Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

    
Physiologie der Nierenfunktion und der ableitenden Harnwege
 
Tubuläre Sekretion, distale Tubuli und Sammelrohre
© H. Hinghofer-Szalkay

Diabetes insipidus: διαβαίνειν = hindurchfließen, insipidus = geschmacklos (sapor = Geschmack)
Diuretikum: δι = doppelt, οὖρον = Harn
Kater: Studentisch nach Katarrh (καταρρεῖν = herunterfließen) 

 

Kolik: colicus = den Grimmdarm betreffend
Nephrolithiasis: νεφρός = Niere, λίθος = Stein
zonulae occludentes: zonula = Gürtelchen (zona: Gürtel, Geldgurt), occludere = (ein)schließen



Die distalen Tubuli beteiligen sich zusammen mit den Sammelrohren an der Feinabstimmung des Elektrolythaushalts. Sie resorbieren im Schnitt jeweils etwa 5% der glomerulär filtrierten Kochsalzmenge, abhängig vom Natriumstatus; Kalium wird vom distalen Tubulus nur bei extrem kaliumarmer Ernährung resorbiert (≈2%), sonst sezerniert (bis ≈180% der glomerulär filtrierten Menge).

Zellen (z.B. im distalen peripheren Tubulus: Hauptzellen: Na+, K+; Zwischenzellen: H+) sind mit ihrer - apikalen und basolateralen - Membran auf bestimmte Aufgaben spezialisiert. Sie verfügen über unterschiedliche Transportsysteme, z.B. Na+/Cl--Kotransporter (NCC) und epitheliale Natriumkanäle (ENaC) apikal, Na+/K+-ATPase und Cl--Kanäle basolateral. Auch der Weg zwischen Tubuluszellen (parazellulär) steht für bestimmte Ionen offen, z.B. für Chloridionen.

Die Einlagerung von Aquaporinen
in die Zellmembran von Tubulusepithelzellen erleichtert den (osmotisch angetriebenen) transzellulären Durchtritt von Wasser. Die Einlagerung von Aquaporin 2 in die apikale Membran von Sammelrohrepithelzellen ist abhängig von Vasopressin (V2-Rezeptoren).

Das Handling der Elektrolyte steht z.T. unter hormonellem Einfluss (Natrium, Kalium: Aldosteron; Kalzium: Parathormon). Dabei können unterschiedliche Mechanismen wirken, wie bei der Natriumrückresorption durch Aldosteron. Diese erfolgen dann zeitversetzt: Zuerst (rasch) über direkte Anregung des Na+/H+-Austausches; dann (verzögert) durch Expression von Natriumkanälen in der apikalen Membran; schließlich (langfristig) durch Expression von  Na+/K+-ATPase in der basolateralen Membran.


Tubuläre Transporter Kalziumresorption Hormonelle Steuerung Tubuläre Sekretion Kalium Diuretika
 
Distale Tubulusabschnitte: Feinabstimmung der Harnzusammensetzung
 
Distale Tubuli und Sammelrohre übernehmen die "Feineinstellung" der renalen Rückresorption und Sekretion verschiedener Stoffe.


>Abbildung: Ionentransport im Sammelrohrsystem
Nach Roy A, Al-bataineh MM, Pastor-Soler NM. Collecting Duct Intercalated Cell Function and Regulation. CJASN 2015; 10: 305-24

Hauptzellen (principal cells) exprimieren apikal (luminal) epitheliale Natriumkanäle (ENaC) und ROMK (renal outer medullary potassium channel), basolateral Na/K-ATPase. Der Natriumeinstrom durch ENaC ist elektrogen (die lumenseitige Membran depolarisiert), das fördert den K+-Ausstrom.
 
Zwischenzellen Typ A (type A intercalated cells, A-IC) in der Rinden- und äußeren Markzone sezernieren Säure. Sie verfügen in der luminalen Membran H+-ATPase und H+/K+-ATPase; in der basolateralen Membran Chlorid-Bikarbonat-Austauscher. Der Bikarbonatsensor sAC (soluble adenylyl cyclase) und Proteinkinase A (PKA) regulieren die H+-ATPase.
 
