTransport, renalerNiereKaliumtransportüber den Darm und die Schweißdrüsen ausgeschieden. Die wesentliche Bilanzierung und Einstellung des Serumspiegels (um 4,5 mmol/l) erfolgt allerdings durch die Niere. Daneben wird der Serumspiegel durch einzelne Hormone sowie durch pH-Wert-Verschiebungen des Serums beeinflusst.
Kalium ist das wesentliche Kation des Zellinneren (ca. 145 mmol/l). Weil es für das Ruhepotenzial RuhepotenzialKaliumsämtlicher Zellen, besonders bedeutsam am Herzen, an Nerven und Skelettmuskelfasern, zuständig ist, ist die exakte Einstellung des Serumspiegels lebensnotwendig. Die Niere ist deswegen in der Lage, sowohl auf eine Hyper- als auch auf eine Hypokaliämie zu reagieren und das Ion in einem weiten Rahmen auszuscheiden oder zurückzuhalten (Abb. 2.9).
Im proximalen Tubulus und in der Henle-Schleife werden konstant 85–90 % des filtrierten Kaliums rückresorbiert. Dies erfolgt über Kaliumkanäle sowie parazellulär durch Lücken der angrenzenden Tubuluszellen hindurch, wobei im Wesentlichen der Konzentrationsunterschied zwischen Tubuluslumen und Blut sowie der elektrochemische Gradient mit dem Überwiegen der positiven Ladungen im Tubulus die treibenden Kräfte darstellen.
Im distalen Tubulus und in den Sammelrohren kann Kalium sezerniert werden, sofern Natrium im Austausch resorbiert wird. Dies wird aldosteronabhängig durch die Tätigkeit der Na+-K+-ATPase Natrium-Kalium-PumpeAldosteron-abhängigeAldosteron-abhängige Natrium-Kalium-Pumpebewirkt. Das Epithel am Übergang vom distalen Tubulus zu den Sammelrohren und dasjenige der Sammelrohre selbst besteht aus zwei Zellarten, die als Hauptzellen und Schaltzellen bezeichnet werden. Während die Sekretion von Kalium im Austausch gegen Natrium über die Hauptzellen erfolgt, befindet sich in den Schaltzellen eine Pumpe (H+-K+-ATPase), H+-K+-ATPasedie v.a. auf einen Kaliummangel reagiert und nun Kalium im Austausch gegen H+ aus dem Lumen der Sammelrohre resorbiert. Die mögliche und übliche Konsequenz HypokaliämieAlkalose, metabolischeeiner Hypokaliämie mit Aktivierung dieser Pumpe und zusätzlicher Ausscheidung von Protonen H+ besteht in der Ausbildung einer metabolischen AlkaloseAlkalosemetabolische des Serums. Umgekehrt führt jedoch auch eine anderweitig entstandene Alkalose zu einem vermehrten Verlust von Kalium über die Niere, weil dieser Pumpe nun nicht genügend Protonen zum Austausch gegen Kalium zur Verfügung stehen. Alkalose und Hypokaliämie bedingen sich gegenseitig.
Harnsäuretransport
Harnsäure entstehtHarnsäuretransportNiereHarnsäuretransport aus dem Abbau der PurinePurine wie Adenin und Guanin. Auch das Koffein in Kaffee und Schwarztee ist ein Purin, doch hat dies im Zusammenhang keine Bedeutung, weil es nicht zu Harnsäure abgebaut wird. Den wesentlichen Nahrungsfaktor für die Purine stellen pflanzliche und tierische Zellen dar, wo sie sowohl als Bestandteil der Chromosomen als auch in Form des ATP (Adenosintriphosphat)ATP (Adenosintriphosphat) enthalten sind. Wesentlicher als Nahrungsfaktoren ist allerdings im Hinblick auf die anfallende Gesamtmenge sowie die Höhe des Serumspiegels die Umwandlung körpereigener Purine über Xanthin und Hypoxanthin in das Endprodukt Harnsäure (Abb. 2.10). Zusätzlich zu einer möglichen Fehlernährung oder einem vermehrten metabolischen Anfall findet man bei sehr hohen Harnsäure-Serumspiegeln nahezu immer einen angeborenen Ausscheidungsdefekt über die Niere.
Die Salze der Harnsäure nennt man UrateUrate. Im Serum liegt die Harnsäure überwiegend als Natriumsalz (Natriumurat) vor.Natriumurat
HarnsäureHarnsäure wird als vergleichsweise kleines Molekül zunächst im Glomerulus frei filtriert, anschließend jedoch im proximalen Tubulus vollständig rückresorbiert. Einer sich noch im proximalen Tubulus anschließenden aktiven Sekretion folgt eine erneute, diesmal allerdings unvollständige Reabsorption, sodass mit dem Urin rund 70 % der filtrierten Harnsäure ausgeschieden werden. In geringerem Umfang wird die Harnsäure auch über Galle und Darm aus dem Organismus eliminiert.
Die aktive tubuläre Sekretion betrifft nicht spezifisch die Harnsäure. Vielmehr konkurrieren hierbei weitere organische Säuren um den gleichen Carrier. Dies bedeutet, dass z. B. bei der KetoazidoseKetoazidose (Diabetiker vom Typ 1, bei Alkoholabusus, im Hunger) oder LaktatazidoseLaktatazidose, bei Säurebelastungen des Serums durch AcetylsalicylsäureAcetylsalicylsäure (Aspirin®) bzw. große Mengen an AscorbinsäureAscorbinsäure (Vitamin C) Vitamin C (Ascorbinsäure)oder als Folge einer Diurese (Therapie mit Diuretika) die Harnsäureelimination aus dem Serum abnimmt. Im Ergebnis kommt es zur Erhöhung des DiuretikaHarnsäureeliminationHarnsäureelimination, DiuretikaSerumspiegels (HyperurikämieHyperurikämie).

Pathologie

Sobald das Löslichkeitsprodukt der Harnsäure von etwa 7 mg/dl (gleichzeitig auch die Obergrenze des Normbereichs im Serum) überschritten wird, kristallisiert sie dort zu Uratnadeln, wo die entsprechende Körperflüssigkeit sehr langsam fließt oder sogar zum Stehen kommt (bradytrophe Gewebe wie Gelenkhöhlen, Knorpel oder Schleimbeutel; Fach Endokrinologie). Besonders betroffen sind die kühleren Regionen des Körpers wie z.B. Ohrläppchen oder die Akren (Finger, Zehen), weil die Löslichkeit der Harnsäure dort noch geringer ist als bei den 37 °C des Körperkerns.

In der Niere entsteht darüber hinaus die Situation, dass die Harnsäure infolge der Konzentrierung des Urins entsprechend angereichert wird (bis zum 20-fachen Serumwert), sodass sie in Tubuli, Mark oder NierenbeckenNierensteineUrolithiasis Steine bilden kann. Das tiefe, papillennahe Mark ist v.a. deshalb betroffen, weil dieser Nierenanteil lediglich vom Blut der Vasa recta versorgt wird, das zusätzlich aufgrund seiner Konzentrierung und des Gefäßwiderstands ungewöhnlich langsam fließt. Die Konzentrierung samt kaum noch bewegter Flüssigkeit betrifft auch das zugehörige Interstitium.

Oxalsäuretransport
OxalateOxalate (Abb. 2.11), NiereOxalsäuretransportv.a. als CalciumoxalatCalciumoxalat, sind mit einem Anteil von 60 % an Steinbildungen in Niere und Harnwegen beteiligt. Ähnlich der Harnsäure wird Oxalsäure im proximalen Tubulus sowohl resorbiert als auch sezerniert. Dabei scheint die aktive Sekretion durch denselben Mechanismus zu erfolgen wie diejenige der Harnsäure, also unspezifisch und durch andere schwache Säuren kompetitiv hemmbar. Indem die Sekretion im Allgemeinen die Rückresorption weit überwiegt, wird Oxalsäure im Zuge der Wasserrückresorption zunehmend konzentriert.
Oxalsäure und ihre Salze (Oxalate) sind Nahrungsbestandteile, besonders reichlich enthalten u. a. in Spinat, Rhabarber, Schwarztee, Kakao (Schokolade), Zitrusfrüchten und Nüssen. Eine gleichzeitige Zufuhr von Calcium vermindert durch Bildung unlöslichen Calciumoxalats die Resorption aus dem Dünndarm, bietet also einen Schutz vor der Steinbildung.
Oxalsäure ist gleichzeitig auch ein Zwischenprodukt des (Aminosäuren-)Stoffwechsels und kann bei angeborenen Enzymdefekten in besonders großem Umfang gebildet werden, u. a. auch aus Vitamin C. Eine Ausscheidungsrate von bis zu 40 mg/Tag gilt als physiologisch. Ist die Ausscheidung darüber hinaus gesteigert, kann die Oxalsäure, bevorzugt als Calciumoxalat,Calciumoxalat in den Tubulusepithelien, im Tubuluslumen, im interstitiellen Nierengewebe oder den ableitenden Harnwegen Steine bilden. Mit einem Anteil von 70 % bilden sie den Hauptanteil aller Steine in Niere und Harnwegen (Kap. 4.6).
Harnstofftransport
HarnstoffHarnstoffUrea (Urea; Abb. 2.12) NiereHarnstofftransportHarnstofftransport, Niereist das Endprodukt des ProteineProtein- bzw. Aminosäurenstoffwechsels und sollte nicht mit Harnsäure verwechselt werden. Harnstoff entsteht in der Leber aus AmmoniakAmmoniakHarnstoff bzw. aus den Aminogruppen abgebauter Aminosäuren unter Bindung an HCO3-. Während Ammoniak hoch toxisch für den Organismus ist, ist Harnstoff vollkommen atoxisch und darüber hinaus auch hervorragend wasserlöslich, sodass die „entgifteten“ Aminogruppen in dieser Form von der Leber ins Blut abgegeben und über die Niere aus dem Organismus entfernt werden.
Der Referenzbereich des Serums schwankt in weiten Grenzen (2–8 mmol/l = 12–48 mg/dl), abhängig vom Proteinumsatz bzw. der Proteinzufuhr mit der Nahrung. Als Konsequenz dieser physiologischen Schwankungsbreite ist der Harnstoff-Serumspiegel weit weniger gut als derjenige des Kreatinin zur Überprüfung der Nierenfunktion geeignet.
Harnstoff wird zu einem Anteil von 50 % im proximalen Tubulus rückresorbiert (Abb. 2.13). Dies erfolgt passiv durch Diffusion und erleichterte Diffusion, weil er aufgrund der Rückresorption großer Wassermengen entsprechend konzentriert wurde und sich nun mit dem umgebenden Interstitium austauschen kann. Die folgenden Tubulusanteile einschließlich der Sammelrohre sind für Harnstoff im Wesentlichen undurchlässig; erst im abschließenden, medullären Teil der Sammelrohre findet sich ein aktiver Harnstoff-CarrierHarnstoff-Carrier, der durch die Anreicherung des Interstitiums zum Gegenstromprinzip beiträgt (Kap. 2.1.4).

Harnkonzentrierung

Das Ziel der NiereNiereHarnkonzentrierungHarnkonzentrierung, Niere besteht darin, die Stoffwechselendprodukte umfassend auszuscheiden, unter gleichzeitig möglichst geringen Verlusten an kostbarem Körperwasser. Der Harn muss demzufolge so konzentriert werden können, dass beide Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen sind. Zusätzlich hat die Niere das allgemein gültige Gebot zu beachten, dass der Energieaufwand so klein gehalten werden sollte, wie dies nur eben machbar ist, um dem Organismus auch in Zeiten knappen Nahrungsangebots ein uneingeschränktes Überleben zu sichern.
Proximaler Tubulus
TubulusproximalerVon den 170–180 l Serumflüssigkeit, die pro Tag im Glomerulus abgepresst werden, sind 110 l bereits im proximalen Tubulus wieder rückresorbiert. Durch den ins Tubuluslumen hineinragenden Bürstensaum entsteht hier eine gewaltige resorbierende Oberfläche von 40–80 m2. Das Prinzip besteht im Anfangsteil des Tubulus darin, Natrium aktiv aus dem Tubuluslumen zu entfernen, sodass sowohl die zugehörigen Anionen als auch das osmotisch daran gebundene Wasser passiv und ohne zusätzlichen Energieaufwand nachfolgen können (Abb. 2.14). Auch die für das Überleben des Organismus besonders essenziellen Serumbestandteile wie Aminosäuren oder Glukose und weitere Zucker werden im Rahmen des Symports unter geringstem Energieaufwand ins Nierenblut reabsorbiert.
Kleinmolekulare Serumbestandteile erscheinen im Primärharn nahezu in derselben Konzentration wie im Serum, soweit sie dort nicht an Albumin gebunden sind, wie dies teilweise für Calcium und Magnesium gilt. Im Zuge der Resorption von Natrium, Chlorid und Wasser werden sie nun allerdings zunehmend im Tubuluslumen konzentriert, sodass bereits im proximalen Tubulus für Stoffe wie Harnstoff, Calcium oder Magnesium ein Konzentrationsgefälle entsteht, das aus dem Tubuluslumen zum umgebenden Gewebe hin gerichtet ist. In der Folge dieses Gradienten kann z. B. die Hälfte des Harnstoffs passiv, also ohne Energieaufwand, aus dem Harn ins umliegende Gewebe diffundieren.
Kleinmolekulare Stoffe sind in der interstitiellen Flüssigkeit des Körpers nahezu in derselben Konzentration vorhanden wie im Serum, da sie sich im Bereich der Kapillaren durch die dort vorhandenen Poren vollkommen frei zwischen diesen beiden Räumen bewegen können. Das gilt prinzipiell auch für das interstitielle Nierengewebe, sodass die jeweiligen Konzentrationsgradienten zwischen der Flüssigkeit des Tubuluslumens mit den enthaltenen Molekülen und derjenigen des umgebenden Gewebes grundsätzlich dem entsprechen, was zwischen Tubuluslumen und Blutserum zu erwarten wäre. Von daher wird verständlich, dass Moleküle immer dann automatisch und passiv das Tubuluslumen verlassen, wenn zum einen ein Konzentrationsgefälle besteht und wenn zum anderen die epitheliale Wandung des entsprechenden Tubulusanteils für diese Moleküle auch durchlässig ist. Im Laufe der Evolution mussten also für Moleküle wie Harnstoff nur Feinabstimmungen vorgenommen werden, um in bestimmten Tubulusabschnitten einen Durchtritt aktiv (z.B. über Carrier oder als Symport) oder passiv oder eben auch überhaupt nicht zu ermöglichen, wenn sich daraus Vorteile ergeben sollten.
Transport ins Blut
Stoffe, die aus dem Tubuluslumen ins umgebende Interstitium gelangt sind, müssen letztendlich ins Blut der Kapillaren weiterdiffundieren, wenn das Ganze einen Sinn haben soll. Dieser Übertritt wird durch mehrere Mechanismen ermöglicht, von denen der wichtigste der onkotische Druckonkotischer DruckDruckonkotischer im Gefäßlumen ist. Die Resorption von Salzen einschließlich des nachströmenden Wassers aus dem Tubuluslumen ins peritubuläre Interstitium erzeugt dort einen hohen hydrostatischen bzw. hydraulischen Druck. Die in diesen interstitiellen Raum eingebetteten peritubulären Kapillaren gehen aus den efferenten Arteriolen hervor, woraus sich zweierlei ergibt:
  • Zum einen ist der onkotische Druck dieses Blutes als Folge des Flüssigkeitsverlustes im Glomerulus weit höher als üblich (mindestens 35 mmHg).

  • Zum anderen ist der Fließdruck bei der Passage der efferenten Arteriolen deutlich unter den im Glomerulus herrschenden Druck abgefallen und dies wird im nachfolgenden Kapillarnetz durch deren Widerstand weiter verstärkt.

Durch diese gleichsinnig wirkenden Kräfte wird nun also die aus dem Tubulus reabsorbierte Flüssigkeit mitsamt den gelösten Stoffen ins Gefäßlumen der peritubulären Kapillaren hineingetrieben.
Henle-Schleife
Die Henle-SchleifeHenle-SchleifeResorption zieht haarnadelförmig von der Nierenrinde zum Mark und wieder zurück. Diese besondere Form besitzt in Verbindung mit ihrer wechselnden Durchlässigkeit für Wasser und Salze große Bedeutung im Hinblick auf die Konzentrierung des Urins. Vor allem der absteigende dünne Schleifenschenkel ist für Wasser gut durchlässig, sodass dort über die 60 % Resorption im proximalen Tubulus hinaus weitere 25 % reabsorbiert werden (Abb. 2.14). Dies ist ein rein passiver Prozess, weil im umgebenden Interstitium des inneren Marks, durch den die dünnen Anteile der Henle-Schleife ziehen, eine sehr hohe Osmolarität herrscht, erzeugt durch eine Anreicherung mit Kochsalz und Harnstoff (s. unten). Die Osmolarität dieses Tubulusanteils gleicht sich aufgrund des Wasserausstroms der Umgebung an, sodass bis zur Schleifenumkehr bis zu 1.200 mmol/l bzw. mosmol/l erreicht werden.

Exkurs

Die Einheit Mol bzw. Millimol (mmol) bezieht sich auf die Menge eines Stoffes, die z.B. in 1 l Wasser gelöst ist (mmol/l). Dagegen bezieht sich die Einheit Osmol bzw. Milliosmol (mosmol) pro l auf die Zahl an geladenen Teilchen, die daraus hervorgeht. Da dies an dieser Stelle vergleichsweise überhaupt nichts zum Grundverständnis der Zusammenhänge beiträgt, können die beiden Einheiten auch synonym benutzt werden.

