Anatomie VL 02 Grundlagen Physiologie

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Anatomie VL 02 Grundlagen Physiologie
Einführung in die Anatomie und Physiologie
1 Grundlagen der Physiologie
1.Grundlagen
Frank Käßner , AZLS Cottbus
Vorlesungsplan
15. 4. 2010
Grundlagen der Physiologie, Zelle und Gewebe
29. 4. 2010
Physiologie des Bewegungsapparates, des Blutes und
des endokrinen Systems
27 5 2010
27.5.
Physiologie des Herz
Herz- und Gefäßsystems
10. 6. 2010
Physiologie der Atmungsorgane
24.6. 2010
Physiologie der Verdauungsorgane, Harnwege und
und Geschlechtsorgane; Fortpflanzung und Geburt
8.7. 2010
Physiologie des Gehirns, Nervensystem und der Sinnesorgane
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
Inhaltsübersicht
1 Grundlagen der Physiologie/ Pathophysiologie
1.
2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
Einführung in die Physiologie und Pathophysiologie
Literatur
-“Der Körper des Menschen“ (Adolf Faller, Michael Schünke, 2008)
-“Der Mensch, Anatomie und Physiologie“ (Johann S. Schwegler, 2002)
Physiologie
-“Physiologie“
( Behrends et all
all, 2009 )
Weitere Quellen:
www.physiologie-online.com
p y
g
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
Grundlagen der Physiologie/
Pathophysiologie
Physiologie: (griech.)Physis + Logos =
Lehre von natürlichen Lebensvorgängen
umgangssprachlich
hli h h
heißt
ißt physiologisch
h i l i h : „ natürlich“,
tü li h“ „nicht
i ht pathologisch
th l i h “
Pathophysiologie: Lehre von krankhaften Veränderungen
Anatomie:(griech.): „Zergliederung“ Wissenschaft vom Bau der
Lebewesen
Anatomie: Hardware
Physiologie: Software
Dr. med. Frank Käßner
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Grundlagen der Physiologie/
Pathophysiologie
-Begriffsprägung : 1525
-Jean Francois Fernel (1497-1558)
()
-französischer Arzt und Astronom(!)
(entdeckte das Rückenmark,bestimmte
Erdumfang mittels Meridianmessung
Paris-Amiens)
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
Grundlagen der Physiologie/
Pathophysiologie
•
Physiologie
Ph
i l i war iin dder A
Antike
tik dder B
Begriff
iff für
fü die
di gesamte
t N
Naturwissenschaftt i
h ft undd auchh di
die
moderne Physiologie bietet das gesamte Spektrum experimenteller und analytische Methoden....,
nun allerdings in Anwendung an das Lebendige und seine Funktionen.... auch insofern- aber nicht
nur deshalbd h lb ist
i t die
di Physiologie
Ph i l i di
die M
Mutter
tt aller
ll Di
Disziplinen
i li
dder kli
klinischen
i h M
Medizin...“
di i “ (J
(J. C
C.
Behrends)
•
„Die Physiologie sucht nach dem Unterschied zwischen dem Ganzen und der Summe seiner
Teile. Die Suche führt vielleicht am nächsten an das heran, was Leben und Krankheit ausmacht.“
(H. Ehmke)
•
y
g ist ein riesiger
g Abenteuerspielplatz
p p
für neugierige
g g Menschen. Sie bietet eine
„Die Physiologie
gigantische Vielfalt von spannenden Forschungsfragen, die letztlich alle darauf zielen, den
Menschen zu verstehen “ (St. Frings)
•
„Das Faszinierende der Physiologie entsteht, wie bei anderen Wissenschaften auch, im Auge des
Betrachters. Aber dieses ist ein physiologischer Prozess und das ist das Faszinierende.“ (E.
Wischmeyer)
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1. Grundlagen der Physiologie
Inhaltsübersicht
1.Grundlagen der Physiologie
2.Grundlagen der Physiologie der Zelle
3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1. 1. Stoffmengen und Konzentrationen
1 Grundlagen
1.Grundlagen
1.1. Stoffmengen und Konzentrationen
1.2. Osmose
1.3.Stofftransport
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
1. Grundlagen der Physiologie
1. 1. Stoffmengen und Konzentrationen
1 1 Stoffmenge und Konzentration
1.1.
Die unterschiedliche
Di
t
hi dli h K
Konzentration
t ti eines
i
IIons oder
d M
Moleküls
l kül iin
Zellkompartimenten ist Grundvoraussetzung für alle zellulären Prozesse.
Um die Konzentration eines Moleküls anzugeben, benötigt man
ein Maß für seine Menge:
Kg g
Kg,
g, mg
Masse
Stoffmenge
mol, mmol
Volumen
l, ml
m³
1 Liter = 10x10x10 cm³
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
1. Grundlagen der Physiologie
1. 1. Stoffmengen und Konzentrationen
1 1 Stoffmenge und Konzentration
1.1.
•
1 mol enthält 6,022 x10²³ Teilchen (Avogadro – Konstante)
•
Dies entspricht der Anzahl von ¹²C – Atomen in 12 g reinem Kohlenstoff
•
Die atomare Masseeinheit wird definiert als 1/12 eines Kohlenstoffatoms ¹²C und
wird in Da (Dalton) angegeben.
•
Das relative Molekulargewicht eines Atoms oder Moleküls wird auf diese
Masseneinheit bezogen, d. h. reines ¹²C hat die Massenzahl 12.
