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B978-3-437-41883-9.00009-8

10.1016/B978-3-437-41883-9.00009-8

978-3-437-41883-9

Wasserbestand eines Erwachsenen.

Hormonelle Regulation des Wasserbestands durch Osmo- und Dehnungssensoren. Angiotensin II als Endstrecke des Renin-Angiotensin-Systems. ANP = atriales natriuretisches Peptid, ADH = antidiuretisches Hormon (Adiuretin).

Nach [2]

Juxtamedulläres Nephron mit den zugehörigen Gefäßen.

Glomerulus mit Vas afferens und Vas efferens.

Glomeruläre Filtration. Wirkende Drücke und Filtrationsgleichgewicht.

Elektrolytresorption im proximalen Tubulus. Na+ wird über sekundär aktive Symporte mit verschiedenen Anionen (A) wie Cl oder PO4 und über einen sekundär aktiven Antiport gegen H+-Ionen in die Zelle aufgenommen. Die Energie für diese Symport-/Antiport-Mechanismen wird von der Na+-K+-ATPase an der Blutseite der Zelle geliefert, welche die Na+-Konzentration in der Zelle niedrig hält. Durch die rasche Resorption von Na+-Ionen aus dem Tubulus entsteht im frühproximalen Tubulus ein lumennegatives Potenzial von −2 mV (linke Zelle). Dieses lumennegative transepitheliale Potenzial (LNTP) begünstigt den parazellulären Ausstrom von Cl-Ionen aus dem Tubulus ins Interstitium: Durch fortgesetzten Chlorid-Ausstrom kommt es spätproximal zu einer Potenzialumkehr mit lumenpositiven Werten von +2 mV (rechte Zelle). Durch dieses lumenpositive transepitheliale Potenzial (LPTP) wird die parazelluläre Aufnahme von Kationen wie Na+, Ca2+, Mg2+, K+ ins Interstitium gefördert. Zum Mechanismus der HCO3-Resorption s. Text.Proximaler Tubulus:Natriumresorption

Resorptions- und Sekretionsvorgänge an den einzelnen Abschnitten des Nephrons im Überblick. Glc = Glucose, ADH = Adiuretin (antidiuretisches Hormon), ANP = atriales natriuretisches Peptid, PTH = Parathormon, LPTP = lumenpositives transepitheliales Potenzial (Kap. 9.3.4.4). Angegeben sind die noch vorhandenen Anteile der Substanzen am Ende des jeweiligen Abschnitts, z. B. Na+: 35 % am Ende des proximalen Tubulus noch vorhanden → 65 % bis dahin reabsorbiert.

Konzentrationseffekt im absteigenden Schenkel der Henle-Schleife. Erklärung s. Text.

Prinzip der Multiplikation von Einzelschritten des Ionen- und Wassertransports durch den Gegenstrommechanismus. Dargestellt sind absteigender (links) und aufsteigender Schenkel (rechts) der Henle-Schleife. Das Interstitium weist die gleiche Osmolarität wie der absteigende Schenkel auf und wurde zur Vereinfachung weggelassen. a: Im Ausgangszustand herrscht im absteigenden und aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife die gleiche Osmolarität. b: Durch Ausstrom von Na+, K+ und Cl im aufsteigenden Schenkel und Wasser im absteigenden Schenkel wird zwischen beiden Schenkeln ein Osmolaritätsunterschied von z. B. 200 mosmol/l aufgebaut. c: Mit der Strömung im Tubulus fließt hyperosmolarer Harn vom absteigenden in den aufsteigenden Schenkel. d: Im nächsten Schritt wird erneut zwischen beiden Schenkeln der Osmolaritätsunterschied von 200 mosmol/l hergestellt. e–h: Durch die Fortführung dieses Prozesses kann so aus vielen Einzelschritten im Bereich der Papille eine starke Hyperosmolarität erzeugt werden. h: Der Harn im aufsteigenden Schenkel wird dabei zunehmend hypoton.

Gegenstrommechanismus der Vasa recta im Nierenmark. Während im absteigenden Vas rectum Elektrolyte aus dem Interstitium in die Kapillare einströmen (rote Pfeile) und Wasser ausströmt (blaue Pfeile), finden im aufsteigenden Vas rectum die umgekehrten Transportprozesse statt, sodass als Resultat die Hyperosmolarität im Papillenbereich des Nierenmarks aufrechterhalten bleibt.

Resorption von Wasser, Na+ und Cl im Tubulussystem. Von der filtrierten Menge wird unter Normalbedingungen weniger als 1 % mit dem Endharn ausgeschieden. Im proximalen Tubulus werden ca. 65 % des Wassers unabhängig von jeder Regulation resorbiert. Die H2O-Resorption im Bereich der Sammelrohre ist dagegen ADH-abhängig. Bei vollständig unterdrückter ADH-Sekretion (= totale Wasserundurchlässigkeit der Sammelrohre) können maximal 12 % der filtrierten Wassermenge ausgeschieden werden. Zahlen im Tubulussystem = Osmolalitäten in mosmol/kg.

Gegenstrommechanismus der Henle-Schleife und des Sammelrohrs. Durch den Gegenstrommechanismus verlässt ein hypoosmolarer Harn den aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife. Durch Wasserausstrom (blaue Pfeile) wird im distalen Konvolut wieder die Isoosmose hergestellt. Durch weiteren Wasserentzug wird die Harnkonzentrierung im Sammelrohr fortgesetzt. Treibende Kraft der Wasserresorption ist die durch den Gegenstrommechanismus aufgebaute Hyperosmolarität im Interstitium des Nierenmarks. Rote Pfeile = Na+-Transport.

Strukturformeln von Harnsäure und Harnstoff.

Ausscheidung von Protonen (H+-Ionen) durch die Niere. a: Über den Phosphatmechanismus b: Über den Ammoniakmechanismus.

Abhängigkeit des Plasmakreatininspiegels von der glomerulären Filtrationsrate. GFR-Werte unter 90 ml/min sind bereits pathologisch (Niereninsuffizienz Stadium II). Der Plasmakreatininspiegel bleibt aber bis zu einer GFR von ≈ 60 ml/min unauffällig.ClearanInulin

Wasseranteil am Gesamtkörpergewicht bei Frauen und Männern

Tab. 9.1
Alter Männer Frauen
Jung 65 % 55 %
Alt 55 % 45 %

Störungen des Wasserhaushalts

Tab. 9.2
Störung Ursache extrazellulär intrazellulär
Volumen Osmolarität Volumen Osmolarität
Hypertone Dehydratation Verlust hypotoner Flüssigkeit
Hypertone Hyperhydratation Zufuhr hypertoner Flüssigkeit
Hypotone Dehydratation Verlust hypertoner Flüssigkeit
Hypotone Hyperhydratation Zufuhr hypotoner Flüssigkeit
Isotone Dehydratation Verlust isotoner Flüssigkeit
Isotone Hyperhydratation Zufuhr isotoner Flüssigkeit

Intravasale und intrazelluläre Ionenkonzentrationen (in mval/l)

Tab. 9.3
Ionen Intravasale Flüssigkeit Intrazelluläre Flüssigkeit
Anionen
Chlorid 104 4
Bicarbonat 25 12
Kationen
Natrium 143 12
Kalium 4,5 150
Calcium 5 10−5–10−4

Siebungskoeffizient

Tab. 9.4
Substanz Molekülmasse (Dalton) Durchmesser (nm) Siebungskoeffizient
Wasser 18 0,10 1
Harnstoff 60 0,16 1
Glucose 180 0,36 1
Inulin 5.500 1,48 0,98
Myoglobin 17.000 1,95 0,75
Hämoglobin 68.000 3,25 0,03
Albumin 69.000 3,55 < 0,001

Wasser- und Elektrolythaushalt, Nierenfunktion

  • 9.1

    Wegweiser213

  • 9.2

    Wasser- und Elektrolythaushalt213

    • 9.2.1

      Wasserbestand und Verteilungsräume213

    • 9.2.2

      Regulation der Wasseraufnahme und -ausscheidung214

    • 9.2.3

      Störungen des Wasserhaushalts und Gegenregulationsmaßnahmen215

    • 9.2.4

      Elektrolythaushalt217

  • 9.3

    Niere218

    • 9.3.1

      Bau und Funktion218

    • 9.3.2

      Regulation der Nierendurchblutung220

    • 9.3.3

      Glomeruläre Filtration222

    • 9.3.4

      Tubulärer Transport224

    • 9.3.5

      Renale Regulation des Säure-Basen-Haushalts238

    • 9.3.6

      Beurteilung der Nierenfunktion240

IMPP-Hits

  • ADH- und Aldosteron-Wirkungen

  • Berechnungen zur Nierenfunktion: Clearance, GFR, fraktionelle Ausscheidung

  • Störungen des Wasserhaushalts (Tab. 9.2)

Wegweiser

Die Nieren regulieren den Wasser- und Elektrolythaushalt (Kap. 9.2) und die Ausscheidung von Stoffwechselprodukten und Medikamenten. Darüber hinaus produzieren sie Hormone, die auf den Blutdruck, den Elektrolythaushalt und die Blutbildung Einfluss nehmen.
Für das Verständnis der Nierenphysiologie sind Kenntnisse der funktionellen Nierenanatomie und -histologie (Kap. 9.3.1) sowie der Nierendurchblutung (Kap. 9.3.2) Voraussetzung. Das Blut wird in den Glomeruli der Niere zunächst filtriert (Kap. 9.3.3). Dieses Filtrat wird in den Nierentubuli weiter bearbeitet (Kap. 9.3.4). Im proximalen Tubulus steht die Rückresorption des Hauptanteils von Elektrolyten, Glucose und Aminosäuren im Vordergrund. In der Henle-Schleife wird der Harn über Gegenstrommechanismen konzentriert. Im distalen Tubulus und in den Sammelrohren wird Wasser rückresorbiert und die Feineinstellung der Elektrolytresorption vorgenommen. Die Niere kann als Organ des Säure-Basen-Haushalts Säuren und Basen mit dem Harn ausscheiden (Kap. 9.3.5). Zur Beurteilung der Nierenfunktion (Kap. 9.3.6) dienen die glomeruläre Filtrationsrate, der renale Blutfluss, die Filtrationsfraktion und die fraktionelle Ausscheidung.

Wasser- und Elektrolythaushalt

Wasserbestand und Verteilungsräume

Wasserbestand
WasserhaushaltWasserbestandElektrolythaushaltDer Körper des Säuglings besteht zu 75 % aus Wasser. Mit zunehmendem Lebensalter sinkt der Wassergehalt, wobei Frauen aufgrund des höheren (wasserarmen) Fettgewebeanteils prozentual einen etwas geringeren Wasseranteil aufweisen als Männer (Tab. 9.1). Wird der Wasserbestand des Körpers auf die fettfreie Körpermasse bezogen, beträgt der Wasseranteil ohne Geschlechtsunterschied 73 %.
Flüssigkeitsräume

Das Fraktionelle AusscheidungGesamtkörperwasser verteilt sich auf 4 verschiedene Räume:Flüssigkeitsräume

  • Intrazelluläre Flüssigkeit: Wasser in den Zellen

  • Interstitielle Flüssigkeit: Wasser zwischen den Zellen

  • Plasmavolumen: Wasser in den Blutgefäßen

  • Transzelluläre Flüssigkeit: Wasser in Liquor, Gallenblase, Augenkammer, Nierentubuli

Interstitielle und transzelluläre Flüssigkeit werden mit dem Plasmavolumen zur Extrazellularflüssigkeit zusammengefasst.

Messung des Körperwasserbestands
Wasserhaushalt:KörperwasserbestandsDer Wasserbestand des Körpers wird gemessen, indem eine bekannte Menge einer Indikatorsubstanz verabreicht wird, die sich im gesamten Körperwasser gleichmäßig verteilt (Abb. 9.1). Hat sich eine gleichmäßige Verteilung eingestellt, kann aus der Konzentration im Plasma das Verteilungsvolumen V errechnet werden:
Werden z. B. einem 70 kg schweren Mann 10.000 Becquerel (statt der Menge wird hier die Aktivität des Stoffes in die Formel eingesetzt) Tritium intravenös injiziert und nach 2 Stunden in einem Liter Plasma 240 Becquerel gemessen, so hat sich das Tritium auf etwa 42 Liter verteilt, was dem Gesamtwasserbestand entspricht.
Wird Inulin als Indikatorsubstanz verabreicht, entspricht das errechnete Verteilungsvolumen lediglich dem Extrazellularraum, da Inulin nicht in die Zelle eindringt. Die Differenz der Verteilungsräume für Tritium (Gesamtwasserbestand) und für Inulin (Extrazellularraum) ergibt das intrazelluläre Flüssigkeitsvolumen. Der Farbstoff Evans Blue bindet an Plasmaproteine und verlässt daher die Gefäßbahn nicht. Er ist, wie radioaktiv markiertes Albumin, eine Indikatorsubstanz für das Plasmavolumen (Kap. 2.2.1).

Regulation der Wasseraufnahme und -ausscheidung

Wasserverlust und -zufuhr
  • Der minimale tägliche Wasserverlust des gesunden Erwachsenen beträgt etwa 2 Liter. Er setzt sich aus 1 Liter Urin, 100 ml Wasser im Kot und 900 ml Perspiratio insensibilis (extraglanduläre Wasserabgabe über Haut- und Schleimhäute, Kap. 8.3.3.3) zusammen.Wasserverlust und -zufuhr

  • Die Wasserzufuhr besteht aus der Trinkmenge (ca. 1 l), präformiertem Wasser in der Nahrung (ca. 700 ml) und Oxidationswasser aus dem Nahrungsabbau (ca. 300 ml).

Regulationsmechanismen
Wasserverlust und -zufuhr:Regulationsmechanismen

Der Wasserbestand des Körpers wird in sehr engen Grenzen konstant gehalten. Die Wasserzufuhr wird über das Durstempfinden, die Wasserausscheidung über die Niere gesteuert. Der Wasserbedarf des Organismus wird an mehreren Stellen erfasst:

  • Dehnungssensoren in den Wänden von Herzvorhöfen und V. cava thoracalis melden den Füllungszustand der Gefäße über afferente Bahnen an den Hypothalamus und beeinflussen die Sekretion des hypothalamischen Hormons Adiuretin (antidiuretisches Hormon, ADH): Gauer-Henry-Gauer-Henry-ReflexReflex (Kap. 3.6.2.3). Über eine Erhöhung des ADH-Spiegels wird die Wasserrückresorption in der Niere gesteigert.

  • Die Dehnung der Herzvorhöfe löst die Sekretion des im Herzen gebildeten atrialen natriuretischen Peptids (ANP) aus: Vorhofdehnungsreflex (Kap. 3.6.2.3). ANP steigert die Natrium- und Wasserausscheidung in der Niere.

