Urinbildung

Die Bildung des endgültigen Harns durch die Niere besteht aus mehreren Hauptprozessen:

• Ultrafiltration von arteriellem Blut in den Nierenglomeruli;
• Rückresorption von Substanzen in den Tubuli, Sekretion einer Reihe von Substanzen in das Lumen der Tubuli;
• die Synthese neuer Substanzen durch die Niere, die sowohl in das Lumen des Tubulus als auch ins Blut gelangen;
• die Aktivität des Gegenstromsystems, wodurch der Endharn konzentriert oder verdünnt wird.

Ultrafiltration

Die Ultrafiltration aus Blutplasma in die Bowman-Kapsel erfolgt in den Kapillaren der Nierenglomeruli. Die SCF ist ein wichtiger Indikator für die Urinbildung. Ihr Wert in einem einzelnen Nephron hängt von zwei Faktoren ab: dem effektiven Ultrafiltrationsdruck und dem Ultrafiltrationskoeffizienten.

Die treibende Kraft der Ultrafiltration ist der effektive Filtrationsdruck, der sich aus der Differenz zwischen dem hydrostatischen Druck in den Kapillaren und der Summe aus dem onkotischen Druck der Proteine in den Kapillaren und dem Druck in der glomerulären Kapsel ergibt:

P- _Effekt = P _-Hydr - (P _-Onkologie + P- _Kapseln )

Dabei ist P _effect der effektive Filtrationsdruck, P _hydr der hydrostatische Druck in den Kapillaren, P _onc der onkotische Druck von Proteinen in den Kapillaren und P _caps der Druck in der glomerulären Kapsel.

Der hydrostatische Druck am afferenten und efferenten Ende der Kapillaren beträgt 45 mmHg. Er bleibt über die gesamte Filtrationslänge der Kapillarschleife konstant. Ihm stehen der onkotische Druck der Plasmaproteine, der zum efferenten Ende der Kapillare hin von 20 mmHg auf 35 mmHg ansteigt, und der Druck in der Bowman-Kapsel von 10 mmHg gegenüber. Daraus ergibt sich ein effektiver Filtrationsdruck von 15 mmHg (45 - [20 + 10]) am afferenten Ende der Kapillare und von 0 (45 - [35 + 10]) am efferenten Ende, was, umgerechnet auf die gesamte Kapillarlänge, etwa 10 mmHg entspricht.

Wie bereits erwähnt, fungiert die Wand der glomerulären Kapillaren als Filter, der zelluläre Elemente, großmolekulare Verbindungen und kolloidale Partikel nicht durchlässt, während Wasser und niedermolekulare Substanzen ungehindert passieren. Der Zustand des glomerulären Filters wird durch den Ultrafiltrationskoeffizienten charakterisiert. Vasoaktive Hormone (Vasopressin, Angiotensin II, Prostaglandine, Acetylcholin) verändern den Ultrafiltrationskoeffizienten, was sich entsprechend auf den SCF auswirkt.

Unter physiologischen Bedingungen produziert die Gesamtheit aller Nierenglomeruli 180 Liter Filtrat pro Tag, also 125 ml Filtrat pro Minute.

Rückresorption von Substanzen in den Tubuli und deren Sekretion

Die Reabsorption gefilterter Substanzen erfolgt hauptsächlich im proximalen Teil des Nephrons, wo alle physiologisch wertvollen Substanzen, die in das Nephron gelangt sind, sowie etwa 2/3 der gefilterten Natrium-, Chlor- und Wasserionen absorbiert werden. Die Besonderheit der Reabsorption im proximalen Tubulus besteht darin, dass alle Substanzen mit einem osmotisch äquivalenten Wasservolumen absorbiert werden und die Flüssigkeit im Tubulus praktisch isoosmotisch zum Blutplasma bleibt, während das Volumen des Primärharns am Ende des proximalen Tubulus um mehr als 80 % abnimmt.