Zwischenzellen Typ B (type B intercalated cells, B-IC) sezernieren Bikarbonat (Pendrin ist ein Chlorid-Bikarbonat-Austauscher).
 
Die Schlussleisten in der Grenzzone zwischen luminaler und basolateraler Membran sind wasserdurchlässig.
 
Luminale Transportsysteme links, basolaterale rechts
Beispiel Kochsalz: Im proximalen Tubulus werden 60-70% und aus dem aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife 20-30% des glomerulär filtrierten Kochsalzes rückresorbiert, somit verbleiben ≈10% für den distalen Tubulus und das Sammelrohrsystem.

s. auch dort
 
Die Wandzellen sind entsprechend spezialisiert (>Abbildung):

  Hauptzellen (principal cells) dienen der Rückgewinnung von Natrium,

  Zwischen- oder Schaltzellen (intercalated cells):
 
  A- oder α-Zellen dienen der Sekretion von H+ (Protonenpumpe H+-ATPase, Na+-H+-Austauscher)
 
   B- oder ß-Zellen bewerkstelligen den Austausch von HCO3- gegen Cl-.
 
Die apikale (luminale) und balolaterale (blutseitige) Membran sind auch im distalen Tubulus unterschiedlich mit Transportern bestückt (zu Membransystemen s. dort).

     In der luminalen Membran der Hauptzellen befinden sich epitheliale Natriumkanäle (ENaC), der Einbau letzterer in die Membran wird durch Aldosteron gefördert ("Salzsparhormon"). Der Natriumeinstrom durch ENaC depolarisiert die apikale Membran, was den Ausstrom von Kaliumionen anregt;

Verstärkter Na+-Ausstrom durch epitheliale Natriumkanäle (ENaC) in der apikalen Membran (Lumenseite) depolarisiert die Hauptzellen und fördert den K+-Ausstrom.
 
Epitheliale Natriumkanäle (ENaC) dominieren die Natriumresorption im Sammelrohr.

     Na+-K+-ATPase in der basolateralen Membran wird ebenfalls durch Aldosteron gefördert. Sie ist die treibende Kraft für die Kochsalzresorption aus dem Sammelrohr. Sie hält die niedrige Na+-Konzentration in der Tubuluszelle aufrecht. Öffnen sich luminale Natriumkanäle, diffundiert Na+ in die Zelle; die Na/K-ATPase "übernimmt" und schleust Natrium durch die basolaterale Membran in das Interstitium (Richtung Kreislauf). Dieser Einstrom von Na+ ist elektrogen, er ladet den Tubulus auf (lumennegatives transepitheliales Potenzial); dies treibt wiederum Chloridionen in Richtung Interstitium.

Einbau und Aktivität der ENaC (apikal) und der Na/K-ATPase (basolateral) wird durch Aldosteron angeregt.

     Die luminale Membran der säureproduzierenden Typ-A-Zwischenzellen der Rinden- und äußeren Markzone (type A intercalated cells, A-IC) hat H+-ATPase und H+/K+-ATPase, die basolaterale Membran Chlorid-Bikarbonat-Austauscher. Die Zelle verfügt über einen Bikarbonatsensor (sAC: soluble adenylyl cyclase) und Proteinkinase A (PKA), diese regulieren die H+-ATPase, die Wasserstoffionen in das Lumen ausscheidet.

     Der Chlorid-Bikarbonat-Austauscher Pendrin in der luminalen Membran von Typ-B-Zwischenzellen (type B intercalated cells, B-IC) sezerniert Bikarbonat, eine basolaterale H+-ATPase sezerniert Wasserstoffionen in das Interstitium. Diese Zellen sezernieren also saure Valenzen Richtung Blut.
 

Kalium, das über die Na/K-ATPase (basolateral) in die Epithelzelle gepumpt wird, verlässt diese über Kaliumkanäle in der apikalen Membran.