Im aufsteigenden Schleifenanteil sind nur noch 15 % des ursprünglichen Volumens vorhanden. In diesem Anteil erfolgt nun jedoch eine NatriumReabsorptionReabsorption von ChloridReabsorptionNatrium und Chlorid, diesmal ohne begleitende Wasserresorption, weil der gesamte aufsteigende Schleifenschenkel vollkommen wasserundurchlässig ist. Im dünnen Anteil der Schleife kann die Resorption von Kochsalz aufgrund der direkt zuvor erfolgten Anreicherung passiv vor sich gehen, im dicken Anteil der Schleife dann aktiv über den Na+-K+-2Cl-Cotransporter. Insgesamt erfolgt die Resorption so weitgehend, dass bis zum Ende der Henle-Schleife nur noch etwa 8 % der ursprünglich filtrierten Menge an Kochsalz vorhanden sind, wodurch nun eine hypoosmolare Tubulusflüssigkeit entstanden ist. Während die Osmolalität des Primärharns mit 290 mosmol derjenigen des Serums entspricht und im proximalen Tubulus aufgrund der gleichzeitig erfolgenden Resorption von Salzen und Wasser unverändert bleibt, um danach bis zur Schleifenumkehr auf bis zu 1.200 mosmol anzusteigen, fällt sie jetzt auf rund 100 mosmol ab. Aus dem extrem konzentrierten Urin der dünnen Henle-Schleife entsteht im Verlauf des aufsteigenden Schleifenanteils ein extrem verdünnter (hypoosmolarer, hypotoner) Urin.Harnhypoosmolarer, hypotoner
Auf das umgebende Mark bezogen bedeuten diese zwischen Wasser und Salz abwechselnden Resorptionsabschnitte, dass große Mengen an Tubulusflüssigkeit resorbiert wurden, jedoch ohne in der Summe die Osmolarität des umgebenden Interstitiums zu vermindern. Sie wurde sogar eher nochmals erhöht und das Gegenstromprinzip damit stabilisiert, weil der aktive Ionentransport des dicken aufsteigenden Schleifenschenkels sehr umfangreich abläuft. Immerhin wurde dadurch die anfängliche Isoosmolarität des absteigenden Schleifenschenkels zur Hypoosmolarität der Tubulusflüssigkeit im aufsteigenden Anteil der Henle-Schleife, was einen Nettoausstrom von Ionen ins umgebende Interstitium bedeuten muss.
Sammelrohre
Für die nunmehr notwendige KonzentrierungSammelrohrHarnkonzentrierung und Volumenminderung des Urins sind 2 Mechanismen von überragender Bedeutung: Dies ist zum einen die hormonelle Beeinflussung der Sammelrohre und zum anderen das sog. GegenstromprinzipGegenstromprinzip, Niere, NiereGegenstromprinzipdas allerdings bereits in der Henle-Schleife genutzt wurde.
Das System der Sammelrohre ist ohne hormonelle Beeinflussung für Wasser nicht permeabel. Drei verschiedene Hormone, ganz zuvorderst das ADH, greifen hier an und erzwingen die Konzentrierung und Volumenminderung des Harns, notfalls bis auf die physiologisch mögliche Untergrenze von 0,5–0,6 l/Tag. Ohne Anwesenheit oder Wirksamkeit von ADH kann diejenige Urinmenge, die das distale Konvolut verlässt (15 % von 170 l), nicht mehr wesentlich vermindert werden, sodass im Extremfall bis zu 25 Liter pro Tag eines stark hypoosmolaren Urins ausgeschieden werden müssten (= Diabetes insipidusDiabetes insipidus; Fach Endokrinologie).
ADH
ADH (antidiuretisches HormonADH (antidiuretisches Hormon = Adiuretin = Vasopressin) = AdiuretinAdiuretin = VasopressinVasopressin) ist ein Hormon des Hypophysenhinterlappens (= Neurohypophyse)antidiuretisches Hormon s. ADH synthetisiert im Hypothalamus. Seine unter physiologischen Bedingungen einzige Wirkung besteht darin, in den Epithelien der Sammelrohre den Einbau von Wasserkanälen (Aquaporinen) zu induzieren (Abb. 2.15, Abb. 2.19), sodass das Wasser passiv und entsprechend der Osmolarität auf den beiden Seiten des Epithels diese andernfalls undurchdringliche Barriere überwinden kann.

Merke

Im Gegensatz zu den Wirkungen anderer Hormone (Aldosteron, ANP, BNP) ist die Permeabilität für Wasser nicht an Ionen wie Natrium oder Kalium gebunden, sodass deren Gesamtmenge im Harn der Sammelrohre durch ADH nicht verändert wird.

Im Interstitium des tiefen Nierenmarks besteht eine außerordentlich hohe Osmolarität von bis zu 1.200 mosmol. Dies bedeutet, ADH (antidiuretisches Hormon = Adiuretin = Vasopressin)Überschussdass das Wasser bei einem ADH-Überschuss grundsätzlich und so lange aus dem Lumen der Sammelrohre mit ihrem hypoosmolaren Inhalt ins hyperosmolare Interstitium abströmt, bis sich die Osmolarität der intraluminalen Flüssigkeit derjenigen des Interstitiums angenähert hat. Der Urin kann demnach bei einem Flüssigkeitsmangel in der Nahrung bis auf 1.200 mosmol konzentriert werden (Antidiurese; Abb. 2.16). Antidiurese
Andersherum führt die Zufuhr großer Mengen mineralienarmen Wassers zu einem hypoosmolaren Serum mit der Folge einer Hemmung der ADH-Sekretion.ADH (antidiuretisches Hormon = Adiuretin = Vasopressin)Sekretionshemmung Die verminderte, im Extremfall weitgehend fehlende Wasserresorption aus den Sammelrohren bedingt die Ausscheidung eines stark hypoosmolaren Urins, der durch weiteren Entzug von NaCl in den Sammelrohren sogar noch verdünnter ist, als er ohnehin schon aus dem aufsteigenden Teil der Henle-Schleife hervorgegangen ist. Erreichbar sind so Grenzwerte von etwa 50 mosmol/l H2O, wodurch die Niere in der Lage ist, dem Organismus große Mengen überschüssiger Flüssigkeit zu entziehen, ohne gleichzeitig einen Mangel an lebensnotwendigen Stoffen zu erzeugen. Man spricht bei einer solchen WasserdiureseWasserdiurese auch von der Ausscheidung freien Wassers (Abb. 2.17).

Merke

Die ADH-Ausschüttung aus der Neurohypophyse ist nachts gesteigert. Die Folge ist ein im Schlaf volumengeminderter, konzentrierter Urin.

Alkohol hemmt die ADH-SekretionAlkoholabususADH-Sekretion, sodass es zur Diurese eines verdünnten Urins kommt.

Aldosteron
AldosteronAldosteronAldosteron (Abb. 2.18) ist ein Hormon der NebennierenrindeNebennierenrinde, Aldosteron (Fach Endokrinologie). Es wirkt an zahlreichen Organen und Organanteilen. An den Hauptzellen der Sammelrohre stimuliert es, überwiegend im Austausch gegen K+, die Resorption von Natrium und Chlorid (Abb. 2.19), in diesem Fall ohne nachströmendes Wasser, sofern nicht gleichzeitig ADH für den Einbau der erforderlichen Wasserkanäle gesorgt hat. Dem Urin werden also bei Bedarf nahezu alle Ionen entzogen, sodass im Extremfall nur noch knapp 0,1 % der ursprünglich filtrierten Menge an Kochsalz verloren gehen.
ANP und BNP
Das Peptidhormon ANP (= atriales natriuretisches PeptidANP (atriales natriuretisches Peptid)atriales natriuretisches Peptid (ANP),Atriopeptin s. ANP (atriales natriuretisches Peptid) frühere Bezeichnungen: Atriopeptinatriales natriuretisches Peptid (ANP) oder ANH) ANH (atriales natriuretisches Hormon)wird in den Vorhöfen des Herzens dann gebildet und ins Blut sezerniert, wenn dieselben einer erhöhten Wandspannung ausgesetzt sind, bedingt üblicherweise durch ein erhöhtes intravasales Volumen, aber auch bei einem Rückstau vor den Kammern (bei Insuffizienz, Klappenfehlern). Eine seiner Wirkungen besteht darin, die Reabsorption von Natrium samt osmotisch gebundenem Wasser (bei ausreichenden ADH-Spiegeln) in den Sammelrohren zu behindern (Abb. 2.19). Neben dieser direkten Wirkung hemmt es an den afferenten Arteriolen auch die Reninsekretion, sodass die in der Folge beider Effekte einsetzende Diurese das intravasale Volumen vermindert und damit die Vorhöfe entlastet.
Eine ähnliche Wirkung wie ANP besitztBNP (brain natriuretic peptide)brain natriuretic peptide (BNP) das Hormon BNP, das überwiegend aus den Ventrikeln des Herzens freigesetzt wird – ebenfalls bei ihrer Überlastung (Herzinsuffizienz; Fach Herz-Kreislauf-System).
Gegenstromprinzip
Im dicken aufsteigenden Schleifenschenkel wird aktiv NaCl resorbiert (gemeinsam mit Kalium und Chlorid). NiereGegenstromprinzipGegenstromprinzip, Niere Auch im dünnen aufsteigenden Schenkel der juxtamedullären Nephrone mit ihren langen Henle-Schleifen (in den kortikalen Nephronen gibt es keine dünnen Henle-Anteile) wird NaCl resorbiert – in diesem Fall allerdings passiv (s. oben) indem NaCl durch den Wasserverlust im vorangegangenen absteigenden Schleifenschenkel im Tubuluslumen konzentriert wurde und sich nun passiv mit dem umgebenden Interstitium ausgleicht (Abb. 2.20). Ermöglicht wird dies durch die fehlende Wasserdurchlässigkeit des gesamten aufsteigenden Schleifenschenkels (s. oben).

Merke

Im Ergebnis findet über alle Anteile des aufsteigenden Schenkels der Henle-Schleife eine NaCl-Anreicherung des umgebenden Interstitiums statt.

Auch aus den wiederum ins innere Mark absteigenden Sammelrohren wird Aldosteron-vermittelt Natrium ins medulläre Interstitium resorbiert, sodass in der Summe die NaCl-Konzentration in Richtung Papillenspitze zunimmt oder zumindest unverändert hoch bleibt.
In Gestalt des Harnstoffs HarnstoffOsmolaritätserhöhungbeteiligt sich noch ein weiterer Faktor an der Osmolaritätserhöhung des Nierenmarks, ohne den die extreme Osmolarität des papillennahen Marks nicht möglich wäre. Harnstoff wurde bis zum Ende des proximalen Tubulus zu rund 50 % reabsorbiert. Im absteigenden Teil der Henle-Schleife finden keine aktiven Harnstoff-Transportvorgänge statt, während der distale Tubulus sowie die Sammelrohranteile von Rinde und äußerem Mark sogar undurchlässig für Harnstoff sind. Dies bedeutet, dass in der Folge der allgemeinen Harnkonzentrierung auch die Harnstoffkonzentration in Richtung der Papillenspitze immer weiter ansteigt. Dieser letzte Anteil der Sammelrohre ist nun für Harnstoff durchlässig (über einen spezifischen Harnstoff-Carrier),Harnstoff-Carrier was zur Folge hat, dass derselbe sich mit dem umgebenden Interstitium des inneren Marks ausgleicht und damit dessen Osmolarität entsprechend erhöht bzw., sobald dieselbe aufgebaut wurde, stabil hält (Abb. 2.20). Die in Richtung Papillenspitze auf bis zu 1.200 mosmol ansteigende interstitielle Osmolarität wird also zunehmend weniger durch Kochsalz und sehr viel mehr durch Harnstoff verursacht.
Aus den juxtamedullären, an der Grenze zum Mark gelegenen Nephronen gelangt das Blut der efferenten Arteriolen in der Form der arteriellen Vasa recta ins Nierenmark bis in die Nähe der Papillenspitze, um nach der Versorgung des Marks als venöse Vasa recta wieder zur Mark-Rinden-Grenze emporzusteigen und in die Vv. arcuatae entlassen zu werden (Kap. 1.1.5). Das Blut der absteigenden Vasa recta mitsamt dem umfangreichen Kapillarnetz, das sie um Tubuli und Sammelrohre ausspannen, fließt durch ein Gewebe stetig zunehmender Osmolarität. Dementsprechend verliert es auch zunehmend sein Serumwasser, das ins umgebende Gewebe abströmt und dessen Osmolarität Zug um Zug herabsetzt. Würde das Blut über die Papillenspitzen hinaus in Richtung Nierenhilus weiterströmen, könnte das innere Nierenmark seine Konzentrierung nicht erhalten, weil ein andauernder Verdünnungsprozess stattfinden müsste. Stattdessen strömt dieses Blut aber nun die gesamte Strecke wieder zurück in Richtung Mark-Rinden-Grenze, sodass es sich dabei wiederum mit dem umgebenden Gewebe austauschen und sich in seiner eigenen Osmolarität an dasselbe angleichen kann. Im Wesentlichen verlässt das Serumwasser zwar zunehmend die absteigenden Vasa recta, gelangt jedoch im selben Umfang wiederum in die aufsteigenden Vasa recta, sodass die interstitielle Konzentrierung nahezu unbeeinflusst bleibt.
Grundsätzlich entspricht dieses Gegenstromprinzip dem Mechanismus des Wärmeaustauschs zwischen Arterien und Venen in den Beinen von Tieren, die auf kaltem Winterboden stehen und in ihrem Körperkern von der Bodenkälte deswegen kaum verändert werden, weil zwischen dem aus dem Körperkern abströmenden warmen Blut und dem zurückkehrenden Blut der Beine ein andauernder Ausgleich stattfindet, sodass letztendlich das venöse Blut bereits gut vorgewärmt den Körperkern wieder erreicht (Abb. 2.21). Nach demselben Prinzip funktionieren auch die Wärmepumpen.
Das Gegenstromprinzip funktioniert nicht nur in den Beinen der Tiere, in Wärmepumpen und den Vasa recta, sondern es stellt auch das Prinzip der Henle-Schleife dar (Abb. 2.22). Die absteigenden Schenkel, Henle-Schleifeabsteigender Schenkeldie eine gute Wasserpermeabilität besitzen, verlaufen in einem Interstitium zunehmender Osmolarität in Richtung Papillenspitze. Dadurch kann ständig Wasser das Tubuluslumen verlassen, sodass der Harn in Richtung Schleifenscheitel so konzentriert ist, dass nun im aufsteigenden dünnen Anteil der Henle-Schleife NaCl in demselben Umfang passiv das Tubuluslumen verlassen kann, wie die Schleife in nun wiederum weniger hyperosmolare Anteile des Nierenmarks aufsteigt. Am dicken Anteil der Henle-Schleife angekommen, wird dieser passive Resorptionsmechanismus durch einen aktiven Prozess abgelöst, bis der Schleifenurin am Übertritt ins distale Konvolut stark hypoosmolar geworden ist (ca. 100 mmol bzw. mosmol/l).

Merke

Das Gegenstromprinzip bildet einen wesentlichen Faktor der Harnkonzentrierung und dient in erster Linie der Energieeinsparung. Daran beteiligt sind:

  • die Vasa recta mit ihrem Kapillarnetz

  • die langen Henle-Schleifen der juxtamedullären Nephrone

  • die Sammelrohre mit der Kochsalzkonzentrierung des umgebenden Interstitiums

  • die papillennahen Sammelrohre mit der Harnstoffanreicherung des inneren Marks

Nachzutragen bleibt noch, dass zwar die dicken Anteile der Henle-Schleifen für Harnstoff undurchlässig sind, nicht jedoch deren dünne Anteile. Indem gerade die dünnen Anteile besonders tief ins innere Mark mit ihrer hohen Harnstoffkonzentration eintauchen, wird er dort teilweise in die Henle-Schleife resorbiert und erhöht damit zusätzlich die Osmolarität des Tubulusharns. Die in den Sammelrohren erfolgende Harnkonzentrierung führt aufgrund der bereits im Schleifenschenkel erfolgten Harnstoff-Voranreicherung zu einer besonders intensiven Zunahme des osmotischen Gradienten bis zu den distalen Anteilen der Sammelrohre, sodass der Harnstoff diesen Abschnitt in großem Umfang verlassen und sich mit dem interstitiellen Gewebe ausgleichen kann. Man kann also für den Harnstoff eine Art von „Kreislauf“ beschreiben, der vom inneren Nierenmark über die dünnen Anteile der Henle-Schleifen zu den medullären Sammelrohren reicht.

Merke

Wenn der osmotische Gradient zwischen Nierenrinde und Nierenmark erst einmal aufgebaut ist, genügen geringe Mengen an Harnstoff, um ihn zu erhalten. Der größte Anteil des im Primärharn erscheinenden Harnstoffs wird dementsprechend als harnpflichtige Substanz mit dem Urin ausgeschieden.

Juxtaglomerulärer Apparat

Es handelt sich bei diesem „Apparat“ juxtaglomerulärer ApparatFunktionum die Gesamtheit des Gewebes, das sich neben (juxta = neben, daneben) dem Glomerulus befindet (Abb. 2.23):
  • Gefäßpol mit afferenter und efferenter Arteriole einschließlich der Renin-bildenden Zellen in derRenin-bildende Zellen Wandung der afferenten Arteriole

  • Macula densa des distalen TubulusMacula densa

  • extraglomeruläres Mesangium (sog. Polkissen)extraglomeruläres MesangiumMesangiumextraglomeruläres

Die Bedeutung des juxtaglomerulären Apparats liegt in seiner regulativen Funktion in Bezug auf die
  • Durchblutung des Glomerulus

  • Ausscheidung von Natrium

  • Steuerung des Renin-Angiotensin-Aldosteron-SystemsRAAS (Renin-Angiotensin-Aldosteron-System)Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS) (RAAS; Fach Endokrinologie).

Der Druck in den Glomeruluskapillaren und damit die GFR bleibt zwischen einem systolischen Blutdruck von 80 und 180 mmHg weitgehend konstant. Verantwortlich hierfür sind die Aa. interlobulares, die bis zu mäßig erhöhten Drücken mit ihrer Autoregulation dafür sorgen, dass der Druck in den nachfolgenden Gefäßen erhalten bleibt. Bei hohen Drücken beteiligen sich zusätzlich die afferenten Arteriolen an dieser Autoregulation. Erst oberhalb 170–180 mmHg führen darüber hinaus gehende Drücke zu einer Erhöhung der GFR, während unter 80 mmHg die Filtrationsrate abnimmtOligurie (→ Oligurie), um spätestens ab einem systolischen Blutdruck von 50 mmHg (also im Verlauf eines Schocks) vollständig zu versiegen (→ Anurie).
Höhere Drücke in den Kapillaren des Glomerulus führen zu einer Vermehrung des Ultrafiltrats, in der Konsequenz also zur Ausscheidung größerer Flüssigkeitsmengen. Damit wird eine zuvor bestehende Hypervolämie abgemildert und der systolische Hypertonus abgesenkt. Im Gegensatz hierzu wird bei einem Hypotonus von systolisch weniger als 80 mmHg die Menge an Ultrafiltrat und damit auch an gebildetem Harn verkleinert. Dadurch nimmt das intravasale Volumen zu und stabilisiert den systolischen Blutdruck.
Funktionen der Macula densa
Ein weiterer Mechanismus neben der Autoregulation, der die Weite der afferenten Arteriolen und damit auch die GFR beeinflusst, betrifft die Macula densa als Teil des juxtaglomerulären Apparats. Die Zellen der Macula densa sind im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife in die Wandung des Tubulus integriert, und zwar exakt an der Berührungsstelle zwischen distalem Tubulus und afferenter Arteriole sowie den eingeschobenen extraglomerulären Mesangiumzellen.
Die Funktion der Macula densa besteht überwiegend im Messen der Ionenkonzentration des distalen Tubulus v.a. hinsichtlich Na+ und Cl-. Dies geschieht mittels eines Carriers, der im Symport Natrium, Kalium und Chloridionen aus dem durchfließenden Harn ins Zellinnere der Maculazellen transportiert. Ist deren Konzentration erhöht und der Symporter dadurch besonders aktiv, entsteht intrazellulär aus dem gesteigerten ATP-Verbrauch eine zusätzliche Menge an Adenosin, Adenosindas nun seinerseits über gap junctions (verbindende Kanäle) zu den extraglomerulären Mesangiumzellen diffundiert und dort zu einem Calciumeinstrom führt. Die Calciumionen werden auf die Wandung der anliegenden afferenten Arteriole übertragen und drosseln durch Kontraktion der Media-Muskulatur deren Durchblutung, sodass die GFR abnimmt. Je mehr NaCl also im distalen Tubulus ankommt und damit verloren zu gehen droht, desto weniger NaCl wird nun über die Abnahme der GFR des zugehörigen Glomerulus abfiltriert. Zusätzlich ermöglicht der bei abnehmender GFR verlangsamte Flüssigkeitsstrom im Tubulussystem, dass die Rückresorption der Ionen im proximalen Abschnitt über die üblichen 60–65 % hinaus gesteigert wird. In der Konsequenz bedeutet dies, dass eine kochsalzreiche Nahrung auch dann zur Anreicherung des extrazellulären Raumes nebst zugehöriger Volumenzunahme führt, wenn die Grenze der Ausscheidungskapazität für Natrium (29 g/Tag) gar nicht erreicht wird.
Allerdings wirkt eine weitere Funktion der Macula, die noch nicht zuverlässig und endgültig geklärt scheint, diesem Effekt entgegen: Die Calciumionen der Mesangiumzellen erreichen neben den glatten Muskelzellen der Media auch deren granulierte, reninproduzierende Zellen und vermindern dort anscheinend die Reninsekretion. Dadurch sinkt zunächst der Serumspiegel von Angiotensin II – mit der Folge einer weiter reduzierten GFR, weil nun die efferente Arteriole die Hypofiltration nicht mehr auszugleichen vermag. Der abfallende Aldosteronspiegel sorgt zwar an den Sammelrohren für eine gesteigerte Natriumausscheidung und antagonisiert dadurch in sehr geringem Umfang die Abnahme der GFR mit Retention von Natrium und Extrazellulärflüssigkeit. Diesem Effekt dürfte jedoch unter normalen Umständen keine große Bedeutung zukommen, denn die Retention von Natrium und Wasser im Extrazellulärraum führt zur Blutdrucksteigerung und damit ohnehin sekundär zu einer Hemmung des RAAS. Wahrscheinlich sorgt also die direkte Beeinflussung des RAAS durch die Macula densa überwiegend nur für eine Feinabstimmung zwischen einerseits hohen bzw. niedrigen systolischen Drücken und den andererseits gleichzeitig möglichen Abweichungen im Elektrolytgehalt des Serums, also einer Hyper- bzw. Hypoosmolarität.

