Inhaltsverzeichnis: 1. Theorieteil .......................................................

Inhaltsverzeichnis:
1. Theorieteil .............................................................................................................................. 2
1.1 Exkretion allgemein ......................................................................................................... 2
1.2 Verschiedene Stoffwechselendprodukte bei der Exkretion.............................................. 2
1.2.1 Ammoniak ................................................................................................................. 2
1.2.2 Harnsäure .................................................................................................................. 3
1.2.3 Harnstoff.................................................................................................................... 4
1.3 Unterschiedliche Exkretionsorgane bei Tiergruppen ....................................................... 4
1.4 Die Säugerniere ................................................................................................................ 8
1.4.1 Anatomie ................................................................................................................... 8
1.4.2 Ultrafiltration ........................................................................................................... 10
1.4.3 Wasserregulationsmechanismen in der Niere ......................................................... 13
1.5 Renale Clearance ............................................................................................................ 16
1.6 Ornithin- Harnstoff- Zyklus ........................................................................................... 16
1.6 Nötige Geräte und Theorien zur Extinktionswertbestimmung ...................................... 18
1.7 Enzymatischer Test ........................................................................................................ 18
1.8 Lambert- Beer- Gesetz ................................................................................................... 19
2. Material und Methoden ........................................................................................................ 19
3. Ergebnisse ............................................................................................................................ 21
4. Diskussion ............................................................................................................................ 22
5. Literaturverzeichnis:............................................................................................................. 23
6. Anhang ................................................................................................................................. 23
1. Theorieteil
1.1 Exkretion allgemein
Unter Exkretion versteht man die Beseitigung von Schadstoffen und von Substanzen, die im
Köper im Überschuss vorhanden sind, aus einem Körper. Bei diesen Substanzen kann es sich
um schädliche Stoffwechselendprodukte oder verschiedene körperfremde Stoffe handeln. Die
Exkretion ist überlebensnotwendig, da ein zu langes Aussetzen zur Vergiftung des
Organismus führen kann.
1.2 Verschiedene Stoffwechselendprodukte bei der Exkretion
Beim Vorgang der Exkretion gibt es im Tierreich verschiedene Strategen, die unterschiedliche
Substanzen, hierbei handelt es sich vor allen Dingen um Ammoniak, Harnstoff und
Harnsäure, ausscheiden.
1.2.1 Ammoniak
Ammoniak (siehe Abbildung 1) ist ein für den Körper giftiger Stoff, weil er den pH-Wert
stark beeinflusst, ihn erhöht. Dies wiederum schädigt die Tertiärstruktur der Proteine.
Außerdem blockiert Ammoniak, wenn er in zu großer Menge vorhanden ist, die NatriumKalium-Pumpe. Das liegt daran, dass die Ammoniumionen (NH4+), die sich aus NH3 leicht
bilden können, ebenfalls einfach positiv geladen sind und sich in der Größe kaum von den
Kaliumionen unterscheiden. Die Blockade entsteht, wenn Ammoniumionen die Kaliumionen
in der Natrium-Kalium- Pumpe ersetzen. Dies hat Auswirkungen auf das Ruhepotential einer
Zelle; es kann sich nicht mehr einstellen.
Weiterhin ist zum Lösen von Ammoniak sehr viel Wasser erforderlich. Daher wird
Ammoniak hauptsächlich von Tieren ausgeschieden, die im oder am Wasser leben. Tiere, die
Ammoniak als Stoffwechselendprodukt ausscheiden nennt man ammoniotelische Tiere. Zu
diesen Tieren zählt man beispielsweise die Osteichthyes.
2
Abb. 1: Strukturformel von Ammoniak (http://www.landshut.org/bnla06/HLG/chemie/bilder/vfnh3_gr.png)
1.2.2 Harnsäure
Harnsäure wird vor allem von Vögeln und Sauropsida ausgeschieden. Diese Tiere werden
dann als uricotel bezeichnet. Sie scheiden pro Mol Harnsäure 4 Mol N aus. Diesen Tieren
fehlt das Enzym Uricase, somit können sie die produzierte Harnsäure nicht zu Harnstoff
weiterverarbeiten (siehe 1.2.3). Uricotelische Tiere sind meist gut an wasserarme Verhältnisse
angepasst, weil Harnsäure so gut wie unlöslich ist. Deshalb wird von diesen Tieren eine
breiige Substanz ausgeschieden.
Für die Harnsäureproduktion muss allerdings sehr viel Energie vom jeweiligen Organismus
aufgebracht werden.
