Elektrolyte und Reizweiterleitung: Die Physiologie elektrischer Impulse im Körper

Elektrische Impulse sind essenziell für zahlreiche Körperfunktionen, von Herzschlag bis hin zur Nervenleitung. Dieser Artikel beleuchtet die physiologischen Grundlagen der Elektrolyt-vermittelten Reizweiterleitung, insbesondere im Kontext des Herzens, und diskutiert die Rolle von Elektrolyten für die Gesundheit.

Die elektrische Erregung des Herzens

Das Herz schlägt jeden Tag etwa hunderttausend Mal, angetrieben von elektrischen Impulsen, die ihren Ursprung im Herzen selbst haben.

Der Sinusknoten - Der Taktgeber

Der Ausgangspunkt für diesen Strom liegt im Herzen selbst. Auch die nötigen Verbindungen, um die Energie zu übertragen, verlaufen durch die Herzmuskulatur. Der Taktgeber des Herzens ist der sogenannte Sinusknoten. Er besteht aus einer hochspezialisierten Zellansammlung im rechten Vorhof des Herzens. Diese Zellen können elektrischen Strom und damit einen Impuls generieren. Bei einem gesunden Menschen passiert das etwa 60- oder 70-mal in der Minute - entsprechend einer normalen Herzfrequenz. Man spricht auch vom Sinusrhythmus.

Der AV-Knoten - Die Schaltzentrale

Vom Sinusknoten wird der elektrische Strom zum AV-Knoten geleitet, von wo er an die Herzkammern übertragen wird. Der AV-Knoten funktioniert wie ein Sicherungskasten. Er verzögert die Weiterleitung der elektrischen Erregung, sodass sich erst die Vorhöfe und dann die Herzkammern zusammenziehen. Außerdem sorgt der AV-Knoten dafür, dass beispielsweise bei Fehlleitungen nicht zu viele Impulse weitergeleitet werden.

Die Rolle der Mineralien

Drei Mineralien steuern das Erregungsleitungssystem des Herzens: Kalium, Natrium und Calcium. Ihr Austausch sorgt dafür, dass eine Muskelzelle zum Beispiel innen negativ und außen positiv geladen ist. Durch diesen Unterschied der Ladungen im Zelleninneren und -äußeren entsteht die notwendige elektrische Spannung.

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Die Auswirkung des elektrischen Stroms

Es gibt viele verschiedene Zelltypen im Herzen. Die größten und häufigsten sind die Herzmuskelzellen. Werden sie durch den vorbeifließenden Strom erregt, können sie sich zusammenziehen. Das führt dazu, dass sich das Herz auswringt wie ein Schwamm.

Störungen des Erregungsleitungssystems

Wenn Teile des Herzmuskels abgestorben oder verändert sind - weil beispielsweise durch einen Herzinfarkt Vernarbungen entstanden sind - funktionieren die Herzmuskelzellen an diesen Stellen nicht mehr. Dann kann der elektrische Strom nicht mehr die normale Bewegung des Herzmuskels erzeugen, und die Patientinnen oder Patienten können Herzrhythmusstörungen entwickeln. Die gefährlichste Herzrhythmusstörung ist das Kammerflimmern. Unbehandelt führt es innerhalb von Minuten zum Tod.

Vorhofflimmern

Beim Vorhofflimmern verhindern „Störfeuer“ aus den großen Blutadern, die von den Lungen zum Herzen führen (Pulmonalvenen), einen normalen Sinusrhythmus. Dann kommt es in den Vorhöfen zu einer chaotischen Aktivierung von Herzströmen, die Vorhofwände beginnen zu flimmern. Verschlimmert wird das Vorhofflimmern, wenn zusätzlich noch das Herz geschwächt ist, weil die Vorhöfe dann häufig verändert, zum Beispiel vergrößert sind.

Die Bedeutung von Elektrolyten für die Reizweiterleitung

Elektrolyte sind essenziell für die Aufrechterhaltung des Membranpotenzials und die Weiterleitung elektrischer Signale in Nerven- und Muskelzellen. Sie ermöglichen die Erregungsleitung und somit lebenswichtige Funktionen wie Muskelkontraktion, Nervenimpulse und Herzschlag.

