Taschenatlas Physiologie E-Book

Stefan Silbernagl

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

Seitenzahl: 840

Veröffentlichungsjahr: 2018

Beschreibung

So funktioniert der menschliche Körper!

In diesem Taschenatlas der Physiologie finden Sie alles, was Sie über die menschlichen Körperfunktionen und für das Verständnis der pathologischen Abweichungen wissen müssen. Freuen Sie sich auf ein Nachschlagewerk, in dem Sie das gesamte Prüfungswissen der ärztlichen Vorprüfung im Fach Physiologie rasch einsehen können. Jede Doppelseite erklärt die physiologischen Zusammenhänge prägnant in Text und Bild.

Was ist neu?

• Komplett überarbeitet und fachlich aktualisiert
• Erweiterung um Text-Bild-Einheiten zu den Themen Alter, Neuronale Netzwerke und Diagnostische Verfahren

Leseprobe

Taschenatlas Physiologie

Stefan Silbernagl, Agamemnon Despopoulos, Andreas Draguhn

9., vollständig überarbeitete Auflage

204 Abbildungen

Vorwort zur 9. Auflage

Das Wissen in der Physiologie hat sich seit der letzten Auflage wieder deutlich erweitert und vertieft. Eines der daran beteiligten Forschungsfelder ist die Epigenetik, die sich mit der Frage befasst, wie die Aktivität der Gene und damit die Entwicklung der Zelle gesteuert wird. Dabei geht es um solche Änderungen der Genfunktion, die nicht auf Mutation beruhen und trotzdem an Tochterzellen weitergegeben werden können.

Diese und viele weitere neue Erkenntnisse waren Anlass, in die Neuauflage zahlreiche Abschnitte einzufügen, so z.B. über Ursachen und mögliche Beeinflussung des Alterns, über die vielfältige Rolle, die Megalin und Cubilin bei der Rückgewinnung von wichtigen Proteinen aus dem Primärharn spielen, über die komplexe Regelung des Knochenstoffwechsels, über neue Hungersignale sowie über die Immunverträglichkeit von Mutter und Kind während der Schwangerschaft. Einer Aktualisierung der neurophysiologischen Anteile des Buchs hat sich erfreulicherweise Prof. Dr. Andreas Draguhn vom Institut für Physiologie und Pathophysiologie der Universität Heidelberg als neuer Mitautor angenommen.

Da die Approbationsordnung für Ärzte fordert, pathophysiologische Zusammenhänge und klinische Bezüge schon im vorklinischen Studienabschnitt zu unterrichten, sind dahingehende Hinweise weiterhin konsequent durch blaue Boxen hervorgehoben. Diese sollen es erleichtern, die Bedeutung des jeweiligen Physiologiestoffs für die klinische Ausbildung und die spätere Tätigkeit in der Medizin mit einem Blick zu erkennen. (s.a. S. Silbernagl und F. Lang: Taschenatlas der Pathophysiologie, Thieme Verlag)

Besonders dankbar sind wir für die wertvollen Anregungen aufmerksamer Leser, v.a. von Thomas Adler, Paul Brettel, Dr. Michael Fischer, Thomas Härtel, PD Dr. Armin Just, Dipl. Päd. Annette Kuballa, Dr. Lothar Markus, Dr. Friedrich Merkert, Malte Ohlmeier, Gautier Picard, Sebastian Schulz, Prof. Dr. Carsten Stick, Katrin Thieme, Jakob Vogel.

Bei der Überarbeitung zahlreicher Bilder und der grafischen Umsetzung der neuen Tafeln war die seit Jahrzehnten so hervorragend bewährte Zusammenarbeit mit Herrn Rüdiger Gay und Frau Astried Rothenburger, Sternenfels, erneut eine ganz besondere Freude. Mit ihrem großen Engagement sowie ihrer außergewöhnlichen Professionalität haben sie wieder entscheidend zur Teamarbeit an dieser Neuauflage beigetragen. Sehr bedanken möchten wir uns auch beim Verlag, so bei Frau Marianne Mauch für ihre ebenso kompetente wie freundliche Betreuung über all die Jahre, bei Frau Dr. Karin Hauser für ihre stets zuverlässige Redaktionsarbeit und bei Frau Anja Jahn für ihre wertvolle Arbeit bei der Herstellung. Bei Frau Katharina Völker bedanken wir uns für die erneut äußerst sorgfältige Erstellung des Registers.

Würzburg und Heidelberg, im März 2018

Stefan Silbernagl und Andreas Draguhn

Vorwort zur 1. Auflage

In diesem Buch wird versucht, das aus morphologischen Fächern der Medizin bekannte Prinzip des Altas auf die anschauliche Darstellung physiologischer, also vorwiegend funktioneller Zusammenhänge anzuwenden.

Einleitend werden die Maßsysteme (SI-Einheiten) und die wichtigsten Grundlagen der Physiologie beschrieben. Das eigentliche Stoffgebiet ist dann in überschaubare Bild/Text-Einheiten aufgegliedert, was dem Leser ein konzentriertes Studium in sich abgeschlossener Themen erleichtern soll. Der nötige Zusammenhang zwischen den einzelnen Abschnitten wird durch ausgiebige Querverweise hergestellt. Die erste Tafel/Text-Einheit eines jeden Kapitels ist als Einführung in das betreffende Gebiet gedacht. Besonders komplizierte Themen sind in mehrere solcher Einheiten mit zunehmender Differenzierung aufgegliedert.

