Physiologie

Physiologie Band 1 Allgemeine Physiologie, Wasserhaushalt, Niere

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Autor: Claas Wesseier Herausgeber: MEDI-LEARN Bahnhofstraße 26b, 35037 Marburg/ Lahn Herstellung: MEDI-LEARN Kiel Olbrichtweg 11, 24145 Kiel Tel: 0431/78025-0, Fax: 0431/78025-27 E-Mail: [email protected], www.medi-Iearn.de Verlagsredaktion: Dr. Waltraud Haberberger, Jens Plasger, Christian Weier, Tobias Happ Fachlicher Beirat: PO Dr. Andreas Scholz Lektorat: Eva Drude Grafiker: Irina Kart, Dr. Günter Körtner, Alexander Dospil, Christi ne Marx Layout und Satz: Angelika Lehle, Thorben Kühl, Kjell Wierig Illustration: Daniel Lüdeling, Rippenspreizer.com Druck: Druckerei Wenzel, Marburg 1. Auflage 2007 ISBN-10 3-938802-24-3 ISBN-13 978-3-938802-24-3

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Wichtiger Hinweis für alle Leser Die Medizin ist als Naturwissenschaft ständigen Veränderungen und Neuerungen unterworfen, Sowohl die Forschung als auch klinische Erfahrungen sorgen dafür, dass der Wissensstand ständig erweitert wird. Dies gilt insbesondere für medikamentöse Therapie und andere Behandlungen. Alle Dosierungen oder Angaben in diesem Buch unterliegen diesen Veränder ungen. Darüber hinaus hat das Team von MEDI·LEARN zwar die größte Sorgfalt in Bezug auf die Angabe von Dosierungen oder Applikationen walten lassen, kann jedoch keine Gewähr dafür übernehmen. Jeder Leser ist angehalten, durch genaueLektüre der Beipackzettel oder Rücksprachemit einem Spezialisten zuüberprüfen, ob die Dosierung oder die Applikationsdaueroder -menge zutrifft. Jede Dosierung oder Applikation erfolgt auf eigene Gefahr des Benutzers. Sollten Fehler auffallen, bitten wir dringend darum, uns darüber in Kenntnis zu setzen.

Vorwort 1111

Vorwort Liebe Leserinnen und Leser, da ihr euch entschlosse n habt, den ste inigen Weg zum Medicus zu beschreiten, mü sst ihr euch frü her oder späte r sowo hl geda nklich als auch pr akt isch mit den wirk lich üblen Begleiterscheinungen dieses anso nste n spa nnenden Studi ums auseinander setzen, z.B. dem Physikum. Mit einer Durchfallquote von ca. 25% ist das Physikum die unangefocht ene Nu mm er eins in der Hitli st e der zahlrei chen Selektionsmechanismen. Grund genug für uns, euch durch die vor liegende Skriptenreihe m it insgesamt 31 Bänden fachlich und ler nstrategi sch unter die Arme zu greif en. Die 30 Fachbände beschäfti gen sich mit den Fächer n Physik, Physiologie, Chemie, Biochemie, Biologie, Hist ologie, Anat om ie und Psycho logie/Soziologie. Ein geso nderte r Band der M EDI-LEARN Skriptenreihe widmet sich ausfüh rlich den Themen Lernstrategien, M e-Techniken und Prüfu ngsrhet or ik. Aus unserer langjährigen Arb eit im Bereich professioneller Pr üfungsvor bereit ung sind uns die Probleme der Studenten im Vorfeld des Physikums best ens bekannt. Angesichts des enor men Lern sto ffs ist klar , dass nicht 100% jedes Pr üfungsfachs gelernt wer den können . Weit weniger klar ist dagegen, w ie eine M inim ierung der Faktenflut bei gleichzeit iger M axim ierung der Besteh enschancen zu bewerkste lligen ist. Mit der MEDI-LEARN Skriptenreihe zur Vorbe re it ung auf das Physikum haben wir dieses Problem für euch gelöst. Unsere Auto r en haben durch die Ana lyse der bish erigen Exam ina den exam ensr elevant en Stoff für jedes Prü fungsfach her ausgefiltert. Auf diese Weise sind Skrip t e entstanden, die eine kur ze und prägnante Dar st ellung des Prüfungsst offs liefern . Um auch den m ündlichen Teil der Physikumsprüfung nicht aus dem Auge zu verlieren , wurden die Bände jeweils um Them en ergä nzt, die für die m ündliche Pr üfung von Bedeut ung sind. Zusammenfassend können wir festst ellen, dass die Kennt nis der in den Bänden gesammelten Fachinform at ionen genügt, um das Examen gut zu bestehen . Grun dsät zlich emp fehlen w ir, die Exam ensvorbere it ung in dre i Phasen zu gliedern. Dies setzt voraus, dass man m it der Vorb er eit ung sc hon zu Semest erbeginn [z.B. im April für das Aug ust-Examen bzw. im Oktober für das März- Examen ] sta rtet. W enn nur die Semest er fer ien für die Examensvorber eit ung zur Verfüg ung st ehen, sollte dire kt wie unten beschrieben mit Phase 2 bego nnen werden. • Phase 1: Die erste Phase der Exam ensvorber eit ung ist der Erarbeitung des Lernstoffs gewidm et. Wer zu Sem est erbeg inn anfängt zu lernen , hat bis zur schriftlichen Pr üfung je drei Tage für die Erarbeitung jedes Skriptes zur Verfügu ng. Mög licherweise we r den einzelne Skrip t e in we niger Zeit zu bew ält iqen sein, dafür bleibt dann mehr Zeit für andere Themen oder Fächer . Während der Erarb eit ungsphase ist es sinnvoll, einzelne Sachverha lt e durc h die punktuelle Lektüre eines Lehr buchs zu er gänzen. Allerd ings sollte sich diese punktue lle Lektüre an den in den Skripten dargestellt en Them en or ient ier en I Zur Festigung des Gelernten empfe hlen wir, berei ts in dieser erst en Ler nph ase themenweise zu kreuzen . Wäh rend der Arb eit mit dem Skript Physiologie sollen z.B. beim Thema "Wasserhaus halt ' auch scho n Prüfungsfragen zu diesem Them a bearbeitet werden . Als Fr agensamm lung empfehlen wir in dieser Phase die "Schwarzen Reihen". Die jüngsten drei Exam ina sollten dabei jedoch ausgelassen und für den Endspurt (= Phase 3 ] aufgehoben we r den. • Phase 2 : Die zweit e Phase setzt mit Beginn der Semesterferien ein. Zur Festigung und Vertiefung des Gelernten em pfehlen wir , täglich ein Skript zu wiederholen und parallel examensweise das betreffende Fach zu kreuzen. Währen d der Bearbeitung der Physiologie (hierfür sind sechs bis sieben Tage vor gesehen) empfehle n wir , pro Tag jeweils ALLE Physiologiefr agen eines Altexam ens zu kreuzen Bitte hebt euch auch hier die drei aktuellsten Exam ina für Phase 3 auf. Der Lernzuwachs durch dieses Verfa hr en wird von Tag zu Tag deutlicher erkennbar. Natürlich wird man zu Beginn der Ar beit im Fach Physiologie durch die tägliche Bearbeitung eines kom pletten Exam ens mit Themen konfro nt iert, die mögl icherweise erst in den kommenden Tagen wiede r holt we rden . Dennoc h ist diese Vorge henswe ise sinnvoll, da die Vora b-Besch äftigung mit noch zu wiederholenden Them en deren Verarbeitungstiefe för dert.

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Vorwort

• Phase 3: In der dritten und letzten Lernph ase sollt en die aktuellsten drei Examina tageweise gekreuzt werde n. Pr akt isch bedeut et dies, dass im t ageweisen Wech sel Tag 1 und Tag 2 der akt uellst en Examina bearbeitet wer den sollen. Im Bedarf sfall können einzelne Prüfungsinhalte in den Skripten nachgeschlagen wer den. • Als Vorbereitung auf die mündliche Prüfung können die in den Skrip ten enth alten en .B asics fürs Mündliche" wiederholt werden. Wir wün schen allen Leserinnen und Lesern eine erfolgreiche Prüfu ngsvorbereitung und viel Glück für das bevorstehende Exarnenl euer MEDI-LEARN-Team

Online-Service zur Skriptenreihe Die meh rbändige MEDI-LEARN Skripte nr eihe zum Physikum ist eine wertv olle fachliche und lernstrategische Hilfestel lung, um die berü cht igte erste Pr üfungs hür de im Med izinst udium sicher zu nehmen . Um die Arbeit mit den Skripte n noch angenehmer zu gestalten, bietet ein spezieller Online-Bereich auf den M EDI-LEARN W ebseiten ab sofort einen erwe iterten Service. Welche erw eit erte n Funktionen ihr dort findet und wie ihr damit zusät zlichen Nutzen aus den Skripten ziehen könnt , möc ht en wir euch im Folgenden kur z erl äutern . Volltext-Suche über alle Skripte Sämtli che Bände der Skripten reihe sind in eine Vollt ext-Suche int egriert und bequem online r echerchierbar: Ganz gleich, ob ihr fächerübergre ifende Themen noch einma l Revue passier en lassen oder einzelne Them en punktgenau nachsc hlagen mö cht et: Mit der Volltext-Such e bieten wir euch ein Tool m it hohem Funktionsumfang, das Recherc he und Rekapit ulat ion wese nt lich erl eicht ert . Digitales Bildarchiv Sämtliche Abbildungen der Skript enreihe st ehen euch auch als hochauflösende Grafiken zum kost enlosen Down load zur Verf ügung. Das Bildmater ial liegt in höch ster Qualität zum gro ßformatigen Ausdru ck bere it . So könnt ihr die Abbildungen zusät zlich beschrifte n, far blich m arkier en oder mit Anm er kungen vers ehen. Ebenso wie der Vollt ext sind auch die Abbildungen über die Suchfunktion reche rc hierbar. Ergänzungen aus den aktuellen Examina Die Bände der Skript enr eihe wer den in reg elmäßigen Abständ en von den Autoren online aktualisiert . Die Einarbei tu ng von Fakten und Inform ationen aus den aktuellen Fragen sor gt dafür, dass die Skript enreihe immer auf dem neuest en Stan d bleibt . Auf diese W eise könnt ihr eure Lern ar beit stets an den akt uellsten Er kenntn issen und Fr agent endenzen orient ieren. Errata-Liste Sollte uns trotz eines mehrstufigen Systems zur Sicher ung der inhaltlichen Qualitä t unserer Skripte ein Fehler unterlaufen sein, wird dieser unmittelba r nach seinem Bekanntwerden im Interne t verö ffent licht . Auf diese 'vVeise ist sich erge st ellt, dass unse r e Skripte nur fachlich korre kte Aussagen ent halt en, auf die ihr in der Pr üfung verlässlich Bezug nehmen könnt . Den Onlinebereich zur Skriptenreihe findet ihr unter www.medi-Iearn.dejskripte

Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeine Physiologie

1

1 .1

Stoffmenge

1

1.2

Stoffmasse

1

1.3

Konzentration

1

1.4

Osmolarität

2

1.4 .1

Isoton ...

1.4.2

Hypoton .....

1.4 .3

Hyperton

.. ..

,

,

,....................

.

,..... ................ .

"

,

.. .

2 ,

.. 2

" '" "

3

1.5

Osmolalität

3

1.6

Elektrochemischer Konzent rationsgradient

3

1.7

Transportprozesse

1.7.1

1 .8

1 .9

3

Passive Transporte entlang des Konzent r at ionsgr adienten .,

1.7 .2

Aktive Tra nsporte

1.7 .3

Elekt r ogener und elektroneut r aler Tr ansport ..

.... ,..

,

. ..

.

.

Natrium

1.8 .2

Kalium

1,8 .3

Calcium ..

,... .

.."..",.................. .

.. ..

" "."

. ,..

.

.

3 ..5 7

7 8

Ionen und ihre Konzentrationen

1.8 ,1

"" ......

",..,

"

,."

,.8

9

Gleichgewichtspotenzial und Nernstgleichung

10

1.9.1

11

Nernstg leichung

1.10 Ruhemembranpotenzial

12

2 Wasserhaushalt

14

2.1

IV

Störungen des Wasserhaushalts - Dehydratationen/Hyperhydratationen

15

2 .1.1

Hypot one Dehydratation

15

2 .1.2

Hypotone Hyperhydrat at ion

16

2 .1,3

Hypertone Hyperh ydratation

16

2 .1.4

Isot one Dehydr atat ion..

.

16

2.2

Filtrationsdruck

16

2 .3

Ödeme - Störungen des Filtrationsdrucks

17

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VII Inhaltsverzeichnis 21

3 Niere 3 .1

Funktionen der Niere

21

3.2

Autoregulation der Durchblutung

21

3 ,3

Clearance 3.3.1

Cleara ncequotient ...

22 .... 2 5

.... . ,...

3.4

Glomeruläre Filtrationsrate - GFR

25

3.5

Renaler Plasmafluss - RPF

26

3.6

Renaler Blutfluss - RBF

26

3.7

Filtrationsfraktion - FF 3 .7.1

3.8

Fr aktionelle Ausscheidung ..

27 ............................. ... . .............................................. ..... 2 7

Verschiedene Stoffe und ihr Verhalten in der Niere

28

3 .8. 1

Pri nzipien der Rückre sor pt ion

29

3 .8.2

Rückr esor pt ion von Natrium , Kalium , Calcium und ander er Elektrolyte

29

3.8. 3

Rückr esor pt ion weit er er wic htiger Subst anzen

34

Haarnadelgegenstromprinzip - Diurese/ Antidiurese

36

3.10 Die Niere als Wirkungs- und Produktionsort von Hormonen

37

3.8

3.10 1 Aldost eron

.37

3 .10.2 Renin-Angiot ensin-Aldoster on-Syst em .......................

.. 37

3 .103 ,6,nt idiureti sches Hor mo n (=ADHJI Adiur etin/ Vasopr essin

38

3.10 .4 At r iopepti n/ at r ialer nat r iur et ischer Faktor [= AN F)

39

3 .105 Calcit onin und Par at hor mo n

.. 4 0

3 .10.6 Erythropoet in 3 .10.7 Calcit r iol (= 1 ,2 5 -Dihydr oxycholecalcifer ol] Index

. . .

40

.. .., .. 4 1 43

Konzentration 11

1

A llge m e ine Ph ysiologie

• Mol pro liter [rnol/l] oder • G ramm pro Liter [gII] a ngegebe n . ME RKE:

Um eine Sprache tließend zu beherrschen, muss man ihre Worte vers te he n und korrekt be n u tze n können. Da in der Med izin - und dam it auch in der Ph ys iologie - eine e igene (Gehe im-) Sprache benutzt w ird, beginnt d ies es Kapi tel mi t einer kurzen Zusammenfassung der physiologischen Begriffe, die ihr kennen solltet, um in der mündliche n Pr ü fu ng locker m it red en zu können und auch de n sch riftlichen Teil des Exa me ns gu t zu bestehen . Zus ä tzlich kö nnt ihr da mit vie lleich t auch n och den ei n en oder a n dere n Punkt in Ph ysik ode r C hemie ein st reich en .

1.1

Stoffmenge

Konzentration

=Stoffmenge pro Volumen .

Übrig ens ...

• • • • • • •

Weder die Konzentration noch das Volum en oder die Sto ffme nge wer den im Examen imm er in den Gr undeinheiten angeben. M it diesen U:n r echungsfakt or en könnt ihr sie aber - wenn nöti g - in die Grundeinheite n zurückverwa ndeln: Volum en: Dezilite r [dl] = 10-1 = 0,1 Liter M illilite r (mi) = 1 O ~ = 0,00 1 Liter Mik roliter [u l] = 10 6 Liter Nanolite r (ni) 10-' Liter Pikolite r (pi) = 10 ' 2 Lite r Femt oliter [fl] = 10 15 Liter M asse: Kilogramm (kg] = 10 0 0 g = 10 3 Gramm Mi lligr am m [m g) = 0 ,0 0 1 g = 10 3 Gram m Mi krog r amm lug] = 10 <; Gra mm

=

Ein Mol ist d ie Bezeichnun g m ,r eine b esti~m'r • te Za hl (= Menge) a n Tei lch e n, von der man 1/ • mi ndeste ns die Dim e n sio n (= 1O ~-', eine Zahl mit 23 N u llen l) kennen sollte. Als MenBeis p iel: genangabe is t das Mol mi t dem Dut0,002 gI~L1 . Wie viel ist das in der Grundeinheit gIl? ze n d verg leichbar - n ur ist man beim DutDazu muss man de n Zahlenwert mit dem entsprezend schnel1er mit de m Zähle n fe rtig a ls beim ehende n Umrechnungsfaktor mu ltiplizieren. Zählen von 602,2 Trillia rd e n Molekülen. Um von fll auf die Grundeinheit Liter zu kommen, muss man also mal 10' rechne n: M ERKE: • Die Einheit der Stoffmenge ist das Mo l. 0,002 mal 10' = 2000 gIl und damit ha t man auch schon die Antwort auf die Frage. • Ein Mol sind 6 .0 22 x 10 23 Teilchen.

1.2

Stoffmasse

Die Stoffmasse is t das Gewicht ein es Stoffes m it der Grundeinheit Gramm. Das is t di e Einheit, die mit 1000 multipliziert euch m o rgen s als Kilogramm auf d er Waage erschreckt.

1.3

Konzentration

Die Einheit Ko nzen trat ion be steht a us zwei Teilen: • d er Stoffmenge und • d e m Volu men . Es ist wich tig zu verstehen, d ass sich der Begriff Konzentration immer auf die Stoffmenge in einem bestimm ten Volumen be zieht. Im Examen wird die Konzentration daher entweder als

1 .3 .1 Stoffmenge versus Konzentration Zwischen diese n be id en Beg riffen bes teh t ei n kleiner abe r wichtiger Un terschi ed, auf den viele Fragen im sc hriftlic he n Exam e n abzielen: • Die St off menge is t eine besti m m te Anza hl vo n Teilc he n mi t d er Einheit ~ Mol. , ' I' • Die Ko nzen tra tion ist eine b e/j , stimmte Stoffmenge p ro Volumen . Mögliche Einheiten sind : mol/m l, g/ l, mmol/ l, glml etc. Ko nzentration u nd Stoffmenge können sic h unabhängi g vo ne in an d e r ändern. Dahe r solltet ihr im me r genau lesen, wo nach gefrag t w ird .

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2

I Allgemeine Physiologie Die Konz en tration bleibt hie r gleich. di e Stoffrn cnge aber

Beispiel: • Vergr ößert sich das Volumen, in dem die Teilchen (= Stoffmenge) gelöst sind, spricht man von Verdü nnu ng (s. Abb. 1). • Verringert sich da s Volumen be i gleich bleibender Stoffmenge ist da s eine Konzent rierung.

verdop pelt sich. Wenn ih r eu ch die be ide n Kon zent ra tion anscha ut (s.

bb. 2). kom mt ihr links au f SglJ. ech ts auf

10gf21. IOgl21 entspricht (durch zwei geteilt) genau 5 gll . Die Stoffmen ge und da s Vo lu men haben sich recht. also verdoppelt, d ie Konzentration ist abe r gldch gebli eben .

1.4

Osmolarität

Die Osm olari tät besch reibt die Konzent ra tio n der osm otisch wirksamen Teilche n in Mol pr o Liter Lösungsmitt el. Ihre Einheit ist [osmol/ll. M ERKE:

Im Bl ut pla s m a h er r s c h en n or m alerweis e 300 mosrnot/ l [= 0 ,3 os m ot/ I].

Üb r ig e n s ... 2 Liter

die Stoffmenge bleibt gleich , die Kon zentra tion halbiert sich Abb . 1 : Verdünnung - unterschiedl iches Vol umen, gleiche Stoffmenge.

0,3 osm olj l oder 300 mosmolj l entsp rech en genau der Osmola r ität einer 0 ,9%lgen NaCILösung (= Kochsalzlösung]. Das ist auch der Grund dafür, wa rum diese Lösung im Kranken-

haus für viele Dinge benutzt wird - sei es zum ~ ( . 'I Auflösen von Med ikam enten oder um einen ,:"" , . Venenkatheter durchzuspülen. / Oie 0 .9 %ige Koc hsalzlösung hat die gleich e Osm olaritä t wie das normale Blutp lasma und • führt deshalb zu keiner Flüssigkeits vers chiebung zwisch en Extra- und Intraze llulär rau m. Solche Lösungen bezeichnet man als isot on.

Die nun folgenden Begriffe beziehen sich IMMER auf den Extra zellulä rraum!

2 Liter

die Konzen tration bleibt gleich , die Stoffmenge verdop pelt sich

Abb . 2: Gleic he Kon zentration heißt NICHT imm er auch gle iche Stoffmenge

. ' •

,..:.W..

1.4.1 Isoton In einer isotonen Flüssigkeit schwimmen ge nauso viele os mo tisch wirksame Teilchen heru m, wie im normalen Blutplasma, also ziem lich genau 300 mosmol/l. Dieser Wer t sollte auch konstan t geha lten werden, weil es so nst zu Flüssigk eitsverschiebungen zwis chen de n einzelnen Körp er kom partiment en kommen wü rd e. 1 .4 .2 Hypat a n Hypoton bed eutet da ss eine niedrigere Osm olarität als im normalen Blutplasma h err scht « 300 mosmol/I). Da Wasser zum Ort der höheren Kon zentration str ömt und in den Zellen noch die normale und damit hö here Osmolarität als im Extraze llulär rau m herrscht, führ t h yp otone s Plasma zur Zellschwellung: Das Wasse r st römt in die Zellen ein u nd kann sie dadu rch

Elektrochemischer Konzentrationsgradient

sog ar zu m Platzen bringen. So etwas könn te z .B. durch zu vie le hyp otone Infusionen passieren.

