Eine Reise durch die Physiologie - Wie der
K�rper des Menschen funktioniert
Blutdruck, Wasserhaushalt, S�ure-Basen-StatusOsmolalit�t und Fl�ssigkeitsvolumina
� H. Hinghofer-Szalkay
Dehydrierung: ὕδωρ = Wasser ("Entw�sserung")
gyrus cinguli: γύρος = Biegung, Runde, Saum (Windung), cingulum = G�rtel
hyperton: ὑπέρ = �ber (hinaus), τόνος = (An)spannung
Hypovol�mie: ὑπό = unter, volumen = Kr�mmung, αἷμα = Blut
Osmoregulation: ὠσμός = Antrieb, Sto�, Eindringen; regula = Ma�stab, Regel
Tomographie: τομή = Schnitt, γράφειν graphein ‚schreiben
Bis auf wenige Ausnahmen sind die K�rperfl�ssigkeiten osmotisch isoton (~ 0,3 Osm/l) - entsprechend einer "physiologischen Kochsalzl�sung" (0,9%ig, d.h. 9 g NaCl/l), die meist als Grundlage f�r Infusionsl�sungen dient. An physiologischen Grenzfl�chen k�nnen osmotische Effekte auftreten; Zellmembranen sind wasserdurchl�ssig und k�nnen so Unterschiede der osmotischen Konzentration durch Osmose
ausgleichen. Treten unterschiedliche Konzentrationen osmotisch wirksamer Stoffe auf (intra- vs. extrazellul�r), nehmen Zellen entweder Wasser auf (Zellschwellung oder Zytolyse in hypotoner Umgebung) oder sie schrumpfen (in hypertoner Umgebung).
Auf den ganzen Organismus bezogen ist die osmotische Konzentration wichtig, da von ihr das Milieu f�r biochemische und zellphysiologische Vorg�nge abh�ngt. Sie wird pr�zise
reguliert; das Zentrum daf�r ist der Hypothalamus, der �ber neuronale und humorale Zugriffsm�glichkeiten verf�gt, die Osmolalit�t - wenn n�tig - zu korrigieren. Ansatzpunkte f�r diese Regulation sind einerseits die Aufnahme, andererseits die Ausscheidung von Wasser und Salz - also Durstempfinden, eventuell Salzappetit, und Nierenfunktion.
Dehydration bedeutet zu geringe, Hyperhydration
erh�hte Fl�ssigkeitsmenge im K�rper. Meist meint man damit den Zustand des Extrazellul�rraums (bei intrazellul�ren Abweichungen sagt man das dazu). Hydrations�nderungen k�nnen isoton, hypoton, oder hyperton sein. Immer bewegt sich das Wasser �ber (zellul�re, epitheliale) Grenzschichten auf die Seite der h�heren Konzentration der gel�sten Stoffe (Osmose); f�r jede dieser St�rungen gibt es charakteristische klinische Beispiele.
Der Normbereich der Osmolalit�t ist eng, etwa zwischen 280 und 295 mOsm (entsprechend einer Natriumkonzentration um die 145 mM). Sekretion und Blutspiegel von Vasopressin �ndern sich mit der Osmolalit�t; unter ~280 mOsm betragen sie praktisch Null, dar�ber steigen sie an, und �ber ~290 mOsm beginnt zus�tzlich Durstgef�hl zu wirken (Trinken von Wasser reduziert die
Osmolalit�t der K�rperfl�ssigkeiten).
Osmose, Osmolarit�t, OsmometrieWasserbilanz und Kompartimente
Volumenregulation Osmoregulation Ver�nderte Regulationsschwelle
Dehydration Vasopressin
Praktische
Aspekte Core messages
Fl�ssigkeiten haben Charakteristika, die von der Konzentration (Anzahl pro Volumen) in ihr gel�ster Teichen abh�ngen und nicht von deren Art: Gefrierpunkt, Siedepunkt, Schmelzpunkt, Dampfdruck und osmotische Konzentration.Da sich diese Gr��en direkt proportional zueinander verhalten, nennt man sie kolligative Eigenschaften. Steigt die Osmolalit�t einer Fl�ssigkeit an, erniedrigen sich der Betrag ihres Gefrierpunkts bzw. Schmelzpunkts und Dampfdrucks und erh�ht sich derjenige des Siedepunkts. Aus diesen Ver�nderungen kann die osmotische Konzentration ermittelt werden (Osmometrie).
�blicherweise sind Zellen des K�rpers einem isotonen Medium (interstitielle Fl�ssigkeit) ausgesetzt. Es gibt aber Stellen, wo sie mit einer stark hypotonen (z.B. Magenschleimhaut nach Trinken von Wasser) oder hypertonen Umgebung ausgesetzt sind (z.B. im Nierenmark) oder auch beides (z.B. Blasenschleimhaut). Dann ist es wichtig, dass die betreffenden Zellen Gegenregulation ergreifen, um ihr Volumen zu stabilisieren bzw. einer osmotisch herbeigef�hrten Zerst�rung (Lyse) zu entgehen.
Osmose ist die Passage von
Wasser durch semipermeable Membranen
Osmoseist die Str�mung von L�sungsmittel (im Organismus: Wasser) durch eine Membran, die f�r das L�sungsmittel (Wasser), nicht aber f�r gel�ste (gr��ere) Molek�le durchg�ngig ist. Eine solche Membran nennt man semipermeabel (halbdurchl�ssig), gemeint sind in der Regel Zellmembranen. Das Wasser bewegt sich also dorthin, wo seine Konzentration geringer ist - und wo die Konzentration gel�ster Stoffe gr��er ist.
Die unbedachte Formulierung "Osmose ist die
Bewegung von Wasser auf die Seite der h�heren Konzentration" ist irref�hrend, wenn nicht dazu gesagt wird, WESSEN Konzentration gemeint ist - n�mlich des gel�sten Stoffes (der zur�ckbleibt) und nicht des L�sungsmittels (das sich durch die Membran bewegt).
Osmose betrifft im Organismus die transmembranale Str�mung von Wasser(etwa wenn ein Blutk�rperchen durch das hypertone Nierenmark wandert - Wasser tritt aus, es
schrumpft vor�bergehend, bis es in die Nierenrinde zur�ckgelangt und Wasser wieder durch die Zellmembran einstr�mt).
>Abbildung: Osmose
Nach einer Vorlage bei
arlenward.com
L�sungsmittel (Wasser) str�mt durch (Zell-) Membranen - nicht so gel�ste Teilchen (gr�n). Wird dieser Durchtritt behindert, baut sich ein osmotischer Druck auf
Stehen sich zwei unterschiedlich konzentrierte L�sungen gegen�ber, so str�mt das L�sungsmittel (Wasser) dorthin, wo es weniger konzentriert ist (d.h. wo die in Wasser gel�sten Teilchen st�rker konzentriert sind, >Abbildung) - es entsteht ein
Netto-Strom von L�sungsmittel, d.h. eine osmotische Fl�ssigkeitsstr�mung.
Osmotische Ausgleichsstr�me kommen im K�rper vor, wenn die Osmolalit�t aneinander grenzender Kompartimente - z.B. Intra- versus Extrazellul�rraum - sich unterscheidet.
Semipermeable W�nde geben dabei nach, wenn sie Spielraum dazu haben; eine Seite schrumpft, die andere schwillt an. Dabei m�ssen keine wesentlichen Druckver�nderungen auftreten. Nur wenn das nicht m�glich ist (z.B. wenn das Gehirn wegen seiner Umkapselung in der Sch�delh�hle nicht anschwellen kann), steigt der Druck auf der Seite mit niedrigerer Osmolalit�t, und das kann z.B. Gef��e komprimieren und die Durchblutung reduzieren (Beispiel Gehirn�dem).
