Kaliumregulation durch die Niere

Überblick

Einführung

Kaliumverteilung:

• Intrazellulärraum (IZR): 98%
  • Wird von Na ⁺ /K ⁺ ATPase aufrechterhalten (benötigt Energie)
  • Entscheidend für Nervenleitung und Muskelkontraktion
• Extrazellulärraum (EZR): 2%
  • K ⁺ -Spiegel im Serum repräsentieren nur K ⁺ im EZR.
  • Normbereich: 3,5–5,2 mEq/L

Mechanismen der K ⁺ Balance:

• Aufnahme über die Nahrung
• GI-Verluste (5 %–10% )
• Nierenschäden (90 %–95% )
• Transzelluläre K ⁺ Verschiebung:
  • Umverteilung zwischen IZR und EZR
  • Verhindert übermäßige ↑ der K ⁺ Konzentrationim EZR
  • K ⁺ verschiebt sich hauptsächlich vom EZR in Muskel- und Leberzellen.

Renale Prozesse zur Regulierung von Wasser, Elektrolyten und Abfallprodukten

• Filtration: Plasma Plasma Transfusionsprodukte wird in den glomerulären Kapillaren Kapillaren Kapillaren gefiltert, wodurch ein Filtrat entsteht, das die Nierentubuli passiert.
• Resorption: Benötigte gelöste Stoffe und Wasser werden aus dem Tubuluslumen wieder in das Blut resorbiert.
• Sezernierung: Abfallprodukte werden gezielt sezerniert.
• Ausscheidung: Das verbleibende Filtrat wird als Urin ausgeschieden.

Nephrone

Nephrone sind die Funktionseinheiten der Niere

• Nephronsegmente (in der Reihenfolge, in der das Filtrat durchströmt):
  • Bowmansche Kapsel
  • Proximaler Tubulus pars convoluta
  • Proximaler Tubulus pars recta
  • Henle-Schleife, weiter unterteilt in:
    • Dünner absteigender Teil
    • Dünner aufsteigender Teil
    • Dicker aufsteigender Teil
  • Distaler Tubulus pars convoluta
  • Sammelrohr
• Arten von Nephronen:
  • Kortikal (oder oberflächlich): Henle-Schleifen dringen nur bis in das äußere Mark ein.
  • Juxtamedullär:
    • Nephrone, deren Henle-Schleifen bis in das innere Mark eindringen
    • Ermöglichen die ↑ Konzentration des Urins (aufgrund der ↑Osmolalität im inneren Mark)

Kaliumregulation in Glomerulus, proximalem Tubulus und Henle-Schleife

Glomerulus

• K ⁺ wird frei aus dem Blut filtriert, das durch die glomerulären Kapillaren Kapillaren Kapillaren in den Kapselraum strömt.
• Im Glomerulus erfolgen keine regulatorischen Prozesse.

Proximaler Tubulus

Zellen des proximalen gewundenen Tubulus haben die stärksten Resorptionsfähigkeiten im gesamten Nephron Nephron Niere. Glucose, und Aminosäuren werden vollständig, Na ⁺ und Wasser zu etwa 65% und auch ein Großteil des K ⁺ im proximalen Tubulus resorbiert.

• Etwa 65 %–70% des filtrierten K ⁺ werden resorbiert.
• Resorption erfolgt eher parazellulär (zwischen Zellen) als transzellulär (ein aktiver Prozess, der Energie benötigt).
• Der passive parazelluläre Transport erfolgt über:
  • Diffusion
  • Solvent Drag

Denken Sie an die 3 Ps :

• P roximaler Tubulus
• Passiver Transport
• P arazellulär

Dicker aufsteigender Teil der Henle-Schleife

Etwa 10 %–25 % des gefilterten K ⁺ werden in der Henle-Schleife resorbiert. Die Resorption umfasst die folgenden zwei Transportproteine auf der luminalen Seite:

• NKCC2-Cotransporter:
  • Aktiver Transport (benötigt Energie von basolateraler Na ⁺ /K ⁺ ATPase)
  • Transportiert aus dem Tubuluslumen in die Zelle:
    • 1 Na ⁺
    • 1 K ⁺
    • 2 Cl ^–
  • Behält die elektrische Neutralität bei, indem 2 positiv geladene und 2 negativ geladene Ionen zusammen in dieselbe Richtung bewegt werden
  • Schleifendiuretika Schleifendiuretika Schleifendiuretika (Furosemid, Torasemid, Bumetanid) hemmen NKCC2 → hält Na⁺, K ⁺ und Cl ^– im Lumen zurück.
• ROMK-(Englisch: renal outer medullary potassium) Kanal:
  • Ermöglicht K ⁺ den Austritt aus der Zelle in das Tubuluslumen
  • Regulierter Kanal für den passiven Transport
  • Stimuliert durch niedriges intrazelluläres ATP: Na ⁺ /K ⁺ ATPase hat ATP verwendet, um K ⁺ in die Zelle zu bringen, das ausgeschieden werden muss.
  • Wichtig für das Recycling von K ⁺, damit NKCC2 seine Funktion fortsetzen kann:
    • Die Konzentration von Na ⁺ im Tubuluslumen ist viel höher als die von K ⁺.
    • Das Recycling von K ⁺ in das Tubuluslumen ermöglicht es NKCC2, weiterhin mehr Na⁺ in die Zellen zu befördern.

Kaliumregulierung in den Sammelrohren

Obwohl die größten Mengen von K ⁺ in den proximalen gewundenen Tubuli resorbiert werden, befinden sich die primären Stellen einer signifikanten K ⁺ -Regulierung in den Sammelrohren innerhalb der Haupt- und Schaltzellen Typ A.

Hauptzellen

• Befindet sich in den kortikalen Sammelrohren
• Basolaterale Seite:
  • Na ⁺ /K ⁺ ATPase: 3 Na ⁺ wandern aus der Zelle, 2 K ⁺ wandern in die Zelle
• Luminale Seite:
  • Epithelialer Natriumkanal (ENaC): 1 Na ⁺ wandert in die Zelle.
    • Für jedes Na ⁺, das in die Zelle eindringt, bleibt ein Cl ^– im Tubuluslumen zurück.
    • Erzeugt einen elektrischen Gradienten, wobei die Luminalseite negativer ist
  • ROMK-Kanal: 1 K ⁺ bewegt sich aus der Zelle heraus.
• K ⁺ wandert aus den Kapillaren Kapillaren Kapillaren durch die Na ⁺ /K ⁺ ATPase (aktiver Transport) in die Hauptzellen und durch die ROMK-Kanäle (passiv regulierter Transport) ins Lumen.

Ausscheidung von K ⁺ aus den Hauptzellen

Kalium tritt durch die ROMK-Kanäle in das Lumen aus, welche durch Faktoren gesteuert werden, die den passiven Transport beeinflussen:

• Diffusionsgradient:
  • ↑ Intrazellulär K ⁺ (K ⁺ ist aufgrund der Na ⁺ /K ⁺ ATPase hauptsächlich im IZR lokalisiert)
  • ↓ Luminal K ⁺
  • Begünstigt den Austritt von K ⁺ in das Lumen
• Elektrischer Gradient:
  • Im Tubuluslumen wird jedes Na ⁺ von einem Cl ^– begleitet.
  • Wenn sich ein Na-Ion durch den ENaC-Kanal bewegt, verbleibt das begleitende Chlorid-Ion im Tubuluslumen und erzeugt den elektrischen Gradienten.
  • Zunehmend negative luminale Ladung zieht K ⁺ an.
  • ↑ ENaC-Kanalaktivität→ ↑ Elektronegativität des Tubuluslumens→ ↑ Affinität für K ⁺, um durch den ROMK-Kanal in das Tubuluslumen zu gelangen
• K ⁺ Permeabilität der luminalen Mmembran:
  • ROMK-Kanäle können sich öffnen und schließen.
  • ROMK-Kanäle öffnen sich, wenn das intrazelluläre ATP niedrig ist.

Regulierung der K ⁺ -Ausscheidung aus den Hauptzellen

Es gibt 4 Hauptfaktoren, die die K ⁺ -Ausscheidung auf der Ebene der Hauptzellen regulieren:

• Aldosteron:
  • Stimuliert die basolaterale Na ⁺ /K ⁺ ATPase, um mehr K ⁺ in die Zellen zu bringen
  • ↑ Anzahl der offenen luminalen Kanäle:
    • ENaC-Kanäle UND
    • ROMK-Kanäle
  • Gesamteffekt: ↑ K ⁺ Ausscheidung
• Erhöhung der Plasma-K ⁺-Konzentration (wie bei Aldosteron):
  • Stimuliert die basolaterale Na ⁺ /K ⁺ ATPase
  • ↑ Anzahl der offenen Luminalkanäle:
    • ENaC-Kanäle UND
    • ROMK-Kanäle
  • Gesamteffekt: ↑ K ⁺ Ausscheidung
• Flussrate des distalen Tubulus:
  • Hoher Fluss (z. B. Polyurie):
    • K+, das vom ROMK-Kanal abgesondert wird, gelangt schnell zum nächsten Teil des Nephrons.
    • Der Konzentrationsgradient begünstigt die Diffusion von K+ in dieTubulsflüssigkeit.
    • Gesamteffekt: ↑ Urinfluss = ↑ K+ Ausscheidung (und ↓ Serum K+)
  • Niedriger Fluss (z. B. Oligurie):
    • Tubuläres K+ bleibt nach der Sekretion näher am ROMK-Kanal.
    • Es gibt einen geringeren Konzentrationsgradienten für die Diffusion von K ⁺ durch den ROMK-Kanal.
    • Gesamteffekt: ↓ Urinfluss = ↓ K ⁺ Ausscheidung (und ↑ Serum K ⁺)
• Distaler Na⁺Gehalt:
  • Hoher distaler Na⁺ Gehalt:
    • Über den ENaC-Kanal gelangt mehr Na⁺ in die Zelle.
    • = Mehr Cl ^– bleibt im Tubuluslumen zurück
    • = Stärker elektronegatives Tubuluslumen
    • = Höherer elektrischer Gradient für K ⁺ Sekretion durch den ROMK-Kanal
  • Niedriger distaler Na⁺ Gehalt:
    • Über den ENaC-Kanal gelangt weniger Na ⁺ in die Zelle.
    • = Weniger Cl ^–bleibt im Tubuluslumen zurück
    • = Weniger elektronegatives Tubuluslumen
    • = Niedrigerer elektrischer Gradient für K ⁺ Sekretion durch den ROMK-Kanal
  • Schleifen- und Thiaziddiuretika Thiaziddiuretika Thiaziddiuretika blockieren die NKCC2-Kanäle in der Henle-Schleife:
    • Führen zu Zufuhr von ↑ Na ⁺ in die distaleren Sammelrohre
    • Stellt den Mechanismus der Hypokaliämie aufgrund dieser Diuretika Diuretika Medikamentöse Therapie der Herzinsuffizienz und der Angina pectoris dar.

Schaltzellen Typ A

Schaltzellen Typ A ermöglichen die Feinabstimmung der K ⁺ -Ausscheidung über den Urin.

• Befinden sich im Sammelrohr
• H ⁺ /K ⁺ ATPase auf der luminalen Seite:
  • 1 H ⁺ aus der Zelle, 1 K ⁺ in die Zelle
  • Aktives Transportprotein (benötigt ATP als Energiequelle)
• Mechanismus zur K ⁺ -Konservierung: ermöglicht die Ausscheidung von < 15 mmol K ⁺ pro Tag über den Urin bei hypokaliämischen Zuständen aufgrund nicht renaler Verluste

Reaktion auf mit der Nahrung eingenommenes K ⁺

Normale Reaktion auf mit der Nahrung eingenommenes K ⁺

Eine normale westliche Ernährung enthält etwa 40–120 mmol K ⁺ pro Tag. Die normale Reaktion auf dieser Weise aufgenommenes K ⁺ läuft wie folgt ab:

1. Der Darm resorbiert K ⁺ aus der Nahrung in den Blutkreislauf.
2. Transzelluläre Verschiebungen:
   • Kaliumionen wandern hauptsächlich in die Muskel- und Leberzellen.
   • Verhindert einen übermäßigen Anstieg der extrazellulären K ⁺ Konzentration
   • Gefördert durch Insulin Insulin Insulin und β ₂ -adrenerge Aktivität, die beide zu ↑ Aktivität der Na ⁺ /K ⁺ ATPase führen
3. Erhöhte extrazelluläre K ⁺ -Konzentration löst Mechanismen der renalen K ⁺ -Ausscheidung aus
   • In den Hauptzellen:
     • Basolaterale Na ⁺ /K ⁺ ATPase wird stimuliert.
     • ↑ Anzahl offener luminaler ENaC- und ROMK-Kanäle
   • Die Aldosteronproduktion wird stimuliert:
     • Stimuliert weiter Na ⁺ /K ⁺ ATPase
     • Zusätzlich ↑ von luminalen ENaC- und ROMK-Kanälen in Hauptzellen
4. Die transzelluläre Verschiebung in die Muskel-/Leberzellen kehrt sich allmählich um.
5. Der Rest des aufgenommenen K ⁺ wird renal ausgeschieden.

Auffälligkeiten

• Nieren Nieren Niere regulieren effektiv die K ⁺ -Ausscheidung (insbesondere an den Schaltzellen Typ A).
• Sowohl eine Hypo- als auch Hyperkaliämie Hyperkaliämie Hyperkaliämie aufgrund einer verminderten oder erhöhten Aufnahme ist unwahrscheinlich.
• Ausnahme: Zustände chronischer Mangelernährung Mangelernährung Mangelernährung von Kindern in Ländern mit begrenzten Ressourcen (z. B. Alkoholismus)

Klinische Relevanz

Renal bedingte Hypokaliämie

Mehrere häufige Ursachen für eine erhöhte Ausscheidung von K ⁺ über den Urin, die zu einer Hypokaliämie führt, sind:

• Einnahme von Diuretika Diuretika Medikamentöse Therapie der Herzinsuffizienz und der Angina pectoris: Diuretika Diuretika Medikamentöse Therapie der Herzinsuffizienz und der Angina pectoris können den K ⁺ -Spiegel auf verschiedene Weise beeinflussen. Diuretika Diuretika Medikamentöse Therapie der Herzinsuffizienz und der Angina pectoris, die proximal der Sammelrohre wirken, einschließlich Schleifen- und Thiaziddiuretika Thiaziddiuretika Thiaziddiuretika, erhöhen den distalen Na ⁺ -Gehalt, was die K ⁺ -Ausscheidung stimuliert. Ein Volumenmangel als Folge der Diuretika Diuretika Medikamentöse Therapie der Herzinsuffizienz und der Angina pectoris kann auch das RAAS aktivieren und die Aldosteronsekretion fördern, was wiederum die K ⁺ -Ausscheidung erhöht.
• Eine primäre Erhöhung der Mineralocorticoid-Aktivität: meistens aufgrund eines Aldosteron-produzierenden Nebennierenadenoms oder einer bilateralen Nebennierenhyperplasie. Patient*innen mit erhöhter Mineralocorticoid-Aktivität haben in der Regel eine begleitende Hypertonie Hypertonie Arterielle Hypertonie.
• Nicht resorbierbare Anionen: Das Vorhandensein von nicht resorbierbaren Anionen im Lumen macht dieses negativer und erhöht die Menge an Na ⁺, das bis in die Sammelrohre zurückgehalten wird. Die erhöhte distale Zufuhr von Na ⁺ und Wasser führt dann zu einem verstärkten Austausch von Na ⁺ gegen K ⁺ an den Hauptzellen, was zu einer Hypokaliämie führt. Zu den nicht resorbierbaren Anionen gehören Bicarbonat (erhöht bei Erbrechen Erbrechen Erbrechen im Kindesalter und proximaler renaler tubulärer Azidose), β-Hydroxybutyrat (erhöht bei Ketoazidose) und Hippursäure (erhöht bei Verwendung von Toluol/Schnüffeln an Kleber).
• Diabetische Ketoazidose: Es gibt 3 verschiedene Mechanismen, die zu einer Hypokaliämie bei diabetischer Ketoazidose beitragen.
  1. Eine glukosegetriebene osmotische Diurese führt zu einer erhöhten distalen Na ⁺ – und Wasserabgabe.
  2. Hypovolämie induziert Hyperaldosteronismus Hyperaldosteronismus Hyperaldosteronismus.
  3. Die Produktion des nicht resorbierbaren β-Hydroxybutyrat-Anions wird erhöht.
• Weniger häufige Ursachen: Polyurie (aufgrund psychogener Polydipsie), renale tubuläre Azidose Renale tubuläre Azidose Renale tubuläre Azidose, Hypomagnesiämie, Einnahme von Amphotericin B und kalorienarme Ernährung. Mutationen in tubulären Transportproteinen, einschließlich des Liddle-Syndroms, des Bartter-Syndroms und des Gitelman-Syndroms, können eine Hypokaliämie verursachen oder dazu beitragen.

Renal bedingte Hyperkaliämie Hyperkaliämie Hyperkaliämie

Mehrere häufige Ursachen für verminderte K ⁺ -Ausscheidung über den Urin, die zu Hyperkaliämie Hyperkaliämie Hyperkaliämie führen, sind:

• Reduzierte Aldosteronsekretion: Jeder Zustand, der die Aldosteronsekretion reduziert, reduziert die K ⁺ Ausscheidung. Ursachen für eine verminderte Aldosteronsekretion können sowohl hyporeninämischer Hypoaldosteronismus Hypoaldosteronismus Hypoaldosteronismus (Situationen von Volumenüberladung, diabetische Nephropathie Diabetische Nephropathie Chronische Komplikationen bei Diabetes mellitus, autonome Neuropathie und einige systemische Erkrankungen) als auch hyperreninämischer Hypoaldosteronismus Hypoaldosteronismus Hypoaldosteronismus (einschließlich primärer Nebenniereninsuffizienz Nebenniereninsuffizienz Nebenniereninsuffizienz und Morbus Addison, chronischer Heparintherpaie und verschiedener angeborener Anomalien) sein. Mehrere Medikamente können ebenfalls ursächlich sein, darunter ACE-Hemmer, NSAIDs NSAIDs Nichtsteroidale Antirheumatika/Antiphlogistika, Calcineurin-Hemmer und Heparin.
• Reduzierte Reaktion auf Aldosteron: verursacht durch kaliumsparende Diuretika Diuretika Medikamentöse Therapie der Herzinsuffizienz und der Angina pectoris wie Aldosteron-Antagonisten Aldosteron-Antagonisten Medikamentöse Therapie der Herzinsuffizienz und der Angina pectoris (z. B. Spironolacton, Eplerenon) und ENaC-Antagonisten (z. B. Amilorid und Triamteren) sowie spannungsabhängige renale tubuläre Azidose Renale tubuläre Azidose Renale tubuläre Azidose (aufgrund einer gestörten Natriumresorption in den Hauptzellen) sowie Pseudohypoaldosteronismus (eine seltene genetische Störung, die eine Aldosteronresistenz verursacht).
• Reduzierter distaler Na ⁺ – und Wassergehalt: resultiert aus einer effektiven arteriellen Blutvolumendepletion, einschließlich gastrointestinaler und renaler Verluste, Herzinsuffizienz und Zirrhose. Wenn die distale Zufuhr von Na⁺ und Wasser abnimmt, wird weniger Na ⁺ im Austausch gegen K ⁺ resorbiert; daher wird weniger K ⁺ ausgeschieden.
• Akute und chronische Niereninsuffizienz: Wenn die Zahl der funktionstüchtigen Nephrone abnimmt, nimmt die Fähigkeit der Niere, K ⁺ auszuscheiden, ab. Die Kaliumausscheidung wird normalerweise aufrechterhalten, solange der/die Patient*in auf Aldosteron anspricht und die Zufuhr von Na ⁺ und Wasser aufrechterhalten wird. Hyperkaliämie Hyperkaliämie Hyperkaliämie tritt tendenziell bei Patient*innen auf, die eine Oligurie aufweisen oder zusätzliche Probleme haben, die zu einer Hyperkaliämie Hyperkaliämie Hyperkaliämie beitragen können.