•
Aus der Massenzahl (Atom- oder Molekulargewichtstabelle) lässt sich demnach
ableiten wie
ableiten,
ie viel
iel Gramm einer Substanz
S bstan man benötigt
benötigt, um
m eine bestimmte
Konzentration in einem Lösungsmittel herzustellen.
•
Wieviel Gramm NaCl muß man in 1 Liter lösen
lösen, um eine Lsg.
Lsg der Konzentration
von 1mol/ l zu bekommen, wenn die Massenzahl von NaCL 58,44 Da beträgt?
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1. 1. Stoffmengen und Konzentrationen
1 1 St
1.1.
Stoffmenge
ff
undd Konzentration
K
t ti
Molare Konzentration
-mol/l
mol/l
(Volumen)
Molale Konzentration
-mol/kg
(Masse)
Aktivität: Durch die in höher konzentrierten Lösungen
wirkenden Anziehungskräfte können sich nicht alle Teilchen
völlig
ölli unabhängig
bhä i voneinander
i
d bewegen.
b
Deshalb
D h lb ist
i t die
di
wirksame Konzentration/Aktivität A kleiner als die wirkliche
Konzentration c:
A= c x f
der Aktivitätskoeffizient f ist eine komplexe Funktion der
Ionenstärke I
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1. 1. Stoffmengen und Konzentrationen
1 1 Stoffmenge und Konzentration
1.1.
Ph- Wert: beschreibt die Konzentration freier Wasserstoffionen ([H+])
Eigenschaften von Proteinen sind stark von der sie umgebenen
H+Ionenkonzentration abhängig
Diese kann sich um mehrere Zehnerpotenzen ändern
Ph =-log [H+]
(negativer dekadischer Logarithmus)
Magen: ph =1
=Ionenkonzentration 100 mM
Blut:
ph= 7,36
ph
7,36-7,44
7,44
=Ionenkonzentration
Ionenkonzentration 39nM (39,8 x 10 ‫־‬9)
< 7,36 =Azidose
schmaler ph-Bereich wird durch Puffer
gesichert:
>7,44 = Alkalose
Urin:
CO2/HCO3‫ ־‬und Proteine (vor allem Hb)
ph= 4,5-8,0
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1. 1. Stoffmengen und Konzentrationen
Referenzskala für Urinteststreifen ( “U-stix”
“U stix” )
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1. 1. Stoffmengen und Konzentrationen
Blutgase
• 02/ CO2 , mmHg,
g, kPa
• P Gas = F Gas x P gesamt
• Jedes Gas übt
üb innerhalb
e a b eines
e es Gasgemischs
Gasge sc s eeinen
e Teildruck
e d uc
( Partialdruck P Gas) des Gesamtdrucks (P gesamt) aus, der seinem
Anteil am Gemisch (Fraktion F Gas) proportional ist.
• Dalton Gesetz : einzelne Partialdrücke addieren sich zum
Gesamtduck eines Geasgemisches
• Henry- Gesetz : CGas= PGas x α Gas (Löslichkeitskoeffizient)
• Die Konzentration eines in Flüssigkeit gelösten Gases ist seinem
P ti ld k proportional
Partialdruck
ti l
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1. 1. Stoffmengen und Konzentrationen
Blutgasanalyse [1/3]
Aus wenigen Tropfen Blut
Bestimmung von
- Sauerstoff
- Kohlensäure
- Säuregrad (pH)
- Kohlenmonoxid
K hl
id (Rauchen)
(R h )
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1. 1. Stoffmengen und Konzentrationen
Blutgasanalyse [2/3]
• Normwerte:
•
•
•
•
Hypoxämie
Hyperkapnie
Respiratorische Partialinsuffizienz
Respiratorische Globalinsuffizienz
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1. 1. Stoffmengen und Konzentrationen
Blutgasanalyse [1/3]
„pink puffer“
Dr. med. Frank Käßner
„Blue bloater“
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1. Grundlagen der Physiologie
1. 1. Stoffmengen und Osmosen
1 1 Stoffmenge und Konzentration
1.1.
-pO2 <55 Torr
-pO2 55-60 Torr bei COPD mit cor pulm u. sek. Polyglobie
-Abfall
Abfall des pO2 auf unter 55 Torr bei körperlicher Belastung
-Hypoxämie während des Schlafes
-COPD(A1-AT-Mangel)
-Lungenfibrosen, CF
-chron.
chron Lungengefäßerkrankungen (PAH)
-rezidivierende Lungenembolien
-Herzinsuffizienz
-Bronchialkarzinom
B
hi lk i
-Z.n. Lungenresektionen
-Thoraxwand- und Wirbelsäulendeformitäten
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.2. Osmose
1 Grundlagen
1.Grundlagen
1.1. Stoffmengen und Konzentrationen
1.2. Osmose
1.3.Stofftransport
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.2. Osmose
1 2 Osmose
1.2.
• …Diffusion eines Lösungsmittels durch eine semipermeable
Membran. Ursache dafür sind die Konzentrationsgradienten der
Stoffe für die diese Membran nicht permeabel ist
Stoffe,
ist.