Harnsäure weist folgende Strukturformel auf:
Abb.2: Strukturformel von Harnsäure
(Quelle: http://www.chemie.fu-berlin.de/medi/.quiz/kw0320.html)
3
1.2.3 Harnstoff
Harnstoff ist hingegen
wesentlich verträglicher für den Körper als Ammoniak und gut
wasserlöslich. Das heißt, dass terrestrische Tiere vor allem Harnstoff verstoffwechseln. Ein
weiterer Vorteil bei der Ausscheidung von Harnstoff ist jener, dass pro Mol Harnstoff zwei
Mol N entsorgt werden. Tiere, die Harnstoff ausscheiden, nennt man ureotelisch. Beispiele
für ureotelische Tiere sind Chondrichthyes und Säuger. Ureotelische Tiere produzieren
Harnstoff auf zwei verschiedene Wege. Entweder über den Ornithin- Harnstoff- Zyklus (siehe
unten) oder sie nutzen Harnsäure als Zwischenprodukt und verarbeiten sie weiter zu
Harnstoff. Dafür nötig ist u.a. das Enzym Uricase.
Ein großer Nachteil von Harnstoff ist, dass für seine Bildund Energie notwendig ist.
Folgende Abbildung zeigt die Strukturformel von Harnstoff:
Abb. 3: Strukturformel von Harnstoff
(Quelle: http://userpage.chemie.fu-berlin.de/~abram/e_learning/html/chem_bind/a_2e.htm)
1.3 Unterschiedliche Exkretionsorgane bei Tiergruppen
Wie bereits oben erwähnt ist die Exkretion ein überlebensnotwendiger Vorgang. Deshalb
haben sich verschiedene Tiere verschiedene Strategien zugelegt, um die Schadstoffe und
überflüssigen Salze aus ihren Körpern zu entfernen. Ein Grundprinzip lässt sich jedoch
trotzdem erkennen. Alle im Folgenden genannten Exkretionsorgane sammeln zuerst
Körperflüssigkeit an einem bestimmten Ort im Körper und verändern in einem zweiten Schritt
4
mittels Sekretion und Reabsorption deren Zusammensetzung. Einige der im Tierreich
vorhandenen Exkretionsorgane sollen in diesem Kapitel beschrieben werden.
Kontraktile Vakuole
Eine kontraktile Vakuole finden wir zum Beispiel bei den Protozoa. Sie ist ein Organ, das den
Tieren hauptsächlich zur Osmoregulation, aber auch zur Exkretion dient. Einzeller leben in
hypotonischer Umgebung. Osmose führt deshalb dazu, dass permanent Wasser in die
Protozoen einströmt. Die Tiere müssen das Wasser wieder aus dem Körper transportieren
können, um nicht zu platzen. Dies geschieht bei den Einzellern mittels der kontraktilen
Vakuole. Protozoen transportieren aktiv Ionen in die Zentralvakuole. Damit erhöht sich dort
die Ionenkonzentration bzw. Osmolarität und Wasser folgt passiv nach, um diesen Gradienten
auszugleichen. So gelangt das Wasser in die Vakuole und kann in die Umgebung abgegeben
werden, sobald die Vakuole mit der Zellmembran verschmilzt.
Protonephridien
Dieses Exkretionssystem findet man bei den Plathelminthes. Es besteht aus drei Zellen: der
Terminalzelle, der Kanalzelle und der Nephroporuszelle (siehe auch Abbildung 4). Das
Reusensystem der Terminalzelle ist für die Ultrafiltratbildung verantwortlich. Dies geschieht,
indem die interstitielle Flüssigkeit über die Basalmembran, die in diesem Falle den Ultrafilter
darstellt, in das Protonephridium gelangt. In der Kanalzelle findet die Sekretion am
Transportepithel statt. Die Nephroporuszelle ist dafür verantwortlich, dass der Harn wieder
nach außen abgegeben wird. Bewegt wird das Ultrafiltrat im Kanalsystem mithilfe von
Geißeln. Schlägt die Geißel, so schiebt sie das Wasser in Richtung der Nephroporuszelle und
somit in Richtung Ausgang. Der dabei entstehende Unterdruck ist verantwortlich dafür, dass
weiterhin interstitielle Flüssigkeit in das Organ gelangt.
Folgende Abbildung zeigt ein schematisch dargestelltes Protonephridium: Links ist eine
Terminalzelle mit Reuse abgebildet, rechts wird die Wirkungsweise der Geißel verdeutlicht.
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Abb. 4: Protonephridium
(Quelle:
http://images.google.de/imgres?imgurl=http://www.wissenschaft-
online.de/lexika/images/biok/f2f776_s.jpg&imgrefurl=http://www.wissenschaftonline.de/abo/lexikon/biok/9456&h=60&w=80&sz=3&hl=de&start=6&um=1&tbnid=FWFfR9arbbjwNM:&tbn
h=56&tbnw=74&prev=/images%3Fq%3Dprotonephridien%26svnum%3D10%26um%3D1%26hl%3Dde%26cli
ent%3Dfirefox-a%26channel%3Ds%26rls%3Dorg.mozilla:de:official%26sa%3DN)
Metanephridien
Die Metanephridien dienen den Mollusca und Annelida zur Exkretion und zur
Osmoregulation. Die Organe sind pro Segment paarig angeordnet und setzen sich zusammen
aus dem Nephrostom, dem Wimperntrichter, und einem aus diesem hervorgehenden
Gewebeschlauch (siehe Abbildung 5). Der Wimperntrichter sammelt die Coelomflüssigkeit.
