Physiologie (Subject) / Zell- u. Neurophysiologie (Lesson)

Testat 1 FU Berlin

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• Was ist Leben? Der Zweite Hauptsatz:Die Gesamtentropie eines abgeschlossenen Systems kann nicht abnehmen(oder: aus Ordnung wird Chaos)Leben ist ein Entropieminimum und erfordert die Aufnahme von Energie und Abgabe von Entropie Anzeichen 1. Bewegung 2.Reizbarkeit 3. Fortpflanzung 4. Wachstum
• Zellmembran Struktur: Phospholipide, Glykolipide, Cholesterol, Glykoproteine, Proteine Lipid Rafts  Funktion: Barriere, Transport
• Zellverbindungen Tight junctions: Claudine, OccludineGap junctions                                                                                                               Zonula adhaerensDesmosomenFocal adhesion
• Zytoskeleton Struktur, Motilität, Kontraktilität z.B. Aktin
• Zytoplasma Organellen + Zytosol
• Zytosol Ionenzusammensetzung
• Zellkern Der Zellkern enthält den Bauplan für die Proteine der Zelle (DNA). Diese wirdabgelesen; die entstehende mRNA liefert die Information für die Proteinbiosyntheseausserhalb des Zellkerns.
• Endoplasmatisches Retikulum Das endoplasmatische Retikulum dient als Kommunikationssystem der Zelle. Über die(steuerbaren) Kernporen werden Botenstoffe in alle Zellbereiche geschickt. So gelangtmRNA mit der aus der DNA stammenden Information in die Ribosomen
• Ribosomen In den Ribosomen erfolgt die Synthese von zellulären Proteinen.
• Golgiapparat In den Vesikeln des Golgiapparates werden produzierte Proteine gespeichert,verarbeitet, und in Vesikel verpackt, die dann mit der Zellmembran verschmelzenkönnen. Die Proteine verbleiben entweder in der Zellmembran, oder werdenherausgestoßen
• Lysosomen und Phagosomen Die Lysosomen gehen aus Abschnürungen des Golgi-Apparates hervor und enthaltenlytische Enzyme für den Abbau von körpereigenem und körperfremden Material,welches in den Phagosomen isoliert und gespeichert wird. Nach Verschmelzung beiderStrukturen kommt es zum enzymatischen Abbau.
• Mitochondrien In den Mitochondrien wird die aus Glukose und Fettsäuren stammende Energie in ATPumgewandelt.ATP ist der „Brennstoff“ des Zellstoffwechsels, und wird benötigt, um die zelluläreOrdnung aufrecht zu erhalten
• Die Zelle als geordneter Bereich (11) Bereich mit minimaler Entropie 1.Zellmembran 2.Zellverbindungen 3.Zytoskeleton 4. Zytoplasma 5. Zytosol 6.Zellkern 7.Endoplasmatisches Ritikulum 8.Ribosomen 9.Golgiapperat 10.Lysosomen/Phygosomen 11.Mitochondien
• Diffusionsprozesse 1. Kompartmentbildung2. Diffusion3. Diffusion von Wasser: Osmose4. Diffusion von geladenen Teilchen5. Klinische Beispiele: Polytrauma Katze
• Kompartmentbildung  Barrierefunktion der Zellmembran Energieaufnahme und Entropieabgabe Membranpotential Ionenverteilung im Intra- und Extrazellularraum
• Diffusion  Permeabilität von Lipidmembranen für unterschiedliche Moleküle Bedeutung für den Zellstoffwechsel:o Bsp: Aufnahme von Buttersäure (Energie!) Diffusionsgeschwindigkeit Veranschaulichung der Diffusion als passiv ablaufender Prozess Thermodynamisches Äquilibrium Diffusionsgesetz: Diffusionskonstante und Permeabilität
• Diffusion von Wasser: Osmose  Veranschaulichung der Osmose als Diffusion von Wasser Osmotischer Druck: π = α i ΔC R To Bsp: Osmotischer Druck von 0.154 mol/l NaCl Lösung Isotone, hypotone, hypertone Lösungeno Bsp: Wirkung auf Erythrozyten Aquaporine