• Der Reflexionskoeffizient σ gibt die Membran an:
• 0= völlig durchlässig
• 1= völlig undurchlässig für gelöste Teile ( ideal semipermeabel)
– Beispiel:Lipidmembranen:
• Keine Durchlässigekeit für gelöste Stoffe
• ohne geeignete Transportproteine:
• Ionen oder Wasserkanäle (Aquaporine)
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.2. Osmose
Experiment:
Wasser strömt entlang seines
Konzentrationsgefälles in die Zuckerlösung
ein, während die Zuckermoleküle durch die
semipermeable Membran an der Passage
gehindert
ge
de werden
e de
Wasser
Wasser
Der hydrostatische Druck, bei dem sich Wasserein- und Wasseraustrom schließlich
die Waage halten entspricht dem osmotischen Druck p osm, den die gelösten
Teilchen ausüben.
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.2. Osmose
Van`tt Hoff
Van
• Nach van‘ t Hoff gilt:
• P osm = R x T x σ x c
– R= allgemeine
g
Gaskonstante , T= absolute Temperatur
p
in Kelvin
– σ =Reflexionskoeffizienz, C=Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen
• Im menschlichen Organismus wird der hydrostatische Druck wesentlich
durch die Na+-Konzentration bestimmt, da Na+ extrazellulär das
dominierende Kation darstellt.
• Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen:
– Osmolarität (bezogen auf Volumen der Gesamtlösung)
– Osmolalität (bezogen auf Masse des Lösungsmittels)
• Der osmotische Druck
Druck, der durch große Makromoleküle (Kolloide
(Kolloide,
überwiegend Proteine) entsteht, wird auch als kolloidosmotischer oder
onkotischer Druck bezeichnet.
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.2. Osmose
Beispiele:
•
Diabetes mellitus
•
Insulinmangel, Hyperglycämie, Hyperurämie, Diurese
Æ osmotisch bedingte vermehrte Wasserausscheidung
Æ Zunehmendes Durstgefühl
•
Ödeme
•
Flüssigkeitsansammlungen im interstitiellen Raum
Æ Erniedrigung des kolloidosmotischen Drucks im Blut( meist durch Eiweißverlust (
Proteinurie)
Æ Austreten durch die Gefäße in das Gewebe
•
Cave:Infusionen sollten immer isoton sein,
sein d.h.
d h den gleichen
osmotischen Druck wie das Blutplasma erzeugen!
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1.Grundlagen
1.1. Stoffmengen und Konzentrationen
1.2. Osmose
1.3. Stofftransport
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 Stofftransport
1.3.
• Ungleichmäßige Verteilung von Molekülen
• im menschlichen Körper Æ Kompartimentierung ( Zellen,
O
Organellen)
ll )
• Aktiver
Akti T
Transportt
– Diffusion
– Filtration
– Konvektion
• Passiver Transport
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 1 passiver Transport
1.3.1.
A Diffusion
•
Bewegung von Stoffen in wässrigen Lösungen oder Gasen , aber auch durch
Lipidmembranen. Ursache ist die zufällige thermische Eigenbewegung der Moleküle
(Brown‘sche Molekularbewegung), die den Ausgleich von Konzentrationsunterschieden
bewirkt.
•
Eine Bewegung von Substanzen erfolgt immer entlang des Konzentrationsgradienten vom
Ort der höheren zum Ort der niedrigeren Koenzentration. Der Konzentrationsgradient ist
somit die chemische Triebkraft der Diffusion.
•
Lipiddoppelschicht einer Zellmembran:
•
–
nur für lipophile Substanzen oder mit Hilfsmitteln zu passieren
–
1 Fick
1.
Fick‘sches
sches Diffusionsgesetz: J = -D
D x A x ∆c
–
D= Diffusionskoeffizient; A= Fläche; ∆c= Konzentrationsgradient
Pro Zeiteinheit transportierte Stoffmenge ist proportional zu Konzentrationsgradient und
Flä h der
Fläche
d M
Membran.
b
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 1.
1.3.
1 passiver Transport
Einfache Diffusion
•
Bewegung von Stoffen in wässrigen Lösungen oder Gasen , aber auch durch
Lipidmembranen ohne Hilfe von Transportproteinen.
– Membranpassage von Steroidhormonen
– Diffusion von O2 aus den Alveolen der Lunge in das
– Blut der Lungenkapillaren
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 1 Passiver Transport
1.3.1.
Einfache Diffusion
Fläche aller Lungenbläschen
eines Menschen: ca. 100 m2
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 1 passiver Transport
1.3.1.
Störungen der Diffusion
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 1 passiver Transport
1.3.1.
Störungen der Diffusion
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 1 passiver Transport
1.3.1.
Störungen der Diffusion
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 1 passiver Transport
1.3.1.
Stö
Störungen
der
d Diffusion
Diff i
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 1 passiver Transport
1.3.1.
Störungen der Diffusion
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 1 passiver Transport
1.3.1.
Störungen der Diffusion
Fluß (l/Sek.) exspiratorisch
Spitze deutlich
„Nadel möglich”
sehr steiler
Anstieg bis
zur Spitze
Delle möglich
Kurve beginnt und
endet im Nullpunkt
Großer „Bauch” auch
bei der Einatmung
Volumen (l)
Kurve läuft aus
– kein Abbruch
Fluß ((l/Sek.)) inspiratorisch
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 1 passiver Transport
1.3.1.
Störungen der Diffusion
Fluß (l/Sek.)
Lungenemphysem
Volumen (l)
Normalbefund: gestrichelte Kurve
Dr. med. Frank Käßner
Wichtig:
Der Verlauf der
Fluß Volumen Kurve
Fluß-Volumen-Kurve
gibt Aufschluß über
die Art der Atemwegserkrankung!
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 1 passiver Transport
1.3.1.
B Filt
Filtration
ti
Unter Filtration versteht man den Stofftransport
p
durch einen
Filter ( oder eine Membran) aufgrund eines hydrostatischen
Druckgradienten
Aszites
Dr. med. Frank Käßner
....Ansammlung freier Flüssigkeit
in der Bauchhöhle. Ursachen:
ÆErhöhter Pfortaderdruck
ÆErniedrigter kolloidosmotischer
Druck aufgrund Eiweißmangel
ÆErhöhte parazelluläre
p
infolge
g erhöhter
Transportraten
Membranpermeabilität
(entzündlich, toxisch, karzinogen)
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1. Grundlagen der Physiologie
1 3 1 passiver Transport
1.3.1.
• C Konvektion
• Wird Materie oder Energie mithilfe von Trägerstoffen
t
transportiert
ti t spricht
i ht man von Konvektion
K
kti
• Ein Transport mittels passiver Membrantransportproteine
(Kanäle) folgt immer dem chemischen (oder osmotischen) und
bei geladenen Teilchen zusätzlich dem elektrischen Gradienten
Æelektrochemische
e e t oc e sc e Triebkraft
eb a t
• Passive Transporter:
– Ionenkanäle, Aquaporine(Wasserkanäle), junktionale
– Kanäle (Gap-junction –oder tight –junction- Kanäle)
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
1. Grundlagen der Physiologie
1 3 1 passiver Transport
1.3.1.
C Störungen der Konvektion
z.B. Mukoviszidose,, zystische
y
Fibrose ((CF))
....autosomal rezessive vererbte
„Krankheit
Krankheit vom zähen Schleim“
Schleim
ÆMutation CFTR(zystischer –
Fibrose-TransmembranRegulator)
Ædefekte Chlorid- Ionen- Kanäle
Ægestörter Wasser und
Elektrolyt-Transport
ÆBildung von zähem Schleim in
allen exokrinen Drüsen
(Bronchialsystem, Pankreas,
Gallenwege, Schweißdrüsen,
Gonaden, Dünndarm)
5 ½ jähriger Junge mit Mucoviscidose
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 2 aktiver Transport
1.3.2.
• Beim aktiven Transport werden Substanzen mithilfe von
Carriern unter Aufwendung von Energie entgegen ihre
Konzentrationsgradienten transportiert
• A Primärer aktiver Tansport
• B Sekundärer aktiver Transport
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 2 aktiver
1.3.2.
kti T
Transportt
Aktive und p
passive Membrantransporter
p
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 2.
1.3.
2 primär aktiver Transport
• B
Beim
i primär
i ä aktiven
kti
T
Transportt bi
binden
d Carrier
C i zu
transportierende Moleküle auf der einen Membranseite und
geben sie auf der anderen Seite wieder frei. Bei diesem
g
Transport wird direkt ATP verbraucht.
• Beispiele:
• Na+K+-ATPase
– (in allen Zellen Transport von 3 Na + ins Interstitium und 2 K+ ins Zytosol)
• H+-K+ATPase
H+ K+ATPase
– (liefert H+ für Bildung der Magensäure)
• Wird dabei eine Nettoladung transportiert, handelt es sich um
einen elektrogenen Transport
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 2.
1.3.
2 sekundär aktiver Transport
• B
Beim
i sekundären
k dä
aktiven
kti
Transport
T
t wird
i d die
di potenzielle
t i ll
chemische Energie (Triebkraft) eines bestehenden Gradienten,
der zuvor unter ATP- Verbrauch aufgebaut
g
worden ist,,
ausgenutzt, um andere Ionen oder Substanzen gegen ihre
Konzentrationsgradienten zu transpüortierenÆgekoppelter
Transport
• Antiporter: transportieren Moleküle im Austausch
gegeneinander,
gege
e a de , aalso
so in entgegengesetzter
e tgege geset te Richtung
c tu g
– Na+Ca²+-Antiporter: Ca²+-Transport in der Herzmuskelzelle
(Erschlaffung)
•
Symporter: transportieren Moleküle in die gleiche Richtung
– Na+Glucose- Symporter:Aufnahme von Glucose im Verhältnis 1:1 mit Na+
unter Ausnutzung des Na+ - Gradienten in Enterozyten im Darm
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie
1.3 Stofftransport
1 3 2 aktiver Transport
1.3.2.
• Transport über Zellverbände
• Großflächige Barieren, die bestimte Bereiche des Körpers von
anderen
d
abgrenzen:Epithelien
b
E ith li in
i H
Haut,
t Magen,
M
D
Darm,Lunge
L
sowie Endothelien der Blutgefäße und Gliazellen des ZNS
• ÆBlut-Hirn-Schranke,
ÆBlut Hirn Schranke Blut
Blut-LiquorLiquor Schranke
• Transzellulärer Transport
• Parazellulärer Transport
• Interzellulärer
I t
ll lä T
Transportt
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie der Zelle
1.3 Stofftransport
1 3 2 aktiver Transport
1.3.2.
Transport über Zellverbände
Dr. med. Frank Käßner
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1. Grundlagen der Physiologie der Zelle
1.3 Stofftransport
1 3 2 aktiver Transport
1.3.2.
• Transzellulärer Transport
• Substanzen werden durch die Zellen hindurch transportiert.
• Vereinfachung durch funktionelle Polarisierung der Zellen
•
Durch die Expression unterschiedlicher Transportproteine in
der basolateralen und apikalen Membran können Substanzen
auff der
d einen
i
S
Seite
it dder ZZelle
ll aufgenommen
f
und
d auff der
d anderen
d
Seite wieder abgegeben werden.
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
1. Grundlagen der Physiologie der Zelle
1.3 Stofftransport
1 3 2 aktiver Transport
1.3.2.
• Parazellulärer
P
ll lä Transport
T
t
•
•
•
•
•
•
Substanzen werden zwischen den Zellen hindurch transportiert.
Hierbei hängt die Transportrate von der Fenestrierung („Löchrigkeit
(„Löchrigkeit“)) des
Epi- oder Endothels ab.Die Zellen sind durch den aus Tight junctions und
Desmosomen gebildeten Schlussleistenkomplex miteinander verbunden.
Tight junctions (Zonula occludens) bestehen aus drei Proteinklasen:den
junktionalen Adhäsionsmolekülen ( JAM), den Claudinen und den
Occludinen. Die genaue Protein- Zusammensetzung der Tight junctions
bestimmt die Dichtheit des Epithels.
Lecke Barrieren (proximaler Tubulus der Niere oder Dünndarm)
+++
• Wichtige Transportart: Solvent drag (Mitreißen von in H20 gelösten
Teilchen
Relativ dichte Barrieren (Blut-Hirn-Schranke, Dickdarm)
+
Undurchlässige Barrieren (Blase, Epidermis)
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
1. Grundlagen der Physiologie der Zelle
1.3 Stofftransport
1 3 2 aktiver Transport
1.3.2.
Intrazellulärer Transport
• Substanzen werden zwischen benachbarten Zellen transportiert.
transportiert
• Konnexone ( Gap junctions, Nexus) sind porenförmige
Z ll bi d
Zellverbindungen,
di
die z.B.
B E
Epithelzellen,
i h l ll Nervenzellen
N
ll oder
d
Herzmuskelzellen miteinander verbinden. Sie dienen dem Ionen- und
Stofftransport zwischen benachbarten Zellen und bilden.
• Bakterielle Gifte können durch eine gesteigerte cAMP abhängige
Aktivierung
g von CL¯- Kanälen die CL¯- Sekretion in den Darm
erhöhen:
Æaufgrund von Osmose Erhöhung der Flüssigekitssekretion
Æosmotische Diarrhoe
Ænichtrespiratorische Azidose (Flüssigkeit- und Elekrolytverlust)
ÆEksikkose
ÆCave: hypovolämischer Schock
Dr. med. Frank Käßner
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
Inhaltsübersicht
1. Grundlagen der Physiologie/ Pathophysiologie
2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
Die Zelle ist der Grundbaustein des menschlichen Körpers
sowie aller Tiere und Pflanzen. Sie ist die kleinste
selbstständig lebende Einheit.
Einzeller
Mehrzeller
O2- Transport
Erythrozyt
y
y
Vermehrung
Keimzelle
Erregungsleitung
Nervenzelle
zAnzahl
zAnzahl
der Zellen im menschlichen Organismus:
der Zellen als Erythrozyten im Blut:
zAnzahl
der Zellen im Nervensystem:
Dr. med. Frank Käßner
z75x10¹²
z25x10¹²
z100x10٩
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/
2.
Ph siologie/ Pathoph
Pathophysiologie
siologie der Zelle
Zellgröße:
Æ5 μm (Bindegewebszellen- 15 μm( weibliche Eizelle)
Æbi 1 m (N
Æbis
(Nervenzellen
ll miti F
Fortsätzen)
ä
)
Zellform:
Ærund (Eizellen)
Æmit Fortsätzen (Nervenzellen, Bindegewebszellen)
Æspindelförmig, platt (Muskelzellen)
Ækubisch, hochprismatisch (Epithelzellen)
Zelleigenschaften
ÆStoffwechsel und Energiegewinnung
ÆVermehrung und begrenzte Lebensdauer
ÆReizaufnahme und Reizbeantwortung
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
•
•
•
•
•
Flüssiger Zellleib (Zytoplasma)
Zellkern (Nucleus)
Zellmembran (Plasmalemm)
Zellorganellen
Zelleinschlüsse
Dr. med. Frank Käßner
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2. Physiologie/
y
g
Pathophysiologie der Zelle
Dr. med. Frank Käßner
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2. Physiologie/
y
g
Pathophysiologie der Zelle
Dr. med. Frank Käßner
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
Zellmembran:
Plasmalemm hat einen typischen
yp
dreischichtigen
g Aufbau
aus zwei wasserlöslichen Komponenten und einer
fettlöslichen Komponente(Lipiddoppelschicht aus 2 Lagen
von Lipidmolekülen (Phospholipide, Cholesterin)
Glykokalix:dünne
S hi ht kkomplexer
Schicht
l
Zuckermoleküle
(Einheitsmembran=
Barierre zwischen
Zellinnerem und
extrazellulärem Raum)
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2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
Transport großer Moleküle:
Durch vesikulären Transport können können große
Moleküle die Zellmembran überwinden:
zEndozytose/
Phagozytose(in die Zelle hinein)
zExozytose(
Verschmelzen von Vesikeln mit der Zellmembran
und Abgabe von Stoffen aus der Zelle hinaus in die extrazellulär
Flüssigkeit)
Vesikel: abgeschnürte Membranbläschen mit extrazellulärem Medium
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2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
• Zytoplasma und Zellorganellen
• Das Zytoplasma umgibt den Zellkern. Es besteht aus:
– Hyeloplasma oder Zytosol( intrazelluläre Flüssigkeit)
– Zellorganellen
Z ll
ll ( erfüllen
füll Stoffwechselfunktionen)
St ff h lf kti
)
– Zelleinschlüsse (Paraplasma- Stoffwechselprodukte der Zelle)
• Zellorganellen:
g
- endoplasmatisches Retikulum
- Ribosomen
- Golgi
Golgi- Apparat
- Lysosomen
- Zentriolen
- Mitochondrien
• Geformte Bestandteile, die sich auf besondere Aufgaben spezialisiert haben
g eines Betriebes
• Arbeitsteilungg wie in Abteilungen
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
• Zellkern
• ....außer Erythrozyten bei allen Zellen- manchmal mehr
• Betriebsleitung und Archiv für die Baupläne der Zellen
• DNS/ DNA ( Desoxyribonukleinsäure bzw.desoxyribonucleid acid)
enthalten Erbmaterial ( Gene)
23 Chromosomenpaare enthalten ca. 2x30.000 – 40.000 Erbmerkmale
K
Karyogramm
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2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
• Zellkern
• Die DNA hat 3 wichtige Funktionen:
– Speicherung der genetischem Information( genetischer code)
– Übertragung der Information der Biosynthese von Eiweißen
– Identische Verdoppelung (Replikation) der genetischen
Information bei der Zellteilung
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2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
Replikation
Verdoppelung des genetischen Materials
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2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
Mitose
Zellteilung
A ft il
der
d Ch
Chromosomen
Spiralisierung Streckung Aufteilung
Streckung
2 Chromatiden
Durchtrennung
Auseinanderrücken der
Tochterchromatiden
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2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
Meiose
Reduktions- oder Reifeteilung
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2.
• Cave:
C
B ti t M
Bestimmte
Medikamente
dik
t kö
können ZZellkern
llk zerstören!
tö !
• -> Zytostatika
• Verhinderung einer geregelten Zellteilung
• Unspezifiische Wirkung
Wirkung, dd. hh. .an
an allen Zellen
• Besonders schädigend an Zellen mit hoher Zellerneuerungsrate
((Haarfollikel,, Zellen des Verdauungstraktes,
g
, blutbildendes
Knochenmark, Keimzellen der Hoden
• Æ
Ægesetzlich
t li h vorgeschriebene
hi b
V
Vorkehrungen
k h
iim U
Umgang mitit
Zytostatika
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2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
Mitochondrien
Wenn der Zellkern die Betriebsleitung ist, dann sind die
toc o d e das „„Blockheizwerk“
oc e e
Mitochondrien
ÆEnergiegewinnung durch O2 verbrauchenden Nährstoffabbau
(aerober Stoffwechsel, aerobe Glycolyse)
ÆErzeugung von ATP und Wärme
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2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
Ribosomen
In der „Produktionskette“ des endoplasmatischen Retikulums sind die
Ribosomen sie eigentlichen „Fließbandarbeiter“
ÆProduktion von Eiweißen
Æ2 Eiweißketten, die derart gelagert sind, dass sie eine langkettige
g RNS umschließen können,, die die
Boten- RNS bzw. Messenger
Informationen aus der Zellkern erhalten und neue Peptidketten
produzieren können
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2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
Golgi Apparat
GolgiOrt der „Endmontage“ und der „Qualitätskontrolle“
ÆAnheften von für die Glycokalix typischen Zuckerreste an neu
hergestellte Membranproteine für den Einbau in die Zellmembran
( Glykoproteine)
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
Zytoplasmatische Vesikel
„Verpackungsmaterial“
Ævom Mykoplasma abgegrenzte Bläschen mit einem typischen
Durchmesser von 0,1- 1 μm
Dr. med. Frank Käßner
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
• Zytoskelett
• Bilden in der Fabrik „ Zelle“ das „Tragegerüst“ „Transportwege“ und
„Förderbänder“
Fö d bä d “
– relativ starre Mikrotubuli (Mikrovilli oder Zilien)
– bewegliche Mikrofilamente
• Versorgung von vom Zelleib entfernten Nervenendigungen mit
Mitochondrien
toc o d e bbzw. Sy
Synaptischen
apt sc e Vesikeln
es e
• Kraftvolle Verkürzung der Muskulatur(Skelettmuskelfasern bestehen
fast ausschließlich aus regelmäßig
g
g angeordneten
g
Zytoskelett
y
(Sarkomer)
• Zellbeweglichkeit
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
• Funktionsstörung von Mikrotubuli
• Gift der Herbstzeitlosen Colchicin inhibiert die Funktion der
Mikrotubuli
– Störungen der Zellbeweglichkeit und Zellteilung
– (Atem)Lähmungen, Krämpfe
• -therapeutischer Einsatz von Colchicin bei Gicht:
• Hemmung der Beweglichkeit von Phagozyten, die die im Rahmen
der
• Gicht entstehenden Harnsäurekristalle phagozytieren
• dadurch Hemmung der Entzündung
• Cave:Nebenwirkungen von Colchicin ( Diarrhoe, Erbrechen)
Dr. med. Frank Käßner
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
• Elektrische Vorgänge an Zellen
• A)Das Ruhemembranpotential
– durch unterschiedliche Verteilung im intra- und extrazellulären Bereich
entstehende Potentialdifferenz
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
• Elektrische
El kt i h V
Vorgänge
ä
an Z
Zellen
ll
• A)Das Ruhemembranpotential
– Der intrazelluläre Raum weist in Ruhe eine negative Ladung auf ( 60-80
60 80 mV)
– durch die „ Ionenpumpe“ werden über spezielle Kanäle Kaliumionen in die
Zelle hineintransportiert und Natriumionen aus der Zelle heraustransportiert
• Extrazellulärraum
Ionenpumpe: 1 Enzym,
Enzym
das ATP spaltet (Na+K+-ATPase)
Æ ENERGIE
• Intrazellulärraum
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
• Elektrische Vorgänge an Zellen
• A)Störungen
A)Stö
des
d Ruhemembranpotentials
R h
b
t ti l
– 02- Mangel ( keine Bildung von ATP)
– Stoffwechselgifte ( Cyanide)
• Herzglykoside ( Digitalis= Fingerhut) binden an Na+-K+ ATPase und
hemmen den Na+- K+ - Antiport.
• Dadurch wird Ca ²+ nicht mehr so effizient aus der Zelle transportiert.
• Dadurch steigt es an, was die Kontraktilität der Herzmuskelzellen erhöht.
(positiv inotrop)
– Erhöhung der Pumpleistung
– Senkung der Herzfrequenz ( negativ chronotrop)
– zudem
d Hemmung
H
d Erregungsüberleitung
der
E
üb l it
am av- Knoten
K t (negativ
(
ti dromotrop)
d
t )
• Einsatz bei Herzinsuffizienz und Tachycardien
• Cave: Überdosierung!
Dr. med. Frank Käßner
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2. Grundlagen der Physiologie der Zelle
2 Physiologie/ Pathophysiologie der Zelle
2.
• Elektrische Vorgänge an Zellen
• B)Abweichung vom Ruhepotenzial
• In fast allen Zellen kann zu einer Abweichung des Ruhepotentials
k
kommen.Als
Al elektrisch
l kt i h erregbar
b bbezeichnet
i h t man aber
b nur di
diejenigen
j i
Zellen, die ein Aktionspotential ausbilden können:
– Nervenzellen
– Muskelzellen
– Sinneszellen
Si
ll
Dr. med. Frank Käßner
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Inhalt
Inhaltsübersicht
1.Grundlagen der Physiologie/ Pathophysiologie
2.Grundlagen der Physiologie der Zelle
3.Grundlagen der Physiologie des Gewebes
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
Gewebelehre= Histologie
• Gewebe sind Verbände von gleichartig differenzierten
Zellen und deren Abkömmlinge. Sie üben eine oder
mehrere bestimmte Funktionen aus.
–
–
–
–
Epithelgewebe
Binde- und Stützgewebe
Muskelgewebe
Nervengewebe
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin
3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
3. Physiologie/ Pathophysiologie des Gewebes
3 Physiologie/ Pathophysiologie des Gewebes
3.
•
1.Epithelgewebe(2/3 aller Zellen)
−
−
−
Oberflächenbildende Epithelien
Drüsenepithelien
Sinnesepithelien
• alle Epithelien
p
sitzen einer dünnen Basalmembran ( Glashaut)) auf,, die dem
Epithel mechanischen Halt gibt
– Bedeckung von äußeren und inneren Oberflächen des Körpers ( Protektion)
– Verbindung mit der Umwelt durch Stoffausscheidung (Sekretion) und
Stoffaufnahme ( Resorption)
• Produktion von Sekreten ( endogene und exogene Drüsen)
• Beteiligung am Aufbau von Sinnesorganen, Vermittlung von
Sinnesempfindungen (Netzhaut am Auge)
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
Epithelgewebe
Epithelgewebe
Hautgewebe(
g
( Epidermis)
p
)
In der Phase der
Wundheilung wachsen
verhornte Epithelien vom
Wundrand in die Wunde
hinein.
Dünndarmzotten
Je stärker ein Deckepithel
mechanisch belastet wird, desto
umfangreicher
f
i h verhornt
h td
das
Epithel.Bildung einer weißlichen
Hornschicht: Leukoplakie
Cave: Präkanzerose/ Karzinom
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
Epithelgewebe
Epithelgewebe
- 2/3 aller Zellen
Netzhaut im Auge
exokrine Drüse
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
2.1.Bindegewebe
Bindegewebe
•
•
Bindegewebszellen
Zwischenzellsubstanz ( Interzellularsubstanz,Extrazellularmatrix)
Art und Anordnung der Zellen:
–
–
–
–
Lockeres faserarmes Bindegewebe
Straffes faserreiches Bindegewebe
Retikuläres Bindegewebe
Fettgewebe
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
2.1.Bindegewebe
Funktionen des Bindegewebes
−
Bindefunktion ( Umhüllung und Verbindung der Organe, Gefäße und Nerven)
−
Stoffwechselfunktion ( Diffusion von Nährstoffen in der Interzellularsubstanz
zu den ZellenZellen Nährstoffverteilung)
−
Wasserhaushalt ( Speicherung von Flüssigkeit in Spalträumen- cave :
Ödembildung!)
