VL Stoffwechsel, Bewegungs- und Leistungsphysiologie (Galler)

VL Stoffwechsel, Bewegungs-

und Leistungsphysiologie (Galler)

1) Zellen und Energie

2) Ernährung

3) Verdauung

4) Fette – Arteriosklerose

5) Atmung

6) Gastransport im Blut

7) Herz

8) Kreislauf

9) Niere

10) Hormone

Inhalt

© S. Galler, Salzburg

Arbeitsunterlagen im Blackboard/Course Documents zum Runterladen:

• Skriptum (PPT-Präsentation)

• Fragen zur Wiederholung

• Aufgaben zur Vertiefung

• Internet-Links zur Ergänzung

1) Zellen und Energie

Wie kommen Zellen zu ihrer Energie?

Die meisten zellulären Prozesse sind angetrieben

durch den Energieträger ATP (Adenosintriphosphat);Streng genommen handelt es sich um MgATP.

ATP entsteht durch

die „Verbrennung“ der Nährstoffe

Kohlenhydrate (Zucker), Fette und Eiweiß


3

2 Möglichkeiten der Nährstoffverbrennung

(ATP-Produktion):

• Aerober Weg (Endoxidation

mittels Sauerstoff)- Fette

- Proteine

- Kohlenhydrate

• Anaerober Weg (ohne

Sauerstoff, Gärung zu

Milchsäure)- Kohlenhydrate

Der Sauerstoff kommt über die

Blutbahn zu den

Zellen und wird über die Lunge

in den Körper

aufgenommen.2

(nur aerob) (aerob u. anaerob) (nur aerob)

© S. Galler, VU Stoffwechsel

Anaerober Stoffwechselweg: Glykolyse

A) Glukose-Bereitstellung:

• Aufnahme von Glukose aus dem Blut in die Zellen

erleichterte Diffusion (Carrier: GLUT1... GLUT4).

GLUT4-Einbau in die Zellmembranen

von Muskelzellen gesteuert

durch Insulin und Muskelaktivität

• Spaltung von Glykogen

insb. bei hoher Muskelleistung(Glykogen ist die Speicherform

von Glukose innerhalb der Zellen)


Auf dem Weg zum Pyruvat kommt es zu einer sog.

Substratphosphorylierung (direkte Phosphorylierung von ADP

durch die Ankopplung an eine spontane Reaktion mit großer Triebkraft):

Phosphoenolpyruvat (PEP) + ADP Pyruvat + ATP

B) Glukose-Abbau:

• Phosphorylierung

• Spaltung 2x 3-er-Zucker

• Abbau bis Pyruvat


• Pyruvat wird in Abwesenheit von Sauerstoff zu

Laktat umgewandelt (Milchsäuregärung,

anaerobe Glykolyse)

• Laktat wird aus den Zellen in die Blutbahn

transportiert

• Laktat wird in anderen Zellen weiter abgebaut,

die über genügend Sauerstoff verfügen (Herz,

langsame Skelettmuskelfasern) langsamer Prozess

Die Glykolyse ist eine sehr schnelle Reaktion.

Sie kann in kurzer Zeit sehr viel ATP bereitstellen.

Wegen der Laktat-Bildung (Hemmstoff) kann sie

aber nur kurzfristig eingesetzt werden.

Siehe Aufgabe 1-3© S. Galler, Salzburg

Aerober Stoffwechsel

Zitronensäurezyklus (in den Mitochondrien)

Endprodukte: NADH, CO2

• Acetyl-CoA,

entsteht aus Pyruvat + Coenzym A

oder aus Fettsäure-Abbau

(C2-Stücke, Acetylreste)

• Aminosäuren

Desaminierung führt zu Pyruvat

oder intermediären

Zitronensäurezyklus-Metaboliten

Ausgangsstoffe:

Siehe Aufgabe 4© S. Galler, Salzburg

Der Acetylrest des Acetyl-CoA

wird schrittweise zu CO2 abgebaut.

Produkte des Zitronensäurecyklus:

• GDP GTP (Phosphorylierung)

• NAD+(bzw. FAD) NADH (bzw. FADH2) (Reduktion).

Weiterverwertung der Produkte:

• Aus GTP kann ATP entstehen

• NADH und FADH2 sind Energieträger

(energiereiche Elektronen), die bei der

oxidativen Phosphorylierung

an der inneren Mitoch.membran

durch Sauerstoff oxidiert werden

ATP-Entstehung

Details


Oxidative Phosphorylierung(= Elektronentransportkette, Mitochondrienatmung)

• Schrittweise Oxidation von

NADH und FADH2 (Wasserstoff-, H-Träger, energiereiche Elektronen)

• Oxidation von H (Wasserstoff) letztlich durch O2 H2O

• Dabei wird H+ (Protonen) nach außen gepumpt

H+- Gradient an innerer Mitochondrienmembran

• Rückfluss von H+ treibt

ATP-bildendes Enzym an

(ADP + Pi ATP)


Energiehaushalt der Muskulatur

Muskelarbeit: Verwertung der ATP-Energie

Etwa 25-30% der ATP-Energie wird in

mechanische Energie umgewandelt (Wirkungsgrad);

der Rest geht als Wärme „verloren“.


2. Glykolyse (anaerobe Glukoseverbrennung zu

Laktat), schnell, geringe Ausbeute

3. Aerobe Fett- und Glukoseverbrennung, langsam,

hohe Ausbeute

Für die Regeneration von ATP gibt es mehrere

Möglichkeiten:

1. Rephosphorylierung durch Creatinphosphat (CP)

(ADP + CP ATP + Creatin; Kreatinkinase);

sehr schnell


Energiedepots im Körper:

• energiereiche Phosphate (etwa 5 mM ATP und 20 mM CP

in den Muskelzellen)

„ständig“ vorhanden; ausreichend für 6-15 s

Höchstleistung

• Kohlehydrate (v.a. Glykogen der Muskelzellen)

ausreichend für ca. 1,5 Stunden intensiver Leistung

• Fette (Hauptenergiespeicher) vor allem unter der

Haut gelagert

ausreichend für tagelange Ausdauerleistungen

geringer Intensität

Bei einem 75 kg schweren athletischen Mann stehen zur Verfügung:

4 kJ ATP, 15 kJ CP, 4600 kJ Glykogen, 300.000 kJ Fett


An

teil

der

En

erg

ied

ep

ots

(%

)

1. maximale Leistung: bis ca. 20 s;

ATP-Vorrat nach wenigen maximalen

Kontraktionen erschöpft (2-3 s), danach

Rephosphorylierung von ADP durch CP

2. Hohe Leistung: bis ca. 1 min;

anaerobe Glykolyse

(Lactatproduktion mit H+-Anhäufung!)

Prozesse laufen teilweise parallel ab:

- ATP-Spaltung (und CP-Verbrauch) selbstverständlich andauernd.

- Anaerobe Glykolyse auch während Ausdauerleistungen! Sie ist über die

Laktatkonzentration im Blut meßbar.

- Höhere Leistungsintensität erfordert mehr Glykolyseaktivität; daher

höhere Laktatwerte

Leistung und Energiebereitstellung

3. Grundumsatz bis mittlere Leistung:

ab 1 min; v.a. aerober Stoffwechsel,

Verwertung von Glukose, Glykogen und Fett


14

Fettabbau durch körperliche Leistung

Entscheidend ist eine negative Energiebilanz

(Bilanz = Differenz zwischen Energieaufnahme und -verbrauch)

Energieverbrauch > Energiezufuhr.

Körperliche Betätigung mit niedriger Intensität muss

einige Stunden pro Tag andauern, um

signifikant auf Energiebilanz und

Fettabbau zu wirken.

Beispiel:

Zügiges Spazierengehen: 8.4 kJ pro min zusätzlich zum Grundumsatz;

3std. Spaziergang 1505 kJ = 40 g Fett

Also für 1 kg Fettabbau: 25 mal 3 Stunden zügig Spazierengehen!© S. Galler, VU Stoffwechsel

Aus mehreren Gründen am besten geeignet ist

regelmäßiges Ausdauertraining (körperlich aktive

Personen sind gesünder).

Die Dauer der körperlichen Bewegung ist wichtig!

Die Art der Körperleistung ist sekundär: auch wenn

während der Körperleistung hauptsächlich Glykogen

verbrannt wird, kommt es DANACH zu Fettabbau,

um die Glykogenspeicher wieder aufzufüllen.


Grenzen der Ausdauerleistung

Die körperliche Ausdauer wird in erster Linie durch

die maximale O2-Aufnahme (VO2max) der

Muskulatur (maximales Transportvermögen von O2 aus der Luft

in die Muskulatur) bestimmt.

