Blutdruck, Wasserhaushalt, Säure-Basen-Status

Beitrag von Atmung, Nieren- und Leberfunktion zur pH-Homöostase


 
© H. Hinghofer-Szalkay

Azidose: acidus = sauer
Alkalose: القلية‎ "al-qalya", (alkalische) Pflanzenasche
Glutamin: gluten = Leim (wo diese Aminosäure vorkommt), Amin 
von Ammonium, nach Gott Ἄμμων
Kompensation: com-pensare = aufwiegen, ersetzen (pensare = wiegen)
Phosphat: φως-φορος = licht-tragend (Phosphor leuchtet bei Kontakt mit Sauerstoff)



Niere und Leber kooperieren bei der Stickstoff- und Säureausscheidung. Die Leber bildet Harnstoff (≈200-400 mM/d) und Glutamin (≈20 mM/d), der Harnstoff wird renal ausgeschieden, aus Glutamin entsteht Bikarbonat (das rückresorbiert wird) und Ammonium, das in den Harn gelangt.

Der Ammoniummechanismus ist metabolisch reguliert: Glutamin wird im proximalen Tubulus zu α-Ketoglutarat abgebaut - zwei Moleküle Ammonium entstehen und werden sezerniert. Aus dem Tubuluslumen können sie nur schwer in die proximale Tubuluszelle wiederaufgenommen werden.

Der aufsteigende Schenkel der Henle-Schleife resorbiert Ammonium, dieses gelangt in das Interstitium des Nierenmarks. Ein Teil rezirkuliert im Nierengewebe; ein Teil wird wiederaufgenommen und in der Leber detoxifiziert; ein Teil wird mit dem Harn ausgeschieden (≈40 mM/d).

Die Stickstoffausscheidung (≈6-12 g/d, oder etwa 100 mg/kg/d) erfolgt vorwiegend über Harnstoff (12-25 g/d; molare Masse 60, davon Stickstoff: 28). Sie sinkt bei proteinfreier Diät innerhalb weniger Tage auf ≈40 mg/kg/d.

Bei Alkalose steigt die Ausscheidung von Stickstoff über Harnstoff und sinkt die über Ammonium (das reduziert den pH-Wert: Kompensation). Bei Azidose steigt umgekehrt die Ausscheidung von Ammoniumionen (das steigert kompensatorisch den pH).

Das Glutamin-Glutamat-System stabilisiert die Säure-Basen-Bilanz: Bei Azidose zieht die Leber vermehrt Glutamat zur Ammoniumsynthese heran, es entsteht Glutamin (pH-Steigerung). Bei Alkalose nimmt hingegen die Bildung von Harnstoff zu, die von Ammonium ab (pH-Senkung).

Rolle der Niere  Beteiligung der Atmung Stickstoffausscheidung und pH-Wert


>Abbildung: Zuflüsse zum Atemzentrum (vgl. dort)


Die klinische Beurteilung von Laborwerten, die Atemgaswerte und den Säure-Basen-Haushalt betreffen, beruht auf der Physiologie der betreffenden Organe.
 
  Niere und Säureausscheidung: Abhängig vom Säure-Basen-Status des Körpers verändert die Niere ihre H+-Ausscheidung: Bei Azidose werden mehr, bei Alkalose weniger Wasserstoffionen über den Urin aus dem Organismus entfernt.



     Austausch gegen Natrium: Bei sinkendem zellulären pH scheiden Tubuluszellen an der luminalen Membran H+ gegen Na+ aus (proximaler Tubulus, distaler Tubulus, Sammelrohr) - insbesondere bei azidotischer Stoffwechsellage. Im Lumen wird Bikarbonat aufgebraucht, Nicht-Bikarbonatpuffer wie Phosphat helfen mit, es entsteht CO2. Dieses diffundiert in die Tubuluszelle zurück und bildet wieder H+ und HCO3-. Die Umwandlung CO2 <-> H2CO3 wird durch Karboanhydrase beschleuningt, ein Karboanhydrase-Hemmer wirkt verzögernd auf den gesamten Vorgang und hemmt die Natriumresorption. Wasserstoffionen werden wiederum ausgeschieden, Bikarbonationen als Puffer an das Blut weitergereicht. Der überwiegende Teil der H+-Sekretion dient der Rückresortption von Bikarbonat. Am Ende des proximalen Tubulus kann der pH-Wert der tubulären Flüssigkeit unter 7,0 liegen, der Endharn kann einen pH bis etwa 4,4 erreichen, was einer tausendfachen Konzentration von Wasserstoffionen entspricht (7,4 - 4,4 = 3,0; 3 ist der dekadische Logarithmus von 1000).

