Physiologie1 (Fach) / Physiologie1 (Lektion)

Physiologie1

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• Die Zelle Kleinste Einheit, die Grundfunktionen des Organismus erfüllt: Stoffwechsel Bereitstellung von Energie Bewegung Wachstum (Zellteilung) Vermehrung und Vererbung (Zellteilung)
• Prinzip Zellaufteilung Zellmembran = Hülle Zytoplasma = intrazelluläre Flüssigkeit Zellinnenraum = Zellkern + subzelluläre Strukturen mit eigener Zellmembran (Zellorganelle)
• Funktion Proteine Wesentliche Bestandteile des Körpers Zellbestandteile (z.B. Kontraktile Proteine in Muskeln Stütztproteine: Knorpel, Knochenmatrix, Haare, Hautschuppen, Keratin Sehnenproteine Sauerstoffbindende Proteine: Hämoglobin, Myoglobin Andere Transportproteine im Blut: z.B. Albumine (Fettsäuretransport) Katalytisch wirksame Proteine (Enzyme) Kanalproteine (Ionenkanäle) Antikörper (Gammaglobuline) Faserproteine: Seide, Spinnengewebe Bakterientoxine: Botulinustoxin, Diphterietoxin
• Enzyme - Biokatalysatoren ermöglichen oder beschleunigen biochemische Reaktionen mehr als 2000 Enzyme bekannt Endung: -ase Leberzelle enthält ca. 50 Millionen Enzymmoleküle
• Aminosäuren Bestehen aus: Amino-Gruppe: NH2/NH3+ Säuregruppe: COOH/COO- Variabler Aminosäurerest R (spezifiziert Aminosäure) 20 versch. Aminosäuren im menschl. Körper, einige essenziell
• Polymerisations-, Kondensationsreaktion Zwei oder mehr AS können sich unter Wasserabspaltung zu Ketten vereinigen: 2 AS: Dipeptid 2-100 AS: Oligopeptid >100 AS: Protein
• Proteine - Struktur Primärstruktur: Aminosäuresequenz Sekundärstruktur: α-Helix, β-Faltblatt Tertiärstruktur: räumliche Faltung der Aminosäuresequenz Quartiärstruktur: räumliche Struktur von Proteinkomplexen
• Proteine - Unterscheidung Größe: Insulin 51 AS, Serumalbumin 584 AS Form: globulär, fibrillär, etc. Konformation: einfach oder zusammengesetzt Lokalisation: intra-/extrazellulär, zytosolisch oder in der Membran Funktion: Enzyme, Membranproteine, Transkriptionsfaktoren, etc. Sequenzverwandtschaft: Aufbau aus Domänen => Kein universell sinnvolles Einteilungsschema vorhanden
• Enzyme - Eigenschaften Sind substratspezifisch und wirkungsspezifisch Wirken über Enzym-Substratkomplex Haben aktives Zentrum Enzymaktivität hängt von Temperatur, pH-Wert, Anwesenheit von Schwermetallionen ab Denaturiereung = Verlust der Konformation
• Enzyme - Enzymreaktionen Oxidation/Reduktionsreaktion: Oxidoreduktase oder Dehydrogenasen (z.B. Katalase) Übertragen von funktionellen Gruppen: Transferasen (z.B. Aminotransferase) Bindungsspaltungen: Hydrolasen und Lyasen (z.B. Peptidasen) Verknüpfungsvorgänge: Ligasen (z.B. DNA-Ligase)
• Zellmembran/Plasmamembran unabdingbar für reguläre Zellfunktion Abgrenzung: hoch geordnetes Zellinere von chaotischem Außenraum Schnittstelle: Material-/Informationstransfer Lipiddoppelschicht
• Lipiddoppelschicht Grundsubstanz: Phospholipide (polarer, hydrophiler Kopf und apolare, hydrophobe Fettsäurekette als Schwanz) Phospholipide bilden in wässriger Lösung 4,5 nm dicke Lipiddoppelschicht Plasmamembran enthält Proteine: Periphere Proteine: nur an hydrophiler Kopfgruppe Integrale Proteine: durchspannen Membran
• Zellmembran - Bestandteile Transportproteine: Ionenkanäle, Pumpen (ATPasen), Carrier -> Stofftransport und Kommunikation Rezeptorproteine: erkennen Botenstoffe (Hormone) und setzen dieses Signal in intrazelluläre Botenstoffe (Signale) um Aus- und Einstülpungen vergrößern bei manchen Zelltypen die wirksame Oberfläche: -> Mikrovilli: fingerförmige Ausstülpungen Richtung Lumen, enthalten reichlich Enzyme -> Bürstensaummembran: Membran mit hoher Mikrovilli-Dichte Kinozilien (Flimmerhaare): Zellfortsätze zur Fortbewegebung Stereozilien: Mikrovilli in Sinneszellen Adhäsionsmoleküle: Zell-Zell-Kontakte/Kontakt zu extrazellulärer Matrix Cholisterin: stabilisiert Lipiddoppelschicht Glykolipide (Glykokalix): realisieren zB Blutantigene Proteine schwimen in der Membran (Zell-Mosaik-Modell)
• Zytosol (Zellplasma) Gelantineartige Zellflüssigkeit Enthält: Proteine (20-80% der Flüssigkeit), sehr viele Enzyme Ribosomen tRNA Zytoskelett Zellorganellen (membranumhüllte Systeme mit eigener Funktion)
• Vesikel Membranumschlossene Zellorganellen. Schließen bestimmte Stoffe für Transport ein
• Endoplasmatisches Retikulum (ER) Raues ER: verzweigtes Labyrinth flächiger Hohlräume (Zisternen), mit eigener Membran Innerste Membran ist Bestandteil der Kernmembran Ort der Proteinbiosynhees (z.B. Membranproteine und sekretorische Proteine, die nach außern abgegeben werden) Istauf der äußeren Oberfläche dicht mit Ribosomen besetzt Glattes ER: Ort der Lipidsynthese Speicherung und Abgabe von Kalzium
• Golgi-Apparat Dictyosom Besteht aus gestapelten, flachen Bläschen, von denen sich kleine Bläschen abschnüren Dient hauptsächlich Sekretionsvorgängen Modifiziert Proteine Produziert Polysaccaride Konzentriert diese Stoffe und umgibt sie mit einer Membran Entstandene Sekretgranula wandern zur Membran und werden dort nach außen abgegeben
• Lysosomen Produkt des Golgi-Apparat Verdauen zelleigenes und zellfremdes Material, wiederverwertbare Stoffe werden zurückgewonnen
• Mitochondrien Dezentrale Energieversorgung Verwandeln energiereiche Substrate aus Nahrung in ATP In allen kernhaltigen Zellen vorhanden Eigene doppelsträngige DNA Vermehrung durch Teilung
• Zytoskelett Besteht aus feinen Proteinfäden oder -schläuchen (Mikrofilamente oder -tubuli) mit zelltypabhängigen, unterschiedlichen Funktionen: durchspannen Zelle, stabilisieren Zellgestalt beteiligt an Ausformung von Zilien und Mikrovilli beteiligt an intrazellulären Transportprozessen wichtig für Bewegung der Zelle, Zellteilung verbinden benachbarte Zellen
• Zell-Zell-Kontakte Tight Junctions: Feste Verbindung zwischen Zellen Membranen benachbarter Zellen in direktem Kontakt Lassen keine Zellflüssigkeit durch Verschlusskontakte Desmosomen: Haftkontakte (wie Nieten) Verankerung des Zytoskeletts Mechanisch  zusammenhängende Gewebsverbindungen Teilweise auh mit der Extrazellulärmatrix verankert Gap-Junctions: Winzige, flüssigkeitsgefüllte Zytoplasmakanäle (wie Hohlnieten) Kommuniktaion zwischen benachbarten Zellen
• Zellkern (Nukleus) Bestandteil aller menschl. Zellen, bis auf Erythrozyten Zweifache Membran, dicht besetzt mit Kernporen (25% der Oberfläche) Kernporen bestehen aus Proteinen Kernsaft (Karyolymphe, Nukleoplasma) in dem Chromatin, Proteine und membranlose Kernkörper (Nukleolus) schwimmen Chromatin: langes, fadenförmiges Molekül, dass vor allem aus DNA besteht Im Kernkörper wird Transfer-RNA gebilbet
• Aufbau DNA/RNA Grundbaustein Nukleotide = Verbindung aus Zuckermolekül, einem Molekül Phosphorsäure, einer organischen Basis Nukleinsäure: Verbindung von Nucleotiden zu langkettigen Polynucleotiden Komplementäre Basenpaare Adenin-Thymin, Guanin-Cytosin (in gleichen Häufigkeit) über Wasserstoffbrücken
• Der genetische Code drei aufeinanderfolgende Basenpaare (Triplets, Codogen) Gen: Abfolge von Triplets, die ein Protein kodieren (Exons) Introns: DNA-Abschnitte, die nicht kodieren Kodierende Abschnitte betragen nur wenige % der gesamten DNA Genom: Summe aller Erbanlagen = Gesamtbestand aller Basenpaare. Mensch ca. 3.2 * 10^9 Basenpaare mit ca 24.000 Genen Ausgestreckt DNA-Doppelstränge bis zu 7cm lang Bei bestimmte Phase im Zellzyklus DNA so gerollt, gefaltet und spiralisiert, dass daraus 10µm lange Chromosomen entstehen 61 von 64 möglichen Triplets kodieren AS "AUG" = Start-Codon. 3 Stop-Codone Code ist: eindeutig degeneriert kommafrei nicht überlappend universell
• Stoffwechsel Metabolismus Vorgänge zur Aufnahme, Transport, Umwandlung von Stoffen sowie zur Ausscheidung von Stoffwechselprodukten im Dienste der Energiebereitstellung und dem Aufbau und Erhalt von Körpersubstanz
• Energiegewinnung (Energiestoffwechsel) Grundnahrungsstoffe: Kohlenhydrate, Eiweiß, Fett Grundnahrungsstoffe werden durch Verdauungsorgane um-/abgebaut in Glukose, Aminosäuren und Fettsäuren. Als solche gelangen sie in die Zelle und werden dort weiter um-/abgebaut. Energie daraus zum Aufbau von ATP aus ADP ATP liefert Energie z.B. für Muskelkontraktionen, Ionenpumpen, zellinterne Stoffwechselprozesse, etc.
• Energiebereitstellung - In der Zelle 1 mol Glucose -> 38 mol ATP 2 mol (5%) durch Glykolyse 36 mol (95%) durch oxidative Phosphorylierung
• ATP-Synthese 1. Anaerobe Glykolyse (anaerobe Energiebereitstellung) ohne Sauerstoff Zellplasma (Zytosol) 2. Oxidative Phosphorylierung (aerobe Energiebereitstellung) mit Suaerstoff Mitochondrien
• Transportprozesse - Diffusion Passiver Transport Braunsche Molekularbewegung = temperaturabhängige Eigenbewegung von Teilchen. Daher Druck im Gas. Bei ferier Beweglichkeit => gleichmäßige Verteilung von Teilchen im Raum Bei initialen Konzentrationsunterschieden: Nettotransport vom Ort hoher Konzentration zum Ort niedriger Konzentration bis zum Konzentrationsausgleich Gilt für Gase und in gute Nährung auch für in Flüssigkeiten gelösten Teilchen
• Transportprozesse - Diffusion (im Körper) Zwei Flüssigkeitsräume mit gelösten Teilchen in unterschiedlicher Konzentration getrennt durch eine für Teilchen durchlässige Membran Zwei unidirektionale Teilchenströme, FAB und FBA , wovon der, der dem Konzentrationsgradienten bergab folgt überwiegt. Es kommt dann zum Konzentrationsausgleich Auch dann existieren noch unidirektionale Teilchenströme, die sich im Mittel aufheben (Nettodiffusion = 0) Ursache des Nettoflusses sind osmotisch bedingte Druckunterschiede
• Quantitative Beschreibung der Diffusion elektrisch neutraler Teilchen Für Nettofluss gilt nach 1. Fickschen Prinzip: J = -D · dc/dx ≈ D · (cA - cB)/d = D/d · Δc J: Teilchenflux, Teilchenstromdichte [mol · m-2 · s-1] D: Diffusionskoeffizient [m2/s] hängt von Membran und gelöstem Stoff ab c: Konzentration [mol · m-3] bzw. [mol/l] d: Membrandicke [m] x: Ortskoordinate [m] Teilchenfluss M durch Membranabschnitt mit Fläche A ist dann: M ≈ A · D · (cA - cB)/d = A · D/d · Δc Bei dünnen Membranen setzt man D/d = P (Permeabilitätskonstante [m/s]) Bei elektrisch neutralen Teilchen kann jede Teilchensorte für sich betrachtet werden Bei elektrisch geladenenen Teilchen: elektrochemischer Gradient (proportional zu Teilchenflux)
• Transportprozesse - Osmose Osmose = Klasse von Transporterscheinungen an Membranen, die auf Unterschieden von chemischen Potentialen beruhen.
• Quantitative Beschreibung der Osmose van'tHoffsches Gesetzt: ordnet jedem Kompartiment einen osmotischen Druck zu. πA = nA / VA · R · T <=> πA = cA · R · T nA: Anzahl Teilchen in der Lösung A [mol] VA: Gesamtvolumen der Lösung A [l] R: allgemeine Gaskonstante, R = 8,314 J · mol-1 · K-1 T: absolute Temperatur cA: Teilchenkonzentration [mol · l-1] Entsprchend: πB = nB / VB · R · T <=> πB = cB · R · T Wichtig: Für osmotischen Druck nur Teilchenanzahl im Kompartiment entscheident Masse, Volumen, Teilchenart spielen bei niedrig konzentrierten/verdünnten Lösungen keine Rolle
• Osmotische Druckdifferenz Bestimmt Flussrichtung des Lösungsmitels: πA - πB = R · T · (cA - cB)  Gilt z.B. πA > πB: Lösungsmittel fließt von B nach A. Lösungsmittel fließt immer zum höheren osmotischen Druck.
• Osmolarität Konzentration aller osmotisch wirksamen Teilchen bezogen auf das Volumen der Lösung Einheit ist osmol/l Wässrige Glucoselösung mit Konzentration 1 mol/l hat Osmolarität 1 osmol/l Wässrige Kochsalzlösung der Konzentration 1 mol/l hat Osmolarität 2 osmol/, da Kochsalz (NaCl) in Wasser vollständig in Na+ und Cl--Ionen dissoziiert Osmolarität des Zellinneren: ca. 0,28 osmol/l. Osmotischer Druck ca. 750 kPa ≈ 7,5 bar
• Osmolalität Konzentration aller osmotisch wirksamen Teilchen bezogen auf die Masse der Lösung Einheit ist osmol/kg
• Messung der Osmolarität Über Wassersäule (nur für kleine Osmolaritäten) Gefrierpunkterniedrigung (0,3 osmol/l machen -0,54 °C)
• Osmotischer Druck durch Proteine Kolloidosmotischer oder onkotischer Druck
• Kanäle und Carrier Einfache Diffusion ohne Kanäle/Carrier Uniporter: Eine Teilchenart in eine Richtung Carrier mit Flusskopplung (Kotransport): -> Symporter: mehrere Teilchensorten in eine Richtung (positive Flusskopplung) -> Antiporter: mehrere Teilchensorten in entgegengesetzt Richtung (negative Flusskopplung)
• Grenzen des passiven Transports nur kurze Strechen (wenige mm) keine Teilchen entgegen des elektrochemischen Gradienten
• Primäer-Aktiver Transport Natrium-Kalium-Austauschpumpe (Na-K-ATOase) IZR relativ negativer als EZR: Potenzialdifferenz ca. -90mV Membran durchlässig für K+ und Na+
• Molekularer Mechanismus der Natrium-Kalium-Pumpe Besitzt außen 2 Bindungsstellen für K+ und innen 3 Bindungsstellen für Na+ sowie eine weitere für ATP (innen = 3n = 3 Na+) Wenn Enzym ATPase anwesen und Bindungsstellen besetzt Arbeitet elektrogen: Pro Pumpzyklus wird Ladug verschoben. Netto ein positives Ion nach außen
• Sekundär-aktiver-Transporter (Carrier) Antrieb: NaK-Pumpe -> hoher Na+-Gradient zwischen IZR und EZR Na+ über Carrier NaC in Zelle (passiv) Dadurch frei werdende Energie zum Transport anderer Teilchen entgegen elektrochemischen Gradienten Sättigungsverhalten: maximale Transportkapazität ist erreicht, wenn alle Bindungsplätze aller Transportproteine besetzt sind und der Pumpzyklus mit maximaler Geschwindigkeit durchlaufen wird.
• Exozytose Intrazelluläre Organellen bilden membranumhüllte Bläschen (Vesikel) mit speziellen Inhaltsstoffen Zum Abtransport: Vesikelmembran verschmilzt mit Zellmembran Transport größerer Partikel
• Endozytose Membran besitzt Bindungsstelle für spezielle Makromoleküle (z.B. Insulin) Membranzellen schnüren sich nach erfolgter Bindung ab -> Aufnahme des Moleküls Fremdkörperaufnahme (z.B. Bakterien) durch spezialisierte Zellen um sie unschädlich zu machen (Phagozytose)
• Transportprozesse - Konvektiver Transport Transport eines Mediums (Gas oder Flüssigkeit) in einem Rohr-/Gefäßsystem angetrieben durch einen aktiven Mechanismus (z.B. Muskelkraft)
• Volumenstrom(rate) oder Massenstrom(rate) Volumen (bzw. die Masse), das pro Zeit durch Gefäß transportiert wird. Volumenelement in Gefäß mit konstanter Querschnittsfläche A. Dann gilt:                ΔV = A · Δx Das Volumenelement wird mit konstanter Flussgeschwindigkeit v um Δx nach rechts verschoben. Dazu wird Zeit Δt benötigt. Da Δx = v · Δt , gilt:               ΔV = A · v · Δt => ΔV/Δt = A · v                           .              dV/dt = V  = A · v Also: Volumenstrom(rate) = Querschnittsfläche mal Flussgeschwindigkeit
• Kontinuitätsgesetz Bei sich ändernder Querschnittsfläche und konstanter Volumenstromrate gilt: A1 · v1 = A2 · v2 = A3 · v3
• Konvektiver Transport von Stoffgemischen Stoffgemisch = Flüssige Lösung (oder Gasgemisch) Stoff A liegt in fein verteilter Form in flüssigem Lösugsmittel vor (z.B. Zucker in Wasser)               cA = VA/(VL + VA) = VA/V VL: Volumen des Lösungsmittels VA: Volumen des gelosten Stoffes cA: Volumenkonzentration des Stoffes Wird homogenes Gemisch, z.B. flüssige Lösung, konvektiv in Röhre (Blutgefäß)                                                                                                           . transportiert, dann ist die Volumenstromrate der gesamten Lösung V! Volumenstromrate des gelösten Stoffes:               .              .             VA = cA · V
• Stoffaustausch im Kompartiment                |- ↓ - ↓ - ↓ -|       ____|                |____               .                                       .→cA,ein, Vein                    →cA,aus, Vaus         ____                 ____               |                |                |- ↑ - ↑ - ↑ -|                     .                    VA,trans                                                                               .                        .1. Volumenstromrate des Stoffes A im Einstrom: VA,ein = cA,ein · Vein     .2. VA,trans: Volumenstromrate des Stoffes A, der zwischen Kompartiment und Umgebung ausgetauscht wird                                                                               .                          . 3. Volumenstromrate des Stoffes A im Ausstrom: VA,aus = cA,aus · Vaus Volumenstrombilanz: .            .              .VA,ein + VA,trans - VA,aus = 0  .              .             .            .                      .VA,trans = VA,aus - VA,ein = Vaus · cA,aus - Vein · cA,ein        .                 .           .          .      !   .                               .               .Sei VA,trans << Vein => Vaus ≈ Vein = V (gilt meistens) => VA,trans = V · (cA,aus - cA,ein) Gemessen am Gesamtvolumenstrom durch Kompartiment ist der ausgetauschte Stoffstrom vernachlässigbar Pfeile ins Kompartiment zählen positiv, Pfeile aus Kompartiment zählen negativ

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