1.4 .3 Hyp erto n H yperton bedeutet, dass eine h öh e re Osrn olarit ät als im normalen Blutplasma h e rrscht (>300 m os mo l/I). D ies fü h r t zur Zellschrumpfu ng, d a in diesem Fa ll Zell w asser ausströmt um die Konzentration an os motis ch w irksa m en Teilchen im Extrazellul ärrau m zu ve rd ü nnen (z.B. Trinken vo m Meerwasser ). Ü bri g e n s .. . Wieso bewegt sich beim Konzentrationsaus. :~ :. gleich eigentlich nur das Wasser und nicht auch die Elek.trOlyte (= gelbste Teilchen) ü~er . ( ,., ' . '. die Zellmembran? Das liegt daran, dass die Zellmembran . : . semipermeabel ist und diese Teilchen nicht durchlasst. Daher muss sich eben das Wasse r auf die Reise machen. •

kende Kraft heraus zubekommen, be ide Kräfte voneinander ab ziehen (s. u .). Dieser Grad ient (E) ist der Antrieb für viele Zellp ro zesse - seien es nun Transportprozesse oder Signa lübe rtra gungen (z .B. Ak tionspotenziale).

Ü b r i g e n s .. . Auch wenn die Konzentrationen von Ionen innerhalb und außerhalb einer Zelle/eines Kom part iments nicht gleich sein sollten. kann sich trotzdem ein Gleichgewicht einstellen. In diesem Fall muss • die elektrisc he Kraft [ E~ ) genauso groß sein wie die chemische [EJ und • die elektrische Kraft der chemischen entgegen gerichtet sein:

elekt rochem ische r Konzentra tion sgr ad ient [EI - elek trische Poten z i ldi tferc nz IE",I minus chemischer Po tenxiald itferei

L

IE.I. wobei

E . = das Memb ranpotential de r Ze lle und

',=

d as G leich-

ME RKE :

ge w ichtspolentia l fü r d as betreffen d e Io n ist. welches m it

Dazu eine kl eine Es els brüc ke : Ein hype rt one r Blutdruc k is t ein zu hoh e r Blutdruck. In einem hypertonen Plasma herrscht au c h ein zu hohe r Druck, abe r eben ein zu hohe r osmotischer Druck = zu viele Teilchen im Plasma .

de r Ne rn 'lgle ichung bere hn I we rd en ka nn (s. 1.9. S. 10).

1.5

Osmola lität

Die Osmolalität besch reibt die Konzentration os mo tisch wirksamer Teilchen pro Kilogra m m Lösungsmittel. Ihre Einheit ist d aher [os mol/ kg

Hpl. Übr ig en s ... Der Unterschied zwischen Osmolarität und Osmolalität im Körper ist seh r gering. da bei uns Wasser das Lös ungsmittel ist und 1 Liter Wasser ca. 1kgwiegt.

1 .6

Elektrochemischer Konzentrationsgradient - Die Ionen sind hin und her gerissen...

Der elektrochemische Konzentrationsgradient (= E) ist d ie resu ltierende Kraft d e r elektrischen

(z.B, positive Ionen s treben zum Negativen) u nd de r chemischen Kräfte (= Konzentrationsuntersc hiede) , d ie a n einem Ion ze rren. Da di ese Kräfte en tge gengese tz t sin d, muss man u m d ie wir-

I3

1 .7

Transportprozesse

Bei den Transportprozessen untersch eid et man die ak tiven und die passiven Tra ns p o r te . Diese Einteilung richtet sich einzig danach, ob das tr an sportierte Te ilchen entge gen (= a k ti v) oder entlang (= pa ssi v) seines elektrochemischen Ko n ze n tra ti on sg rad ienten bewegt w ird . Des Weiteren unterscheidet m an den elektroneu tr alen vom elektrogen Transport. Hier m u ss ma n da nach sch a ue n, ob eine Lad ungs ve rze rru ng stattfind et oder ni cht (s. 1.7.3, 5. 7). M ERKE:

Alle Tra ns port prozes s e sind t empe ratu rabhä ngig.

1. 7 .1 Passive Tran spo rte entlang des Ko nzentrationsgradienten Ein pass iver Tran sp o rt erfolgt im mer en tla ng d es elektrochemischen Konzentratio nsgrad ien ten (= immer entlang des Energiegefälles). Beis p iele sind di e Diffusion, die Osmose u n d der Natrium transport durch eine n Na triumkanal in die Zelle.

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4 I Allgemeine Physiologie

MERKE:

Stoffe, die frei beweglich sind, verteilen sich auf Grund von zufällig en therm ischen Bewegungen und gleichen damit Konzentrationsunterschiede aus .

Abb . 3 : passiver Transport entlang des Konzentrationsgradienten

Diffusion Die einfachste passive Transportform durch eine Membran ist die Diffusion. Diffusion bedeutet, dass sich frei bewegliche Sto ffe auf Grund von zufälligen thermischen Bewe gunge n verteilen und so Konzentrationsunterschiede (= Konzentrationsgradienten) ausgleichen . Die Geschwindigkeit dieser Verteilung hängt vom Konzentrationsunterschied (= ~C) , der Fläche (= A) und der Permeabilität (= P) der Membran ab, durch die der Austausch stattfindet. J entspricht der transportierten Substanzmenge pro Zeit [rnol/s] und ist damit eine Geschwindigkeitsangabe:

J in [mol /s] = P x ~c x A Da sselbe sagt auch das Fick-Diffusionsgesetz: dQ/dt = D x A x (c)-c)/d

Erl eichterte Diffusion Die normale Zellmembran ist fiir geladene Stoffel Teilchen schwer du rchg ängig. Um einigen dieser Teilchen den Durchtritt zu erleichtern, gibt es die Kanalproteine (= Carrier) . Da auch dieser Durchtritt eine passive Bewegung en tlang des Konze n tra tionsgradie nt en ist, s pricht man von erleich terter Diffusion. Im Gegen satz zur normalen Diffu sion, die hauptsächl ich vom Kon zentration sunterschi ed L'J.c abh än gt, ist d ie Gesch windi gkeit der erl eichterten Diffu sion jed och stark abhängig von der Anz ahl der Transportkanä le. Daher kann sie - wenn di e Tran sporter üb erlastet sind - eine Sättigungscharakteristik zeige n, was bei der einfachen Diffu sion nicht der Fall ist. MERKE:

Der Gl ucosetra nsport in die Hepato- und Adipozyten erfolgt durc h erleichte rte Diffusion. Osmose Bei der Osm ose sind die StoffelTeilchen im Gege nsa tz zu r Diffusion NICHT frei beweg lich, weil eine semipermeable Membran dies verhindert. Um die Konzent rationsunterschiede trotzdem auszugl eichen, muss sich hier das Lösungsmittel bewegen . Die Flüssigkeit strömt dabei zum Ort der höheren Konzentration und führt in di esem Kompartiment zur Erhöhung des hydrostatischen Drucks (s. Abb. 4).

d Q/dt = Nett o-Diffus ionr ate in rnol/s D = Fick-Diffusion sk oeffizien t d = Diffusion strecke A = Membranfläche C I -C 2 = Kon zentrationsunterschied L'J.c Übri ens ... Die zweite Formel sieht deshalb anders aus, da sich Herr Fick die Mühe gemac ht hat, die Per meabilität P (in der ober en For-i.~~~~~ me l] als 0l d aufzulösen und f::,c als [c ,-c2 ) zu sc hreiben. dO/dt bedeut et Mengenänderung pro Zeitän der ung.

Abb , 4 : Osmose _ nur das Wasser kann durch die Membran fließen

Transportprozesse I 5

Üb r ig e n s ... Der hydro st atische Druck gibt die Höhe der Wassersau le an und wird deshalb in der Einheit (cm HP] angegeben.

Konzentra- l tionsgradient

M ERKE:

Die einfache Diffusion zeigt KEINE Sättig ungsc harakte ristik . Die erl eichterte Diffusion kann gesättigt we r den (= wenn alle Carrier besetzt sind]. Osmose und Diffusion sind temperaturabhä ngig und führen zu einem dynamischen Gleichgewicht . Die Membran hat entscheidenden Ante il an den Transportproze ssen , z.B. durch ihren Reflexionskoeffizient en, ihr e Fläche und ihr e Permeabilität.

Üb r ig e n s .. . Der Reflexionskoeffizient C5 (= Sigma] gibt an. wie stark ein best im mtes Teilchen an der Grenzflache/ Membra n abgestoß en wird. Er kann Werte zwisc hen 1 (= Membran ist undurch lassiq] und 0 [= Membran ist völlig durch lassiq] annehmen. Eine semiperm eable Membran hat den Reflexionskoeffizient en o = 1, da sie nur das Lösu ngsmittel, nicht aber die dar in gelösten Teilchen passieren lasst .

Im schr iftlich en Examen w u rde schon nach der realen osmotischen Druckdifferenz ~71 gefra gt und we lche Größen dort mi t hine ins pielen: Die reale osm ot ische Dru ckdiffer en z nach vant Hoff un d Staverman ist definiert a ls tsn. = (J x R x T x ~C osm mit R = allgemeine G askonstante, T = absolute Temperatur, ~Co,m = transepitheiialer/transendothelialer realer Osmolaritätsunterschied und (J = Reflexionskoeffizient an der Membran.

Abb . 5: ein aktiver Transport erfordert Energ ie

Primä r-aktiver Transport Um den elek troche misch en Konzentrationsgradien ten zu üb erwinden, muss der Körp er aktiv werden und Energie aufwen den . Stammt di ese En ergie direkt aus ATP, so nennt man d en Transport primär-aktiv. Das "primär" bezieht sich auf die direkt am Transporter stattfindende ATP-H ydrolyse. Das ultimati ve Beisp iel fü r ein en primär-ak tiven Tran sport ist die ;\la-·K--ATPase (s. Abb. 6). Daneben gibt es jedoch auch Ca 2- . u nd Hr-Pumpen . d ie direk t ATP verbrau chen, um ihre Teilchen über die Membran zu schaffen. Prü fu ngsrelevante Beispiele primär- aktiver Tra ns porter sind : • Na+-K+-ATPase, • H'- Af'Pasen (in Mitochondrien), • Ca 2+-ATPase (im sa rkoplasma tischen Reti kulum) und • H+/K+-ATPase (in den Belegzellen des Magens). Na+/K+-ATPase

1 .7. 2 Akt ive Transporte Das Wort aktiv deu tet schon an, d ass bei dieser Tran sp ortform Energie verbra uch t wi rd. Diese Ener gie d ient d azu, einen Konz en tra tionsgradi ent en ak tiv zu ü berwinde n und z.B. Na triu m aus d er Zelle zu schaffen . Man kann sich das so vorstellen: Es br auch t me hr Energie eine n Stein akti v die Treppe hochzu tragen, als ihn passiv hinunterplu mp sen zu lassen (s. Abb. 5).

Mem bran

innen Abb. 6 : N atrium-Kalium-ATPase

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61

Allgemeine Physiologie

Die Na'/K'-ATPase ist DAS Beispiel für ein en primär-akti ven Tran sp ort und d esh alb auch der Liebling im sch riftlichen Exam en. In einem Pumpzyklus sch afft dieser Tran sp orter drei Natriumionen aus der Zelle hinaus un d nim mt dafür zwei Kaliumionen in die Zelle auf. Damit ist di e Na -/K+-ATPase ein elek trogener Trans porter (s, 1.7.3, S, 7), Außerdem ist sie der größte ATP-Verbraucher im menschlich en Körper. Wird di e ATP-Produktion einer Zelle gestört, kommt es auf Grund de r eingeschränkten Funktion der Na +/I(+-ATPase zu einem Anstieg der intrazellulären Natriumkonzentration und zur Zellschwellung. Ist genügend ATP vorhande n und di e Natriumkonzentration in der Zelle erhöht sich aus einem anderen Grund, so pumpt d ie Na-/K--ATPase einfach schne ller und kann wieder ein Gleichg ewicht her stellen.

Übrigen s .. , • W ie jeder ander e Trans porter (und jede ander e Transp or tform] ist auch die Na '/ K'· ATPase temperaturabhängig. • Die Na'/ K' ·ATPase ist durc h g-Strophantin (= Ouabain) spezifisch hemmbar, was die Me dizin in Form der Herzglykoside nutzt. • In der Niere ist die Na' /K'-ATPase basolateral gelegen und baut dort den sehr wichtige n Nat riumgrad iente n auf, der Antrieb für den Großt eil der sekundär-aktiven Transport mechanism en im Tubulussyst em ist.

MERKE:

Die Na ' j K'-ATPase • ist pri m är aktiv , • pumpt 2 K' in die Zelle hinein und 3 Na ' aus d er Zelle pro Pump zyklus heraus (= elekt ro gen!) ,

Die Na+/K+-ATPase baut in di esem Fall zu nä chst primär akti v einen h ohen Natriu mgrad ien ten au f, dessen Natrium teilchen wiede r in di e Zelle zu rück dr ängen u nd dafür an d en Tran sp or tern der Membran ein e Art Zoll gebühr ent richten mü ssen , Diese Zollgebüh r besteht d arin, d ass sie ein Teilchen mitnehmen (= Symport) od er aus schleusen (= Antiport ), wenn sie die Membran passier en,

Üb r ig e n s ... • Ihr solltet euch unbedingt merken, dass sich das Natriumion beim sekundär- ~( aktiven Tr ansport passiv bewegt, weil t- I. " es entlang seines Konzentrationsgradi ent en t r ansport iert wir d. Das im Symport oder Antiport bewegte Teilchen wir d dagegen sekundär aktiv transportiert, da dieser Tr ansport entgegen dessen Konzent rationsgradienten stattf indet. • Da der sekundär-aktive Transport ein aktiver Transport ist, kann er entgegen des elektr ochemischen Gradienten erfolgen.

M ERKE:

Die sekund är- akti ven Transp orter sind fü r Sub stanzenj Subst anz gr up pe n spezifisch , temperaturabhängig und sättigb ar.

Beispiele sekundär-aktiver Transporter: • N a-/Ca 2- -Gegentransport (=An tipor t), • Glu cosecarrier an den Nieren tubu luszellen (= lurninal) sowie an den Dünndarmepithel zellen (= lu minal) und • Am inosäurecar rier im Nierentu bu lus,

• pum pt ver m ehrt be i erhöh t er intrazellu lär er Na 'Konzent r ation, • ist t emperaturabhän gig, • w ir d durch g-Strophantin (= Ouabain] gehem m t und • ist in der N iere basolateral gelegen. N ac h Bl ocka de de r ATP-P rodu kt ion einer Z elle steigt die intrazelluläre Na+-Konzentration un d die Zelle s chw illt an.

S ekundär aktiver Transport An ders als beim primären Tran sport, bei de m die Energ ie d irek t aus der ATP-H yd rolys e stamm t, ist beim sekundär-aktiven Transport meist ein hoher Natriumgradient die Triebkraft.

Tertiärer Transport· alle guten Dinge sind drei... Der pr im är aktive Transport verbraucht direkt ATp, der sek undä r a kti ve di e au fgebau te Ene rgie des pr imären Tran sp ort es und wo her kom m t die Energie für de n tertiären Tran sp ort? Richti g! Der terti är aktive Transport nutzt ein en Energiegradi en ten, d er d urch ein en sek u nd är ak tiven Tra nsport aufgebaut wu rde.

Transportprozesse

Beispiel: Die Rückresorption von Disacchariden erfolgt im Nie ren tubulus im Symport mit H "· Ion en. Durch die basolateral e I a-/K--ATPase wird mit eine m pr im ären Tran sp ortvorgang ein Natriu mg rad ien t au fgebaut, d en der seku ndä r aktive Na-/H--An tipo rter luminal nutzt um H'-I onen in den Tubulus zu seze rnieren. Wenn d ie H'-Ionen nun wied er ihrem Grad ienten folgend in die Zelle wo llen, geschie ht d ies im Symport mit Disacchariden und damit tertiä r aktiv.

I7

Beispiel e für elektroneutral en Transport: • Na '
0).

Üb r ig en s .. . Ein kleiner Tipp für die mündliche Pr üfung: Auf die Frage "ob es auch einen passiven Transport entgegen des chemischen Konzent r ationsgr adienten geben kann", lautet die Antwo rt JA . Grund: Es gibt zwar keinen passiven Tr ansport entgegen des elektrochemischen Konzent rationsgra dienten . aber ent gegen der chemischen Kr aft ist das schon mö glich, vorausge· ,.. i .. setzt. die elektr ische Kraft ist größer und . :'1.:< der chem ischen entgege ngesetzt. ~~r:~ Ent gegen des elektrischen Gradient en ist das natü r lich auch m öglich. Dann mu ss ..:::~;;;;;~.,r.-­ eben die chemisch e Kr aft überwiegen.

1 .7 .3 Elekt rogener und elektroneutraler Transp ort In den Examen der letzten Jahre wurde auch nac h den Ladu ngsve rschiebu ngen bei Transporten durch Membranen ge frag t. Bewegen sich näm lich Ion en (= geladene Teilchen ) d urc h eine Membran, ne hme n sie ihre Lad ungen mi t: • Ist der Ladungstransport ausgeglichen, spricht man von elektroneu tralem Transport, • tritt eine Ladungsverzerrung auf, ist es ein elektrogener Transport.

Elektroneutraler = a usgeglichener Ladungstransport Tau schen sich im An tipo rt zwe i positive Ladungen gegeneinander aus, so füh rt dies zu keiner Ladu ngsverän derung. Gen aus o verhäl t es sich, wenn beim Symport ein negatives zusammen mit einem positive n Teilche n bewegt wird .

Elektrogener = ungleicher Ladungstransport N ach einem elektroge nen Transp ortvorgan g sind die Ladungen über d er Membran ande rs verteilt. Grund d afü r ist z.B., da ss ein un gelad enes Teilchen zusa mmen m it einem geladenen Teilchen üb er die Membran transportier t wird .

Beis piele für elektrogenen Transport: • Na -/K"-ATPase (= zwei positive Ladungen in d ie Zelle, dr ei positive hin au s, Bilan z = -1), • Na '-Clucose- Sympo rt (= eine positive Lad u ng und ein u ngel ad enes Teilche n kommen in d ie Zelle, Bilanz = +1), • Na -Trans port durch den Na-Kanal (= eine positive Ladung in die Zelle, Bilan z = +1).

1.8

Ionen und ihre Konzentrationen

Ionen sind kleine geladene Teilch en (= Elek trolyte), d ie vielfältige Aufgaben im Körp er haben. Teil 1 d ieses Kapitels beschäftigt sich mit ih ren unterschiedl ichen Kon zentrati on en im Blu tplasma und im Intrazellul ärraum, Teil 2 geht au f ausgewäh lte Ion en ein und enthält deren prü fu ngsrelevant e Detai ls.

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5

I Allgemeine Physiologie ME RKE:

Im!I..Blutplasma

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-...

I!!i UJUIIlW:.....

4-5

140-145

1 ,2 5 in fr eier

11!liiL.....

........ I

.....

---

25

10 5

I

-..

Form/2 ,5 gesamt Zelle

14

Konzent r at ionsverhältn is außen/innen

10: 1

150

10.5

10

5

1:3 0

1 :10.5

2 ,5:1

20 1

I

I

Tabelle 1: Ionenverteilungen in und außerhalb einer Zelle Gr adient von außen:in nen = 10:1 un d • N a+w ir d int est in al resor biert und r enal elim in iert. ),

Üb r i g en s ... Auch wer nicht gerne auswendig lernt, sollte bei dieser Tabelle über seinen Schatten springen und sich wenigste ns die unt erlegten W erte merken .

,

) (.

~

1.8 .1 Nat riu m Das Natriu m ist zusammen mit dem Chlori d (Konzentration extrazellulär = ca. 100 mmo l/l) die wichtigste osmotische Komponente der extraz ellulären Flüssigkeit. Seine extrazelluläre Konzentration von 140-145 mm ol/l wird d urch mehrere Hor monsysteme wie z.B. Aldo steron und ANF (s. 3.10.4, S. 39) kons tan t geha lten. Intrazellulär betr ägt die Natriurnk onzentration nur 14 mmol/l, wod ur ch ein kraftvoller Konz ent rationsg radient entsteht, der für Erregun gsprozesse und zum Antrieb fast aller sekun där aktiven Transporte genutzt wird. Ü b r i g e n s ... Nat rium ist ein Ion, das prozentual am meist en int est inal [= über den Darm) r esorbiert wird und den Kör per haupts ächlich über die Nieren ver lässt

MERKE:

Na+ und CI' sind die osm ot isch w icht igste n ext r azellulären Ionen, die ext ra zelluläre N a+,Konzen t r ation beträgt 1401 4 5 m m oljl , die intrazelluläre N a'·Konzent r ation beträgt 14 m m olj l, an der Zell m em bran herr sc ht ein kr aftv oller N a'-

1 .8. 2 Kalium Kaliu m ist - we nn man die Kon zentrationsverteilung bet rachtet - der Gegen spi eler des Na trium s: es ist hochkon zentriert in der Zelle, au ßen jedoch wesen tlich sch wächer ver treten, Mit eine r Konze ntration von 150 mmol/l in der Zelle ist es dor t d as höchst kon zentrierte Ion . Seine normale extrazelluläre Konzentration von 4-5 mmol/l da rf sich nu r in en gen Gren zen bewegen, da Kaliu m ein wich tige r stabilisierender Fakt or de s Ruh eme mbranpotenzi als (s. 1.10, S. 12) ist. Eine zu ho he oder zu niedrige extrazelluläre K-Konz en tration kann zu Herzrhy thm usstörungen und zum Herzstillstan d führen . Um d ie extra zellu läre K'-Kon zentration nied rig zu halten, wird Kalium primär-akti v (= unter ATP-Verbrauch) durch di e Na '/K' -ATPase ins Zy tosol gepum p t, Gefördert w ird dieser Einwärtstransport u nte r and erem von In sulin , eine m Hormon, d as man so nst eher mi t de m Blutzuckerspiegel in Verbind un g bringt. Übr i g e n s ... W arum kommt es bei einer Hyperkaliämie eigentlich zum Her zstillsta nd? Antw ort: Eine stark e Hyperkaliämie bewir kt ein posit iveres Ruhemembranpot ent ial [s. I. 1O.S, 12 J. am Herzen auch maximal diastolisches Potential [= MDPj genannt , Dieses positivere MDP funrt zur Inaktivierung der Na'· Kanäle, was zur schlimmst en Folge haben kann. dass das Aktionspotenzial im AV·Knoten nicht mehr ausläsbar ist und es zum Herzst rllsta nd kommt.

