Die Nieren sind aus ca. einer Million mikroskopisch kleiner Funktionseinheiten, den Nephronen, zusammengesetzt. In den Nephronen entsteht zunächst durch Filtration der Primärharn. Durch nachfolgende Transportprozesse wie Reabsorption (Rücktransport von Stoffen ins Blut) und Sekretion (schneller Transport von Stoffen aus dem Blut in die Nierenkanälchen) entsteht der Sekundärharn, der als Urin ausgeschieden wird.

Schematische Darstellung der Urinbildung durch das Nephron

Glomerulus = Knäuel aus Blutkapillaren;

Bowmansche Kapsel = becherförmige Struktur um den Glomerulus

1.1

Im Nephron wird das Blut aus dem Glomerulus in die Bowmansche Kapsel gepresst, wodurch täglich 180 L Primärharn entstehen. Der Porenradius des glomerulären Filterapparates beträgt maximal 4,5 nm.

Blutbestandteil	Durchmesser	Blutbestandteil	Durchmesser
Wasser	nm	Glucose	nm
-Ion	nm	Erythrozyten	µm
-Ion	nm	Lymphozyten	- µm
Harnstoff	nm	Hämoglobin	nm

Ausgewählte Blutbestandteile und ihr Durchmesser (1 μm= 1000 nm)

Gib die qualitative Zusammensetzung des Primärharns an.

Begründe anhand von zwei Bestandteilen des Primärharns die Notwendigkeit ihrer Reabsorption.

3 BE

1.2

Durch die Membran von Zellen der Nierenkanälchen wird ein Großteil der Bestandteile des Primärharns reabsorbiert. Dabei entsteht pro Tag ca. 1,5 bis 2 L konzentrierter Sekundärharn.

Schematische Darstellung eines Ausschnittes aus der Biomembran

Benenne vier der mit a – f gekennzeichneten Bestandteile.

Erläutere anhand von drei Membranbestandteilen die Funktionen der Biomembran.

5 BE

1.3

Die Glucose-Konzentration des Primärharns entspricht der des Blutes.

Vergleiche den passiven und aktiven Transport an Biomembranen anhand von drei Kriterien.

Leite den Transportprozess ab, der für die Reabsorption von Glucose aus dem Primärharn ins Blut verantwortlich ist.

5 BE

1.4

Personen mit unbehandeltem Diabetes mellitus weisen eine erhöhte Glucose-Konzentration im Blut auf.

Glucose-Transport am Glomerulus und am Nierenkanälchen

Begründe unter Einbezug des Diagramms das Vorhandensein einer erhöhten Glucose-Konzentration im Urin bei Personen mit unbehandeltem Diabetes mellitus.

6 BE

Harnwegsinfektionen gehören vor allem bei Frauen zu den häufigsten bakteriell verursachten Infektionen, wobei das Darmbakterium Escherichia coli für ca. 90 % dieser Infektionen verantwortlich ist. Zur Behandlung kommen verschiedene Antibiotika zum Einsatz.

Antibiotikum	Wirkung auf Bakterien
Fluorchinolone	Hemmung bakterieller Topoisomerasen, die zu Beginn der Replikation die bakterielle DNA entspiralisieren
Cephalosporine	Hemmung bakterieller Transpeptidasen, die bakterielle Zellwandbestandteile quervernetzen
Trimethoprim	Hemmung bakterieller Dihydrofolat-Reduktasen, die zur Herstellung von Folsäure und damit auch von organischen DNA-Basen benötigt werden

Begründe die Wirksamkeit von zwei der genannten Antibiotika bei der Behandlung von Harnwegsinfekten.

Bei einer akuten oder chronischen Niereninsuffizienz (Nierenfunktionsstörung) ist u. a. die Ausscheidung von Kalium-Ionen über den Urin vermindert. Infolgedessen kann es zu einer Hyperkaliämie kommen, die auch die Nervenzellen betrifft. Tritt eine schwere Hyperkaliämie auf, verschiebt sich das Ruhepotential gegen 0 mV.

3.1

Beschreibe das Zustandekommen und die Aufrechterhaltung eines Ruhepotenzials bei einer gesunden Person.

4 BE

3.2

Leite aus dem veränderten Ruhepotenzial bei einer schweren Hyperkaliämie eine mögliche Folge für die Erregbarkeit von Nervenzellen ab.