Die bei osmotischem Konzentrationsunterschied auftretenden Kr�fte sind beachtlich: Wird der osmotische Strom verhindert (etwa wenn die semipermeable Grenzfl�che starr ist und nicht ausweicht, wie bei einer Pfeffer-schen Zelle), bauen die auf diese "eintrommelnden" Molek�le - statt zu str�men - beachtliche Druckwerte auf ("osmotischer Druck"), n�mlich knapp 2,6 kPa (~19 mmHg) pro mOsm/kg Osmolalit�ts-Unterschied.
Die Konzentration gel�ster (osmotisch wirksamer) Substanzen wird in Osmolangegeben ( s. dort). Ein Tausendstel Osmol ist ein milli-Osmol (mOsm). Die Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen in einer L�sung kann in zweierlei Einheit angegeben werden: als Osmolarit�t(osmotische Konzentration) in Osmol / Liter L�sung (z.B. Plasma); oder (temperatur-unabh�ngig) als Osmolalit�t in Osmol / Kilogramm L�sungsmittel (Wasser).
Blutplasma
weist eine Osmolalit�t von etwa 290 mOsm/kg auf (Referenzbereich etwa 280-300 mOsm/kg). Dies entspricht theoretisch - im Vergleich zu reinem Wasser - einem osmotischen Druck von ~745 kPa (eine 1-osmolale L�sung k�nnte einen osmotischen Druck von �ber 2000 kPa aus�ben, d.h. mehr als das 20-fache des atmosph�rischen Luftdrucks). Liegt der Wert der Plasma-Osmolalit�t
(effektiv) �ber 300 mOsm, spricht man von Hypertonizit�t, bei unter 280 mOsm von Hypotonizit�t.
Osmolalit�t und Tonizit�t muss nicht das Gleiche bedeuten: Die Osmolalit�t bezieht sich auf die Konzentration osmotisch aktiver gel�ster Teilchen in
einer L�sung, die Tonizit�t auf deren physiologischen Effekt im K�rper (effektive Osmolalit�t). So wirkt sich Glucose normalerweise kaum auf die Tonizit�t aus (intestinal resorbierte Glucose wird von den Zellen rasch aufgenommen und verstoffwechselt und ist dann osmotisch nicht mehr wirksam).
Kann Glucose nicht ad�quat verarbeitet werden (Hyperglyk�mie bei Diabetes mellitus), spielt der Plasma-Glucosespiegel eine zunehmende Rolle als Tonizit�tsfaktor.
Gel�ste Teilchen (z.B. Natrium- und Chloridonen) k�nnen Zellmembranen schwerer durchdringen als das L�sungsmittel Wasser - dieses tritt bevorzugt durch die Membran (Aquaporine), entsprechend seinem Konzentrationsgef�lle (Osmose).
Die Osmolalit�t des Blutplasmas h�ngt im Wesentlichen von der Konzentration folgender 5
Substanzen ab:
Natrium (~140 mM)
Chlorid (~105 mM)
Bikarbonat (~25 mM)
Glucose (~5 mM)
Harnstoff (~5 mM)
Harnstoff ist osmotisch wirksam und kann Zellmembranen durchdringen. Zellmembranen verf�gen dazu �ber Harnstofftransporter (urea transporter,UT-A findet man in der Niere (UT-A1 in der apikalen Membran von Sammelrohrzellen wird durch Vasopressin aktiviert und resorbiert 2/3 der filtrierten Harnstoffmenge; UT-A2 transportiert Harnstoff �ber die apikale Membran in das Luman der absteigenden Henle-Schleife; UT-A3 bringt Harnstoff aus inneren Sammelrohrabschnitten in das renale Intertstitium), UT-B in mehreren Geweben (Niere, Blut-Hirn-Schranke, Erythrozyten).
Osmotischer Effekt von Harnstoff: Harnstoff diffundiert langsamer durch Zellmembranen als Wasser. Gelangt eine Zelle in ein Medium mit erh�hter Harnstoffkonzentration (Nierenmark!), str�mt Wasser aus der Zelle (osmotischer Effekt des Harnstoffs, der zun�chst noch extrazellul�r angereichert bleibt) und die Zelle schrumpft. Erst allm�hlich diffundiert der Harnstoff durch UT-Transporter in die Zelle (Konzentrationsausgleich: Gleichm��ig erh�hte Osmolalit�t im Extra- und Intrazellul�rraum). Damit erlangt die Zelle auch wieder ihr urspr�ngliches Volumen zur�ck.
Treten im Plasma weitere Stoffe in nennenswerter osmotischer Konzentration auf, dann ist die gemessene Osmolalit�t gr��er als die Summe der Anteile dieser f�nf Komponenten ("osmotische L�cke").
Osmometrie ermittelt den Betrag der Osmolalit�t mittels Verfahren, die
den Gefrierpunkt (Gefrierpunktserniedrigung plasmaisotoner K�rperfl�ssigkeiten: 0,56�C) oder
den Dampfdruck der L�sung (Osmolalit�t proportional Dampfdruckerh�hung) - beide sind von der Osmolalit�t abh�ngig, oder
direkt mit einer Membran ermitteln (umst�ndlich, im klinischen Labor nicht �blich).
Wassermangel �u�ert sich in einer Zunahme der Natriumkonzentration und der Osmolalit�t im Blutplasma -
und umgekehrt. Da Fl�ssigkeitsvolumina (in und au�erhalb von Zellen) �ber Salzkonzentrationen reguliert werden, hilft die Osmometrie an Blut- oder Harnproben bei der Diagnostik von St�rungen des Salz-Wasser-Haushalts.
Insbesondere bei bewusstlosen oder verwirrten Patienten ist die Kontrolle des Wassergehalts (des Hydrationszustandes) notwendig.
Die
Osmolalit�t der extrazellul�ren Fl�ssigkeit bestimmt die Wanderung von Wasser durch die Zellmembranen - unabh�ngig vom extrazellul�ren Volumen:
<Abbildung: Tonizit�t und Zellvolumen
Nach einer Vorlage bei Roger TannerThies: Physiology - An Illustrated Review. Thieme 2012
Wasser dringt (dank der Anwesenheit von Aquaporinen) um Gr��enordnungen besser durch
Zellmembranen als Ionen oder andere Molek�le.
Schrumpft eine Zelle (<Abbildung links), steigt die Konzentration der gel�sten Inhaltsstoffe. So kommt es zu einem "Zusammenkn�ueln" von Makromolek�len (Proteinen, Nukleins�uren) und entsprechenden Behinderungen der Zellfunktion. Umgekehrt droht die Zelle bei �berdehnung (<Abbildung rechts) zu zerrei�en (osmotische Lyse).
Ma�nahmen der Gegenregulation beginnen sofort und k�nnen (wenn die Zelle �berlebt) �ber Stunden und Tage anhalten. Zur Normalisierung des Volumens forciert die Zelle den Transport osmotisch wirksamer Substanzen (Kationen, Anionen, organische Osmolyte) und damit von Wasser (osmotischer Effekt):
>Abbildung: Regulatorische Volumenzunahme von Zellen in Reaktion auf Schrumpfung
Nach einer Vorlage in Butler / Brown /
Stephenson / Speakman, Animal physiology - An environmental perspective. Oxford University Press 2021
Das Schrumpfen der Zelle stimuliert volumensensitive Proteine: Na/H-Austauscher werden hinaufreguliert (durch Aufbl�hung der Zelle herunterreguliert), der Na/K/Cl-Cotransporter aktiviert und der osmotische Wassereinstrom in die Zelle dadurch angeregt. Zus�tzlich nimmt der Einstrom (ebenfalls osmotisch wirksamer) Osmolyte wie z.B. Taurin zu
Zellul�re Osmoregulation: Einige Membrankan�le sind volumensensitiv, d.h. sie �ndern ihre Durchg�ngigkeit mit der Dehnung und damit auftretenden Lateralspannung in der Zellmembran. Direkt oder indirekt kommt es so zu ver�nderten Durchtrittswahrscheinlichkeiten osmotisch aktiver Substanzen und damit auch der Osmolalit�t in der Zelle. Wie die Abbildungen zeigen, f�hrt das insgesamt
bei geschrumpften Zellen zu einem Netto-Einstrom gel�ster Stoffe, Anstieg der Osmolalit�t und dadurch Wassereinstrom, der das Zellvolumen wieder normalisieren kann. Umgekehrt f�hrt ein Aufbl�hen der Zelle zu einem Ausstrom von Osmolyten, dadurch verl�sst Wasser die Zelle und das Zellvolumen nimmt wieder ab.
