Blutdruck, Wasserhaushalt, Säure-Basen-Status


Natrium und Kalium


 
© H. Hinghofer-Szalkay

Chlorid: χλωρóς = hellgrün (Farbe des Chlorgases)
Hodgkin-Huxley-Gleichungen zum Membranpotential: Alan L. Hodgkin, Andrew F. Huxley
Kalium: القلية‎ "al-qalya", Pflanzenasche
Mineral: aes minerale = Grubenerz (mina = Mine)
Natrium: ناترون‎ "natrun“, Natron




Kalium ist das "Leitkation" des intrazellulären Raums (≈150 mM/l, extrazellulär 4-5 mM/l). Seine Tendenz, aus der Zelle zu diffundieren, lädt diese elektrisch auf (Ruhepotential, weitgehend identisch mit dem Kalium-Gleichgewichtspotential).

Natrium hingegen ist das Leitkation des extrazellulären Raums (140-145 mM/l, intrazellulär meist um die 10 mM/l). Damit ist es - zusammen mit Begleitanionen, wie Chlorid - hauptverantwortlich für Osmolalität und Volumen des Extrazellulärraums.

Der Hauptmotor der Ungleichverteilung zwischen Intra- und Extrazellulärraum ist die Natrium-Kalium-Pumpe. Diese steht unter regulativen Einflüssen, wie auch andere Transportermoleküle und Permeasen; so nimmt unter Aldosteronwirkung der Einbau von Natriumkanälen (ENaC) in die Nierentubuli - und die Natrium-Rückresorption - zu.

Über die Referenzbereiche hinaus veränderte Natrium- und Kaliumwerte im Blutplasma signalisieren Elektrolytstoffwechselstörungen. Diese treten auf, wenn Zu- und Abfluss dieser Alkalimetalle nicht entsprechend ausbalanciert sind. Die Nieren sind der primäre Ort der Regulation; Aldosteron - eines der wenigen wirklich lebenswichtigen Hormone - ist der führende endokrine Player. Erhöhter extrazellulärer Kaliumspiegel (Hyperkaliämie) regt hormonelle Antworten an (Insulin, Adrenalin, Aldosteron - Steigerung der Na-K-Pumpaktivität), die den Transport von Kalium in die Zellen verstärkt und damit den Kaliumspiegel korrigiert.

Abweichungen der Elektrolytwerte können typische Veränderungen im Kammerteil des EKG erzeugen.


Natrium / Chlorid  Kalium Elektrolyte und EKG
   
Mineralstoffe sind im Körper unverzichtbar. Zu ihnen gehören Natrium (sodium), Chlor , Kalium (potassium), Kalzium, Magnesium, Phosphor und Schwefel. Ihre tägliche Zufuhrmenge liegt beim Erwachsenen im Gramm-Bereich (>0,1 g/d).
 

>Abbildung: Beteiligung der Natrium- und Kaliumströme am Aktionspotential
Nach einer Vorlage in bem.fi (nach Hodgkin & Huxley 1952)

Vm: Membranpotential. Delta Vm mit 0=Ruhepotential. Leitfähigkeit in mSiemens pro cm2

  Natrium / Chlorid

1 Mol Kochsalz sind 58,5 g (Atomgewicht Na: 23, Cl 35,5). 1 g Kochsalz besteht aus 0,46 g Natrium und 0,54 g Chlor.

Natrium und Chlor finden sich in Kochsalz (Natriumchlorid, vgl. Niere und Salz-Wasser-Haushalt). Seine Menge im Körper bestimmt das extrazelluläre Volumen. Für den Organismus ist Natrium essentiell.
   
Die gesamte Natriummenge im Körper wird auf ca. 100 g geschätzt:

      Freies Na
+
(bei 70 kg Körpermasse etwa 2 Mol oder ≈46 g) findet sich im Körper zum Großteil als NaCl, zu einem kleineren als Bikarbonat (NaHCO3) und in anderen Natriumsalzen. Na+ ist osmotisch aktiv und mit der Osmoregulation direkt verknüpft. Natrium ist u.a. auch für die Auslösung der meisten Aktionspotentiale ausschlaggebend.

