VL Stoffwechsel, Bewegungs- und Leistungsphysiologie (Galler)
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VL Stoffwechsel, Bewegungsund Leistungsphysiologie (Galler) Inhalt 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 Arbeitsunterlagen im Blackboard/Course Documents zum Runterladen: • Skriptum (PPT-Präsentation) • Fragen zur Wiederholung • Aufgaben zur Vertiefung • Internet-Links zur Ergänzung © S. Galler, Salzburg 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 © S. Galler, Salzburg 2 Möglichkeiten der Nährstoffverbrennung (nur aerob) (ATP-Produktion): (aerob u. anaerob) (nur aerob) • 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. © S. Galler, VU Stoffwechsel 3 2 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) © S. Galler, Salzburg B) Glukose-Abbau: • Phosphorylierung • Spaltung 2x 3-er-Zucker • Abbau bis Pyruvat 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 © S. Galler, Salzburg • 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 Ausgangsstoffe: • Acetyl-CoA, entsteht aus Pyruvat + Coenzym A oder aus Fettsäure-Abbau (C2-Stücke, Acetylreste) • Aminosäuren Desaminierung führt zu Pyruvat oder intermediären Zitronensäurezyklus-Metaboliten Siehe Aufgabe 4 © S. Galler, Salzburg Details Der Acetylrest des Acetyl-CoA wird schrittweise zu CO2 abgebaut. Produkte des Zitronensäurecyklus: • GDP GTP (Phosphorylierung) • NAD+ (bzw. FAD) NADH (bzw. FADH ) (Reduktion). 2 Weiterverwertung der Produkte: • Aus GTP kann ATP entstehen • NADH und FADH sind Energieträger (energiereiche Elektronen), die bei der oxidativen Phosphorylierung an der inneren Mitoch.membran durch Sauerstoff oxidiert werden ATP-Entstehung 2 © S. Galler, Salzburg Oxidative Phosphorylierung (= Elektronentransportkette, Mitochondrienatmung) • Schrittweise Oxidation von NADH und FADH (Wasserstoff-, H-Träger, energiereiche Elektronen) 2 • 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) © S. Galler, Salzburg 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“. © S. Galler, Salzburg Für die Regeneration von ATP gibt es mehrere Möglichkeiten: 1. Rephosphorylierung durch Creatinphosphat (CP) (ADP + CP ATP + Creatin; Kreatinkinase); sehr schnell 2. Glykolyse (anaerobe Glukoseverbrennung zu Laktat), schnell, geringe Ausbeute 3. Aerobe Fett- und Glukoseverbrennung, langsam, hohe Ausbeute Siehe Aufgabe 5 © S. Galler, Salzburg 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 © S. Galler, Salzburg 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!) Anteil der Energiedepots (%) Leistung und Energiebereitstellung 3. Grundumsatz bis mittlere Leistung: ab 1 min; v.a. aerober Stoffwechsel, Verwertung von Glukose, Glykogen und Fett 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 Siehe Aufgabe 6 © S. Galler, Salzburg 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! 14 © S. Galler, VU Stoffwechsel 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. Die Dauer der körperlichen Bewegung ist wichtig! Aus mehreren Gründen am besten geeignet ist regelmäßiges Ausdauertraining (körperlich aktive Personen sind gesünder). © S. Galler, VU Stoffwechsel 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). © S. Galler, VU Stoffwechsel 2) Ernährung 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 © S. Galler, Salzburg Energiebedarf abhängig von: • körperlicher Aktivität • Alter (Greise haben langsameren Stoffwechsel) • Körpergewicht • Geschlecht • Wachstumsphasen, • Schwangerschaft • Stillperiode (Produktion von Körpermasse) Grund-Energiebedarf für Aufrechterhaltung der Körperfunktionen in Ruhe: 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). © S. Galler, Salzburg (1 kcal = 4.18 kJ) Körperliche Arbeit zusätzlicher Energiebedarf: • leichte Arbeit im Sitzen: 1.700 kJ • Bergarbeiter: 10.500 kJ Das Essverhalten wird zusätzlich von Stress, Rauchen oder Alkoholkonsum beeinflusst. Kein Lebensmittel enthält alle Nährstoffe in der optimalen Menge und Zusammensetzung (Ausnahme Muttermilch