<Abbildung: Reduktion des Zellvolumens in Reaktion auf Zunahme des Zellvolumens
Modifiziert nach einer Vorlage in Butler / Brown / Stephenson / Speakman, Animal physiology - An environmental perspective. Oxford University Press 2021
Steigt das Zellvolumen, nimmt auch der Ausstrom von Osmolyten zu. Die resultierende Abnahme der Osmolalit�t regt auch den Ausstrom von Wasser an, das Zellvolumen normalisiert sich
Bezogen auf die Verh�ltnisse im gesamten Organismus, stellt sich die Situation je nach der Osmolalit�t der K�rperfl�ssigkeiten unterschieldich dar:
Bei isotonen Ver�nderungen des extrazellul�ren Volumens (Hyper- oder Hypohydration) liegt kein Unterschied zwischen intra- und extrazellul�rer Osmolalit�t vor, es
kommt zu keiner Netto-Bewegung von Wasser durch die Zellmembranen, das Volumen der Zellen (Intrazellul�rvolumen) bleibt unver�ndert.
Nimmt z.B. die extrazellul�re Natriumkonzentration ab (hypotone St�rung: [Na+] < 136 mM), dringt Wasser osmotisch in
die Zelle ein (die ja jetzt relativ hyperton ist), es kommt zu Zellschwellung (Zell�dem), was Kopfschmerzen, Verwirrtheit, �belkeit und Muskelkr�mpfe bedingen kann. Bei hypotoner Hyperhydration ("Wasservergiftung") nimmt sowohl das Extra- als auch das Intrazellul�rvolumen zu.
Bei hypertoner St�rung passiert das Gegenteil: Wasser verl�sst die Zellen, diese schrumpfen ("zellul�re Exsikkose"), Unruhe, Fieber, Durst k�nnen die Folge sein. Beihypertoner Dehydration ("Durstexsikkose") kommt es durch Wasserdefizit
(Ausscheidung > Nachschub) zun�chst zu Kontraktion des Extrazellul�rraums, und die Hyperosmolalit�t (erh�hte Salzkonzentration) zieht Wasser aus den Zellen. Ein Beispiel daf�r ist unkompensierter Schwei�verlust:
Starkes Schwitzen → Verlust hypotoner Fl�ssigkeit → a) / b)
a) → extrazellul�res Volumen sinkt →
Harnausscheidung nimmt ab
b) → Osmolalit�t steigt → Wasser str�mt aus den Zellen → allgemeine Hypertonizit�t
>Abbildung: Osmotischer Ausgleich bei De- oder Hyperhydration
Nach einer Vorlage in Thews / Mutschler / Vaupel: Anatomie, Physiologie, Pathophysiologie des Menschen, WVG 1982
Dehydration :
Abnahme, Hyperhydration: Zunahme des extrazellul�ren Volumens. Die Verh�ltnisse k�nnen - je nach Osmolatit�t - iso-, hyper- oder hypoton sein. Beispiele:
Isotone Dehydration: Erbrechen - Durchfall - Brandverletzungen - Diuretikaabusus
Hypertone Dehydration: Durst und Schwei�verlust -
unbehandelter Diabetes mellitus
Hypotone Dehydration: Kochsalzmangel - Nebennierenrindeninsuffizienz (Mb. Addison)
Isotone Hyperhydration: �berm��ige Infusionen - Herzversagen - Leberzirrhose
Hypotone Hyperhydration: Glucoseinfusion - Herzversagen -
Leberzirrhose
Hypertone Hyperhydration: Infusion hypertoner L�sungen (Kochsalz, Mannit,..)
Als physiologische Kochsalzl�sungbezeichnet man eine dem Blutplasmaisotone L�sungvon 9 g NaCl pro Liter (0,9 %ige NaCl-L�sung). Diese wird als Grundlage f�r die meisten Infusionsfl�ssigkeiten verwendet.
W�rde man (in einem Gedankenexperiment, nicht real) den Extrazellul�rraum durch Zufuhr von reinem Wasser, isotoner Kochsalzl�sung oder unverd�nntem Kochsalz erh�hen, w�re der Effekt auf das intrazellul�re Volumen unterschiedlich:
Wasser w�rde den Intrazellul�rraum erh�hen (osmotisch bedingter Einstrom von H2O in die Zellen), die Zellen schwellen an,
die Zufuhr isotoner Kochsalzl�sung w�rde das intrazellul�re Volumen unver�ndert lassen,
l�st man NaCl in extrazellul�rer Fl�ssigkeit, wird diese hyperton, Wasser str�mt osmotisch bedingt aus den Zellen, die Zellen schrumpfen.
Die Osmolalit�t des Blutplasmas entspricht der Osmolalit�t einer 0,9 %igen Kochsalzl�sung
Da Natrium aus den Zellen weitgehend herausgehalten wird (Na/K-Pumpe), ist Natrium das Leitkation des Extrazellul�rraumes, und die gel�ste Natriummenge bestimmt den Betrag des extrazellul�ren Volumens (die
Osmolarit�t - etwa 290 mOsm/l - wird vom K�rper pr�zise reguliert). Die renale Natriumausscheidung wird nicht durch die extrazellul�re Na+-Konzentration, sondern das effektive Blutvolumen - physiologischerweise ein Ma� f�r das extrazellul�re Volumen - gesteuert.
Meerwasser hat eine 3-4mal h�here Kochsalzkonzentration (~30 g/l) als extrazellul�re
Fl�ssigkeit (~8 g/l). Trinkt man derart konzentrierte Salzl�sung ohne Zusatz von Wasser, ist die Konzentrationsf�higkeit der menschlichen Niere �berfordert (Harnstoff ist ein wichtiges "Harnfixum", das renal ausgeschieden werden muss und einen wesentlichen Teil der Osmolalit�t des Harns ausmacht).
Trinkt eine Person Meerwasser, ergibt sich zun�chst (vorausgesetzt, man startet im euhydrierten Zustand) eine hypertone Hyperhydration. Das �bersch�ssige Kochsalz kann von der Niere nur unter Verbrauch von Wasser ausgeschieden werden, sodass sich rasch eine hypertone Dehydration einstellt.
Bei Wassermangel in einer entsprechenden Notsituation (lost at sea) nehmen daher extrazellul�res und Blutvolumen ab, lebensbedrohliches Kreislaufversagen kann sich einstellen.
Nur bei spezieller Langzeitadaptation (W�stentiere) ist der Organismus in der Lage, mit derart hypertonen Bedingungen zurechtzukommen (besonders stark ausgepr�gtes Nierenmark mit h�her entwickelter F�higkeit zu osmotischer Gegenstrom-Multiplikation und Bildung hochkonzentrierten Harns).
Infusion hypertoner Infusionsl�sungen (z.B. NaCl)
steigert sowohl Osmolarit�t als auch Volumen im Extrazellul�rraum (hypertone Hyperhydration) → Wasser diffundiert aus den Zellen (Osmose), die Zellen schrumpfen
Hyperhydration senkt die Plasma-Proteinkonzentration (Verd�nnungseffekt)
Infusionsl�sungen: Die osmotische Wirkung ist durch die Konzentration gel�ster Teilchen bestimmt. ~95% der Osmolarit�t in
K�rperfl�ssigkeiten stammt von Salzen (Elektrolyten).