4 BE

Die polyzystische Nierenerkrankung (PKD) ist eine relativ seltene, genetisch bedingte Erkrankung, bei der es zur Bildung von flüssigkeitsgefüllten Zysten überall in der Niere kommt. Langfristige Folge ist eine Niereninsuffizienz und schließlich ein chronisches Nierenversagen.

Stammbaum einer von PKD betroffenen Familie

Begründe den zugrunde liegenden Erbgang.

Gib die Genotypen der Personen 1, 2, 6 und 14 an.

Die Niere ist dafür verantwortlich, überschüssige Harnsäure über den Urin auszuscheiden. Wird jedoch zu wenig Harnsäure entfernt, steigt ihr Spiegel im Blut an. In der Folge können sich Harnsäurekristalle bilden, die sich in den Gelenken ablagern und starke Entzündungsreaktionen auslösen. Dies bezeichnet man als Gichtanfall. Allopurinol ist das am häufigsten eingesetzte Medikament gegen Gicht. Zwischen Allopurinol, Xanthin und Hypoxanthin besteht eine starke strukturelle Ähnlichkeit.

Vereinfachte schematische Darstellung der Harnsäurebildung

Erläutere den Wirkmechanismus von Allopurinol zur Verhinderung von Gichtanfällen.

Angeben:

• Wasser, Na⁺- und Cl⁻ -Ionen, Harnstoff, Glucose

Begründen, z. B.:

• Glucose zur Energiegewinnung

• Wasser zum Stofftransport

Benennen:

• a – Glykoprotein, b – Kohlenhydratkette / Glykolipid, c – Phospholipiddoppelschicht, d – Kanalprotein, e – peripheres Protein, f – integrales Protein/Transmembranprotein

Erläutern, z. B.:

• Proteine zum Transport geladener Teilchen oder größerer Moleküle

• Phospholipiddoppelschicht zur Abgrenzung von Kompartimenten

• Glykoproteine und Glykolipide zur Zellerkennung

Vergleichen, z. B.:

• Konzentrationsgefälle: entlang / entgegen

• Energieaufwand: ohne / mit zusätzlichem Energieaufwand

• Transportproteine: ohne und mit / mit Transportproteinen

Ableiten:

• fehlender Konzentrationsgradient → aktiver Transport für Reabsorption von Glucose notwendig

Begründen:

• erhöhte Glucose-Konzentration im Blut → mehr Glucose im Primärharn infolge uneingeschränkter Filtration von Glucose (Bezug zum Diagramm; Filtration am Glomerulus)

• keine vollständige Reabsorption ab einer Konzentration von 10 mmol/L infolge ausgelasteter Transportproteine (Bezug zum Diagramm; Reabsorption im Nierenkanälchen)

  → Vorhandensein einer erhöhten Glucose-Konzentration im Urin

Begründen, z. B.:

• Fluorchinolone: Zusammenhang zwischen fehlender Entwirrung der DNA, gestörter Replikation und verhinderter Vermehrung

• Cephalosporine: Zusammenhang zwischen fehlender Quervernetzung, gestörter Zellwandsynthese, Absterben / Platzen der Bakterien als Reaktion auf osmotische Vorgänge

• Trimethoprim: Zusammenhang zwischen gehemmter Folsäuresynthese, fehlender organischer Basen für die DNA-Synthese und verhinderter Vermehrung

Beschreiben:

• Zusammenhang zwischen der Permeabilität der Nervenzellmembran für bestimmte Ionen, der Diffusion von Kalium-Ionen in den extrazellulären Bereich und der Ausbildung eines Potenzials von ca. - 70 mV

• Aufrechterhalten der Spannung durch das Wirken der Natrium-Kalium-Ionenpumpe

Ableiten, z. B.:

• Ruhepotenzial gegen 0 mV → verminderter elektrochemischer Gradient → sehr geringer / kein Na⁺-Ioneneinstrom → kein Aktionspotenzial / keine Erregbarkeit

Begründen:

autosomal-dominant

• betroffene Eltern (10, 11) mit nicht-betroffenen Kindern (13, 15)

• betroffener Vater (10) mit nicht-betroffener Tochter (13)

Angeben:

• 1 Aa; 2 aa; 6 Aa; 14 AA / Aa

Erläutern:

Allopurinol, Xanthin und Hypoxanthin als Strukturanaloga → Konkurrenz um das aktive Zentrum der Xanthinoxidase → bei hoher Konzentration von Allopurinol Hemmung des Enzyms Xanthinoxidase (kompetitive Hemmung) → keine / weniger Harnsäurebildung → keine Ablagerung von Harnsäurekristallen → kein Gichtanfall