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Einführung – Physiologie der Niere (2)
Ziele des Kurses
Filtration und Rückresorption von Glukose und Aminosäuren
Filtration und Rückresorption harnpflichtiger Substanzen
Exkurs Säure-Basen-Haushalt: Ionen, Bikarbonat, Wasserstoffionen, Kohlendioxid, pH-Wert
Einfluss der Nieren auf den Säure-Basen-Haushalt
Autoregulation der Nierendurchblutung und glomeruläre Filtrationsrate
Tubuloglomeruläre Rückkopplung
Renin-Angiotensin-Aldosteron-System, Erythropoietin – die hormonelle Funktion der Niere
Das Gegenstromprinzip
Zusammenfassung
Fachbegriffe einfach erklärt
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Exkurs Säure-Basen-Haushalt: Ionen, Bikarbonat, Wasserstoffionen, Kohlendioxid, pH-Wert


Um die nachfolgende Seite zu verstehen bzw. richtig einzuordnen, ist ein kleiner Ausflug in die Chemie notwendig. Es ist nicht schwierig, keine Sorge!


Was sind überhaupt Ionen? Davon wird im Folgenden häufiger die Rede sein.


Ionen


Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Atomgruppen. Ein Atom ist z.B. Wasserstoff (H), eine Atomgruppe ist die Verbindung von Atomen, z.B. die Verbindung von zwei Atomen Wasserstoff mit einem Atom Sauerstoff (O). Wenn sich zwei Atome Wasserstoff und ein Atom Sauerstoff verbinden, ist das H2 (das sind die zwei Wasserstoffatome) und O (das ist das eine Sauerstoffatom), also H2O … WASSER! Eine kleine tiefer gestellte Zahl in einer chemischen Formel gibt also die Anzahl der Atome wieder.


Atome haben einen Kern (so eine Art Sonne). Der macht den weit überwiegenden Teil der Masse aus. Dieser Kern besteht aus „Protonen”, die sind elektrisch positiv geladen, und Neutronen, die sind – wie der Name schon sagt – elektrisch neutral geladen (weder positiv noch negativ), also Schweizer. Um diesen Kern sausen wie kleine Planeten die „Elektronen”. Sie sind negativ geladen. Normalerweise entspricht die Anzahl der Protonen der Anzahl der Elektronen. Das bedeutet, das Atom ist elektrisch neutral.


Verbinden sich Atome, spricht man von einem „Molekül”. Na ja, und auch die können entsprechend der Anzahl (Summe) ihrer Elektronen und Protonen elektrisch neutral, positiv, oder negativ geladen sein. In einer chemischen Formel oder bei der Beschreibung eines Atoms versinnbildlicht ein kleines Pluszeichen am Ende der Formel oder ein kleines Minuszeichen die elektrische Ladung des Atoms.


Beispiel:


Wasserstoffionen (z.B. H+) sind positiv geladen. Die Ursache ist, ihnen ist ein Elektron (das negativ geladene Teilchen, das um den Atomkern saust) abhanden gekommen.


Oder nehmen wir zum Beispiel das Molekül Bikarbonat HCO3-: Es besteht aus einem Wasserstoffatom H, einem Kohlenstoffatom C und drei Sauerstoffatomen O (deshalb die kleine tief gestellte 3). Die Ladung wird durch das kleine Minuszeichen am Ende angeben, Bikarbonat hat also in Bezug auf die Anzahl der versammelten Protonen (positive Ladung) ein Elektron (negative Ladung) zu viel.


Würde mehr als ein Elektron fehlen oder zu viele Elektronen vorhanden sein, dann stände vor dem Plus- oder Minuszeichen eine Zahl entsprechend der überzähligen Anzahl der Elektronen (negative Ladung) bzw. der fehlenden Anzahl der negativen Ladungen.


Wann entstehen diese geladenen Teilchen oder Moleküle, also die Ionen?


Wenn sich Moleküle aus irgendwelchen Gründen in ihre Atome teilen oder wenn sich größere Moleküle in kleinere aufspalten (also Scheidungen), dann passiert es mehr oder weniger regelmäßig, dass ein Elektron (Kind) zum Vater oder zur Mutter zieht und damit die Ladung der Ursprungsatome (Eltern) verändert.


Beispiel:


Kochsalz (NaCl - Familie), ja das, was Sie in jedem Laden kaufen können, besteht aus Natrium (Natrium - der Vater) und Chlor (Chlor - die Mama). Es ist ein Molekül: NaCl. Spannend wird die Sache, wenn man Kochsalz in Wasser gibt. Sie kennen das aus eigener Anschauung: das Salz „schmilzt”, es wird „gelöst”, d.h. die Atomverbindung von Natrium und Chlor zerbricht. Die beiden „scheiden” sich.


