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Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 5. Oktober 2004 Physiologie (Gerhard Smekal) „Lehrbuch der Physiologie“ (Thieme; Rainer Klinke, Stefan Silbernagl) „physis“ (griech.) = Natur „logos“ = Lehre Physiologie ist also die Wissenschaft von der Funktionsweise lebender Organismen und Organsysteme. Sie umfasst normale Lebensvorgänge einschließlich der Muskel-, Neuro-, Kreislauf-, Sinnes- und Arbeitspysiologie. DIE MUSKULATUR: = Arbeitsorgan der Bewegung Formen: 1.) Skelettmuskulatur (Aktin- und Myosinfilamente sind streng geordnet, daher: Querstreifung) 2.) Glatte Muskulatur (strenge Ordnung fehlt bzw. ist kein hohes Ordnungsprinzip in der Anordnung der kontraktilen Proteine vorhanden; daher: keine Querstreifung; z.B.: Magen-Darm-Trakt) 3.) Herzmuskulatur (eigene Gesetzmäßigkeiten) ad 2) Sie enthält mehr Aktin als die Skelettmuskulatur. Außerdem finden sich hier Vernetzungspunkte der Aktinfilamente (= „dense bodies“) 1 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 „Dense patches“ sind Aufhängungspunkte des Aktins an die Muskelzelle. Kontraktionen sind Einziehungen der Zellmembran. z.B.: Darm, Eingeweide, Blutgefäße, Darmperistaltik, - Veränderung der Gefäße 2 Typen: a.) Single – unit Typ b.) Multi – unit Typ ad a) - größere Funktionen durch Verbindungsstellen (= „Gap junctions“) - viele vegetative Nervenfasern steuern den Muskel - Die Erregung breitet sich von der glatten Muskelzelle auf benachbarte Zellen aus ad b) - es gibt nur wenige vegetative Fasern - der Zellverband reagiert wie eine einzelne Einheit - besteht aus Einzeleinheiten - die Kontraktion erfolgt nur über relativ kurze Strecken - Vorkommen: glatte Muskulatur in Gefäßen Tonus – Steuerung: Nervös (Sympathicus, Parasympathicus) Humoral (Beispiel : Östrogen – kontrahierend Progesteron – stabilisierend) WEITERLEITUNG EINER ERREGUNG: Das geschieht im Bereich der motorischen Endplatten (Ende von NZ) Ein Impuls aus dem Rückenmark wird ausgesandt 2 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Acetylcholin (Überträgersubstanz) wird aus den Vesikeln (Bläschen) freigesetzt es kommt zu einem Endplattenpotential Sobald das Acetylcholin ausgeschüttet ist, reagieren die Rezeptoren (Sensoren) darauf und der chemische Impuls wird in den Endplatten wieder in einen elektrischen umgewandelt. Dadurch wird wieder Acetylcholin frei usw. (Acetylcholin ausgeschüttet – Rezeptoren reagieren – chemischer Impuls in elektrischen umgewandelt – Acetylcholin frei usw.) Muskelfaser = Muskelzelle 2 tubuläre Systeme (Röhrensysteme) transversale longitudinale (Gegenrichtung) (in der Richtung der Muskelfaser) Diese berühren sich im Bereich der Terminalzysterne. Ca2+ Ca2+ Querstreifung: 2 Arten von kontraktilen Proteinen: Aktin und Myosin Die kleinste Einheit ist ein Sarkomer (Abschnitt zwischen 2 Z-Streifen) Gerüstprotein (durchzieht die Muskulatur) 3 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Muskel: Z – Streifen I – Band (Aktin) A – Band (beide) H – Band (Myosin) I – Band Z – Streifen SARKOMER: Z – Streifen Ruhezustand !!! Faserverkürzung Kontraktion !!! Die elektrischen Impulse werden über transversale Tubuli zu den longitudinalen geleitet. Die Folge davon: Calcium wird freigegeben und kommt zu den Aktin- und Myosinfilamenten (für die Kontraktion) Myosin besteht aus Myosinhals und Myosinkopf. Bei der Kontraktion lagern sich die Myosinköpfe an das Aktin. Im Ruhezustand gibt es keine Verbindung, weil der Tropomyosinfaden dazwischen ist. 4 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Durch Calcium wird der Tropomyosinfaden verschoben, sodass eine Berührung möglich wird. Wirkungsweise von Calcium in den Myofibrillen a) Brückenbildung (1. Phase) von Myosin und Aktin b) Aktivierung des Enzyms Myosin-ATP-ase (dieses ATP wird gespalten in ADP und Phosphat, da das ATP nur in sehr geringen Mengen gespeichert werden kann. Dabei wird Energie frei. c) Aktivierung des Enzyms Phosphorylase (für die Spaltung von Muskelglykogen und die ATP – Resynthese) Hauptspeicherform von Glukose Skelettmuskulatur kurz (7ms) Herzmuskel 100ms Glatte Muskulatur große Unterschiede: 0,5 – 2s 1.) Skelettmuskel (AP) 2.) Mechanogramm (Kraft) 3.) Herzmuskel (AP) Die Kontraktionszeit hängt von verschiedenen Faktoren ab: a) Muskelart b) Nervöse Steuerung c) Muskelfasertyp usw. 5 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Für die Erschlaffungszeit gelten etwa die gleichen Werte. Eine schnelle Muskelfaser kontrahiert sehr schnell, erschlafft aber auch wieder sehr schnell. EINZELZUCKUNG: Ausgelöst durch ein einzelnes Aktionspotential (Natrium und Kalium werden an die Membranen verschoben) Dauer: wenige ms am Skelettmuskel ... führt zu partieller Depolarisation (nur ein kleiner Teil im Muskel wird angesprochen) TETANISCHE ZUCKUNG: Mehrere APs folgen rasch hintereinander auf derselben Muskelfaser Dadurch entstehen verschiedene Kontraktionsmuster: a) unvollständig (niederfrequent) b) vollständig (mittelfrequent) c) vollständig (hochfrequent; viele Muskelfasern werden gleichzeitig erregt) Durch Übereinanderlagerung verschmelzen ausgelöste Kontraktionen. Die vom Muskel entwickelte Kraft steigt mit der Frequenz des AP bis auf das 5 – 10fache einer Einzelzuckung. URSACHEN für tetanische Zuckungen: - intrazellulär werden Calciumionen freigesetzt - sehr rasch folgen mehrere APs: Zwischenzeit reicht nicht aus, die Calciumionen aus dem Sarkoplasma zu entfernen. Die Calcium – Ionenkonzentration steigt daher stufenweise an. 6 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Man unterscheidet: a) tetanische Kontraktion b) Tetanie (= Überregbarkeit des ZNS durch Absinken des Calciumspiegels) c) Tetanus (= Muskelkrämpfe im Rahmen einer Tetanus – Infektion: durch Bakterien werden Muskelzellen beschädigt) 12. Oktober 2004 Vorlesung: Physiologie (Gerhard Smekal) Skriptum: 5 Euro (66 Seiten) Ruhedehnungskurve des Muskels: Wenn der Muskel nicht erregt ist, nimmt die Dehnbarkeit des Muskels mit zunehmender passiver Dehnung ab. Die Ruhedehnungskurve ist also jene Kurve, die die Beziehung zwischen dehnender Kraft (Spannung) und der Muskellänge darstellt. Passive Muskellänge Dehnung Der kontraktile Apparat ermöglicht eine Kraftentwicklung, aber auch eine Verkürzung 7 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 KONTRAKTIONSFORMEN: a.) isometrische Kontraktion: - Muskellänge bleibt konstant (Verschiebung der Myosinfilamente findet nicht statt) - Muskelenden sind fixiert - Ausschließlich Kraftentwicklung - Nur die Spannung ändert sich - Einzelne Abschnitte der Querstreifung bleiben unverändert - Es kkommt zu einer Drehung des Myosinkopfes und –halses. b.) isotone Kontraktion: - Muskelenden sind nicht fixiert - Es kommt zu einer Verkürzung der Muskelfasern ( Länge reduziert sich) - Spannung bleibt konstant - Gelenkbewegungen verändern häufig die Länge der Hebelarme und dadurch die Kraftentwicklung c.) auxotone Kontraktion: - Muskellänge und Muskelkraft ändern sich gleichzeitig - Positive auxotone Kontraktion: mit der Verkürzung steigt die Kraft UNTERSTÜTZUNGSZUCKUNG: 2 Phasen: 1.) isometrisch (isovolumetrisch – auf das Herz bezogen) 2.) isoton oder auxoton Beispiel: Aufheben eines Gewichtes vom Boden, Systole des Herzens ANSCHLAGZUCKUNG: (Gegenteil) 1.) isotone Phase 2.) isometrische Phase 8 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Beispiel: Kieferschluss mit der sich daran anschließenden Entwicklung des Kaudrucks. MUSKELFASERTYPEN: Einteilung: 1.) nach funktionellen Gesichtspunkten (langsam, schnell) 2.) nach der Morphologie 3.) nach biochemischen und biohistologischen Gesichtspunkten (hell, dunkel) 4.) nach neurophysiologischen Gesichtspunkten (schneller-, langsamer leitend) ad 1) Einteilung: Schnell Intermediär Langsam zuckend zuckend (= FT: fast twitch) (= ST: slow twitch) Kontraktion Schnell Mittel Langsam Relaxation Schnell Mittel Langsam Kraft Hoch Mittel Gering Ermüdung hoch Mittel gering Die Anzahl der schnellen und langsamen Muskelfasern ist genetisch bedingt. ad 2) Einteilung: ST FTa FTb Farbe Rot Weiß/rot Weiß Faserdurchmesser Klein Mitel Groß Kapillare/mm2 Viele Mittel Wenige Mitochondriendichte Hoch Mittel Gering Sarkoplasmatisches Hoch ausgeprägt Mittel ausgeprägt Stark ausgeprägt Redikulum 9 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Langsame Muskelfasern können viel mehr Sauerstoff verarbeiten, weil sie viele Kapillare und eine hohe Mitochondriendichte haben (das ist gut trainierbar). Viele Mitochondrien: viel verbrennen ZUSAMMENHANG zwischen MAXIMALER SAUERSTOFFAUFNAHME und MUSKELFASERZUSAMMENSETZUNG: (Aussagekraft für aerobe Kapazität) Sauerstoffaufnahme/-transport/-verwaltung: Lunge Herz-KRL Muskulatur Sauerstoff Blut Je mehr Blut vorhanden ist, desto höher ist die Sauerstofftransportkapazität. Mit Sauerstoff wird Wärme und Arbeit produziert und CO2 wird frei. Lunge: Herz: Muskulatur: Ventilation HMV Mitochondrienzahl Diffusion Blutverteilung Enzymbesatz Perfusion Körperposition usw. Die höchste max. Sauerstoffaufnahme haben Radfahrer und Langläufer. 10 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 ENERGETIK / MUSKELSTOFFWECHSEL: Kreatinphosphat Kreatin ADP ATP KH (anaerob) Laktat KH (aerob) H2O + CO2 Fette H2O + CO2 Proteine H2O + CO2 Fette ENERGIE KH (aerob, anaerob) Phosphate Gleichgewicht zwischen Verbrauch und Zufuhr muss herrschen: Energiebilanz Nährstoff Flüssigkeitsbilanz Vitaminbilanz ad 1) Die Produktion von mechanischer Energie (Umsetzung von Nahrungsenergie) ist Voraussetzung jeder physischer Arbeit. Eine negative Energiebilanz führt zu einer verminderten Leistungsfähigkeit und zu gesundheitlichen Problemen. 24h Energieverbrauch: total energy expenditure 11 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 a.) GRUNDUMSATZ: = Ruheenergieverbrauch (REE = resultung energie expenditure) = etwa 60 – 70% des Gesamtenergieverbrauches (Nicht-Sportler) b.) KÖRPERLICHE AKTIVITÄT c.) ARBEITSINDUZIERTE THERMOGENESE: (AEE = activity related energy expenditure) 20 – 30% des Gesamtenergieverbrauches d.) NAHRUNGSINDUZIERTE THERMOGENESE: (DIT = diet induced thermogenese) 5 – 15% des GEsamtunsatzes ad a) GRUNDUMSATZ: = Energiemenge, die nötig ist, um den Körper in absoluter Ruhe über einen Zeitraum von 24h energetisch zu versorgen (Herztätigkeit, Atmung, ...) Faustregel: 1kcal pro Stunde pro kg Körpergewicht Magere: tatsächliches Gewicht Übergewichtige: Normalgewicht Beispiel: 55kg Körper-Magergewicht 55 x 1kcal x 24h = 55 x 24 = 1320 kcal Grundumsatz Der Grundumsatz ist abhängig von: Wärmeproduktion Aufrechterhaltung von Herzfunktion, Atmung, Nieren- und Hirntätigkeit usw. 12 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Einflussfaktoren - Geschlecht (Männer: höher) - Hormone (Schilddrüsenhormon, Leptin, Adrenalin, Noradrenalin,..) - Klima - Ernährungsgewohnheiten (beim Fasten: niedriger, bei Überernährung: höher) - Alter (sinkt mit zunehmendem Alter) EINHEIT: Eigentlich Joule (J) oder Kilojoule (kJ) 1kJ = Energie, die man braucht, um 1kg in 1 Sekunde 1 Meter hoch zu heben. „Kalorie“ = Energiemenge, um 1 Gramm Wasser von 14,5° C auf 15,5° C (also um 1° C) zu erwärmen. UMRECHNUNG: 1 kcal = 4,185 kJ ENERIEGEHALT: 1 Gramm Energiegehalt Kcal Protein 17,18 4,1 KH 17,18 4,1 Fett 38,97 9,3 Alkohol 29,75 7,1 Neben Fetten der energiereichste Nährstoff Grundumsatz ist nach körperlichen Aktivitäten oft noch Stunden später erhöht. 13 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 19. Oktober 2004 Vorlesung: Physiologie (Gerhard Smekal) ATP ist nur sehr wenig in der Muskulatur vorhanden (nur für 3 Muskelkontraktionen ausreichend). Daher muss es ständig resynthesiert werden (durch Kreatinphosphat: auch sehr geringer Speicher) KH (anaerob): auch, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, kann man Energie daraus erhalten. Alle anderen Substrate kann man nur verbrennen (Fette, Eiweiß, …) Durch Laktat kann man messen, wann der Körper von der aeroben auf die anaerobe Kapazität zugreifen muss. Die Belastungsintensität wird über einen gewissen Zeitraum gehalten (durch aerobe Kapazität). 3 Grundsubstanzen: Fette Fettsäuren Eiweiß Aminosäuren werden in den Mitochondrien oxidiert KH Glykogen Bei der Oxidation entstehen Wasserstoffatome (in der Atmungskette). Laktat kann man mit genügend Sauerstoff wieder reoxidieren (zu Pyruvat) Radfahren hohes Lactat Arbeit mit den Armen dazu Lactat sinkt (wurde reoxidiert) 14 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Energieträger: 1. ) Kohlenhydrate: Muskelglykogen: Hauptspeicherform Menge: 1200 – 2000 kcal Allerdings ist diese Menge im gesamten Körper vorhanden, nicht speziell in den Beinen, z.B., wo es für einen Marathon benötigt werden würde. Der Körper kann sich das Glykogen aber nicht von anderen Körperteilen holen. Deshalb gibt es noch einen zweiten Glykogenspeicher, nämlich in der Leber: Leberglykogen. (Menge: 200 – 450 kcal) (123 kcal werden oxidiert) Tracer – Studie: Jede Minute sollte man 2g KH zuführen, um die optimale Oxidationsrate zu erreichen. Man kann das Glykogen im Muskel vollständig entladen, auch in der Leber, dann greift der Körper auf en Blutzucker zurück (Schwindelgefühl) Muskelglykogen: aerob 36 mol ATP anaerob 2 mol ATP Resynthese geht sehr langsam 2.) Fette: Der Fettstoffwechsel geht wesentlich langsamer als der Kohlenhydratstoffwechsel vor sich. 15 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal - Sternchen 2016 Die Fette bilden mit Abstand das größte Energiedepot im menschlichen Organismus - Fett ist das effezienteste Energiedepot-substrat im Organismus (mehr als 2x soviel Energiegehalt wie KH und Proteine; 1g Fett = 9kcal; 1g KH und Protein = 4,1kcal) Beispiel: 70kg schwerer Mann (mit Körperfettanteil von 15%): eine Fettmenge von 10,5 kg also eine Gesamtenergiemenge von 94500 kcal. Dazu kommt jene Menge an Triglyceriden, die intramuskulär gespeichert sind. Formen der „intramuskulären“ Fette: - Fetttröpfchen, die in den Muskelfasern gelagert sind (an den Mitochondrien) - Fettzellen zwischen den Muskelfasern 3.) Proteine: Bei einem 70kg schweren Mann ist mit einer Gesamtproteinmenge von etwa 12kg zu rechnen (Muskelgewebe, Enzyme, Hormone, Membrane, rote Blutkörperchen, Hirnzellen, ...) Sie sind also größtenteils funktionell gebunden. Hauptvorkommen ist somit das Muskelgewebe. Die Skelettmuskulatur macht etwa 40 – 45% der Körpermasse aus. Für einen 70kg schweren Mann enthält die Muskulatur etwa 7kg Protein (vor allem im kontraktilen System) Freie Aminosäuren kommen vor allem im Muskel (ca. 120g) vor, nur 5g zirkulieren im Blut. 16 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Aminosäure-Pool: freie Aminosäuren in Körpergeweben und Körperflüssigkeiten. Er wird 3 – 4x pro Tag erneuert. Mit der Nahrung AS-Umwandlung in KH u. zugeführtes Protein Fette Speicherung bzw. Aminosäuren (auch von Proteinen nimmt man zu) AS – POOL AS für Energieproduktion Körpereiweiß z.B.: Leucin, Isoleucin, Valin v. a. in Muskulatur (Krafttraining) (verzweigt kettige AS ; mind. 6 AS) weiters : Plasmaeiweiße, Hormone.. Der Zugriff auf Eiweiß ist hoch, - wenn man zu wenig zu sich nimmt - wenn zu wenig KH vorhanden sind Wenn man in diesem Zustand Sport betreibt, werden Proteine von den Muskeln benötigt. Wie schnell erhält man Energie aus den Substraten? - Energetische Phosphate: schnell, aber nur sehr kurz wirksam (Gewichtheber) 17 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Veränderungen in der Muskelzelle: - Vermehrung der Mitochondriendichte - Vermehrung des Mitochondrienvolumens - Aktivitätssteigerung der aerob wirksamen muskulären Enzymen (in der Atmungskette) - Erhöhung der Sensitivität der ß-Rezeptoren (im Fettgewebe, im Muskel: intramuskuläre Triglyceride) - Erhöhung der Beschleunigung des Zugriffs auf intramuskuläre Triglyceride - Verbesserung der Vascularisierung (von mehr Gefäßen versorgt) der Muskelzelle Folge: Verbesserung der lokalen Durchblutung, Erhöhung der Kontaktoberfläche, Erhöhung der O2 – transit – time (Zeit, um Sauerstoff aus dem Gefäß zu holen) 9. November 2004 Vorlesung: Physiologie (Gerhard Smekal) Hormone: Definition: Hormone sind körpereigene Stoffe, die vom endokrinen Gewebe produziert werden und über den Kreislauf zu den Erfolgsorganen gelangen. Sie sind chemische Botenstoffe, die die Steuerung von Organen übernehmen. 18 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Sie sind an der Aufrechterhaltung des inneren Milieus, das gesamte innere Milieu wird durch sie gesteuert (z.B.: Wasserhaushalt, Energiehaushalt, Blutzuckerspiegel, Herz usw.) und der Koordination mehrerer Organe (nicht nur ein Organsystem) zu einer bestimmten Leistung beteiligt. Für die Regulation der Hormonausschüttung gibt es: Einfache Regelkreise: Beispiel: Blutzuckerhaushalt: Kohlenstoffreiche Nahrung wird zerlegt Glukose (Endbaustein) wird resorbiert gelangt ins Blut ist dann mit erhöhtem Blutzucker angereichert gelangt in die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) dort produzieren die Zellen Insulin dadurch wird der Zucker gesenkt darauf reagiert die Bauchspeicheldrüse wieder: Insulin-Sekretion wird gestoppt. Mehrkettige Regelkreise: Die Hyposphyse (mit dem Großhirn verbunden) produziert viele Hormone diese Hormone gelangen in die periphere Drüse diese produziert Hormone (mit der entsprechenden Wirkung) wenn die Zielsetzung erreicht ist, wird der Hormonspiegel gesenkt. All diese Regelkreise unterliegen nervösen Steuerungen. Der Hypothalamus: Die Hypothalamusregion liegt im Zwischenhirn und ist sozusagen ein übergeordnetes Zentrum im endokrinen System. 19 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Der Hypothalamus und die Hypophyse (Hirnanhangsdrüse; erbsengroß) sind ein funktionelles System und bilden eine Einheit. Sie produzieren Hormone, die auf andere endokrine Drüsen einwirken (Releasing – Hormone). Die Hormone der Hypophyse: a.) Hypophysen Vorderlappen (HVL) = Adenohypophyse b.) Hypophysen Hinterlappen (HHL) = Neuro-Hypophyse Hormone des Hypothalamus: 1) Bildung von Hormonen, die zum Hinterlappen wandern und dort gespeichert werden: Adiuretin und Oxytocin 2) Bildung von Hormonen, die auf dem Blutweg zum HypophysenVorderlappen gelangen und dort die Hormonausschüttung regulieren („Releasing-Hormone“) Wenn die Ausschüttung der HVL – Hormone groß genug ist, kommt es zu keiner weiteren Ausschüttung der Releasing-Hormone mehr. a.) Hormone des Hypophysen-Hinterlappens: Hormone: Adiuretin und Oxytocin (werden eigentlich in den hypothalamischen Regionen gebildet, wandern aber zur Hypophyse; dort erfolgt die Freisetzung durch hypothalamische Impulse) 20 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Adiuretin: Wirkung: Erhöhung der Wasser-Rückresorption (und damit der Na-Rückresorption) in die Niere Funktion: Regulierung des Wasserhaushaltes (sehr wichtig: es wird viel ausgeschieden) Steuerung: 1.) Durch Osmorezeptoren (Sensoren, die auf verschiedene Reize reagieren) (Lage im Hypothalamus) Schon bei der Erhöhung der Plasma-Osmolarität um 2% kommt es zu einer Erhöhung der Osmorezeptoren, einer Erhöhung der ADH-Sekretion. Gleichzeitig entsteht ein Durstgefühl und Wasser wird vermehrt zurückgehalten. Wenn die Osmolarität also steigt (z.B.: bei zu großer Hitze zu lange Sport betreiben), verändern sich Blut und Gewebe (verdicken sich). Es kommt zu einer Entladung der Rezeptoren, zu einer Ausschüttung von Adiuretin und somit wird Flüssigkeit zurückgehalten. 2.) Das EZF Volumen wird von Niederdruck- Dehnungsrezeptoren (in den Herzvorhöfen, in herznahen Venen und Pulmonalgefäßen = Lungengefäßen) Sehr wichtig für den Blutdruck: Wenn weniger Flüssigkeit vorhanden ist, sinkt der Blutdruck und Adiuretin wird ausgeschüttet. Somit wird auch diese Flüssigkeit zurückgehalten. 3) Hochdruck – Dehnungsrezeptoren (in Aortenbogen – im Herz - und Carotis-Sinus) (Hauptschlagader) 21 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Oxytocin: Wirkung: Aktivierung der Muskelzellen im Bereich Brustdrüse (für Milch – Ejektion = Milchabgabe) Aktivierung der Uterusmuskulatur (Oxytocin ist an der Auslösung der Wehen beteiligt) b.) Hypophysen – Vorderlappen (Adenohypophyse) Die Produktion der fünf bekannten HVL-Hormone unterliegt der Kontrolle des Hypothalamus. (über Releasing-Hormone gesteuert) Hormone: 1.) STH = Somatropes Hormon 2.) ACTH = adenocorticotropes Hormon (auch: Corticotropin) 3.) TSH = Thyreoidea stimulierendes Hormon (auch: Thyreotropin) 4.) FSH = Folikel stimulierendes Hormon 5.) LH = Lutheinisierungshormon Dabei reagiert der HCL auf die Ausschüttung der Releasing-Hormone aus dem Hypothalamus im Sinne einer erhöhten Freisetzung. 1.) Somatotropin = Somatotropes Hormon (STH) Funktion : « Wachstumshormon » Zusammen mit dem Schilddrüsenhormon (Tyreotropin), dem Sexualhormon (Androgenen) und Insulin ist das STH für das Wachstum zuständig. 22 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Die STH-Konzentration im Plasma ist bei Neugeborenen am höchsten und sinkt während der Kindheit auf einen Normalwert. Wirkung: Förderung der Protein- Biosynthese an den Ribosomen (Anabole Wirkung: Doping!) Zu dieser Gruppe gehören zum Beispiel Anabolika (sehr schwer nachzuweisen, weil es ein körpereigenes Hormon ist. Es fördert die Auflösung von Glykogen in der Leber (Blutzucker steigt) Erhöhung des Spiegles energieliefernder Substanzen im Blut (Glukose, Fette, Eiweiß) (STH erhöht also den Blutzucker) Förderung der Knorpelbildung (sekundäre Längenzunahme des Knochens: wichtig für das Knochenwachstum) Durch: Erhöhung der Glykogenolyse in der Leber Erhöhung der Mobilisierung freier Fettsäuren aus dem Fettdepots Verminderung der Blutzuckeraufnahme in die Muskelzelle (durch Hemmung der Insulinwirkung) Steuerung: Beeinflusst durch eine Reihe anderer Hormone aber besonders durch ReleasingHormone aus dem Hypothalamus. Störungen: Wachstumsstörungen: zu viel: Riesenwuchs (Akromegalie) zu wenig: Zwergenwuchs Da die Steuerung über den Hypothalamus erfolgt, kommt es bei Störungen dieser Funktion zu einer Störung des Wachstums. 23 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Folge davon sind Zwergenwuchs oder Riesenwuchs; Symptome: langes Kinn, große Hände, lange Zunge usw. Um Hormonkrankheiten zu heilen benötigt man spezielle Hormonkliniken. Dort kann man die Hormone des Körpers genau messen und so die Medikamente genau dosieren (entweder fehlendes Hormon zuführen oder mittels Medikamente die Produktion vermindern) Im AKH Wien gibt es eine Hormonklinik. 2.) ACT = Adrenocorticotropin (Corticotropin) Funktion: Stimulierung der Nebennierenrinde Stimulierung der Produktion von Glucocortikoiden (in der Nebenniere) Steuerung der ACTH-Ausschüttung: Durch Corticotropin-Releasing-Hormon (CRH) aus dem Hypothalamus Niedriger Cortisol-Spiegel: Erhöhung der CRH-Sekretion (höhere Ausschüttung) Hoher Cortisol-Spiegel: Senkung der Sekretion 3.) TSH = Thyreoidea stimulierendes Hormon (Thyreotropin) Funktion: Stimulierung des Zellwachstums und Zellvermehrung in der Schilddrüse Stimulierung der Produktion von Schilddrüsenhormon (Thyroxin) 24 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Steuerung der TSH-Ausschüttung: Durch Thyreotropin-Releasing-Hormon = TRH Niedriger Thyroxin-Spiegel: Erhöhung der CRH-Sekretion Hoher Thyroxin-Spiegel: Senkung der CRH-Sekretion Die gonadotropen Hormone (gonadotrop = wirken auf Gonaden = hormonproduzierende Keimzellen) 4.) Follikel-stimulierendes Hormon (FSH) Funktionen: Frau: bewirkt in den Eierstöcken die Reifung von Follikeln (Bläschens) = Ort der Reifung der weiblichen Eizelle Steuerung der Regel Mann: bewirkt im Hoden die Entwicklung der Hodenkanälchen und die Entwicklung von Samenzellen (für Spermatogenese). Steuerung über Releasing-Hormone des Hypothalamus 5.) Lutheinisierungshormon (LH) Funktion: Förderung der Hormonbildung in den Keimdrüsen (Eierstöcken) Frau: Förderung der Follikelreifung (Eireifung) Förderung der Östrogenbildung Förderung des Follikelsprunges (Ovulation) Förderung der Corpus-luteum Bildung und der Progesteron-Sekretion (Corpus-luteum bildet Progesteron in der zweiten Phase des 25 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Eisprungs. Das befruchtete Ei kann sich nun anhaften, um ein Embryo zu bilden. Mann: Förderung der Hormonbildung in den Leydig´schen Zellen (Hoden) (Testosteron in kleinen Mengen Östrogene und Gestagene) Leydig´sche Zellen sind zuständig für die Produktion des Sexualhormons. 6.) Luteotropes Hormon (LTH) = Prolactin Funktion: Zusammen mit Sexualhormonen: Vorbereitung der weiblichen Brustdrüse auf die Milchproduktion Wachstum der Brustdrüse während der Schwangerschaft Differenzierung der Milchschleimhaut (Vorbereitung zur Milchproduktion) In der Stillphase: Stimulierung der Milch-Synthese und ihre Sektretion Die Schilddrüsenhormone: Die Schilddrüse befindet sich im Bereich des Kehlkopfes, wo sich sehr viele Gefäße befinden. Sie weist die stärkste Durchblutung im Organismus auf. Sie ist aus Follikeln (Bläschen) aufgebaut. Der Follikel enthält das Kolloid mit dem Thyreoglobin. Das Thyreoglobin ist ein Glykoprotein und bildet die Grundsubstanz (Speicher) für die Schilddrüsenhormone. 26 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Die endgültige Synthese der Schilddrüsenhormone (Trijodthyronin und Tetrajodthyronin = Thyroxin) erfolgt in den Follikeln („Jodierung“) Funktion der Schilddrüsenhormone: Dienen zur „Einstellung des Stoffwechselsniveaus“. z.B.: Erhöhung der Hormonausschüttung Erhöhung der Wärmeproduktion Wirkung der Schilddrüsenhormone: Erhöhung der Stoffwechselrate (Erhöhung des Grundumsatzes) Erhöhung der Wärmeproduktion (calorigene Wirkung) Erhöhung der Sauerstoffaufnahme Beschleunigung der Hirnaktivität Beschleunigung der Kohlenhydrat-Resorption im Darm Senkung des Cholesterinspiegels Erhöhung der Förderung von Wachstum und Reifung des Skelettes Es kann passieren, dass sich Wachstumszonen zu schnell schließen. Beim Säugling: Förderung der Entwicklung (Myelinisierung) des Nervensystems Störungen des Schilddrüsenhormonhaushaltes (Beispiele): - Mangelerscheinungen im Säuglingsalter (- Kretinismus: Wachstumsstörungen, Schwachsinn, ...) – Jodmangel in endemischen Gebieten - Überproduktion (Hyperthreose): Erhöhter Grundumsatz (warme Haut, Hitzeempfindlichkeit), Unruhe, feinschlägiges Zittern der Finger, Nervosität, ... Ursachen: z.B.: Schilddrüsengewebe (Tumoren), die überschießend Hormone produzieren 27 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Morbus Basedow (Autoimmunerkrankung): typischer Kropf (Schilddrüsenvergrößerung), vorstehende Augäpfel, Tachykardie (schneller Herzschlag) usw. Parathormon: Parathyrin (PTH): Produktion in den sogenannten Epithelkörperchen (unterschiedlich viele) (Nebenschilddrüsen) Funktion: Konstanthaltung des Calciumspiegels im Extrazelllulan Fällt der ionisierte Anteil des Plasma-Calciums unter die Norm, wird das Peptidhormon Parathormon freigesetzt. (gelangt über die Blutbahn an seine Zellen) Das Parathormon hat 3 Angriffspunkte: 1.) Mobilisierung von Calcium aus Knochen 2.) Calcium-Rückresorption in der Niere (durch verschiedene Mechanismen wird Calcium in der Niere zurückgehalten) 3.) Erhöhung der Ca-Resorption aus dem Darm Steuerung: Parathormon-Sekretion wird durch Calcium gesteuert Hormone der Nebennierenrinde: (werden in der NNR gebildet) Glucocorticoide: (für KH-Haushalt), Hauptvertreter Cortisol u. Corticosteron Mineralocorticoide: Hauptvertreter Aldosteron 28 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Sexualhormone: Hauptvertreter ist das NNR-Androgen Dehydroepiandorosteron - bei gesunden Menschen: wenig Wirkung - manchmal führt es zu „Vermännlichung“ bei Frauen: Bartwachs, Rückentwicklung des Busens – mehr Brustmuskeln - sehr ähnlich dem Testosteron – männliches Sexualhormon Die Glucocorticoide: (lebenswichtige Hormone) Funktion: Sie sorgen für die Bereitstellung energieliefernder Substanzen (Glucose, freie Fettsäuren) im Organismus Sie dämpfen die Gewebsreaktion auf schädliche Faktoren Wirkung auf den Stoffwechsel: Förderung des Proteinabbaus (katabole Wirkung; v.a. Beinmuskulatur baut sich ab) Anstieg des Blutzuckerspiegels Auf entzündliche Reaktionen: hemmen entzündliche Reaktionen am Entzündungsherd (sehr oft gegen Rheuma) Steuerung: Über ACTH gesteuert Der Regelkreis CRF-ACTH-Cortisol: CRF wird von zentralnervösen Vorgängen stark beeinflusst. Psychische Belastung (Stress) führt zu einer Erhöhung der CRF-, ACTH- und Glucocorticoid-Ausschüttung mit allen ihren Folgen. Die Ausschüttung erfolgt in Circadian-Rhythmus: Maximum am Morgen und Minimum in der Nacht 29 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Die Mineralocorticoide: Funtion: Sie dienen der Regulation des Elektrolyt- und Wasserhaushaltes (Das wirksame Hormon dieser Gruppe ist Aldosteron) Hauptfunktion: Zurückhalten von Na+ - Ionen (und somit Wasser) sowie Cl-Ionen bei gleichzeitiger Stimulation der K+ - Ausscheidung Störungen der Sekretion führen zu Störungen des Mineralstoffwechsels und Wasserhaushaltes. Sexualhormone der Nebennierenrinde: Die Androgene der NNR haben eine geringere Wirkung als das Testosteron des Hodens. Auch die Menge der NNR-Östrogene ist sehr gering und hat keine funktionelle Bedeutung. Bei Tumoren (Androgene können gebildet werden) können größere Östrogen-Mengen sezemiert werden – die feminisierende Wirkung auf Männer. Androgen-produzierende Tumore verursachen das androgenitale Syndrom: Bei Knaben: Pseudo - pubertas praecox: die sekundären Geschlechtsmerkmale sind frühzeitig entwickelt, jedoch kein testikuläres Wachstum bei Mädchen und Frauen: Virilismus bei Männern: keine signifikante Veränderung 30 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Hormone des Nebennierenmarkes: Das Nebennierenmark produziert die Katecholamine Adrenalin und Noradrenalin (wirken auf mehrere Organe) Funktion: Die NNM-Hormone dienen der Anpassung des Organismus an physische und psychische Stresssituationen (Noradrenalin ist das Hormon der physischen Belastung. Adrenalin eher der psychischen Belastung) – Daher ist ihre Produktion in Ruhe eher niedrig (im Schlaf am niedrigsten) und hoch bei Stress. Wirkung auf das Herz: Adrenalin und Noradrenalin bewirken: Erhöhung der Steigerung der Kontrakionskraft Erhöhung der Herzfrequenz Erhöhung der Erweiterung der Koronargefäße (Herz mehr belastet) Wirkung auf die Gefäße: Kontraktion der Gefäße nicht aktiver Muskeln Ad Muskeldurchblutung unter Belastung: Bei der Kreislauf-Anpassung an körperliche Arbeit spielen die Faktoren, die die Muskeldurchblutung regulieren, eine zentrale Rolle. Zunächst werden aus den tätigen Muskelzellen lokal Metaboliten (anorganisches Phosphat, Wasserstoff- und Kaliumionen) freigesetzt. Gleichzeitig wandern Na-Ionen und Wasser in die Zellen. Wirkung der Katecholamine auf den Stoffwechsel: 31 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Erhöhung des Blutzuckerspiegels durch Förderung der Glycogenolyse (Glycogenfreisetzung: je höher die Belastungsintensität, desto höher die Anzahl der Katecholamine – v.a. Noradrenalin) in der Leber und im Muskel Vermehrung der freien Fettsäuren im Blut Steigerung der Stoffwechselrate und der Wärmeproduktion Diese Wirkung wird nur durch die Anwesenheit von