Struktur und Funktion der Niere: Nephron, Glomerulus und Urinbildung

Anatomie und Struktur der Niere

Die Nieren sind bohnenförmige Organe, die sich im hinteren Bauchraum (retroperitoneal) auf beiden Seiten der Wirbelsäule befinden. Sie messen etwa 12 x 6 x 3 cm und wiegen zwischen 130 und 150 g. Das Endprodukt ihrer Funktion ist Urin, der über die Harnwege ausgeschieden wird.

Der in den Nieren produzierte Urin wird im Nierenbecken gesammelt, fließt durch die Harnleiter in die Blase und wird von dort durch die Harnröhre ausgeschieden.

Das Nephron: Die Funktionelle Einheit

Die funktionelle Einheit der Niere ist das Nephron. Jede Niere enthält zwischen 600.000 und über 1.000.000 Nephrone.

Bestandteile eines Nephrons

• Nierenkörperchen (Renales Korpuskel)
  • Glomerulus
  • Bowman-Kapsel
• Nierentubulus (Nierenkanälchen)
  • Proximaler Tubulus
  • Henle-Schleife (Loop of Henle)
  • Distaler Tubulus
  • Sammelrohr

Der Glomerulus

Der Glomerulus ist ein Bündel miteinander verbundener Kapillaren, umgeben von einer doppelwandigen epithelialen Struktur, der Bowman-Kapsel. Der Raum zwischen den beiden Wänden, der die glomeruläre Filtrationsrate widerspiegelt, wird als Bowman-Raum bezeichnet.

Der Glomerulus ist für den ersten Schritt bei der Urinbildung verantwortlich: die Filtration, die praktisch frei von Plasmaproteinen ist.

Die Glomeruläre Filtrationsbarriere

Die Filtrationsbarriere besteht aus drei Schichten:

1. Kapillarendothel
2. Basalmembran
3. Viszerales Epithel der Bowman-Kapsel (Podozyten)

Im Glomerulus gibt es einen dritten Zelltyp, die Mesangialzellen, die sich in der Mitte der Kapillarschlingen befinden und als Unterstützung (Mesangium) dienen.

Segmente des Nierentubulus

Entlang des Tubulus finden Prozesse der Reabsorption und Sekretion statt.

1. Nierenkörperchen
2. Proximaler gewundener Tubulus
3. Proximaler gerader Tubulus
4. Dünner absteigender Ast der Henle-Schleife
5. Dünner aufsteigender Ast der Henle-Schleife
6. Dicker aufsteigender Teil der Henle-Schleife
7. Macula densa
8. Distaler gewundener Tubulus
9. Verbindungsstück (Connecting Tubule)
10. Kortikale Sammelrohre
11. Äußere medulläre Sammelrohre
12. Innere medulläre Sammelrohre

Renale Durchblutung (Nierencirculation)

Der renale Blutfluss beträgt etwa 1200 ml/min.

Die Nierenarterie teilt sich in 4 bis 5 Segmentarterien, die zu den interlobulären Arterien führen. Diese teilen sich in die bogenförmigen Arterien und weiter in die interlobulären (radialen) Arterien auf Höhe der Kapsel, welche sich zu den afferenten Arteriolen verzweigen.

Der Blutflussweg ist: Afferente Arteriolen → Glomerulus-Kapillaren → Efferente Arteriolen → Peritubuläre Kapillaren → Venolen → Nierenvenen.

Juxtamedulläre efferente Arteriolen dringen tief in das Nierenmark ein und bilden die Vasa recta, welche die Sammelrohre umgeben.

Gefäß- und Tubuläre Organisation nach Nephron-Typ

1. Oberflächliche Nephrone: Kurze Henle-Schleifen.
2. Intermediäre Nephrone: Schleifen variabler Länge.
3. Juxtamedulläre Nephrone: Sehr lange Henle-Schleifen.

Der Juxtaglomeruläre Apparat (JGA)

Der JGA entspricht dem Bereich, in dem das letzte Segment des dicken aufsteigenden Teils der Henle-Schleife in Kontakt mit den Arteriolen am Hilus des eigenen Nierenkörperchens steht. In diesem Segment befindet sich die Macula densa.

Zelltypen des JGA

Wir unterscheiden drei Zelltypen:

• Granuläre Zellen (Renin-produzierende Zellen): Dies sind glatte Muskelzellen der Arteriolen.
• Extraglomeruläre Mesangialzellen: Ähnlich den glomerulären Mesangialzellen.
• Macula densa Zellen: Diese Zellen kontrollieren die Filtrationsgeschwindigkeit und steuern die Renin-Sekretion.