Pathologie

Im Ergebnis überlistet ein chronisch überhöhter Kochsalzkonsum das System einer angepassten Natriumausscheidung aus dem Körper, sodass es zumindest zu einer gewissen (systolischen) Blutdruckerhöhung kommen muss. Dies gilt verstärkt für Patienten, die der Niere durch eine ununterbrochene Salzzufuhr im Übermaß keine ausreichende Zeit zu dessen Ausscheidung lassen. Hieraus kann man ableiten, dass bei der Behandlung einer essenziellen Hypertonie neben der Reduktion eines erhöhten Körpergewichts zuallererst Wert auf die Restriktion eines übermäßigen Kochsalzverbrauchs gelegt werden sollte. Ein Salzstreuer, der allezeit neben den fertig zubereiteten Mahlzeiten auf dem Tisch steht und kräftig benutzt wird, war evolutionär erkennbar nicht vorgesehen.

Exkurs

Kochsalz warKochsalz in der neueren Menschheitsgeschichte der vergangenen etwa 10.000 Jahre ein kostbares Gut, das über weite Strecken – z.B. über eigene „Salzstraßen“ – transportiert und teilweise durchaus mit Gold aufgewogen wurde. Anscheinend erhielten römische Soldaten einen Teil ihres Solds in Form von Salz. Die „Eichung“ von Mensch und Tier auf das lebensnotwendige Mineral wurde evolutionär mit großem Aufwand betrieben, u.a. mit feinster Regulierung im Hypothalamus, der von Widerwillen bis hin zu unstillbarem Verlangen nach Salzigem alle Nuancierungen schafft, sowie spezifischen Geschmackspapillen der Zunge, die bei einem Salzmangel die Ionen Na+ und Cl jedem 7-gängigen Feinschmeckermenü vorziehen – zumindest so lange, bis der Salzhunger gestillt ist. Insofern kann der naturverbunden lebende und essende Mensch hinsichtlich seiner KochsalzzufuhrKochsalzzufuhr eigentlich nichts falsch machen und er bedürfte erst recht keiner gezielten Empfehlungen.

Nun besteht allerdings ein großes Problem der Neuzeit darin, dass zahlreiche Lebensmittel mit Kochsalz angereichert werden und dass das nicht unbedingt spezifisch wahrgenommen werden muss. Oftmals schmeckt es als Konsequenz vielfältiger Anreicherungen einfach nur besonders gut. Übermäßig große Mengen an NaCl finden sich z.B. in Brot, Käse und Wurstwaren. Zusätzlich existieren diesbezüglich keine Angaben auf den Verpackungen, an denen man sich orientieren könnte, weil entsprechende Verordnungen fehlen. Die Empfehlungen von WHO (5 g/Tag) und ganz besonders DGE hinsichtlich einer empfohlenen Kochsalzzufuhr sind aus diesem Grund weitgehend sinnlos. Sie veranlassen hypertone Patienten im besten Fall zum sparsamen Gebrauch des Salzstreuers – ohne jede Gewähr, dass das der WHO-Empfehlung gerecht wird. Die DGE-Empfehlungen sind glücklicherweise ohnehin nicht erreichbar. Diese Gesellschaft nennt doch tatsächlich als Schätzwert für eine minimale tägliche Zufuhr beim Erwachsenen 1,4 g Kochsalz! Zu allem Überfluss wird dann bei der Umsetzung in den Alltag der Bevölkerung aus der „minimalen Zufuhr“ eine allgemeine Empfehlung abgeleitet, sodass diese Zufuhr als wünschenswert erachtet wird.

Besonders salzreiche Nahrungsmittel sind

  • alle industriell verarbeitetensalzarme/salzreiche NahrungsmittelNahrungsmittelsalzarme/salzreiche Fleischerzeugnisse; dies gilt nicht für Fleisch „im Originalzustand“

  • fast alle Käsesorten

  • alle Brotsorten

  • Pizza

  • Seefisch (auch unverarbeitet)

  • haltbare Fertiggerichte, Suppen, Saucen

Besonders salzarm sind dagegen

  • Obst und Gemüse

  • Beilagen wie Kartoffeln und Getreideprodukte

  • Hülsenfrüchte

Relativ neu (und möglicherweise in der Prüfung noch nicht angekommen) ist die Erkenntnis, dass nicht nur eine erhöhte, sondern auch eine verminderte Salzzufuhr zu einem erhöhten Risiko für Herzinfarkt und Schlaganfall führt. Die umfangreichste der zu diesem Thema durchgeführten Studien (2016 vorgestellt) bezog über 130.000 Studienteilnehmer aus 50 Ländern ein. Danach hatten Personen mit einer täglichen Salzaufnahme zwischen etwa 7 und 13 g die niedrigste Sterblichkeitsrate, während dieselbe unterhalb 7 g und oberhalb etwa 15 g analog zur gesteigerten Zahl an Infarkten und Schlaganfällen anstieg. Dies galt nicht nur für normotone Personen, sondern sogar für Hypertoniker selbst bei einer zu geringen Salzaufnahme. Das bedeutet einerseits, dass der Deutsche mit seiner durchschnittlichen Salzaufnahme von 10–12 g/Tag optimal versorgt ist (im Durchschnitt der Bevölkerung!) und andererseits, dass die Obergrenze von 5 g NaCl/Tag, die von der WHO empfohlen wird, künftig eher als Untergrenze einer wünschenswerten Salzzufuhr verstanden werden muss. Patienten mit arterieller Hypertonie sollten sich vorsichtshalber eher an 7 g/Tag orientieren, normotone Menschen liegen im Bereich zwischen 7 und 13 g immer richtig, während hypotone Personen versuchen sollten, möglichst oft den oberen Grenzbereich zu erreichen, um dadurch ihren Blutdruck zu stabilisieren. Erklären lässt sich dieser zunächst ungewöhnlich scheinende Zusammenhang folgendermaßen:

Die tägliche Ausscheidungsrate der Niere liegt bei 1–1,5 l mit einer durchschnittlichen Osmolarität von etwa 1,020. Dies entspricht der Ausscheidung von 10–12 g Kochsalz und damit der durchschnittlichen Salzaufnahme. Bei stark schwitzenden Menschen ist die Ausscheidung über die Niere um den entsprechenden Betrag gemindert. Der Verlust über den Darm braucht bei fehlenden Besonderheiten nicht berücksichtigt zu werden. Das Minimum an Kochsalz, das die Niere ausscheiden muss, um eine tägliche Flüssigkeitszufuhr von insgesamt etwa 2 l (einschließlich dessen, was in fester Nahrung enthalten ist) aus dem Organismus auszuscheiden, liegt bei > 1 g, also bereits in der Nähe der DGE-Empfehlung. Dazu addieren sich Verluste über Haut und Darm, die bei derart geringen Mengen anteilig durchaus Bedeutung erhalten. Dies wird später genauer besprochen (s. Natriumbilanz).

Von überragender Bedeutung ist nun, dass das, was die Niere in vorübergehenden Notsituationen und bei jungen Menschen „kann“, mit physiologischen Alltagsbedingungen nichts zu tun hat. Das hormonelle System befindet sich im Gleichgewicht, wenn die Umweltbedingungen damit harmonieren. Dies schließt sowohl die Nahrung als auch das Vegetativum mit ein und es bezieht sich u.a. auf die Serumspiegel von ReninRenin, ADH und AldosteronAldosteron, ihre Beziehungen zum Sympathikus, einem kräftig schlagenden Herzen und gesunden Nieren.

Der Europäer nimmt im Durchschnitt 7–13 g Kochsalz/Tag zu sich, „erstaunlicherweise“ also exakt so viel, wie laut aktuellen Studien dem Optimum entspricht! Eingeschlossen in diese Durchschnittswerte sind selbstverständlich auch die sich besonders gesund ernährenden Südeuropäer mit ihrer geringen Rate an Infarkten von Herz und Gehirn. Wenn eine Salzzufuhr von mindestens 7 g/Tag einen ausgewogenen Hormonspiegel erzeugt, dann bedeutet dies, dass eine Niere, die mangels Zufuhr weniger ausscheiden darf, dafür einen höheren Aufwand betreiben muss. Anders formuliert: Eine am Übergang zu den Sammelrohren ankommende Natriummenge von 29 g/Tag bedarf bei einer weit überhöhten Salzzufuhr überhaupt keines Aldosterons, um bis auf einen kleinen Rest ausgeschieden zu werden, während sich seine Produktion in der Zona glomerulosa bei einer Kochsalzzufuhr von 1,5 g sozusagen am Anschlag befindet. Je mehr sich demnach die Kochsalzaufnahme auf der Skala zwischen den beiden Extremen diesem Minimum annähert, desto höher muss der Aldosteron-Serumspiegel liegen. Die Ausrichtung an den extremen Vorgaben der DGE bedeutet in Übereinstimmung mit den evolutionären Vorgaben überhöhte Spiegel an Renin, Angiotensin II, Aldosteron und ADH sowie einen Sympathikus, der gewissermaßen rund um die Uhr weit aktiver ist als physiologisch notwendig.

In der Konsequenz erzeugt dies, ganz abgesehen von der an die Aldosteron-ExtremspiegelHypokaliämieAldosteron-ExtremspiegelAlkaloseAldosteron-Extremspiegel gebundenen Hypokaliämie und Alkalose auch vorzeitige Verschleißerscheinungen an etlichen Organen, z.B. an Herz (Fibrosierung) und Gefäßen (vermehrte Tonisierung) in der Folge direkter Angiotensin- und Aldosteronwirkungen. Aus dem reaktiv erhöhten ADH-SerumspiegelHypoosmolaritätADH-Serumspiegel, erhöhter erwächst die Gefahr einer Hypoosmolarität. An der Niere kommt es zu einer vorzeitigen Insuffizienz, Niereninsuffizienzweil Angiotensin II Angiotensin IIdie efferenten Arteriolen verengt und durch den Rückstau in die Glomeruluskapillaren eine Hyperfiltration bewirkt, aus der eine Glomerulosklerose Glomerulosklerosehervorgehen kann, sofern sie chronisch wird (s. später). Die Blutdrucksteigerung als Folge erhöhter Angiotensin-II-Serumspiegel sowie des aktivierten Sympathikus erklärt, warum bei niedriger Kochsalzzufuhr nicht nur die Gesamtsterblichkeit zunimmt, sondern auch die Zahl an Herzinfarkten und Schlaganfällen. harnpflichtige SubstanzenHarn24-Stunden-Urin;Stunden-Urin, Bestandteile

Harnpflichtige Substanzen

Renaler Anteil an der Gesamtausscheidung aus dem Körper in %
Ammoniumionen 100
Calciumionen 30
Chlorid 95
Harnsäure 70
Harnstoff 80
Kaliumionen 90
Kreatinin 95
Magnesiumionen 40
Natriumionen 95
Phosphat 65
Wasser 60
Wasserstoffionen 95 (ohne CO2)
Hauptbestandteile des 24-Stunden-Urins
Harnstoff 30–40 g
Kreatinin ca. 1,5 g
Gesamtprotein < 150 mg
Albumin < 30 mg
Aminosäuren 800 mg
Harnsäure 500 mg
Glukose 70 mg
Natrium 60–200 mmol
Kalium 30–100 mmol
Calcium 2,5–6 mmol
Magnesium 1–10 mmol
Ammonium 30–40 mmol
Chlorid 120–240 mmol
Phosphat 15–30 mmol
Sulfat 18–22 mmol
Insgesamt werden pro Tag etwa 600 mosmol harnpflichtiger Substanzen ausgeschieden, enthalten z.B. in einem Minimum von 0,5–0,6 l Harnvolumen.

Zusammenfassung

Physiologie der Niere

Ultrafiltrat

  • GFR = 120 ml/min = 170–180 l/Tag, konstant bei einem mittleren (systolischen) Blutdruck zwischen 80 und ca. 170 mmHg (Autoregulation)

  • sinkt ab bei Blutdruckabfall < 80 mmHg, Erhöhung der Serumeiweiße, erhöhtem Gegendruck im Bowman-Kapselraum (Abflusshindernis in den Harnwegen)

Ausscheidung

  • ca. 1,5 l/Tag (1 ml/min) = 1 % der GFR

Bestimmung der Nierenfunktion

  • Kreatinin-Clearance

  • ausreichende Näherung: Serumkreatinin (Referenzbereich 0,6–1,2 mg/dl)

Proximaler Tubulus

  • > 60 % Rückresorption von Wasser und Salzen

  • aktive Ausscheidung von Säuren (Na+-H+-Pumpe, H+-Pumpe, organische Säuren)

  • Rückgewinnung des Bikarbonat-Puffers

  • vollständige Rückresorption von Aminosäuren und Glukose (bis zur Nierenschwelle von 180 mg/dl); bei Sättigung beider Glukose-Carrier: osmotische Diurese

Henle-Schleife

  • absteigender Teil: wasserdurchlässig

  • aufsteigender Teil: wasserundurchlässig, Rückresorption der Ionen Na+, K+, Cl, Ca2+, Mg2+

Sammelrohr

  • in Abhängigkeit von ADH theoretische Schwankungsbreite der Wasserausscheidung zwischen 0,5 und 25 l/Tag

  • Aldosteron-abhängige Natriumrückresorption

  • K+-H+-Pumpe

Harnkonzentrierung

  • maximal bis zur Osmolarität des papillennahen Nierenmarks (= 1.200 mmol bzw. mosmol/l)

  • Osmolarität aufgebaut und erhalten durch Gegenstromprinzip; beteiligte Substanzen: NaCl und v.a. Harnstoff

Juxtaglomerulärer Apparat

  • besteht aus dem Gefäßpol (afferente Arteriole mit Renin-bildenden Zellen, efferente Arteriole, extraglomeruläre Mesangiumzellen) und den Zellen der Macula densa in der Wand des distalen Tubulus

  • Funktion: Ziel einer minimierten Natriumausscheidung, Drosselung der Durchblutung des Glomerulus, Aktivierung des RAAS (→ Rückresorption von Na+)

Salz- und Wasserhaushalt

Einführung

Jedes LebewesenSalzhaushaltWasserhaushalt benötigt um seine Zellen herum eine Hülle aus Wasser, in dem diejenigen Stoffe gelöst sind, die für den Erhalt und die Lebensprozesse dieser Zellen benötigt werden. Beim einzelligen Lebewesen, das als erste Lebensform vor ca. 3,5 Milliarden Jahren entstanden ist, war dies das Meer mit seinem weitgehend konstanten Gehalt an Ionen (überwiegend Natrium und Chlorid als NaCl = Kochsalz) und Nährstoffen. Die Zelle konnte die benötigten Nährstoffe sowie die Abfallprodukte direkt über die Zellmembran austauschen, wobei aufgrund der unerschöpflichen Wassermenge deren Gehalt an Stoffen und damit auch das Milieu, in dem sich die Zelle befand, konstant blieben.

Vielzellige Lebewesen wie der Mensch haben an diesem Grundprinzip nichts verändert. Nach wie vor schwimmen die einzelnen Zellen in einem Wassermantel, dessen Gehalt an Ionen und Nährstoffen konstant bleibt. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass das ehemals äußere Milieu nun in die vielzelligen Lebewesen integriert werden musste, damit die Zellen und Gewebe des Körperinneren direkten Zugang dazu erhalten. Der Mensch hat sich also sozusagen das Meer, in dem seine Vorfahren schwammen, einverleibt und trägt es seither in sich selbst. Als ehemaliges Meer kann man den interstitiellen Raum betrachten, in den die Zellen eingebettet sind.

Um diese Wasserhülle in seiner Zusammensetzung konstant zu erhalten, wurde ein Blutgefäßsystem entwickelt, aus dem der interstitielle Raum gespeist wird und mit dem er einen nahezu einheitlichen Raum bildet. Das Blutplasma unterscheidet sich von der Flüssigkeit des Interstitiums im Wesentlichen nur in Bezug auf die großen Eiweiße, die das Gefäßsystem nur in geringem Umfang zu verlassen vermögen. Dagegen verteilen sich die kleineren Moleküle und Ionen frei und weitgehend gleichmäßig auf beide Räume. Dadurch bedingt werden die zellulären Abfallstoffe aus dem Interstitium anteilmäßig ins Blut übernommen und können von dort aus über Niere, Darm, Lunge (CO2) und Haut (Schweiß) aus dem Gesamtorganismus ausgeschieden werden.

Entsprechend werden die benötigten Nährstoffe aus Darm und Lunge (O2) ins Blut aufgenommen, gehen anteilsmäßig in die interstitielle Flüssigkeit über und stehen damit auch den Zellen zur Verfügung. Wesentlich ist demnach lediglich die Konstanz der Zusammensetzung des Blutes, weil dieselbe die Konstanz des Interstitiums zur Folge hat. Zahlreiche Hormone und Strukturen beschäftigen sich ausschließlich mit der Zusammensetzung des Blutes und garantieren dadurch die Konstanz der Nährlösung, in welche die Zellen eingebettet sind.