Aktiver Kochsalztransport durch die wasserundurchlässige Wand des dicken aufsteigenden Schenkels im äußeren Mark erzeugt osmotische Gradienten zwischen Innenraum und Interstitium (und wasserdurchlässigem absteigendem Schenkel). Harnstoff (urea) wird dabei an Stellen konzentriert, die für ihn impermeabel sind (
s. dort).
 
  Der apikale Na-Cl-Kotransporter kann durch Thiaziddiuretika gehemmt werden; das verringert die Salz-Rückresorption und erhöht die Ausscheidung. Amilorid hemmt die Natriumresorption über den Natriumkanal ENaC.

Auch die vasa recta unterliegen einem Gegenstrom-Austauschmechanismus: Ihre Wand ist sehr gut für Wasser und niedermolekulare Substanzen durchgängig.
 
 
Die distalen Nierentubuli resorbieren etwa 5% des glomerulär filtrierten Natriums (basolaterale Na-K-ATPase). Wasser wird hier oft kaum rückresorbiert, sodass dieser Mechanismus nicht nur der Rückgewinnung von Kochsalz, sondern auch der Harnverdünnung dienen kann - die Osmolalität der Tubulusflüssigkeit nimmt ab.

Gelangt Natrium vermehrt in das distale Tubulussystem (z.B. bei Anwendung von Schleifendiuretika, die ja die Natriumresorption in der Henle-Schleife blockieren), nimmt hier die Belastung der Tubuluszellen zu (der Kreislauf braucht das Natrium), und es kann zu adaptiver Hypertrophie der distalen Tubuli kommen.
 
Erdalkalimetalle. Kalzium und Magnesium können auch im distalen Tubulussystem resorbiert werden. Im Gegensatz zum proximalen Tubulus und die Henle-Schleife wird Kalzium im distalen Tubulus ausschließlich transzellulär zurückgewonnen. Der distale Tubulus resorbiert 5-10% der glomerulär filtrierten Menge an Kalzium - aktiv, d.h. gegen einen elektrischen und chemischen Gradienten.
 
Resorption von Kalzium
 
 
vgl. dort
 

<Abbildung: Resorption von Ca++ und Mg++ aus dem distalen Tubulus / pars convoluta (Modell)
Nach Blaine J, Chonchol M, Levi M. Renal Control of Calcium, Phosphate, and Magnesium Homeostasis. Clin J Am Soc Nephrol 2015; 10: 1257-72

Kalzium und Magnesium betreten die Tubuluszellke über TRP-Transporter. Hormone wie Parathormon und Kalzitriol begünstigen den Vorgang. Basolaterale Mechanismen inkludieren einen Natrium-Kalzium-Austauscher (NCX)


Die Resorption von Kalzium aus dem distalen Tubulus (vgl. dort) ist eng gesteuert. Der Vorgang erfolgt mehrstufig (<Abbildung):



     Kalziumionen werden über einen epithelialen Ca-Kanal (TRPV-Transporter) apikal aufgenommen und
 
     an Calbindin gebunden (gedämpfter [Ca++]-Anstieg) bzw.
 
     in Mitochondrien und endoplasmatischem Retikulum deponiert.
 
     Dann erfolgt der Transport über die basolaterale Membran: Ein Na+/Ca++-Austauscher sowie eine Ca++-ATPase ermöglichen den Übertritt von Ca++ in das Interstitium bzw. in die Blutbahn .

Die basolaterale Membran distaler Tubulusepithelzellen befördert Kalziumionen über einen Na+/Ca++-Austauscher in das Interstitium.

 
Hormonelle Steuerung der Nierenfunktionen
 
Der tubuläre Transport einiger Stoffe unterliegt hormoneller Kontrolle, z.B. Natrium durch Aldosteron, Kalzium durch Parathormon.

           s. auch Übersicht
 

>Abbildung: Aquaporine und Wassertransport in der Niere
Modifiziert nach einer Vorlage bei healthtap.com

Wasser betritt die Tubuluszelle apikal (harnseitig; rechts) über Aquaporin-2-Kanäle und verlässt sie basolateral (blutseitig; links) über Aquaporin-3- und 4- Kanäle.
 