Spezielle Zellen, die Podocyten, sitzen auf dem Nephrostom auf. Sie sind für die
Ultrafiltratbildung verantwortlich. Das erhaltene Ultrafiltrat wandert weiter in den
Gewebeschlauch, wo die Resorption stattfindet. Anschließend wird der Harn im
darauffolgenden Segment ausgeschieden.
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Abb. 5: Metanephridien eines Regenwurms
(Quelle: http://www.biol.andrews.edu/fb/spring/Chap.44-Kidney/4416.jpg)
Malpighi- Gefäße
Auch diese Organe dienen der Osmoregulation und der Exkretion. Wir finden sie bei den
Arthropoda als schlauchartige Gefäße zwischen Mittel- und Enddarm. Ihr Inneres ist mit
Hämolymphen angefüllt, die Wände sind mit Transportepithel ausgekleidet. Dies ist für die
Sekretion von Salzionen und Stickstoffverbindungen verantwortlich. Das Wasser folgt passiv
nach. Im Unterschied zu den vorher gegangenen Modellen findet aber in den MalpighiSchläuchen keine Ultrafiltration statt. Anschließend wird die Flüssigkeit zum Rectum
transportiert. Von hier aus werden die Ionen wieder aktiv in die Malpighi- Gefäße zurück
transportiert, das Wasser folgt wiederum passiv nach. Ausgeschieden wird eine sehr trockene
Paste.
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Abb. 6: Malphigi-Gefäße der Insekten
(Quelle: Campbell, Biologie, 6.Auflage)
1.4 Die Säugerniere
Die Niere dient den Säugetieren ebenfalls zur Osmoregulation und zur Exkretion. In den
folgenden Teilen wollen wir auf Anatomie und Funktion der Niere, sowie auf deren
Regulation eingehen.
1.4.1 Anatomie
Die Niere ist ein paariges Organ, das beidseitig der Wirbelsäule zu finden ist. Sie liegen
unterhalb des Zwerchfells, zwischen Bauchwand und Bauchfell. Die Niere hat eine
bohnenförmige Gestalt und ist ca. 10 cm lang.
Folgende Abbildung gibt einen Überblick über den Aufbau der Niere:
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Abb. 7: Bau der Niere
(Quelle: http://www.roche.de/pharma/indikation/nephrologie/pages/funktion_der_niere/images/niere.jpg)
Umschlossen wird die Niere von der Nierenkapsel. Weiterhin wird sie in zwei Teile unterteilt,
nämlich in die äußere Nierenrinde, oder auch Cortex genannt, und in das innere Nierenmark,
das auch als Medulla bezeichnet wird. Das Nierenmark umschließt außerdem das
Nierenbecken. Nierenrinde und Nierenmark gemeinsam sind die Nephronen und die feinen
Blutgefäße zur Versorgung. Nephronen sind die funktionellen Einheiten der Niere. Sie sind
kleine Exkretionskanälchen (genauer Aufbau folgt im nächsten Abschnitt). Die Sammelrohre
der Nephronen treffen ins Nierenbecken. Dort entspringt der Harnleiter (Ureter), der zur
Harnblase führt. Hier treffen die Produkte beider Nieren aufeinander und werden endgültig
über die Harnröhre (Urethra) nach außen geleitet.
Ein Nephron setzt sich zusammen aus einem sogenannten Glomerulus und einem langen
Tubulus, der sich in den proximalen Tubulus, die Henle- Schleife, den distalen Tubulus und
das Sammelrohr gliedert. Ein Glomerulus ist ein Blutkapillarnetz, das von der BowmanKapsel umgeben wird.
Insgesamt gibt es in der menschlichen Niere ca. eine Million
Nephronen. Man unterscheidet die kortikalen Nephronen, die wie der Name schon sagt, in der
äußeren Rinde liegen. Sie haben eine kurze Henle-Schleife und machen ca. 80% der
Gesamtneuronenzahl aus. Außerdem gibt es die junxtamedulären Nephronen, die die
restlichen 20% ausmachen. Sie haben eine lange Henle- Schleife und liegen im Nierenmark.
Diese Abbildung soll den typischen Nephronenaufbau verdeutlichen.