Wassergehalt des Körpers

Merke

Der Erwachsene besteht WasserGehalt im Körperzu durchschnittlich 50–60 % seines Körpergewichtes (KG) aus Wasser.

Beim Mann sind es rund 60 %, während bei der Frau in Folge des geringeren Muskel- und größeren prozentualen Fettanteils nur etwa 50 % erreicht werden. Diese Relation gilt dementsprechend auch für adipöse, muskelarme Männer. Ursächlich für diesen allgemeingültigen Zusammenhang ist, dass Zellen, die der Fettspeicherung dienen, wesentlich weniger Wasser als andere Zellen enthalten (nur rund 20 %), weil sie um ihren zentralen Kern aus Triglyceriden herum einen nur sehr schmalen zytoplasmatischen Saum aufweisen. Man kann deshalb ganz allgemein den Wassergehalt eines Lebewesens recht genau seinem Körperfettanteil zuordnen.
Beim Kleinkind geht man von einem Anteil von 70 % Wasser am Körpergewicht aus, weil der interstitielle Raum größer ist. Im Alter nimmt der prozentuale Anteil wieder ab.
Verteilung des Körperwassers (Abb. 2.24)
Intrazellulär befindet WasserVerteilung im KörperKörperwassersich mit einem Anteil von 40 % des Körpergewichts doppelt so viel Wasser wie extrazellulär, weil der hierfür zur Verfügung stehende Raum doppelt so groß ist. Auf das gesamte Körperwasser bezogen befinden sich demnach zwei Drittel intrazellulär und ein Drittel extrazellulär (Abb. 2.24).
Der extrazelluläre Anteil (20 % des Körpergewichts) verteilt sich wiederum im Verhältnis von etwa 3 : 1 auf Interstitium und intravasale FlüssigkeitFlüssigkeitintravasale:Blutplasma, interstitielles Wasser Blutplasma = 5 % Anteil am KG, interstitielles Wasser = 15 %.
Ein 100 kg schwerer Mann enthält demnach 60 kg Wasser40 kg intra- und 20 kg extrazellulär. Von den 20 extrazellulären Litern Wasser (1 l = 1 kg) befinden sich nach der 3 : 1-Relation 15 l interstitiell und 5 l intravasal. Diese 5 l sind nicht mit der Menge an Blut, sondern mit dem Serum (Plasma) gleichzusetzen, sodass sie in etwa 8,3 l Blut entsprechen.
Die Menge an Blut lässt sich vereinfacht auch auf andere Weise berechnen, weil sie grundsätzlich näherungsweise 8,3 %, also einem Zwölftel des Körpergewichts entspricht. Anders ausgedrückt: Ein erwachsener Mann enthält pro 12 kg Gewicht 1 l Blut, entsprechend 5 l bei einem Gewicht von 60 kg und 8,3 bei einem Gewicht von 100 kg.

Exkurs

Fettgewebe dient der Speicherung von Triglyceriden als Energievorrat, der während langer Hungerperioden das Überleben sichert. Der Energiebedarf der Zellen zur Erfüllung dieser Funktion ist außerordentlich gering und entspricht damit dem geringen Wassergehalt samt einer geringen Zahl an Mitochondrien. Dies bedeutet, dass zusätzliches Fettgewebe keiner nennenswerten zusätzlichen Nahrungsaufnahme bedarf, wodurch

die ungute Situation entsteht, dass adipöse Menschen, die abnehmen wollen, nicht mehr essen dürfen als wenn sie schlank wären.

Dagegen ist Fettgewebe gut durchblutet, sodass sich die Menge des extrazellulären Körperwassers und damit auch die Menge an Blut gegenüber einem muskulösen Individuum nicht verändert. Dies bedeutet eine erhebliche Mehrbelastung für das Herz, jedoch ohne das ausgleichende Training des Sportlers, das u.a. zu einer Absenkung der Herzfrequenz führt.

Transzelluläre Flüssigkeit
Außer in den Räumen transzelluläre FlüssigkeitFlüssigkeittranszellulärevon Gefäßsystem, Interstitium und Zytosol gibt es noch eine wechselnde Menge an Flüssigkeit, die als transzelluläre Flüssigkeit bezeichnet wird. Darunter versteht man die Flüssigkeit, die als Schweiß verloren geht, Hirnliquor und Augenwasser sowie die gewaltigen Flüssigkeitsmengen, die täglich in den Magen-Darm-Trakt sezerniert und anschließend wieder resorbiert werden. Bedeutung erhält die transzelluläre Flüssigkeit bei Erkrankungen wie Durchfall und Erbrechen oder auch bei deutlich vermehrtem Schwitzen.
Wasserbilanz (Tab. 2.1)
Der tägliche WasserumsatzWasserUmsatz, täglicher Wasserbilanzdes menschlichen Organismus liegt bei > 2 l. Aufgenommen wird – bei Menschen ohne zusätzliche Schweißabgabe oder z.B. Durchfälle – durchschnittlich > 1 l als Flüssigkeit. Rund 700 ml sind in die aufgenommene feste Nahrung integriert. Etwa 300 ml entstehen zusätzlich als Oxidationswasser, Oxidationswasserindem aus den H-Atomen, die unabdingbar in jeglicher Nahrung enthalten sind, in der Atmungskette der Mitochondrien Wasser entstehen muss:
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O ( Zucker + Sauerstoff Kohlendioxid + Wasser )
Ausgeschieden wird diese Flüssigkeit gut zur Hälfte über die Niere, über den Darm (100 ml) sowie als Perspiratio insensibilisPerspiratio insensibilis/sensibilis (bis zu 800 ml) und Perspiratio sensibilisPerspiratio insensibilis/sensibilis WasserAbgabe/Aufnahme(= erkennbares SchwitzenSchwitzen) über Atemluft und Haut. Selbstverständlich sind bei einer Tätigkeit, die mit starkem Schwitzen verbunden ist, Wasserabgabe und Wasseraufnahme entsprechend vermehrt.

Zusammenhang zwischen Ionen und Wassergehalt

IonenWasserIonenDas FlüssigkeitsvolumenFlüssigkeitsvolumen der einzelnen Räume des Körpers wird weit überwiegend durch die darin enthaltenen Ionen bestimmt. Deren jeweilige Konzentration wird in Millimol pro Liter (mmol/l) bzw. Milliosmol pro Liter (mosmol/l) angegeben.
Ionen wie Natrium oder Kalium binden NatriumHydrathülleKaliumHydrathüllegroße Mengen an Wasser (Hydrathülle). Dementsprechend müssen dort, wo sie sich befinden, adäquate Mengen an Flüssigkeit vorhanden sein. Wenn Ionenkanäle oder Ionenpumpen Ionen von der einen Seite einer Membran zur anderen befördern, sind an diesen Transport entsprechende Wassermengen gebunden, die nun ebenfalls vom einen zum anderen Raum wechseln. Entsprechendes gilt für die Haut (Schweißabgabe), den Darm und besonders für die Niere, in der zusätzlich auch noch Feinabstimmungen zwischen der Ausscheidung von Ionen und Wasser möglich sind, indem einzelne Bereiche von Tubulus und Sammelrohren einmal undurchlässig für Ionen, und einmal undurchlässig für Wasser sind.
Dies gilt für die Austauschflächen zwischen Zelle und Interstitium bzw. zwischen Interstitium und intravasalem Volumen nicht. Hier kann man davon ausgehen, dass der Wassergehalt bzw. Wasseraustausch zwischen den KompartimentenKompartimente, WasseraustauschWasserKompartimente grundsätzlich an den Austausch der Ionen gebunden ist. Die in die Zellmembranen eingebauten Wasserkanäle sind demnach für Wasser frei passierbar. In dem Ausmaß, wie Ionen durch aktive (Pumpen) oder passive (Kanäle) Vorgänge die Zellmembran passieren, muss die adäquate Menge an Wasser hinterherströmen. Das bedeutet gleichzeitig auch, dass sich die Ionenkonzentrationen zwischen Zytosol und Interstitium in ihrer Gesamtmenge nicht unterscheiden können, weil so lange Wasser vom Ort einer eventuell niedrigeren Konzentration zu dem höherer Konzentration strömen muss, bis ein osmotischer Unterschied nicht mehr vorhanden sein kann. Es kann demnach lediglich die Art an Ionen bzw. geladenen Molekülen diesseits und jenseits der Zellmembran unterschiedlich sein.
Verteilung der Ionen
Ohne die Proteine desIonenVerteilung Blutplasmas und geladenen Makromoleküle des Interstitiums (Proteoglykane) Proteoglykanewürden sich die Ionen der Extrazellulärflüssigkeit (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl, Bikarbonat = HCO3 und Phosphat = HPO42−) in genau derselben Konzentration auf Interstitium und Gefäßlumen verteilen. Geladene Makromoleküle wie z.B. Proteine binden jedoch aufgrund ihrer zahlreichen Ladungen Wasser. Indem die Poren der Kapillaren für alle kleinmolekularen Bestandteile des Blutes (Ionen, Nähr- und Baustoffe wie Glukose und Aminosäuren, Hormone, Abfallprodukte wie Harnstoff oder Harnsäure usw.) vollkommen frei passierbar sind, nicht jedoch für Zellen, die großen Eiweiße oder Lipoproteine wie VLDL, kommt es durch das Hydratwasser der Serumproteine zu kleineren Verschiebungen auch der ionalen Konzentrationen. Die Wasserbindung gilt allerdings auch für die zahlreichen Zuckerstrukturen der interstitiellen Grundsubstanz. In der Summe sind die Konzentrationsunterschiede so gering, dass wir sie für unsere Bedürfnisse vernachlässigen und den Gesamtraum von intravasaler und interstitieller FlüssigkeitFlüssigkeitinterstitielleFlüssigkeitintravasale als einheitlichen Raum mit identischen Ionenkonzentrationen betrachten wollen.
Im Gegensatz zu den beiden Anteilen des extrazellulären Raums besteht jedoch in den Konzentrationen der wichtigsten Ionen intra- und extrazellulär ein sehr ausgeprägtes Missverhältnis (Tab. 2.2). Dabei stellt NatriumNatrium (Na+) das beherrschende Kation von Plasma und Interstitium dar, während KaliumKalium (K+) im Zytosol vorherrscht (Abb. 2.25).
Aus Gründen der Elektroneutralität gehört grundsätzlich zu jedem Kation ein negativ geladenes Anion. Das beherrschende Anion des extrazellulären Raumes, und damit wesentlicher Partner des Na+, ist ChloridChlorid (Cl). Die Kaliumionen (K+) des Zytosols werden überwiegend durch die großen Proteine mit ihren zahlreichen negativen Ladungen (sog. Poly-Anionen) sowie durch PhosphatPhosphat (HPO42−) neutralisiert, in geringerem Umfang auch durch Bikarbonat (HCO3). Die Gesamtkonzentration der freien An- und Kationen intra- und extrazellulär stimmt dagegen überein (s. oben) und liegt bei jeweils etwa 160 mmol/l.

Merke

Die Ionen bestimmen mit ihrem Hydratwasser wesentlich die Gesamtflüssigkeitsmenge in den Kompartimenten des Körpers.

Die Ionen definieren durch ihre Konzentration die Menge des Blutes und damit die Höhe des systolischen BlutdrucksBlutdrucksystolischer sowie den Wassergehalt und damit gleichzeitig den TurgorTurgor des interstitiellen Raums. Intrazellulär bestimmen sie u. a. darüber, ob die Zellen ihre physiologische Größe erreichen oder ob sie bei Mangel bzw. Überschuss schrumpfen bzw. anschwellen.
Eine Zelle, die deutlich von ihrer physiologisch vorgegebenen Größe abweicht und keine ausreichende Zeit für ihre Regulationsmechanismen erhält, stellt ihre Tätigkeit zunehmend ein, um schließlich zugrunde zu gehen. Von daher wird verständlich, wie wichtig es ist, dass die intra- und extrazellulären Ionenkonzentrationen möglichst dicht bei der physiologischen Konzentration gehalten werden. Dies wird durch etliche Hormone, die Nieren sowie die Ionenpumpen Ionenpumpenerreicht.

Pathologie

In geringerem Umfang sind weitere Ladungsträger wie Eiweiße und Zuckermoleküle mit ihrem Hydratwasser für die Füllung der drei Räume mitverantwortlich. Besonders deutlich wird dies bei pathologischen Zuständen wie einem Eiweißverlust oder einem Diabetes mellitus, bei denen Ödeme oder eine Exsikkose entstehen.

Natrium-Kalium-Pumpe
Das ionale Ungleichgewicht zwischenNatrium-Kalium-Pumpe intra- und extrazellulärem Raum entsteht durch die Tätigkeit der Ionenpumpen und wird u. a. deswegen benötigt, um an den Zellmembranen pseudoelektrisches Potenzialein pseudoelektrisches Potenzial zu schaffen, ohne das die Funktion von Herz, Nervengewebe und Muskulatur mit ihren Aktionspotenzialen nicht möglich wäre. Auch die Niere und weitere Organe sind darauf angewiesen. Ionenpumpen stellen große Proteine dar, die in die Membranen der Zellen eingebaut sind und an ihren beiden Enden sowohl ins Interstitium als auch ins Zytosol hineinragen (Abb. 2.26).
Die wichtigste Pumpe für die Herstellung des ionalen Ungleichgewichts und damit des Ruhepotenzials an den Zellmembranen sämtlicher Zellen des Organismus ist die Natrium-Kalium-Pumpe. Da Pumpen grundsätzlich aktiv unter Verbrauch von ATP arbeiten, heißt diese Pumpe auch Na+-K+-ATPase. Natrium-Kalium-PumpeIhre Aufgabe besteht darin, Kalium in die Zelle hinein- und gleichzeitig Natrium aus ihr herauszuschaffen. Dabei lagert sie, unter Spaltung von ATP, im Zytosol 3 Na+-Ionen an, um sie durch die Zellmembran nach außen zu transportieren. Gleichzeitig werden außen 2 K+-Ionen gebunden und ins Zytosol geschafft.
Die Pumpen der Zellmembranen arbeiten „rund um die Uhr“ und verbrauchen dafür riesige Mengen an Energie in Gestalt des ATP. Dies erhellt sich am besten aus der Tatsache, dass von der Gesamtenergie, die der Organismus an einem Tag aus der aufgenommenen Nahrung erzeugt, etwa die Hälfte für die Arbeit der Pumpen, zuvorderst der Na+-K+-ATPase benötigt wird. Jeder zweite Bissen, den der Mensch zu sich nimmt, ist demnach für die Ionenpumpen reserviert.

Pathologie

Die Na+-K+-ATPase wird durch die herzwirksamen GlykosideGlykoside (Digoxin, Digitoxin) gehemmt, DigitoxinDigoxin indem diese Substanzen an der Zellaußenseite an derselben Stelle wie die Kaliumionen binden, sodass dieselben nicht mehr angelagert werden können. Die Pumpe funktioniert aber nur, wenn sie im Gegenzug zu Natrium Kalium in die Zelle transportieren kann. Bei einer Überdosierung von Digitalis, bei der zu viele Pumpen gleichzeitig blockiert werden, müssen sich Natrium innerhalb und Kalium außerhalb der Zelle in einer Konzentration anhäufen, die mit dem Leben nicht mehr vereinbar ist.

Die Natrium-Kalium-Pumpe erfüllt neben der Aufrechterhaltung des ionalen Ungleichgewichts noch eine weitere wichtige Funktion: Während des Aktionspotenzials einer Zelle strömen große Mengen an Natriumionen aus dem Interstitium ins Zellinnere, wodurch gleichzeitig durch die Wasserkanäle der Zellmembranen auch große Flüssigkeitsmengen ins Zytosol Zytosol, Flüssigkeitsmengegesogen werden. Zusätzlich folgt dem Natrium aus elektrischen Gründen sein Anion Chlorid und gleichzeitig auch das daran gebundene Wasser. Bei aufeinander folgenden Aktionspotenzialen müsste die Zelle anschwellen und schließlich platzen. Zunächst jedoch wäre ihre physiologische Funktion zunehmend beeinträchtigt. Dadurch dass die Pumpe aber nun das ständig durch die Natriumkanäle in die Zelle eindringende Natrium im Austausch gegen Kalium wieder hinausschafft, wird dies verhindert.
Auch Kalium verlässt während der Potenzialzyklen das Zytosol und gelangt durch eigene Kanäle ins Interstitium, wenn auch in sehr viel geringerem Umfang, als dies umgekehrt beim Natrium der Fall ist. Die Natrium-Kalium-Pumpe ist deswegen so eingestellt, dass sie 3 Natriumionen hinaus-, im Gegenzug aber lediglich 2 Kaliumionen in die Zelle hineintransportiert, sodass das Gleichgewicht der Ionen einschließlich ihres Hydratwassers unangetastet bleibt.

Merke

Im Ergebnis sorgt die Pumpe Membranpotenzial, Natrium-Kalium-Pumpeneben dem Erhalt von Membranpotenzial und ionalem Ungleichgewicht auch für das korrekte intrazelluläre Volumen. Daraus kann man ableiten, dass es beim Sauerstoffmangel einer Zelle, der zu einer unzureichenden Konzentration von ATP führt, oder bei einer Digitalisintoxikation, durch das Einströmen von Natrium, Chlorid und Wasser zu Störungen der Funktion, schließlich zu Zellschwellung und Zelltod kommen muss.

Natriumbilanz
NatriumNatriumbilanz wird überwiegend NaCl s. Kochsalz;NaCl000als NaCl = KochsalzKochsalz mit der Nahrung aufgenommen und im oberen Dünndarm weitgehend vollständig resorbiert – entsprechend der Situation an der Niere im Cotransport (Symport) mit Glukose und Aminosäuren. Die zugeführten Mengen schwanken beträchtlich, liegen in Deutschland durchschnittlich bei rund 12 g/Tag. Als eigentlicher Tagesbedarf für NatriumNatriumTagesbedarf (2 g) und Chlorid (3 g) werden 5 g Kochsalz definiert. Dies entspricht zumindest der Empfehlung durch die WHO, während die DGE als (fehlinterpretierte) Referenzwerte 550 mg für Natrium und 830 mg für Chlorid, zusammengefasst demnach 1,4 g Kochsalz/Tag definiert, wie dies oben bereits dargestellt wurde.

