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Wasser- und Elektrolythaushalt

Abstract

Der menschliche Körper besteht zum größten Teil aus Wasser und enthält zudem eine Vielzahl an bestimmten Elektrolyten. Sowohl die Funktion des menschlichen Körpers insgesamt als auch die jeder einzelnen Zelle ist wesentlich davon abhängig, dass diese Bestandteile ausreichend und in ausgewogenen Verhältnissen zueinander vorkommen. Um das zu gewährleisten, unterliegt der Wasser- und Elektrolythaushalt des Körpers einem komplexen Regulationssystem.

Wasser und Elektrolyte kommen in unterschiedlichen Zusammensetzungen in verschiedenen Räumen (sog. Flüssigkeitsräumen oder Kompartimenten) des menschlichen Körpers vor. Die Elektrolyte (in Form von Ionen) wirken als osmotisch aktive Bestandteile im Wasser. Hauptregulationsorgan des Wasser- und Elektrolythaushaltes ist die Niere. Bei einer Dekompensation des Wasserhaushaltes kann es zu einer De- bzw. Hyperhydratation und lebensbedrohlichen Elektrolytverschiebungen kommen.

Verteilung des Körperwassers

Kompartimente

Die Flüssigkeit des Körpers verteilt sich auf zwei gegeneinander abgrenzbare Kompartimente, den Intra- und den Extrazellulärraum. Der Intrazellulärraum umfasst den Anteil innerhalb einer Zelle und stellt das größte Kompartiment dar. Zu den extrazellulären Flüssigkeiten zählt man die transzelluläre, die intravasale und die interstitielle Flüssigkeit. Das jeweilige Verteilungsvolumen dieser Kompartimente kann mittels spezifischer Indikatorsubstanzen berechnet werden.

Extrazellulärraum (= EZR): Raum außerhalb der Zellen Intrazellulärraum (= IZR): Raum innerhalb der Zellen
Transzellulärraum Intravasalraum Interstitieller Raum (auch: Interzellularraum)

Verteilungsvolumen

  • 1 L = 3 %
  • 3 L = 7 %
  • 13 L = 30 %
  • 25 L = 60 %

Elektrolytgehalt

/

Serumelektrolytwerte:

  • Natrium (Na+): ca. 135–145 mmol/L
  • Kalium (K+): ca. 3,5–5 mmol/L
  • Gesamt-Calcium (Ca2+): ca. 2,20–2,65 mmol/L
  • Chlorid (Cl): ca. 98–106 mmol/L
  • Magnesium (Mg2+): ca. 0,73–1,06 mmol/L
  • Bicarbonat (HCO3): ca. 22–26 mmol/L
  • pH 7,35–7,45
/
  • Natrium (Na+): ca. 10–15 mmol/L
  • Kalium (K+): ca. 140–160 mmol/L
  • Ionisiertes Calcium (Ca2+): ca. 0,0001 mmol/L
  • Chlorid (Cl): ca. 4–8 mmol/L
  • Magnesium (Mg2+): ca. 15 mmol/L
  • Bicarbonat (HCO3): ca. 8–15 mmol/L
  • pH 7,1
Vorkommen
  • Plasma
  • Befindet sich zwischen den Zellen im Interzellularraum
  • Wird als Lymphe drainiert
  • Konsistenz: Flüssig bis gelartig

⅔ des Körpergewichts sind Wasser, davon befinden sich ⅔ intrazellulär und von dem restlichen Drittel wiederum ⅔ interstitiell!

Der Wasserhaushalt des Menschen wird maßgeblich über die Osmolarität der Extrazellularflüssigkeit reguliert. Die normale Osmolarität liegt bei 290-295mosmol/l und wird ständig durch Osmosensoren im Hypothalamus kontrolliert.

Wassergehalt verschiedener Gewebe

Gewebe Wassergehalt
Muskulatur 75%
Körperfett 25%
Knochen 22%

Wassergehalt am Körpergewicht

Säugling Mann (jung) Frau (jung) Mann (alt) Frau (alt)
Liter/kg KG 0,75 0,65 0,55 0,55 0,45

Im höheren Lebensalter kommt es zu einer Reduktion des intrazellulären Körperwassers v.a. in Folge des Muskelmasseabbaus!

