WKrek Kapitel Osmoregulation 2011
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Kontrolle des inneren Milieus 1. Thermoregulation - die Regulation der Körpertemperatur 2. Osmoregulation - die Regulation des Wasserhaushalts und der Solutkonzentration der Körperflüssigkeiten 3. Exkretion - die Ausscheidung von stickstoffhaltigen Endprodukten des Stoffwechsels Kapitel 40: Regulierer und Konformer Regulierer: verwendet homöostatische Mechanismen um innere Veränderungen gegenüber äusseren Schwankungen abzuschwächen (z.B. endotherme Tiere wie Vögel, Säuger) Konformer: erlauben einigen Parametern (wie Temp.) in ihrem Körper mit externen Veränderungen zu schwanken (z.B. marine Wirbellose wie Seespinnen) Kapitel 40: Regulierer und Konformer Kapitel 40: Die Seespinne (ein Krebs) - ein Osmokonformer • verfügen nicht über osmoregulatorische Mechanismen • passen sich an Aussen welt an Kapitel 40: Homöostase balanciert Gewinn und Verlust von Energie und Materie aus • Einwärts und auswärts gerichtete Energie und Materialströme sind häufig und schwanken oft (aufrechterhalten konstanter innerer Bedingungen essentiell) • Energie und Stoffzufuhr übersteigt Verbrauch (Nettozunahme an organischer Materie) nur unter bestimmten Bedingungen (e. g. Wachstum, Fortpflanzung) Kapitel 40: Beispiel: Energie und Stoffhaushalt einer Frau im Verlauf von 10 Jahren • äquivalente Menge an Material und Wärme muss abgegeben werden damit Gewicht, Temperatur und chem. Zusammensetzung gleichbleibt • Fortpflanzung: Erhöhung des Stoff und Energieflusses um 4-5% Kapitel 40: Thermoregulation - die Regulation der Körpertemperatur • Das Halten der Körpertemperatur in einem Bereich in dem die Zellen am besten funktionieren (Enzyme sind sehr Temperaturempfindlich) • Tierarten passen sich an verschiedenen Temperaturen an Kapitel 40: Verschiedene Tierarten regeln ihren Wärmehaushalt unterschiedlich Endotherme: Bezieht Körperwärme vor allem aus eigenem Stoffwechsel Ektotherme: Bezieht Körperwärme hauptsächlich aus Umgebung Kapitel 40: Endothermie und Ektothermie • Endothermie: • hohe und stabile Körpertemperatur • hohe aerobe Stoffwechselrate • hohe Aktivität bei extremen Temperaturen • Grundumsatz 5500 - 7500 kJ pro Tag • Endotherme mehr Nahrung erforderlich (Mensch 20-30 x mehr als Krokodil) • Ektothermie: • Grundumsatz niedrig (250 kJ pro Tag) • wenig Nahrung notwendig • für viele Lebensräume erfolgreiche Strategie Kapitel 40: Thermoregulation: Management des Wärmeumsatzes Anpassungskategorien 1. Manipulieren der Wärmeaustauschrate zwischen Körper und Umgebung 2. Kühlung durch Verdunstung 3. Verhaltensanpassungen 4. Verändern der Produktionsrate von Stoffwechselwärme Kapitel 40: 1. Manipulieren der Wärmeaustauschrate zwischen Körper und Umgebung • Körperisolation durch Haare, Federn verhindern Wärmeverlust • Veränderung der Hautdurchblutung durch Vasodilatation (Wärmeabgabe durch Konduktion, Konvektion und Strahlung) oder Vasokonstriktion • Gegenstromwärmeaustauscher: besondere Anordung von Arterien und Venen Kapitel 40: Gegenstrom-Wärmeaustausch Vögel: Arterien und Venen sind eng benachbart: effizienter Wärmeaustausch, Temperaturgradient Kapitel 40: 2. Kühlen durch Verdunstung • • Wasserverlust durch Atmen und über die Haut Hecheln, schwitzen 3. Verhaltensanpassungen • • Veränderung der Körperhaltung und Ortswechsel Abwandern in ein angenehmeres Klima, Kleidungswechsel 4. Verändern der Produktionsrate von Stoffwechselwärme • • Nur bei Endothermen (Vögel, Säuger) Steigerung der metabolischen Wärmeproduktion wenn der Kälte ausgesetzt Kapitel 40: Regulation der Körpertemperatur des Menschen - Rückkopplungsmechanismen • Nervenzellen welche die Thermoregulation steuern sind im Hypothalamus • Gruppe von Neuronen funktionieren als Thermostat der auf Temperaturschwankungen anspricht und Mechanismen aktiviert die kühlen oder aufwärmen Kapitel 40: Thermostatfunktion des