      Etwa die gleiche Menge im Knochen gespeichertes Natrium ist nicht direkt zugänglich (in die Knochenmatrix eingebunden) und daher osmoregulatorisch inaktiv.

Funktionen.
Natrium ist das "Leitkation" der extrazellulären Flüssigkeiten (≈140 mM/l). deren Osmolalität es zum Großteil trägt. Es beteiligt sich an der Regulation des Säure-Basen-Gleichgewichts durch renale Natriumresorption (Base). Es beteiligt sich an Nervenleitung, Muskelfunktion (Aktionspotentiale), Sekretionsvorgängen und Flüssigkeitsbilanz.

Die physiologische Bandbreite der täglichen Natriumzufuhr ist relativ gering:

      Einerseits sollten mindestens einige mg/kg Körpergewicht täglich zugeführt werden, um das extrazelluläre Volumen stabil zu halten - chronische Unterversorgung mit Kochsalz führt (auch bei maximaler Aldosteronwirkung) zu Hypotonizität, Hypovolämie und Hypotonie, schließlich zu Kreislaufversagen

   
  Andererseits können größere Mengen die Osmo- und Volumenregulation überfordern, da der Körper nicht auf die Ausscheidung von hochkonzentriertem Salz angepasst ist. Zwar kann die Niere die Ausscheidung der Zufuhr anpassen (je mehr Kochsalz zugeführt wird, desto geringer ist die Aldosteronbildung, und es wird mehr Natrium ausgeschieden), aber dies funktioniert nur in einem relativ begrenzten Osmolaritätsbereich.

Meerwasser hat eine viermal höhere Kochsalzkonzentration als extrazelluläre Flüssigkeit. Trinkt man derart konzentrierte Salzlösung ohne Zusatz von Wasser, ist die Konzentrationsfähigkeit der menschlichen Niere überfordert (Harnstoff ist ein wichtiges "Harnfixum", das renal ausgeschieden werden muss und einen wesentlichen Teil der Osmolalität des Harns ausmacht) - hypertone Dehydration und lebensbedrohliches Kreislaufversagen sind die Folge.
Die tägliche Natriumzufuhr sollte im 1 g/d (0,5-1,5 Gramm) betragen; oft werden diese Werte deutlich überschritten ("Nachsalzen").

 

<Abbildung: Durchschnittliche Verteilungs- und Umsatzwerte von Natrium im Körper einer erwachsenen Person
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Angenommen ist ein minimaler Schweißverlust (perspiratio insensibilis)

   Natrium
Plasma, Serum 135-145 mM/l
Schweiß: 5-35 mM/l

Ausscheidung mit dem Harn: 100-250 mM/24 h

  Chlorid
Plasma, Serum 98-107 mM/l

Ausscheidung mit dem Harn:
Erwachsene 40-250 mM/24 h
Kinder 20-115 mM/24 h

In den Zellen ist die Natriumkonzentration unterschiedlich, aber generell niedrig; ein Durchschnittswert von ≈10 mM/l Plasmaflüssigkeit kann angenommen werden.

Es besteht ein Na-Konzentrationsgradient von etwa 14:1 in Richtung Zellinneres. Dieser Gradient treibt die Depolarisierungsphase der meisten erregbaren Zellen an (>Abbildung oben).

Natriummangel (Hyponatriämie) kann durch Erbrechen, Durchfall oder Verluste über die Nieren bedingt sein und äußert sich in Muskelschwäche und herabgesetztem Blutdruck.

Der Natriumspiegel (und die Natriumkonzentration in diversen Körperflüssigkeiten) wird über mehrere Methoden bestimmt: Flammenphotometrie als Referenzmethode (angeregte Natriumatome emittieren Licht von 589.3 nm Wellenlänge), potentiometrisch (ionenselektive Elektroden), oder enzymatisch (Spektrophotometrie).
 

>Abbildung: Aufnahme und Verlust von Natrium ("Salz") und Wasser
Nach Ruginsk SG et al, Gaseous modulators in the control of the hypothalamic neurohypophyseal system. Physiology 2015; 30: 127‐38


  Kochsalz kann bei intensivem Schwitzen in erheblichen Mengen verlorengehen. So bedeutet z.B. die Sekretion von 5 l Schweiß einen Verlust von ≈300 mM Natrium und ≈220 mM Chlorid, das bedeutet fast 15 Gramm Kochsalz. Im Extrazellulärraum bindet diese Menge Salz ein Volumen von mehr als 1,5 Liter Wasser (Schweiß ist hypoton).