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Abb. 8: Ein Nephron als funktionelle Einheit der Niere stark vergrößert
(Quelle:
http://search.icq.com/search/selected_img.php?q=das%20nephron&index=9&img_src=http://images.google.com
/images?q=tbn:XJzQ5hWS1M92M:http://i.onmeda.de/tn_niere_nephron.gif&title=tn_niere_%3Cb%3Enephron%3C/b%3E.gif&w
idth=100&height=100&size=5&url=i.onmeda.de&tbn_width=82&tbn_height=82&url=http://i.onmeda.de/tn_nie
re_nephron.gif&url_rf=i.onmeda.de&site_url=http%3A%2F%2Fwww.onmeda.de%2Flexika%2Fanatomie%2Fn
iere%2F%3Fp%3D4&q=das%20nephron)
1.4.2 Ultrafiltration
An der Ultrafiltration sind drei verschiedene Ultrafilter beteiligt. Zum einen zu nennen sind
hier die porösen Kapillaren, neben der Basallamina und den Pedicyten in der Bowman-Kugel.
Der herrschende Blutdruck ist dafür verantwortlich, dass die Flüssigkeit durch die Ultrafilter
gepresst wird. Allerdings können nur Moleküle, die kleiner als 50000 Dalton sind die Filter
auch durchqueren, was bedeutet, dass die Makromoleküle außen vor bleiben. Die Filtration
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erfolgt allerdings, ausgenommen der Molekülgröße, völlig unselektiv, was bedeutet, dass
auch essentielle Stoffe und Ionen herausgefiltert werden. Dies wird in späteren Phasen der
Sekretion und Reabsorption behoben. Entstanden ist das Ultrafiltrat, das auch Primärharn
genannt wird.
Reabsorption und Sekretion
Der Primärharn wird nun an verschieden Orten des Nephrons in seiner chemischen
Zusammensetzung derart geändert, dass der Endharn, der auch als Urin bezeichnet wird,
entsteht. Es werden in den folgenden Abschnitten also essentielle Stoffe aus dem Primärharn
reabsorbiert (NaCl, H2O, Nährstoffe, etc.), damit sie nicht mit dem Urin für immer verloren
gehen und für den Körper giftige oder überflüssige Stoffe in das Ultrafiltrat transportiert, um
diesen vor Vergiftung zu schützen.
Reabsorption und Sekretion am proximalen Tubulus
Hier werden einige Giftstoffe aus der Leber ins Ultrafiltrat transportiert, ebenso wie
Ammoniak. Aktiv aus dem Ultrafiltrat transportiert werden Nährstoffe, Kaliumionen, das
heißt sie werden reabsorbiert. Sie gelangen aus dem Tubulus in die interstitielle Flüssigkeit
und von dort aus zurück ins Blut. Im proximalen Tubulus wird außerdem der pH-Wert
reguliert, indem Protonen ins Ultrafiltrat abgegeben werden und die Puffersubstanz HCO3reabsorbiert wird. Ein weiterer äußerst wichtiger Vorgang ist die Reabsorption von Kochsalz
und Wasser. Dabei werden Natriumionen aktiv aus dem Ultrafiltrat in die interstitielle
Flüssigkeit transportiert. Die Chloridionen folgen passiv nach um den Ladungsgradienten
auszugleichen. Auch das Wasser folgt der Osmose entsprechend passiv nach. Aufgrund der
gegeben strukturellen Eigenschaften der Basallamina an dieser Stelle, diffundieren einmal
reabsorbierte Na+-, Cl-- Ionen und Wasser nicht mehr zurück in den Tubulus.
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Reabsorption und Sekretion im absteigenden Ast der Henle- Schleife
Der absteigende Ast der Henle- Schleife ist permeabel für Wasser. Dieses verlässt die HenleSchleife und diffundiert passiv nach außen in die interstitielle Flüssigkeit, weil diese im
Vergleich zum Tubulus hyperton ist. Es kann auch im unteren Teil des Schenkels noch
Wasser diffundieren, da die Osmolarität der interstitiellen Flüssigkeit immer größer wir, je
weiter die Henle- Schleife in das Nierenmark vordringt. Wie die hohe Osmolarität im
Interstitium zustande kommt, wird genauer erklärt in3.5.3.3 und 3.5.3.5. Am Wendepunkt der
Henle- Schleife wird die maximale Natriumchlorid- Konzentration im Primärharn erreicht, da
der absteigende Ast ausschließlich permeabel für Wasser ist. Somit wird das Ultrafiltrat stark
auf konzentriert, da viel Wasser aus dem Tubulus diffundiert.
Reabsorption und Sekretion im aufsteigenden Ast der Henle- Schleife
Dieser Schenkel ist im Gegensatz zum anderen nicht permeabel für Wasser, sondern nur für
Kochsalz. Da das Ultrafiltrat aufgrund des großen Wasserverlustes (siehe 3.5.3.2) nun sehr
hoch konzentriert ist, diffundiert NaCl im ersten, dünneren Abschnitt dieses Astes passiv ins
Interstitium, um die Konzentrationen wieder auszugleichen. Dies ist einer der Gründe für die
hohe Osmolarität im Interstitium. Im nachfolgenden, etwas dickeren Teil wird ebenfalls NaCl
reabsorbiert, allerdings müssen die Natriumionen nun wieder aktiv aus dem Tubulus
transportiert werden, die Chloridionen folgen wiederum passiv nach. Die Osmolarität des
Ultrafiltrats sinkt wieder, weil sie mit abnehmender NaCl- Konzentration verdünnt wird.
