knochen- und knorpelfische kreislaufsysteme bei wirbeltieren
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Herz-Kreislauf-Systeme Herz-Kreislauf-Systeme KNOCHEN- UND KNORPELFISCHE 1 Herz-Kreislauf-Systeme KREISLAUFSYSTEME BEI WIRBELTIEREN 2 Herz-Kreislauf-Systeme AMPHIBIEN 3 4 ➡ verknüpfen alle Körperzellen miteinander • Einzeller/Porifera/Cnidaria/Platheminthes: Zellen stehen in direktem Kontakt mit der Umgebung (Begrenzung der Körpergröße) • Vielzeller benötigen spezialisierte Kreislaufsysteme, die Flüssigkeiten als Transportmedien zwischen der Umgebung und den Körperzellen bewegen ➡ Kreislaufsysteme verringern die Entfernung, die Substanzen diffundieren müssen Grundkomponenten: zirkulierende Flüssigkeit — Röhrensystem — muskulöse Pumpe Aufgaben des Kreislaufsystems: • nur ein einfacher Kreislauf • Transportfunktion (Nährstoffe, Abfallstoffe, Atemgase, Hormone, Wasser, Elektrolyte) • zweikammeriges Herz (1 Atrium, 1 Ventrikel) • Beschleunigung von Reaktion auf Verletzungen • vor dem dem Atrium befindet sich eine vergrößerte Kammer (sinus venosus), darin • Aufrechterhaltung der Körperwärme sammelt sich das venöse Blut, um einen gleichbleibenden Bluteinstrom und Herz zu Gastrovaskularsystem: gewährleisten • Hohlraumsystem des Körpers ➡ Funktion von Verdauungs- und Kreislaufsystem, steht ↓ aus dem Ventrikel durch den Bulbus cordis zu den Kiemen mit der Außenwelt über eine einzige Öffnung in Verbindung ↓ von Kiemen: Sauerstoffanreicherung ➡ entodermale Gastrodermis mit ektodermalen Epithelmuskelzellen ↓ Aorta dorsalis: verteilt Blut im Rest des Körpers ➡ Cnidaria, Plathelminthes, Planaria ↓ über Venen zurück ins Herz offenes Kreislaufsystem: ➡ Blutdruckabfall in den Kiemen begrenzt die Durchblutungsrate im ganzen Körper ➡ Flüssigkeit ergießt sich in die Leibeshöhle und umspült die Organe • Blut und interstitielle Flüssigkeit vermischen sich zur Hämolymphe • geringer hydrostatischer Blutdruck ➡ wenig energieaufwändig ➡ Anthropoid, Mollusca geschlossenes Kreislaufsystem: • Gefäßsystem • Blut und intestitielle Flüssigkeit getrennt • hoher Blutdruck ➡ effiziente Versorgung großer, aktiver Tiere ➡ Annelida, Cephalopoda (einzige Mollusken), Vertebraten Hautatmung! ➡ Trennung der beiden Kreisläufe ist bei Amphibien und Reptilien noch unvollständig ➡ Mischung von oxidiertem und desoxigeniertem Blut im Herzen • dreikammeriges Herz (2 getrennte Arterien und 1 nicht unterteilter Ventrikel) • Blut aus dem Körper gelangt in Sinus Venosus (Sammelkammer) ➡ Blut in rechte Vorkammer • linke Vorkammer empfängt sauerstoffreiches Blut aus der Lunge und Haut • rechte und linke Vorkammer kontrahieren asynchron (Verhinderung der Vermischung) • Kontraktion Ventrikel: sauerstoffreiches Blut in Körperkreislauf, sauerstoffarmes Blut im Lungenkreislauf Unterstützung der Trennung durch: • Spiralklappe in conus arteriosus • unterschiedliche Blutdrücke in den Gefäßen des Lungen- und Körperkreislaufs • Kreislaufspezialisierung bei Hautatmung (z.B. Ausbildung von Hautpapillen) • Herz-Kreislaufsystem an Aktivitätsniveau des Tieres angepasst • Haupttypen von Blutgefäßen: • Arterien: Herz → Organ (Arterien — Arteriden — Kapillaren) • Venen: Organ → Herz (Kapillaren — Venolen — Venen) • Kapillaren → Stoffaustausch Mikrozirkulation: • Kapillaren