  • DrucksensorenDrucksensoren in den Nieren steuern die Freisetzung des in der Niere gebildeten Hormons Renin. Renin fördert die Produktion von Angiotensin II, das die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) senkt, allgemein vasokonstriktorisch wirkt, die Freisetzung von Aldosteron fördert und Durst auslöst: Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (Kap. 10.5.2)

  • OsmosensorenOsmosensoren in Pfortadergefäßsystem, Leber und Hypothalamus steuern die Sekretion von ADH und lösen über afferente Bahnen Durstempfinden aus.

Die Regelgröße Wasserbestand wird also durch Sensoren erfasst, die über die Hormone ADH, ANP und Angiotensin II sowie durch unmittelbare nervale Einflüsse die Stellgrößen Durst (→ Wasserzufuhr) und renale Wasserausscheidung regulieren (Abb. 9.2, auch Kap. 20.9.1.1).

Störungen des Wasserhaushalts und Gegenregulationsmaßnahmen

Wasserhaushalt:Störung Wasserhaushalt:Gegenregulationsmaßnahmen

Störungen des Wasserhaushalts werden in DehydratationDehydratation (Wassermangel) und HyperhydratationHyperhydratation (Überwässerung) unterteilt. In Abhängigkeit von der Osmolarität des Plasmas wird bei Dehydratation und Hyperhydratation weiter zwischen hypotonen, isotonen oder hypertonen Störungen unterschieden (Tab. 9.2). Bei den isotonen De- oder Hyperhydratationen verändert sich nur das Extrazellularvolumen. Hypo- und hypertone Störungen des Wasserbestands beeinflussen durch osmotisch bedingten Wasserfluss auch den intrazellulären Wassergehalt:

  • Eine hypertone Störung führt zum Ausstrom von Wasser aus der Zelle und damit zur Zellschrumpfung.

  • Hypotone Veränderungen bewirken einen Wassereinstrom in die Zelle, d. h. eine Zellschwellung.

Hypotone Hyperhydratation
Hyperhydratation:Hypotone Hyperhydratation

Zufuhr von hypotonem Wasser, z.B. durch Trinken von Wasser mit geringer Osmolarität, verursacht eine hypotone Hyperhydratation. Dies aktiviert Osmosensoren in Leber und Hypothalamus, welche die Freisetzung von ADH hemmen und das Durstgefühl mindern. Der Mangel an ADH führt zu vermehrter Ausscheidung von hypotonem Harn durch die Nieren: Wasserdiurese. Außerdem wird weiteres Trinken durch die Hemmung des Durstgefühls reduziert.

Isotone Hyperhydratation
hyperhydratation:Isotone

Aufnahme von isotoner Flüssigkeit führt zur isotonen Hyperhydratation und aktiviert Druck- und Volumensensoren, welche die Zunahme des Flüssigkeitsvolumens registrieren. Die aktivierten Volumensensoren hemmen die Freisetzung von ADH und Renin und fördern die Sekretion von ANP:

  • Der erniedrigte ADH-Spiegel steigert die Wasserausscheidung, da die Wasserrückresorption in den Sammelrohren der Niere reduziert wird (Kap. 9.3.4.3).

  • Der erniedrigte Reninspiegel führt zu einer geringeren Bildung von Aldosteron, wodurch die Rückresorption von Na+ und in der Folge von Cl vermindert wird (Kap. 9.3.4.3).

  • Auch ANP senkt die tubuläre Rückresorption von Na+ und Cl

Durch diese Effekte wird vermehrt ein isotoner Harn ausgeschieden.

Hypertone Hyperhydratation

Wird sehr stark hypertone Flüssigkeit aufgenommen (z.B. Meerwasser), resultiert eine hypertone Hyperhydratation. In diesem Fall wird ADH weniger stark gehemmt als Renin. Dies führt in Verbindung mit einer Steigerung der ANP-Sekretion (Dehnung der Herzvorhöfe durch die Hyperhydratation, Kap. 10.8.4.1) zur Ausscheidung eines hypertonen Harns. Darüber hinaus stimulieren die hypothalamischen Osmosensoren das Durstzentrum: Durch das Trinken von iso- oder hypotoner Flüssigkeit wird die Osmolarität im Plasma gesenkt. Dies wird allerdings zunächst mit einer weiteren Volumenzufuhr (bei bestehender Hyperhydratation) erkauft, die in einem zweiten Schritt, nach Wiederherstellung der physiologischen Plasmaosmolarität wieder ausgeschieden werden muss.

Hypertone Dehydratation
Hyperhydratation:Hypertone Dehydratation:Hypertone Dehydratation

Der Verlust von hypotonem Wasser (z.B. bei vermehrtem Schwitzen) verursacht eine hypertone Dehydratation und steigert über Stimulation von Osmo- und Dehnungssensoren die ADH-Sekretion. Dies erhöht die Rückresorption von Wasser in der Niere. Gleichzeitig wird von den Osmosensoren im Hypothalamus das Durstzentrum stimuliert und so die Flüssigkeitszufuhr gesteigert.

Isotone Dehydratation

Eine isotone Dehydratation ist Folge des Verlusts von isotoner Flüssigkeit, z.B. bei Blutungen. Die Dehnungssensoren stimulieren die Freisetzung von Renin, was, vermittelt über Angiotensin II und Aldosteron, die Na+-, Cl- und Wasserresorption steigert. ADH wird ebenfalls stimuliert, allerdings weniger stark als bei einer hypertonen Dehydratation. Die Anregung des Durstzentrums durch Angiotensin II führt zu einer vermehrten Flüssigkeitsaufnahme.

Hypotone Dehydratation

Durchfälle und Erbrechen können über den Verlust hypertoner Flüssigkeiten aus dem Magen-Darm-Bereich eine hypotone Dehydratation verursachen. Wie bei der isotonen Dehydratation werden insbesondere Renin, aber auch ADH und das Durstzentrum stimuliert.

Lerntipp

Die Störungen des Wasserhaushalts und ihre Regulation werden gerne gefragt und sind eigentlich leicht zu verstehen. Einmal durchdenken und sichere Punkte kassieren!

Elektrolythaushalt

Dehydratation:IsotoneDehydratation:HypotoneElektrolythaushaltTab. 9.3 gibt einen Überblick über die Verteilung der Ionen im Plasma und in den Zellen. Die einzelnen Ionen und ihre physiologische Bedeutung werden im Folgenden erörtert.
Natrium
Bedeutung und Bestand
NatriumNatrium ist das mengenmäßig wichtigste Kation des extrazellulären Raums. Beim Erwachsenen beträgt der Natriumbestand 60 mmol/kg KG, von denen 40 % im Knochen gespeichert sind.
Aufnahme und Ausscheidung
Zwischen 50 und 300 mmol Natriumchlorid (3–17 g) werden täglich mit der Nahrung durch Resorption im unteren Ileum aufgenommen. Ausgeschieden wird Natrium zu über 95 % durch die Nieren und unterliegt dort der Regulation durch die Hormone Aldosteron (Na+-Ausscheidung↓) und atriales natriuretisches Peptid (Na+-Ausscheidung↑). Die restlichen 5 % werden mit dem Stuhl und dem Schweiß ausgeschieden.

Klinik

In Deutschland wird etwa doppelt so viel NaCl mit der Nahrung aufgenommen wie nötig: 12g/Tag statt 6g/Tag. Der Mindestbedarf an NaCl liegt sogar nur bei 1–2g/Tag. Die weitverbreitete Hyperalimentation mit Kochsalz wird mit der Entstehung von Bluthochdruck in Verbindung gebracht. Es wird vermutet, dass das zugeführte Natrium nicht mehr vollständig ausgeschieden werden kann und sich dadurch das Extrazellularvolumen erhöht. So kommt es in einem ersten Schritt zu einem reversiblen Volumenhochdruck. Dieser führt langfristig zu Umbauprozessen in den Gefäßwänden, die den arteriellen Hypertonus verfestigen: Widerstandshochdruck. Eine Diät mit Na+-Restriktion wird zur Therapie empfohlen. Bei immerhin einem Drittel der Patienten, den sog. salzsensitiven Hypertonikern, kann so der Blutdruck gesenkt werden.

Kalium
Bedeutung und Bestand
K+ Kaliumist das mengenmäßig wichtigste intrazelluläre Kation und ist an der Aufrechterhaltung des zellulären Ruhemembranpotenzials beteiligt. Der Gesamtbestand im Organismus beträgt etwa 50 mmol/kg KG und ist bei Männern etwas höher als bei Frauen, da diese einen höheren Anteil an kaliumärmerem Fettgewebe am Körpergewicht aufweisen. Nur 2 % des Kaliums liegen extrazellulär vor, 98 % sind intrazellulär gespeichert.
Aufnahme und Ausscheidung
Die tägliche Zufuhr ist stark nahrungsabhängig und sollte 25 mmol/Tag nicht unterschreiten. Die Nieren eliminieren über 90 % des zugeführten K+ mit dem Harn, die restlichen 10 % werden enteral ausgeschieden. Der K+-Haushalt wird durch Aldosteron reguliert. Die Konzentration von K+ im Urin hängt von der Diurese ab: Bei maximaler Antidiurese kann die K+-Konzentration im Urin auf bis zu 50 mmol/l ansteigen (von 2 mmol/l bei maximaler Diurese).

Klinik

Eine ausgeprägte Hyperkaliämie (K+ > 6,5mmol/l), die z.B. iatrogen durch Kombination von ACE-Hemmern (Angiotensin-Converting-Enzym; Kap. 10.5.2) mit Kalium sparenden Diuretika ausgelöst werden kann, ist wegen der resultierenden Herzrhythmusstörungen akut lebensbedrohlich. Der K+-Spiegel im Serum ist allerdings nur ein unzureichender Parameter des Kaliumhaushalts, da 98% des Kaliums intrazellulär gespeichert sind. Bei Verdacht auf Störungen des Kaliumhaushalts sollte daher ein EKG angefertigt werden: Typisch sind eine hohe zeltförmige T-Welle und eine PQ-Verlängerung: Hyperkaliämie wirkt am Herzen negativ dromotrop (Kap. 3.6.2.2). In der Folge treten Kammerflattern/Kammerflimmern oder eine Asystolie auf. Eine kombinierte Infusion von Insulin und Glucose kann den extrazellulären K+-Spiegel rasch senken, da Insulin den Einstrom von K+ in die Zellen fördert.

Calcium
Bedeutung und Bestand
Ca2Calcium+ ist von großer Bedeutung für die Erregbarkeit von Zellen. Schon relativ geringe Steigerungen der Ca2+-Konzentration heben die Erregungsschwelle an und stabilisieren so die Membran. Nimmt die Ca2+-Konzentration jedoch ab, sinkt die Erregungsschwelle und es können tetanische Krämpfe entstehen. Daher unterliegt die Ca2+-Konzentration im Plasma einer sehr präzisen Regulation. 99 % des Gesamtbestandes an Ca2+ sind als Calciumphosphat im Knochen eingelagert, der ein Reservoir zum Ausgleich von Schwankungen des Serum-Ca2+ darstellt. Im Serum sind 46 % des Ca2+ an Proteine und 6 % an Phosphat (HPO4) gebunden. Biologisch wirksam sind nur die freien, ungebundenen 48 % des Gesamt-Ca2+. Daher ist bei einer Beurteilung des Serum-Ca2+ immer die Serumeiweißkonzentration zu berücksichtigen.
Aufnahme und Ausscheidung
Die Hormone Parathormon, Calcitonin und 1,25-Dihydroxycholecalciferol (Calcitriol) regulieren die Ca2+-Konzentration im Serum (Kap. 10.6). Erwachsene benötigen ca. 0,8 g Calcium am Tag, Kinder und Schwangere bis zu etwa 1,5 g/Tag. Davon werden etwa 30 % im Darm resorbiert, der Rest geht mit dem Stuhl verloren.

Klinik

Bei Aufregung, Angst, Wut und Stress ist die Atmung vertieft und beschleunigt: Hyperventilation (Kap. 5.7.2.1) Es wird vermehrt CO2 abgeatmet: Der pH-Wert im Blut steigt an. Durch diese respiratorische Alkalose (Kap. 5.10.2.2) wird Ca2+ verstärkt an Proteine gebunden, und die Konzentration von freiem Ca2+ sinkt. Dadurch entsteht eine neuromuskuläre Übererregbarkeit mit Muskelkrämpfen, Kribbeln an Lippen, Händen und Füßen, Kussmundstellung und Krämpfen der Unterarmmuskulatur (Pfötchenstellung der Hände): Hyperventilationstetanie.

Magnesium
Mg2Magnesium+ ist ein wichtiger Cofaktor vieler Enzyme und hemmt die calciuminduzierte Acetylcholinfreisetzung an der motorischen Endplatte. Der Gesamtbestand an Mg2+ beträgt beim Erwachsenen etwa 16 mmol/kg KG, wovon sich etwa 52 % im Knochen und 43 % intrazellulär finden. Die Konzentration im Plasma beträgt 1 mmol/l, zu 50 % in freier, ionisierter Form, 35 % sind an Albumin und 15 % an Komplexbildner gebunden.

Klinik

Mg2+ hemmt die durch Ca2+ induzierte Freisetzung von Acetylcholin an der motorischen Endplatte. Bei einem Mangel an Magnesium wird daher mehr Acetylcholin ausgeschüttet: Die neuromuskuläre Erregbarkeit steigt. Dadurch kann es auch zu tetanischen Krämpfen kommen.