Die Arbeit des distalen Nephrons bestimmt die Zusammensetzung des Urins durch Reabsorptions- und Sekretionsprozess. In diesem Abschnitt wird Natrium ohne entsprechendes Wasservolumen resorbiert und Kaliumionen ausgeschieden. Wasserstoff- und Ammoniumionen gelangen aus den Tubuluszellen in das Lumen des Nephrons. Der Elektrolyttransport wird durch antidiuretisches Hormon, Aldosteron, Kinine und Prostaglandine gesteuert.

Gegenstromanlage

Die Aktivität des Gegenstromsystems wird durch die synchrone Arbeit mehrerer Strukturen der Niere dargestellt – der absteigenden und aufsteigenden dünnen Segmente der Henle-Schleife, der kortikalen und medullären Segmente der Sammelrohre und der geraden Gefäße, die die gesamte Dicke des Nierenmarks durchdringen.

Die Grundprinzipien des Gegenstromsystems der Nieren:

• in allen Stadien bewegt sich das Wasser nur passiv entlang des osmotischen Gradienten;
• der distale gerade Tubulus der Henle-Schleife ist wasserundurchlässig;
• im geraden Tubulus der Henle-Schleife findet ein aktiver Transport von Na ⁺, K ⁺, Cl statt;
• der dünne absteigende Schenkel der Henle-Schleife ist für Ionen undurchlässig und für Wasser durchlässig;
• im inneren Nierenmark findet ein Harnstoffzyklus statt;
• Das antidiuretische Hormon sorgt für die Wasserdurchlässigkeit der Sammelrohre.

Je nach Zustand des Wasserhaushalts des Körpers können die Nieren hypotonen, sehr verdünnten oder osmotisch konzentrierten Urin ausscheiden. Alle Abschnitte der Tubuli und Gefäße des Nierenmarks sind an diesem Prozess beteiligt und funktionieren als gegenläufiges rotierendes Multiplikationssystem. Die Aktivität dieses Systems ist im Wesentlichen wie folgt. Das in den proximalen Tubulus gelangte Ultrafiltrat wird in diesem Abschnitt durch Reabsorption von Wasser und darin gelösten Substanzen quantitativ auf 3/4–2/3 seines ursprünglichen Volumens reduziert. Die im Tubulus verbleibende Flüssigkeit unterscheidet sich in der Osmolarität nicht vom Blutplasma, hat jedoch eine andere chemische Zusammensetzung. Anschließend gelangt die Flüssigkeit aus dem proximalen Tubulus in das dünne absteigende Segment der Henle-Schleife und bewegt sich weiter zur Spitze der Nierenpapille, wo sich die Henle-Schleife um 180° krümmt und der Inhalt durch das aufsteigende dünne Segment in den distalen geraden Tubulus gelangt, der parallel zum absteigenden dünnen Segment liegt.

Der dünne absteigende Abschnitt der Schlaufe ist wasserdurchlässig, jedoch relativ undurchlässig für Salze. Dadurch gelangt Wasser entlang des osmotischen Gradienten aus dem Lumen des Abschnitts in das umgebende interstitielle Gewebe, wodurch die osmotische Konzentration im Lumen des Tubulus allmählich ansteigt.

Nachdem die Flüssigkeit in den distalen geraden Tubulus der Henle-Schleife gelangt ist, der im Gegensatz dazu wasserundurchlässig ist und von dem aus der aktive Transport von osmotisch aktivem Chlor und Natrium in das umgebende Interstitium erfolgt, verliert der Inhalt dieses Abschnitts seine osmotische Konzentration und wird hypoosmolal, was ihm seinen Namen gab – „das verdünnende Segment des Nephrons“. Im umgebenden Interstitium findet der umgekehrte Prozess statt – die Ansammlung eines osmotischen Gradienten aufgrund von Na ⁺, K ⁺ und Cl. Infolgedessen beträgt der transversale osmotische Gradient zwischen dem Inhalt des distalen geraden Tubulus der Henle-Schleife und dem umgebenden Interstitium 200 mOsm/l.