Ionen und ihre Konzentrationen

Etw as Gutes hat dieser Mecha nismus aber auch: Bei Herzt ra nsplantationen mac ht man ihn sich zunutze. um einen r ever siblen Herzst illstan d durch kardioplege Lösungen künstlich zu erzeugen. M ERKE :

Insulin fördert die Ka liuma ufna hm e

In

die Zell e n.

Der Kalium haushalt kann auf m ehrere Arten durch einande r gera ten . Un terschieden wird eine • H yp okali äm ie (= zuwenig extrazellu lä res Kalium ) von einer • H yperkaliäm ie (= zuviel ex trazelluläres Kalium).

I9

nach einem brauc hbaren Gefäß suchen muss t et und demen ts prechend lange das Blut in den Venen des Ar ms des Patienten gestau~ habt. kam es dort zur Hämolyse. bei , " der das Kalium aus den Erythro. \\ zyten ausgetreten ist. Die Folge war eine - nur lokal exist ierende - Hyper kaliämie. Bedenkt diese Möglichkeit bitte in der schriftlichen Prüfung und im späteren Leben als Ar zt, dann könnt Ihr auch verständ nisvoll mit dem Assisten zarzt m it lacheln..

M ERKE:

• K+ ist das Ion mit der höchsten intrazellul ä re n Kon zentratio n von 150 mrnol./ l, • die extrazelluläre K'-Konzentration beträgt 4 -5

MER KE:

mmol/I,

Z ur Hypokaliämie kommt es, w enn zuviel Ka lium aus-

• K' w ird prim ä r aktiv ins Zytos ol transporti ert und

geschieden wi rd .

• Insu lin fördert die Ka liuma ufna hm e in die Ze llen.

Beispiel: • Durc hfallerkrankungen oder regelmäß iges Erbrechen. Z ur Hyp erkaliämi e kommt es . we nn zuwen ig Ka lium ausgeschieden w ird oder Kalium aus de n Zellen austr itt [Kalium hat die höch st e intrazelluläre Konzentrati on a ller Ion en] . Beispiele: • terminale Ni ereninsu ff izienz: Die Ka liumaussche idung ist ver m inde rt. • Häm olyse: Durc h Zerstöru ng der Eryth ro zyt en t ri tt viel Ka liu m a us . • ak ute Az id os e: J ed e p H-Ve rä nder ung w irkt auf die Na +/K+-ATPase und somit auf die Ka liumverteilung zwischen Extra- und Intrazellulärraum; eine p H-Erniedrigung führt zur Er höhung d es extrazellul ären Ka liums . • Hypoaldostero nismus: Aldosteron stim uliert die Ka liumausscheidung; bei Ald oste r o nm an ge l sa m melt sich deshalb Kalium im Körper an .

1.8.3 Ca lc ium Vom Ges amtcalcium des Körpers befindet sich nur 1 Prozent im Umlauf (= im Blut), der Res t (= 99%) ist als Calci u mphospha t im Knoc he n gebunden. Aus dem Knochen kann Calci um d urch das Par atho rmon mobilisiert (= freigesetzt) werden. Das eine P rozent , das im Plasm a umherschwimm t, h at dort eine Konzentration von 2,5 mmol/1. Von dies en 2,5 mmol Calcium ist aber nur die Hälfte (= 1,25 mmol/I) ungebunden, fr ei, ionisiert und b iologisch aktiv. Der Rest ist komplex- oder p ro teingebunden (an Phosphat oder Albu min) und deswegen in der Niere N ICHT frei filtr ier bar, da di eses ge bundene Ca lcium den Filtermechanismus gar nic h t erst überwin den kann, Im Zyt osol bet rägt d ie Ca-
Üb r ig e n s ...

Übrig e n s .. .

Solltet ihr - nach eurem erfolgreic h besta ndenen Physikum - bei eur er ersten Famulatur Blut abnehme n dürfen und es komm t nach zwei Stunden ein Anruf aus dem Labor , der lautet : "Der Pat ient hat eine Hyperkaliämie von 7mmol/ l, best eht wa hrsche inlich kein Grund zur Panik. Euer Assistenzarzt wird euch dann [hoffentlich) verständnisvoll anlächeln, selbst noch einma l Blut abnehme n und einen Kaliumwert von 4 ,5 mmo l/I her ausbekommen. Grund: W enn ihr bei der Venenpunktion lange

Im schr iftlichen Examen wurde bei Fr agen nach dem Verhältnis von int r a- zu extrazellulärem

~ Calcium schon mal ein Verh ältnis von < 0.001 als Antwort angebote n. Beachtet \ . ( bei solchen Fragen bitte , dass "unt er/ u kleiner als 0 ,001 " auch 0 ,0001 bedeute n kann, was ja das wahre Ver hältnis von int r a- zu extrazellulärem Calcium ist. Die richt ige Antwort wa r hier also einzig und allein am Wörtchen "unter" zu erke nnen.

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Cf)

10 I Allgemeine Physiologie

Calciu m kon kurriert in se iner Pro teinbind ung 1.9 Gleichgewichtspotenzial und am Albu min mit H'-Ionen. Ist de r Säure- BaseNernstgleichung Haushalt ges tört und es liegt eine Azidose Beim Lesen der Begriffe Gleichgewichtspotenz i(= niedriger pH-Wert = viele Ht-Ionen) vor, so al und Nernstgleichung, stellen sich wahrscheinverdrängen die Wasserstoffionen Calcium von lieh bei vielen von euch scho n die Nackenhaare seinem Proteinbindungsplatz (z.B. am Albuauf . Dabei ist es gar nicht soooo schlimm ... min), Folge: Das freie Calcium im Plasma steigt Um die meiste n Fragen im schr iftlichen Examen an, OH NE d ass sich die Gesamtplasmakonzenzu beant worten, bed arf es nä mlich lediglich eitration ändert. niger we niger .Kochrez epte". Wem da s auch Umgekehrt kommt es bei einer Alkalose (= honoch nicht schmeckt, der sollte sich we nigs tens her pH-We rt = wenige H'-Ionen) zum Absinken d ie am häufigsten gefragten Poten ziale ans ehen der freien Calcium konzentration im Plasma, un d merken. weil me hr Pro teinbind ungsplätze für Cal- :~'. Vergegenwärtigen wir un s zunächst noch mal, ciu mio nen vor ha nde n sind un d au ch gewas für Kräfte au f ein Ion w irken: Es gibt d ie nutzt we rde n. '"' ~,_ '0 ( elektrischen (= Em ) u nd d ie chemischen TriebDa de r Calciumspiegel Einflu ss au f ' .. I,! kräfte (= EJ Um die resultierende elektrochedie Erregbarkeit vieler Zellen ha t, kann AC"'<~~ m ische Triebk raft (= E) zu erhal ten, mu ss man es bei diesen Störungen im Säure- ~~~~~~@') diese beiden Kräfte u nter einen Hut bekommen, und d as gelingt mit folgender Formel: Base-H au sh alt zu Krämpfen kom-

-:r-,'

me n. Beispi el: Hyperventilations tetanie . Üb r i g e n s ... Die Therapie der Hypervent ilat ionsteta nie beste ht dari n, den CO,-Part ialdr uck zu er höhen und dadurc h den Blut-pH zu senken. Dies erreicht man durc h CO, Rückat mung . Wie ma n bei einem Patienten die Rückatm ung fördert, bleibt dem Helfer über lassen: von N ase Zuhalten über Rückat mungsbeut el bis hin zu beruhi genden W orten ist dabei alles er laubt. MER KE :

1% des Gesamtcalciums befindet sich außerhalb des Knochens mit einer Konzentration von 2,5 mmol/l. Davon sind 1,25 mrnot/l frei und biologisch akt iv, die andere Hälfte ist proteingebunden. Das Ca2+·Verh ältnis von intra- zu extrazellulär beträgt unte r 0,001. Bei Azidose ist mehr freie s Calcium , bei Alkalose weniger freies Calcium vorhanden. Grund: Konkur· r enz des H' mit Calcium um die Proteinbindung am Albumin. Calcium ist beteiligt an der Mu skelkontrakt ion, der Glykogenol yse im Muskel. der Exozytose von Neurotra nsm itte rn und der Prothrombinaktivierun g bei GefäBverletzungen. In vielen Zellen werd en Ca2 ··lonen durch IP3 aus ihr en intrazell ulär en Speichern freig eset zt.

E=E m -E x ~ '( f5-.J Nim m t man nun an, die elek,I trisehe (= Em ) u nd d ie chemische ~ . Triebkraft (= E) seien gleich ''Ut~ ~ groß aber entgegengesetzt, dann 'U3 hat d ie resultierende Triebkraft Eden Wert Null. Abe r Vorsicht: "Schon die Mathematik lehrt un s, da ss man Nullen nicht üb ersehen darf." (Gabriel Laub, polnischer Satiriker) Die Null sagt u ns, dass kein Nettofluss an Ionen stattfinde t, weil die Krä fte aus gewogen sind. Da es sich hier aber um ein d ynamische s Gleichgew ich t handelt, we chse ln trotzdem Teilch en die Seiten. Jedes d ieser Teilchen hat abe r seinen Tau schpartner. so dass letztendlich (= nett o) alles aus gew ogen bleibt .

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Gleichgewichtspotenzial und Nernstgleichung 111

Ü brig en s ... Die Triebkraftberechnungen erfordert en bislang nur das einfache Einsetzen von gegebenen Zahlen in die Forme l E = Em - E,

~} ~

O 1\

,

Gleichgewichtspotenzial

R · T log [ I o n , _~, ] [ Ion""" ]

E, = F . Z

i

Rechenbeispiel zur Triebkraft aus einem Examen: Ruhe me mbra npotenz ial = --60 m \~ Gleichgewich tspo tenzial von Na triu m = +60 m \1. Nach Einse tze n in d ie Formel steh t d a: E= (-60 m V) - 60 m V = -120 mV Das bed eutet, dass Na tr iu m mit eine r Pot enzialdi fferenz von - 120 m V in di e Zelle ge trieben wird .

Merke: per Definiton: • positive Ströme = Ausstrom von Katione n • negative Ströme = Eins t ro m von Kationen

R = Gaskonstante T = absolute Temperatur F = Faraday-Konstante Z = Wertigkeit des Ions (Vorzeichen)

Abb. 7: Nernstg leichung

Ü brig en s ... Sollte sich die Wertigkeit eines Ions (= Ladungszahl: für Calcium +2, für Chlorid -1 etc.] ändern. war es bisher im schriftlichen Examen imm er so, dass die geänderte Formel mit angegeben wurde.

Aus gerechnet ergibt das für positive einwertige Ionen (z.B. Natrium): E, = 60 m v . 10ö0

Ion,wlScn Ion1nnc.-n

Für das Gleichg ewichtspot en zial: • Das elektroc hem ische Potenzial E [= Tr iebkr aft ] für Ionen an der Membran errechnet sich aus der Differenz von akt uellem Membr anpot enzial [Em ] und Gleichgewic htspotenzial für das betreffende Ion [EJ • Beim Gleichgewichtspotenzial beträgt die elekt roch em ische Potenzialdifferenz für da s bet r eff ende

Beispiele: Na tr iu m in traze llu lär = 14 m mol/I Natrium extrazellu lär = 140 mrn ol/l Eingese tzt in d ie Forme l ergi bt da s den Qu otient 10/1 = 10. Der log von 10 ist 1 und d as Gleich gewich tspo tenzia l d ah er 60 m V,

Ion D. Daher sind hier die elektrische und die chemische Triebkraft gleich groß, ab er entgegeng esetzt ger ic ht et i • Das Gleic hgew ichts pot en zial lässt sich m it der Nernstgleichun g ber echnen.

1 .8 .1 N ernstgleichu ng Die Nernstgleichung dient dazu, da s Gleichgew ich ts poten zial für eine bestimmte Ionensorte zu berechnen. Zu diesem Thema solltet ihr unbedi ng t wisse n, was die einzelnen Konstanten be deuten und, da ss man den Logari thm us aus der äuße ren Kon zent ra tion einer Ion ensorte ge teilt durch die innere Konze n tratio n bildet.

Übe rsic ht üb er versc hiedene Loga ri thmen: • log von 10 = 1 • log von 100 = 2 • log von 1000 = 3 • log von 10.3 = -3 Also ein fach die Nu llen zählen (Beisp iel 1-3) oder di e H ochzahl nehmen (Beispiel 4)...

Die Cav-Konzent ration im Zytosol eine r Zelle sei ze hntaus en dfach geri nger als extrazellu lär, d.h. c;""cn: c.,ulkn= 1:10000. angegeben war d iese Formel: Eca = -(lgt-) x 30mV

Der log von 1:10000 ist, -(-4) x 30mV= +120m V

Ü b rig e n s ... Hier wurde im schriftlichen Examen die Formel verändert. aber auch angegeben. Bitte beachtet das Minuszeichen vor dem Logarithmus, Das resultiert daraus. dass der Bruch hier auf den Kopf gestellt wurde und nun innen durch außen geteilt wird. We nn wir mit unserer Formel rechnen würden, kämen wir auf dasselbe Ergebnis: E.,= 6 0 mV/2 lg außen/ innen, die 2 im Nenner gibt die We rtigkeit z = +2 von Calcium an.

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121 Allgemeine Physiologie

MERKE:

Wenn die Formel umgedreht wird, also Ion log Ion "'00" ecüe r-

:

.

•

dann muss noch ein Minuszeichen vor dieGleichung. Also: log'MItl E=-60mVo-x

ecße n

Das Endergebnis ist dasselbe. Probiert es ausl

MERKE:

Das Gleichqewichtspotenzial von Natrium beträgt +60mV und das von Calcium + 120 mV.

Selbst wenn ihr nicht rechnen wollt, könnt ihr damit diese Punkte locker mitnehmen!

1.10 Ruhemembranpotenzial Das Ruhemembranpotenzial ist ein Diffusionspotenzial. Bitte behaltet diesen Satz im nächsten Abschnitt immer im Hinterkopf. Die Na ·jK"-ATPase verteilt Natnum und Kalium auf die verschiedenen Kompartimente (Intra- und Extrazellulärraum). Durch die Natrium- und Kaliumkanäle diffundieren die Ionen zurück und sorgen für die Einstellung des Ruhemembranpotenzials. Übrigens .., Da die Membran wesent lich leitfähiger für Kalium als für Natrium ist , liegt das Ruhemembranpotenzial näher am Kaliumgleichgewichtspotenzials bei ungefähr - 70 mV. Grund: Kalium kann mehr die erleichterte Diffusion nutzen [so 1.7.1, S. 3J, da Kaliumkanä le in Ruhe eine wesentlich höhere Leitfähigkeit haben als Natriumkanäle. Wäre die Zellmembra n für beide Ionen gut durchlässig, würden beide Ionen gleich gut zurückdiffundieren und sich damit das Ruhemembranpotenzial genau auf der Hälfte der beiden Gleichgewichtspotenziale, bei ungefähr -15 mV . einstellen (Gleichgewichtspotenzial von Kalium = ·90 mV und Natrium =+60 mV).

MERKE:

Die Na+/K+-ATPase pumpt mehr Natrium aus der Zelle hinaus als Kalium hinein. Für die Einstellung des Ruhemembranpotenzials ist jedoch NICHT diese Pumpe, sondern die Durchlässigkeit der Membran für die jeweiligen Ionen entscheidend.

Richtig viele Punkte bringen die Ionenverteilungen und -konzentrationen. Daher solltet ihr euch unbedingt merken : o Natri um intrazellulär = 14 rnrnot/L extraze llulär = '14 0 - 145 mmol/ I o Kalium int razellulär = 1 50 rnrnot / L extrazellulär =

4- 5 mmol/I o Calcium intrazellular = unter 0 ,001 mrnot/L gesamt = 2 ,5 m molj l, FREI UND AKTIV = 1,25 mm ol/I Außerdem könnt ihr noch wertvolle Punkte mitnehmen, wenn ihr wisst, dass o Transporte und Transporter Immer temperaturab hängig sind. o Calcium In der Zelle die geringste Konzent r at ion hat und das Verhältnis von int ra - zu extr azellulär 1 10000 beträgt (was unte r 0 ,001 ist] . Nur 1- c des Gesamtcalciums befindet sich außerhalb des Knochens und hat dort die Konzentration 2 ,5 rnmo l, "! Davon sind 1,2 5 mmol / I fr ei und biologisch aktiv, die andere Hälfte ISt proteingebunden. o Kalium In der Zelle am hochsten konzentriert ISt [= 15 0 mrnol ./t ] und pr imär akti v ins Zytoso l tra nsportiert wird . Insulin fördert die Kaliumaufnahme in die Zelle. o Natrium die wichtigste extrazelluläre Komponent e ist und dort eine Konzentration von ungefähr 140 mmolj l hat. Der kraftvo lle Nat rium gr adient ist der Antr ieb f ür fast alle sekundär akt iven Transporte e die Na ', ·K-·ATPase prim är aktiv arb eitet: Sie pump t zwei Kaliumionen in die Zelle und drei Natrium ionen aus der Zelle heraus. Außerdem ist sie durch g-Strophantin hemm bar. Nach Ihrer Hemmu ng samm elt sich Int r azellulär Natrium an o elektrogener Tr ansport bedeu tet. dass eine Ladungsverzerrung beim Transport stattfindet. o elektroneutra ler Transport bedeutet, dass die l adungen ausgeg lichen tra nsportiert wer den. o beim Gleichgewichtspotenzial elektrische und chem ische Tr iebkraft gleich gr oß, aber entgegengesetzt sind Die r esult ier ende Tr iebkraft beträ gt daher null. Das Gleichqewichtspotenziel Wir d mit der Nernstgieichu ng berechnet und bet r agt für Natrium +6 'I mV . für Kalium -90 mv und für Calcium +1 20 mV .

Basics Mündliche 113

• das Ruhemembranpotenzial in der ähe des Kaliumgleichgewichtspotenzials bei -7 0 mV liegt. Es ntsteht durch die Rückdiffusion der Ionen und Ist abha ngig von der Verteilung der Ionenkanal e. • und wie m an das Gleichgewic htsp ot enzial m it der Nern stgleichung berechnet [so1.9 .1 , S. 1 1). • man die Triebkr aft bere chnet: E = E - E , wobei "' positive St ro me dem Ausstrom von Kationen entsprechen.

.

VVas ist das Ruhem em branpot enzial? W ie entsteht es und welchen Wert hat es? Das Ruhemem branpotenzial ist die Potenzialdifferenz zwrschen der Innen- und der Außenseite der Zellmembran. Es ist ein reines Diffusionspo te nzial. Die Na- / K--ATPase verteilt die Ionen zwische n Int r a- und extraze llulär, die dann durch spezifische Kanäle wieder zur ückdiffund ieren. J e größ er die Dur chlässigke it der Me mb ran für die einzelnen Ionen ist , dest o größer ist ihr Ant ei! arn Ruhemembra npote nzial. In der normalen Zell ha Kalium den gr ößte n Einfluss auf das Ruheme mbra npoten zIal. das bei un gefähr -70 mV liegt (s. 1.9, S. 10 J. W as ist ein Gleichge wichtspotenzial? W ie berechnet man es? Das Gleichgewichts pote nzial gibt für eine bestimmt e Ionensorte an, bei welcher Spannung diese Ionen keinen Nettofluss über die M emb r an hätten. Es kann m it der Nernstgleichung ber echnet werden Beisp iele für Gleichgewichtspotenziale: • Na trium = +6 0 mV, • Kalium = -90 m V, • Calcium = + 1 2 0 mV. Was ist eine Diffusion? Diffusion ist die Transportform, bei der fr eibeweg liche Teilchen auf Grund Ihrer zufälligen the r mischen Bewegungen Konzent r at ionen ausgleiche n. D.h.. nach einer bestimmten Zeit befinden sich alle Konzent rationen im Gleich gewicht . Die Geschwindigkeit. mit der diese r Zusta nd eintritt, wi d durch das FickDiffusionsqesetz besch ri eben:

dO/ dt

= 0 x A x [c ']-c2J/ d

dO/ dt = Netto-Iliffusionra te in rnol- s D = Fick-Oitfusionskoeffizient d = Diffus ionstrec ke A = Membra nfläch e c 1-c2 = Konzent r ati onsunt erschied tlc Was ist Osmose? Osmose ist · wie die Diffu sion · eine pass ive Tr ansportform. Im Unterschied dazu ind hier die Teilch en jedoch nicht fr eibeweglich, so ndern durch eine sem ipermeable M embran [z.8. Zellm embra n] voneinander get r ennt. Um die Konzent r at ionen auszu gleichen bewegt sich dal er nur das Losungsmittel. was zur Erhöhung des hydrostatische n Dr ucks In der höher konzentrierten Losung führt [s o17.1 . S. 3]. W ie kom m t eine Hyperkaliämie zust ande? Warum ist sie so gefährlich? Eine Hyperkali ärrue kann .8. bel einer Hämolyse ents teh en, da Kalium das höchstkonzent rierte int r azelluläre Ion ist und ei einer Hämolyse Erythrozyten zugrun de gehen , wo durch dere n Kalium fr eigesetzt wird. W eit er rsache einer Hyper kaiiämie kann die gestörte Kaliumausscheidung bei einer Nier eninsuffizienz oder inem Hypoaldost eron ismus sein. Auch bei akuter Azidose komm t es zur Hyperkaliäm ie, we il hier der ni drlge pH-Wert auf die Na -/ K -ATPase wirk und die Ionenverteilung verandert. Gefahrhch Ist die Hyperkal iarnie , weil sie das Ruheme m branpotenzial in Richt ung Depolar isat ion verschiebt und dies ger ade am Herzen zu gefährlichen Rhythm ust brun gen bis hin zum Herztod führen kann Welche Tran sportfor m en kennen Sie? • akt ive [z.8. Tr ansporter) und passive [z.B. Kanäle). • elekt ro gene [z.B. Na / K '·A TPase) und elekt ro ne tra le (z.B. Na- /H-·Antipo ), • prim are [z.8 . H -·ATPas en j, sekund äre (z.B. Na / Glucose-Sym porter) und tertiäre [z.B. Disecc herid /H o-Svmport im Nierentu bulus jls. 172. S. 5J.