Niere

DieNiere Niere hat Ausscheidungs- und Regulationsaufgaben:
  • Ausscheidung

    • Stoffwechselabbauprodukte: Harnstoff, Kreatinin, Harnsäure

    • Fremdstoffe: Medikamente, Gifte

  • Regulation

    • Wasserhaushalt

    • Mineralhaushalt

    • Säure-Basen-Haushalt

    • Blutdruck und Blutvolumen

    • Erythrozytenhaushalt über Erythropoetin

Im Folgenden werden nach einer kurzen Rekapitulation des histologischen Feinbaus der Niere, der für ein Verständnis der Nierenphysiologie unverzichtbar ist, die Ausscheidungs- und Regulationsfunktionen der Niere im Detail dargestellt. Vor allem bei den regulatorischen Funktionen sind jedoch immer auch weitere Organsysteme beteiligt, die in anderen Kapiteln besprochen werden:
  • Blutdruckregulation: Kap. 4.3.3, Kap. 10.5.2 (Renin-Angiotensin-Aldosteron-System)

  • Mineralhaushalt: Kap. 10.5.2, Kap. 10.6

  • Säure-Basen-Haushalt: Kap. 5.10

  • Erythrozytenhaushalt: Kap. 2.3.2

Bau und Funktion

Niere:FunktionNiere:BauFunktionseinheit der Niere ist das Nephron, das aus einem Glomerulus mit Bowman-Kapsel und dem Tubulussystem besteht. Die Glomeruli liegen in der Nierenrinde, das Tubulussystem durchzieht das Nierenmark.
Tubulussystem
DasTubulussystem Tubulussystem wird funktionell-anatomisch in 4 Abschnitte eingeteilt (Abb. 9.3):
  • Proximaler Tubulus (Hauptstück): proximales Konvolut (Pars convoluta) und gerader Teil des proximalen Tubulus (Pars recta)

  • Intermediärtubulus (Mittelstück): dünner absteigender und dünner aufsteigender Schenkel

  • Distaler Tubulus (Mittelstück): distales Konvolut (Pars convoluta) und gerader Teil des distalen Tubulus (Pars recta)

  • Sammelrohre: Spät-distaler Tubulus und Sammelrohre im engeren Sinn

Die geraden, dicken Anteile von proximalem und distalem Tubulus bilden zusammen mit den dünnen absteigenden und aufsteigenden Schenkeln des Intermediärtubulus die Henle-Schleife
Glomerulus
DerGlomerulus Glomerulus besteht aus einem Kapillarnetz, das sich in den blindsackartigen Ursprung des Tubulussystems einstülpt. Hierdurch entsteht aus der eingestülpten Wand des Tubulussystems die Bowman-Kapsel, die den Glomerulus umhüllt (Abb. 9.4).
Oberflächliche, dicht unter der Kapsel gelegene Glomeruli bilden mit ihren Tubuli kurze Schleifen, die nur bis ins äußere Mark der Niere reichen. Von tief in der Rinde, nahe dem Mark gelegenen (= juxtamedullären) Glomeruli ziehen jedoch die Tubuli in sehr lange Schleifen bis ins innere Nierenmark und erreichen annähernd die Papillenspitze.
Die Tubulusschleife kehrt immer zum Ausgangsglomerulus zurück und bildet an der Berührungsstelle mit ihrem Glomerulus die Macula densa (Abb. 9.4).
Vas afferens und efferens
ZurNiere:Vas afferens und efferens Versorgung der Kapillarschlingen des Glomerulus entspringt aus der A. interlobularis das Vas afferens (afferente Arteriole). Nach der Verzweigung im Glomerulus sammeln sich die Kapillaren wieder und münden in das Vas efferens (efferente Arteriole), das den Glomerulus verlässt. Die Vasa efferentia bilden dann ein weiteres Kapillarnetz, das als peritubuläre Kapillaren die Tubuli begleitet. Die Vasa efferentia und die peritubulären Kapillaren gelten noch als arterielle Gefäße.
Vasa recta
DieNiere:Vasa recta von den juxtamedullären Glomeruli abgehenden Vasa efferentia bilden parallel zu den Tubuli durch das Nierenmark bis in die Papillenspitze ziehende arterielle Vasa recta, die sich kaum verzweigen und als venöse Vasa recta im gleichen Gefäßbündel wieder zurückführen. Die venösen peritubulären Kapillaren und die Vasa recta münden dann in die Vv. interlobulares und Vv. arcuatae (Abb. 9.3).

Regulation der Nierendurchblutung

Renaler Blutfluss und glomeruläre Filtrationsrate
Renaler Blutfluss
NierendurchblutungDerNierendurchblutung:Renaler Blutfluss Blutfluss durch beide Nieren, der renale Blutfluss (RBF), beträgt beim Erwachsenen etwa 1.200 ml/min, was 20 % des Herzzeitvolumens entspricht. Pro Gewichtseinheit ist damit die Durchblutung der Nieren deutlich höher als die von Herz, Gehirn oder Leber (Kap. 4.6). Sie beträgt 400 ml/min pro 100 g Nierengewebe.
Die sehr intensive Durchblutung der Nieren erklärt sich nicht durch einen hohen Sauerstoffbedarf, sondern durch die Filterfunktion der Nieren und deren Aufgabe, eine möglichst große Menge des Blutes möglichst rasch von den angefallenen Stoffwechselendprodukten zu reinigen.
Verteilung des RBF
Nierendurchblutung:Verteilung des RBFEtwa 92 % des renalen Blutflusses werden der Nierenrinde, in der die Glomeruli liegen, zugeführt. Die äußere Markzone erhält etwa 7 %, die Papillenregion nur 1 % des renalen Blutflusses. Diese unterschiedliche Verteilung der Durchblutung auf die einzelnen Anteile des Nierengewebes ermöglicht zum einen die enorme Filtrationsleistung der Glomeruli, zum anderen ist die im Vergleich zur Nierenrinde geringe Durchblutung des Nierenmarks Voraussetzung für die harnkonzentrierenden Mechanismen.
Glomeruläre Filtrationsrate

Unter glomerulärer Filtration versteht man die Filtration des Blutes durch die Wand der Glomeruluskapillaren in den von der Bowman-Kapsel gebildeten Hohlraum (Abb. 9.4). Das Maß der glomerulären Filtration ist die glomeruläre Filtrationsrate (GFR). Sie ist definiert als das pro Zeiteinheit von allen Glomeruli beider Nieren aus dem Blut filtrierte Volumen. Die GFR beträgt beim gesunden Erwachsenen im Mittel 125ml/min (= 180l/24 Stunden) und weist deutliche tageszeitliche Schwankungen mit höheren Werten am Tag und niedrigeren in der Nacht auf.

Merke

  • Renaler Blutfluss (RBF):

    • 1.200 ml/min (= 400 ml/min pro 100 g Nierengewebe).

    • 92 % des RBF erhält die Nierenrinde mit den Glomeruli.

  • Glomeruläre Filtrationsrate (GFR): 120 ml/min

Glomeruläre Filtrationsrate
Durchblutung der Nierenrinde
Myogene Autoregulation
Vas afferens und efferens
NierenrindeDieNierenrinde:Myogene Autoregulation Durchblutung wird durch die zuführende und die abführende Arteriole als hintereinander geschaltete Widerstandsgefäße reguliert (Abb. 9.3). In der zuführenden Arteriole, dem Vas afferens, wird der Blutdruck auf etwas mehr als 50 mmHg (6,7 kPa) gesenkt, in der abführenden Arteriole noch einmal auf etwa 23 mmHg (3 kPa). Über die Strömungswiderstände der beiden Arteriolen werden die Nierendurchblutung und damit auch die Filtration (Kap. 9.3.3) beeinflusst.
Anpassung des Strömungswiderstands
Die Vasa afferentia weisen eine Autoregulation auf: Unabhängig von der Regulation des Blutdrucks im Gesamtorganismus und der Innervation der Niere passen sie den Strömungswiderstand dem aktuellen Blutdruck an. Steigt der Blutdruck, führt dies in den Vasa afferentia zur Vasokonstriktion, umgekehrt reagieren sie auf Blutdruckabfall mit Vasodilatation. Eine solche reflektorische Kontraktion der glatten Gefäßmuskulatur bei Anstieg des transmuralen Drucks im Gefäß wird als Bayliss-Effekt Bayliss-Effektbezeichnet (Kap. 4.2.2.3).
Konstanter Perfusionsdruck
Durch den Bayliss-Effekt gelingt es, den renalen Blutfluss bei systolischen Blutdrücken zwischen 90 und 180 mmHg (12 bis 24 kPa) konstant zu halten. Der Perfusionsdruck in den nachfolgenden Glomeruluskapillaren beträgt dann konstant etwa 50 mmHg (6,7 kPa). Die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) ist dadurch weitgehend unabhängig von kurzfristigen Blutdruckschwankungen.
Blutdruckabfall
Bei einem sehr starken Abfall des systolischen Blutdrucks auf Werte um 60 mmHg kommt es dagegen zu einer deutlichen Reduktion der glomerulären Filtrationsrate, die sich klinisch als akutes Nierenversagen äußert. Die Harnausscheidung geht dabei auf weniger als 100 ml pro Tag zurück: Anurie.

Merke

  • Anurie:< 100ml/24 h

  • Oligurie: < 500 ml/24 h

  • Polyurie: > 4.000 ml/24 h

Renin-Angiotensin-Aldosteron-System

An der intrarenalen Blutdruckregulation ist auch das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System beteiligt (Übersicht Kap. 10.5.2). Im juxtaglomerulären Apparat (Kontaktstelle des distalen Konvoluts mit dem Vas afferens, Abb. 9.4) produzieren Epitheloidzellen das proteolytisch wirkende Hormon Renin. Renin wird bei erniedrigtem Perfusionsdruck vermehrt ins Blut abgegeben und führt dort über mehrere Zwischenschritte zur Bildung von Angiotensin II. Angiotensin II ist einer der stärksten körpereigenen Vasokonstriktoren und erhöht dadurch den systemischen Blutdruck. Es gelangt aber auch über das Blut zurück zu den Vasa efferentia, wo es ebenfalls den Gefäßtonus erhöht. Durch beide Anpassungen erhöht sich der Filtrationsdruck im Bereich der Glomeruli, sodass die Nierenfunktion auch bei erniedrigtem Perfusionsdruck sichergestellt werden kann.

Tubuloglomeruläres Feedback
EinRenin-Angiotensin-Aldosteron-SystemTubuloglomeruläres Feedback\t \"Siehe Niere Anstieg des NaCl-Gehalts und ein Anstieg der Flussrate im distalen Tubulus fördern die Freisetzung von Renin. Dadurch wird die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) gesenkt. Dieser Rückkopplungsmechanismus vom Tubulus zum Vas afferens und damit zum Glomerulus wird auch als tubuloglomeruläres Feedback (TGF) bezeichnet. Die Möglichkeit dieses tubuloglomerulären Feedbacks beruht auf der Tatsache, dass die in der Wand des distalen Tubulus gelegenen Zellen der Macula densa direkten Kontakt zum Glomerulus ihres Nephrons haben (Abb. 9.4). Durch das TGF wird die renale Filtration an die tubuläre Transportkapazität angepasst: Sinkt die tubuläre Resorptionsfähigkeit für NaCl (z. B. bei einer Nierenschädigung), wird auch die Filtrationsrate gedrosselt. Ein unkontrollierter Elektrolytverlust kann so vermieden werden.
Durchblutung des Nierenmarks
Gegenstromechanismen im Nierenmark
NierenmarkNierenmark:GegenstromechanismenWährend in den Glomeruluskapillaren selbst kein wesentlicher Abfall des Blutdrucks eintritt, wird eine erneute Drucksenkung durch das zweite Widerstandsgefäß, das Vas efferens, bewirkt. Die Vasa efferentia senken den Blutdruck in den arteriellen und venösen Vasa recta, die parallel zu den Tubuli verlaufen, auf den im Tubuluslumen herrschenden Druck. Hierdurch werden Austauschvorgänge zwischen den Tubuli, dem Interstitium und den Kapillaren sowie zwischen den dicht nebeneinanderliegenden arteriellen und venösen Vasa recta erleichtert. Diese Austauschvorgänge ermöglichen Gegenstromdiffusionsmechanismen, die für die Harnkonzentrierung von Bedeutung sind (Kap. 9.3.4.2).
Druckdiurese
DieNierenmark:Druckdiurese juxtamedullären Glomeruli, von denen die ins Nierenmark ziehenden Vasa recta ausgehen (Kap. 9.3.1.4), unterliegen nur in geringerem Maße den Autoregulationsmechanismen, die für die oberflächlichen, in der Nierenrinde liegenden Glomeruli typisch sind. Ein erhöhter systemischer Blutdruck führt daher zu einer verstärkten Durchblutung des Nierenmarks. Durch diese Durchblutungssteigerung wird aber die von den Gegenstrommechanismen aufgebaute Hyperosmolarität im Nierenmark zunehmend ausgewaschen: Die Konzentrationsfähigkeit der Nieren sinkt (Kap. 9.3.4.2). So kommt es bei einer Blutdruckerhöhung zu einer Steigerung der Ausscheidung von Wasser und Elektrolyten, obwohl die glomeruläre Filtrationsrate durch die Autoregulationsmechanismen weitgehend konstant gehalten wird: Druckdiurese.

Merke

Bayliss-Effekt im vas afferens: konstanter Druck von 50mmHg in den Glomerulusschlingen bei systolischem Blutdruck zwischen 90 und 180mmHg.

Glomeruläre Filtration

Glomerulusfilter
Schichten
GlomerulusfilterGlomeruläre FiltrationDerGlomerulusfilter:Schichten Glomerulusfilter besteht aus 3 Schichten. Man unterscheidet von innen nach außen:
  • die Endothelschicht der Kapillaren, die zelluläre Bestandteile zurückhält: Porengröße 50–100 nm

  • die Basalmembran, bestehend aus einem dichten Netzwerk fibrillärer, negativ geladener Proteine von gelartigem Charakter, in der keine Durchtrittsstellen im Sinne von Poren nachweisbar sind. Sie hält Makromoleküle mit einer Molekülmasse > 50.000 Dalton zurück.

  • das Epithel der Bowman-Kapsel mit ineinander verzahnten Podozyten, deren Kontaktstellen (Filtrationsschlitze) durch ein sehr dünnes Häutchen überspannt werden. Dieses Häutchen lässt lediglich Moleküle mit einer Größe unter 5 nm passieren und stellt somit den wesentlichen begrenzenden Faktor des Glomerulusfilters dar.

Molekülgröße und Ladung
Glomerulusfilter:Molekülgröße und LadungMoleküle bis zur Größe von Inulin (5.500 Dalton) werden zu 100 % filtriert, größere Moleküle werden in Abhängigkeit von ihrer Größe zunehmend zurückgehalten, sodass z. B. Albumin (69.000 Dalton) kaum noch im Filtrat erscheint. Neben der Molekülgröße beeinflusst allerdings auch die elektrische Ladung der Moleküle ihre Filtrierbarkeit. Negativ geladene Proteine der Basalmembran behindern aufgrund elektrostatischer Abstoßung den Durchtritt von negativ geladenen Makromolekülen wie z. B. Albumin.

Merke

Durchlässigkeit des Glomerulusfilters:

  • Kapillarendothel: < 50–100 nm

  • Basalmembran: < 12–25 nm

  • Podozyten: < 5 nm

Siebungskoeffizient
EinSiebungskoeffizient Maß für die glomeruläre Filtrierbarkeit einer Substanz ist ihr Siebungskoeffizient (Tab. 9.4), der als das Verhältnis ihrer Konzentration im Ultrafiltrat zu ihrer Plasmakonzentration definiert wird. Ist eine Substanz vollständig filtrierbar, wie z. B. Glucose, beträgt der Siebungskoeffizient 1. Wird sie vom Glomerulusfilter fast vollständig zurückgehalten, wie Albumin, geht der Siebungskoeffizient gegen 0.

