Tierphysiologisches Praktikum




Protokoll: Exkretion und Nierenfunktion




von Julia Krüger Toni Wendt Ines Welzel

Kurs Freitag zum 29.05.2009











Einleitung
Stickstoffhaltige Verbindungen, die nicht mehr verwertbar sind, sind oft toxisch und müssen aus dem Organismus entfernt werden: über Exkretion. Die Exkretion ist auch ein Vorgang der Ionen- und Osmolytregulation.
Wichtige Abbauprodukte der Proteine/Nucleinsäuren sind:

• Ammoniak, wasserlöslich und damit ein Zellgift. Bei den aquatischen Invertebraten, aquatischen Insektenlarven, Fischen oder Amphibienlarven ist es weit verbreitet. ( Asseln und Schaben können jedoch ebenfalls Ammoniak abgeben ) Die Abgabe wird über die Haut oder Kiemen bewerkstelligt ( ammoniotelische Tiere )
• Harnsäure, schlecht wasserlöslich, daher relativ ungiftig. Das Ausscheidungsprodukt ist eine Paste, da die Harnsäure auskristallisiert ist. Vögel, Insekten und Reptilien scheiden so aus. (uricotelische Tiere ) Wird Harnsäure bei Wirbeltieren gebildet, so wird sie dann in Gelenken oder Gewebe eingelagert ( Gicht ).
• Harnstoff, wasserlöslich, geringer toxisch als Ammoniak. Da Harnstoff nur gelöst ausgeschieden wird und osmotische Eigenschaften hat, ist er in den Wasserhaushalt eingebunden.. Harnstoff kommt bei Landwirbeltieren (einschließlich Säugetiere), Amphibien, Schildkröten und Knorpelfischen vor: ureotelische Tiere.

