Inhaltsverzeichnis

Exkretion
Universität Ulm WS 2004/2005
Inhaltsverzeichnis
1. Theoretischer Hintergrund
1.1. Die wichtigsten Exkretstoffe und deren Bildung
1.1.1. Ammoniak
1.1.2. Harnstoff
1.1.3. Harnsäure
1.2. Exkretionsorgane
1.2.1. kontraktile Vakuole
1.2.2. Protonephridien
1.2.3. Metanephridien
1.2.4. Malpighi-Gefäße
1.2.5. Mollusken-Niere
1.2.6. Arthropoden-Niere
1.2.7. Säuger-Niere
a) Anatomie
b) Harnbildung
c) Renin-Angiotensin-Aldosteron-System
1.3. Clearance
1.4. Enzymatischer Test
1.5. Spektralphotometer
2. Material und Methoden
3. Ergebnisse
4. Diskussion
5. Quellenangaben
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Exkretion
6. Abbildungsverzeichnis
1. Theoretischer Hintergrund
Die Ausscheidung von Stoffwechselprodukten, die nicht weiter genutzt werden
können oder sogar schädlich sind, sowie die Entfernung von Stoffen, die im
Überschuss vorhanden sind und von Fremdsubstanzen, wird Exkretion genannt.
Unter renaler Exkretion versteht man, dass die Ausscheidung der Exkretionsstoffe
über ein einziges Organ erfolgt, das gleichzeitig noch zur Ionen- und Osmoregulation
dient.
Findet zusätzlich noch eine Ausscheidung über ein weiteres Organ statt, bezeichnet
man diese als extrarenaler Exkretion. Beispiele für Orte der extrarenalen Exkretion
sind die Kiemen oder des Darmephitel.
1.1.Die wichtigsten Exkretstoffe und deren Bildung
1.1.1. Ammoniak
Tiere, die als Stoffwechselendprodukt Ammoniak ausscheiden, werden
ammoniotelisch genannt. Dies sind zum größten Teil aquatische Tiere, da sie den
Ammoniak sofort an das sie umgebende Wasser abgeben können, da NH3 stark
toxisch ist und sich im Wasser gut löst.
Bei Tieren mit weichem Körper, z.B. bei Protozoa, Porifera oder einem Teil der
Mollusken, geschieht dies direkt über die Körperoberfläche.
Bei den meisten Fischen wird Ammoniak als Ammoniumion (NH4+) über das
Kiemenepithel ausgeschieden; außerdem wird NH3 über Diffusion exkretiert.
Der Ammoniak entsteht hauptsächlich aus dem α-Aminostickstoff der Proteine, also
auch beim Abbau von Aminopurinen- und pyrimidinen.
Abb.1: Ammoniak
(http://de.wikipedia.
org/wiki/Bild:Ammonia
k.png)
1.1.2. Harnstoff
Wenn Tiere überschüssigen Stickstoff in Form von Harnstoff ausscheiden, werden
sie als ureotelisch bezeichnet.
Zu diesen Tieren gehören terrestrische Amphibien, einige Schildkröten und alle
Säugetiere.
Abb.2: Harnstoff
- 2 (http://www.omikron-online.de
/cyberchem/cheminfo/0249lex.htm)
Exkretion
Harnstoff entsteht über den Ornithin-Harnstoffzyklus in der Leber.
Zunächst
bildet
das
NAcetylglutamat als Co-Faktor unter
Verbrauch eines ATP mit CO2 eine
„aktive Kohlensäure“, welche unter
Verbrauch eines weiteren ATP mit
einem
Ammoniumion
zu
Carbamylphosphat
reagiert.
Carbamylphosphat reagiert mit der
δ-Aminogruppe des Ornithins unter
Abspaltung von Phosphat zu
Citrullin.
Citrullin
und
die
Asparaginsäure verbinden sich
unter
ATP
Verbrauch
und
Wasserfreisetzung
zu
Argininobernsteinsäure, welche sich
in
Fumarsäure
und
Arginin
aufspaltet. Durch das Enzym
Arginase wird aus Arginin Harnstoff
freigesetzt,
wobei
gleichzeitig
Ornithin
entsteht,
dessen
δAminogruppe
wieder
mit
Carbamylphosphat reagieren kann.
Abb.3 Der Syntheseweg des Harnstoffs
Penzlin, Tierphysiologie, S.311
Kurz gefasst, entsteht am Schluss aus einem CO2 und 2NH3 unter Verbrauch von
3ATP Harnstoff.
1.1.3. Harnsäure
Uricotelische Tiere scheiden ihre Stoffwechselendprodukte in Form von Harnsäure
aus. Hiezu zählen Pulmonaten, Insekten, Schlangen, Eidechsen und Vögel.
Harnsäure ist im Gegensatz zu Ammoniak nicht giftig und im Gegensatz zu Harnstoff
schwerer löslich.
