Vorlesung GL der Biologie IA
Werbung
Vorlesung GL der Biologie IA Prof. Dr. Wilhelm Krek Institut für Zellbiologie ETH Zürich ETH Zürich, HS 2011 Informationen • Buch - Biology ‘Campell Reece (8th Edition)’ - Biologie (deutsche Uebersetzung; 8. Ausgabe) • Power Point Präsentationen - https://team.biol.ethz.ch/e-learn/default.aspx • Uebungen/Fragen (Mastering Biology) • Prüfung - Fragen über den Stoff der Kapitel 40-50 (Multiple choice; Textfragen; Abbildungen) - Grundlage englische Version Der menschliche Körper: ein integriertes System Der menschliche Körper: ein integriertes System Woche 1: • Einführung • Ernährung • Kreislauf Woche 3: • Chem. Signale • Hormon-bedingte Krankheiten • Osmoregulation • Fortpflanzung Woche 2: • Gasaustausch • Immunsystem • Hormone • Chem. Signale Woche 4: • Entwicklung • Neuronale Signale • Nervensystem • Sensorik Kapitel 40: Grundprinzipien tierischer Form und Funktion • Enge Beziehung von Struktur und Funktion • Körperbau hängt ursächlich mit Körperfunktion zusammen • Regulation des ‚Inneren Milieus‘ • Gewinnung von chemischer Energie durch Aufnahme von Nahrung Kapitel 40: Grundprinzipien tierischer Form und Funktion • Enge Beziehung von Struktur und Funktion (tierische Gewebe) • Körperbau hängt ursächlich mit Körperfunktion zusammen • Regulation des ‚Inneren Milieus‘ • Gewinnung von chemischer Energie durch Aufnahme von Nahrung Kapitel 40: Organisations- und Funktionseinheiten bei Tieren • Tiere bestehen aus verschiedenen Zelltypen, nehmen spezielle Aufgaben wahr • Spezialisierte Zellen sind zu Geweben zusammengefasst • Gewebe sind zu spezifischen Funktionseinheiten den Organen zusammengefasst • Organe haben eine arbeitsteilige Organisation und arbeiten Gruppenweise als Organsysteme zusammen Gewebetypen • Gewebe enthalten verschiedene hochspezialisierte Zelltypen • Gewebe werden durch extrazelluläre Matrices oder Zell-Zell Kontakte zusammen gehalten. 1. Epithelgewebe: 2. Bindegewebe: 3. Nervengewebe: 4. Muskelgewebe: Abschlussgewebe der Oberflächen mit Basalmembranen Füll- und Verbindungsgewebe Setzt Stimuli von Aussen in Botschaften für Innen um. Transportfunktionen Kapitel 40: Struktur und Funktion von Epithelgeweben Prismatische Epithelien Mehrschichtige, Plattenepithelien (Sekretion und Resorption) (laufende Nachbildung durch mitotische Zellteilung, mech. beanspruchte Oberflächen wie Haut) Basalmembran Kubische Epithelien Einfache Plattenepithelien (Sekretion, bilden die Wand der Nierentubuli) (relative durchlässig, bilden die Innenwand der Blutgefässe) Prismatische Epithelien Mehrschichtige, prismatische Epithelien (innere Oberfläche der Harnröhre) Kapitel 40: (kleiden den Darmtrakt aus, sezernieren Verdauungssäfte und Resorbieren Nährstoffe) Epithelien: immunohistochemische Betrachtung Einschichtig kubisch (Nierentubuli) Einschichtig prismatisch (Darmtrakt) Kapitel 40: Epithelzellen besitzen Polarität Bindegewebe • Hauptfunktion ist andere Gewebe zu verbinden und zu stützen • Bindegewebe besitzen nur eine spärliche Population von Zellen die in einer extrazellulären Matrix (Grundsubstanz) verstreut ist Kapitel 40: Hauptbindegewebstypen Lockeres Bindegewebe: befestigt Epithelien an darunterliegenden Geweben, fungiert als Füllmaterial, beinhaltet Fibroblasten und Makrophagen (Abwehr) Fettgewebe: besteht aus Fettzellen (Adipocyten), speichert energiereiche Fettmoleküle, Isolation Straffes Bindegewebe: hält Zugbelastungen aus, Sehnen die Muskeln an Knochen fixieren, Bänder die über die Gelenke knochen verbinden Kapitel 40: Hauptbindegewebstypen (cont’d) Knochen: mineralisiertes Bindegewebe, Osteoblasten (knochenbildende Zellen) bilden Matrix aus