Isotone Glucosel�sung wirkt stark hypoton, da Glucose rasch von den Zellen aufgenommen wird und so aus dem Extrazellul�rraum verschwindet.
Die Osmolalit�t der K�rperfl�ssigkeiten betr�gt um die 290
mOsm/kg und schwankt normalerweise nicht mehr als 2-3%; bei Abweichungen um 1% (3 mOsm/kg) setzt die Osmoregulationein und gleicht die St�rung durch Ausscheidung verd�nnten oder konzentrierten Harns, und evt. Wasserzufuhr, aus.
Alkohol hemmt den Vasopressinmechanismus, f�hrt zu Wasserverlust und zu starker (bis 20%) Zunahme der Osmolalit�t in den K�rperfl�ssigkeiten ("Kater"). Erst mit vollst�ndigem Abbau des Alkohols kehrt die Osmolalit�t in den Normalbereich zur�ck.
Schwei� besteht zu 99% aus Wasser, enth�lt ~50 mM/l Natrium und
Chlorid, 5 mM/l Kalium, geringe Mengen Harnstoff, Laktat, Magnesium u.a., und ist hypoton (35% der Osmolalit�t von Blutplasma). Beim Schwitzen geht vorwiegend Wasser, aber auch Salz verloren. Die K�rperfl�ssigkeiten werden hyperton, die Zellen verlieren infolge Osmose Wasser, Osmorezeptoren l�sen Durst und Vasopressinfreisetzung aus.
Kompartimente und Fl�ssigkeitsbilanz
Der Mensch besteht mindestens zur H�lfte aus Wasser - Frauen zu ~50%, M�nner zu ~60%.Neugeborene bestehen zu ~75% aus Wasser; der Fl�ssigkeitsanteil an der K�rpermasse nimmt mit zunehmendem Alter ab.
Die Partitionierung des K�rperwassers in definierte Fl�ssigkeitsr�ume hat erhebliche praktische Bedeutung, denn die Distribution von Wirkstoffen (z.B. Hormonen, Medikamenten) richtet sich nach physiologischen interkompartimentellen Grenzen und Verteilungsgeschwindigkeiten.
Prozentuell kann man von folgenden mittleren Masseanteilen ausgehen (KG = K�rpergewicht, alle Zahlen gerundet):
| M�nner | Frauen | |
K�rperwasser | 60% KG | 50% KG |
| intrazellul�re Fl�ssigkeit | 60% TBW | |
| extrazellul�re Fl�ssigkeit (EZF) | 40% TBW | |
| Interstitielle Fl�ssigkeit | 75% EZF | |
| Blutplasma | 20% EZF | |
| Blut | 8% KG | 7% KG |
| Transzellul�re Fl�ssigkeit | 5% EZF |
F�r eine Referenzperson (70 kg) w�rden sich daraus etwa die folgenden Masseanteile ergeben (Zahlen gerundet):
Gesamtk�rperwasser, Mann 42 kg, Frau 35 kgIntrazellul�re Fl�ssigkeit, Mann 25 l, Frau 21 l
Extrazellul�re Fl�ssigkeit, Mann 17 kg, Frau 15 kg
Interstitielle Fl�ssigkeit, Mann 13 kg, Frau 10 kg
Blutplasma, 3 kg
Blut, Mann 5,5 kg, Frau 5 kg
Transzellul�re Fl�ssigkeit, 1 kg
Die Geschlechtsunterschiede ergeben sich aus der f�r M�nner und Frauen typischen K�rperzusammensetzung (h�herer Fettanteil am K�rpergewicht bei Frauen, s. dort).Bringt man z.B. eine Substanz in den Kreislauf ein (i.v. Injektion), verteilt sie sich zuerst im Blut (~5 l, mittlere Kreislaufzeit ~1 Minute oder weniger), gelangt dann allm�hlich �ber die Kapillarschranke (Endothelien) in das Interstitium und von dort z.T. zur�ck zum Kreislauf (Lymphwege), z.T. zu Zellen, an (oder in) denen es seine Wirkung entfaltet (soferne es daf�r Rezeptoren / Transporter gibt).
Soferne es diese erlauben, kann die Substanz auch �ber
Fl�ssigkeit und in ihr gel�ste Stoffe unterliegen st�ndigem Austausch; Substanzen werden um- und abgebaut (z.B. in der Leber) und ausgeschieden (z.B. �ber Nieren / Harn, Galle / Darm, Schwei� u.a.). �ber Kinetik und Dynamik von Substanzen im K�rper s. dort.
Das extrazellul�re Volumen spielt eine direkte Rolle f�r die Kreislauffunktion: Durch Fl�ssigkeitsaustausch �ber die Kapillarw�nde sind extrazellul�res (interstitielles) und Plasmavolumen und damit auch Blutvolumen direkt voneinander abh�ngig.
So f�hrt z.B. Salzverlust (Beispiel Versagen der Nebennierenrinde → Aldosteronmangel → Kochsalzverlust → Hypovol�mie
→ geringer ven�ser R�ckstrom → reduzierte kardiale Vorlast → herabgesetztes Herzzeitvolumen) zu Problemen, den arteriellen Blutdruck aufrechtzuerhalten, damit zu Kreislauflabilit�t und schlie�lich Kreislaufversagen, das unbehandelt zum Tode f�hrt (Mb. Addison).
<Abbildung: Aktivit�t in Hypothalamus und Gro�hirnrinde und Durstgef�hl bei wechselnder Plasmaosmolalit�t
Nach Bourque CW, Central mechanisms of osmosensation and systemic osmoregulation. Nature Reviews Neuroscience 2008; 9: 519-31
Hirnaktivit�t - ermittelt �ber MRI-BOLD - im vorderen gyrus cinguli(ACC, anterior cingulate cortex) und der lamina terminalis sowie das subjektive Durstempfinden (Skala rechts oben) bei wechselnder
Plasmaosmolalit�t.
Die Osmolalit�t wurde durch i.v.-Infusion einer hypertonen Kochsalzl�sung gesteigert und das Durstempfinden (blaue Kurve oben) bei gleich bleibend hoher Osmolalit�t(rote Kurve) durch zweimaliges Trinken von Wasser gesenkt (Pfeile rechts).
Osmorezeptoren des Hypothalamus befinden sich im organum vasculosum der lamina terminalis sowie im subfornikalen Organ. Die Aktivit�t der osmosensiblen Zone im organum vasculosum (BOLD-Signal unten: aus lamina terminalis) steigt mit der Osmolalit�t. Die Aktivit�t der
Rinde (aus ACC: vorderer gyrus cinguli) korreliert hingegen mit dem Durstempfinden.
MRI (Magnetic resonance imaging): Bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Struktur und Funktion von
Geweben und Organen BOLD (Blood-oxygen-level dependent contrast): Abh�ngigkeit des Bildsignals vom Sauerstoffgehalt in den Erythrozyten
MRI-BOLD zeigt die
Topografie des Sauerstoffverbrauchs
Eine erwachsene Person setzt jeden Tag ~3,5% seines K�rpergewichts (~2,5 l/d) an Wasser (S�ugling: ~10%) mit seiner Umgebung um:
Aufnahme: 2,2 l/d per os, 0,3 l/d Oxidationswasser;
Abgabe: Urin 1,5 l/d, Wasserverlust �ber Atmung und Haut 0,85 l/d, mit dem Stuhl 0,15 l/d
Die t�gliche Wasseraufnahme betr�gt beim Erwachsenen etwa 2-3 Liter, stark abh�ngig von Begleitumst�nden. Bei durchschnittlicher Ern�hrung fallen ~600 mOsmol harnpflichtige Substanzen an. Da die Niere des Menschen auf maximal ~1200 mOsm konzentrieren kann, werden f�r die Ausscheidung dieser osmotischen Last mindestens 0,5 Liter Harn ben�tigt.