Frauen haben durch ihren höheren Anteil an natürlichem Fettgewebe einen geringeren Wassergehalt am Körpergewicht!

Berechnung der Verteilungsvolumina

  • Ablauf: Es wird eine bekannte Menge Indikatorsubstanz intravenös injiziert. Nach ca. zwei Stunden kann die Konzentration der Indikatorsubstanz im Plasma bestimmt werden. Aus der Verteilung der Indikatorsubstanz auf die Flüssigkeitsräume können Rückschlüsse auf das Verteilungsvolumen (V) gezogen werden.
  • Indikatoren: Substanzen, die sich nur in bestimmten Kompartimenten anreichern und den Gehalt dieses Kompartiments damit indirekt messbar machen
  • Berechnung: Verteilungsvolumen (V) = Mengeappliziert / KonzentrationPlasma

Wasserhaushalt

Wasser ist ein unverzichtbarer Bestandteil unseres Lebens. Es wird für zahlreiche Reaktionen und Mechanismen in unserem Körper benötigt und u.a. als Lösungs- und Kühlmittel, Wärmepuffer und Transportmedium verwendet.

Wasserbilanz

Eine ausgeglichene Wasserbilanz wird durch die tägliche Wasserzufuhr und Wasserausscheidung garantiert und ermöglicht einen konstanten Wassergehalt des Körpers.

  • Zufuhr (2,5 L/Tag)
    • Über Getränke: 1,4 L
    • Über Nahrung: 900 mL
    • Oxidationswasser: 300 mL
  • Ausscheidung (2,5 L/Tag)
    • Über den Harn: 1,5 L
    • Über die Atmung und die Haut: Pro Tag rund 10 mL/kgKG
    • Über den Stuhl: 200 mL

Regulation des Wasserhaushaltes

Der Wasserbedarf des Körpers wird über spezielle Rezeptoren, sog. Pressorezeptoren, Volumenrezeptoren und Osmorezeptoren, wahrgenommen und über das Durstgefühl und die Ausscheidung von Wasser durch die Niere reguliert. Eine elementare Rolle spielen hierbei eine Reihe von Hormonen, die als Reaktion auf die Wahrnehmung der Rezeptoren ausgeschüttet werden und u.a. Einfluss auf die Wasserausscheidung und -rückresorption in der Niere haben.

Osmorezeptoren

Über Osmorezeptoren im Pfortadersystem und Hypothalamus wird die Osmolarität der Extrazellularflüssigkeit detektiert.

  • Wassermangel → Plasmatische Hyperosmolarität → ADH-Sekretion und Durstgefühl↑
  • Wasserüberschuss → Plasmatische Hypoosmolarität → ADH-Sekretion und Durstgefühl↓

Regulation des Durstgefühls

Durstgefühl entsteht ab einem Wasserverlust von etwa 0,5% des Körpergewichts. Je nachdem, ob sich der Flüssigkeitsgehalt intrazellulär verringert oder ein Volumenmangel im Extrazellulärraum besteht , unterscheidet man zwischen osmotischem und hypovolämischem Durst.

Atriales natriuretisches Peptid (ANP)

Störungen des Wasserhaushalts

Störung Ursache Volumen Osmolalität oder Osmolarität Hämatokrit Natriumkonzentration im Serum Proteinkonzentration im Serum Gegenregulationsmechanismen
EZR IZR EZR IZR

Dehydratation

(= Wassermangel)

Hypertone Dehydratation
  • Wasserverlust stärker als Natriumverlust (z.B. bei Fieber, Schwitzen)
↑/(‑)
  • Na+-, Cl-- und Wasserrückresorption Niere
  • Durstgefühl↑
Hypotone Dehydratation
  • Natriumverlust stärker als Wasserverlust (z.B. bei Durchfall, Erbrechen)
Isotone Dehydratation
  • Verlust von Natrium und Wasser in gleichem Verhältnis (z.B. bei Blutungen, Peritonitis)