Die VO2max ist abhängig von

• der O2-Zufuhr durch die Atmung (geringfügig trainierbar),

• dem O2-Transport durch das Herz-Kreislaufsystem

(stark trainierbar, Herzvergrößerung, verbesserte Kapillarisierung

der Muskulatur),

• der O2-Verwertung in den Muskelzellen

(Zunahme des aeroben Stoffwechsels, Vermehrung der Mitochondrien).


Anforderungen an die Nahrung:

1) genügend Energie

2) ausreichend essentielle Stoffe (best. Aminosäuren,

best. Fettsäuren und Vitamine, Mineralstoffe, Spurenelemente, Wasser)

3) Toxische Grenzwerte dürfen nicht überschritten

werden (kritisch bei Vitaminen, Salzen, Spurenelementen)


Gesunde Ernährung:

• angepasste Energieaufnahme über Kohlenhydrate, Fette

und Proteine

• adäquate Zufuhr von essentiellen AS und Fettsäuren

2) Ernährung

Energiebedarf abhängig von:

• körperlicher Aktivität

• Alter (Greise haben langsameren Stoffwechsel)

• Körpergewicht

• Geschlecht

• Wachstumsphasen,

• Schwangerschaft

• Stillperiode (Produktion von Körpermasse)

Täglicher Energiebedarf eines

70 kg schweren Mannes: 8.400 KJ

Bei Frauen etwa 20% geringer,

weil Muskelmasse kleiner

und Fettanteil höher(Ausnahme Schwangerschaft und Stillperiode).

Grund-Energiebedarffür Aufrechterhaltung der Körperfunktionen in Ruhe:

© S. Galler, Salzburg(1 kcal = 4.18 kJ)

Körperliche Arbeit

zusätzlicher Energiebedarf:

Kein Lebensmittel enthält alle

Nährstoffe in der optimalen Menge

und Zusammensetzung (Ausnahme Muttermilch für Babys).

Daher ist abwechslungsreiche

Ernährung wichtig.

Das Essverhalten wird zusätzlich von

Stress, Rauchen oder Alkoholkonsum

beeinflusst.

• leichte Arbeit im Sitzen: 1.700 kJ

• Bergarbeiter: 10.500 kJ


In Wachstumsphasen erhöhter Energiebedarf!


Energie der Nahrung

Eiweißbedarf:

• 1 g/kg Körpergewicht und Tag

• Um Zufuhr an essentiellen

AS zu sichern, soll die Hälfte

davon tierisches Eiweiß sein (Fleisch, Fisch, Milch, Eier)

[Veganer brauchen umso mehr

pflanzliches Eiweiß]

Drei Grundnahrungsstoffe: Fette, Eiweiß, Kohlenhydrate


Physiologischer Haupt-Energielieferant:

Kohlenhydrate und Fette

• Fettanteil: ≤ 25% der Gesamtenergie empfehlenswert

• Kohlenhydrate können Fette ersetzen

Ausnahme: fettlösliche Vitamine und essentielle

(ungesättigte) Fettsäuren (zB Linolsäure).

• Fette tragen kaum zu Sättigungs- und Füllegefühlen bei.

Daher Gefahr der Übersättigung (Achtung, versteckte Fette!)


Versteckte Fette

Fettsucht (Adipositas)

• Risikofaktor für Herz-

Kreislauferkrankungen,

nur beim androiden Typ

• Nötige waist to hip ratio:[Taille] [Hüfte]

Frauen < 0.8

Männern < 1


Mineralstoffe:

• Na+, K+(jede Nahrung) [Blut, Zellinneres]

• Kalzium (0.8 g/Tag nötig) [Knochen, Zähne]

• Magnesium [z.B. für MgATP]

• Eisen (10 mg/Tag, bei

Frauen 15 mg/Tag) [Hämoglobin]

• Jod (0.15 mg/Tag) [Schilddrüsenhormon]

Spurenelemente (<50mg/kg)

Al, Br, Cr, Cu, Mn, Mo, Zn, Se

Vitamine: A, B1-12, C, D2-3,

E, H, K1-2, Folsäure,

Niacinamid, Pantothensäure

(meist als Koenzyme wirksam)

[Vit.C nur bei Primaten und Meerschweinchen essentiell] © S. Galler, Salzburg

Vitamin C ist nur bei Primaten und

Meerschweinchen ein essentieller Stoff. Andere

Tiere können Vitamin C selber herstellen.

Was ist beiden gemeinsam?


Die Zufuhr an Mineralstoffen

und Vitaminen ist ein

Problem der absoluten Größen!Vorsicht bei Verpackungsangaben!


1250 mg / 100 g 50 mg / 100 g

Absolute Größe ist wichtig:

Wieviel Gramm pro Kilogramm Körpergewicht

wird in den Körper aufgenommen?

Vitamin C = Askorbinsäure

Siehe Aufgabe 7 und 8

Aus: M. Steinschaden Medizinische Physiologie

Energiegehalt der Nahrungsstoffe(physikalischer und physiologischer Brennwert)

Werden die Nahrungsstoffe vollkommen abgebaut,

entspricht die dabei erzeugte Wärme ihrem

Energiegehalt (physikalischer Brennwert).

Fette und Kohlenhydrate werden im Organismus

vollkommen zu H2O und CO2 abgebaut. Deswegen wird

ihr gesamter Energiegehalt (Brennwert) ausgenützt.

d.h. physiologischer Brennwert = physikalischer Brennwert)

Fette: 38.9 kJ/g

Kohlenhydrate: 17.2 kJ/g

Eiweiß wird nur bis zur Stufe des Harnstoffs abgebaut.

Statt 23.9 kJ/g (physikalischer Brennwert) liefern sie

daher nur 17.2 kJ/g.© S. Galler, Salzburg


• Mund: Mechanische

Zerkleinerung, Vermischung

mit Speichel

• Magen: Zumischung von

Magensaft

• Zwölffingerdarm (Duodenum):

Zumischung von Galle und

Pankreassaft

Übersicht

Body:

Saliva (Schüttung der Speicheldrüsen)

Esophagus (Peristaltik der Speiseröhre)

Stomach (Speise tritt in den Magen)

Body view Übersicht Speise vom Mund in den Magen)

Head:

Liquid (Gaumensegel und Kehlkopfdeckel beim Schlucken)

Back (Schließen des Kehlkopfdeckels)

Head, Video 3 (Schlucken und Peristaltik in Röntgenaufnahme)


3) Verdauung siehe CD „swallowing“

Installation notwendig

weiterer Aufschluss der Nahrungsstoffe,

Absorption der Spaltprodukte, Vitamine

und Mineralstoffe. Eindickung des

Speisebreis durch Wasserentzug.

• Rektum des Dickdarms: Speichern der

Fäzes bis zur nächsten Darmentleerung

Im gesamten Verdauungstrakt gibt es

hochwirksame Abwehrsysteme, um den

Körper vor zerstörerischen Keimen

zu schützen.

• Leber: Bildung der Galle für die

Fettverdauung

• Jejunum und Ileum des Dünndarms,

sowie Zäkum und Kolon des Dickdarms:


Speichel

Schleimstoffe (Muzine) machen den Bissen schlüpfrig

und damit schluckfähig.

Viele Nahrungsbestandteile werden im Speichel

gelöst wichtig für Mundverdauung und das

Wirksamwerden von Geschmacksreizen

Viel Bicarbonat vorhanden pH 7-8. Das begünstigt

den Abbau von Stärke über die Amylase.

Rhodanid-Ionen und Fluorid fördern die Abwehr

Die Speichelproduktion hängt vom Wassergehalt des

Körpers ab. Bei Wassermangel werden Mund und

Rachen trocken Durst© S. Galler, Salzburg

Speichelproduktion in speziellen Drüsen

Filtrierung von Blut

Sekretion von K+, Jod und

Bicarbonat (aus Carboanhydrase-Reaktion)

Rückresorption von Na+


Magen

Anatomie: Kardia, Fundus, Korpus, Antrum, Pylorus

Aus: Moyes/Schulte Tierphysiologie


36

Die Schleimhaut (Mukosa) des Magens enthält

sog. Nebenzellen, im Fundus und Korpus zusätzlich

Hauptzellen und Belegzellen.

Diese produzieren den Magensaft:

Hauptzellen v.a. Pepsine

Belegzellen HCl

Nebenzellen Schleim

Hauptaufgabe:

Schutz der

Magenschleimhaut

vor dem Magensaft


• Im Magen-Zentrum pH 1.8 – pH 4 (aufgrund der Verdünnung durch den Speisebrei)

aktiver Transport gegen riesiges Gefälle;

H+ und Cl- aus den Belegzellen

ins Mageninnere gepumpt

pH-Wert des Magensafts

• Nahe der Magenwand pH 1 (0.1M HCl; daher bleiben die Pepsine

inaktiv u. greifen die Magenwand nicht an)

• pH-Optimum der Pepsine pH 2-4

Vorteile des sauren Milieus:

• niedriger pH-Wert wirkt

denaturierend und bakterizid

HCl-Produktion:


Dünndarm

Die Bauchspeicheldrüse

(Pankreas) bildet täglich

etwa 2 l Pankreassaft für

das Duodenum.