Bei den Säugetieren ist die Niere das Exkretionsorgan. Sie reguliert Wasser- und Elektrolythaushalt und dient eben der Ausscheidung von Stoffwechselwechselprodukten, sowie wasserlöslichen Fremdsubstanzen, sie reguliert den Säure- Basen- Haushalt, die Kalziumresorption, den Blutdruckes und ist auch an der Blutbildung beteiligt. Die Niere wird von der Faserkapsel umschlossen, darnach folgt nach innen die ca. 5 bis 8 mm dicke Nierenrinde. Diese enthält die Malphighi-Körperchen sowie die proximalen und distalen Tubulae. Unter der Nierenrinde befindet sich das Nierenmark, in ihm die Henle-Schleifen. Das Mark ist in 15 bis 20 Pyramiden organisiert. In der Vertiefung der Nieren liegt das Nierenbecken, das den Harnleiter ausführt. Der Nierenkelch sitzt zwischen Mark und Nierenbecken und die Spitzen der Markpyramiden ragen in den Kelch ein.
Das Nephron ist die funktionelle Einheit der Niere. Es besteht aus dem Malphighi- Körperchen, das aus der Bowman-Kapsel und den innen liegenden Kapillaren, den Glomerulae, zusammengesetzt ist. Die Podocyen fungieren als eine Art Sieb im Malphighi- Körperchen. Durch den hohen Kapillardruck entsteht eine Ultrafiltration, die den Primärharn bildet. Die Podocyten lassen nur „Teilchen“ durch, die kleiner als 50 nm sind, d. h. es werden Proteine und Moleküle zurückgehalten, die größer als 70 kDa sind. Daraus folgt, daß das Ultrafiltrat des Blutplasmas proteinfrei ist. Zusätzlich wird der Filtrationsdruck durch den geringeren Durchmesser der abführenden Arteriolen im Gegensatz zum Durchmesser der zuführenden Atriolen verstärkt. Der Menschen bildet ca.pro Tag 180l Primärharn, der in den proximalen Tubulus gelangt und von dort durch den absteigenden Ast in die Henle-Schleife, von dort aus über den aufsteigenden Ast zum distalen Tubulus und schließlich ins Sammelrohr. Der Bereich zwischen den Schlaufen wird als Interstitium bezeichnet. Im Tubulussystem liegt ein osmotischer Gradient vor, so daß der Großteil des Wassers, Glucose und Aminosäuren aktiv wieder zurück in das Blut transportiert werden müssen. Im aufsteigenden Ast und der Henle-Schleife wird Na+ und Cl- aktiv zurückgewonnen, für Wasser ist die Henle-Schleife undurchlässig. Erst wieder im absteigenden Ast kann Wasser resorbiert werden. Zusammengenommen entsteht dadurch auch längs der Schleife ein osmotischer Gradient auf, der bewirkt, daß auch im Sammelrohr dem Harn weiter Wasser entzogen werden kann. Es werden aus den 180 l Primärharn nur 1,5 bis 2 l Endharn gebildet. Der Endharn ist das, was letztendlich ausgeschieden wird. Die Rückgewinnung des Wassers und der Ionen geschieht also im Gegenstromprinzip. Dadurch, daß die Na-Ionen aktiv im aufsteigenden Ast der Henle-Schleife vom Primärharn in das Interstitium transportiert werden, wird der Harn hypoton und das Interstitium dann hyperton. Wasser gelangt vom absteigenden Ast passiv in das Interstitium, weil dessen Wand wasserdurchlässig ist, somit wird der Harn konzentriert. Die Wasserrückgewinnung ist damit passiv an die Natriumrückresorption gekoppelt. Der Harn besteht hauptsächlich aus Wasser, gelöstem Harnstoff und wasserlöslichen Abfallprodukten.
Renin steuert die Zusammensetzung des Harns, es wandelt Angiotensinogen in Angitensin I um, das in Angiotensin II weiter umgewandelt wird, dieses ist Gefäß verengend und setzt Aldosteron ( Na-Resorption ) und das Antidiuretische Hormon frei. Durch die engeren Gefäße steigt der Filtrationsdruck. Diese Kaskade bezeichnet man als Renin-Angiotensin-System.
Ist eine Flüssigkeit hoch osmotisch konzentriert, sinkt der Gefrierpunkt (Gefrierpunktserniedrigung). Dieses Prinzip beruht auf der Störung im Aufbau des Gitters beim Einfrieren, da die Wassermoleküle durch das Vorhandensein von mehr Fremdmolekülen oder Ionen in ihrer Anordnung gestört werden. Osmotischer Druck bedeutet den Ausgleich zweier verschiedener Drücke in einem System, die durch eine semipermeable Membran getrennt werden. Durch den Druck wird Wasser von einer verdünnteren Lösung in die höher konzentrierte Lösung „gezogen“.
100 mmol/l Harnstoff haben 300 mosmol/l durch drei osmotische Teilchen pro Harnstoffmolekül, 100 mmol/l NaCl haben 200 mosmol/l durch 2 osmotische Teilchen und 100 mmol/l CaCl2 haben 300 mosmol/l.
Beispiele von Ausscheidungsorganen einiger Tiere: Kängururatte: Wüstenbewohner, Säugetier mit paarigen Nieren. Die Nieren dieser Tiere besitzen eine extrem lange Henle-Schleife um die Wasserrückresorption zu maximieren. Der Wasserbedarf wird durch Stoffwechselwasser (90%) und durch die Nahrung gedeckt, den Verlust von Atmungsfeuchtigkeit wird durch Kondensation des Wassers in den Nasenwegen vermieden. Dadurch muss dieses Tier kein Wasser trinken . Meeresfische: Diese müssen Meerwasser trinken, um den Wasserverlust auszugleichen. Durch Osmose verlieren sie Wasser an die Umgebung. Natrium- und Chloridionen werden durch das Blut über die Kiemen aus Salzausscheidungszellen abgegeben. Meeresfische sind hypoosmotische Regulatoren. Sie besitzen eine ursprüngliche Niere, Ophistonephros, welche Magnesiumsulfat, Harnstoff und ein wenig Wasser ausscheidet. Süßwasserfische: brauchen kein Wasser zu trinken, NaCl wird über die Kiemen aufgenommen und das Wasser strömt einfach osmotisch nach. Natrium- und Chloridionen müssen aber widerum aktiv im Tubulus rückresorbiert werden. Süßwasserfische scheiden verdünnten Harn aus. Das Blut ist hyperosmotisch.
Regenwurm: Der Regenwurm besitzt 1 paar Metanephridien pro Segment. Als terrestrischer Oligochaet scheidet er Harnstoff bzw. Ammoniak, je nach Umweltbedingungen, über die Metanephridien aus. Die Nephridien gehören zur Osmoregulation. Flußkrebs: Als Exkretionsorgane dienen tubulär strukturierte Drüsen die paarig vorhanden sind. Es handelt sich um Antennal- oder Maxillardrüsen, da sie an der Basis der Maxillen, bzw. Antennen sitzen.
Insekten: Die Exkretionsorgane sind Malpighi´sche Gefäße, sie entspringen dem Knotenpunkt von Mittel- und Enddarm. Es sind Blindschläuche, die in den Körper hinein ragen und im Hämocoel enden. Die Ausscheidung erfolgt über aktive Sezernierung von Kaliumionen. Ddurch die ausgeschiedenen Ionen wird Wasser nachgezogen. Die Harnsäure tritt als Kaliumharnsäure in die Gefäße ein, das Kalium wird rückresorbiert und die Harnsäure wird über den Fäzes ausgeschieden.
Quellen: Folien Vorlesung Tierphysiologie Zoologie, Hickman, Roberts, et al, Pearson Studium, 13 Auflage Zoologie, Wehner, Gering, Thieme Verlag 24. Auflage Allgemeine Zoologie, Hynek Burda, UTB basics