Kollagen und scheiden Calciumphosphat aus Knorpel: Chondrocyten sondern Kollagen und Chondroitinsulfat ab, diese Eigenschaft macht festes aber dennoch flexibles Stützmaterial Verschiedene Bindegewebe Bindegewebe: immunohistochemische Betrachtung Fettgewebe Knorpel Lockeres Bindegeweb. Straffes Bindegeweb. Kapitel 40: Bindegewebe besteht aus Protein Drei Fasertypen: - Kollagenfasern (Kollagen, hohe Reissfestigkeit, beim Hochziehen der Haut verhindert Kollagen dass sich das Fleisch vom Knochen löst) - Elastische Fasern (Elastin, sehr dehnbar im Gegensatz zu Kollagen dass sich der Dehnung wiedersetzt, glättet Haut nach hochziehen) - Reticuläre Fasern (Kollagen, sehr verzweigt, Netzwerk mit Kollagenfasern, verbindet Bindegewebe mit benachbarten Geweben) Kapitel 40: Muskelgewebe • Besteht aus langen, erregbaren Zellen • können sich kontrahieren • Cytoplasma enthält zahlreiche Myofibrillen (Actin und Myosin) • grosser Teil des Energieverbrauchs der Zellen für die Muskelkontraktion Kapitel 40: Typen von Muskelgewebe Skelettmuskulatur: über Sehnen mit den Knochen verbunden, für willkürliche Bewegungen verantwortlich, Ansatzstelle am Skelettsystem, Erwachsene haben eine feste Anzahl von Muskelzellen. Herzmuskulatur: bildet die kontraktile Herzwand, quergestreift wie die Skelettmuskulatur, aber: Herzzellen sind verzweigt, Zellenden verbunden über Glanzstreifen, übertragen während des Herzschlags Signale von Zelle zu Zelle. Glatte Muskulatur: Wände von inneren Organen (Magen, Darm, Blutgefässe), sind spindelförmig, unterliegen keiner bewussten Kontrolle (kein Einfluss auf die Kontraktionsgrad von Arterien) Glatte und quergestreifte Muskeln Kapitel 40: Die kontraktilen Gewebe Skelettmuskel, Glattmuskel und Herz Kapitel 40: Organisations- und Funktionseinheiten bei Tieren • Tiere bestehen aus verschiedenen Zelltypen, nehmen spezielle Aufgaben wahr • Spezialisierte Zellen sind zu Geweben zusammengefasst • Gewebe sind zu spezifischen Funktionseinheiten den Organen zusammengefasst • Organe haben eine Arbeitsteilige Organisation und arbeiten Gruppenweise als Organsysteme zusammen Kapitel 40: Organsysteme von Säugern: Arbeitsteilung Verdauungssystem: Nahrungsaufnahme und Verarbeitung, Nährstoffe-, Energie und Baustoffe Gasaustausch: Oxidative phosphorylierung 18 x mehr Energie/Zucker als Glykolyse Transport Blut: Nährstoffe, Abfallstoffe, Hormone, Wärme, Erythrozyten, Leukozyten, Lymphozyten, CO2, Lymphorgane: Transport von und Reifung von weissen Blutzellen, Lagerung von Immunzellen, Fetttransport Nerven: Kommunikation mit Umwelt, Informationsspeicher Endokrines System: chem. Hormonsignale für die Regulation der Homöostase, Regulation des Wachstums Kapitel 40: Organsysteme von Säugern: Arbeitsteilung (cont’d) Ausscheidungssystem: Entsorgung von nicht verwertbaren Metaboliten, Wasser und Elekrolythaushalt Haut: Schutz vor Verletzungen Skelett: stützt Körper und erhält die Gestalt Muskeln: Bewegung von Skelettmuskeln, Herz und glatter Muskulatur Fortpflanzungsorgane: sichern überleben der Spezies Kapitel 40: Organsysteme der Säugetiere und ihre wichtigsten Komponenten 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Verdauungssystem: Mundhöhle, Magen, Darm Zirkulationssystem: Herz, Blut, Gefässe Atmungssystem: Lungen, Tracheen Abwehrsystem: Immunsystem und Lymphsystem Ausscheidungssystem: Nieren, Harnleiter, Blase Hormonsystem: Hypophyse, Schilddrüse, Pankreas, u.a. Fortpflanzungssystem: Ovarien, Hoden Nervensystem: ZNS (Hirn, Rückenmark) PNS, Sinnesorgane Schutz: Haut und Hautanhänge Stützsystem: Sekelett (Knochen, Sehnen) Fortbewegungssystem: glatte und quergestreifte Muskeln. Kapitel 40: Grundprinzipien tierischer Form und Funktion • Enge Beziehung von Funktion und Struktur (tierische Gewebe) • Bauplan eines Tieres hängt ursächlich mit der Körperfunktion zusammen • Regulation des ‚Inneren Milieus‘ • Gewinnung von chemischer Energie durch Aufnahme von Nahrung Kapitel 40: Unterschiedliche Form, gleiche Herausforderungen • Anatomie ist die Untersuchung der biologischen Form eines Organismus • Physiologie ist die Untersuchung der biologischen Funktion, die ein Organismus erfüllt • Vergleichende Untersuchungen von Tieren machen deutlich, dass Form und Funktion oft eng miteinander verknüpft sind • Größe und Gestalt eines Tieres beeinflussen ganz entscheidend die Art und Weise, wie ein Tier mit seiner Umwelt in Wechselbeziehung tritt • Im Lauf der Evolution haben sich viele verschiedene Körperbaupläne entwickelt und sind im Genom programmiert Grösse und Körperbau beeinflussen Energie und Stoffaustausch mit der Umwelt Körper des Tieres muss so konstruiert sein, dass jede seiner lebenden Zellen im wässrigen Milieu badet Für einfach gebaute Organismen: Diffusion um effizienten Energie und Stoffaustausch zu gewährleisten (aquatische Einzeller) Diese physikalischen Gegebenheiten Schränken die Grösse von Einzellern ein Kapitel 40: Vielzelliger Süsswasserpolyp: Hydra Geformt wie ein Sack Besteht aus einer Zellwand die nur zwei Zellschichten dick ist Äussere und innere Zellschicht hat direkten Zugang zum Aussenmilieu Gerichtete Diffusion noch möglich Kapitel 40: Logistik des Stoffaustauschs in komplexen Organismen Nahrung O2 und CO2 Austausch: Luftröhre Lunge. Schutzsystem: Haut Gasaustauschsystem: Gaswechsel in der Lunge Zirkulationssystem: Herz und Blutgefässe Verdauungssystem: Aufnahme von Nährstoffen im Magen Darm Kanal Exkretionssystem: Nieren,Schweissdrüsen Unverdauliche Bestandteile verlassen den Körper durch Anus Metabolischer Abfall: Entsorgung durch Urin Kapitel 40: Sackförmige oder flache Körperkonstruktionen - bringen grosse Oberfläche in direktem Kontakt mit dem Aussenmedium (z. B. Amöbe) - erlauben geringe Komplexität der inneren Organisation Äussere Oberfläche klein in Vergleich zum Körpervolumen (die meisten Tiere) - Austauschoberfläche ins Innere der Tiere verlegt - interne Oberflächen die auf Austauschprozesse mit der externen Umwelt spezialisiert sind - Faltung/Verzweigung schafft Oberflächenvergrösserung - Kreislaufsystem transportiert Stoffe Kapitel 40: Vorteile der komplexen Körpergestalt - Aussenhaut schützt vor Austrocknen - Zellen schwimmen in extrazellulärer Flüssigkeit von konst. Zusammensetzung (Erhaltung des Fliessgleichgewichts) Kapitel 40: Grundprinzipien tierischer Form und Funktion • Enge Beziehung von Funktion und Struktur • Bauplan des Tieres hängt ursächlich mit Körperfunktion zusammen • Regulation des ‚Inneren Milieus‘ • Gewinnung von chemischer Ernergie durch Aufnahme von Nahrung Kapitel 40: Physiologisches Gleichgewicht : Homöostase Homöostase ist ein dynamischer Prozess, ein Zusammenspiel von äusseren Kräften die dazu tendieren dass innere Milieu zu verändern und innere Kontrollmechanismen, die sich solchen Veränderungen widersetzen. Homöostase beruht auf Regelkreise. Kapitel 40: Warum ist Homöostase wichtig Organe/Organsysteme können nur unter optimalen Bedingungen ihre Funktion ausüben wie z. B. bei konstanter 1. Temperatur 2. Sauerstoffkonzentration 3. pH Wert 4. Elekrolytgehalt der Körperflüssigkeiten Diese Prozesse müssen dauernd überwacht werden mit Hilfe von Sensoren (Sinnesorgane, Hirn) und Korrekturen werden übermittelt (Nervensystem, Hormonsystem). Kapitel 40: Beispiel: Glukose-Homöostase Kapitel 40: Erhaltung des konstanten internen