Inhalt: Verdauungsenzyme

und Bicarbonat.

Steuerung:

Die Schüttung des

Pankreassafts erfolgt über

das Hormon Sekretin, die Schüttung der Galle über

das Hormon Cholezystochinin.

Der Nervus vagus (Parasympatikus) regt allgemein die

Verdauung an © S. Galler, Salzburg

Fette und niedrigen

pH-Wert im Speisebrei

des Duodenums.

Das Bicarbonat des

Pankreassaftes

neutralisiert den aus

dem Magen

kommenden sauren

Speisebrei.

Hormonfreisetzung

gesteuert durch:


Verdauungsenzyme im Pankreassaft:

Proteinverdauung: Trypsinogen

Chymotrypsinogen

Procarboxypeptidase

(spaltet AS vom Carboxylende her ab)

Fettverdauung: Pankreaslipase

Kohlenhydratverdauung: alpha-Amylase

Maltase

Saccharase


Procarboxypeptidase, Trypsinogen u Chymotrypsinogen

sind inaktive Vorstufen.

Aktivierung erst im Darm über

Enterokinase bzw. Trypsin:

Aus: Moyes/Schulte Tierphysiologie © S. Galler, Salzburg

Resorption im Darm

• Verdaute Nährstoffe werden im Darm resorbiert und ins Blut

(oder teilweise Lymphe) übertragen

• Resorption begünstigt über Oberflächenvergrößerung der

Darminnenwand durch

- Ringfalten

- Darmzotten (Villi)

- Mikrovilli

Aus: Moyes/Schulte

Tierphysiologie


Spezifische Na+-Kotransportsysteme:

• aus dem Darmlumen in die Mukosazellen

• von dort in die Blutbahn.

Aminosäuren-Resorption


Kohlehydratverdauung:

• Beginnt bereits im Mund (Amylase)

• Fortsetzung im Dünndarm (alpha-Amylase des Pankreassafts)

• zusätzlich Maltasen,

Laktasen und

Saccharasen

• Absorption in Form

von Monosacchariden(z.B. Glukose)

• Bergauf-Transport in

die Mukosazellen

über Na+-Kotransport© S. Galler, Salzburg

4) Fette

Verdauung durch verschiedene Lipasen des

Pankreassafts. Ort: Lumen des Dünndarms

(v.a. Jejunum).

• Triglyceride

Monoglyceride,

freie Fettsäuren,

Glyzerin

• Cholesterinester

Cholesterin, freie

Fettsäuren

Allgemeines Problem:

Fette lösen sich nicht in Wasser© S. Galler, Salzburg

Um Lipide (Fette) in

Wasser zu „lösen“

ist Mizellen-Bildung

notwendig.

Dazu braucht es die

Gallensalze.

Mizelle: 3-6 nm große Klumpen,

• innen apolare Lipide (Triglyzeride, Cholesterinester,

fettlösliche Vitamine)

• am Rand amphiphile Stoffe (Gallensalze

freie Fettsäuren, Phospholipide, Monoglyzeride)

Amphiphil = hydrophiler und lipophiler Molekülteil


Gallensaft:

• Die Leber produziert 0.6 l Galle pro Tag

• in der Gallenblase zwischengelagert

• Cholezystokinin (Hormon) steuert die Freischüttung

von Galle aus der Gallenblase (ausgeschüttet, wenn

Nahrungsbrei ins Duodenum gelangt)

• Gallensalze (amphiphile Stoffe, werden erst im Ileum resorbiert und

gelangen über die Pfortader zurück zur Leber).

• Ausscheidungsprodukte (z.B. Bilirubin aus dem Abbau

der Erythrozyten)

Inhalt des Gallensaftes:


Der Körper besitzt etwa 5-6 g Gallensalze, die

4-12 mal pro Tag den Kreislauf (Galle-Dünndarm-

Pfortader-Leber-Galle) passieren.


49

Die Lipide der Mizellen werden in der Membran der Zellen der

Darmschleimhaut (Mukosa) gelöst. Durch Abschnürung von

Teilen der Zellmembran gelangen sie ins Zellinnere.

Die Gallensalze

der Mizellen

werden nicht

in die Zellen

aufgenommen

erneute

Mizellenbildung

bzw. Absorption

im Ileum und

Rücktransport in

die Leber.


Die Lipide werden in den Mukosazellen an zytosolische

Proteine gebunden und ins ER transportiert.

Hier Resynthese zu

Triglyzeriden und

Cholesterinestern.

Bau von Chylomikr.

und HDL-Vorstufen.

Freisetzung in die

Lymphe Blut

Kapillaren

Lipoproteinlipase

in Kapillarwänden

Lipidaufnahme in

Fettzellen.© S. Galler, Salzburg

Cholesterin ist Rohstoff für Membranen, Gallensalze

und Steroidhormone.

Hauptstoffwechselwege des Cholesterins


Cholesterin in der Zellmembran (Versteifung der Zellmembran)(intrazelluläre Membranen enthalten kein Cholesterin!)


Fette im Blut

• Albumingebundene Fettsäuren

• Lipoproteine

Lipoproteine

„Fett-Tröpfchen“ bestehend aus:

• Kern aus hydrophoben Lipiden (Triglyceride + Cholesterinester)

• Schale aus amphiphilen

Lipiden (Phospholipide + Cholesterin)

• assoziierte sog. Apoproteine (oft Aktivatoren von Lipoproteinlipasen)

Man spricht von „high density“ (HDL) und „low density“-Lipoproteinen (LDL)[„density“ bezieht sich auf den Gehalt an Apoproteinen]


Darm• Aufnahme verdauter Fette

• Aufbau von Chylomikronen

und Abgabe in die Lymphe

Chylomikronen:

75 – 500 nm, enthalten

neben Apoproteinen

exogene Triglyceride

und etwas Cholesterin

Lymphe • Chylomikronentransport ins Blut

Blut-

Kapillaren,

Endothel

• Hydrolyse von Triglyceriden der

Chylomikronen durch Lipoprotein-

lipase

• Aufnahme der entstehenden

Monoglyceride und freien Fett-

säuren (FS) in Muskel- und Fettzellen

• Remnants (Chylomikronenreste)

bleiben übrig

• Transport von remnants in die Leber

Lipoproteinlipase:

Enzym an der

Oberfläche von

Endothel-, Leber-

und Fettgewebezellen,

Spaltung von

Triglyceriden der

Lipoproteine

Kompartiment Prozess Begriffserklärung

LDL – Stoffwechsel („schlechtes Cholesterin“)


Leber

• Aufnahme der remnants in Leberzellen

• Abbau in Lysosomen

• Überführung von Cholesterin in den

Gallensaft – teilweise unverändert,

teilweise als Gallensalze

• Aufbau von VLDL v.a. aus Triglyceriden

des Leberstoffwechsels und Nahrungs-

cholesterin

• Abgabe von VLDL in den Blutkreislauf

VLDL:Very low density lipoprotein

30 – 70 nm,

enthält neben

Apoproteinen

endogene

Triglyceride

und Cholesterin

Blutkreislauf,

Kapillaren,

Endothel

• Lipoproteinlipase spaltet

Triglyceride der VLDL

• Aufnahme der Produkte in

Muskel- und Fettzellen

• Die geschrumpften VLDL heißen

LDL (sehr cholesterinreich)

• Wanderung von LDL durchs

Endothel ins Interstitium des

dahinter liegenden Parenchyms

LDL:Low density lipoprotein

„schlechtes Cholesterin“

17 – 25 nm,

enthält neben

Apoproteinen fast

ausschließlich

Cholesterin

Remnants:

50 – 100 nm,

enthalten v.a.

Cholesterin


Parenchym-

zellen

peripherer

Körper-

gewebe[Parenchymzellen

spezifische Zellen eines

Organs, die dessen

Funktion bedingen]

• Anbindung von LDL an LDL-

Rezeptoren der Parenchymzellen

• Aufnahme von LDL-Rezeptor-

Komplexen in Parenchymzellen

• Hydrolyse der Cholesterinester durch

lysosomale Cholesterin-Esterase

• Verwendung von Cholesterin für

- Einbau in extrazelluläre Membranen

- Produktion von Steroidhormonen

- Produktion von Gallensalzen

Krankheitsgefahr bei LDL-Überschuss

im Blut:

LDL reichert sich hinter den

Endothelien der Blutgefäße an und

bewirkt Arteriosklerose.