Hinweis des Autors

Die von der Deutschen Gesellschaft für Ernährung (DGE) in der Form von Referenzwerten für die Bevölkerung in Deutschland vorgegebene („empfohlene“) Zufuhr essenzieller Nahrungsbestandteile wird – auch jenseits der Empfehlung für NaCl – in aller Regel als „optimale Zufuhr“ missverstanden. Daraus wird dann weit verbreitet abgeleitet, dass diese Werte nicht überschritten werden sollten – oft genug unter Hinweis darauf, dass in solchen Fällen möglicherweise mit nachteiligen Folgen für die Gesundheit gerechnet werden muss. So steht es beispielsweise auf sämtlichen Präparaten, die in Apotheken und Drogeriemärkten zur Substitution bei Nahrungsdefiziten angeboten werden (Fach Endokrinologie)

Tatsächlich jedoch entsprechen die Angaben der DGE teilweise durchaus einem vermuteten Optimum, teilweise (z.B. bei Fluorid) gehen sie darüber hinaus und in anderen Fällen entsprechen sie keinesfalls einem anzustrebenden Optimum, sondern beschreiben ungeachtet ihres „Referenzstatus“ die Untergrenze, ein absolutes Minimum der jeweiligen täglichen Zufuhr. Dies gilt u.a. für Vitamin D und Selen, aber auch im Zusammenhang dieses Kapitels für die 550 mg an täglicher Natriumaufnahme. Während diese 550 mg Natrium unter der Überschrift „Referenzwerte“ gelistet sind und z.B. vom Pschyrembel, der „Bibel“ des Mediziners, auch so übernommen werden, schreibt die DGE sozusagen „im Kleingedruckten“, dass es sich dabei um „Schätzwerte für eine minimale Zufuhr“ handelt. Aber wer liest das Kleingedruckte? In üblichen Angaben tauchen die DGE-Schätzungen dementsprechend und unkommentiert eben gerade nicht als Untergrenze, sondern als „empfohlene NährstoffzufuhrNährstoffzufuhr, empfohleneauf, die keinesfalls überschritten werden darf. Dies jedenfalls ist, ganz abgesehen von den Hinweisen auf den Packungen diesbezüglicher Präparate, auch der Grundtenor sämtlicher Empfehlungen u.a. von Medizinern, die auch keine Zeit zum Lesen des Kleingedruckten übrig hatten.

Im menschlichen SchweißSchweiß, Natriumgehalt sind knapp 50 mmol Natrium/l enthalten, entsprechend rund 1100 mg (1 mmol Natrium entspricht 23 mg Natrium, ergibt mit 48 multipliziert 1100 mg). Damit würde ein Erwachsener mit leichter körperlicher Tätigkeit, der zusätzlich zur Perspiratio insensibilisPerspiratio insensibilis/sensibilis (Fach Dermatologie) lediglich ½ l Schweiß pro Tag verliert, bereits die von der DGE „geschätzte“, pro Tag zuzuführende Natriummenge (550 mg) wieder ausscheiden, ohne dass die Niere auch nur ein einziges Ion abfiltriert hätte. Unter angestrengter körperlicher Tätigkeit gehen leicht 1–2 l Schweiß/Tag verloren, mithin also bereits die 2- bis 4-fache Menge dessen, was offiziell als Referenzbedarf deklariert ist.

Dabei gilt es zusätzlich zu berücksichtigen, dass über den Darm ebenfalls Natrium verloren geht und dass die Niere zusätzlich mehr als 1 g Kochsalz/Tag ausscheiden muss, um überhaupt zu funktionieren. Grundsätzlich stellt also die Vorgabe der WHO mit 5 g NaCl/Tag eine immerhin brauchbare Empfehlung dar und sollte nach der aktuellen Studienlage lediglich noch geringfügig auf ein Minimum von 7 g/Tag angepasst werden. Stark schwitzende oder auch Menschen mit chronischer Diarrhö müssen ihren Zusatzbedarf entsprechend berücksichtigen. Die 1,4 g NaCl der DGE, als sinnvolle Empfehlung missverstanden, sind bereits bei jungen, gesunden Erwachsenen mit erheblichen Gefahren für die Gesundheit verbunden und können bei Personen, die ab und zu ein wenig schwitzen sowie in der zweiten Lebenshälfte geradezu kritisch werden.

Die Ausscheidung von KochsalzKochsalzAusscheidung erfolgt also unter Alltagsbedingungen in geringerem Umfang über Darm und Schweiß und im Wesentlichen über die Niere. Dabei ist nur die Niere in der Lage, ihre Ausscheidungsrate am Gesamtbestand des Organismus und an der jeweiligen Zufuhr über die Nahrung auszurichten. Erst bei einer Niereninsuffizienz kann die Darmwand diesbezüglich einen allerdings vernachlässigbar kleinen Beitrag leisten.
Im Hinblick auf die auszuscheidende Menge wird sowohl die Konzentration des Serums (Osmolarität) Osmolaritätals auch dieKörpernatrium, Gesamtmenge Gesamtmenge des KörpernatriumsKörpernatrium, Gesamtmenge gemessen. Während der Hypothalamus für die Messung der Osmolarität zuständig ist, wird Letzteres dadurch erreichbar, dass Natrium als wesentliches Ion der Extrazellulärflüssigkeit adäquate Mengen Wasser bindet und hierdurch die Menge der interstitiellen sowie intravasalen Flüssigkeit definiert. Indem der Organismus das intravasale Volumenintravasales VolumenVolumen, intravasales misst, erkennt er gleichzeitig die Menge an vorhandenem Natrium.
Ausgenommen von der physiologischen Zusammengehörigkeit von Natrium und Extrazellulärflüssigkeit sind pathologische Zustände mit vorübergehender Hypo- oder Hyperosmolarität,HyperosmolaritätHypoosmolarität die aber im Hypothalamus erkannt und durch das Hormon ADH sehr schnell wieder ausgeglichen werden.
Druckmessung
Gemessen wird das Druckmessung, intravasales Volumenintravasale Volumen durch PressosensorenPressosensoren/-rezeptoren (= Pressorezeptoren = BarosensorenBarosensoren = DruckrezeptorenDruckrezeptoren), also durch den Druck bzw. die Spannung, die an der Wandung der Gefäße durch das enthaltene Blut erzeugt wird. Pressosensoren finden sich in arteriellen Gefäßen (Aortenbogen, Carotisgabelung, Nierenarteriolen), in Venen (Hohlvenen) sowie in Vorhöfen und Kammern des Herzens. Die Pressorezeptoren melden die vorliegende Wandspannung an ZNS (Hirnstamm und Hypothalamus) und Renin-produzierende Zellen. Über Sympathikus, ADH und RAAS wird dann die Niere in ihrer Ausscheidungsrate von Natrium und Wasser gesteuert. Dies gilt für einen Flüssigkeitsüberschuss wie für Mangelsituationen bis hin zum hypovolämischen oder anaphylaktischen Schock.
Bei vermehrter Wandspannung, verursacht durch eine Volumenüberladung, beeinflussen ANP und BNP von ANP (atriales natriuretisches Peptid)atriales natriuretisches Peptid (ANP)BNP (brain natriuretic peptide)brain natriuretic peptide (BNP)Vorhöfen und Kammern ohne „Umweg“ direkt die Niere (Macula densa und Sammelrohre) und die Zona glomerulosa der NNR (Aldosteron)Aldosteron (Fach Endokrinologie). ANP wird zusätzlich im Hypothalamus produziert und wirkt auch zerebral durch Minderung des Durstgefühls, Hemmung des Sympathikus sowie der ADH-Sekretion.
Messung der Osmolarität
Neben den Pressosensoren existieren Fühler für die Osmolarität des Plasmas, sodass die intravasalen Ionenkonzentrationen (v.a. Na+) getrennt bzw. unabhängig von der intravasalen Flüssigkeitsmenge gemessen und einreguliert werden kann. Die entsprechenden OsmosensorenOsmosensoren/-rezeptoren (Osmorezeptoren) befinden sich im Hypothalamus und in der Pfortader. Kleinste Abweichungen der normalen Serumosmolarität (290 mmol bzw. mosmol/l) werden hier registriert. Genauer gesagt werden bereits drohende Abweichungen durch Messung des Salzgehalts der Pfortader und damit der Nahrungszufuhr beachtet.
Eine Erhöhung der Ionenkonzentration (durch starkes Schwitzen oder eine salzreiche Mahlzeit) führt zu einer Meldung ans DurstzentrumDurstzentrum und zur Ausschüttung von ADH aus der Neurohypophyse, sodass über Wasseraufnahme und Rückresorption von Wasser aus den Sammelrohren die Hyperosmolarität ausgeglichen wird. Indem sowohl der wesentliche Osmosensor als auch Durstzentrum und Produktionsort des ADH am selben Ort (Hypothalamus) lokalisiert sind, erfolgt die Reaktion auf eine Erhöhung der Plasmaosmolarität ohne Zeitverzögerung.

Regulierung der Wasserausscheidung

Während die Wasseraufnahme inWasserAusscheidung, Regulation weiten Grenzen variieren kann, wird die Ausscheidung durch ADH (antidiuretisches Hormon) sehr ADH (antidiuretisches Hormon = Adiuretin = Vasopressin)genau geregelt und dem tatsächlichen Bedarf des Organismus angepasst.
Die Sammelrohre der Niere sind für Wasser vollkommen undurchlässig. Die wesentliche hormonelle Wirkung des ADH entsteht nach dessen Bindung an der basalen Seite der Hauptzellen, wodurch nun Proteine gebildet werden, die in die lumenseitige Membran der Hauptzellen eingebaut als WasserkanäleWasserkanäle (Aquaporine) fungieren. Je nach der Höhe des ADH-Serumspiegels werden wenige bis zahlreiche AquaporineAquaporine eingebaut, sodass die Menge an rückresorbiertem Wasser außerordentlich stark schwanken kann (Abb. 2.27a). Indem pro Tag vom Ultrafiltrat der Nierenkörperchen bis zum Übergang in die Sammelrohre noch etwa 25 Liter Flüssigkeit übrig bleiben, besteht in diesem Teil der Nephrone die Möglichkeit, von einer riesigen Menge eines hypoosmolaren Urins (im Extremfall 50 mmol/l) bis hinunter zu etwa 500 ml eines hoch konzentrierten Urins (1.200 mmol/l, entsprechend der Konzentration des Nierenmarks) Zufuhr und Ausscheidung exakt aufeinander abzustimmen. Indem auch AldosteronAldosteron über die Natrium-Kalium-Pumpe an distalem Tubulus und Sammelrohren seine Wirkung entfaltet, entsteht eine Feinabstimmung zwischen der resorbierten Flüssigkeitsmenge und deren Natriumgehalt, also der OsmolaritätOsmolarität.

Exkurs

Der Wasserkanal ist als großmolekulares Protein so in die Zellmembran integriert, dass er in einem zentralen Hohlraum lediglich einen sehr schmalen Durchlass für Moleküle in der Größe des H2O gewährt. Damit Ionen wie Na+ oder K+ bzw. ihre Anionen, die kleiner sind als H2O, nicht ebenfalls hindurchgelangen, gibt es im Zentrum des Proteins eine Ansammlung geladener Seitenketten (+ und −), durch die geladene Teilchen wie z. B. Ionen zurückgehalten werden (Abb. 2.27b).

Bei einer Verminderung der Plasmaosmolarität wird die ADH-Sekretion aus der Neurohypophyse gehemmt. Die Folge ist die AusscheidungADH (antidiuretisches Hormon = Adiuretin = Vasopressin)Sekretionshemmung einer vergrößerten hypoosmolaren Harnmenge, wodurch die Osmolarität des Plasmas wieder ansteigt.
Wurde die Hypoosmolarität Hypoosmolaritätdes Plasmas durch eine zu umfangreiche Aufnahme einer hypoosmolaren Flüssigkeit (im Extremfall durch destilliertes, also mineralienfreies Wasser) ausgelöst, wird diese überschüssige Flüssigkeit adäquat aus dem Körper entfernt. Entstand die Hypoosmolarität dagegen durch Verlust einer hyperosmolaren Flüssigkeitsmenge (z. B. durch einen Laxanzienabusus), wird zwar das Plasma durch diesen Mechanismus wieder isoton, doch würde es nun zur HypovolämieHypovolämie bzw. zur Verstärkung einer bereits bestehenden Hypovolämie kommen. Es wird hieran deutlich, wie wichtig die getrennte Registrierung von intravasalem Volumen durch die Pressosensoren sowie die Messung der Osmolarität durch Osmosensoren ist.
Die Registrierung von Hypoosmolarität und Hypovolämie samt erniedrigtem Blutdruck führt über die Aktivierung von Sympathikus und RAAS zur Ausschüttung von AldosteronAldosteron. Während Aldosteron entsprechend der Stimulation durch Angiotensin II sezerniert wird und die Natriumverluste über Niere, Darm und Schweiß zu minimieren sucht, kann die Hypovolämie so lange nicht ausgeglichen werden, wie dem begleitend bestehenden Salzhunger Salzhungeraus Angst vor der vermeintlichen Schädlichkeit des Salzes nicht nachgegeben wird. Denn ein Mangel an Natrium im Extrazellulärraum ist unabdingbar mit dessen Mangel an Wasser verknüpft und dieser wiederum mit einem Mangel an Blutdruck. Erkennbar wird die Situation an der sympathisch erzeugten TachykardieTachykardie, verbunden allerdings mit einem zusätzlichen Mangel an Sauerstoff, weil die durch Aldosteron erzwungene Hypokaliämie und metabolische Alkalose Alkalosemetabolischeeine Suppression des Atemzentrums bewirkt (Fach Atmungssystem). Auch hieran wird wieder deutlich, wie sinnvoll einerseits essenzielle Bedürfnisse wie Durst oder eine regelrechte Gier nach Salzigem evolutionär verankert wurden und wie unsinnig andererseits Empfehlungen sein müssen, die 3½ Milliarden evolutionärer Feinabstimmungen außer Kraft setzen wollen – beispielsweise durch die breit geschürte, extrem undifferenzierte Warnung vor Kochsalz, von der sich dann selbst Hypotoniker angesprochen fühlen. Gesundheitsaufklärung geht eigentlich ganz, ganz anders.

Kontrolle des Natriumhaushalts durch die Niere

Täglich werdenNatriumhaushaltNiereNatriumhaushalt, Kontrolle rund 25.000 mmol = 575 g Natrium (170–180 l Ultrafiltrat × 140 mmol Na+; 1 Mol Natrium = 23 g) in den Glomeruli abfiltriert, von denen 60 % bereits im proximalen Tubulus rückresorbiert sind. Treibende Kräfte der Resorption sind die Natrium-Kalium-PumpeNa+-K+-ATPase s. Natrium-Kalium-Pumpe,Natrium-Kalium-Pumpe der Symport mit Glukose und Aminosäuren sowie der Austausch (Antiport) Antiport(er)Symportmit H+ (Na+-H+-Pumpe; Kap. 2.2.2). Die Chloridionen folgen überwiegend passiv nach. Im aufsteigenden Teil der Henle-Schleife einschließlich dem distalen Konvolut wird bis auf einen Rest von etwa 5 % alles weitere Natrium rückresorbiert.
Die Rückresorption von Natrium ist bis zum distalen Tubulus weitgehend konstant. Erst hier sowie v.a. in den Sammelrohren wird die ausgeschiedene zur mit der Nahrung aufgenommenen Menge in Bezug gebracht, indem aktiv über eine Aldosteron-abhängige Natrium-Kalium-Pumpe Natrium-Kalium-PumpeAldosteron-abhängigeAldosteron-abhängige Natrium-Kalium-Pumpedie Menge an ausgeschiedenem Natrium zwischen knapp 0,1 und 5 % der filtrierten Gesamtmenge (= ca. 300 mg–29 g/Tag) gehalten werden kann. Natriummangel der Nahrung wird mit minimierten Natriumverlusten über die Niere beantwortet, während ein Überangebot zumindest unter optimalen Bedingungen vollständig aus dem Körper ausgeschieden werden kann, sofern die Gesamtaufnahme nicht die Grenze von 29 g/Tag übersteigt. Allerdings handelt es sich bei den beiden Eckwerten für die minimierte bzw. maximale Ausscheidungskapazität um idealisierte Werte, die auch von jungen gesunden Nieren höchstens unter optimierten Bedingungen näherungsweise erreichbar sind und zusätzlich von der Harnmenge/Tag beeinflusst werden.
Abhängigkeit des Blutdrucks von der Kochsalzaufnahme
Es wurde bereits ausgeführt, dass es einige Stunden dauern kann, bis die Niere eine große Menge an zugeführtem KochsalzKochsalzzufuhrBlutdruckBlutdruckKochsalzkonsum ausgeschieden hat. Es ist also möglich, das System zu überfordern, indem ständig mit jeder Nahrungsaufnahme ein Übermaß an Kochsalz zugeführt wird. Im Ergebnis entsteht durch die Volumenzunahme der Extrazellulärflüssigkeit eine systolische HypertonieHypertoniesystolische, wobei sich das System offensichtlich nach einer gewissen Zeit an diese Bedingungen anpasst – erkennbar an erhöhten Renin-Serumspiegeln.
Auch und gerade im internationalen Vergleich korreliert der durchschnittliche Kochsalzkonsum einer Bevölkerung mit den durchschnittlichen Blutdruckwerten. So gibt es bei den Inuit mit dem insgesamt niedrigsten Kochsalzkonsum nur wenige Menschen mit einer Hypertonie (1–2 %), während in Japan mit einer durchschnittlichen NaCl-Aufnahme von 20 g/Tag etwa 30 % der Bevölkerung eine Hypertonie aufweisen. Deutschland (10–12 g NaCl, 15–20 % Hypertoniker) steht etwa in der Mitte. Selbstverständlich ist dies nicht ausschließlich dem Salzkonsum anzulasten, denn gerade in den westlichen Ländern gibt es eine ganze Reihe weiterer, sehr gewichtiger Faktoren, die z.B. über eine Arteriosklerose zur arteriellen Hypertonie führen. Und die Inuit betreiben, soweit sie die westlichen Ernährungsgewohnheiten noch nicht übernommen haben, über die Aufnahme reichlicher Mengen an Omega-3-Fettsäuren und Vitamin D eine sehr wirksame Prophylaxe. Trotzdem besteht zunächst und vor einer eventuellen Medikation eine der sinnvollsten Maßnahmen zur Senkung einer essenziellen Hypertonie in der Restriktion des Kochsalzverbrauchs, wobei lediglich darauf geachtet werden sollte, einen unteren Grenzwert von 7 g Kochsalz/Tag nicht dauerhaft zu unterschreiten.
Dagegen besteht eine der sinnvollsten Maßnahmen zur Anhebung eines symptomatisch erniedrigten Blutdrucks, beispielsweise einer orthostatischen Hypotonie mit zerebralen Symptomen, in einem reichlichen, zumindest jedoch ausreichenden Kochsalzverbrauch oberhalb 7 g/Tag. Dies muss man den Betroffenen explizit mitteilen, weil sie es eben, wie gesagt, bisher ganz anders verstanden haben. Weitere Maßnahmen wie u.a. körperliche Aktivität werden im Fach Herz-Kreislauf-System besprochen.
Ödementstehung
Eine ÖdemeEntstehungpathologische Minderausscheidung von Natrium (z. B. als Folge einer Niereninsuffizienz oder eines Hyperaldosteronismus)Hyperaldosteronismus führt zu einer Aufweitung des extrazellulären Raums. Es entstehen eine systolische Hypertonie sowie Ödeme, sofern die Flüssigkeitsvermehrung des Interstitiums bei mindestens 2 Litern liegt, weil sie andernfalls nicht als Ödem erkennbar wird.
Es gibt etliche weitere Mechanismen der Ödementstehung wie u. a. eine Rechtsherzinsuffizienz oder ein Albuminmangel. In diesen Fällen geht zunächst intravasale Flüssigkeit ins Interstitium verloren, sodass das intravasale Volumen abnimmt. Die Hypovolämie führt dann über RAAS und Sympathikus zu einer verstärkten Rückresorption von Natrium und Wasser in der Niere – so lange, bis die Normovolämie wieder erreicht ist.
Bei jeder Ödementstehung (Fach Leitsymptome) ist die Niere also maßgeblich beteiligt – entweder primär durch eine Insuffizienz oder sekundär durch Steigerung des extrazellulären Volumens. Infolgedessen stellt die pharmakologische Gabe von DiuretikaDiuretikaÖdeme die wirksamste Maßnahme zur Ausschwemmung von Ödemen dar. Dies gilt v.a. auch für Notfallsituationen wie beispielsweise ein akut aufgetretenes LungenödemLungenödem.