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141 Wasserhaushalt Vert eilung sräum e

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Ind ikat or su bsta nzen

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Wasse rhaushalt

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Bevor es mit den häufig geprüften Störungen des Wasserha usha lts losgeht, solltet ihr eu ch kurz di e normalen Verhältnisse anschauen und lernen, w ie man sie bestim men kann . Ge ht ma n von der fettfreien Kö rpermasse aus, so bet rägt der normale Wass eranteil des Körper s 73%. Fettgewebe hat einen relativ niedrigen Wassergeh alt. Da Frauen im Durchsc hnitt einen höheren Fettanteil als Männer haben, ist ihr Wassera n teil m it 55% en tsprechend geri ng e r als der d er Mariner mi t 65%. Mit zu neh mendem Alter n imm t bei beid en Geschle cht ern d er Wassergehalt des Kör pe rs ab, Fal ten und Runzeln da ge ge n zu . Das Kö rpe rwasser ve rteilt s ich auf vier ver sch iedene Räume : • d ie intrazell ulä re Flüssigkeit (= in den Zel len ), • die interstitielle Flü ssigkeit (= zwischen den Zellen), • das Plasm a (= in de n Gefä ßen) und • die tra ns zelluläre Flüs sigkeit (= Liqu or, Galle, Flüssigkeit in der Augen kammer. den Nierentubuli .. .).

+

--- - - --

=

25 Liter 60% intrazellulär

Verte ilu ng u ntersc hie dlic he r Indikatorsubstanzen . die fü r einzelne Kompartimente

S

ezifisch sind:

Triti um, Deuterium und Anti pvrin verteilen sich im Ce ...am twa-ser,

Inul in verteilt sich nur im Evtraz ellu lärra um . Evansblue und markiertes Ibumin verlassen die B utbahn , IC HT und gebendeshalb Au fs hluss über

Üb ri en s ... Die inters it ielle Flüssigkeit und das Plasm avolum en bilden zusammen die Extr azellulerf tüssiqkeit ,

da' Plasmavolumen.

Abb. 8 : Normale Wasserverteil ung im Körper

Ü b r ig en s ...

Man ka nn d ie Volum ina der ein zelnen Kompartimen te mi t Hilfe der Verdünnu ngsmethode be rechnen. Dabei wir d eine besti m m te Men ge einer Su bs tanz injiziert, von der bekann t ist, in we lche n Komparti menten sie sich vertei lt. Ansch ließend wi rd ih re Konz entration im Plasma ge messen und dara us berechnet, in was fü r einem Volumen sie sich verteilt haben muss.

Das int r aze lulär e Verte ilungsvolumen erhält man, indem man vom Gesamtw asservolumen das Verte ilungsvolumen von Inulin abzieht .

ME RKE :

For mel Indikat orver dünnungsme t hode: M enge (V] = ,n Konzp/
Störungen des Wasserhaushalts - Dehydratationen/Hyperhydratati on en St örung

Rechenbeispiel aus dem schriftlichen Examen: Einem 70 kg schweren normalen Probanden w ird tritiummarkiertes Wasser mit einer Aktivitä t von 10000 Bq intraven ös applizier t (Halbwe rtszeit von 3H = ca, 12 Jah re). Nach zwe i Stu nde n w ird die Akti vität de s Ma rker s im Plasma bes tim m t. Welcher der Messw ert e ist hierb ei arn wahrscheinlichsten zu erwarten? Die Prüfungskommission setz t hier viel voraus: Sie erwartet, dass man weiß w ie viel Gesamtwasser ein 70 kg Mann hat: Das sind un gefäh r 40 Liter. Dann muss man noch w issen, dass Tritium sich übera ll ve rteilt e H = ein Indikator für s Gesamtwasser) und di e Gleichung der Indikatorverd ünnungsm ethod e au sw endig kennen, bevor es an s Rechnen ge h t: Zunäch st mu ss man die Glei chung V = Men ge jl<:onz"b' nach der Kon zentrat ion aufl ösen : . Kon z ,." = Menge j V " der in der Au fgabe ge na nnten Za hEinsetzen len erg ib t: Kon zp,a, = 10000 Bq/40 I und damit eine Kon zentratio n von 250 Bq/l so w ie eine n weiteren Ph ysikumspunkt.

extra

1

15

intrazell ulär

normal

isotone Hyperhydratation _ _-+_"""";;;:00

_

hypertone Hyperhydratation

hypotone Hyperhydratation L _ --1--..Iz

...1

isotone Dehydratation

hypertone Dehydratation

hypotone Dehydratat ion

Die Helligkeit gibt d ie O smolarität an. d ie Länge d e-, B,,'kcn s zeigt da s Maß de r lüssigkeitsvc rschi eb un zwischen

Intra- und Extrazellulärraum. Abb. 9 : Stö r ungen des W asser haushalt s führ en zu Flüssigkeit sver sc hiebungen zwischen Int r aund Extrazellulärraum

2.1

Störungen des Wasserhaushalts - Dehydratationen/ Hyperhydratationen

Fü r das Vers tändnis die ses Kap itels ist es w ichtig, d as s eu ch die Begr iffe isoton, hyp o ton u nd h yperton klar sin d (s. 1.4, S. 2) und ih r beachtet, in welch e Rich tu ng d ie osmotisch wirksamen Teilchen das Wasser ziehe n.

M ERKE:

• Hyperhydr atation = zu viel W asser im Körp er, • Dehydra t ation = zu we nig W asser im Körpe r und • die Begriffe iso-, hyper- und hypot on beschreibe n den osmoti schen Dr uck im Extra zellulärraum.

Weiter ge ht es mit den einze lne n Stö ru nge n:

2. 1 .1 Hypot on e De hydrat a t ion Ein Beispiel für eine h ypo tone Dehydratation ist der Hochofenarbeiter. d er den ganzen Tag schw itz t un d se ine n Durst nur mit sa lzar me m Wasser lösch t. D as Blutplasma/der Extrazellulärrau m verliert dad u rch sei ne Sa lze un d wird hypo ton. Dies führt zum wasser~ 1 <:> einstro m in die Zell en un d dam it zur (J' ." . ,I Zellsch w ellu ng . Insgesamt Ist durch • den Was se rverlust un d den Wassereins trom in d ie Zellen das Extrazellulär volumen verm in d ert u nd der Blutdruck erniedrigt. Wo nichts ist, kann eben auch nichts d rücken ...

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16/ Wasserhaushalt

2 .1 .2 Hypotone Hyper hydra t8tion Kann ma n sich mi t Wasser vergiften? Ja, ma n kann! Gerade niereninsu ffiziente Patienten, deren Wasserau sscheidung nicht me h r richt ig funktioniert, k önnen - wenn sie zuviel "Nasser trinken - eine Wasserin toxikat ion erleiden. Da Wasser gegenüber d em Plasma hypoton ist, n enn t man diese Stö rung hypotone Hyperhydratation. Ihre Folgen sind ein vergrößerter Intrazellulärraum und eine D iurese mit viel hypotonem H arn.

Üb r ig e n s ... Es gab amerikanische Collegestudenten. denen W etttrinken mit Bier zu langweilig war ... Sie haben also Wa sser gegeneinander getr unken. Folge war eine Wasserintoxikation - 4 Zellschwellung - 4 Hirnödem und einer hat sich wortw ört lich tot gesoffen. Völlig vorurteilsfrei: Es waren BWL'ar.

bildung) und set zt so einen Teufelskr eis in Gan g über St imu lierung der Osmorezeptoren = AD HAu sschüttu ng. • bew irkt ein Ab sinken der Ald osteronkon zentration

= hypotonen Harn . 2 .1 .4 Isotone Dehydrat at ion Wann verliert man isotone Flüss igkei t? Als Beispie l se i hier de r blutende ver u nfa llte Mo torradfah re r genann t. Blu t ist eine isotone Flüssigk eit, deren Verl us t zur Verm in derung des Extraz ellulärraums und da rüber zur ADH-Au sschüttung fü hr t. Dieses Horm on bewi rkt eine Flüss igkeitsreten tion (= Zurü ckha lten von Flüssigkeit) und eine Erhö h ung des Blut drucks au f 'Nerte, d ie das Übe rleben sichern (z.B. 50/30mmHg) .

2.2 2 .1 .3 Hypertone Hyperhyd ratat ion Das klass ische Beisp iel, das sowohl mü ndlich als auc h schriftlich sehr belieb t ist: Es handelt von einem Gestr andeten auf eine r ein samen Insel, der nur Salz wasser zur Verfügung hat und irgendwann anfängt es zu trinken . Da Meer wasser jedoch eine höh ere Osmolarität hat (über 1200 rnosmol/l) als die m aximale Harn osmol arität (un ter 1200 mosmol/l) bleiben im Körper Salze zurü ck, ganz unabhängig da von wie gu t die Nier e arbeitet. Auf hype rtone Störungen reagiert de r Körp er über die Osmorezeptoren im Hypothalamus mit der Ausschüttung von ADH. ADH seine rseits füh rt zu Durst (= weiteres Meerwasser wird getrunk en) und zur Antidiurese . Obwohl de r Gestrandete also sch on sehr viel Wasser im Körper h at (= Hyperhyd ratation), füh ren die hohen Salzko nze ntrationen un d die dam it zusammenhängenden Regulationsmech anismen des Körpers zu einer weiteren Wasseraufnahme - ein Teufelskreis, der let ztendlich zum Tod fü h rt, das aber immerhin au f einer Südseeinsel unter Palmen... MERKE:

Eine hypertone Hyperhydratation • kan n result iere n aus der Gabe von hyperton en Infusionen oder dem Tr inken von Salzwasser. • fü hrt zur Abna hme des Int r azellulärraum s und • zur Zun ahme des Ext r azellulär- und Plasmavolume ns. • führt zu Durst und An tidiurese (= wen ige r Ur in-

Filtrationsdruck

Der effektive FiItra tionsd ru ck gibt an, mi t welcher Kraft di e Flüssigkeit in de n Kap illaren oder d er Bowrn an-Kapsel abgepress t/filtr ier t wi rd. Er se tzt sich aus 3 Komponen ten zusa mme n: • Dem Blutdru ck, der die Flüssigkeit von innen nach außen an die Wand oder durch die Wand presst, • dem Gewebedruck oder int erstitiellen Druck, de r von auße n au f das Gefäß d rü ckt und de m Blu tdruc k entgegen w irkt sow ie • dem onkotischen Druck, d er im Gefäß herr scht. Der onkotische Druck en tsteht durch die Plasma proteine, die die Gefäße nicht ver lasse n können und da her Wasser anz iehen. Jed e einzelne dieser Kom pon en ten kann gestört se in, was d ann zu Öd emen fü hrt (s. 2.3, S. 17). Mathematisch zusam meng efasst w ird der effek tive Filtra tionsdruck in der Formel: Pd i :;;;; P h\'l! - r., - P.:1J11 Peff = effek tiver Filtrationsd ruck (= resultierender und wirksamer Druck) Plnd = h ydrostatischer Druck (z.B. Blutdruck) P;~l = inters titieller Dr u ck/ Druck in de r Bow rnan Kapsel P,,,II = ko lloidosmotischer Druck (durch Proteine, z.B. Alb umin)

Üb r ig e n s ... • Entlang einer Kapillare sinkt der Filtrationsdruck immer weiter ab, da der Blutdruck/ hydrostatische Dr uck immer geringer wird. • Ist der hydrostatische Druck genausogroßwie der

117

Ödeme· Störungen des Filtrationsdrucks

inte rstitielle und der onkotsche Dru ck zusammen, spricht m an vom Filtrationsgleichgel'ftcht.

2.3

Ödeme - Störungen des Filtrationsdrucks

Ein Öd em ist eine Wasseransammlung do rt, wo sie nicht hingehört, z.B. in Gewe bss palten, der Haut oder den Schle imh äuten. Das Wasser verlässt dabei die Gefäßbalm aus verschiede nen Gtiinden: • Eine Abflussbeh inde ru n g führ t zur Erhöhung des hydrostatischen Drucks in eine r Kapill are und verhindert da durch die Einstellung des Filtrationsgewich ts. Als Beispi el sollte man sich die Erhöhung des zentralvenösen Drucks (= venöser Rückstau) me rken, wie sie bei der Rechts -Herzinsuffizienz au ftrete n kann . Die Folge ist eine Erh öh ung des effektiven Filtrationsd ru cks. wod urch Wasser ins Gewebe abg ep resst w ird . Derselbe Mechan ismus wäre denk bar, wenn di e zuführenden Arteriolen dilatieren und die Dur chblutung größer werden würde. • Auch eine Senkung des onkotischen Drucks bewirkt eine Erh öhung des effektiven Filtrati onsdrucks. Diese beruh t meist auf einer Senkung der Proteinkonzentration (= Hypoprotein äm ie) im Blutplasma (hauptsächlich ist dab ei an Albumin zu denken ...). Mögliche Ursachen dafür sind eine erhöhte Proteindurchlässigkeit de r Blutgefäße od er eine zu gering e Pro teinzu fuhr bei Mangelem ähnmg, das Hunger ödem, z.B. afrikanisch e Kinder mit den großen run den Bäuchen. Auch wenn d ie Leber nicht genug Proteine bildet, kommt es zur Hypop roteinämie. • Kapillar- oder Lymphgefäßschäden, wie z.B. ein Ly rnphst au durc h Verödung von Lymphgefäßen können auch zu Ödemen füh ren. Bei Kreb sop er at ion en ist dies ein häufiges Problem. Die ablei tenden Lymphwege werden dabei zusamm en mit dem Tumor entfernt, we il sie ein belieb ter Metastasieru ngsweg sind . Ein u na ng enehmes Lyrnph öd em ka nn die Folge se in. Das in Ab bild ung 10 darge s tellte Lymphödem ber uht dagegen au f einer Kran kh eit (= Eleph antiasis), bei der Erreger d ie Lymphgefäße vers top fen und so den Abfluss d er Lym ph e beh ind ern . • Im Rahmen einer allergischen Reakt ion, z.B. nach eine m Insektens tich, bildet sich durch

Abb . 10: Elephantiasis

Hi stam inaussch üttung ein Ödem, das erns t zunehmende Ausmaße ann ehm en kann . MER KE :

Ödem e entstehen durch Erhöhun g des hydrostatischen Druc ks in den Kapillar en [= dilatierte Arteriolen], Abflussbehinder ung durch Erhöh ung des zentra lvenösen Drucks, Senkung des onkotischen Drucks durc h Hypoproteinämie oder erh öhte Pr ot eindurchlässigkeit der Kapillare n, Hist amin ausschüttung (z.B. Insektenstich) und Blockierung des Lymphabftusses (z.B. Elephantiasis).

Übr ig e n s ... Explodierende Frös che in Schweden ! Diese Schlagzeile hat in einer kleinen schwed ischen Zeitu ng für Aufsehen gesorgt. Wie können Frö sche einfac h so explodieren? Schuld daran ware n Kräh en, die den Fröschen die Leber herauspickten, woraufhin die Frösche mit Wasser voll liefen und platzte n Den Grund dafür werde t ihr jetzt sicher kennen: Ohne

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die Leber ist keine Pro teinbildung mögl ich und ein Ödem auf Grund einer Hypopro tein äm ie die Folge , in diesem Fall sogar ein echt explosives... Ob das wirk lich die Ursache war , weiß ma n zwar nicht, als Eselsbr ücke taug t dies e Geschicht e jedoch allema l.

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18 \ Wasserhaushalt

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•

Zum Stic hwort Ödem wer den häufig einfac he Fr agen gestel lt. Hier lohnt es sich wirklich auc h für den spät eren Ber ufsallt ag die Path omecha nism en zu versteh en. Daneben sind auch die verschiedenen De- und Hyperhydratationsstörungen ein beliebter Pr üfungskom plex. • Ödeme entstehen bei einem Ungleichgewicht des Flltrattonsdrucks und des Filtrationsgleichgewichts am Ende einer Kap illare. Dies kann durch Erhöhung des zentralvenösen Drucks. Senkung des onkotischen Drucks, Blockierung des LymphabAusses. Histaminausschüttung oder Erhö ung de ydrostatischen Drucks geschehen. • Der effektive FIltrationsdruck setzt Sich aus dem hydrostatischen 01' ck minus dem inter-stitie llen und dem onkotische , Druck zusammen . Formel ' P =P .e -P -P • Die hypertone Hyperhydratation entsteht beim Trinken von Salzwasser und fuhrt Liber die ADHAusschüttung zu Durst und Antidiurese. • Die hypotone Dehydratation entsteht durch sta r kes Schwitzen und Trinken von salzarm en Wasser . Das Plasma wird hypot on. was zur Zellschwellung führt. AuBerdem sind dabei das Extr azellulärvolumen und der Blutdruck ver min dert. • Die Körp erkom parti m ent e berechnet ma n über die Indikat orver dunnungsmet hode: Ver tei lungsvolume n = Men ge / Konzentrat ion

:

.

•

W ie bere chn et ma n das Volumen der verschiedenen Körperko m partimente? Mit der Indlkat orverdünnungsmethode: Spezrelle Substanze n verteilen sich in bestimmten K örperkornpartirnente n. Wenn man diese In bekannter Menge in die Blutbahn Injiziert und nach einer gewisse n Zeit deren Konzent ration 1111 Blutplasma bestimmt, lässt sich auf das Volumen zurückrechnen, In dem sich der Indikator verteilt haben muss [so2. 1. S. 1 5 J.

W elche Störung en des Wasserhaushalts kennen Sie? Unterschieden werden Dehydratationen und Hyper hydratauon. Diese Störungen kann man noch weiter .in Isotone, hypertone und hypoto ne De-/ Hyperhydratauonen unterteilen (Details dazu s. 2 .1, S. 15). Sie st r anden auf einer einsamen Insel. Warum sollten sie auf keinen Fall Meerwasser t rinken? Weil das Meerwasser eine höhere Dsmolar ität als die maximale Harnkonzent r ati on hat . Das Tri nken von Salzwasser setzt Regulationsm echa nismen in Gang, die zu einem Teufelskr eislauf führen: Durch ADH-AusschLittung Wird dabei stä ndig Durst erzeugt und gleichzeitig Wasser In der Niere zurück gehalten. Dies führt zur hypertonen Hyperhydratation mit vergroBertem Plasmavolum en und er höhter Plasm aosmolarität. Nennen Sie m ir bitte einige Regelmechanisme n des Wa sserh aushalts . • ADH fLihrt zur Wasserretention, die Sekretionsreize fur dieses Hormon sind eine er höhte Plasmaosmolarit ät und ein niedr iges Plasmavo lumen. • ANF als Gegenspieler des ADH fuhrt zur W asser ausscheidung. Was ist der Filt rati onsdr uck? Aus we lchen Kompo nenten set zt er sich zusam m en? Der FIlt rat ionsdruck gibt an, mit welcher Kra ft eine Flüssigkeit aus einer Kapillare abgepresst wir d. Er setzt Sich zusammen aus dem hydrostati schen Dru ck (= lokalem Blut dr uck] m inus dem interstitIellen Dr uck und dem onkotisch en Dru ck. Was ist ein Filtra ti onsgleichgewich t ? Das Filt r at ionsgleich gewicht herrscht am Ende einer Kapillare . dort. I/vo nichts mehr abfilt r:ert wird. Es st ellt sich ein, wenn der hydr osta t ische Druck im GefäB gleich der Sum me aus inte rs t it iellem und onkotis c em Druc k ist. Wi e entstehen Ödeme? Nennen Sie mir bitte die zugrunde liegenden Pathomechanismen . Ödeme entstehen durch Storu ngen des Filtrationsgleich gewich ts Dabei wird entweder zu viel Fluasiqkeit In das Interstitium abgepresst oder zu wenig zur ück r esorbier t [Det ails s. 2.3. S. 17] .

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Funktionen der Niere I 21

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Das Pr inz ip d e r Niere besteht darin, g roße Men gen an Blutplasm a m it d en darin ge lös ten klein m olekul ar en Subs tan zen zu filtrieren. Je nac h Sub sta nz und Bed a rf werden d iese zur ück resorbiert und de m Kör per w ied er zur Verfügung gestellt oder ausg esch ied en/elim ier t. Die Niere steuert den Was ser- und Elektrolythaushalt und ist in dieser Funktion für die Größe des Extrazellulärvolumens und die Kon stanz der Ionenkonzentrationen veran twort lich. In den Säure-Basen-Haushalt kann sie über die Sekretion oder Resorption von alka lischen und saur en Valenzen (= Subst an zen ) reg uliere nd eingre ifen . Eine weitere w ichtige Fun kt ion de r Nie ren ist die Ausscheidung von Stoffwechselendprodukten (z.B. Ha rns toff, H arn säure, Krea tinin ...) und giftigen Subs tanzen (z.B. Med ikam ente oder deren Met abolit en ). Über d en Renin-Angiotensin-Aldosteron-Regelmechanismus kon trollie rt d ie N ie re d en Blutdruck. Un d zu guter Letzt produziert sie auch noch Hormone für d ie Blutbildung (= Eryt hr op oetin) und d en Ca lciumstoffwech se l (= Calcitrioi).