• Diffusion von geladenen Teilchen Chemischer Gradient - elektrischer Gradient Die Nernst’sche Gleichung Die Goldman-Hodgkin-Katz Gleichung (vitale Zellen) Das Gibbs Donnan Potential (passive Ionenverteilung, z.B. Glomerulum
• Polytrauma Katze ? Katze wurde eingeklemmt (Hinterhand) in einem Zaun gefunden ? Dauer unbekannt ? Tier apathisch, aber ansprechbar ? Temperatur 32.5 °C ? Puls 200/Min. ? Femoralispuls fehlt beidseitig ? SCHOCKGEFAHR Hyperkaliämie: Störung der Herzfunktion ? Infusion? Wärmezufuhr? plötzlich Kollaps? Bradykardie 20 – 30? Atemstillstand? EKG: Ventrikulärer Ersatzrhythmus 20 – 40/min; pulslos? Blutanalyse: K = 9 mmol·l-1 infolge von Schädigung derMuskulatur (Myoglobinurie)? Absenkung des K: Insulin + Glucose intravenös? Physiotherapie? Tier nach einer Woche klinisch unauffällig
• Barrierefunktion der Zellmembran Bildet Barriere von innen nach außen. Ist semipermeabel- nur selektiv durchlässig für bestimmte stoffe. Phospholipide, Glykolipide, Cholesterol, Glykoproteine, Proteine --> bestimmte Membranproteine, die Stofftransport ermöglichen Über gap junctions kann ein Stoffaustauschoder Potentialausgleich zwischenbenachbarten Zellen erfolgen. Epithelschlussleisten (tight junctions) bildeneine feste Verbindung zwischen Zellen, dieentweder gar nicht oder nur für bestimmteSubstanzen durchlässig ist.
• Membranpotential Das Membranpotential (präziser: die Transmembranspannung) ist eine spezielle elektrische Spannung zwischen zwei Flüssigkeitsräumen, in denen geladene Teilchen (Ionen) in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen.
• Membranpotential Ein Membranpotential tritt auf, wenn verschieden konzentrierte Elektrolytlösungen von einer Membran voneinander getrennt werden und die Membran eine Leitfähigkeit für die Ionen der Elektrolytlösung besitzt. ... Dadurch entsteht auf das Zellinnere bezogen ein negatives Membranpotential.
• Ionenverteilung im Intra- und Extrazellularraum                            IZR                      EZR K+                      120-150              4-5 Na+                     8-15                   140-145 Cl-                       5-20                   100-110 HCO3-                  8-12                    24 Ca++                   0,0001                 2-3 Mg++                  4-8                      0,8-1,0 Proteine-               70                       gering Phosphate             70                       1-2 PD (Potentialdifferenz) 30-80mV (IZR negativ zu EZR)
• Energieaufnahme und Entropieabgabe Diffusion durch Zellmembran Lipidlöslichkeit und Permeabilität -> Buttersäure als ungelader Energieträger passiert Zellmembran um in Mitochondrien zu gelangen, CO2 auf Mitochondrien gelangt ebenso als ungeladenes Teilchen aus der Zelle --> geladene Teilchen (Ionen) werden durch bestimmte Kanäle/Pumpen/Poren aufgrund des Elektrochemischen Gradienten durch die semipermeable Membran transportiert
• Membranpotential Gleichungen Membranpotential (E) Am Nernstpotential : Chemischer Gradient = Elektrischer GradientKein Nettoflux; Äquilibrium EK=-93mV ENa= +70mV ECl= -61,5mV Die Goldman-Hodkin-Katz Gleichung E=RT/F ·ln (p(Na)·[Na]0+p(K)·[K]0+p(Cl)·[Cl]i)                (p(Na)·[Na]i+p(K)·[K]i+p(Cl)·[Cl]0) Zytosol= -70mV
• Diffusion Diffusion (v. lat. diffundere „ausgießen, verstreuen, ausbreiten“)ist ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung vonTeilchen und somit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrererStoffe führt.Diffusion beruht auf der thermischen Eigenbewegung von Teilchen.