Hypothalamus Kapitel 40: Anpassung an Temperaturbereiche Akklimatisation: physiologisch Umstellung an einem veränderten Temperaturbereich Endotherme: Wärmeisolierung (dichteres Federkleid, dicker Pelz) Ektotherme: kompensieren eine Veränderung der Körpertemperatur (verschiedene Varianten von Enzymen, verschiedene Membranzusammensetzung, Hitzeschockproteine) Kapitel 40: Anpassung an extreme Umweltbedingungen • Torpor (Starre): physiologischer Zustand, niedrige Stoffwechselrate, Puls und Atmung langsam • Winterschlaf (Hibernation): langfristiger Torpor, Körperthermostat wird heruntergeschaltet, abfallen der Temperatur auf 1-2 Grad, wiederaufwärmen durch Muskelzittern • Sommerschlaf (Aestivation): langsamer Stoffwechsel, geringe Aktivität, überdauern von Wasserknappheit, Landschnecken, Krötenfrösche Kapitel 40: Osmoregulation • Ausbalancieren der chemischen Zusammensetzung von Körperflüssigkeiten • erfolgt duch kontrollierte Bewegungen von Soluten zwischen Körperflüssigkeiten und externen Milieu (reguliert auch Wasserbewegung die den Soluten aufgrund von Osmose folgt) Kapitel 40: Schlüsselfunktion der Osmoregulation Aufrechterhalten der Zusammensetzung des Cytoplasmas in den Körperzellen • indirekt durch Regulation der Zusammensetzung der Körperflüssigkeit die die Zellen umgibt • Spezielle Organe in komplexen Organismen: Nieren • Offenes Kreislaufsystem: Hämolymphe • Geschlossenes Kreislaufsystem: interstitielle Flüssigkeit - Blutzusammensetzung Kapitel 40: Osmoregulation und Exkretion beruhen auf Transportepithelien • Bewegen bestimmte Solute in kontrollierten Mengen in eine bestimmte Richtung • einschichtiges Gewebe (direkt an der Oberfläche oder kleidet Kanal aus) • Zellen des Transportepithels sind durch VerschlussKontakte (tight junctions) verbunden, stellt sicher dass jeder zwischen Organismus und Umwelt ausgetauschte Solut die Membran passieren muss • Transportepithelien in Exkretionsorganen: DoppelFunktion: Wasserbalance und Ausscheidung Kapitel 40: Tight junctions (Verschlusskontakte zwischen Zellen) Kapitel 40: Ausscheidungsprodukte • Metabolische Abfallprodukte werden im Wasser gelöst ausgeschieden • Stickstoffhaltige Verbindungen aus dem Aminosäurestoffwechsel sind ausgesprochen toxisch (Stickstoff von Katabolismus und Umwandlung von Kohlenhydraten und Lipide) • Primäres Produkt: Ammoniak • Umwandlung von Ammoniak zu Harnstoff oder Harnsäure (wesentlich ungiftiger als Ammoniak) Kapitel 40: Warum ist Ammoniak so giftig? • liegt in Körperflüssigkeiten als Ammoniumion (NH4+) vor • Gleich gross und selbe Ladung wie Kaliumion (K+) • Verstopft Kaliumkanäle - Elektrolythaushalt gestört • Ammoniak ist 100000 x giftiger als Harnstoff Kapitel 40: Die Leber Entgiftung von Stoffwechselprodukten und Ueberführung in ungiftige, wasserlösliche Stoffe. Diese Vorgang ist auch wichtig bei der Entgiftung von körpereigenen Stoffwechselprodukten wie der giftige Ammoniak der aus Aminosäuren entsteht (Harnstoffzyklus). Kapitel 40: Pfortaderkreislauf bringt Blut aus dem Darmbereich zur Leber Leber Vena Cava Aorta Pfortader Magen Gallenblase Gallengang Dickdarm Zwölffingerdarm Dünndarm Pankreas Blinddarm Wurmfortsatz Kapitel 40: Dünndarm weg geschnitten Leber - Harnstoffzyklus: Entgiftung von Ammoniak CO2 + NH4+ + 3 ATP + Aspartat + H2O führt zu H2N-CO-NH2 + 2ADP + Fumarat + AMP + PPi Zyklus braucht Energie: aus 3 ATP werden 2 ADP und AMP Kreislaufsystem transportiert Harnstoff zur Niere Kapitel 40: Art der stickstoffhaltigen Abfallprodukte anhängig von Stammesgeschichte und Lebensraum • Endotherme: verbrauchen viel Energie, essen viel, produzieren viel stickstoffhaltige Abfälle • Raubtiere: Fleischnahrung, hoher Proteingehalt, grosse Mengen an Stickstoff Kapitel 40: In Zellen muss ein Gleichgewicht zwischen osmotisch bedingten Einstrom und Ausstrom von Wasser herrschen • Aufnahme und Abgabe von Wasser müssen sich ausgleichen (z.B. Zellen würden schwellen und platzen) • Wasser dringt in Zellen per Osmose ein bzw. verlässt sie wieder • Osmose: Bewegung von Wasser durch eine selektiv permeable Membran wenn sich die von der Membran getrennten Lösungen in ihrer Solutkonzentration unterscheiden (Osmolarität) Kapitel 40: Osmokonformer: steuern ihre interne Osmolarität nicht aktiv, interne Osmolarität dieselbe wie des umgebenden Milieus; leben oft in Gewässern mit sehr stabiler Zusammensetzung Osmoregulierer: Tiere deren Körperflüssigkeiten nicht isoosmotisch mit der externen Umwelt sind; brauchen Energie zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts Kapitel 40: Exkretionssysteme • Regeln Ausscheidungsraten bestimmter Solute (Beseitigung von Stoffwechselabfällen) und • damit die Zusammensetzung der Körperflüssigkeit Kapitel 40: Exkretionssysteme - Uebersicht Produzieren Harn in einem zweistufigen Prozess: - Körperflüssigkeit wird gesammelt (schliesst Ultrafiltration ein) - Veränderung der Zusammensetzung der gesammelten Flüssigkeit durch selektive Resorption und/oder Sekretion von Soluten Kapitel 40: Ultrafiltration • Durch selektiv permeable Membranen von Transportepithelien • Membranen halten Zellen wie auch Proteine und andere grosse Moleküle in der Körperflüssigkeit zurück • Hydrostatische Druck (Blutdruck) presst Wasser und kleine Solute wie Salze, Zucker, Aminosäuren und stickstoffhaltige Abfallprodukte in das Exkretionssystem - Ultrafiltrat • Ultrafiltration is weitgehend unselektiv Kapitel 40: Reabsorption, Sekretion • Essentielle kleine Moleküle werden reabsorbiert und kehren zur Körperflüssigkeit zurück • Aktiver Transport für z.B. Glukose • Nichtessentielle Solute oder Toxine werden Filtrat durch Sekretion beigefügt • Pumpen verschiedener Solute reguliert osmotische Bewegung des Wassers Kapitel 40: Blut Schlüsselfunktionen von (Wirbeltier) Exkretionssystemen Glomerulus in Bowman scher Kapsel Primär Filtrat Reabsorption ins Blut Sekretion in Harnkanal 1. Blut wird an Membran unter Druck ultrafiltriert. Kleine Moleküle gelangen in den Primärharn. 2. Kostbare Stoffe werden aus Harnwegen ins Blut reabsorbiert und zugleich werden im Blut vorhandene überschüssige Stoffen in den Harn entsorgt. Wasser im primären Filtrat durch Rückresorption zurückgewonnen. Urin Kapitel 40: Uebersicht über das Exkretionssystem des Menschen Kapitel 40: Bowman sche Kapsel:Produktion des Primärharns Kapitel 40: Reabsorption von Wasser und Salz aus dem Primärharn 1. Verändert Zusammensetzung und Volumen des Ultrafiltrats, sezerniert Ammoniak, kontrolliert pH Wert durch Abgabe von Bicarbonat, Resorption von NaCl 2. Wasser wird osmotisch aus dem Tubulus gezogen (Entwässerung). Nicht durchlässig für Salz. 3. Durchlässig für Salz (aktiv und passiv) aber nicht für Wasser. steigende Osmolarität der interstit. Flüssigkeit Kapitel 40: Reabsorption von Wasser und Salz aus dem Primärharn 4. Schlüsselrolle in der Regulation von Kalium und Natrium. pH Wert Regulation 5. Entgültige Reabsorption von NaCl. Durchlässig für Wasser aber nicht NaCl. Verlust von mehr und mehr Wasser. Harnstoff wird aufkonzentriert. Im unteren Teil diffundiert ein Teil des Harnstoff zurück (Beitrag zur hohen Osmolarität der interstitiellen Flüssigkeit). Wassersparen! steigende Osmolarität der interstit. Flüssigkeit Kapitel 40: Wüstenmaus mit extrem langen Henle schen Schleifen: Wassersparen Kapitel 40: Hormonelle Regulation der Niere durch Regelkreise mit negativer Rückkopplung ADH: Antidiuretisches Hormon, von Hypophyse freigesetzt, Zielorgane distable Tubuli und Sammelrohr Kapitel 40: Das Renin-Angiotensin-Aldosteron System JGA: juxtaglomerulärer Apparat, umschliesst afferente Arteriole am Glomerulus, setzt Enzym Renin im Gang das Hormon Angiotensin II produziert, letzteres stimuliert den proximalenTubulus der Nephrone zur Aufnahme von Wasser und NaCl und Nebennieren, Produktion vom Hormon Aldosterone Kapitel 40:
