Ionenregulation, Osmoregulation und Exkretion. Homoiostase. Beständigkeit des inneren Milieus trotz Fluktuationen des externen Milieus

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1 Ionenregulation, Osmoregulation und Exkretion Homoiostase Beständigkeit des inneren Milieus trotz Fluktuationen des externen Milieus Ionenregulation 1

2 Wichtigste anorganische Ionen Na + wichtigstes extrazelluläres Kation - Quelle potentieller Energie für Stofftransport durch Zellmembran - trägt nach innen gerichteten Strom bei Membranerregung K + wichtigstes cytoplasmatisches Kation Ca ++ niedrige Konzentration im Zellinneren - baut Ruhepotential auf - trägt nach außen gerichteten Strom bei Membranerregung - reguliert Exocytose und Muskelkontraktion - reguliert viele Enzyme und andere Zellproteine ( second messenger ) Cl - wichtigstes Anion - Gegenion für anorganische Kationen Eckert Elektrolyte Gewebsflüssigkeit intrazelluläre Flüssigkeit (mmol/l H 2 O) (mmol/l H 2 O) Na K Ca Mg Cl Die Unterschiede in den Ionenkonzentrationen im Extrazellularraum und im Intrazellularraum werden durch Prozesse der Ionenregulation aktiv aufrechterhalten. 2

3 Ionenkanäle Carrier-Proteine K + immer offen gesteuert Ca ++ Na + Passiver Transport Aktiver Transport z.b. Ca ++ pumpe (Uniport) Na + /K + ATPase (Co-Transport: Antiport) Osmoregulation = Fähigkeit des Organismus, einen konstante Konzentration an osmotisch wirksamen Teilchen (vorwiegend Ionen) im Innenmedium des Körpers gegenüber Schwankungen des Außenmediums aufrecht zu erhalten. 3

4 Osmose Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran (d.h. die Membran ist im Idealfall nur für Wasser durchlässig und nicht für darin gelöste Stoffe). H 2 O Selektiv permeable Membran gelöster Stoff Nettofluß von Wasser Campbell Osmose A B A B Stoff + H 2 O H 2 O Stoff + H 2 O H 2 O 1. Diffusion von Wasser von Kammer B nach Kammer A 2. Die Pegelerhöhung in A erfolgt so lange, bis der Nettowasserfluß durch die Membran zum Erliegen kommt (Gleichgewichtszustand) Osmotischer Druck (p): der hydrostatische Druck, der die Wasserdiffusion ausgleicht. Er ist proportional zur Konzentration (C) gelöster Stoffe. P= C x R x T (R= Gaskonstante; T= abs.temp.) Campbell 4

5 Osmolarität einer Lösung: die Konzentration aller gelösten, osmotisch wirksamen Stoffe, egal um welche Stoffe oder Stoffmischungen es sich handelt. Erythrozyten in unterschiedlichen Medien Blutplasma destilliertes Wasser konz. Salzlösung Medium:Isoosmotisch hypoosmotisch hyperosmotisch Iso: gleich Hypo: unter; weniger Hyper: über; mehr Campbell Anpassungen an osmotische Umweltfaktoren: Osmokonformer: folgen der Osmolarität des Mediums Osmoregulierer: halten die innere Osmolarität konstant 5

6 Strenger Osmokonformer Strenger Osmoregulierer Beschränkter Osmoregulierer Eckert Das osmoregulatorische Problem von Knochenfischen die im Meerwasser leben: das Medium ist hyperosmotisch Intrazelluläre Flüssigkeit Extrazelluläre Flüssigkeit 337 mosm/l Meerwasser ca mosm/l Isoton Osmotisches Gleichgewicht Osmoregulation 6

7 Salzwasser Probleme: Wasserentzug; Ionenüberschuß Nahrung + Trinken von Salzwasser Wasserentzug aktive Abgabe von Na; K; Cl über die Kiemen Wenig Harn Nach Eckert Das osmoregulatorische Problem von Knochenfischen die im Süßwasser leben: das Medium ist hypoosmotisch Intrazelluläre Flüssigkeit Extrazelluläre Flüssigkeit 293 mosm/l Süßwasser < 1 mosm/l Isoton Osmotisches Gleichgewicht Osmoregulation 7

8 Süßwasser Probleme: Wassereinstrom; Ionenverlust Wassereinstrom Nahrung aktive Aufnahme von NaCl über die Kiemen viel wässriger Harn Nach Eckert 8