Messung 1
Erwartungen
Im ersten Versuch soll die zeitliche Volumenausscheidung und die Abgabe von Osmolyten geprüft werden. Die Bestimmung der Osmolytkonzentration erfolgt hierbei über die Gefrierpunktserniedrigung mit Hilfe eines Osmometers. Betreffend des Urinvolumens wird bei den Probanden eine Abnahme zu sehen sein. Diese wird bei den Durstern zuerst recht stark sein und dann immer schwächer werden, da sie schon zuvor durch die Dehydrierung ein geringes Urinvolumen hatten. Bei den Trinkern wird die Abnahme kontinuierlicher sein. DieTrinker haben schon durch die starke Flüssigkeitsaufnahme einen verdünnten Urin, so wird die Osmolytkonzentration niedriger sein als die bei den Durstern, bei denen eine hohe osmotische Konzentration anzunehmen ist. Aus Urinvolumen und Osmolytkonzentration kann die Menge an Osmolyten berechnet werden. Da die Versuchspersonen zu Beginn des Versuchs längere Zeit keinen Urin ausgeschieden haben, wird die Osmolytmenge besonders in der ersten Urinprobe sehr hoch sein. Da die Niere über die Zeit kontinuierlich weiterarbeitet und die Probanden in regelmäßigen Abständen urinieren, sollte die Menge osmotisch wirksamer Teilchen im weiteren Versuchsverlauf relativ konstant bleiben. Es wird angenommen , daß Urinvolumen und Osmolytmenge sinken, ist eine annähernde Konstanz der osmotischen Konzentration zu erwarten.

Versuchsdurchführung
siehe Skript Seite 2-3, abweichend wurden als Durster eben Durster und Suppenesser, Trinker: Bier und Wasser eingeteilt.

Ergebnisse Ersichtlich ist, daß die Trinker mehr Urin ausscheiden als die Durster. Beide Gruppen weisen jedoch insgeesamt eine Verringerung des Urinvolumen auf. Die Abnahme ist bei beiden zu Beginn am stärksten. Die Durster haben eine fast konstante Urinvolumenabnahme, die Trinker eine kontinuierliche. Desweiteren ist erkennbar, daß die Osmolytkonzentration der Durster deutlich über denen der Trinker liegen. Mit geringen Abweichungen sind die Konzentrationen der osmotisch wirksamen Teilchen bei beiden Gruppen über die Zeit in etwa gleich. Wobei es die Trinker in den letzen Urinproben einen Konzentrationsanstieg zu verzeichnen haben Ferner ist zu bemerken, daß die Menge an osmotisch wirksamen Teilchen zu Beginn sehr hoch ist. Bei den Durstern höher als bei denn Trinker.
Messung 2
Erwartungen
Hier wird die Harnstoffausscheidung gemessen. Durch die Spaltung von Harnstoff durch Enzyme entstehen Ammoniak und Kohlendioxid. Mit Hilfe des Coenzyms NADH oder NADPH kann Ammoniak mit α-Ketoglutarat zu L-Glutamat reagieren. Der Verbrauch an NAD(P)H kann photometrisch gemessen werden. Dabei entsprechen 2 NAD(P)H-Moleküle einem Harnstoffmolekül. Da Harnstoff osmotisch wirksam ist, wird seine Konzentration wie im ersten Versuch bei der Osmolytkonzentration bei beiden Gruppen in etwa konstant bleiben, allerdings den Durstern deutlich höher. Die Harnstoffmenge jedoch müßte während des Versuchs abnehmen, weil durch das Urinieren dauernd Harnstoff abgegeben wird und wieder neu synthetisiert werden muß