Es kann nicht Aufgabe eines Taschenatlas sein, die gesamte Physiologie erschöpfend darzustellen. Wir haben darum versucht, die wesentlichen Aspekte dieses Wissensgebietes anschaulich zu machen und Bezüge zur Pathophysiologie herzustellen, wobei wir für kritische Anregungen und Hinweise dankbar sind.

Das Buch soll Studenten der Medizin und Biologie in das Basiswissen der Humanphysiologie einführen, ihnen später bei der Examensvorbereitung hilfreich sein und dem klinischen Mediziner, dem Biologen und dem im Biologieunterricht tätigen Pädagogen als übersichtliches Nachschlagewerk zur Auffrischung seines bereits erworbenen Wissens dienen. Ein umfangreiches Register will dies erleichtern.

Der Atlas soll zudem bei der Ausbildung in der Krankenpflege, in medizinisch-technischen und in heil- und sportpädagogischen Berufen behilflich sein. Besonders für diesen Leserkreis wurde der Wissensstoff in Groß- und Kleingedrucktes unterteilt, um allgemein Wichtiges von speziellen und ergänzenden Abschnitten zu unterscheiden.

Schließlich möchten die Autoren auch den Schülern der Biologie-Arbeitsgruppen in höheren Schulen und anderen biologisch-medizinisch interessierten Laien das Wissen über die Funktionen des menschlichen Körpers nahe bringen. Fachausdrücke wurden deshalb großteils in die Umgangssprache übersetzt bzw. erläutert.

Das Zustandekommen dieses Buches ist ohne die qualifizierte Mitarbeit von Herrn Wolf-Rüdiger Gay und Frau Barbara Gay bei der bildlichen Gestaltung des Atlas nicht denkbar. Ihnen und den Mitarbeitern der Verlage, die unseren Wünschen in sehr großzügiger Weise entgegenkamen, möchten wir ebenso danken wie Herrn Professor Dr. Horst Seller und Herrn Dozent Dr. Rainer Greger, die bestimmte Kapitel kritisch durchsahen, Frau Ines Inama, Frl. Sarah Jones und Frau Gertraud Vetter, die bei der Manuskripterstellung sehr hilfreich waren, und Frau Dr. Heidi Silbernagl, deren fundierte Kritik beim Korrekturlesen äußerst wertvoll war.

Innsbruck und Basel, im August 1978

Stefan Silbernagl und Agamemnon Despopoulos

Vorwort zur 2. Auflage

Am 2. November 1979, als die 1. Auflage dieses Buches gerade im Druck war, stachen Agamemnon Despopoulos und seine Frau Sarah Jones-Despopoulos mit ihrem Segelboot von Bizerta, Tunesien, aus mit der Absicht in See, den Atlantik zu überqueren. Sie sind seither vermißt, und es besteht wohl keine Hoffnung mehr, sie jemals lebend wiederzusehen.

Dieser Atlas wäre ohne den Enthusiasmus und die kreative Begabung von Agamemnon Despopoulos kaum zustande gekommen. Es war daher auch nicht leicht, dieses Buch jetzt allein fortzuführen. Unter Wahrung unseres ursprünglichen gemeinsamen Konzeptes, das offensichtlich großen Anklang gefunden hat, habe ich das Buch gründlich überarbeitet, um dem fortgeschrittenen Stand physiologischen Wissens und den willkommenen Anregungen aus dem Kreis der Leser weitgehend gerecht zu werden.

Dr. Agamemnon Despopoulos, 1924 in New York geboren, war bis 1971 Professor für Physiologie an der University of New Mexico, Albuquerque, USA, und danach wissenschaftlicher Berater der Fa. Ciba-Geigy, Basel.