Eine solche maximale Konzentrierung (negative Freiwasserclearance) erfolgt nur bei Wassermangel (Durstzustand). Als Freiwasserclearance bezeichnet man diejenige Plasmamenge, die (pro Zeiteinheit) als reines Wasser (also ohne gel�ste Stoffe) ausgeschieden wird. Bei hypotonem Harn ergibt sich ein positiver, bei hypertonem ein negativer Betrag der Freiwasserclearance.
Ist der 24-Stunden-Harn blutisoton, wird Wasser weder eingespart noch zus�tzlich ausgeschieden (keine Freiwasserclearance). Ist der Harn hypoton, besteht eine positive Wasserclearance (z.B. infolge Zufuhr einer Wassermenge, die zur Erhaltung des osmotischen Gleichgewichts nicht n�tig w�re - exzessives Trinken; sie kann im Fall eines voll ausgebildeten Diabetes insipidus bis ~20 l/d betragen). Zum Wasseranteil am K�rpergewicht s. auch dort
Das K�rperwasser (kann �ber Bestimmung des Verteilungsraums von schwerem Wasser oder anderen zellmembrang�ngigen Indikatoren ermittelt werden) ist folgenderma�en auf die Kompartimente verteilt:
Intrazellul�r ~60%
Extrazellul�r ~40%,
bestehend aus:
interstitiell (extravasale Gewebespalten) ~30%
Blutplasma (intravasal) 6-8%
transzellul�r ('third space', anatomisch begrenzte extravasale Fl�ssigkeitsr�ume), z.B. Pleura-, Perikardial-, Peritoneal-, Liquorraum: 3-4%
Volumenregulation
Regulation extrazellul�res Volumen vs. Osmolalit�t Nach Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology 2021 | ||
| Regulation EZV / Blutdruck | Regulation Osmolalit�t | |
| Was wird gemessen? | Effektives Blutvolumen | Osmolalit�t Blutplasma |
| Sensoren | Barorezeptoren in Carotissinus, Aortenbogen, afferenten Nierenarterien, Atrien (Herz) | Hypothalamische Osmosensoren |
| Efferenzen | RAAS, Sympathikus, Vasopressin, ANP | Durst Vasopressin |
| Effektoren | kurzfristig: Herz, Blutgef��e langfristig: Niere | Niere Trinkverhalten |
| Was wird beeinflusst? | kurzfristig: Blutdruck langfristig: Natriumausscheidung | Wasserausscheidung Wasseraufnahme |
Die wichtigsten Schl�sseleffekte erfolgen �ber die Nieren: Natriumausscheidung einerseits (Kontrolle des extrazellul�ren Fl�ssigkeitsvolumens), Wasserausscheidung andererseits (Steuerung der Osmolalit�t).
Das "Volumensignal" aus der Peripherie (Kreislaufrezeptoren) beeinflusst kurzfristig (Sekunden
bis Minuten) den Sympathikustonus und kreislaufwirksame Hormone, langfristig (Stunden bis Tage) nerv�se, humorale und h�modynamische Mechanismen zur Steuerung der Natriumausscheidung.
�nderungen der Plasmaosmolalit�t beeinflussen im Gehirn das Durstempfinden einerseits, die Sekretion von Vasopressin (ADH = antidiuretisches Hormon, Adiuretin, AVP = Arginin-Vasopressin) andererseits (Tabelle und
Abbildungen).
Kardiovaskul�re Volumenrezeptoren - sowohl im Hochdrucksystem (arterielle Barorezeptoren) als auch im Niederdrucksystem (Vorh�fe des Herzens, Lungenkreislauf, gro�e Venen) - vermitteln Information �ber die F�llung des Kreislaufs (systemische Druckwerte). Diese Rezeptoren haben PD-Eigenschaft, d.h. sie sprechen vor allem auf
�nderungen von Dehnungszust�nden von Gef��en und Herzr�umen an.
<Abbildung: Vasopressinspiegel als Funktion abnehmenden Blutvolumens
Nach einer Vorlage in Greenspan FS, Strewler GJ, Basic and Clinical Endocrinology, 5th ed. Appleton & Lange 1997
Ab einer Hypovol�mie um ~8% beginnt der Serumspiegel an Vasopressin (=Adiuretin) von seinem Basiswert um ~2,5 pg/ml nichtlinear anzusteigen, bei einem Volumenverlust von 20% auf mehr als das Zehnfache.
Sie geben aber auch Auskunft �ber absolute Volumenwerte, und bei Unterschreiten des Blutvolumens um mehr als ~8% unter den Normalwert (definiert �ber die optimale Funktionsweise des Kreislaufs) kommt es zu Erh�hung des Vasopressinspiegels im Blut (<Abbildung). Dieser Anstieg ist umso
intensiver, je mehr das Blutvolumen abnimmt; bei einem Verlust von 15% des Referenzvolumens nimmt [Vasopressin] im Schnitt beinahe 10-fach zu, bei 20% Volumenverlust bis zu 20-fach.Der erh�hte Vasopressinspiegel bewirkt Antidiurese (Vasopressin als "Wassersparhormon") und damit eine Normalisierung des extrazellul�ren und des Blutvolumens. Vor allem aber wirken h�here Vasopressin-Konzentrationen vasokonstriktorisch und
damit direkt kreislaufst�tzend.
Zum Wirkungsmechanismus des Vasopressins s. auch dort
Nicht das extrazellul�re Volumen als solches ist entscheidend f�r die Volumenregulation, sondern das im Kreislauf effektiv
wirksame (effective circulating volume). Dieses ist nicht anatomisch, sondern funktionell definiert als die effektive Durchblutung spezifischer Gewebeareale. Die Dehnung ihrer Blutgef��e (Carotis, Aortenbogen, Gef��e in Lunge, Nieren, Leber, ZNS) sowie Herzvorh�fe entspricht dem Blutspeicher bzw. Perfusionsdruck, wird �ber Rezeptoren ermittelt und ist �ber Sympathikus und mehrere endokrine Systeme (s. Tabelle oben) regulatorisch wirksam.
Normalerweise gehen �nderungen in Blutvolumen und effektivem Volumen Hand in Hand; bestimmte Erkrankungen wie z.B. Herzinsuffizienz (congestive heart failure) k�nnen zu einer Entkopplung f�hren (Expansion des extrazellul�ren Fl�ssigkeitsvolumens - �dembildung - trotz niedrigen zirkulierenden Volumens).
Osmoregulation
Empfindlichkeitsvergleich Osmolarit�t / Kreislaufreiz: Das Vasopressinsystem reagiert auf osmotische Reize wesentlich sensibler als auf solche im Kreislauf: So bewirkt ein Anstieg der Osmolarit�t um 1-2% eine �hnlich starke Vasopressinaussch�ttung wie ein Blutverlust um ~10% oder eine Blutdrucksenkung um 20-30%.
Die
Einstellung der Fl�ssigkeitsvolumina (und damit des Salzgehalts) im K�rper ist mit der Osmoregulation verkn�pft. Der (theoretisch m�gliche) osmotische Druck, der sich bei Gegen�berstellung von reinem Wasser und K�rperfl�ssigkeit (z.B. Blutserum) an einer perfekten semipermeablen Membran ergibt, betr�gt ~750 kPa (7,5 bar). Es sind also betr�chtliche Kr�fte, die f�r osmotischen Druckausgleich z.B.
entlang der Zellmembranen sorgen, sollte die Osmolalit�t auf beiden Seiten nicht gleich sein. Im Nierenmark, wo Hypertonizit�t bis zum ~4-fachen der Osmolalit�t besteht, sind die Kr�fte noch gr��er.