     Wasserstoffionen können als Ammoniumionen ausgeschieden werden: s. unten. Azidose wird renal durch Ausscheidung saurer Valenzen kompensiert, was bedeutet, dass die Ausscheidung von Bikarbonat sinkt (wird zur Pufferung verbraucht, es entsteht CO2, das im Fall einer nicht-respiratorischen Störung ohne weiteres abgeatmet wird) und die Ausscheidung von "maskierten Wasserstoffionen" in Form von H2PO4- (die Phosphatsekretion erfolgt ohne Energiezufuhr) und NH4+ steigt (letzteres mit einer Verzögerung von 1-2 Tagen):

H+ + HCO3- <-> CO2 + H2O

H+ + NH3 <-> NH4+

H+ + HPO42- <-> H2PO4-

Bei Alkalose sinkt umgekehrt die Phosphat- und (mit einiger Verzögerung) Ammoniumausscheidung, bei nicht-respiratorischer Störung auch die CO2-Abatmung.



Im distalen Tubulussystem und in den Sammelrohren der Niere finden sich auf pH-relevanten Austausch spezialisierte Wandzellen:

  Schaltzellen (intercalated cells) sezernieren H+ (Typ A oder alpha: H+-ATPase, Na-H-Antiporter) oder Bikarbonat (Typ beta: Bikarbonat-Chlorid-Austauscher).

Nur ein kleiner Anteil (≈0,1-0,2 %) der Wasserstoffionen wird frei ausgeschieden, der Hauptanteil als H2PO4-.

Moleküle, die Stickstoff, Phosphor oder Schwefel enthalten, werden sowohl renal als auch über den Darm ausgeschieden:
 
  Stickstoff in Harnstoff (>80%), Kreatinin, Ammoniumsalzen, Harnsäure

  Phosphor als Phosphat
 
  Schwefel als Sulfat - aus schwefelhaltigen Aminosäuren (Cystein, Cystin, Methionin)

Die Ausscheidung nicht-flüchtiger (titrierbarer) Säuren (Phosphat, Harnsäure, Kreatinin) macht ≈30 mM/d aus (das entspricht ≈0,2% der respiratorisch entfernten Säurevalenzen).

Etwa 40 mM Säurevalenzen gelangen pro Tag als Ammonium zur Ausscheidung. (Der "Ammoniummechanismus" ist weiter unten beschrieben.)

Die Rückresorption erfolgt zu ≈80% im proximalen Tubulus als Kohlendioxid (über den "CO2-Bikarbonat-Mechanismus", da Bikarbonat nicht durch die luminale Tubulusmembran gelangen kann: CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> H+ + HCO3-). Das Ausmaß der Rückresorption hängt vom pCO2 und Harn-pH ab:
 
      Hoher pCO2 im Tubulus steigert den Gradienten und fördert die Rückresorption
 
      bei einem Harn-pH unter 6,5 wird kein Bikarbonat mehr ausgeschieden (das bedeutet dann, die Säureexkretion entspricht der Summe aus ausgeschiedener titrierbarer Säure plus NH4+).



   Die Atmung ist - gemessen an der molaren Leistung (≈15-20 Mol CO2/d) - beiweitem das wichtigste Organ der Säure-Ausscheidung (sie entfernt rund 250mal mehr saure Valenzen aus dem Körper als die Niere mit einer Säureausscheidungsleistung von ≈0,07 M/d); die renale Ausscheidung "nichtflüchtiger" Säurevalenzen kann allerdings von keinem anderen Organ übernommen werden.
 

  Näheres zur Beteiligung der Atmung am Säure-Basen-Gleichgewicht s. dort.
 

<Abbildung: Zusammenarbeit von Leber und Niere bei der Ausscheidung von Stickstoff aus dem Aminosäureabbau


Konkretes Rechenbeispiel mit ausbalanciertem Säure-Basen-Gleichgewicht. Angenommen ist der tägliche Abbau von 940 mM Aminosäuren, die als 450 mM Harnstoff (Formel ganz rechts; entsprechend 900 mM Stickstoff!) und 40 mM Ammonium ausgeschieden werden. Ammonium wird vor allem aus Glutamin, hauptsächlich in den proximalen Tubuli gebildet (Glutaminase in den Mitochondrien der Tubulusepithelzellen). Ammonium wird z.T. ausgeschieden, z.T. rückresorbiert und der Leber wieder zugeführt. Harnstoff entsteht durch Transaminierung (Aspartat → Fumarat)

Bei Hypoventilation wird weniger CO2 abgeatmet als im Stoffwechsel entsteht, der pCO2 steigt an: Hyperkapnie (arterieller pCO2 >45 mmHg), respiratorische Azidose.

Bei Hyperventilation ist es umgekehrt, es entsteht Hypokapnie (arterieller pC
O2 <35 mmHg) und respiratorische Alkalose.

Zentrale Chemorezeptoren werden durch Anstieg des arteriellen pC
O2 und Absinken des pH in Blut und Liquor aktiviert, periphere Chemorezeptoren durch Abnahme des arteriellen pO2 (glomera carotica und aortica, Afferenz über den IX. und X. Hirnnerven).
 
  
  Näheres s. dort
 
Respiratorische Azidose regt die H+-Ausscheidung in der Niere an - durch Ammoniumausscheidung entsteht mehr Bikarbonat (metabolische Kompensation ); bei respiratorischer Alkalose ist es umgekehrt.




  Beim Proteinabbau entstehen

      Ammoniumionen (≈450 mM/d),

      Aspartat (≈450 mM/d),

      Glutamat (≈20 mM/d).

Desaminierung von Aspartat in der Leber führt zur Entstehung von NH3 und Harnstoff
(≈450 mM/d).



     Ammoniummechanismus. Die Ausscheidung von Ammoniumionen ist besonders bedeutsam, da metabolisch reguliert. Glutamin gelangt über den Blutkreislauf zur Niere, wird im proximalen Tubulus über einen Na-Kotransport aufgenommen (Antiporter) und mittels Glutaminase zu Glutamat und Ammoniak (NH3) gespalten.
 
     Ammoniak
ist lipidlöslich und elektroneutral und wandert so passiv aus der Tubuluszelle in das Tubuluslumen (NH3 ist tubulusgängig).
     H+ wird ATP-abhängig elektrogen sowie über Na+/H+-Antiport sezerniert.
 
Einmal im Tubuluslumen, kombinieren H+ und NH3 zu NH4+; die positiv geladenen Ammoniumionen können nur schwer in die proximale Tubuluszelle aufgenommen werden, verbleiben also im Lumen.

NH3 + H+ <-> NH4+

Der pK-Wert dieses Systems liegt bei 9,0 - bei pH 7,4 liegt der Großteil (97,5%) als NH4+ vor, nur 2,5% als NH3. Sinkt der pH-Wert, verstärkt sich dieses Ungleichgewicht (bei einem pH von 5,0 steht es mehr als 100:1 für NH4+).

Erst der aufsteigende Schenkel der Henle-Schleife resorbiert Ammonium (Kotransport mit Natrium und Chlorid) und "entlässt" es als Ammoniak wieder über die basolaterale Membran ins Interstitium des Nierenmarks. Dadurch kommt es hier zu einer Anreicherung von
NH4+. Ein Teil rezirkuliert im Nierengewebe; ein Teil wird ins Blut wiederaufgenommen und von der Leber detoxifiziert; ein Teil wird mit dem Harn ausgeschieden (≈40 mM/d).




Dynamik der Ammoniumbildung. Bei niedrigem pH-Wert (azidotische Stoffwechsellage) entfernt die Niere H+ vermehrt in Form von NH4+ - auf diesem Weg können Wasserstoffionen pH-neutral ausgeschieden werden. Mitochondrien in den Tubuluszellen enthalten Glutaminase: Dieses Enzym ermöglicht den Abbau von Glutamin (über Glutamat) zu Oxoglutarat. Dabei entsteht NH4+. Die Niere kann die NH4+-Ausscheidung im Bedarfsfall etwa 10-fach steigern.

  
  Harnstoff ist der quantitativ führende Weg (≈85%) zur Stickstoffausscheidung (≈900 mM Stickstoff / Tag). Bei proteinfreier Diät fällt wesentlich weniger Stickstoff an, die Stickstoffausscheidung sinkt dann innerhalb einer Woche auf ein Drittel (von ≈120 mg/kg/d auf etwa 40 mg/kg/d, was bei einem 80 kg schweren Menschen eine Abnahme von z.B. 10 g/d auf 3 g/d bedeutet.

Die Synthese von
Harnstoff (≈450 mM/d) konsumiert sowohl H+ als auch HCO3-; dies geschieht im periportalen Bereich des Leberläppchens.

Die Ausscheidung von Harnstoff
ist nicht direkt pH-wirksam. Steigt der Blut-pH an (Alkalose), wird aber die Ausscheidung von Stickstoff über Harnstoff forciert (und weniger N über Ammonium ausgeschieden). Bei Azidose ist es umgekehrt; es steigt die Ausscheidung von Ammoniumionen (NH3 ist eine schwache Base; der pK-Wert des NH3/NH4+-Systems liegt bei 9,2, daher liegt bei einem pH von 7,2 100-mal mehr NH4+ als NH3 vor).

Über das Glutamin-Glutamat-System, an dem Leber- und Nierengewebe beteiligt sind, wird auf die Erfordernisse der Säure-Basen-Bilanz Rücksicht genommen:
 Bei Azidose wird vermehrt Glutamat herangezogen, um Ammonium zu binden, es entsteht Glutamin (nahe der vena centralis, also der sauerstoffärmeren Region des Azinus). Bei Alkalose nimmt hingegen die Bildung von Harnstoff zu.


Eine Reise durch die Physiologie


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