Vasopressin (=Adiuretin) wirkt über V2-Rezeptoren und fördert die Insertion vorhandener, und Expression neuer Aquaporin-2-kanäle in die luminale Membran



≈15% der Rückgewinnung von primär filtriertem Wasser steht unter dem Einfluss von Adiuretin (=Vasopressin). Vasopressin regt in der Niere V2-Rezeptoren an. Diese GPCRs bewirken über cAMP und Proteinkinase A, dass Tubuluszellen aquaporin-2-hältige zytoplasmatische Vesikel in ihre luminale Membran der Hauptzellen integrieren (>Abbildung). Zusätzlich fördert Vasopressin die Synthese neuer Aquaporin-2-Moleküle.

     Aquaporine (>Abbildung) sind komplexe Membranproteine, welche die Permeabilität der Zellmembran stark erhöhen. Sie ermöglichen es Wassermolekülen, dem osmotischen Gradienten folgend aus den Sammelrohren in das hypertone Nierenmark zu diffundieren (Osmose).

    Aquaporin 1 findet sich in Epithelzellen des proximalen Tubulus

    das vasopressinabhängige Aquaporin 2 in der apikalen Membran von Sammelrohrepithelzellen

    Aquaporin 3 und Aquaporin 4 befindet sich immer (konstitutiv) in der basolateralen Membran von Sammelrohrepithelzellen

Wenn also Wasser im Körper zurückgehalten werden soll (Antidiurese), kann es durch Vasopressinwirkung
über die apikale Membran in Hauptzellen des Sammelrohrepithels eindringen (Genaktivierung und Transkription sowie Exozytose vorhandener Speichervesikel, Einlagerung von Aquaporin-2-Kanälen), durch die Zelle diffundieren und anschließend durch die basolaterale Membran über - konstitutiv dauerhaft präsente - Aquaporin 3- und 4- Kanäle die Zelle wieder verlassen und über den Kreislauf zur Hydrierung des Körpers beitragen.

Vasopressin wirkt auch auf die glomeruläre Filtration: Es kontrahiert Zellen des Mesangiums, was den Filtrationskoeffizienten senkt und die Filtrationsleistung verringert. Auch hemmt Vasopressin die Freisetzung von Renin.

Maximale Antidiurese erfolgt bei starker Vasopressinwirkung, sie kann den Harn bis auf ≈1200 mOsm konzentrieren, bedingt hauptsächlich durch die Anwesenheit von Kochsalz und Harnstoff.
Bei geringer Vasopressinwirkung hingegen nimmt die Menge der Harnausscheidung zu, die Osmolalität des Harns ab.



 

<Abbildung: Unterschiedliche Wasserpermeabilität der Nephronabschnitte
Nach einer Vorlage in Brenner BM, ed.: The Kidney. Saunders, Philadelphia 1996

Die höchste Permeabilität hat der proximale Tubulus und der absteigende Schenkel der Henle-Schleife, die geringste der distale Tubulus. Die Permeabilität des Sammelrohrs ist vasopressinabhängig (grüne Säulen).
 
Abszisse logarithmisch - die Permeabilitätswerte unterscheiden sich um bis zum Mehrhundertfachen


AVP-Rezeptoren finden sich an Epithelzellen des Sammelrohrsystems, hier erfolgt die hormonabhängige Wasseraufnahme (<Abbildung), die bis zu einem Liter Wasser pro Stunde zurückgewinnen kann (maximale Antidiurese).

Versagen des Vasopressinmechanismus führt zu
Diabetes insipidus ("Wasserharnruhr"; Harnausscheidung bis zu >20 l/d). Meist ist das Aquaporin 2 betroffen, das hormonabhängig in die Tubulusmembran eingebaut wird (nephrogener Diabetes insipidus).
 

