Der Körper enthält eine große Vielfalt von Ionen, oder Elektrolyte, die eine Vielzahl von Funktionen erfüllen. Einige Ionen helfen bei der Übertragung von elektrischen Impulsen entlang der Zellmembranen in Neuronen und Muskeln. Andere Ionen helfen bei der Stabilisierung von Proteinstrukturen in Enzymen. Wieder andere helfen bei der Freisetzung von Hormonen aus endokrinen Drüsen. Alle Ionen im Plasma tragen zum osmotischen Gleichgewicht bei, das die Bewegung von Wasser zwischen den Zellen und ihrer Umgebung steuert.

Zu den Elektrolyten in lebenden Systemen gehören Natrium, Kalium, Chlorid, Bikarbonat, Kalzium, Phosphat, Magnesium, Kupfer, Zink, Eisen, Mangan, Molybdän, Kupfer und Chrom. Für das Funktionieren des Körpers sind sechs Elektrolyte am wichtigsten: Natrium, Kalium, Chlorid, Bikarbonat, Kalzium und Phosphat.

Rollen der Elektrolyte

Diese sechs Ionen sind an der Erregbarkeit der Nerven, der endokrinen Sekretion, der Durchlässigkeit der Membranen, der Pufferung der Körperflüssigkeiten und der Steuerung der Flüssigkeitsbewegungen zwischen den Kompartimenten beteiligt. Diese Ionen gelangen über den Verdauungstrakt in den Körper. Mehr als 90 Prozent des Kalziums und Phosphats, das in den Körper gelangt, wird in die Knochen und Zähne eingebaut, wobei die Knochen als Mineralienreserve für diese Ionen dienen. Falls Kalzium und Phosphat für andere Funktionen benötigt werden, kann das Knochengewebe abgebaut werden, um das Blut und andere Gewebe mit diesen Mineralien zu versorgen. Phosphat ist ein normaler Bestandteil von Nukleinsäuren; daher steigt der Phosphatspiegel im Blut an, wenn Nukleinsäuren abgebaut werden.

Die Ausscheidung von Ionen erfolgt hauptsächlich über die Nieren, geringere Mengen gehen mit dem Schweiß und den Fäkalien verloren. Übermäßiges Schwitzen kann einen erheblichen Verlust, insbesondere von Natrium und Chlorid, verursachen. Bei starkem Erbrechen oder Durchfall kommt es zu einem Verlust von Chlorid- und Bicarbonat-Ionen. Anpassungen der Atem- und Nierenfunktionen ermöglichen es dem Körper, den Gehalt dieser Ionen in der ECF zu regulieren.

In der folgenden Tabelle sind die Referenzwerte für Blutplasma, Liquor und Urin für die sechs in diesem Abschnitt behandelten Ionen aufgeführt. In einer klinischen Umgebung werden Natrium, Kalium und Chlorid in der Regel in einer Routineurinprobe analysiert. Im Gegensatz dazu erfordert die Analyse von Kalzium und Phosphat eine Urinsammlung über einen Zeitraum von 24 Stunden, da die Ausscheidung dieser Ionen im Laufe eines Tages erheblich schwanken kann. Die Urinwerte spiegeln die Ausscheidungsraten dieser Ionen wider. Bicarbonat ist das einzige Ion, das normalerweise nicht mit dem Urin ausgeschieden wird; stattdessen wird es von den Nieren zur Verwendung in den Puffersystemen des Körpers aufbewahrt.

Natrium

Natrium ist das wichtigste Kation der extrazellulären Flüssigkeit. Es ist für die Hälfte des osmotischen Druckgefälles verantwortlich, das zwischen dem Inneren der Zellen und ihrer Umgebung besteht. Menschen, die sich typisch westlich ernähren und sehr viel NaCl zu sich nehmen, nehmen routinemäßig 130 bis 160 mmol Natrium pro Tag auf, obwohl der Mensch nur 1 bis 2 mmol pro Tag benötigt. Dieser Natriumüberschuss scheint bei einigen Menschen ein wichtiger Faktor für Bluthochdruck zu sein. Die Ausscheidung von Natrium erfolgt hauptsächlich über die Nieren. Natrium wird frei durch die glomerulären Kapillaren der Nieren gefiltert, und obwohl ein großer Teil des gefilterten Natriums im proximalen Tubulus reabsorbiert wird, verbleibt ein Teil im Filtrat und im Urin und wird normalerweise ausgeschieden.

Hyponatriämie ist eine niedrigere als die normale Natriumkonzentration, die in der Regel mit einer übermäßigen Wasseransammlung im Körper einhergeht, die das Natrium verdünnt. Ein absoluter Natriumverlust kann auf eine verminderte Aufnahme des Ions in Verbindung mit seiner kontinuierlichen Ausscheidung über den Urin zurückzuführen sein. Ein abnormaler Natriumverlust des Körpers kann durch verschiedene Umstände verursacht werden, z. B. durch übermäßiges Schwitzen, Erbrechen oder Durchfall, die Einnahme von Diuretika, eine übermäßige Urinproduktion, die bei Diabetes auftreten kann, und eine Azidose, entweder eine metabolische Azidose oder eine diabetische Ketoazidose.

Ein relativer Abfall des Natriumgehalts im Blut kann durch ein Ungleichgewicht des Natriums in einem der anderen Flüssigkeitsräume des Körpers, wie z. B. dem IF, oder durch eine Verdünnung des Natriums aufgrund von Wassereinlagerungen im Zusammenhang mit Ödemen oder kongestiver Herzinsuffizienz entstehen. Auf zellulärer Ebene führt eine Hyponatriämie zu einem verstärkten Eintritt von Wasser in die Zellen durch Osmose, da die Konzentration der gelösten Stoffe in der Zelle die Konzentration der gelösten Stoffe in der nun verdünnten ECF übersteigt. Das überschüssige Wasser führt zu einer Schwellung der Zellen; die Schwellung der roten Blutkörperchen – die ihre sauerstofftransportierende Effizienz verringert und sie möglicherweise zu groß macht, um durch die Kapillaren zu passen – kann zusammen mit der Schwellung der Neuronen im Gehirn zu Hirnschäden oder sogar zum Tod führen.

Hypernatriämie ist ein anormaler Anstieg des Natriumgehalts im Blut. Sie kann durch Wasserverlust aus dem Blut entstehen, was zu einer Hämokonzentration aller Blutbestandteile führt. Hormonelle Ungleichgewichte, an denen ADH und Aldosteron beteiligt sind, können ebenfalls zu höheren als den normalen Natriumwerten führen.

Kalium

Kalium ist das wichtigste intrazelluläre Kation. Es trägt dazu bei, das Ruhemembranpotential in Neuronen und Muskelfasern nach Membrandepolarisation und Aktionspotentialen herzustellen. Im Gegensatz zu Natrium hat Kalium nur einen geringen Einfluss auf den osmotischen Druck. Die niedrigen Kaliumwerte im Blut und im Liquor sind auf die Natrium-Kalium-Pumpen in den Zellmembranen zurückzuführen, die den normalen Kaliumkonzentrationsgradienten zwischen dem ICF und dem ECF aufrechterhalten. Die Empfehlung für die tägliche Zufuhr/den täglichen Verbrauch von Kalium liegt bei 4700 mg. Kalium wird sowohl aktiv als auch passiv über die Nierentubuli, insbesondere den distalen Tubulus convolutus und die Sammelkanäle, ausgeschieden. Unter dem Einfluss von Aldosteron, das ebenfalls auf die basolateralen Natrium-Kalium-Pumpen angewiesen ist, nimmt Kalium am Austausch mit Natrium in den Nierentubuli teil.

Hypokaliämie ist ein abnorm niedriger Kaliumblutspiegel. Ähnlich wie bei der Hyponatriämie kann eine Hypokaliämie entweder durch einen absoluten Kaliumverlust im Körper oder durch einen relativen Kaliumverlust im Blut aufgrund der Umverteilung von Kalium entstehen. Ein absoluter Kaliumverlust kann durch eine verringerte Nahrungsaufnahme entstehen, die häufig auf Hunger zurückzuführen ist. Er kann auch durch Erbrechen, Durchfall oder Alkalose entstehen.

Bei einigen insulinabhängigen Diabetikern kommt es zu einer relativen Verringerung des Kaliumgehalts im Blut durch die Umverteilung von Kalium. Wenn Insulin verabreicht und Glukose von den Zellen aufgenommen wird, passiert Kalium zusammen mit Glukose die Zellmembran, wodurch die Kaliummenge im Blut und im IF abnimmt, was zu einer Hyperpolarisierung der Zellmembranen von Neuronen führen kann, was deren Reaktion auf Reize verringert.