9 Dorrit Exkretion = Ausscheidung von stickstoffhaltigen Stoffwechselendprodukten Ammoniak Harnstoff Harnsäure 9

10 Aminosäuren Nukleinsäuren NH 3 Ketosäuren Purine NH 3 Ammoniak Harnstoff Harnsäure Knochenfische, Säugetiere Reptilien,Vögel aquatische Wirbellose terrestrische Wirbellose Höhere Produktionskosten Mehr Wasser zur Exkretion nötig Dorrit Exkretionsorgane Beispiel: die Niere der Säugetiere Hauptfunktionen: 1. Exkretion stickstoffhaltiger Stoffwechselendprodukte (Harnstoff) 2. Regulation des Salz- und Wasserhalts 10

11 Benner Niere des Menschen Blutversorgung: 15-25% des Herzzeit- Volumens (1,2 l/min) Benner 11

12 Glomeruluskapillaren Bowmansche Kapsel Arterie Vene Proximaler Tubulus Distaler Tubulus Sammelrohr RINDE NIERENRINDE Struktur des Nephrons Nephron = Nierenkörperchen (Malpighisches Körperchen) + Nierentubulus Absteigender Ast Aufsteigender Ast Henlesche Schleife ÄUßERE MARKZONE INNERE MARKZONE NIERENMARK Eckert Nierenkörperchen: Bowmansche Kapsel + Glomerulus Nierentubulus: Proximaler Tubulus Henlesche Schleife Distaler Tubulus Ausguß des Blutgefäßsystems der Niere Mondorf/Scherberich 12

13 Organisation des Nephrons Benner Schema Urinbildung Bowmansche Kapsel Nierentubulus Filtrat Glomeruluskapillare Kapillare 1. Ultrafiltration des Primärharns ( Liter pro Tag) 2. Rückresorption (99% des Wassers, Salze, Glukose) 3. Sekretion (K+; H+;Bicarbonat; Fremdstoffe; Drogen) Harn (1,3 Liter pro Tag) Eckert 13

14 1. Ultrafiltration Bildung des Primärharns im Nierenkörperchen afferente Arteriole efferente Arteriole Bowmansche Kapsel Bowmansche Kapsel: -äußeres Kapselepithel -Inneres Kapselepithel aus spezialisierten Zellen (Podozyten) Glomeruluskapillare Lumen der Bowmanschen Kapsel Proximaler Tubulus Eckert Nierenkörperchen (Malpighisches Körperchen) A Bowmannsche Kapsel: A: äußere Wand B: Podocyten (innere Wand) B Mondorf/Scherberich 14

15 Wirksame Kräfte 1. Kapillardruck (9.3 kpa) afferente Arteriole efferente Arteriole 2. Kolloidosmotischer Druck (-3.3 kpa) 3. Hydrostatischer Rückdruck (-2.0 kpa) Bowmansche Kapsel Glomerulumkapillare Lumen der Bowmanschen Kapsel Effektiver Filtrationsdruck: 4.0 kpa Proximaler Tubulus Eckert Nierenkörperchen im Raster-EM äußere Membran der Bowmanschen Kapsel entfernt Benner 15

16 Mondorf/Scherberich Kapillarendothel Basallamina Komponenten des Ultrafilters Podozyten (innere Kapsel- Membran) Mondorf/Scherberich 16

17 Feinstruktur des Ultrafilters: - Endothelporen - Basallamina - Filtrationsschlitze der Podozyten Mondorf/Scherberich 1. Ionen- und Wasserbewegung im Nephron 1. Proximaler Tubulus: Aktive Reabsorption von NaCl, Glukose, Aminosäuren; Passive Diffusion von H 2 O. Eckert 17

18 Ionen- und Wasserbewegung im Nephron 300 mosm 2. Henlesche Schleife 2. Aufbau eines osmotischen Gradienten über Nierenrinde und Nierenmark. Aufsteigender Ast: Wasserimpermeabel; aktiver Transport von NaCl Absteigender Ast: Passive Wasserreabsorption 1200 mosm Eckert 3. Ionen- und Wasserbewegung im Nephron 300 mosm 3. Distaler Tubulus aktiver Transport von NaCl; Passive Diffusion von H 2 O; Sekretion von H + ; K mosm Eckert 18

19 Ionen- und Wasserbewegung im Nephron 300 mosm 4. Sammelrohr 4. Passive Diffusion von H 2 O; Passive Diffusion von Harnstoff. Die Wasserpermeabilität des Sammelrohrs ist unter hormonaler Kontrolle (Vasopressin) 1200 mosm Endharn: Faktor 5-7 konzentrierter als Blutplasma Eckert 19

20 Eckert 20