Würzburg, im Sommer 1983

Stefan Silbernagl

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 9. Auflage

Vorwort zur 1. Auflage

Vorwort zur 2. Auflage

1 Grundlagen, Zellphysiologie

1.1 Der Körper: Ein offenes System mit innerem Milieu

1.1.1 Steuerung und Regelung

1.2 Die Zelle

1.3 Transport in, durch und zwischen Zellen

1.4 Passiver Transport durch Diffusion

1.5 Osmose, Filtration und Konvektion

1.6 Aktiver Transport

1.7 Zellmigration

1.8 Elektrische Membranpotenziale und Ionenkanäle

1.9 Zilien als Motoren, Sensoren und Entwicklungshelfer

1.10 Rolle der Ca2+-Ionen bei der Zellregulation

1.11 Energieumsatz

1.12 Altern

1.12.1 Kann Altern verzögert werden?

2 Nerv und Muskel, Arbeit

2.1 Bau und Funktion der Nervenzelle

2.2 Ruhemembranpotenzial

2.3 Aktionspotenzial

2.4 Fortleitung des Aktionspotenzials in der Nervenfaser

2.5 Künstliche Reizung von Nervenzellen

2.6 Synaptische Übertragung

2.7 Motorische Endplatte

2.8 Motilität und Muskelarten

2.9 Motorische Einheit des Skelettmuskels

2.10 Kontraktiler Apparat der quergestreiften Muskelfaser

2.10.1 Kontraktion der quergestreiften Muskelfaser

2.11 Mechanische Eigenschaften von Skelett- und Herzmuskel

2.12 Glatte Muskulatur

2.13 Energiequellen der Muskelkontraktion

2.14 Der Organismus bei körperlicher Arbeit

2.15 Körperliche Leistungsfähigkeit, Training

3 Vegetatives Nervensystem

3.1 Organisation des vegetativen Nervensystems

3.2 Acetylcholin und cholinerge Übertragung

3.3 Catecholamine, adrenerge Übertragung und Adrenozeptoren

3.4 Nicht-cholinerge, nicht-adrenerge Transmitter im VNS

4 Blut

4.1 Blutkomponenten und -aufgaben

4.2 Eisenstoffwechsel, Erythropoese

4.3 Fließeigenschaften des Blutes

4.4 Blutplasma, Ionenverteilung

4.5 Immunabwehr

4.6 Überempfindlichkeitsreaktionen (Allergien)