Hyperkaliämie, ein erhöhter Kaliumblutspiegel, kann auch die Funktion der Skelettmuskeln, des Nervensystems und des Herzens beeinträchtigen. Eine Hyperkaliämie kann durch eine erhöhte Kaliumzufuhr über die Nahrung entstehen. In einer solchen Situation gelangt das Kalium aus dem Blut in abnorm hohen Konzentrationen in den ECF. Dies kann zu einer partiellen Depolarisation (Erregung) der Plasmamembran von Skelettmuskelfasern, Neuronen und Herzzellen führen und auch dazu, dass die Zellen nicht mehr repolarisieren können. Für das Herz bedeutet dies, dass es sich nach einer Kontraktion nicht mehr entspannen kann, so dass es zu einem „Krampfanfall“ kommt und aufhört, Blut zu pumpen, was innerhalb weniger Minuten tödlich ist. Aufgrund dieser Auswirkungen auf das Nervensystem kann eine Person mit Hyperkaliämie auch geistige Verwirrung, Taubheit und eine geschwächte Atemmuskulatur aufweisen.

Chlorid

Chlorid ist das wichtigste extrazelluläre Anion. Chlorid trägt wesentlich zum osmotischen Druckgradienten zwischen ICF und ECF bei und spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der richtigen Hydratation. Chlorid sorgt für das Gleichgewicht der Kationen in der ECF und hält die elektrische Neutralität dieser Flüssigkeit aufrecht. Die Wege der Sekretion und Rückresorption von Chloridionen im Nierensystem folgen den Wegen der Natriumionen.

Hypochlorämie, d. h. niedrigere als die normalen Chloridwerte im Blut, kann aufgrund einer gestörten tubulären Absorption der Nieren auftreten. Erbrechen, Durchfall und metabolische Azidose können ebenfalls zu Hypochlorämie führen. Hyperchlorämie, d. h. ein überdurchschnittlich hoher Chloridspiegel im Blut, kann durch Dehydrierung, übermäßige Aufnahme von Speisesalz (NaCl) oder Verschlucken von Meerwasser, Aspirinvergiftung, kongestive Herzinsuffizienz und die erbliche, chronische Lungenerkrankung Mukoviszidose entstehen. Bei Menschen, die an Mukoviszidose leiden, ist der Chloridgehalt im Schweiß zwei- bis fünfmal so hoch wie im Normalzustand, und die Analyse des Schweißes wird häufig zur Diagnose der Krankheit herangezogen.

Bikarbonat

Bikarbonat ist das zweithäufigste Anion im Blut. Seine Hauptaufgabe besteht darin, das Säure-Basen-Gleichgewicht des Körpers aufrechtzuerhalten, indem es Teil von Puffersystemen ist. Diese Funktion wird in einem anderen Abschnitt behandelt.

Bicarbonat-Ionen entstehen durch eine chemische Reaktion, die mit Kohlendioxid (CO2) und Wasser beginnt, zwei Molekülen, die am Ende des aeroben Stoffwechsels entstehen. Nur ein kleiner Teil des CO2 kann in Körperflüssigkeiten gelöst werden. Daher werden über 90 Prozent des CO2 durch die folgenden Reaktionen in Bicarbonationen, HCO3-, umgewandelt:

CO2+ H 2 ↔ H2 + CO3 ↔ H2 + CO3- + H +

Die bidirektionalen Pfeile zeigen an, dass die Reaktionen in beide Richtungen ablaufen können, je nach den Konzentrationen der Reaktanten und Produkte. Kohlendioxid wird in großen Mengen in Geweben produziert, die einen hohen Stoffwechsel haben. Kohlendioxid wird im Zytoplasma der roten Blutkörperchen durch die Wirkung eines Enzyms namens Kohlensäureanhydrase in Bikarbonat umgewandelt. Das Bikarbonat wird im Blut transportiert. In der Lunge kehren sich die Reaktionen um, und CO2 wird aus Bikarbonat regeneriert, um als Stoffwechselabfall ausgeatmet zu werden.

