Niere: Teil eines gigantischen Regelwerks

Niere: Teil eines gigantischen Regelwerks

 

Die Niere ist eines der wichtigsten Organe des Körpers: Es reguliert das Volumen der Körperflüssigkeit, die Konzentration von Salzen und anderen gelösten Substanzen sowie den pH-Wert der Körperflüssigkeit. Sie sorgt auch für die Ausscheidung giftiger und unnützer Stoffe und ist darüber hinaus an der Regulation des Blutdrucks beteiligt.

 

 Durst und Exkretion

 

Der Körper benötigt Wasser als Grundlage aller Lebensfunktionen. Alles Wasser nimmt der Mensch durch den Mund auf: er trinkt und nimmt wasserhaltige Nahrung zu sich. Wasser entsteht außerdem als Spaltprodukt bei der Verdauung von Nährstoffen. Der Organismus verliert Wasser hauptsächlich über den Harn. In Abhängigkeit vom Wärmehaushalt gibt die Haut Schweiß in sehr unterschiedlicher Menge ab. Ferner verliert der Körper Wasser im Dampf der Atemluft sowie eine kleine Menge mit dem Stuhl.

 

Die Wasserzufuhr wird, meist unbewusst, über den Durst geregelt. Das im Hypothalamus befindliche Durstzentrum reagiert zur Aufrechterhaltung des Wasserhaushalts auf die Meldungen zweier Messfühler. Der erste misst hier die Konzentration von Ionen im Blut, zumeist in Form gelöster Salze. Wie auch experimentell belegt wurde, führt eine erhöhte Ionenkonzentration im Hypothalamus zum Durst. Injizierte man jedoch Versuchstieren gelöste Salze in der im Körper normal vorkommenden Konzentration, also eine isotonische Lösung, wurden sie nicht durstig.

 

Sensoren in der Wand des linken Vorhofs im Herzen fungieren als der zweite Messfühler. Sie reagieren auf Dehnung, messen also die Wandspannung und geben so ein Maß für das Volumen der Körperflüssigkeit, speziell des Blutes, an. Eine Abnahme des so indirekt bestimmten Volumens kann an allgemeinem Wasserverlust liegen, der Dehydratation; aber auch ein plötzlicher, stärkerer Blutverlust, beispielsweise eine Blutspende, verursacht mittels dieser Drucksensoren oft ein Durstgefühl.

 

Umgekehrt führt die Zufuhr erheblicher isotoner Flüssigkeitsmengen zur Ausscheidung von Wasser über die Niere. Gleichzeitig wird über die Ermittlung der Konzentration im Hypothalamus die Ausscheidung der dann überschüssigen Salze angeregt. Die Regelung über eine gleichzeitige Messung durch Chemorezeptoren (Konzentrationsfühler im Gehirn) und Barorezeptoren (Dehnungsfühler im Herzen) ist also sinnvoll und notwendig.

 

Das Trinken größerer Flüssigkeitsmengen bewirkt über den Weg der Volumenregulation schon nach weniger als einer halben Stunde eine deutliche Zunahme der Harnproduktion, der Diurese. Bei schneller Aufnahme von einem Liter Wasser gelangt diese Menge in etwa zwei Stunden zur Harnblase. Nimmt man anschließend keine Flüssigkeiten mehr zu sich und beschränkt die Wasserzufuhr mit der Nahrung auf die geringstmögliche Menge, so beträgt die Tagesharnmenge nur etwa 0,3 bis 0,5 Liter (Antidiurese), wobei die Konzentration gelöster Stoffe im Harn ansteigt.

 

 Einige Grunddaten zur Exkretion

 

Die Nieren bestehen aus rund 1,7 Millionen Exkretionseinheiten, winzigen kugelförmigen Kapseln, die zusammen mit den Harnkanälchen ein Geschlinge aus sehr feinen Blutgefäßen, den Haargefäßen enthalten. Diese Einheit aus Harnkapsel mit Haargefäßen und dem daran anschließenden Harnkanälchen ist das Nephron. Im Nephron wird das einlaufende Blut gefiltert, wobei wertvolle Bestandteile des Blutes zurückgehalten und Wasser mit seinen gelösten Bestandteilen als Primärharn in die Harnkanälchen abgegeben werden. Während in den Harnkapseln pro Tag knapp 150 Liter Primärharn ausfiltriert werden, wird er in den anschließenden Harnkanälchen auf komplizierte Weise zum fertigen Harn weiterverarbeitet. Vor allem Wasser, Glucose, Aminosäuren und Bicarbonat werden rückresorbiert. Die durchschnittliche Menge des täglich produzierten Harns beträgt etwa 1,3 bis 1,6 Liter, also etwa ein Prozent des zunächst filtrierten Primärharns. Mit dem Harn werden ungefähr 60 bis 75 Gramm fester Stoffe in gelöster Form ausgeschieden. Zu den auch ihrer Menge nach wichtigsten organischen Bestandteilen gehört der Harnstoff. Er entsteht im Körper aus einem Abbauprodukt des Proteinstoffwechsels, Ammoniak (NH₃), und Bicarbonat (HCO₃^-).