• Bildung von HDL-Vorläufern und

Abgabe ins Blut

• Abbau von HDL

• Überführung von Cholesterin in den

Gallensaft

Hauptfunktion von HDL:

Transport von Cholesterin zur Leber (für

Ausscheidung). Dadurch Schutz vor

Arteriosklerose

Leber- und

Darmepithel

Blutkreislauf,

Kapillaren

• Heranreifen von HDL im Blut durch

Aufnahme von

- Apoproteinen und Cholesterin aus

Chylomikronen-Abbau

- Lezithin aus Zellmembran-Abbau

• Weiterverwertung in der Leber

Leber

HDL:High density lipoprotein

„gutes Cholesterin“

2 – 10 nm,

enthält neben

Apoproteinen v.a.

Cholesterin und

Phospholipide

HDL – Stoffwechsel („gutes Cholesterin“)


Darm

Lymphe

Blutkreislauf,

Kapillaren

Chylomikronen

Chylomikronen

Lipoproteinlipase:

• Chylomikronen remnants

durch Triglyzerid-Abbau in freie

FS, Monoglyzeride

Leber

remnants

Cholesterin

Galle

• Abbau der remnants in

Lysosomen Cholesterin

VLDL

Parenchymzellen

peripherer

Körpergewebe

Fett- und

Muskelzellen

Freie FS,

Monoglyz.

LDL

Zusammenfassung: Fette im Blut

Cholesterin und

Apoproteine

HDL-Vorläufer

HDL

• Abbau von HDL

Cholesterin

• Aufbau von VLDL v.a. aus

Cholesterin und

endogenen Triglyzeriden• VLDL LDL

durch Triglyzerid-Abbau


Arteriosklerose

Risikoberechnung unter: http://www.chd-taskforce.de/index_d.htm

• LDL entsteht an der Oberfläche des Endothels und wandert in die

dahinter liegenden Gewebe ein, wo es verwertet wird

• LDL-Überschuß führt zu Anreicherung von LDL hinter der Endothel-

schicht der Arterien (Intima)

• LDL der Intima wird chemisch verändert (Oxidation, Glykosilierung)

Normalfall:

Pathologisch:


• Die Endothelzellen werten dies als Gefahr und locken Immunzellen an

• Die Entzündungsreaktionen führen zu Plaque-Bildungen (kollagen-

umhüllte Zellaggregate). In der Folge kommt es zu Elastizitäts-

verlust und Verkalkung der Arterienwände


• Dadurch kommt es zur Bildung von Thromben (Blutpfropf),

die Verstopfungen von Blutgefäßen verursachen können

• O2-Unterversorgung im Herzen Herzinfarkt

im Gehirn Schlaganfall

Bild aus Spektrum dW Juli 2002

• Plaques können aufbrechen; in ihrem Inneren kann die Blutgerinnung

ausgelöst werden


Risikofaktoren für Herzinfarkt bzw. Schlaganfall

• Alter

• Hoher LDL-Spiegel

• Rauchen (Oxidierung von LDL!)

• Zu niedriger HDL-Spiegel

• Hoher Blutdruck

• Diabetes mellitus (Glykosilierung von LDL!)

• Zu hoher Triglyzerid-Spiegel

• Familiäre Belastung

Vorsorgemaßnahmen:

• Regelmäßige Bewegung

• Gesunde Ernährung

• Ggf. Gewichtsreduktion

Eigene Risikoberechnung:http://www.chd-taskforce.de/index_d.htm

Antioxidanzien (Vit. E, Grüner Tee) verringern die LDL-Oxidation

Ballaststoffe verringern den CholesterinspiegelWasserlösliche Ballaststoffe binden an die Gallensalze und verhindert deren Resorption.

Für die Bildung neuer Gallensalze verbraucht der Körper dann Cholesterin aus dem Blut

Siehe Aufgabe 9 - 16© S. Galler, Salzburg

5) Atmung

Gasaustausch für Stoffwechsel notwendig

• Aufnahme von O2 für Oxidation in den Mitochondrien

(Atmungskette, Energiegewinnung aus Nährstoffen)

• Abgabe des Oxidationsprodukts CO2 (hauptsächlich

aus Citratzyklus)


• Luft beim Einatmen 21% O2 bei Ausatmen 17% CO2

64

Lunge: Spezialisiertes Gewebe für Gasaustausch

• riesige Oberfläche (Größe

eines Tennisplatzes) wegen der

ca. 300 Millionen

60-200 µm großen

Lungenbläschen,

den Alveolen

• Blut-Luft-Barriere an den

Alveolen hauchdünn

(0.2-1.7 µm).


Durchblutung der Lungenbläschen

Alveolenquerschnitt

Gastransport:

• Ventilation über große Strecken(Atembewegungen

Umwälzung von Luft bis

dicht an die Alveolarwände)

• Diffusion über die Alveolarwand

(Konzentrationsunterschied

der Gase O2 und CO2 über der Alveolarwand

als treibende Kraft

Problem:

Fremdpartikel der Luft (Mikroorganismen, Staub, etc.)

Schutz durch Cilien-tragende Flimmerepithelien in

den Atemwegen: Makrophagen-Tätigkeit,

Schleimtransport (Husten, Schlucken).

In Alveolen nur spezifische Makrophagen (kein

Flimmerepithel).


67


Atmungs-Mechanik

Einatmung:

Erweiterung des Brustraums

durch

• Senkung des Zwerchfelles

• Bewegung der Rippen (durch die äußeren Rippenmuskeln).

Die Lunge wird dabei angesaugt und vergrößert.

Sie ist mit dem umhüllenden Brustkorb über einen

dünnen (wenige µm) Flüssigkeitsspalt verbunden. © S. Galler, Salzburg

Ausatmung: meist passiv (aufgrund der Lungenelastizität),

kann aber durch die Bauchmuskeln und die internen

Rippenmuskeln verstärkt werden.

Animation „Respiration“ (siehe Filme-Ordner): In den drei Hauptmenüs jeweils die „Loops“ laufen lassen,

teilweise naiv und belustigend. Fehlermeldung beim Start durch Abbrechen ignorieren“


Elastizität der Lunge

In der Ruhelage ist die Lunge wegen ihrer Elastizität

zusammengezogen Oberflächenkräfte (und elastische

Fasern) im Lungengewebe.

Oberflächenkräfte:

Auf der Alveolen-Wandung liegt eine dünne

Flüssigkeitsschicht (Hypophase). Die Anziehungskräfte

zwischen den Wassermolekülen (Kohäsion) versuchen

die Oberfläche der Flüssigkeit möglichst klein zu halten (Oberflächenspannung).

Der Brustkorb könnte die Lunge niemals ausdehnen,

wenn die Oberflächenkräfte nicht durch sog.

Surfactants herabgesetzt wären.© S. Galler, Salzburg

Die kleineren haben einen höheren „Innendruck“.

Anmerkung: Der Faktor 4 (statt 2) im Laplace-Gesetz ergibt sich durch die Beiträge der inneren und äußeren Oberfläche der

Blasen.

Das Kollabieren der Alveolen wird durch die

Surfactants verhindert, da sie die Oberflächen-

spannung v.a. der Kleineren herabsetzen.

Ohne Surfactans wären außerdem die Alveolen instabil:

Die Kleinen würden die Großen aufblasen, gemäß dem

Laplace-Gesetz:

In großen Alveolen verteilen sich die Surfactants auf

eine größere Fläche. © S. Galler, Salzburg

Surfactants (Surface Active Agent)

Produktion und Abgabe von Surfactant

erfolgt durch spezialisierte

Alveolarzellen (Pneumocyten Typ II)

Bestandteile:

Zu ca. 90% aus Phospholipiden

• Phosphatidylglycerol

• Phosphatidylcholin ( -Lecithin),

daneben noch spezielle Proteine und

Kohlenhydrate


73

Transport- und

Speicherform der

Surfactants:

Lamellenkörperchen (gestapelte Surfactant-Pakete)

werden aus

Typ II-Pneumozyten

über Exozytose in die

Hypophase

ausgeschleust

sog. Tubuläres Myelin

Entstehung einer

monomolekularen

Schicht auf der

Hypophase.

Wärme- und Wasserhaushalt bei der Atmung

Gasaustausch ist zwangsläufig gekoppelt mit Wasser-

und Wärmeverlust.

Zwei Mechanismen verringern diesen Verlust:

1. Die Versenkung der respiratorischen Fläche tief ins

Körperinnere

2. Regulation über die Schleimhäute der oberen

Atemwege, insb. die Muscheln im Nasenraum.


Einatmen: Die Luft ist kälter und

trockener als die Muscheln

Befeuchtung, Erwärmung.