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Exkretion
Abb.4: Harnsäure
(http://www2.chemie.unierlangen.de/education/medchem
/harnsteine/hs_harnsaeure.html)
Die Harnsäure-Synthese findet meistens in der
Leber und Niere statt (Ausnahme: Insekten),
sowie beim Abbau von Purinbasen. Sie läuft an
der Ribose-5-Phosphosäure ab und führt
schließlich zu einem vollständigen Nukleotid, die
Inosinsäure, die als Base Hypoxanthin aufweist.
Die Inosinsäure setzt daraufhin Harnsäure frei.
Inosinsäure ist ebenfalls noch von Bedeutung bei
der Synthese der Purine Adenosin-5-Phosphat
und Guanosin-5-Phosphat.
Bei vielen Tieren gibt es nicht ausschließlich nur
ein Stoffwechselendprodukt. Es ist, wie z.B. bei
den Schildkröten möglich, dass sie sowohl
Harnsäure und auch Harnstoff ausscheiden. Sie
werden deshalb ureo-uricotelisch genannt.
Außerdem ist es bei einigen Tieren, wie bei u.a.
terrestrischen Amphibien so, dass sie Harnsäure
noch in Harnstoff umwandeln können, in einem
Prozess der Uricolyse (Abb.5) genannt wird.
Dabei wird die Harnsäure durch die Enzyme
Uricase und Allantoinase zunächst in Allantoin
und Allantoinsäure umgewandelt und dann
mithilfe des Enzyms Allantoicase zu Harnstoff
umgesetzt.
Abb.5 Harnstoff- und Harnsäurebildung über den uricolytischen Weg
Eckert, Tierphysiologie, S720
1.2. Exkretionsorgane
1.2.1. Kontraktile Vakuole
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Exkretion
Da Tiere, die im Süßwasser leben immer hyperosmotisch zu ihrer Umgebung sind,
diffundiert ständig Wasser in ihre Körper. Um dem entgegenzuwirken, besitzen
Protisten und Schwämme ein Organ: die kontraktile Vakuole. Das eintretende
Wasser wird Nephridialkanäle und Ampullen zur Vakuole geführt, welche sich,
nachdem sie durch Aufnahme von Wasser eine bestimmte Größe (Diastole) erreicht
hat, durch Kontraktion nach außen hin entleert (Systole).
1.2.2. Protonephridien
Die bei Plathelminthes zur Exkretion dienenden Protonephridien bilden ein Geäst aus
feinen Exkretionskanälen, die als Nephridialkanäle bezeichnet werden. Sie dienen in
erster Linie der Osmoregulation, bei parasitischen Plathelminthen jedoch sind sie
ausschließlich für die Exkretion zuständig, da diese sich in einer isotonischen
Umgebung
befinden.
Jeder
Nephridialkanal hat ein blindes
Ende,
an
dem
sich
eine
Terminalzelle befindet. Diese hat
fingerartige Membranausstülpungen,
die mit den ebenfalls fingerartigen
Membranausstülpungen der darauf
folgenden Kanalzelle ein Gefäß mit
Spalten zur Filtration bilden. In der
Kanalzelle findet die Sekretion und
Reabsorption statt. An das Gefäß ist
innen eine Basalmembran gelagert,
die den eigentlichen Ultrafilter
darstellt. Wasser dringt über die
Spalten ein, wird durch die
Basalmembran filtriert und gelangt
durch
die
Bewegung
der
Wimpernflamme (=Reusenapparat)
tiefer in den Tubulus, welcher in den
Exkretionskanal mündet. Dieser
besitzt Exkretionsporen, durch die
die Flüssigkeit ins freie gelangt.
Abb.6 Protonephridien: das Wimpernflammensystem
einer Planarie
Campbell, Biologie, S.1132, 2003
1.2.3. Metanephridien
Metanephridien sind die Organe der Anneliden zur Exkretion und Osmoregulation.
Sie sind paarweise in jedem Körpersegment vorhanden und beginnen mit einem
Nephrostom (Wimperntrichter), der im davor liegenden Segment liegt. Dieser wird
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Exkretion
von der Coelomflüssigkeit umspült, die in das Gefäß einstrudelt, dadurch ultrafiltriert
wird und dann den mehrfach gewundenen Exkretionskanal passiert. Hierbei werden
bestimmte Salze und andere Substanzen, u.a. Wasser, Glucose, Aminosäuren und
Proteine durch das Transportepithel ins Blut reabsorbiert. Der Exkretionskanal
erweitert sich zu einer Harnblase, die in den Exkretionsporus mündet. Über diesen
werden stickstoffhaltige Endprodukte durch den zum Körper hypoosmotischen Harn
ausgeschieden.