• Thermodynamisches Äquilibrium Flux von Seite 1    Konzentration auf Seite 1Flux von Seite 2=  Konzentration auf Seite 2Thermodynamische Äquilibrium: Flux von Seite 1 ist genau sohoch wie Flux von Seite 2 Ein System ist im thermodynamischen Gleichgewicht, wenn es in einem stationären Zustand ist, in dem alle makroskopischen Flüsse von Materie und Energie innerhalb des Systems verschwinden. Mehrere Systeme sind im Gleichgewicht, wenn die makroskopischen Flüsse zwischen den Systemen verschwinden.
• Diffusionsgesetz: Diffusionskonstante und Permeabilität JNetto=D*A*(deltaC/S)        JNetto= Nettoflux (Mol/sek) D= Diffusionskonstante (cm2/sek) A= Fläche (cm2) C= C1-C2 Konzentrationsunterschied in Diffusionssystemen (Mol/cm3) S= Diffusionsstrecke (cm) JNetto=J1-J2
• Veranschaulichung der Osmose als Diffusion von Wasser Osmotischer Druck: π = α i ΔC R T π =R*n*T/ V= (C1 − C2)R*T Beispiel: Osmotischer Druck von 0.154 mol/l NaCl Lösung
• Isotone, hypotone, hypertone Lösungen//Wirkung Hypoton--> niedriger Osmotischer Druck: Bringt man nun eine Zelle (Erytrozyt) in eine hypotone Lösung, dann diffundiert Wasser netto in die Zelle. Diese Zelle wird dadurch immer voller, schwillt an und kann dadurch sogar zum Platzen gebracht werden. Hyperton --> höherer Osmotischer Druck: Bringt man eine Zelle nun in eine hypertonische Lösung, dann verliert diese Zelle Wasser an die Umgebung. Grund: Die Wasserkonzentration in der Zelle ist höher als im umgebenden Medium. Durch den Wasserverlust schrumpft die Zelle zusammen. Geschieht dies über einen längeren Zeitraum kann die Zelle durch diesen Vorgang absterben. Isoton-->Das bedeutet, dass innerhalb der Zelle der gleiche Konzentrationswert vorliegt, wie in der Lösung, in der sie liegt. Manchmal spricht man auch hier von einem Konzentrationsgefälle. Aber korrekterweise ist dieses hier ausgeglichen. Es herrscht also ein Konzentrationsgleichgewicht. In der Zelle sind genauso viele gelöste Teilchen, wie in der Lösung. Daher die gleiche Konzentration.
• Aquaporine Wasser diffundiert nur sehr schlecht, denn das Wassermolekül ist polar.Es gibt in denErythrozytenmembranen „Wasserporen“. Kanäle -->Kanäle: Proteine mit Porenregion Selektiv für bestimmte Stoffe Struktur: Primärstruktur besteht aus sechs α-Helices, die über 5 Loops (A-E) miteinander verbunden sind.Diese Loops bilden zusammen den extrazellulären und zytoplasmatischen Eingang des Aquaporins. Die Loops B und E formen jeweils eine Halbpore, die zusammen einen Wasserkanal darstellen. Grotthuss-Mechanismus: Über Wasserstoffbrücken können WasserstoffProtonen von Molekühl zu Molekül hüpfen (H-Brücken)
• Chemischer Gradient <->elektrischer Gradient Eion = R T · ln [ion]o             zF        [ion]i Die Nernst-Gleichung beschreibt die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotentials eines Redox-Paares Durch Zusammenfassen der Naturkonstanten R und F, des Umrechnungsfaktors für den natürlichen Logarithmus zum dekadischen Logarithmus und einer festen Temperatur von 25 °C
• Goldman-Hodgkin-Katz Gleichung                   (p(Na)·[Na]0+p(K)·[K]0+p(Cl)·[Cl]i)E=RT/F ·ln ------------------------------------------------                    (p(Na)·[Na]i+p(K)·[K]i+p(Cl)·[Cl]0) Gleichung zur Berechnung des Membranpotenzials unter Berücksichtigung mehrerer permeierender Ionen ermöglicht, die von einem Konzentrations- oder Druckgradienten getrieben werden.