Zusammenfassung der Nierenstruktur

Die makro- und mikroskopische Struktur der Niere ermöglicht ihre vielfältigen Funktionen. Makroskopisch konvergieren die Pyramiden und Säulen zum Nierenbecken, wo der Urin gesammelt wird. Jedes Segment des Nephrons spielt eine spezielle Funktion und interagiert eng mit den angrenzenden Segmenten.

• Das Nierenkörperchen besteht aus dem Glomerulus und der Bowman-Kapsel.
• Der Nierentubulus besteht aus mehreren Segmenten: Proximaler gewundener Tubulus, Henle-Schleife (absteigender, dünn aufsteigender, dick aufsteigender Ast), distaler gewundener Tubulus, Sammelgang.
• Die glomeruläre Barriere wird durch das fenestrierte Endothel, die glomeruläre Basalmembran und die Podozyten gebildet.

Hauptfunktionen der Niere

• Anpassung der Osmolalität und des Volumens von Körperflüssigkeiten.
• Regulation des Elektrolythaushalts.
• Regulation des Säure-Basen-Haushalts.
• Ausscheidung von Stoffwechselprodukten und Fremdstoffen.
• Produktion und Ausschüttung von Hormonen.

Drei Grundlegende Prozesse der Niere

1. Glomeruläre Filtration
2. Tubuläre Sekretion
3. Tubuläre Reabsorption

Renale Clearance und Transport

Die renale Clearance modifiziert die glomeruläre Filtrationsrate in den Nierentubuli durch zwei allgemeine Prozesse: die Reabsorption und die Sekretion.

• REABSORPTION: Transport von Molekülen oder Partikeln aus dem Tubuluslumen in die peritubulären Kapillaren.
• SEKRETION: Transport von Molekülen oder Partikeln aus den peritubulären Kapillaren in das Tubuluslumen.

Die Kombination aus Filtration, Reabsorption und Sekretion führt zur selektiven Ausscheidung von Stoffen.

Transportmechanismen im Nephron

Diffusion

Freie Bewegung von Molekülen oder Partikeln entlang eines Konzentrations- oder elektrochemischen Gradienten.

Erleichterte Diffusion

Molekulare Bewegung zugunsten des Gradienten, erfordert jedoch einen Carrier (Transportprotein).

Primär Aktiver Transport

Bewegung gegen den Gradienten, erfordert einen Carrier und Energie, die direkt aus ATP gewonnen wird.

Sekundär Aktiver Transport

Zwei wechselwirkende Partikel nutzen gleichzeitig denselben Carrier: Eines bewegt sich entlang des Gradienten, das andere dagegen. Die Energie stammt nicht direkt aus ATP, sondern aus der passiven Diffusion des ersten Moleküls.

Cotransport und Countertransport

Je nachdem, ob sich die Partikel in die gleiche Richtung (Cotransport) oder in entgegengesetzte Richtungen (Countertransport) bewegen.

Endozytose

Ermöglicht den Durchgang von Makromolekülen und erfordert ATP.

Solvent Drag (Lösungsmittelmitführung)

Wasser strömt durch Poren in der Membran aufgrund eines Konzentrationsgradienten und zieht kleine gelöste Partikel mit sich.

Wege der Resorption

Es gibt zwei Wege für den Transport vom Lumen ins Interstitium:

• Parazellulär: Die Partikel passieren die Verbindungen zwischen den Zellen durch Diffusion oder durch Solvent Drag.
• Transzellulär: Die Partikel durchqueren die Zellen vom Tubuluslumen ins Interstitium und müssen dabei zwei Plasmamembranen passieren: die luminale (apikale) Membran und die basolaterale (kontraluminale) Membran, sowie das Zytosol dazwischen.

Transportmaximum und Plasmaschwelle

Transportmaximum (T_m)

Ist die maximale Menge an Material, die pro Zeiteinheit transportiert werden kann, da die Membranproteine bei aktiven Prozessen gesättigt sind.

Renale Plasmaschwelle

Ist die Plasmakonzentration einer Substanz, bei der die Substanz beginnt, im Urin aufzutauchen. Sie ist stets niedriger als T_m und ist auf die Heterogenität der Nephrone zurückzuführen.

Natrium tritt vom Lumen in das Interstitium ein.

Kalium tritt vom Interstitium in das Lumen ein.