Klinik

Glomerulonephritiden, d.h. Entzündungen der Glomeruli, beeinträchtigen die Filterfunktion des Glomerulus. Das Erscheinen von Makromolekülen wie z.B. Albumin im Urin (Proteinurie) ist daher oft erstes Zeichen einer Glomerulonephritis. Die Patienten berichten über einen schäumenden Urin. Die Schaumbildung ist auf den höheren Eiweißgehalt zurückzuführen. Im fortgeschrittenen Stadium wird der Glomerulusfilter auch für zelluläre Bestandteile durchlässig. Dann finden sich z.B. auch Erythrozyten im Urin: Erythrozyturie.

Effektiver Filtrationsdruck
Einflussfaktoren
Effektiver FiltrationsdruckDieEffektiver Filtrationsdruck:Einflussfaktoren Filtration durch die porenhaltige Wand der Glomeruluskapillaren ist ein passiver Vorgang, der keine Energie verbraucht und durch den effektiven Filtrationsdruck (Peff), die Filtrationsfläche und die Durchlässigkeit des Filters beeinflusst wird. Der effektive Filtrationsdruck (Peff) hängt zunächst vom hydrostatischen Druck in den Glomeruluskapillaren ab: Pglo (Kap. 9.3.2.2). Weitere Einflussfaktoren sind der onkotische Druck in den Glomeruluskapillaren (πglo) und der hydrostatische Druck in der Bowman-Kapsel (Pbow). Bei gesunden Nieren ist der onkotische Druck in der Bowman-Kapsel praktisch gleich 0, da das Filtrat eiweißfrei ist; er kann daher vernachlässigt werden. Es resultiert für den effektiven Filtrationsdruck die Formel:
Berechnung
DerEffektiver Filtrationsdruck:Berechnung hydrostatische Druck in den Glomeruluskapillaren (Pglo) liegt bei etwa 45 mmHg (5,9 kPa) und nimmt bis zum Vas efferens praktisch nicht ab. Der hydrostatische Druck in der Bowman-Kapsel (Pbow) beträgt etwa 10 mmHg (1,3 kPa). Der onkotische Druck in den Glomeruluskapillaren beträgt am Anfang der Glomeruluskapillaren 25 mmHg (3,3 kPa). Entsprechend ergibt sich der effektive Filtrationsdruck als
Filtrationsgleichgewicht
Da Filtrationsgleichgewichtaus den Glomeruluskapillaren eiweißfreie Flüssigkeit in den Bowman-Kapselraum filtriert wird, steigt im Verlauf der Glomeruluskapillaren der onkotische Kapillardruck in diesen langsam an und erreicht noch vor dem Ende der Kapillarstrecke Werte von mehr als 30 mmHg (4 kPa). Dadurch sinkt der effektive Filtrationsdruck (Peff) im letzten Drittel der Glomeruluskapillaren bis auf 0 mmHg ab. Im Verlauf des Blutflusses durch die Glomeruluskapillaren stellt sich also ein Filtrationsgleichgewicht ein, bei dem die Filtration in Richtung des efferenten Schenkels der Glomeruluskapillaren schließlich zum Erliegen kommt (Abb. 9.5).
Bei einer Erhöhung der Nierendurchblutung sinkt der onkotische Druck im Verlauf des efferenten Schenkels weniger stark ab, weil durch den vermehrten Blutfluss relativ weniger eiweißfreie Flüssigkeit filtriert wird. Dadurch wird bei hoher Nierendurchblutung auch das letzte Drittel der Glomerulusschlingen in die Filtration einbezogen. Durch diese Vergrößerung der Filtrationsfläche steigt die GFR, ohne dass sich der hydrostatische Druck in den Glomeruluskapillaren (Pglo) erhöhen muss.
Filtrationskoeffizient
FiltrationskoeffizientNeben dem effektiven Filtrationsdruck (Peff) beeinflussen die Filtrationsfläche (F) und die Leitfähigkeit (L, vereinfacht: Durchlässigkeit) des Glomerulusfilters für Wasser die GFR. Die Filtrationsfläche und die Leitfähigkeit der Glomerulusfilter werden oft zum Filtrationskoeffizienten (KF) zusammengefasst. Die glomeruläre Filtrationsrate GFR ergibt sich dann wie folgt:
Ultrafiltrat
Bestandteile
DasUltrafiltrat im Glomerulus erzeugte Filtrat wird als Primärharn oder Ultrafiltrat bezeichnet: 180 l/24 Stunden. Das Ultrafiltrat ist frei von Blutzellen und Makromolekülen. Alle anderen Substanzen (z. B. Elektrolyte, sehr kleine Proteine) finden sich in ihm in derselben Konzentration wie im Plasma.
Gibbs-Donnan-Gleichgewicht
DieGibbs-Donnan-Gleichgewicht Konzentration löslicher, negativer Anionen (z. B. Cl) ist im Ultrafiltrat um etwa 5 % höher, die Konzentration entsprechender Kationen im Ultrafiltrat (z. B. Na+) um 5 % niedriger als im Plasma. Dies beruht darauf, dass negativ geladene, nicht filtrierbare Proteine im Blut zurückgehalten werden, und daher im Ultrafiltrat fehlen. Hierdurch baut sich ein blutnegatives Potenzial von 1,5 mV über dem Glomerulusfilter auf. Zum Ladungsausgleich werden Kationen im Blut zurückgehalten.

Tubulärer Transport

DasTubulärer Transport Tubulussystem wird in 3 Abschnitte aufgeteilt, die unterschiedliche Aufgaben haben:
  • Der proximale Tubulus (proximales Konvolut) (Kap. 9.3.4.1) verrichtet bei der Rückresorption von Substanzen (z. B. Elektrolyten, Wasser) die Hauptarbeit und kann große Substanzmengen transportieren. Allerdings ist der Transport im proximalen Tubulus nur wenig reguliert und nur über geringe Konzentrationsgefälle möglich.

  • Die Henle-Schleife (Kap. 9.3.4.2) dient im Wesentlichen der Harnkonzentrierung über einen Gegenstrommechanismus.

  • Der distale Tubulus (distales Konvolut) und die Sammelrohre (Kap. 9.3.4.3) übernehmen die Feineinstellung der Rückresorption. Sie transportieren nur geringe Substanzmengen, dies jedoch gut reguliert und auch gegen große Konzentrationsgefälle. Hierzu greifen im distalen Tubulus und den Sammelrohren zahlreiche außerhalb der Niere gebildete Hormone (z. B. Aldosteron, Adiuretin [ADH], atriales natriuretisches Peptid [ANP], Parathormon [PTH], Vitamin D) an, welche Zusammensetzung und Menge des Harns beeinflussen.

Einen Überblick über die Resorption und die Sekretion der wichtigsten Substanzen in den einzelnen Tubulusabschnitten gibt Abb. 9.7.
Proximaler Tubulus
Glomerulotubuläre Balance
Im Proximaler TubulusProximaler Tubulus:Glomerulotubuläre Balanceproximalen Tubulus werden konstant etwa 65 % des Ultrafiltrats rückresorbiert (ca. 110 l/24 h), wobei der resorbierte prozentuale Anteil unabhängig von der GFR ist, d. h., bei einer Steigerung der GFR werden durch eine entsprechende Steigerung der tubulären Resorption unverändert 65 % resorbiert. Dieses konstante Verhältnis zwischen tubulärer Rückresorption und GFR wird als glomerulotubuläre Balance bezeichnet.
Natriumresorption

Zentrales Element der Rückresorption im proximalen Tubulus ist der sekundär aktive Transport von Na+ aus dem Tubuluslumen ins Interstitium der Niere, dem dann viele andere filtrierte Elektrolyte und Stoffe sowie Wasser passiv folgen. Im proximalen Tubulus werden etwa 65% der filtrierten Na+-Menge wieder aufgenommen. Die resorbierte Flüssigkeit ist im proximalen Tubulus im Gegensatz zu anderen Tubulusabschnitten isoosmotisch zum Plasma: isoosmotische Resorption.

Triebkraft: Na+-K+-ATPase

In der basalen, d.h. den Blutgefäßen zugewandten Membran der Tubuluszellen ist eine Na+-K+-ATPase lokalisiert (Abb. 9.6), die in einem aktiven, Energie verbrauchenden Transport (Kap. 1.4.2.4) Na+ aus der Zelle in das Interstitium und K+ aus dem Interstitium in die Zelle befördert. Für je 3 ausgeschleuste Na+-Ionen werden 2 K+-Ionen eingeschleust. Hierdurch wird die intrazelluläre Na+-Konzentration niedrig und die von K+ hoch gehalten. So entsteht an der Zellmembran eine elektrische Potenzialdifferenz von etwa −73 mV zwischen Zytosol (negativ) und Interstitium (positiv) zu Beginn des proximalen Tubulus.

Sekundär aktive Na+-Resorption
Na+-H+-AntiportAufgrund der durch dieNa+-K+-ATPaseProximaler Tubulus:Sekundär aktive Na+-Resorption Na+-K+-ATPase aufgebauten Potenzialdifferenz und der niedrigen intrazellulären Na+-Konzentration strömt Na+ sekundär aktiv über den Na+-H+-Antiport (Kap. 1.4.2.3) aus dem Tubuluslumen in die Tubuluszelle ein.
Na+-SymportAuch gekoppelt an andere Substanzen wie Glucose, Aminosäuren oder Phosphat wird Na+ über einen Na+-Symport (Kap. 1.4.2.3) ohne Energieverbrauch im Cotransport in die Tubuluszellen aufgenommen.
Abgabe ins InterstitiumAn der basalen Membran der Tubuluszelle trifft das Na+ auf die Na+-K+-ATPase und wird wieder aus der Zelle hinaus an das Interstitium abgegeben, sodass die Triebkraft des Resorptionsprozesses erhalten bleibt. Die übrigen mit Na+ aus dem Tubuluslumen in die Tubuluszelle resorbierten Stoffe diffundieren passiv entlang der Potenzialdifferenz oder eines Konzentrationsgefälles ins Interstitium.
Etwa ein Drittel des im proximalen Tubulus resorbierten Na+ wird durch diese sekundär aktiven Mechanismen aufgenommen.
Parazelluläre Resorption
EinProximaler Tubulus:Parazelluläre Resorption weiteres Drittel des filtrierten Na+ wird dadurch resorbiert, dass Na+ durch die Spalten (Shunts) zwischen den Tubuluszellen ins Interstitium gelangt. Hierbei folgen die Na+-Ionen den Cl-Ionen, die in der Tubulusflüssigkeit in etwas höherer Konzentration als im Interstitium vorhanden sind. Auch das frühproximal lumennegative transepitheliale Potenzial (LNTP, Abb. 9.6) begünstigt den parazellulären Ausstrom von Cl-Ionen. Durch diese parazellulären Shuntwege gelangen auch Mg2+- und Ca2+-Ionen mit den Cl-Ionen aus dem Tubulus ins interstitielle Nierengewebe.
Solvent Drag
DerSolvent Drag Elektrolytwanderung aus dem Tubuluslumen ins Interstitium folgt aus osmotischen Gründen der Einstrom von Wasser. Mit dem Wasserstrom werden weitere Elektrolyte und andere gelöste Stoffe (z. B. Harnstoff, Na+, Cl) passiv mitgerissen. Dieses Phänomen wird als Solvent Drag bezeichnet. Über diesen Mechanismus wird das letzte Drittel des im proximalen Tubulus aufgenommenen Na+ rückresorbiert.

Merke

Rückresorption von Na+ im proximalen Tubulus:

  • ⅓ sekundär aktiv (Triebkraft: Na+-K+-ATPase in der basalen Zellmembran)

  • ⅓ über parazelluläre Shunts

  • ⅓ über Solvent Drag

Bicarbonat- und Protonentransport
Proximaler Tubulus:Bicarbonat- und ProtonentransportEtwa 90 % des Bicarbonats (HCO3) werden im proximalen Tubulus resorbiert, die restlichen 10 % im distalen Tubulus und im Sammelrohr. Dabei ist die Resorption von Bicarbonat (HCO3) an die Sekretion von Protonen (H+) gebunden.
Carboanhydrase-Mechanismus

LumenMit einem Gegentransportmechanismus (Antiport) werden zunächst H+-Ionen im Austausch gegen Na+ von der Tubuluszelle in das Tubuluslumen ausgeschieden (Abb. 9.6). Im Lumen bilden diese H+-Ionen zusammen mit HCO3 Kohlensäure (H2CO3), die durch das im Bürstensaum der Tubuluszellen verankerte Enzym Carboanhydrase (Typ IV) in H2O und CO2 gespalten wird. Das hierbei gebildete CO2 diffundiert passiv in die Tubuluszelle zurück.

TubuluszelleKatalysiert durch eine zytoplasmatische Carboanhydrase (Typ II) reagiert dieses CO2 mit H2O zu H2CO3, das in H+ und HCO3 dissoziiert. HCO3 wird dann über einen Na+-3HCO3-Symporter (NBC1-Transporter, Na+-Bicarbonat-Cotransporter) zusammen mit Na+-Ionen an der basolateralen Zellmembran ins Interstitium abgegeben. Der NBC1 transportiert dabei Na+ und HCO3 gegen ihren Konzentrationsgradienten aus der Zelle. Treibende Kraft ist der durch die Na+-K+-ATPase aufgebaute elektrochemische Gradient für Na+. Das bei der Dissoziation von H2CO3 entstandene H+-Ion durchläuft den Zyklus erneut.

Na+-AbhängigkeitSomit ist die Resorption von HCO3 an 2 Stellen von einem Na+-Transport abhängig:

  • Ausschleusung von H+ aus der Tubuluszelle ins Tubuluslumen durch den Na+-H+-Antiport

  • Ausschleusung von HCO3 aus der Tubuluszelle ins Interstitium über einen Na+-Symport

Hemmung der CarboanhydraseDarüber hinaus ist die Resorption von HCO3 von der Aktivität der Carboanhydrase abhängig. Eine Hemmung der Carboanhydrase, z. B. durch Acetazolamid, führt zur Hemmung der HCO3-Resorption und damit zu einer erhöhten HCO3-Ausscheidung mit dem Urin. Durch die Carboanhydrase-Hemmung wird auch weniger H+ gebildet, sodass die Sekretion von H+ vermindert ist und der pH-Wert im Blut absinkt. Auch der Na+-H+-Antiport gerät durch den H+-Mangel ins Stocken, sodass weniger Na+ in die Tubuluszellen aufgenommen werden kann. Die gesteigerte Na+- und HCO3-Ausscheidung führt schließlich auch zu einer erhöhten Wasserausscheidung (Acetazolamid wurde früher als Diuretikum eingesetzt).