Kalzium

Ungefähr zwei Pfund Kalzium in unserem Körper sind in den Knochen gebunden, die den Knochen Härte verleihen und als Mineralreserve für Kalzium und seine Salze für den Rest des Gewebes dienen. Auch in den Zähnen ist eine hohe Konzentration von Kalzium enthalten. Etwas mehr als die Hälfte des Calciums im Blut ist an Proteine gebunden, der Rest liegt in ionisierter Form vor. Kalziumionen, Ca2+, sind für die Muskelkontraktion, die Enzymaktivität und die Blutgerinnung notwendig. Darüber hinaus trägt Kalzium zur Stabilisierung der Zellmembranen bei und ist für die Freisetzung von Neurotransmittern aus den Neuronen und von Hormonen aus den endokrinen Drüsen unerlässlich.

Kalzium wird unter dem Einfluss von aktiviertem Vitamin D über den Darm aufgenommen. Ein Mangel an Vitamin D führt zu einer Abnahme des absorbierten Kalziums und schließlich zu einer Entleerung der Kalziumvorräte im Skelettsystem, was bei Kindern zu Rachitis und bei Erwachsenen zu Osteomalazie führen kann, was wiederum zu Osteoporose beiträgt.

Hypokalzämie oder abnorm niedrige Kalziumspiegel im Blut treten bei Hypoparathyreoidismus auf, der nach der Entfernung der Schilddrüse auftreten kann, da die vier Knoten der Nebenschilddrüse in diese eingebettet sind. Hyperkalzämie, d. h. abnorm hohe Kalziumwerte im Blut, tritt bei primärem Hyperparathyreoidismus auf. Einige bösartige Erkrankungen können ebenfalls zu einer Hyperkalzämie führen.

Phosphat

Phosphat kommt im Körper in drei ionischen Formen vor: {\text{H}}_{2}{\text{PO}}_{4-}, {\text{HPO}}_{4}^{2-}, und {\text{PO}}_{4}^{3-}. Die häufigste Form ist {\text{HPO}}_{4}^{2-}. Knochen und Zähne binden 85 Prozent des Phosphats im Körper als Teil von Kalzium-Phosphat-Salzen. Phosphat findet sich in Phospholipiden, aus denen z. B. die Zellmembran besteht, sowie in ATP, Nukleotiden und Puffern.

Hypophosphatämie, d. h. abnorm niedrige Phosphatwerte im Blut, tritt bei starkem Gebrauch von Antazida, bei Alkoholentzug und bei Mangelernährung auf. Bei Phosphatmangel speichern die Nieren in der Regel Phosphat, aber während einer Hungersnot ist diese Speicherung stark beeinträchtigt. Hyperphosphatämie, d. h. abnorm erhöhte Phosphatwerte im Blut, tritt bei eingeschränkter Nierenfunktion oder bei akuter lymphatischer Leukämie auf. Da Phosphat ein Hauptbestandteil des ICF ist, kann außerdem jede signifikante Zerstörung von Zellen zu einer Ausscheidung von Phosphat in das ECF führen.

Regulation von Natrium und Kalium

Natrium wird aus dem Nierenfiltrat rückresorbiert und Kalium wird im Nierensammeltubulus in das Filtrat ausgeschieden. Die Steuerung dieses Austauschs erfolgt hauptsächlich durch zwei Hormone – Aldosteron und Angiotensin II.

Aldosteron

Abbildung 1. Aldosteron, das von der Nebenniere freigesetzt wird, erleichtert die Rückresorption von Na+ und damit die Rückresorption von Wasser.

Erinnern Sie sich, dass Aldosteron die Ausscheidung von Kalium und die Rückresorption von Natrium im distalen Tubulus erhöht. Aldosteron wird freigesetzt, wenn der Kaliumspiegel im Blut ansteigt, wenn der Natriumspiegel im Blut stark abfällt oder wenn der Blutdruck sinkt. Die Nettowirkung besteht darin, den Wassergehalt im Plasma zu erhalten und zu erhöhen, indem die Ausscheidung von Natrium und damit von Wasser über die Nieren verringert wird. In einer negativen Rückkopplungsschleife hemmt die erhöhte Osmolalität des ECF (die auf die durch Aldosteron stimulierte Natriumabsorption folgt) die Freisetzung des Hormons.

Angiotensin II

Angiotensin II bewirkt eine Gefäßverengung und einen Anstieg des systemischen Blutdrucks. Diese Wirkung erhöht die glomeruläre Filtrationsrate, was dazu führt, dass mehr Material aus den glomerulären Kapillaren in die Bowman-Kapsel gefiltert wird. Angiotensin II signalisiert auch eine erhöhte Freisetzung von Aldosteron aus der Nebennierenrinde.