Versuchsdurchführung
siehe Skript Seite 3-5
Beispielrechnung für Probe D0;1 & D0;2: ΔEProbe = E0(Probe) - E1(Probe) ΔELeerwert = E0(Leerwert) - E1(Leerwert) ΔEgesamt = ΔEProbe - ΔELeerwert
Betr. Harnstoffkonzentration: Es ist festzustellen, daß die Harnstoffkonzentration der Durster fast viermal so hoch ist wie die der Trinker. Außerdem bleibt bei den Durstern die Konzentration des Harnstoffs gleich. Bei den Trinkern ist die Konzentration abnehmend, dann steigend bis zum Doppelten der Konzentration von der ersten Probe.
Veränderung der Harnstoffmenge: Hier wird deutlch, daß zu Anfang die Harnstoffmenge bei beiden Gruppen hoch ist, bei den Trinkern geringer. Bei beiden Gruppen wird die größte Harnstoffmenge gleich zu Beginn ausgeschieden. Dann bleibt die Menge relativ gleich, bei den Trinkern höher als den Durstern.
Messung 3
Erwartungen
Der dritte Versuch soll die Chloridionenausscheidung bestimmen. Als Nachweis wird die Ausfällung von Chloridionen durch Silberionen verwendet. Chromationen dienen als Indikator, sie sind zuerst gelb, dann erfolgt die Reaktion mit den Silberionen zu einem roten Farbumschlag, dem Silberchromat, was sofort wieder zerfällt. Wenn alle Chloridionen als schwerlösliches Silberchlorid vorliegen, bleibt das rote Silberchromat stabil. So kann über den Verbrauch an Silbernitratlösung die Chloridionenkonzentration berechnet werden. Chloridionen sind osmotisch wirksame Teilchen. So ist zu erwarten, daß deren Konzentration wie beim Harnstoff konstant bleibt. Die Trinker sollten dabei jedoch eine niedrigere Konzentration aufweisen. Weil ständig Chloridionen beim Urinieren ausgeschieden werden, wird die Menge abnehmen.

Versuchsdurchführung
siehe Skript Seite 5-6

Ergebnisse

Eichgerade
Mit Hilfe der Eichgerade werden die Chloridionenkonzentrationen der jeweiligen Urinproben ermittelt.


Veränderung der Chloridionenkonzentration
Die Konzentration der Chloridionen bei den Durstern ist deutlich höher ist als bei den Trinkern. Bei beiden Gruppen ist sie fast konstant. Wobei sie die Durster zuerst sehr hohe Werte haben, dann eine deutliche Abnahme erfolgt und schließlich schwankend ist.

Veränderung der Chloridionenmenge
Die Chloridmenge in der ersten Probe ist recht hoch. Bei den Durstern doppelt so stark wie bei den Trinkern. Darauf haben dann beide Gruppen eine starke Mengenabnahme. Die weiteren Proben zeigen eine konstante Chloridausscheidung.

Diskussion
Im Ganzen ist zu bemerken, daß die Erwartungen bei allen drei Messungen erfüllt wurden. Das Urinvolumen hat wie vor allem nach der ersten Probe abgenommen, da die Probanden vor dem Versuch längere Zeit nicht uriniert hatten, war es bei Durstern und Trinkern hoch und weil zwischenzeitlich keine weitere Flüssigkeit aufgenommen wurde, wurde das abgegebene Volumen geringer. Zum Schluß wird klar, daß auch die Trinker ihren Wasserhaushalt regulieren müssen, um ihn entsprechend zu halten. Die Menge an Osmolyten hat genauso von der ersten zur weiteren Probe stark abgenommen und zeigt dann einen schwachen, aber bemerkbaren Abfall. Da Harnstoff und Chlorid osmotisch wirksame Teilchen sind, sind die gleichen Ergebnisse wie bei der Osmolytmenge festzustellen. Bemerkenswert ist, daß die Trinker bereits ab der zweiten Messung in allen weiteren Fällen eine höhere Menge haben als die Durster. Dies liegt offensichtlich daran, daß die Durster mit der ersten Urinprobe das größte Volumen und dabei die größte Menge osmotisch wirksamer Teilchen ausschieden und dann nur noch sehr wenig Volumen abgeben konnten. Die Trinker hatten im gesamten Versuch weitaus mehr Volumen. Da sie mehr Flüssigkeit ausschieden, hatten sie auch einen höheren Osmolyt-, Harnstoff- und Chloridverlust. Sowohl bei Osmolytkonzentration, Harnstoff- wie auch Chlorid-, konnte eine relative Konstanz festgestellt werden. Eindeutig, war dies bei den Durstern festzustellen. Die Variationen sind ganz sicher damit zu erklären, daß über die Zeit nicht immer genau dieselbe Menge an osmotisch wirksamen Teilchen vorhanden ist. Bei den Trinkern waren die Konzentrationen immer geringer als bei den Durstern, da die Teilchen durch die Vorhydrierung stärker verdünnt waren.