Hyperhydratation

(= Wasserüberschuss)

Hypertone Hyperhydratation
  • Natriumzufuhr stärker als Wasserzufuhr (z.B. bei Trinken von Meerwasser)
Hypotone Hyperhydratation
  • Wasserzufuhr stärker als Natriumzufuhr (z.B. bei Trinken von destilliertem Wasser)
↓/(–)
  • Ausscheidung hypotoner Harn
  • Durstgefühl↓
Isotone Hyperhydratation
  • Zufuhr von Natrium und Wasser in gleichem Verhältnis (z.B. bei übermäßigem Trinken von isotonischen Getränken)
  • Ausscheidung isotoner Harn
  • Durstgefühl↓

Dehydratation
Die Dehydratation ist ein klinischer Zustand, der häufig v.a. bei alten Menschen behandelt werden muss. Typische klinische Zeichen sind ein erniedrigtes Körpergewicht, ein erniedrigter Blutdruck, eine verringerte Urinmenge und ein erhöhter Hämatokrit in der Laboruntersuchung. Therapeutisch wird eine Dehydratation häufig mit einer kristalloiden Infusionslösung wie z.B. NaCl 0,9%-Lösung (siehe → Volumenersatztherapie) behandelt!

Wasser für Injektionszwecke
Beim Wasser für Injektionszwecke (Aqua ad iniectabilia) handelt es sich um hypotones, steriles Wasser, das nur für die Zubereitung, Auflösung sowie Verdünnung von Arzneimitteln verwendet werden darf! Es darf nicht ohne darin gelöste Arzeimittel injiziiert werden, da es aufgrund seiner hypotonen Eigenschaften sonst zu Zell- und Gewebeschwellungen führt.

Parenterale Ernährung
Elektrolytlösungen werden klinisch genutzt, um den Mineralienhaushalt des Körpers auszugleichen. Glucoselösungen hingegen dienen klinisch der parenteralen Energiezufuhr im Rahmen einer künstlichen Ernährung und enthalten keine Elektrolyte! Glucose überwindet jedoch leicht die Zellmembranen und ist dort osmotisch aktiv, weshalb sich das Intrazellulärvolumen schnell erhöhen kann. Es sollte daher bei der therapeutischen Anwendung bedacht werden, dass durch den hypotonen Charakter der Glucoselösung z.B. die Gefahr eines Lungenödems besteht!

Osmotische Myelinolyse
Bei zu schneller Korrektur einer Hyponatriämie mittels Substitution von Natrium kann es aufgrund der dann erhöhten intravasalen Osmolarität zum Austritt von Wasser aus den Myelinscheiden mit konsekutiver Zerstörung der Myelinscheiden kommen (sog. „osmotische Myelinolyse“). Davon ist meist die zentrale Region des Pons betroffen (daher auch „zentrale pontine Myelinolyse“ genannt). Um dem entgegenzuwirken, muss Natrium langsam und unter ständiger Serumnatrium-Kontrolle substituiert werden.

Natrium

Natrium (Na+) ist maßgeblich an der Regulation des Wasseraustausches zwischen Intra- und Extrazellulärraum beteiligt. Weiterhin ist der Natriumgradient zwischen Intra- und Extrazellulärraum Voraussetzung für die Entstehung von Aktionspotentialen und dient als Triebkraft für sekundär aktive Prozesse. Der Mensch nimmt Natrium v.a. über die Nahrung auf.

Für Verschiebungen des Natriumhaushalts siehe: Elektrolytstörungen Natrium.

Verteilung im Körper

  • Gesamtgehalt: 70–100 g (55–60 mmol/kgKG)
    • Extrazellulär (Serumkonzentration): ca. 135–145 mmol/L (95 %)
    • Intrazellulär: ca. 10–15 mmol/L (5 %)
  • Aufrechterhaltung der Natriumverteilung: Über die Na+-K+-ATPase

Zufuhr und Ausscheidung

Natrium befindet sich als Bestandteil von Kochsalz in fast allen Lebensmitteln. Käse, Fleisch, Meeresfrüchte und Brot haben einen besonders hohen Natriumgehalt.

