Grundzüge der Physiologie

Als Grundlage verwendete Literatur: [2], [4], [9]

1.3.1. Durchblutung und Sauerstoff-Verbrauch

Beide Nieren werden über den Tag mit etwa 1700l Blut versorgt. Das entspricht einer Menge von 1,2 l/min und macht damit fast 25% des Herzzeitvolumens aus. Nur durch diese hohe Durchblutung kann eine ausreichende Filtratmenge gewonnen werden, um eine effektive Klärfunktion zu gewährleisten.

Durch autoregulative Anpassung der Gefäße können der Druck und damit die Durchblutung der Nieren weitgehend konstant gehalten werden.

Der Sauerstoff-Verbrauch der Nieren ist im besonderen Maße abhängig von der Rückresorption an Na⁺ im Tubulussystem. Die Rückgewinnung erfolgt durch eine Na-K-Pumpe, einer ATPase, für deren Funktion Sauerstoff benötigt wird.

Damit kann man zusammenfassend sagen, dass bei einer hohen Durchblutung auch die glomeruläre Filtration (siehe unten) steigt, wodurch die Na⁺-Menge im Tubulus steigt und damit auch die Rückresorption, welches einen erhöhten Sauerstoff-Verbrauch zur Folge hat.

1.3.2. Glomeruläre Filtration und Harnbildung

Aus dem Blutplasma, das unter Druck durch das Glomerulus geleitet wird, werden pro Tag ca. 180 l eines nahezu eiweißfreien Ultrafiltrats, der Primärharn, abgepresst. Dabei durchläuft die Flüssigkeit mehrere Schichten: das Kapillarendothel, eine Basalmembran und das Epithel der Bowman-Kapsel, das an den Kapillarschlingen anliegend zu Podozyten umgeformt ist. Diese Schichten und besonders die Podozyten wirken wie ein Filter, durch den nur Moleküle bis zu einer Masse von etwa 5500 Da ungehindert passieren können. Das bedeutet, dass bei kleinen Molekülen, wie Wasser, Glucose, Harnstoff und Kreatinin die Konzentration im Primarharn dem des Plasmas entspricht. Große Moleküle wie Blutzellen und Proteine werden zurückgehalten. Dabei wird das pro Zeiteinheit gebildete Filtratvolumen als glomeruläre Filtrationsrate (GFR) bezeichnet und liegt im Durchschnitt bei 125 ml/min beim Mann bzw. 110 ml/min bei der Frau.

Zur Endharnbildung erfolgt eine Konzentrierung im Tubulussystem und Sammelrohr, wobei sowohl Resorptions- und Sekretionsvorgänge als auch hormonelle Kontrollfaktoren eine Rolle spielen. Letztendlich wird vom gesunden Menschen noch durchschnittlich 1,5 l Urin am Tag ausgeschieden.

Zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit der Niere, wird oftmals die renale Clearance herangezogen. Diese ist ein Maß für die pro Zeiteinheit durch die Nieren eliminierte Menge eines Stoffes. Dabei wird ermittelt, in welchem Maße bestimmte Stoffe (als Kontrolle dienen meist Inulin und Kreatinin) filtriert, resorbiert oder ausgeschieden werden.

Abb. 4 Die Struktur des Nephrons in Hinblick auf seine drei Hauptaufgaben:

Glomerulusfiltration, Rückresorption und Ausscheidung durch die Tubuli

(Abb. übernommen aus [2])

1.3.3. Tubuläre Rückresorption und Sekretion

Nach der glomerulären Filtration gelangt der Primärharn in das Tubulussystem. Bis der Urin das Sammelrohr verlässt werden 99% des Wassers, sowie der größte Teil der gelösten Bestandteile rückresorbiert und wieder der Blutbahn zugeführt. Zu den rückresorbierten Stoffen gehören: Glucose, Aminosäuren, Harnsäure, Ionen (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^-, HCO3-, HPO4-), sowie kleine Proteine und Peptide. Die Rückgewinnung kann aktiv oder passiv erfolgen. Es stehen folgende Möglichkeiten zur Verfügung:

• zwischen zwei benachbarten Zellen (= Diffusion)

• durch eine Tubuluszelle hindurch mit einer Pumpe (ATPase)

• durch eine Tubuluszelle hindurch mit einem elektrochemischen Gradienten (Symporter/Antiporter)

• Proteine gelangen zwischen den Bürstensaumfortsätzen durch Pinocytose in das proximale Tubuluslumen und werden über Vesikel in die Lysosomen gebracht, wo sie zu Aminosäuren abgebaut werden

• Wasser wird durch Osmose oder bedarfsabhängig hormonell gesteuert resorbiert.

Dieser Vorgang hat jedoch Grenzen, was hier beispielhaft an der Glucose erläutert wird:

Glucose wird im proximalen Tubulus durch einen aktiven Transportmechanismus aus dem Lumen ins Epithel aufgenommen. Normalerweise liegt die Glucose-Konzentration im Plasma und damit auch im Primärharn bei 0,6 bis 1,0 g/l. In diesem Fall wird die gesamte abfiltrierte Glucose rückresorbiert. Steigt dieser Wert durch eine kohlenhydratreiche Mahlzeit auf über 1,6 g/l wird der so genannte Schwellenwert erreicht, bei dem alle Träger des aktiven

Transporters besetzt sind (= maximale Transportkapazität). Bei einer weiteren Konzentrationssteigerung wird dann Glucose mit dem Harn ausgeschieden.