 

Mit knapp 1,5 Gramm täglicher Exkretion ist Kreatin die zweithäufigste organische Substanz. Kreatin ist notwendig zur Energiebereitstellung bei anaerober, also sauerstofffreier Muskeltätigkeit, bei plötzlich erhöhter Leistung oder für den Reserveeinsatz, sowohl bei Körperbewegungen als auch für die Arbeit des Herzens. Ferner fällt täglich noch etwa knapp ein Gramm Harnsäure an sowie eine ähnlich geringe Menge an Hippursäure.

 

Harn enthält nur wasserlösliche Substanzen, also keine Fette. Normalerweise ist im Harn kein Protein und kein Zucker zu finden; diese beiden Stoffgruppen sind als Bausteinsubstanzen und aus energetischen Aspekten auch zu kostbar, um auf sie einfach zu verzichten. Natrium- und Chloridionen werden in ihrer Menge durch die Niere fein reguliert und sind in ihrer Konzentration im Harn daher variabel. Fast alle anderen Stoffe werden im Harn gegenüber der Konzentration im Blut angereichert, Kalium zum Beispiel um mehr als das Zehnfache, Harnstoff etwa um Faktor sechzig.

 

 Ein geniales Prinzip

 

Die beiden Nieren sind die am stärksten durchbluteten Organe des Körpers und erhalten pro Gramm Organgewicht mit drei bis vier Milliliter pro Minute sogar siebenmal soviel Blut wie das Gehirn. Für ihre lebenswichtigen und vielfältigen Aufgaben benötigen die Nieren viel Energie, im Mittel rund 500 Joule (J) pro Tag (250 J bis etwa 750 J), das sind knapp ein Zehntel des gesamten Grundumsatzes des Körpers. Die drei Funktionsweisen der Nieren sind hierbei energetisch sehr unterschiedlich anspruchsvoll:

 

1) Die Filtration wird vom Blutdruck bewirkt und kostet praktisch keine zusätzliche Energie. 2) Die Rückresorption von Wasser und Natrium, aber auch von einigen anderen Substanzen, die mit dem Primärharn in großen Mengen in die Harnkanälchen übergetreten waren, ist die energetisch aufwendigste Funktion der Niere. Bei der von Tag zu Tag variierenden Kochsalzbelastung ist die Natriumrückresorption der weitaus bestimmende Faktor für den Energieverbrauch der Nieren (vergleiche hierzu auch den Säure-Basen- und den Elektrolythaushalt). 3) Hinzu kommt noch ein kleiner Energiebetrag durch die Sekretion einiger harnpflichtiger Substanzen.

 

Diese geniale Dreiteilung der Nierenfunktionen bot in der Evolution die einzige Überlebensmöglichkeit: Im Primärharn befinden sich praktisch alle wasserlöslichen Stoffe aus dem Blut, die ausgeschieden werden sollen. Auch wenn es Energie kostet, ist es für den Körper dennoch unumgänglich und übrigens auch einfacher, all jene Stoffe zurückzutransportieren, die er noch weiterhin benötigt, als für jede einzelne oder neue Substanz einen weiteren Erkennungs- und Ausscheidungsmechanismus bereitzuhalten. Bei Wanderungen von Menschenpopulationen in andere Vegetationsgebiete oder bei der Neuevolution von Pflanzen, die für den Körper bis dahin unbekannte Inhaltsstoffe bilden, braucht die Niere nun keine weiteren Exkretionsmechanismen zusätzlich zu entwickeln. So ist unser Exkretionssystem auch auf in der Evolution in Zukunft entstehende Stoffe jetzt schon vorbereitet.

 

 ADH

 

Die Menge des ausgeschiedenen Harns wird in erster Linie durch das antidiuretische Hormon ADH reguliert. Aufgrund der Messwerte der Konzentrationsfühler im Hypothalamus und der Dehnungsfühler im Herzen wird es nach Verrechnung mit den Sollwerten im Nucleus supraopticus des Hypothalamus in unmittelbarer Nähe des Durstzentrums gebildet. Die Regulation verläuft dann nach einem Hemmungsprinzip. Nach Aufnahme des getrunkenen Wassers aus dem Darm ist das Blutvolumen vergrößert. Daraufhin wird nach der äußerst empfindlichen Messung und einem Soll-/Istwert-Vergleich des Volumens die ADH-Ausschüttung gehemmt; die antidiuretische, also ausscheidungshemmende Wirkung des ADH auf die Niere bleibt aus, und die Ausscheidung von Harn nimmt zu.