  • Durchschnittliche Kochsalzzufuhr: ca. 5–15 g/Tag
  • Durchschnittliche Na+-Ausscheidung: ca. 3 g/Tag
    • 95% werden über die Niere ausgeschieden
    • 5% werden über den Schweiß und Stuhl ausgeschieden

Regulation

Die Regulation der Natriumkonzentration erfolgt über das RAAS und ANP.

Funktion

  • Regulation des Wasseraustauschs zwischen IZR und EZR
  • Natriumgradient
    • Voraussetzung für die Entstehung von Aktionspotentialen
    • Triebkraft für sekundär aktive Prozesse

Arterielle Hypertonie
Eine hohe tägliche Kochsalzzufuhr erhöht das Risiko für eine essentielle (primäre) Hypertonie und kardiovaskuläre Erkrankungen. Der zugrunde liegende Pathomechanismus wird derzeit noch diskutiert. Sicherlich spielt die genetische Komponente eine Rolle, da bei salzsensitiver Hypertonie eine familiäre Häufung beobachtet werden konnte und schwarze Menschen häufiger eine salzsensitive Hypertonie aufweisen. Zu den weiteren Risikofaktoren einer primären arteriellen Hypertonie zählen Rauchen, ein hohes Lebensalter, Adipositas sowie ein hoher Alkohol- und Kaffeekonsum.

Natriumentgleisungen
Pathologische Serumnatriumkonzentrationen beruhen meist auf einer Veränderung des Wasserhaushaltes und sind somit Resultat einer Konzentrierung oder Verdünnung. Seltener liegen tatsächliche Natriumverluste (Diuretika, Diarrhö, Erbrechen) oder Natriumbelastungen (vermehrte Zufuhr) zugrunde. Hypo- und Hypernatriämien können zu diversen neurologischen Symptomen führen. So steigen zumeist die Muskeleigenreflexe an und es drohen Krampfanfälle aufgrund einer erniedrigten Krampfschwelle.

Kalium

Kalium (K+) ist das osmotisch wichtigste Kation des Intrazellulärraums. Es ist maßgeblich an der Ausbildung von Aktionspotentialen und zudem an der Regulation des pH-Wertes beteiligt.

Für Verschiebungen des Kaliumhaushaltes siehe: Elektrolytstörungen Kalium.

Verteilung im Körper

  • Gesamtgehalt: 140 g (40–50 mmol/kgKG)
    • Extrazellulär(Serumkonzentration): ca. 3,5–5 mmol/L (2%)
    • Intrazellulär: ca. 140–160 mmol/L (98%)
  • Aufrechterhaltung der Kaliumverteilung: Über die Na+-K+-ATPase

Zufuhr und Ausscheidung

Kalium wird über die Nahrung aufgenommen und kommt v.a. in Orangen, Bananen, Aprikosen, Feigen, Fleisch und Kartoffeln vor.

  • Durchschnittliche Zufuhr: 2–6 g/Tag (50–150 mmol)
  • Durchschnittliche Ausscheidung: ca. 25 mmol/Tag werden über Schweiß, Stuhl und Urin ausgeschieden
    • ca. 10% werden enteral ausgeschieden
    • ca. 90% werden renal ausgeschieden

Regulation

Die Kaliumkonzentration wird über das RAAS reguliert. Hierbei wirkt Aldosteron indirekt über die Na+-Resorption auf die Kaliumverteilung ein.

Funktion

Herzrhythmusstörungen
Eine zu niedrige (= Hypokaliämie) und eine zu hohe (= Hyperkaliämie) Konzentration von Kalium im Serum erhöhen das Risiko für lebensbedrohliche Herzrhythmusstörungen. Eine Hypokaliämie kann z.B. bei einer starken Durchfallerkrankung, heftigem Erbrechen oder einer unkontrollierten, starken Insulintherapie (temporäre Kaliumverschiebung nach intrazellulär) auftreten. Eine Hyperkaliämie wird bspw. durch chronisches Nierenversagen, erhöhte Kaliumfreisetzung aus Körperzellen (Traumata, Hämolyse) oder Insulinmangel ausgelöst. Je nach Schweregrad können leichtes Herzstolpern oder Herzrasen bis hin zum Herzinfarkt mit kardiogenem Schock die Folge sein.