     Alkohol  hemmt die Freisetzung von Vasopressin und führt zu Wasserdiurese und Dehydration ("Kater" ), der Körper verliert Wasser
 
     Nikotin  fördert die Vasopressinausschüttung und hemmt damit die Wasserausscheidung, Körperwasser und Körpergewicht nehmen zu
   
Regulationsbreite: Trinken exzessiver Flüssigkeitsmengen kann zur raschen Bildung von mehreren Litern stark verdünnten Harns (deutlich unter 100 mOsm) führen, umgekehrt bringt ein "Durstversuch" bis ≈4-fache Harnkonzentrierung (≈1200 mOsm). Der Morgenharn spiegelt die Durstphase der Nacht wider: Seine Osmolalität ist etwa dreifach erhöht, auf ≈900 mOsm.
 

>Abbildung: Vasopressin erlaubt den (osmotisch bedingten) Austritt von Wasser aus dem Sammelrohrsystem
Nach einer Vorlage in Silverthorn, Human Physiology, an Integrated Approach, 4th Int'l ed. 2007, Pearson / Benjamin Cummings

Bleibt die Vasopressinwirkung ganz aus, produziert die Niere verdünnten Harn (Wasserdiurese, links).
 
Bei maximaler Vasopressinwirkung wird der Harn 4-5fach hyperton (Konzentration bzw. Antidiurese, rechts)

Geringe Diurese reduziert die Harnstoffausscheidung. Bei abnehmendem Harnvolumen - wenn die glomeruläre Filtration abnimmt, oder bei vasopressinbedingter Antidiurese - gelangt nur eine relativ geringe Flüssigkeitsmenge in das distale Sammelrohrsystem. Das erhöht hier die Konzentration an Harnstoff, dessen Rückresorption zunimmt - die Harnstoff-Chlearance nimmt ab. Die Harnstoffkonzentration im Nierenmark und auch die im Blutplasma nimmt zu.
 
Antidiurese reduziert die Harnstoffclearance.


Natrium vs. Kalium: Der distale Tubulusapparat resorbiert ≈5% der glomerulär filtrierten Natriummenge. Die (luminale) Na+-Resorption (über ENaC) trägt zum lumennegativen Potenzial bei; dieses wiederum treibt die K+-Sekretion (über ROMK) an. Dadurch fördert die Resorption von Na+ die Sekretion von K+.

Erhöhte Kaliumkonzentration in Sammelrohrzellen steigert die Kaliumsekretion in den Harn. Umgekehrt wird K+ aus dem Sammelrohr resorbiert, wenn Kaliummangel herrscht.

Die Natriumresorption des distalen Tubulussystems unterliegt einer Feinregulation: Aldosteron bewirkt verstärkte Natriumrückresorption und Kaliumausscheidung.



Die Rückgewinnung von Natrium erfolgt durch drei zeitversetzt wirkende Mechanismen:
 
  Anregung des Na+/H+-Austausches durch direkte Membranwirkung (obwohl Steroid!), was einen raschen Effekt ermöglicht;
 
  einen verzögerten Effekt über nukleäre Rezeptoren, deren Aktivierung die Expression von Natriumkanälen (ENaC) in der apikalen Membran der Tubuluszellen bewirkt;
 
  Erhöhung der Zahl (Expression) von Na+-K+-ATPase-Molekülen in der basolateralen Membran als langfristig wirkender Effekt.
 
Ein Ausfall der Aldosteronwirkung (gehemmte Sekretion, Nierenrindendefekt, Blockade der renalen Aldosteronrezeptoren) hat vermehrte Natrium- und Flüssigkeitsausscheidung der Niere (Natriurese, Diurese) zur Folge.

 
Wasserdiurese ist die Ausscheidung osmotisch "freien" Wassers (positive Freiwasserclearance). Das bedeutet, der Körper scheidet Wasser "an sich" aus, der Harn ist hypoton (z.B. wenn man mehr Wasser zu sich nimmt als osmotisch nötig wäre). Umgekehrt steht bei Antidiurese das Einsparen von Wasser im Vordergrund (negative Freiwasserclearance), das nur so weit ausgeschieden wird als für die Lösung / Exkretion harnpflichtiger Stoffe - wie Harnstoff - unbedingt notwendig -, wie bei Dehydration (hypertoner Harn: Maximal 3-4-fach konzentriert; Morgenharn ist normalerweise 2-3fach hyperton).

