Biologie I

Obwohl die Nieren das wichtigste Osmoregulationsorgan sind, spielen auch die Haut und die Lunge eine Rolle bei diesem Prozess. Wasser und Elektrolyte gehen über die Schweißdrüsen der Haut verloren, was zur Befeuchtung und Kühlung der Hautoberfläche beiträgt, während die Lunge eine geringe Menge Wasser in Form von Schleimabsonderungen und durch Verdunstung von Wasserdampf ausscheidet.

Nieren: Das wichtigste Organ der Osmoregulation

Abbildung 1. Die Nieren filtern das Blut und produzieren Urin, der in der Blase gespeichert wird, bevor er durch die Harnröhre ausgeschieden wird. (credit: modification of work by NCI)

Die Nieren, die in Abbildung 1 dargestellt sind, sind ein Paar bohnenförmiger Strukturen, die sich direkt unter und hinter der Leber in der Bauchhöhle befinden. Die Nebennieren sitzen über jeder Niere und werden auch als Nebennieren bezeichnet. Die Nieren filtern das Blut und reinigen es. Das gesamte Blut im menschlichen Körper wird mehrmals täglich von den Nieren gefiltert; diese Organe verbrauchen fast 25 Prozent des über die Lungen aufgenommenen Sauerstoffs, um diese Funktion zu erfüllen. Der Sauerstoff ermöglicht es den Nierenzellen, durch aerobe Atmung effizient chemische Energie in Form von ATP herzustellen. Das Filtrat, das aus den Nieren austritt, wird Urin genannt.

Nierenstruktur

Äußerlich sind die Nieren von drei Schichten umgeben, die in Abbildung 2 dargestellt sind. Die äußerste Schicht ist eine zähe Bindegewebsschicht, die Nierenfaszie. Die zweite Schicht ist die perirenale Fettkapsel, die dazu beiträgt, die Nieren zu verankern. Die dritte und innerste Schicht ist die Nierenkapsel. Im Inneren hat die Niere drei Bereiche: eine äußere Rinde, ein Mark in der Mitte und das Nierenbecken in der Region, die Hilum der Niere genannt wird. Das Hilum ist der konkave Teil der Bohnenform, in dem Blutgefäße und Nerven in die Niere ein- und aus ihr austreten; hier befindet sich auch der Ausgang der Harnleiter. Die Nierenrinde ist aufgrund des Vorhandenseins von Nephronen – der funktionellen Einheit der Niere – körnig. Das Mark besteht aus mehreren pyramidenförmigen Gewebemassen, den so genannten Nierenpyramiden. Zwischen den Pyramiden befinden sich Räume, die Nierensäulen genannt werden und durch die die Blutgefäße verlaufen. Die Spitzen der Pyramiden, die so genannten Nierenpapillen, zeigen zum Nierenbecken hin. In jeder Niere gibt es im Durchschnitt acht Nierenpyramiden. Die Nierenpyramiden werden zusammen mit der angrenzenden Rindenregion als Nierenlappen bezeichnet. Das Nierenbecken mündet auf der Außenseite der Niere in den Harnleiter. An der Innenseite der Niere verzweigt sich das Nierenbecken in zwei oder drei Fortsätze, die als große Nierenkelche bezeichnet werden, die sich wiederum in die kleinen Nierenkelche verzweigen. Die Harnleiter sind harnführende Röhren, die aus der Niere austreten und in die Harnblase münden.

Abbildung 2. Die innere Struktur der Niere ist dargestellt. (credit: modification of work by NCI)

Da die Niere das Blut filtert, ist ihr Netzwerk von Blutgefäßen ein wichtiger Bestandteil ihrer Struktur und Funktion. Die Arterien, Venen und Nerven, die die Niere versorgen, treten am Nierenhilum ein und aus. Die Blutversorgung der Niere beginnt mit der Verzweigung der Aorta in die Nierenarterien (die jeweils nach der Region der Niere benannt sind, durch die sie verlaufen) und endet mit dem Austritt der Nierenvenen, die in die untere Hohlvene münden. Die Nierenarterien teilen sich beim Eintritt in die Nieren in mehrere Segmentarterien auf. Jede Segmentarterie teilt sich weiter in mehrere interlobar Arterien und tritt in die Nierensäulen ein, die die Nierenlappen versorgen. Die interloben Arterien spalten sich an der Grenze zwischen Nierenrinde und Nierenmark auf und bilden die bogenförmigen Arterien. Die „bogenförmigen“ Arterien bilden Bögen entlang der Basis der Markpyramiden. Die kortikalen Strahlenarterien gehen, wie der Name schon sagt, strahlenförmig von den Arkusarterien aus. Die kortikalen radialen Arterien verzweigen sich in zahlreiche afferente Arteriolen und münden dann in die Kapillaren, die die Nephrone versorgen. Die Venen folgen dem Verlauf der Arterien und haben ähnliche Namen, außer dass es keine segmentalen Venen gibt.