Ausatmen: Die Luft ist wärmer

und feuchter als die Muscheln

Abkühlung und gleichzeitige

Wasserkondensation, weil

kältere Luft weniger Feuchtigkeit

halten kann.

Auf diese Weise wird vom Körper Wärme und Wasser

zu einem gewissen Grad zurückgehalten.

Funktion der Nasen-Muscheln

Steuerung der Atemtätigkeit

Atemzentrum in der Medulla oblongata entsendet

rhythmisch Signale an die Muskeln in Thorax und

Zwerchfell.

Diese Anpassung erfolgt über sensorische Eingänge

auf das Atemzentrum.

Größere Körperarbeit erfordert erhöhte Ventilation

aufgrund höheren Energiestoffwechsels.

Grundrhythmus:

Modulation:


77

Sensorische Eingänge:

1. Dehnungsrezeptoren in

den Lungen (Begrenzung der

Amplitude der Atemzüge;

sog. Hering-Breuer-Reflex)

2. Chemische Kontrolle:

O2-, CO2- und H+-

Gehalt des Blutes wird

gemessen über

Chemorezeptoren in der

Arteria carotis(Glomus caroticum)

und im Aortenbogen (Glomera aortica).


Gesteigerte Atmung bei:

• Anstieg des arteriellen CO2-Partialdrucks

• Abfall des arteriellen O2-Partialdrucks

• Abfall des arteriellen pH-Werts unter 7.4

• Abfall des pH-Wertes in der Extrazellulärflüssigkeit

des Hirnstamms


6) Gastransport im Blut

Aufgaben des Blutes:

• O2-Transport von der Lunge zu den Geweben

• CO2-Transport von den Geweben zur Lunge

• Nährstoff-Transport (Darm Leber Gewebe)

• Transport von Abfallstoffen (Gewebe Niere)

• Immunabwehr etc.


O2-Transport

Gase lösen sich in Wasser abhängig von ihrem

Partialdruck und der spezifischen Löslichkeit.

O2 löst sich in Blut

Hämoglobin erhöht die O2-Löslichkeit etwa 70fach,

da es O2 bindet.

[Andere O2-Träger (Atmungspigmente) im Tierreich: Hämocyanin

bei Mollusken und Arthropoden. Kupferhaltig, bei O2-Beladung

blaue Farbe]


Hämoglobin (in den roten Blutzellen)

Proteinkomplex

aus 4 Untereinheiten (2 -Ketten, 2 -Ketten)

mit jeweils

1 Hämgruppe (Fe2+-Porphyrinring).

Oxyhämoglobin: O2-tragendes Hämoglobin, hellrot.

Desoxyhämoglobin: O2-freies Hämoglobin, bläulich-

dunkelrot.© S. Galler, Salzburg

Der Prozeß der O2-Beladung (-Entladung) wird

Oxygenierung (Desoxygenierung) bezeichnet. (Unterschied zu Oxidation!)

Jede Hämgruppe

kann 1 O2 binden.

Ist 1 Häm besetzt, bindet die

benachbarte Häm-Gruppe

den O2 stärker (bis hin zur vierten)

kooperatives Verhalten

sigmoide O2-Sättigungskurve.[Wer hat, dem wird gegeben…]

CO (geruchloses Gas) bindet an Hämoglobin ca. 200

mal stärker als O2 Tod infolge von O2-Mangel.© S. Galler, Salzburg

Atmungspigmente sind

nur wirksam, wenn ihre

O2-Bindung reversibel ist.

Das heißt, sie müssen

den O2 wieder abgeben

können:

Lunge: hoher O2-Druck

Hämoglobin lädt O2 auf.

Kapillaren: O2-Druck

kleiner O2 dissoziiert

von Hämoglobin ab.


Modulation der O2-Affinität erhöht die Effektivität

von Hämoglobin:

Saurer pH-Wert vermindert,

alkalischer pH-Wert

erhöht die O2-Bindekraft

(Bohr-Effekt)

Kapillaren des Gewebes:

Relativ saurer pH-Wert

aufgrund der im Gewebe

produzierten Säuren

O2-Dissoziation erleichtert

Lungenkapillaren:

Relativ alkalischer pH-Wert aufgrund von

CO2-Abdiffusion O2-Bindung favorisiert© S. Galler, Salzburg

Ein Mangel an 2,3-Diphosphoglycerat

(Intermediärprodukt der Glykolyse) in den roten

Blutkörperchen führt zu abnorm hoher O2-Affinität

des Hämoglobins. Physiologische Rolle???

Myoglobin

O2-Träger und Speicher in

den langsamen Skelett-

muskelfasern und im Herz-

muskel (Mitochondrien-reich).

Hämoglobin-ähnlich, aber

monomer, eine einzige

Hämgruppe mit etwa

6-fach höherer O2-Affinität

Rote Farbe daher sind

die langsamen Skelett-

muskeln und der Herzmuskel rot.© S. Galler, Salzburg

CO2-Transport

Entstehungsort von CO2: v.a. Citrat/Krebszyklus.

langsam schnell

CO2 + H2O H2CO3 (Kohlensäure) HCO3- + H+

Langsame Reaktion, daher bleibt CO2 gasförmig

gelöst und diffundiert bis in die roten

Blutzellen.


In den roten Blutzellen:

• Hier H2CO3 -Bildung durch

Carboanhydrase. HCO3- wird

gegen Cl- über die Zell-

-membran ausgetauscht

(HCO3-/Cl--Transporter)

H+ wird v.a. vom Histidin

des Hämoglobin abgefangen.

• Bildung von Carbamino-

Verbindungen v.a. mit

Arginin- und Lysin-Resten

des Hämoglobin.

Hb-NH2 + CO2 H+ + Hb-NHCOO-

(Carbaminoverbindung)

In der Lunge diffundiert CO2 aus dem Blut ab.

Alle Reaktionen laufen rückwärts. © S. Galler, Salzburg

Bei der O2-Beladung in der Lunge wird die

H+-Abgabe begünstigt

(H+ + HCO3- H2O + CO2, Abdiffusion)

Haldane-Effekt:

Durch die H2CO3-Bindung (in den roten Blutzellen)

fällt H+ an. Hämoglobin fungiert als H+-Puffer.

Die H+-Bindekraft von Hämoglobin ist abhängig von

seiner O2-Beladung.

O2-beladenes Hämoglobin bindet H+ weniger fest als

O2-freies Hämoglobin

günstig, weil Hämoglobin nach der O2-Entladung

in den Kapillaren zusätzliche H+-Ionen aufnehmen

kann, die im Gewebe anfallen


H+

H+

H+

H+

Hb

Hb

O2

O2

Begünstigung der

O2-Freisetzung bei

Ansäuerung

(Bohr-Effekt)

Begünstigung der

H+-Freisetzung bei

hohem O2-Druck

(Haldane-Effekt)

Bindung von O2 und H+ an Hämoglobin (Hb)


Säure-Basen-Gleichgewicht

Der zelluläre Stoffwechsel führt zu Säureproduktion:

1. Mitochondriale Atmung führt zu CO2 (Kohlensäure)

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

2. Anaerobe Glykolyse führt zur Bildung von

Milchsäure.

3. Der Abbau von Proteinen führt zu Phosphorsäure

und Schwefelsäure.

Weitere Säure-Zufuhr ergibt sich durch die

Nahrungsaufnahme. © S. Galler, Salzburg

91

H+-Anhäufung drastische Folgen möglich:

• Änderung von Membraneigenschaften

• Änderungen von Protein-Konformationen

• Verlust von Enzymaktivitäten

H+-Ausscheidung nötig

Flüchtige Säuren (CO2)

werden über die Lunge

ausgeschieden. Nichtflüchtige

Säuren (v.a. Schwefelsäure,

Phosphorsäure) über die Niere.

Zeitaufwendiger Prozess.

Kurzfristige H+-Schwankungen

werden gepuffert.

Prinzip der Pufferung:

H+-Beseitigung durch H+-Bindung

an schwache Säuren (A-):

k+

A- + H+ HA

k-

Meist stellt sich rasch ein Gleichgewicht

dieser Reaktion ein:

kein Netto-Stoffumsatz mehr

Stoffumsatz in die Vorwärtsrichtung = Stoffumsatz

in die Rückwärtsrichtung © S. Galler, Salzburg

Stoffumsatz in Vorwärtsrichtung: [A-] * [H+] * k+

Stoffumsatz in Rückwärtsrichtung: [HA] * k-

Gleichgewicht: [A-] * [H+] * k+ = [HA] * k-

k+ [HA]

K = --- = -------------

k- [A-] * [H]

Logarithmierte Form: pH = log K – log [HA]/[A-]

(Henderson-Hasselbalch-Gleichung)

K........ Gleichgewichtskonstante

= Assoziationskonstante = Stabilitätskonstante =

1/Dissoziationskonstante.

