Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
Physiologie der Nierenfunktion
und der ableitenden Harnwege
Metabolische
und endokrine Aufgaben und Eigenschaften der Niere
© H. Hinghofer-Szalkay
Clathrin: clatri = Gitter
Erythropoetin: ἐρυθρός = rot, ποιεῖν = machen
Megalin: μέγα = groß (600 kDa)
Podozyt: πούς, ποδός = Fuß, κύτος = Zelle
Glomerulär filtriertes Protein
(1-3 g/d - etwa 60 kg Protein strömen täglich durch die
glomerulären Kapillaren, die Filtration beträgt also nur ca. 0,003% dieser Menge)
wird von den Tubuli endozytotisch
wiederaufgenommen und (als Peptide und Aminosäuren) an das Blut
zurückgeführt. Normalerweise werden nur etwa 0,03 Gramm täglich (rund 1% der filtrierten
Menge) mit dem Harn
ausgeschieden.
Die Nieren beteiligen sich am Abbau extrazellulären Proteins ("Plasmaproteine"), Nierenversagen kann zu Erhöhung des
Blutspiegels zahlreicher Peptidhormone führen.
Die Niere ist nicht nur endokrine Abbau-, sondern auch Synthesestelle: Sie bildet Erythropoetin und aktiviert Vitamin-D-Hormon; Renin stößt den Angiotensin-Aldosteron-Mechanismus an. Kinine sind gefäßerweiternd, fördern die Ureterperistaltik und wirken - teils über Prostaglandine - natriuretisch.
In der Einstellung des Säure-Basen-Haushaltes spielen die Nieren eine zentrale Rolle: Sie bilden Bikarbonat
(hauptsächlich im proximalen Tubulus), dieses puffert tubulär
sezernierte Säuren (der Harn-pH würde andernfalls von ≈5,4 auf ≈1,3
absinken). Glomerulär filtriertes Phosphat wird zu 10% ausgeschieden und dient ebenfalls der Pufferung.
Die Nieren tragen etwa 10% zum Ruheumsatz des Organismus bei, sie
verbrauchen ≈30 ml Sauerstoff pro Minute (rund ein Zehntel des gesamten Ruhe-O2-Bedarfs). Der Großteil des renalen
Energiestoffwechsels wird für die Rückresorption von Kochsalz aus den
Tubuli benötigt.
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Die Nieren haben zahlreiche Funktionen, die über die Harnbildung hinausgehen
Plasmaproteine sind ein wertvolles Gut, das nicht in den Harn
verloren gehen soll. Ihre Eigenschaften stellen dies auch weitgehend
sicher: Sie treten wegen der
Filterbarriere von ≈70 nm und ihrer negativen Ladung
kaum durch die Basalmembran der Glomerulumkapillaren.
Eine geringe
Menge schafft es dennoch und wird vom Tubulusepithel resorbiert:
Zahlreiche Peptidhormone (Angiotensin, ANP, Gastrin, Glukagon, Hypophysenhormone, Parathormon) gelangen wegen ihrer
relativ geringen Größe (bis ≈40 Aminosäuren) in das glumeruläre
Filtrat. Peptidtransporter (PepT1) bringen solche Peptide in die Tubulusepithelzelle. Insulin wird endozytiert und in den Epithelzellen lysosomal abgebaut (wie in der Leber, die ≈50% des Insulins katabolisiert).
Insgesamt ist die Niere - zusätzlich zur Leber - ein
wichtiger Ort des Eiweißabbaus, und bei
Nierenversagen kann es zu
Konzentrationserhöhung von Peptidhormonen kommen. Dadurch werden die
Zielzellen desensibilisiert und es kommt zu endokrinen Problemen.
Peptidasen im Bürstensaum
der Tubuluszellen bauen diese Peptide ab. Entstandene Di- und Tripeptide werden - ähnlich wie im Dünndarm - mittels Symport mit H+-Ionen in die Epithelzellen aufgenommen und weiter verwertet. (Aminosäuren werden ohnehin resorbiert, 
s. dort.)
Kleine Peptide werden
ebenfalls resorbiert (H+/Oligopeptid-Kotransporter).
Oligopeptide werden im proximalen Tubulus luminal abgebaut, Di- und Tripeptide im Austausch gegen H+ resorbiert.