Bicarbonat-Transportmaximum

Normalerweise wird glomerulär filtriertes HCO3 im proximalen Tubulus zu 90% rückresorbiert. Übersteigt jedoch die Bicarbonatkonzentration im Plasma 27mmol/l, kann die Rückresorption im Tubulus mit dem erhöhten Bicarbonatangebot nicht mehr Schritt halten. Das Transportmaximum für Bicarbonat (HCO3) im Tubulus ist erreicht, sodass HCO3 vermehrt mit dem Harn ausgeschieden wird. Dies ist ein entscheidender Mechanismus zur Regulation des Säure-Basen-Haushalts, da auf diese Weise bei einer metabolischen Alkalose Basen (Bicarbonat) renal eliminiert werden können.

Da die Rückresorption von HCO3 in zweifacher Weise an die Resorption von Na+ gekoppelt ist (s. o.), wird das Transportmaximum von HCO3 von der tubulären Rückresorption des Na+ beeinflusst. Wird viel Na+ rückresorbiert, z. B. bei einer erhöhten GFR oder bei intravasalem Volumenmangel (Dehydratation), wird auch mehr HCO3 rückresorbiert.Carboanhydrase

Klinik

Bei einem Patienten mit metabolischer Alkalose und Volumenmangel kommt es zu einem Circulus vitiosus: Der Volumenmangel löst eine Steigerung der Na+-Resorption aus, sodass trotz der bestehenden Alkalose zu viel HCO3 rückresorbiert wird. Die Verstärkung der Alkalose kann nur durchbrochen werden, wenn durch Ausgleich des Volumenmangels die Na+-Resorption vermindert wird.Proximaler Tubulus:Bicarbonat-Transportmaximum

Merke

Rückresorption von HCO3:

  • 90 % im proximalen Tubulus

  • an Na+-Rückresorption gekoppelt

  • sinkt bei Hemmung der Carboanhydrase

Kaliumresorption
K+ Proximaler Tubulus:Kaliumresorptionwird mit 65 % im proximalen Tubulus in etwa gleichem Umfang wie Na+ resorbiert. Der Hauptresorptionsweg läuft dabei über parazelluläre Shunts (Abb. 9.6). Die Feinregulierung der K+-Resorption findet dann über Aldosteron im distalen Tubulus statt (Kap. 9.3.4.3).
Calciumresorption
EtwaProximaler Tubulus:Calciumresorption 40 % des Plasmacalciums ist an Albumin gebunden und erscheint deshalb nicht im glomerulären Ultrafiltrat. Von den 60 % des filtrierbaren Plasmacalciums werden 90 % passiv parazellulär rückresorbiert, 60 % im proximalen Tubulus, 30 % im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife und 9 % im distalen Tubulus.
Kopplung an NaCl-Rückresorption
Wichtigste Triebkraft der Ca2+-Resorption ist das lumenpositive transepitheliale Potenzial in den mittleren bis späten proximalen Tubulusabschnitten und im aufsteigenden Teil der Henle-Schleife. Dieses lumenpositive transepitheliale Potenzial wird durch die Na+-Resorption und die anschließende Resorption von Cl-Ionen aufgebaut (Abb. 9.6). Auf diese Weise ist die Ca2+-Resorption an die NaCl-Rückresorption gekoppelt: Sinkt die NaCl-Resorption, sinkt das lumenpositive transepitheliale Potenzial und damit auch die Ca2+-Resorption.

Klinik

Dieser Zusammenhang wird bei der Behandlung von Patienten mit Hyperkalzämie (erhöhte Ca2+-Konzentration im Plasma) ausgenutzt. Die Patienten erhalten reichlich (2–3l/Tag) NaCl-haltige Flüssigkeit. Die erhöhte Zufuhr von NaCl vermindert die Rückresorption von Na+ und Cl im Tubulus, wodurch gleichzeitig die Resorption von Ca2+ reduziert wird. Hierdurch wird vermehrt Ca2+ ausgeschieden, die Ca2+-Konzentration im Plasma sinkt.

Regulation
Im proximalen Tubulus unterliegt die Ca2+-Resorption keiner besonderen Regulation. Erst im aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife und im distalen Tubulus wird sie durch das in den Nebenschilddrüsen gebildete Hormon Parathormon (PTH) kontrolliert (Kap. 9.3.4.3).
Phosphatresorption
Proximaler Tubulus:PhosphatresorptionFiltriertes Phosphat wird im proximalen Tubulus über einen Na+-Phosphat-Symport sekundär aktiv in die Tubuluszelle aufgenommen und diffundiert von dort ins Interstitium. Die Aktivität des Na+-Phosphat-Symports wird durch Parathormon (PTH) und die Phosphatkonzentration im Plasma reguliert. Niedrige Phosphatplasmaspiegel steigern die Aktivität des Na+-Phosphat-Symports und senken somit die Ausscheidung von Phosphat. Parathormon und erhöhte Phosphatplasmaspiegel mindern die Aktivität des Na+-Phosphat-Symports, sodass weniger Phosphat rückresorbiert wird und der Phosphatplasmaspiegel sinkt. Insgesamt werden zwischen 80 und 95 % des filtrierten Phosphats wieder aufgenommen.

Merke

  • Calciumresorption:

    • 90 % passiv parazellulär von der NaCl-Resorption abhängig

    • 7–9,5 % aktiv und sekundär aktiv, PTH-gesteuert

  • Phosphatresorption:

    • 80–95 % sekundär aktiv im proximalen Tubulus über Na+-Phosphat-Symport

Glucoseresorption
Filtration

Glucose ist frei filtrierbar und daher im Ultrafiltrat in gleicher Konzentration wie im Plasma vorhanden. Die glomerulär filtrierte Menge von Glucose lässt sich deshalb aus der GFR (= 125ml/min) und der Glucosekonzentration im Plasma (nüchtern beim Gesunden: 80mg/100ml) errechnen:

Filtrierte
Glucose
= GFR × Glucosekonzentration
= 125 ml/min × 80 mg/100 ml
= 100 mg/min

Resorption

Normalerweise wird fast 100% der filtrierten Glucose im proximalen Tubulus über einen Na+-Glucose-Symport in der luminalen Zellmembran sekundär aktiv resorbiert, sodass beim Gesunden keine Glucose mit dem Urin ausgeschieden wird. Die Glucose verlässt die Tubuluszellen über einen GLUT2-Uniporter an der basalen Zellmembran in Richtung Blut. Ab einer Schwellenkonzentration von etwa 180–200mg Glucose pro 100ml Plasma sind jedoch alle Na+-Glucose-Symport-Komplexe besetzt, sodass Glucose nicht mehr zu 100% resorbiert werden kann.

Klinik

Die Glukosurie (Ausscheidung von Glucose im Urin) ist ein typisches Symptom des Diabetes mellitus. Aus osmotischen Gründen wird auch vermehrt Wasser ausgeschieden: Polyurie. Der Wasserverlust wird über einen gesteigerten Durst durch vermehrtes Trinken ausgeglichen: Polydipsie. In sehr seltenen Fällen kann eine Glukosurie auch durch einen Defekt des Na+-Glucose-Symports im Nierentubulus verursacht sein: renaler Diabetes mellitus.

Natriumabhängigkeit

Da durch den Na+-Glucose-Symport die Resorption von Glucose an die Aufnahme von Na+ gekoppelt ist, wird die Nierenschwelle von Glucose auch durch die Na+-Konzentration im Ultrafiltrat beeinflusst. Bei einer Steigerung der glomerulären Filtrationsrate (GFR) erhöht sich die filtrierte Menge von Glucose. Das ebenfalls vermehrt anfallende Na+ steht dann für den Na+-Glucose-Symport zur Verfügung, sodass mehr Glucose resorbiert werden kann.

Merke

Glukosurie entsteht ab einer Plasma-Glucosekonzentration von 180–200mg/dl.

Aminosäure- und Peptidresorption
Aminosäuren
Proximaler Tubulus:GlucoseresorptionGlukosuriePolyurieNatriumabhängigkeitProximaler Tubulus:Aminosäure- und PeptidresorptionAminosäuren werden zu 98 % im proximalen Tubulus über sekundär aktive Na+-Symporte resorbiert. Hierfür existieren wie in den Darmepithelien (Kap. 7.6.3) mehrere verschiedene Na+-Aminosäuren-Symporte, die unterschiedliche Aminosäuren transportieren. Aminosäuren mit ähnlicher Konfiguration, z. B. die zweibasischen Aminosäuren Arginin, Lysin, Ornithin und die neutrale Aminosäure Cystin, werden vom gleichen Symport-Carrier transportiert. Bei einem Überangebot von Arginin im Tubulus wird der gemeinsame Symport schneller gesättigt, sodass auch Lysin, Ornithin und Cystin durch kompetitive Hemmung der Aminosäureresorption vermehrt ausgeschieden werden.
Peptide
Kleine Peptide werden durch membranständige Enzyme im Bürstensaum der Tubuluszelle in Aminosäuren gespalten, die dann über die Aminosäuren-Symporte aufgenommen werden. Di- und Tripeptide können auch über einen Peptid-H+-Symport resorbiert werden. Größere Peptide, wie z. B. Lysozym oder Hormone (Insulin), werden durch Endozytose in die Tubuluszelle aufgenommen und im Zytosol in Aminosäuren zerlegt, die dann in das Interstitium abgegeben werden.
Harnsäureresorption
HarnsäureresorptionHarnsäure spielt für die Ausscheidung von Stickstoff im Vergleich zum Harnstoff nur eine untergeordnete Rolle, da nur etwa 0,5 g Harnsäure, aber 20 g Harnstoff pro 24 Stunden ausgeschieden werden.
Auscheidungsbilanz
Zwar kann Harnsäure vom Tubulus auch aktiv sezerniert werden, in der Bilanz überwiegt jedoch die Resorption bei Weitem, sodass nach der Passage des proximalen Tubulus nur noch 10 % der filtrierten Harnsäure die Spitze der Henle-Schleife erreichen. Im aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife wie auch im distalen Konvolut und in den Sammelrohren wird Harnsäure nicht nennenswert resorbiert oder sezerniert, sodass letztlich 10 % der glomerulär filtrierten Harnsäure mit dem Endharn ausgeschieden werden.
Löslichkeit
Harnsäure weist eine relativ geringe, pH-abhängige Wasserlöslichkeit auf. Beim physiologischen pH-Wert von 7,4 liegt Harnsäure (pKA-Wert 5,8) überwiegend dissoziiert als Urat-Anion vor, das wesentlich besser wasserlöslich ist als Harnsäure selbst. Harnsäure in hoher Konzentration kann im Interstitium des Nierenmarks bei sinkendem pH-Wert der Tubulusflüssigkeit ausfallen, wobei Uratkristalle entstehen, die die Nieren schädigen.

Klinik

Eine purinreiche Diät (viel Fleisch) in Kombination mit Alkohol kann zu einer Hyperurikämie führen: Serumspiegel der Harnsäure > 6,5mg/dl. Betroffen sind ∼25% der Männer und ∼2,5% der Frauen. Harnsäure ist als Natriumurat im Plasma nur begrenzt löslich. Uratkristalle fallen daher in Gelenken aus übersättigter Synovialflüssigkeit aus und werden von Makrophagen phagozytiert, was eine Gelenkentzündung hervorruft: Gicht. Typische Auslöser sind Ess- oder Trinkexzesse, aber auch exzessive Diätversuche mit Abbau von purinreichem Körpergewebe: „Fasten und Feste“. Die extrem schmerzhafte Gichtarthritis befällt in 60% der Fälle das Großzehengrundgelenk, plötzlich und zumeist nachts.

Merke

  • Aminosäuren: Resorption über Na+-Symporter im proximalen Tubulus

  • Harnsäure: Resorption und Sekretion im proximalen Tubulus: 90 % Nettoresorption

Sekretion von Fremdstoffen
Im Proximaler Tubulus:Sekretion von Fremdstoffenproximalen Tubulus finden sich Carrier-Proteine, über die organische Säuren (organische Anionen) und Basen (organische Kationen) ins Tubuluslumen sezerniert werden können. Diese Carrier sind wenig substanzspezifisch. Medikamente und Fremdstoffe wie Penicillin, Barbiturate, Salicylsäure, Furosemid oder p-Aminohippursäure (PAH) werden über das Sekretionssystem für organische Anionen in den Tubulus abgegeben. Organische Kationen wie Acetylcholin, Adrenalin, Atropin, Dopamin, Histamin oder Serotonin werden über Kationentransporter ausgeschieden.
Aufnahme des Reabsorbats in die peritubulären Kapillaren
Der Proximaler Tubulus:Aufnahme des ReabsorbatsEinstrom der aus dem proximalen Tubulus ins Niereninterstitium rückresorbierten Flüssigkeit (Reabsorbat) in die peritubulären Kapillaren (Abb. 9.3) ist von 5 Faktoren abhängig:
  • Hydrostatischer Druck im Interstitium. Durch den Transport von NaCl und Wasser aus dem Tubuluslumen ins Interstitium ist dieser Druck erhöht. Dies begünstigt die Aufnahme des Reabsorbats in die peritubulären Kapillaren.

  • Hydrostatischer Druck in den Kapillaren. Dieser ist wegen der beiden vorangestellten Widerstandsgefäße (Vas afferens und Vas efferens) mit etwa 10 mmHg sehr gering, was den Einstrom von Flüssigkeit aus dem Interstitium erleichtert.

  • Onkotischer Druck in den Kapillaren. Dieser ist erhöht, da im Glomerulus eine eiweißfreie Flüssigkeit abfiltriert wurde und so die Konzentration von Proteinen in den Kapillaren relativ hoch ist. Auch hierdurch wird die Aufnahme des Reabsorbats begünstigt.

  • Onkotischer Druck im Interstitium.

  • Permeabilität der Kapillare.

Henle-Schleife und Gegenstrommechanismen
Elektrolytresorption
Henle-SchleifeNachGegenstrommechanismen der Passage des proximalen Tubulus gelangen noch etwa 35 % des im Verhältnis zum Plasma isoosmotischen Ultrafiltrats in die Henle-Schleife.
Absteigender Schenkel
Im Henle-Schleife:Absteigender Schenkelabsteigenden Schenkel der Henle-Schleife werden Elektrolyte in gleicher Form wie im proximalen Tubulus resorbiert, allerdings in wesentlich geringerer Menge.
Aufsteigender Schenkel
Im Henle-Schleife:Aufsteigender Schenkeldicken aufsteigenden Schenkel werden dagegen wieder mehr Elektrolyte, vor allem Na+, Cl und K+, resorbiert. Insgesamt werden 25 % des filtrierten Na+ und etwa 20 % des filtrierten K+ in der Henle-Schleife resorbiert. Dabei wird Na+ aus dem Tubuluslumen sekundär aktiv im Cotransport mit einem K+- und 2 Cl-Ionen in die Tubuluszelle aufgenommen. Auch für diesen Na+-K+-2Cl-Kosymport – NKCC-SymportNKCC-Symportliefert die Na+-K+-ATPase in der basalen Zellmembran die Triebkräfte

Klinik

Auf einer Hemmung des NKCC-Transportsystems im aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife beruht die Steigerung von Wasser, Na+- und K+-Ausscheidung durch das Schleifendiuretikum FurosemidFurosemid. Da die Ca2+-Resorption von der NaCl-Resorption abhängig ist (Kap. 9.3.4.1), führt die Hemmung der NaCl-Resorption durch Schleifendiuretika auch zu einer Hemmung der Ca2+-Resorption und damit zu einer verstärkten Ca2+-Diurese.