 

Um seine Wirkung zu entfalten, wird das ADH über einen nervösen Trakt zum Hinterlappen der Hypophyse (Hirnanhangsdrüse) transportiert. ADH ist ein Neurohormon, das dort gespeichert und bei Bedarf an das Blut abgegeben wird. Es ist im Blut nur einige Minu- ten aktiv, da es sehr schnell chemisch in unwirksame Produkte umgebaut wird. Auch diese Abbaugeschwindigkeit ist ihrerseits Teil der Regulation.

 

Die ausscheidungshemmende Wirkung erzielt das ADH durch eine gesteigerte Rückgewinnung des reichlichen Primärharns in den Sammelrohren der Niere, in die der schon etwas konzentriertere Primärharn aus den Harnkanälchen mündet, sodass die Menge des in die Blase abgegebenen Harns sinkt. ADH gehört zu jenen Hormonen, die ihre Wirkung in geringsten Konzentrationen entfalten. Bereits zwei Milliardstel Gramm (2·10^-9g) in der Blutbahn verursachen eine erhebliche Verminderung der Harnproduktion durch die Niere. Wird beispielsweise durch einen Tumor in der Hypophyse zu viel ADH bereitgestellt, sinkt die Harnbildung dramatisch bei gleichzeitiger Wasseransammlung in den Geweben.

 

Ebenfalls vom Hypothalamus ausgehend gibt es auch nervöse Regulierungswege über das sympathische und das parasympathische Nervensystem. Eine Ausschaltung beider Nerveneinflüsse führt zu vermehrter Harnbildung mit niedrigen Konzentrationen. Die harnmindernde parasympathische Wirkung wird im Tagesverlauf auch dadurch deutlich, dass bei hoher parasympathischer Aktivität (das heißt einem hohen Tonus des Nervus vagus) während des Nachtschlafes weniger Harn gebildet wird als tagsüber.

 

 Der Elektrolythaushalt

 

Die im Körper vorhandene Natriummenge ist jener der Natriumkonzentration im Blut etwa proportional; je mehr Natrium im Körper vorhanden ist, desto mehr Wasser werden die Natriumionen an sich binden, womit das Volumen in den Blutgefäßen zunimmt. Bei zu hohem Wasservolumen im Körper wirken die Regulationsmechanismen harntreibend, womit gegebenenfalls auch viel Natrium ausgeschwemmt wird. Dabei ist erstaunlich, wie fein abgestimmt diese Regulation arbeitet, denn über 99 Prozent des Natriums im Primärharn werden wieder ins Blut zurücktransportiert. Erst innerhalb des kleinen Bereichs von nur einem Prozent geschieht die maßgebliche Regulation. Die Regulation des Salzhaushalts erfolgt ebenfalls hormonell über ein in der Nebennierenrinde gebildetes Mineralcorticoid, das Aldosteron. Aldosteron hemmt die Ausscheidung von Natrium und damit auch die von Wasser.

 

Eine übermäßige Steigerung der Salzzufuhr verursacht also deren Eliminierung durch die Niere. Hierfür ist eine bestimmte Harnmenge nötig, sodass die Salzabgabe ebenfalls eine gewisse Diurese und damit wieder Durst erzeugt. Im Meerwasser ist übrigens mehr Natrium enthalten als der Körper an Wasser zu dessen Ausscheidung benötigt. Deshalb verursacht das Trinken von Meerwasser mehr Durst als es stillt. Der Durst nach Aufnahme von salziger Kost entsteht also erstens durch die Konzentrationssteigerung selber und zweitens durch den Wasserverlust, der mit der Konzentrationsregulierung zwangsläufig einhergeht.