Abb.7
Metanephridien
beim Regenwurm
Campbell,
Biologie, S.1133,
2003
1.2.4. Malpighi-Gefäße
Insekten und andere terrestrische Arthropoden besitzen Malpighi-Gefäße, die sowohl
der Exkretion als auch der Osmoregulation dienen. Die Malpighi-Gefäße sind
schlauchartige Ausstülpungen des Verdauungstraktes, welche von Hämolymphe
umspült werden, da diese Tiere ein offenes Kreislaufsystem haben. Das
Transportepithel, welches die am Ende geschlossenen Tubuli auskleidet, pumpt
bestimmte Solute, wie z.B. Salzionen und Stickstoffverbindungen, sowie Glucose,
Aminosäuren und bestimmte Ionen (PO43- und Mg2+) aus der Hämolymphe in das
Gefäß (=Sekretion). Dabei wird K+ aktiv durch eine Na/K-ATPase in den Tubulus
transportiert, woraufhin Cl- durch die Ladungsverschiebung passiv nachfolgt. Wasser
diffundiert auch aufgrund der Osmose passiv nach. Die Flüssigkeit gelangt aus den
Malpighi-Gefäßen über den Enddarm ins Rectum. Hier wird der größte Teil der
Salzionen, vieler Aminosäuren und der Glucose über das Transportepithel in die
Hämolymphe reabsorbiert (Wasser folgt osmotisch nach). Die fast trockene
Harnsäure wird ohne großen Wasserverlust zusammen mit dem Kot durch den After
ins Freie abgegeben.
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Exkretion
Abb. 8
Malpighi-Gefäße
der Insekten
Campbell,
Biologie, S.1133,
2003
1.2.5. Mollusken-Niere
Abb.9
Aufbau einer Molluscen-Niere
Penzlin, Tierphysiologie, S.320
Die Niere der Mollusken kann paarig oder unpaarig vorkommen. Sie beginnt mit
einem Wimperntrichter, der im Perikard liegt und führt über den Renoperikardialgang
zum Nierensack, der über den Ureter nach außen mündet.
Bei vielen Süßwasser-Gastropoden und Bivalvia erfolgt die Ultrafiltration der
Hämolymphe durch die Herzwand in den Perikardialraum, die durch den Druck des
Herzens angetrieben wird. Der Primärharn wandert, wie schon erwähnt, über den
Renoperikardialgang in den Nierensack und dann in den Ureter. Hier wird der
Primärharn aktiv reabsorbiert und sekretiert. Da das Nierenepithel relativ
undurchlässig für Wasser ist, wird ein zur Körperflüssigkeit hypoosmotischer Harn
ausgeschieden.
Bei Landlungenschnecken hingegen findet die Ultrafiltration der Hämolymphe erst im
Nierensack durch das Nierensackepithel statt. Das Nierenepithel ist relativ permeabel
für Wasser, so dass der Flüssigkeit Wasser entzogen wird und dadurch ein zur
Hämolymphe hyperosmotischer Harn entsteht.
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Exkretion
Bei Cephalopoden Sepia und Octopus entsteht der Primärharn durch Ultrafiltration in
den Perikardialdrüsen, wo auch schon ein Teil der Reabsorption und Sekretion
stattfindet. Hierfür sind aber primär die paarigen Nierensäcke (Renalsäcke)
zuständig. Der ausgeschiedene Harn ist isoosmotisch zur Körperflüssigkeit.
1.2.6. Arthropoden-Niere
Die Arthropoden-Niere kommt höchstens in 2 Körpersegmenten vor und ist
wahrscheinlich von den Metanephridien abgeleitet. Sie wird je nach Lage als
Maxillardrüse, Antennendrüse, Labialdrüse oder Coxaldrüse bezeichnet. Die
Hämolymphe wird durch den Sacculus (Coelomsack) ultrafiltriert. Das Filtrat sammelt
sich darin und wird in den Nephridienkanal weitergeleitet, wo es reabsorbiert und
sekretiert wird. Am Ende des Nephridienkanal beginnt der Exkretionskanal, der in die
Harnblase mündet. Über den Ausführungskanal wird der Harn schließlich ins freie
abgegeben.
1.2.7. Säugerniere
a) Anatomie
Die Säugetiere haben ein Paar Nieren. Beim Mensch sind sie ca. 10cm groß und
bohnenförmig.
Sie werden durch die Nierenarterien mit Blut
versorgt, welches über die Nierenvene wieder
abtransportiert wird.
Die Niere besteht aus einer äußeren, funktionelle
Schicht, der Rinde (Cortex) und eine innere
Schicht, dem Mark (Medulla). Diese Schichten
werden von kleinen Exkretionskanälen, den
Nephronen durchzogen. Mehrere Nephrone
gehen in ein Sammelrohr über, welches über eine
Papille in einen Nierenkelch mündet, der sich in
das Nierenbecken (zentraler Hohlraum) entleert.
Aus dem Nierenbecken fliest der Urin durch den
Harnleiter (Ureter) in die Harnblase, danach über
Abb.10 Säugerniere
die Harnröhre ins Freie.
Eckert, Tierphysiologie, S.677
Nephrone:
Nephrone bilden die Funktionseinheit der
Niere. Jedes von ihnen besteht aus einem
langen Tubulus und hat an seinem Anfang
den sog. Glomerulus (Blutkapillarknäuel).