Gegenstrommechanismus der Henle-Schleife

Grundlage des Gegenstrommechanismus der Henle-Schleife ist es, dass die parazellulären Shuntwege im aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife, im Gegensatz zum absteigenden Schenkel, für Wasser fast völlig undurchlässig sind.

Durch die parallele Anordnung beider Schenkel der Henle-Schleife ergibt sich dadurch ein osmotischer Konzentrierungsseffekt. In einem statischen Einzelschritt ohne Berücksichtigung des Harnflusses lassen sich die folgenden Momente unterscheiden (Abb. 9.8):

  • Der in den absteigenden Schenkel der Henle-Schleife eintretende Harn ist mit 290 mosmol/l isoosmotisch zum Plasma (Abb. 9.8a).

  • Durch den NKCC-Symport im aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife werden Na+, K+ und Cl aus dem Tubuluslumen ins Interstitium transportiert (Abb. 9.8b).

  • Da der aufsteigende Schenkel fast vollständig impermeabel für Wasser ist, wird das Interstitium dadurch hyperton.

  • Aus osmotischen Gründen strömt deswegen aus dem gut wasserdurchlässigen absteigenden Schenkel Wasser ins Interstitium (Abb. 9.8c).

  • Hierdurch gleichen sich die Osmolarität im absteigenden Schenkel und im Interstitium wieder an, wobei der Harn im absteigenden Schekel aber hypertoner ist als zu Beginn.

Durch die Strömung des Harns im Tubulus wird der Effekt dieses Einzelschritts multipliziert. Dadurch wird die Osmolarität am Übergang vom absteigenden in den aufsteigenden Teil der Henle-Schleife im Papillenbereich des Nierenmarks deutlich gesteigert (Abb. 9.9).

Mithilfe dieses Gegenstrommechanismus kann im Interstitium des Nierenmarks eine Osmolarität von bis zu 1.400 mosmol/l erzeugt werden. Durch hohe Kapazität des NKCC-Symports im aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife weist der die Henle-Schleife verlassende und ins distale Konvolut eintretende Harn letztlich nur noch eine Osmolarität von 100 mosmol/l auf.

Harnstoff als Verstärker des Gegenstrommechanismus
Die Henle-Schleife:GegenstrommechanismusGegenstrommechanismus:HarnstoffSammelrohre, die parallel zu absteigendem und aufsteigendem Schenkel der Henle-Schleife ins Nierenmark ziehen, verfügen über Harnstofftransporter. Über diese Transporter verlässt Harnstoff seinem Konzentrationsgradienten folgend das Sammelrohr und strömt ins Interstitium. Durch die erhöhte Harnstoffkonzentration im Interstitium wird dem absteigenden dünnen Teil der Henle-Schleife auf osmotischem Wege zusätzlich Wasser entzogen, das ins Interstitium strömt. Die NaCl-Konzentration in diesem absteigenden Teil der Henle-Schleife steigt dadurch weiter an. Dieser erhöhte NaCl-Konzentrationsgradient zwischen Henle-Schleife und Interstitium führt im aufsteigenden Teil der Henle-Schleife zu einem vermehrten Ausstrom von Na+, Cl und K+ über die NKCC-Symporter, sodass durch Harnstoff der Gegenstrommechanismus verstärkt wird.
Gegenstrommechanismus der Vasa recta
DurchGegenstrommechanismus:Vasa recta ihre ebenfalls haarnadelförmige Anordnung tragen die Vasa recta zur Erhaltung der Hyperosmolarität im Nierenmark bei. Im absteigenden Vas rectum werden Elektrolyte und Harnstoff aufgenommen und Wasser abgegeben, während im aufsteigenden Schenkel die umgekehrten Transportvorgänge stattfinden (Abb. 9.10). So wird durch diesen Gegenstrommechanismus der Vasa recta die vom Gegenstrommechanismus der Henle-Schleife aufgebaute Hyperosmolarität im Papillenbereich konserviert (Abb. 9.10).
Bei einer Durchblutungssteigerung im Nierenmark wird dieser Gegenstrommechanimus jedoch geschwächt, weil die Transportvorgänge bei erhöhter Flussrate weniger effektiv sind. So kommt es z. B. bei erhöhtem systemischem Blutdruck zu einer Auswaschung der Hyperosmolarität im Nierenmark: Druckdiurese (Kap. 9.3.2.3).
Distaler Tubulus und Sammelrohre
Die SammelrohreDistaler Tubuluswichtigste Aufgabe des distalen Konvoluts und der Sammelrohre ist die Harnkonzentrierung durch Resorption von Wasser.
H2O-Resorption
Von H2O-Resorptionden im Glomerulus pro 24 Stunden gebildeten 180 l Primärharn werden 99 % im Tubulussystem rückresorbiert, sodass letztlich nur 1,5–2 l Endharn in 24 Stunden ausgeschieden werden. 65 % des Ultrafiltrats werden bereits im proximalen Konvolut, also im Anfangsteil des Tubulussystems, rückresorbiert. Weitere 10 % werden in der Henle-Schleife aufgenommen, die restlichen 24 % im distalen Konvolut und in den Sammelrohren (Abb. 9.11). Während Wasser im proximalen Tubulus ohne besondere Regulation als Folge der Elektrolytresorption parazellulär wiederaufgenommen wird, unterliegt die H2O-Resorption im distalen Tubulus und den Sammelrohren einer bedarfsgesteuerten Regulation.
Harnkonzentrierung in distalem Tubulus und Sammelrohren

Ausgangspunkt der Harnkonzentrierung ist der von der Henle-Schleife an das distale Konvolut übergebene Harn, der durch die Gegenstrommechanismen im Vergleich zum Interstitium hypoosmolar ist.

  • Im distalen Konvolut ist die Tubuluszelle relativ undurchlässig für NaCl, sodass der Ausgleich des osmotischen Gradienten zwischen Interstitium (isoosmotisch zum Plasma, 290 mosmol/l), und Tubuluslumen zu Beginn des distalen Konvoluts (100 mosmol/l) durch den Ausstrom von Wasser aus dem Tubuluslumen ins Interstitium erfolgt. Hierdurch wird im distalen Konvolut etwa die Hälfte des noch vorhandenen Wassers rückresorbiert.

  • Die Osmolarität des Harns steigt somit langsam wieder an. Sie ist nach der Passage des distalen Konvoluts am Anfang der Sammelrohre etwa isoosmotisch zum Plasma: 290 mosmol/l.

  • Die Sammelrohre sind wie das distale Konvolut relativ undurchlässig für Elektrolyte, aber durchlässig für Wasser. Da die Sammelrohre zur Papillenspitze führen, wo das Interstitium durch den Gegenstrommechanismus sehr hyperton ist, besteht zwischen dem Harn im Sammelrohr und dem Interstitium ein osmotischer Gradient, der Wasser aus dem Lumen des Sammelrohrs ins hyperosmolare Interstitium zieht. Hierdurch gleichen sich die Osmolaritäten im Sammelrohr und im Interstitium zunehmend an.

  • Letztlich wird hierdurch ein hyperosmolarer Harn ausgeschieden. Die maximale Urinosmolarität kann allerdings nicht über der des Interstitiums im Papillenbereich liegen, da diese die treibende Kraft des Wasserausstroms aus den Sammelrohren ist (Abb. 9.12).

HarnkonzentrierungDeshalb kann auch Trinken von Meerwasser ein Wasserdefizit nicht ausgleichen, weil die NaCl-Konzentration im Meerwasser mit 30 g/l höher liegt als die maximal im Papillenbereich und damit im Urin erreichbare NaCl-Konzentration. Zur Ausscheidung des Meerwassersalzes muss der Körper zusätzliches Wasser bereitstellen: Die Dehydratation wird also durch Trinken von Meerwasser verschlimmert.
Regulation durch Adiuretin (ADH)

Der entscheidende Regulator der Wasserausscheidung ist das im Hypothalamus produzierte und von der Hypophyse sezernierte Hormon Adiuretin (ADH, alter Name: Vasopressin). Es steuert die Durchlässigkeit der Sammelrohre für Wasser in Abhängigkeit vom Wasserbedarf des Körpers.

Mechanismus

ADH bindet an V2-Rezeptoren der Hauptzellen des Sammelrohrs und bewirkt cAMP-vermittelt einen Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration. Dieser Anstieg triggert den Einbau von Wasserkanälen vom Typ Aquaporin-2 (AQP2) in die dem Tubulus zugewandte Zellmembran. Dadurch kann vermehrt Wasser in die Zelle einströmen und über dauerhaft exprimierte Wasserkanäle vom Typ Aquaporin-3 und -4 auf der abluminalen Seite ins Interstitium abfließen.

Wasserdiurese und Antidiurese

Die ADH-Konzentration beeinflusst also die Wasserausscheidung des Körpers:

  • Bei niedrigem ADH-SpiegelAquaporin-2 (z. B. bei Überwässerung des Körpers = Hyperhydratation)Sammelrohre:Adiuretin (ADH) sind die Sammelrohre relativ undurchlässig für Wasser, sodass wenig Wasser die Sammelrohre in Richtung Interstitium verlässt und kein Ausgleich zwischen hypotonem Harn und hypertonem Interstitium stattfinden kann. Als Folge wird viel hypoosmolarer Harn ausgeschieden:HyperhydratationAdiuretin Wasserdiurese.

  • Hohe Konzentrationen von ADH (z. B. bei Wassermangel = Dehydratation) bewirken dagegen eine hohe Permeabilität der Sammelrohre für Wasser. Dies erlaubt den Ausstrom von Wasser aus dem Tubulus ins Interstitium und damit ins Körperinnere. Zwischen hypotonem Harn in den Sammelrohren und dem hypertonen Interstitium findet ein Ausgleich statt. Als Folge wird nur sehr wenig hyperosmolarer Harn ausgeschieden. Die Harnosmolarität kann dabei maximal die Osmolarität des Interstitiums im Nierenmark erreichen: AntidiureseAntidiurese.

Klinik

Beim Diabetes Diabetes insipidusinsipidus werden pro Tag bis zu 25l eines hypotonen Urins (bis 50 mosmol/l) ausgeschieden. Ursachen hierfür sind entweder eine verminderte ADH-Sekretion oder ein genetisch bedingter Defekt der Aquaporin-Kanäle in den Sammelrohrzellen.

Der nach übermäßigem Alkoholkonsum zu spürende Nachdurst ist auf eine Dehydratation durch Hemmung der ADH-Ausscheidung im Hypothalamus zurückzuführen. 50 g Alkohol (entspricht ∼ ½ Flasche Wein) führen dabei zu einem Flüssigkeitsverlust von etwa 800 – 1.000 ml.

Regulation von K+-, Na+- und H+-Transport durch Aldosteron

Im distalen Tubulus und den Sammelrohren unterliegen die Rückresorption von Na+ und die Sekretion von H+ und K+ der Regulation durch das in der Nebenniere produzierte Mineralocorticoid Aldosteron. Die Regulation erfolgt auf 4 Wegen:

  • Na+-K+-ATPasen: Aldosteron bindet an intrazelluläre Mineralocorticoidrezeptoren. In die zur Blutseite gelegene Zellmembran werden daraufhin vermehrt Na+-K+-ATPasen eingebaut. Der Energie verbrauchende Abtransport von intrazellulärem Natrium ins Blut wird dadurch gefördert (Abb. 9.6).

  • Na+-Kanäle: Zusätzlich werden vermehrt Na+-Kanäle vom Typ ENaC (Epithelial Sodium [Na] Channel) synthetisiert und in die zum Tubulus gelegene Zellmembran eingebaut. Hierdurch werden vermehrt Na+ und damit auch Cl und Wasser rückresorbiert.

  • K+-Kanäle: Durch den aktiven Abtransport von Na+ aus dem Tubuluslumen entsteht ein lumennegatives transepitheliales Potenzial, das die treibende Kraft für die Ausscheidung von K+-Ionen darstellt. Die hierzu erforderlichen K+-Kanäle vom Typ ROMK (Renal Outer Medullary Potassium [K] Channel) in der tubulären Zellmembran werden unter Aldosteroneinfluss ebenfalls verstärkt produziert.

  • Na+-H+-Antiport: Da Aldosteron darüber hinaus auch die Aktivität des Na+-H+-Antiports steigert, wird vermehrt H+ ausgeschieden. Die hierdurch entstehende Verarmung der Zellen an H+ führt zu einer intrazellulären Alkalose und steigert die Permeabilität der zum Lumen gerichteten Tubulusmembran für K+, sodass auch hierdurch vermehrt K+ ins Tubuluslumen gelangt und mit dem Harn ausgeschieden wird.

Kopplung von Natriumresorption und Kaliumsekretion

Resorption von Na+ und Sekretion von K+ im distalen Tubulus und in den Sammelrohren sind aus elektrischen Gründen gekoppelt (lumennegatives transepitheliales Potenzial, LNTP, Abb. 9.6). Eine Erhöhung des Na+-Gehalts in distalem Tubulus und Sammelrohren führt daher über eine dadurch ausgelöste verstärkte Na+-Resorption zugleich zu einer erhöhten K+-Ausscheidung.

Klinik

Schleifendiuretika (z.B. Furosemid) reduzieren im aufsteigenden Teil der Henle-Schleife die Na+-Resorption. Dadurch steht im distalen Tubulus mehr Na+ zur Verfügung. Wird dieses resorbiert, muss wegen der Kopplung von Na+-Resorption und K+-Sekretion auch mehr K+ ausgeschieden werden. Daher kommt es unter Therapie mit Schleifendiuretika leicht zu einer Hypokaliämie.

Kaliumresorption bei Kaliummangel
Bei K+-Na+-TransportK+-TransportH+-TransportAldosteronKalium:MangelMangel kann über die im spätdistalen Tubulus und in den Sammelrohren vorhandenen Zwischenzellen (Intercalated Cells) Kalium auch aktiv resorbiert werden. Hierzu verfügen die Zwischenzellen, wie die Belegzellen des Magens (Kap. 7.4.3.2), über eine H+-K+-ATPase, die unter Energieverbrauch H+ sezerniert und K+ resorbiert.