werden durch die glatte Muskulatur reguliert! verschiedene Kapillartypen bzgl. der Durchlässigkeit: • kontinuierlich (undurchlässig: Skelettmuskulatur) • fenestriert (teilweise durchlässig: Niere ➡ Ultrafiltration) • diskontinuierlich (durchlässig: Leber, Knochenmark➡ Einlass neu gebildeter Blutzellen) Doppelter Kreislauf ➡ Amphibien, Reptilien, Aves, Mammalia • zwei eigenständige Kreisläufe • rechte Herzhälfte: Lungenkreislauf, Austausch von O2 und CO2 • linke Herzhälfte: Körperkreislauf ➡ Blutdruck im Vergleich zum einfachen Kreislauf wesentlich höher („Pumpe“) Herz-Kreislauf-Systeme Herz-Kreislauf-Systeme REPTILIEN VÖGEL 5 Herz-Kreislauf-Systeme EVOLUTION — VERGLEICH DER AORTENBÖGEN 6 Herz-Kreislauf-Systeme UNTERSCHIEDE IN DEN HERZEN VON VÖGELN UND SÄUGERN ——— GEMEINSAMKEITEN IN DEN HERZEN VON VÖGELN UND SÄUGERN 7 8 • sehr ähnlich dem Säugetierkreislauf, obwohl sich ihre gemeinsamen Merkmale parallel evolviert haben (konvergente Entwicklung) • vierkammeriges Herz mit kräftigen Ventrikelwänden ➡ vollständige Trennung von Lungen- und Körperkreislauf • rechter Aortenbogen führt zur Aorta dorsalis (nicht der linke, wie bei Säugern) • die 2 Drosselvenen (Vena jugulario externa & interna) in Halsbereich sind verbunden durch eine Quervene ➡ Anpassung für Umleitung der Blutstroms von einer Drosselvene zur anderen, wenn Kopf stark gedreht wird • Brachial- und Pektoralvenen (Arm- und Brustarterien) sind ungewöhnlich groß ➡ Flugmuskulatur • Herzschlag extrem schnell • Vogelblut enthält bikonvexe, kernhaltige Erythrocyten Unterschiede in den Herzen von Vögeln und Säugern: • Verlauf des Aortenbigens: bei den Vögeln ist der rechte Aortenbogen von den beiden Bögen der niederen Vertebraten erhalten geblieben ➡ ohne Bedeutung für die Funktion! Aus dem linken Ventrikel geht nur ein kurzer Sortenstamm hervor, von dem der relativ dünne Aortenbogen abzweigt • Hauptteil des Blutes gelangt in linke und rechte Kopf-Arm-Arterie (Truncus brachiocephalicus sinister bzw. dexter) ➡ Flugmuskulatur benötigt gute Blutversorgung • Form der rechten Herzklappe: bei Säugern ist dies eine Segelklappe; Vögel: halbmondförmige Muskelwurst, Segelklappe wie bei den Säugern wäre aus Raumgründen kaum möglich Gemeinsamkeiten in den Herzen von Vögeln und Säugern: • vier getrennte Kammern • Myokard der linken Herzkammer ist erheblich kräftiger als der der rechten • Myokard ausgekleidet mit Endokard (entspricht Innenwand der übrigen Blutgefäße) • nach außen: Epikard • effizientes und flexibles Kreislaufsystem ➡ höherer Blutdruck als Amphibien • dreikammeriges Herz (2 Atrien, 1 Ventrikel) • rechtes Atrium (sauerstoffarmes Blut aus Körper) vollständig vom linken Atrium (sauerstoffreiches Blut aus der Lunge) getrennt • Körperkreislauf mit zusätzlichem rechten Aortenbogen (Blutstrom kann Lungen umgehen, wenn Lungenatmung nicht abläuft, z.B. beim Tauchen) • Krokodile: Septum trennt Ventrikel fast vollständig (Körper- und Lungenkreislauf sind über ein kleines Fenster (Foramen panizzae) unterhalb der Sortenwurzel miteinander verbunden) • bei anderen Reptilien: unvollständige Trennung der Ventrikel ➡ Verhinderung der Durchmischen durch spezielle Stömungsmechanik ➡ Entwicklung des Herzens und Arterienbogensystems ➡ geht aus 6 Kiemenbogenarterien hervor Fische: Amphibien: Reptilien: Vögel: Säuger: 1. und 2. Bogen reduziert aus dem 3. Bogen bilden sich die Kopfarterien (Carotide) 4. Bogen bildet sich zu den primär paarigen Aortenwurzeln 6. Bogen bildet sich zur Lungenarterie — Carotiden treten mit der linken Aortenwurzel in Kontakt ➡ erstmalige Überkreuzung der Arterienwurzeln nur rechter Aortenbogen nur linker Aortenbogen ➡ linker Ventrikel bildet Aorta Herz-Kreislauf-Systeme Herz-Kreislauf-Systeme DAS HERZ DER SÄUGETIERE EVOLUTION — AUFBAU DES HERZENS 9 10 Herz-Kreislauf-Systeme Herz-Kreislauf-Systeme ERREGUNGSAUSBREITUNG AUFBAU DER HERZWAND: 11 12 • linker Ventrikel viel muskulöser ➡ muss Blut in Kapillaren puren • pulmonale Klappe verhindert Rückstrom aus der Lungenarterie • Sinus venöses wird kleiner und ist schließlich in den rechten Vorhof integriert • Ausführung wird komplexer • „2 fusionierte Herzen“ ➡ getrennte Kreisläufe Anatomischer Aufbau: Atrien (Vorhöfe): dünne Wände — geringer Druck • Sammelort für Blut aus dem Körper- bzw. Lungenkreislauf • Kontraktion ➡ Blut wird in den Ventrikel gepresst Ventrikel (Herzkammern): dicke Wände — hoher Druck • kräftige Kontraktion ➡ Blut wird in den Körper- bzw. Lungenkreislauf gepumpt ➡ Systole: Kontraktion des Ventrikels ➡ Abgabe des Blutes unter Druck Diastole: Erschlaffung des Ventrikels ➡ Füllungsphase mit Blut 4 Herzklappen: verhindern Rückfluss des Blutes • Segelklappen (Atrioventikularklappen): zwischen Atrium und Ventrikel Öffnen und Schließen • Trikuspidalklappe (rechts) durch Druckänderung • Mitralklappe (links) • Taschenklappen (Semilunarklappen) an beiden Herzausgängen • Pulmonalklappe • Aortenklappe fehlerhafte Herzklappen: • Stenose ➡ verringerte Öffnungsfähigkeit • Insuffizienz ➡ verringerte Verschlussfähigkeit ➡ rhythmische Erregbarkeit durch autorhythmische Fasern (Autorhythmie) ➡ Kontraktion und Erschlaffung unabhängig vom ZNS ➡ Aktionspotenziale ➡ koordinierte Herzkontraktion Sinusknoten (SA-Knoten): primärer Schrittmacher Pfortadersysteme=venöses System, das sich in anderem Organ in Kapillaren auffächert • im rechten Vorhof • Leberpfortader • Festlegung der Frequenz und des zeitlichen Ablaufs • Hypophysenpfortader • generiert elektrische Impulse ➡ Vorhöfe kontrahieren • Nierenpfortader Atriventrikularknoten (AV-Knoten): sekundärer Schrittmacher • im Septum zwischen den Vorhöfen Aufbau der Herzwand: (Impuls des Sinusknoten kommt um 0,1s verzögert an ➡ Vorhöfe können sich vor Perikard (Herzbeutel): — umschließt und schützt das Herz Kontraktion des Ventrikel vollständig entleeren) — aus festem Bindegewebe ➡ vom AV-Knoten Impulsausbreitung über His-Bündel, Weiterleitung über TawaraEpikard: — äußere Schicht der Herzwand Schenkel bis zur Herzspitze Myokard (Herzmuskel): — gestreiftes Herzmuskelgewebe; gestreut von veg. NS ➡ Purkinje-Fasern: von Herzspitze nach oben Erregung läuft im — für Pumpenleistung verantwortlich ➡ Kontraktion der Ventrikel Herzen nach unten Endocard: — innere Schicht ➡ dünnes Endothel und Bindegewebe mit zeitlicher Abfolge! fallen SA- und AV-Knoten aus, können die anderen Strukturen die Schrittmacherfunktion übernehmen, aber Hirnversorgung mit Blut reicht nicht mehr aus ➡ künstlicher Schrittmacher Herz-Kreislauf-Systeme Herz-Kreislauf-Systeme UNTERSCHIEDE ZUM SKELETTMUSKEL HERZMUSKULATUR 