Wie bereits erwähnt, ist die funktionelle Einheit der Niere das Nephron, wie in Abbildung 3 dargestellt. Jede Niere besteht aus mehr als einer Million Nephronen, die die Nierenrinde überziehen und ihr ein körniges Aussehen verleihen, wenn man sie sagittal schneidet. Es gibt zwei Arten von Nephronen: kortikale Nephrone (85 %), die tief in der Nierenrinde liegen, und juxtamedulläre Nephrone (15 %), die in der Nierenrinde nahe dem Nierenmark liegen. Ein Nephron besteht aus drei Teilen – einem Nierenkörperchen, einem Nierentubulus und dem zugehörigen Kapillarnetz, das von den kortikalen Strahlenarterien ausgeht.

Abbildung 3. Das Nephron ist die funktionelle Einheit der Niere. Der Glomerulus und die Faltenkanälchen befinden sich in der Nierenrinde, während die Sammelkanäle in den Pyramiden der Medulla liegen. (credit: modification of work by NIDDK)

Nierenkörperchen

Das Nierenkörperchen, das sich in der Nierenrinde befindet, besteht aus einem Netz von Kapillaren, das als Glomerulus bezeichnet wird, und der Kapsel, einer becherförmigen Kammer, die es umgibt und als glomeruläre oder Bowman-Kapsel bezeichnet wird.

Nierentubulus

Der Nierentubulus ist eine lange und gewundene Struktur, die aus dem Glomerulus hervorgeht und je nach Funktion in drei Teile unterteilt werden kann. Der erste Teil wird wegen seiner Nähe zum Glomerulus als proximaler Tubulus (PCT) bezeichnet; er liegt in der Nierenrinde. Der zweite Teil wird als Henle-Schleife oder nephritische Schleife bezeichnet, weil er eine Schleife (mit absteigenden und aufsteigenden Schenkeln) bildet, die durch das Nierenmark verläuft. Der dritte Teil des Nierentubulus wird als distaler Tubulus convolutus (DCT) bezeichnet und ist ebenfalls auf die Nierenrinde beschränkt. Der DCT, der letzte Teil des Nephrons, verbindet sich und entleert seinen Inhalt in die Sammelkanäle, die die Markpyramiden säumen. Die Sammelkanäle sammeln den Inhalt mehrerer Nephrone und verschmelzen miteinander, wenn sie in die Papillen des Nierenmarks eintreten.

Kapillarnetz im Nephron

Das Kapillarnetz, das von den Nierenarterien ausgeht, versorgt das Nephron mit Blut, das gefiltert werden muss. Der Ast, der in den Glomerulus eintritt, wird afferente Arteriole genannt. Der Ast, der den Glomerulus verlässt, wird als efferente Arteriole bezeichnet. Das Kapillarnetz im Glomerulus wird als glomeruläres Kapillarbett bezeichnet. Sobald die efferente Arteriole den Glomerulus verlässt, bildet sie das peritubuläre Kapillarnetz, das Teile des Nierentubulus umgibt und mit diesem interagiert. In kortikalen Nephronen umgibt das peritubuläre Kapillarnetz den PCT und DCT. In juxtamedullären Nephronen bildet das peritubuläre Kapillarnetz ein Netz um die Henle-Schleife und wird als Vasa recta bezeichnet.