In der Henle- Schleife tritt ein sogenanntes Gegenstrom- Prinzip auf. Die beiden Schenkel
haben keinen direkten Kontakt, sind aber über die interstitielle Flüssigkeit verbunden, sodass
sie sich bei der Reabsorption gegenseitig beeinflussen und ergänzen können. Ohne das
Gegenstrom- Prinzip wäre die Reabsorption von Wasser und Natriumchlorid weit weniger
effektiv.
Reabsorption und Sekretion im distalen Tubulus
Der distale Tubulus liegt wiederum in der Rindenschicht der Niere. Hier findet ebenso wie im
proximalen Tubulus eine Regulation des pH- Wertes statt. Außerdem ist dies der Ort, der
dafür verantwortlich ist, wie viele Kalium- und Natriumionen mit dem Harn nach außen
abgegeben werden, indem er die Menge an Kaliumionen, die sezerniert werden, und die
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Menge an Natriumionen, die reabsorbiert werden, festlegt. Es wird also auch hier Na+ aktiv
aus dem Tubulus transportiert, Cl--Ionen und Wasser folgen wie oben beschrieben passiv
nach.
Reabsorption und Sekretion im Sammelrohr
Das Ultrafiltrat gelangt im Sammelrohr noch einmal tief in die Medulla- Schicht der Niere. Im
oberen Teil des Rohres wird noch ein letztes Mal aktiv Na+ reabsorbiert, Cl- folgt wiederum
passiv nach. Außerdem ist die Membran permeabel für Wasser, das heißt mit der in Richtung
Mark stark steigenden Osmolarität des Interstitiums kann immer mehr Wasser passiv der
Osmose folgen und den Tubulus verlassen. Im unteren Abschnitt des Sammelrohres ist es
permeabel für Harnstoff, der an dieser Stelle aufgrund des Wasserverlustes so stark
konzentriert ist, dass er teilweise passiv ins Interstitium diffundiert und somit ebenfalls für die
hohe Osmolarität verantwortlich ist, die in der interstitiellen Flüssigkeit des Marks herrscht.
Die Osmolarität in der inneren Markzone beträgt in etwa 1200 mosm/l und ist in etwa viermal
so hoch wie die Osmolarität in der Rindenschicht. Der Harnstoff tritt im aufsteigenden Ast der
Henle- Schleife wieder in den Tubulus ein.
1.4.3 Wasserregulationsmechanismen in der Niere
Die Niere produziert nicht immer Urin derselben Konzentration. Je nachdem wie viel Wasser
zur Verfügung steht, wird hyperosmotischer oder hypoosmotischer Urin ausgeschieden. Ist
zum Beispiel viel Wasser vorhanden, so wird auch viel Wasser ausgeschieden, der Urin ist
dann hypoosmotisch. Für die Wasserregulation der menschlichen Niere sind hauptsächlich
zwei Systeme verantwortlich, zum Einen das RAAS und zum anderen das ADH- regulierende
System. Die Funktionsweise beider Systeme soll in Abbildung 9 verdeutlicht werden.
Antidiuretisches Hormon (ADH)
Spezielle Osmorezeptoren messen im Hypothalamus den Elektrolytwert im Blut. Stellen sie
erhöhte Werte fest, so schütten sie das Antidiuretische Hormon, das im Hypothalamus
gebildet und in der Neurophyse gespeichert wird, in die Blutbahn aus.
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Das ADH hat nun verschiedene Auswirkungen auf den Wasserhaushalt der Niere. Zum Einen
löst es den Durstreiz aus, um sicherzustellen, dass auch in Zukunft genügend Wasser vom
Körper aufgenommen wird. Zum Anderen ist das ADH dafür verantwortlich, dass sogenannte
Aquaporine (Tunnelproteine, durch die noch mehr Wasser transportiert werden kann) in die
Membran des Sammelrohres eingebaut werden. Dadurch kann mehr Wasser rückresorbiert
werden und steht dem Körper auch weiterhin zur Verfügung. Dies sind Faktoren, die dazu
führen, dass mehr Wasser im Körper vorhanden ist, somit vergrößert sich auch das
Blutvolumen. Weiterhin wird mit zusätzlich vorhandenem Wasser die Osmolarität wieder
gesenkt, was dazu führt, dass nun wieder weniger ADH ausgeschüttet wird. Außerdem wirkt
das ADH zusätzlich gefäßverengend, was dazu führt, dass der Blutdruck gesteigert wird.