für Babys). Daher ist abwechslungsreiche Ernährung wichtig. © S. Galler, Salzburg In Wachstumsphasen erhöhter Energiebedarf! © S. Galler, Salzburg Energie der Nahrung © S. Galler, Salzburg Drei Grundnahrungsstoffe: Fette, Eiweiß, Kohlenhydrate 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] Physiologischer Haupt-Energielieferant: Kohlenhydrate und Fette © S. Galler, Salzburg • 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 HerzKreislauferkrankungen, nur beim androiden Typ • Nötige waist to hip ratio: [Taille] Frauen < 0.8 Männern < 1 © S. Galler, Salzburg [Hüfte] 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 Was ist beiden gemeinsam? Vitamin C ist nur bei Primaten und Meerschweinchen ein essentieller Stoff. Andere Tiere können Vitamin C selber herstellen. © S. Galler, Salzburg Die Zufuhr an Mineralstoffen und Vitaminen ist ein Problem der absoluten Größen! Vorsicht bei Verpackungsangaben! © S. Galler, Salzburg 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 Aus: M. Steinschaden Medizinische Physiologie Siehe Aufgabe 7 und 8 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 © S. Galler, Salzburg 3) Verdauung siehe CD „swallowing“ Installation notwendig 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) Übersicht • Mund: Mechanische Zerkleinerung, Vermischung mit Speichel • Magen: Zumischung von Magensaft • Zwölffingerdarm (Duodenum): Zumischung von Galle und Pankreassaft © S. Galler, Salzburg • Jejunum und Ileum des Dünndarms, sowie Zäkum und Kolon des Dickdarms: 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 • Leber: Bildung der Galle für die Fettverdauung Im gesamten Verdauungstrakt gibt es hochwirksame Abwehrsysteme, um den Körper vor zerstörerischen Keimen zu schützen. © S. Galler, Salzburg 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 Rückresorption von Na+ Sekretion von K+, Jod und Bicarbonat (aus Carboanhydrase-Reaktion) © S. Galler, Salzburg Magen Anatomie: Kardia, Fundus, Korpus, Antrum, Pylorus Aus: Moyes/Schulte Tierphysiologie © S. Galler, Salzburg 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 36 © S. Galler, Salzburg pH-Wert des Magensafts • Nahe der Magenwand pH 1 (0.1M HCl; daher bleiben die Pepsine inaktiv u. greifen die Magenwand nicht an) • Im Magen-Zentrum pH 1.8 – pH 4 (aufgrund der Verdünnung durch den Speisebrei) Vorteile des sauren Milieus: • pH-Optimum der Pepsine pH 2-4 • niedriger pH-Wert wirkt denaturierend und bakterizid HCl-Produktion: aktiver Transport gegen riesiges Gefälle; H+ und Cl- aus den Belegzellen ins Mageninnere gepumpt © S. Galler, Salzburg 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 Hormonfreisetzung gesteuert durch: Fette und niedrigen pH-Wert im Speisebrei des Duodenums. Das Bicarbonat des Pankreassaftes neutralisiert den aus dem Magen kommenden sauren Speisebrei. © S. Galler, Salzburg Verdauungsenzyme im Pankreassaft: Proteinverdauung: Trypsinogen Chymotrypsinogen Procarboxypeptidase (spaltet AS vom Carboxylende her ab) Fettverdauung: Pankreaslipase Kohlenhydratverdauung: alpha-Amylase Maltase Saccharase © S. Galler, Salzburg 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 © S. Galler, Salzburg Aminosäuren-Resorption Spezifische Na+-Kotransportsysteme: • aus dem Darmlumen in die Mukosazellen • von dort in die Blutbahn. © S. Galler, Salzburg 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 © S. Galler, Salzburg 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) Inhalt des Gallensaftes: • 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) © S. Galler, Salzburg Der Körper besitzt etwa 5-6 g Gallensalze, die 4-12 mal pro Tag den Kreislauf (Galle-DünndarmPfortader-Leber-Galle) passieren. © S. Galler, Salzburg 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. 49 © S. Galler, Salzburg 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 © S. Galler, Salzburg Cholesterin in der Zellmembran (Versteifung der Zellmembran) (intrazelluläre Membranen enthalten kein Cholesterin!) © S. Galler, Salzburg 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] © S. Galler, Salzburg LDL – Stoffwechsel Kompartiment Darm („schlechtes Cholesterin“) Prozess • Aufnahme verdauter Fette • Aufbau von Chylomikronen und Abgabe in die Lymphe Lymphe • Chylomikronentransport ins Blut BlutKapillaren, Endothel • Hydrolyse von Triglyceriden der Chylomikronen durch Lipoproteinlipase • Aufnahme der entstehenden Monoglyceride und freien Fettsäuren (FS) in Muskel- und Fettzellen • Remnants (Chylomikronenreste) bleiben übrig • Transport von remnants in die Leber Begriffserklärung Chylomikronen: 75 – 500 nm, enthalten neben Apoproteinen exogene Triglyceride und etwas Cholesterin Lipoproteinlipase: Enzym an der Oberfläche von Endothel-, Leberund Fettgewebezellen, Spaltung von Triglyceriden der Lipoproteine © S. Galler, Salzburg Leber Blutkreislauf, Kapillaren, Endothel • 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 Nahrungscholesterin • Abgabe von VLDL in den Blutkreislauf • 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 Remnants: 50 – 100 nm, enthalten v.a. Cholesterin VLDL: Very low density lipoprotein 30 – 70 nm, enthält neben Apoproteinen endogene Triglyceride und Cholesterin LDL: Low density lipoprotein „schlechtes Cholesterin“ 17 – 25 nm, enthält neben Apoproteinen fast ausschließlich Cholesterin © S. Galler, Salzburg Parenchymzellen peripherer Körpergewebe [Parenchymzellen spezifische Zellen eines Organs, die dessen Funktion bedingen] • Anbindung von LDL an LDLRezeptoren der Parenchymzellen • Aufnahme von LDL-RezeptorKomplexen 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. © S. Galler, Salzburg HDL – Stoffwechsel Leber- und Darmepithel Blutkreislauf, Kapillaren Leber („gutes Cholesterin“) • Bildung von HDL-Vorläufern und Abgabe ins Blut • Heranreifen von HDL im Blut durch Aufnahme von - Apoproteinen und Cholesterin aus Chylomikronen-Abbau - Lezithin aus Zellmembran-Abbau • Weiterverwertung in der Leber HDL: High density lipoprotein „gutes Cholesterin“ 2 – 10 nm, enthält neben Apoproteinen v.a. Cholesterin und Phospholipide • Abbau von HDL • Überführung von Cholesterin in den Gallensaft Hauptfunktion von HDL: Transport von Cholesterin zur Leber (für Ausscheidung). Dadurch Schutz vor Arteriosklerose © S. Galler, Salzburg Zusammenfassung: Fette im Blut Darm Chylomikronen Galle Cholesterin Lymphe HDL-Vorläufer HDL Cholesterin und Apoproteine remnants Leber • Abbau der remnants in Lysosomen Cholesterin • Aufbau von VLDL v.a. aus Cholesterin und endogenen Triglyzeriden • Abbau von HDL Cholesterin © S. Galler, Salzburg VLDL Chylomikronen Blutkreislauf, Kapillaren Lipoproteinlipase: • Chylomikronen remnants durch Triglyzerid-Abbau in freie FS, Monoglyzeride • VLDL LDL Freie FS, Monoglyz. Fett- und Muskelzellen durch Triglyzerid-Abbau LDL Parenchymzellen peripherer Körpergewebe Arteriosklerose Normalfall: 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 Pathologisch: • LDL-Überschuß führt zu Anreicherung von LDL hinter der Endothelschicht der Arterien (Intima) • LDL der Intima wird chemisch verändert (Oxidation, Glykosilierung) © S. Galler, Salzburg © S. Galler, Salzburg • Die Endothelzellen werten dies als Gefahr und locken Immunzellen an • Die Entzündungsreaktionen führen zu Plaque-Bildungen (kollagenumhüllte Zellaggregate). In der Folge kommt es zu Elastizitätsverlust und Verkalkung der Arterienwände • Plaques können aufbrechen; in ihrem Inneren kann die Blutgerinnung ausgelöst werden • 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 © S. Galler, Salzburg 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 Eigene Risikoberechnung: http://www.chd-taskforce.de/index_d.htm Vorsorgemaßnahmen: • Regelmäßige Bewegung • Gesunde Ernährung • Ggf. Gewichtsreduktion Antioxidanzien (Vit. E, Grüner Tee) verringern die LDL-Oxidation Ballaststoffe verringern den Cholesterinspiegel Wasserlösliche 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 © S. Galler, Salzburg 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). 