Nierenfunktion und Physiologie

Die Nieren filtern das Blut in einem dreistufigen Prozess. Zunächst filtern die Nephrone das Blut, das durch das Kapillarnetz im Glomerulus fließt. Nahezu alle gelösten Stoffe, mit Ausnahme von Proteinen, werden durch die so genannte glomeruläre Filtration in den Glomerulus ausgefiltert. Anschließend wird das Filtrat in den Nierentubuli gesammelt. Die meisten gelösten Stoffe werden im PCT durch einen Prozess, der als tubuläre Reabsorption bezeichnet wird, rückresorbiert. In der Henle-Schleife tauscht das Filtrat weiterhin gelöste Stoffe und Wasser mit dem Nierenmark und dem peritubulären Kapillarnetz aus. In diesem Schritt wird auch Wasser rückresorbiert. Anschließend werden im Rahmen der tubulären Sekretion weitere gelöste Stoffe und Abfallstoffe in die Nierentubuli ausgeschieden, was im Wesentlichen das Gegenteil der tubulären Rückresorption darstellt. Die Sammelkanäle sammeln das von den Nephronen kommende Filtrat und vereinigen sich in den Papillen des Marks. Von hier aus leiten die Papillen das Filtrat, das nun Urin genannt wird, in die kleinen Kelche, die schließlich über das Nierenbecken mit den Harnleitern verbunden sind. Dieser gesamte Prozess ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4. Ein Diagramm des Nephrons.

Jeder Teil des Nephrons (in Abbildung 4 zu sehen) erfüllt eine andere Funktion bei der Filterung von Abfallstoffen und der Aufrechterhaltung des homöostatischen Gleichgewichts. (1) Der Glomerulus presst kleine gelöste Stoffe durch Druck aus dem Blut. (2) Der proximale Tubulus reabsorbiert Ionen, Wasser und Nährstoffe aus dem Filtrat in die interstitielle Flüssigkeit und transportiert aktiv Giftstoffe und Medikamente aus der interstitiellen Flüssigkeit in das Filtrat. Der proximale Tubulus reguliert außerdem den pH-Wert des Blutes, indem er selektiv Ammoniak (NH3) in das Filtrat abgibt, wo es mit H+ zu NH4+ reagiert. Je saurer das Filtrat ist, desto mehr Ammoniak wird ausgeschieden. (3) Die absteigende Henlesche Schleife ist mit Zellen ausgekleidet, die Aquaporine enthalten, die den Übergang von Wasser aus dem Filtrat in die Zwischenzellflüssigkeit ermöglichen. (4) Im dünnen Teil der aufsteigenden Henleschen Schleife diffundieren Na+- und Cl- Ionen in die Zwischenzellflüssigkeit. Im dicken Teil werden die gleichen Ionen aktiv in die Zwischenzellflüssigkeit transportiert. Da zwar Salz, aber kein Wasser verloren geht, wird das Filtrat auf seinem Weg nach oben immer verdünnter. (5) Im distalen Tubulus convolutus werden K+- und H+-Ionen selektiv in das Filtrat abgegeben, während Na+-, Cl- und HCO3–Ionen rückresorbiert werden, um das pH- und Elektrolytgleichgewicht im Blut aufrechtzuerhalten. (6) Der Sammelkanal reabsorbiert gelöste Stoffe und Wasser aus dem Filtrat und bildet verdünnten Urin. (credit: modification of work by NIDDK)

Glomeruläre Filtration

Die glomeruläre Filtration filtert die meisten gelösten Stoffe aufgrund des hohen Blutdrucks und der spezialisierten Membranen in den afferenten Arteriole heraus. Der Blutdruck im Glomerulum wird unabhängig von Faktoren aufrechterhalten, die den systemischen Blutdruck beeinflussen. Die „undichten“ Verbindungen zwischen den Endothelzellen des glomerulären Kapillarnetzes ermöglichen den problemlosen Durchtritt gelöster Stoffe. Alle gelösten Stoffe in den glomerulären Kapillaren, mit Ausnahme von Makromolekülen wie Proteinen, werden durch passive Diffusion transportiert. In dieser Phase des Filtrationsprozesses wird keine Energie benötigt. Die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) ist das Volumen des glomerulären Filtrats, das pro Minute von den Nieren gebildet wird. Die GFR wird durch mehrere Mechanismen reguliert und ist ein wichtiger Indikator für die Nierenfunktion.

Tubuläre Reabsorption und Sekretion

Die tubuläre Reabsorption erfolgt im PCT-Teil des Nierentubulus. Fast alle Nährstoffe werden rückresorbiert, und zwar entweder durch passiven oder aktiven Transport. Die Rückresorption von Wasser und einigen wichtigen Elektrolyten wird reguliert und kann durch Hormone beeinflusst werden. Natrium (Na+) ist das am häufigsten vorkommende Ion und wird größtenteils durch aktiven Transport rückresorbiert und dann zu den peritubulären Kapillaren transportiert. Da Na+ aktiv aus dem Tubulus transportiert wird, folgt ihm Wasser, um den osmotischen Druck auszugleichen. Aufgrund des Vorhandenseins von Aquaporinen oder Wasserkanälen im PCT wird Wasser auch unabhängig davon in die peritubulären Kapillaren rückresorbiert. Dies geschieht aufgrund des niedrigen Blutdrucks und des hohen osmotischen Drucks in den peritubulären Kapillaren. Allerdings hat jeder gelöste Stoff ein Transportmaximum, und der Überschuss wird nicht rückresorbiert.