4.7 Blutgruppen

4.8 Blutstillung (Hämostase)

5 Atmung

5.1 Lungenfunktion, Atmung

5.2 Atemmechanik

5.3 Reinigung der Atemluft

5.4 Künstliche Beatmung

5.5 Pneumothorax

5.6 Lungenvolumina und ihre Messung

5.7 Totraum und Residualvolumen

5.8 Druck-Volumen-Beziehung von Lunge und Thorax, Atemarbeit

5.9 Oberflächenspannung der Alveolen

5.10 Dynamische Atemtests

5.11 Gasaustausch in der Lunge

5.12 Lungendurchblutung, Ventilations-Perfusions-Verhältnis

5.13 Alveolär-arterielle O2-Differenz

5.14 Hypoxämie

5.15 CO2-Transport im Blut

5.16 CO2-Bindung im Blut

5.17 CO2 im Liquor

5.18 O2-Bindung und -Transport im Blut

5.19 Gewebeatmung, Hypoxie

5.20 Atmungsregulation, Atemreize

5.21 Atmung beim Tauchen

5.22 Atmung in großen Höhen

5.23 O2-Vergiftung

6 Säure-Basen-Haushalt

6.1 pH-Wert, Puffer, Säure-Basen-Gleichgewicht

6.2 Der Bicarbonat-Kohlendioxid-Puffer

6.3 Azidosen und Alkalosen

6.3.1 Nichtrespiratorische (metabolische) Störungen

6.3.2 Respiratorische Störungen

6.4 Messung der Säure-Basen-Verhältnisse

7 Niere

7.1 Aufgaben und Bau der Nieren

7.2 Nierendurchblutung

7.3 Glomeruläre Filtration, Clearance

7.4 Transportvorgänge am Nephron

7.5 Resorption organischer Substanzen

7.6 Ausscheidung organischer Stoffe

7.7 Resorption von Na+ und Cl−

7.8 Wasserresorption und Harnkonzentrierung

7.9 Wasserhaushalt des Körpers

7.10 Regulation des Salz- und Wasserhaushalts

7.10.1 Diurese und Diuretika

7.11 Niere und Säure-Basen-Haushalt

7.12 Resorption und Ausscheidung von Phosphat, Ca2+ und Mg2+

7.13 Kaliumhaushalt

7.14 Tubuloglomeruläre Rückkoppelung, Renin-Angiotensin-System

8 Herz und Kreislauf

8.1 Übersicht

8.2 Blutgefäßsystem und Blutströmung

8.3 Aktionsphasen des Herzens

8.4 Erregungsbildung und -leitung im Herzen

8.5 Elektrokardiogramm (EKG)

8.5.1 Herzerregung bei Elektrolytstörungen

8.6 Rhythmusstörungen des Herzens

8.7 Druck-Volumen-Beziehung der Herzventrikel

8.8 Herzarbeit und Herzleistung

8.9 Regulation des Herzschlagvolumens

8.10 Venöser Rückstrom

8.11 Arterieller Blutdruck

8.12 Austauschvorgänge am Endothel

8.13 O2-Versorgung des Myokards

8.14 Kreislaufregulation

8.15 Kreislaufschock

8.16 Der Kreislauf vor und bei der Geburt

9 Wärmehaushalt und Thermoregulation

9.1 Wärmehaushalt

9.2 Thermoregulation

10 Ernährung, Verdauung

10.1 Ernährung

10.2 Energieumsatz und Kalorimetrie

10.3 Energiehomöostase, Körpergewicht

10.4 Magen-Darm-Trakt (MDT): Übersicht, Immunabwehr, Durchblutung

10.5 Nervale und hormonale Integration

10.6 Speichel

10.7 Schlucken

10.8 Erbrechen

10.9 Magen: Bau und Motilität

10.10 Magensaft

10.11 Dünndarm: Bau und Motilität

10.12 Pankreas

10.13 Galle

10.14 Ausscheidungsfunktion der Leber, Bilirubin

10.15 Fettverdauung

10.16 Lipidverteilung und -speicherung

10.17 Verdauung und Absorption von Kohlenhydraten und Eiweiß

10.18 Vitaminabsorption

10.19 Absorption von Wasser und Mineralstoffen

10.20 Dickdarm, Darmentleerung, Fäzes

11 Hormone, Reproduktion

11.1 Integrationssysteme des Körpers

11.2 Die Hormone

11.3 Humorale Signale: Regelung und Wirkungen

11.4 Intrazelluläre Weitergabe extrazellulärer Botenstoffsignale

11.5 Hypothalamus-Hypophysen-System

11.6 Kohlenhydratstoffwechsel, Pankreashormone

11.7 Schilddrüsenhormone

11.8 Calcium-, Phosphat- und Magnesiumhaushalt

11.9 Biosynthese der Steroidhormone

11.10 Nebennierenrinde: Glucocortico(stero)ide

11.11 Oogenese, Menstruationszyklus

11.12 Hormonale Regelung des Menstruationszyklus

11.13 Östrogene

11.14 Progesteron

11.15 Immunverträglichkeit Mutter/Kind

11.16 Hormonale Regelung von Schwangerschaft und Geburt

11.17 Prolactin

11.18 Oxytocin

11.19 Androgene, Hodenfunktion

11.20 Sexualreflexe, Kohabitation, Befruchtung

12 Zentralnervensystem und Sinne

12.1 Bau des Zentralnervensystems

12.2 Liquor

12.3 Funktionsprinzipien neuronaler Netzwerke

12.4 Aufnahme und Verarbeitung von Reizen

12.5 Hautsinne

12.6 Tiefensensibilität, Dehnungsreflex

12.7 Schmerz

12.8 Weiterleitung somatosensorischer und propriozeptiver Reize im ZNS

12.9 (Senso-)Motorik

12.10 Hypothalamus, limbisches und motivationssteuerndes System

12.11 Kortexorganisation, EEG

12.12 Diagnostische Verfahren und Stimulationstechniken des ZNS

12.13 Zirkadiane Rhythmik, Schlafstadien

12.14 Neuronale Mechanismen der Vigilanz

12.15 Lernen, Gedächtnis, Sprache

12.16 Glia

12.17 Geschmackssinn

12.18 Geruchssinn

12.19 Gleichgewichtssinn

12.20 Aufbau des Auges, Tränenflüssigkeit, Kammerwasser

12.21 Der optische Apparat des Auges

12.22 Sehschärfe, Photosensoren

12.23 Anpassung des Auges an unterschiedlich starkes Licht

12.24 Retinale Verarbeitung des Sehreizes

12.25 Farbensehen

12.26 Gesichtsfeld, Sehbahn und Sehreizverarbeitung im ZNS

12.27 Augenbewegungen, plastisches Sehen und Tiefenwahrnehmung

12.28 Schallphysik, Schallreiz und Schallempfindung

12.29 Schallleitung und Schallsensoren

12.30 Schallreizverarbeitung im ZNS

12.31 Stimme und Sprache

13 Anhang

13.1 Messgrößen und Maßeinheiten

13.1.1 Bruchteile und Vielfache von Maßeinheiten

13.1.2 Länge, Fläche, Volumen

13.1.3 Geschwindigkeit, Frequenz, Beschleunigung

13.1.4 Kraft, Druck

13.1.5 Arbeit, Energie, Wärmemenge

13.1.6 Masse, Stoffmenge

13.1.7 Elektrische Größen

13.1.8 Temperatur

13.1.9 Konzentration, Fraktion und Aktivität

13.1.10 Osmolalität, osmotischer und onkotischer Druck

13.1.11 Osmolalität und Tonizität

13.1.12 Onkotischer (kolloidosmotischer) Druck

13.1.13 pH-Wert, pK-Wert, Puffer

13.2 Potenzen und Logarithmus

13.3 Grafische Darstellung von Messdaten

13.4 Das griechische Alphabet

13.5 Normalwerte

13.5.1 Gesamtorganismus und Zelle

13.5.2 Herz und Kreislauf

13.5.3 Organdurchblutung in Ruhe

13.5.4 Lunge und Gastransport

13.5.5 Niere und Ausscheidung

13.5.6 Ernährung und Stoffwechsel

13.5.7 Nervensystem, Muskel

13.5.8 Blut u. a. Körperflüssigkeiten

13.5.9 Liquor cerebrospinalis (Lumballiquor)

13.6 Wichtige Formeln der Physiologie

13.7 Weiterführende und ergänzende Literatur

13.7.1 Gesamte Physiologie

13.7.2 Einzelgebiete der Physiologie

13.7.3 Pathophysiologie

13.7.4 Pharmakologie

13.7.5 Wissenschaftliche Tabellen und medizinische Lexika

13.7.6 Zeitschriften

Anschriften

Sachverzeichnis

Impressum

1 Grundlagen, Zellphysiologie

1.1 Der Körper: Ein offenes System mit innerem Milieu

„... wenn man einen lebenden Organismus auseinander nimmt, indem man seine verschiedenen Teile isoliert, tut man das nur zur Erleichterung der experimentellen Analyse und keineswegs, um sie getrennt zu verstehen. In der Tat, will man einer physiologischen Eigenschaft ihren Wert und ihre wirkliche Bedeutung zumessen, muss man sie immer auf das Ganze beziehen und darf endgültige Schlussfolgerungen nur im Zusammenhang mit ihren Wirkungen auf das Ganze ziehen.“

Claude Bernard (1865)

Leben in der einfachsten Form führt uns die Existenz eines Einzellers vor Augen. Schon für ihn gilt es, zwei für sein Überleben notwendige, aber im Prinzip gegensätzliche Forderungen zu erfüllen: Einerseits muss er sich gegen die „Unordnung“ der unbelebten Umgebung abschotten; andererseits ist er als ▶ „offenes System“ auf den Austausch von Wärme, Sauerstoff, Nahrungs- und Abfallstoffen sowie von Informationen mit seiner Umgebung angewiesen.

Stellen wir uns das Urmeer als die Umgebung des Einzellers vor (.eps ▶ Abb. 1.1A), so lebt er in einem weitgehend gleich bleibenden Milieu, auch wenn er daraus Nahrung aufnimmt oder nicht mehr Verwertbares dorthin abgibt. Trotzdem ist auch der Einzeller bereits in der Lage, auf Signale aus der Umwelt, z. B. auf Änderungen der Nahrungsstoffkonzentration, mit Pseudopodien oder Geißeln motorisch zu reagieren.

Die Entwicklung vom Einzeller zum Vielzeller, die Spezialisierung von Zellgruppen zu Organen, das Auftauchen der Zweigeschlechtlichkeit und des Zusammenlebens in sozialen Gruppen sowie der Übergang vom Wasser zum Land haben die Leistungs- und Überlebensfähigkeit, den Aktionsradius und die Unabhängigkeit der Lebewesen immens erhöht. Voraussetzung dafür war allerdings die gleichzeitige Entwicklung einer komplexen Infrastruktur im Organismus. Die einzelne Zelle im Körper braucht nämlich nach wie vor das Milieu des Urmeers zum Leben und Überleben. Es ist die Flüssigkeit im Extrazellulärraum, die diese konstanten Umgebungsverhältnisse nun bieten muss ( ▶ Abb. 1.1B). Ihr Volumen ist aber jetzt nicht mehr unendlich groß, ja es ist sogar kleiner als das ▶ intrazelluläre Volumen. Durch ihre Stoffwechselaktivität würden die Zellen den Gehalt dieser Flüssigkeit an Sauerstoff und Nährstoffen sehr rasch erschöpfen und ihre Umgebung mit Abfallprodukten überschwemmen, wenn sich nicht Organe entwickelt hätten, die dieses „innere Milieu“ dadurch aufrechterhalten (Homöostase), dass sie neue Nahrung, Elektrolyte und Wasser aufnehmen sowie Endprodukte mit Stuhl (via Galle) und Urin ausscheiden. Über den Blutkreislauf sind diese Organe mit jedem Winkel des Körpers verbunden, wo der Stoffaustausch zwischen Blut und Zwischenzellraum (Interstitium) für ein konstantes Milieu der Zellen sorgt. Für die Aufnahme von Nahrungsstoffen und deren Aufbereitung, Stoffwechsel und Verteilung im Körper sind u. a. der Verdauungstrakt und die Leber verantwortlich. Die Lunge sorgt für den Gasaustausch (O2-Aufnahme, CO2-Ausscheidung), Leber und Niere für die Ausscheidung von Abfall- und Fremdstoffen und die Haut für die Wärmeabgabe. Eine wichtige Funktion bei der Regulation (s. u.) des „inneren Milieus“ haben u. a. die Niere (Wasserbestand, Osmolalität, Ionenkonzentrationen, pH-Wert) und die Lunge (O2- und CO2-Drücke, pH-Wert) ( ▶ Abb. 1.1B).

Eine solche Spezialisierung von Zellen und Organen für bestimmte Aufgaben bedarf natürlich der Integration. Konvektiver Ferntransport, humorale Informationsübermittlung (Hormone) und elektrische Signalübertragung im Nervensystem sorgen u. a. dafür. Sie dienen nicht nur der Ver- und Entsorgung und damit der Konstanthaltung des „inneren Milieus“ auch unter extremen Anforderungen und Belastungen, sondern steuern und regeln auch Funktionen, die dem Überleben im weiteren Sinne, der Arterhaltung, dienen. Die zeitgerechte Entwicklung der Sexualorgane und die Bereitstellung befruchtungsfähiger Keimzellen nach Erreichen der Geschlechtsreife gehören dazu ebenso wie die Steuerung von Erektion, Ejakulation, Befruchtung und Ei-Einnistung, die Abstimmung der Funktionen von mütterlichem und fetalem Organismus während der Schwangerschaft sowie die Regelung des Geburtsvorganges und der Laktationsperiode.

Das Zentralnervensystem, das einerseits Signale peripherer Sensoren, der Sinneszellen und -organe, verarbeitet, andererseits nach außen gerichtete Effektoren, die Skelettmuskeln, aktiviert und endokrine Drüsen beeinflussen kann, rückt schließlich ganz in den Mittelpunkt, wenn tierisches oder gar menschliches Verhalten in diese Betrachtung einbezogen wird. Es dient nicht „nur“ der Nahrungs- und Wassersuche, dem Schutz vor Hitze oder Kälte, der Partnerwahl, der Sorge für die Kinder noch lange nach der Geburt und der Integration in Sozialsysteme, sondern auch dem Entstehen, dem Ausdruck und der Verarbeitung etwa dessen, was wir mit Begriffen wie Lust, Unlust, Wunsch, Glück, Wut, Zorn, Angst und Neid, aber auch Kreativität, Neugier, Selbsterfahrung und Verantwortung verbinden. Hier werden die Grenzen der Physiologie, also der Lehre von den Funktionen des Körpers im engeren Sinne, die Inhalt dieses Buches ist, schon weit überschritten. Verhaltensforschung, Soziologie und Psychologie sind damit einige der Nachbardisziplinen der Physiologie, wobei bisher allerdings ein echter Brückenschlag zwischen der Physiologie und diesen Gebieten nur ausnahmsweise gelungen ist.

1.1.1 Steuerung und Regelung

Sinnvoll kooperieren können die spezialisierten Organe des Körpers nur, wenn ihre Funktionen auf die jeweiligen Bedürfnisse abgestimmt werden können, d. h., sie müssen steuer- und regelbar sein. Steuerung heißt, dass eine Zustandsgröße, z. B. der Blutdruck, gezielt verändert wird, etwa durch Änderung der ▶ Herzfrequenz. Wegen der vielen sonstigen Einflüsse auf Blutdruck und Herzfrequenz ist dieses Ziel allerdings nur dann erreichbar, wenn der tatsächlich erreichte Blutdruck wiederholt registriert, mit dem gewünschten Wert verglichen und Abweichungen laufend nachkorrigiert werden. Ist etwa der Blutdruck beim raschen Aufstehen aus dem Liegen abgesunken, so wird die Herzfrequenz so lange erhöht, bis er wieder einigermaßen normalisiert ist. Die Steigerung der Herzfrequenz hört dann auf, und, wenn der Blutdruck jetzt über den Normalwert ansteigt, wird sie wieder gesenkt. Eine Steuerung mit einer solchen negativen Rückkoppelung wird Regelung genannt. Zum Regelkreis ( ▶ Abb. 1.2C1) gehört der Regler, dem das Regelziel (Sollwert) vorgegeben wird und von dem aus Funktionen (Stellglieder) zur Erreichung dieses Ziels angesteuert werden. Den Kreis schließen Sensoren, die den tatsächlichen Wert (Istwert) der zu regelnden Größe laufend messen und an den Regler zurückmelden, wo der Istwert mit dem Sollwert verglichen und von wo aus nachgeregelt wird, wenn Störgrößen den Istwert verändert haben. Der Regelkreis läuft dabei entweder im Organ selbst (Autoregulation) oder über ein übergeordnetes Organ (Zentralnervensystem, Hormondrüse) ab. Im Vergleich zur Steuerung können die Komponenten der Regelung relativ ungenau arbeiten, ohne dass der Sollwert (zumindest im Mittel) verfehlt wird. Außerdem können unerwartete Störgrößen (bei der Blutdruckregelung [ ▶ Abb. 1.2C2] etwa ein Blutverlust) bei der Regelung berücksichtigt werden. Regler, die eine Größe konstant halten, heißen Halteregler. Bei ihnen sind es die Störgrößen, die Abweichungen des Istwertes vom Sollwert verursachen ( ▶ Abb. 1.3D2). Im Organismus ist der Sollwert allerdings selten eine unveränderliche Konstante, sondern kann „verstellt“ werden, wenn übergeordnete Bedürfnisse dies erfordern. In diesem Fall ist es die Sollwertverstellung, die eine Istwert-Sollwert-Differenz bewirkt und damit die Stellglieder aktiviert ( ▶ Abb. 1.3D3). Hier folgt die Regelung der Sollwertverstellung (und nicht der Störgröße), sodass man von Folge- oder Servoregelung spricht. ▶ Fieber und die Verstellung der geregelten Muskellänge durch ▶ Muskelspindeln und γ-Motoneuronen sind Beispiele dafür.

Geregelt sind im Körper nicht nur relativ einfache Größen wie Blutdruck, Zell-pH-Wert, Muskellänge, Körpergewicht und die Glucosekonzentration im Plasma, sondern auch – und gerade – so komplexe Abläufe wie Befruchtung, Schwangerschaft, Wachstum, Organdifferenzierung sowie die Verarbeitung von Sinnesreizen und die motorische Aktivität der Skelettmuskulatur, etwa bei Aufrechterhaltung des Körpergleichgewichts im Stehen und Laufen. Der Regelprozess kann nur Millisekunden dauern (z. B. gezielte Bewegung), oder sich, wie beim Wachstum, über viele Jahre hinziehen.

In den oben beschriebenen Regelkreisen kann ein im Mittel konstanter Istwert mit mehr oder weniger großen, wellenförmigen Abweichungen eingehalten werden. Beim plötzlichen Auftreten einer Störgröße sind die Abweichungen besonders groß, doch ebben sie in einem stabilen Regelsystem bald wieder ab (E, Proband 1). Solche Schwankungen können nur wenige Prozent betragen, in anderen Fällen aber auch recht beträchtlich sein. So schwankt der Blutzuckerspiegel nach Mahlzeiten etwa um den Faktor 2. Offenbar sollen dabei nur Extremwerte (Hypo- bzw. Hyperglykämie) sowie chronische Abweichungen verhindert werden. Je genauer ein Regelziel eingehalten werden soll, desto empfindlicher muss die Regelung sein (hoher Verstärkungsfaktor). Dies verlängert allerdings die Dauer der Einschwingungsvorgänge ( ▶ Abb. 1.3E, Proband 3) und macht die Regelung im Extremfall instabil, d. h. der Istwert schwankt dann zwischen Extremwerten hin und her (Regelschwingung, ▶ Abb. 1.3E, Proband 4).