Nimmt die Osmolarit�t der K�rperfl�ssigkeiten ab, str�mt Wasser in die Neuronen ein; nimmt sie zu, verlieren die Zellen Wasser. Im anterolateralen Hypothalamus (anterior und
ventral zum 3. Ventrikel gelegen) sitzt eine Gruppe von Nervenzellen, die osmorezeptiv aktiv und mit besonderen Blutgef��en ausgestattet sind: Sie verf�gen �ber ein fenestriertes und damit gut durchg�ngiges Endothel (im Gegensatz zu den anderen Teilen des Gehirns mit tight junctions zwischen den Endothelzellen -
Blut-Hirn-Schranke). Diese Region ist das organum vasculosum laminae terminalis (OVLT) sowie das Subfornikalorgan (SFO - vgl. Abbildung unten).
Mechanosensitive Kationenkan�le in der Membran der Osmorezeptorzellen reagieren auf deren Spannungszustand: Sinkt die Osmolarit�t (Zellen schwellen in hypotoner Umgebung an), sinkt auch die
�ffnungswahrscheinlichkeit dieser Kan�le, es str�men weniger Kationen in die Zelle ein, sie hyperpolarisiert und die Aktionspotentvialfrequenz nimmt ab Steigt die Osmolarit�t (Zellen schrumpfen in hypertoner Umgebung), �ffnen die Kan�le vermehrt, der Kationeneinstrom wird intensiver, die Zelle
depolarisiert und die Aktionspotenzialfrequenz nimmt zuDie Reaktion der Osmorezeptoren triggert entsprechende Reaktionen - bei Wasserdefizit Ausl�sung von Durstempfinden bzw. Harnkonzentrierung (Wasseraufnahme und vermehrte Wasserresorption korrigieren Hypertonizit�t). Neuriten aus dem OVLT projizieren auf den Hypothalamus (nucl.
supraoptivus & paraventricularis) - dieser produziert, �ber glutamaterge Synapsen angeregt, Vasopressin (=ADH, Adiuretin):
>Abbildung: Osmotische Schwellen f�r Vasopressinaussch�ttung und Durst
Nach Robertson GL, Vaptans for the treatment of hyponatremia. Nature Rev Endocrinol 2011; 7: 151-61
Im physiologischen Regulationsbereich (um 140 mM Natriumspiegel oder ~290 mOsm/kg Osmolarit�t) reagiert die
Vasopressinsekretion empfindlich auf �nderung der Plasmaosmolalit�t (Gegenregulation durch Wasserausscheidung).
Die Durstschwelle liegt etwa bei diesem Punkt, intensiv wird das Durstgef�hl erst ab Natriumwerten �ber ~145 mM (Osmolarit�t >300 mOsm/kg). Die beiden Schwellen liegen um 5-10 mOsm/kg auseinander.
Fazit: Wenn Durstempfinden auftritt, besteht bereits ein Wasserdefizit
Die Schwelle, ab der gesunde Personen ihre Vasopressinsekretion steigern, liegt zwischen 275 und 290 mOsm/kg (Mittelwert ~280 mOsm/kg); zwischen 285 und 305 mOsm/kg tritt Durstempfinden auf (Mittelwert ~290 mOsm/kg) (>Abbildung).
Durstempfinden kann au�er einem Anstieg der Osmolarit�t durch verschiedene andere Reize ausgel�st werden, z.B. Renin und Angiotensin, die bei Blutverlust oder Blutdruckabfall freigesetzt werden (Signal eines Volumenverlustes!). �hnliches gilt f�r Signale, die von Barorezeptoren ausgehen (Signal eines Blutdruckabfalls!). Umgekehrt kann Durstempfinden gestillt werden durch Signale, die Wasseraufnahme suggerieren (Befeuchtung der Lippen, Dehnung des Magens u.a.).
Eine bestimmte osmotische Konzentration (Osmolalit�t: Osmol / kg Wasser) in einer K�rperfl�ssigkeit bedeutet, dass sie eine entsprechende Menge osmotisch wirksamer (gel�ster) Stoffe pro Volumeneinheit enth�lt. Haupts�chlich sind dies Salze - in der extrazellul�ren Fl�ssigkeit (und im Blutplasma) in erster Linie Kochsalz (NaCl).
Sowohl die Lage der Schwellen als auch die Empfindlichkeit der Vasopressinantwort ist individuell verschieden, so kann eine Ver�nderung um 0,5 mOsm/kg bei einer Person denselben Effekt haben wie die Ver�nderung um 5 mOsm/kg bei einer anderen. Das kann z.B. an Unterschieden im Kreislaufzustand (<Abbildung unten), Alter, Geschlecht, Calciumspiegel, Medikation u.a. liegen.
Verschiedene Reize, wie �belkeit, vasovagale Synkope, Hypoxie oder Hypoglyk�mie, Alkohol, Nikotin und andere Drogen k�nnen die Vasopressinaussch�ttung rasch und sehr stark steigern.
Ver�nderte Regulationsschwelle f�r die Vasopressinaussch�ttung
Die Empfindlichkeit des Hypothalamus, mit der er auf �nderungen der Plasmaosmolalit�t mit Vasopressinsekretion reagiert, h�ngt davon ab, welchen Volumenstatus die zust�ndigen Rezeptoren in Arterien, Venen und Herzr�umen melden (<Abbildung):
<Abbildung: Die Vasopressinkurve als Funktion der Osmolalit�t des Blutplasmas h�ngt vom Volumenstatus ab
Nach Robertson GL, Aycinena P, Zerbe RL: Neurogenic disorders of osmoreguzlation. Am J Med 1982; 72: 339-53
Ist das extrazellul�re Volumen verringert (z.B. nach Blutverlust - Volumenkontraktion, gr�ne Kurve links), reagiert der Hypothalamus schon bei niedrigerer Osmolalit�t mit Vasopressinaussch�ttung auf Osmolalit�tsanstieg. Ist des Volumen erh�ht (z.B. nach Infusion eines Plasmaexpanders - Volumenexpansion, blaue Kurve rechts), erfolgt der Vasopressinanstieg erst bei erh�hten Ormolalit�tswerten.
Rote Kurve (MItte): Normale (euvol�mische) Vasopressinreaktion.
Zum Vasomotorenzentrum s. dortWenn Volumenmangel im Kreislauf und eine Reduktion des Vorhofdrucks zu einer Abnahme des Blutdrucks f�hren, so l�st dies �ber den Baroreflex vermehrte Freisetzung von Vasopressin (AVP) aus dem Hypothalamus aus. Der Vasopressinspiegel schwankt (bei gleichbleibender Osmolarit�t) mit dem linksatrialen Druck.
Zus�tzlich regt ein reduziertes effektives Blutvolumen in den granul�ren Zellen des juxtaglomerul�ren Apparats (macula densa) vermehrte Reninfreisetzung an, sodass Angiotensin II entsteht. Dieses wirkt auf Rezeptoren im Gehirn (OVLT: organum vasculosum laminae terminalis, subfornikales Organ), was wiederum Vasopressinaussch�ttung zur Folge hat.
>Abbildung: Vasopressinantwort auf Osmolalit�ts�nderung
Kombiniert nach Robertson GL, Aycinena P, Zerbe RL. Neurogenic disorders of osmoregulation. Am J Med
1982; 72: 339-53; und Rose DB. Clinical physiology of acid-base and electrolyte disorders. 4th ed. New York: McGraw-Hill 1994
Links: Die Plasmaosmolalit�t gesunder Probanden wurde �ber Ver�nderung des Hydrierungszustandes beeinflusst (vgl. Abb. rechts). Die Durstschwelle liegt h�her als die Vasopressinschwelle.
