Humanphysiologie: Zellen, Stoffwechsel und Systemfunktionen

Physiologie

Physiologie: Wissenschaft, die die Funktionen, das Wesen und die Gesetze lebender Organismen untersucht. Sie arbeitet mit der wissenschaftlichen Methode und hat das Ziel, körperliche Vorgänge zu erklären, um ein verantwortungsbewusstes Leben zu fördern.

Zelle

Zelle: Grundeinheit des lebenden Körpers. Drei Naturaspekte: Vermehrung, Transport von Nährstoffen und das Unvermögen, ohne O2 zu leben (bei aeroben Zellen). Zellen entwickeln unterschiedliche Funktionen.

Stoffwechsel

Stoffwechsel: Summe der chemischen Reaktionen in unserem Körper. Aerob: Energiegewinnung mit O2. Anaerob: Energiegewinnung ohne O2.

Internes Umfeld

Internes Umfeld: Flüssigkeit, die die extrazellulären Kompartimente umgibt.

Zell-Homöostase

Zell-Homöostase: Aufrechterhaltung genauer und stabiler Bedingungen innerhalb der Zelle, damit lebenswichtige Funktionen ausgeführt werden können.

Systeme funktionaler Aufgaben des Körpers

• 1. Transport von extrazellulärer Flüssigkeit.
• 2. Sicherstellung der Nährstoffversorgung.
• 3. Eliminierung von Endprodukten.
• 4. Regulation der Körperfunktionen.
• 5. Reproduktion.

Osmose und osmotischer Druck

Osmose: Nettoverbreitung des Wassers durch eine halbdurchlässige Membran vom Ort geringerer gelöster Stoffdichte zum Ort höherer gelöster Stoffdichte.

Osmotischer Druck: Druck, der durch das Phänomen der Osmose erzeugt wird. Er ist proportional zur Anzahl der gelösten Teilchen in der Lösung.

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate: Biomoleküle mit großer Bedeutung in der Natur.

Funktionen

• 1. Energiequelle.
• 2. Bauelemente und Schutz.
• 3. Schmier- und Gleiteigenschaften (lubricantes).
• 4. Adhäsive Funktionen.
• 5. Bestimmen die Lokalisation intrazellulärer Signale.

Proteine

Proteine: Häufige Makromoleküle in lebenden Zellen. Aminosäuren (AA) verbinden sich in einer Vielfalt von Kombinationen (20 übliche Aminosäuren).

Funktionen von Proteinen

• 1. Enzyme.
• 2. Transport (z. B. Hämoglobin, Lipoproteine).
• 3. Nährstoffspeicherung und Reserven.
• 4. Mechanische Funktionen.
• 5. Strukturelle Funktionen.
• 6. Abwehr (Immunglobuline, Fibrinogen, Thrombin).
• 7. Regulation (hormonelle/Signalübertragung).

Allgemeine Struktur der Proteine

Primärstruktur: Aminosäuresequenz einer Polypeptidkette.

Sekundärstruktur: Lokale Faltungen (alpha-Helices und beta-Faltblätter), gebildet durch Wasserstoffbrücken und Wechselwirkungen zwischen den Aminosäuren.

Tertiärstruktur: Räumliche Konformation einer einzelnen Polypeptidkette, Ergebnis verschiedener Seitenkettenwechselwirkungen.

Quartärstruktur: Viele Proteine bestehen aus nur einer Polypeptidkette, andere aus mehreren Untereinheiten; die quartäre Struktur beschreibt die räumliche Beziehung zwischen diesen Ketten.

Enzyme

Enzyme erhöhen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Sie sind auf bestimmte Substrate spezialisiert. Für eine gegebene Reaktion sorgt das Enzym dafür, dass Substrate aufeinander treffen und zu Produkten reagieren. Nach der Reaktion kehrt das Enzym in seinen ursprünglichen Zustand zurück.

Eigenschaften:

• 1. Hohe katalytische Aktivität.
• 2. Wiederherstellung in den ursprünglichen Zustand nach dem katalytischen Zyklus.
• 3. Spezifität bezüglich Reaktionstyp und Substrat.
• 4. Keine dauerhafte Änderung der chemischen Natur des Enzyms.

Nukleotide

Nukleotide: Reiche, energiereiche Verbindungen, die am Stoffwechsel aller Zellen beteiligt sind.

Funktionen

• 1. Bausteine von Polymere: Nukleinsäuren (DNA, RNA), die genetische Information tragen.
• 2. Hauptchemische Energieträger: ATP.
• 3. Beteiligung an der Bildung von Enzymen.
• 4. Second Messenger (z. B. cAMP).

Eigenschaften von ATP

Bei Hydrolyse von ATP entsteht ADP. ATP ist zentrale Energiequelle, die durch Stoffwechselprozesse aus Nahrungsmitteln gebildet wird. ATP kann in ADP und anorganisches Phosphat (Pi) umgewandelt werden und liefert so freie Energie für zelluläre Vorgänge.

Proteinsynthese

Transkription: DNA → RNA. Die RNA-Polymerase liest die DNA und synthetisiert RNA.

Übersetzung (Translation): RNA → Protein. Die mRNA wird in Dreierkodons gelesen; tRNA bringt die entsprechenden Aminosäuren, und die Information wird zur Synthese der Aminosäuresequenz genutzt.

Translokation: Während der Translation rückt eine tRNA weiter, und eine andere tritt an ihre Stelle, jeweils mit der entsprechenden Aminosäure.

Aktionspotenzial

Aktionspotenzial: Kurzzeitige Änderung des Membranpotenzials entlang des Axons eines Neurons zur Informationsübertragung. Die Erregung hängt vom geordneten Öffnen und Schließen spannungsgesteuerter Na+- und K+-Kanäle ab. Wenn sich die Permeabilität stark ändert und die Schwelle erreicht wird, kommt es zur Depolarisation (vorrangig durch Na+-Einstrom) und danach zur Repolarisation (K+-Ausstrom).

Phasen des Aktionspotenzials

• 1. Ruhe: Spannungsabhängige Na+-Kanäle sind geschlossen.
• 2. Depolarisation: Na+-Kanäle öffnen sich, Na+ strömt ein.
• 3. Inaktivierung der Na+-Kanäle und Öffnung der K+-Kanäle, Membran repolarisiert.
• 4. Hyperpolarisation: K+-Kanäle bleiben kurz offen, Membran wird negativer als Ruhepotenzial.
• 5. Rückkehr zum Ruhepotenzial: K+-Kanäle schließen; die Membran kehrt zurück zur elektronegativen Ruhe durch K+-Konzentrationsgradient und Ionenpumpen.

Transport von Sauerstoff (O2)

Transport von O2: Jedes Häm des Hämoglobins (Hb) kann an ein O2-Molekül binden. Ein Hämoglobinmolekül (Tetramer) bindet bis zu 4 O2. Die chemische Bindungsstärke zwischen Hb und O2 ist variabel.

• 1. Hb sammelt O2 in den Alveolen und verteilt es an die Körperzellen, dank der variablen Bindungsaffinität.
• 2. Die meisten O2-Transporte werden durch Hb vermittelt und sind sehr effektiv.
• 3. In stark oxygenierten Bereichen ist die Bindung stärker.
• 4. Trotz großer Höhen oder Kälte bleibt die O2-Transporteigenschaft weitgehend wirksam.

Transport von Kohlendioxid (CO2)

Transport von CO2: Wenig CO2 wird an Hb gebunden. Etwa 7 % des CO2 werden im Plasma gelöst transportiert; 70 % werden als Bikarbonat im Blut transportiert; der Rest ist an Proteine gebunden. Wenn Hb O2 verliert, steigt die Fähigkeit, CO2 aufzunehmen (Haldane-Effekt). CO2 reagiert mit Wasser zu Kohlensäure, die in Bikarbonat und Protonen dissoziiert. In saurerem Milieu nimmt die Affinität von Hb zu O2 ab; Bikarbonat verbleibt größtenteils im Plasma.

Neuromuskuläre Übertragung

1. Wenn ein Motoneuron das Aktionspotenzial (AP) erreicht, öffnen sich spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle in der präsynaptischen Membran des Axonhügels.

2. Ca2+ fördert die Verschmelzung von Vesikeln mit Acetylcholin (ACh) und die Freisetzung von ACh in den synaptischen Spalt. Ca2+ wird anschließend wieder durch Pumpen entfernt.

3. ACh bindet an Rezeptoren in der postsynaptischen Membran (nikotinische ACh-Ionenkanäle), die Na+ und K+ passieren lassen; der Na+-Einstrom ist dabei meist dominant.

4. Der Na+-Einstrom erzeugt ein postsynaptisches Potential, das über das Plasmamembran- und T-Tubuli-System im Muskel weitergeleitet wird.

5. Acetylcholinesterase, die in der synaptischen Spaltmembran vorhanden ist, hydrolysiert ACh und trägt so zur Schließung der Kanäle bei.

6. Das AP breitet sich weiter über das Plasmolemma und die T-Tubuli aus.

7. Das AP wirkt auf die Dihydropyridin-Rezeptoren (DHPR) in der Membran der T-Tubuli.

8. DHPR aktiviert Ryanodin-Rezeptoren, die Calcium aus den terminalen cisternen des sarkoplasmatischen Retikulums in das Zytoplasma freisetzen.

Muskelkontraktion

9. Das freigesetzte Ca2+ bindet an Troponin C und erzeugt zwei wichtige Effekte: Hemmung durch Troponin I wird aufgehoben und ATPase-Aktivität wird ermöglicht; Troponin T verankert die Troponin-Komplexe und ermöglicht den Zugang der Myosin-Bindungsstellen am Aktin.

10. Die Myosinköpfe binden an die aktiven Zentren des Aktins (ohne ATP: starrer Zustand). Mit ATP trennen sich Myosin und Aktin wieder.

11. ATP wird durch die Myosin-ATPase zu ADP und Pi hydrolysiert; die Energie wird genutzt, um den Myosinkopf in eine „aufgeladene“ Konformation zu bringen.

12. Der Myosinkopf dreht sich auf seinem Scharnier relativ zur Aktin-Filamentebene.

13. Die Ausstoßung von Pi führt zur Kraftentwicklung und zur Verschiebung des Aktinfilaments (Powerstroke).

14. Nach dem Powerstroke löst sich ADP, und der Myosinkopf bleibt bis zur Bindung eines neuen ATP-Moleküls am Aktin gebunden.

15. Ca2+-Pumpen entfernen Ca2+ aus dem Sarkoplasma; Tropomyosin bedeckt wieder die aktiven Zentren am Aktin, und die Kontraktion endet.

Leber (Funktionen)

Leber: Erhält zwei Blutversorgungen: Leberarterie und Pfortader (enthält Nährstoffe aus dem Verdauungstrakt).

Funktionen:

• Gallenbildung: Galle wird in den Zwölffingerdarm abgegeben. Galle emulgiert Fette und erleichtert die Aufnahme von Triglyceriden.
• Beteiligung an der Verdauung und Fettaufnahme. Bilirubin-Ausscheidung und Ausscheidung von überschüssigem Cholesterin.

Stoffwechsel in der Leber

Kohlenhydrate: Speicherung, Wartung und Glukosestoffwechsel. Umwandlung von Galaktose und Fruktose zu Glukose (Gluconeogenese). Bildung und Abgabe von Glukose bei Bedarf.

Fette: Oxidation von Fettsäuren, Synthese von Lipoproteinen, Lipiden und Phospholipiden sowie Cholesterin.

Proteine: Desaminierung von Aminosäuren, Plasma-Proteinsynthese, Umwandlung von Aminosäuren in andere Substanzen.

Sonstiges: Speicherung von Vitaminen und Eisen, Aktivierung von Vitamin D, Umwandlung und Ausscheidung von Arzneimitteln, Phagozytose.

Nephron

Nephron: Funktionelle Einheit der Niere, die Harnbildung und osmotische Regulation ermöglicht.

Ausgebildet von:

• Glomerulär: Gefäßknäuel aus afferenten Arteriolen (glomeruläre Kapillaren) und Bowman-Kapsel.
• Tubulär: Proximaler Tubulus, Henle-Schleife, distaler Tubulus und Sammelrohr.
• Kortikale Nephrone: Kurze Henle-Schleifen, reich vaskularisiert, kurze proximale Abschnitte.
• Juxtamedulläre Nephrone: Lange Henle-Schleifen, spezielle Vaskularisierung mit Vasa recta.

Sexualhormone

Testosteron: Verursacht Sprachveränderungen, Akne, Muskelentwicklung, epiphysäre Veränderungen, erhöhten Grundumsatz usw. Es stimuliert die Proteinsynthese in verschiedenen Körperregionen.

Regulation (stimuliert): Erhöhte Glukose-, Fettsäure- und Aminosäurenverfügbarkeit; Hyperglykämie; Insulinresistenz.

Regulation (hemmt): Parasympathische Stimulation und andere hemmende Einflüsse. Zu den hemmenden Faktoren zählen Glukoseabfall, Fasten, Katecholamine und sympathische Stimulation.

Blutzucker-Regulierung

Blutzucker: Normale stabile Werte liegen etwa bei 80–90 mg/dl. Nach dem Essen kann der Wert auf 120–140 mg/dl steigen; nach ~2 Stunden sollten verlässliche Werte zurückkehren. Die Leber senkt den Blutzuckerspiegel bei Bedarf und gibt Glukose ab, wenn er sinkt.

Insulin

Insulin: Hormon, das die Aufnahme gelöster Nährstoffe fördert. Insulinmangel führt zu Diabetes. Insulin fördert die Glukoseaufnahme in Leber und Muskel und die Speicherung als Glykogen.

Effekte:

• Kurzfristig: Erhöht Transportkapazitäten für Glukose und andere Substrate.
• Mittel-/langfristig: Stimuliert die Proteinsynthese (u. a. über RNA und Enzyme), mobilisiert Aminosäuren in der Leber, erhöht Glykogensynthese.

Schilddrüse

Schilddrüse (Thyroidea): Wirkt auf viele Gewebe (Gehirnzellen, Testes, Milz, Uterus, Hypophyse u. a.) und beschleunigt Körperreaktionen. Die Hormone werden von Tyrosin abgeleitet; Jod spielt eine wichtige strukturelle Rolle. Follikel speichern Schilddrüsenhormon. T4 macht ~97 % der Sekretion aus, T3 ~3 % (peripher wird T4 zu aktivem T3 deiodiert).

Wachstumshormon

Wachstumshormon (GH): Zwei Hauptwirkungen:

• Stimulation des Wachstums: Vergrößerung der Zellgröße und Zellzahl, Förderung des Knorpelwachstums.
• Metabolische Wirkung: Erhöht Proteinsynthese, verstärkt Transkription und Translation, hemmt den Abbau von Proteinen und fördert die Bereitstellung von Aminosäuren für das Wachstum.

Urin

Verdünnter Urin: Tritt bei starker Hydratation auf. Die Niere scheidet verdünnten Urin aus, um den Flüssigkeitsüberschuss zu eliminieren. Bei vermindertem ADH (Antidiuretisches Hormon) wird weniger Wasser rückresorbiert, die Osmolarität des Urins nimmt ab.

Konzentrierter Urin: ADH macht Zellmembranen im Sammelrohr durchlässig für Wasser; Wasser wird rückresorbiert, wodurch die Osmolarität steigt. Das hyperosmolare Mark (medulla) fördert die Rückresorption von Na+; im Gegensatz dazu sind manche Tubulusabschnitte für Wasser weitgehend undurchlässig. Vasa recta und Harnstofftrapping tragen zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gradienten bei und ermöglichen Wasserreabsorption.

Glomeruläre Filtrationsrate

Beide Nieren filtern zusammen etwa 125 ml/min (GFR). Kleine Moleküle passieren leichter die Filterbarriere. Von der filtrierten Flüssigkeit werden ca. 99 % wieder rückresorbiert; das ausgeschiedene Volumen beträgt ungefähr 1,5 Liter/Tag.