VL Stoffwechsel, Bewegungs-
und Leistungsphysiologie (Galler)
1) Zellen und Energie
2) Ernährung
3) Verdauung
4) Fette – Arteriosklerose
5) Atmung
6) Gastransport im Blut
7) Herz
8) Kreislauf
9) Niere
10) Hormone
Inhalt
© S. Galler, Salzburg
Arbeitsunterlagen im Blackboard/Course Documents zum Runterladen:
• Skriptum (PPT-Präsentation)
• Fragen zur Wiederholung
• Aufgaben zur Vertiefung
• Internet-Links zur Ergänzung
1) Zellen und Energie
Wie kommen Zellen zu ihrer Energie?
Die meisten zellulären Prozesse sind angetrieben
durch den Energieträger ATP (Adenosintriphosphat);Streng genommen handelt es sich um MgATP.
ATP entsteht durch
die „Verbrennung“ der Nährstoffe
Kohlenhydrate (Zucker), Fette und Eiweiß
© S. Galler, Salzburg
3
2 Möglichkeiten der Nährstoffverbrennung
(ATP-Produktion):
• Aerober Weg (Endoxidation
mittels Sauerstoff)- Fette
- Proteine
- Kohlenhydrate
• Anaerober Weg (ohne
Sauerstoff, Gärung zu
Milchsäure)- Kohlenhydrate
Der Sauerstoff kommt über die
Blutbahn zu den
Zellen und wird über die Lunge
in den Körper
aufgenommen.2
(nur aerob) (aerob u. anaerob) (nur aerob)
© S. Galler, VU Stoffwechsel
Anaerober Stoffwechselweg: Glykolyse
A) Glukose-Bereitstellung:
• Aufnahme von Glukose aus dem Blut in die Zellen
erleichterte Diffusion (Carrier: GLUT1... GLUT4).
GLUT4-Einbau in die Zellmembranen
von Muskelzellen gesteuert
durch Insulin und Muskelaktivität
• Spaltung von Glykogen
insb. bei hoher Muskelleistung(Glykogen ist die Speicherform
von Glukose innerhalb der Zellen)
© S. Galler, Salzburg
Auf dem Weg zum Pyruvat kommt es zu einer sog.
Substratphosphorylierung (direkte Phosphorylierung von ADP
durch die Ankopplung an eine spontane Reaktion mit großer Triebkraft):
Phosphoenolpyruvat (PEP) + ADP Pyruvat + ATP
B) Glukose-Abbau:
• Phosphorylierung
• Spaltung 2x 3-er-Zucker
• Abbau bis Pyruvat
© S. Galler, Salzburg
• Pyruvat wird in Abwesenheit von Sauerstoff zu
Laktat umgewandelt (Milchsäuregärung,
anaerobe Glykolyse)
• Laktat wird aus den Zellen in die Blutbahn
transportiert
• Laktat wird in anderen Zellen weiter abgebaut,
die über genügend Sauerstoff verfügen (Herz,
langsame Skelettmuskelfasern) langsamer Prozess
Die Glykolyse ist eine sehr schnelle Reaktion.
Sie kann in kurzer Zeit sehr viel ATP bereitstellen.
Wegen der Laktat-Bildung (Hemmstoff) kann sie
aber nur kurzfristig eingesetzt werden.
Siehe Aufgabe 1-3© S. Galler, Salzburg
Aerober Stoffwechsel
Zitronensäurezyklus (in den Mitochondrien)
Endprodukte: NADH, CO2
• Acetyl-CoA,
entsteht aus Pyruvat + Coenzym A
oder aus Fettsäure-Abbau
(C2-Stücke, Acetylreste)
• Aminosäuren
Desaminierung führt zu Pyruvat
oder intermediären
Zitronensäurezyklus-Metaboliten
Ausgangsstoffe:
Siehe Aufgabe 4© S. Galler, Salzburg
Der Acetylrest des Acetyl-CoA
wird schrittweise zu CO2 abgebaut.
Produkte des Zitronensäurecyklus:
• GDP GTP (Phosphorylierung)
• NAD+(bzw. FAD) NADH (bzw. FADH2) (Reduktion).
Weiterverwertung der Produkte:
• Aus GTP kann ATP entstehen
• NADH und FADH2 sind Energieträger
(energiereiche Elektronen), die bei der
oxidativen Phosphorylierung
an der inneren Mitoch.membran
durch Sauerstoff oxidiert werden
ATP-Entstehung
Details
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Oxidative Phosphorylierung(= Elektronentransportkette, Mitochondrienatmung)
• Schrittweise Oxidation von
NADH und FADH2 (Wasserstoff-, H-Träger, energiereiche Elektronen)
• Oxidation von H (Wasserstoff) letztlich durch O2 H2O
• Dabei wird H+ (Protonen) nach außen gepumpt
H+- Gradient an innerer Mitochondrienmembran
• Rückfluss von H+ treibt
ATP-bildendes Enzym an
(ADP + Pi ATP)
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Energiehaushalt der Muskulatur
Muskelarbeit: Verwertung der ATP-Energie
Etwa 25-30% der ATP-Energie wird in
mechanische Energie umgewandelt (Wirkungsgrad);
der Rest geht als Wärme „verloren“.
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2. Glykolyse (anaerobe Glukoseverbrennung zu
Laktat), schnell, geringe Ausbeute
3. Aerobe Fett- und Glukoseverbrennung, langsam,
hohe Ausbeute
Für die Regeneration von ATP gibt es mehrere
Möglichkeiten:
1. Rephosphorylierung durch Creatinphosphat (CP)
(ADP + CP ATP + Creatin; Kreatinkinase);
sehr schnell
Siehe Aufgabe 5© S. Galler, Salzburg
Energiedepots im Körper:
• energiereiche Phosphate (etwa 5 mM ATP und 20 mM CP
in den Muskelzellen)
„ständig“ vorhanden; ausreichend für 6-15 s
Höchstleistung
• Kohlehydrate (v.a. Glykogen der Muskelzellen)
ausreichend für ca. 1,5 Stunden intensiver Leistung
• Fette (Hauptenergiespeicher) vor allem unter der
Haut gelagert
ausreichend für tagelange Ausdauerleistungen
geringer Intensität
Bei einem 75 kg schweren athletischen Mann stehen zur Verfügung:
4 kJ ATP, 15 kJ CP, 4600 kJ Glykogen, 300.000 kJ Fett
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An
teil
der
En
erg
ied
ep
ots
(%
)
1. maximale Leistung: bis ca. 20 s;
ATP-Vorrat nach wenigen maximalen
Kontraktionen erschöpft (2-3 s), danach
Rephosphorylierung von ADP durch CP
2. Hohe Leistung: bis ca. 1 min;
anaerobe Glykolyse
(Lactatproduktion mit H+-Anhäufung!)
Prozesse laufen teilweise parallel ab:
- ATP-Spaltung (und CP-Verbrauch) selbstverständlich andauernd.
- Anaerobe Glykolyse auch während Ausdauerleistungen! Sie ist über die
Laktatkonzentration im Blut meßbar.
- Höhere Leistungsintensität erfordert mehr Glykolyseaktivität; daher
höhere Laktatwerte
Leistung und Energiebereitstellung
3. Grundumsatz bis mittlere Leistung:
ab 1 min; v.a. aerober Stoffwechsel,
Verwertung von Glukose, Glykogen und Fett
Siehe Aufgabe 6© S. Galler, Salzburg
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Fettabbau durch körperliche Leistung
Entscheidend ist eine negative Energiebilanz
(Bilanz = Differenz zwischen Energieaufnahme und -verbrauch)
Energieverbrauch > Energiezufuhr.
Körperliche Betätigung mit niedriger Intensität muss
einige Stunden pro Tag andauern, um
signifikant auf Energiebilanz und
Fettabbau zu wirken.
Beispiel:
Zügiges Spazierengehen: 8.4 kJ pro min zusätzlich zum Grundumsatz;
3std. Spaziergang 1505 kJ = 40 g Fett
Also für 1 kg Fettabbau: 25 mal 3 Stunden zügig Spazierengehen!© S. Galler, VU Stoffwechsel
Aus mehreren Gründen am besten geeignet ist
regelmäßiges Ausdauertraining (körperlich aktive
Personen sind gesünder).
Die Dauer der körperlichen Bewegung ist wichtig!
Die Art der Körperleistung ist sekundär: auch wenn
während der Körperleistung hauptsächlich Glykogen
verbrannt wird, kommt es DANACH zu Fettabbau,
um die Glykogenspeicher wieder aufzufüllen.
© S. Galler, VU Stoffwechsel
Grenzen der Ausdauerleistung
Die körperliche Ausdauer wird in erster Linie durch
die maximale O2-Aufnahme (VO2max) der
Muskulatur (maximales Transportvermögen von O2 aus der Luft
in die Muskulatur) bestimmt.
Die VO2max ist abhängig von
• der O2-Zufuhr durch die Atmung (geringfügig trainierbar),
• dem O2-Transport durch das Herz-Kreislaufsystem
(stark trainierbar, Herzvergrößerung, verbesserte Kapillarisierung
der Muskulatur),
• der O2-Verwertung in den Muskelzellen
(Zunahme des aeroben Stoffwechsels, Vermehrung der Mitochondrien).
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Anforderungen an die Nahrung:
1) genügend Energie
2) ausreichend essentielle Stoffe (best. Aminosäuren,
best. Fettsäuren und Vitamine, Mineralstoffe, Spurenelemente, Wasser)
3) Toxische Grenzwerte dürfen nicht überschritten
werden (kritisch bei Vitaminen, Salzen, Spurenelementen)
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Gesunde Ernährung:
• angepasste Energieaufnahme über Kohlenhydrate, Fette
und Proteine
• adäquate Zufuhr von essentiellen AS und Fettsäuren
2) Ernährung
Energiebedarf abhängig von:
• körperlicher Aktivität
• Alter (Greise haben langsameren Stoffwechsel)
• Körpergewicht
• Geschlecht
• Wachstumsphasen,
• Schwangerschaft
• Stillperiode (Produktion von Körpermasse)
Täglicher Energiebedarf eines
70 kg schweren Mannes: 8.400 KJ
Bei Frauen etwa 20% geringer,
weil Muskelmasse kleiner
und Fettanteil höher(Ausnahme Schwangerschaft und Stillperiode).
Grund-Energiebedarffür Aufrechterhaltung der Körperfunktionen in Ruhe:
© S. Galler, Salzburg(1 kcal = 4.18 kJ)
Körperliche Arbeit
zusätzlicher Energiebedarf:
Kein Lebensmittel enthält alle
Nährstoffe in der optimalen Menge
und Zusammensetzung (Ausnahme Muttermilch für Babys).
Daher ist abwechslungsreiche
Ernährung wichtig.
Das Essverhalten wird zusätzlich von
Stress, Rauchen oder Alkoholkonsum
beeinflusst.
• leichte Arbeit im Sitzen: 1.700 kJ
• Bergarbeiter: 10.500 kJ
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In Wachstumsphasen erhöhter Energiebedarf!
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Energie der Nahrung
Eiweißbedarf:
• 1 g/kg Körpergewicht und Tag
• Um Zufuhr an essentiellen
AS zu sichern, soll die Hälfte
davon tierisches Eiweiß sein (Fleisch, Fisch, Milch, Eier)
[Veganer brauchen umso mehr
pflanzliches Eiweiß]
Drei Grundnahrungsstoffe: Fette, Eiweiß, Kohlenhydrate
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Physiologischer Haupt-Energielieferant:
Kohlenhydrate und Fette
• Fettanteil: ≤ 25% der Gesamtenergie empfehlenswert
• Kohlenhydrate können Fette ersetzen
Ausnahme: fettlösliche Vitamine und essentielle
(ungesättigte) Fettsäuren (zB Linolsäure).
• Fette tragen kaum zu Sättigungs- und Füllegefühlen bei.
Daher Gefahr der Übersättigung (Achtung, versteckte Fette!)
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Versteckte Fette
Fettsucht (Adipositas)
• Risikofaktor für Herz-
Kreislauferkrankungen,
nur beim androiden Typ
• Nötige waist to hip ratio:[Taille] [Hüfte]
Frauen < 0.8
Männern < 1
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Mineralstoffe:
• Na+, K+(jede Nahrung) [Blut, Zellinneres]
• Kalzium (0.8 g/Tag nötig) [Knochen, Zähne]
• Magnesium [z.B. für MgATP]
• Eisen (10 mg/Tag, bei
Frauen 15 mg/Tag) [Hämoglobin]
• Jod (0.15 mg/Tag) [Schilddrüsenhormon]
Spurenelemente (<50mg/kg)
Al, Br, Cr, Cu, Mn, Mo, Zn, Se
Vitamine: A, B1-12, C, D2-3,
E, H, K1-2, Folsäure,
Niacinamid, Pantothensäure
(meist als Koenzyme wirksam)
[Vit.C nur bei Primaten und Meerschweinchen essentiell] © S. Galler, Salzburg
Vitamin C ist nur bei Primaten und
Meerschweinchen ein essentieller Stoff. Andere
Tiere können Vitamin C selber herstellen.
Was ist beiden gemeinsam?
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Die Zufuhr an Mineralstoffen
und Vitaminen ist ein
Problem der absoluten Größen!Vorsicht bei Verpackungsangaben!
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1250 mg / 100 g 50 mg / 100 g
Absolute Größe ist wichtig:
Wieviel Gramm pro Kilogramm Körpergewicht
wird in den Körper aufgenommen?
Vitamin C = Askorbinsäure
Siehe Aufgabe 7 und 8
Aus: M. Steinschaden Medizinische Physiologie
Energiegehalt der Nahrungsstoffe(physikalischer und physiologischer Brennwert)
Werden die Nahrungsstoffe vollkommen abgebaut,
entspricht die dabei erzeugte Wärme ihrem
Energiegehalt (physikalischer Brennwert).
Fette und Kohlenhydrate werden im Organismus
vollkommen zu H2O und CO2 abgebaut. Deswegen wird
ihr gesamter Energiegehalt (Brennwert) ausgenützt.
d.h. physiologischer Brennwert = physikalischer Brennwert)
Fette: 38.9 kJ/g
Kohlenhydrate: 17.2 kJ/g
Eiweiß wird nur bis zur Stufe des Harnstoffs abgebaut.
Statt 23.9 kJ/g (physikalischer Brennwert) liefern sie
daher nur 17.2 kJ/g.© S. Galler, Salzburg
© S. Galler, Salzburg
• Mund: Mechanische
Zerkleinerung, Vermischung
mit Speichel
• Magen: Zumischung von
Magensaft
• Zwölffingerdarm (Duodenum):
Zumischung von Galle und
Pankreassaft
Übersicht
Body:
Saliva (Schüttung der Speicheldrüsen)
Esophagus (Peristaltik der Speiseröhre)
Stomach (Speise tritt in den Magen)
Body view Übersicht Speise vom Mund in den Magen)
Head:
Liquid (Gaumensegel und Kehlkopfdeckel beim Schlucken)
Back (Schließen des Kehlkopfdeckels)
Head, Video 3 (Schlucken und Peristaltik in Röntgenaufnahme)
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3) Verdauung siehe CD „swallowing“
Installation notwendig
weiterer Aufschluss der Nahrungsstoffe,
Absorption der Spaltprodukte, Vitamine
und Mineralstoffe. Eindickung des
Speisebreis durch Wasserentzug.
• Rektum des Dickdarms: Speichern der
Fäzes bis zur nächsten Darmentleerung
Im gesamten Verdauungstrakt gibt es
hochwirksame Abwehrsysteme, um den
Körper vor zerstörerischen Keimen
zu schützen.
• Leber: Bildung der Galle für die
Fettverdauung
• Jejunum und Ileum des Dünndarms,
sowie Zäkum und Kolon des Dickdarms:
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Speichel
Schleimstoffe (Muzine) machen den Bissen schlüpfrig
und damit schluckfähig.
Viele Nahrungsbestandteile werden im Speichel
gelöst wichtig für Mundverdauung und das
Wirksamwerden von Geschmacksreizen
Viel Bicarbonat vorhanden pH 7-8. Das begünstigt
den Abbau von Stärke über die Amylase.
Rhodanid-Ionen und Fluorid fördern die Abwehr
Die Speichelproduktion hängt vom Wassergehalt des
Körpers ab. Bei Wassermangel werden Mund und
Rachen trocken Durst© S. Galler, Salzburg
Speichelproduktion in speziellen Drüsen
Filtrierung von Blut
Sekretion von K+, Jod und
Bicarbonat (aus Carboanhydrase-Reaktion)
Rückresorption von Na+
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Magen
Anatomie: Kardia, Fundus, Korpus, Antrum, Pylorus
Aus: Moyes/Schulte Tierphysiologie
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Die Schleimhaut (Mukosa) des Magens enthält
sog. Nebenzellen, im Fundus und Korpus zusätzlich
Hauptzellen und Belegzellen.
Diese produzieren den Magensaft:
Hauptzellen v.a. Pepsine
Belegzellen HCl
Nebenzellen Schleim
Hauptaufgabe:
Schutz der
Magenschleimhaut
vor dem Magensaft
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• Im Magen-Zentrum pH 1.8 – pH 4 (aufgrund der Verdünnung durch den Speisebrei)
aktiver Transport gegen riesiges Gefälle;
H+ und Cl- aus den Belegzellen
ins Mageninnere gepumpt
pH-Wert des Magensafts
• Nahe der Magenwand pH 1 (0.1M HCl; daher bleiben die Pepsine
inaktiv u. greifen die Magenwand nicht an)
• pH-Optimum der Pepsine pH 2-4
Vorteile des sauren Milieus:
• niedriger pH-Wert wirkt
denaturierend und bakterizid
HCl-Produktion:
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Dünndarm
Die Bauchspeicheldrüse
(Pankreas) bildet täglich
etwa 2 l Pankreassaft für
das Duodenum.
Inhalt: Verdauungsenzyme
und Bicarbonat.
Steuerung:
Die Schüttung des
Pankreassafts erfolgt über
das Hormon Sekretin, die Schüttung der Galle über
das Hormon Cholezystochinin.
Der Nervus vagus (Parasympatikus) regt allgemein die
Verdauung an © S. Galler, Salzburg
Fette und niedrigen
pH-Wert im Speisebrei
des Duodenums.
Das Bicarbonat des
Pankreassaftes
neutralisiert den aus
dem Magen
kommenden sauren
Speisebrei.
Hormonfreisetzung
gesteuert durch:
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Verdauungsenzyme im Pankreassaft:
Proteinverdauung: Trypsinogen
Chymotrypsinogen
Procarboxypeptidase
(spaltet AS vom Carboxylende her ab)
Fettverdauung: Pankreaslipase
Kohlenhydratverdauung: alpha-Amylase
Maltase
Saccharase
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Procarboxypeptidase, Trypsinogen u Chymotrypsinogen
sind inaktive Vorstufen.
Aktivierung erst im Darm über
Enterokinase bzw. Trypsin:
Aus: Moyes/Schulte Tierphysiologie © S. Galler, Salzburg
Resorption im Darm
• Verdaute Nährstoffe werden im Darm resorbiert und ins Blut
(oder teilweise Lymphe) übertragen
• Resorption begünstigt über Oberflächenvergrößerung der
Darminnenwand durch
- Ringfalten
- Darmzotten (Villi)
- Mikrovilli
Aus: Moyes/Schulte
Tierphysiologie
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Spezifische Na+-Kotransportsysteme:
• aus dem Darmlumen in die Mukosazellen
• von dort in die Blutbahn.
Aminosäuren-Resorption
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Kohlehydratverdauung:
• Beginnt bereits im Mund (Amylase)
• Fortsetzung im Dünndarm (alpha-Amylase des Pankreassafts)
• zusätzlich Maltasen,
Laktasen und
Saccharasen
• Absorption in Form
von Monosacchariden(z.B. Glukose)
• Bergauf-Transport in
die Mukosazellen
über Na+-Kotransport© S. Galler, Salzburg
4) Fette
Verdauung durch verschiedene Lipasen des
Pankreassafts. Ort: Lumen des Dünndarms
(v.a. Jejunum).
• Triglyceride
Monoglyceride,
freie Fettsäuren,
Glyzerin
• Cholesterinester
Cholesterin, freie
Fettsäuren
Allgemeines Problem:
Fette lösen sich nicht in Wasser© S. Galler, Salzburg
Um Lipide (Fette) in
Wasser zu „lösen“
ist Mizellen-Bildung
notwendig.
Dazu braucht es die
Gallensalze.
Mizelle: 3-6 nm große Klumpen,
• innen apolare Lipide (Triglyzeride, Cholesterinester,
fettlösliche Vitamine)
• am Rand amphiphile Stoffe (Gallensalze
freie Fettsäuren, Phospholipide, Monoglyzeride)
Amphiphil = hydrophiler und lipophiler Molekülteil
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Gallensaft:
• Die Leber produziert 0.6 l Galle pro Tag
• in der Gallenblase zwischengelagert
• Cholezystokinin (Hormon) steuert die Freischüttung
von Galle aus der Gallenblase (ausgeschüttet, wenn
Nahrungsbrei ins Duodenum gelangt)
• Gallensalze (amphiphile Stoffe, werden erst im Ileum resorbiert und
gelangen über die Pfortader zurück zur Leber).
• Ausscheidungsprodukte (z.B. Bilirubin aus dem Abbau
der Erythrozyten)
Inhalt des Gallensaftes:
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Der Körper besitzt etwa 5-6 g Gallensalze, die
4-12 mal pro Tag den Kreislauf (Galle-Dünndarm-
Pfortader-Leber-Galle) passieren.
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49
Die Lipide der Mizellen werden in der Membran der Zellen der
Darmschleimhaut (Mukosa) gelöst. Durch Abschnürung von
Teilen der Zellmembran gelangen sie ins Zellinnere.
Die Gallensalze
der Mizellen
werden nicht
in die Zellen
aufgenommen
erneute
Mizellenbildung
bzw. Absorption
im Ileum und
Rücktransport in
die Leber.
© S. Galler, Salzburg
Die Lipide werden in den Mukosazellen an zytosolische
Proteine gebunden und ins ER transportiert.
Hier Resynthese zu
Triglyzeriden und
Cholesterinestern.
Bau von Chylomikr.
und HDL-Vorstufen.
Freisetzung in die
Lymphe Blut
Kapillaren
Lipoproteinlipase
in Kapillarwänden
Lipidaufnahme in
Fettzellen.© S. Galler, Salzburg
Cholesterin ist Rohstoff für Membranen, Gallensalze
und Steroidhormone.
Hauptstoffwechselwege des Cholesterins
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Cholesterin in der Zellmembran (Versteifung der Zellmembran)(intrazelluläre Membranen enthalten kein Cholesterin!)
© S. Galler, Salzburg
Fette im Blut
• Albumingebundene Fettsäuren
• Lipoproteine
Lipoproteine
„Fett-Tröpfchen“ bestehend aus:
• Kern aus hydrophoben Lipiden (Triglyceride + Cholesterinester)
• Schale aus amphiphilen
Lipiden (Phospholipide + Cholesterin)
• assoziierte sog. Apoproteine (oft Aktivatoren von Lipoproteinlipasen)
Man spricht von „high density“ (HDL) und „low density“-Lipoproteinen (LDL)[„density“ bezieht sich auf den Gehalt an Apoproteinen]
© S. Galler, Salzburg
Darm• Aufnahme verdauter Fette
• Aufbau von Chylomikronen
und Abgabe in die Lymphe
Chylomikronen:
75 – 500 nm, enthalten
neben Apoproteinen
exogene Triglyceride
und etwas Cholesterin
Lymphe • Chylomikronentransport ins Blut
Blut-
Kapillaren,
Endothel
• Hydrolyse von Triglyceriden der
Chylomikronen durch Lipoprotein-
lipase
• Aufnahme der entstehenden
Monoglyceride und freien Fett-
säuren (FS) in Muskel- und Fettzellen
• Remnants (Chylomikronenreste)
bleiben übrig
• Transport von remnants in die Leber
Lipoproteinlipase:
Enzym an der
Oberfläche von
Endothel-, Leber-
und Fettgewebezellen,
Spaltung von
Triglyceriden der
Lipoproteine
Kompartiment Prozess Begriffserklärung
LDL – Stoffwechsel („schlechtes Cholesterin“)
© S. Galler, Salzburg
Leber
• Aufnahme der remnants in Leberzellen
• Abbau in Lysosomen
• Überführung von Cholesterin in den
Gallensaft – teilweise unverändert,
teilweise als Gallensalze
• Aufbau von VLDL v.a. aus Triglyceriden
des Leberstoffwechsels und Nahrungs-
cholesterin
• Abgabe von VLDL in den Blutkreislauf
VLDL:Very low density lipoprotein
30 – 70 nm,
enthält neben
Apoproteinen
endogene
Triglyceride
und Cholesterin
Blutkreislauf,
Kapillaren,
Endothel
• Lipoproteinlipase spaltet
Triglyceride der VLDL
• Aufnahme der Produkte in
Muskel- und Fettzellen
• Die geschrumpften VLDL heißen
LDL (sehr cholesterinreich)
• Wanderung von LDL durchs
Endothel ins Interstitium des
dahinter liegenden Parenchyms
LDL:Low density lipoprotein
„schlechtes Cholesterin“
17 – 25 nm,
enthält neben
Apoproteinen fast
ausschließlich
Cholesterin
Remnants:
50 – 100 nm,
enthalten v.a.
Cholesterin
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Parenchym-
zellen
peripherer
Körper-
gewebe[Parenchymzellen
spezifische Zellen eines
Organs, die dessen
Funktion bedingen]
• Anbindung von LDL an LDL-
Rezeptoren der Parenchymzellen
• Aufnahme von LDL-Rezeptor-
Komplexen in Parenchymzellen
• Hydrolyse der Cholesterinester durch
lysosomale Cholesterin-Esterase
• Verwendung von Cholesterin für
- Einbau in extrazelluläre Membranen
- Produktion von Steroidhormonen
- Produktion von Gallensalzen
Krankheitsgefahr bei LDL-Überschuss
im Blut:
LDL reichert sich hinter den
Endothelien der Blutgefäße an und
bewirkt Arteriosklerose.
© S. Galler, Salzburg
• Bildung von HDL-Vorläufern und
Abgabe ins Blut
• Abbau von HDL
• Überführung von Cholesterin in den
Gallensaft
Hauptfunktion von HDL:
Transport von Cholesterin zur Leber (für
Ausscheidung). Dadurch Schutz vor
Arteriosklerose
Leber- und
Darmepithel
Blutkreislauf,
Kapillaren
• Heranreifen von HDL im Blut durch
Aufnahme von
- Apoproteinen und Cholesterin aus
Chylomikronen-Abbau
- Lezithin aus Zellmembran-Abbau
• Weiterverwertung in der Leber
Leber
HDL:High density lipoprotein
„gutes Cholesterin“
2 – 10 nm,
enthält neben
Apoproteinen v.a.
Cholesterin und
Phospholipide
HDL – Stoffwechsel („gutes Cholesterin“)
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Darm
Lymphe
Blutkreislauf,
Kapillaren
Chylomikronen
Chylomikronen
Lipoproteinlipase:
• Chylomikronen remnants
durch Triglyzerid-Abbau in freie
FS, Monoglyzeride
Leber
remnants
Cholesterin
Galle
• Abbau der remnants in
Lysosomen Cholesterin
VLDL
Parenchymzellen
peripherer
Körpergewebe
Fett- und
Muskelzellen
Freie FS,
Monoglyz.
LDL
Zusammenfassung: Fette im Blut
Cholesterin und
Apoproteine
HDL-Vorläufer
HDL
• Abbau von HDL
Cholesterin
• Aufbau von VLDL v.a. aus
Cholesterin und
endogenen Triglyzeriden• VLDL LDL
durch Triglyzerid-Abbau
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Arteriosklerose
Risikoberechnung unter: http://www.chd-taskforce.de/index_d.htm
• LDL entsteht an der Oberfläche des Endothels und wandert in die
dahinter liegenden Gewebe ein, wo es verwertet wird
• LDL-Überschuß führt zu Anreicherung von LDL hinter der Endothel-
schicht der Arterien (Intima)
• LDL der Intima wird chemisch verändert (Oxidation, Glykosilierung)
Normalfall:
Pathologisch:
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• Die Endothelzellen werten dies als Gefahr und locken Immunzellen an
• Die Entzündungsreaktionen führen zu Plaque-Bildungen (kollagen-
umhüllte Zellaggregate). In der Folge kommt es zu Elastizitäts-
verlust und Verkalkung der Arterienwände
© S. Galler, Salzburg
• Dadurch kommt es zur Bildung von Thromben (Blutpfropf),
die Verstopfungen von Blutgefäßen verursachen können
• O2-Unterversorgung im Herzen Herzinfarkt
im Gehirn Schlaganfall
Bild aus Spektrum dW Juli 2002
• Plaques können aufbrechen; in ihrem Inneren kann die Blutgerinnung
ausgelöst werden
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Risikofaktoren für Herzinfarkt bzw. Schlaganfall
• Alter
• Hoher LDL-Spiegel
• Rauchen (Oxidierung von LDL!)
• Zu niedriger HDL-Spiegel
• Hoher Blutdruck
• Diabetes mellitus (Glykosilierung von LDL!)
• Zu hoher Triglyzerid-Spiegel
• Familiäre Belastung
Vorsorgemaßnahmen:
• Regelmäßige Bewegung
• Gesunde Ernährung
• Ggf. Gewichtsreduktion
Eigene Risikoberechnung:http://www.chd-taskforce.de/index_d.htm
Antioxidanzien (Vit. E, Grüner Tee) verringern die LDL-Oxidation
Ballaststoffe verringern den CholesterinspiegelWasserlösliche Ballaststoffe binden an die Gallensalze und verhindert deren Resorption.
Für die Bildung neuer Gallensalze verbraucht der Körper dann Cholesterin aus dem Blut
Siehe Aufgabe 9 - 16© S. Galler, Salzburg
5) Atmung
Gasaustausch für Stoffwechsel notwendig
• Aufnahme von O2 für Oxidation in den Mitochondrien
(Atmungskette, Energiegewinnung aus Nährstoffen)
• Abgabe des Oxidationsprodukts CO2 (hauptsächlich
aus Citratzyklus)
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• Luft beim Einatmen 21% O2 bei Ausatmen 17% CO2
64
Lunge: Spezialisiertes Gewebe für Gasaustausch
• riesige Oberfläche (Größe
eines Tennisplatzes) wegen der
ca. 300 Millionen
60-200 µm großen
Lungenbläschen,
den Alveolen
• Blut-Luft-Barriere an den
Alveolen hauchdünn
(0.2-1.7 µm).
© S. Galler, Salzburg
Durchblutung der Lungenbläschen
Alveolenquerschnitt
Gastransport:
• Ventilation über große Strecken(Atembewegungen
Umwälzung von Luft bis
dicht an die Alveolarwände)
• Diffusion über die Alveolarwand
(Konzentrationsunterschied
der Gase O2 und CO2 über der Alveolarwand
als treibende Kraft
Problem:
Fremdpartikel der Luft (Mikroorganismen, Staub, etc.)
Schutz durch Cilien-tragende Flimmerepithelien in
den Atemwegen: Makrophagen-Tätigkeit,
Schleimtransport (Husten, Schlucken).
In Alveolen nur spezifische Makrophagen (kein
Flimmerepithel).
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© S. Galler, Salzburg
Atmungs-Mechanik
Einatmung:
Erweiterung des Brustraums
durch
• Senkung des Zwerchfelles
• Bewegung der Rippen (durch die äußeren Rippenmuskeln).
Die Lunge wird dabei angesaugt und vergrößert.
Sie ist mit dem umhüllenden Brustkorb über einen
dünnen (wenige µm) Flüssigkeitsspalt verbunden. © S. Galler, Salzburg
Ausatmung: meist passiv (aufgrund der Lungenelastizität),
kann aber durch die Bauchmuskeln und die internen
Rippenmuskeln verstärkt werden.
Animation „Respiration“ (siehe Filme-Ordner): In den drei Hauptmenüs jeweils die „Loops“ laufen lassen,
teilweise naiv und belustigend. Fehlermeldung beim Start durch Abbrechen ignorieren“
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Elastizität der Lunge
In der Ruhelage ist die Lunge wegen ihrer Elastizität
zusammengezogen Oberflächenkräfte (und elastische
Fasern) im Lungengewebe.
Oberflächenkräfte:
Auf der Alveolen-Wandung liegt eine dünne
Flüssigkeitsschicht (Hypophase). Die Anziehungskräfte
zwischen den Wassermolekülen (Kohäsion) versuchen
die Oberfläche der Flüssigkeit möglichst klein zu halten (Oberflächenspannung).
Der Brustkorb könnte die Lunge niemals ausdehnen,
wenn die Oberflächenkräfte nicht durch sog.
Surfactants herabgesetzt wären.© S. Galler, Salzburg
Die kleineren haben einen höheren „Innendruck“.
Anmerkung: Der Faktor 4 (statt 2) im Laplace-Gesetz ergibt sich durch die Beiträge der inneren und äußeren Oberfläche der
Blasen.
Das Kollabieren der Alveolen wird durch die
Surfactants verhindert, da sie die Oberflächen-
spannung v.a. der Kleineren herabsetzen.
Ohne Surfactans wären außerdem die Alveolen instabil:
Die Kleinen würden die Großen aufblasen, gemäß dem
Laplace-Gesetz:
In großen Alveolen verteilen sich die Surfactants auf
eine größere Fläche. © S. Galler, Salzburg
Surfactants (Surface Active Agent)
Produktion und Abgabe von Surfactant
erfolgt durch spezialisierte
Alveolarzellen (Pneumocyten Typ II)
Bestandteile:
Zu ca. 90% aus Phospholipiden
• Phosphatidylglycerol
• Phosphatidylcholin ( -Lecithin),
daneben noch spezielle Proteine und
Kohlenhydrate
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Transport- und
Speicherform der
Surfactants:
Lamellenkörperchen (gestapelte Surfactant-Pakete)
werden aus
Typ II-Pneumozyten
über Exozytose in die
Hypophase
ausgeschleust
sog. Tubuläres Myelin
Entstehung einer
monomolekularen
Schicht auf der
Hypophase.
Wärme- und Wasserhaushalt bei der Atmung
Gasaustausch ist zwangsläufig gekoppelt mit Wasser-
und Wärmeverlust.
Zwei Mechanismen verringern diesen Verlust:
1. Die Versenkung der respiratorischen Fläche tief ins
Körperinnere
2. Regulation über die Schleimhäute der oberen
Atemwege, insb. die Muscheln im Nasenraum.
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Einatmen: Die Luft ist kälter und
trockener als die Muscheln
Befeuchtung, Erwärmung.
Ausatmen: Die Luft ist wärmer
und feuchter als die Muscheln
Abkühlung und gleichzeitige
Wasserkondensation, weil
kältere Luft weniger Feuchtigkeit
halten kann.
Auf diese Weise wird vom Körper Wärme und Wasser
zu einem gewissen Grad zurückgehalten.
Funktion der Nasen-Muscheln
Steuerung der Atemtätigkeit
Atemzentrum in der Medulla oblongata entsendet
rhythmisch Signale an die Muskeln in Thorax und
Zwerchfell.
Diese Anpassung erfolgt über sensorische Eingänge
auf das Atemzentrum.
Größere Körperarbeit erfordert erhöhte Ventilation
aufgrund höheren Energiestoffwechsels.
Grundrhythmus:
Modulation:
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Sensorische Eingänge:
1. Dehnungsrezeptoren in
den Lungen (Begrenzung der
Amplitude der Atemzüge;
sog. Hering-Breuer-Reflex)
2. Chemische Kontrolle:
O2-, CO2- und H+-
Gehalt des Blutes wird
gemessen über
Chemorezeptoren in der
Arteria carotis(Glomus caroticum)
und im Aortenbogen (Glomera aortica).
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Gesteigerte Atmung bei:
• Anstieg des arteriellen CO2-Partialdrucks
• Abfall des arteriellen O2-Partialdrucks
• Abfall des arteriellen pH-Werts unter 7.4
• Abfall des pH-Wertes in der Extrazellulärflüssigkeit
des Hirnstamms
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6) Gastransport im Blut
Aufgaben des Blutes:
• O2-Transport von der Lunge zu den Geweben
• CO2-Transport von den Geweben zur Lunge
• Nährstoff-Transport (Darm Leber Gewebe)
• Transport von Abfallstoffen (Gewebe Niere)
• Immunabwehr etc.
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O2-Transport
Gase lösen sich in Wasser abhängig von ihrem
Partialdruck und der spezifischen Löslichkeit.
O2 löst sich in Blut
Hämoglobin erhöht die O2-Löslichkeit etwa 70fach,
da es O2 bindet.
[Andere O2-Träger (Atmungspigmente) im Tierreich: Hämocyanin
bei Mollusken und Arthropoden. Kupferhaltig, bei O2-Beladung
blaue Farbe]
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Hämoglobin (in den roten Blutzellen)
Proteinkomplex
aus 4 Untereinheiten (2 -Ketten, 2 -Ketten)
mit jeweils
1 Hämgruppe (Fe2+-Porphyrinring).
Oxyhämoglobin: O2-tragendes Hämoglobin, hellrot.
Desoxyhämoglobin: O2-freies Hämoglobin, bläulich-
dunkelrot.© S. Galler, Salzburg
Der Prozeß der O2-Beladung (-Entladung) wird
Oxygenierung (Desoxygenierung) bezeichnet. (Unterschied zu Oxidation!)
Jede Hämgruppe
kann 1 O2 binden.
Ist 1 Häm besetzt, bindet die
benachbarte Häm-Gruppe
den O2 stärker (bis hin zur vierten)
kooperatives Verhalten
sigmoide O2-Sättigungskurve.[Wer hat, dem wird gegeben…]
CO (geruchloses Gas) bindet an Hämoglobin ca. 200
mal stärker als O2 Tod infolge von O2-Mangel.© S. Galler, Salzburg
Atmungspigmente sind
nur wirksam, wenn ihre
O2-Bindung reversibel ist.
Das heißt, sie müssen
den O2 wieder abgeben
können:
Lunge: hoher O2-Druck
Hämoglobin lädt O2 auf.
Kapillaren: O2-Druck
kleiner O2 dissoziiert
von Hämoglobin ab.
© S. Galler, Salzburg
Modulation der O2-Affinität erhöht die Effektivität
von Hämoglobin:
Saurer pH-Wert vermindert,
alkalischer pH-Wert
erhöht die O2-Bindekraft
(Bohr-Effekt)
Kapillaren des Gewebes:
Relativ saurer pH-Wert
aufgrund der im Gewebe
produzierten Säuren
O2-Dissoziation erleichtert
Lungenkapillaren:
Relativ alkalischer pH-Wert aufgrund von
CO2-Abdiffusion O2-Bindung favorisiert© S. Galler, Salzburg
Ein Mangel an 2,3-Diphosphoglycerat
(Intermediärprodukt der Glykolyse) in den roten
Blutkörperchen führt zu abnorm hoher O2-Affinität
des Hämoglobins. Physiologische Rolle???
Myoglobin
O2-Träger und Speicher in
den langsamen Skelett-
muskelfasern und im Herz-
muskel (Mitochondrien-reich).
Hämoglobin-ähnlich, aber
monomer, eine einzige
Hämgruppe mit etwa
6-fach höherer O2-Affinität
Rote Farbe daher sind
die langsamen Skelett-
muskeln und der Herzmuskel rot.© S. Galler, Salzburg
CO2-Transport
Entstehungsort von CO2: v.a. Citrat/Krebszyklus.
langsam schnell
CO2 + H2O H2CO3 (Kohlensäure) HCO3- + H+
Langsame Reaktion, daher bleibt CO2 gasförmig
gelöst und diffundiert bis in die roten
Blutzellen.
© S. Galler, Salzburg
In den roten Blutzellen:
• Hier H2CO3 -Bildung durch
Carboanhydrase. HCO3- wird
gegen Cl- über die Zell-
-membran ausgetauscht
(HCO3-/Cl--Transporter)
H+ wird v.a. vom Histidin
des Hämoglobin abgefangen.
• Bildung von Carbamino-
Verbindungen v.a. mit
Arginin- und Lysin-Resten
des Hämoglobin.
Hb-NH2 + CO2 H+ + Hb-NHCOO-
(Carbaminoverbindung)
In der Lunge diffundiert CO2 aus dem Blut ab.
Alle Reaktionen laufen rückwärts. © S. Galler, Salzburg
Bei der O2-Beladung in der Lunge wird die
H+-Abgabe begünstigt
(H+ + HCO3- H2O + CO2, Abdiffusion)
Haldane-Effekt:
Durch die H2CO3-Bindung (in den roten Blutzellen)
fällt H+ an. Hämoglobin fungiert als H+-Puffer.
Die H+-Bindekraft von Hämoglobin ist abhängig von
seiner O2-Beladung.
O2-beladenes Hämoglobin bindet H+ weniger fest als
O2-freies Hämoglobin
günstig, weil Hämoglobin nach der O2-Entladung
in den Kapillaren zusätzliche H+-Ionen aufnehmen
kann, die im Gewebe anfallen
© S. Galler, Salzburg
H+
H+
H+
H+
Hb
Hb
O2
O2
Begünstigung der
O2-Freisetzung bei
Ansäuerung
(Bohr-Effekt)
Begünstigung der
H+-Freisetzung bei
hohem O2-Druck
(Haldane-Effekt)
Bindung von O2 und H+ an Hämoglobin (Hb)
© S. Galler, Salzburg
Säure-Basen-Gleichgewicht
Der zelluläre Stoffwechsel führt zu Säureproduktion:
1. Mitochondriale Atmung führt zu CO2 (Kohlensäure)
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-
2. Anaerobe Glykolyse führt zur Bildung von
Milchsäure.
3. Der Abbau von Proteinen führt zu Phosphorsäure
und Schwefelsäure.
Weitere Säure-Zufuhr ergibt sich durch die
Nahrungsaufnahme. © S. Galler, Salzburg
91
H+-Anhäufung drastische Folgen möglich:
• Änderung von Membraneigenschaften
• Änderungen von Protein-Konformationen
• Verlust von Enzymaktivitäten
H+-Ausscheidung nötig
Flüchtige Säuren (CO2)
werden über die Lunge
ausgeschieden. Nichtflüchtige
Säuren (v.a. Schwefelsäure,
Phosphorsäure) über die Niere.
Zeitaufwendiger Prozess.
Kurzfristige H+-Schwankungen
werden gepuffert.
Prinzip der Pufferung:
H+-Beseitigung durch H+-Bindung
an schwache Säuren (A-):
k+
A- + H+ HA
k-
Meist stellt sich rasch ein Gleichgewicht
dieser Reaktion ein:
kein Netto-Stoffumsatz mehr
Stoffumsatz in die Vorwärtsrichtung = Stoffumsatz
in die Rückwärtsrichtung © S. Galler, Salzburg
Stoffumsatz in Vorwärtsrichtung: [A-] * [H+] * k+
Stoffumsatz in Rückwärtsrichtung: [HA] * k-
Gleichgewicht: [A-] * [H+] * k+ = [HA] * k-
k+ [HA]
K = --- = -------------
k- [A-] * [H]
Logarithmierte Form: pH = log K – log [HA]/[A-]
(Henderson-Hasselbalch-Gleichung)
K........ Gleichgewichtskonstante
= Assoziationskonstante = Stabilitätskonstante =
1/Dissoziationskonstante.
Maß für die „Bindekraft“ (Affinität) des Puffers.
Großes K hohe Bindekraft.
k+
A- + H+ HA
k-
© S. Galler, Salzburg
Veranschaulichung von K:
Ist [HA] = [A-] (Halbbesetzung des Puffers), dann
ergibt sich pH = log K
Log K entspricht also dem pH-Wert bei
Halbbesetzung des Puffers.
Effizienz der Pufferung:
• Bindekraft im relevanten Bereich
Gegeben bei pH-Werten zwischen log K ± 1
• genügend hohe Pufferkonzentration
k+ [HA]
K = --- = -------------
k- [A-] * [H]
© S. Galler, Salzburg
Biologische Puffer
Intrazellulär: Phosphat, Proteine (Imidazolring des
Histidins)
Extrazellulär: Proteine, teilweise Bicarbonat
© S. Galler, Salzburg
Ammoniak oder Lactat besitzen im physiologischen
Bereich keine Pufferkapazität, da sie entweder
vollkommen H+-besetzt (NH4+, Ammonium) oder
vollkommen H+-frei (Lactat) vorliegen:
Die H+-Bindekraft von Ammonium ist zu
hoch, um H+ abgeben zu können; die H+-Bindekraft
von Lactat ist zu klein, um H+ aufnehmen zu können.
© S. Galler, Salzburg
Proteine
Die Enden der AS-Kette der Proteine tragen nicht zur
Pufferung bei:
-COOH log K ca. 3
-NH2 log K ca. 9.
Wichtig für die Pufferung ist v.a. der Imidazolring
des Histidins (log K etwa 6.9) (z.B. in Hämoglobin)
Bicarbonat
Bicarbonat = Hydrogencarbonat = HCO3-
HCO3- + H+
H2CO3 CO2 + H2O
log K = 6.1 bei 37 °C. Trotzdem für die physiologische
Pufferung bedeutsam, weil die Pufferkonzentration
ziemlich hoch ist (24 mM) und über die Lunge
verändert werden kann. Gleichgewicht wird „gezogen“!© S. Galler, Salzburg
Diffundiert CO2 über die Lunge ab, dann wird weiteres
H+ an HCO3- gebunden, um das chemische
Gleichgewicht erneut herzustellen. Auf diese Weise
wird die H+-Pufferkapazität in gewissem Sinn
„erhöht“. [So können „fremde“ H+-Ionen abgefangen
werden, aber nicht solche, die durch die
CO2-Produktion selber entstehen.]© S. Galler, Salzburg
Gesamt-Pufferkapazität des Blutes: 48 mM H+-
Bindestellen. Dieser Wert ist ziemlich konstant.
Denn wenn CO2 gebildet wird, dann nimmt die
Konzentration an HCO3- in gleicher Weise zu wie die
Konzentration von H+-Bindeplätzen (infolge der H+-
Bindung) abnimmt.
Normal-pH-Wert des Blutes:
pH 7.37 – pH 7.43
(Spanne von 15% der H+-Konzentration)
Darunter: Acidose
Darüber: Alkalose
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Ursachen für Säure/Base-Störung:
• gestörte Atmung
(respiratorische Acidose bzw. Alkalose)
• Stoffwechselstörungen
(metabolische Acidose bzw. Alkalose)
• Renale Funktionsstörung
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Intrazelluläre pH-Regulation
Gefahr der intrazellulären Ansäuerung infolge von:
• negativem Membranpotential (H+ wird in die Zelle
hineingezogen)
• intrazelluläre H+-Bildung (CO2 und Lactat)
Gegenmaßnahmen:
• Intrazellulärraum Pufferung (Phosphat, Proteine).
• Stetiger H+-Transport nach außen v.a. über
Na+/H+- oder Na+/H+/HCO3-/Cl-
Cotransportsysteme. Der Na+-Gradient liefert die
Energie [Der Na+-Gradient wird über die ATP-abhängige Na+/K+-Pumpe
aufrechterhalten].
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Die Austauschsysteme sind elektroneutral (keine
Netto-Ladungsverschiebung). Der Transport von
1 HCO3- in die Zelle entspricht dem Beseitigen von
1 H+; denn jedes zusätzliche HCO3--Ion bindet
1 H+ Bildung von H2O und CO2. CO2 diffundiert
über die Zellmembran ab.
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7) Herz
Nach vorne gerichteter Blutstrom
durch Herzklappen gewährleistet
(passive Elemente).
Öffnen: Druck hinten größer
als vorne p(1) > p(2)
Schließen: Druck hinten
kleiner als vorne p(1) < p(2)
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Pumpmechanismus:
Kontraktion der Herzwand
(isometrische Anspannung)
Drucksteigerung
Öffnen der vorderen Klappen
isotonische Kontraktion
Auswurf
Erschlaffung des Herzmuskels
Schließen der vorderen und
Öffnen der hinteren Klappen
Füllung
© S. Galler, Salzburg
Atrium = Herz-Vorhof
Ventrikel = Herz-Kammer
Vene = Gefäß, das zum Herzen hinführt
Arterie = Gefäß, das vom Herzen wegführt
Atrioventrikularklappen
(zw. Atrium und Ventrikel)
Aortenklappen
(zw. Ventrikel und Aorta)
Blutfluss:
Venen Atrium Ventrikel Arterien (Aorta)
Atrium und Ventrikel sind jeweils zweigeteilt.
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Lungenkreislauf rechtes Atrium
rechter Ventrikel
Lungenarterie
O2-Beladung in
Lungenkapillaren
Lungenvene
linkes Atrium
Körperkreislauf linkes Atrium
linker Ventrikel
Aorta
O2-Entladung
in den Körperkapillaren
venöses System
Körper-Hohlvene
rechtes Atrium
• Diastole (Entspannungs- und Füllungsphase)
• Systole (Anspannungs- und Austreibungsphase)
Diastole:
Arbeitszellen des Herzens schlaff
Druck in Ventrikel niedriger als in Aorta und Atrien
Aortenklappen geschlossen, AV-Klappen offen
Blutfluss von Venen in Atrien und Ventrikel (Füllung)
Herzaktion
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Systole:
• Atrien-Kontraktion
weiterer Blutfluss in die Ventrikel
• Ventrikel-Kontraktion (isometrisch)
Druckanstieg
Schließen der AV-Klappen
Öffnen der Aorten-Klappen,
wenn Aortendruck überschritten
Isotonische Kontraktion
Blutauswurf in Aorta bzw.
Lungenarterie.
• Ventrikel-Erschlaffung Diastole.
Rechtes Herz: Druck kleiner, aber Transportvolumen
gleich
Elektrische Signale am Herzen
Das menschliche Herz ist myogen.
[Myogen: (Vertebraten und Mollusken):
Erregung entsteht im Herzen
Neurogen: (z.B. Arthropoden): Erregung
über Nerven vom ZNS herangeleitet]
2 Zelltypen:
1. Arbeitszellen: dichte Packung von Myofibrillen,
gap junctions zwischen den Zellen.
2. Erregungszellen (Zellen der Erregungsbildung und -fortleitung):
„glasig“, nur wenige Myofibrillen. © S. Galler, Salzburg
Frank-Starling-Mechanismus
Erhöhte Blutfüllung führt zu vergrößerter Herzkraft:
Erhöhung des Dehnungszustandes der Herzmuskel-
zellen mehr Kraft, weil die Ca2+-Empfindlichkeit der
Myofibrillen zunimmt.
Kraft-Ca2+-Beziehung von Myofibrillenbündeln aus dem Herzen.
Zunahme der Ca2+-Sensitivität bei Dehnung.
„Automatische“ Anpassung der Herzleistung an
die physiologischen Erfordernisse (Herz-Automatie)
EKG (Elektrokardiogramm)
Elektrische Spannungsänderungen an der Körperober-
fläche meßbar.
Einthoven Eindeutige Zuordnung mit Vorgängen
im Herzen (Nobelpreis 1924)
AP-Fronten über das Herz
(insb. Arbeitszellen)
außen am Herzen messbar
Weil Körper guter Elektrolyt
Spannungsänderungen auch
am gesamten Körper messbar.
Wichtig: Ableitungen immer am selben Ort des
Körpers (standardisierte Ableitungen)© S. Galler, Salzburg
EKG Ableitung (Arm gegen Arm; Erdung am Bein):
Bezeichnungen P, Q, R, S, T rein willkürlich
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EKG-Abschnitte
P-Welle: Erregungsausbreitung in Vorhöfen
QRS-Komplex: Erregungsausbreitung an Ventrikeln
T-Welle: Rückbildung der Erregung des Ventrikels
Praktische Anwendung:
Immense Bedeutung für Herzdiagnostik
vollkommen harmlose Untersuchung, trotzdem
umfassende Beobachtung der Vorgänge im Herzen
möglich
Beispiel: O2-Armut manifestiert sich in T-Wellen-
Umkehr.
© S. Galler, Salzburg
8) Kreislauf
Blutstrom pro Minute: 4-6 l in Ruhe
[Plasma = Blut ohne Blutzellen]
[Serum = Plasma ohne gerinnungsaktive Proteine wie Fibrinogen].
Strömungstypen:
1.Laminare Strömung:
Teilchen fließen in parallelen
Schichten, ihre Geschwindig-
keit nimmt von der Gefäßwand
zur Mitte hin zu.
Fast im gesamten Blut-
kreislauf vorherrschend.
Wenig Reibungswiderstand.© S. Galler, Salzburg
2. Pulsierende laminare Strömung;
laminar, aber Gefäßwand dehnt sich bei jeder
Systole; in großen Arterien.
3. Turbulente Strömung,
Wirbelbildung ( Geräusche); Großer Reibungswiderstand.
z.B. verursacht durch Öffnen und Schließen der
Herzklappen Klopftöne des Herzens.
Blutkreislauf ist Röhrensystem, in dem kein (kaum) Blut
verloren geht.
Daher Strömungsgesetze der Physik gültig:
Druckdifferenz
Stromstärke (Durchfluss pro Zeit) = ---------------------- ( Ohm-Gesetz)
Widerstand
© S. Galler, Salzburg
Große Stromstärke bei:
• großer Druckdifferenz
• kleinem Widerstand
Druckdifferenz wird durch Herzaktivität verursacht.
Druck in Aorta: 100 mmHg dickwandig
Druck in Hohlvene: 3 mmHg dünnwandig
Widerstand: innere Reibung der strömenden
Flüssigkeit und Reibung an den Gefäßwänden.
Druckdifferenz
Stromstärke (Durchfluss pro Zeit) = ---------------------- ( Ohm-Gesetz)
Widerstand
© S. Galler, Salzburg
Der Druck fällt im
Gefäßsystem entsprechend
dem jeweiligen Widerstand
ab. Größter Abfall in den
Arteriolen.
Druckverlauf im Kreislaufsystem
© S. Galler, Salzburg
Schwankung zwischen Maximum (systolischer Wert,
z.B. 120 mmHg) und Minimum (diastolischer Wert, z.B. 80 mmHg).
Pulsationen durch Elastizität der großen Arterien
abgefangen; daher hinterher im Kreislauf nicht mehr
vorhanden.
Druck-Pulsationen
in großen Arterien aufgrund der Systolen und
Diastolen des Herzens.
Der „Puls“
© S. Galler, Salzburg
Blutdruckmessung:
Prinzip: Quetschen einer Arterie laminare Strömung
wird turbulent Geräusche
1. Mit Druckmanschette die Arteria brachialis
vollkommen verschließen.
2. Druck verringern bis Klopfgeräusche im Stethoskop
hörbar werden pulsartige turbulente Blutströmung
(systolischer Blutdruck)
3. Druck weiter verringern bis die Klopfgeräusche
verschwinden wieder laminarer (lautloser)
Blutstrom
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© S. Galler, Salzburg
Fließgeschwindigkeit v.a. abhängig vom
Gesamtquerschnitt des jeweiligen Kreislaufabschnitts.
kleiner Gesamtquerschnitt große Geschwindigkeit
Größte Geschwindigkeit
in der Aorta,
kleinste Geschwindigkeit
in den Kapillaren für
Stoffaustausch zwischen
Blut und Gewebe sehr
wichtig.
Blutfluss© S. Galler, Salzburg
Organ-Durchblutung
Unterschiedliche
Organdurchblutung
in Ruhe und bei
körperlicher Arbeit
gesteuert durch
den Widerstand der
Gefäße im jeweiligen
Organ.
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Druckdifferenz
Stromstärke (Durchfluss pro Zeit) = ---------------------
Widerstand
Gefäßerweiterung (Vasodilatation, verursacht durch
die glatten Muskeln der Gefäßwände) führt zu
Widerstandsverringerung
sehr sensitiv, Widerstand proportional zu r4 !!!
8 l
Widerstand R = ---- --- (Hagen-Poiseuille)
r4
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Stoffaustausch in den Kapillaren
Voraussetzung für Stoffaustausch:
• dünnwandige Gefäße
• langsamer Blutfluss
in Kapillaren und postkapillären
Venolen der Fall.
Art des Stoffaustausches:
• Abgabe von Stoffwechselsubstraten (O2, Nährstoffe etc.)
und Hormonen ins Gewebe,
• Aufnahme von Stoffwechsel-Endprodukten (CO2,
Harnstoff etc.) ins Blut.© S. Galler, Salzburg
126
Art des Transports:
• gut lipidlösliche Stoffe wie O2 und CO2 freie
Diffusion. Endothelzellen sind kein Hindernis.
• Wasserlösliche Stoffe Poren im Endothel: viele
kleine (2-5 nm, Interzellularfugen)
und wenige große Poren
(20-80 nm, Fenestrationen).
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Verhinderung von Wasseraustritt aus den Kapillaren
Dem Blutdruck steht der osmotische (Saug-)Druck
v.a. der Proteine entgegen.
Trotzdem geringer Wasseraustritt Sammlung im
Lymphsystem große Hohlvene Blutbahn.
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9) Niere
Hauptfunktionen:
• Kontrolle der Salz- und Wasserausscheidung
(und damit der Osmolarität des Blutes und der
Extrazellulärflüssigkeit)
• Ausscheidung von Endprodukten des Stoffwechsels
Die funktionelle Einheit der Niere ist das Nephron (1.2 Millionen pro Niere)
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Anatomie des Nephrons:
Malpighische Körperchen bestehend aus Glomerulus
(Kapillargeäder) und Bowman´scher Kapsel (Auffanggefäß für das filtrierte Blut)
proximaler Tubulus, Henlesche Schleife, Distaler
Tubulus, Sammelrohr. Die Sammelrohre vereinigen
sich und führen über den Harnleiter zur Harnblase.
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Funktion des Nephrons:
Am Glomerulus wird das Blut filtriert Primärharn.
Stoffe <1.8 nm gehen durch. Proteine
und Blutzellen bleiben zurück. Der Primärharn wird
im Verlauf des Nephrons noch drastisch modifiziert:
• Resorption von H2O, Na+, Cl-, K+, Ca2+, Glucose,
Aminosäuren, Vitamine usw.
• aktive Sekretion von körpereigenen Stoffwechsel-
produkten wie Harnsäure, Sulfate etc. und körper-
fremde Substanzen (z.B. Penicillin, Giftstoffe; diese
werden in der Leber mit einem Marker versehen, damit sie in der Niere
als körperfremd erkannt werden).
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Na+-Resorption:
• Na+-Einstrom vom
Tubulus-Lumen in
die Epithelzellen
gemäß dem
elektrochemischen
Gradienten.
• Aktiver Na+-Transport durch die Na+/K+-Pumpe
auf der gegenüberliegenden (basolateralen)
Membran vom Zellinnern in den Extrazellulärraum
Blut
• Viele andere Stoffe werden über Na+-Kotransport
resorbiert.© S. Galler, Salzburg
H2O-Resorption:
passive Wanderung aufgrund des osmotischen
Gefälles, das durch die Resorption von Na+ und
HCO3- zustande kommt.
• Primärharn: ca. 150 l/Tag
• Endharn: ca. 1,5 l/Tag
solvent drag: gelöste Stoffe werden mit dem
Wasserfluss mitgerissen.
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10) Hormone
Endokrin = in das Blut absondernd
Hormon = Wirkstoff, der im Blut verteilt wird
Es gibt zwei Systeme zur Koordinierung der Organfunktionen:
• Nervensystem: wirkt rasch, kurzfristig und gezielt lokal
• Endokrines System: wirkt langsam, länger andauernd und eher auf größere Bereiche
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Funktionsprinzip des endokrinen Systems:
• Drüse schüttet Hormone ins Blut
• Verteilung im gesamten Körper
• Wirkung über spezifische Hormonrezeptoren an untergeordneten Hormondrüsen oder direkt an Zielzellen
Das endokrine System regelt vor allem:
• die Ernährung
• den Stoffwechsel
• Wachstum und Entwicklung
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• die Fortpflanzung
• die Leistungsanpassung
• die Homöostase
Hypothalamus:Bindeglied zwischen Nervensystem und Hormonsystem.
Neuronale Reize, die vom Sinnessystem beeinflusst werden,werden in neuroendokrinenZellen in hormonale Signaleumgewandelt.
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Hormonklassen
Einteilung nach chemischer Natur:
1. Peptidhormone, 3-191 AS, (z.B. FSH, LH)
2. Steroidhormone (z.B. Kortisol, Testosteron)
3. Tyrosin-Derivate (z.B. Schilddrüsenhormone, Katecholamine)
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Steroidhormone und Thyroxin im Plasma an Transportproteine gebunden wegen Lipophilie.
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Hormonrezeptoren
• hohe Spezifität, da viele verschiedene Hormone im Blut zirkulieren
• hohe Affinität, wegen sehr kleinenHormonkonzentrationen: 10-8M - 10-12M
Lokalisation der Rezeptoren:
• An der Zellmembran: bei hydrophilen Hormonen (Peptidhormone, Katecholamine); Ausbildung von second messengers im Zytoplasma (z.B. cAMP, cGMP, IP3). Wirkung im Zytoplasma, teilweise auch auf Genexpression/Kern
• Im Zellinnern: bei lipophilen Hormonen, die die Zellmembran passieren (Steroid-und Schilddrüsenhormone), Wirkung auf Genexpression
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Ein und dasselbe Hormon kann über verschiedene Rezeptoren unterschiedlich wirken:
z.B. Adrenorezeptoren in Glatten Muskeln:
-Rezeptoren (v.a. in Gefäßen der Haut) IP3 Ca2+-Freisetzung Kontraktion Vasokonstriktion Verminderung der Durchblutung.β2-Rezeptoren (v.a. in Koronararterien) cAMP steigt Proteinkinase A Stimulation der SR-Ca2+-Pumpe Relaxation Vasodilatation Durchblutungssteigerung
[β1-Rezeptoren an Erregungs/Arbeitszellen Steigerung von Herzkraft und –frequenzBetablocker senken Frequenz längere Diastolen bessere Durchblutung]
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Prinzipielle Hormonwirkungen:
1. Konformationsänderungen an Enzymen Änderung der Enzymaktivität
2. Hemmung oder Förderung der Enzymsynthese
3. Änderung der Substratbereitstellung für die enzymatischen Reaktionen, etwa durch Änderung der Zellmembrandurchlässigkeit
Primäre Hormondrüse: Hypophyse (mit Hinter- und Vorderlappen)
(= Anhang des Hypothalamus)
• Hinterlappen (Neurohypophyse): Direkte Sekretion hypothalamischer Neurone in denKörperkreislauf des Blutes ADH (Adiuretin; Rückgewinnung von
Wasser aus Primärharn) und Oxytozin (Wehen, Milchejektion)© S. Galler, Salzburg
Vorderlappen (Adenohypophyse):Freisetzung von releasing Hormonen (RH) und inhibitingHormonen (IH) in ein Pfortadersystem, das den gesamten Vorderlappen durchströmt.Die Zellen des Vorderlappenswerden über second messengers zur Bildung von Hormonen angeregt, die in den Körperkreislauf des Blutes gelangen.
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• STH (Somatotropin; steuert das Skelettwachstum)
• ACTH (Adrenokortikotropes Hormon; wirkt auf die Nebennierenrinde)
• TSH (Schilddrüsen-stimulierendes Hormon, Thyroid-stimulating hormon)
• FSH (Follikelstimulierendes Hormon; wirkt auf die Eierstöcke bzw. Hoden)
• Prolaktin (wirkt auf die Brustdrüse)
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Sekundäre Hormondrüsen
Nebennierenrinde: gesteuert über ACTH des Hypophysenvorderlappens; Bildungsort wichtigerSteroidhormone. Muttersubstanz der Steroidhormone ist Cholesterin
• Mineralkortikosteroide (Aldosteron, Kortikosteron) Na+ im Körper zurückhalten (Niere)
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• Glukokortikosteroide (Kortisol/Kortison): Kohlenhydrat-und Aminosäuren-Stoffwechsel, antientzündlich undantiallergisch wegen der Hemmung der Proteinsynthese
• Androgene (wirken anabolisch, gewebeaufbauend)
Nebennierenmark: bei Streß über Sympatikus stimuliert Adrenalin, NoradrenalinSteigerung der motorischen Aktivität und des Stoffwechsels.
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Schilddrüse: Gesteuert über TSH. Freischüttung von
• Thyroxin (T4) (Thyrosin + 4 Jod) in Zielzellen dejodiert zum wirksamen Trijodthyronin (T3) (Thyrosin + 3 Jod) T3 fördert Wachstum und Reifung von Gehirn und Knochen, sowie Stoffwechselsteigerung. Ein Mangel führt zu Kretinismus.
• Kalzitonin (Peptid) Senkung des Calciumspiegelsim Blut.
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Männliche Hormone (Androgene)
Steroidhormone v.a. Testosteron
• Geschlechtsdifferenzierung in der Entwicklung
• Samenbildung
• Förderung des männlichen Geschlechtstriebs
• Ausbildung der sekundären männlichen Geschlechtsmerkmale, den Behaarungstyp, Körperbau, Kehlkopfgröße (Stimmbruch).
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Bildungsort von Testosteron: Leydigsche Zwischen-zellen des Hodens; Ausschüttung gesteuert durch LH und FSH.
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Geschlechtsdifferenzierung
Chromosomales Geschlecht Ausbildung entsprechender Gonaden (Keimdrüsen).
Testosteron kann die weibliche Geschlechtsentwicklungstören, sowohl somatisch (Körperbau) als auch psychisch.
Wanderung des Hodens in den Hodensack niedrigere Temperatur für Spermienbildung notwendig.
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Menstruation
Luna „Mondin“
Welche Hormone steuern
den weiblichen Zyklus?
Was macht den Zyklus
zum Zyklus?
Wer ist der Zeitgeber?
Was passiert im Ovar?
Was passiert in der Uterusschleimhaut (=Endometrium)?
FSH = Follikel-stimulierendes
Hormon Reifung d Follikels
luteinisierendes Hormon= LH Eisprung, Bildung des
Gelbkörpers (= Corpus luteum)
„Haupthormone“
Follikel = Bläschen( Ei undumgebendeZellen)
FSH
Östradiol
Progesteron
Östradiol
LH
-
+14 Tage lang -
Ereignisse im Ovar: Follikelbildung, Eisprung, Gelbkörper
„Ruhe“zustand
(nach Blutung):
FSH-Freisetzung
nicht gehemmt
FSH stimuliert die
Follikelreifung
Follikel bildet
Östradiol
Östradiol fördert
LH-Freisetzung
positive
Rückkopplung
bis Eisprung
(Eitransport über
Eileiter zum Uterus)
Nach Eisprung wird
das Follikel zum
Gelbkörper und
produziert zusätzlich
Progesteron
Progesteron hemmt
FSH und LH
für 14 Tage.
Danach wieder FSH-
Freisetzung und
Follikelstimulierung
Ereignisse im Uterus
Östradiol (Östrogen) bewirkt Wachstum des Endometriums[proliferative Phase]
Progesteron führt zu Einbau von Drüsen ins Endometrium [sekretorische Phase]
Nach Follikeldegeneration fehlt Progesteron Ischämie des Endometriums Absterben/Abstoßung (Blutung)
Menstruationszyklus - Zusammenschau
1.) Nach der Blutung: FSH hoch, LH niedrig Follikel wächst heran und produziert geringe Mengen Östradiol
2.) Östradiol stimuliert die LH-Produktion, LH stimuliert die Östradiol-Produktion rasanter Anstieg beider Hormone
3.) Die sehr hohen LH-Werte führen zur Ovulation (Eisprung, Ei tritt aus dem Follikel und wird in den Eileiter geschwemmt)
4.) Follikel wandelt sich unter LH-Einfluss zum Progesteron-produzierenden Gelbkörper (Corpus luteum) um.
5.) Progesteron führt zu Temperaturanstieg um 0.5 °C
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6.) Progesteron bewirkt über negative Rückkopplung denAbfall von LH und v.a. FSH. Dadurch wird die Reifung weiterer Follikel gehemmt.
7.) Die Lebensdauer des Gelbkörpers beträgt 14 Tage. Nach dem Absterben des Follikels ist die Progesteron-Produktion zu Ende.
8.) Der Progesteron-Abfall führt zu FSH-Anstieg, da dieHemmung wegfällt Reifung neuer Follikel
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Die eigentliche Uhr des Zyklus sitzt im Ovar: Der Gelbkörper bildet 14 Tage lang Progesteron, das die Produktion von FSH und LH hemmt.Fällt Progesteron nach Degeneration des Gelbkörpers ab,steigt FSH an neue Follikel reifen heran
Ist Progesteron dauernd hoch (z.B. Schwangerschaft, bestimmte, seltene Formen der „Pille“) tritt kein Zyklus auf.
Die Zyklus-Uhr
Wird das Ei befruchtet, setzt es sich im Endometrium fest. Die Plazenta bildet das Hormon Choriongonadotropin, das u.a. die Lebensdauer des Follikels verlängert. Somit bleibt Progesteron hoch und hemmt die FSH-Freischüttung, wasdie Reifung neuer Follikel hemmt.
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Befruchtung