Der Glomerulus wird von der BowmanKapsel am blinden Ende des Tubuls
umschlossen. Beide zusammen bilden das
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Exkretion
Malpighi-Körperchen, in dem die Ultrafiltration des Blutplasmas stattfindet.
Der Tubulus des Nephrons wird in drei Hauptabschnitte unterteilt: den proximalen
Tubulus, die Henle-Schleife und den distalen Tubulus.
Abb.11 Aufbau eines Nephrons
Campbell, Biologie, S. 972, 2000
Es wird zwischen zwei verschiedenen Arten von Nephronen unterschieden:
corticale Nephrone liegen hauptsächlich in der Rindenschicht und haben nur
eine kurze Henle-Schleife
Nephrone deren Henle-Schleife bis in die Markschicht reicht, werden als
juxtaglomuläre/juxtamedulläre Nephrone bezeichnet.
Die Nephrone werden durch eine afferente Arteriole mit Blut versorgt, die sich im
Glomerulus in viele Kapillaren unterteilt. Diese vereinigen sich wieder zu einer
efferenten Arteriole, die sich in ein peritubulären Kapillarnetz aufteilt, das den
proximalen und distalen Tubulus umgibt.
Bei juxtaglomulären Nephronen ziehen sich die Kapillaren weiter in die Tiefe und
umgeben die Henle-Schleife. Diese Kapillaren werden als Vasa recta bezeichnet.
b) Harnbildung
Die Ultrafiltration im Malpighi-Körperchen wird auch als glomuläre Filtration
bezeichnet. Den ersten Grobfilter stellt hierbei die Innenwand der Kapillaren dar
durch die der Blutdruck das Blut presst. Es werden dabei Blutzellen zurückgehalten.
Das Blut passiert dann die Basalmembran, die eine Barriere für große
Proteinmoleküle ist. Der eigentliche Ultrafilter ist die innerste Membran, die
Kapselwand, die von innen mit Podocyten bedeckt ist. Diese ragen fingerartig
ineinander, dazwischen bleiben Filtrationsschlitze frei, die nur niedermolekulare
Stoffe und Peptide durchlassen.
Der Ultrafiltrationsprozess hängt im Wesentlichen von drei Faktoren ab, als erstes
von dem hydrostatischen Druckgradienten zwischen dem Lumen der Kapillaren und
der Bowman-Kapsel. Dann ist er bedingt durch den kolloidosmotischen Druck, der
der Filtration entgegenwirkt. Als letztes ist er noch abhängig von der Leitfähigkeit
bzw. den Siebeigenschaften der drei Membranen, also Glomerulus-Epithel,
Basalmembran und Podocyten.
Im nachfolgenden Tubulus werden viele Stoffe aus dem Primärharn sezerniert
(tubuläre Sekretion) und reabsorbiert (tubuläre Reabsorption).
Von den 180 Litern Ultrafiltrat, die täglich in der menschlichen Niere gebildet werden,
wird nur ungefähr ein Liter als Harn ausgeschieden. Das bedeutet, dass über 99%
des Wassers und auch des Kochsalzes (NaCl) reabsorbiert werden.
Im proximalen Tubulus verändert sich die Zusammensetzung des Ultrafiltrats sehr
stark, es bleibt aber am Ende trotzdem noch isoosmotisch gegenüber der
Körperflüssigkeit. Aus dem Tubulus wird vor allem Na+ aktiv herausgepumpt, was
den größten Teil der Volumenänderung des Filtrats in diesem Bereich ausmacht. Na+
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Exkretion
wird von den Zellen des Transportepithels und dessen Plasmamembran (genauer
gesagt der Bürstensaum, den die Mikrovilli zur Oberflächenvergrößerung der
Membran bilden) in die interstitielle Flüssigkeit gepumpt. Das Verschieben der
positiven Ladungen bewirkt, dass Cl- aufgrund des Ladungsunterschiedes hinterher
diffundiert und anschließend beiden Stoffen aus osmotischen Gründen Wasser folgt.
Das Transportepithel ist auch für die Produktion und Sekretion von Ammoniak
zuständig, sowie für das Aufrechterhalten des pH-Werts. Dieser wird einerseits durch
den aktiven Transport von Protonen in das Tubuluslumen geregelt, andererseits
durch die Abgabe der Puffersubstanz Bicarbonat (HCO3-).
Glucose und Aminosäuren werden aktiv durch Na+-abhängige Mechanismen
reabsorbiert: Transportproteine bewirken einen Cotransport von Natrium und
Glucose bzw. Aminosäuren.
K+ kann passiv aus dem Tubulusepithel diffundieren und wird somit im proximalen
Tubulus am Stärksten reabsorbiert.
Abb.12
Transportvorgänge im
Tubulus
Campbell, Biologie, S.
975, 2000
Die nachfolgende Henle-Schleife wird in zwei Bereiche gegliedert, in den
absteigenden und aufsteigenden Ast, da diese unterschiedliche Funktionen bei der
Reabsorption haben.
Der absteigende Ast der Henle-Schleife ist durchlässig für Wasser, nicht aber für
Salze oder andere Solute. Damit das Wasser osmotisch diffundieren kann, muss die
interstitielle Flüssigkeit in diesem Bereich hyperosmotisch zum Filtrat sein. Es ergibt
sich einen Osmolaritätsgradienten der interstitiellen Flüssigkeit: in der Rindenschicht
hat sie eine Osmolarität von ca. 300mosm/l. Die Osmolarität nimmt über die äußere
und dann über die innere Markschicht ständig zu und erreicht ihren Höhepunkt an
der Haarnadelkurve der Henle-Schleife mit einem Wert von 1000-3000mosm/l. Somit
wird das Filtrat ständig entwässert. Dies hat zur Folge, dass sich immer mehr NaCl
anreichert.
Im aufsteigenden Ast der Henle-Schleife ist das Epithel durchlässig für NaCl, nicht
aber für Wasser. Deshalb diffundiert im unteren, dünnen Teil der Schleife das NaCl
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Exkretion
entlang seines Konzentrationsgefälles nach außen. Dies ist der Grund, warum die
interstitielle Flüssigkeit hier so eine hohe Osmolarität hat. Im daran anschließenden
oberen, dicken Segment wird NaCl aktiv aus dem Transportepithel gepumpt. Somit
verdünnt das Filtrat sich wieder und nimmt am Ende der Henle-Schleife wieder eine
Osmolarität von ungefähr 300msom/l an.
Somit kann man sehen, dass die beiden Schenkel der Henle-Schleife zusammen
arbeiten, um die Konzentration der interstitiellen Flüssigkeit aufrecht zu erhalten.
Dieser Vorgang wird auch Gegenstrom-Prinzip genannt. Obwohl die beiden Schenkel
nicht genau nebeneinander liegen, sind sie immer noch dicht genug zusammen, so
dass sie sich gegenseitig beeinflussen können. Es kann nur deshalb Salz in der
inneren Markzone sich konzentrieren, weil die Fließrichtung im absteigenden Ast
dem osmotischen Gradienten entgegengerichtet ist, der durch den aufsteigenden Ast
erzeugt wird. Diese Arbeitsweise wird auch als Gegenstrom-Mutliplikation
bezeichnet.
Die Vasa recta, die sich auch im Bereich der Markzone um die Nephrone befinden,
beeinflussen den Osmolaritätsgradienten nicht, da sie auch ein Gegenstromsystem
mit aufsteigendem und absteigendem Ast bilden. Im absteigenden Ast diffundiert, wie
auch bei der Henle-Schleife Wasser nach außen und Salz, sowie auch Harnstoff wird
aufgenommen. In der aufsteigenden Kapillare verläuft der Austausch umgekehrt,
also Wasser diffundiert rein und NaCl raus. Somit beeinflussen die Vasa recta den
osmotischen Gradienten nicht, da sie nicht sofort das vom Tubulus reabsorbierte
NaCl aufnehmen und abtransportieren.
Der distalen Tubulus, der wie der proximale Tubulus auch isotonisch zur interstitiellen
Flüssigkeit ist, ist wichtig für die Reabsorption und Sekretion. Hier wird z.B. K+ in das
Ultrafiltrat sezerniert und gleichzeitig über einen Cotransport mittels einer Na+/K+ATPase Na+ aus dem Tubuluslumen in das Blut reabsorbiert. Wie auch der proximale
Tubulus, ist der distale Tubulus von entscheidender Funktion bei der Regulation des
pH-Wertes, indem er Protonen sezerniert und Bicarbonat reabsorbiert.
Das Sammelrohr, in dem mehrere Nephrone zusammenlaufen, ist die letzte wichtige
Stelle zur Harnbildung. Das Epithel ist durchlässig für Wasser, nicht aber für
Kochsalz. Das Filtrat verliert aufgrund der steigenden Osmolarität der interstitiellen
Flüssigkeit stetig osmotisch Wasser. Am unteren Ende des Sammelrohrs ist es
durchlässig für Harnstoff, so dass dieser hier nach außen in die, den Tubulus
umgebende Flüssigkeit diffundiert, was auch ein Grund für die so hohe Osmolarität
der interstitiellen Flüssigkeit im Bereich der Markzone ist.
Der Urin, der sich anschließend im Nierenbecken sammelt, hat eine Osmolarität von
ca. 1200mosm/l, ist also im Vergleich zum Körper stark hyperosmotisch und verlässt
den Körper auch so.
c) Renin-Angiotensin-Aldosteron-System
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Exkretion
Abb. 13: das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System
Campbell, Biologie, S. 979, 2000
Das Zentrum des Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS) ist der
juxtaglomuläre Apparat (JGA). Der JGA besteht aus einem extratubulären Gewebe,
der Macula densa und umschließt mit seinen speziellen Rezeptor- und
Sekretionszellen die afferente Arteriole, die dem Glomerulus Blut zuführt. Sinkt die
Na+-Konzentration im Blutplasma wird es vom JGA registriert und er antwortet mit
einer Renin – Ausschüttung. Dies passiert ebenfalls, wenn der Blutdruck oder das
Blutvolumen in der afferenten Arteriole sinkt. Renin bewirkt die Spaltung des im
Plasma vorhandenen α2-Globulins und es entsteht Angiotensin. Dieses wird durch
das Converting-Enzym zu Angiotensin II umgewandelt. Angiotensin II wirkt auf den
Blutdruck und auf das Blutvolumen ein, indem es die Arteriolen veranlasst sich zu
verengen (Vasakonstriktion). Außerdem stimuliert es die Wasser- und
Kochsalzaufnahme des proximalen Tubulus, was zur Folge hat, dass mehr
reabsorbiert wird und das Blutvolumen und der Blutdruck steigt. Angiotensin II regt
die Nebenniere zur Ausschüttung des Hormons Aldosteron an. Aldosteron veranlasst
den distalen Tubulus zur erhöhten Reabsorption von Na+ und H2O, wodurch
wiederum das Blutvolumen und der Blutdruck steigen.
Die Zunahme dieser beiden bewirken eine negative Rückkopplung auf die Renin –
Ausschüttung und die anschließende Hormonkaskade.
1.3. Clearance
Als Clearance eines Stoffes wird die Menge Blutplasma, die pro Minute von der
betreffenden Substanz S befreit wird, bezeichnet.
Der Clearance-Wert kann mit folgender Gleichung bestimmt werden:
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Exkretion
Cl S =
c U ⋅ VU ml
min
cp
ClS= Clearance-Wert des Stoffes S
cU= Konzentration des Stoffes S im Urin
VU= Urinvolumen, das pro Minute ausgeschieden wird
cp= Konzentration des Stoffes S im Blutplasma
Wenn der Clearance-Wert Null ist, bedeutet das, dass der Stoff S den Ultrafilter
passiert, aber wieder vollständig ins Blut zurückgeholt wird (z.B. Glucose).
Wenn der Clearance-Wert hoch ist, wird der Stoff nur zu einem sehr geringen Teil
reabsorbiert.
1.4. Enzymatischer Test
Der enzymatische Test dient dem Nachweis von Substraten. Hierfür benötigt man
das nachzuweisende Substrat, ein für das Substrat spezifische Enzym, eine
Pufferlösung und Co-Faktoren, wie Wasser oder Sauerstoff.
Der Puffer wird verwendet um die für das Enzym optimale Umgebung beizubehalten,
in der es mit möglichst höher Reaktionsgeschwindigkeit arbeiten kann. Durch die
Spaltung des Substrates entstehen neue Produkte, die dann eine Farbveränderung
der Lösung hervorrufen.
Ein Beispiel hierfür wäre die Reaktion des Substrates Harnsäure mit den CoFaktoren Wasser und Sauerstoff mit Hilfe des Enzyms Uricase zu Allantoin,
Kohlendioxid und Wasserstoffperoxid (H2O2). H2O2 reagiert dann weiter mit 2,4,6Tribrom-3-Hydroxy-benzoesäure (TBHB) und 4-Aminophenazon durch das Enzym
Phenoloxidase zu Wasser, Bromwasserstoff und Chinonimin, das dann eine
Farbveränderung bewirkt.
1.5. Spektralphotometer
Das Spektralphotometer misst wie viel Licht durch eine Lösung dringt bzw. von ihr
absorbiert wird.
Dazu wird Licht auf ein Prisma fallen gelassen, welches das Licht in unterschiedliche
Wellenlängen, also in monochromatisches Licht aufspaltet. Dieses wird dann durch
die Lösung geschickt. Der durchgelassene Anteil wird von einer Photozelle registriert,
die die Lichtenenergie in elektrischen Strom umwandelt, den im Anschluss ein
Galvanometer misst.
Das Galvanometer zeigt an, welcher Teil des Lichtes absorbiert (Extinktion) wurde
bzw. welcher Teil durch gelassen wurde (Transmission).
2. Material und Methoden
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Exkretion
Bei dem Versuch wird der Harnsäuregehalt verschiedener Proben bestimmt.
Es werden Kotproben vom Gecko (schwarz und weiß) und eine Urinprobe vom
Menschen verwendet.
Von den Kotproben werden jeweils 28 g vom weißen und 25 g vom schwarzen Kot
abgemessen und mit 10 ml Aqua demineralisiert vermischt. Anschließend werden sie
mit dem Potter homogenisiert und in zwei Eppendorfgefäßen kurz abzentrifugiert.
Danach wird das Zentrifugat der weißen Probe ein weiteres Mal verdünnt, da der
Harnsäuregehalt ansonsten zu hoch für die Messung wäre. Und zwar werden 500 µl
der Probe mit 10 ml Wasser verdünnt. Das ergibt einen Verdünnungsfaktor von 21.
Die Urinprobe wird ebenfalls verdünnt, da Urin immer gelblich gefärbt ist und die
Messung mit dem Spektralphotometer dadurch verfälscht werden könnte. Der
Verdünnungsfaktor 2 beträgt 10, da zu 100 µl der Probe 900 µl Wasser gegeben
werden.
Die Standardlösung und die Lösung der schwarzen Kotprobe bleiben hingegen
unverdünnt. Daher beträgt der Verdünnungsfaktor 1.
Bei der Standardlösung handelt es sich um eine synthetisch hergestellte Harnsäure,
die eine Konzentration von 6 mg/dl bzw. 357 µmol/l aufweist.
Die Verdünnungen wurden wie in Tabelle 1 dargestellt durchgeführt.
Tabelle 1: Probenverdünnung
Gecko
(weiß)
Gecko
(schwarz)
Urin
Standard
Probe
500 µm
—
100 µl
—
Wasser
10 ml
—
900 µl
—
VF2
21
1
10
1
Jetzt werden von jeder Probe jeweils zweimal 100 µl benötigt, da eine
Doppelbestimmung durchgeführt wird. Die Versuchsproben werden folgendermaßen
pipetiert:
Tabelle 2: Pipettierschema der Harnsäure
Leerwert
Standard
Reagenzlösung
Aqua demin
Standardlösung
Probelösung
2500 µl
100 µl
—
—
Proben
2500 µl
—
100 µl
—
2500 µl
—
—
100 µl
Alle Lösungen werden gut gemischt und anschließend fünf Minuten im Wasserbad
bei 37 °C inkubiert.
Nun wird mit der photometrischen Bestimmung begonnen. Zuerst wird das
Photometer auf 555 nm eingestellt.
Vor den eigentlichen Messungen muss ein Nullabgleich mit Wasser durchgeführt
werden, was einer Leerwertprobe entspricht.
Danach werden alle Versuchsproben in Küvetten gefüllt und nacheinander
photometriert. Die ermittelten Werte werden unter E1 in die Tabelle eingetragen.
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Exkretion
Nach jeder Messung werden die Proben in die jeweiligen Reagenzgläser
zurückgefüllt.
Im zweiten Reaktionsschritt wird jeder Probe 500 µl einer Startreagenz zugegeben,
worauf sich die Proben unterschiedlich färben, da die Enzyme der Startreagenz mit
der Harnsäure reagieren. Jetzt werden die Proben wieder 5 Minuten lang bei 37°C
inkubiert.
Dabei laufen folgende Reaktionen ab:
Harnsäure + 2H20 + O2
Uricase
→
Allantoin + CO2 + H2O2
H2O2 + H+ +4-Aminophenazon + TOOS1
POD
→
Chinon-dimin-Farbstoff + 4 H2O
Innerhalb der nächsten 15 Minuten müssen nun mit dem Photometer die Extinktion
(E2) der Proben bei gleicher Wellenlänge bestimmt werden. Bevor man jedoch mit
den Messungen für E2 beginnt, muss man wieder einen Nullabgleich mit Wasser
durchführen.
3. Ergebnisse
In der unten stehenden Tabelle 3 sind die Ergebnisse zur Messung der
Harnsäurekonzentrationen dargestellt.
Tabelle 3:Ergebnisse der photometrischen Untersuchung
Geckokot
Geckokot
Urin
(weiß)
(schwarz)
Gewicht der
28
25
Probe in [mg]
Volumen der
0,028
0,025
Probe in [ml]
VF₁
358,14
401
Standard
Leerwert
VF₂
VFGesamt
E₁
21
7521
1
401
10
10
1
1
0,005
0,04
0,038
-0,015
E₁
0,034
0,005
0,019
0,047
0,0195
0,0225
0,0285
0,016
0,009
0,112
0,227
0,092
0,182
0,014
ØE₁
E₂
E₂
ØE₂
EProbe
c [mg/ml]
c[mmol]
c [%]
24h-Anteil
0,009
0,06
0,2
0,071
0,168
0,086
0,2135
0,0815
0,175
0,014
0,0632
183,99
90,88
18,399
0,19
29,49
210,98
2,949
0,051
0,19
1,41
0,019
0,361
0,155
0,06
0,36
0,006
0,006449
- 15 -
Exkretion
in [g/24h]
Die Verdünnungsfaktoren berechnet man folgendermaßen:
VF1 = (VWasser + VKotprobe) ÷ VKotprobe
Am Beispiel der weißen Kotprobe:
VF1 = (10 ml + 0,028 ml) ÷ 0,028 ml = 358,14
Der zweite Verdünnungsfaktor wird mit der gleichen Formel berechnet.
Der gesamte Verdünnungsfaktor ergibt sich aus dem Produkt der Einzelfaktoren.
VFGesamt = VF1 * VF2
Berechnung der Harnsäurekonzentrationen:
∆ELeer = ØE2Leer − 0,839 * ØE1Leer
∆EStandard = Ø E2Standard − 0,839 * ØE1Standard − ∆ELeer
∆EProbe = Ø E2Probe − 0,839 * ØE1Probe − ∆ELeer
CProbe = (∆ EProbe ÷ ∆EStandard) * CStandard * VFGesamt
4. Diskussion
Aus den Ergebnissen der Tabelle 3 kann man erkennen, dass die weiße Kotprobe
des Geckos mit 183,99 mg/ml mit Abstand den höchsten Harnsäuregehalt aufweist.
Es ist nicht ungewöhnlich, dass sich im weißen Kot sehr viel Harnsäure befindet, da
er renal entsteht.
Geckos gehören nämlich zur "Klasse" der Reptilien, d.h. bei diesen Tieren handelt es
sich um uricotelische Lebewesen. Das Ausscheiden von Harnsäure ist besonders für
solche Tiere von Vorteil, die in sehr trockenen Gebieten leben, da Harnsäure
schlecht wasserlöslich ist und in trockenem Zustand ausgeschieden werden kann. So
bleibt dem Organismus das Wasser erhalten.
Im Gegensatz dazu ist im schwarzen Kot des Geckos, laut unseren
Versuchsergebnissen, weniger Harnsäure (29,49 mg/ml) enthalten. Er entsteht
nämlich extrarenal, sodass sich darin hauptsächlich unverdauliche Nahrungsreste
befinden, was man auch an seiner faserigen Konsistenz erkennen kann.
Die Konzentration der Harnsäure in der Urinprobe des Menschen beträgt
Literaturangaben zufolge zwischen 0,25 g/24h und 0,75 g/24h. Der ermittelte Wert
unserer Versuchsperson liegt bei 0,361 g/24h und damit im Normalbereich.
Wie zu erwarten ist der Harnsäuregehalt des Menschen im Vergleich zur
Konzentration des Geckos sehr gering. Der Grund dafür ist, dass Menschen
Säugetiere sind und deswegen zu den ureotelischen Lebewesen zählen. Bei diesen
Organismen wird vor allem Harnstoff als Endexkret abgesondert, doch man kann
trotzdem einen geringen Wert an Harnsäure nachweisen. Sie entsteht im
menschlichen Körper durch den Abbau von Purinen. Die Harnsäure kann vom
- 16 -
Exkretion
Organismus aber nicht abgebaut werden, da die dazu erforderlichen Enzyme nicht
vorhanden sind. Somit wird der komplette Anteil im Urin ausgeschieden.
Zusammengefasst bestätigt das Ergebnis des Versuches die Literaturangaben,
nämlich das Geckos aufgrund ihrer hohen Konzentration an Harnsäure in den
Exkrementen zu den uricotelischen Lebewesen zählen. Dagegen gehört der Mensch
zu den ureothelischen Organismen. Sie scheiden als Hauptendexkret vor allem
Harnstoff aus; daher ist der Anteil an Harnsäure im Urin sehr gering.
5. Quellenangaben
1. Versuchsskript „Kurs Exkretion“ Anfängerpraktikum Tierphysiologie WS
2004/5
2. Zoologie Wehner Gering, Thieme Verlag, 23.Auflage, 1995
3. Lehrbuch der Tierphysiologie, Penzlin, Gustav-Fischer-Verlag, 4.Auflage 1989
6.Auflage 1996
4. Biologie, Campbell, Spektrum Akademischer Verlag, 3.Auflage, 2003
2.Auflage, 2000
5. Tierphysiologie, Eckert, Thieme Verlag, 4.Auflage, 2002
6. Abbildungsverzeichnis
Abb.1: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Ammoniak.png
Abb.2: http://www.omikron-online.de/cyberchem/cheminfo/0249- lex.htm
Abb.3 Der Syntheseweg des Harnstoffs, Penzlin, Tierphysiologie, S.311,
6.Auflage
Abb.4: http://www2.chemie.unierlangen.de/education/medchem/harnsteine/hs_harnsaeure.html
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Exkretion
Abb.5 Harnstoff- und Harnsäurebildung über den uricolytischen Weg,
Eckert, Tierphysiologie, S720
Abb.6 Protonephridien: das Wimpernflammensystem einer Planarie,
Campbell, Biologie, S.1132, 3.Auflage
Abb.7 Metanephridien beim Regenwurm, Campbell, Biologie, S.1133,
3.Auflage
Abb. 8 Malpighi-Gefäße der Insekten, Campbell, Biologie, S.1133,
3.Auflage
Abb.9 Aufbau einer Molluscen-Niere, Penzlin, Tierphysiologie, S. 320,
6.Auflage
Abb.10 Säugerniere, Eckert, Tierphysiologie, S.677
Abb.11 Aufbau eines Nephrons, Campbell, Biologie, S. 972, 2.Auflage
Abb.12 Transportvorgänge im Tubulus, Campbell, Biologie, S. 975,
2.Auflgage
Abb. 13: das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System, Campbell, Biologie,
S.979, 2.Auflage
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