Calcium

Calcium (Ca2+) ist mit einem Körperbestand von ca. 1 kg der mengenmäßig am stärksten vertretene Mineralstoff des menschlichen Organismus. Es liegt jedoch zu 99% als Calciumphosphat gebunden im Knochen vor.

Für Verschiebungen des Calciumhaushalts siehe: Elektrolytstörungen Calcium.

Verteilung im Körper

  • Gesamtgehalt: ca. 1 kg
    • Extrazellulär (Serumkonzentration): Gesamt-Calcium ca. 2,20–2,65 mmol/L
      • Hypokalzämie = Serumkonzentration Gesamtcalcium <2,20 mmol/L bzw. ionisiertes Calcium <1,15 mmol/L
      • Hyperkalzämie = Serumkonzentration Gesamtcalcium >2,65 mmol/L bzw. ionisiertes Calcium >1,35 mmol/L
      • Ca. 1,15–1,35 mmol/L davon sind ionisiertes, ungebundenes und folglich biologisch aktives Calcium
      • Das restliche Calcium ist gebundenes und folglich biologisch inaktives Calcium
    • Intrazellulär: Ionisiertes Calcium: ca. 0,0001 mmol/L

Zufuhr und Ausscheidung

Calcium wird über die Nahrung aufgenommen und kommt v.a. in Milch und Milchprodukten, Käse und grünem Gemüse vor. Die Ca2+-Ionen gelangen über einen Ionenkanal ins Zytosol der Enterozyten.

  • Durchschnittliche Zufuhr: 0,8–1,2 g/Tag
  • Durchschnittliche Ausscheidung
    • ⅔ des oral aufgenommenen Calciums werden nicht resorbiert, sondern mit dem Stuhl ausgeschieden
    • 1% des glomerulär frei filtrierten Calciums wird mit dem Harn ausgeschieden

Regulation

Die Regulation des Calciumhaushalts unterliegt einem komplexen Mechanismus und wird durch Parathormon, Calcitriol und Calcitonin reguliert. Für genaueres dazu siehe Nebenschilddrüsen.

Funktion

Azidose/Alkalose
Calcium konkurriert mit Protonen um die Proteinbindungsstellen. Bei einer Azidose mit einer pH-Erniedrigung (Protonen↑) des Blutes gibt es mehr freies Calcium. Klinisch ist eine Hyperkalzämie sehr variabel (z.B. Herzrhythmusstörungen, Muskelschwäche, Obstipation, Paresen) bis asymptomatisch. Bei einer Alkalose (z.B. bei einer respiratorischen Alkalose durch Hyperventilation im Rahmen einer Panikattacke) mit einer pH-Erhöhung (Protonen↓) des Blutes gibt es weniger freies Calcium. Klinisch kann es zu Kribbelparästhesien, Tetanien und Herzrhythmusstörungen kommen. Man bezeichnet diesen Zustand auch als Hyperventilationstetanie.

Phosphat

Phosphat (PO4) ist mit einem Körperbestand von ca. 700 g der mengenmäßig am zweithäufigsten vorkommende Mineralstoff des menschlichen Organismus (nach Calcium). Es liegt zusammen mit Calcium zu 85% als Calciumphosphat gebunden im Knochen vor.

Verteilung im Körper

  • Gesamtgehalt: ca. 700 g
    • Extrazellulär (Serumkonzentration): ca. 0,84–1,45 mmol/L (1%)
      • Hypophosphatämie = Serumkonzentration <0,84 mmol/L
      • Hyperphosphatämie = Serumkonzentration >1,45 mmol/L
    • Intrazellulär: 14%

Zufuhr und Ausscheidung

Phosphat wird über die Nahrung aufgenommen und kommt v.a. in Fisch, Fleisch, Nüssen, Kernen, Käse und Schokolade vor.