Na ja, und wie das bei jeder Scheidung so ist: der eine gewinnt ein wenig, der andere verliert ein wenig. Übertragen wir das jetzt mal auf diese beiden Atome. Natrium (der Vater) verliert ein Elektron (das Kind). Entsprechend ist die Ladung des Natriums nach der Trennung vom Chlor elektrisch positiv – Na+. Das Natrium wird sich bestimmt bald eine Freundin suchen.

Anders ist die Situation beim Chlor. Es hat ein Elektron hinzugewonnen (das Kind lebt also bei der Mama). Die Ladung des Chlors wird negativ, weil ja jetzt die Anzahl der Elektronen (negativ geladen) die der Protonen (positiv geladen) im Kern des Chlors übertrifft. Es entsteht Cl- (die alleinerziehende Mutter).


Positiv geladene Teilchen (Atome oder Moleküle) werden als „Kationen” (z.B. Na+), negativ geladene als „Anionen” (z.B. Cl-) bezeichnet.


Anionen und Kationen finden sich natürlich aufgrund ihrer elektrischen Ladung äußerst anziehend und neigen dazu, eine neue Verbindung (Beziehung) einzugehen, also ein Molekül zu bilden.


pH-Wert


Der pH-Wert gibt an, inwieweit eine wässrige Lösung sauer oder basisch ist. Die Skala des pH-Wertes reicht von 0 (extrem sauer) bis 14 (extrem basisch). Eine Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 7 ist neutral. Liegt der pH-Wert unter 7, sagt man, eine Flüssigkeit ist „sauer” oder man spricht von einer „Säure“. Steigt der pH-Wert über 7 an, so sagt man, eine Flüssigkeit ist „basisch” oder „alkalisch” oder man spricht von einer „Lauge”.


Der pH-Wert des Blutes muss in engen Grenzen stabil gehalten werden. Das Blut ist in Bezug auf seinen pH-Wert leicht basisch. Im arteriellen Blut liegt der pH-Wert normalerweise bei 7,35 bis 7,45. Beim Absinken des pH-Wertes unter 7,35 spricht man von einer „Azidose“. Dabei handelt es sich um eine Übersäuerung des Blutes. Steigt der pH-Wert des Blutes über 7,45 an, nennt man dies „Alkalose”. Ich habe „enge Grenzen“ geschrieben, in denen sich der pH-Wert des Blutes bewegt. Das gilt auch für die Entgleisungen. In meiner Zeit auf Intensivstationen (weit über zehn Jahre) war die extremste Entgleisung des pH-Wertes, die mir untergekommen war, ein pH-Wert von 6,94.


Anders sind die pH-Werte in Ihrer Umgebung bzw. im Körper. Hierzu einige Beispiele:


  • Magensaft hat, wenn Sie nüchtern sind, einen pH-Wert von ca. 1,5. Das ist richtig „ätzend”.

  • Coca Cola® hat einen pH-Wert von 2,5 bis 2,7. Das ist immer noch ziemlich sauer, und zwar etwa so sauer wie Speiseessig.

  • Saurer Regen” hat in Gebieten mit viel Industrie einen pH-Wert von 4. Man spricht allgemein von saurem Regen, wenn der pH-Wert kleiner als 5 ist.

  • Die menschliche Haut hat einen pH-Wert von 5,5.

  • Normaler Regen hat einen pH-Wert von 5,6.

  • Speichel ist fast neutral mit einem pH-Wert von 6,5 bis 7,4.

  • Pankreassaft hingegen ist basisch mit einem pH-Wert von 8,4.

  • Seife ist mit einem pH-Wert von 9 bis 10 schon recht alkalisch (brennt hübsch in den Augen).

„Der pH-Wert ist abhängig von der Konzentration der Wasserstoffionen (H+). Je mehr sich davon in einer Flüssigkeit befinden, desto saurer ist die Flüssigkeit.” (Meine einfache Definition)


Und damit sind wir bei der gern in Prüfungen abgefragten Definition des pH-Wertes.


„Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionen-Konzentration (Aktivität).”


Diese Definition wird in Prüfungen abgefragt. Sie müssen sie also auswendig lernen. Fragt man Sie, was das denn bedeutet, würde ich dem Prüfer zuzwinkern und antworten:


„Was ein negativer dekadischer (Zehnersystem) Logarithmus ist, können Sie mir sicher erklären. Aber ich würde den pH-Wert anders erklären: Der pH-Wert ist abhängig von der Konzentration der Wasserstoffionen (H+). Je mehr sich davon in einer Flüssigkeit befinden, desto saurer ist die Flüssigkeit.”


Bikarbonat


Bikarbonat hat die chemische Formel HCO3 -. Im Blut ist es der „Puffer”, um Säuren bzw. H+ (Wasserstoffionen) zu neutralisieren. Bikarbonat fängt Wasserstoffionen quasi ab. Wie es das macht? Nun, hier der kleine Ausflug in die Chemie.


HCO3 -, was bedeutet diese chemische Formel?


  •  „H” steht für ein Wasserstoffatom.

  • „C” steht für ein Kohlenstoffatom.