Was sind Elektrolyte?

Echte Elektrolyte beschreiben Stoffe, die im festen Zustand aus Ionenkristallen bestehen. In Lösung leiten sie den Strom. Ein Beispiel dafür ist das Kochsalz, Natriumchlorid. Ist es in Wasser gelöst, liegen die beiden leitenden Stoffe Natrium und Chlorid vor. Das Gegenteil von echten Elektrolyten sind potentielle Elektrolyte, die erst nach Reaktion mit dem Lösungsmittel, zum Beispiel Wasser, entstehen. Unter den Begriff der Elektrolyte fallen alle positiv und negativ geladenen gelösten Teilchen. Die wichtigsten sind im Menschen das Natrium (engl. sodium), Kalium (engl. potassium) und Calcium.

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Die Rolle der Natrium-Kalium-Pumpe

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Protein in der Zellmembran, das Natrium-Ionen (Na⁺) aus der Zelle hinaus und Kalium-Ionen (K⁺) in die Zelle hinein transportiert. Die Pumpe betreibt einen primär aktiven Transport, bei dem sie Teilchen vom Ort niedriger zum Ort höherer Konzentration transportiert. Dieser Vorgang benötigt Energie, wofür die Pumpe jedes Mal ein Adenosintriphosphat (ATP) abspaltet. In der Zelle werden von der Pumpe drei positive Ladungen entfernt und nur zwei positive Ladungen wieder hinzugefügt. Bei jedem Transport nimmt die Gesamtladung innerhalb der Zelle also um eins ab. Würde die Natrium-Kalium-Pumpe ausfallen, wäre die Zelle für immer kaputt.

Einzelne Elektrolyte und ihre Funktionen

• Natrium (Na⁺): Na⁺ steuert Wasserhaushalt, Blutdruck sowie Nerven- und Muskelimpulse. Na⁺ hält den osmotischen Druck, verteilt Wasser zwischen intra-/extrazellulären Räumen, stabilisiert den Blutdruck und ermöglicht die Reizweiterleitung. Zusammen mit Kalium bildet es das Gegenspieler-Paar der Na⁺/K⁺-Pumpe. Als Ladungsträger ermöglicht Na⁺ die Generierung und Weiterleitung elektrischer Impulse.
• Kalium (K⁺): Kalium ist wichtig für die normale Funktion der Muskeln und Nerven. Kalium trägt zu einer normalen Funktion des Nervensystems bei, trägt zu einer normalen Muskelfunktion bei und trägt zur Aufrechterhaltung eines normalen Blutdrucks bei. Kalium ist von ganz entscheidender Bedeutung bei der Weiterleitung von Nerven- und Muskelreizen. Es ist mitverantwortlich für die Funktion von Herz und Muskeln. Zusammen mit Natrium und Chlorid ist es ein wichtiger Bestandteil des Elektrolyt-Haushalts und spielt eine Rolle bei der Regulierung des Säuren-Basen-Haushalts. Als Nebenbestandteil von Enzymen wirkt es auch bei der Bildung von Eiweißen und der Kohlenhydratreserve "Glykogen" mit. Damit trägt es zum Wachstum der Zellen bei.
• Calcium (Ca2+): Massenmäßig ist Calcium (Ca2+) mit etwa einem Kilogramm am stärksten vertreten. Es liegt jedoch zu 99 Prozent als Calciumphosphat im Knochen vor. Im Stoffwechsel dient Calcium als intrazellulärer Second Messenger in Signaltransduktionskaskaden und überträgt Informationen an chemischen Synapsen.

Elektrolyte und die Reizweiterleitung im Nervensystem

Die Reizweiterleitung im Nervensystem ist ein komplexer Vorgang, bei dem elektrische sowie chemische Potenziale angewandt werden - und das im Bruchteil einer Sekunde. Denn nur so können wir schnell reagieren, beispielsweise im Straßenverkehr, wenn wir einem Auto ausweichen müssen. Im Falle eines elektrischen Impulses, der durch einen Reiz ausgelöst wurde, öffnen sich unter anderem die Natrium-Kanäle der Zellmembran und Natriumionen strömen vermehrt ins Zellinnere. Dies bedeutet, dass abschnittsweise die Ladung an der Innen- und Außenseite des Neurons umgekehrt wird. Durch diese lokale Ladungsänderung wird der elektrische Impuls entlang des Axons bis zum Ende weitertransportiert.

Störungen des Elektrolythaushaltes

Veränderungen des Kaliumhaushalts gehören zu den häufigsten Elek­trolytstörungen, die als Nebenwirkung einer Arzneitherapie, aber auch durch andere Ursachen entstehen können. Liegen die Kaliumspiegel unter 3,5 mmol/l, sprechen Ärzte von einer Hypokaliämie, bei Konzentrationen über 5,5 mmol/l von einer Hyperkali­ämie. In der Praxis sind Hypokali­ämien deutlich häufiger; sie gehören zu den häufigsten Elektrolytstörungen. Die Ursachen für Elektrolytstörungen sind vielfältig. So beeinflussen Medika­mente, aber auch angeborene Erkrankungen den Kaliumhaushalt.

Ursachen für Elektrolytstörungen

Zu diesen Erkrankungen gehört etwa der Morbus Addison, bei dem die Neben­nieren­rinde nicht nur zu wenig Cortisol, sondern auch zu wenig Aldosteron produ­ziert. Dadurch wird die Kalium­ausscheidung über die Niere eingeschränkt: Eine Hyperkaliämie entsteht. Auch eine Niereninsuffizienz behindert die Kaliumexkretion. Im Bereich der Zufuhr können Elektrolyt­störungen entstehen, wenn eine parenterale Ernährung nicht sachgemäß erfolgt und zu viel oder zu wenig Kalium enthält. Bei Mangel­ernährung, etwa bei chronischen Resorptions­störungen, Essstörungen (etwa Anorexia nervosa) oder chronischem Alkoholmissbrauch, nehmen die Betroffenen häufig nicht genügend Kali­um auf. Daneben können sich Störungen des Kaliumhaushalts auch durch Verschiebungen im Säure-Basen-Haushalt entwickeln. Bei einer Alkalose verteilt sich Kalium aus dem Extra- in den Intra­zellulärraum, während die Ionen bei einer Azidose den umgekehrten Weg nehmen. Ein zu niedriger Magnesiumspiegel im Blut (Hypomagnesi­ämie) beeinträchtigt die Funktion der Na-K-Pumpe und hemmt Kaliumka­näle. Kalium wird bei massiver Gewebeschädigung, etwa großflächigen Verbrennungen, ausgedehnten Traumata oder Rhabdomyolyse, aus dem Gewebe in das Serum freigesetzt. Gleiches passiert beim Untergang von Blutzellen. Bei Patienten mit unkontrolliertem Diabetes mellitus kann sich eine Hyperkaliämie infolge eines hyperglykämischen hyperosmolaren Syndroms entwickeln, wenn die erhöhten Blutzuckerspiegel die Osmolarität des Bluts ansteigen lassen. Dann tritt Wasser aus den Zellen in den Extrazellulärraum/Blut über und führt Kaliumionen mit sich (solvent drag).

Symptome von Elektrolytstörungen

Mögliche Störungen des Kaliumhaushalts beeinflussen die Muskulatur von Bewegungsapparat und inneren Organen sowie die Reizweiterleitung am Herzen und der peripheren Nerven. Bei geringfügigen Abweichungen von den Normwerten sind die Symptome eher unspezifisch und äußern sich etwa mit Muskelschwäche oder -krämpfen oder Parästhesien. Schwere Elektrolytentgleisungen, zum Beispiel bei Kaliumspiegeln unter 2,5 mmol/l und über 7,0 mmol/l, können dagegen die Funktion des Herzens beeinträchtigen: Sowohl Hypo- als auch Hyperkaliämien bergen daher das Risiko von Herzrhythmusstörungen, die typische Veränderungen im Elektrokardiogramm (EKG) auslösen. Bei Hypokaliämien treten vor allem ventrikuläre und supraventrikuläre Arrhythmien auf. Bei einer Hyperkaliämie kann es zu Kammerflimmern und Herzstillstand kommen. An der Skelettmuskulatur entwickeln sich bei starken Entgleisungen aufsteigende Lähmungen, die im Extremfall auch die Atemmuskulatur betreffen können. Schwere Hypokaliämien erhöhen das Risiko für eine Rhabdomyolyse und Lähmungen der glatten Muskulatur; diese äußern sich als Magenatonie, Ileus und Harnverhalt durch Lähmung der Blasenmuskulatur.

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Therapie von Elektrolytstörungen

Schwere Elektrolytentgleisungen müssen meist intensivmedizinisch behandelt werden. Bei schweren Hypokaliämien werden Kaliumsalze intravenös unter Monitorüberwachung substituiert. Dabei ist es wichtig, dass die Infusion nicht zu schnell erfolgt, weil sonst Kammerflimmern auftreten kann. Auch schwere Hyperkaliämien mit Kaliumspiegeln über 7,0 mmol/l sind ein Fall für die Intensivstation. Bei Herzrhythmusstörungen erhält der Patient in der Regel Calciumsalze intravenös, um dem depolarisierenden Effekt erhöhter Kaliumkonzentrationen entgegenzuwirken. Zusätzlich fördern Infusio­nen mit Glucose und Normal­insulin die Umverteilung der Kalium­salze in den intrazellulären Bereich. Auch Inhalativa mit betasympathomimetischer Wirkung werden dafür eingesetzt. Bei milden Hyperkaliämien reicht es meist, die Kaliumzufuhr über die Nahrung einzuschränken und alle Medikamente abzusetzen, die eine Hyperkaliämie fördern.

Medikamente und Elektrolythaushalt

Zahlreiche Arzneistoffe lassen den Kaliumspiegel im Blut sinken. Zu den wichtigsten Wirkstoffen gehören Schleifen- und Thiaziddiuretika, die die Ausscheidung von Kaliumionen über die Niere verstärken. Auch Hyperkaliämien können als Nebenwirkung von Arzneimitteln auftreten. ACE-Hemmer, AT1-Antagonisten und Aliskiren als Renin-Inhibitor reduzieren die Bildung von Angiotensin II. Dadurch sinkt auch die Produktion von Aldosteron, sodass die renale Ausscheidung von Kalium abnimmt. Eine wichtige Ursache für Hypo- und Hyperkaliämien sind Wechselwirkungen zwischen Arzneistoffen, die die Kaliumausscheidung beeinflussen.

Ernährung und Elektrolyte

Patienten, die Kalium-beeinflussende Arzneimittel bekommen, sollten den Einfluss der Nahrung kennen. Bei Arzneimitteln mit einem Risiko für Hypokaliämien rät der Apotheker am besten zu einer kaliumreichen Ernährung. Stellt der Arzt eine milde Hyperkaliämie fest, die nicht medikamentös behandelt werden muss, ist häufig eine kaliumarme Kost sinnvoll. Besonders reich an Kalium sind Obst (besonders Trockenfrüchte), viele Gemüsearten, Gemüse- und Obstsäfte, Hülsenfrüchte, Nüsse und Vollkorngetreide. Wichtig zu wissen: Kochsalzersatz, der gelegentlich für Bluthochdruck­patienten beworben wird, besteht in den meisten Fällen aus Kaliumsalzen. Der regelmäßige Verzehr größerer Mengen an Lakritze verstärkt die Ausscheidung von Kalium.

Worauf sollte ich bei der Verwendung von Kalium-Produkten achten?

Eine zu hohe Kalium-Zufuhr, also eine Überdosierung, kann sehr negative Folgen haben. Dazu gehören Schäden wie Darmverschluss, Herzrhythmusstörungen und Muskellähmungen. Laut Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) sollte deshalb nicht mehr als 500 Milligramm Kalium in einer Tagesdosis Nahrungsergänzungsmitteln enthalten sein. Höher dosierte bzw. Kalium(Mono)-Präparate sollten Sie nur nach ärztlicher Rücksprache verwenden. Wenn Sie Medikamente nehmen (egal ob verschreibungspflichtig oder nicht), sprechen Sie bitte mit Ihrem Arzt bevor Sie ein kaliumhaltiges Nahrungsergänzungsmittel verwenden, da gravierende Wechselwirkungen möglich sind.