Maß für die „Bindekraft“ (Affinität) des Puffers.

Großes K hohe Bindekraft.

k+

A- + H+ HA

k-


Veranschaulichung von K:

Ist [HA] = [A-] (Halbbesetzung des Puffers), dann

ergibt sich pH = log K

Log K entspricht also dem pH-Wert bei

Halbbesetzung des Puffers.

Effizienz der Pufferung:

• Bindekraft im relevanten Bereich

Gegeben bei pH-Werten zwischen log K ± 1

• genügend hohe Pufferkonzentration

k+ [HA]

K = --- = -------------

k- [A-] * [H]


Biologische Puffer

Intrazellulär: Phosphat, Proteine (Imidazolring des

Histidins)

Extrazellulär: Proteine, teilweise Bicarbonat


Ammoniak oder Lactat besitzen im physiologischen

Bereich keine Pufferkapazität, da sie entweder

vollkommen H+-besetzt (NH4+, Ammonium) oder

vollkommen H+-frei (Lactat) vorliegen:

Die H+-Bindekraft von Ammonium ist zu

hoch, um H+ abgeben zu können; die H+-Bindekraft

von Lactat ist zu klein, um H+ aufnehmen zu können.


Proteine

Die Enden der AS-Kette der Proteine tragen nicht zur

Pufferung bei:

-COOH log K ca. 3

-NH2 log K ca. 9.

Wichtig für die Pufferung ist v.a. der Imidazolring

des Histidins (log K etwa 6.9) (z.B. in Hämoglobin)

Bicarbonat

Bicarbonat = Hydrogencarbonat = HCO3-

HCO3- + H+

H2CO3 CO2 + H2O

log K = 6.1 bei 37 °C. Trotzdem für die physiologische

Pufferung bedeutsam, weil die Pufferkonzentration

ziemlich hoch ist (24 mM) und über die Lunge

verändert werden kann. Gleichgewicht wird „gezogen“!© S. Galler, Salzburg

Diffundiert CO2 über die Lunge ab, dann wird weiteres

H+ an HCO3- gebunden, um das chemische

Gleichgewicht erneut herzustellen. Auf diese Weise

wird die H+-Pufferkapazität in gewissem Sinn

„erhöht“. [So können „fremde“ H+-Ionen abgefangen

werden, aber nicht solche, die durch die

CO2-Produktion selber entstehen.]© S. Galler, Salzburg

Gesamt-Pufferkapazität des Blutes: 48 mM H+-

Bindestellen. Dieser Wert ist ziemlich konstant.

Denn wenn CO2 gebildet wird, dann nimmt die

Konzentration an HCO3- in gleicher Weise zu wie die

Konzentration von H+-Bindeplätzen (infolge der H+-

Bindung) abnimmt.

Normal-pH-Wert des Blutes:

pH 7.37 – pH 7.43

(Spanne von 15% der H+-Konzentration)

Darunter: Acidose

Darüber: Alkalose


Ursachen für Säure/Base-Störung:

• gestörte Atmung

(respiratorische Acidose bzw. Alkalose)

• Stoffwechselstörungen

(metabolische Acidose bzw. Alkalose)

• Renale Funktionsstörung


Intrazelluläre pH-Regulation

Gefahr der intrazellulären Ansäuerung infolge von:

• negativem Membranpotential (H+ wird in die Zelle

hineingezogen)

• intrazelluläre H+-Bildung (CO2 und Lactat)

Gegenmaßnahmen:

• Intrazellulärraum Pufferung (Phosphat, Proteine).

• Stetiger H+-Transport nach außen v.a. über

Na+/H+- oder Na+/H+/HCO3-/Cl-

Cotransportsysteme. Der Na+-Gradient liefert die

Energie [Der Na+-Gradient wird über die ATP-abhängige Na+/K+-Pumpe

aufrechterhalten].


Die Austauschsysteme sind elektroneutral (keine

Netto-Ladungsverschiebung). Der Transport von

1 HCO3- in die Zelle entspricht dem Beseitigen von

1 H+; denn jedes zusätzliche HCO3--Ion bindet

1 H+ Bildung von H2O und CO2. CO2 diffundiert

über die Zellmembran ab.


7) Herz

Nach vorne gerichteter Blutstrom

durch Herzklappen gewährleistet

(passive Elemente).

Öffnen: Druck hinten größer

als vorne p(1) > p(2)

Schließen: Druck hinten

kleiner als vorne p(1) < p(2)


Pumpmechanismus:

Kontraktion der Herzwand

(isometrische Anspannung)

Drucksteigerung

Öffnen der vorderen Klappen

isotonische Kontraktion

Auswurf

Erschlaffung des Herzmuskels

Schließen der vorderen und

Öffnen der hinteren Klappen

Füllung


Atrium = Herz-Vorhof

Ventrikel = Herz-Kammer

Vene = Gefäß, das zum Herzen hinführt

Arterie = Gefäß, das vom Herzen wegführt

Atrioventrikularklappen

(zw. Atrium und Ventrikel)

Aortenklappen

(zw. Ventrikel und Aorta)

Blutfluss:

Venen Atrium Ventrikel Arterien (Aorta)

Atrium und Ventrikel sind jeweils zweigeteilt.


106

Lungenkreislauf rechtes Atrium

rechter Ventrikel

Lungenarterie

O2-Beladung in

Lungenkapillaren

Lungenvene

linkes Atrium

Körperkreislauf linkes Atrium

linker Ventrikel

Aorta

O2-Entladung

in den Körperkapillaren

venöses System

Körper-Hohlvene

rechtes Atrium

• Diastole (Entspannungs- und Füllungsphase)

• Systole (Anspannungs- und Austreibungsphase)

Diastole:

Arbeitszellen des Herzens schlaff

Druck in Ventrikel niedriger als in Aorta und Atrien

Aortenklappen geschlossen, AV-Klappen offen

Blutfluss von Venen in Atrien und Ventrikel (Füllung)

Herzaktion


Systole:

• Atrien-Kontraktion

weiterer Blutfluss in die Ventrikel

• Ventrikel-Kontraktion (isometrisch)

Druckanstieg

Schließen der AV-Klappen

Öffnen der Aorten-Klappen,

wenn Aortendruck überschritten

Isotonische Kontraktion

Blutauswurf in Aorta bzw.

Lungenarterie.

• Ventrikel-Erschlaffung Diastole.

Rechtes Herz: Druck kleiner, aber Transportvolumen

gleich

Elektrische Signale am Herzen

Das menschliche Herz ist myogen.

[Myogen: (Vertebraten und Mollusken):

Erregung entsteht im Herzen

Neurogen: (z.B. Arthropoden): Erregung

über Nerven vom ZNS herangeleitet]

2 Zelltypen:

1. Arbeitszellen: dichte Packung von Myofibrillen,

gap junctions zwischen den Zellen.

2. Erregungszellen (Zellen der Erregungsbildung und -fortleitung):

„glasig“, nur wenige Myofibrillen. © S. Galler, Salzburg

Frank-Starling-Mechanismus

Erhöhte Blutfüllung führt zu vergrößerter Herzkraft:

Erhöhung des Dehnungszustandes der Herzmuskel-

zellen mehr Kraft, weil die Ca2+-Empfindlichkeit der

Myofibrillen zunimmt.

Kraft-Ca2+-Beziehung von Myofibrillenbündeln aus dem Herzen.

Zunahme der Ca2+-Sensitivität bei Dehnung.

„Automatische“ Anpassung der Herzleistung an

die physiologischen Erfordernisse (Herz-Automatie)

EKG (Elektrokardiogramm)

Elektrische Spannungsänderungen an der Körperober-

fläche meßbar.

Einthoven Eindeutige Zuordnung mit Vorgängen

im Herzen (Nobelpreis 1924)

AP-Fronten über das Herz

(insb. Arbeitszellen)

außen am Herzen messbar

Weil Körper guter Elektrolyt

Spannungsänderungen auch

am gesamten Körper messbar.

Wichtig: Ableitungen immer am selben Ort des

Körpers (standardisierte Ableitungen)© S. Galler, Salzburg

EKG Ableitung (Arm gegen Arm; Erdung am Bein):

Bezeichnungen P, Q, R, S, T rein willkürlich


EKG-Abschnitte

P-Welle: Erregungsausbreitung in Vorhöfen

QRS-Komplex: Erregungsausbreitung an Ventrikeln

T-Welle: Rückbildung der Erregung des Ventrikels

Praktische Anwendung:

Immense Bedeutung für Herzdiagnostik

vollkommen harmlose Untersuchung, trotzdem

umfassende Beobachtung der Vorgänge im Herzen

möglich

Beispiel: O2-Armut manifestiert sich in T-Wellen-

Umkehr.