Auch eine erhöhte Aldosteron- Konzentration kann zu einer ADH- Ausschüttung führen.
Renin- Angiotensin- Aldosteron- System (RAAS)
Neben den Osmorezeptoren im Hypothalamus gibt es auch Pressrezeptoren im
Junxtaglomerulären Apparat, die auf einen veränderten Blutdruck bzw. ein verändertes
Blutvolumen reagieren. Ein gewissen Blutdruck ist nötig, dass die Ultrafiltration statt finden
kann. Sinkt der Blutdruck zu sehr ab, so ist der Prozess der Exkretion gefährdet. Damit dies
nicht passiert, wird bei zu geringem Blutdruck Renin ins Blut ausgeschüttet. Renin ist ein
Enzym, das das im Blut vorhandene Angiotensinogen in Angiotensin I umwandelt.
Angiotensin I wird selbst vom ACE (Angiotensin Converting Enzyme) in Angiotensin II
umgebaut. Angiotensin II wiederum hat zwei verschiedene Wirkungsweisen. Einerseits
schüttet es Aldosteron, das in der Nebennierenrinde gebildet wird, aus, andererseits bewirkt
das Angiotensin II auch eine Vasokonstriktion, also eine Gefäßverengung des vasa efferentia.
Dies führt zu einer Blutstauung und damit erhöht sich aufgrund des größeren Widerstandes
der Blutdruck.
Das Aldosteron führt zu einer erhöhten ADH- Ausschüttung und damit verbunden zu einer
Druckerhöhung und zu einer größeren Reabsorptionsrate von Wasser (siehe oben).
Insgesamt wird mithilfe dieser Maßnahmen also der Blutdruck gesteigert. Die negative
Rückkopplung, die hierbei wirkt, bewirkt dabei, dass daraufhin wieder weniger Renin
ausgeschüttet wird.
14
Abb. 9: Wasserregulation in der Niere
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1.5 Renale Clearance
Der Clearance- Wert wird mithilfe folgender Gleichung bestimmt:
ClS = ([S]U* VU)/ [S]P
wobei gilt:
ClS: Clearance- Wert der jeweiligen Substanz
[S]U: Substartkonzentration im Urin
VU: Volumen des Urins pro Minute
[S]P: Substratkonzentration im Blutplasma
Die Werte die man dabei für den Clearance- Wert erhält, geben an, ob für den jeweiligen
Stoff im Tubulus der Niere eine Nettoresorption oder eine Nettosekretion vorliegt.
Die renale Clearance ist außerdem ein Maß für die Nierenfunktion. Sinkt der Wert, lässt die
Nierenfunktion nach.
1.6 Ornithin- Harnstoff- Zyklus
Beim Abbau stickstoffhaltiger Makromoleküle (Aminosäuren, DNS, etc.) erhält man
Ammoniumionen (NH4+) und Aminogruppen (NH2). Die weitere Reaktion findet nun in den
Hepatocyten (Leber) statt, anfangs in den Mitochondrien. Die erhaltenen Aminoverbindungen
reagieren mit dem Bicarbonation (HCO3-) zu Carbanat. Katalysiert wird diese Reaktion von
einer Synthase. Im nächsten Schritt wird ein Phosphat addiert, das aus der Spaltung von ATP
zu ADP und P herrührt. Es entsteht Carbamylphosphat, wiederum katalysiert durch eine
Synthase. Dieses Molekül kann aber nicht durch die Mitochondrienmembran transportiert
werden und wird deshalb mithilfe einer Transferase und Ornithin in Citrullin umgewandelt,
welches die Membran durchquert und ins Cytoplasma gelangt. Das Citrullin reagiert mit
Aspartat und unter ATP- Verbrauch weiter zu Argininosuccinat, katalysiert durch eine weitere
Synthase. Eine Lyase katalysiert die folgende Spaltung des Argininosuccinats in Arginin und
Fumarat, welches im Zitronensäurezyklus weiterverarbeitet wird. Das Arginin wird weiter
mittels der Arginase weiterzerlegt in Harnstoff und Ornithin. Der Harnstoff verlässt die Leber
und gelangt in die Niere. Die folgenden Schritte wurden oben schon ausführlich beschrieben.
16
Das Ornithin- Molekül gelangt zurück in das Mitochondrium und kann mit einem weiteren
Carbamylphosphat reagieren.
Der Zyklus soll mit folgendem Schaubild verdeutlicht werden:
Abb.10: Ornithin- Harnstoff- Zyklus in der Leber
(Quelle: http://biochemie.web.med.uni-muenchen.de/biotutor_2004/Harnstoff2.jpg)
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1.6 Nötige Geräte und Theorien zur Extinktionswertbestimmung
Spektralphotometer
Mit einem Spektralphotometer werden Lichtintensitäten gemessen. Ziel ist es die Extinktion
einer Probe zu bestimmen.