Im inneren Bereich der Medulla wird die osmotische Konzentration zusätzlich durch die Zirkulation von Harnstoff erhöht, der passiv durch das Epithel der Tubuli eintritt. Die Ansammlung von Harnstoff in der Medulla hängt von der unterschiedlichen Durchlässigkeit der kortikalen Sammelrohre und der Sammelrohre der Medulla für Harnstoff ab. Die kortikalen Sammelrohre, der distale gerade Tubulus und der distale gewundene Tubulus sind für Harnstoff undurchlässig. Die Sammelrohre der Medulla sind hochdurchlässig für Harnstoff.

Während sich die gefilterte Flüssigkeit von der Henle-Schleife durch die distalen Tubuli und die kortikalen Sammelrohre bewegt, steigt die Harnstoffkonzentration in den Tubuli aufgrund der Reabsorption von Wasser ohne Harnstoff an. Nachdem die Flüssigkeit in die Sammelrohre der inneren Medulla gelangt ist, wo die Harnstoffdurchlässigkeit hoch ist, gelangt sie in das Interstitium und wird dann zurück zu den Tubuli der inneren Medulla transportiert. Die erhöhte Osmolalität in der Medulla ist auf Harnstoff zurückzuführen.

Infolge der aufgeführten Prozesse steigt die osmotische Konzentration vom Kortex (300 mOsm/l) bis zur Nierenpapille an und erreicht sowohl im Lumen des Anfangsabschnitts des dünnen aufsteigenden Schenkels der Henle-Schleife als auch im umgebenden interstitiellen Gewebe 1200 mOsm/l. Somit beträgt der durch das Gegenstrom-Multiplikationssystem erzeugte kortikomedulläre osmotische Gradient 900 mOsm/l.

Einen zusätzlichen Beitrag zur Bildung und Aufrechterhaltung des longitudinalen osmotischen Gradienten leisten die dem Verlauf der Henle-Schleife folgenden Vasa recta. Der interstitielle osmotische Gradient wird durch die effektive Wasserabfuhr durch die aufsteigenden Vasa recta aufrechterhalten, die einen größeren Durchmesser als die absteigenden Vasa recta haben und fast doppelt so zahlreich sind. Ein besonderes Merkmal der Vasa recta ist ihre Durchlässigkeit für Makromoleküle, was zu einer hohen Albuminkonzentration in der Medulla führt. Proteine erzeugen einen interstitiellen osmotischen Druck, der die Wasserresorption fördert.

Die endgültige Konzentration des Urins erfolgt in den Sammelrohren, deren Wasserdurchlässigkeit sich in Abhängigkeit von der Konzentration des sezernierten ADH ändert. Bei hohen ADH-Konzentrationen erhöht sich die Wasserdurchlässigkeit der Membran der Sammelrohrzellen. Osmotische Kräfte bewirken, dass Wasser aus der Zelle (durch die Basalmembran) in das hyperosmotische Interstitium gelangt, was einen Ausgleich der osmotischen Konzentrationen und die Bildung einer hohen osmotischen Konzentration des Endharns gewährleistet. Ohne ADH-Produktion ist das Sammelrohr praktisch wasserundurchlässig und die osmotische Konzentration des Endharns bleibt gleich der Konzentration des Interstitiums in der Nierenrinde, d. h. es wird isoosmotischer oder hypoosmolarer Urin ausgeschieden.

Somit hängt der maximale Grad der Urinverdünnung von der Fähigkeit der Nieren ab, die Osmolalität der Tubulusflüssigkeit durch den aktiven Transport von Kalium-, Natrium- und Chloridionen im aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife und den aktiven Transport von Elektrolyten im distalen Tubulus zu verringern. Infolgedessen wird die Osmolalität der Tubulusflüssigkeit am Anfang des Sammelrohrs niedriger als die des Blutplasmas und beträgt 100 mOsm/l. In Abwesenheit von ADH und mit zusätzlichem Transport von Natriumchlorid aus den Tubuli in das Sammelrohr kann die Osmolalität in diesem Teil des Nephrons auf 50 mOsm/l sinken. Die Bildung von konzentriertem Urin hängt von der hohen Osmolalität des Medullainterstitiums und der ADH-Produktion ab.