Physiologie (Fach) / Tierphysio VL (Lektion)

Tierphysio Vorlesung

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• Homöostase Aufrechterhaltung konstanter innerer Verhältnisse
• Regelkreise kontrollieren über positives oder negative feed-back die Aufrechterhaltung der Homöostase
• Strategien zur Anpassung an temporärem Wassermangel (beim Kamel) stark konzentrierter Urin und Fäzes (=Kot) Körpertemperaturtolerant dichtes Fell zur Isolierung Dehydration bis zu 40% möglich oxidative Fettverbrennung (aber Atmung verbraucht Wasser) --> kein H2O Gewinn
• Anatomie der Zelle Organellen Membranumkleidet: Nukleus (Transkription) Mitochondrien (Citratzyklus, b-Oxitation, Atmungskette) ER ( Translation, Proteinfaltung, Proteintransport, Lipidsynthese, posttranslationale Modifikation) Golgi Apparat (Vesikel, Membransynthese, Lysosomenbildung) Organellen ohne Membran Zytoskelett Centrosom & Centriole Ribosom Lysosm Peroxisom
• Cytoplasme = Gallertartiges intrazelluläres Medium für die Lösung von Organellen Nährstoffe, Ionen etc Vesikel
• Zellmembran Aufgabe: Abgrenzung zwischen Zellinnerem und der Umgebung (separate Regulierung) spezifische Transportwege (komplexer Substrattransportweg) Bestandteile: Phospholipid: (hydrophiler (polarer) Kopf + 2 hydrophobe CH-Schwänze → amphipatisch Glykolipide Proteine: peripheres P., integrales P., transmembranes P. Cholesterol: ändert Fluiditat der Membran (Temperaturabhängig). ändert Durchlässigkeit für kleine Moleküle
• Lipid Rafts Cholesterin -  & Glykolipidreiche Stellen werden so genannt. Führen zur Proteinlagerung
• Membrantransporte nur kleine lipophile Substanzen und Gase können frei durch Membranen diffundieren andere Moleküle (und Ionen) benötigen Kanäle (Proteine) selektive Permeabilität von Membranen durch selektive Kanäle
• Arten von Membrantransporten Einfache Diffusion Osmose (Diffusion über Membran) Passiver Transport über Membranen durch Ionenkanäle, Aquaporine oder Junctions Aktiver Transport über Membranen Co-Transport (Symport, Antiport) Endo- und Exocytose für große Moleküle
• Einfache Diffusion • entlang eines Konzentrationsgradienten; energetisch neutral • netto bis zum erreichen des Gleichgewichts • proportional zur Temperatur (Brownsche Molekularbewegung) • nur über kurze Entfernung effektiv •Beispiel: Verteilung lipophiler Substanzen in der Membran.
• Osmose : Wasser bewegt sich über eine Membran bis zum Erreichen des osmotischen Gleichgewichtes. = osmotischer Druck ↔ Schwerkraft
• Diffusion durch semipermeable Membranen Es findet solange ein Austausch der Inonen statt bis der Konzentrationsgraident dem elektrischen Gradienten entgegenwirk   ==> Membranpotenzial
• Diffusion durch omnipermeablen Membran Vollständiger Austausch von Ionen bis zur Gleichverteilung ==> KEIN Membranpotenzial
• Das Ruhepotential  Die Zelle ist in einem aktiven Gleichgewichtszustand (durch impermeable Anionen) Kalium- und Natriumkonzentration sind weit von ihrem jeweiligen Umkehrpotential entfernt K+- (und Na+) – Leckströme aktive Na+ /K+-Pumpen halten die Zelle am Ruhepotential
• Diffusion durch Ionenkanäle komplexe Transmembranproteine mit mehreren transmembranspannenden Regionen => bilden Pore ermöglicht die Diffusion von Ionen über Membranen selektiv für kleine Moleküle wie Ionen alle besitzen ein GATE Öffnen durch Spannungsänderung Liganden mechanisch
• Diffusion durch Aquaporine Transmembranprotein (Kanal), die den Wasserfluss regulieren hochgradig selektiv: für H20 Homotetramere Wasserleitfähigkeit bis zu 3 Milliarden Moleküle pro Sekunde können verschlossen werden (z.B. Quecksilber) vor allem in Niere, Speicheldrüse und Erythrocyten (aber auch Gehirn und Ohr und vielen anderen Gewebe)
• Gap Junctions Kanäle zwischen 2 Zellen Elektrische Synapse: schnelle Signalweiterleitung durch elektrische Kopplung Im Herzmuskel & in glatter Muskulatur; im Gehirn (vor allem Invertebraten)
• Aktiver Transport über Membranen = gegen Konzentrationsgradienten: 1. Co-Transport 2. Rezeptorvermittelter Transport 3. vesikulärer Transport ATP- abhängig stellt ein Ungleichgewicht her 1. direkter aktiver Transport: • ATP-asen oder Pumpen 2. indirekter aktiver Transport   • Symport und Antiport ohne direktem ATP-Verbrauch
• Die Na+- K+- ATPase ATP-getriebene Pumpen werden vor allem zum Aufwärtstransport von Ionen und stark polaren Molekülen entgegen dem Ladungs- oder Konzentrationsgefälle benötigt nutzt Energie aus der Hydrolyse von ATP um 3 Na+ aus der Zelle raus und 2 K+ in die Zelle hinein zu pumpen => Membranpotential => energetisieren von Zellen
• Sekundär aktiver Transport Energie aus elektrochemischen Gradienten eines Moleküls dient zum Transport eines 2. Moleküls (z.B. Na+/ Glucose Cotransporter/Symporter imDarm)
• Co - Transport (Keine Aussage über energetische Verhältnisse) Symport •Moleküle werden in die gleiche Richtung  transportiert •Beispiel: Glucose und Na+ Antiport • Moleküle werden in Gegenrichtung transportiert • Examples: Na+ / K+ Pumpe (Uniport Transport eines einzigen Substrattypes)
• Transport von sehr großen Molekülen und Aggregaten Über Endo- und Exocytose Transport mittels Membranvesikel (Ein- bzw Ausstülpung der Membran) Endocytose: Membraneinstülpung Exocytose: Membranausstülpung Transcytose: Membraneinstülpung --> Wanderung des Vesikels durch die Zelle --> Membranausstülpung
• Membrantransporte bei der Insulinsekretion in β-Zellen hoher Glucosespiegel im Blut Stoffwechselaktivität der Zelle steigt ATP-Spiegel in der Zelle steigt KATP-Kanäle schließen sich Zellmembran wird depolarisiert und Ca2+-Kanäle öffnen sich Der Ca2+-Einstrom in die Zelle wirkt als Signal Das Ca2+-Signal löst die Exocytose und somit die Insulinsekretion aus Das Schließen der KATP-Kanäle  führt zur Depolarisierung der Zellmembran und löst letztendlich die Insulinsekretion aus
• Was sind / machen Enzyme? Biokatalysator => erhöht die Geschwindigkeit von chemmischen Reaktionen (Kinetik) Hohe Spezifität für das Substrat und die Reaktion sind meistens Proteine (Ausnahme Ribozyme) Cofaktoren: z.B. Fe++ , Cu+ oder FADH2 Klassifizierung erfolgt aufgrund der Reaktionstypen
• Enzymhauptklassen Oxidoreductase: Oxidation / Reduktion Laktat Dehydrogenase, Glukose-Oxidase Transferasen: Gruppenübertragung Alanin-Transaminasen, Ornithin-Carbomyl-Transferase Hydrolasen: hydrolytische Spaltung Phospholipasen, Amylasen Lyasen: Elimination unter Bildung von Doppelbindung, Addition an DB Aldolase, Pyruvat-Decarboxylase Isomerase: Umlagerung innerhalb eines Moleküls Glukosephosphat-Isomerase Ligase: Ausbildung einer Bindung under ATP-Spaltung AS-aktivierende Enzyme, Glutamin-Synthase
• Enzymklassen Enzyme katalysieren Reaktionen durch Begünstigung des Übergangszustandes einer Reaktion (--> erniedrigen die Aktivierungsenergie DG* ) bei Katalyse bildung eines Enzym-Substratkomplexes, der zum Enzym + Produkt weiteragieren kann   E+S ↔ ES ↔ E+P
• Thermodynamik und Kinetik von chemischen Reaktionen Thermodynamik beschreibt Energieverhältnisse einer Reaktion Kinetik: wie schnell läuft eine Reakton unter gegeben Bedingungen ab? Enzyme ändern nur die KINETIK einer Reaktion
• Enzymkinetik / Regulation von Enzymaktivität Im Organismus abhängig von: Temeperatur, pH-Wert, Salzkonzentration Kompetitive Hemmung: reversible Anlagerung der Inhibitors an Substratbindungsstelle und konkurriert mit dem Substrat => Vmax gleichbleibend, KM größer Allosterische Aktivierung / Regulation reversible anlagerung des Regulators am Enzym (weit entfernt vom aktiven Zentrum). AZ verändert sich und so binden die Substrate lieber =>KM ODER Vmax sind betroffen Kovalente Regulation / Aktivierung Phosphorylierung unde Dephosphorylierung durch Proteinkinase => Vmax steigt an
• Tonizität = Effekt einer Lösung auf Zellvolumen --> abhängig von der Permeabilität der Zellmembran für gelöste Teilchen und deren Ladung     (Stichwort Osmose)
• Regulation des Zellvolumens aktive Veränderung des Zellvolumens durch aktiven Ionentransport   Kombination von Transportsystemen bestimmen die ionale Zusammensetzung des Zellinneren Regulation des Zellvolumens Passive Regelungen immer abhängig vom Umkehrpotential der einzelnen Ionen => Osmolarität des Zellinneren ca. 290mOsm
• Erhöhung / Erniedrigung des Zellvolumens Erhöhung vorwiegend über Na+ - Einstrom oder NKCl-Cotransport Erniedrigung vorwiegend über K+- Ausstrom
• Osmokonformer (poikilosmotisch) -> Invertebraten im Meer extrazelluläres Millieu entspricht bei Marinen Invertebraten dem Meerwasser (primärer Zustand). ---> können auf spezielle Mechanismen der Ionen- und Osmoregulation verzichten, da Exkretion kein Problem für sie darstellt Ioenkonziregulation zum Teil,  da konzentrationsverhältnisse einzelner Ionen unterschiedlichen Einfluss auf die Enzymkinetik haben ==> Ionenregulierer      
• Osmoregulatoren (homoiosmotisch) Orgas die ins Süßwasser oder später an Land gingen, mussten ein eigenes internes Milieu aufbauen --> Probleme bei Ionenhaushalt, Osmoregulation und Stickstoff-Verbindungen-Entsorgung
• Habitate und ihre osmotischen Besonderheiten (Limnisch, Marin, Terrestrisch) Limnisch:geringer Salzgehalt -->HypOosmotisch (10-100mOsM Flüsse, Seen, Bodenwasser Marinhoher Salzgehalt-> HypERosmotisch85-120 mOsM finn. Meerbusen, 1000 Hochsee, > 1000 Totes Meer TerrestrischLuftfeuchtigkeit ↔ Verfügbarkeit von Wasser  
• Osmoregulationim Süßwasser Süßwasserfische sind hyperosmotische Regulierer Süßwasser hyperosmotisch (15 mOsM) ggü Körperflüssigkeit -> muss Wasser ausscheiden, verliert Salze Abgabe verdünnten Harns Kompensation des Slazverlustes über Nahrung und aktive Aufnahme von Ionen über die Kiemen Fisch AUFNAHME: Wasser und manchen Ionen über Nahrung, Salzionen über Kiemen, osmotisch Wasseraufnahme über die Kiemen und Körperoberfläche ABGABE: große Wassermengen als stark verdünnter Harn über die NiereAKTIVER NaCl-Einstrom in spezialisierten Zellen der Kiemen (mitochondreinreiche Zellen (PNA-Zellen), da hoher ATP Verbrauch) Cl-Aufnahem über aktive Bicarbonat-Transporter Na-Aufnahme über Na-Protonen-Austauscher mitochondrienreiche Zellen (PNA Zellen), da hoher ATP-Verbrauch
• Osmoregulation im Salzwasser Meeresfische = hypoosmotische Regulierer (meist sekundär marin) Meerwasser = hyperosmotisch Fisch verliert Wasser; muss Na+ entsorgen Abgabe kleinerer Mengen mäßig konzentrierten Harns gibt Na+ über Kiemen ab   NaCl Exkretion über Chloridzellen der Kiemen bei Salzwasserfischen Cl- Einstrom gegen Konzigradient durch NKCC-Co Transport --> sehr hohe Cl-Konzi in Chloridzellen --> Abgabe an Umgebung durch Cl-Kanäle Na/k-ATPase als Energielieferant durch Aufbau starken elektrochem. Gradienten von Na+
• Osmoregulation bei wandernden Fischen bei anadromen (Lachs) und katadromen (Aal) Mechanismen: Änderung des Trinkvolumens Änderung der Harnosmolarität Anpassung der Ionentransportproteine in denKiemen, Darm und HautBsp: Umkehr des aktiven NaCl.Transports
• Osmolarität von Knorpelfischen sind nahezu ISOOSMOTISCH große Harnstoffmengen (eigentlich toxisch) im Blut Schutz der Proteine durch weitere Substanzen (Trimethylaminoxide=TMAO,Betain, Sarcosin) Ausscheiden von NaCl über Rektaldrüsen
• Osmoregulation bei Landfischen müssen sich vor Wasserverlust schützen Ausbildung von Epithelien ständiger Wasserverlust über Atmungsepithelien (ausgeatmete Luft immer 100% Wassergesättigt) Abge konzentrierten Harns Wasseraufnahme notwendig
• Stickstoffhaltige Exkretstoffe: Ammoniak Ammoniotelische Tiere (kleine im Wasser lebende Tiere) energetisch sparsam hohe Wassermengen zur Exkretion nötig NH3-Diffusion über Membranden durch Gaskanäle NH4+ Bewegung über Transoprter  
• Stickstoffhaltige Exkretstoffe: HARNSäURE Uricotelische Tiere (Insekten, Reptilien, Vögel) geringe Wasserlöslichkeit (--> Kein Wasser zur Ausscheidung nötig) Ausscheidung als kristalline Harnsäure (spart Wasser) energeticsh aufwendg
• Stickstoffhaltige Exkretstoffe: HARNSTOFF Ureotelische Tiere (Selachier, terrestrische Amphibien, Säugetiere) Wasserlöslich und ungiftig über Membrantransporter geht im Ornithin-Harnstoff-Zyklus hervor ( Leber. energetisch aufwendig)
• Funktionsprinzip renaler Organe Filtration: filtrieren der Körperflüssigkeiten in Tubulisystem. Primärharn enthält alle Nähr- und Ausscheidungsstoffe Sekretion: aktive Abgabe weniger Substanzen in Tubuli Resorption: von Nährstoffen, Salzen, Wasser die der Orga benötigt UND Konzentration der unerwünschten ausscheidungspflichtigen Stoffe (Sekundärharn) Konzentrierung: Um Wasserverlust einzudämmen (Endharn)  
• Renale Organe im Tierreich (Proto- / Meta-) Nephridien (Wirbellose) Ciliäre Filtration, Reabsorption; ektodermale Bildung Malpighische Gefäße (Insekten) Sekretion, osmotische Filtration, Reabsorption; endodermale Bildung Nephron (Vertebraten) hydrostatische Filtration, Reabsorption; mesodermale Bildung konvergente Evolution der Exkretionsorgane  
• NIERE Funktionelle Einheit: NEPHRON Mechanismus der Primärharnbildung: ULTRAFILTRATION TUBULÄRE REABSORPTION GEGENSTROM-KONZENTRIERUNG des Sekundärharns REGULIERUNG:  1. Ionen                              2. Osmolarität                              3. Blutdruck                              4. pH                              5. Stickstoffexkretion    
• NEPHRON funktionelle Einheit der Niere Blutgefäße des Nephrons: GLOEMRULUS: Kapillarknäul in der Bowmann Kapsel VASA RECTA: Kapillarbett um Henle Schleife GLOMERULUS: Bildung des Primärharns duruch Druckfiltration )große Moleküle und Blutzellen werden nicht filtriert) proximaler Tubus: 1. Reabsorptionvon Ionen, AS, Harnstoff, Vitamine 2. Eintransport  vom NH3, org. Basen&Säuren, 3. Ein- und Austransport von H+ Henle Schleife : GEGENSTROMKONZENTRIERUNG: 1.absteigend: passiver H2O Ausstrom, 2.aufsteigend:Austransport von Ionen, 3.Eintransport: Harnstoff distaler Tubulus: Aktiver Austransport von Na+, Ca2+, H2OEintransport: NH3Ein oder Austransport von K+, H+, HCo3-Wasser folgt passiv nach Sammelrohr: permeabel für Wasser (Wasser kann raus) -->hyperosmotischer Harnaktiver Na* Transportdistaler Abschnitt permeabel für Harnstoffendokrine Kontrolle    
• Zusammenfassung der Nierenfunktion bei Säugern 1. Ultrafiltration im Glomerulus (Bildung des Primärharns) 2. Modifikation der Zusammensetzung durch Rückresorption und Sekretion in unterschiedlichen Tubulusregionen (v.a. Na+, Cl-, Glucose) 3. Henle-Schleife und Sammelrohr arbeiten als Gegenstrommultiplikator (Entziehen von H2O=>Hyperosmotischer Harn)
• Konsequenzen der Hyper- bzw. Hyposmolalität beim Menschen Erhöhung der Plasmaosmolalität von 10mOsm führt zu Kopfschmerzen und Aufmerksamkeitsdefiziten  bei stärkerer Erhöhung folgt Lethargie, Spastiken, Verwirrheit, Krämpfe (nach trinken von Salzwasser) Hypoosmolalität (z.B. exzessives Trinken von Wasser bei Marathonläufern) hat ähnliche Auswirkungen (Kopfschmerzen, Übelkeit, Verwirrtheit
• Regelung des Nierenfunktion Die Regelung des Wasserhaushalts (Osmolalität des Blutes), des Blutdrucks und des Na+-K+ - Gleichgewichts sind eng miteinander gekoppelt. Reguliert durch zwei Hormonsysteme: 1. Renin-Angiotensin-Aldosteron-System normalisiert den Blutkreislauf bei niederem Blutdruck bzw geringem Blutvolumen => „Aldosteron“ auch Dursthormon genannt 2. Vasopressin (Adiuretin) (ADH) reguliert Wasserreabsorption im Sammelrohr
• äußere Atmung Ventilation, Diffusion über Membran (Äußere Kiemen, Lungen, Tracheen, innere Kiemen)

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