g)
−
Wundheilung ( Bildung von Granulationsgewebe, das später in
Nervengewebe übergeht)
−
Abwehr ( z.B. freie Bindegewebszellen wie Leukozyten, Bildung von
Antikörpern, Phagozytose)
−
Speicherfunktion ( Fettgewebe als Kalorienspeicher)
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
2.2.Stützgewebe
Stützgewebe
B
Besteht
h wie
i Bindegewebe
Bi d
b aus Mesenchym
M
h ( embryonales
b
l Bi
Bindegewebe):
d
b )
–
K
Knorpell undd Knochengewebe
K h
b
–
Chordagewebe( ähnlich dem Fettgewebe, doch mehr Wasseranteile- z.B:
Zwischenwirbelscheibe)
–
Zahngewebe
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
3.Stützgewebe
Muskelgewebe
•
•
•
•
•
chemische und elektrische Erregung ( wie Nervenzelle)
Fähigkeit
g zur Verkürzungg ( Kontraktion))
Fasern bis zu 20 cm Länge
Funktion im Wärmehaushalt ( bei Kontraktion wird Wärme frei)
Beteiligung am Aufbau von Sinnesorganen, Vermittlung von Sinnesempfindungen
(Netzhaut am Auge)
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
3. Muskelgewebe
Hypertrophie / Atrophie
H
Hypertrophie:
t hi Muskelzuwachs
M k l
h
Atrophie: Muskelschwund
Schlaffe Lähmung: Unbeweglichkeit des Muskels bei Fehlen
des Muskeltonus ( Myopathie, zerebrale Lähmung)
•
Spastische Lähmung: Unbeweglichkeit des Muskels bei
gleichzeitiger Erhöhung des Muskeltonus ( Kinderlähmung)
•
Muskelkater: Keine lokale Anhäufung von Milchsäure
sondern Folge von Mikroläsionen
•
Leichenstarre: Erstarrung der Muskeln ( Rigor mortis) ca. 410 h nach Eintritt des Todes
•
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
4. Nervengewebe
Neuronen
•
•
Jede einzelne Nervenzelle ( Neuron ) funktioniert wie ein PC, der meist mehrere
Eingangssignale ( inputs- sog. afferente Signale) erhält, verarbeitet und daraus ein
einziges Ausgangssignal ( output- sog. efferentes Signal ) herstellt.
Neuronen stehen über Synapsen in Verbindung und bilden Neuronenketten bzw.
bzw
Neuronenkreise
( ff
(efferent)
t)
(Neurit)
(afferent)
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
4. Nervengewebe
Chemische Synapsen
•
2 Vorgänge
g g führen zu einer
Depolarisierung der Nervenzellen:
– 1.) von außen auf das NS
einwirkende Reize ( Licht,
mechanische oder thermische
Reize)
– 2.) von Synapsen übertragene
Erregungen von einem Axon auf
eine andere Nervenzelle
•
Synapse
Die überwiegende Zahl der
Synapsen im zentralen und
peripheren Nervensystem sind
chemische Synapsen
y p
.
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
4. Nervengewebe
Funktion von Synapsen
– Ventilfunktion
– Bahnungsfunktion
– Hemmungsfunktion
– Gedächtnis – und Lernfunktion
Mechanismus der synaptischen Übertragung:
– Aktivierung von Transmittern aus den Vesikeln
– Diffusion durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran
– die dortigeBindung führt entweder zur Depolarisation ( Weiterleitung der Erregung) oder zur
Hyperpolarisation ( Hemmung der Weiterleitung)
– die wichtigsten
g
Neurotransmitter sind: Azetylcholin
y
und Glutamat
– die wichtigsten hemmenden Überträgerstoffe sind: Glycin und Gamma- Aminobuttersäure (
GABA)
Dr. med. Frank Käßner
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
4. Nervengewebe
Neuromuskuläre Erkrankungen
•
Multple Sklerose ( MS) - neuromuskuläre Erkrankung, zurückführbar auf eine Nervenentzündung
•
Cave : Proteine, die eine essenzielle Rolle bei der präsynaptischen Neurotransmitterfreisetzung spielen sind
Angriffspunkt verschiedener Toxine Chlostridium tetani ist der Erreger des Wunstarrkrampfes.Gelang es in
eine Wunde kann es sich unter anaeroben Bedingungen vermehren und das Neurotoxin Tetanospasmin
bilden.
•
Tetanus
–
Überaktivierung der neuromuskulären Signalübertragung
–
erhöhter Muskeltonus
–
Durch äußere Reize ausgelöste Krämpfe
–
Risus sardonis ( verzerrter Gesichtsausdruck)
–
Trismus ( Kiefersperre)
p )
–
Opisthotonus ( Überstreckung durch Steifheit von Rücken- und Nackenmuskulatur)
Dr. med. Frank Käßner
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3. Grundlagen der Physiologie des Gewebes
4. Nervengewebe
Ei fl
Einfluss
von N
Neurotoxinen
t i
•
Chlostridium botulinum bildet sieben
verschiedene Typen eines Neurotoxins
•
Irreversible Hemmung der
Acetylcholinfreisetzung an der peripheren
Nervenendplatte
•
Ausbleiben der Muskelerregung
– Lähmung der Gesichts- und der Atemmuskulatur
– Doppeltsehen, Obstipation, Ileus
•
Botulinumtoxin A führt ledigllich zur
Abschwächung der Neurotransmitterfreisetzung
und findet in entsprechender Dosierung
Anwendung in der Schönheitschirugie
Dr. med. Frank Käßner
Ambulantes Zentrum für Lungenkrankheiten und Schlafmedizin

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