  • Durchschnittliche Zufuhr: 0,7–1,3 g/Tag
  • Durchschnittliche Ausscheidung
    • ⅔ des oral aufgenommenen Phosphats werden nicht resorbiert, sondern mit dem Stuhl ausgeschieden
    • Je nach Serumkonzentration werden 5–20% des glomerulär frei filtrierten Phosphats ausgeschieden

Regulation

Die Regulation des Phosphathaushaltes unterliegt einem komplexen Mechanismus und wird durch Parathormon, Calcitriol und Calcitonin gesteuert. Für genaueres dazu siehe Nebenschilddrüsen.

Funktion

Hyperphosphatämie
Ab einer dauerhaft erhöhten Phosphat-Konzentration im Serum von >2 mmol/L ist der Körper nicht mehr in der Lage, das überschüssige Phosphat über den Darm und die Niere auszuscheiden. Klinisch kommt es zu einer Überfunktion der Nebenschilddrüse durch vermehrte PTH-Stimulation, zu vermehrtem Knochenum- bzw. abbau und der Ablagerung von Calciumphosphatkristallen in den Weichteilgeweben. Dadurch sinkt der Ca2+-Serumspiegel!

Magnesium

Magnesium (Mg2+) ist mit einem Körperbestand von ca. 24 g der mengenmäßig am geringsten vertretene Mineralstoff des menschlichen Organismus und liegt zu 65% gebunden im Knochen vor.

Verteilung im Körper

  • Gesamtgehalt: ca. 20 g (ca. 16 mmol/kgKG)
    • Extrazellulär (Serumkonzentration): ca. 0,73–1,06 mmol/L (1%)
    • Intrazellulär: ca. 15 mmol/L (34%)

Zufuhr und Ausscheidung

Magnesium wird über die Nahrung aufgenommen und kommt v.a. in Kernen, Nüssen, Kakao, Obst und Gemüse vor.

  • Durchschnittliche Zufuhr: 0,3–0,35 g/Tag
  • Durchschnittliche Ausscheidung
    • ⅔ des oral aufgenommenen Magnesiums werden nicht resorbiert und mit dem Stuhl ausgeschieden
    • 30% des filtrierten Magnesiums werden ausgeschieden

Regulation

Der Magnesiumhaushalt ist eng mit der Resorptionsleistung von Darm und Niere verknüpft.

Funktion

Muskelkrämpfe („Tetanie“)
Magnesium ist ein physiologischer Calciumantagonist, der die intrazelluläre Ansammlung von Calcium verhindert. Bei einer Hypomagnesiämie kann es entsprechend durch Umverteilung von Calcium in die Zellen zu einer Hypokalzämie kommen. Sowohl durch die Hypokalzämie als auch durch die ursächliche Hypomagnesiämie an sich kommt es zu einer gesteigerten Erregbarkeit von Muskelzellen mit dem klinischen Bild von Muskelkrämpfen.

Wiederholungsfragen zum Kapitel Wasser- und Elektrolythaushalt

Wasserhaushalt

Wodurch wird die Ausschüttung von ANP (atriales natriuretisches Peptid) stimuliert und wie genau entfaltet es seine Wirkung?

Welche Formen der Dehydratation gibt es, wodurch sind sie gekennzeichnet und wie können sie entstehen?

Was ist eine hypotone Hyperhydratation und wie entsteht sie?

Natrium

Wie hoch ist die extrazelluläre Serumkonzentration von Natrium normalerweise und für welche Funktionen ist dies wichtig?

Kalium

Wodurch kann eine Hyperkaliämie entstehen?

Calcium

Wie gelangt Calcium aus dem Darmlumen in den Enterozyten?

Welchen Einfluss hat die Atmung auf die Serumkonzentration von Calcium? Welche Symptome würde man deshalb bei starker Hyperventilation erwarten?

Magnesium

Wie hoch ist die Konzentration von Mg2+-Ionen extra- und intrazellulär und welchen prozentualen Anteil hat sie jeweils am Gesamtgehalt?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.