Niere Nieren- - - ---.., rinde

Nierenmark Kelch

Nierenbecken Ureter

- ---+-

Abb . 11 : Übersicht der N ier e

Die Niere ist ein sehr wichtiges Organ für den menschlichen Körp er, was sch on das

Sprichwort "das geht mir an die ~ . ~..( ,I Nieren" ausdrückt. Trot z der Tatsache, dass man auch m it ei- " Gi: "'-1 ~ ner der paarig an gelegt en Nie,, ~ ren zur ech t kommen könnte, sind 00 Störungen der Nierenfunktion in vielen Fälle n schwerw iegend und lebensbedrohl ich . Am Anfan g die ses Kap itels be trach ten w ir kurz d ie Funktion en d er Niere, di e fü r eine münd liche Prüfung ("Was k önne n sie mir über die Niere erzählen?" ...) imme r eine n dankbaren Einstieg liefern und de m Prü fer zeige n, dass man eine gewiss e 'lb ersicht ha t. Weiter geh t es mit der Autoregulation sowie den ge fürch teten Begriffen Clearance und glomeruläre Filtrationsrate (GFR), gefolgt von einem Abs tec her zur Filtra tionsfrak tion und dem renalen Plas ma - un d Blutfluss. Im anschließenden Kapitel Rückre sorpti on, da s etwas länger ist, lässt sich mit ein wenig Verständnis viel Lernerei einsparen und man kann sich daher rein aufs Punkteernten konzentri eren - versprochen! Den Abschluss bilden die gern gefra gten Nierenhormone. m it denen man sich au ch noch den ein od er anderen einfachen Punkt siche rn kann. Zum Anf ang ma cht euch bitte kurz nochmal die Anatomi e der Niere klar (s. Abb . 11).

3.2

Funkt ionen der Niere

Autoregulation der Durchblut ung

Für eine kon stante Filt rati on sleistung ist es w ichtig, in den Glome ru lu mschling en imm er den gleichen Blutd ru ck zu haben . Dam it di e \.fiere unab h än gig von de n Blut d ru ckschw ankungen des Kör per kreislaufs is t, reg uliert sie ihre Blutzu fuh r g röß tenteils selbs t, was ma n als Au toregu la tion bezeichnet. Im Ber eich des norma len Blutdrucks (= 80 - 160 mmHg) schafft es die N iere eine n fast kon stanten Blutdruck im Glome ru lum au frecht zu erha lten . Diesen Effekt nennt m an Baylisseffekt. Dur ch d en Baylisseffekt ist die glomeruläre Filtrationsrate (= GFR) fast un abhängig vom Blutdruck. Wie fu nktion iert das? Eine Erhöhung des systemischen Blutdrucks führt zu einer Erhöhung des ren alen Gefäßwiederstands (s. Abb. 12, S. 22). Dad urch d rosselt die Niere die Blut zu fuh r und filtriert wei terh in das Volumen.

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mittlerer arterieller Blutdruck (mm Hg)

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Abb . 12: Autoregul at ion - Im Berei ch von 80 - 160 mmHg bleibt die GFR fast konst ant

sein, je nachdem ob ein Stoff sezerniert, resorbie rt oder ohne Modifika tion ausg eschieden wird . Einige Sub s tanzen we rden filtriert ausgeschieden, ohne dass d ie Stoffmenge sich verändert, d.h . im Tub ulu sverlauf wi rd weder sezerniert noch resorb iert. Fü r diese Stoffe gilt, dass die filt rierte :Vlenge gleich der ausgeschiede nen Menge is t. Inul in u nd näh er ungsw eise au ch de r kö rpereigen e Stoff Krea tini n sin d Beisp iele so lcher Sub stan zen, an dene n sich di e glomeru läre Filtrationsrate (GFR) direk t abl esen un d so mit di e Nieren funktion bestim men lässt. Dah er gi lt fü r Inulin + Krea tinin: • filtrierte Menge pro Zeit = au sgeschiedene Menge pro Zeit und • GFR = Clearance von Inulin/Kreatinin = ungefähr 125 ml/min.

An der Clea ra nce lässt sich ab lese n, was mit einem Stoff in de r Niere passiert: Wich tige Stoffe (z.B. Glucos e als Energieträg er und Aminosäu' ren als Bausteine) werden stark rü ckreso rbier t, d.h, ihre Clea rance ist sehr klein (be i Glu cose norm alerw eise). Giftige Su bs tanzen oder . Stoffwechse lendproduk te so llen au sgesc hied en we rden, d.h. ih re Clearance sollte sehr groß sei n. Dami t man den Kör per nicht im me r ve rgifte n mu ss, um die Sekretionsleistung 3. 3 Clearance (= große Clea rance) zu mes sen, g ibt es zum Glück Die Clearance ist das Blu tplasmavolu me n. das in ein er bestim m ten Zeit von einem be_ ~ de n ungiftigen exogenen (von außen zugeführten ) Stoff PAH (= Paraaminohippura t). stimmten Stoff befreit (eng!. = clear) \ .(. wird . Sie enthä lt d rei Variablen: If Übrigens ... • de n Stoff, Auch viele M edikamente haben eine große Clea• die Zeit un d rance und werden zum großen Teil über die Niere • das Volum en. Übr igen s ...

Leider funktioniert dieses Prinzip der Aut or egulation im Nierenmark nicht so gut. Daher bewirkt dort ein st ar k erhöhter Blutdru ck eine Dru ckdiurese . Dur ch die vermeh rte Nierenmarkdu, chblut ung ver liert die Niere außer dem die Fähigkeit den Harn sta rk zu konzentrier en.

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M ERKE: Die Clea rance gilt im mer n ur für einen Stoff [= Ka liumclearance, Inulincleara nce ...)

ausgeschieden. Beispiele sind das Antibiotikum Penicillin G und das Herzglykosid Digoxin. Deshalb bleiben bei Nier enkr anken manche Medikamente länger im Körper und wirken länger. weil sie nicht eliminiert werden. W ichtig für die Praxis.

un d hat die Einheit mijmin . Sie kan n m it folgen de r Fo r m e l be r ech ne t w erden: Volumen pro Zei t V x Clearan ce C in m l/ m in= Stoffkonzentration U r in Plasm akonzen t r at io n des Stoffes

Die Clearance ist ein sehr sensibler Ind ikator für Störungen de r Nierenfunktion. Sie ist mit bestimmt en Subs tanze n messbar und gibt Auskunft darüber, ob die Niere noch richtig filtriert und funk tionier t: Die Clearan ce kann größer, kleiner oder gleich der GFR

Me rken soll tet ihr euch das Clearanceverha lten unter No rma lbed ingungen folgend er Stoffe: • Inu lin hat eine Clear ance von 125 ml/rn in. wa s auch gleichzeitig der GFR einspricht . • Die Glucose clearance beträgt normaler weise 0 ml /min, was bed eu tet, dass Glucose fast vo ll ständ ig rü ckresorbiert und bei m Gesu nden nicht ausgesch ieden wird . • Gena uso verhält es sich mit Aminosäu ren, auc h hier beträgt d ie Cleara nce unter Nor ma lbed ingungen 0 m l/min .

Clearance

• H arnst off - ein Stoffwechselendprodukt aus dem Stickstoffstoffwechsel - hat eine Clearance von 75 ml/ m in. Dieser Clearancewert ist kleiner als d ie 125 ml/min von Inulin. Das lässt darauf schlie ßen, dass in der End abrechnung ne tto rü ckresorbi ert wird. Das Verhalten von Ha rnst off in der Nie re ist ein zw eischneidiges Schwert, auf der einen Seite möchte der Körper das Stoffwechse lend prod uk t über die Nie re elimini eren, au f der anderen Seite w ird Harnstoff für d ie Aufrech terhaltung de s osmotischen Gradienten im Nierenmark (s. 3.8.3,S. 34) gebra uch t. Deshalb ist die Clearance kleiner a ls d ie von Inulin, aber immer noch groß genug, WH ge nüge nd Harnstoff aus dem Körper zu elim inieren. • PAH (= Paraaminohippurat) wird zusä tzlich zur freien Filtrati on noch im Tubulusverl auf sezerniert und hat de shalb mit 650 m l/min eine g rößere Clearance als In ulin. Da alles PAH, das mi t dem Blutplasma durch d ie Ar teria ren alis in die Niere fließ t, entwede r di rek t filtriert oder im weiteren Verlauf in den Tub ulus sezerniert wird, ist die PAH-Clear a nce ein Maß für den renalen Plasmafluss.

I 23

Urinkon zentration

o- f L - - - -, - - - - - - , - - - - - , - -o 10 20 30

Plasmakonze ntration

Abb. 13: Clearance von Inulin

• PAH (S. a. Abb. 16, S. 24) w ird im Tub ulussystem sezernie rt. Sollte d ieses Syste m ma ximal au sge las te t sein (= Kurve nk n ick), lässt sich di e Sekre tion auc h mit höh eren Pla sm a kon zentrationen nicht me hr s teigern . Die Aussche id u ng ste igt d ann (= nach dem Ku rvcnknick) nur noch line ar an und hän gt nu r noch von de r Plasm ak on zentrat ion ab . Urinkonzentr ation

Ü b r ig e n s ... o

o

Steigt die Plasmakonzentration einer nierenpflichtigen Substanz an, weil diese nicht mehr über die beschäd igte Niere ausgesch ieden werden kann. dann fällt die Cleara nce für diesen Stoff stark ab. Die glomeruläre Filt rationsrate (= GFR)gibt an, wie viel Volumen pro Zeit dur ch die Nier en filtriert wird, das Harnzeitvolume n gibt an, was unt en herausk ommt.

H äufig wird die Clearance anhand vo n Au ssc heid u ngs-lResorp tionskurven ab gefr agt. Bitte versucht be i solchen Aufgaben logisch n achzuvo llziehen, wa ru m welcher Kurvenverl auf zus tand e kommt: • Die Inulin- und Kreatininausscheidung si nd line ar, da d ie Stoffe weder sezern iert noch reso rbie rt werden. Alles , was filtrie rt wi rd, verlässt auch den Körper. Verdoppelt sich di e Plasmakonzentration, verdoppelt sich daher auch die Ausscheidung.

o

o

30

Plasmakonzentration

Abb. 14: Clearance von PAH

• Glucose (s. Abb. E i, S. 24) ist das beliebteste Beispiel fü r eine n filtri erten Stoff, der unter Norma lbe d ing ung en vollständig rückresorbie rt w ird , Ihre Clea ran ce unter Norma lbed ingung ist daher g leich O. Der Schwellenwert beträgt 10 mrn ol/l = 180 mg/d!.

Übri en s ... Eine Erhöhung der Plasm akonzentration von Glucose führt zu einer erhöh ten Filt rationsm enge. Dies bewir kt solange eine Steiger ung der Rückresor pt ion, bis die Transporter gesättigt sind und Glucose m it dem Harn ausgeschieden wird. Achtet daher bitte im Examen dar auf. ob nach der Ausscheidung oder der Resor pt io von Glucose gefrag t wird.

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f?\ W

241 Niere

Urinkonzentration

o

o

1'0

30

zum PAH • PAH wir d fr ei filtriert, nicht resorbiert, fast vollstä ndig sezern iert. • Dient zur Best im mung des re nalen Plasmaflu sses und indirekt auch zur Bestimmung des rena len Blut flusses [s. 3.4, S. 25 J. • Die Clearance von PAH kann maximal so hoch sein wie der rena le Plasm afluss.

Plasmakonze ntration

Abb . 15: Clear ance von Glucos e MERKE:

zum Inulin • Inulin wir d frei filt riert, nicht r esorbiert, nicht sezerniert. • filtrierte Meng e = ausgesch iedene Menge • Dient zur Bestim m ung der GFR. Der endogene Stoff Kr eat inin aus dem Muskelstoffvvechsel hat dem Inulin sehr ähnliche Eigenschaften, wird allerdings minim al sezer niert. Für den normalen Klinikallt ag ist dies jedoch ver nachlässigbar, und Kreatinin der übliche rwei se verw endet e Indikator zur Überprüfung der Nierenfunkt ion.

zur Glucose • Glucose wird unter normalen Bedingungen (bis zum Schwellenwert ) frei filtriert, fast kom plett resorbiert, nicht sezerniert. • Bei nor malen Glucose-Plasmakonzentrationen ist die Glucoseclearance gleich 0 ml/min .

3 .3.1 Clear ancequot ient Glucose, Aminosäuren Na', CI' , u. v. a. ~ ""-"~

....

~

100% eines Stoffes im Blutplasma 20%

organische Anionen und Katio nen (z. B. PAH)

noch 80%

I "

werden frei filtriert

Filtration

Filtration

+

+

Resorption

Sekretion

• • 0·20 % Ausscheid ung

J::\

.:

80%

< 80%

geringe Ausscheidung

20· 100% Ausscheidun g

Abb . 1 6 : Die Clear ance wird bestimmt durch Sekretion und Rückre sor ption

hohe Aussch eidung

Clearance I 25

Der Clearancequotien t gib t an, wie sich die Clearance eine r Substa nz zu r Clearan ce von In u lin ver hält. Aus de m Quo tienten läss t sich da s Verha lten des Stoffes in der Niere ablese n: • Cl ear ancequotient = 0 bedeu tet, dass die Substanz entweder gar nicht filtriert wird oder vollständ ig aus dem Primä rharn resorbiert wird. Beisp iele: große Proteine und Glucose. • Clearancequotient < 1 bedeu tet, d ass die Substan z netto resor biert wird . Beisp iel: Natrium. • Cle arancequotient = 1 bedeu tet, dass d ie Substanz netto weder resorbiert no ch sezernier t wird und gen auso viel au sgeschied en wird, wie filtri er t w urde. Beispi ele: Inulin und Kreatinin. • Cl ear ancequotient > 1 bedeu te t, dass d ie Substanz zusä tzlich noch seze rniert wird . Von ihr wird also mehr ausgeschieden als du rch den Bow manfilter abgepresst wurde . Beispiel: PAH, d as volls tän d ig au s dem Plasma, das durch die Niere fließt, entfernt wird . An der Clearance von PAH lässt sich daher der ren ale Pla sma flu ss ablesen.

M ERKE:

Oie Glomeruläre Filtrati onsr ate ist das Flüssigkeitsvolumen , das pro M inute durch den Bowm anfilt er filtriert wird . Im Normalfall sind das 120 mll min, was ungefähr 180 Lite r n pro Tag entsp richt.

3.4

Glomeruläre Filtrationsrate - GFR

Die GFR lässt sich aufgrund de r Eigensch aften von In ulin u nd Kreatin in aus d eren Clearance ermitteln (5. 3.3, S. 22). Zur Berechnung de r Inu lin- und Krea tininclearance/GFR benötigt man: • die Inulinkonzen tra tion im Blut • die Inulinkonzentration im Urin • da s Urinzeitvolumen

\!L: = Uri n zeitv olume n Inulin ~ ""-"<..>!.!~a....

U, = In u lin konzen tra tion im Urin

r., = Inul ink onz ent rat ion im Plasm a

H20 Inulinkonzentration im Urin steigt, weil H 2 0 resorbiert wird

0

Ausgeschie dene Menge/Zeit

Filtrierte Menge/Zeit

Konzentrat ion im Urin x Urinvolumen/Zeit

Konzentration im Plasma x filtriertes Volumen/Zeit

keine Resorption, keine Sekretion

U 10

GFR

=- Pln

. x

Vu (ml/min)

GFR '" ca. 120 ml/min pro 1,732 Körperoberfläche

Abb. 17 : Aus der Inulin-Clear ance lässt sich die GFR berechnen

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f?\ \V

261 Niere Ü br i g e n s ...

Rechenbeispiel: Frage: Die glom eruläre Filtra tions ra te eines Probande n betrage 100ml/min, d ie Plasma ko nze ntra tio n von Inu lin 0,lg/1 u nd d ie Urinko nzentration von Inu lin 2g/1. Wie groß ist d as H a rn zeitvolu men in ml/min? ben öt igte For mel:

Ist die Plasm akre at ininkonzent ration um das 5 fache der Norm erhöht, so ist die GFR verm indert, und Kreat inin sam m elt sich im Blut an. da es nicht me hr richt ig ausges chieden werden kann [Indikator für eine Niere ninsuffizienz).

3 .5

GFR = VI' X U;n

r.

VU = Ur inzeitvolumen U in = Inulin konzent rat ion im Uri n P m = Inu lin kon zen trat ion im Plasm a

Umstellen d er Formel: . GFRx P V = '" L Um Einset zen d er Wert e: IOOml/min x 0,1 g/l 2 gII

Renaler Plasmafluss - RPF

Der renale Plasm aflu ss gibt an, wie viel Pla sm a pro Min ute durch die Niere Hießt. Bestimmt wird der renale Plas mafluss durch die PAH -Clearance (s. 3.3, S. 22). Da das gm ze PAH , das mit dem Plasma durch die Niere fließt, fas t volls tän di g sezern iert w ird , kann m an d arau s - wenn d ie Konzentration vo n PAH im Plasma, im Urin und das Urinzeit volumen bekannt sind - den renalen Plasmafluss berechnen. Normal sin d 600-650 mIlmin.

= 5ml/min

3.6

Solche Rech nungen kommen im @ schriftlichen Examen rela tiv hä ufig . vor. Wenn U1r die Cr un dformel kenn t, 11 mü sst ihr n ur noch nach der gehagten ffi Variab len au fl ösen und die Zahlenwer te einsetzen . Das klin gt üb rigens nicht nur ein fach, sondern ist es auch'

,

Renaler Blutfluss - RBF

Die Niere ist da s Organ mi t der höchsten Ruhedurchblutung (bezogen auf ein Gra m m Organge webe). Ungefähr 20% des H erzzeitvolu mens Hießen in Ruhe di rekt durch die Niere, was ungefähr 1 Lit er Blut en tsp rich t. Den renalen Blut fluss berechnet ma n au s dem ren alen Plasm afluss und dem Hä ma tokrit: RBF=

RPF (I- H k t)

Der Term (I-Hkt) ist d e r Anteil des Plasmas a m Blut volu men. da hier d urch d ie fes ten Blu tbestandteile he rau s sub trah iert werden . Plasma

= 1 Liter Blut - Hkt

Blutplasma 0,6

,, ,

1 liter Blut ,, ' , = Plasma + feste zellul äre Bestandteile (Hkt) ,

\ lit d iesem kleine n Schema lässt sich vie lleicht verstehen. wa ru m m,1I1 von 1 den Härnatuk rit ab z ieh]. ~ " ch A d.1I1\

Riese bleib t so der An teil Li" Plasmas arn (- I) übri g.

Abb. 18: W as be deutet [1-Hkt)?

~e sam le n Blut

Filtrationsfraktion . FF 127

MERKE:

Zur Berechnung des renalen Blutflusses [= RBF] braucht man den Hämatokrit [= Hkt] und den renalen Plasmafluss (= PAH-Clearance].

3.7

Filtrationsfraktion - FF

Die Filtrationsfraktion ist der Teil des renalen Plasmaflusses. der filtriert wird. Erstaunlich, aber wahr ist, dass nur ein Fünftel des Plasmas, das durch die Niere fließt, überhaupt durch das Tubulussystem geleitet und damit filtriert wird' Folglich können auch nur aus diesem Fünftel Kreatinirr und Inulin komplett entfernt \ werden. 4/5 des Kreatinins ver..\ lassen daher 'wieder die Niere über die Nierenvene und nur 1/5 tritt den Weg in Richtung Blase an. Oder anders for muliert: Die Plasmakonzentration von Kreatinin in der Nierenvene ist um ca. 20% geringer als in der Nierenarterie.

Fraktionelle Wasserausscheidung Die frakti on elle Vvasseraussc he idu ng ist sehr ge ring . Der größte Teil des filtrierten Wassers wird rückresorbie rt (= 99';-;,) und nur 1% wird tatsächlich ausgeschieden. Das entspricht einer Wasserausscheidung von 1,5-2 Litern der 180 filtrierten Liter Flüssigkeit pro Tag. Fraktionelle Calciumausscheidung De r Ca lciu mh aush alt wird hauptsächlich über die Calciumaufnahme im Darm reguliert. Wichtigstes Hormon hierfür ist das Calcitriol. Daneben steuert aber auch die Niere mit ihrer Calciumausscheidung zurn Calciumhaushalt bei. Steuerhormon hierfür ist das Parathormon. Ein bestimmter Anteil des Plasmacalciums gelangt mit dem Primärfiltrat ins Tubulussystem. Je nachdem. wie viel die Niere rückresorbiert, kann die Niere so Calcium sparen oder elimieren (= ausscheiden). Je mehr die !\!iere au sscheidet, desto höher ist die fraktioneile Calciumausscheidung. Üb rig en s ... Die fr akt ione lle Aus sc heidun g von Calcium st eigt

MERKE:

• Normalwert der Filtrationsfraktion = 2 0% = 1 Fünftel = 0.2 • Zur Berechnung der Filtrationsfraktion braucht man die Plasma- und Urinkonzentration von Kreatininy lnuln sowie die des PAH. Also alle Komponenten, aus denen sich die GFR und der RPF berechnen: GFR FF = RPF • Die Plasmakonzentration von Kreatinin in der Nierenvene ist um ca. 20% geringer als in der Nierenarterie.