Der Wasser-Elektrolyt-Haushalt

Etwa zwei Drittel des menschlichen Körpers bestehen aus Wasser, während Elektrolyte für die Funktionsfähigkeit der Organe und Zellen unabdingbar sind. Der Wasser-Elektrolyt-Haushalt hält das Gleichgewicht und die Verteilung aufrecht mit zahlreichen Mechanismen, wobei die Niere eine besondere Rolle einnimmt. Der Wasser-Elektrolyt-Haushalt beschreibt ein physiologisches System des Körpers, das die Wasseraufnahme und -abgabe reguliert. Die Konzentration der Elektrolyte hängt damit sehr eng zusammen, beide Anteile beeinflussen sich gegenseitig auf Grundlage physikalischer Vorgänge. Im Körper spielen verschiedene Elektrolyte eine wichtige Rolle, um das Wasser dort zu halten, wo es notwendig ist.

Flüssigkeitsräume im Körper

Im Körper unterscheidet man den Intrazellulärraum vom Extrazellulärraum, wobei zwei Drittel des Körperwassers intrazellulär vorliegen. Der Extrazellulärraum kann noch einmal in drei Abschnitte unterteilt werden: den Intravasalraum für die Flüssigkeit in den Gefäßen, den Transzellularraum in Hohlräumen, die mit Epithel oder Serosa ausgekleidet sind und den interstitiellen Raum zwischen den Zellen.

Regulation des Wasserhaushaltes

Der Körper hat zwei Mechanismen für die Regulation des Wasserhaushaltes. Osmorezeptoren vermitteln einen Aspekt der Regulation. Sie befinden sich im Pfortadersystem und im Hypothalamus und überwachen die Osmolarität (Konzentration der gelösten Stoffe) der Extrazellulärflüssigkeit. Herrscht Wassermangel (Hypoosmolarität) oder Wasserüberschuss (Hyperosmolarität), regulieren diese Rezeptoren die Freisetzung von dem antidiuretischen Hormon ADH aus dem Hypothalamus. Die zweite Möglichkeit ist die Volumenmessung, wofür Dehnungsrezeptoren zuständig sind. Sie befinden sich im rechten und linken Vorhof des Herzens, wo die Venen münden, und in der Vena portae. Ist zu viel Wasser im Körper, dehnen sich die Vorhöfe und aktivieren die Rezeptoren. Diese hemmen anschließend die Freisetzung des ADH und die Aktivierung der Niere durch den Sympathikus (Gauer-Henry-Reflex). Die Nieren haben die Aufgabe, den Harn aus dem Blut zu filtrieren. Dafür exisitert ein feines System, das unter anderem Wasser und Elektrolyte je nach Flüssigkeitszustand herausfiltert und auch wieder resorbiert. Verschiedene Hormone spielen in dieses System ein, welche unter dem Renin-Angiotensin-Aldosteron-System, kurz RAAS, zusammengefasst werden.

Störungen des Wasser-Elektrolyt-Haushaltes

Trotz der vielen Regulationsmechanismen kann es passieren, dass der Wasser-Elektrolyt-Haushalt aus dem Gleichgewicht kommt. Ein Wassermangel (Dehydratiation) entsteht beispielsweise durch Fieber und Schwitzen (hypertone Dehydratation), Durchfall und Erbrechen (hypotone Dehydratation) oder durch Blutungen (isotone Dehydratation). Das Trinken von Meerwasser, destilliertem Wasser oder von übermäßig vielen isotonischen Getränken verursacht eine Hyperhydratation (Wasserüberschuss). Die Ursache der Veränderungen des Natriums liegt bei beidem meist in einer Veränderung des Wasserhaushalts, die in einer Konzentrierung oder Verdünnung enden. Störungen des Kaliumhaushalts können tödlich enden, da sich die Kaliumkonzentration vor allem auf die Funktionsweise des Herzens auswirkt. Beide Zustände führen zu Herzrhythmusstörungen bis zum Kammerflimmern und teilweise bis zum Herzstillstand. Kommt im Körper zu viel oder wenig Calcium vor, führt das zu einer Tetanie mit gesteigerter neuromuskulärer Erregbarkeit. Auch Herzrhythmusstörungen und neurologische Störungen kommen vor.

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