Rechts: Das osmoregulatorische Verhalten h�ngt vom Kreislaufzustand ab. Die Zahlen in den Kreisen geben relative �nderungen von Blutvolumen bzw. Blutdruck an (N = 100%: normovol�misch, normoton; negative Zahlen: hypovol�misch / hypoton, positive Zahlen: hypervol�misch / hyperton).
Die Vasopressinantwort (jeweils linear dargestellt) ist
sowohl in Lage als auch Empfindlichkeit (Steilheit der Kenngeraden) kreislaufabh�ngig
Die osmotische Regulationsschwelle ist in folgenden Situationen erniedrigt:
Die osmotische Regulationsschwelle ist erh�ht bei
Hypervol�mie (�ber den Input von kardiopulmon�ren / arteriellen Barorezeptoren).
<Abbildung:
Vasopressin-Ansprechcharakteristik und Durstschwelle als Funktion der Plasmaosmolalit�t bei pr�graviden (gr�n) und Frauen am Ende des 3. Schwangerschaftsmonats (rot)
Nach Daten bei Davison JM, Shiells EA, Philips PR, Lindheimer MD. Serial evaluation of vasopressin release and thirst in human pregnancy. J Clin Invest 1988; 81: 798–806
Der Anstieg des
Vasopressinspiegels beginnt um ca. 8 mOsm fr�her, die Durstschwelle sinkt um etwa 10 mOsm - die Osmolalit�t der K�rperfl�ssigkeiten sinkt um ~3%
Osmorezeptoren im Hypothalamus steuern einerseits das Durstempfinden (Wasseraufnahme), andererseits die Vasopressinfreisetzung (Wasserresorption). Beides wirkt sich auf die Ausscheidung von freiem (osmotisch ungebundenem) Wasser aus.
Inwieweit "Salzhunger" (salt craving) beim Menschen eine physiologische Rolle spielt ist unklar.
Ein besonders plakatives Beispiel f�r gest�rte Osmo- / Volumenregulation ist der Diabetes insipidus, verursacht durch ein Versagen des Vasopressinmechanismus ("Wassersparhormon"). Pro Tag k�nnen bis zu ~20 Liter Wasser mit dem Harn verlorengehen (Polyurie). Folge ist - bei unzureichender Wasserzufuhr - nicht nur ein Volumenmangel, sondern auch Hyperosmolarit�t. (Notwendig ist eine erh�hte Wasseraufnahme: Polydipsie.)St�rungen des Wasserhaushalts
Hypertone Dehydration - extrazellul�re Hypertonie bei (zun�chst) intrazellul�rer Normotonie. Diese Form der Dehydration entsteht durch Verlust von Wasser, z.B. bei Fieber bzw. intensivem Schwitzen ohne entsprechende Wasserzufuhr (Schwei� ist hypoton). Normalerweise f�hrt Durst zur Aufnahme einer entsprechenden Wassermenge; wenn nicht, muss bewusst getrunken oder das fehlende Wasser per infusionem zugef�hrt werden.
Isotone Dehydration - z.B. bei Durchfall oder Erbrechen: Die Osmolalit�t des Extrazellularraums bleibt gleich, da die verlorene Fl�ssigkeit isoton ist. Zufuhr salzhaltiger Fl�ssigkeit ist angesagt.
Hypotone Dehydration - infolge Salzverlust, z.B. wenn nach starkem Schwitzen nur Wasser getrunken wird. Mineralwasser kann das fehlende Salz liefern, �bersch�ssiges Wasser wird von den Nieren rasch ausgeschieden.
>Abbildung:
Osmotische Toleranzgrenzen
Osmolalit�t (oben) und Natriumkonzentration (unten) im Blutplasma geben Hinweise auf Wasserintoxikation (links) oder Dehydrierung (rechts)
Als Folge der osmotischen Druckgradienten bewegt sich Wasser durch die Zellmembranen (Osmose - z.B. bei hypertoner Dehydration aus den Zellen in das Interstitium, es erfolgt ein Ausgleich mit Zunahme des extrazellul�ren Volumens - was f�r Blutvolumen und Kreislauf gut ist).
Nimmt die osmotische Konzentration der K�rperfl�ssigkeiten zu, entsteht Durstgef�hl; die nachfolgende Wasseraufnahme korrigiert die Hypertonizit�t und die Dehydration.
Bei Hyperhydration laufen die Mechanismen umgekehrt ab. Ziel der vom Hypothalamus ausgehenden Regelungen ist eine Normalisierung von Osmolalit�ten und Fl�ssigkeitsvolumina.Die
hypothalamische Regulierung der Osmolalit�t erfolgt sehr exakt. Sie stabilisiert Salz- und Wasserhaushalt, intra- und extrazellul�res Volumen, Blutvolumen und damit Kreislauffunktion. Dieser Mechanismus baut auf der Tatsache auf, dass die Zellmembranen in erster N�herung semipermeablen Membranen entsprechen und hier aus diesem Grund das Ph�nomen der Osmose gen�tzt werden kann.Vasopressin bewirkt, dass Wasser im K�rper zur�ckgehalten wird
In der Niere f�rdert Vasopressin die R�ckresorption von Wasser - beim Erwachsenen macht diese Wirkung ca. 1 Liter pro Stunde (!) aus.
Der Mechanismus funktioniert �ber Transportsysteme im Tubulus- und Sammelrohrsystem. V2-Rezeptoren und Aquaporin-2 erm�glichen die Wasser-R�ckresorption.
<Abbildung: R�ckkopplungskreise bei der Kontrolle der Osmolarit�t
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003
Stehen die Ausscheidung / Aufnahme von Wasser und Salzen nicht in Einklang, ver�ndert sich die Osmolalit�t und/oder
das Volumen der K�rperfl�ssigkeiten.
Beides kann durch Reflexe behoben werden. Angriffspunkte sind Wasser / Salzaufnahme einerseits (Durst, Natriumappetit?), Ausscheidung andererseits (Nierenfunktionen)
AVP, Vasopressin OVLT, organum vasculosum laminae terminalis PVN, paraventrikul�rer Kern SFO, Subfornikalorgan SON, nucl. supraopticus des Hypothalamus
Vasopressin (ADH, Adiuretin)
Plasma > Serum
0,5-5 pM/l (1 pM = 0,4 mU = 1,1 ng)
Abh�ngig von Plasma-Osmolalit�t: Bei ≤280 mOsm/l unter 1,4 pM/l, �ber 280 mOsm/l bis 5 pM/l
Alkohol-, Koffein-, Nikotinabstinenz f�r 48 Stunden vor der Abnahme
Blutabnahme im Liegen und in entspannter Situation
Bei
aufrechter K�rperlage und/oder Stresseinwirkung h�here Werte
Bei kardiovaskul�ren Reizen und insbesondere pr�kollaptisch steigen die Werte stark an (um ~1 Zehnerpotenz)
Biologische Halbwertszeit ~10 min
Bei unterschiedlicher osmotischer Konzentration in Intra- und Extrazellul�rfl�ssigkeit f�hrt die transmembranale Str�mung von Wasser zu Verd�nnung der jeweils konzentrierteren Fl�ssigkeit (=Osmose).
So f�hrt z.B. (extrazellul�re) Dehydration zum Austritt von Wasser aus den Zellen, was folglich einerseits die extrazellul�re Wassermenge erh�ht, andererseits aber zu intrazellul�rer Dehydration f�hrt. Hydration (Wassergehalt) und Konzentration (Gehalt an gel�sten Teilchen) sind so miteinander verkn�pft.
Man unterscheidet hypo-, iso- und hyperosmotische Volumenst�rungen (Hypo- und Hypervol�mie) sowie (isovolumetrischen) Salzmangel oder -�berschuss.