In den distalen Tubuli und Sammelkanälen der Nieren stimuliert Aldosteron die Synthese und Aktivierung der Natrium-Kalium-Pumpe. Natrium gelangt aus dem Filtrat in und durch die Zellen der Tubuli und Gänge in die ECF und dann in die Kapillaren. Das Wasser folgt dem Natrium aufgrund von Osmose. Somit bewirkt Aldosteron einen Anstieg des Natriumspiegels im Blut und des Blutvolumens. Die Wirkung von Aldosteron auf Kalium ist umgekehrt zu der von Natrium; unter seinem Einfluss wird überschüssiges Kalium in das Nierenfiltrat gepumpt, um aus dem Körper ausgeschieden zu werden.

Abbildung 2. Angiotensin II stimuliert die Freisetzung von Aldosteron aus der Nebennierenrinde.

Regulation von Calcium und Phosphat

Calcium und Phosphat werden beide durch die Wirkung von drei Hormonen reguliert: Parathormon (PTH), Dihydroxyvitamin D (Calcitriol) und Calcitonin. Alle drei werden als Reaktion auf den Kalziumspiegel im Blut freigesetzt oder synthetisiert.

PTH wird von der Nebenschilddrüse als Reaktion auf einen Rückgang der Kalziumkonzentration im Blut freigesetzt. Das Hormon aktiviert die Osteoklasten, die die Knochenmatrix abbauen und anorganische Kalzium-Phosphat-Salze freisetzen. PTH erhöht auch die gastrointestinale Aufnahme von Kalzium aus der Nahrung, indem es Vitamin D in Dihydroxyvitamin D (Calcitriol) umwandelt, eine aktive Form von Vitamin D, die die Darmepithelzellen zur Kalziumaufnahme benötigen.

PTH erhöht den Kalziumspiegel im Blut, indem es den Kalziumverlust über die Nieren hemmt. PTH erhöht auch den Phosphatverlust über die Nieren.

Calcitonin wird von der Schilddrüse als Reaktion auf erhöhte Kalziumwerte im Blut ausgeschüttet. Das Hormon erhöht die Aktivität der Osteoblasten, die Kalzium aus dem Blut entfernen und in die Knochenmatrix einbauen.

Kapitelübersicht

Elektrolyte dienen verschiedenen Zwecken, wie z.B. der Leitung elektrischer Impulse entlang der Zellmembranen in Neuronen und Muskeln, der Stabilisierung von Enzymstrukturen und der Freisetzung von Hormonen aus endokrinen Drüsen. Die Ionen im Plasma tragen auch zum osmotischen Gleichgewicht bei, das die Bewegung von Wasser zwischen den Zellen und ihrer Umgebung steuert. Ein Ungleichgewicht dieser Ionen kann zu verschiedenen Problemen im Körper führen, und ihre Konzentrationen werden streng reguliert. Aldosteron und Angiotensin II steuern den Austausch von Natrium und Kalium zwischen dem Nierenfiltrat und dem Nierensammeltubulus. Kalzium und Phosphat werden durch PTH, Calcitrol und Calcitonin reguliert.

Selbsttest

Beantworten Sie die folgende(n) Frage(n), um zu sehen, wie gut Sie die im vorherigen Abschnitt behandelten Themen verstehen.

Glossar

Dihydroxyvitamin D: aktive Form von Vitamin D, die von den Darmepithelzellen für die Aufnahme von Calcium benötigt wird

Hyperkalzämie: abnorm erhöhter Kalziumspiegel im Blut

Hyperchlorämie: überdurchschnittlich hoher Chloridspiegel im Blut

Hyperkaliämie: überdurchschnittlich hoher Kaliumspiegel im Blut

Hypernatriämie: abnormale Erhöhung des Natriumspiegels im Blut

Hyperphosphatämie: abnorm erhöhte Phosphatwerte im Blut

Hypokalzämie: abnorm niedrige Kalziumwerte im Blut

Hypochlorämie: erniedrigter Chloridspiegel im Blut

Hypokaliämie: abnorm erniedrigter Kaliumspiegel im Blut

Hyponatriämie: abnorm erniedrigter Natriumspiegel im Blut

Hypophosphatämie: abnorm erniedrigter Phosphatspiegel im Blut