Physiologie der Haustiere E-Book

• Herausgeber: Thieme
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 2060

Veröffentlichungsjahr: 2022

Beschreibung

Physiologische Zusammenhänge leichter durchschauen? Physiologische von pathophysiologischen Prozessen sicher unterscheiden? Gut vorbereitet in die Prüfungen gehen? Kein Problem!

Dieses umfangreiche Lehrbuch führt Sie präzise und prägnant durch alle Facetten der Physiologie und vermittelt die physiologischen Grundlagen von Geweben, Organen und Organsystemen. Das Buch berücksichtigt in besonderem Maße die Physiologie der veterinärmedizinisch wichtigsten Haussäugetiere, Geflügel, Fische und Reptilien. Mit Hilfe zahlreicher Grafiken und verständlicher Erläuterungen werden physiologische Grundlagen vermittelt, die als Basis für das Verständnis von Krankheitsmechanismen dienen. Die Inhalte sind gegliedert nach Organsystemen und funktionellen Gesichtspunkten und optimal abgestimmt auf Vorlesungen, Seminare und Prüfungen. Somit eignet es sich ideal zur Prüfungsvorbereitung.

Jederzeit zugreifen: Der Inhalt des Buches steht Ihnen ohne weitere Kosten digital in der Wissensplattform VetCenter zur Verfügung (Zugangscode im Buch).

Leseprobe

Physiologie der Haustiere

Gerhard Breves, Martin Diener, Gotthold Gäbel

Salah Amasheh, Kristin Elfers, Herbert Fuhrmann, Max Gassmann, Thomas Göbel, Gerolf Gros, Melanie Hamann, Romy Monika Heilmann, Korinna Huber, Bernd Kaspers, Wolfgang Langhans, Walter Arnold, Thomas A. Lutz, Gemma Mazzuoli-Weber, Alexandra Muscher-Banse, Michael Pees, Helga Pfannkuche, Reiko Rackwitz, Susanne Reitemeier, Joachim Roth, Christoph Rummel, Hans-Peter Sallmann, Jörg R. Aschenbach, Holger Sann, Axel Schöniger, Bernd Schröder, Stephan Steinlechner, Wolfgang von Engelhardt, Mirja Wilkens, Siegfried Wolffram, Christine Aurich, Jörg-Eberhard Aurich, Heinz Breer, Cornelia Deeg, Franziska Dengler, Almuth Einspanier, Rupert M. Bruckmaier, Rüdiger Gerstberger, Michael Fromm, Harald Hammon, Martin Kaske, Michael Schemann, Anne Weißmann

6., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage

499 Abbildungen

Vorwort zur 6. Auflage

Mit der jetzt vorliegenden 6. Auflage sind wesentliche Inhalte und Teilgebiete der Physiologie grundlegend überarbeitet und aktualisiert worden. Das einleitende Kapitel „Physiologie der Haustiere – faszinierende Vielfalt“ und das Kapitel „Glucosehomöostase bei Monogastriern und Wiederkäuern“ sind nicht mehr als eigene Kapitel enthalten, ihre Inhalte finden sich in den entsprechend passenden Kapiteln wieder. Prof. von Engelhardt ist nach fünf erfolgreichen Auflagen dieses Buches aus dem Kreis der Herausgeber ausgeschieden. Wir danken ihm für seine engagierte und unermüdliche Tätigkeit an diesem Standardwerk der Physiologie der Haustiere.

Unser Anliegen in der Vorbereitung der 6. Auflage war es, aus den tierärztlichen Bildungsstätten Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler in den Kreis der Autoren zu integrieren. Dies ist in vielfältiger Weise gelungen und trägt sicher dazu bei, dieses Lehrbuch auch langfristig zu erhalten und weiterzuentwickeln.

In einer Reihe von Kapiteln sind aufgrund des Erkenntnisfortschrittes teilweise erhebliche Überarbeitungen erforderlich gewesen. Dies unterstreicht das Wesen der Physiologie als dynamische und zentrale funktionell ausgerichtete Grundlagendisziplin in der Veterinärmedizin. Die Bereitstellung eines alle Themengebiete der Physiologie umfassenden Lehrbuches, das am aktuellen Wissensstand orientiert ist, ist unser Hauptanliegen. Es soll den Studierenden der Tiermedizin und verwandter Disziplinen die Möglichkeit bieten, sich ein fundiertes Wissen der Physiologie anzueignen und dabei zugleich zu erkennen, dass Physiologie kein isoliertes Grundlagenfach ist, sondern eine unverzichtbare Grundlage für die ätiologisch und klinisch orientierten Fächer darstellt. Damit richtet sich dieses Buch nicht nur an Studierende verschiedener Fachrichtungen, sondern es soll auch für Tierärztinnen und Tierärzte, die in der Klinik, der Industrie oder im öffentlichen Gesundheitsbereich tätig sind, eine Hilfe in der beruflichen Fort- und Weiterbildung sein.

Die Gliederung der einzelnen Kapitel orientiert sich an der 5. Auflage. So werden einzelne Kapitel mit „DAS WICHTIGSTE VORWEG“ eingeleitet und mit „IN ALLER KÜRZE“ zusammengefasst. Weiterführende Informationen zur Klinik und Pathophysiologie sind unter „ZUM WEITERLESEN“ zu finden.

Wir danken allen Autorinnen und Autoren für ihre aktive und engagierte Mitarbeit.

Für die gründliche redaktionelle Bearbeitung der Manuskripte, viele Gespräche und Ideen zur Neuauflage danken wir Frau Sarina Klyeisen und Frau Anne-Kathrin Janetzky sehr herzlich. Ihre Mitarbeit war uns eine große Hilfe.

Den Studierenden wünschen wir Freude beim Entdecken der Physiologie als ein faszinierendes Grundlagenfach der Tiermedizin.

Hannover, Gießen, Leipzig, März 2022

Gerhard Breves

Martin Diener

Gotthold Gäbel

Inhaltsverzeichnis

Titelei

Vorwort zur 6. Auflage

Abkürzungsverzeichnis

Teil I Zelle und erregbare Gewebe

1 Zellphysiologie

1.1 Grundlagen der Zellphysiologie

1.2 Die Zelle als kleinste funktionelle Einheit des Organismus

1.3 Subzelluläre Organisation der Zelle

1.3.1 Intrazelluläre Organellen und Prinzip der Kompartimentierung

1.3.2 Zellmembran

1.3.3 Topographie der Membranproteine

1.3.4 Beweglichkeit der Membranproteine

1.3.5 Verankerung der Membranproteine

1.3.6 Cytoskelett

1.3.7 Zell-Zell-Verbindungen

1.4 Besondere Funktionen der Zellmembran

1.4.1 Barriere zwischen Intra- und Extrazellularraum

1.4.2 Transport durch Diffusion

1.4.3 Transport über Membranproteine

1.4.4 Transport durch Endo- und Exocytose

1.5 Membranpotenzial

1.5.1 Diffusionspotenziale und K+-Gleichgewichtspotenzial

1.5.2 Nernst-Gleichung

1.5.3 Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung

1.6 Regulation besonderer Zellfunktionen

1.6.1 Zellvolumen

1.6.2 Intrazellulärer pH-Wert

1.6.3 Signalvermittlung und -verarbeitung

1.6.4 Zellzyklus, Wachstum und Apoptose

1.7 Weiterführende Literatur

2 Allgemeine Neurophysiologie

2.1 Aufgaben des Nervensystems

2.2 Nervengewebe

2.2.1 Bau und funktionelle Eigenschaften des Neurons

2.2.2 Funktionen der Gliazellen

2.3 Grundprinzipien der Erregung von Nervenzellen

2.3.1 Definitionen

2.3.2 Passive Membranantwort auf unterschwellige Reize

2.3.3 Aktive Membranantwort auf überschwellige Reize: das Aktionspotenzial

2.3.4 Ionale Basis des Aktionspotenzials

2.4 Weg des Signals vom Sensor zum Effektor

2.4.1 Vorgänge am Sensor und an der Triggerzone: vom Generatorpotenzial zum frequenzkodierten Signal

2.4.2 Erregungsweiterleitung: langsame kontinuierliche Ausbreitung und saltatorische Erregungsausbreitung

2.4.3 Übertragung der Erregung, synaptische Übertragung

2.4.4 Vorgänge an der Zielzelle, postsynaptische Potenziale

2.4.5 Integration von Signalen

2.5 Reflexe

2.6 Weiterführende Literatur

3 Sinnesphysiologie

3.1 Grundlagen der Sinnesphysiologie

3.1.1 Allgemeine Sinnesphysiologie

3.1.2 Weiterführende Literatur

3.2 Hautsinne

3.2.1 Mechanorezeption in der Haut

3.2.2 Thermorezeption in der Haut

3.2.3 Nozizeption und Juckreiz

3.2.4 Weiterleitung und zentrale Verarbeitung von Signalen aus der Haut

3.2.5 Weiterführende Literatur

3.3 Nozizeption und Schmerz

3.3.1 Schmerz bei Tieren

3.3.2 Periphere Mechanismen der Nozizeption

3.3.3 Zentrale Mechanismen der Nozizeption

3.3.4 Plastizität der Nozizeption

3.3.5 Schmerzbehandlung

3.3.6 Weiterführende Literatur

3.4 Gleichgewicht und Hören

3.4.1 Die sensorischen Systeme des Innenohres

3.4.2 Gleichgewichtssinn, Vestibularorgan

3.4.3 Der Hörsinn

3.4.4 Cochlea

3.4.5 Neuronale Verarbeitung von Hörsignalen

3.4.6 Weiterführende Literatur

3.5 Sehen

3.5.1 Aufbau des Auges

3.5.2 Reflexabläufe

3.5.3 Signalaufnahme und -verarbeitung von Lichtreizen in der Netzhaut

3.5.4 Tapetum lucidum

3.5.5 Adaptationsmechanismen

3.5.6 Farbensehen

3.5.7 Zentrale Verarbeitung

3.5.8 Pathophysiologie

3.5.9 Weiterführende Literatur

3.6 Chemische Sinne: Geruchs- und Geschmackssinn

3.6.1 Geruchssinn (olfaktorischer Sinn)

3.6.2 Geschmackssinn

3.7 Vögel und Reptilien

3.7.1 Sinne bei Vögeln

3.7.2 Sinne bei Reptilien

3.8 Weiterführende Literatur

4 Vegetatives Nervensystem

4.1 Funktion des vegetativen Nervensystems

4.2 Bau des vegetativen Nervensystems

4.3 Wirkungen von Sympathicus und Parasympathicus

4.4 Transmitter und Rezeptoren von Sympathicus und Parasympathicus

4.4.1 Acetylcholin

4.4.2 Adrenalin und Noradrenalin

4.4.3 Cholinerge Rezeptoren

4.4.4 Adrenerge Rezeptoren

4.4.5 Cotransmitter

4.5 Interaktion mit dem Hormonsystem

4.6 Vegetative Afferenzen

4.7 Vegetative Reflexe

4.8 Weiterführende Literatur

5 Zentrales Nervensystem

5.1 Funktion des zentralen Nervensystems

5.2 Neuroanatomische Gliederung

5.2.1 Aufbau des Rückenmarks

5.2.2 Anteile des Gehirns

5.3 Transmitter im Zentralnervensystem

5.3.1 Transmittervielfalt

5.3.2 Bahnsysteme

5.4 Schutzmechanismen des Gehirns

5.4.1 Der Liquorraum

5.4.2 Die Blut-Hirn-Schranke

5.4.3 Mikroglia

5.5 Diagnostische Methoden

5.5.1 EEG und evozierte Potenziale

5.5.2 MRT

5.6 Motorische Systeme

5.6.1 Formen der Bewegung

5.6.2 Das spinalmotorische System

5.6.3 Das supraspinalmotorische System

5.6.4 Das Kleinhirn

5.7 Sensorische Systeme

5.8 Das limbische System

5.9 Regulation autonomer Funktionen durch das ZNS

5.9.1 Hirnstamm

5.9.2 Hypothalamus

5.10 Schlaf

5.11 Lernen und Gedächtnis

5.12 Weiterführende Literatur

6 Quergestreifte und glatte Muskulatur

6.1 Funktionen der Muskeln

6.2 Quergestreifte Muskulatur

6.2.1 Morphologie des Skelettmuskels

6.2.2 Wachstum der Skelettmuskulatur

6.2.3 Bewegungsfunktion des Skelettmuskels

6.2.4 Stoffwechselfunktionen des Skelettmuskels

6.2.5 Die Rolle des Skelettmuskels in Gesundheit und Krankheit

6.3 Glatte Muskulatur

6.3.1 Morphologie der glatten Muskelzelle

6.3.2 Mechanismen der Erregung glatter Muskulatur

6.3.3 Elektromechanische Kopplung in der glatten Muskulatur

6.3.4 Energiehaushalt der glatten Muskulatur

6.4 Herzmuskel im Vergleich mit Skelettmuskel und glatter Muskulatur

6.4.1 Morphologie

6.4.2 Erregung

6.4.3 Elektromechanische Kopplung und Kontraktion

6.5 Weiterführende Literatur

Teil II Kreislauf- und Atmungssystem

7 Herz

7.1 Funktionen des Herzens

7.2 Herz als Pumpe

7.2.1 Herzaktion im Viervierteltakt

7.2.2 Ventrikel sind nie ganz leer

7.2.3 Herztöne

7.2.4 Pumpleistung in Ruhe

7.2.5 Anpassung der Pumpleistung bei körperlicher Arbeit

7.2.6 Frank-Starling-Mechanismus

7.2.7 Ventrikuläre Kontraktilität

7.2.8 Anpassung des Herzminutenvolumens bei Arbeit

7.3 Elektrische Aktivität des Herzens

7.3.1 Vergleich der kontraktilen Elemente im Herzmuskel und im Skelettmuskel

7.3.2 Zwei Typen von Herzmuskelzellen

7.3.3 Herzmuskulatur als funktionelles Syncytium

7.3.4 Erregungsbildungs- und Erregungsleitungssystem

7.3.5 Langdauernde Herz-Aktionspotenziale

7.3.6 Herz nicht tetanisierbar

7.3.7 Autorhythmie des Herzens

7.3.8 Sympathicus und Parasympathicus regulieren Herzschlagfrequenz

7.3.9 Sympathicus wirkt auf Herzmuskelzellen positiv inotrop und lusitrop

7.3.10 Parasympathicus wirkt am Sinusknoten, AV-Knoten und auf Vorhofmuskulatur

7.3.11 Afferente Fasern des Sympathicus und Parasympathicus

7.3.12 Atriales natriuretisches Peptid

7.4 Energetik des Herzens

7.5 EKG – Grundlagen

7.5.1 Physikalisches Prinzip

7.5.2 Standard-Ableitverfahren

7.5.3 EKG-Analyse und zeitliche Zuordnung

7.5.4 Elektrische Herzachse

7.6 Störungen der Herzfunktion

7.6.1 Herzrhythmusstörungen

7.6.2 Elektrolyte

7.7 Weiterführende Literatur

8 Kreislauf

8.1 Aufgaben des Herz-Kreislauf-Systems

8.2 Kreislaufsysteme und Gefäßwände

8.3 Biophysikalische Grundlagen der Hämodynamik

8.3.1 Stromstärke, Druck, Widerstand

8.3.2 Strömungsformen

8.3.3 Viskosität des Blutes

8.3.4 Dehnbarkeit der Blutgefäße

8.4 Hämodynamik in den einzelnen Gefäßsystemen

8.4.1 Das arterielle System

8.4.2 Das venöse System

8.4.3 Die Mikrozirkulation in der terminalen Strombahn

8.4.4 Lymphgefäßsystem

8.5 Kreislaufregulation

8.5.1 Lokale Durchblutungsregulation

8.5.2 Zentrale Kreislaufregulation

8.6 Verteilung und Regulation des Blutvolumens

8.7 Besonderheiten des Lungenkreislaufs

8.8 Kreislaufversagen, Schock

8.9 Fetaler Kreislauf und Kreislaufumstellung während und nach der Geburt

8.10 Weiterführende Literatur

8.11 Herz-Kreislauf-System bei Vögeln und Reptilien

8.11.1 Herz-Kreislauf-System bei Vögeln

8.11.2 Herz-Kreislauf-System bei Reptilien

9 Blut

9.1 Funktionen des Blutes

9.2 Nichtzelluläre Bestandteile des Blutes

9.2.1 Blutplasma

9.2.2 Elektrolyte des Plasmas

9.2.3 Plasmaproteine

9.2.4 Nicht-Protein-Stickstoff-Verbindungen (NPN)

9.2.5 Kohlenhydrate

9.2.6 Lipide und Fettsäuren

9.2.7 Weitere Blutinhaltsstoffe

9.2.8 Weiterführende Literatur

9.3 Zelluläre Bestandteile

9.3.1 Hämatopoese

9.3.2 Erythrocyten

9.3.3 Leukocyten

9.3.4 Weiterführende Literatur

9.4 Blutstillung und Blutgerinnung

9.4.1 Vasokonstriktion

9.4.2 Bildung eines Thrombocytenaggregats

9.4.3 Gerinnung

9.4.4 Pathophysiologie

9.4.5 Weiterführende Literatur

9.5 Blutgruppen

9.5.1 AB0-System des Menschen

9.5.2 Rhesus-System des Menschen

9.5.3 Blutgruppen der Tiere

9.5.4 Weiterführende Literatur

10 Abwehr

10.1 Funktionen des Immunsystems

10.2 Einleitung – Zellen und Botenstoffe des Immunsystems

10.2.1 Krankheitserreger aktivieren das Immunsystem

10.2.2 Angeborene und erworbene Immunität

10.2.3 Blutzelldifferenzierung

10.2.4 Cytokine

10.3 Angeborene Immunmechanismen

10.3.1 Natürliche Barrieren

10.3.2 Lösliche Faktoren

10.3.3 Komplementsystem

10.3.4 Opsonierung und Phagocytose

10.3.5 Erkennung von Krankheitserregern durch Toll-like-Rezeptoren

10.3.6 Effektorfunktionen von Zellen des angeborenen Immunsystems

10.3.7 Entzündungsreaktion

10.4 Erworbene Immunmechanismen

10.4.1 Merkmale erworbener Immunmechanismen

10.4.2 Bildung und Reifung der Lymphocyten

10.4.3 Migration von Lymphocyten und klonale Expansion

10.4.4 Immunglobuline – Struktur, Isotypen, Eigenschaften

10.4.5 Antigenspezifische Rezeptoren der B- und T-Lymphocyten

10.4.6 Entstehung der Rezeptorvielfalt

10.4.7 MHC-Moleküle und Selektion im Thymus

10.4.8 MHC-I-Moleküle und cytotoxische T-Zell-Antwort

10.4.9 MHC-II-Moleküle und CD4+-T-Helferzellen

10.4.10 Immunregulation

10.5 Angeborene und erworbene Immunmechanismen kooperieren bei der Immunabwehr

10.6 Weiterführende Literatur

11 Atmung

11.1 Gasaustausch in Lunge und anderen Gasaustauschorganen

11.2 Morphologische Grundlagen der Lungenatmung bei Säugern

11.2.1 Atemwege

11.2.2 Morphologische Grundlagen der Ein- und Ausatmung

11.2.3 Übertragung Thorax – Lunge – Pleuren

11.2.4 Alveolo-kapilläre Barriere

11.3 Ventilation und Lungenvolumina

11.3.1 Volumina und Kapazitäten

11.3.2 Messung von Lungenvolumina und Lungenkapazitäten

11.3.3 Der Totraum und seine Bestimmung

11.3.4 Ventilation

11.4 Atmungsmechanik

11.4.1 Elastische Atmungswiderstände

11.4.2 Visköse Atmungswiderstände – Atemwegswiderstand

11.5 Gastransport im Blut

11.5.1 Sauerstofftransport

11.5.2 CO2-Transport

11.6 Pulmonaler Gasaustausch

11.7 Gewebeatmung (innere Atmung)

11.7.1 O2-Angebot und O2-Verbrauch im Gewebe

11.7.2 Störungen der O2-Versorgung des Gewebes

11.7.3 Gewebehypoxie bei tauchenden Säugern während des Tauchens

11.7.4 Zeitverlauf der Zellschädigung bei akuter Anoxie

11.7.5 Zellschädigung durch reaktive Sauerstoffspecies

11.8 Regulation der Atmung

11.8.1 Rhythmogenese

11.8.2 Respiratorische Reflexe

11.8.3 Chemische Atmungsregulation

11.8.4 Atmungsregulation bei Arbeit

11.8.5 Hecheln

11.9 Vergleichende Pathophysiologie der Lungenfunktion der Haustiere

11.9.1 Obstruktive Lungenerkrankungen

11.9.2 Restriktive Lungenerkrankungen

11.10 Atmung bei Fischen

11.10.1 Gasaustausch im Wasser

11.10.2 Ventilation

11.10.3 Gasaustausch

11.10.4 Regulation der Atmung

11.11 Atmung bei Reptilien

11.11.1 Genereller Aufbau des Atmungstraktes

11.11.2 Ventilation

11.11.3 Gasaustausch

11.11.4 Regulation der Atmung

11.12 Atmung beim Vogel

11.12.1 Unterteilung des Atmungssystems

11.12.2 Ventilation

11.12.3 Gasaustausch

11.12.4 Regulation der Atmung

11.13 Danksagung

11.14 Weiterführende Literatur

Teil III Regulation des inneren Milieus

12 Niere

12.1 Aufgaben der Niere

12.2 Grundlagen

12.3 Morphologie

12.4 Hämodynamik

12.4.1 Durchblutung der Niere

12.4.2 Regulation der Nierendurchblutung

12.5 Ultrafiltration in den Glomeruli

12.5.1 Filtrationsbarriere

12.5.2 Effektiver Filtrationsdruck

12.5.3 Messmethoden zur Erfassung der Filtrationsleistung

12.6 Tubuläre Transportmechanismen: Überblick

12.7 Natrium- und Chloridbewegung im Nephron

12.7.1 Bedeutung der Niere für den NaCl-Haushalt

12.7.2 Mechanismen des tubulären NaCl-Transports

12.7.3 Regelung des Natriumtransports

12.8 Kaliumbewegung im Nephron

12.8.1 Bedeutung der Niere für den Kaliumhaushalt

12.8.2 Kalium: Filtration, Resorption und Sekretion

12.8.3 Regulation der Kaliumausscheidung durch Aldosteron

12.8.4 Wechselwirkungen zwischen Kalium- und Säure-Basen-Haushalt

12.9 Wasserbewegung im Nephron und Harnkonzentrierung

12.9.1 Quantität und Mechanismen

12.9.2 Gegenstromkonzentrierung und Antidiurese

12.9.3 Druckdiurese

12.10 Bewegung von Calcium und Phosphat im Nephron

12.11 Bewegung von Glucose im Nephron

12.11.1 Bedeutung des Glucosetransports

12.11.2 Mechanismen des Glucosetransports

12.12 Bewegung von Aminosäuren, Oligopeptiden und Proteinen im Nephron

12.13 Bewegung von Endprodukten des N-Stoffwechsels und organischen Ionen im Nephron

12.13.1 Harnstoff

12.13.2 Harnsäure, Oxalat, Allantoin und Hippursäure

12.13.3 Organische Anionen und Kationen

12.14 Erhaltung des Säure-Basen-Gleichgewichts durch die Niere

12.14.1 Niere als Teil der Regulation des Säure-Basen-Haushalts

12.14.2 Transportprozesse im proximalen Tubulus und im Sammelrohr

12.14.3 Protonenausscheidung, Bicarbonatrückgewinnung und -neubildung

12.15 Endokrine Funktionen der Niere

12.15.1 Renin-Angiotensin-System

12.15.2 Erythropoetin

12.15.3 Vitamin-D-Hormon, Endotheline und Eicosanoide

12.16 Weiterführende Literatur

13 Wasser- und Natriumhaushalt

13.1 Funktion von Wasser und Natrium

13.2 Bedeutung des Wassers

13.3 Wasserbilanz

13.3.1 Wasseraufnahme

13.3.2 Wasserabgabe

13.4 Kompartimentierung des Körperwassers

13.5 Zusammensetzung der Extrazellular- und Intrazellularflüssigkeit

13.6 Osmotische Gleichgewichte und Wasserbewegung

13.6.1 Osmolalität, Osmolarität und osmotischer Druck

13.6.2 Kolloidosmotischer Druck

13.6.3 Wasserbewegung im anisotonen Milieu

13.7 Volumenregulation der Zellen

13.8 Regulation des Flüssigkeitshaushalts und der Osmolalität in der Extrazellularflüssigkeit

13.8.1 Osmoregulation

13.8.2 Volumenregulation

13.9 Störungen im Wasser- und NaCl-Haushalt

13.10 Weiterführende Literatur

14 Exkretion bei Vögeln und Reptilien und Osmoregulation bei Fischen

14.1 Exkretion bei Vögeln

14.1.1 Grundprinzipien der Wasseraufnahme

14.1.2 Die Vogelniere

14.1.3 Bedeutung von Darm und Kloake

14.1.4 Rolle der Salzdrüsen

14.2 Exkretion bei Reptilien

14.2.1 Rolle der Nieren

14.2.2 Rolle der Salzdrüsen

14.2.3 Harnsack

14.3 Osmoregulation bei Fischen

14.3.1 Osmoregulation in aquatischen Lebensräumen

14.3.2 Osmoregulation bei Haien und Rochen (Elasmobranchier)

14.3.3 Osmoregulation bei Knochenfischen

14.4 Weiterführende Literatur

15 Säure-Basen-Haushalt

15.1 Regulation, Pufferung und Störungen des pH-Wertes

15.2 Der pH-Wert in Körperflüssigkeiten

15.3 Regulationssysteme

15.3.1 Puffersysteme

15.3.2 Pulmonale Regulation

15.3.3 Renale Regulation

15.3.4 Hepatische Regulation

15.3.5 Geschwindigkeit der Säure-Basen-Regulation

15.4 Regulation des intrazellulären pH-Wertes

15.5 Störungen des Säure-Basen-Haushalts

15.5.1 Einteilung

15.5.2 Respiratorische Acidose

15.5.3 Respiratorische Alkalose

15.5.4 Nichtrespiratorische Acidose

15.5.5 Nichtrespiratorische Alkalose

15.5.6 Diagnostische Bedeutung der Plasmaparameter

15.6 Weiterführende Literatur

Teil IV Ernährung und Energiehaushalt

16 Magen-Darm-Trakt

16.1 Nahrungsaufnahme und Speichelsekretion

16.1.1 Nahrungsaufnahme, Kauen und Schlucken

16.1.2 Speichelsekretion

16.1.3 Weiterführende Literatur

16.2 Enterisches Nervensystem und die Innervation des Magen-Darm-Traktes

16.2.1 Das enterische Nervensystem

16.2.2 Interaktionen zwischen Zentralnervensystem und enterischem Nervensystem

16.2.3 Weiterführende Literatur

16.3 Magen-Darm-Motorik

16.3.1 Allgemeine Aufgaben und Charakteristika der Magen-Darm-Motorik

16.3.2 Vormagenmotorik und Ingestapassage

16.3.3 Motorik des einhöhligen Magens und des Labmagens

16.3.4 Motorik des Dünn- und Dickdarms

16.4 Vormägen

16.4.1 Entwicklung der Vormägen

16.4.2 Verdauung und Resorption in den Vormägen

16.4.3 Pathophysiologie

16.4.4 Weiterführende Literatur

16.5 Funktionen des einhöhligen Magens

16.5.1 Sekretorische Funktionen

16.5.2 Regulation der gastralen Sekretion

16.5.3 Funktionen der Sekrete

16.5.4 Mikrobielle Aktivität im Magen

16.5.5 Resorptionsfunktion des Magens

16.5.6 Weiterführende Literatur

16.6 Funktionen des Dünndarms und seiner Anhangsdrüsen

16.6.1 Sekretion des Dünndarms

16.6.2 Exokrines Pankreas (Bauchspeicheldrüse)

16.6.3 Galle und Funktion der Gallenblase

16.6.4 Verdauung und Resorption der Kohlenhydrate

16.6.5 Verdauung und Resorption der Proteine

16.6.6 Verdauung und Resorption der Fette

16.6.7 Resorption der Mineralstoffe und Spurenelemente

16.6.8 Mikrobielle Aktivität im Dünndarm

16.6.9 Weiterführende Literatur

16.7 Funktionen des Dickdarms

16.7.1 Volumen und Digestapassage

16.7.2 Mikrobieller Stoffwechsel

16.7.3 Resorption und Sekretion

16.7.4 Weiterführende Literatur

16.8 Pathophysiologie der Diarrhoe

16.8.1 Sekretorische Diarrhoe

16.8.2 Osmotische Diarrhoe

16.8.3 Mechanistische Grundlagen

16.8.4 Infektiös bedingte Diarrhoen

16.8.5 Nichtinfektiöse Diarrhoen

16.8.6 Ätiologische Einteilung der Diarrhoen

16.8.7 Therapieansätze

16.8.8 Weiterführende Literatur

16.9 Vergleichende Aspekte der Vormagen- und Dickdarmverdauung

16.9.1 Celluloseverdauung bei Vormagen- und Dickdarmverdauern

16.9.2 Vor- und Nachteile von Vormagen- und Dickdarmverdauern bei Fütterung mit Gras unterschiedlicher Qualität

16.9.3 Verdauung von leicht verdaulichen Kohlenhydraten, Futterprotein und Fetten bei Vormagen- und Dickdarmverdauern

16.9.4 Körpermasse bei Vormagen- und Dickdarmverdauern

16.9.5 Mikrobielle Proteinsynthese und Nutzung des gebildeten Proteins

16.9.6 Weiterführende Literatur

16.10 Verdauung bei Vögeln und Reptilien

16.10.1 Verdauung bei Vögeln

16.10.2 Verdauung bei Reptilien

16.10.3 Weiterführende Literatur

17 Physiologische Funktionen der Leber

17.1 Aufgaben und Bedeutung der Leber

17.2 Stellung der Leber im Gesamtorganismus und Arbeitsteilung der Zellpopulationen

17.2.1 Architektur des Lebergewebes

17.2.2 Zellarten im Lebergewebe

17.2.3 Regulation der Leberfunktionen

17.3 Der Beitrag der Leber zur intestinalen Verdauung

17.3.1 Synthese und Funktion der Gallensäuren

17.3.2 Regulation der Gallenbildung und -sekretion

17.4 Die Leber im Intermediärstoffwechsel

17.4.1 Fettsynthese

17.4.2 Synthese und Funktion der Lipoproteine

17.4.3 Gluconeogenese

17.4.4 Ketogenese im Leberstoffwechsel bei Energiemangel

17.4.5 Harnstoffsynthese

17.4.6 Die Rolle der Leber im Stoffwechsel der fettlöslichen Vitamine

17.5 Beitrag der Leber zur Entgiftung

17.5.1 Biotransformation durch chemische Modifikation

17.5.2 Biotransformation durch Konjugation

17.5.3 Exkretion von Endo- und Xenobiotika

17.5.4 Bildung der Gallenfarbstoffe

17.6 Weiterführende Literatur

18 Physiologische Bedeutung des Fettgewebes

18.1 Morphologie und Funktionen

18.1.1 Aufbau der Fettgewebe

18.1.2 Physikalische Schutzfunktion

18.1.3 Physiologische Funktionen

18.2 Stoffwechselleistungen der Fettgewebe

18.2.1 Lipolyse

18.2.2 Triacylglycerolsynthese und Lipogenese

18.3 Endokrine Leistungen der Fettgewebe – Adipocytokine

18.3.1 Einfluss auf die Nahrungsaufnahme

18.3.2 Einfluss auf den Energiehaushalt

18.3.3 Einfluss auf das Reproduktionsgeschehen

18.3.4 Einfluss auf die systemische Entzündung und die Immunität

18.4 Weiterführende Literatur

19 Energiehaushalt

19.1 Energiebedarf und Energieumsatz

19.2 Einführung

19.3 Energiegehalt der Nährstoffe

19.3.1 Messung des Energiegehalts der Nährstoffe

19.3.2 Physikalische Brennwerte der Nährstoffe

19.3.3 Physiologischer Brennwert

19.3.4 Nahrung als Energiequelle

19.4 Messung des Energieumsatzes

19.4.1 Direkte Kalorimetrie

19.4.2 Indirekte Kalorimetrie

19.5 Einflüsse auf den Energieumsatz

19.5.1 Grundumsatz

19.5.2 Erhaltungsumsatz

19.5.3 Leistungsumsatz

19.6 Energieumsatz und Körpergröße

19.7 Pathophysiologische Aspekte

19.8 Regulation des Energieumsatzes

19.8.1 Hormonelle Einflüsse auf den Energieumsatz

19.8.2 Energieumsatz und Temperaturregulation

19.9 Weiterführende Literatur

20 Thermoregulation

20.1 Wärmeproduktion, Wärmeabgabe, Wärmehaushalt

20.2 Nomenklatur

20.3 Wärmebilanz

20.4 Wärmeaustausch mit der Umgebung

20.4.1 Konduktion

20.4.2 Konvektion

20.4.3 Radiation

20.4.4 Evaporation

20.5 Temperaturfeld des Körpers

20.5.1 Kern und Schale

20.5.2 Gegenstrom-Wärmeaustausch

20.6 Wärmebildung

20.7 Wärmetransport

20.7.1 Innerer Wärmetransport

20.7.2 Äußerer Wärmetransport

20.8 Wärmespeicherung

20.9 Verhalten

20.10 Thermoregulatorischer Regelkreis

20.10.1 Periphere Thermosensitivität

20.10.2 Zentrale Thermosensitivität

20.11 Normalbereich der Körpertemperatur

20.12 Hypothermie und Hyperthermie

20.13 Fieber

20.14 Rheostase

20.14.1 Tagesperiodik und Jahresperiodik der Körpertemperatur

20.14.2 Torpor und Winterschlaf

20.15 Weiterführende Literatur

21 Biologische Rhythmen

21.1 Die „innere“ Uhr

21.2 Phänomenologie

21.2.1 Spektrum biologischer Rhythmen

21.2.2 Bedeutung biologischer Rhythmen

21.3 Tagesperiodische Rhythmen

21.3.1 Periodenlängen

21.3.2 Genetische und molekulare Grundlagen der Tagesuhr

21.4 Jahresperiodische Rhythmen

21.5 Zeitgeber

21.6 Zentrale und periphere Uhren, Transduktion des Lichtsignals

21.7 Weiterführende Literatur

22 Steuerung der Nahrungsaufnahme

22.1 Nahrungsaufnahme und Homöostase

22.2 Steuerung von Häufigkeit und Größe der Mahlzeiten

22.2.1 Allgemeines

22.2.2 Chemosensorische Signale

22.2.3 Gastrointestinale Signale

22.2.4 Pankreashormone

22.3 Metabolische Signale

22.3.1 Glucose

22.3.2 Fettsäuren

22.3.3 Energiefluss

22.3.4 Besonderheiten bei Wiederkäuern

22.4 Adipositassignale

22.5 Steuerung der Nahrungswahl

22.6 Beteiligte Hirnareale

22.6.1 Kaudaler Hirnstamm

22.6.2 Hypothalamus

22.6.3 Telencephalon

22.7 Weitere Faktoren, welche die Nahrungsaufnahme beeinflussen

22.8 Weiterführende Literatur

Teil V Endokrinologie und Reproduktion

23 Endokrinologie

23.1 Allgemeine Endokrinologie

23.1.1 Einleitung

23.1.2 Synthese und chemische Eigenschaften extrazellulärer Botenstoffe

23.1.3 Membranrezeptoren

23.1.4 Kernrezeptoren

23.1.5 Prinzipien der Hormonsekretion

23.1.6 Diagnostik und Therapie

23.1.7 Weiterführende Literatur

23.2 Spezielle Endokrinologie

23.2.1 Einleitung

23.2.2 Wachstum

23.2.3 Intermediärstoffwechsel

23.2.4 Calcium- und Phosphathaushalt

23.2.5 Zusammenfassung der vorrangigen Herkunftsorte und wesentlichen Wirkungen verschiedener Hormone

23.2.6 Weiterführende Literatur

24 Reproduktion

24.1 Grundlagen der Reproduktion bei Haussäugetieren

24.1.1 Reproduktionshormone und Regulation ihrer Synthese und Sekretion

24.1.2 Saisonalität

24.1.3 Pubertät

24.2 Reproduktion beim weiblichen Tier

24.2.1 Sexualzyklus

24.2.2 Gravidität

24.3 Reproduktion bei männlichen Haussäugetieren

24.3.1 Hodenfunktion

24.3.2 Spermatogenese und Sertolizellfunktion

24.3.3 Sexualverhalten

24.4 Befruchtung, Geschlechtsbestimmung und assistierte Reproduktion

24.4.1 Befruchtung

24.4.2 Geschlechtsbestimmung

24.4.3 Assistierte Reproduktion

24.4.4 Weiterführende Literatur

24.5 Reproduktion beim Vogel

24.5.1 Weibliche Reproduktionsorgane

24.5.2 Eiaufbau

24.5.3 Männliche Reproduktionsorgane

24.5.4 Endokrine Steuerung der Reproduktion

24.5.5 Fortpflanzung und Zucht

24.5.6 Weiterführende Literatur

25 Laktation

25.1 Die Milchdrüse

25.2 Bedeutung der Laktation für die Brutpflege

25.3 Evolutive Entwicklung der Milchdrüse und der Milch

25.4 Anatomisch-histologischer Aufbau der Milchdrüse

25.5 Entwicklungs- und Funktionsstadien der Milchdrüse und deren endokrine Steuerung

25.5.1 Mammogenese

25.5.2 Kolostrogenese

25.5.3 Laktogenese

25.5.4 Galactopoese

25.6 Synthese und Sekretion der Milch und ihrer Bestandteile

25.6.1 Synthese von Milchfett

25.6.2 Synthese der Milchproteine

25.6.3 Synthese von Lactose

25.7 Milchzusammensetzung bei verschiedenen Species

25.8 Milchspeicherung und Milchejektion

25.8.1 Oxytocinfreisetzung und Milchejektion bei der Milchkuh

25.8.2 Milchejektion bei Ziege, Schaf, Schwein und Pferd

25.8.3 Störungen der Milchejektion beim Rind

25.9 Bedeutung der Muttermilch für die postnatale Entwicklung

25.10 Energiestoffwechsel während der Laktation

25.11 Weiterführende Literatur

Teil VI Leistungsphysiologie

26 Arbeitsphysiologie am Beispiel des Pferdeleistungssports

26.1 Verschiedenartige Leistungen

26.2 Der arbeitende Muskel

26.2.1 Energiestoffwechsel des arbeitenden Muskels

26.2.2 Sauerstoffdefizit bei Arbeitsbeginn und Sauerstoffschuld nach Belastungsende

26.2.3 Woher kommt das benötigte ATP bei den verschiedenartigen Leistungen der Sportpferde?

26.2.4 Muskelfasertypen

26.3 Aerober Stoffwechsel und Ausdauer

26.3.1 Sauerstoffaufnahme, Ruheumsatz und Arbeitsumsatz

26.3.2 Atmung und Synchronisation der Atmung durch die Fußungsfrequenz im Galopp

26.3.3 Können Pferde durch Veränderung der Laufgeschwindigkeiten den Wirkungsgrad der Arbeit optimieren?

26.3.4 Herzschlagfrequenz, Herzleistung und arterieller Blutdruck

26.3.5 Hämoglobinkonzentration und Sauerstofftransportkapazität des Blutes

26.3.6 Muskeldurchblutung

26.4 Anaerober Stoffwechsel, Ermüdung und Blutlactatkonzentration

26.5 Thermoregulation und Schweißsekretion

26.6 Einfluss des Trainings auf den aeroben Stoffwechsel, Herz und Kreislauf, Skelettmuskel und Thermoregulation

26.6.1 Hämoglobinkonzentration und Sauerstofftransportkapazität

26.6.2 Herzgröße, Schlagvolumen und Herzschlagfrequenz

26.6.3 Sauerstoffaufnahme

26.6.4 Skelettmuskel

26.6.5 Schweißsekretion und Thermoregulation

26.7 Beurteilung des Trainingszustands und der Leistungsfähigkeit von Sportpferden

26.8 Weiterführende Literatur

Teil VII Anhang

27 Messgrößen und Maßeinheiten

27.1 Griechische Buchstaben

27.2 Potenzen und Logarithmen

27.3 Internationales System der Einheiten (SI-System)

27.4 Ältere Maßeinheiten

28 Sachverzeichnis

Anschriften

Sachverzeichnis

Impressum/Access Code

Teil I Zelle und erregbare Gewebe

1 Zellphysiologie

2 Allgemeine Neurophysiologie

3 Sinnesphysiologie

4 Vegetatives Nervensystem

5 Zentrales Nervensystem

6 Quergestreifte und glatte Muskulatur

1 Zellphysiologie

Bernd Schröder, Christoph Rummel

1.1 Grundlagen der Zellphysiologie

Das Wichtigste vorweg

Zellen stellen die kleinste funktionelle Einheit des tierischen Organismus dar. Ihre intakten Funktionen sind Voraussetzung für die physiologischen Vorgänge in den Geweben und Organen des Gesamtorganismus. Die Bereitstellung von Energie, Transport von Stoffen über die Zellmembran, die organspezifische Zellanatomie und die zellspezifischen Genexpressionen sind Grundvoraussetzungen für alle physiologischen Abläufe in Lebewesen. Die wesentlichen Bausteine der Zellen sind Zellkern, Mitochondrien, endoplasmatisches Reticulum, Golgi-Apparat, Cytoskelett und Zellmembranen. Die Fähigkeiten der Zellen, Stoffe selektiv aufzunehmen oder auszuschleusen, können in den einzelnen Organen sehr verschieden sein. Entsprechend den jeweiligen Funktionen der Zellen können sie sich anpassen oder sie können reguliert werden.

1.2 Die Zelle als kleinste funktionelle Einheit des Organismus

Die Zelle ist die kleinste lebens- und vermehrungsfähige Funktionseinheit des Organismus. Ihre Fähigkeit zur eigenständigen Vermehrung ist an eine Reihe von Voraussetzungen gebunden, die gewöhnlich als Lebenskriterien herangezogen werden. In der Desoxyribonucleinsäure (DNA) des Genoms als Träger der genetischen Information der Zelle ist die Information für ihre Strukturen, Funktionen und ihre Selbstreproduktion enthalten. Die Doppelhelix der DNA in den Chromosomen stellt in der Zelle quasi den Sitz der „Legislative“ dar, während die „Exekutive“ durch die Gesamtheit der Proteine, die durch die Transkription und Translation entstehen, repräsentiert wird. Die genetische Information der Zelle kann sich sprunghaft verändern (Mutation), wodurch die Zelle zur Evolution nach den Kriterien der Selektion befähigt ist. Zellen besitzen einen Stoffwechsel, der es ihnen ermöglicht, nicht nur ihre eigenen Strukturen zu erhalten, sondern auch zu wachsen und Arbeit zu verrichten. Über energiereiche Substanzen, im Allgemeinen ATP und NAD(P)H/H+, ist der energieverbrauchende Stoffaufbau (Anabolismus) mit dem energiefreisetzenden Stoffabbau (Katabolismus) verbunden. Lebensfähige Zellen halten viele stoffliche Ungleichverteilungen zwischen dem extra- und dem intrazellulären Raum aufrecht. Dazu erfolgt ein ständiger Austausch von Stoffen und Energie mit der Umgebung, sodass ein stabiles Fließgleichgewicht (steady state) erhalten bleibt. Diese Vorgänge werden durch die Struktur und die Permeabilität der Zellmembran (Plasmamembran), die jede Zelle umgibt und eine Barriere gegen die Umwelt darstellt, reguliert. Ein entscheidendes weiteres Kriterium ist die Reizbarkeit der Zelle, d. h. sie kann verschiedene chemische und physikalische Signale von außen empfangen und darauf reagieren. Diese Vorgänge können durch spezifische Rezeptoren in der Zellmembran vermittelt werden.

In aller Kürze

Die Zelle ist die kleinste lebens- und vermehrungsfähige Funktionseinheit des Organismus. Die Fähigkeiten zu Selbstvermehrung, Stoffwechsel und Reizbarkeit sind die wichtigsten Lebenskriterien.

1.3 Subzelluläre Organisation der Zelle

Obwohl Größe, Form und Struktur der Zellen – u. a. aufgrund der unterschiedlichsten Funktionen – einer großen Variabilität unterliegen, weisen doch alle Zellen einen prinzipiell homologen Bauplan auf. Als Beispiel ist eine schematische Epithelzelle mit ihren Organellen in ▶ Abb. 1.1 dargestellt.

Abb. 1.1 Schematische Darstellung einer tierischen Zelle. Als Beispiel ist eine polarisierte Epithelzelle dargestellt, die mit ihrer apikalen Zellseite mit der Umwelt und ihrer basolateralen Seite mit dem Körperinneren in Verbindung steht. Der Zellkern wird von zwei Membranen umgeben, die die Kernhülle bilden. In ihr sind die Kernporen ausgespart. Der Intermembranalraum der Kernhülle steht mit dem endoplasmatischen Reticulum (ER) in direkter Verbindung. Die Mitochondrien sind ebenfalls von einer äußeren und inneren Membran umhüllt. Die Gesamtheit der Dictyosomen einer Zelle bildet den Golgi-Apparat. Spezielle vesikuläre Funktionsräume bzw. Reaktionsräume (Kompartimente) stellen Lysosomen und Peroxisomen in der Zelle dar. Ein sogenanntes ▶ Cytoskelett von netzartig verbundenen Proteinketten stabilisiert die Form einzelner Zellen. Zusätzlich helfen besondere Strukturen für ▶ Zellkontakte, Zellen im Gewebe untereinander zu verbinden (rein mechanisch und/oder zur Kommunikation).

1.3.1 Intrazelluläre Organellen und Prinzip der Kompartimentierung

Tiere bestehen zu einem großen Prozentanteil aus ▶ Wasser, welches ein wichtiges Medium für alle Prozesse des Lebens darstellt. Das Wasser im Organismus verteilt sich auf funktionell unterschiedliche Reaktionsräume, die man als Kompartimente bezeichnet. Die intrazelluläre Körperflüssigkeit kann hierbei zusätzlich in eine Reihe von weiteren Kompartimenten durch subzelluläre Strukturen unterteilt werden. Die Komplexität der Zelle äußert sich auf strukturellem Niveau vor allem in ihrer internen Gliederung durch Biomembranen in zahlreiche solcher Reaktionsräume. Eine Membran ist definitionsgemäß als ein in sich geschlossenes Gebilde anzusehen, also eine Trennschicht, die einen Raum vollständig umschließt. Dabei wird unter dem Begriff Kompartiment jeweils die Summe der Räume gleicher Art, beispielsweise der Gesamtheit der Mitochondrien oder Lysosomen, verstanden. Insofern deckt sich der Begriff Kompartiment nicht notwendigerweise mit dem Begriff Organelle, der für die unterschiedlichen Zellstrukturen wie etwa Ribosomen oder Golgi-Apparat verwendet wird. Auch das Cytoplasma, das von der Zellmembran umgeben wird, bildet in diesem Sinne ein Kompartiment. Die wichtigsten Kompartimente bzw. Organellen der tierischen Zelle und einige ihrer typischen Funktionen sind in ▶ Tab. 1.1  zusammengestellt.

Tab. 1.1 

Einteilung der tierischen Zelle in Kompartimente.

Kompartiment

Hauptfunktionen

Zellmembran

Barriere und Kontakt zur Außenwelt, Signalaufnahme, Transport von Stoffen

Cytoplasma

Inhalt einer Zelle mit Ausnahme des Zellkerns; allgemeiner Stoffwechsel, Proteinsynthese, Speicherung von Glykogen, intrazelluläre Bewegungen, Cytoskelett

Cytosol

Inhalt einer Zelle mit Ausnahme der Zellorganellen und des Zellkerns

Endoplasmatisches Reticulum (ER)

Synthese von Membran- und Exportproteinen (hauptsächlich raues ER), Lipidsynthese (hauptsächlich glattes ER); als sarcoplasmatisches Reticulum (SR) in Muskelzellen ein wichtiger Ca2+-Speicher

Golgi-Apparat

Gesamtheit der Dictyosomen (= einzelne Membranvesikelstapel der Golgi-Zisternen); Oligo- und Polysaccharidsynthese

Peroxisomen

Kompartiment für verschiedene Spezialaufgaben wie z. B. Oxidation von Stoffen zwecks Entgiftung; Oxidasen, Katalase

Lysosomen

Verdauung endocytierter Substanzen; Hydrolasen

Zellkern (Nucleus)

DNA-Replikation, Transkription, Synthese und Reifung der messenger RNA, Bildung ribosomaler Untereinheiten im Nucleolus

Mitochondrien

Atmung, ATP-Produktion

Die Kompartimentierung der Zelle ist überaus dynamisch. Dies betrifft insbesondere das endoplasmatische Reticulum (ER) und den Golgi-Apparat, die wie die Lysosomen und die Plasmamembran durch permanente Abschnürung bzw. Einbau von Vesikeln (z.B. Transport- und Speichervesikeln) in engem Kontakt miteinander stehen (Membranfluss). Nur die Mitochondrien haben mit anderen Organellen keinen Austausch dieser Art.

Sinn der Kompartimentierung der Zelle ist, bestimmte Stoffwechselwege voneinander zu trennen und dadurch effektiver, weniger störanfällig und besser regulierbar zu machen.

In aller Kürze

Alle Säugetierzellen weisen einen prinzipiell homologen Bauplan auf. Die Zelle wird durch intrazelluläre Membranen in zahlreiche Kompartimente gegliedert, die jeweils spezifische Funktionen haben.

1.3.2 Zellmembran

Die Zell- oder Plasmamembran bildet eine ca. 5–6 nm dicke Grenzschicht zwischen dem Cytoplasma und dem Extrazellularraum. Sie ist für jede Zelle zugleich Barriere und Vermittler zur Außenwelt. Deshalb fällt ihr eine große Zahl von Aufgaben zu, unter denen neben der schon genannten Barrierefunktion die Kontrolle der Stoffaufnahme und -ausscheidung durch spezifische Transportvorgänge, Endo- und Exocytose, Zell-Zell-Erkennung, Signalaufnahme, -verarbeitung und -weitergabe (Signaltransduktion) und die Ausbildung von Zell-Zell-Verbindungen von besonderer Bedeutung sind.

Diese vielfältigen Funktionen der Zellmembran spiegeln sich auch in ihrem strukturellen Aufbau wider ( ▶ Abb. 1.2). Die Membran besteht aus einer Lipiddoppelschicht (Bilayer), die teils aus Phospholipiden (z. B. Phosphatidylcholin), teils aus Glykolipiden (z. B. Gruppe der Ceramide) und aus Cholesterol besteht. Die Oligosaccharid-Seitenketten der Glykolipide sind ausschließlich auf der extrazellulären Membranseite lokalisiert, sodass die Lipiddoppelschicht unsymmetrisch ist. Phospho- und Glykolipide haben amphiphile Eigenschaften, d. h., sie weisen zugleich lipophile (hydrophobe) und hydrophile (lipophobe) Eigenschaften auf. Der relative Anteil der Lipidarten variiert mit dem Membrantyp. Dabei hat die Höhe des Anteils an Cholesterol einen wesentlichen Einfluss auf die Fluidität ( ▶ Abb. 1.4) der ▶ Membran. So enthält beispielsweise die Plasmamembran von Rattenleberzellen diätabhängig beispielsweise einen Massenanteil (bezogen auf die Gesamtlipide) von fast 20 % Cholesterol, während intrazelluläre Membranen weniger als die Hälfte enthalten. Eine wichtige Rolle spielt Cholesterol u.a. bei der Bildung von sogenannten „lipid rafts“. Hierbei handelt es sich um funktionell und strukturell wichtige floßartige Bereiche der Membran, die beispielsweise manche Proteine anreichern können. Die charakteristische Anordnung der Lipiddoppelschicht (biologische Einheitsmembran) ergibt sich durch die in wässriger Lösung physikalisch günstige Anordnung der amphiphilen Moleküle, indem sich in der Membranmitte die apolaren Fettsäurereste (jeweils zwei pro Lipidmolekül) gegenüberstehen und die polaren Kopfgruppen in den Extra- oder Intrazellularraum ragen.

Abb. 1.2 Flüssig-Mosaik-Modell der Zellmembran. In eine Lipiddoppelschicht sind zahlreiche Proteine mit unterschiedlicher Funktion eingelagert (integrale Proteine, z.B. Ionenkanäle). Periphere Proteine können über spezifische Wechselwirkungen an die Membran gebunden werden. Glykoproteine und -lipide bilden zum Extrazellularraum hin die Zellaußenschicht (Glykokalyx).

Auch die Zellorganellen werden durch Membranen gegenüber dem Cytosol abgegrenzt. Die Organellenmembranen sind im Prinzip wie die Zellmembran aufgebaut, können sich aber in ihrem Proteinanteil ganz wesentlich von ihr unterscheiden. Das Massenverhältnis von Protein zu Lipid variiert zwischen beispielsweise 3,2 für die innere mitochondriale Membran und 0,2 in der lipidreichen Myelinmembran, liegt aber bei den meisten Membranen der Säugetierzellen nahe dem Wert 1,0. Eine Besonderheit stellt die Kernhülle dar. Sie ist doppelt gefaltet und bildet dadurch eine äußere und innere Membran. Auch Mitochondrien sind von zwei Membranen, der äußeren und inneren Mitochondrienmembran, umhüllt. Die innere Membran bildet sogenannte Cristae, Invaginationen in die Mitochondrienmatrix, wodurch die Fläche stark vergrößert wird. Bei Hepatocyten beträgt das Flächenverhältnis von innerer zu äußerer Membran der Mitochondrien 5:1.

Durch ihre Hydrophobizität ist der Lipidanteil der Plasmamembran der Säugetierzelle im Prinzip nur für kleine, nichtionisierte Moleküle wie Wasser, Harnstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Glycerol und viele lipidlösliche Moleküle gut permeabel. Für geladene Moleküle ist dagegen die Lipidphase der Membran praktisch impermeabel, das gilt vor allem für anorganische Ionen wie Na+, K+ oder Cl– sowie auch nicht lipidlösliche Stoffe wie Glucose und Fructose ( ▶ Abb. 1.3).

Abb. 1.3 Permeabilität künstlicher Lipidmembranen für verschiedene biologisch bedeutsame Substanzen. Die Lipiddoppelschicht (Zellmembran) besitzt eine erstaunlich hohe Permeabilität für Wasser. Geladene Elektrolyte sind deutlich schlechter in der Lage, diese „Schranke“ zu durchdringen. Dies ist anhand des Permeabilitätskoeffizienten angegeben.

Neben Lipiden enthält die Membran auch zahlreiche Proteine, die nach morphologischen Gesichtspunkten in extrinsische und intrinsische Proteine eingeteilt werden können. Periphere oder extrinsische Proteine können durch elektrostatische Kräfte relativ locker an die hydrophilen Köpfe der Lipidmoleküle angelagert sein (z. B. die F1-Untereinheit der ATP-Synthase). In anderen Fällen sind sie partiell in einer der Schichten der Membran eingebaut (z. B. Untereinheiten der G-Proteine auf der cytoplasmatischen Membranseite). Integrale oder intrinsische Proteine sind fest in der Lipiddoppelschicht verankert, indem nichtpolare Segmente des Proteins, die eine Helix als Sekundärstruktur besitzen, ein- oder mehrfach die ganze Membran durchspannen (Membrandomänen). Die Membrandomänen werden durch hydrophile Proteinabschnitte (cytoplasmatische und extrazelluläre Domänen), die in die wässerige Umgebung an beiden Membranseiten ragen, verbunden.

In vielen Fällen sind nichtmembranale Proteinanteile, die in den Extrazellularraum hineinragen, mit Ketten von Kohlenwasserstoffen assoziiert (Glykoproteine). Solche Strukturen an der Oberfläche der Zellmembran können bei zahlreichen Zellarten eine zusätzliche Hülle bilden, die u. a. im Zusammenhang mit der Zell-Zell-Erkennung, Zell-Zell-Adhäsion oder einer Schutz- und Stabilisierungsfunktion steht. Die Oberfläche der Zellmembran ist dabei so dicht mit Zuckerketten besetzt, dass eine geschlossene Schicht entsteht, die als Glykokalyx bezeichnet wird ( ▶ Abb. 1.2). Moleküle dieser Schicht ragen bis zu 20 nm in den Extrazellularraum hinein und stellen u. a. die morphologischen Korrelate der ▶ Blutgruppen- und Transplantationsantigene dar. Die Zuckerreste versetzen die Zellen aber auch in die Lage, andere Zellen zu erkennen bzw. sich an andere Zellen anzulagern. Zahlreiche Aufgaben der Membranproteine und typische Beispiele werden in ▶ Tab. 1.2  aufgezählt.

Tab. 1.2 

Funktionelle Einteilung der Membranproteine.

Klasse

Funktion

Beispiele

Rezeptoren

Binden Moleküle mit speziellen Eigenschaften

Acetylcholinrezeptoren, adrenerge Rezeptoren

Signalproteine

Erlauben dem Immunsystem, zwischen Krebszellen, Fremdzellen, die in den Körper eindringen, und körpereigenen Zellen zu unterscheiden

Histokompatibilitäts-Antigene

Transportproteine

Erlauben speziellen polaren, gelösten Stoffen und Ionen, Zellmembranen zu durchdringen; in einigen Fällen spalten solche Proteine auch ATP

Ca2+-KanalNa+/K+-ATPase

Zell-Zell-Kontakt-Proteine

Bilden Kopplungen zwischen benachbarten Zellen aus

gap junctionstight junctions

Enzyme

Katalysieren spezifische Reaktionen von Substraten in der extra- oder intrazellulären Flüssigkeit an der Zellmembran

Acetylcholinesterase

1.3.3 Topographie der Membranproteine

Die Topographie von Proteinen und Glykoproteinen in der Membran, insbesondere die der Transmembranproteine, wird wesentlich durch die Aminosäurensequenz ihrer Peptidkette geprägt. Unter verschiedenen Prämissen kann eine Voraussage zur zweidimensionalen Anordnung der linearen Aminosäurensequenz gegeben werden. So wird beispielsweise das Auftreten einer längeren Reihe hydrophober Aminosäuren in der Gesamtsequenz als Transmembransegment gedeutet, Aminosäurensequenzen, die Kohlenhydratseitenketten tragen, treten stets an der extrazellulären Oberfläche der Plasmamembran bzw. der Lumenseite der intrazellulären Membranen auf. Aus der zweidimensionalen Struktur lassen sich Modellvorstellungen zur räumlichen Anordnung des Membranproteins ableiten. Am Beispiel des gut untersuchten spannungsabhängigen Na+-Kanals von Nervenzellen ist in ▶ Abb. 2.8 ein Struktur-Funktionsmodell dargestellt.

1.3.4 Beweglichkeit der Membranproteine

Unter physiologischen Bedingungen sind Biomembranen nicht starr, sondern fluid, d. h., dass die Lipide und Proteine in der Doppelschicht beweglich sind – und sich permanent bewegen. Dabei können die Moleküle prinzipiell entweder um ihre Längsachse rotieren, senkrecht zur Membranebene umklappen, von einem Blatt der Membran zum anderen wechseln (Flip-Flop-Vorgang) oder nach lateral diffundieren ( ▶ Abb. 1.4). Rotation und Flip-Flop-Vorgang kommen aus energetischen Gründen nur sehr selten vor (z.B. gelangen bei der ▶ Thrombocytenaktivierung negative Phospholipide der Lipiddoppelschicht von innen nach außen, während die laterale Beweglichkeit der Membranmoleküle je nach Zelltyp relativ groß sein kann, ▶ Abb. 1.4). Diese Eigenschaft liegt neben der mosaikähnlichen Verteilung der Proteine in der Membran dem Konzept der Membran als Flüssig-Mosaik-Modell zugrunde ( ▶ Abb. 1.2). Cholesterol beeinflusst hierbei diese Fließeigenschaften (Fluidität). Ungesättigte Fettsäuren zeigen vermehrt Wechselwirkungen über deren Doppelbindungen und beeinflussen dadurch vor allem die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Membran.

Abb. 1.4 Doppellipidschichten von Zellmembranen sind keine statischen Strukturen. Vielmehr kommt es zu starken Rotationsbewegungen, lateraler Diffusion und in seltenen Fällen zum Wechsel eines Moleküls zwischen innerem und äußerem Blatt der Membran (Flip-Flop).

1.3.5 Verankerung der Membranproteine

Bei besonders spezialisierten Zellen, bei denen eine bestimmte Region der Membran auf eine bestimmte Funktion spezialisiert ist, wird eine Verankerung und damit feste Positionierung bestimmter Proteine notwendig. Bei den polarisierten Epithelzellen der renalen Tubuli oder im Intestinaltrakt beispielsweise befinden sich in der apikalen Zellmembran andere Transportproteine (z. B. Na+-abhängige Cotransporter) als in der basolateralen Membran (z. B. Na+/K+-Pumpe), um einen gerichteten Transport zu ermöglichen (z. B. Kap. ▶ Mechanismen des tubulären NaCl-Transports; Kap. ▶ Resorption der Mineralstoffe und Spurenelemente; ▶ Abb. 12.10). In myelinisierten Nervenfasern sind Ionenkanäle, die an der Ausbildung des Aktionspotenzials beteiligt sind, besonders im Bereich der Ranvier-Schnürringe konzentriert. In der Skelettmuskelzelle sind die Rezeptoren für Acetylcholin, die einen nichtselektiven Kationenkanal ( ▶ Abb. 6.4) bilden und die Kontraktion auslösen können, besonders im Bereich der motorischen Endplatte konzentriert. Bei der Verankerung der Membranproteine spielen Elemente des Cytoskeletts eine wesentliche Rolle.

1.3.6 Cytoskelett

Das Cytoskelett besteht aus feinen Proteinfäden und -schläuchen, den Filamenten und Mikrotubuli ( ▶ Abb. 1.1), die die Zelle durchspannen und damit u. a. die Zellgestalt stabilisieren oder für Bewegungen der gesamten Zelle (z. B. bei der Muskelzelle mit der Actin-Myosin-Interaktion) verantwortlich sind. Filamente (z. B. Actin) reichen auch in Cilien (z. B. Lungenepithel) und Microvilli (z. B. Darmschleimhaut) hinein. Von Untersuchungen an Säugererythrocyten ist recht genau bekannt, dass andere Cytoskelettstrukturen wie Spectrinfäden durch Actin und Ankyrin auf der Innenseite der Zellmembran zu einem „Membranskelett“ mit hexagonalem Muster verknüpft werden. Dieses Netz festigt die Zellmembran und schränkt die laterale Beweglichkeit der Membranproteine ein. Trotzdem bildet das Membranskelett eine dynamische Struktur, die, besonders eindrücklich bei Wachstum, Zellteilung oder -differenzierung, rasch ab-, um- und neu aufgebaut werden kann. Mikrotubuli steuern den cytoplasmatischen Vesikeltransport und sorgen dafür, dass die Proteine an der jeweils richtigen Membranposition eingebaut werden. In den meterlangen Nervenfasern sorgen Neurofilamente und Mikrotubuli für den Transport von Substanzen (z. B. Neurotransmitter) oder cytoplasmatischen Zellstrukturen (z. B. Lysosomen). Besondere Ansammlungen von Mikrotubuli im Cytoplasma bilden Centriolen, die am Aufbau der Kernteilungsspindel beteiligt sind.

1.3.7 Zell-Zell-Verbindungen

Elemente des Cytoskeletts unterstützen die Ausbildung von Zellverbindungen, die den Aufbau und Zusammenhalt größerer Zellverbände ermöglichen. Die Desmosomen sind dabei mit Cytokeratinen (Tonofilamente, intermediäre Filamente) und die Zonulae adhaerentes mit Actinfilamenten assoziiert ( ▶ Abb. 1.5a). Besonders an der Membran verankerte Proteine wie z. B. Zonula-occludens-Proteine (ZO) und die TransmembranproteineJAM (junctional adhesion molecule), Occludin und die Claudine 1–27 ( ▶ Abb. 1.5b) von Epithelzellen (z.B. in Darm, Leber und Niere) und Endothelzellen (z.B. bestimmte Kapillarendothelien) bilden leistenförmige Kontaktstellen zwischen benachbarten Zellen (Schlussleisten, tight junctions, Zonula occludens). Dies ermöglicht die unterschiedliche Ausstattung des apikalen und basolateralen Bereichs der Zelle mit Membrankomponenten (z.B. kann so der Cotransporter SGLT1 bei einer Dünndarmschleimhautzelle gezielt in die Bürstensaummembran eingebaut werden, während die Na+/K+-Pumpe auf die basolaterale Seite der Zelle gelangt, ▶ Abb. 12.10). So wird eine Polarisierung der Zelle erreicht (z. B. ▶ Abb. 1.1).

Abb. 1.5 Zell-Zell-Verbindungen.

Abb. 1.5a Schematische Darstellung der möglichen Zell-Zell-Verbindungen, die entweder gürtelartige Barrieren in Epi- oder Endothelverbänden bilden (tight junctions), Zellen punktartig aneinanderheften (Desmosomen und Zonulae adhaerentes) oder elektrisch/chemisch untereinander koppeln (gap junctions). Die hexagonale Struktur der Connexone besteht aus je sechs Connexinen; zwei Connexone bilden eine gap junction.

Abb. 1.5b Schematische Darstellung der transmembranalen Grundstrukturen der tight junction. Die Claudine haben bezüglich der Barrierebildung sehr unterschiedliche Funktionen: Viele dichten ab (z.B. Claudin-1), während einige andere sogar das Gegenteil bewirken, indem sie parazellulär verlaufende Kanäle bilden (z.B. Claudin-2). Die genaue Funktion von Occludin ist noch nicht bekannt, wahrscheinlich hat es eine Barrierefunktion.

Räumlich gesehen umgeben die tight junctions eine polarisierte Zelle wie ein Gürtel (0,2–0,5µm breit), sodass eine Epi- oder Endothelzelle viele enge Kontakte zu ihren Nachbarzellen eingehen kann. Die Abstände zwischen den Kontaktstellen stellen quasi Poren dar, wenn auch mit sehr engem Durchmesser (z.B. im Jejunum 0,8nm). Die Claudine haben bezüglich der Barrierebildung sehr unterschiedliche Funktionen: Viele dichten ab (z.B. Claudin-1), während einige andere sogar das Gegenteil bewirken, indem sie parazellulär verlaufende Kanäle schaffen (z.B. Claudin-2). Die tight junctions bilden damit eine mehr oder weniger dichte Barriere (unterschiedliche ▶ „tightness“), um die ungeordnete Diffusion von Molekülen und Stoffen zwischen den Zellen im Zellverband hindurch (parazellulärer Transportweg) zu verhindern oder kontrollieren zu können. Die Regulation der tight junctions wird durch eine Reihe komplexer Signalwege gesteuert, an denen eine breite Palette ganz unterschiedlicher Substanzen, die z.T. von den betroffenen Zellen selbst gebildet werden, beteiligt ist. Dazu zählen Wachstumsfaktoren, Cytokine, Hormone, G-Proteine, Calciumionen, Proteinkinasen, Mikroorganismen oder Produkte von Mikroorgansimen (z.B. im Dickdarm) und Xenobiotika („fremde Stoffe“).

Tab. 1.3 

Zell-Zell-Kontakte. Für die Aufrechterhaltung des Gewebeverbandes, die Organisation von Gewebeschichten und gerichteten Stofftransport sind Kontaktverbindungen unerlässlich.

Nomenklatur

Beteiligte Proteine

Hauptfunktion

Tight junction(Zonula occludens)

Claudine

Occludine

kontrolliert den parazellulären Transport und die laterale Diffusion von Stoffen wie z.B. Proteinen und sorgt so für eine polare Differenzierung von Zellen, meist Abdichtung zwischen Körperinnerem und -äußerem

Haftzone(Zonula adhaerens)

Cadherine

Mikrofilament

Actinfilamente

gürtelförmige mechanische Stabilisierung benachbarter Zellen, Verbindung mit dem Cytoskelett

Desmosom(Macula adhaerens)

Cadherine

Tonofilament

statische punktförmige Stabilisierung im Zellverband

Hemidesmosom

Integrine

Anheftungsproteine

Intermediärfilamente

Fixierung von Zellen auf der Basallamina

Fokale Kontakte

Integrine

Anheftungsproteine

Actinfasern

dynamische punktförmige Kontakte zwischen Zellen und extrazellulärer Matrix

Gap junction(Nexus)

sechs Connexine (=ein Connexon)

Proteinporen zum Stoffaustausch zwischen benachbarten Zellen (z.B. Dünndarmepithel) und elektrischer Kommunikation (z.B. glatte Muskulatur). Als Connexon bezeichnet man den porenbildenden Komplex aus jeweils sechs Connexin-Molekülen. Zwei Connexone bilden einen gap-junction-Kanal, der die Membranen zweier aneinandergrenzender Zellen durchquert und so die Cytoplasmen zweier benachbarter Zellen miteinander verbindet.

In anderen Zellen, wie den glatten Muskelzellen des Gastrointestinaltraktes oder bei der Herzmuskulatur, sind die Zellmembranen benachbarter Zellen durch sich gegenüberliegende Connexone verbunden (gap junctions). Diese hexagonalen Strukturen bestehen aus je sechs identischen Polypeptiden (Connexine), die eine cytoplasmatische Verbindung zwischen den beteiligten Zellen herstellen, die sowohl eine elektrische Kopplung als auch den Durchtritt kleiner Moleküle ermöglichen. Jede Zelle bildet damit praktisch einen „Halbkanal“ durch die eigene Zellmembran, die an ein gegenüberliegendes Connexon in der Nachbarzelle bindet, sodass ein Kanal entsteht, der das Cytosol beider Zellen miteinander verbindet. Gewebe wie etwa das Herz, bei dem sehr viele gap junctions exprimiert werden, bilden ein funktionelles Syncytium. Die Durchlässigkeit der Connexone kann u. a. durch die aktuelle cytoplasmatische Ca2+-Konzentration reguliert werden. Eine Übersicht über diese und weitere Formen von Zellkontakten zwischen einzelnen Zellen gibt ▶ Tab. 1.3 .

In aller Kürze

Die Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht, die zahlreiche Proteine enthält. Dadurch werden die Kontrolle der Stoffaufnahme und -ausscheidung, die Zell-Zell-Erkennung und der Informationsaustausch mit der Umwelt ermöglicht.

1.4 Besondere Funktionen der Zellmembran

1.4.1 Barriere zwischen Intra- und Extrazellularraum

Die Zellmembran bildet aufgrund ihres speziellen Aufbaus eine Barriere zwischen dem Intra- und Extrazellularraum. Dadurch werden unterschiedliche Zusammensetzungen an Ionen und Proteinen zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren aufrechterhalten ( ▶ Tab. 1.4 ).

Tab. 1.4 

Typische Konzentrationen der wichtigsten Ionen im Extra- und Intrazellularraum bei Haus- und Nutztieren.

Ionenart

ExtrazellularraumBlutplasma(mmol · l–1)

IntrazellularraumCytosol(mmol · l–1)

Verhältnisaußen/innen

Kationen

Natrium (Na+)

142

10 (8–30)

14:1

Kalium (K+)

4

155 (100–155)

1:39

Calcium (Ca2+)

2,5

0,1–1 μmol · l–1

> 2500:1 !

andere Kationen

2,5*

10*

–

insgesamt

151

175

Anionen

Chlorid (Cl–)

103

4 (4–30)

26:1

anorganisches Phosphat (HPO42–, H2PO4–)

1,5

50

1:33

anorganisches Sulfat (SO42–)

0,5

9

1:18

Bicarbonat (HCO3–)

27

10 (8–15)

2,7:1

organische Säuren und Proteinat

7

42*

1:6

insgesamt

139

115

–

Summe der Kationen und Anionen

290

290

–

*Schätzung

Im Extrazellularraum ist Na+ das häufigste Kation und Cl– das häufigste Anion, im Intrazellularraum sind ihre Konzentrationen um das 15- bzw. 25-Fache geringer. Dieser ausgeprägte Konzentrationsgradient für Cl–-Ionen gilt für Nerven- und quergestreifte Muskelzellen und kann bei anderen Geweben, beispielsweise Epithelien, deutlich geringer sein. Im Intrazellularraum ist K+ mehr als ca. 40-fach höher konzentriert als im Extrazellularraum. Adäquat hohe Konzentrationen an großmolekularen Anionen, unter denen organische Säuren und unterschiedlich stark negativ geladene Proteine (Proteinate) zu verstehen sind, sorgen für die notwendige Elektroneutralität im Intrazellularraum (Prinzip der Elektroneutralität). Gleiches gilt entsprechend für den Extrazellularraum.

Aus ▶ Tab. 1.4  geht ebenfalls hervor, dass zwischen dem Extra- und Intrazellularraum kein osmotischer Gradient herrscht, da die Gesamtkonzentration der gelösten Substanzen jeweils gleich ist.

1.4.2 Transport durch Diffusion

Die Zellmembran ermöglicht einen kontrollierten Stoffaustausch zwischen Extra- und Intrazellularraum. Dabei wird in Abhängigkeit der am jeweils betrachteten Stofftransport beteiligten Membranbestandteile zwischen der nichtselektiven und der selektiven Permeabilität der Membran unterschieden. Die nichtselektive Membranpermeabilität ermöglicht es vor allem Nichtelektrolyten wie Wasser, O2 und CO2 sowie kleinen polaren (z. B. Ethanol und Harnstoff) und lipophilen Substanzen (z. B. Steroidhormone), mittels Diffusion durch die Membran zu gelangen. Diffusion erfolgt „bergab“ entlang des Konzentrationsgradienten. Die Stoffmenge (dm), die hierbei pro Zeitdifferenz (dt) durch eine permeable Membran gelangt, wird durch das Fick’sche Diffusionsgesetz beschrieben ( ▶ Abb. 1.6). Vereinfacht hängt die Diffusion proportional von der Diffusionsfläche (A) und indirekt proportional von der Diffusionsstrecke (d) ab. Das heißt, dass eine größere Fläche zu einer vermehrten Diffusion durch die Membran und eine dickere Membran zu einer verringerten Diffusion beiträgt. Die Triebkraft der Diffusion ist die Konzentrationsdifferenz (ΔC) und als Proportionalitätsfaktor geht der von Medium und Stoffeigenschaften abhängige Diffusionskoeffizient (D) in die Formel ein. Die Permeabilität für eine Substanz definiert sich aus dem Quotienten von D zu d und besitzt die Dimension einer Geschwindigkeit (cm · s–1). Damit ist dieser Vorgang innerhalb physiologisch vorkommender Konzentrationen nicht sättigbar ( ▶ Abb. 1.6). Für den ▶ pulmonalen Gasaustausch ist die Diffusion beispielsweise von großer Bedeutung.

Abb. 1.6 Diffusion.

Abb. 1.6a Die Ionenverteilung von Anionen (rot) und Kationen (blau) zwischen Intra- und Extrazellularraum ist eine entscheidende Grundlage zum Verständnis von Funktionsprozessen der Zelle. Diese Verteilung ist hier für ausgewählte Kandidaten grob den Konzentrationen entsprechend zum besseren Verständnis symbolisch dargestellt. In Ruhe ist an Nervenzellen die Leitfähigkeit für K+ am höchsten, gefolgt von Na+ und Cl–, und zwar im Verhältnis von 1 zu 0,45 zu 0,04. Die Pfeile (dicke für Ionen, für die die Membran eine hohe Permeabilität aufweist; dünne für Ionen, für die die Membran basal eine niedrige Permeabilität hat) geben die Richtung der chemischen Gradienten an.

Abb. 1.6b Die Diffusion durch die Zellmembran folgt den Gesetzmäßigkeiten des Fick’schen Diffusionsgesetzes. Sie ist nicht sättigbar und nichtselektiv (z.B. für O2, CO2, N2 oder Steroide). m=Stoffmenge, t=Zeit, D=Diffusionskoeffizient, A=Diffusionsfläche, d=Diffusionsstrecke, ∆C=Konzentrationsdifferenz.

1.4.3 Transport über Membranproteine

Für geladene Ionen wie Na+, K+ und Cl– sowie hydrophile Substanzen wie Glucose und Aminosäuren stellt die Lipidphase der Zellmembran eine fast impermeable Barriere dar, sodass sich die Stoffe nur sehr langsam oder praktisch überhaupt nicht mittels einfacher Diffusion durch die Lipiddoppelschicht in die Zelle hinein- oder herausbewegen können. Trotzdem findet für diese Substanzen ein Austausch zwischen Extra- und Intrazellularraum statt, der durch membranständige Transportproteine und/oder relativ selektive Kanäle ermöglicht wird. Auf diese Weise bildet die Zellmembran eine selektive Permeabilität für von sich aus schlecht permeierende Substanzen aus.

1.4.3.1 Primär aktiver Transport

Als aktiver Transport wird im Allgemeinen ein Prozess bezeichnet, bei dem der Nettofluss „bergauf“ erfolgt und Energie in Form von ATP bereitgestellt werden muss. Ist die Spaltung von ATP direkt mit dem Transport der entsprechenden Ionen gekoppelt, so wird von primär aktivem Transport gesprochen. Besonders gut untersuchte ▶ Transportsysteme dieser Art sind die Na+/K+-ATPase, die Ca2+-ATPase (z.B. im Muskel) und verschiedene Protonenpumpen (z.B. H+/K+-ATPase im Magen, H+-ATPase im Sammelrohr der Niere). Man unterscheidet zwischen elektrogenen (z.B. Ca2+-ATPase oder H+-ATPase) und elektroneutralen (z.B. H+/K+-ATPase) primär aktiven Transportern ( ▶ Abb. 1.7), die u.a. auch als „Pumpen“ bezeichnet werden.

Abb. 1.7 Primär aktive Transporter (Pumpen) können Ionen unter Energieverbrauch (ATP-Spaltung) entgegen einem Konzentrationsgefälle transportieren.

1.4.3.2 Transport durch Kanäle

Kanäle sind membrandurchspannende Proteine, die eine Art Tunnel bilden, der mit hydrophilen Aminosäureresten ausgekleidet ist, sodass die hydrophilen Substrate (in der Regel Ionen) durch die Membran diffundieren können. Sie können in mindestens zwei Konformationen, nämlich offen (Ionenfluss möglich) oder geschlossen (Ionenfluss unterbrochen), existieren. Kanäle können stochastisch, d. h. zufällig, vom Offen- in den Geschlossenzustand übergehen. Die Wahrscheinlichkeit, mit der dies geschieht, kann aber von der Zelle im Regelfall gesteuert werden; siehe Kap. ▶ Ionale Basis des Aktionspotenzials. Kanäle werden nach dem Ion, für das sie am besten permeabel sind, benannt. Kanäle besitzen die höchsten Transportraten aller Transportproteine, da die Wechselwirkungen zwischen Ion und Protein bei der Passage im Vergleich zu den nachfolgend erklärten sogenannten Carriern nur gering sind. Der Stofftransport durch geöffnete Kanäle erfolgt im Prinzip nach den Gesetzen der Diffusion in Richtung der „treibenden“ Kräfte und ist unabhängig von Energiebereitstellung (passiv) und wie die Diffusion bei den vorhandenen physiologischen Konzentrationen nicht sättigbar ( ▶ Abb. 1.8). Soweit es sich um geladene Teilchen handelt, muss neben dem chemischen Gradienten auch die elektrische Potenzialdifferenz über der Zellmembran (elektrischer Gradient) berücksichtigt werden. Diese beiden Gradienten können entweder einzeln oder gemeinsam als elektrochemischer Gradient auf den Ionenfluss einwirken.

Neben Ionenkanälen gibt es auch Wasserkanäle (Aquaporine), die die relativ hohe Wasserpermeabilität der meisten Zellmembranen ( ▶ Abb. 1.3