Dehydratation und Exsikkose

Bei einer Abnahme des Körperwassers DehydratationExsikkosedurch Blutverluste, übermäßiges Schwitzen, im Rahmen von Durchfallerkrankungen, rezidivierendem Erbrechen oder einer umfangreichen Verbrennung, durch einen Diabetes insipidus oder eine osmotische Diurese (Diabetes mellitus, Hyperkalzämie) bestehen bezüglich der Folgen 3 unterschiedliche Möglichkeiten (Abb. 2.28):
  • 1.

    Entspricht der Natriumverlust osmotisch dem Flüssigkeitsverlust, entsteht eine isotone (isoosmolare) Dehydratation. Hierbei ist die ionale Konzentration der extrazellulären Flüssigkeit unverändert. Mögliche Ursachen sind die Mehrzahl der Durchfallerkrankungen, Erbrechen, Verbrennungen, DehydratationVerbrennungen und Blutverluste.

  • 2.

    Gehen beim VerdurstenVerdursten, bei einem Diabetes insipidusDiabetes insipidus oder Diabetes mellitusDiabetes mellitus (osmotische Diureseosmotische DiureseDiureseosmotische durch die ausgeschiedene Glukose), bei Fieber bzw. bei starkem Schwitzen (Schweiß enthält lediglich gut 45 mmol Na+, 45 mmol Cl- und 5 mmol K+) große Flüssigkeitsmengen ohne entsprechenden Natriumgehalt verloren, entsteht eine hypertone (hyperosmolare) Dehydratation, die auch als ExsikkoseExsikkose bezeichnet wird. Eine unzureichende Flüssigkeitszufuhr („Verdursten“) führt über den Verlust hypotoner Flüssigkeit (Perspiratio insensibilis) immer zu einem Anstieg der Plasmaosmolarität und damit zur Exsikkose.

  • 3.

    Die hypotone (hypoosmolare) Dehydratation mit einer Abnahme der Serum-Natriumkonzentration entsteht durch unzureichende Salzaufnahme, Aufnahme von hypotonen, salz- bzw. elektrolytarmen Getränken, wie dies für zahlreiche Mineralwässer gilt, oder Flüssigkeitsverluste durch LaxanzienabususLaxanzienabususDehydratation, bei der die ausgeschiedene Flüssigkeit mit Natrium angereichert ist. Auch der Mangel an Aldosteron (Morbus AddisonAddison-Syndrom, Dehydratation = Insuffizienz der NNR) führt zur hypotonen Dehydratation.

Beim VerdurstenVerdursten (Exsikkose) Exsikkoseist zu beachten, dass die Konzentrierung der interstitiellen Flüssigkeit zu einer Schrumpfung der Zellen führt, indem so lange Wasser in den interstitiellen Raum strömt, bis die Konzentrationen auf den beiden Seiten der Zellmembran ausgeglichen ist. Verstärkt und beschleunigt wird die Folge einer Schrumpfung der Zellen, wenn ein Seefahrer in seiner Not Salzwasser trinkt. Im Meerwasser sind etwa 450 mmol/l Natrium, also die 3-fache Konzentration des Serums enthalten. Weil die Niere den Harn nur bis etwa 300 mosmol/l Natrium (= 600 mosmol Kochsalz) anreichern kann, wird nun mehr Wasser als Salz ausgeschieden, sodass die Hyperosmolarität des Plasmas weiter ansteigt. Das Eintreten von Koma und Tod in der Folge der Schrumpfung zerebraler Zellen wird dadurch also zusätzlich beschleunigt.
Symptomatik
Vor allem bei der hypertonen (hyperosmolaren) Dehydratation (Exsikkose) entstehen neben den Symptomen der HypovolämieHypovolämiehypertone Dehydratation mit Blutdruckabfall bis hin zum hypovolämischen Schock, OligurieOligurieDehydratation, hypertone und DurstDurst auch halonierte (eingesunkene, umränderte) AugenAugen, halonierte, ein Turgorverminderter Hautturgor mit stehenden Hautfalten und trockenen Schleimhäuten. Beim Säugling und Kleinkind kann die Körpertemperatur steigen (sog. Durstfieber), Durstfieberweil die Schweißsekretion und damit auch die Wärmeabgabe vermindert sind.
Anpassungsvorgänge der Zellen
Entsteht im Serum und damit auch im InterstitiumHypoosmolarität eine Hypo- oder HyperosmolaritätHyperosmolarität, führt dies zu einer Anpassung der intrazellulären Flüssigkeitsmenge und damit zu einem Anschwellen oder Schrumpfen der Zellen. Erfolgt die Veränderung der extrazellulären Osmolarität nur allmählich im Verlauf mehrerer Stunden, sodass diese intrazellulären Anpassungsvorgänge v.a. zerebral nicht akut zu Koma und Tod führen, haben die meisten Körperzellen Mechanismen entwickelt, die zunächst eingetretene Veränderung der Zellgröße rückgängig zu machen und ihr ursprüngliches Volumen wenigstens einigermaßen wiederherzustellen, sofern nicht extreme Abweichungen von der physiologischen Osmolarität diese Bemühungen überspielen (Abb. 2.29):
  • Kommt es im Rahmen eines hyperosmolaren Serums bei HypernatriämieHypernatriämie, hyperosmolares Serum oder bei einem Diabetiker mit hohen Glukosekonzentrationen zunächst zu einer Schrumpfung der Zellen, indem nun das Zellwasser so lange hinausströmt, bis die intra- der extrazellulären Konzentration entspricht, kann die Zelle in der Folge über einen membranständigen Carrier Natrium, Kalium und Chlorid in der Zelle anreichern, bis die intra- der erhöhten extrazellulären Konzentration entspricht. Das Zellvolumen normalisiert sich weitgehend, indem den angereicherten Ionen die entsprechende Wassermenge hinterherströmt.

  • Wenn umgekehrt extrazellulär ein hypoosmolares Milieu entstanden ist und die Zellen zunächst durch Wasseraufnahme anschwellen, kommt es in der Folge zu einem Ausstrom von Kalium, Chlorid und Phosphat, bis eine ausreichende Annäherung an das ursprüngliche physiologische Volumen erreicht worden ist.

Der Mechanismus, der den Zellen diese Anpassungsvorgänge ermöglicht, ist nicht bekannt. Man vermutet allerdings Spannungsfühler in den Zellmembranen, die das System des Ionentransports aktivieren.

Übersicht über Bedarf und Körpergehalt wichtiger Ionen und Spurenelemente (Tab. 2.3, Tab. 2.4)

Zusammenfassung

Wasserhaushalt

Wasseranteil am Körpergewicht

  • Mann: 60 %

  • Frau: 50 %

  • Kind: 70 %

Verteilung auf die Räume

  • intrazellulär ⅔ des Körperwassers (40 % des Körpergewichts)

  • extrazellulär ⅓ des Körperwassers (20 % des Körpergewichts)

    • Interstitium ¾ des Extrazellulärraums (15 % des Körpergewichts)

    • intravasal ¼ des Extrazellulärraums (5 % des Körpergewichts)

Regulierung des Natriumbestandes

  • Messung der Osmolarität (v.a. im Hypothalamus)

  • Messung des intravasalen Drucks (Aortenbogen, A. carotis, Nierenarteriolen)

  • Feinabstimmung durch Aldosteron

Regulierung der Wasserausscheidung

  • durch ADH (in den Sammelrohren)

Isoosmolare Dehydratation

  • Ursachen: Blutverlust, Verbrennung, Durchfallerkrankung, Erbrechen

  • Folgen: Blutdruckabfall

Hyperosmolare Dehydratation (Exsikkose)

  • Ursachen: mangelnde Flüssigkeitszufuhr bis hin zum Verdursten, osmotische Diurese (Diabetes mellitus, Hyperkalzämie), starkes Schwitzen, Diabetes insipidus

  • Folgen/Symptome: Blutdruckabfall, Schrumpfen der (Hirn-)Zellen mit Bewusstseinsstörungen, halonierte Augen, verminderter Hautturgor, Durstfieber (Kind)

Hypoosmolare Dehydratation

  • Ursachen: unzureichende Kochsalzzufuhr, elektrolytarme Getränke, Laxanzienabusus

  • Folgen/Symptome: Blutdruckabfall, Anschwellung der Zellen, Hypokaliämie, Alkalose

Säure-Basen-Haushalt

Energiegewinnung

Das wesentliche Prinzip der Energiegewinnung imSäure-Basen-HaushaltEnergiegewinnung menschlichen Organismus besteht in der Oxidation. Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H), die in Kohlenhydraten, Fett und Eiweiß – also in allen Grundnahrungsmitteln enthalten sind, werden gegessen, Sauerstoff (O2) wird eingeatmet. In den Mitochondrien der Zellen werden C und H mit O2 zu Kohlendioxid (CO2) (Zitratzyklus) und H2O (Atmungskette) verbrannt, woraus riesige Mengen an ATP sowie das „Abfallprodukt“ KörperwärmeKörperwärme entstehen (Abb. 2.30). So entstehen beispielsweise aus der Verbrennung eines einzigen Glukosemoleküls nicht weniger als 38 Moleküle ATP.
Das Prinzip des Kachelofens, in dem Papier, Holz und/oder Kohle verbrannt werden, bleibt dabei unverändert erhalten. Dies bedeutet, dass der Energiegewinn aus Kohlenhydraten und Fetten im menschlichen (tierischen) Organismus demjenigen im Kachelofen exakt entspricht: Der physikalische Energiegewinn entspricht dem physiologischen. Lediglich der physiologische Energiegewinn aus Eiweiß ist etwas geringer als der physikalisch mögliche, weil die Aminogruppen der Aminosäuren im Organismus aufwendig als Harnstoff entsorgt werden müssen, während der Ofen keine Rücksicht auf toxische Abfallprodukte zu nehmen braucht.

Merke

H 2 + O H 2 O + große Mengen an Energie C + O 2 CO 2 + große Mengen an Energie

Das durch die Oxidation der Nahrung gewonnene Wasser (ca. 300 ml/Tag) wird über Niere, Darm und Perspiratio (in)sensibilis wieder ausgeschieden, sofern keine Hypovolämie besteht. Das CO2 wird durch die Lunge abgeatmet. Bevor es jedoch dorthin gelangt, muss es aus den Zellen hinaus und über den Blutweg zur Lunge transportiert werden.

CO2 als Säure

Ein jedes Nahrungs-C wird zu CO2 oxidiert. KohlendioxidKohlendioxid als Säure aber ist eine SäureSäuren, weil es da, wo es entstanden ist, sofort zu KohlensäureKohlensäure umgewandelt wird. Das überall im Körper vorhandene Enzym, das diese Reaktion katalysiert (beschleunigt), ist die CarboanhydraseCarboanhydrase (Carboanhydratase).Carboanhydratase s. Carboanhydrase Das Gleichgewicht der folgenden Reaktion liegt sehr weit auf der linken Seite, weil H2O und CO2 weit stabiler sind als Kohlensäure und weil auch der geringe Anteil an entstehender Kohlensäure wiederum nur in ganz geringem Umfang in H+ und HCO3 dissoziiert. Kohlensäure ist aus diesem Grund eine sehr schwache Säure mit einem pH-Wert von 6, die man problemlos z.B. als Sprudel zuführen kann, doch ändert dies überhaupt nichts an dem Grundprinzip, dass aus jeglicher Nahrung Wasser und Säuren entstehen müssen, sodass die nahrungsbedingte „Übersäuerung“ einen höchst physiologischen, evolutionär fein abgestimmten Prozess darstellt:
CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 Kohlendioxid + Wasser Kohlensäure Proton + Hydrogencarbonat
Andererseits wird die extrazelluläre Flüssigkeit außerordentlich penibel auf den sogar schwach alkalischen pH-Wert von 7,40 eingestellt, überwacht von einem umfassenden System aus mehreren Organen und zahllosen Reglern und Faktoren, wodurch ein eklatantes Missverhältnis zur Säure als Resultat der Energiegewinnung zu entstehen scheint. Tatsächlich würde der Mensch im eigentlichen Wortsinn keine einzige umfangreiche Mahlzeit überleben, denn bereits das Erreichen eines neutralen pH von 7,0 auf dem Weg zum pH-Wert der Kohlensäure (6,0) wäre mit dem Leben längst nicht mehr vereinbar. Es ist von daher eines der Themen dieses Kapitels aufzuzeigen, auf welche Weise die „Übersäuerung“ vermieden und die Nahrungsaufnahme glücklicherweise doch noch überlebt werden kann.
Das in jeder Sekunde in jeder menschlichen Zelle entstehende gasförmige CO2 diffundiert problemlos durch die Zellmembran ins Interstitium. Ein Teil wird jedoch zuvor in Kohlensäure, also H+, umgewandelt, sodass sich der intrazelluläre pH-Wert so weit vom physiologischen Wert von etwa 7,2 (intrazellulär) entfernen würde, dass dies mit dem Überleben der Zelle nicht vereinbar wäre. Zusätzlich entstehen auch noch in geringerem Umfang Säuren wie MilchsäureMilchsäure (Laktat), KetosäureKetosäurenn oder HarnsäureHarnsäure, die erst durch die Zellmembran hindurch nach außen gelangen müssen. Als Folge der pH-Wert-Abnahme würden z.B. die meisten Enzyme ihre Tätigkeit einstellen. Auch die Funktion weiterer Proteine, die Struktur der Zellen oder ihre Membrandurchlässigkeit wären bereits bei geringsten pH-Wert-Verschiebungen bedroht. Es gibt daher in jeder Zelle Mechanismen, die eine übermäßige Ansäuerung verhindern.
Ein Teil der entstehenden Protonen (H+) wird an Proteine, Phosphat und Bikarbonat angelagert und damit abgepuffert („abgefangen“). Denn H+ ist dann sauer, wenn es in freier Form vorhanden ist; wird es an irgendein Molekül angelagert, ist die Säure im selben Moment verschwunden. Milchsäure oder KetonkörperKetonkörper gehen teilweise in den Stoffwechsel der Zellen ein und werden zu Glukose aufgebaut oder vollständig zu CO2 verbrannt, wodurch auch die entsprechende Säure entsorgt wurde, sobald CO2 aus der Zelle diffundiert ist.
Die Anlagerung (Pufferung) von H+ an ein dafür zur Verfügung stehendes Puffersystem der Zelle stellt lediglich ein Zwischenstadium dar, das die Zelle vor Schäden bewahrt, bis die Säure aus der Zelle transportiert wurde. Zusätzlich muss im Anschluss daran der Puffer wieder regeneriert werden, um für die ununterbrochen nachfolgenden Oxidationen bereit zu stehen. Der wichtigste Mechanismus zur Säureausscheidung SäurenAusscheidungaus der Zelle besteht in einer Pumpe, die Protonen aus der Zelle hinaus, und im Gegenzug Natriumionen in die Zelle hineintransportiert: Es handelt sich um denselben Na+/H+-Antiporter, Natrium-/H+-Antiporterder im proximalen Nierentubulus die Ansäuerung des Primärharns übernimmt. Diese Pumpe wird in ihrer Aktivität durch eine Azidose AzidoseNatrium-/H+-Antiporterder Zelle stimuliert und durch einen Anstieg des pH-Wertes gehemmt, sodass sie sich gleichzeitig um den Erhalt eines konstanten intrazellulären pH-Wertes kümmert.
Eine weitere Möglichkeit, überschüssige Protonen (H+) vorübergehend abzufangen, falls die zelleigenen Puffersysteme überfordert sein sollten, besteht in einem HCO3−-Cl−-Austauschsystem sowie einem Na+/HCO3−-SymporterNatrium-/HCO3−-Symporter. Beide Systeme reichern das Zytosol mit Natrium-/HCO3−-Symporteralkalischem Bikarbonat (HCO3) an, wodurch die Protonen gebunden und neutralisiert werden. Das entstehende Kohlendioxid diffundiert wiederum ins Interstitium:
( Na + ) + HCO 3 + H + H 2 CO 3 H 2 O + CO 2

Säurebildung unter pathologischen Bedingungen

Die Säure, die in der SäurenBildung, pathologischeForm von Protonen (H+) oder als Kohlendioxid aus der Zelle hinausgeschafft wurde, säuert Interstitium und Blut an. Zusätzlich addieren sich unter besonderen Bedingungen weitere Säuren dazu.
Metabolische Azidose
  • Bei der KetoazidoseKetoazidose des Diabetes mellitusDiabetikers vom Typ 1 AzidosemetabolischeDiabetes mellitusKetoazidoseKetoazidosemetabolischeentstehen kurzkettige Fettsäuren (Ketosäuren = Ketonkörper) in der Leber, die ins Blut abgegeben werden. Auch durch AlkoholAlkoholabususKetoazidose sowie im HungerHungerKetoazidose erscheinen zusätzliche Fettsäuren nebst Ketonkörpern im Blut und verursachen evtl. eine KetoazidoseKetoazidose.

  • Die Muskulatur bildet unter Sauerstoffmangel vermehrt Milchsäure (Laktat), die ebenfalls ins Blut gelangt (Laktatazidose). Laktatazidose

  • Werden Medikamente wie ASS (Aspirin® und Generika), aus der Salicylsäure Salicylsäureentsteht, eingenommen, werden in Abhängigkeit von der Dosis zusätzliche Säuremengen im Blut erscheinen. Dasselbe geschieht nach der Einnahme großer Mengen an Vitamin C (Ascorbinsäure).Vitamin C (Ascorbinsäure)Ascorbinsäure (Vitamin C)

  • Im Rahmen einer ausgeprägten HypovolämieHypovolämie bis hin zum hypovolämischen SchockSchockhypovolämischer kommt es durch Milchsäurebildung in den mangelversorgten Geweben und unzureichenden Abtransport von CO2 zur Azidose.

  • Bei der chronischen Niereninsuffizienz entsteht die Azidose durch die Unfähigkeit der Niere, Säure auszuscheiden.