Die Istwertschwankungen nach Auftreten einer Störgröße, lassen sich dadurch dämpfen, dass (a) das Sensorsignal umso stärker ist, je rascher sich der Istwert aus seiner Solllage entfernt ▶ (D[ifferenzial]-eigenschaften des Sensors) und (b) das voraussichtliche Ausmaß der Störung schon vorab an den Regler gemeldet wird (Störgrößenaufschaltung). Letzteres ist bei der Thermoregulation verwirklicht, bei der die Kältesensoren der Haut bereits eine Gegenregulation auslösen, bevor sich der ▶ Istwert (Kerntemperatur) überhaupt verändert hat. Den Nachteil von D-Sensoren im Regelkreis illustrieren die arteriellen Pressosensoren bei der akuten Blutdruckregulation: Sehr langsame, aber stetige Änderungen, wie etwa die Entwicklung eines arteriellen Hochdrucks, entgehen der Regelung, ja rasche Blutdrucksenkungen bei einem Hochdruckpatienten werden u. U. sogar mit einer Wiederanhebung des Drucks beantwortet. Für die langfristige Blutdruckregulation sind also andere Regelkreise erforderlich.

Abb. 1.1 Äußeres und inneres Milieu

Abb. 1.2 Steuerung und Regelung I

Abb. 1.3 Steuerung und Regelung II

1.2 Die Zelle

Die Zelle ist die kleinste Einheit des Lebendigen, d. h., die Zelle (und keine kleinere Einheit) ist in der Lage, die Grundfunktionen des Organismus, also Stoffwechsel, Wachstum, Bewegung, Vermehrung und Vererbung (W. Roux), ▶ zu erfüllen. Wachstum, Vermehrung und Vererbung sind durch Zellteilung möglich.

Zellbestandteile sind die äußere Zellmembran, die das Zytoplasma und die darin eingebetteten subzellulären Strukturen mit eigener Membranbegrenzung umschließen, die Zellorganellen ( ▶ Abb. 1.4A, B). Das Zytoplasma besteht aus dem Zytosol mit den darin gelösten Stoffen und dem Zellskelett. Die Organellen der eukaryotischen Zelle sind hochspezialisiert. Ihr genetisches Material z. B. ist größtenteils im Zellkern konzentriert, ihre „Verdauungs“-Enzyme in Lysosomen, und ihre oxidative ATP-Produktion findet in den Mitochondrien statt.

Der Zellkern enthält innerhalb seiner Kernmembran den Kernsaft (Karyolymphe), den Kernkörper (Nucleolus) und Chromatin mit den Trägern der erblichen Information, den Desoxyribonukleinsäuren (desoxyribonucleic acids, DNA). Die DNA-Doppelstränge (Doppelhelix; bis zu 7 cm Länge) sind an Histone (basische Strukturproteine) gebunden. Acht Histonproteine (jeweils zwei von vier Typen) bilden den Kern eines Nukleosoms, auf dem jeweils 146 Basenpaare eines DNA-Strangs aufgerollt sind. Nach weiteren „Verpackungsschritten“ entstehen die 10 μm langen Chromosomen. Der Mensch besitzt davon 46, nämlich 22 Autosomen-Paare sowie 2 X-Chromosomen (Frau) bzw. 1 X- und 1 Y-Chromosom (Mann). Die DNA besteht aus einer Kette dreiteiliger Moleküle, den Nukleotiden, die je eine Pentose (Desoxyribose), Phosphat und eine Base enthalten: Am Zucker des monotonen Zucker-Phosphat-„Rückgrats“ (... Desoxyribose-Phosphat-Desoxyribose...) hängt je eine von vier verschiedenen Basen. Das Muster der Basenfolge stellt den genetischen Code für je eines der mehr als 30 000 unterschiedlichen Proteine dar, die eine einzige Zelle während ihres Lebens synthetisiert (Genexpression). Zwei solcher DNA-Stränge sind in der Doppelhelix über die sich jeweils gegenüberliegenden Basen verbunden, immer Adenin (A) mit Thymin (T) und Guanin (G) mit Cytosin (C). Die Basenfolge des einen DNA-Bandes ( ▶ Abb. 1.5E) ist daher stets ein „Spiegelbild“ des anderen. Somit kann ein Strang als Matrix zur Neusynthese eines komplementären Strangs mit identischem Informationsgehalt dienen, was vor jeder Zellteilung zur Verdoppelung der Erbinformation genutzt wird (Replikation).

Die Codeweitergabe von der DNA im Kern (Basensequenz) an die Proteinsynthese im Zytosol (Aminosäurensequenz) besorgen Ribonukleinsäuren: m[essenger]RNA ( ▶ Abb. 1.5C1). Sie werden im Zellkern gebildet und unterscheiden sich von der DNA dadurch, dass sie nur aus einem Strang bestehen und dass sie statt Desoxyribose Ribose und statt Thymin Uracil (U) enthalten. Auf der DNA-Kette ist jede Aminosäure (z. B. Glutamat, ▶ Abb. 1.5E) des späteren Proteins durch drei aufeinander folgende Basen (Basentriplet, im Beispiel: C-T-C) codiert (Codogen). Beim Ablesen der DNA wird in die mRNA ein dem Codogen komplementäres Basentriplet (im Beispiel: G-A-G), das Codon, eingebaut (E). Die Ablesung des Codons in den Ribosomen ( ▶ Abb. 1.5C2) ist Aufgabe der (relativ kurzen) t(ransfer)RNA, die ein dem Codon wiederum komplementäres Basentriplet (im Beispiel C-U-C), das Anticodon, enthält ( ▶ Abb. 1.5E).