In der Henle-Schleife ändert sich die Durchlässigkeit der Membran. Das absteigende Glied ist durchlässig für Wasser, nicht für gelöste Stoffe; das Gegenteil gilt für das aufsteigende Glied. Außerdem dringt die Henle-Schleife in das Nierenmark ein, das von Natur aus eine hohe Salzkonzentration aufweist und dazu neigt, Wasser aus dem Nierentubulus zu absorbieren und das Filtrat zu konzentrieren. Der osmotische Gradient nimmt zu, je tiefer er ins Mark vordringt. Da zwei Seiten der Henleschen Schleife entgegengesetzte Funktionen erfüllen, wie in Abbildung 5 dargestellt, wirkt sie als Gegenstromvervielfältiger. Die Vasa recta um sie herum fungiert als Gegenstromtauscher.

Abbildung 5. Die Henle-Schleife.

Die Henle-Schleife (in Abbildung 5 zu sehen) fungiert als Gegenstromvervielfältiger, der Energie zur Erzeugung von Konzentrationsgradienten verwendet. Der absteigende Schenkel ist wasserdurchlässig. Das Wasser fließt aus dem Filtrat in die Zwischenzellflüssigkeit, so dass die Osmolalität im Schenkel beim Abstieg in das Nierenmark zunimmt. Am unteren Ende ist die Osmolalität in der Schleife höher als in der interstitiellen Flüssigkeit. Wenn also Filtrat in das aufsteigende Glied eintritt, treten Na+- und Cl–Ionen durch Ionenkanäle in der Zellmembran aus. Weiter oben wird Na+ aktiv aus dem Filtrat transportiert und Cl- folgt. Die Osmolarität wird in der Einheit Milliosmol pro Liter (mOsm/L) angegeben.

Wenn das Filtrat die DCT erreicht, ist der größte Teil des Urins und der gelösten Stoffe rückresorbiert worden. Wenn der Körper zusätzliches Wasser benötigt, kann es an dieser Stelle vollständig rückresorbiert werden. Die weitere Rückresorption wird durch Hormone gesteuert, die in einem späteren Abschnitt behandelt werden. Die Ausscheidung von Abfallstoffen erfolgt aufgrund mangelnder Rückresorption in Kombination mit der tubulären Sekretion. Unerwünschte Produkte wie Stoffwechselabfälle, Harnstoff, Harnsäure und bestimmte Medikamente werden durch tubuläre Sekretion ausgeschieden. Der größte Teil der tubulären Sekretion findet in der DCT statt, ein Teil jedoch im frühen Teil des Sammelkanals. Die Nieren halten auch das Säure-Basen-Gleichgewicht aufrecht, indem sie überschüssige H+-Ionen ausscheiden.

Obwohl Teile der Nierentubuli als proximale und distale Tubuli bezeichnet werden, werden sie in einem Querschnitt durch die Nierenkanälchen dargestellt.In der Niere liegen die Tubuli eng beieinander und stehen in Kontakt miteinander und mit dem Glomerulus. Dies ermöglicht den Austausch von chemischen Botenstoffen zwischen den verschiedenen Zelltypen. Das aufsteigende Glied des DCT der Henle-Schleife hat beispielsweise Massen von Zellen, die Macula densa genannt werden, die mit Zellen der afferenten Arteriolen, den juxtaglomerulären Zellen, in Kontakt stehen. Zusammen bilden die Macula densa und die juxtaglomerulären Zellen den juxtaglomerulären Komplex (JGC). Der JGC ist eine endokrine Struktur, die das Enzym Renin und das Hormon Erythropoietin ausschüttet. Wenn Hormone die Macula-densa-Zellen im DCT aufgrund von Schwankungen des Blutvolumens, des Blutdrucks oder des Elektrolythaushalts auslösen, können diese Zellen das Problem sofort an die Kapillaren in den afferenten und efferenten Arteriolen weitergeben, die sich verengen oder entspannen können, um die glomeruläre Filtrationsrate der Nieren zu verändern.