  • Die Leber entgiftet als toxisch bewertete Stoffe u.a. dadurch, dass sie sie an GlucuronsäureGlucuronsäure bindet und damit wasserlöslich macht. Dies gilt auch für Bilirubin als Endprodukt des Erythrozytenabbaus, das in dieser Form z.B. bei einem Stau in den Gallenwegen im Serum erscheinen kann. Natürlich entsteht aus diesen geringen Mengen nicht gleich eine Azidose, doch weist es auf das Grundprinzip und auf die Selbstverständlichkeit, mit der ganz ungeachtet des eingestellten pH-Wertes extrazellulärer Flüssigkeit Oxidationen und damit verbunden Säurebildungen in das tierische Leben integriert wurden. Das gilt auch für die mehr als 25 Billionen Erythrozyten des Blutes, deren einzige Energiequelle aus Glukose besteht, die sie dann mangels Mitochondrien lediglich zu Milchsäure abbauen können.

  • Wenn bei ausgeprägtem Durchfall das alkalisierende Bikarbonat des Dünndarms verloren geht, kommt es ebenfalls zur metabolischen Azidose, weil der pH-Wert des Dünndarmlumens neu aufgebaut werden muss. Entsprechend entsteht andererseits bei rezidivierendem Erbrechen durch den Verlust der Salzsäure des Magens eine Alkalose.

Respiratorische Azidose
Neben den zahlreichen Formen einer Azidoserespiratorischemetabolischen Azidose (oder Alkalose) gibt es auch die durch Lunge bzw. Atemwege verursachte respiratorische Azidose, bei der entweder durch eine willentlich gesteuerte HypoventilationHypoventilation, respiratorische Azidose oder durch Stenosierung der Atemwege (Asthma bronchiale, COPD) oder auch einmal bei einer fortgeschrittenen Lungenfibrose COPD, Azidose, respiratorischedas angefallene CO2 nicht ausreichend abgeatmet werden kann, sodass es zur Erhöhung des Plasmaspiegels kommt (Hyperkapnie).Hyperkapnie, respiratorische Azidose

Zusätzliche Säuren der Nahrung

Die Kohlenhydrate und die Fette derSäurenNahrung Nahrung werden durch Oxidation vollständig in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt. Dies gilt für die Eiweiße nur teilweise, indem deren Aminosäuren saure, aber auch basische Molekülanteile enthalten, sodass neben der Säure CO2 entweder zusätzliche Protonen H+ oder die Base OH− bzw. NH3 im Organismus gebildet und wieder entsorgt werden müssen (Abb. 2.31). Daneben entsteht aus der Aminogruppe aller Aminosäuren ohnehin die Base Ammoniak (NH3), die überwiegend in der Leber im Harnstoffzyklus, zu etwa 5 % aber über die Niere ausgeschieden wird.
Entsprechendes gilt für Nahrungsbestandteile wie Laktat, Citrat, Acetat oder Malat – also die Salze der entsprechenden Säuren Milchsäure, Zitronensäure, Essigsäure oder Apfelsäure. Diese Salze stellen Säureanionen dar und besitzen basische Eigenschaften entsprechend dem Anion Bikarbonat (HCO3) der Säure Kohlensäure (H2CO3).
Aus einer üblichen, gesunden, fleischarmen Mischkost werden auf diese Weise dem Organismus insgesamt und ganz unabhängig von der Oxidation des enthaltenen Kohlenstoffs zu CO2 etwa 210 mmol Protonen (H+) pro Tag und gleichzeitig ca. 160 mmol OH−-Ionen zugeführt. H+ und OH neutralisieren sich gegenseitig. Es verbleibt demnach ein täglicher Überschuss von rund 50 mmol Protonen H+, der zusätzlich zu den > 20.000 mmol CO2 mit daraus hervorgehendem H+ aus dem oxidativen Abbau ausgeschieden werden muss.

Puffersysteme

Zum Neutralisieren der mit der Nahrung aufgenommenen bzw. physiologischerweise anfallenden großen Mengen an Säuren gibt Puffersystemees Puffersysteme, die im Normalfall eine Azidose von Zytosol und Extrazellulärraum so lange zuverlässig verhindern, bis diese Säuren als CO2 über die Lunge bzw. als H+ über die Nieren ausgeschieden worden sind.
Ein Puffer ist also ein Molekül, das Protonen (H+) (oder Basen wie OH) anlagern kann.

Merke

H+ säuert eine wässrige Lösung so lange an, wie es als H+ vorhanden ist. Wird es an ein Molekül gebunden, existiert es also nicht mehr in freier Form, kann es die Lösung auch nicht ansäuern. Werden die aufgenommenen oder im Organismus entstandenen Säuren für ihren Transportweg zu Lunge oder Niere an einen Puffer gebunden, kann der pH-Wert der Körperflüssigkeiten in einem ganz engen Rahmen konstant gehalten werden.

Natriumbicarbonat-Puffer
Das wichtigste Puffersystem Natriumbicarbonat-Pufferdes Organismus ist das Natriumbicarbonat (= Natriumhydrogencarbonat; NaHCO3). Natriumbicarbonat dissoziiert (zerfällt) in wässriger Lösung vollständig in Na+ und HCO3−, sodass die Base HCO3− für das Abfangen von Protonen (H+) zur Verfügung steht. Das hieraus gebildete CO2 kann dann zur Lunge transportiert und abgeatmet werden, womit das ursprünglich entstandene Proton vollständig aus dem Organismus eliminiert worden ist. HCO3− wurde dabei allerdings verbraucht, sofern das H+ nicht aus Kohlendioxid entstanden ist, und muss in der Niere regeneriert werden:
HCO 3 + H + H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 Hydrogencarbonat + Proton Kohlensäure Wasser + Kohlendioxid ( Lunge )
H+ aus CO2 wird als CO2 über die Lunge entsorgt. In Bezug auf die Puffersubstanzen ist dies neutral, denn so, wie aus Kohlendioxid und Wasser (Kohlen-)Säure entsteht, wird aus der (Kohlen-)Säure auch wieder Kohlendioxid, das aus dem Organismus eliminiert wird. Der zunächst verbrauchte Puffer wird vollständig regeneriert und steht für die nächste Mahlzeit zur Verfügung.
Dies gilt jedoch nicht für zusätzlich in den Körper eingebrachte oder in ihm entstandene Säuren, z. B. in der Form von Milchsäure oder Ketosäuren.Ketosäuren Deren Protonen werden zwar auf entsprechende Weise vom Bikarbonat-Puffer abgefangen, doch wird derselbe hierbei verbraucht. Dies ist einer der zahlreichen Gründe, warum die Niere den Harn ansäuern muss. Mit der Ausscheidung der Säuren entsteht gleichzeitig neuer Bikarbonat-Puffer, sodass sich das System auf diese Weise regenerieren kann:
CO 2 + H 2 O ( Tubuluszelle ) H 2 CO 3 H + ( Urin ) + HCO 3 ( Blut )
Gleichzeitig dient die ausgeschiedene Säure der Reabsorption des im Primärharn vorhandenen Bikarbonat, aus dem in Umkehrung der obigen Gleichung CO2 entsteht, das als gasförmiges Molekül aus dem Tubuluslumen zurückdiffundieren und mit OH Bikarbonat bilden kann:Bikarbonat
H 2 O ( Tubuluszelle ) H + ( Urin ) + OH H + ( Urin ) + HCO 3 ( Ultrafiltrat ) H 2 CO 3 CO 2 ( Tubuluszelle ) + H 2 O OH ( Tubuluszelle ) + CO 2 HCO 3 ( Blut )
Es wurde oben bereits erwähnt, dass dieser regelmäßig auf diese Weise (mit OH) beschriebene Vorgang chemisch nicht korrekt definiert ist, also formal anders formuliert werden muss, doch ist das Ergebnis identisch.
Nichtbikarbonat-Puffer
In Bezug auf Säuren, die respiratorischNichtbikarbonat-Puffer (durch eine mangelhafte Lungenfunktion) als CO2 entstanden bzw. (genauer) nicht abgeatmet worden sind, hat der Bikarbonat-Puffer keine Wirkung, denn er kann lediglich H+ vorübergehend in CO2 verwandeln, um dasselbe kurz darauf über die Lunge wieder zu entsorgen. Wenn ein Zuviel an CO2 (Hyperkapnie) selbst zur Azidose führt, müsste das aus CO2 entstandene Proton in CO2 zurückverwandelt werden, was nicht möglich ist, weil es gerade aus CO2 entstanden ist und von der Lunge nicht ausreichend abgeatmet werden konnte (z.B. bei Asthma bronchiale, Lungenfibrose, Hypoventilation). Hieraus geht hervor, dass in Blut und Geweben weitere Puffersysteme existieren müssen, die z.B. bei einer mangelhaften Funktion von Lunge oder Atemwegen die Säure CO2 zu neutralisieren vermögen. Man spricht hier von den Nichtbikarbonat-Puffern.
Die wichtigsten Nichtbikarbonat-Puffer sind intrazellulär der PhosphatpufferPhosphatpuffer (HPO42−/H2PO4) und die Proteine mit ihren Aminogruppen. Extrazellulär sind es die Plasmaproteine sowie das Hämoglobin der Erythrozyten bzw. dessen Globin- = Proteinanteil. In der Niere wird neben Phosphat auch das NH3/NH4+-System zur Pufferung bzw. Ausscheidung von Säuren benutzt (Abb. 2.32).
NH3/NH4+-System
Neben seinerNH3/NH4+-System immunologischen Funktion (Säureschutz) und der Rückgewinnung des Bikarbonat-Puffers dient der saure Urin auch der Ausscheidung des toxischen AmmoniakAmmoniaks und Umwandlung in die atoxische Form des Ammoniumions (NH4+). Gleichzeitig wird ein Teil der ausgeschiedenen Säure durch Ammoniak abgepuffert, sodass der physiologische pH-Wert des ausgeschiedenen Urins zwischen 4,5 und 6,5 angesiedelt ist. Neben Ammoniak sorgt auch das ausgeschiedene PhosphatPhosphat dafür, dass der pH-Wert die Grenze von 4,5 nicht unterschreitet.
Der als AmmoniumionAmmoniumion (NH4+) im Urin erscheinende Ammoniak (NH3) bzw. das NH3/NH4+-System besitzen eine weitere Funktion, indem es dazu dient, eine metabolische Azidose abzumildern: Aus dem Abbau der Proteine/Aminosäuren fallen täglich etwa 1.000 mmol (= 1 Mol = 17 g) Ammoniak (NH3)Ammoniak an. Etwa 95 % davon werden in der Leber über den Harnstoffzyklus Harnstoffzyklusentsorgt. Je nach der mit der Nahrung aufgenommenen Menge an Eiweiß entstehen so pro Tag rund 30–50 g HarnstoffHarnstoff, die im Serum eine Konzentration von 2–8 mmol/l, entsprechend 12–48 mg/dl (= Referenzbereich) erzeugen und über die Niere ausgeschieden werden. Dieser übliche Bereich kann bei übermäßiger Eiweißzufuhr auch problemlos und völlig ohne nachteilige Folgen überschritten werden, sofern Leber und Niere störungsfrei arbeiten.
Energiegewinn aus Aminosäuren bzw. Eiweiß
Für die HerstellungEnergiegewinnungAminosäuren EnergiegewinnungProteineeinesProteineEnergiegewinnungAminosäurenEnergiegewinnung Moleküls Harnstoff benötigt die Leber 3 ATP-Moleküle. Neben diesem zusätzlichen Energieverbrauch entsteht aus Aminosäuren von vornherein weniger Energie, weil die Moleküle im Organismus nicht vollständig verbrannt werden können. Dies bedeutet, dass der Energiegewinn aus Aminosäuren im Körper (physiologischer Brennwert) geringer ausfällt als bei ihrer Verbrennung im Ofen (physikalischer Brennwert), während sich die beiden Brennwerte bei Fetten und Zuckern genau entsprechen. Dies wurde oben im Zusammenhang bereits angesprochen.
Funktion der Niere
Etwa 5 % desNierenfunktion pro Tag anfallendenAmmoniak Ammoniaks wandelt die Leber nicht in Harnstoff um, sondern bindet ihn an die Seitenkette der Aminosäure GlutaminsäureGlutaminsäure. Das entstehende GlutaminGlutamin wird dann auf dem Blutweg zur Niere transportiert (Abb. 2.33).
Die Niere kehrt den Prozess um. Das in der Leber entstandene Glutamin wird von den Zellen des proximalen Tubulus sowohl aus dem Lumen als auch basolateral (aus dem Blut bzw. Interstitium) aufgenommen. Das Enzym GlutaminaseGlutaminase dieser Zellen spaltet Glutamin wieder in Glutaminsäure und Ammoniak (NH3). Glutaminsäure wird im nächsten Schritt unter Vermittlung des Enzyms Glutamatdehydrogenase (GLDH) in α-Ketoglutarsäure und ein weiteres Molekül Ammoniak gespalten. Aus der α-Ketoglutarsäure entsteht schließlich Glukose (→ Glukoneogenese), während die nun insgesamt 2 Ammoniakmoleküle (NH3) in das Tubuluslumen ausgeschieden und mit den Protonen (H+) des sauren Urins in Ammonium-Ionen (NH4+) umgewandelt werden (Abb. 2.34). Über diesen Mechanismus ist also mit der Niere – neben der eigentlich „zuständigen“ Leber – ein weiteres Organ in der Lage, zumindest in geringem Umfang neue Glukose bereitzustellen (Glukoneogenese).
Bei einer Azidose des Extrazellulärraums, z.B. beim längeren Fasten mit Verbrennung von Aminosäuren und vermehrt entstandenen und teilweise zu Ketosäuren (Ketonkörpern) KetosäurenKetonkörperabgebauten Fettsäuren, übernimmt die Niere einen Großteil der Ammoniakausscheidung (Abb. 2.35): Der Harnstoffzyklus der Leber wird heruntergefahren und stattdessen eine große Menge an Glutamin gebildet, die der Niere zur Ammoniakbildung und -ausscheidung zur Verfügung gestellt wird. Während die Niere also der aus der (Keto-)Azidose des Serums resultierenden Aufgabe einer verstärkten Säureausscheidung nachkommt, puffert sie diese zusätzliche Säure gleichzeitig mit NH3, damit der pH-Wert des Harns nicht unter 4,5 absinkt. Gleichzeitig entstehen aus diesem Vorgang große Mengen an Glukose.

Exkurs

Man könnte nun vermuten, dass die Leber den pH-Wert des Serums misst und beim Entstehen einer Azidose über Enzymsysteme auf diesen so bewundernswert effektiven und konsequenten Stoffwechselweg umschaltet. Tatsächlich ist es jedoch sehr viel trivialer: Für die Harnstoffbildung benötigt die Leber Bikarbonat als zentralen Teil des Moleküls, an den dann 2 Aminogruppen angebunden werden. Der Puffer Bikarbonat wurde jedoch in einem azidotischen Serum verbraucht und steht für die Harnstoffbildung nicht mehr ausreichend zur Verfügung. Und so entstand aus der Not eine Tugend, indem der ohnehin zu entsorgende Ammoniak nun der Pufferung des Harns dient und sozusagen ganz nebenbei und gerade im Nahrungsmangel auch noch neuer Brennstoff gewonnen wird.

Merke

Gerade beim Fasten mit möglichen hypoglykämischen Phasen kommt es in der Niere zu einer durchaus erwähnenswerten Glukoneogenese.

Kooperation von Lunge und Niere

Merke

Niere und Lunge ergänzen sich in ihrer Funktion der Ausscheidung von Säuren aus dem Organismus.

Primär ist die Lunge Lungen-Nieren-Kooperationfür die rund 24.000 mmol (= 1 kg!) CO2 zuständig, die aus der Oxidation entstanden sind, und die Niere für die üblichen 50–60 mmol H+, die aus der Nahrung oder aus dem Stoffwechsel z. B. in der Form von Ketosäuren, Milchsäure, Harnsäure, aus Alkohol oder aus Medikamenten wie Salicylsäure entstehen. Kommt es jedoch zur Abweichung vom physiologischen pH-Wert von 7,40 im extrazellulären Raum, helfen beide Organe gemeinsam, diese Abweichung auszugleichen.
  • Ist z. B. eine LaktatazidoseLaktatazidose (vermehrte Muskelarbeit, im SchockSchock) oder KetoazidoseKetoazidose (Diabetes mellitusDiabetes mellitusKetoazidose Typ 1, Hunger, Alkoholabusus) AlkoholabususKetoazidoseentstanden, die durch die vorhandenen Pufferbasen nicht ausreichend kompensiert werden konnte, stimuliert der Überschuss an H+ das Atemzentrum zur vertieften Atmung (sog. Kußmaul-Atmung). Kußmaul-Atmung, KetoazidoseHierdurch bedingt wird von der Lunge vermehrt CO2 abgeatmet, die übliche CO2-Konzentration im arteriellen Blut (40 mmHg) also vermindert (Hypokapnie), sodass ein Teil der metabolisch erhöhten H+-Konzentration respiratorisch aus dem Körper entfernt wird und sich die Azidose abschwächt.

  • Wenn metabolisch entstandenes H+ an Bikarbonat bindet und von der Lunge als CO2 aus dem Organismus entfernt wird, muss hieraus eine Abnahme des physiologischen Bikarbonat-Spiegels resultieren. Die Niere wird durch eine vermehrte Ausscheidung von H+, aus der Bikarbonat entsteht, parallel zur gesteigerten Säureausscheidung auch für eine Regeneration des Bikarbonat-Puffers sorgen.

  • Wenn die Azidose respiratorisch verursacht wird (unzureichende Abatmung z. B. beim Asthma-Patienten), springt die Niere ein, indem sie einerseits vermehrt H+ ausscheidet, das die Azidose abschwächt, hierdurch aber auch verstärkt Bikarbonat bildet, das nun zur zusätzlichen Pufferung der noch im Überschuss vorhandenen Protonen zur Verfügung steht. Gleichzeitig stimuliert sie die Glutaminase-Aktivität, sodass das in der Folge vermehrt ausgeschiedene NH3 (aus der Aminosäure Glutamin) den pH-Wert des Urins nicht unter 4,5 absinken lässt. Auch der Phosphatpuffer hilft, diese physiologische Untergrenze des Harn-pH einzuhalten (Abb. 2.36).

  • Eine metabolisch oder respiratorisch entstandene AlkaloseAlkaloserespiratorischeAlkalosemetabolische wird entsprechend durch Minderatmung bzw. vermehrte Ausscheidung von Bikarbonat durch die Niere beantwortet, wodurch der Urin in solch pathologischen Fällen vorübergehend alkalisch werden kann.

pH-Wert des Serums

Der physiologische pH-Wert des arteriellen Blutes Serum-pH-WertpH-WertSerumliegt bei 7,40 und damit im schwach alkalischen Bereich. Er wird außerordentlich penibel und auf die 2. Kommastelle genau eingestellt, fällt z. B. in Zeiten starker (körperlicher) Tätigkeit mit zusätzlich anfallenden Säuren höchstens bis 7,36 und steigt durch übliche physiologische Störungen (basische Nahrung wie Bikarbonat, Laktat oder Citrat; Erbrechen; Hypokaliämie) auf maximal pH 7,44. Werte oberhalb 7,44 bezeichnet man als AlkaloseAlkaloseSerum-pH-Wert, bei weniger als 7,36 spricht man von der AzidoseAzidoseSerum-pH-Wert.