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>Abbildung: Wie die Niere mit filtriertem Albumin umgeht
Albumin (Moleküle als blaue Kugeln überproportional gross dargestellt) wird von der glomerulären Filtrationsbarriere (Endothelzelle,
glomeruläre Basalmembran = GBM, Podozytenfortsätze) zurückgehalten - endotheliale
fenestrae mit negativ geladener Glykokalix, Podozyten 
mit molekularem slit diaphragm (rechts oben).
Nur einige Albuminmoleküle schlüpfen durch dieses Sieb und werden im Tubulus zurückgewonnen (rechts unten): Megalin / Cubulin - Rezeptoren nehmen sie in Vesikel auf, Lysosomen bauen Albumin ab und resorbieren
oder sezernieren die Bruchstücke (Peptide, Aminosäuren).
Megalin und
Cubilin - Rezeptormoleküle in Membranen verschiedener Epithelzellen, die sich an der Endozytose zahlreicher Substanzen, u.a. Proteinen, beteiligen - sind Endozytose-Rezeptoren, die vor allem im proximalen Tubulus
exprimiert sind; Fehlfunktion führt zu Eiweißverlust mit dem Harn (Proteinurie)
Täglich werden 1-3 g Albumin
glomerulär filtriert (Konzentration im Primärfiltrat ≤4 mg/l, ungefähr
ein Tausendstel der Konzentration im Blutplasma), aber nur ≈30 mg/d (1-2% der filtrierten Menge)
ausgeschieden - der größte Teil (≈98%) wird mittels rezeptorvermittelter Endozytose (Clathrin-Mechanismus ) resorbiert (Megalin / Cubulin: >Abbildung).
Bei
einem Zusammenbruch der Filterbarriere ist die Rückgewinnungs-Kapazität
allerdings überfordert, dann treten relevante Mengen an Eiweiß in den Endharn über
(Proteinurie z.B. bei Glomerulonephritis).
Neben
der Rückgewinnung von Molekülen aus dem Primärharn können
die Nieren auch
Substratmoleküle selbst synthetisieren, wie Glukose und
Aminobutyrat;
den Säure-Basen-Haushalt beeinflussen, indem
sie je nach Bedarf saure oder basisch-puffernde Valenzen ausscheiden;
und
Hormone freisetzen.
Niere und Säure-Basen-Haushalt
<Abbildung: Niere und Säure-Basen-Haushalt
Nach Koeppen BM, The kidney and acid-base regulation. Adv Physiol Educ 2009; 33: 275-81
Atmung
und Harnproduktion kooperieren bei der Einstellung der Säurebilanz des
Körpers. Der Großteil der Energie stammt aus dem Abbau von
Kohlenhydraten und Fetten, was Sauerstoff und die Wirkung von Insulin erfordert. Die entstehenden ≈20 Mol CO2 pro Tag werden ausgeatmet - dadurch wird fast die gesamte im Organismus entstehende Säure entsorgt (Kohlensäure!):
CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> HCO3- + H+
Die Niere kann ihrerseits die Ausscheidung von Bikarbonat steuern. Stickstoff wird in Form von Harnstoff oder - pH-relevanten - Ammoniumverbindungen (NH4A) ausgeschieden, das Verhältnis zwischen beiden kann angepasst werden
A = Anion
Bikarbonat: Die Niere bildet bei ausgeglichener Stoffwechsellage pro Tag etwa 70 mM Bikarbonat (hauptsächlich im proximalen Tubulus) und
liefert so Pufferbasen nach. Sie muss tubulär sezernierte Säuren
puffern, ansonsten würde der Harn-pH auf einen Wert von ≈1,3 absinken
(≈70 mM H+ in ≈1,5 Liter Harn) - tatsächlich beträgt der pH-Wert des Urins im Durchschnitt 5,4 (Spanne je nach Stoffwechselsituation pH 4,6 bis pH 7,5).
Ammonium: Die Bikarbonatsynthese erfolgt vorwiegend über den Ammoniummechanismus (durch NH3 → NH4+) sowie den Phosphatmechanismus (Bikarbonatbildung durch Hydrogenphosphat → Dihydrogenhosphat).
Phosphat: Glomerulär filtriertes Phosphat wird zu 90% renal rückgewonnen; 10%
werden ausgeschieden und dienen der Pufferung. Glomerulär filtriertes
Bikarbonat wird in der Niere so gut wie vollständig rückresorbiert (80%
im proximalen Tubulus, 10% im aufsteigenden Schenkel der
Henle-Schleife, 10% im distalen Tubulus). Phosphat stellt ≈80% der "titrierbaren Säure" im Harn.
Zur Beteiligung der Leber am Ammonium-Harnstoff-Mechanismus s. dort
Zur Beteiligung der Niere am Säure-Basen-Haushalt s. auch dort
Zum tubulu-glomerulären Feedback s. dort
Niere und Energiestoffwechsel
Der Sauerstoffverbrauch
der Nieren ist - bezogen auf das renale Organgewicht - enorm hoch: So
steuern die Nieren (≈0.5% des Körpergewichts) etwa 10% zum
gesamten Ruheumsatz bei. Dieser Umsatz wird zum Großteil für den
aktiven Transport von Salzen (vor allem NaCl) durch das Tubulussystem
benötigt. Der proximale Tubulus sowie der dicke aufsteigende Teil der Henle-Schleife haben eine besonders hohe Dichte an Mitochondrien,
das hier (oxidativ) gebildete ATP wird vorwiegend zum Betrieb der
Na/K-ATPase in der basolateralen Membran der Tubuluszellen benötigt. Etwa 80% des renalen Energieaufkommens werden für die Rückresorption glomerulär filtrierten Natriums aufgewendet.
Als normaler Durchschnlttswert des spezifischen Sauerstoffverbrauchs kann 6 ml O2 / min / 100g Nierengewebe angenommen werden (sehr ungleich verteilt: Rinde 9 ml O2 / min / 100g, Papille (Nierenmark) nur 0,4 ml O2 / min / 100g - Unterschied ≈20:1). Im - relativ schlecht durchbluteten - Nierenmark sinkt die venöse Sauerstoffsättigung bis auf 10% ab (starke Inhomogenität der renalen Perfusion). Insgesamt verbraucht die Niere
nur ≈7% des arteriell angelieferten Sauerstoffs, das
renal-venöse Blut ist noch zu >90% sauerstoffgesättigt - das
symbolisiert die Tatsache, dass die Nierendurchblutung in einem hohen
Maße funktionell begründet ist, nur zu einem geringen Anteil nutritiv.
Als Substrat für die
Energiegewinnung konsumiert die Niere vor allem Fettsäuren, auch
Ketonkörper (ß-Oxy-Buttersäure und Azetessigsäure). Der proximale Tubulus
kann aus α-Ketoglutarat Glukose bilden (Glukoneogenese), ist aber nicht
für anoxidative Energiegewinnung (Glykolyse) ausgestattet - er arbeitet
aerob und ist auf kontinuierliche Sauerstoffzufuhr angewiesen. Auf
Unterdurchblutung (wie bei akutem Nierenversagen) reagiert das
proximale Tubulussystem empfindlich und kann leicht beschädigt werden.
Die renale
Durchblutung ist enorm hoch: Mit ≥1 l/min (entsprechend ≈0,6 l/min RPF bei einem Hämatokrit von 0,4) beträgt sie etwa ein Fünftel des gesamten Herzminutenvolumens. Die spezifische Durchblutung beträgt ≈400 ml / min / 100g, das ist mehr als das maximal arbeitende Myokard empfängt! Auch hier zeigt sich innerhalb der Niere eine hohe Heterogenität: Die Rinde hat mit über 500 ml/min/100g die höchsten Werte; das Mark (das den Gegenstrommechanismus aufbaut und nicht
"ausgespült" wird) ist wesentlich geringer durchblutet (um die 100
ml/min/100g).
Bei
inneren Blutungen im Bereich der Nieren (Trauma, postoperativ) können
daher in kurzer Zeit große Blutmengen in den Bauchraum austreten, das
Blutvolumen im Kreislauf sinkt und es kann rasch zu Schocksymptomen
kommen (Blutdruckabfall, Tachykardie), ohne dass von aussen ein
Blutverlust erkennbar wird.
>Abbildung: Erythropoetinbildende Zellen in der Niere
Nach
Koury MJ, Haase VH, Anaemia in kidney disease: harnessing hypoxia
responses for therapy. Nat Rev Nephrol 2015; 11: 394–410
Tubuluszellen
bilden kein Erythropoetin, sondern interstitielle Zellen (Perizyten und
fibroblastenähnliche), die sich durch den Reiz des Sauerstoffmangels zu
erythropoetinbildenden Zellen differenzieren
Erythropoetin
(Epo) wird bei steigendem Sauerstoffbedarf aus erythropoetinbildenden
Zellen in der Nierenrinde freigesetzt, die sich durch den Hypoxiereiz
aus Perizyten und fibroblastenähnlichen Zellen differenzieren und im
Interstitium peritubulär zu finden sind (>Abbildung).
Da die Nieren selbst nur wenig Sauerstoff aus dem Blut schöpfen (AVDO2 nur ≈6% der arteriell angebotenen Menge) und diese Menge außerdem sehr konstant ist, eignen sie sich ideal als Ort für die Messung des Sauerstoffgehalts im Blutkreislauf.
Erythropoetin
regt die Neubildung roter Blutkörperchen im Knochenmark an. Dadurch
erhöht sich die Zahl der Erythrozyten und die O2-Transportkapazität.
Die Freisetzung von Erythropoetin aus Fibroblasten-ähnlichen
interstitiellen Zellen in der Nierenrinde wird durch lokale Hypoxie
stimuliert. Dies kann auftreten infolge
verringerter renaler Perfusion
Hämatokritabfall, z.B. nach intensivem Blutverlust (Einströmen interstitieller Flüssigkeit in den Kreislauf)
Reduktion des pO2 in der Atemluft (Höhenaufenthalt)
Perfusion und Epo-Bildung: Dass die Nierenrinde der Ort der (O2-abhängigen)
Erythropoetinbildung ist, hängt mit der Tatsache zusammen, dass dieses
Gewebe zu den am stärksten durchbluteten des Körpers gehört.
Sinkt der
arterielle Sauerstoffpartialdruck systemisch ab, wird das in einem
Gewebe mit geringem Eigenbedarf am klarsten signalisiert (Glomerula in
Carotis- und Aortenbogen, Nierenrinde), weil hier der Eigenbedarf bezüglich
des pO2 am geringsten zum Ausdruck kommt.
Die Transkription des Gens für Epo - also die Erythropoetinsynthese - wird durch einen Transkriptionsfaktor reguliert, der als Hyopoxia-inducible factor 1 (HIF-1, <Abbildung) bezeichnet wird.
HIF-1 dominiert die Regulation der renalen
Erythropoetinproduktion,
HIF-2 regt die Epo-Synthese in Niere
und Leber an.
<Abbildung: Regulierung des HIF-1 (Hypoxia-inducible factor-1)
Nach
Rezvani H, Ali N, Nissen LJ, Mazurier F. HIF-1α in Epidermis: Oxygen
Sensing, Cutaneous Angiogenesis, Cancer, and Non-Cancer Disorders. J
Invest Dermatol 2011; 131: 1793-805
(a): HIF-1α (oben) und HIF-1β (darunter) sind Transkriptionsfaktoren. HIF-1α enthält eine sauerstoffempfindliche Domäne (ODDD, oxygen-dependent degradation domain) und eine Aktivierungsdomäne (C-TAD, C-terminal transactivation domain), die bei Normoxie inaktiv ist.
(b): Unter normoxischen Bedingungen unterliegt HIF-1α der VHL-mediierten proteosomalen Ubiquitinierung (VHL: Von Hippel-Lindau-Protein). Unter hypoxischen Bedingungen, UV-B-Bestrahlung oder Aktivierung einiger Wachstumsfaktoren bleibt HIF-1α stabil, gelangt in den Zellkern, interagiert mit hypoxia-responsive elements (HREs) und aktiviert seine Zielgene.
AKT, Proteinkinase B, überträgt Phosphatgruppen, wird im Menschen in allen Gewebetypen gebildet ARNT, aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator (HIF-1β), ß-Einheit des Transkriptionsfaktors HIF HGF, hepatocyte growth factor Hsp-90, Hitzeschockprotein-90, eines der am häufigsten vorkommenden Proteine in der Zelle MAPK, mitogen-activated protein kinase NLS, nuclear localization signal (Kernlokalisierungssignal), aus Aminosäuren bestehende Signalsequenz N-TAD, N-terminal transactivation domain (Transaktivierungsdomäne), Teilbereich eines Transkriptionsfaktor PHD, Prolyl-Hydroxylasen, katalysieren die Hydroxylierung von Prolylresten in Proteinen PI3K, Phosphoinositid 3-kinase, katalysiert die Phosphorylierung von Inositol in der Zellmembran pVHL, Protein VHL (Von Hippel-Lindau) ROS, reactive oxygen species
Im Dünndarm reduziert die duodenale Zytochromreduktase drei- zu zweiwertigem Eisen, dieses betritt die Schleimhautzelle (Enterozyt) via Metalltransporter;
beide werden von HIF-2 reguliert. Mittels Ferroportin geht es
dann in den Kreislauf; auch dieses ist HIF-2-gesteuert. Über das
ebenfalls HIF-regulierte Transferrin (Hypoxie steigert den
Transferrinspiegel) gelangt Eisen dann in Leber, Knochenmark und andere
Organe; das retikuloendothelialen System führt rezirkuliertes
(phagozytiertes) Eisen der Wiederverwertung zu.
HIF-1
ist aus mehreren Komponenten aufgebaut; Hydroxylasen führen laufend zu
Hydroxylierung der α-Einheit und damit zu deren Abbau (Proteasomen - <Abbildung).
Gewebehypoxie (Sauerstoffmangel)
hemmt die verantwortlichen Enzyme (Hydroxylasen), wodurch
HIF-1
langsamer abgebaut wird,
seine Aktivität steigt und die Erythropoese
zunimmt.
Folge: Hämatokrit, Sauerstofftransportvermögen des Blutes und
arterieller Sauerstoffpartialdruck nehmen zu (negative Rückkopplung).
Ohne Erythropoetinwirkung nimmt der Hämatokrit auf mindestens die Hälfte des Normalwertes
ab, es kommt zu schwerer Anämie. Das kann bei massiver renaler Degeneration (chronisches Nierenversagen)
oder nach Entfernung beider Nieren auftreten.
Die Freisetzung des Enzyms Renin (spaltet aus einem Globulin Angiotensin I ab) aus
juxtaglomerulären Zellen im vas afferens steht unter sympathischer
Kontrolle und wird lokal reguliert (Blutdruck, NaCl-Konzentration in
macula densa, tubulo-glomeruläres Feedback - >Abbildung).
Aldosteron: Die distalen
Tubuli resorbieren etwa 5% des glomerulär filtrierten Natriums, d.h.
etwa 17 mM / Minuten, und zwar unter Kontrolle des Aldosterons, das
(nicht nur in der Niere) Na+-Rückresorption und K+-Ausscheidung bewirkt. Die
Rückgewinnung von Natrium erfolgt durch
rasche Anregung des Na+/H
+-Austausches (direkter Effekt),
Expression von Na+-Kanälen in der apikalen Membran der Tubuluszellen (verzögerter Effekt),
Erhöhung der Zahl von Na+-K+-ATPase-Molekülen in der basolateralen Membran (langfristig wirkender Effekt).
>Abbildung: Vitamin-D-Synthese
Modifiziert nach Mehlig LM, Garve C, Tauer JT, Suttorp M, Bauer A.
Inhibitory effects of imatinib on vitamin D3 synthesis in human
keratinocytes. Mol Med Report 2015; 11: 3143-7
Die
Haut bildet aus 7-Dehydrocholesterin unter UV-Einfluss Cholekalziferol,
die Leber daraus (über Zytochrom-Enzyme) Kalzidiol, das von den Nieren
zur biologisch aktiven Form Kalzitriol (Vitamin-D3-Hormon) verwandelt
wird
Vit. D (D-Hormon): Kalzitriol induziert im Darm kalzium-transportierende Proteine und steigert
so die Kalziumaufnahme in den Körper.
Die Umwandlung der Vorstufe Vitamin D
(Kalziferol: Ergokalziferol in der Nahrung; aus 7,8-Dehydro-Cholesterin
unter UV-Einfluss in der Haut entstehendes Cholekalziferol, Vitamin D3) erfolgt
in zwei Stufen (>Abbildung):
in der Leber durch enzymatische Hydroxylierung zu Kalzidiol und 24,25-(OH)2D3 und dann
in der Niere zu Kalzitriol (sowie inaktive Metabolite).
Dabei spielen Zytochrom P-450-Enzyme (CYP) eine Rolle: Die Niere metabolisiert 25-(OH)D3 mittels CYP 27B1 zum biologisch aktiven Kalzitriol 1,25-(OH)2D3, mittels CYP 24A1 zur inaktiven Kalzitroinsäure. (Mutationen von CYP 27B1 führen zu vitaminabhängiger Rachitis, solche von CYP 24A1 zu D-Hypervitaminose.)
Parathormon regt die Hydroxylierung über CYP 27B1 an und verursacht so eine Vitamin-D-Wirkung.
Die Niere bildet diverse Mediatoren: Kinine wirken gefäßerweiternd, fördern die Ureterperistaltik und wirken - teils über Prostaglandine - natriuretisch; damit fördern sie die Wasserausscheidung.
Die Niere baut Peptidhormone ab.
Der Elektrolyt- und Mineralstoffwechsel wird durch nierenwirksame Hormone
beeinflusst:
Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen:
Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie
sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und
Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.