3 .7 .1 Frakti onelle Ausscheidung Als fraktionelle Aussch eid un g ein es Stoffes bezeichnet man den Anteil, der in der Ni ere filtriert UND ausgeschieden wird. An der fraktionellen Ausscheidung lässt sich das Verhalten der verschiedenen Stoffe in der Niere ablesen. In den folgenden Abschnitten werden die fraktioneIlen Ausscheidungen derjenigen Substanzen besprochen, die schon im schriftlichen Examen gefragt wurden.

bei de r Gabe von Schleifendiur et ika und sinkt bei er h öhtem Par ath or m onspie gel.

M ERK:::

Par at hor mo n ste llt Calcium parat und fördert deshalb dessen Rückresorptio n.

Gleichzeitig führt da s Parathormon da zu, dass mehr Phosphat ausgeschieden wird und damit dessen frak tionolle Au sscheid u ng steigt. Der gleichz eitige An stieg der Phosphatausscheidung ist auch sinn voll, da Pho sph at im Körpe r mit dem Calciu m Komplexe bi lde t. Ist also wen iger Phosp ha t im Körper vorha nden, steht dem Körp er me hr freies un d ak tives Calci um zur Verf ügun g.

Folgendes sollte man sich merken, um weit er e Punkte auf dem Physikumskonto zu verbuchen . • In Ruhe hat die Niere die höchste Organdurchblucung = ca 20 des Herzzeltvolumens • Der' Bayhsseftekt besagt. dass die GFR durch die

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281 Niere

•

•

•

•

Autoregulat ion der Niere Im Bereich von 80·180 mrr Hq vom Blutdruck fast unaoh änqiq ist. Im Nieren mark funkt ioniert die Autoregulation sch lechter Daher kom mt es bel er hohtem Blutdr uc k zur Druckdrucese. Die Clearance Ist das Blueplasmavolumen das in einer best im mten Zeit von einem bestimmten Stoff befr eit wir d Die GFR Ist das Volumen. das pro Minute filtriert wird und kann über die Inulinclearance ber echnet werden. Normal = 120 rnl, min . Die For me l für die GFR-Berechnung laute t: \j

GFR -

U P

• Inulin wird fr ei filtriert. NICHT re sor biert und NICHT sezerniert. • Kreatinl n hat fast dieselben Eigenscha ften wie Inulin. • Glucose wir d frei filt riert, fast komplett resorbiert und unter normalen Bedingungen [\lICHT sezemiert. • PAH wird frei filtriert NICHT resorbier und komplett sezern iert • Der r enale Pias ma fluss bet räg: norm alerw eise 600 ml / m m und kann m it der PAH-Clearance ber echn et wer den. er r enale Blut fluss (ungefahr ein iter] berechnet sle l1 so: RPF RBF =[1-Hkt! • Die normale FIltrationsfraktion betragt ein Fünfte l = 20 • Die fr akti onelle Auss cheidung von Calcium und Ma gnesi um ste igt bel Gabe von chienend iuretika.

• W ie wir ken Diuretika? Beispiel Furo semi d. Die meisten 0 ureuka wirken auf d e Salzresorption. da es ohne Salzresorpoon auch keine Wasserruckresorption gibt. Furosem'd lI'~rI
rrun ] sie gibt an welche Menge Blut plasma in einer bestim m t en Zeit von dem Jeweiligen St off gerein igt Wird. Die Clearance von besti m m t en St offen dient zur Bestimmung der Niereniunktion So ist die inulinc leara nce ein direktes Maß für die glomeruiä re Piltranonsrate und die PAH·Ciearance ein M af.l fur den rena len Plasma fluss . Die Clear ance von Inulin betragt ungefähr 120 ml/ mm und die Clearance von PAH 600ml/min

Welche Bedeut ung hat Kreatinin im Zusammenhang mit der Nieren funktion? Kreatinin 15 ein Stoff aus dem Muskelstoffwechs el und hat sehr ahnliehe Eigenschaften wie das Inulin. Da es Im Korp er produziert Wird muss es nicht wie das Inulin dem Kör per gespritzt werden und ermöglicht so eine Abscha tzung de r Nierenfunktion (der glome rularen Filtrationsrate) In der Klinikr outi ne. Wie bestimmt ma n die glomeruläre Filtrationsrate? M it der lnuhn-Clearance. Inulin wird fr ei filtriert. nic ht r esor biert und nicht sezerniert. so dass alles an Inulin was du cn den Bowmanfi ter filtriert '.' ird, auc h ausgeschieden Wird. Das kann man messen und zurückrechnen auf die glomerulare Filtreuo sra te . Zur Berechnunq benotiqt man : Harn ze.tvolurn en. Urin- und Plasma konzentratIOn von Inulin. Nor mal Sind 120 ml . rrun VVas bedeut et Glucose im Urin? Glucose im Urin heisst Im Facht erm ini Glucosurie und is im m er pathologisch. Glucosurie besteht dann . wenn die Plasmakonzentration von Glucose die NIere nsch welle überschreitet , d.h. die Rückresorptionsmechanismen sind gesättigt und überfordert. Sie liegt bei '10 mmoi/ I der' '180 mg/ dl Glucose Nachweisen kann ma n Glucoserie z.B. durch Test st r eifen Ein häufiger Grund: Dia etes rnellitus Was ist die Autoregulat ion der Nie r e? Die Autoregu lation der Ni ere ist eine Blut druckspanne [von 80·180 mmHg). In der es die Nier e schafft. die Flltratronslelstung konstant zu halt en. Dies ges ch ieht über den Bayliss-Effekt. Eine Erhöhung des Blutdrucks f ührt zur Vasokonstriktion im Vas afferens . Was ist die Filtrationsfra ktion ? Die Filtrationsfr aktior. Ist der Te!1 des r enalen Blutplasma flusses der filtriert ,.'V:rd (= GFR). Unqefabr ein Fünftel oder 0 .2 oder 20 ..

Verschiedene Stoffe und ihr Verhalten in der Niere

3.8

Verschiedene Stoffe und ihr Verhalten in der Niere

Im folgenden Abschnitt ge h t es d aru m, wie und wann di e Nie re es sc ha fft die ganzen Elektrolyte und andere Stoffe aus d em Primä rfiltrat zurückzugewinnen. Eigen tlich ve rläu ft die Rückresorption immer nach ähn lichen Prinzipien : Am An fan g wird vie l und u nge ste ue rt resorbi er t, wä hrend arn Ende (= im d ist al en Tubulus un d im Samme lrohr) kle ine Su bs ta nz me ngen tran sp o rti ert werde n, dies jedoch unter d er s tre nge n Aufs ich t der H or mon e (z.B. Ald ost e ron ). M ERKE:

• Es gibt die Sekretion, aber das Verb heißt sezernieren und bedeutet Aussche idung, z.B. aus der Nierenzelle ins Tubuluslum en. • Resorption oder r esorbier en bedeute t etw as z.B. aus dem Tubulu s zurü ckzuholen.

3. 8 .1 Pr inzipi en der Rückr esor pt ion Die Niere hat bes tim m te Prin zipien, nach denen sie ihr e Au fgaben der Resorption und Sekreti on erfüllt: Am Anfang des Tubuluss ys tems - im pr oximalen Tu bu lus - vers ucht d ie Niere groß e Subs tanz me ngen a us de m Primärfi ltr at zur ück zu ho len . Da die Tubulusflü ssigkeit isot on ist (= dieselbe Osmolari tä t wie da s Blutplasma hat) kann hier ein Mas sentransport zurück in s Blut erfolgen, w eil nur kleine Konzentrationsgradienten überwunden werden müssen. Viele Physikumsfragen zielen auf diese Tatsache ab, deshalb kann m an sich (mit einer Aus na hme = dem Magnesium) merken: MERKE:

Im prox imal en Tubulus findet prozentua l die größte Resorption statt. Ausnahme: Magnes ium, erst in der Henle-Schleife.

I 29

Im wei teren Verlauf des Tubu lus err eich t das Filtra t die Herde-Schleife. d ie im aufs teigend en Teil wasserun du rchlässig ist. H ier w ird unter anderem mit dem 2Cl'-Na --K+-Symporter die Salzre sor p tion erledig t. .'vlengenm äßig ist diese jed och geri nger als im proxima len Teil. Am Ende des Tub ulusysterns - im d istalen Tubu lus - wirken Hormone auf die Feinein stellun g des Harns. H ier wi rd en tschieden, wie viel Wasser un d was für ein Urin (isoton, hypo ton ode r sogar h ypert ön = bei An tid iur ese) ausgeschieden wird. Die Rückre sorption von kleinen Substanzmengen erfolgt hier gegen extr em hohe Konz en trations grad ien ten .

M ERKE

Pro xim aler Tubulus: Massentransport zurü ck ins Blut gege n einen kleinen Konzentrationsgradienten - isot one Rückresorpt ion. Henle-Schleife: Salzreso rpt ion. Deshalb wir ken hier besonde rs die Diur et ika. Dista ler Tubulus und Sam me lroh r: Rückr esor pti on von kleinen Substa nzmengen gegen groß e Konzentrationsg radie nten . Hor monell geste uerte Feineinst ellung der Ur inzusammensetzung bei mögl ichst kleinem Wasserverlust.

3 .8.2 Rückresorption von Natrium , Kalium, Calcium und anderer Elektrolyte

~

.. •••• •......:

Na '

proxim aler Tubulus [6 0 %)

Ca"

pr oxim aler Tubulus [60%)

HC0 3"

proxim aler Tubulus (9 0 7'0)

Phosphat

proxima ler Tubulus [7 0%)

Mg' -

Henle-Schleife. dicker aufstei gender Ast , par s r ecta [60%)

Ta belle 2: Hauptresorptionsort ist der proximale Tubulus - Au sn ahme Magnesium

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M'2 W

30 I Niere

Natrium (= Na ") und Chiarid (= CI") In den folgenden Abschni tten wird die Na t riu mund Chl o rid resorption ent lang de s Tubulu ssyst cm s erlä utert. Mer ken so llte man sich vorab schon mal, d ass der Antrieb für diese Resorption die basolaterale a'/K' -AT Pase ist, di e den dafür notwen digen Natriumgrad ienten aufbaut.

Natrium und Chlorid im proximalen Tubulus. Ins gesamt wi rd im proximalen Teil de s Tubulussystems schon 2/3 des Na triu ms rü ckresor biert . Leid er muss man fürs schriftliche Exam en im Falle von N atrium und Chlorid den proximalen Tubulus noch gena uer an schauen und wei ter unterteilen: • in den frü hproximalen und • den spä tproxima len Tubulus. Frü hpro xima l werden viele positive Na tri u m ion en aus dem Lumen des N iere ntub ulus z urückgeholt, wod ur ch das Tub u lu slumen negat iver w ird . Daher spricht man hier auch von einem lumennegativen transepithelialen Potenzial. Im spä tproximalen Tu bulus we rden d ie nega tiven Chlorid ionen aus d em Tubulus rückresorbiert . Dah er wi rd h ier das transepitheliale Potenziallumenpositiv. De m rü ckr eso rbier ten Na tr iu m folgt p assi v d as Wasser, das durch die Zellspalten (= parazellul är) bestimmte Stoffe mitspült. Die sen Vo rgang nennt man solvent drag. Durch d ie ve rme hrte Wasserresorp tion steig t spä tproxima l die Chlorid kon zent ration an. Üb r ig en s ... • Spätproximal steig t nur die Chloridkonzentration an, nicht jedoch die M enge. Oie

~

W.ird nämlich wenige r , weil Chlor id den Tubulus ver lässt W enn noch 40-50 % , .J des filtrierten Chiar ids übri g sind, ist 1/ Chiar id sogar höher konzentriert als Natrium. das ja im Pr imärfilt r at das höher konzentrierte Ion ist • Neben der Wasserr esorption wir d die Natrium reso r pti on auch zum Rücktransport von Glucose und Aminosäuren benutzt . Antrieb für diesen sekundär aktiven Cotransport ist der Natriumgradient, der über die basolat er ale Na '/ K'·ATPase aufgebaut wir d:

Interstitium Blut

Lumen

ADP -~~-~Na+

~~--K+

ATP

o

Carrier Kanal

Abb. 19: Die Na'jK+-ATPase liegt baselateral und treibt den Transport an

ME RKE:

Im pr oximalen Tubulus werden 2/ 3 des Natriums r ückresorbie rt. Solvent dr ag = parazellul ärer Wasserstro m spült Stoffe mit . Na" wird im Cot ran sport mit Glucose und Aminosäuren r esorbiert. Im fr ühproxima len Tubulus her rscht ein lumennegatives Pot enzial durch Entf er nung der posit iven Natriu mionen. Im spätproximalen Tubulus herrscht ein lumen positives Pot enzial. Grund: Durch die Was serre sorption st eigt im Tubulus die CI'-Konzent rat ion, das in der Folge aus dem Tubulus entw eicht und seine negative Ladungen natü r lich mitnim mt. Spätproximai ist Chlor id höherkon zent riert als Natrium , das jedoch noch höher konzentr iert ist als Bikarb onat (CI> Na' > HC0 2 ) Am Ende des proxim alen Tubulus sind noch 4 050% des Chlorids vorhanden.

Verschiedene Stoffe und ihr Verhalten in der Niere I 31

Natrium und Chlorid im di stalen Tubulus. Im dis talen Tub us begegnet uns nun d er Lieblingst ransporter d er schriftliche n Physikumsp rüfun g: Der Na'-K'-2Cl'-Cotran sp orter. Als ganz wic htiges Detail sollte man wissen, dass di eser Tran sport er durch d as Diur eti kum Furosemid (= z.B. Lasix) gehe mmt w ird.

Lumen

Interstitium Blut

Na"

Lumen Na'

Interstitium

~ Blut

Ei

:~~ ~~r

Abb. 21: Na'-K ' -2CI', Cotransporter und der weitere Weg der Ionen

2 CI- --+-~--7

Abb. 20: Na'-K'-2CI',Cotransporter

Kalium (= K+) Kalium kann - je nach Bed arf - re teniert (= zurückgehal ten) oder ausgeschieden werden . Seine fraktion ell e Aus sche idung li egt dabei im Bereich von 1% (= Resorption) bis 200% (= Aus scheid u ng). Der m ittlere Wert bewegt sich zw ische n 5% u nd 15%. Bei einer Hyperkaliäm ie kann un se r Körper da her Kalium sezern ieren, was bedeutet, da ss die Kaliumclearance grö ßer ist als di e GFR (s. 3.4, S.25).

Übrigens ... M ERKE:

De r Na '-K'-2CI'-Cotransporter ist durch Schleifendiuretika wi e Furosemid hemmbar.

Übrigens ... Nat rium und Chlori d, die mit dem Tra nsporte r befördert wer den, verlassen die Zelle basolateral. Kalium dagegen benutzt einen luminalen Kanal und bewirkt so - auf Grund seiner positiven ladun g - ein lum enposit ives Potenzial

Auch bei einer Antidi ures e kann die Kaliumkonzent rat ion im Urin über der im Primärfiltrat liegen,

Gru ndsätzlich funk tionie rt auc h die Kaliumresor p tion nach den für Na trium bes p rochenen Prinzip ien (s. 3.8.1, S. 29): Der größte Teil d es Kaliums wird schon im proximalen Tubulu s resorbiert. Dieser Transport erfolgt - im Gegensatz zum Natrium - jedoc h parazellulär.

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321 Niere

Ü brigens ...

i',(

An dieser Stelle solltet ihr euch kurz noch

mal an die allgemeinen Resorptionsmechanismen in der Niere erinnern ~ (s. 3 .8.1, S. 29 J. Proximal findet ein Massentransport gegen kleine Konzentr ationsgradienten s ta tt, Dist al werden kleine Mengen transportiert . jedoch gegen größere Gradient en mit hormoneller Feineinstellung.

"

Ein entscheidendes Hormon für d en Kaliu mhau sh alt ist d as Ald osteron. Aldosteron erhöht die renale KaliumAUSSCHEIDUNG und gleichzeitig auch die intrazelluläre KaliumAUFNAHME. Ist das kein Widersp ruch? Ein e erhöhte Au sscheidung zusammen m it einer erhöhten zellu lären Aufnahme? Die Antwort lautet Nein, denn beide Mechanismen führen d azu, dass Kalium aus dem Extrazellul ärr au m en tfern t wird, wo es z.B. das Ruhememb ranp oten zial durchein ande r br ingen könn te. Doch zurück zu m Aldosteron: Un ter dem Einfluss dieses Hormons sezernieren die Hauptzellen d es Sammelrohrs Kalium ins Tubuluslumen. Die Scha ltzellen im Sam me lrohr und im Verbindungsstück resorbieren d agegen Kalium aus dem Lumen d es Tubulus im An tip ort mit H--Ion en . M ERKE:

Der gr ößte Teil des Kaliums w ird im pr oximalen Tub ulus para zellulär re sorbiert. Die Hauptzell en des Sam m elr ohrs se zerni er en Ka lium aldoste r onabhängig, Al dosteron erhöht die renale Kalium ausscheidu ng, aber auc h die intrazelluläre Kalium aufn ahme. Die Sc halt zelle n im Samm elroh r und im Ver bindung sst ück könn en Ka lium im Austausch m it H+ r esorbieren . Bei Hemmung de r pr oximalen Na ·-Resor pt ion steigt die Kaliumsekretion . Bei Hem m ung de r Na +-Resorpt ion im Sam m elr ohr - z.B. du rc h A m ilor id - sinkt die Ka lium sekr et ion,

Beispiel: Wi1S sag t ihr zu diesen beiden Behauptungen: - Bei Hemmung der proximalen Na
Übri g en s ... Ein Beispiel zur Kaliumresorption, das schon im schriftlichen Examen gefragt wurde. ist das Liddle-Syndrom. Dabei handelt es sich um einen genetischen Defekt der nicht spannungsabhängigen Natriumkanale. der zur erhöht en Öffnungswahrscheinlichkeit führt , Da im spät en Teil des Tubulussysterns und im Sammelrohr die Natriurnresorpt ion jedoch eng mit der Kaliumausscheidung verknüpft ist, hat dieser Defekt zur Folge. dass die Kali mausscheidung erhöht ist. was zur Hypokaliämie [= Kalium-Konzentration im Blut} führt.

Magnesium [= Mg 2 +) Magnesium bildet in der Niere eine Au sn ahme, da fü r dieses Ion die vorn e besprochene n Rü ckreso rp tions prinzi pien nich t ganz zutreffen : Ma gnesium w ird gr ößtenteils erst in der Henle-Schleife rück resorbiert und in d ie dor tigen Zellen aufgeno m me n . An trieb da fü r ist da s do rt herrschend e lumenpositive Potenzial, (Das

I 33

Verschiedene Stoffe und ihr Verhalten in der Niere

doppeltpositi v geladene Magnesium wi rd vom ebe nfa lls positiven Tu bulu s lumen abg estoßen und dr än gt nach auß en). Wird d ieses transepitheliale Pot en z ial z.B. durch Schleifendiuretika wie Furosemid beeinflusst, h at da s eine erhöhte Magnesiumausscheidung (= wen iger M g2"-Rückresorption ----> mehr Mg" Ausscheidung) zur Folge . Dazu muss m an w issen, warum in der Heule-Schleife e in positives transepitheliales Potenzial herrscht. Der G ru nd ist die erhöhte Resorption der negati ven Chl oridi enen (s. 3.8.2, S. 30). Schleifend iuretika verh ind ern genau diese Chloridresorption u nd sorgen da m it für ein geringeres tran sep ithelial es Pote nzia l. Die Folge ist, d ass Ma gnesi um im Tubu lus lu m en n icht m ehr so stark abges toßen w ird u nd es sic h im Tubu lus bequem mach t.

Üb ri ge ns ... Her r schen im Kor per hohe Plasma konzent r ationen von Ma gnesium, kann der Körper von Re· sor pti on auf Ausscheidung umscha lten. Diese Aussc heidung findet haupts ächlich parazellulär

statt.

Calcium (= Ca 2 +) Calci um w ird zum größten Teil im proximalen Tubulus resorbiert. Antrieb dafür ist wieder mal da s dort herrschende lumenpositive Potenzial. Der passive Transport erfolgt hauptsächlich parazellulär. Ein weiterer Resorptionsort für Ca lciu m ist der dicke aufsteigenden Teil der Henl e-Schleife, hier erfolgt der Transport über Ca rrie r (= tr an szellulär), die von Parathorm on beei nfl uss t we rd en . Aus demselben Gru nd wie für Magn esium (s. 3.8.2, S. 30) ist auch für Calcium die Ausscheidung bei Furosemidgabe erhöht,

Bicarbonat (= HC03 ' ) Bica rbon at folg t den g ru ndsä tzlichen Rüc kresorp tionsp ri nzi p ien : es w ird überwiegend im proximalen Tubulus rückresorbiert (= zu 90%) . Das H CO »: w ird filtri ert und rea_~ gie rt mit de n vo n d en Tu bulus, ze llen sezernie rte n H' -Ionen zu ',,' ( Kohl en d ioxid (= CO ) und Wass er '"(= R O ). Das CO . d iffundi ert in die Tu b ulus ze llcn un d reagie rt dort wie de r m it Wasse r zu HC0 3 · . Dieses HC O"' ve rlässt d ann üb er einen Transporter basola teral di e Zellen. Bitte merkt euch fürs Exa-

men u nbeding t, dass ohne H ' -I on en keine Bicarbonatresorption möglich ist. Da d ie Reak tion HCO,' + H- ...... H 2C03 ...... C 2 + Hp im Norm alfa ll seh r langsam abl aufen w ürde, w ird sie im Körpe r durch ein Enz ym katal ysiert: D ie Carboanhydrase, die tubulär und zellulär vorkommt. Wird d ie Carboanhydrase gehemmt - z.B. durch Acetazo lamid - führt dies zu einer erhöh ten Bicarbonatausscheidung, zu einer Azidose un d einer Diu rese durch eine ve rmind er te Na' -Resorprion. Doch waru m ist in d iesem Fall die Natrium resorption ver mindert? Antwort : Weil d ie H'-Ion en, die zur Bicar~onat~'esorption gebrau cht werden, die Zelle im Na' -An tiport verlassen. Funk- .- ....