Ein Spektralphotometer zerlegt Licht mittels eines Monochromators oder eines despersiven
Elements (zum Beispiel eines Prismas). Dann wird das Licht einer bestimmten (bekannten)
Wellenlänge durch eine Probe in einer Küvette gestrahlt. Am Ende trifft der Strahl auf einen
Detektor, der die eingehenden Informationen verrechnet.
Abb. 11: Funktionsweise eines Spektralphotometers
(Quelle: http://www.nugi-zentrum.de/Bilder/OD-Schema.gif)
1.7 Enzymatischer Test
Mithilfe des optisch- enzymatischen Tests lässt sich in einem Spektralphotometer die
Aktivität von Enzymen bestimmen. Wichtig ist, dass man auf eine feste Temperatur achtet,
genauso wie auf den optimalen pH-wert. Außerdem darf keine der an der Reaktion beteiligten
Substanzen in zu geringem Maße vorhanden sein. Das Prinzip beruht darauf, dass NAD+ und
NADH unterschiedliche Absorptionsspektren im Photometer aufweisen, die gemessen werden
können. Mithilfe von Lambert- Beer lässt sich dann die Aktivität des Enzyms berechnen,
indem man die Konzentration berechnen kann, die umgesetzt wurde.
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1.8 Lambert- Beer- Gesetz
Das Lambert-Beer- Gesetz lautet folgendermaßen:
wobei gilt:
E: Extinktion
I: Intensität des ausgestrahlten Lichtes
Io: Intensität des einfallenden Lichtes
ελ: stoffspezifischer Extinktionskoeffizient bei einer bestimmten Wellenlänge λ
c: Konzentration der absorbierenden Substanz in mol/cm³
d: Weg, den das Licht zurücklegt in cm
Das Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen der Absorption von Licht und der
Konzentration der in der Lösung vorhandenen absorbierenden Substanz.
Die Extinktion setzt sich zusammen aus Absorption, Streuung und Reflektion.
Abb. 12: Extinktion eines Lichtstrahles in einer Küvette
(Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Beer_lambert.png)
2. Material und Methoden
Benötigte Substanzen:
Reagenzlösung : Phosphatpuffer, TOOS, Fettalkoholpolyglykolether, Ascorbatoxidase
Startlösung: Phosphatpuffer, Kaliumhexacyanoferrat, 4Aminophenazon, Uricase, Peroxidase
Schwarzer und weißer Geckokot, Menschlicher Urin
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Zuerst wurde die Lösung aus Urin und dem Geckkokot hergestellt. Dazu wurden, da die
Feinwaage defekt am Versuchstag defekt war, etwa 25 mg des scharzen und weißen Kots
abgeschätzt. Sowohl der weiße als auch der schwarze Kot wurden mit 10 ml demineralisierten
Wasser verdünnt und im Poter homogenisiert und danach kurz zentrifugiert.
Da der weiße Kot eine solch hohe Harnsäurekonzentration enthält dass es die Messungen
verfälschen würde, wurde er noch einmal verdünnt, hierzu werden 50 µl der Kotlösung zu
1000 µl demineralisiertem Wasser gegeben (VF = 21). Der schwarze Kot musste hingegen
nicht noch einmal verdünnt werden.
Jetzt wurden 100 µl des menschlichen Urins mit 900 µl demineralisiertem Wasser gemischt
(VF = 10).
Um die Extinktion der Proben zu bestimmen wurden nun Ansätze hergestellt. Dazu wurden
1250 µl der Reagenzlösung mit jeweils 50 µl der Kot- und Urinproben und der
Standardlösung vermischt. Da eine Doppelbestimmung vorgenommen werden sollte, wurden
von jeder Probe zwei Reagenzgläser befüllt. Außerdem wurde ein Reagenzglas mit 50 µl
demineralisiertem Wasser befüllt, das als Leerwert dient. Im Anschluss daran wurden die
Ansätze mit dem Vortexer vermischt und fünf Minuten in ein 37° C warmes Wasserbad
gestellt, um die Körpertemperatur zu simulieren.
Das Spektralphotometer wurde auf 555 nm und den Leerwert eingestellt. Nun wurden alle
Proben photometriert und deren Extinktion notiert. Da wir bei unserem Versuch einen
enzymatischen Farbtest durchführen, wurden jetzt 250 µl der Startlösung, die die Enzyme
enthält die für die Farbbildung benötigt werden, dazu pippetiert. Auch diese Ansätze wurden
fünf Minuten ins 37° warme Wasser gestellt, danach bei 555 nm photometriert, und die
Extinktionswerte wurden aufgeschrieben.