8) Kreislauf

Blutstrom pro Minute: 4-6 l in Ruhe

[Plasma = Blut ohne Blutzellen]

[Serum = Plasma ohne gerinnungsaktive Proteine wie Fibrinogen].

Strömungstypen:

1.Laminare Strömung:

Teilchen fließen in parallelen

Schichten, ihre Geschwindig-

keit nimmt von der Gefäßwand

zur Mitte hin zu.

Fast im gesamten Blut-

kreislauf vorherrschend.

Wenig Reibungswiderstand.© S. Galler, Salzburg

2. Pulsierende laminare Strömung;

laminar, aber Gefäßwand dehnt sich bei jeder

Systole; in großen Arterien.

3. Turbulente Strömung,

Wirbelbildung ( Geräusche); Großer Reibungswiderstand.

z.B. verursacht durch Öffnen und Schließen der

Herzklappen Klopftöne des Herzens.

Blutkreislauf ist Röhrensystem, in dem kein (kaum) Blut

verloren geht.

Daher Strömungsgesetze der Physik gültig:

Druckdifferenz

Stromstärke (Durchfluss pro Zeit) = ---------------------- ( Ohm-Gesetz)

Widerstand


Große Stromstärke bei:

• großer Druckdifferenz

• kleinem Widerstand

Druckdifferenz wird durch Herzaktivität verursacht.

Druck in Aorta: 100 mmHg dickwandig

Druck in Hohlvene: 3 mmHg dünnwandig

Widerstand: innere Reibung der strömenden

Flüssigkeit und Reibung an den Gefäßwänden.

Druckdifferenz

Stromstärke (Durchfluss pro Zeit) = ---------------------- ( Ohm-Gesetz)

Widerstand


Der Druck fällt im

Gefäßsystem entsprechend

dem jeweiligen Widerstand

ab. Größter Abfall in den

Arteriolen.

Druckverlauf im Kreislaufsystem


Schwankung zwischen Maximum (systolischer Wert,

z.B. 120 mmHg) und Minimum (diastolischer Wert, z.B. 80 mmHg).

Pulsationen durch Elastizität der großen Arterien

abgefangen; daher hinterher im Kreislauf nicht mehr

vorhanden.

Druck-Pulsationen

in großen Arterien aufgrund der Systolen und

Diastolen des Herzens.

Der „Puls“


Blutdruckmessung:

Prinzip: Quetschen einer Arterie laminare Strömung

wird turbulent Geräusche

1. Mit Druckmanschette die Arteria brachialis

vollkommen verschließen.

2. Druck verringern bis Klopfgeräusche im Stethoskop

hörbar werden pulsartige turbulente Blutströmung

(systolischer Blutdruck)

3. Druck weiter verringern bis die Klopfgeräusche

verschwinden wieder laminarer (lautloser)

Blutstrom


121


Fließgeschwindigkeit v.a. abhängig vom

Gesamtquerschnitt des jeweiligen Kreislaufabschnitts.

kleiner Gesamtquerschnitt große Geschwindigkeit

Größte Geschwindigkeit

in der Aorta,

kleinste Geschwindigkeit

in den Kapillaren für

Stoffaustausch zwischen

Blut und Gewebe sehr

wichtig.

Blutfluss© S. Galler, Salzburg

Organ-Durchblutung

Unterschiedliche

Organdurchblutung

in Ruhe und bei

körperlicher Arbeit

gesteuert durch

den Widerstand der

Gefäße im jeweiligen

Organ.


Druckdifferenz

Stromstärke (Durchfluss pro Zeit) = ---------------------

Widerstand

Gefäßerweiterung (Vasodilatation, verursacht durch

die glatten Muskeln der Gefäßwände) führt zu

Widerstandsverringerung

sehr sensitiv, Widerstand proportional zu r4 !!!

8 l

Widerstand R = ---- --- (Hagen-Poiseuille)

r4


Stoffaustausch in den Kapillaren

Voraussetzung für Stoffaustausch:

• dünnwandige Gefäße

• langsamer Blutfluss

in Kapillaren und postkapillären

Venolen der Fall.

Art des Stoffaustausches:

• Abgabe von Stoffwechselsubstraten (O2, Nährstoffe etc.)

und Hormonen ins Gewebe,

• Aufnahme von Stoffwechsel-Endprodukten (CO2,

Harnstoff etc.) ins Blut.© S. Galler, Salzburg

126

Art des Transports:

• gut lipidlösliche Stoffe wie O2 und CO2 freie

Diffusion. Endothelzellen sind kein Hindernis.

• Wasserlösliche Stoffe Poren im Endothel: viele

kleine (2-5 nm, Interzellularfugen)

und wenige große Poren

(20-80 nm, Fenestrationen).


Verhinderung von Wasseraustritt aus den Kapillaren

Dem Blutdruck steht der osmotische (Saug-)Druck

v.a. der Proteine entgegen.

Trotzdem geringer Wasseraustritt Sammlung im

Lymphsystem große Hohlvene Blutbahn.


9) Niere

Hauptfunktionen:

• Kontrolle der Salz- und Wasserausscheidung

(und damit der Osmolarität des Blutes und der

Extrazellulärflüssigkeit)

• Ausscheidung von Endprodukten des Stoffwechsels

Die funktionelle Einheit der Niere ist das Nephron (1.2 Millionen pro Niere)


Anatomie des Nephrons:

Malpighische Körperchen bestehend aus Glomerulus

(Kapillargeäder) und Bowman´scher Kapsel (Auffanggefäß für das filtrierte Blut)

proximaler Tubulus, Henlesche Schleife, Distaler

Tubulus, Sammelrohr. Die Sammelrohre vereinigen

sich und führen über den Harnleiter zur Harnblase.


Funktion des Nephrons:

Am Glomerulus wird das Blut filtriert Primärharn.

Stoffe <1.8 nm gehen durch. Proteine

und Blutzellen bleiben zurück. Der Primärharn wird

im Verlauf des Nephrons noch drastisch modifiziert:

• Resorption von H2O, Na+, Cl-, K+, Ca2+, Glucose,

Aminosäuren, Vitamine usw.

• aktive Sekretion von körpereigenen Stoffwechsel-

produkten wie Harnsäure, Sulfate etc. und körper-

fremde Substanzen (z.B. Penicillin, Giftstoffe; diese

werden in der Leber mit einem Marker versehen, damit sie in der Niere

als körperfremd erkannt werden).


Na+-Resorption:

• Na+-Einstrom vom

Tubulus-Lumen in

die Epithelzellen

gemäß dem

elektrochemischen

Gradienten.

• Aktiver Na+-Transport durch die Na+/K+-Pumpe

auf der gegenüberliegenden (basolateralen)

Membran vom Zellinnern in den Extrazellulärraum

Blut

• Viele andere Stoffe werden über Na+-Kotransport

resorbiert.© S. Galler, Salzburg

H2O-Resorption:

passive Wanderung aufgrund des osmotischen

Gefälles, das durch die Resorption von Na+ und

HCO3- zustande kommt.

• Primärharn: ca. 150 l/Tag

• Endharn: ca. 1,5 l/Tag

solvent drag: gelöste Stoffe werden mit dem

Wasserfluss mitgerissen.


10) Hormone

Endokrin = in das Blut absondernd

Hormon = Wirkstoff, der im Blut verteilt wird

Es gibt zwei Systeme zur Koordinierung der Organfunktionen:

• Nervensystem: wirkt rasch, kurzfristig und gezielt lokal

• Endokrines System: wirkt langsam, länger andauernd und eher auf größere Bereiche


Funktionsprinzip des endokrinen Systems:

• Drüse schüttet Hormone ins Blut

• Verteilung im gesamten Körper

• Wirkung über spezifische Hormonrezeptoren an untergeordneten Hormondrüsen oder direkt an Zielzellen

Das endokrine System regelt vor allem:

• die Ernährung

• den Stoffwechsel

• Wachstum und Entwicklung


• die Fortpflanzung

• die Leistungsanpassung

• die Homöostase

Hypothalamus:Bindeglied zwischen Nervensystem und Hormonsystem.

Neuronale Reize, die vom Sinnessystem beeinflusst werden,werden in neuroendokrinenZellen in hormonale Signaleumgewandelt.


Hormonklassen

Einteilung nach chemischer Natur:

1. Peptidhormone, 3-191 AS, (z.B. FSH, LH)

2. Steroidhormone (z.B. Kortisol, Testosteron)

3. Tyrosin-Derivate (z.B. Schilddrüsenhormone, Katecholamine)


Steroidhormone und Thyroxin im Plasma an Transportproteine gebunden wegen Lipophilie.