  • „O3” steht für drei Sauerstoffatome.

  • -” steht für die Ladung. Das Molekül Bikarbonat ist also negativ geladen. Bikarbonat (HCO3 -, elektrisch negativ geladen) und Wasserstoffionen (H+, elektrisch positiv geladen) sind sich also von Haus aus sehr sympathisch, weil sie unterschiedliche Ladungen haben wie die Pole eines Magneten.

Um diesen Vorgang zu verstehen, müssen Sie sich noch die Verbrennung anschauen. Eben das, was passiert, wenn Ihr Körper arbeitet.


Kohlendioxid und Wasser


Bei jeder Verbrennung entsteht Kohlendioxid (CO2 - ein Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome) und Wasser (H2O - zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom).


Dass bei einer Verbrennung Kohlendioxid entsteht, wissen Sie – Stichwort: Verbrennen von Kohle, Erdöl – Klimakatastrophe. Das Wasser in diesem Zusammenhang kennen Sie auch, z.B. Ihr Atem im Winter (das ist ja kein Rauch, sondern Wasser).


Allgemeinwissen: Von Kamelen wird behauptet, sie hätten „Wasser” in den Höckern gespeichert. Nein, dort speichern sie Fett, und wenn es verbrennt, entstehen Kohlendioxid und Wasser, und zwar so viel, wie die Kamele in der Wüste brauchen.


Übrigens, beim Menschen werden auf diesem Wege etwa 400 ml Wasser gebildet, sogenanntes Oxidationswasser, das über die Nieren ausgeschieden wird.


Das im Körper entstehende Kohlendioxid wird normalerweise problemlos über die Lungen abgeatmet, also an die Umwelt abgegeben. Übrigens, das ist hinsichtlich des Klimas nicht unerheblich. Pro Jahr atmen Sie ca. 315 kg Kohlendioxid aus. Bei sieben Milliarden Menschen ist das schon eine Hausnummer: rund 2,2 Milliarden Tonnen.


Zum Vergleich: Der Kohlendioxidaustausch aller Autos in Deutschland kommt pro Jahr nur auf rund 100 Millionen Tonnen (0,1 Milliarden).


Doch nach diesem Augenöffner zurück zum Kohlendioxid und der Atmung.


Manchmal kann es passieren, dass zu wenig Kohlendioxid über die Lungen abgeatmet wird (z.B. Atemdepression durch Medikamente oder wenn die Gasaustauschfläche durch ein Lungenemphysem sich verkleinert hat oder schlimmstenfalls durch einen Atemstillstand). Was passiert dann mit dem Kohlendioxid (CO2)?


Im Körper befindet sich an so ziemlich jeder Stelle Wasser (H2O). Wasser und Kohlendioxid begegnen sich z.B. im Blut. Sie sehen sich, lernen sich ein wenig kennen und entschließen sich, eine Beziehung einzugehen. Sie „halten Händchen”. Was entsteht bei dieser Liaison?


H2O + CO2 = ?


Wir haben zwei Hs (Wasserstoffatome), dazu drei Os (Sauerstoffatome) und ein C (Kohlenstoffatom). Wenn die sich miteinander verbinden, entsteht H2CO3, und das ist Kohlensäure. In manchen Veröffentlichungen lesen Sie, dass CO2 Kohlensäure wäre. Aber das ist definitiv falsch.


Kohlensäure ist im Körper super instabil. Wahrscheinlich liegt es daran, dass wir keinen Sektkorken tragen, sie zerfällt mehr oder weniger augenblicklich. Stellt sich die Frage, in was Kohlensäure zerfallen kann?


Wenn Kohlensäure zerfällt, entsteht Bikarbonat (HCO3-) und ein Wasserstoffion (H+). Und damit wären wir bei den Säuren und den Puffern angelangt.


Warum versuche ich, Ihnen diese chemischen Zusammenhänge nahe zu bringen?


Steigt der Kohlendioxidwert des Blutes, kommt es zu einer Übersäuerung des Blutes: der pH-Wert sinkt, das Atemzentrum wird angeregt.


Kohlendioxid + Wasser = Kohlensäure = Bikarbonat + Wasserstoffion


Chemisch ausgedrückt sieht das so aus:


CO2 + H2O = H2CO3 = HCO3- + H+


Ein Überschuss an Kohlendioxid führt also zu einem Anstieg der Wasserstoffionen-Konzentration im Blut und damit zu einer Übersäuerung des Blutes.


Die Gleichung funktioniert übrigens auch in umgekehrter Richtung.


H+ + HCO3- = H2CO3 = H2O + CO2


Sind also zu viele Wasserstoffionen im Blut, können diese durch Bikarbonat in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt werden.


Dieses Hin und Her der Umwandlung geschieht im Körper bedarfsgerecht. Die Niere spielt dahingehend noch eine Rolle, dass sie Wasserstoffionen und Bikarbonat ausscheiden oder zurückhalten kann.



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