Elektrolythaushalt

Übersicht

• Natrium
• Kalium
• Calcium

Natrium

Na⁺-Rückresorption

• Über 99 % der primär filtrierten Na⁺-Menge werden zurückresorbiert.
• Die Na⁺-Resorption findet über alle Abschnitte des Tubulusapparates statt.
• Der Einstrom von Na⁺ in die Zellen der verschiedenen Tubulusabschnitte findet stets passiv (bzw. sekundär aktiv) statt, läuft in verschiedenen Bereichen aber über unterschiedliche Carrier- und Kanalproteine.
  • Die Triebkraft für die passive Na⁺-Aufnahme ist der elektrochemische Gradient, der durch die basolaterale Na⁺/K⁺-ATPase aufgebaut wird.

Proximaler Tubulus

• Etwa 60 - 65 % der primär filtrierten Na⁺-Menge werden bereits im proximalen Tubulus zurückresorbiert.
• Die Resorption erfolgt vor allem sekundär-aktiv über einen elektroneutralen Na⁺/H⁺-Antiporter (NHE3, Na⁺-H⁺-exchanger, type 3) sowie über diverse Na⁺-Symportcarrier für die sekundär aktive Aufnahme anderer Substanzen, z.B. von Glucose.
• Da die Symportcarrier zumeist elektrogen sind, baut sich ein lumen-negatives transepitheliales Potential (LNTP) auf, das Anionen wie Cl^- parazellulär zurück ins Blut treibt.

Henle-Schleife

• In der Henle-Schleife werden etwa 25 - 30 % der primär filtrierten Na⁺-Menge zurückresorbiert.
• Die Resorption erfolgt über einen Na⁺-K⁺-2Cl₂^--Symportcarrier (BSC, Bumetanid-sensitiver Cotransporter), der zwar primär elektroneutral ist, durch die Rezirkulation des aufgenommenen Kaliums über K⁺-Kanäle ins Lumen jedoch zur Ausbildung eines lumen-positiven transepithelialen Potentials (LPTP) führt.

Distaler Tubulus

• Im distalen Tubulus werden etwa 5 % der primär filtrierten Na⁺-Menge zurückresorbiert.
• Verantwortlich dafür ist ein elektroneutraler Na⁺-Cl^--Symportcarrier (TSC, Thiazid-sensitiver Cotransporter).

Verbindungstubulus und Sammelrohr

• Im Verbindungstubulus und Sammelrohr findet die hormonelle Feineinstellung der Natriumresorption statt. Sie ist auf etwa 1 - 5 % der primär filtrierten Na⁺-Resorption begrenzt.
• Na⁺ wird hier über, in ihrer Menge hormonal beeinflussbare, Na⁺-Kanäle in die Tubuluszellen aufgenommen.
  • Da dabei das Membranpotential auf der Tubulusseite stärker steigt, als das auf der basolateralen (ca. - 20 mV zu etwa - 70 mV), ist es auf dieser Seite weiter vom K⁺-Gleichgewichtspotential entfernt, als auf der basolateralen Seite.
  • Über die basolaterale Na⁺/K⁺-ATPase in die Tubuluszelle aufgenommenes K⁺ verlässt die Zelle somit bevorzugt über die luminale Membran.
  • Eine erhöhte Na⁺-Aufnahme im Sammelrohr führt somit immer zu einer erhöhten K⁺-Ausscheidung mit dem Harn.

Einflüsse auf die Na⁺-Ausscheidung

• Die Regulation der Na⁺-Ausscheidung erfolgt durch hormonale Regelkreise.
• Alle dabei beteiligten Hormone wirken praktisch ausschließlich am Sammelrohr, wo sie die Anzahl von Na⁺-Kanälen steuern.
• Das für den Natriumhaushalt wichtigste Hormon ist das Mineralokortikoid Aldosteron, dessen Freisetzung vor allem an das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System gebunden ist.
• Daneben spielt auch Antidiuretisches Hormon eine wichtige Rolle.
• Beide bisher genannten Substanzen wirken natriumretinierend.
• Eine gesteigerte Na⁺-Ausscheidung bewirken das atriale natriuretische Peptid (ANP) sowie Prostaglandine.