13 14 Herz-Kreislauf-Systeme Herz-Kreislauf-Systeme ELEKTROKARDIOGRAMM (EKG) DRUCKVERÄNDERUNGEN IN DER SYSTOLE UND DER DIASTOLE: 15 16 ➡ Zellen sind über Zellgrenzen hinweg miteinander verbunden • Gap-Junctions (Ionenkanäle) • Glanzstreifen (beinhalten Gap-Junctions und Desmosomen) ➡ mech. und elektr. Kopplung (nicht nur Kontraktion einer einzelnen Zelle) ➡ autonomes Reizleitungssystem des Herzens (modifizierte Muskelzellen) Herzmuskel: • kurz nach Beginn des Aktionspotenzials einsetzende Kontraktion (Systole) fällt in die Plateauphase des Aktionspotenzials Myokardzellen bilden ein funktionelles Synzytium ➡ Myokard ist während der gesamten Systole durch Reize nicht erregbar Aufbau Herzmuskel: Muskelfaser — Myofibrillen — Sarcomere • in der Diastole ist das Myokard nur durch sehr starke Reize erregbar und erst nach • Myokard erregt sich rhythmisch selbst Abschluss des Rebpolarisierung wieder vollständig erregbar • Myokardzelle bliebt nach der Depolarisation (Na+-Einstrom) mehrere 100ms auf einem Depolarisationsplateau (langsamer Ca2+-Einstrom) Skelettmuskulatur: ➡ während dieser Zeit ist die Myokardzelle reizunempfindlich (refraktär) • Aktionspotenzial ist längst abgeklungen, wenn die Kontraktion einsetzt • Aktionspotenziale breiten sich über die Gap-Junctions zwischen den Myokardzellen aus • während der Kontraktion ist der Skelettmuskel nicht mehr refraktär und kann zu neuen ➡ maximale Kontraktion im ganzen Muskel Kontraktionen angeregt werden Wirkung steigender Reizfrequenzen: Myokard: trotz steigender Reizstärke bleiben die Kontraktionen gleich strak (Alles-oder-nichts) Skelettmuskel: mit Änderung der Reizstärke ändert sich auch die Kontraktionsstärke Druckveränderungen in der Systole und der Diastole: 1) Arterien kontrahieren 2) Ventrikel kontrahieren, Segelklappen schließen sich ➡ Druck in den Ventrikeln steigt an, bis sich die Taschenklappen öffnen 3) Austreibungsphase: Blut wird aus den Ventrikeln in die Aorta und die Lungenarterien gepumpt 4) Ventrikel erschlaffen, Druck sinkt ➡ Schließen der Taschenklappen 5) Füllungsphase: Ventrikel füllen sich mit Blut ➡ wo im Herzen befindet sich die Erregung? P: Erregung der Vorhöfe R: Spitze des Ventrikels erregt (➡ Anspannung; S—T ➡ Austreibung) T: Repolarisation der Zellen Herz-Kreislauf-Systeme Herz-Kreislauf-Systeme BLUTGEFÄßE II BLUTGEFÄßE 17 18 Herz-Kreislauf-Systeme Herz-Kreislauf-Systeme REGULATION DER HERZ- UND KREISLAUFAKTIVITÄT HERZ EINES BABYS 19 20 Venen = Blutgefäße, die zum Herzen hinführen ➡ dünnwandig, weniger elastisch und von wesentlich größerem Durchmesser als korrespondierende Arterien ➡ Blutdruck im Venensystem ist geringer ➡ Unterstützung des Rückstroms durch: Arterien = Blutgefäße, die vom Herzen wegführen: • Venenklappen: lange Flüssigkeitssäule des Blutes wird in Abschnitte unterteilt ➡ müssen hohen, pulsatilen Druck aushalten ➡ „Windkesselfunktion“ • um Venen herumliegende Skelettmuskulatur: Kontraktion der Skelettmuskulatur (geringe körperliche Bewegung reicht aus) führt dazu, dass Venen zusammen• sind mit einer dicken Schicht aus elastischen Fasern, viel glatter Muskulatur und zähem, gedrückt werden und das Blut in Richtung Herz transportiert wird unelastischem Bindegewebe ummantelt • Saugwirkung der Diastole • können sich