 

 Der Säure-Basen-Haushalt

 

Reines Wasser ist weder eine Säure noch eine Base: Es ist neutral und hat einen pH-Wert von 7,0. Der pH-Wert selbst gibt die Konzentration der Wasserstoffionen (H⁺-Ionen, Protonen) an. Blut und die Gewebeflüssigkeit sind leicht alkalisch oder basisch, mit einem pH-Wert von recht genau 7,40. Die Enzyme des Körpers und andere Proteine arbeiten oft nur in sehr genau eingestellten pH-Bereichen. Auch die Zellstruktur und die Durchlässigkeit von Zellmembranen sind von einem genauen Säure-Basen-Gleichgewicht abhängig. Die meisten Säuren entstehen im Körper durch den Abbau organischer Substanzen. Hauptabbauprodukt ist das Kohlendioxid (CO₂). Zusammen mit dem Körperwasser bildet es ein Puffersystem im Blut: Kohlendioxid und Wasser dissoziieren zu Wasserstoffionen (H⁺) und Bicarbonat (HCO₃^-, das nicht sauer reagierende Salz der Kohlensäure). Aufgabe des Puffersystems ist es, Wasserstoffionen abzufangen, damit der pH-Wert des Blutes nicht sinkt, also nicht zu sauer wird. Sind also zu viele H⁺-Ionen im Blut, binden sie an Bicarbonat und es entstehen Kohlendioxid und Wasser. Kohlendioxid wiederum wird von der Lunge abgeatmet, während das Wasser zurückbleibt. Die Lunge ist also eines der wesentlichen Stellglieder im Säure-Basen-Haushalt.

 

Nahrungsproteine liefern neben vielen anderen Spaltprodukten auch Schwefel- und Phosphorsäure (H₂SO₄ und H₃PO₄). Ferner entsteht bei kräftiger Muskelarbeit Lactat (Milchsäure). Für die Abgabe solcher Säuren ist allein die Niere zuständig. Der Regelmechanismus der Niere für den Säurehaushalt arbeitet im Wesentlichen nach einem Austauschprinzip. In den Harnkanälchen, in der Nähe der filtrierenden Harnkapseln, werden Natriumionen aus dem Primärharn in die Wandzellen des Harnkanälchens zurückresorbiert.

 

Natriumionen werden im Zahlenverhältnis 1 : 1 gegen Wasserstoffionen ausgetauscht. Die elektrische Ladungsbilanz bleibt unverändert, während die den sauren Charakter besitzenden H⁺-Ionen in den Harnkanal eliminiert werden. Die H⁺-Ionen stammen nicht direkt aus einer dissoziierten Säure, sondern wurden in der Zelle durch eine enzymatische Spaltung von Wassermolekülen gewonnen: H₂O → H⁺ + OH^-. Das zurückbleibende Hydroxidion OH^- kann mit Kohlendioxid CO₂ zu HCO₃^- reagieren. Durch die Ausscheidung von H⁺ in das Harnkanälchen wird der pH-Wert dort von dem leicht alkalischen pH 7,4 (der Wert des Plasmas), zu einem pH von 6,6 etwas niedriger. Reagiert die Körperflüssigkeit bereits etwas sauer, liegt eine Azidose vor und der Austauschmechanismus wird intensiviert.

 

In weiteren Abschnitten des Harnkanälchens existieren Protonenpumpen ohne einen Natriumaustausch, die daher Energie verbrauchen. Auch hier stammt das H⁺ aus der Spaltung eines Wassermoleküls. Das HCO₃^- wird ebenfalls aktiv rückresorbiert und ins Blut transportiert und kann dort Säuren puffern, indem es einen Teil der H⁺-Ionen bindet und somit neutralisiert. Im Sammelrohr der Harnkanälchen kann mit diesem Mechanismus der pH-Wert des Harns bei Bedarf auf einen recht sauren Minimalwert von nur 4,5 abgesenkt werden, ein sehr wirksames Mittel gegen angesäuertes Blut.

 

Die wichtigste Quelle alkalischer Substanzen ist der vegetarische Teil unserer Nahrung, wobei Fruchtsäuren abgebaut und ihr Säureanteil als CO₂ über die Lunge abgeatmet werden: Es entstehen alkalische Kalium- und Natriumverbindungen, zum Beispiel Soda, die den Blut-pH-Wert über 7,4 anheben können. Ein zu hoher pH-Wert des Blutes kann auch durch Abatmung von zu viel Kohlendioxid entstehen, die respiratorische Alkalose, oder beispielsweise durch einen ungewöhnlich hohen Verlust von Säuren bei Krankheiten oder Vergiftungen, die mit Erbrechen einhergehen. Hierbei kann der Körper unter Umständen große Mengen an Säuren verlieren. Die bei zu alkalischen pH-Werten des Blutes regulierenden Mechanismen der Niere können den Harn über den Neutralwert pH 7,0 bis auf maximal etwa pH 8,2 erhöhen und hierdurch den pH-Wert im Blut von 7,4 wieder herstellen.

 

Prof. Dr. Carsten Niemitz

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Blutdruck: Mechanismen zur Regulation

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Regelkreise im menschlichen Körper