Taschenlehrbuch Physiologie (eBook)
832 Seiten
Georg Thieme Verlag KG
978-3-13-154032-4 (ISBN)
Michael Gekle, Erhard Wischmeyer, Stefan Gründer u.a.: Taschenlehrbuch Physiologie 1
Wichtige Gleichungen und Gesetze 2
Auf einen Blick... 3
Innentitel 5
Impressum 6
Vorwort 7
Inhaltsverzeichnis 9
Anschriften 23
1 Grundlagen der Zellphysiologie 26
Der menschliche Organismus als offenes System mit innerem Milieu 26
Regelung 28
Prinzip des Regelkreises 28
Kennlinie einesRegelkreises 30
Zeitverhalten eines Regelkreises 31
Totzeit einesRegelkreises 32
Die Zelle und ihre Kompartimente 32
Membranen 32
Zellkompartimente 35
Zytoskelett 37
Zellkontakte 38
2 Transportprozesse und Signaltransduktion 40
Transportprozesse 40
Triebkräfte vonTransportprozessen 40
Passiver und aktiver Transport 42
Vermittelter und unvermittelter Transport 42
Osmose und Filtration 44
Passiver Transport 45
Aktiver Transport über Zellmembranen 46
Transepithelialer Transport 51
Signaltransduktion 52
Allgemeines 52
Rezeptoren 53
Intrazelluläre Botenstoffe (Second Messenger) 62
3 Membranpotenzial 67
Überblick 67
Pumpen und Kanäle in der Zellmembran 68
Na+/K+-ATPase 68
Ionenkanäle 71
Ruhemembranpotenzial 73
Das K+-Gleichgewichtspotenzial 73
Gleichgewichts„potenziale verschiedener wichtiger Ionen 75
Mischpotenziale 75
Ionenströme und Membranpotenzial 76
K+-Ionen 76
Cl–-Ionen 77
Aktionspotenzial 78
Entstehung des Aktionspotenzials 78
Verlauf desAktionspotenzials 81
Schwellenwert und Erregbarkeit 87
Codierung derReizstärke 89
4 Erregungsleitung und -übertragung 91
Überblick 91
Erregungsleitung 91
Elektrotonische Fortleitung von Depolarisationen 91
Fortleitung des Aktionspotenzials inmarklosen Nervenfasern 93
Fortleitung des Aktionspotenzials inmarkhaltigen Nervenfasern 94
Extrazelluläre Aktionspotenziale von Nervenfasern und Nerven 96
Erregungsüber„tragung 99
Synapsen 99
Erregende Synapsen im ZNS 104
Hemmende Synapsen im ZNS 107
Neuromuskuläre Endplatte 109
Elektrische Synapsen 111
Synaptische Plastizität 112
Cotransmitter 112
WeitereNeuromodulatoren 114
Langzeitpotenzierung und Langzeitdepression 116
Präsynaptische Hemmung und Bahnung 116
5 Muskulatur 118
Überblick 118
Morphologische Charakteristika der drei Muskelarten 118
Skelettmuskel 118
Herzmuskel 122
Glatte Muskulatur 123
Muskelfilamente 124
Erregung der Muskelzellen 126
Innervation von Skelettmuskelzellen 127
Elektrische Erregung der Skelettmuskelzelle 128
Elektrische Erregung der Herzmuskelzelle 130
Elektrische Erregung der glatten Muskulatur 131
Elektromechanische Kopplung in Muskelzellen 132
Elektromechanische Kopplung in Skelettmuskelzellen 133
Elektromechanische Kopplung in Herzmuskelzellen 135
Elektromechanische und pharmakomechanische Kopplung glatter Muskelzellen 136
Kontraktion der Muskelzellen 137
Kontraktion der Skelettmuskelzellen 137
Kontraktion derHerzmuskelzellen 139
Kontraktion glatter Muskelzellen 139
Ende derMuskelkontraktion 140
Regulation der Kontraktionskraft 141
Skelettmuskel 142
Herzmuskel 144
Glatte Muskulatur 144
Ermüdung der Skelettmuskulatur 145
Muskelmechanik und Energiestoffwechsel 147
Kontraktionsformen 147
Ruhedehnungskurve, isotonische und isometrische Maxima 148
Verkürzungsgeschwindigkeit und Arbeit eines Muskels 148
Energiestoffwechsel der Muskelzelle 149
6 Herz-Kreislauf-System 152
Das Herz im Kreislaufsystem 152
Herzerregung und Ablauf der Herzfunktionen 154
Aktionspotenziale in Kardiomyozyten 156
Hierarchie der Herzschrittmacherzentren 161
Refraktärphase des Myokards 162
Das Elektrokardiogramm (EKG) 166
Kopplung von Erregung und Kontraktion in „Kardiomyozyten 180
Herzmechanik 182
Regulation der Herzaktivität 189
Ernährung des Herzens 196
Metabolismus des Myokards 199
Herz-Kreislauf-System 201
Überblick: Aufbau und Funktion des Herz-Kreislauf-Systems 201
Das Blutgefäßsystem 201
ArteriellesGefäßsystem 211
Strömungswiderstand im Gefäßsystem 216
Venöses Gefäßsystem 218
Blutdruck beiOrthostase 223
Mikrozirkulation 224
Lymphgefäßsystem 230
Lokale Regulation der Durchblutung 230
Systemische Kontrolle des Blutdrucks 235
SpezifischeDurchblutung verschiedener Organe 240
Lungenkreislauf 241
7 Blut und Immunsystem 244
Blut 244
Zusammensetzung des Blutes 244
Das Blutplasma 244
Die zellulärenBestandteile des Blutes 248
Blutgruppen 256
Hämostase 258
Thrombozyten 258
Primäre Hämostase (Blutstillung) 258
Sekundäre Hämostase (Blutgerinnung) 260
Fibrinolyse 262
Physiologische Antihämostasemechanismen 262
Störungen der Hämostase 263
Gerinnungstests 264
Das Abwehrsystem 265
Das angeborene Abwehrsystem 266
Das adaptive Abwehrsystem 271
Impfung 280
Allergien 280
HIV-Infektion und AIDS 281
8 Atmung und Säure-Basen-Haushalt 282
Einführung 282
Aufbau und Funktion der luftleitenden Wege 282
Aufbau der luftleitenden Wege 282
Funktionen derluftleitenden Wege 283
Atemwegswiderstand 285
Atemmechanik 287
Inspiration undExspiration 287
Druckverhältnisse bei Inspiration und Exspiration 289
MechanischeEigenschaften von Lunge und Thorax 290
Compliance 293
Atemarbeit 293
Gasaustausch in der Lunge 294
Fraktionelle Gaskonzentration, Partialdruck und Konzentration 294
Lungenvolumina 295
Totraumvolumen 298
Aufbau derAlveolarmembran 299
AlveolärerGasaustausch 300
Respiratorischer Quotient 302
Ventilation und Perfusion 303
Ventilations-Perfusions„-Quotient 304
Transport von O2 und CO2 307
Physikalische Lösung der Atemgase im Blut 307
Sauerstoffbindung am Hämoglobin 307
Regulation derSauerstoffbindung am Hämoglobin 309
Sauerstoffverbrauch im Gewebe 309
CO2-Transport im Blut 310
Haldane-Effekt 311
Atmungsregulation 311
Atemrhythmus 312
Regulation der Atmung 313
Störungen desAtemrhythmus 316
KünstlicheBeatmung 317
Beatmungsdrücke 317
Überwachung der Beatmung 317
Atmung in der Höhe und Tauchen 319
Atmung in der Höhe 319
Tauchen 320
Säure-Basen-Haushalt 323
pH-Werte im menschlichen Körper 323
Der pH-Wert des Blutes 324
Pufferung 325
Säure-Basen-Bilanz 328
Säureausscheidung durch die Niere 330
Störungen des Säure-Basen-Haushalts 332
9 Niere, Wasser- und Mineralhaushalt 336
Überblick 336
Bau und Funktion der Niere 336
Renales Gefäßsystem 338
Aufbau desNierenkörperchens 338
Aufbau des juxtaglomerulärenApparates 338
Aufbau desTubulusapparates 339
EndokrineNierenfunktion 340
Renale Innervation 340
Prinzip derAusscheidung 341
Renale Ausscheidung 342
Glomeruläre Filtration 344
Renaler Blutfluss 347
Regulation von RBF und GFR 349
Renaler Transport und Regulation von NaCl 352
Transportprozesse 353
Regulation 356
Renaler Transport von H2O 357
Transportprozesse 357
Regulation 358
Renaler Transport und Regulation von Kalium 358
Kaliumaufnahme 359
InterneKaliumverteilung 359
Kaliumfiltration und -resorption 360
Transportprozesse 360
Regulation 362
Renaler Transport und Regulation vonPhosphat, Calcium und Magnesium 363
Phosphat 363
Calcium 364
Magnesium 368
Renaler Transport und Regulation von Glucose, Aminosäuren, Peptiden und Proteinen 369
Glucose 369
Aminosäuren 370
Oligopeptide 371
Proteine 371
Renaler Transport und Regulation weiterer organischer Substanzen 372
Carboxylate 372
Harnsäure 373
Organische Anionen 374
Organische Kationen 374
Renaler Transport von Säuren und Basen 375
Ausgeschiedene Säuren sind sezernierte Säuren 376
Die H+-Bilanz der Niere 376
Beitrag derTubulusabschnitte 377
Zelluläre Transportmechanismen 377
Renaler Transport und Regulation vonHarnstoff 381
Transportprozesse 381
Regulation 382
Urinkonzentrierung und Wasserhaushalt 382
Aufbau des „osmotischen Gradienten 385
Gegenstromaustausch in den Vasa recta 388
Konzentrierung des Urins 388
Integration von Salz- und H2O-Haushalt 390
Kontrolle des „Extrazellulärraumes 391
Kontrolle des H2O-Gehaltes 396
Diuretika 399
Hormonbildung 400
Erythropoetin (EPO) 400
10 Ernährung, Energiehaushalt und Verdauung 401
Ernährung 401
Anforderungen an die Ernährung 401
Regulation der Nahrungsaufnahme 406
Energiehaushalt 413
Energiebilanz 413
Speicherung von Energie 414
Energiefreisetzung 415
Energieumsatz 416
Energiegehalt der Nahrung 418
Messung desEnergiebedarfs 418
Verdauung 420
Abwehrfunktion des Magen-Darm-Traktes 422
IntegrativeSteuerung 422
11 Vegetatives Nervensystem 473
Überblick 473
Sympathikus und Parasympathikus 473
Organisation von Sympathikus undParasympathikus 474
Neurotransmitter und Rezeptoren 476
Effekte von Sympathikus und Parasympathikus auf die Organe 480
Enterisches Nervensystem 482
Organisation 483
Funktion 483
Supraspinale Einflüsse auf das vegetative Nervensystem 484
Kortikale Einflüsse 485
Hypothalamische und limbische Einflüsse 485
Einflüsse aus dem Pons und der Medulla oblongata 485
Der afferente Anteil des vegetativenNervensystems 487
Vegetative Kontrolle von Rektum,Harnblase und Genitalien 488
Vegetative Kontrolle von Rektum und Harnblase 488
Vegetative Kontrolle der Genitalien 494
12 Endokrines System 496
Grundlagen der endokrinen Regulation 496
Peptidhormone und ihre Rezeptoren 496
Steroidhormone und ihre Rezeptoren 498
Aminosäurederivate 499
HormonelleRegelkreise 499
Hypothalamus und Hypophyse 500
Organisation des hypothalamisch-hypophysären Systems 500
Hormone derAdenohypophyse 503
Hormone derNeurohypophyse 506
Hormone der Nebennierenrinde 508
Funktionelle Anatomie derNebennierenrinde 509
Synthese der Steroidhormone 509
Mineralokortikosteroide 509
Glukokortikosteroide 511
Hormone der Schilddrüse 515
Funktionelle Anatomie der Schilddrüse 515
Thyroxin (T4) und Trijodthyronin (T3) 515
Hormone des endokrinen Pankreas 519
Funktionelle Anatomie des endokrinen Pankreas 519
Insulin 520
Glukagon 523
Somatostatin 524
Hormone zur Steuerung des Calcium- und Phosphathaushalts 524
Parathyrin 525
Calcitriol 527
Calcitonin 528
Hormone desFettgewebes 528
Leptin 528
13 Sexualfunktionen, Schwangerschaft 529
Sexualentwicklung 529
Gametogenese 529
WeiblicheGametogenese 530
MännlicheGametogenese 533
Kohabitation 535
Sexualreflexe des Mannes 535
Sexualreflexe der Frau 536
Fertilisation und Implantation 536
Aszension derSpermien 536
Fertilisation 537
Implantation 537
Schwangerschaft und Geburt 538
Embryonal- und Fetalentwicklung 538
Plazenta undfetoplazentare Einheit 539
Geburt 540
Sexualsteroide 542
Androgene 542
Östrogene 543
Gestagene 544
14 Physiologie des Fetus und des Neugeborenen 546
Einführung 546
Herz-Kreislauf-System 546
O2-Versorgung und Atmung 548
Blut und Immunsystem 549
Niere 549
Endokriner Pankreas und Nebennieren 550
Gastrointestinaltrakt 550
Thermoregulation 551
15 Thermoregulation 553
Körpertemperatur und Thermoregulation 553
Physiologische und pathophysiologische Schwankungen derKöpertemperatur 553
Wärmebildung und Transfer im Körper 556
Wärmebildung 557
Wärmetransfer im Körper 557
Wärmetausch mit der Umgebung 558
Strahlung und Leitung 559
Konvektion 559
Verdunstung und Schweißbildung 559
Gesamtwärmebilanz 561
Temperatur„regulation 561
Thermosensoren 561
Regulationszentrum 562
Effektoren 563
Regulationsstrategien 564
Angewandte Thermoregulationund Pathophysiologie 565
AngenehmesRaumklima 565
Körperliche Arbeit/Training 565
Ein Saunabesuch 566
Hyperthermie/Hitzschlag 566
Fieber 567
Hypothermie 568
Neugeborene 569
Alte Menschen 569
Akklimatisierung 569
16 Leistungsphysiologie 570
Einführung 570
Definition von Arbeit und Leistung 570
Energiebereitstellung 571
Anaerobe und aerobeEnergiebereitstellung 572
Substrate und Produkte 573
Leistungsdauer und -intensität 575
Kurzzeitbelastung und Ausdauerleistung 575
Anaerobe Schwelle 578
Energieumsatz 578
Leistungsmessung 579
IndirekteKalorimetrie 579
Leistungstests 579
Organanpassung 581
Herz und Kreislauf 581
Atmung 582
Blut 582
Thermoregulation 583
Leistungssteigerung 584
Training 584
Doping 585
Leistungsgrenzen 585
Ermüdung 585
Erholung 586
17 Altern und Tod 587
Einführung 587
Gesellschaftliche Aspekte 587
Veränderungen des Organismus 589
Zelluläre undmolekulare Aspekte 590
18 Allgemeine Sinnesphysiologie 594
Einführung 594
Umwandlung von Sinnesreizen in neuronale Signale 594
Transduktion 594
Amplifikation 595
Transmission 596
Input-Output-Funktionen 597
Unterschiedsschwelle und Weber-Gesetz 598
Adaptation 599
Rezeptorsysteme 599
Verarbeitung von Sinnesreizen im ZNS 600
Einige Prinzipien der Sinnesreizverarbeitung 601
Verarbeitung der Sinnesinformation im Thalamus 602
19 Somatosensorik 604
Überblick 604
Tastsinn 605
Qualitäten und Adaptation 605
Typen vonMechanorezeptoren 607
MolekulareMechanismen der Mechanorezeption 609
Temperatursinn 610
Typen vonThermorezeptoren 610
MolekulareMechanismen der Thermorezeption 611
ViszeraleSensibilität 612
Schmerz 613
Nozizeptoren 614
MolekulareMechanismen der Nozizeption 616
Entzündungsschmerz 617
Pathologische Schmerzen 621
ZentraleVerschaltung 622
Tastsinn 622
Temperatursinn 623
Schmerz 623
20 Hören und Sprechen 627
Physiologische Akustik 627
Äußeres Ohr und Mittelohr 629
Innenohr 631
Aufbau des Innenohrs 631
Mechanoelektrische Transduktion 633
Codierung inafferenten Nervenfasern 637
Zentrale Hörbahn 638
Stimme und Sprache 640
21 Gleichgewichtssinn 643
Das periphere Vestibularorgan 643
Sinneszellen 643
Bogengänge 644
Die Makula-Organe 646
Zentrale vestibuläre Verschaltung 647
Vestibuläre Reflexe 648
Nystagmus 649
22 Visuelles System 650
Überblick 650
Dioptrischer Apparat 650
Licht 650
Aufbau des Auges 650
Lichtbrechung am Auge 653
Pupillen- und Akkommodationsreflex 659
Signalverarbeitung in der Retina 661
Aufbau der Retina 661
Neurone in der Retina 662
Phototransduktion 665
Farbensehen 668
Adaptations„mechanismen 669
Signalverarbeitung in der Netzhaut 672
Klassifizierung von Ganglienzellen 676
Die Sehbahn und die zentrale Verarbeitung der visuellenInformation 676
Verlauf der Sehbahn bis zum Thalamus 676
Der visuelle Kortex 679
Tiefenwahrnehmung 680
23 Geschmacks- und Geruchssinn 682
Geschmackssinn 682
Geschmacksqualitäten 682
Geschmacksrezeptorzellen 684
Rezeptoren für Geschmacksstoffe und Signaltransduktion 685
Die zentrale Geschmacksbahn 687
Geruchssinn 689
Geruchsqualitäten 689
Geruchsrezeptorzellen 690
Rezeptoren fürDuftstoffe und Signaltransduktion 691
Die zentrale Geruchsbahn 692
24 Sensomotorik 694
Überblick 694
Spinalmotorik 695
Elemente derSpinalmotorik 695
Efferenzen der Spinalmotorik (Reflexe) 700
Hemmmechanismen der Spinalmotorik 705
Kontrolle der aufrechten Haltung 707
Lokomotionsgenerator 708
Kleinhirn 708
Funktionelle Gliederung des Kleinhirns 709
Aufbau undneuronale Verschaltung des Kleinhirns 711
Basalganglien 715
Einteilung derBasalganglien 715
Projektionen und Verschaltungen innerhalb der Basalganglien 716
Transmitterinnerhalb der Basalganglien 718
Motorkortex 719
Motorische Kortexareale 719
Neuronale Verbindungen des Motorkortex 722
Zielbewegungen des Armes und der Hand 724
Augen- undBlickbewegungen 726
Augenmuskeln und ihre Innervation 726
Augenbewegungen 727
Neuronale Kontrolle der Augenbewegungen 729
Planung einer Bewegung und motorischer Handlungsantrieb 730
25 Integrative Funktionen des Gehirns 732
Allgemeine Physiologie des zerebralen Kortex 732
Organisation des zerebralen Kortex 732
Kommunikation zwischen den Hemisphären 736
EEG, MEG und bildgebende Verfahren 739
Elektroenzephalogramm (EEG) 739
Magnetenzephalogramm (MEG) 744
Bildgebende Verfahren 744
Transkranielle Magnetstimulation (TMS) 746
Zirkadiane Rhythmen 747
Neurobiologie der Rhythmusgeber 747
Wachen und Schlafen 750
Die Schlafstadien 750
Neuronale Regulation der Schlafphasen 752
Funktion des Schlafs 755
Bewusstsein und Aufmerksamkeit 757
Neuronale Korrelate von Bewusstsein und Aufmerksamkeit 757
Lernen und Gedächtnis 761
Lernen 761
Informationsspeicherungim Gedächtnis 762
Neurobiologie des Gedächtnisses 764
Emotion undMotivation 770
Limbisches System 770
Neurobiologie der Furcht 772
MesokortikolimbischesBelohnungssystem 773
Sprache und Sprachverständnis 774
Sprachbildung 775
Elemente der Sprache 775
FunktionelleSprachregionen im Gehirn 775
Genetische Komponenten der Sprache 779
Entwicklung und Plastizität 779
Zelluläre und molekulare Entwicklung des ZNS 779
Hirnstoffwechsel 782
Sachverzeichnis 784
Wichtige Gleichungen und Gesetze (Forts.) 829
1 Grundlagen der Zellphysiologie
Fritz Markwardt
1.1 Der menschliche Organismus als offenes System mit innerem Milieu
Zusammenfassung
Zur Aufrechterhaltung der Körperfunktionen muss der Mensch ständig Stoffe mit der Umwelt austauschen. Die Stoffaufnahme dient der Versorgung des Körpers mit Energie und Stoffen, welche der Mensch selbst in ungenügendem Ausmaß herstellt. Die Ausscheidung dient der Entfernung von Stoffwechselendprodukten. Der Stoffaustausch zwischen den Körperzellen und der Umgebung verläuft über das Interstitium, welches die Körperzellen als inneres Milieu umgibt. Die gleichbleibenden Eigenschaften der interstitiellen Flüssigkeit (Homöostase) sorgen für konstante Betriebsbedingungen der Körperzellen.
Physikochemische Reaktionen und Kompartimentierung Ein wesentliches Merkmal des Lebens sind zielgerichtete physikochemische Prozesse. Diese setzen zeitlich und räumlich verschiedene Verteilungen von Energie und Stoffen voraus. Um diese unterschiedlichen Verteilungen zu gewährleisten, werden im Organismus sogenannte Kompartimente geschaffen, zwischen denen der Stoffaustausch eingeschränkt wird, d. h. Stoffflüsse nur in bestimmte Richtungen und im festgelegten Umfang stattfinden. Diese Kompartimente sind durch Membranen voneinander abgegrenzt. So bestehen Organismen aus Zellen, die durch ihre Zellmembran (Plasmamembran) nach außen begrenzt werden. Innerhalb der Zellen werden mittels Membranen weitere subzelluläre Kompartimente (Organellen) abgegrenzt.
Unterschiedliche Stoffkonzentrationen können räumlich und zeitlich begrenzt auch dadurch auftreten, dass physikochemische Reaktionen durch Aktivierung von Katalysatoren (Enzyme oder Ionenkanäle) Stoffe deutlich schneller erzeugen, abbauen oder transportieren als sie durch Diffusion innerhalb des Kompartiments verteilt werden.
Homöostase durch Stoffaustausch Die zielgerichteten physikochemischen Reaktionen laufen fern vom chemischen Gleichgewicht ab. Dadurch können sich prinzipiell die Konzentrationen der Ausgangsstoffe und Endprodukte verändern, was wiederum die Reaktionsgeschwindigkeiten bis zum Erliegen der Reaktion herabsetzen kann. Da dies die Zellfunktion beeinträchtigen würde, müssen die Zellen für eine weitgehende Konstanz der meisten ihrer Inhaltsstoffe sorgen. Einzeller im Urmeer konnten das, indem sie aus dem schier unerschöpflichen Reservoir des sie umgebenden Mediums Stoffe aufnahmen und ihre Stoffwechselendprodukte nach außen abgaben, wo diese schnell verdünnt wurden. Das heißt, dass die Zellen Teil eines offenen Systems waren, in dem physikochemische Reaktionen im Fließgleichgewicht möglich waren. Durch ständige Aufnahme der Ausgangsstoffe und Abgabe der Endprodukte entstanden also Fließgleichgewichte, bei denen die Konzentrationen der reagierenden Stoffe weitgehend konstant blieben. Dadurch, dass das Volumen des Urmeers viel größer als das Zellvolumen war, veränderten sich im Urmeer die Stoffkonzentrationen praktisch nicht.
Durch die Entwicklung von vielzelligen Organismen wie den Menschen, die das Festland besiedelten, veränderte sich diese Situation völlig. Die Körperzellen sind nach wie vor von einer dem Urmeer vergleichbaren Flüssigkeit, der interstitiellen Flüssigkeit, umgeben, mit welcher nun der Stoffaustausch erfolgt. Weil das Volumen der interstitiellen Flüssigkeit (Interstitium) deutlich kleiner als das der Zellen ist, besteht ständig die Gefahr, dass durch Aufnahme von Stoffen in die Zellen oder Abgabe von Stoffen in die interstitielle Flüssigkeit deren Zusammensetzung so verändert wird, dass die Körperzellen nicht mehr richtig funktionieren. Um dies zu verhindern, sind die Organismen bestrebt, durch Stoffaustausch mit der Umgebung die Eigenschaften der interstitiellen Flüssigkeit, das innere Milieu, konstant zu halten. Somit werden den Körperzellen (wie früher im Urmeer als äußerem Milieu) konstante Betriebsbedingungen geboten. Die interstitielle Flüssigkeit ersetzt also das Urmeer.
Die Konstanz des inneren Milieus (Homöostase) wird durch den Stoffaustausch des Interstitiums mit der Umgebung aufrechterhalten (▶ Abb. 1.1). Die Stoffaufnahme erfolgt im Wesentlichen durch den Verdauungstrakt sowie durch die Lunge (Sauerstoff, O2). Zur Abgabe von Stoffen sind die Lunge (Kohlenstoffdioxid, CO2), die Niere (wasserlösliche Stoffe), der Verdauungstrakt (wasser- und fettlösliche Stoffe) und die Haut (Wasser und Salze) befähigt. Den Transport der Stoffe von und zu diesen Organen übernimmt das Blut. Mit dem Blutplasma in den Blutgefäßen steht das Interstitium im Bereich der Blutkapillaren in engem Austausch. Dadurch ähneln sich die Zusammensetzung des Blutes und des Interstitiums (bis auf die Eiweiße) sehr stark. Blutplasma und Interstitium werden zusammen als Extrazellulärraum bezeichnet.
Abb. 1.1 Der menschliche Organismus als offenes System. Durch ständigen Stoffaustausch (rote Pfeile: Stoffaufnahme, blaue Pfeile: Stoffabgabe) zwischen den Körperzellen und dem Interstitium, dem Interstitium und dem Blut sowie dem Blut und der Umwelt über die zur Stoffaufnahme (Lunge und Verdauungstrakt) bzw. Stoffabgabe (übrige dargestellte Organe) befähigten Organe werden gleichbleibende Betriebsbedingungen für die Körperzellen erstellt.
Wärmeaustausch Außer dem Stoffaustausch erfolgt noch ein Austausch von Wärme zwischen den Körperzellen und dem Extrazellulärraum sowie zwischen Extrazellulärraum und Umgebung. Beim Abbau der organischen Substrate (z. B. Glucose, Eiweiße, Fette, ATP) wird nämlich nicht die gesamte freiwerdende chemische Energie auf synthetisierte neue Substrate übertragen. Vielmehr wird immer ein Teil der in den Ausgangsstoffen gespeicherten chemischen Energie in Form von Wärme frei. Diese Energie muss ständig an den Extrazellulärraum abgegeben werden, um die Temperatur der Körperzellen (besonders im Gehirn und Körperstamm) konstant zu halten. Dies ist notwendig, weil die Enzyme, welche die Zellfunktion steuern, ein Temperaturoptimum besitzen, das beim Menschen etwa bei 37 °C liegt. Vom Extrazellulärraum wird die Wärme dann überwiegend über die äußere Haut an die Umgebung abgegeben.
Informationsaustausch Der menschliche Organismus besteht aus Organen, die aus Geweben aufgebaut sind, welche wiederum aus spezifischen Zellen (und dem Interstitium) bestehen. Damit die Zellen dem Gesamtorganismus dienen können, muss ein Informationsaustausch zwischen ihnen erfolgen. Hierfür existiert ein hochkomplexes Netzwerk aus Botenstoffen und Rezeptoren, welche aneinander binden und damit Funktionsänderungen hervorrufen. Auch Änderungen der elektrischen Spannung über der Zellmembran (Membranpotenzial) können als Information benutzt und insbesondere von erregbaren Zellen (Nerven- und Muskelzellen) schnell weitergeleitet werden.
1.2 Regelung
Zusammenfassung
Die Homöostase (Konstanz des Interstitiums) garantiert optimale Betriebsbedingungen für die Körperzellen. Außer der chemischen Zusammensetzung des Interstitiums beinhaltet Homöostase auch die Temperatur und das Volumen des Extrazellulärraums. Für die Konstanz aller dieser Parameter sorgen Regelungsprozesse. Hierbei wird nach dem Prinzip der negativen Rückkopplung (Regelkreis) der Änderung eines konstant zu haltenden Parameters (Regelgröße) durch eine Störung (Störgröße) entgegengewirkt. Der Organismus übt hierzu über ein oder mehrere sogenannte Stellglieder einen entgegengesetzten Einfluss auf die Stellgröße aus, bis sie den Sollwert wieder erreicht hat.
1.2.1 Prinzip des Regelkreises
Das Prinzip der Regelung gilt natürlich nicht nur für den Zustand des Interstitiums. Vielmehr existiert eine Vielzahl von Regelgrößen, von der intrazellulären ATP-Konzentration über die Gelenkstellung bis hin zum Körpergewicht. Die prinzipielle Funktion eines Regelkreises ist in ▶ Abb. 1.2 am Beispiel der kurzfristigen Regulation des mittleren arteriellen Blutdruckes über Verstellung der Herzschlagfrequenz dargestellt (s. auch ▶ Abb. 1.3a).
Abb. 1.2 Prinzip eines Regelkreises. Beispiel der kurzfristigen Regulation des arteriellen Blutdruckes durch ...
| Erscheint lt. Verlag | 19.8.2015 |
|---|---|
| Co-Autor | Michael Gekle, Erhard Wischmeyer, Stefan Gründer, Marlen Petersen, Albrecht Schwab, Nikolaj Klöcker, Fritz Markwardt, Hugo Marti, Hans-Christian Pape |
| Verlagsort | Stuttgart |
| Sprache | deutsch |
| Themenwelt | Studium ► 1. Studienabschnitt (Vorklinik) ► Biochemie / Molekularbiologie |
| Studium ► 1. Studienabschnitt (Vorklinik) ► Physiologie | |
| Naturwissenschaften ► Biologie | |
| Schlagworte | Aktionspotenzial • Altern • Atmung • Biologie • Biologiestudium • Blut • Endokrines System • Energiehaushalt • ENERGI EHAUSHALT • Ernährung • Erregungsleitung • Fetus • Gehirn • Gehör • Herz • Herz-Kreislauf-System • Hören • Hormon • Humanmedizin • Immunsystem • Kreislauf • Medizinstudium • Membranpotential • Membranpotenzial • Mineralhaushalt • Muskulatur • Nervensystem • Nervenzelle • Neurophysiologie • Niere • Physiologie • Säure-Basen-Haushalt • Schwangerschaft • Sehen • Sexualfunktion • Signaltransduktion • Sinnesphysiologie • SINNESPHYSIOLO GIE • Tod • Transportprozesse • Vegetatives Nervensystem • Verdauung • Wasserhaushalt • Zellphysiologie |
| ISBN-10 | 3-13-154032-X / 313154032X |
| ISBN-13 | 978-3-13-154032-4 / 9783131540324 |
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