Die Rückführung in die Blutbahn gelingt dadurch, dass ein Kapillarsystem des Vas efferens die Tubuli netzartig umschließt (schematisch Abb. 4).

Die tubuläre Sekretion ist ein aktiver Prozess, der die Eliminierung von Stoffen ermöglicht, die nicht mehr benötigt werden bzw. dem Körper schaden könnten. Dabei handelt es sich um Abfallprodukte (z.B. Kreatinin), Fremdsubstanzen (z.B. Penicillin) und überschüssige Ionen (H⁺, K⁺, NH4+), die den Körper über den Urin verlassen (Abb. 5).

Abb. 5 Zusammenfassung der Filtrations-, Resorptions- und Sekretionsvor-

gänge im Nephron und dem Sammelrohr (Abb. übernommen aus [2])

1.3.4. Das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System

Renin ist eine Endopeptidase, die hauptsächlich in den Zellen des juxtalomerulären Apparats der Nieren gebildet wird. Ausgelöst wird eine vermehrte Ausschüttung unter anderem durch:

1. Minderdurchblutung der Nieren, z.B. durch Blutdruckabfall,

2. Veränderung der Zusammensetzung der Flüssigkeit im distalen Tubulus (besonders Verminderung der NaCl-Konzentration).

Das ins Blut freigesetzte Renin spaltet Angiotensinogen, woraus sich Angiotensin I (ein Dekapeptid) bildet. Durch ein weiteres Enzym wird Angiotensin I in das Angiotensin II überführt, welches stark gefäßverengend wirkt. Durch eine Verengung der nierendurchblutenden Gefäße kommt es zu einer Verminderung der renalen Durchblutung und zu einer Abnahme der GFR.

Weiterhin kann Angiotensin II auch direkt Aldosteron (ein Mineralkortikoid) freisetzen. Dieses wirkt direkt auf den Wasserhaushalt, indem es die Natrium- und damit auch die Wasserrückresorption erhöht. Das alles dient der Blutdruckerhöhung und soll den Kreislauf stabilisieren. Nach Blutdruckerhöhung wird die weitere Reninfreisetzung gehemmt.

Bei einer unphysiologischen Reninausschüttung, z.B. nach einer Minderdurchblutung der Niere als Nebenwirkung eines Medikaments, kann die darauf folgende Vasokonstriktion unter Umständen nicht mehr ausgeglichen werden und führt zu einer Schädigung der Niere.

Hinweis: Diese Darstellung des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems ist sehr vereinfacht und gezielt für die Bearbeitung des folgenden Themas zusammengefasst.

Abb. 6 Renin-Angiotensin-Aldosteron-System

(Abb. übernommen aus [9])

Merke: Modifiziert nach [2]

1. Die Nieren filtern das Blut und leiten den Großteil des Wassers und der gelösten Substanzen zurück in den Blutstrom. Das restliche Wasser und die darin gelösten Bestandteilen bilden den Urin.

2. Die Nieren regulieren die Ionenzusammensetzung des Bluts, seine Osmolarität, Blutmenge und –druck, sowie den pH-Wert.

3. Das Nephron stellt eine Funktionseinheit in der Niere dar. Es besteht aus Glomerulus, Bowman-Kapsel und Tubulusapparat.

4. Der Tubulusapparat gliedert sich in proximalen Tubulus, Henle’sche Schleife und distalen Tubulus und mündet in das Sammerohr.

5. Das Epithel des proximalen Tubulus besitzt zum Lumen hin einen Bürstensaum, der der Oberflächenvergrößerung dient. Außerdem sind die Zellen des proximalen Tubulus stoffwechselaktiv. Beides macht die Zellen besonders anfällig gegenüber nephrotoxischen Substanzen, doch sind sie auch regenerationsfähig.

6. Das Nephron hat drei Aufgaben: glomeruläre Filtration, tubuläre Sekretion und tubuläre Rückresorption.

7. Die Filtrationsmembran besteht aus glomerulärem Endothel, der Basallamina und Filtrationsschlitzen zwischen den Fortsätzen der Podocyten.

8. Der Hauptteil der im Plasma gelösten Substanzen passiert den Filter ungehindert. Nur Blutzellen und die meisten Proteine gelangen normalerweise nicht hindurch.

9. Unter der glomerulären Filtrationsrate (GFR) versteht man die Menge des binnen einer Minute von beiden Nieren gebildeten Filtrats. Sie beträgt normalerweise 110-125 mL/min.

10. Die tubuläre Rückresorption ist ein selektiver Prozess, durch den Substanzen aus der Tubulusflüssigkeit zurückgewonnen und dem Blutfluss wieder zugeführt werden (Wasser, Glucose, Aminosäuren, Harnstoff und bestimmte Ionen).

11. Vom Körper nicht mehr benötigte Substanzen werden durch tubuläre Sekretion aus dem Blut entfernt und durch den Urin ausgeschieden (bestimmte Ionen, Harnstoff und Kreatinin).

12. Die Rückresorption findet auf zweierlei Art statt – parazellulär (zwischen den Zellen) und transzellulär (durch die Zellen hindurch).

13. Eine Reninausschüttung sorgt durch Auslösung eines regulatorischen Systems für eine Vasokonstriktion und damit verbunden eine verminderte Durchblutung der Nieren.