• Gibbs Donnan Potential Angleichung der Nernstpotentiale:ln (Ko+0/K+i) = ln (Cl-i/Cl-o) Angleichung der Nernstpotentiale:ln (K+o/ K+i) = ln (Cl-i/Cl-o)= ln (Na+o/ Na+i) beschreibt die ungleiche Verteilung von gelösten geladenen Teilchen, die sich einstellt, wenn eine semipermeable Membran für das Lösungsmittel und einige, nicht aber alle in der Lösung vorhandenen Ionen durchlässig ist.
• Transportmechanismen (7) 1. Kanäle 2. Selektivitätsmechanismen 3. Primär aktive Transporter 4. Epithelialer Transport 5. Sekundär aktive Transporter 6. Tertiär aktive Transporter 7.Klinisches Beispiel: Durchfall
• Tranzportprozesse über Biomembran Gliederung In biologischen Membranen lassen sich aktive und passive Transportmechanismenunterscheiden.Ein aktiver Transportmechanismus transportiert einen Stoff gegen seinenKonzentrationsgradienten. Man unterscheidet :Primär aktiver Transport : Die Energie für den Transport wird durch ATP bereitgestellt.Sekundär aktiver Transport : Die Energie für den Transport wird aus demKonzentrationsgradienten eines anderen Ions bezogen.Bei einem passiven Transport folgt ein Stoff seinem Konzentrationsgradienten. Manunterscheidet :Freie Diffusion: Einige Stoffe können frei durch die Zellmembran diffundieren. Hierzu zählenWasser und gelöste Gase wie O2 und CO2. Ebenfalls gut diffundieren lipidlösliche Stoffe.Diffusion durch spezifische Membranporen (Kanäle)Transport durch Transportproteine (erleichterte Diffusion) : Für einige Stoffe existieren in der Plasmamembran spezifische Trasnsporterproteine, die die Diffusion über die Membran erleichtern sollen.
• Kanäle (4) Aufbau: Protein das in schleifen angeordnet ist und eine ´Pore´bildetTriebkräfte: elektrochemische Triebkraft eines Ions wird bestimmt durch die Differenz zwischen dem Membranpotential und dem Gleichgewichtspotential für dieses IonKennlinie: Stromspannungskennlinien (Aktionspotetial) --> zum öffnen eines KanalsBeispiel: inward rectifier : Einwärts gleichrichtende Kaliumkanäle ("inward-rectifier") Pore ist so geformt, dass sie die Wassermoleküle der Hydrathülle eines Kaliumions entfernen und die dehydratisierten Kaliumionen aufnehmen kann. Im weiteren Verlauf der Pore werden die Kaliumionen wieder hydratisiert. Obwohl das Natriumion kleiner als das Kaliumion ist, kommt es nicht durch den Kaliumkanal: Die Pore kann die Wassermoleküle seiner Hydrathülle nicht entfernen. Die Bewegung der Kaliumionen durch den Kanal erfolgt passiv durch Diffusion.Die spannungsaktivierten Kaliumkanäle öffnen sich bei Änderungen des Membranpotentials. Wird das Membranpotential eines Neurons depolarisiert, werden die spannungsaktivierten Kaliumkanäle aktiviert, sobald das Schwellenpotential überschritten wird. Die spannungsaktivierten Natriumkanäle öffnen sich allerdings schneller als die Kaliumkanäle. Daher sind die spannungsaktivierten Kaliumkanäle für die Repolarisation während des Aktionspotentials verantwortlich.
• Selektivitätsmechanismen Kanäle Ladung der Porenregion-> Gegensätzliche Ladungen ziehen sich an Dehydratation und Bindung-> Hydrathülle wird gelöst um Ion durch den Kanal zu schleusen Beispiel: Kaliumkanal (8 Proteinschleifen, Na+ kleiner, aber hydrathülle kann nicht gelöst werden-> kommt nicht durch), ENaC(Epitaler Natriumkanal, 6 Proteinschleifen), Aquaporin(arginin mit NH+ und Glycin mit O-), Epithelschlussleiste (tightjunktions, transport zwischen zellen eines Epithels, Cl- kommt durch)

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