Milieus durch Rückkopplungs Mechanismen Homöostatische Kontrollsysteme bestehen aus drei Komponenten: 1. Rezeptor: verarbeitet Umweltsveränderung in Erregungssignal 2. Kontrollzentrum: verarbeitet das Signal in zweckmässigen Befehl zur Reaktion 3. Effektoren: Setzen den Befehl so um, dass das Fliessgleichgewicht nicht gefährdet wird. Kapitel 40: Regelkreise für die Erhaltung der konstanten Körpertemperatur Temperatur zu hoch: Schwitzen erzeugt Verdunstungskälte und Körpertemperatur sinkt (Entsorgung metab. Wärme). Temperatur zu niedrig: periphere Gefässe kontrahieren und Wärmeverlust an Umgebung reduziert. Kapitel 40: Grundprinzipien tierischer Form und Funktion • Enge Beziehung von Funktion und Struktur • Körperbau hängt ursächlich mit Körperfunktion zusammen • Regulation des ‚Inneren Milieus‘ • Gewinnung von chemischer Energie durch Aufnahme von Nahrung Kapitel 40: Gewinnung von chemischer Energie durch Aufnahme von Nahrung • Alle Organismen benötigen chemische Energie für Wachstum, physiologische Prozesse, etc. • Tiere sind heterotroph - hängen von chemischer Energie ab, die mit der Nahrung aufgenommen wird (Energiewährung ATP) • Energiefluss und Umwandlung von Energie bestimmen den Nahrungsbedarf eines Tieres und stehen mit seiner Größe und Aktivität sowie mit seiner Umwelt in Beziehung Kapitel 40: Quantifizierung des Energieverbrauchs • Die Energiemenge, die ein Tier pro Zeiteinheit verbraucht, wird als seine Stoffwechselrate bezeichnet • Die Stoffwechselrate lässt sich anhand der Sauerstoffmenge oder der Kohlendioxidmenge bestimmen, die im Rahmen der Zellatmung aufgenommen beziehungsweise abgegeben wird Minimale Stoffwechselrate und Thermoregulation • • • • • Endotherm (Vögel, Tiere): Körper wird mittles Stoffwechselwärme geheizt; grosser Energieaufwand Ektotherm (Fische Amphibien): können nicht genügend Stoffwechselwärme produzieren; kleiner Energieaufwand Die minimale Stoffwechselrate eines nicht wachsenden Endothermen, der in Ruhe ist, einen leeren Magen hat und keinem Stress ausgesetzt ist, wird als Grundumsatz (BMR) bezeichnet Die Stoffwechselrate eines nüchternen, nicht gestressten Ektothermen bei einer bestimmten Temperatur wird als seine Standardstoffwechselrate (SMR) bezeichnet Ektotherme haben eines sehr viel geringeren Energiebedarf als Endotherme von vergleichbarer Größe Grösse und Aktivität beeinflussen Stoffwechselraten Stoffwechselrate pro Gramm Körpergewicht ist umgekehrt proportional zur Körpergrösse Beispiel: jedes Gramm von einer 5 Gramm leichten Spitzmaus verbraucht 100 x mehr Energie als jedes Gramm eines vier Tonnen schweren Elephanten Welcher physiologische Grund steckt dahinter? Grösse und Energiestrategie bestimmen Energieaufwand Höhere Stoffwechselrate verlangt erhöhte Sauerstoff und Nahrungsversorgung (höhere Atemfrequenz, relativ grösseres Blutvolumen, rascheren Puls, viel mehr essen pro Einheit Körpermasse) Kapitel 40: Grösse und Energiestrategie bestimmen Energieaufwand Menschenfrau: grosser Teil des Energiehaushalts für Ruhestoffwechsel Pinguin: grosser Teil des Energiehaushalts für Aktivität (schwimmen) Maus: grosser Teil des Energiehaushalts für Temperaturregelung Kapitel 40: Torpor und Energiesparen • Torpor ist ein physiologischer Starrezustand, bei dem das Aktivitätsniveau niedrig ist und die Stoffwechselrate sinkt • Torpor ist eine Anpassung, die Tieren erlaubt, Energie zu sparen, während sie schwierige und gefährliche Umweltbedingungen meiden • Überwinterung oder Winterschlaf ist ein längerfristiger Torporzustand, der eine Anpassung an winterliche Kälte und Nahrungsknappheit darstellt Bioenergetik eines Tieres: Ueberblick Kapitel 40: