Urinausscheidung

Der primäre Weg, auf dem der Körper Substanzen ausscheidet, führt über die Nieren. Die Hauptfunktion der Niere ist die Ausscheidung von Körperabfällen und schädlichen Chemikalien in den Urin. Die funktionelle Einheit der Niere, die für die Ausscheidung verantwortlich ist, ist das Nephron. Jede Niere enthält etwa eine Million Nephrone. Das Nephron hat drei primäre Regionen, die für den Ausscheidungsprozess der Niere zuständig sind: den Glomerulus, den proximalen Tubulus und den distalen Tubulus (Abbildung 2).

Abbildung 1. Komponenten des Harnsystems
(Bildquelle: Adaptiert von iStock Photos, ©)

Drei Prozesse sind an der Harnausscheidung beteiligt:

1. Filtration
2. Sekretion
3. Reabsorption

Abbildung 2. Nephron der Niere
(Bildquelle: Adaptiert von Wikimedia Commons, gemeinfrei, Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication. View original image.)

Filtration

Die Filtration findet im Glomerulus statt, der der vaskuläre Anfang des Nephrons ist. Ungefähr ein Viertel des Blutflusses der Herzleistung zirkuliert durch die Niere, die größte Blutflussrate für jedes Organ. Eine beträchtliche Menge des Blutplasmas filtert durch den Glomerulus in den Nephrontubulus. Dies resultiert aus der großen Menge des Blutflusses durch den Glomerulus, den großen Poren (40 Angström ) in den glomerulären Kapillaren und dem hydrostatischen Druck des Blutes. Kleine Moleküle, einschließlich Wasser, gelangen leicht durch den siebartigen Filter in den Tubulus des Nephrons. Sowohl fettlösliche als auch polare Substanzen gelangen durch den Glomerulus in das Tubulusfiltrat. Die Menge des Filtrats ist sehr groß, etwa 45 Gallonen pro Tag bei einem erwachsenen Menschen. Etwa 99 % des wasserähnlichen Filtrats, kleine Moleküle und fettlösliche Substanzen, werden stromabwärts im Nephrontubulus wieder resorbiert. Das bedeutet, dass die ausgeschiedene Urinmenge nur etwa ein Prozent der Flüssigkeitsmenge beträgt, die durch die Glomeruli in die Nierentubuli filtriert wird.

Moleküle mit Molekulargewichten größer als 60.000 (dazu gehören große Eiweißmoleküle und Blutzellen) können die Kapillarporen nicht passieren und verbleiben im Blut. Wenn der Urin Albumin oder Blutzellen enthält, deutet dies auf eine Schädigung der Glomeruli hin. Die Bindung an Plasmaproteine beeinflusst die Urinausscheidung. Polare Substanzen binden in der Regel nicht an die Plasmaproteine und können so aus dem Blut in das Tubulusfiltrat gefiltert werden. Substanzen, die stark an Plasmaproteine gebunden sind, verbleiben dagegen im Blut.

Sekretion

Die Sekretion, die im proximalen Tubulusabschnitt des Nephrons stattfindet, ist für den Transport bestimmter Moleküle aus dem Blut in den Urin verantwortlich. Zu den sezernierten Substanzen gehören Kalium-Ionen, Wasserstoff-Ionen und einige Xenobiotika. Die Sekretion erfolgt durch aktive Transportmechanismen, die in der Lage sind, Verbindungen aufgrund ihrer Polarität zu unterscheiden. Es existieren zwei Systeme, eines, das schwache Säuren transportiert (wie viele konjugierte Medikamente und Penicilline) und das andere, das basische Substanzen transportiert (wie Histamin und Cholin).

Reabsorption

Die Reabsorption findet hauptsächlich im proximalen Faltenschlauch des Nephrons statt. Fast das gesamte Wasser, die Glukose, das Kalium und die Aminosäuren, die während der glomerulären Filtration verloren gehen, gelangen aus den Nierentubuli wieder ins Blut. Die Reabsorption erfolgt in erster Linie durch passiven Transfer auf der Grundlage eines Konzentrationsgradienten von einer hohen Konzentration im proximalen Tubulus zur niedrigeren Konzentration in den Kapillaren, die den Tubulus umgeben (Abbildungen 4-6).

Ein Faktor, der die Reabsorption und die Urinausscheidung stark beeinflusst, ist der pH-Wert des Urins. Dies ist besonders bei schwachen Elektrolyten der Fall. Ist der Urin alkalisch, werden schwache Säuren stärker ionisiert und die Ausscheidung wird erhöht. Ist der Urin sauer, sind schwache Säuren (z. B. Glucuronid- und Sulfatkonjugate) weniger ionisiert und werden reabsorbiert, die renale Ausscheidung ist reduziert. Da der Urin-pH-Wert beim Menschen variiert, variieren auch die Urinausscheidungsraten schwacher Elektrolyte.

• Beispiele sind Phenobarbital (ein saures Medikament), das im alkalischen Urin ionisiert wird und Amphetamin (ein basisches Medikament), das im sauren Urin ionisiert wird. Die Behandlung einer Barbituratvergiftung (z. B. einer Überdosis Phenobarbital) kann eine Änderung des pH-Werts des Urins beinhalten, um die Ausscheidung zu erleichtern.
• Die Ernährung kann einen Einfluss auf den pH-Wert des Urins und damit auf die Ausscheidung einiger Giftstoffe haben. Zum Beispiel führt eine eiweißreiche Ernährung zu saurem Urin.

Die physikalischen Eigenschaften (vor allem die Molekülgröße) und die Polarität einer Substanz im Urinfiltrat haben einen großen Einfluss auf ihre endgültige Ausscheidung durch die Niere. Kleine Giftstoffe (sowohl polare als auch fettlösliche) werden vom Glomerulus leicht gefiltert. In einigen Fällen können große Moleküle (einschließlich einiger, die proteingebunden sind) aus dem Blut über Kapillarendothelzellen und Nephrontubulusmembranen sezerniert werden (durch passiven Transfer) und in den Urin gelangen. Der Hauptunterschied im endgültigen Schicksal wird durch die Polarität einer Substanz bestimmt. Diejenigen Substanzen, die ionisiert sind, bleiben im Urin und verlassen den Körper. Lipidlösliche Giftstoffe können reabsorbiert werden und wieder in den Blutkreislauf gelangen, was ihre Halbwertszeit im Körper und ihr Toxizitätspotenzial verlängert.

Nieren, die durch Toxine, Infektionskrankheiten oder aufgrund des Alters geschädigt sind, haben eine verminderte Fähigkeit, Giftstoffe auszuscheiden, wodurch diese Personen anfälliger für Toxine sind, die in den Körper gelangen. Das Vorhandensein von Albumin im Urin zeigt an, dass das Filtersystem des Glomerulus beschädigt ist und große Moleküle durchlässt. Das Vorhandensein von Glukose im Urin ist ein Hinweis darauf, dass die tubuläre Rückresorption beeinträchtigt ist.