Hormonrezeptoren

• hohe Spezifität, da viele verschiedene Hormone im Blut zirkulieren

• hohe Affinität, wegen sehr kleinenHormonkonzentrationen: 10-8M - 10-12M

Lokalisation der Rezeptoren:

• An der Zellmembran: bei hydrophilen Hormonen (Peptidhormone, Katecholamine); Ausbildung von second messengers im Zytoplasma (z.B. cAMP, cGMP, IP3). Wirkung im Zytoplasma, teilweise auch auf Genexpression/Kern

• Im Zellinnern: bei lipophilen Hormonen, die die Zellmembran passieren (Steroid-und Schilddrüsenhormone), Wirkung auf Genexpression



Ein und dasselbe Hormon kann über verschiedene Rezeptoren unterschiedlich wirken:

z.B. Adrenorezeptoren in Glatten Muskeln:

-Rezeptoren (v.a. in Gefäßen der Haut) IP3 Ca2+-Freisetzung Kontraktion Vasokonstriktion Verminderung der Durchblutung.β2-Rezeptoren (v.a. in Koronararterien) cAMP steigt Proteinkinase A Stimulation der SR-Ca2+-Pumpe Relaxation Vasodilatation Durchblutungssteigerung

[β1-Rezeptoren an Erregungs/Arbeitszellen Steigerung von Herzkraft und –frequenzBetablocker senken Frequenz längere Diastolen bessere Durchblutung]


Prinzipielle Hormonwirkungen:

1. Konformationsänderungen an Enzymen Änderung der Enzymaktivität

2. Hemmung oder Förderung der Enzymsynthese

3. Änderung der Substratbereitstellung für die enzymatischen Reaktionen, etwa durch Änderung der Zellmembrandurchlässigkeit

Primäre Hormondrüse: Hypophyse (mit Hinter- und Vorderlappen)

(= Anhang des Hypothalamus)

• Hinterlappen (Neurohypophyse): Direkte Sekretion hypothalamischer Neurone in denKörperkreislauf des Blutes ADH (Adiuretin; Rückgewinnung von

Wasser aus Primärharn) und Oxytozin (Wehen, Milchejektion)© S. Galler, Salzburg

Vorderlappen (Adenohypophyse):Freisetzung von releasing Hormonen (RH) und inhibitingHormonen (IH) in ein Pfortadersystem, das den gesamten Vorderlappen durchströmt.Die Zellen des Vorderlappenswerden über second messengers zur Bildung von Hormonen angeregt, die in den Körperkreislauf des Blutes gelangen.


• STH (Somatotropin; steuert das Skelettwachstum)

• ACTH (Adrenokortikotropes Hormon; wirkt auf die Nebennierenrinde)

• TSH (Schilddrüsen-stimulierendes Hormon, Thyroid-stimulating hormon)

• FSH (Follikelstimulierendes Hormon; wirkt auf die Eierstöcke bzw. Hoden)

• Prolaktin (wirkt auf die Brustdrüse)


Sekundäre Hormondrüsen

Nebennierenrinde: gesteuert über ACTH des Hypophysenvorderlappens; Bildungsort wichtigerSteroidhormone. Muttersubstanz der Steroidhormone ist Cholesterin

• Mineralkortikosteroide (Aldosteron, Kortikosteron) Na+ im Körper zurückhalten (Niere)


• Glukokortikosteroide (Kortisol/Kortison): Kohlenhydrat-und Aminosäuren-Stoffwechsel, antientzündlich undantiallergisch wegen der Hemmung der Proteinsynthese

• Androgene (wirken anabolisch, gewebeaufbauend)

Nebennierenmark: bei Streß über Sympatikus stimuliert Adrenalin, NoradrenalinSteigerung der motorischen Aktivität und des Stoffwechsels.


Schilddrüse: Gesteuert über TSH. Freischüttung von

• Thyroxin (T4) (Thyrosin + 4 Jod) in Zielzellen dejodiert zum wirksamen Trijodthyronin (T3) (Thyrosin + 3 Jod) T3 fördert Wachstum und Reifung von Gehirn und Knochen, sowie Stoffwechselsteigerung. Ein Mangel führt zu Kretinismus.

• Kalzitonin (Peptid) Senkung des Calciumspiegelsim Blut.


Männliche Hormone (Androgene)

Steroidhormone v.a. Testosteron

• Geschlechtsdifferenzierung in der Entwicklung

• Samenbildung

• Förderung des männlichen Geschlechtstriebs

• Ausbildung der sekundären männlichen Geschlechtsmerkmale, den Behaarungstyp, Körperbau, Kehlkopfgröße (Stimmbruch).


Bildungsort von Testosteron: Leydigsche Zwischen-zellen des Hodens; Ausschüttung gesteuert durch LH und FSH.


Geschlechtsdifferenzierung

Chromosomales Geschlecht Ausbildung entsprechender Gonaden (Keimdrüsen).

Testosteron kann die weibliche Geschlechtsentwicklungstören, sowohl somatisch (Körperbau) als auch psychisch.

Wanderung des Hodens in den Hodensack niedrigere Temperatur für Spermienbildung notwendig.


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Menstruation

Luna „Mondin“

Welche Hormone steuern

den weiblichen Zyklus?

Was macht den Zyklus

zum Zyklus?

Wer ist der Zeitgeber?

Was passiert im Ovar?

Was passiert in der Uterusschleimhaut (=Endometrium)?

FSH = Follikel-stimulierendes

Hormon Reifung d Follikels

luteinisierendes Hormon= LH Eisprung, Bildung des

Gelbkörpers (= Corpus luteum)

„Haupthormone“

Follikel = Bläschen( Ei undumgebendeZellen)

FSH

Östradiol

Progesteron

Östradiol

LH

-

+14 Tage lang -

Ereignisse im Ovar: Follikelbildung, Eisprung, Gelbkörper

„Ruhe“zustand

(nach Blutung):

FSH-Freisetzung

nicht gehemmt

FSH stimuliert die

Follikelreifung

Follikel bildet

Östradiol

Östradiol fördert

LH-Freisetzung

positive

Rückkopplung

bis Eisprung

(Eitransport über

Eileiter zum Uterus)

Nach Eisprung wird

das Follikel zum

Gelbkörper und

produziert zusätzlich

Progesteron

Progesteron hemmt

FSH und LH

für 14 Tage.

Danach wieder FSH-

Freisetzung und

Follikelstimulierung

Ereignisse im Uterus

Östradiol (Östrogen) bewirkt Wachstum des Endometriums[proliferative Phase]

Progesteron führt zu Einbau von Drüsen ins Endometrium [sekretorische Phase]

Nach Follikeldegeneration fehlt Progesteron Ischämie des Endometriums Absterben/Abstoßung (Blutung)

Menstruationszyklus - Zusammenschau

1.) Nach der Blutung: FSH hoch, LH niedrig Follikel wächst heran und produziert geringe Mengen Östradiol

2.) Östradiol stimuliert die LH-Produktion, LH stimuliert die Östradiol-Produktion rasanter Anstieg beider Hormone

3.) Die sehr hohen LH-Werte führen zur Ovulation (Eisprung, Ei tritt aus dem Follikel und wird in den Eileiter geschwemmt)

4.) Follikel wandelt sich unter LH-Einfluss zum Progesteron-produzierenden Gelbkörper (Corpus luteum) um.

5.) Progesteron führt zu Temperaturanstieg um 0.5 °C



6.) Progesteron bewirkt über negative Rückkopplung denAbfall von LH und v.a. FSH. Dadurch wird die Reifung weiterer Follikel gehemmt.

7.) Die Lebensdauer des Gelbkörpers beträgt 14 Tage. Nach dem Absterben des Follikels ist die Progesteron-Produktion zu Ende.

8.) Der Progesteron-Abfall führt zu FSH-Anstieg, da dieHemmung wegfällt Reifung neuer Follikel


© S. Galler,

Salzburg

Die eigentliche Uhr des Zyklus sitzt im Ovar: Der Gelbkörper bildet 14 Tage lang Progesteron, das die Produktion von FSH und LH hemmt.Fällt Progesteron nach Degeneration des Gelbkörpers ab,steigt FSH an neue Follikel reifen heran

Ist Progesteron dauernd hoch (z.B. Schwangerschaft, bestimmte, seltene Formen der „Pille“) tritt kein Zyklus auf.

Die Zyklus-Uhr

Wird das Ei befruchtet, setzt es sich im Endometrium fest. Die Plazenta bildet das Hormon Choriongonadotropin, das u.a. die Lebensdauer des Follikels verlängert. Somit bleibt Progesteron hoch und hemmt die FSH-Freischüttung, wasdie Reifung neuer Follikel hemmt.


Befruchtung