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tionier t d ie zelluläre carbOanhYdrase 6 ~" Jedoch nicht. stehen we ruger H t-lon en . . für den Na' -H '
Die Hem mung der Carb oanhydrase - z.B. mit Acet azolamid - bewir kt eine • Diurese auf Grund der verminderten Na-·Resorp· tion, • erhöhte Bicar bonat ausscheidung und • Azidose, da H--Ionen zurü ckgehalten wer den.

Alkalose - keine sezernierten H t-Ion en . Eine Al blose bed eu tet einen rela tiven Mangel an H '-Ionen im Blu tp lasma. Der Kör pe r ver sucht H vlonen zu sparen un d daher möglichs t wenig ausz uscheiden. In d er Niere heif5t d as, es we rden weniger H' -Ionen ü ber de n Na '- H'-An tipo rt ins Tu bulus lu men se zerniert. Im Tubuluslu men stehen d ann we niger Hi-Ionen fü r d en Ca rboa nhyd rase-Mech ani smu s (s. 3.8.2, S, 30) berei t. Als Folge en tge he n d ie HC0 3'-lonen de r Reso rp tio n und we rde n ver me h rt mit d em Uri n au sg eschied en , Dies ist auc h sin nvoll, d a Bicarbonat eine al ka lische Valen z ist u nd de r Körper du rch d essen ve rmeh rte A bgabe de n p H -Wert w ieder nor m alis ieren kann, Wenn me hr H CO; ausgeschieden w ird , steigt folglich der p H-Wer t d es U rin s an. Au ßerdem führt eine Alkalose (z.6. eine respirat ori sch e Alka losc) zur Diu rese, we il di e prox imal-tubul ä re N a -Resorp tion im An tiport m it Hgehemmt wir d . Wenn jedoch Na trium ione n der Rückresorption en tgeh en, bedeu te t das a uc h immer eine verm eh rt e Wassera us scheid ung .

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341

Niere

3. 8.3 Rückr esor pti on weiterer wichtiger Subst anzen

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Außer den wic htigen Elektrolyten befinden sich im Primärfiltrat auch noch an dere Stoffe, die zurü ckgewonnen werden sollen. Einer davon ist die Glucose , d er Lieblin g des schriftlichen Examen s. Ansch ließend geht es um d ie Pro teine, die Aminosäuren und zu gu ter Letzt d en Harn stoff. Übr i ge n s ...

Abb . 22: N a' jW-Antipo rt - Dieser Transport ist bei

Fetts aur en mussen NICHT ruckresorbiert werden, da sie gar nicht filtriert werden

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der Alkalo se gehemmt

Glucose M ERKE :

Eine Alkalose führt zu • erhöhter HC0 3 'Ausscheidung im Blut , • alkalischem Urin, • verminderte r proximaler Natriumresorptio n und • Diur ese.

Phosphat

Vom filtrier ten Phosphat wird norma lerweise nur eine geringe Men ge au sge schi eden. Die Rü ck resorption erfol gt sekundär-aktiv mi t dem Nat riu mgradienten als An trieb. Durch den Bowmanfi lter wird Phosphat als HPO/ filtriert. Die HPO/-Ionen erreichen das Tub ulussystem und puffern H'-Ioncn ab. Im Urin erschein t dann HlO, als titrie rbare Säure. Die Auss cheidung von Phosp ha t wi rd d ur ch Para thormon gefördert.

Glucose ist ein er der Stoffe, d ie so wich tig für den Körpe r sind, dass sie eigentlich gar nicht au sgesch iede n werden sollten . Schon im proximalen Tubulus wir d daher d ie filtrierte Glucosemenge fast vollständi g rü ckresorbiert. Dies geschie ht sekund är-ak tiv mi t Natri um (= elektrogener Transport, s. 1.7.3, S. 6). Sind die se Trans por ter gesättig t, was bedeu tet, d ass mehr Gluc ose im Tub ulus vorhanden ist als rückresorbiert werden ka nn, taucht Glucose im Uri n auf. Das ist immer pathologisch und wird als Glucos uri e bezeichne t. Mögl iche Ursachen sind: • de fek te Glucosecarrier (= ange borener Defekt) oder • Überschreiten des Transportmaxim ums. z.B. bei einer Hyperglykäm ie (= zuviel Glucose im Blut). Üb r i g e n s ...

Übr ig en s ... Die Aussche idung von Phosphat ist erhöht bei einer Azidose und/ oder einem erhö hte n Par at hor m onspiegel.

• Die Grenze zwischen Sättigung und Überschreite n des Transport maximums nennt man Nierenschwelle. Sie liegt bei 180 mgj dl oder 10 mmol/ I. • Da Glucose osmotisch wir ksam ist, führt eine Glucosurie zur osmot ischen Diurese.

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Nierenschwelle

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30

Glucosekon zentration im Plasm a Abb . 23: Die Glucoseresorption hat ein Maximum und kann NICHT belieb ig gesteigert werden .

Verschiedene Stoffe und ihr Verhalten in der Niere I 35

Ü br igen s ... Der Begr iff Diabetes mellitus (me llitus bedeutet "mit Honig ve rsüßt"] hat auch mit der Nierens chwel le von Glucose zu tun. Beim Diabet es mellitus ist die Insulin produktion, - ausschüttung oder - wirkung gestört. wodur ch es zur Hyperg lykämie kom mt und Glucose in der Folge im Urin auftaucht Da frü her die Urindiagnost ik noch ein weni g r ustikaler war , sollen die Nonnen (= die damal igen Kra nkenschwestern] mit dem Finger den Urin des Pat ienten pr obiert haben und dieser schmeckte eben beim Vor liegen eines Diabete s süß wie Honig.

Proteine Von gesunden Glomeruli werden die großen Proteine fast gar nicht filtriert. Dies liegt zum einen an der Filtergröße der Bowmankapsel und zum anderen an der negativen Ladung der Basalmembran. Diese negative Ladung stößt die ebenfalls negativ geladenen Proteine ab, die dann schon gar keine Lust mehr haben durch den Filter zu gehen. Daher liegt die normale Ausscheidung von Albumin unter 200 mg (physiologisch zwischen 5-35 mg) pro Tag. MERKE: Neulich in der Niere: "D u stößt mich ab" sagte das Albu m in. "INarum bist du immer so negat iv?"erwi derte die Basalmembran. "Sel b er ..."

Übr igens ... Kleinere Proteine, die es doch bis in den Tubulus schaffen, können per Endozytese resorb ier t werden . Oie noch kleinere n Pept ide werd en mit speziellen Tr ansportern zurückgeholt Her vorzu heben sind hier besonders die Dipeptide, die dazu den tertiär-aktiven Transport mit H'-lonen nutzen [s.1.7.2, S 6J.

Aminosäuren "Vie könnte es anders sein? Auch Aminosäuren nutzen den Natriumgradienten für ihre sekundär-aktive Rückresorption. Für die verschiedenen Aminosäuregruppen gibt es dabei spezifische Gruppentransporter: Arginin und Lysin benutzen z.B. denselben Carrier. Liegt eine Aminosäure dieser Gruppe in zu großer !vleng e vor, hemmt sie kompetitiv die Aufnahme de r anderen Aminosäuren dieser Gruppe, die dann prozentual weniger aus dem Tubulussystem zurückgeholt werden.

Fettsäuren Fettsäuren werden normalerweise nicht filtriert und tauchen daher auch nicht im Harn auf. Harnstoff Wie der N a m e schon vermuten lässt, ist der Harnstoff ein harnpflichtiger Stoff. Das bedeutet, dass der Körper darauf angewiesen ist, ihn mit dem Harn auszuscheiden. Sollte dies nicht mehr möglich sein, z. B. bei einer eingeschränkten GFR (s. 3.4, S. 25), treten erhöhte Harnstoffkonzentrationen im Blut auf. Harnstoff ist ein Endprodukt des Stickstoffstoffwechsels mit einer hohen Fettlöslichkeit aber einer geringen Proteinbindung. Daher kann er Membranen einfach durch Diffusion (s. 1.7.1, S. 5) überwinden. Aus diesem Grund ist es auch NICHT möglich 100% des filtrierten Harnstoffs auszuscheiden. Harnstoff unterliegt in der Niere einem Kreislauf: • Im proximalen Tubulus wird ein Teil des Harnstoffs resorbiert, d er Rest verbleibt erst mal im Tubulus, • Im Bereich des distalen Tubulus ist die Wand durchlässig für Wasser aber undurchlässig für H arnstoff. Daher steigt hier die Harnstoffkonzentration an (Aber denkt bitte daran: Nu r die Konzentration steigt an, NICHT die Men ge, s. 1.3.1, S. 1). • Am En d e des Sammelrohrs ist die Wand für H arnstoff wieder durchlässig und er diffundiert wieder ins Nierenbecken zurück. Hier hat Harnstoff einen großen Anteil am hohen osmotischen Gradienten, der für die Harnkonzentrierung (s. 3.9, S. 35) so wichtig ist. Übrigen s ... • We il Har nstoff im Sam m elro hr aus dem Tubulussystem wieder her aus diffu ndiert, kommt es zu keiner vollstä ndigen Aussc heidung des filt rierten Har nstoffs. Seine fr akti onelle Auss cheidJng ist sog ar geringe r als die von Kr eatmin • W enn bei einer Niereninsuff izienz die Nie re

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nicht mehr in der Lage ist har npflicht ige ~ _~ Substa nzen, Gifte, M edikam ente und . andere Sto ffe, die re nal eliminiert werd en, auszuscheiden, dann sam me ln diese sich im Körper an. Bei Medikamenten führt dies dazu, dass sie langer wirk en. Deshalb m uss man bei Niere npatiente n best im mte Medi kamtente ger inger dosier en [z.B. Digoxin = Digitä lisglyko-

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361 Niere sid für die Her zkrafts teiger ung}. Bei Harnstoff nennt man diesen Z stand Urämie (=Harnvergiftung des Blutes] und die Sympt ome können von leichter Ubelkeit mit Er br echen bis hin zum u amischen K ma reichen. ei erns tha fte s Kr ankheitsbild, das dur ch Dialyse behandelt werden muss.

M ERKE:

• Harnstoff ist ein harn pflicht iger Stoff und dient der rena len Stickstoffausscheidung. • Bei sta rk gefallener GFR findet sich eine erhö hte Harnstoffkonzentration im Blut. • Har nstoff diffundiert bei Ant idiurese aus dem Sammelrohr in die Henle-Schleife zurüc k und trägt damit erhebl ich zum Erhalt des osmotischen Gradienten bei. • We il Harnst off aus dem Tubulus herausdiffundiert, wir d der filtrierte Harn st off NICHT vollständig ausgesc hieden und hat eine geringere fr aktioneIle Ausscheidu ng als Kreatinin.

3 .9

man sich noch den H arnst off mer ken , de r au ch n och einen en tscheidende n Eint1uss a u f den os motischen Gradienten im Nierenbecken ha t. ME RKE:

Die maximale Osmolar ität des Ur ins betragt 1200 rn osrnot/L Der osmot ische Gradient wir d vor allem dur ch den Na--K-·2C1·-Transporter (bei Hemmung durch Furosemid massive Diurese] und durch Harnstoff aufgebaut . Die maximale Harnosmolarität kann niemals über der Osmolarität des Nierenbec kens liegen. Bei Ant idiurese her rscht eine hohe Osmolarit ät im Nieren becken, die wesentlich über der des Plasmas liegt.

Haarnadelgegenst romprinzip - Diurese/ Antidiur ese

In der schriftlichen Prüfung ist da s haarsträubende Haamadelgegenstrom prinzip zwar nicht so wich tig, für die mündliche Prüfung im Bereich Physiologie sollte man es sich aber dennoch genau ansehen. Dazu empfiehlt es sich, die ses I <:> Kapitel auch noch mal in einem ausführ- ~ lichere n Lehrbuch nachzule sen. a -," "': Was kann di e N iere überhaupt kon. , zen tra tions technisch leisten? Die Ni er e kann den Harn auf maximal 1200 mosmolll konzentrieren oder bei D iu re se auf SOmasmol verd ü nn en . Die WJ sse rreso rption hängt d abei en tsche idend von der Osmola riAbb. 24: Das Gegenstromprinzip ist vielfä ltig tä t im N ierenbecken ab , da dort de r wi chtige einsetzbar. sogar bei Pinguinen on lee osmotische Gradient er zeu gt w ird , der dafü r so rg t, dJSS Wasse r aus d em Sa mme ltohr durch Beispiel: d ie Aquapo rine ins Interstitium zurückd räng t Um 900 m osm ol au szu scheid en braucht man und so mi t d em Körpe r weiter hi n zur Verfügung mindesten s 0,75 Lite r Urin. steht. Dieser os mo tische Gra dien t wi rd d u rch vie le Fak toren beeinfl uss t. Einen großen Anteil Gr und : Die maximale Konzentratio ns fäh igd aran hat d er gern gefrag te Na+-K+-2Cl-·Tran skeit d er N iere bet rägt 1200 mosmol p ro Liter. porter. Wenn man diesen hemmt (z.B. durch ein 900 mos rno l en ts preche n d rei Viertel di eser Schle ifend iuret ikum wie Fu ro sernid), kommt es 1200 mosmol osmotisch wirks ame n Teilchen. zur massiven Diurese, da di e Os mo la ritä t im Nie Wenn ma n nur die aussc heiden will , br aucht man a uch nur drei viertel Liter Wasser, was renbecken sink t und das 'NJ sser folglich keinen Grund mehr hat, da s Sammolrohr zu verl assen. 0,751 entspricht. Zu sät zlich zu m Na"-K -2Cl'-Tran sporter sollte

Die Niere als Wirkungs- und Produktionsort von Hormonen I 37

Ü br ig ens ... Aldoster on führt auch noc h zu einer erhöhten Auss cheidung von W- und Kaliumionen. Um das über schüssige Kalium auszuscheiden, ist deshalb bei einer Hyperkaliämie die Aldosteronsekre t ion aus der Nebe nnierenrinde er höht.

3.10 Die Niere als Wirkungs- und Produktionsort von Hormonen

M ERKE:

Aldosteron Wenn man spontan ein Organ ben ennen sollte, wirkt am spätdistalen Tubulus und an den Samdas mit Hormonen zu tun hat, . melrohren , fiele einem wahrscheinlich als :~ . :. fördert die Synthese von Natrium kanalproteinen Letztes die Niere ein. Nichtsdes'I ' "" im Sammelrohr, totrotz ist dieser Hormonschau\ "".• ~ induziert die Na-/K'-ATPase, die in die basolateplatz ein wichtiger Abschnitt fürs rale Membran renaler Sammelrohrepithelzellen Examen und das spätere ärztliche eingebaut wird, Wirken, der dazu auch noch spannend fördert die Resorption von Na- und Wasser, ist. führt zur Sekretion von H- und K" (daher auch geIn diesem Skript werden euch zunächst die Horsteigerte Aldostero nsekretion bei K--reicher Nahmone vorgestellt, die auf die Niere/den Wasserrung ...]. haushalt und damit auch auf den Kreislauf wirken: 3 .10.2 Renin -Angiotensin-Aldos t eron• Aldosteron, Syst em • Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS) Dieses System wird auch als tubuloglomeruläre • ADH = antidiuretisches Hormon/Adiuretin/ Rückkopplung bezeichnet. Sinkt der renale BlutVasopressin und druck akut unter 90 mmHg systolisch. werden • ANF (atrialer natriuretischer Faktor), AtrioBarorezeptoren gereizt, die eine Reninausschütpeptin oder ANP. tung 8luegen. Anschließend geht es dann um die Hormone, die Renin ist eine Peptidase, die aus Angiotensinovon der Niere produziert werden: gen Angiotensin 1 abspaltet. Aus Angiotensin 1 • Erythropoetin und spaltet das Angiotensin-Converting-Enzym (= • Calcitriol. ACE) in der Lunge das Angiotensin 2 ab. Angio3,10.1 Aldosteron tensin 2 wirkt nun vasokonstriktorisch, fördert Aldosteron ist ein Hormon der Nebennierenrinden Durst und erhöht in der Nebennierenrinde de, das aus Cholesterin synthetisiert wird. Es gedie Aldosteronausschüttung. Alle diese Mechahört zu den Mineralcorticosteroiden und wirkt nismen erhöhen das Blutvolumen und bewirken hauptsächlich am spätdistalen Tubulus sowie über die Vasokonstriktion eine bessere Blutveram Sammelrohr. In den dortigen Zellen steigert sorgung der Niere. Damit es nicht zu einer überAldosteron die Produktion der Na '/K'-ATPase, schießenden Ausschüttung von Renin kommt, die basolateral in die renalen Epithelzellen einhemmt Angiotensin 2 die Reninausschüttung im Sinne einer negativen Feedbackschleife. gebaut wird. Außerdem induziert Aldosteron die Synthese von Natriumkanalproteinen, die luminal in die Epithelzellen des Sammelrohres eingebaut werden, Beides hat zur Folge, dass mehr Natrium resorbiert wird, dem dann passiv das Wasser folgt. Dadurch, dass positiv geladene Natriumionen aus dem Sammelrohrlumen entfernt werden, wird dort das transepitheliale Potenzial stark lumennegativ.

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381 Niere

Sollwertvorgabe über 0 , - und Rezeptoren

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Blutdru ckmessung im Vas afferens?

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Aldosteronausschüttung aus der NNR peripherer

~ Widerstand

Abb . 25: Renin-Angiotensin-Aldosteron-System

Übrigens .. . Die Ma cula densa ist die Ste lle im Tubulusverlauf, an der ein Tubulus wieder zu seinem Glomeru lum zurü ckkehrt. Dort wird die NaCI-Konzent rat ion der Tubulusflüssigkeit gemessen: Ist diese zu hoch, glaubt der Tubulus mit der Hüccresorption überf ordert zu sein und dr osselt selber über eine Vasokonstriktion im Vas afferens die Blutzufuhr, was eine Verringerung der Filtrationsmenge zur Folge hat. So ermöglicht sich der Tubulus selbst ein effektives Ar beiten .

MERKE :

Renin wird freige set zt wenn der arterielle Mitteldruck abfällt. re nale ß- Adrenor ezeptoren sti m uliert wer den, die Niere minder durc hblut et ist (z.B. bei Hypovoläm ie oder einer Nieren arterien stenose] und die NaCI-Konzentrat ion an der Macula densa anste igt (führt dire kt zur Vasokonst rikt ion im Vas affere ns und dadurc h zur GFR-Verminderung). Der Renin-Angiotensi n-Krei slauf: 1. Renin spalte t aus Angiote nsinogen Angiote nsin 1 ab. 2 .ACE spaltet Angiot ensin 1 in Angiot ensin 2 (= ein Oktapep t id). 3. Ang iotensin 2 wirkt

-

vasokonstriktorisch , Dur st förd ernd, er höht die Aldostero naussc hüttu ng und hemmt die Reninaus sch üttu ng.

3. 10.3 Antidi uretisches Hormon [=ADH)/ Ad iuretin/Vasopressin· dr ei Namen ein Hormon Man chmal kann man schon vom Nam en auf de n Charakter schließen; zumindest bei Hormon en ... ADH ist die Abkürzung für Antidiuretisches Hormon , was frei überset zt d as Gleiche bed eutet wie Ad iur etin, n ämlich ein "Hormon, d as die Wasserrü ckresorption erhö h t". Au s seinem älteren Namen Vasopressin kann man sich seine zwe ite Wirkung als Gefäßkonstriktor (= Engsteil er der Blutgefäße) ableiten. Übri e ns ... Neuer dings ma cht m an sich die gefäßvereng ende Wi r kung des ADH zunutze. indem m an es auch als Notf allm edikame nt einsetzt.