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3. Ergebnisse
Tab.1: Gesamte Ergebnisse des Exkretionsversuchs
Geckokot weiß
Gewicht der
Geckokot
Menschlicher
Standard
schwarz
Urin
25
25
-
-
0.025
0.025
0.1
-
401
401
-
-
21
1
10
-
8421
0.059
401
-0.008
10
-0.001
-0.090
0.01
0.014
0.004
-0.001
0.0345
0.142
0.003
0.041
0.0015
0.091
-0.0455
0.254
0.103
0.041
0.094
0.174
0.1225
0.094
188.47
0.041
0.038
24.06
0.0925
0.091
0.217
0.214
0.252
0.06
1130.82
144.36
1.302
0.36
18.85
2.41
0.02
0.006
-
-
0.651
-
Proben [mg]
Volumen der
Proben [ml]
Verdünnungsfaktor
VF1
Verdünnungsfaktor
VF2
VFGesamt
Extinktion E1 1.
Messung
Extinktion E1 2.
Messung
∅ E1
Extinktion E2 1.
Messung
Extinktion E2 2.
Messung
∅ E2
E
Konzentration c
[mg/mL]
Konzentation c
[mmol/L]
Konzentration c
[%]
24h-Anteil [g/d]
An der Tabelle kann man sehen dass der weiße Geckokot, mit einem Wert von 188.47 mg/ml, mit Abstand am
meisten Harnsäure enthält, gefolgt vom schwarzen Geckokot, mit 24.06 mg/ml. Der menschliche Urin enthält
weit weniger mit 0.217 mg/ml aber liegt dennoch über dem Standartwert der bei 0.06 mg/ml liegt.
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Die Werte werden mit folgenden Rechnungen ermittelt: Gewicht und Volumen der Proben
waren gegeben. Der Verdünnungsfaktor wird mit folgender Formel berechnet:
VF= (VWasser + VProbe)/ VProbe
VFGesamt= VF1*VF2
Die verschiedenen Extinktionen können am Spektralphotometer abgelesen werden und
anhand dieser Daten kann der jeweilige Durchschnitt berechnet werden Die Formel die man
braucht um die gesammte Extinktion herauszufinden lautet:
E= ∅E2 – ( 0.839 * ∅E1)
Nun kann die Konzentration von Harnsäure in [mg/ml] berechnet werden und von dieser in
die anderen Einheiten umgerechnet werden.
CProbe= (EProbe/EStandard) * cStandard * VFGesamt
Die Konzentration der Standardwerte war bereits gegeben.
4. Diskussion
Anhand der Tabelle 1 kann man erkennen, dass der weiße Geckokot weit mehr Harnsäure als
alle andere Proben enthält. Der Grund hierfür ist, dass der weiße Geckokot vergleichbar mit
dem Urin anderer Tiere ist. Die Hauptfunktion des Urins bzw. des weißen Kots ist die
Ausscheidung stickstoffhaltiger Substanzen. Da der Gecko ein uricoteles Tier ist, scheidet er
zu diesem Zweck Harnsäure aus, die schwer wasserlöslich ist und der Urin somit eine
kotartige Paste bildet.
Der schwarze Kot dagegen stellt tatsächlich die Ausscheidungen des Darms dar. Die
gemessene Harnsäurekonzentration kann dadurch erklärt werden, dass Geckos eine Kloake
besitzen und sich Spuren von dem stark konzentrierten weißen Kot mit dem schwarzen Kot
vermischen. Dadurch kann Harnsäure nachgewiesen werden, jedoch in sehr viel geringeren
Konzentrationen.
Der Mensch als ureoteles Tier scheidet Stickstoff hauptsächlich in Form von Harnstoff aus.
Die geringe Harnsäurekonzentration erklärt sich durch den Abbau von DNS, die wir durch
Nahrung aufnehmen und die Purine der DNS werden in Harnsäure umgewandelt. Der Mensch
und höhere Menschenaffen können diese jedoch nicht mehr in Harnstoff umwandeln. Diese
werden mit dem Urin ausgeschieden und somit kann Harnsäure auch in geringen Mengen
nachgewiesen werden. Die Urinprobe der Versuchsperson liegt hier im Standardbereich, der
mit 0,25 g bis 0,75 g pro 24 Stunden im Versuchsskript angegeben ist.
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Obwohl die Konzentrationsergebnisse den Erwartungen entsprechen, weichen die einzelnen
Werte der Doppelbestimmung der Extinktion jedoch erheblich voneinander ab, beispielsweise
liegen die Werte für den weißen Geckokot bei E1 bei 0,059 und bei E2 bei 0,01. Mögliche
Fehlerquellen sind die defekte Feinwaage und ungenaues Pippetieren.
5. Literaturverzeichnis:
•
Biologie, Campbell/Reece, 6. Auflage, 2006, Pearson, S.1131 ff.
•
Tierphysiologie, Eckert, 2. erweiterte Auflage, 1993, Thieme-Verlag, S. 441 ff.
•
http://flexikon.doccheck.com/Optischenzymatischer_Test?redirect=no&PHPSESSID=
6. Anhang
•
Messprotokoll
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