64 © S. Galler, Salzburg 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). © S. Galler, Salzburg 67 © S. Galler, Salzburg 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“ © S. Galler, Salzburg 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 Ohne Surfactans wären außerdem die Alveolen instabil: Die Kleinen würden die Großen aufblasen, gemäß dem Laplace-Gesetz: Anmerkung: Der Faktor 4 (statt 2) im Laplace-Gesetz ergibt sich durch die Beiträge der inneren und äußeren Oberfläche der Blasen. Die kleineren haben einen höheren „Innendruck“. Das Kollabieren der Alveolen wird durch die Surfactants verhindert, da sie die Oberflächenspannung v.a. der Kleineren herabsetzen. 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 © S. Galler, Salzburg 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. 73 Wärme- und Wasserhaushalt bei der Atmung Gasaustausch ist zwangsläufig gekoppelt mit Wasserund 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. © S. Galler, Salzburg Funktion der Nasen-Muscheln 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. Steuerung der Atemtätigkeit Grundrhythmus: Atemzentrum in der Medulla oblongata entsendet rhythmisch Signale an die Muskeln in Thorax und Zwerchfell. Modulation: Größere Körperarbeit erfordert erhöhte Ventilation aufgrund höheren Energiestoffwechsels. Diese Anpassung erfolgt über sensorische Eingänge auf das Atemzentrum. © S. Galler, Salzburg 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). 77 © S. Galler, Salzburg 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 © S. Galler, Salzburg 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. © S. Galler, Salzburg 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] © S. Galler, Salzburg 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, bläulichdunkelrot. © 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. © S. Galler, Salzburg 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 Skelettmuskelfasern und im Herzmuskel (Mitochondrien-reich). Hämoglobin-ähnlich, aber monomer, eine einzige Hämgruppe mit etwa 6-fach höherer O2-Affinität Rote Farbe daher sind die langsamen Skelettmuskeln 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. © S. Galler, Salzburg 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 CarbaminoVerbindungen 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 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 Bei der O2-Beladung in der Lunge wird die H+-Abgabe begünstigt (H+ + HCO3- H2O + CO2, Abdiffusion) © S. Galler, Salzburg Bindung von O2 und H+ an Hämoglobin (Hb) H+ Hb O2 H+ H+ Hb H+ O2 Begünstigung der O2-Freisetzung bei Ansäuerung (Bohr-Effekt) Begünstigung der H+-Freisetzung bei hohem O2-Druck (Haldane-Effekt) © S. Galler, Salzburg Säure-Basen-Gleichgewicht Der zelluläre Stoffwechsel führt zu Säureproduktion: 1. Mitochondriale Atmung führt zu CO2 (Kohlensäure) CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO32. 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 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. 91 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 [A-] * [H+] * k+ Stoffumsatz in Rückwärtsrichtung: [HA] * kStoffumsatz in Vorwärtsrichtung: k+ A- + H+ HA k- Gleichgewicht: [A-] * [H+] * k+ = [HA] * kk+ [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. © S. Galler, Salzburg Veranschaulichung von K: k+ [HA] K = --- = ------------k- [A-] * [H] 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 © S. Galler, Salzburg Biologische Puffer Intrazellulär: Phosphat, Proteine (Imidazolring des Histidins) Extrazellulär: Proteine, teilweise Bicarbonat © S. Galler, Salzburg © S. Galler, Salzburg 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 = HCO3HCO3- + 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 © S. Galler, Salzburg Ursachen für Säure/Base-Störung: • gestörte Atmung (respiratorische Acidose bzw. Alkalose) • Stoffwechselstörungen (metabolische Acidose bzw. Alkalose) • Renale Funktionsstörung © S. Galler, Salzburg 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-/ClCotransportsysteme. Der Na+-Gradient liefert die Energie [Der Na+-Gradient wird über die ATP-abhängige Na+/K+-Pumpe aufrechterhalten]. © S. Galler, Salzburg 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. © S. Galler, Salzburg 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) © S. Galler, Salzburg 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 © S. Galler, Salzburg Atrium = Herz-Vorhof Ventrikel = Herz-Kammer Atrioventrikularklappen (zw. Atrium und Ventrikel) Aortenklappen (zw. Ventrikel und Aorta) Vene = Gefäß, das zum Herzen hinführt Arterie = Gefäß, das vom Herzen wegführt Blutfluss: Venen Atrium Ventrikel Arterien (Aorta) Atrium und Ventrikel sind jeweils zweigeteilt. © S. Galler, Salzburg 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 106 © S. Galler, Salzburg Herzaktion • 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) 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 Herzmuskelzellen 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 Körperoberfläche 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 © S. Galler, Salzburg 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-WellenUmkehr. © S. Galler, Salzburg 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 Geschwindigkeit nimmt von der Gefäßwand zur Mitte hin zu. Fast im gesamten Blutkreislauf 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 © S. Galler, Salzburg 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. © S. Galler, Salzburg Druckverlauf im Kreislaufsystem Der Druck fällt im Gefäßsystem entsprechend dem jeweiligen Widerstand ab. Größter Abfall in den Arteriolen. © S. Galler, Salzburg Der „Puls“ Druck-Pulsationen in großen Arterien aufgrund der Systolen und Diastolen des Herzens. 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. © S. Galler, Salzburg 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 © S. Galler, Salzburg 121 © S. Galler, Salzburg © S. Galler, Salzburg Blutfluss 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. Organ-Durchblutung Unterschiedliche Organdurchblutung in Ruhe und bei körperlicher Arbeit gesteuert durch den Widerstand der Gefäße im jeweiligen Organ. © S. Galler, Salzburg Druckdifferenz Stromstärke (Durchfluss pro Zeit) = --------------------Widerstand Gefäßerweiterung (Vasodilatation, verursacht durch die glatten Muskeln der Gefäßwände) führt zu Widerstandsverringerung sehr sensitiv, Widerstand proportional zu r4 !!! Widerstand 8 R = ---- l --r4 (Hagen-Poiseuille) © S. Galler, Salzburg 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 © S. Galler, Salzburg 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). 126 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. © S. Galler, Salzburg 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) © S. Galler, Salzburg 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. © S. Galler, Salzburg 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 Stoffwechselprodukten wie Harnsäure, Sulfate etc. und körperfremde Substanzen (z.B. Penicillin, Giftstoffe; diese werden in der Leber mit einem Marker versehen, damit sie in der Niere als körperfremd erkannt werden). © S. Galler, Salzburg 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. © S. Galler, Salzburg 10) Hormone Hormon = Wirkstoff, der im Blut verteilt wird Endokrin = in das Blut absondernd 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 © S. Galler, Salzburg 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 © S. Galler, Salzburg Hypothalamus: Bindeglied zwischen Nervensystem und Hormonsystem. Neuronale Reize, die vom Sinnessystem beeinflusst werden, werden in neuroendokrinen Zellen in hormonale Signale umgewandelt. © S. Galler, Salzburg 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) © S. Galler, Salzburg Steroidhormone und Thyroxin im Plasma an Transportproteine gebunden wegen Lipophilie. © S. Galler, Salzburg Hormonrezeptoren • hohe Spezifität, da viele verschiedene Hormone im Blut zirkulieren • hohe Affinität, wegen sehr kleinen Hormonkonzentrationen: 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 (Steroidund Schilddrüsenhormone), Wirkung auf Genexpression © S. Galler, Salzburg © S. Galler, Salzburg 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 –frequenz Betablocker senken Frequenz längere Diastolen bessere Durchblutung] © S. Galler, Salzburg 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 den Körperkreislauf des Blutes ADH (Adiuretin; Rückgewinnung von Wasser aus Primärharn) und Oxytozin (Wehen, Milchejektion) © S. Galler, Salzburg Vorderlappen (Adenohypophyse): Freisetzung von releasing Hormonen (RH) und inhibiting Hormonen (IH) in ein Pfortadersystem, das den gesamten Vorderlappen durchströmt. Die Zellen des Vorderlappens werden über second messengers zur Bildung von Hormonen angeregt, die in den Körperkreislauf des Blutes gelangen. © S. Galler, Salzburg • 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) © S. Galler, Salzburg Sekundäre Hormondrüsen Nebennierenrinde: gesteuert über ACTH des Hypophysenvorderlappens; Bildungsort wichtiger Steroidhormone. Muttersubstanz der Steroidhormone ist Cholesterin • Mineralkortikosteroide (Aldosteron, Kortikosteron) Na+ im Körper zurückhalten (Niere) © S. Galler, Salzburg • Glukokortikosteroide (Kortisol/Kortison): Kohlenhydratund Aminosäuren-Stoffwechsel, antientzündlich und antiallergisch wegen der Hemmung der Proteinsynthese • Androgene (wirken anabolisch, gewebeaufbauend) Nebennierenmark: bei Streß über Sympatikus stimuliert Adrenalin, Noradrenalin Steigerung der motorischen Aktivität und des Stoffwechsels. © S. Galler, Salzburg 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 Calciumspiegels im Blut. © S. Galler, Salzburg Männliche Hormone (Androgene) Steroidhormone v.a. Testosteron • Geschlechtsdifferenzierung in der Entwicklung • Ausbildung der sekundären männlichen Geschlechtsmerkmale, den Behaarungstyp, Körperbau, Kehlkopfgröße (Stimmbruch). • Samenbildung • Förderung des männlichen Geschlechtstriebs © S. Galler, Salzburg Bildungsort von Testosteron: Leydigsche Zwischenzellen des Hodens; Ausschüttung gesteuert durch LH und FSH. © S. Galler, Salzburg Geschlechtsdifferenzierung Chromosomales Geschlecht Ausbildung entsprechender Gonaden (Keimdrüsen). Testosteron kann die weibliche Geschlechtsentwicklung stören, sowohl somatisch (Körperbau) als auch psychisch. Wanderung des Hodens in den Hodensack niedrigere Temperatur für Spermienbildung notwendig. © S. Galler, Salzburg 150 © S. Galler, Salzburg Menstruation Welche Hormone steuern den weiblichen Zyklus? Luna „Mondin“ Was macht den Zyklus zum Zyklus? Wer ist der Zeitgeber? Was passiert im Ovar? Was passiert in der Uterusschleimhaut (=Endometrium)? „Haupthormone“ luteinisierendes Hormon= LH Eisprung, Bildung des Gelbkörpers (= Corpus luteum) FSH = Follikel-stimulierendes Hormon Reifung d Follikels Ereignisse im Ovar: Follikelbildung, Eisprung, Gelbkörper FSH „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) Östradiol Nach Eisprung wird das Follikel zum Gelbkörper und produziert zusätzlich Progesteron Progesteron hemmt FSH und LH für 14 Tage. Danach wieder FSHFreisetzung und Follikelstimulierung Progesteron Östradiol 14 Tage lang - LH + Follikel = Bläschen ( Ei und umgebende Zellen) 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 © S. Galler, Salzburg 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 © S. Galler, Salzburg 6.) Progesteron bewirkt über negative Rückkopplung den Abfall 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 die Hemmung wegfällt Reifung neuer Follikel © S. Galler, Salzburg © S. Galler, Salzburg Die Zyklus-Uhr 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. Befruchtung 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, was die Reifung neuer Follikel hemmt. © S. Galler, Salzburg