Klinik

Aldosteronantagonisten wie z.B. Spironolacton werden als Diuretika eingesetzt. Sie hemmen die Effekte des Aldosterons, vor allem die Synthese und den Einbau des ENaC-Kanals. Über die vermehrte Ausscheidung von Na+ führen sie zu einer Wasserdiurese. Im Gegensatz zu Schleifendiuretika erhalten sie jedoch dem Körper K+, weil sie zugleich die K+-Ausscheidung vermindern (Kopplung von Na+-Resorption und K+-Sekretion). Sie können daher gut in Kombination mit Schleifendiuretika (z.B. Furosemid) eingesetzt werden, um unerwünschte Veränderungen des K+-Spiegels zu minimieren.

Die ebenfalls K+-sparenden Diuretika Triamteren und Amilorid wirken nicht über einen Aldosteronantagonismus. Sie blockieren vielmehr direkt die epithelialen Na+-Kanäle (ENaC) in den Hauptzellen der Sammelrohre. Dadurch wird die Na+-Resorption in die Tubuluszellen vermindert, wodurch sich zugleich die Ausscheidung von K+ reduziert.

Thiaziddiuretika blockieren den NaCl-Kotransporter (NCCT) im frühdistalen Tubulus. Sie steigern jedoch wie Schleifendiuretika den K+-Verlust in der Niere, weil sie das Na+-Angebot in distalem Tubulus und Sammelrohren erhöhen, wodurch kompensatorisch vermehrt K+ ausgeschieden wird.

Lerntipp

Die Hormone ADH und Aldosteron werden überaus gerne im Physikum gefragt, hier nochmal das Wichtigste im Überblick:

AldosteronEinbau von Na+-K+-ATPasen und ENaC im distalen Tubulus
  • vermehrte Rückresorption von Na+ und Cl

  • vermehrte Ausscheidung von K+ und H+

  • Klinik: Conn-Syndrom:

    • Hypertonie, Hypokaliämie, selten metabolische Alkalose

    • 5–10 % aller Hypertonie-Fälle (!)

  • verminderte Rückresorption von Na+ und Cl

  • verminderte Ausscheidung von K+ und H+

  • Klinik: Morbus Addison:

    • Hyponatriämie, Hyperkaliämie, nichtrespiratorische Azidose

ADHEinbau von Aquaporinen Typ 2 im Sammelrohr
  • Wasserretention

  • Klinik: SIADH (Syndrom der inadäquaten ADH-Sekretion, Schwartz-Bartter-Syndrom):

    • Hyponatriämie und Hypoosmolalität des Serums

    • Häufigste Ursache: kleinzelliges Bronchialkarzinom

  • Vermehrte Ausscheidung von Wasser

  • Klinik: Diabetes insipidus:

    • Hypernatriämie und Hyperosmolarität des Serums

Harnstoffresorption

Die Harnstoffresorption findet zu etwa gleichen Teilen im proximalen sowie im distalen Tubulus und in den Sammelrohren statt.

  • Wegen seiner kleinen Molekülgröße ist Harnstoff (Abb. 9.13) frei filtrierbar.

  • Im proximalen Tubulus steigt durch die Resorption von Wasser die Harnstoffkonzentration zunächst an.

  • 50% des filtrierten, gut membrangängigen Harnstoffs folgen dann dem so aufgebauten Konzentrationsgradienten und werden durch Diffusion (⅔) oder Solvent Drag (⅓) resorbiert.

  • Der distale Tubulus und der Anfang der Sammelrohre sind dagegen für Harnstoff fast undurchlässig. Hier steigt die Harnstoffkon-zentration wieder an, da zunehmend Wasser resorbiert wird.

  • Der letzte Abschnitt der Sammelrohre ist dann wieder, besonders bei Antidiurese (ADH↑), für Harnstoff gut permeabel. Hier folgt Harnstoff seinem Konzentrationsgradienten und diffundiert ins Interstitium des Nierenmarks.

  • Vom Nierenmark diffundiert der Harnstoff z.T. zurück in die benachbarte Henle-Schleife. Dieser Harnstoffkreislauf leistet einen wesentlichen Beitrag zur Aufrechterhaltung der Hyperosmolarität im inneren Nierenmark (Kap. 9.3.4.2).

  • Die Harnstoffausscheidung ist mit der Wasserdiurese verknüpft: Wird viel Wasser ausgeschieden, ist auch die Harnstoffausscheidung hoch. Im Zustand der Antidiurese entstehen dagegen hohe Konzentrationen von Harnstoff im Bereich der distalen Sammelrohre. Bei Antidiurese wird so vermehrt Harnstoff ins Interstitium resorbiert. Von der filtrierten Menge Harnstoff werden daher zwischen 50 % bei Antidiurese (ADH↑) und 80 % bei maximaler Diurese (Suppression von ADH) ausgeschieden.

Calciumresorption
Während 60 % HarnstoffresorptionCalciumresorptionder Ca2+-Menge im proximalen Tubulus rückresorbiert werden, dienen die distale Henle-Schleife (30 %) und der distale Tubulus (9 %) der Feinregulation der Ca2+-Resorption.
Parathormon
Im dicken Parathormonaufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife und im distalen Tubulus stimuliert Parathormon (PTH) eine Ca2+-ATPase an der basalen Zellmembran, die Ca2+ unter Verbrauch von ATP aus der Zelle ins Interstitium befördert. Auch über einen sekundär aktiven 3Na+-Ca2+-Antiport in der basalen Zellmembran gelangt Ca2+ ins Interstitium. Durch beide Transportprozesse wird die zytosolische Ca2+-Konzentration erniedrigt. Dies bildet die Triebkraft für den Einstrom von Ca2+ aus dem Tubuluslumen über luminale Ca2+-Kanäle (ECaC).
Im Zytosol wird Ca2+ gebunden an Calbindin transportiertCalbindin, sodass die intrazelluläre Konzentration von freiem Ca2+ nicht ansteigt.
Je nach Aktivität des Parathormons werden nur noch 0,5–3 % des Ca2+ im Urin ausgeschieden.
Schon im proximalen Tubulus mindert PTH die Aktivität des Na+-Phosphat-Symports, sodass die Reabsorption von Phosphat sinkt, d. h. vermehrt Phosphat ausgeschieden wird: Phosphaturie (Kap. 9.3.4.1).

Klinik

Bei Tumoren der Nebenschilddrüsen, die mit einer übermäßigen Produktion von PTH einhergehen, führt die durch PTH stimulierte Freisetzung von Ca2+ aus dem Knochen zu erhöhten Konzentrationen von Ca2+ im Plasma. Dies bewirkt eine Zunahme der Ca2+-Konzentration im Ultrafiltrat. Trotz der durch Parathormon induzierten vermehrten Reabsorption von Ca2+ im distalen Tubulus wird immer noch sehr viel mehr Ca2+ als unter Normalbedingungen mit dem Endharn ausgeschieden. Daher ist die Hyperkalzurie (erhöhte Ausscheidung von Ca2+ im Urin) das typische Zeichen eines Parathormon produzierenden Tumors (Kap. 10.6.1).

Vitamin D3
1,25-Vitamin D3Dihydroxycholecalciferol (1,25[OH]2-Vitamin-D3, Calcitriol) steigert die tubuläre Reabsorption von Ca2+ und von Phosphat gleichermaßen.
Calcitonin
In der Niere Calcitoninhemmt Calcitonin die Resorption von Ca2+ und Phosphat.
Magnesiumresorption
Resorptionsort

Magnesium liegt im Blut nur zu 50% in freier, ionisierter Form vor, 35% sind an Albumin und 15% an Komplexbildner gebunden. Im Gegensatz zu Calcium wird Magnesium überwiegend im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife und nicht im proximalen Tubulus resorbiert: 50–60% der im Ultrafiltrat enthaltenen Menge werden hier vor allem parazellulär resorbiert, und zwar umso mehr, je positiver das Lumen der Henle-Schleife gegenüber dem Interstitium ist, weil die zweifach positiv geladenen Magnesium- Ionen versuchen, die Spannungsdifferenz abzubauen, indem sie das Tubuluslumen verlassen.

Vermehrte Auscheidung

Da diese lumenpositive Spannung durch den Na+-K+-2Cl-Symport im aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife aufgebaut wird, führt jede Hemmung dieses Transportsystems, etwa durch Furosemid (s.o.), zu einer Reduktion der Magnesiumresorption und damit zu einer erhöhten Ausscheidung von Magnesium: Magnesiurie.

Potenzialdifferenzen im Verlauf des Tubulussystems
Proximaler Tubulus
Tubuluszellen MagnesiumresorptionTubulussystemPotenzialdifferenzenPotenzialdifferenzen:Proximaler Tubulussind, wie andere Körperzellen auch, im Vergleich zur Umgebung negativ geladen. Zu Beginn des proximalen Tubulus liegt das intrazelluläre Potenzial der Tubuluszellen gegenüber dem Interstitium (Blutseite) bei -70 mV. Auch gegenüber dem Tubulusraum (Urinseite) herrscht zunächst eine Potenzialdifferenz von -70 mV. Zwischen Blut und Tubulusflüssigkeit besteht also keine Potenzialdifferenz: Das transepitheliale Potenzial liegt bei 0 mV. Durch die Resorption von Na+ zu Beginn des proximalen Tubulus, das durch die Tubuluszellen hindurch in die Blutgefäße transportiert wird, entsteht ein schwach lumennegatives transepitheliales Potenzial (LNTP) von -2 mV (Abb. 9.6). Dies führt dazu, dass negativ geladene Chlorid-Ionen auf parazellulärem Weg den Tubulus verlassen, wodurch das transepitheliale Potenzial im weiteren Verlauf des proximalen Tubulus zum lumenpositiven transepithelialen Potenzial (LPTP, Abb. 9.6) wird. Es hat dann einen Wert von +2 mV.
Dicker aufsteigender Teil der Henle-Schleife
Im dicken Potenzialdifferenzen:Dicker aufsteigender Teil der Henle-Schleifeaufsteigenden Teil der Henle-Schleife werden durch den Na+-K+-2Cl-Symport (NKCC) Na+, K+ und Cl in die Tubuluszellen aufgenommen (s. o.). Die negativ geladenen Chlorid-Ionen strömen rasch über die basale Zellmembran in Richtung Blutgefäße ab, während die positiv geladenen Kalium-Ionen wieder zurück ins Tubuluslumen diffundieren. Durch diese K+-Rezirkulation sammeln sich auf der Tubulusseite positive Kalium-Ionen, während die Blutseite der Tubuluszelle durch die Cl-Ionen stärker negativiert wird. Auf diese Weise bildet sich ein lumenpositives transepitheliales Potenzial von +10 mV aus. Dieses Potenzial bildet die Triebkraft für die parazelluläre Resorption der Kationen Ca2+, Mg2+, Na+ und K+ im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife.
Das Schleifendiuretikum Furosemid hemmt den NKCC-Symport. Dadurch wird das lumenpositive Potenzial reduziert und Ca2+, Mg2+, Na+ und K+ werden vermehrt ausgeschieden.
Distaler Tubulus und Sammelrohre
Im distalen Potenzialdifferenzen:SammelrohrePotenzialdifferenzen:Distaler TubulusTubulus und den Sammelrohren wird Na+ über aldosteronabhängige Kanäle resorbiert (Kap. 9.3.4.3). In den Sammelrohren sind die Schlussleisten praktisch undurchlässig. Ausgleichende, parazelluläre Resorptionsvorgänge sind daher kaum möglich, sodass sich dort durch die Resorption der Na+-Ionen wieder ein lumennegatives transzelluläres Potenzial aufbaut: -40 mV bei starker Aldosteronwirkung. Dieses lumennegative Potenzial fördert den Ausstrom von K+-Ionen aus der Zelle.

Merke

  • Lumennegatives transepitheliales Potenzial (LNTP):

    • Anfang des proximalen Tubulus: -2 mV

    • Distaler Tubulus: -40 mV

  • Lumenpositives transepitheliales Potenzial (LPTP):

    • Ende des proximalen Tubulus: +2 mV

    • Aufsteigender Teil der Henle-Schleife: +10 mV

Renale Regulation des Säure-Basen-Haushalts

Ausscheidung von Protonen
Bei normaler Säure-Basen-HaushaltSäure-Basen-Haushalt:Ausscheidung von ProtonenErnährung fallen im Körper eines Erwachsenen pro Tag 40–80 mmol H+-Ionen an, die zur Aufrechterhaltung eines ausgeglichenen Säure-Basen-Haushalts ausgeschieden werden müssen. Zur Ausscheidung stehen 3 Mechanismen zur Verfügung:
  • Ausscheidung von freiem H+ (0,1 mmol/Tag)

  • Ausscheidung von H+ in pH-neutraler Form über den Phosphatmechanismus als titrierbare Säure (10–30 mmol/Tag)

  • Ausscheidung von H+ über den ebenfalls pH-neutralen Ammoniakmechanismus (25–50 mmol/Tag)

Ausscheidung von freiem H+
Für die direkte Ausscheidung von freien H+-Ionen sind 3 Transportproteine verantwortlich:
  • Ein Na+-H+-Antiporter im proximalen Tubulus

  • Eine primär aktive H+-ATPase in spätproximalen Tubuluszellen

  • Eine primär aktive H+-K+-ATPase in den Typ-A-Schaltzellen der Sammelrohre

Durch diese H+-Ausscheidung liegt der pH-Wert im ausgeschiedenen Urin unter 5.
Ausscheidung von H+ über den Phosphatmechanismus
Bei der Ausscheidung von H+ über den Phosphatmechanismus als titrierbare Säure sind die ausgeschiedenen H+-Ionen an einen Puffer gebunden, der eine pH-neutrale Ausscheidung ermöglicht. Die ausgeschiedene Säuremenge lässt sich daher erst durch eine Titration des Harns mit NaOH bis zum pH-Wert des Plasmas (7,4) feststellen.
Der wichtigste Puffer ist Phosphat, das im proximalen Tubulus (pH-Wert 7,4) als HPO42− vorliegt (sekundäres Phosphat) und mit sinkendem pH-Wert zum primären Phosphat H2PO4 übergeht. Hierdurch wird das der Kohlensäure entstammende und über den Na+-H+-Antiport ausgeschleuste Proton gepuffert und eliminiert. Pro ausgeschiedenem H+-Ion werden hierbei ein Na+-Ion und ein Molekül Bicarbonat resorbiert (Abb. 9.14a). Andere, weniger bedeutsame Puffer sind Citrat und Urat.
Ausscheidung von H+ über den Ammoniakmechanismus

In den Tubuluszellen der Niere wird die Aminosäure Glutamin durch das in den Mitochondrien vorhandene Enzym Glutaminase zu Glutamat und 2-Oxoglutarat2− (= α-Ketoglutarsäure) desaminiert. Hierbei werden 2 Moleküle NH4+ (Ammonium) freigesetzt, die intrazellulär überwiegend zu NH3 und H+ dissoziieren. Während H+ über den Na+-H+-Antiport die Tubuluszelle verlässt, diffundiert NH3 (Ammoniak) als freies Molekül ohne Carrier in das Tubuluslumen, wo sich beide wieder zu NH4+ verbinden (Abb. 9.14b).

Darüber hinaus kann das an sich schlecht membrangängige NH4+ dank des hohen Konzentrationsgefälles zwischen dem Zellinneren und der Tubulusflüssigkeit (10-fach höhere intrazelluläre Konzentration) auch direkt ins Lumen diffundieren. Eine Rückdiffusion von NH4+ ist aus demselben Grund fast unmöglich; das Ammonium wird nahezu vollständig mit dem Harn ausgeschieden.

Das 2-Oxoglutarat (= α-Ketoglutarsäure) wird in der Tubuluszelle im Citratzyklus und durch Gluconeogenese zu Glucose und CO2 weiterverarbeitet. Hierbei werden noch 2 weitere H+ verbraucht und aus dem CO2 ein HCO3 (Bicarbonat) regeneriert.

Da die Aktivität der Glutaminase im sauren Milieu steigt, führt ein vermehrter Anfall von H+ zu einer gesteigerten Produktion von NH4+ (Ammonium), das für eine vermehrte Elimination von H+ sorgt und gleichzeitig mehr HCO3 bereitstellt.

Renale Gegenregulation bei Störungen des Säure-Basen-Haushalts
Eine der wichtigsten Aufgaben der Niere ist die Beteiligung an der Regulation des Säure-Basen-Haushalts zur Aufrechterhaltung des pH-Werts im Organismus. Die beiden zentralen Mechanismen der Niere zur Beeinflussung des pH-Werts sind die Elimination von Protonen (H+) und die Rückresorption von Bicarbonat (HCO3).
Respiratorische Alkalose
Eine Säure-Basen-Haushalt:Respiratorische Alkaloserespiratorische Alkalose (z. B. bei Hyperventilation) führt zu erniedrigten CO2-Konzentrationen in der Tubuluszelle, sodass über die Carboanhydrase weniger HCO3 und Protonen (H+) gebildet werden. Entsprechend wird auch weniger H+ in den Tubulus sezerniert, sodass auch weniger HCO3 resorbiert und mehr HCO3 ausgeschieden wird. Die Niere hält also H+-Ionen zurück und scheidet vermehrt HCO3 aus, um die Alkalose auszugleichen.
Nichtrespiratorische Alkalose
Bei einer Säure-Basen-Haushalt:Nichtrespiratorische Alkalosenichtrespiratorischen Alkalose mit erhöhten Bicarbonatkonzentrationen im Plasma ist auch die Menge des glomerulär filtrierten HCO3 gesteigert, sodass das tubuläre Transportmaximum für HCO3 überschritten wird und HCO3 unresorbiert im Tubulus verbleibt. Durch die Ausscheidung dieses alkalischen HCO3 versucht die Niere so weit wie möglich das Ausmaß der Alkalose zu begrenzen. Als Folge der metabolischen Alkalose kann der normalerweise saure Harn alkalisch werden.
Respiratorische Azidose
Eine Säure-Basen-Haushalt:Respiratorische Azidoserespiratorische Azidose steigert die Protonenkonzentration in der Tubuluszelle, sodass mehr Protonen (H+) sezerniert werden und auch die Rückresorption von HCO3 gesteigert ist. Die Ausscheidung von Protonen über den Ammoniakmechanismus kann um den Faktor 10 gesteigert werden. Der Phosphatmechanismus ist um den Faktor 1,5 steigerbar.
Nichtrespiratorische Azidose

Bei einer nichtrespiratorischen Azidose ist die Bicarbonatkonzentration im Plasma und im Ultrafiltrat erniedrigt, wohingegen die tubuläre Sekretion von Protonen (H+) erhöht ist. Hierdurch wird der Anteil des tubulär rückresorbierten HCO3 gesteigert, sodass fast bis zu 100% des glomerulär filtrierten HCO3 resorbiert werden, das zum Ausgleich der metabolischen Azidose eingesetzt werden kann.

Beurteilung der Nierenfunktion

Clearance

Zur Überprüfung der Nierenfunktion werden sog. Clearance-Verfahren eingesetzt. Mit dem Begriff Clearance bezeichnet man das Volumen Blutplasma, das pro Minute durch die Nierentätigkeit von einer beliebigen Substanz (z.B. Kreatinin, Inulin oder p-Aminohippursäure) vollständig befreit, „geklärt“ (englisch: to clear) wird. Die allgemeine Clearance-Formel lautet:Säure-Basen-Haushalt:Nichtrespiratorische Azidose

Cx=Clearance der Substanz × [ml/min]
Ux=Urinkonzentration der Substanz × [mg/100 ml]
=Harnvolumen pro Zeiteinheit [ml/min]
Px=Plasmakonzentration der Substanz × [mg/100 ml]

Merke

Die Clearance entspricht derjenigen Menge Plasma, die in einer gegebenen Zeit von einer bestimmten Substanz vollständig befreit wird. Einheit: ml/min.

Glomeruläre Filtrationsrate (GFR)

Die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) ist der wichtigste Parameter zur Beurteilung der Nierenfunktion.

Inulin-Clearance

Die GFR kann sehr exakt mithilfe der Inulin-Clearance bestimmt werden. Inulin ist ein natürlicherweise nicht im Körper vorkommender Zucker (Molekülmasse 5.000 Dalton), der in idealer Weise die Bedingungen eines Indikatorstoffs zur Bestimmung der GFR erfüllt: Inulin passiert gut den Glomerulusfilter, wird nicht tubulär sezerniert oder rückresorbiert, wird in der Niere nicht verstoffwechselt und ist im Blut nicht an Proteine gebunden, was die Filtrierbarkeit behindern könnte. Die Clearance für Inulin entspricht daher der GFR, da der einzige Faktor, von dem die Ausscheidung von Inulin aus dem Körper abhängt, die glomeruläre Filtration ist.

Berechnung

Die Inulin-Clearance errechnet sich dabei nach der folgenden Formel:NierenfunktionClearanceGlomeruläre Filtrationsrate (GFR)

CInulin=Inulin-Clearance [ml/min]
UInulin=Urinkonzentration von Inulin [mg/100 ml]
=Harnvolumen pro Zeiteinheit [ml/min]
PInulin=Plasmakonzentration von Inulin [mg/100 ml]

Normwert

Die so ermittelte Inulin-Clearance beträgt für Frauen 120ml/min, für Männer 125ml/min. Pro 24 Stunden werden also etwa 180l filtriert.

Kreatinin-Clearance

In der klinischen Routine wird die Bestimmung der Kreatinin-Clearance vorgezogen, da Kreatinin als Abbauprodukt des Kreatins natürlicherweise im Organismus vorkommt und daher im Gegensatz zu Inulin nicht infundiert werden muss. Da Kreatinin zwar vollständig filtriert, im Gegensatz zu Inulin aber auch in geringem Maße tubulär sezerniert wird, ist die Bestimmung der GFR über die Kreatinin-Clearance nicht so exakt wie über die Inulin-Clearance.

Normwert

Die Kreatinin-Clearance liegt beim gesunden Erwachsenen abhängig von Alter und Gewicht bei Frauen zwischen 75 und 130 und bei Männern zwischen 80 und 160ml/min. Die Kreatinin-Clearance wird nach der gleichen Formel wie die Inulin-Clearance berechnet.

Klinik

Der Plasmakreatininspiegel wird in der Klinik als grobes Schätzmaß der Nierenfunktion herangezogen. Allerdings wird der Wert erst bei einer bereits um etwa 50% reduzierten GFR pathologisch (Abb. 9.15).

Wertverfälschungen

  • Bei eingeschränkter GFR (zunehmender Niereninsuffizienz) wird weniger Kreatinin filtriert, sodass die tubulär sezernierte Kreatininmenge zunehmend bedeutsam wird. Die über die Kreatinin-Clearance gemessene GFR wird dann zu hoch bestimmt.

  • Bei erhöhter Kreatininproduktion oder -aufnahme wird bei der Berechnung der Kreatinin-Clearance die GFR (trotz normaler Nierenfunktion) zu niedrig bestimmt. Die Serumkreatininkonzentration (Nenner der Clearance-Gleichung) ist in diesem Fall durch die Mehrproduktion oder Aufnahme von Kreatinin erhöht und nicht durch die reduzierte Ausscheidung.ClearanKreatinin

Altersabhängigkeit

Inulin-Clearance und Kreatinin-Clearance sind altersabhängig. Mit zunehmendem Lebensalter nimmt die Anzahl funktionsfähiger Nephrone ab, sodass ab dem 40.–50. Lebensjahr die Clearance-Raten für Inulin und Kreatinin als Ausdruck der nachlassenden Nierenfunktion sinken.

Renaler Blutfluss (RBF)
PAH-Clearance

Der Blutfluss durch die Nieren kann über die Bestimmung der Clearance für p-Aminohippursäure (PAH) errechnet werden. PAH wird glomerulär filtriert und tubulär sezerniert, aber nicht rückresorbiert. So werden etwa 92% des durch die Nieren strömenden Blutplasmas von PAH befreit. Daher entspricht die Clearance von PAH (CPAH) in etwa dem Plasmavolumen, das pro Minute die Niere durchfließt.

Berechnung

Zur Berechnung der Clearance von p-Aminohippursäure wird folgende Formel verwendet:

CPAH=PAH-Clearance [ml/min]
UPAH=Urinkonzentration von PAH [mg/100 ml]
=Harnvolumen pro Zeiteinheit [ml/min]
PPAH=Plasmakonzentration von PAH [mg/100 ml]

Da allerdings die PAH-Extraktion aus dem Plasma schwanken kann und nur im Durchschnitt 92 % des Plasmas von PAH befreit werden, muss zur exakten Berechnung des renalen Plasmaflusses der renale Extraktionsfaktor (EPAH) durch die Bestimmung der PAH-Konzentration im arteriellen und venösen Blut errechnet werden. Der EPAH gibt an, welche Fraktion des Plasmas von p-Aminohippursäure befreit wurde:

PAHa=PAH-Konzentration im arteriellen Blut
PAHv=PAH-Konzentration im venösen Blut

Berechnung des renalen Plasmaflusses

Aus der Clearance von PAH (CPAH) und der renalen Extraktion von PAH (EPAH) lässt sich dann der renale Plasmafluss (RPF) errechnen. Der Normwert für die PAH-Clearance beträgt etwa 600ml/min und für die renale PAH-Extraktion 0,92.Renaler Blutfluss (RBF)ClearanPAH

Berechnung des renalen Blutflusses

Um die Gesamtnierendurchblutung, den renalen Blutfluss (RBF), zu erhalten, muss der renale Plasmafluss (RPF) noch um den Volumenanteil von festen Bestandteilen (Zellen) im Blut, den Hämatokriten (HKT), korrigiert werden:Plasmaflusses, renal

Setzt man in die oben aufgeführten Formeln für die PAH-Clearance (CPAH) den Normwert von 600 ml/min und für die renale PAH-Extraktion (EPAH) 0,92 ein, errechnen sich für den renalen Plasmafluss 650 ml/min und für den renalen Blutfluss 1.200 ml/min bzw. 1.700 l/24 Stunden.

Filtrationsfraktion (FF)
Die Blutflusses, renalFiltrationsfraktion (FF)Filtrationsfraktion (FF) bezeichnet das Verhältnis von glomerulärer Filtrationsrate (GFR) zum renalen Plasmafluss (RPF) und gibt an, welcher Anteil des renalen Plasmaflusses glomerulär filtriert wird. Die Filtrationsfraktion beträgt normalerweise 0,2, d. h., 20 % des die Niere bei einer Passage passierenden Blutplasmas werden filtriert.
Berechnung
Die Filtrationsfraktion (FF) kann aus der Clearance für Inulin und PAH berechnet werden:
Erhöht sich bei unveränderter Nierendurchblutung die Filtrationsfraktion z. B. von 0,2 auf 0,3, so kann eine Steigerung des Blutdrucks in den glomerulären Kapillaren die Ursache sein.
Eine weitere Möglichkeit zur Berechnung der Filtrationsfraktion besteht in der Bestimmung der Konzentration von Inulin in einer Arterie und der Nierenvene. Der Konzentrationsunterschied zwischen Arterie und Nierenvene gibt die Filtrationsfraktion an. Beträgt die Konzentration von Inulin in der Nierenvene z. B. nur noch 80 % der Konzentration von Inulin in einer Arterie, so beträgt die Filtrationsfraktion 20 % oder 0,2. Zur Bestimmung können auch andere Substanzen, die filtriert, aber nicht sezerniert und rückresorbiert werden, wie z. B. Kreatinin, eingesetzt werden.

Merke

  • Herzzeitvolumen ∼ 6.000ml/min

  • davon 20 %: renaler Blutfluss (RBF) ∼ 1:200 ml/min

  • je nach Hämatokriten: renaler Plasmafluss (RPF) ∼ 650 ml/min

  • je nach Filtrationsfraktion, gewöhnlich ca. 20 %: glomeruläre Filtrationsrate (GFR) ∼ 120 ml/min.

Fraktionelle Ausscheidung

Für bestimmte Fragestellungen ist es von Interesse, die fraktionelle Ausscheidung einer Substanz zu bestimmen, d.h. das Verhältnis von im Urin ausgeschiedener zur glomerulär filtrierten Menge dieser Substanz pro Zeiteinheit. Die im Urin ausgeschiedene Menge einer Substanz x pro Zeit erhält man aus der Urinkonzentration Ux [mg/100ml], multipliziert mit dem Urinvolumen pro Zeiteinheit [ml/min]. Die glomerulär filtrierte Substanzmenge ergibt sich analog aus der Plasmakonzentration Px [mg/100ml] der Substanz, multipliziert mit der glomerulären Filtrationsrate GFR [ml/min]. Für die fraktionelle Ausscheidung (FA) ergibt sich dann:

Für Substanzen, die vollständig filtriert, aber weder resorbiert noch sezerniert werden (wie Inulin oder Kreatinin), ist die im Urin ausgeschiedene Menge identisch der filtrierten Menge, die fraktionelle Ausscheidung ist 1. Für vollständig resorbierte Substanzen wie Glucose liegt die FA bei 0.

Lerntipp

Leider lässt das IMPP gerne Nierenfunktionsparameter, v.a. die Clearance, verschiedener Stoffe berechnen.

Memo 1: Je höher die GFR, umso mehr Kreatinin wird mit dem Urin ausgeschieden und umso weniger Kreatinin verbleibt im Blut.

Memo 2: Die Ausscheidungsfraktion geht logischerweise bei für den Körper wichtigen Stoffen gegen 0 (vollständige Resorption, z. B. Glucose), bei unwichtigen Stoffen gegen 1 (vollständige Filtration, z. B. Kreatinin).

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