Bezogen auf die Dichte (gemessen bei 20°C) hat stark verdünnter Harn ≥1003 g/l (Wasserausscheidung), isotoner (unverdünnter / unkonzentrierter) Harn 1010 g/l (Isosthenurie), konzentrierter Harn bis >1030 g/l (Dehydratation).

Das Einstellen der Wasserausscheidung erfolgt in erster Linie hormonell (Vasopressin!) und hängt vom Flüssigkeitsgleichgewicht im Körper ab. Dies ist ein Aspekt der Volumen- und Osmoregulation.
 

<Abbildung: Mongolische Wüstenrennmaus


Wüstentiere haben im Vergleich zur Rinde ein besonders ausgeprägtes Mark, das in der Tiefe wesentlich höhere Osmolalitätswerte erzielt als die Niere des Menschen. Dementsprechend wassersparend wirkt sich dieser Mechanismus aus, der Harn ist extrem konzentriert.
 
   
Fast alle Tubulusabschnitte können sezernieren
 
Die Sekretion von Stoffen aus dem Blut in die Tubuli erfolgt im proximalen Tubulus (organische Säuren und Basen, Wasserstoff- und Ammoniumionen), im dicken aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife (Ammonium- und Kaliumionen), sowie - unter Aldosteroneinwirkung - im distalen Tubulus- und Sammelrohrsystem (K+, H+) - Übersicht s. auch dort.

Das distale Tubulussystem sezerniert organische Säuren und Basen, wofür spezielle Transporter bereitstehen - jeweils verschiedene für die basolaterale und die apikale (Bürstensaum-) Membran.

     Organische Säuren werden in der basolateralen Membranvon zwei (oder mehr) verschiedenen Systemen transportiert (Anionen natriumabhängig mit OAT1, Kationen membranpotentialabhängig mit OCTs).

     Der Transport von Stoffen durch die apikale Membran der Tubuluszellen wird durch Mikrovilli erleichtert, die vor allem in den frühen Abschnitten des proximalen Tubulus zahlreich sind. Organische Säuren werden mittels OATs, Basen über Kationen-Antiporter (OCTNs - N für novel) ins Lumen gebracht. Daneben gibt es noch weitere Transportsysteme.

  Kompetitive Verdrängung: Konkurrieren mehrere Stoffe um den Transport mit demselben System, kann es zu entsprechenden Interaktionen kommen. Das kann pharmakologisch von Interesse sein.
 
Proximale Tubuli können Säure- und Basenionen sowohl resorbieren als auch sezernieren:

     Ammoniumionen werden im proximalen Tubulus und im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife sezerniert

     Im späten proximalen Tubulus werden u.a. Kreatinin, Neurotransmitter (Katecholamine, Histamin) sowie diverse Medikamente sezerniert

Zahlreiche dieser Stoffe liegen z.T. als Kationen / Anionen vor (schwache Säuren bzw. Basen), daher ist ihr Transport pH-abhängig (Diffusion entlang der apikalen Membran leichter im undissoziierten Zustand). So kann z.B. die Ausscheidung von Salizylat durch Alkalisierung des Harns wesentlich erhöht werden, während niedriger Harn-pH die Ausscheidung minimiert.

Mit abnehmender Transportleistung der Tubulusabschnitte (je näher man zur Henle-Schleife kommt) finden sich immer weniger Mikrovilli, Mitochondrien, und basolaterale Membrantaschen.

 
  Kaliumbilanz
 

>Abbildung: Kaliumbilanz entlang des Tubulussystems bei geringer (links) und hoher Kaliumzufuhr (rechts)
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Iim frühen distalen Tubulus kommen 10% der filtrierten Kaliummenge an, 90% wurden rückresorbiert. Kaliumresorption erfolgt (1)  im proximalen Tubulus, (2)  im aufsteigenden Teil der Henle-Schleife, (3)  im distalen Tubulus,hier kann auch Kalium aldosteronabhängig sezerniert werden (rote Box, rechts) (4) im Sammelrohr. Zahlen sind  % der glomerulär filtrierten Kaliummenge.
 
Links: Distale Tubuli (2%) und Sammelrohre (6%) können bei Kaliummangel  weitere 8% der filtrierten Kaliummenge resorbieren, sodass nur 2% mit dem Harn verlorengehen.
 
Rechts: Bei Kaliumüberschuss im Körper kommt es im distalen Tubulus zu Kalium-Sekretion, im Endeffekt kann die Kaliumausscheidung höher werden als die glomeruläre K-Filtration.
 
Orange Boxen: Kaliumresorption im betreffenden Abschnitt, grüne Boxen: Verbliebene Kaliummenge

Kalium wird aus dem Körper mit dem Harn (>90%) und extrarenal (<10%) entfernt, mit der Nahrung wird normalerweise dieselbe Menge (3-4 g/d) zugeführt.

K+ wird glomerulär filtriert (≈0,8 M/d, d.h. 8-mal die tägliche orale Aufnahme), im proximalen Tubulus zu ≈80% und in der aufsteigenden Henle-Schleife zu ≈10% rückresorbiert, und im distalen Tubulus gering bis gar nicht (niedriges Kaliumangebot) oder unter Einfluss von Aldosteron zu 20-180% (der filtrierten Menge) sezerniert
(<Abbildung) - abhängig von der Kaliumbilanz (z.B. bei Wachstum positiv: Zunahme der Zellen, bei Atrophie negativ).

pH-Abhängigkeit der Kaliumsekretion in den Sammelrohren:
 
     Der Zustand der Kaliumkanäle in der luminalen (apikalen) Membran der Sammelrohr-Epithelzellen ist pH-abhängig. Je geringer die H+-Ionzentration (je höher der pH: Alkalose) im Zytoplasma, desto wahrscheinlicher ist der geöffnete Zustand der K
+-Kanäle und umso stärker wird Kalium sezerniert.
 
     Auch die Aktivität der Na/K-ATPase ist pH-abhängig - sie ist durch erniedrigten pH-Wert gehemmt (Mechanismus?), die Zelle nimmt weniger Kalium auf.

Alkalose erhöht, Azidose senkt die Kaliumexkretion. So kann z.B. eine Ketoazidose bei entgleistem Diabetes mellitus zu Kaliumretention und Hyperkaliämie führen.

 

 
     Plötzliche Erhöhung des Plasma-Kaliumspiegels führt zunächst zu Kaliumaufnahme in die Zellen des Körpers (Kalium-Puffer, Normalisierung des Plasmaspiegels); erst nach Stunden steigt die (hormonabhängige) Kaliumsekretion in der Niere und führt die Kaliummenge zum Ausgangswert zurück.



Ursache dieser Verzögerung ist der Wirkungsmechanismus: Neueinbau von Ionenpumpen und Permeasen in die Membranen der Tubuluszellen.

Wird Kalium vermehrt benötigt (Kaliummangel), wird es nur geringgradig (aber immer noch 1-3% der filtrierten Menge) mit dem Harn ausgeschieden
. Bei kaliumarmer Ernährung über längere Zeit kann der unvermeidliche renale Verlust - langsam aber sicher - zu Hypokaliämie führen.




  Diuretika sind harntreibende Stoffe. Sie senken die Rückresorption von Natrium- (und meist Chlorid-) Ionen, bewirken Natriurese und steigern dadurch den Wasserverlust. Dies erfolgt entweder durch direkte Wirkung auf Zellen des Nephron, oder indirekt durch Modifizierung der Filtratzusammensetzung.