Die Niere als Wirkungs- und Produktionsort von Hormonen

Jetz t werden w ir ein em ADH-Molekül mal über d ie Schu lter scha u en und es von der Geburt im H ypoth alamus bis zur Niere auf seinem Lebensweg begleiten: Das Licht der Welt erblickt das ADH im Hypothalamus, wo es au s neun Am inosäuren (= No napep tid) zu sammengebaut, d irekt verp ackt und per axonalem Transport entlang der Nerv en faser eine Etage tiefer in den Hypophysenhinterlappen verschickt wird . Dort sitzt es nun in seinem Exoz ytosevesikel u nd wa rtet a u f se inen großen Einsa tz. Im Gege nsa tz zu den H ormon kollegen. d ie nebenan im Hypophysen vord erlappen herumlungern, hat da s ADH KEIN releasing Hormon. Sein Einsatzbefehl erfolgt dann, wenn an den Osmorezeptoren eine zu hohe Plasmaosmolarität gemessen wird oder das Plasmavolumen sta rk fällt. Es ist also gar nicht so dumm, dass ADH als Vasokonstriktor und auf die Wasserrückresorptio n wi rk t, da bei des dazu führ t, dass de m Kreislau f m ehr Flüssigk eit zur Verfüg ung steht, was d em Blutdruck zu Gute kommt. Die ADH-Moleküle, die ni cht in der Niere oder an den Gefäßen wirken, sor gen im H yp oth alamus für die Ausschüttung von ACTH. ACTH führt in der Nebennierenrinde zur Aldos tero nausschüttung. Aldosteron und ADH h aben beide die Aufgabe, dem Körper mehr Flüssi gkeit bereitzustellen. lJber die induziert e ACTH-A us schüttung verstärkt das ADH also seine eige ne Wirkung. In d er Niere angekommen, binde t da s AD HMolekül an den V2-Rezeptor im Sammelrohr und bewirkt auf d er lurninalen (= zum Sam melrohr hin ...) Seite der Zelle über einen se cond messenger den Einbau von Wasserkanälen den Aquaporinen - in die Zellmembran. Jet zt kann das Wasser ungehin dert rück resorbiert werd en, was dazu führt, d ass das Plasmavolumen ansteigt und so di e Plasmaosmolarität abnimmt (= Verdünnung s. Abb. 1, S. 2). Gle ichzeiti g wird weniger Wasser ausgeschieden, wodurch die Hamosmolarität an steigt (= Konzentrierung). Üb ri e n s ... Beim Diabetes insipidus liegt eine Störung der Synthese [ ~ zentra ler Diabet es insipidus) oder der Wi r kung des ADHs vor [= renaler Diabetes insipidus]. was zum

I 39

ungehinderten W asserverlust über den Harn führt. Die W ir kung von ADH kann z.B. auf Grund eines genetisc hen Defekts der V2-Rezept or en am Sem melro hr eingesc hrä nkt sein. Dieses Krankheit sbild wurd e im schriftlichen Exam en schon des Oft ere n gefr agt M ERKE:

Wer hell und viel pinkelt , hat einen niedr iger en ADHSpiegel im Blut l Eselsbrücke: ADH = Nonapeptid = Neun Details zu me rken : ADH 1.ist ein Nonapept id aus dem Hypoth alamus, 2 .wir d per axonalem Tr ansport in den Hypophysenhinte rlappen (= Neurohypophyse) transportiert, 3 .wir d bei fallender Plasmaosm olarit ät oder fallendem Plasmavolumen per Exozytose ausgeschüttet , 4 .hat kein r eleasing Hormon , bewirkt aber selbst die Ausschü ttung von ACTH, 5 .bindet an den V2-Rezept or der Sam melro hrzellen. 6 . aktiviert eine second messe nger-Kaskade, 7 . bewir kt den Einbau von Aquapor inen in die luminale Membran der Sammelroh rze llen, 8 .führt zur gesteigerten Wasser rückreso r pt ion (= ant idiuretische Wirkung), was einen höherkonzentri erten Har n zur Folge hat (= gesteigerte Harnosm olar ität] und 9. senkt die Ausscheidu ng des fr eien Wassers (= die Plasm aosmolarit ät sinkt ).

3 .10.4 Atriop eptin/ atrialer natriuretisch er Faktor [= ANF) - das Hormon, das von Herzen kommt Wenn zu wenig Volu men in der Blutbah n vorliegt wird ADH ausgeschü ttet. Doch was p assier t, wenn wir zuviel Volumen im Körper h aben ? Richtig, für die sen Fall haben w ir da s Atriopeptin: Bei einer verme hr ten Volume nbelastung w ird der Herzvorhof gedehnt und die Herzvorhofzellen seze rnieren Atriopeptin. Atriopephn steigert als Gegens pieler von Aldosteron (s. 3.10.2, S. 36) d ie glomeru läre Filtrationsrate (= GFR) und da s Harnzeitvolumen und ent lastet so das Herz durch Verkleineru ng des Plasm avolumens. Auße rde m hemmt es di e Ren infreise tzung un d damit auch die Aldos tero nsekretion und steiger t in der Niere d ie Natriu maussch eidun g. In einer sch riftlichen Prüfung wurde soga r schon nach seinem seco nd messenger gefrag t: es ist cGMP. Dies sei jedo ch

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40

I

Niere

nur am Rand e erwähnt LU1d gehö rt nich t zu m grund legenden Prü fun gsw issen . Unb edingt merken sollt et ihr euch jedoch, d ass ANF vom Herzen kom m t. Das ist ein leichter LU1d sicherer Pu nk t mehr im Physikum. MERKE:

Hype rvolämie führt zur Reizung von Vorhofrezeptoren und die Vor hofzellen s chütte n ANF aus . ANF sorgt für die Ve rkleinerung des Plas mavolu mens durch Steige rung • der GFR, • des Harnzeitvolumens und • der Nat riumauss cheidung. Da neben VlJlrd noch der Blutdr uck durch die Hemmung der Reninaus s chüttun g ges enkt. • ANF = kommt vom Herzen. 3 ,10.5 Calciton in und Parathormon Diese beiden H ormone mit Ni erenw irku ng we rde n hier nur kurz er w ähnt. Mehr d azu siehe Skrip t Ph ysiologie 2. Zu m Calc itonin sollte t ihr euc h m erk en , da ss es ein Peptidhormon ist, d as • übe rw iegend in der Schildd rüse gebild et w ird, • di e Os teok las ten tätigk eit im Knoc he n hemmt, • die Phosphatausscheidung in der Niere erhöht und • die Calciumriickresorption der Niere fördert (s. 3.8.2, S. 30) .

Das Parathormon aus den N eb en sch ild d rüsen ist ein wichtiger Spi eler im Calciumhaushalt: • Es füh rt z ur raschen Mo bilis ieru ng von Calcium aus den Knoc hen und • w irkt m it dem Ca lcito nin an der N iere synergis tisch, ind em es di e Phosphatr esorpti on hemmt und d ie Ca lcium reso rption för der t. • In d er N iere bewi rk t es au ßerdem di e Synt he se von Ca lcitr iol. M ERKE:

Parat hormon stellt Calcium pa rat .

Die ersten Nobenscbilddrüsen wurden bei einem Nashom aus dem Londoner Zoo entdeckt [ist schon länger her], weil sie bei diesem gnoßen Tier gnoß genug waren, um sie eindeutig vom um liegenden Fettg ewebe zu differenzieren: dann erst hat man sie beim M enschen gefunden. W eil sie so klein sind, wurden sie bei den erste n Schilddrüsenentfe:-nungen vers ehentlich miten tfernt. was zur Folge hatte . dass die Patienten an einem Hypoparathyreo'disrnus erkra nkten. Sie erlitten dadunch folgende

Sym pto e: • Hypokalziämie (führte zu einer Tet anie, s. 1.8 .3, S. 9) und • Hyperphosphatarn ie. Das Gegenteil t r itt ein, wenn ma n am prim ären Hyper par at hyr eoidism us leidet . Das überproduziert e Paratho rmon führt dabei zu • Knochensubstanzverlust [durch Osteokl astenaktivität], • Hyperca lciämie und • Hypophosphatä m ie.

Eigentlich doch toll, wie ein fach das ist, od er? Wenn ihr euch merkt .Parathormon stellt Calcium PARAT', ve rgesst ihr diese beiden Krankheitsbilde r bes tim m t bis an euer Leben sende nicht me hr. 3 .10.6 Erythropoetin Was d er Radprofi sich teu er beim Dopingexp erten seine r Wahl erkaufen muss, stellt sich der No rm als terb liche selbst her : Das Epo ode r in se iner natürlichen Form d as Eryth ropoetin . Eryrhro poetin , ein Glyko pro tein der Niere, fördert die Bildung und Reifung der Erythroz yten (= roten Blutzellen ) im Knochenmark. Sollten es die unerm üdlich en Sauers tofftransporter nicht sch affen, genügend Sauerstoff zu r Niere zu bringen (= Hypoxie), bestellt sich die Nie re per Erythropoetin-Hormo n einfach neue Erythrozyten . 90% des Erythropoetins werden in der Niere synthetisiert. Kann die N iere dieser Funktio n nich t nachk ommen - z. B. bei einer Niereninsuffizienz - kom mt es zwangsläufig zur Anäm ie (= Blutarm ut). Deshalb ist bei ein er An ämie grundsätzlich auch immer an ein Nierenversagen zu denken.

Übr igen s ...

ME RKE:

Die Nebenschilddrüsen, in denen das Parathorm on prod uziert wird , sind vier etw a linsengr oße Strukt ur en im Bereich hinter der Schilddr üse (der Name ist hier ma l wieder Pr ogr am m...].

• Erythropoetin ist ein Glykoprotein der Niere zur Stimulierung der Erythropoese . • Sekretions re iz für Erythropoetin is t die Hypoxie. • Bei eine r Nierenins uffizienz kommt es auf Grund des Fehlens von Erythropoetin zur Anämie

Das bringt Punkte I 41

rohr und fordert die ACTH-Sekretlon. Sesretronsreize für ADH Sind fallende Plasmaosmolarrtät und

Übrigen s .. . W ar um is Epo-Doping gefähr lich. wenn es doch eigent lich nur Eryt hro zyten im Knochenm ar k best ellt? Grund : Der Harnat okr itwe rt gibt den Ant eil der ro t en Blutzellen im Blut an und hat einen groBen Einfluss auf die Viskositä t des Bluts. Steigt nun dur ch Epo die Anzahl der Erythro zyten. so wir d das Blut im m er zähflüssiger [= viskoser ) und kann ir gendwann nicht

Sinkendes Plasmavolumen • Renln Wird In der Nie re fre igesetzt, wenn der arterielle Blutdruck falle oder die Niere rrunderdurch blutet Ist. Es sorge fur eine Vasokonstrikuon.

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mehr r!Chti g,durCh di8K. apillare n flieBen, was zur Kreisl aufuberla stu ng " führt Der Tod vieler Radsport/er in jungen Jahren ließ als Urs ache das Epo-Doping ver m uten Per Dopingr ichtlinie ist ein Ham atokr itil bchstwert von 50% festg esetzt, weil man davon ausgeht , dass dieser W ert ungefahr lich und m it normalem Höhent raining noch zu erreichen ist .

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3.10.7 Calcitriol [= 1,25-Dihydroxycholecalciferol) Noc h ein Hormon ist auf die Niere angewiese n: Aus Vitamin D 3 wird nämlich erst Ln der Leber und de r Ni ere durch zwei Hyd roxylierungsprozesse (= dihydr oxy-) das ak tive Herrn on Ca lcitriol hergestellt. Es hat seinen Plat z im Calcium/Phosphatkreislau f, wo es die Calcium - und die Phosphataufnahme aus dem Darm stimuliert. Beieinem Calcitriolmangel komm t es auf Crund des verminderten Calciumspiegels zur Osteoporose.

• Angiotensin 2 Wirkt vasokonstri .tons ch. • Hemn-Anqintensm-Kreislau f Renln spaltet aus Anglotenslnogen Anglotens in 1 ab, ACE spa ltet Anq iotensm 1 in Angiotensin 2, Ang iotensin 2 Wirkt vasokonstriktorisc h, fordert den Durst erboht die Aldosteronaussch üttung ;,)nd hemmt die Renmause huttung . • Aldosteron aus der Nebenmerenrinde sorgt Im spätdistalen Tubulus und Im Sam m elr ohr fur die Synthese von Natnurnkanalen und der Na - K·-ATPase Das fordert die Resorption von Wasser und Natrium sowie die Sekretion von H- und K• Die Niere Kann den Harr auf maximal 1200 mos mol I konzent eren, • Die maxrrnal Harncsrnolarität kann NICHT oer der Osmo lantät des Nierenbeckens liegen • Harn st off st harllpflichtlg. hat großen ntei l am osmotischen Gradie en und wrrd Im Verlauf des Tubulus NICHT komplett eliminiert. • Der Antrieb fur eme Ruckresorptlor- Ist fast Immer der Natriumgradient [Ausnahme: Der ternar aktive DisaccharrdRucktransport mit dem H·-Graolenten als Antrieb.] • Glucose 11'1 Unn Ist IM M ER pathologisch und grundet Sich auf die Uberlastung der Glucasecamer [>10mmol lader 180mg dl)

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Zugeben. gerade zur Rüc kreso rp t ion w er den im Sc hr iftlic hen verda mmt viele Deta ils gefragt. Mi t der fo lgenden Liste seid ihr aber auf der sic heren Seite und solltet eini ge Punkte einhe imsen kön nen: • PARAThormon stellt Calcium PARAT. • ANF kommt vom Herzen und Wird bei H parvolä rn ie von den Her zvor hofzellen ausgeschuttet. • Erythropoetin ist ein Glykoprotem der Niere und wird bei HYPoxie sezerniere. Es sorgt fur die Bildung von Erythrozyten • ./'IDH aus dem Hypothalamus sorgt über V2·Rezeptoren für den Einbau von Aquaporinen im Sammel-

• Ohne H--Ionen kann keine BlcarbonatresorptlOn stattfinden. außerdem ist Bicarbonat dafur auf die Carboanhydrase angewiesen. • Cer Antrieb der paraze lularen Catciurnresorpuon ist das turnenpese ve Potenzial. Bei Furosemidgabe ist daher die Calciumaussc. eidunq erhoht. • Maqnesiurn wir zum größt-en Teil in der Henle Schl eife resorbiert. • Die fraktioneile Ausschereunq von Kalium kann Im Bereich von 1" (= Resorption J brs 2 0 0 (= Ausscheidung) hegen. Aldosteron fördert die Kaliumausscheidung und dessen Aufnahme In die Zellen • Der Na --K--2CI -Corransoorter ist durch Schleifendiuretika wie Furoserrud (= Lasix] hemmbar. • Bis auf M aqnesiurn werden alle Stoffe schon Im prox imalen Tubulus zum großten Tell r esor biert.

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421 Niere

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Die Nier e in der mündlichen Pr üfung ist ein sehr dankbares Them a. Sollte m an eine offene Frage in der Art: "W as können Sie m ir über die Nier e erz ählen?" geste llt bekommen , sollte ma n ers t m al einen Überblick ge ben und am besten m.: cie.' Funkt ionen der Niere anf angen . Und denkt immer dar an: ..W er selbst viel erzählt, kann we nig gefragt w er den.. Nenne n Sie m ir bitte die Funktio ne n der Niere . • Steuer Ing des VI/asse r- und Elektrolythaushalts • Hormonproduktion • Regu laton des Saure- Basen' aushalts • Au seh e dung von Giftstoffen nd Stoffwechselendor od ukt en • BIL/tdru kr equlatmn. Was ver steht man unt er der Aut oreg ulatio n der Niere? 1:l.ls Autcrequlatio n der Niere bezeichn et ma n die Tatsache dass die GFR Im Ber eich des nor m a en Blutdrucks [= zwischen 80 und "16 0 mmHg j fast konstant bleibt Dies qescruen t dadurch, dass der Widerstand der vorgeschalteten afferenten ArtartD en automa sch BU ! ien B utdruck einge stellt Wird . Diese n Effekt nennt man Beylisse ffekt. Im Nierenon. rk run kno niart uissa Autoreguiat on nicht ganz perfekt deshalb kommt es dort bel erhohten Blutdrucken zur Druckdiurese St ichwo rt GFR-Bere chnung. Was hat Inulin dam it zu t un? Die Formet .au et: GFR =

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GFR=lnulnclearance Herlei unQ s 34 S. 26 huhn wird frei filtriert nicht resorbiert nd nicht se zer niert Deshalb Ist die Inuhnclearance der perfekte Indikator fur die GFR. Was ist ein transe pith eliales Pot enzial und wi e entste ht es? Das transepithe iale Potenzta l Ist d e Poten zialdfferenz uber einer Fubulusepith elzeue. Es 'Nlrd zur Ruckr esorp uor gebrauch besonders von Ca'cium und Maqnesium . IfTl Tubulusverlauf Ist es tru r prox irna

zunachst d re h die Natriumresorption lumennegativ und Wird dann sp ätproxima l - durch die Entfernung der negativen Chloridio nen aus dem Tubuluslumen · lum enpositIV. Dieses lum enpositive Potential stößt nun die doppelt positiv geladenen Ionen Ca und Mg " ab und drangt sie aus dem Tubulus lumen . W ie ist die Cleara nce defin iert? Wi e hoc h ist die Clearance von Inulin. PAH und Glucose ? Die Clearance gibt das Plasmavolumen an, das in einer Minute von einem bestimmten Stoff gereinigt Wir d. Die Einheit ist ml pro Minute . • Die Inulinclea r ance ist gleich der GFR = 120 ml/ rrun, Inulin ,-,vird fr ei utriert, nicht resoroiert nd nicht se zer niert. • PAH Ist em M aß fur den renalen Plasm afluss = 650 rnl, rrun PAH w ir d frei filtriert. nicht r esorbiert und fas vollstandig sezerniert. • Glucose Wird bei normalen Plasmaspiegeln fast vol~ standiq ruck resor biert. Die Clearance ist dann 0 mi/ rnin, Erst wenn die Niere nschwelle von 180 mgj dl uberschntten Wird kommt es zur Ausscheidung im Harn Wa s ist eine Glucosu r ie und w ie ent ste ht sie? A s Glucosuri e bezeichnet man den pathologischen Zus tan d. wenn Glucose im Urin erscheint. Dies Ist vor allem ein Zeichen eine r Hyperglykamie . Wird die Nie renschwe lle f ür Glucose über schr itten, so Sind die Glucosetransporter mit der Huckr so pt ion uber oS et unc konnen die filtr ierte Gluco se nicht mehr komplett ruckresorb reren. Der Diabetes mell itus '5 häufig rrut Hyperglykam len verg esellsc haft et und tragt des-iaib au ch seiner. Narnen (5. 3 .9.3 S.24]. Wie funktioniert die Har nkonzent r ierun g? Im NIere nm ar k Wir d über den Gegenstrommechanism us ein starker osm o isch er Gradient aufgebaut. INenn im Sam melrohr viele Aquaporine eingebaut smc, ström N asser entlang des osmotischen Gradiente n IIlS Nieren ma rk zurück und wird dort über die \Jass recta ab ansooruert. 0 e maximale Harnosmolanta t kann also nur' so hoch sein, wi die Osrnotaritat Im N erenmark [ma x. 1200 mosrnol,- IJ. Großen Anteil am osmotischen Gradienten hat der Harnstoff und der Schlerfentransporter (= Na -K--2CI-Transporter) Desha lb ist er auch ein gute r Angriffspunkt tu" das Diuretikum Furo semrd.

Index 143

Index Symbole [osmo ljl] 2

A Acetazolamid 33 ACTH 39 Albumin 10, 16f, 35 Aldost eron 29 Alkalose 10, 3 3 f. allgemein e Gaskonst ant e 5 Am ilor id 32 Anäm ie 4 0 Angiot ensin-Converti ng-Enzym (= ACE] 37 Ant idiurese 16 , 36 ant idiur et isch 39 Ant iport 6 , 32 f. Antipo rt er 7 Aquapor ine 39 Arteriolen 17 ATP 5 f. - ATPase 5 t. - Hydrolyse 5 f. - Produktion 6 Azidose 9 f., 33

8 Basalm emb r an 3 5 Baylisseffekt 2 1 Blutdru ck 3 , 15 ,21 Blutplasm a 2 f , 7 Bowm an 25, 34 Bowm an-Kapsel 16

C Carboanhydra se 33 Carrier 6, 33

o Diabet es 35,39 - insipidus 39 - m ellit us 35 Digitalisglykosid 35 Diurese 16 , 33 f.

Diur etika 2 8 , 33 Dr uck 16 - hydrost at ischer 16 - inters t itieller 16 - kolloidosmotische r 16 - onkotischer 16 - zentra lvenäser 17

E Elephanti asis 17 Erythrozyt 40 Extrazellulär raum 2 , 3

F Fick-Diffusionsgesetz 4 Filtrationsfr aktion 27 f. Furo semi d 28,31 ,33,36 Fur osem idgabe 33

G g-Stropha nt in 6, 12 Gaskonst ant e 11 Glom er ulum 2 1 Glucosur ie 3 4 Gradient 3 Gramm 1 - Kilogr amm 1 - Mikrogramm 1 - Milligram m 1

H Hämat okrit 26 Häm ato krit hächstw ert 4 1 Hämo lyse 9 Har n 16 Henle-Schleife 2 9 , 32 f. Herzglykosid 2 2 Herzinsuffizienz 17 Herzrh ythm usst ör ung 8 hydr osta t ischer Dr uck 4 f. Hyperk aliämi e 8 f., 13, 3 1 Hypervent ilationstetanie 11J Hypoaldost er onismus 9 Hypokaliämie 9 , 11 Hypoparathyreoidism us 4 0 Hypopr ote inämie 17 Hypoth alamus 16, 39

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44\ Index

Indikatorsubstanz 14 Insulin 8 f 12 Intrazellulärraum 2, 7 isoton 16

K Kohlendioxid [= CO2 ] 3 3 Konzent ratio nsgra dient 3, 6 - chem ischer 3 , 7 - elektrischer 3, 7 - elekt roc hemischer 3 , 5 f" 7 Konzent r ier ung 2 Körp erwa sser 14

L Ladung sverzerrung 3 , 12 Liddle-Syndr om 32 Liter 1 - Deziliter 1 - Femtolite r 1 - Mi krol iter 1 - M illiliter 1 - Nanolit er 1 - Pikoliter 1 Logarithmus 11

M M angelern Eihrung 17 M ineralcorticosteroide 37 Moll

N Nebens childdrüsen 40 Nieren arter iensteno se 38 Niereni nsuff izienz 9, 16, 40 Nierenmark 28 Nierenschwelle 34

o Osmorezeptoren 16 osmotisch 2 f. 3 5

Permeabilität 4 t. Plasm a 2 f. Proteinbind ung 10

R Reflexionskoeffizient 5

S Sammelrohr 32,37 ,39 SEittigungscharakteristik 4 f, semipermeabel 3 semipermeable Membran 4 f. solvent drag 30 Symport 6 t.

T temper atu rabh ängig 3 , 5 f. transepitheliales Potenzial 30, 33, 37 Tr ansport 3 ,6 f. - aktiver 3 , 5 f. - elektrogener 3,6 - elektroneutraler 3 , 7 - passiver 3 ff. Tr iebkraft 10, 1 1 - chem ische 10 - elekt r ische 10 Tubulus 7 ,27, 29,32 f - dist aler 2 9 , 32 - pro xima ler 29, 3 2 Tubulussystem 6

U Ur ämie 3 6 Ur inzeitvolumen 25

V Vasokonstriktion 37 f. Verdü nnung 2 Verdün nungsm eth ode 14

W Wa sserintoxikation 16

p Paratho rm on 9, 33 f.