Merke

  • Azidose: < 7,36

  • Alkalose: > 7,44

Hinweis des Autors

Eine Azidose oder Alkalose ist nur unter pathologischen Bedingungen erreichbar (Ketoazidose des Diabetikers Typ 1 usw.) und dies gilt gleichermaßen für den interstitiellen Raum, der mit dem intravasalen Raum auch hinsichtlich des pH-Wertes eine Einheit bildet. Es ist nicht möglich, dass der pH-Wert in einem offenen System, z.B. in einem Gefäß, an verschiedenen Stellen abweichende Werte annehmen und beibehalten kann. Aber selbst wenn diese Ersatzkonstruktion der Anhänger dieser Theorie möglich wäre, so müsste man die einschlägigen Therapien ein weiteres Mal in Frage stellen, denn die zugeführten Basen gelangen auf oralem Weg ins Blut und werden dem Patienten eben gerade nicht in diesen ominös „übersäuerten interstitiellen Raum“ infundiert. Sollten sie aber nun doch aus dem Blut dorthin gelangen, hätte das ohnehin alkalische Blut dies längst selbst erledigen müssen – ganz und gar ohne Basenzufuhr.

Therapeuten, die der „ÜbersäuerungÜbersäuerung ihrer Patienten zu Leibe rücken wollen, bekämpfen eine Situation, die nicht existiert, denn sie behandeln nicht schwerstkranke Patienten auf Intensivstationen, sondern solche mit funktionellen bzw. alltäglichen Störungen, die vergleichsweise munter und auf eigenen Beinen ihre Praxisräume betreten. Die im Rahmen dieser „Therapien“ durchgeführte Zufuhr von basischen Substanzen verschiebt den pH-Wert des Blutes in Richtung Alkalose, wodurch das Atemzentrum mit dem Ergebnis einer Hypoxie (Sauerstoffmangel) gehemmt wird und die Niere zur Ausscheidung von Bikarbonat gezwungen wird. Allerdings vermag der Sauerstoffmangel durchaus ein (vorübergehendes) Wohlbefindenhypoxische Euphorie (hypoxische Euphorie; Fach Atmungssystem) zu erzeugen, woraus evtl. eine gewisse Dankbarkeit seitens des Patienten entsteht. Andererseits kann man einen Sauerstoffmangel auch kostenlos zustande bringen. Neben der Alkalisierung des Urins mit ungenügender Pufferung des Ammoniaks und Begünstigung aufsteigender Harnwegsinfekte gehen so wertvolle Pufferbasen verloren, die für die folgende Nahrungsaufnahme (kurzfristig) nicht mehr zur Verfügung stehen. Im ungünstigsten Fall erreicht der „Therapeut der Übersäuerung“ eine Azidose seines Patienten. Er hat damit das bewirkt, was er bekämpfen wollte.

Kaliumstoffwechsel

Merke

Der Stoffwechsel des Kalium KaliumStoffwechselist eng mit dem pH-Wert des extrazellulären Raumes verknüpft und wird deshalb an dieser Stelle besprochen.

Kalium (K+) ist das wesentliche Kation des intrazellulärer Raum, KaliumKaliumintrazellulärer Raumintrazellulären Raumes (ca. 145 mmol/l) und hält damit auch die jeweilige physiologische Zellgröße konstant. Im Serum liegt es (mit weitem Abstand hinter Natrium) an zweiter Stelle. Durchschnittlich enthält Serum 4,5 mmol/l Kalium (Referenzbereich 3,6–5,4 mmol/l). Etwa 98 % des gesamten Kaliumbestandes von 200 g befinden sich intrazellulär, nur 2 % (4 g) außerhalb der Zellen. Aufrecht erhalten wird dieses extreme Ungleichgewicht durch die Tätigkeit der Natrium-Kalium-Pumpe.
Aufnahme und Ausscheidung
Der Tagesbedarf an KaliumKaliumTagesbedarfKaliumAufnahme/Ausscheidung ist mit 2 g definiert, die durchschnittliche Kaliumaufnahme liegt bei 2–4 g/Tag. Reichlich enthalten ist es in zellreicher Nahrung (einschließlich Fleisch), frischem Gemüse und Obst (Bananen, Aprikosen, Feigen) sowie in Kartoffeln. Werden die Lebensmittel allerdings zu lange gekocht, löst sich ein Teil des Kaliums im Kochwasser und geht damit verloren.
Ausgeschieden wird Kalium überwiegend durch die Niere, in geringem Umfang auch über Stuhl und Schweiß (5–9 mmol/l). Bei vermehrtem Schwitzen kann die ausgeschiedene Menge erheblich sein. Dies gilt v.a. für eine daraus entstehende Hypovolämie, weil Aldosteron auch an den Schweißdrüsen (und am Darm) wirkt und die ausgeschiedene Kaliummenge erhöht. Hilfreich ist die Ausscheidung über den Dickdarm bei einer Niereninsuffizienz, indem hierbei bis zu einem Drittel der auszuscheidenden Menge ins Darmlumen sezerniert wird.
Kalium vermag über mindestens 6 unterschiedlich regulierte Kaliumkanäle aus der Zelle ins Interstitium zu strömen. Solch vorübergehende Verluste sind für die Zelle ohne Bedeutung, nicht jedoch für den Extrazellulärraum, weil durch dessen geringen Kaliumgehalt (nur 2 % Anteil am Gesamtkörperkalium) sehr schnell erhebliche Abweichungen von der Norm entstehen können. Beispielsweise führt die Abnahme des intrazellulären Kaliums um lediglich 1 % (= 2 g) zu einer Zunahme des extrazellulären Kaliums um nicht weniger als 50 % (von 4 g auf 6 g), woraus erhebliche bzw. lebensbedrohende Störungen resultieren. Von daher ist die uneingeschränkte Funktion der Natrium-Kalium-Pumpe gerade auch hinsichtlich der Kaliumhomöostase von besonderer Bedeutung.
Kalium und pH-Wert
Ein Teil der KaliumpH-WertpH-WertKaliumKaliumkanäle reagiert auf den pH-Wert des Interstitiums (Blutes). Bei einer Azidose werden sie weniger durchlässig. Dies wird allerdings dadurch weit überkompensiert, dass die Na+-K+-ATPaseNatrium-Kalium-Pumpe noch weit empfindlicher reagiert und durch eine AzidoseAzidosehyperkaliämische gehemmt wird. In der Folge dieser Pumpenhemmung wird weniger Kalium in die Zelle zurücktransportiert und reichert sich in Blut und Interstitium an. Es resultiert eine Hyperkaliämie mit Auswirkungen auf das Ruhepotenzial des Herzens und weiterer Strukturen.
Diese sog. hyperkaliämische Azidosehyperkaliämische AzidoseAzidosehyperkaliämische kann auch von umgekehrten Vorzeichen aus betrachtet werden, indem eine Hyperkaliämie zur Azidose führt. Ursache für diese pH-Wert-Verschiebung des Serums sind die Niere sowie die Tätigkeit der Hormone Insulin, Aldosteron und Adrenalin. Insulin, hyperkaliämische AzidoseAldosteronhyperkaliämische AzidosePhysiologisches Stimulanz der Insulin-Sekretion ist neben der Serumglukose und der Aufnahme von Nahrung auch die Hyperkaliämie. Dies gilt entsprechend für die NNR, in der die Hyperkaliämie direkt an der Zona glomerulosa eine Mehrsekretion von Aldosteron veranlasst. Schließlich reagiert auch das NNM mit einer Sekretion von Adrenalin. Alle 3 Hormone stimulieren die Na+-K+-ATPase, sodass sich das extrazelluläre Kalium normalisiert. Gleichzeitig jedoch erfolgt eine Stimulation des membranständigen Na+/H+-Antiporters, sodass H+-Ionen aus der Zelle ins Interstitium verschobenNatrium-/H+-Antiporter werden. Der biologische Sinn besteht nach üblicher Meinung darin, dass die nun entstehende intrazelluläre AlkaloseAlkaloseintrazelluläre die Aufnahme von Kalium in die Zellen begünstigt. Wichtiger ist sehr wahrscheinlich, dass die Aktivierung der Natrium-Kalium-Pumpe bei zuvor normalen Natriumkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle nun den Natriumgehalt des Zytosols (14 mmol/l) absenkt und der Na+/H+-Antiporter lediglich das physiologische Gleichgewicht des Natriums wiederherstellt.
Sofern man sich diese komplexen und ohnehin nicht prüfungsrelevanten Zusammenhänge ersparen möchte, genügt glücklicherweise auch die Funktion einer weiteren Pumpe, um sämtliche Zusammenhänge zwischen dem Kalium-SerumspiegelKaliumSerumspiegel und dem pH-Wert des Serums daraus abzuleiten und zu verstehen:
An den Sammelrohren der Niere findet sich ein K+/H+-Antiporter (H+-K+-ATPase), Kalium-/H+-AntiporterH+-K+-ATPaseder Kalium reabsorbiert und im Gegenzug Protonen ausscheidet. Das wurde bereits an anderer Stelle angesprochen. Von Bedeutung ist nun, dass dieser Antiporter vorrangig darauf zu achten hat, dass der physiologische Kalium-Serumspiegel erhalten bleibt (Abb. 2.37).KaliumSerumspiegel Er stellt gewissermaßen im Anschluss an das Tubulussystem mit all seinen Pumpen die letzte Instanz dar, die sich darum kümmert, wobei zusätzlich auch noch Abweichungen ausgeglichen werden müssen, die durch Aldosteron und dessen Tätigkeit an den Natrium-Kalium-Pumpen der Sammelrohre entstehen. Die Pumpe wird also beiHypokaliämie einer Hypokaliämie verstärkt Kalium aus dem Harn der Sammelrohre ins Blut zurückholen und bei einer Hyperkaliämie Hyperkaliämiein Untätigkeit verfallen, damit der Überschuss ausgeschieden wird. Dabei sollte nochmals bedacht werden, dass es sich bei Antiportern ausnahmslos um Pumpen handelt, die Ionen im Gegenzug befördern. Auf die H+/K+-ATPase bezogen müssen immer dann, wenn Kalium die Seite wechselt, Protonen auf die andere Seite gelangen. Das eine bedingt das andere.
Eingestellt ist diese Pumpe auf eine gewisse Grundtätigkeit, die den üblichen Gegebenheiten entspricht. Stellt sie ihre Tätigkeit bei einem Überschuss an Kalium im Serum (Hyperkaliämie) ein, wird gleichzeitig auch H+ im Serum zurückbehalten, das andernfalls ausgeschieden worden wäre, sodass es zur metabolischen AzidoseAzidosemetabolische kommen muss. Bei einer Hypokaliämie arbeitet sie dagegen „am Anschlag“ und muss im Gegenzug große Mengen an Protonen ausscheiden. Im Ergebnis entsteht eine metabolische Alkalose. Die HyperkaliämieHyperkaliämieAzidoseAzidosehyperkaliämische des Serums führt zur Azidose des Serums, die Hypokaliämie zur (metabolischen) Alkalose.
Geht man nicht vom Kalium-Serumspiegel, sondern vom pH-Wert des Serums aus, erhält man dieselbe Zusammengehörigkeit. Aus einem alkalischen Serum kann die Pumpe keine Protonen gewinnen, weshalb sie auch nicht in der Lage ist, Kalium zu reabsorbieren, sodass Verluste entstehen. Die Alkalose führt zur HypokaliämieAlkaloseAlkaloseHypokaliämieHypokaliämie. Dagegen stimuliert eine Azidose des Serums die Pumpe zur verstärkten Tätigkeit, wie dies für alle Protonenpumpen gilt. Im Gegenzug wird verstärkt Kalium reabsorbiert, woraus sich eine Hyperkaliämie entwickelt.

Merke

Es spielt letztendlich keine Rolle, welche Störung zuerst vorlag: Hyperkaliämie und Azidose bedingen sich genauso gegenseitig wie Hypokaliämie und Alkalose. Man kann deshalb Ursache und Folge auch schlagwortartig zusammenfassen und von der hypokaliämischen Alkalose und hyperkaliämischen Azidose sprechenhyperkaliämische Azidosehypokaliämische Alkalose.

Zusätzliche Auswirkungen abweichender Kaliumserumspiegel
Herzmuskulatur
Eine HyperkaliämieHyperkaliämieKaliumHerzmuskulaturHerzmuskulaturKalium verkleinert die übliche Relation des Kaliums intra- zu extrazellulär von den üblichen 30:1 (145 : 4,5 mmol/l) auf z.B. 25:1. Dies hat zur Folge, dass das RuhepotenzialRuhepotenzialHyperkaliämie an den Herzmuskelzellen von den üblichen −85 mV absinkt und sich nun bei einzelnen Zellen dem Schwellenpotenzial der Natriumkanäle von −65 mV nähert (Fach Herz-Kreislauf-System). Dies bedeutet, dass nun einzelne Zellen selbstständig ein Aktionspotenzial Aktionspotenzial, Hyperkaliämiebilden und in die Kammermuskulatur weiterleiten, obwohl sie vom Sinusknoten bzw. dem Erregungsleitungssystem gar nicht dazu „ermächtigt“ worden sind. Es bilden sich Extrasystolen, die je nach Entstehungsort und Häufigkeit bis hin zum Tod im KammerflimmernKammerflimmernHyperkaliämie führen können. Besonders gefährdet ist hierbei ein Herzmuskel, der ohnehin durch eine Mangelsituation (KHK, Insuffizienz, Myokarditis) ein erniedrigtes Ruhepotenzial aufweist, das nun durch die Hyperkaliämie zusätzlich abgesenkt und dem Natriumschwellenpotenzial angenähert wird.
Umgekehrt könnte man bei einer Hypokaliämie HypokaliämieHerzmuskulaturHerzmuskulaturHypokaliämievermuten, dass sich das Ruhepotenzial durch die nun von den üblichen 30 : 1 vergrößerte Differenz Zytosol : Interstitium auf noch negativere Werte von z. B. −90 mV absenken sollte, sodass ein derart betroffenes Herz hierdurch stabilisiert würde. Tatsächlich ist jedoch das Gegenteil der Fall, indem einzelne Kaliumkanäle in der Folge dieser Hypokaliämie (etwa ab 3,5 mmol/l) ihre Durchlässigkeit verlieren, sodass sich aus einem Aktionspotenzial heraus kein ausreichendes RuhepotenzialRuhepotenzialHypokaliämie mehr aufbauen kann. Dies bedeutet, dass sich das Ruhepotenzial auch hier bei einzelnen Zellen so weit dem Natriumschwellenpotenzial annähert, dass es zu ventrikulären ExtrasystolenKammerflimmernHypokaliämie bis hin zum Kammerflimmern kommen kann. Spätestens ab einer Hypokaliämie von < 3,0 mmol/l besteht Lebensgefahr – bei vorgeschädigten Herzen deutlich früher.

Achtung

Jede ausgeprägte Kaliumverschiebung (< 3,5 bzw. > 6 mmol/l) von Serum bzw. Interstitium führt zu einer Absenkung des Ruhepotenzials am Herzen, woraus besonders bei vorgeschädigter bzw. ischämischer Herzmuskulatur eine Gefährdung des Patienten resultiert. Besonders ausgeprägt wird diese Gefahr bei digitalisierten Patienten, weil es hier durch die Pumpenhemmung ohnehin bereits zu einem erniedrigten Ruhepotenzial kommt. Zusätzlich konkurrieren Digitalis und Kalium an der Bindungsstelle der Natrium-Kalium-Pumpe miteinander (kompetitiver Antagonismus), wodurch die Medikamentenwirkung entweder verloren geht (Hyperkaliämie) oder sehr schnell toxisch werden kann (Hypokaliämie). Bei diesen Patienten ist also neben der Überwachung des Digitalis-Serumspiegels eine penible Kontrolle der Kaliumhomöostase von besonderer Bedeutung.

Arterien und Arteriolen
KaliumArterien und ArteriolenAn den glatten Muskelzellen der kleinen Arterien und Arteriolen entsprechen die Auswirkungen einer HypokaliämieHypokaliämieArterien, kleine/Arteriolen den Auswirkungen am Herzen. Die Muskulatur der Media wird leichter erregbar, der Tonus erhöht sich mit der Folge einer Gefäßverengung, wodurch Gefäßwiderstand und (diastolischer) HypertoniediastolischeBlutdruck steigen. Gesteigert wird dieser Effekt durch den dem jeweiligen Kalium-Serumspiegel folgenden Magnesiumspiegel (Fach Endokrinologie). In der Konsequenz lässt sich sowohl durch eine Kalium- als auch durch eine Magnesiumsubstitution der Blutdruck senken – zumindest bei Serumspiegeln unterhalb der Norm. Dagegen würde eine Kaliumsubstitution bei normalen oder bereits erhöhten Serumspiegeln den Blutdruck anheben, weil die Hyperkaliämie an der NNR zur Sekretion von Aldosteron führt und am NNM zur Ausschüttung von Adrenalin.
Darm
An der MuskulaturHypokaliämieDarmmuskulatur KaliumDarmmuskulaturdes Darms ist der gegenteilige Effekt zu beobachten, indem die HypokaliämieHypokaliämieDarmmuskulatur dort zu einer geringeren Erregbarkeit führt – entsprechend dem, was ohne Lähmung der Kaliumkanäle überall zu erwarten wäre. Ein LaxanzienabususLaxanzienabususHypokaliämie bei vorbestehender Obstipation führt zu einem vermehrten Flüssigkeitsverlust über den Darm. Wenn, was bei den Betroffenen regelhaft zu beobachten ist, die Flüssigkeitszufuhr unzureichend ist, kommt es reaktiv zum HyperaldosteronismusHyperaldosteronismusHypokaliämie mit der Folge eines zusätzlichen Kaliumverlusts über Niere, Darm und Schweiß. Die Hypokaliämie wird also verstärkt, sodass in deren Folge auch die Obstipation weiter zunimmt. Es entsteht ein Circulus vitiosus, aus dem die Patienten nur herauskommen, wenn sie sowohl die Flüssigkeits- als auch die Kaliumzufuhr intensivieren.

Zusammenfassung

Säure-Basen-Haushalt

  • Säurebildung aus jeglicher Nahrung (ca. 1 kg CO2/Tag → Kohlensäure)

  • zusätzlicher Säureüberschuss aus üblicher Mischkost (Eiweiß, Essig, Oxalsäure, Vitamin C, Fettsäuren)

  • zusätzliche physiologische oder pathologische Säurebildung (Milchsäure, Ketosäuren, Harnsäure, Fettsäuren aus dem Fettgewebe)

  • Pufferung durch Bikarbonat, Proteine und Hämoglobin auf dem Weg zur Lunge (CO2)

  • Ausscheidung organischer Säuren durch die Niere (Milchsäure, Ketosäuren, Harnsäure)

  • Ansäuerung des Harns: Rückgewinnung des Bikarbonat-Puffers, immunologische Barriere, Ausscheidung von Ammoniak (als Ammonium)

  • Verknüpfung der Kaliumhomöostase mit dem pH-Wert:

    • hypokaliämische Alkalose

    • hyperkaliämische Azidose

    • überragende Bedeutung eines normgerechten Serumspiegels (3,6–5,4 mmol/l) im Hinblick auf das Ruhepotenzial der Zellen

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