  Direkte Wirkung auf Zellen des Nephron: Betrifft

     den dicken Teil des aufsteigenden Schenkels der Henle-Schleife (Schleifendiuretika wie Furosemid hemmen den Na+/K+/2Cl- -Transporter),

     den distalen Tubulus (z.B. Thiazide, Aldosteronantagonisten wie Spironolakton,) und

     das Sammelrohrsystem (z.B. Triamteren, Amilorid).

     Thiazide sind Diuretika, welche am - ebenfalls luminalen - Na+-Cl--Cotransporter (NCC) der distalen Tubuli angreifen (s. oben). Sie wirken kalziumsparend ( s. dort)

  Modifizierung der Filtratzusammensetzung: Hierher gehören osmotische Diuretika, wie Mannitol (bis 15 g i.v. bei akutem Nierenversagen): Sie werden filtriert, aber nicht rückresorbiert, und nehmen Wasser aus osmotischen Gründen mit in den Endharn.


Wirkort
Mechanismus
Bemerkungen
Carboanhydrasehemmer
(z.B. Acetazolamid)
Dicker aufsteigender Schenkel
Blockade der CAH stoppt Bildung von Kohlensäure
 Bis ≤30% des filtrierten Bikarbonats werden ausgeschieden
(vor allem mit K+)
Ausscheidung von ≤8% der GFR
Bikarbonatverlust Hypokaliämie
metabolische Azidose
Schleifendiuretika
(z.B. Furosemid)
Dicker aufsteigender Schenkel Reversible Hemmung des luminalen Na+ / K+ / 2Cl- -Transporters
Ausscheidung von bis zu 25% der GFR
Natriumverlust
Thiazide
(z.B. Hydrochlorothiazid)
Frühdistaler Tubulus
Reversible Hemmung des Na+ / Cl- -Kotransports
Ausscheidung von ≤8% der GFR
Ca++-sparend
Natriumkanalblocker
(z.B. Amilorid)
Spätdistaler Tubulus / Sammelrohr (Hauptzellen) Reversible Blockade des epithelialen Natriumkanals (luminal)
Kaliumsparend
Aldosteronantagonisten
(z.B. Spironolacton)
Distales Nephron / Sammelrohr (Hauptzellen) Hemmt Bindung von Aldosteron an Mineralkortikoidrezeptor
Kaliumsparend

Die Ausscheidung von Kalium (normalerweise ≥5% der filtrierten Menge) ist wichtig, da Hyperkaliämie lebensbedrohlich sein kann (ab ≈10 mM, Normalwert 4-5 mM). Kalium befindet sich in praktisch allen Nahrungsmitteln, die zugeführte Menge übersteigt in der Regel den Bedarf. Nierenversagen führt u.a. zu Hyperkaliämie, da der Großteil des Körperkaliums mit dem Harn entfernt werden muss. Die Kaliumausscheidung (distaler Tubulus) ist teilweise aldosteronabhängig, Hypoaldosteronismus (Mb. Addison) führt - neben Kochsalzverlust - zu erhöhten Kaliumwerten.

  
Mit zunehmender Konzentration des Harns im Nierenbecken steigt die Gefahr, dass Stoffe auskristallisieren und Nierensteine bilden (Nierenkolik bei Steinabgang). Nierensteine können aus Kalziumoxalat, Kalziumphosphat, Ammonium-Magnesiumphosphat, Harnsäure oder Zystin bestehen.

Je geringer die Harnmenge, desto eher sedimentieren gelöste Stoffe und können auskristallisieren. Zur Vorbeugung ist ausreichende Wasseraufnahme angezeigt, weil sich die Stoffe in einer größeren Harnmenge stärker verdünnen und besser löslich bleiben. Das gilt insbesondere bei Situationen, in denen der Katabolismus überwiegt und z.B. bei längerer Bettruhe mehr Kalzium aus resorbierter Knochensubstanz zur Ausscheidung gelangt. Längerdauernder Belastungsmangel am Bewegungssystem (Bewegungsmangel, Bettlägerigkeit, Lähmungen, längere Raumflüge) führt so zu erhöhtem Nierensteinrisiko (Nephrolithiasis ).





Eine Reise durch die Physiologie


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