ausdehnen, wenn ein Schwall Blut das Herz bei der Systole verlässt und bei Diastole in Ausgangslage zurückkehren • rhythmische Bewegung der Lungen bei der Atmung: Unterdruck im Throax durchs Einatmen beschleunigt venösen Rückfluss Venen und Arterien sind aus 4 Schichten aufgebaut: Kapillaren: Haargefäße; Durchmesser so, dass Erythrozyt gerade noch passieren kann • Tunica interna (Intima): einreihige Endothelschicht • sehr dünne, poröse Wände • Basalmembran • am arteriellen Ende einer Kapillare übersteigt der hydrostatische Druck (= Blutdruck) • Membrana elastica interna: dünne Bindegewebsschicht mit elastischen Fasern den von den Plasmaproteinen beigesteuerten kolloid-osmotischen Druck • Tunica media: glatte Muskelschicht: hält Blutdruck zwischen 2 Kontraktionen aufrecht ➡ Plasmafiltrat wird aus den Kapillaren herausgepresst ➡ autonomes NS + hormonelle Regulation • am venösen Ende übersteigt der kolloidale osmotische Druck den hydrostatischen • Membrana elastica externa ➡ es wird Flüssigkeit in die Kapillare hineingesaugt • Tunica externa (Adventilla): lockeres Bindegewebe mit glatten Muskelfasern • Nährstoffe werden im Blutplasma in die interstitiellen Räume verfrachtet, von wo aus sie in die Zellen übertreten können; gleichzeitig werden Stoffwechselendprodukte aus den Zellen in das Plasma gesaugt und fortgeschwemmt • normalerweise überlappen beim Fötus kurz vor der Geburt 2 Septumklappen • Geburt: schlagartige Druckänderung ➡ Klappen schließen sich! ➡ Septen verwachsen • nur ein Kreislauf, gemeinsam mit dem Körperkreislauf der Mutter ➡ Lungenkreislauf sinnlos, da Atmung nicht möglich ➡ Verbindung zwischen linker und rechter Herzhälfte Vorhofsseptumdefekt / Ventrikelseptumsdefekt: ➡ Loch in der Herzscheidewand ➡ sauerstoffreiches Blut fließt in rechte Herzhälfte zurück und wird erneut in die Lunge gepupt (Links-Rechts-Shunt) ➡ Belastung des Lungengefäßsystems ➡ Herzinsuffizienz Blutdruck: Druck, der in einem bestimmten Abschnitt des kardiovaskulären Systems herrscht (➡ arterieller Blutdruck) • zentral: neurogen (Sympathicus/Parasympaticus) ⟷ endokrin • peripher: parakrin ⟷ myogen (Glattmuskelzellen regulieren ihre Aktivität selbst) 1) kurzfristige arterielle Druckregulation: (negativer Rückkopplungseffekt) • bei einer Hypertonie senden Bartrezeptoren in der Arterienwand hemmende Signale an den Sympathicus (➡ Medulla oldongata) • bei einer Hypotonie: Abnahme der hemmenden Impulse ➡ Steigerung des Blutvolumens! + Gefäßverengung in Haut, Nieren und Magen-Darm-Trakt 2) mittelfristige arterielle Druckregulation: • Renin-Angiotensin-Aldosteron-System ➡ Salz- und Wasserhaushalt des Körpers • Hypotonie: Nierendurchblutung und Flüssigkeitsmenge nimmt ab ➡ Freisetzung von Renin ➡ Angiotensin I ➡ Angiotensin II ➡ Vasokonstriktion! Blutdruck wird erhöht! 3) langfristige arterielle Druckregulation: • Hypertonie: erhöhter Druck auf den Arterien ➡ Ausschüttung des Transmitters ANP ➡ Druckdiurese (?) ➡ erhöhte Wasserausscheidung • Hypotonie: Renin-Angiotensin-Aldosterol-System • Angiotensin II bewirkt Ausschüttung von Aldosteron verstärkte Retention von Wasser aus dem Urin (➡ Volumenerhöhung) • Angiotensin II führt in Hypophyse zu einer vermehrten Freisetzung von ADH (Rückresorption von Wasser wird stimuliert + Vasokonstriktion)