Kalium

Allgemeines

• Die tägliche Aufnahme von K⁺ beträgt beim Erwachsenen, abhängig von der Ernährung, etwa 2 - 5 g (50 -125 mmol).
• K⁺ ist vor allem für den Intrazellularraum von Bedeutung. Dort bestimmen K⁺-Ionen wesentlich die Elektroneutralität und die Osmolarität, beeinflussen Enzymaktivitäten und schaffen die Voraussetzung für die Erregungsleitung der Nerven- und Muskelzellen.
• Die Kontrolle der extrazellulären K⁺-Konzentration erfolgt über die renale Ausscheidung unter Mitwirkung von Aldosteron, wobei die Ausscheidungsrate dem Angebot zweckmäßig angepasst wird.
• Für die Aufrechterhaltung der intrazellulären K⁺-Konzentration, die etwa 30mal größer ist als die extrazelluläre, sorgt die membranständige Na⁺/K⁺-ATPase.

K⁺-Rückresorption

• Normalerweise wird primär filtriertes K⁺ im Tubulusapparat wieder zu großen Teilen zurückresorbiert. Unter bestimmten Bedingungen kann die K+-Ausscheidung aber auch die glomeruläre Filtration übersteigen.

Proximaler Tubulus

• Bis zum Ende proximalen Tubulus werden, unabhängig von der K⁺-Zufuhr etwa 65 % der filtrierten Menge wieder resorbiert.
  • Die Menge des rückresorbierten K⁺ entspricht damit in etwa der von Na⁺ und H₂O in diesem Tubulusabschnitt.
• Die Rückresorption erfolgt vorwiegend parazellulär, angetrieben durch das über Cl^- im mittel- und spätproximalen Tubulus aufgebaute LPTP und solvent drag.

Henle-Schleife

• In der Henle-Schleife werden etwa 15 % der primär filtrierten K⁺-Menge resorbiert.
• Die Resorption erfolgt zum einen transzellulär über den Na⁺-K⁺-2Cl^--Symportcarrier, zum anderen parazellulär über das durch die K⁺-Rückdiffusion ins Lumen erzeugte LPTP.

Verbindungstubulus und Sammelrohr

• Die Regulation der K⁺-Resorption findet im Verbindungstubulus und im Sammelrohr statt.
  • Dabei sind die Regulationsmöglichkeiten so ausgeprägt, dass die fraktionelle K+-Ausscheidung zwischen 3 % bei Kaliummangel und über 100  % bei einem Kaliumüberschuss variiert werden kann.
• Die Aufnahme- oder Abgabe von K⁺ wird über verschiedenen zelluläre Mechanismen geregelt.
• Sogenannte Hauptzellen sezernieren K⁺ ins Tubuluslumen im Austausch gegen Na⁺.
  • Durch Aldosteron werden vermehrt Na+-Kanäle in die luminale Membran eingelagert, wodurch der Na⁺-Einstrom in die Hauptzelle steigt.
  • Durch den Na⁺-Einstrom wird die luminale Membran bis auf ca. - 20 mV depolarisiert.
  • Da an der basolateralen Membran das normale Membranpotential von ca. - 70 mV aufrecht erhalten bleibt, besteht auf der luminalen Seite eine höhere Triebkraft für den K⁺-Ausstrom (K⁺-Gleichgewichtspotential ca. - 95 mV).
  • Über die basolaterale Na⁺/K⁺-ATPase in die Tubuluszelle aufgenommenes K⁺ verlässt die Zelle somit bevorzugt über die luminale Membran.
• Eine erhöhte Na⁺-Aufnahme im Sammelrohr führt über diesen Mechanismus immer zu einer erhöhten K⁺-Ausscheidung mit dem Harn.
  • Zusätzlich scheint die K⁺-Ausscheidung bei vermehrter intrazellulärer Na⁺-Konzentration durch eine Verminderung der Triebkraft des 3Na⁺/Ca²⁺-Antiporters vermehrt zu werden. Die so entstehende erhöhte intrazelluäre Ca²⁺-Konzentration führt zu einer höheren Offenwahrscheinlichkeit der K⁺-Kanäle und somit verstärktem K⁺-Ausstrom.
• Schaltzellen vom Typ A, die auch der Ausscheidung von H⁺ dienen, besitzen dazu u.a. eine H⁺/K⁺-ATPase, mit der sie K⁺ aktiv aus dem Harn resorbieren können.

Einflüsse auf die K⁺-Ausscheidung

• Hyperkaliäme, Alkalose, erhöhte Diurese und Aldosteron erhöhen die K⁺-Ausscheidung.
  • Bei Hyperkaliäme und Alkalose kommt es zu einer Erhöhung der intrazellulären K⁺-Konzentration und somit zu einem stärkeren Konzentrationsgefälle zum Tubuluslumen, was zu einer vermehrten Diffusion von K⁺ in den Harn führt. Außerdem führt eine Hyperkaliäme zu einer vermehrten Ausschüttung von Aldosteron.
  • Eine gesteigerte Diurese führt allgemein zu einer gesteigerten K⁺-Ausscheidung, unabhängig vom Grund der Steigerung der Harnmenge. Es wird vermutet, dass die K⁺-Sekretion durch eine bestimmte K⁺-Konzentration im Lumen begrenzt ist. Mehr Harn kann also mehr K⁺ aufnehmen.
  • Aldosteron bewirkt über die verstärkte Na⁺-Aufnahme im Sammelrohr eine verstärkte K⁺-Ausscheidung.
• Hypokaliämie und eine akute Azidose vermindern die K⁺-Ausscheidung.
  • Der Effekt tritt nur bei akuter Azidose auf, da diese die intrazelluläre K⁺-Konzentration verringert. Längerfristig normalisiert sich die K⁺-Ausscheidung durch die azidosebedingte Hemmung der Na⁺/K⁺-ATPase, die somit erhöhte intrazelluläre Na⁺-Konzentration und die dadurch wiederum verminderte Aufnahme von Na⁺ aus dem Lumen, die zu einer gesteigerten Harmenge (s.o.) führt. Außerdem wird durch die langsam entstehende Hyperkaliäme die Freisetzung von Aldosteron angeregt (s.o.).

Calcium

Allgemeines

• Die Calciumreserven des Körpers finden sich vor allem in den Knochen.
• Die extra- v.a. aber die intrazelluläre Ca²⁺-Konzentration muss streng geregelt werden.
• 55 % des extrazellulären Ca²⁺ befinden sich im Plasma. Diese 55 % Teilen sich auf in ca. 45 % an Albumin gebundenes Ca²⁺ und etwa 10 % an andere Puffer wie Calciumphosphat, Calciumcitrat etc. gebunden.
• Die restlichen 45 % des extrazellulären Ca²⁺ liegen frei im Plasma vor. Nur dieser Anteil ist biologisch aktiv und muss reguliert werden.
• Im Körper sind der Stoffwechsel von Ca²⁺ und Phosphat eng miteinander verbunden. Er erfolgt vor allem hormonell über PTH, Calcitriol und Calcitonin.

Ca²⁺-Resorption

• Calcium wird im Duodenum über einen aktiven, Vitamin-D-abhängigen Transporter aktiv resorbiert.
• Im gesamten Dünndarm ist jedoch eine weitere Resorption durch Diffusion möglich.
• Normalerweise werden etwa 40 % des in den Darm gelangenden Calciums resorbiert, da jedoch auch Ca²⁺ ausgeschieden wird, beträgt die effektive Aufnahme nur etwa 25 %.

Ca²⁺-Rückresorption in der Niere

• Ca²⁺ wird praktisch über den gesamten Tubulusapparat zurückresorbiert.
• Insgesamt werden nur etwa 0,5 - 3 % der primär filtrierten Ca²⁺-Menge mit dem Endharn ausgeschieden.
• Aus noch ungeklärten Gründen führt eine Azidose zu einer verringerten Ca²⁺-Resorption.

Proximaler Tubulus

• Etwa 60 % der primär filtrierten Ca²⁺-Menge werden im mittel- bis spätproximalen Tubulus zurückresorbiert.
• Die Resorption erfolgt parazellulär, angetrieben durch das in diesem Bereich durch die passive Cl^--Resoption aufgebaute LPTP.

Henle-Schleife

• Im aufsteigenden, dicken Teil der Henle-Schleife werden etwa 30 % der primär filtrierten Ca²⁺-Menge durch parazelluläre Aufnahme zurückresorbiert.
• Das als Triebkraft dabei dienende LPTP wird hier durch die Resorption von Na⁺, K⁺ und Cl^- über den Na⁺-K⁺-2Cl^--Sympoter und die anschließende Rückdiffusion von K⁺ ins Tubuluslumen erzeugt.
  • Da dieser Transporter durch Schleifendiuretika gehemmt wird, erhöhen diese folglich die Ca²⁺-Ausscheidung.

Distaler Tubulus

• Im distalen Tubulus wird Ca²⁺ transzellulär zurückresorbiert.
• An der luminalen Membran sitzen dazu Ca²⁺-Kanäle, die Ca²⁺-passiv in die Tubuluszelle einströmen lassen, an der basalen Membran finden sich zwei Transporter:
  • Ca²⁺-ATPase, die Ca²⁺ primär aktiv aus der Tubuluszelle ins Blut abgibt
  • 3Na⁺/Ca²⁺-Antiporter, der für einen sekundär-aktiven Transport des Calciums ins Blut sorgt.

Einflüsse auf die Ca²⁺-Ausscheidung

• Der Ca²⁺-Haushalt wird vor allem durch die Regulation der Ca²⁺-Aufnahme aus dem Darm gesteuert. Dennoch spielt die renale Ausscheidung eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Ca²⁺-Homöostase.
• PTH fördert die Ca²⁺-Resorption an der Henle-Schleife und am distalen Tubulus.

Magnesium

Mg²⁺-Rückresorption

• Magnesium wird zu etwa 92 - 97 % aus dem Primärfiltrat zurückresorbiert.

Proximaler Tubulus

• Im Gegensatz zu Ca²⁺, das vorwiegend im proximalen Tubulus zurückresorbiert wird, wird mg²⁺ in diesem Tubulusabschnitt nur zu etwa 15 % wieder ins Blut aufgenommen.
• Der Resorptionsmechanismus entspricht dem von Ca²⁺, ist also auch eine parazelluläre Resorption aufgrund des durch die Cl^--Diffusion aufgebauten LPTPs.

Henle-Schleife

• Über 70 % der filtrierten mg²⁺-Menge werden im Bereich des dicken, aufsteigenden Schenkels der Henle-Schleife zurückresorbiert.
• Triebkraft ist das durch den Na⁺-K⁺-2Cl^--Symporter aufgebaute LPTP, das für die parazelluläre Resorption von mg²⁺ und anderen Kationen sorgt.

Distaler Tubulus

• Die Resorption von mg²⁺ im Bereich des distalen Tubulus verläuft über mg²⁺-Kanäle an der luminalen Membran und eine mg²⁺-ATPase an der basalen.
  • Dieser Mechanismus scheint bereits bei physiologischen Bedingungen gesättigt zu sein. Da für mg²⁺ keine zusätzlicher Transporter, wie der 3Na⁺/Ca²⁺-Antiporter für Ca²⁺ existiert, wird es bei erhöhtem Harnvolumen daher auch vermehrt ausgeschieden.

Einflüsse auf die mg²⁺-Ausscheidung

• Hypermagnesiämie, Hyperkalzämie, Hypervolämie und Schleifendiuretika erhöhen die mg²⁺-Ausscheidung.
• Hypomagnesiämie, Hypokalzämie, Hypovolämie, PTH und andere Hormone verringern die mg²⁺-Auscheidung.
• Die Niere besitzt Sensoren für zweiwertige Kationen wie mg²⁺ und Ca²⁺. Werden diese aktiviert, so wird die Aktivität des Na⁺-K⁺-2Cl^--Symporters in der Henle-Schelife reduziert und als Folge v.a. die mg²⁺-Resorption verringert.

Chlorid

Cl^--Resorption

• Vom primär filtrierten Cl- werden etwa 95 - > 99 % zurückresorbiert. Die Resorption erfolgt stets passiv, jedoch in verschiedenen Abschnitten des Tubulusapparates über verschiedene Mechanismen.

Proximaler Tubulus

• Im proximalen Tubulus werden bereits ca. 50 % des primär filtrierten Cl^- zurückresorbiert.
• Als Antrieb dient im frühen proximalen Tubulus das durch die elektrogenen Na⁺-Symportcarrier dort aufgebaute LNTP.
• Die Resorption findet parazellulär statt, bleibt jedoch hinter der Wasser- und Na⁺-Resorption zurück, so dass sich im Lumen eine zunehmen höhere Konzentration an Cl^- findet.
• Dies führt schließlich dazu, dass im mittel- bis spätproximalen Tubulus Cl^- parazellulär entlang seines chemischen Konzentrationsgefälles ins Blut diffundiert und dabei eine Umpolung des transepithelialen Potentials bewirkt. Ab hier herrscht nun ein lumen-positives transepitheliales Potential (LPTP), das als Triebkraft für die ebenfalls parazelluläre und passive Resorption von anderen Kationen (z.B. K⁺, Na⁺, Ca²⁺, mg²⁺) dient.

Henle-Schleife

• Im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife wird Cl^- über einen Na⁺-K⁺-2Cl^--Symportcarrier (BSC) transzellulär resorbiert.
• Das in die Zelle aufgenommene Cl^- verlässt sie an der basolateralen Membran über einen Cl^--Kanal, der durch ADH aktivierbar ist.

Distaler Tubulus

• Die Rückresorption von Cl^- im distalen Tubulus erfolgt über einen Na⁺-Cl^--Symporter (TSC).
• Das in die Zelle aufgenommene Cl^- verlässt sie an der basolateralen Membran über einen Cl^--Kanal, der durch ADH aktivierbar ist.

Phosphat

Allgemeines

• Wie für Calcium, dienen auch für Phosphat die Knochen als Speicherorgan.
• Im Körper sind der Stoffwechsel von Ca²⁺ und Phosphat eng miteinander verbunden. Er erfolgt vor allem hormonell über PTH, Calcitriol und Calcitonin.

Phosphat-Resorption

• Die Phosphat-Resorption erfolgt aktiv und Vitamin-D-abhängig aus dem Dünndarm, wobei etwa 66 % der oral aufgenommenen Menge resorbiert werden.

Phosphat-Rückresorption

• Die Rückresorption von Phosphat aus dem Primärharn erfolgt ganz überwiegend im proximalen Tubulus.

Proximaler Tubulus

• Etwa 70 - 90 % der primär filtrierten Phsophat-Menge werden im proximalen Tubulus über einen Na⁺-P_i-Symportcarrier resorbiert.
• Der als NaPi-3 bezeichnete Cotansporter akzeptiert sowohl HPO₄^2-, als auch H₂PO₄^- als Substrat. Das Verhältnis der Transportierten Ionen ist noch nicht abschließend geklärt, man vermutet eines von 3 : 1.

Einflüsse auf die Phosphat-Ausscheidung

• Die Ausscheidung von Phosphat wird über die hormonale Steuerung der Anzahl der NaPi-3-Trasporter im proximalen Tubulus reguliert.
• Phosphatmangel, Alkalose, Hyperkalzämie und eine niedrige Konzentration an PTH fördern den Einbau von NaPi-3-Tranportern in die luminale Membran und erhöhen so die Phosphat-Rückresorption.
• Phosphatüberfluss, Azidose, Hypokalzämie und eine erhöhte Konzentration an PTH bewirken eine Internalisierung (Down-Regulation) und den anschließenden lysosomalen Abbau von NaPi-3-Transportern, verringern so also die Phosphat-Rückresorption.

• Siehe auch:

  • Niere

    • Nephron

      • Tubulusapparat

  • Säure-Basen-Haushalt

  • Wasserhaushalt

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