Glucocorticoiden ermöglicht. Die Schilddrüsenhormone wirken auf die Katecholamine potenzierend. Der „Inselapparat“ des Pankreas (Bauchspeicheldrüse): Teilt sich in: a.) endokrinen Teil (produziert Hormone) b.) exokriner Teil (produziert Verdauungsenzyme) Der endokrine Anteil des Pankreas wird von 1-2 Millionen Langerhans´schen Inseln gebildet. Es werden 3 Typen von Inselzellen unterschieden: 1.) α-Zellen (25%) produzieren Glucagen 2.) β-Zellen (65%) produzieren Insulin 3.) γ-Zellen (10%) produzieren Somatostin Insulin: - wirkt hauptsächlich in Muskel- und Fettgewebe Wirkung auf den Kohlenhydratstoffwechsel: 32 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Senkt den Blutzuckerspiegel durch Förderung der Glucoseaufnahme in die Muskel- und Fettzelle. Förderung der Glycogenbildung in Muskel- und Leberzellen Hemmung der Glycolyse in der Leber (= Freisetzung aus der Leber) Wirkung auf den Fettstoffwechsel: Fördert die Fettspeicherung Wirkung auf den Eiweißstoffwechsels: Förderung der Proteinsynthese – anabole Wirkung (fördert das Wachstum) bei gleichzeitiger Verringerung des Proteinabbaus Förderung des Aminosäuretransports in die Zelle (unter Belastung werden vermehrt Aminosäuren reoxydiert) Steuerung: Direkte Rückkopplung zwischen Pankreas und Blut (Blutzuckerspiegel). Die Insulinproduktion ist direkt proportional dem Blutzuckerspiegel – ist dieser hoch, wird auch immer mehr Insulin ausgeschüttet, und umgekehrt. Störungen in der KH-Regulation: Hypoglykämie (zu wenig Insulin) Blutzuckerspiegel normalerweise: 0,6 – 0,9 g/l nach der enzymatischen Bestimmungsmethode bzw. 0,9 – 1,2 g/l nach der alten Reduktionsmethode. Bei Werten unter 0,6 bzw. 0,9 g/l spricht man von Hypoglykämie. 33 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Vorkommen: Bei Insulin-sezernierenden Tumoren, Nahrungskarenz, Hungerast, Fehler bei Insulintherapie (KH-Aufnahme im Verhältnis zum verabreichten Insulin und zur physischen Arbeit zu gering; zu lange Zeit keine KH-Aufnahme, aber zu lange Belastung: Schwindelgefühl, weil Muskelglykogenspeicherentladung) Symptome: Subjektives Gefühl des Hungers und der Schwäche, Zittern, Herzklopfen, Schwindel, Verwirrtheit, Krämpfen und kann schließlich zu Koma führen. (kann unter Umständen tödlich enden) Der Typ-I-Diabetes: Häufig im jugendlichen Alter – juveniler Diagentes (≠ Altersdiabetes) Ist dadurch charakterisiert, dass die β-Zellen des Pankreas nicht in der Lage sind, ausreichend Insulin zu produzieren. Diese Patienten benötigen die tägliche Therapie mit der exogenen Gabe von Insulin, und daher wird für die Bezeichnung des Typ-I-Diabetes auch die Abkürzung IDDM (insulin-dependent diabetes mellitus) benutzt. Wahrscheinlich werden bei diesen Patienten die β-Zellen durch immunologische Prozesse (Virusinfektionen und Autoimmunreaktionen) zerstört. – Der Mechanismus dieser Defekte ist noch nicht aufgeklärt. Die Insulintherapie ist heute als Substitutuionsbehandlung mit gentechnologisch hergestelltem humanem Insulin möglich. Die Patienten mit dieser Diabetesform müssen lebenslang eine entsprechende strenge Diät einhalten und sind von der Insulininjektion abhängig (weil Rezeptoren im Pankreas zerstört sind). 34 Physiologie WS 04 bzw. 05 – Prof. Smekal Sternchen 2016 Der Typ-II-Diabetes: Beim Typ-II-Diabetes (auch Non-insulin-dependent diabetes mellitus; NIDDM) ist im Allgemeinen eine Therapie nicht notwendig. Hier helfen eine Reduktion des Körpergewichts, eine strenge Diät und in einigen Fällen die zusätzliche Verabreichung von oralen Antidiabetika. Die Entstehung dieses Diabetestyps ist sehr komplex, wobei genetische Faktoren eine große Rolle spielen. Die metabolische Störung wird wahrscheinlich in vielen Fällen durch Übergewicht induziert. Folge: relative Resistenz der Insulinrezeptoren (vor allem in der Skelettmuskulatur) – nicht verminderte Produktion von Insulin – Adipöse Patienten mit und ohne Diabetes mellitus haben daher häufig eine Hyperinsulinämie. - meist übergewichtig - betreiben meist keinen Sport - Insulinsensibilität lässt nach (man hat plötzlich zu viel Insulin, durch Sport kann man das wieder aktivieren) Wichtig: Sporttherapie! (durch körperliche Aktivität wird Resistentz der Rezeptoren kurzfristig erhöht; 12 – 18h!) Bei beiden Diabetestypen können nach langjähriger Krankheit schwere Spätfolgen auftreten. Besonders gefürchtet: Makro- und Mikroangiopathien (Sehstörungen, Zirkulationsstörungen, Herzinfarkte, Schlaganfälle, ...) 35