Der effizienteste Weg, eine Dehydrierung durch z.B. Hitzeeinwirkung oder körperliche Arbeit auszugleichen, ist die Aufnahme von Wasser und einer entsprechenden Menge Salz (Rehydrierungsgetränk; gesalzene Suppe bei Diarrhoe etc). Die aufgenommene Menge Kochsalz steuert über die Osmoregulation automatisch die Bindung eines entsprechenden Flüssigkeitsvolumens, das im Wesentlichen im Extrazellulärraum verbleibt, soferne nicht die Volumenregulation Überschussflüssigkeit wieder aus dem Körper entfernt.


Die Dynamik des NaCl-Austausches im Körper ist in der Abbildung links oben gezeigt. Während die tägliche Aufnahme mit der Nahrung in der Größenordnung von 120 mM Natrium (entsprechend knapp 2,8 g Na oder 7 Gramm Kochsalz) liegt, tauscht die Niere in 24 Stunden die unglaubliche Menge von fast 1,5 kg Kochsalz aus (im gezeigten Beispiel werden 99,6% der glomerulär filtrierten Menge rückresorbiert, nur 0,4% ausgeschieden).

  Die Regulierung des Natriumhaushalts erfolgt

 
  vegetativ (der Sympathikus fördert Kochsalzkonservierung im Körper) und

 
  hormonell (Aldosteron, natriuretische Peptide, Adrenomedullin).

Das meiste Natrium wird im Dünndarm ("externes", mit der Nahrung zugeführtes Na+) und in der Niere aufgenommen ("internes", nach der glomerulären Filtration aus dem Tubulus re-absorbiertes
Na+). Der proximale Tubulus nimmt den Großteil des filtrierten Natriums auf. Daran sind mehrere Transporter beteiligt; der wichtigste ist der Na+-H+-Austauscher NHE3 (sodium and hydrogen exchanger 3), der an der apikalen Membran Natrium aufnimmt und Wasserstoffionen ausscheidet. NHE3 bewirkt insgesamt (direkt, und indirekt über die Bildung eines Chlorid-Gradienten) ≈70% der Natriumresorption und ≈90% der Bikarbonatresorption des proximalen Tubulus. Damit ist dieser Transporter am Zurückgewinnen von Natrium, an der Einstellung des Blutdrucks und an der pH-Regulation beteiligt.
  "Physiologische (isotone) Kochsalzlösung" (Grundlage für Infusionslösungen) ist 0,9%-ig, d.h. 1 Liter enthält 9 g NaCl.

Kalium

Der Ursprung der meisten Elemente liegt in kosmischen Kernfusionsvorgängen, die sehr hohe Dichte- und Temperaturwerte voraussetzen. So entsteht Kalium in massiven Sternen (≥1010 kg/m3) aus Sauerstoff bei Temperaturen von über einer Milliarde Grad (1.5×109 K / 130 keV). Dann wird es zusammen mit anderen, ebenfalls durch Kernfusion entstandenen Elementen in das angrenzende Universum verteilt (Supernova-Explosionen). Aus solchem "Sternenstaub" können Planeten entstehen und (zumindest im Falle der Erde) als chemische Grundlage für lebende Systeme dienen. Dabei kommt es zur "Sortierung" verschiedener Ionen entsprechend ihrer Funktionen in der Zelle.


<Abbildung: Kaliumbestände und -umsatz im Körper einer erwachsenen Person
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003


Membrantransportsysteme unterscheiden zwischen verschiedenen Ionen (Na, K, Ca...) und ermöglichen selektiven, gerichteten Transport - und damit Anreicherung in Kompartimenten, im Fall des Kaliums im Intrazellulärraum. Kalium kommt in der Geosphäre seltener vor als Natrium; im Meerwasser beträgt seine Konzentration 0,4 g/l, d.h. fast 30mal weniger als bei Natrium. Die Kaliumzufuhr mit der Ernährung ist dennoch meist ausreichend, die Niere scheidet sogar überschüssiges Kalium aus; Grund ist die Tatsache, dass Kalium generell in organischem Material (als "Leitkation" des Intrazellulärraums) vorliegt.

Kaliumpool und Kalium-Umsatz: Der Großteil (98%) des Körperkaliums befindet sich in den Zellen (beim Erwachsenen 3000-4000 mM), extrazellulär finden sich nur 2% (≈65 mM, <Abbildung). Die tägliche Aufnahme mit der Nahrung beträgt ≈120 mM (im steady state verlassen 10% davon den Körper über den Stuhl, 90% über den Harn). Das bedeutet, dass pro Tag 3-4% des im Körper vorhandenen Kaliums ausgeschieden werden (und dieselbe Menge mit der Nahrung resorbiert wird).

Funktionen:
Kalium ist mit ≈150 mM in der intrazellulären Flüssigkeit das Leitkation in den Zellen. Es baut das Ruhepotential auf und beteiligt sich allgemein an elektrophysiologischen Vorgängen sowie am Säure-Basen-Gleichgewicht.

Bei ausgeglichener Kost nimmt man pro 1000 Kalorien zwischen 0,8 und 1,5 Gramm Kalium zu sich. Die wichtigsten Kaliumquellen in unserer Kost sind Kartoffeln, Obst, Gemüse, Fleisch. Zum tatsächlichen täglichen Kaliumbedarf des Organismus gibt es keine verlässlichen Ansatzpunkte (1,9-5,6 g/d?).

   Kalium
Plasma 3,5-4,5 mM/l, Serum 3,5-5,1 mM/l
Neugeborene 3,7-5,9 mM/l, Kleinkinder 4,1-5,3 mM/l

Ausscheidung mit dem Harn 35-100 mM/24 h


Die Kaliumkonzentration in der Zelle ist hoch (≥120 mM/l), bedingt durch die Tätigkeit der Na-K-Pumpe. Kaliummangel entsteht durch verstärkte Verluste über die Nieren (harntreibende Mittel, verstärkte Aldosteronwirkung), Erbrechen oder Durchfall; Folgen sind Muskelschwäche oder Herzrhythmusstörungen.

Der Kaliumspiegel im Blutserum (und die Kaliumkonzentration in anderen Körperflüssigkeiten, insbesondere Urin) wird - wie bei Natrium - über mehrere Methoden bestimmt: Flammenphotometrie als Referenzmethode (Emissionswellenlänge 766.5 nm), potentiometrisch (ionenselektive Elektroden - Valinomycin als Elektrophor), oder enzymatisch (Spektrophotometrie).
 
  Über die Art und Weise, wie die Niere angesichts unterschiedlicher diätetischer Versorgung mit Kalium umgeht, s. dort.
 

>Abbildung: Insulin, Adrenalin und Aldosteron bewirken bei Hyperkaliämie die Verlagerung von K+ in Muskelzellen
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Plötzliche Hyperkaliämie regt ß-Zellen im Pankreas zur Ausschüttung von Insulin, und Zellen der Nebenniere zur Produktion von Adrenalin und Aldosteron an. In der Peripherie (insbesondere den Muskelzellen) kommt es über entsprechende Rezeptormechanismen zu gesteigerter Aktivität der Na-K-Pumpe, was Kalium in den Intrazellulärraum verlagert und den Serum-Kaliumspiegel wieder senkt

Schadhafte Regelmechanismen (z.B. Diabetes mellitus, Hypertension mit kompromittiertem Reninsystem) oder Medikamente wie beta-Blocker schwächen die zelluläre Kalium-Pufferung und können eine Neigung zu Hyperkaliämie bedingen
  Die wichtigsten Faktoren zur Regulierung des Kaliumhaushalts sind

    Insulin

    ß-adrenerge Stoffe wie Adrenalin

    Aldosteron

Sie erhöhen die Aktivität der Na-K-ATPase und damit die Kaliumaufnahme in die Zellen, der Plasma-Kaliumspiegel sinkt (>Abbildung).

Umgekehrt triggert eine Erhöhung des Plasma-Kaliumspiegels

 
  in der Bauchspeicheldrüse die Sekretion von Insulin aus Betazellen,

 
  im Nebennierenmark die Freisetzung von Adrenalin, und

    in der zona glomerulosa der Nebennierenrinde die Synthese von Aldosteron (>Abbildung).

  Durch Anregung der Na-K-Pumpe wird daraufhin vermehrt Kalium aus dem Extrazellulärraum in den Intrazellulärraum verlagert und die Hyperkaliämie gepuffert (s. oben).
  Dies ist eine Kurzzeitregulation; über längere Zeit wird die Kaliumausscheidung erhöht ( s. dort).


<Abbildung: EKG-Veränderungen bei erniedrigtem (oben) und erhöhtem Kaliumspiegel (unten)
Nach einer Vorlage bei  Rolf Heinecker, EKG in Praxis und Klinik, 12. Aufl, Thieme Verlag

Kaliumwerte in mM

Elektrolytstörungen (K+, Ca++) machen sich im EKG bemerkbar (<Abbildung):

  Hypokaliämie bedingt Senkungen der ST-Strecke, Abflachung der T- und Auftreten einer U-Welle;
  
  Hyperkaliämie spitze ("zeltförmige") T-Wellen und (ab ≈8 mM Serumkalium) schwere Veränderungen vor allem im Kammerteil. Starke Hyperkaliämie kann zu akutem Herz-Kreislaufversagen führen und lebensgefährlich sein;

  Hypokalzämie verursacht eine Verlängerung der QT-Strecke,
 
  Hyperkalzämie hingegen eine Verkürzung der QT-Strecke.


Über Kalzium und Magnesium s. dort.




Störungen des Wasser- und Elektrolythaushalts werden durch Faktoren verursacht, welche die Aufnahme, Ausscheidung und Verteilung von Wasser und Elektrolyten beeinflussen. Störungen der Regulation von Wasser, Natrium, Kalium und pH treten meist kombiniert auf.

Lost at sea: Die Natriumkonzentration von Meerwasser beträgt ≈11 g/l (Blutplasma 3,5 g/l). Die Niere ist nicht in der Lage, derart konzenteriertes Kochsalz auszuscheiden, ohne dass es zu einem zusätzlichen Verlust an Wasser kommt (Harnstoff muss ausgeschieden werden). Die Aufnahme von Meerwasser alleine (ohne Süßwasser) führt zu hypertoner Dehydration und nach einiger Zeit zu Kreislaufversagen.

Akuter Natriummangel tritt bei intensivem Verlust von Körperflüssigkeiten auf (Verbrennungen, intensives Erbrechen, starker Durchfall). Die Folge ist insbesondere Kreislaufschwäche; Ersatz durch Kochsalzinfusion ist erforderlich.
Azidose führt zum Austritt von Kaliumionen aus den Zellen und Hyperkaliämie, und Hyperkaliämie treibt Wasserstoffionen aus den Zellen, was Azidose zur Folge hat. Bei Alkalose ist es umgekehrt. Über den zugrunde liegenden Mechanismus
s. dort.

Praktische Bedeutung: Behandelt man eine Azidose, wird dadurch eine allfällig gleichzeitig vorhandene Hyperkaliämie automatisch gelindert. Behandlung einer normokaliämischen Alkalose hingegen kann zu Hyperkaliämie führen.

Hypokaliämie erhöht die Säureausscheidung in der Niere und bewirkt metabolische Alkalose. Umgekehrt kann Hyperkaliämie zu metabolischer Azidose führen, vielleicht aufgrund verringerter Ammoniumausscheidung.
Ursache für eine Hyperkaliämie kann u.a. extreme Muskelbelastung, Insulinmangel, verminderte Ausscheidung in der Niere, hohe Katecholaminwirkung (α-Adreno-Agonisten) oder Zerstörung von Zellen (z.B. bei Verbrennungen, Hämolyse) sein.

Hypokaliämie kann verursacht sein z.B. durch Hyperaldosteronismus (erhöhte Kaliumausscheidung in der Niere), Durchfall (gesteigerter Verlust mit dem Stuhl), Insulin-Überdosierung (übertiebene Kaliumaufnahme in insulinabhängige Zellen), nicht-kaliumschonende Diuretika, oder auch Bulimie. Chronischer Kaliummangel führt zu degenerativen Erscheinungen an Herz- und Skelettmuskel.



Eine Reise durch die Physiologie


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