Ein Beispiel: Ein hyperosmotischer Volumen�berschuss (z.B. durch Infusion hypertoner Kochsalzl�sung) f�hrt gleichzeitig zu herabgesetztem intrazellul�rem Volumen, da Wasser osmotisch bedingt aus den Zellen ins Interstitium �bertritt.
F�r die Vertr�glichkeit von Infusionsl�sungen spielt deren osmotische Konzentration (Tonizit�t) eine wichtige Rolle. Sie sind meistens isoton, nur in Ausnahmef�llen hypo- oder hyperton. In letzterem Fall - z.B. bei Zufuhr konzentrierter Glucosel�sung im Rahmen parenteraler Ern�hrung - muss die L�sung in einen zentralen Teil des Kreislaufs eingebracht werden, damit sie rasch (in einem gro�en Str�mungsvolumen) verd�nnt wird (zentraler Venenkatheter) und keinen osmotischen Schaden anrichtet.
"Plasmaexpander" sind Infusionsl�sungen mit erh�hter Osmolalit�t (hypertone Fl�ssigkeiten), sie "saugen" Gewebsfl�ssigkeit in die Blutbahn und erh�hen dadurch
vor�bergehend das Blutvolumen.Erh�hter Blutzuckerspiegel bei Patienten mit Diabetes mellitus l�st in der Niere die Ausscheidung zus�tzlichen Wassers aus (osmotische Diurese) - betroffene Personen nehmen auff�llig viel Fl�ssigkeit zu sich (Polydipsie).
Semipermeable Membranen sind durchg�ngig f�r Molek�le eines L�sungsmittels, nicht aber f�r gel�ste Stoffe. Zellmembranen haben �hnliche Eigenschaften: Sie lassen Wasser leichter hindurchtreten als Ionen, Glucose, Aminos�uren etc. Die Konzentration
gel�ster Teilchen nennt man Osmolarit�t (Blutplasma ~290 mOsm), die Wanderung des L�sungmittels (Wasser) durch eine selektiv durchg�ngige Grenzfl�che Osmose; diese erfolgt nach dem Konzentrationsgradienten des L�sungsmittels, also von der Seite niedrigerer zur Seite h�herer Osmolarit�t (das Wasser folgt seinem Konzentrationsgef�lle, wie bei der Diffusion). Die Zellw�nde geben der osmotischen Str�mung nach, soferne sie Spielraum dazu haben
(eine Seite schrumpft, die andere schwillt an), ohne dass wesentliche Druck�nderungen auftreten m�ssen; ist ein Ausweichen nur begrenzt m�glich (z.B. Gehirn), steigt der Druck auf der Seite mit niedrigerer Osmolalit�t (maximal ~19 mmHg / mOsm Unterschied), das kann Gef��e komprimieren und die Perfusion behindern
Die osmotische
Wirkung ist durch die Konzentration gel�ster Teilchen bestimmt. ~95% der Osmolarit�t in K�rperfl�ssigkeiten stammt von Salzen (Elektrolyten). 5 Substanzen bestimmen den Gro�teil der Plasma-Osmolalit�t: Natrium (~140 mM), Chlorid (~105 mM), Bikarbonat (~25 mM), Glucose (~5 mM), Harnstoff (~5 mM). Treten weitere Stoffe in nennenswerter osmotischer Konzentration auf, ist die Osmolarit�t entsprechend h�her ("osmotische L�cke"). Von Hyperosmolarit�t
(Hypertonizit�t) spricht man bei Plasma-Osmolarit�t >300 mOsm, von Hypoosmolarit�t (Hypotonizit�t) bei <280 mOsm. Osmometrie ermittelt Gefrierpunktserniedrigung oder Dampfdruckerniedrigung (Serum- oder Harnproben: Absch�tzung des Hydrationszustandes). Bei isotoner Hyper- oder Hypohydration bleibt das Intrazellul�rvolumen unver�ndert. Sinkt die extrazellul�re Osmolalit�t (hypotone St�rung), schwellen
die Zellen an, nimmt sie zu (hyperton), schrumpfen sie. Isotone Glucosel�sung wirkt stark hypoton, da Glucose rasch von den Zellen aufgenommen wird. Schwitzen macht die K�rperfl�ssigkeiten hyperton, die Zellen verlieren Wasser, Osmorezeptoren l�sen Durst und Vasopressinfreisetzung aus
Frauen bestehen zu ~50%, M�nner zu ~60%,
Neugeborene zu ~75% aus Wasser; der Fl�ssigkeitsanteil an der K�rpermasse nimmt mit zunehmendem Alter ab. Die Verteilung von Wirkstoffen richtet sich nach Kompartmentgrenzen und Verteilungsgeschwindigkeiten; injiziert man sie, verteilen sie sich zuerst im Blut (~5 l, mittlere Kreislaufzeit ≤1 min), gelangen dann �ber die Endothelien in das Interstitium und zu den Zellen (Wirkort) oder zur�ck in den Kreislauf (Lymphe). Meist werden sie um- und abgebaut (z.B. Leber) und ausgeschieden (Nieren
u.a.)
Bei durchschnittlicher Ern�hrung fallen ~600 mOsmol harnpflichtige Substanzen zur renalen Ausscheidung an. Da die Niere des Menschen auf maximal ~1200 mOsm konzentrieren kann, sind daf�r mindestens 0,5 Liter Harn notwendig (maximale Konzentrierung, negative Freiwasserclearance). Ist der 24-Stunden-Harn blutisoton, betr�gt die Freiwasserclearance
Null; ist er hypoton, ist sie positiv. Bei Abweichungen der Osmolarit�t um 1% (�3 mOsm) setzt Osmoregulation ein. Reduktion des Blutvolumens um >8% unter den Normalwert erh�ht den Vasopressinspiegel - bei einem Volumenverlust von 15% fast 10-fach, von 20% ~20-fach. Das bewirkt Antidiurese ("Wassersparhormon") mit Blutvolumenerh�hung sowie Vasokonstriktion (Kreislaufstabilisierung)
Das Vasopressinsystem reagiert auf osmotische Reize sensibler als auf solche aus dem Kreislauf: Ein Osmolarit�tsanstieg um 1-2% erh�ht den Vasopressinspiegel gleich stark wie ein Blutverlust um ~10% oder eine Blutdrucksenkung um 20-30%. Das organum vasculosum laminae terminalis und das Subfornikalorgan
enthalten osmorezeptive Nervenzellen, die Kapillarw�nde haben hier fenestriertes ("offenes") Endothel (keine Blut-Hirn-Schranke). Nimmt die extrazellul�re Osmolarit�t zu, verlieren die Neuronen Wasser, mechanosensitive Kationenkan�le erh�hen ihre �ffnungswahrscheinlichkeit, die Zellen depolarisieren und die Aktionspotenzialfrequenz nimmt zu (bei Osmolarit�tssenkung sinkt ihre Aktivit�t), Durstempfinden und Vasopressinsekretion �ndern sich
entsprechend. Durst wird auch ausgel�st durch Blutverlust, Blutdruckabfall, Renin, Angiotensin. Die Vasopressinschwelle liegt bei ~280 mOsm, die Durstschwelle bei ~290 mOsm (wenn Durst auftritt, besteht schon ein Wasserdefizit). Sowohl die Lage der Schwellen als auch die Empfindlichkeit der Vasopressinantwort sind individuell verschieden
Osmolarit�tsabfall regt die Freisetzung von Aldosteron an, Osmolarit�tsanstieg die von Vasopressin. Auf kritische Situationen im Kreislauf (Hypovol�mie, Hypotonie) reagieren die beiden Hormone gleichsinnig. Hypovol�mie und die Lutealphase senken die osmotische Regulationsschwelle, Hypervol�mie l�sst sie ansteigen
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