Die RNA-Synthese im Zellkern steht unter der Kontrolle von RNA-Polymerasen (Typ I–III), deren Einwirkung auf die DNA normalerweise durch ein Repressorprotein blockiert ist. Wird der Repressor beseitigt (Derepression) und werden außerdem die generellen Transkriptionsfaktoren an die sog. Promotorsequenz der DNA (z. B. T-A-T-A im Falle der RNA-Polymerase II) gebunden, so wird die Polymerase phosphoryliert. Derart aktiviert, löst diese nun an einer bestimmten Stelle die beiden DNA-Ketten voneinander, sodass an einer davon der Code abgelesen und in Form einer mRNA-Kette umcodiert werden kann (Transkription,▶ Abb. 1.5C1a, D). Diese von der Polymerase synthetisierte hnRNA (heterogenous nuclear RNA) wird am 5'-Ende mit einer Kappe und am 3'-Ende mit einem Polyadenin-Schwanz versehen ( ▶ Abb. 1.5D) und anschließend sofort in eine Hülle von Proteinen „eingepackt“, sodass hnRNPs (heterogenous nuclear ribonucleoprotein particles) entstehen. Deren primäre RNA oder Prä-mRNA enthält nicht nur Basensequenzen, die als Code für die Aminosäuren des zu bildenden Proteins dienen (Exons), sondern auch solche, die nichts mit der eigentlichen Codierung zu tun haben (Introns). Die Introns, die 100 bis 10 000 Nukleotide enthalten können, werden aus der primären mRNA-Kette herausgetrennt (Splicing,▶ Abb. 1.5C1b, D) und abgebaut, wobei die Introns selbst die Information zur präzisen Trennstelle enthalten. Das Splicing ist ATP-abhängig und wird durch Zusammenwirken zahlreicher Proteine in einem Ribonucleoprotein-Komplex (Spliceosom) bewerkstelligt. Introns machen gewöhnlich den Löwenanteil der Prä-mRNA aus. Beim Gerinnungsfaktor VIII, der 25 Introns enthält, sind es z. B. 95 % der Nukleotidkette. Im Rahmen der posttranskriptionalen Modifikation kann die mRNA schließlich noch modifiziert werden (z. B. Methylierung).

Mitochondriale DNA (mtDNA). Lange nach der Entdeckung und Charakterisierung der nukleären DNA wurde in den 1960er Jahren auch eine solche in den Nukleoiden der mitochondrialen Matrix gefunden. Sie besteht aus einem ringförmigen Doppelstrang, auf dem sich u. a. einige der Gene für die Enzyme der Atmungskette befinden. Der größte Teil der mitochondrialen Proteine wird jedoch im Zytoplasma synthetisiert (s. o.). Vererbt wird die mtDNA nur von der Mutter, da väterliche Mitochondrien bei der Befruchtung der Eizelle nicht weitergegeben werden.

Die Kernhülle besteht aus zwei Phospholipiddoppelmembranen, die an den Kernporen ineinander übergehen. Diese beiden Membranen sind unterschiedlich zusammengesetzt, wobei die äußere ein Kontinuum mit der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER; s. u.) bildet ( ▶ Abb. 1.6F).

Die aus dem Kern exportierte mRNA erreicht die Ribosomen ( ▶ Abb. 1.5C1), die entweder frei im Zytosol schwimmen oder an die zytosolische Seite des endoplasmatischen Retikulums (ER) gebunden sind (s. u.). Jedes Ribosom besteht aus Dutzenden von Proteinen, die mit mehreren Struktur-RNA-Molekülen (r[ibosomale]RNA) assoziiert sind. Die zwei Untereinheiten des Ribosoms werden im Nucleolus aus zahlreichen rRNA-Genen transkribiert und verlassen getrennt den Zellkern durch die Kernporen. Zusammengefügt als Ribosom steht dann eine biochemische „Maschine“ für die Proteinsynthese (Translation) zur Verfügung ( ▶ Abb. 1.5C2). Zur Bildung der Peptidkette ist eine (für jede der 21 proteinogenen Aminosäuren) jeweils spezifische tRNA notwendig, an die an ihrem C-C-A-Ende (für alle tRNAs gleich) die einzubauende Aminosäure gebunden ist, und an der sich am anderen Ende das betreffende Anticodon befindet, das das Codon auf der mRNA erkennt ( ▶ Abb. 1.5E). (Das Ribosom enthält zwei tRNA-Bindungsstellen, nämlich eine für die zuletzt eingebaute und eine für die daneben einzubauende Aminosäure; nicht in ▶ Abb. 1.5E gezeigt.) Die Synthese beginnt mit der Ablesung eines Start-Codons und endet mit der des Stop-Codons. Danach zerfällt das Ribosom in seine 2 Untereinheiten und löst sich von der mRNA ( ▶ Abb. 1.5C2). Die Syntheserate eines Ribosoms beträgt etwa 10 – 20 Aminosäuren/s. Der mRNA-Strang wird allerdings meist von mehreren Ribosomen gleichzeitig (an verschiedenen Stellen) abgelesen (Poly[ribo]somen), sodass die Rate der Proteinsynthese wesentlich höher ist als die seiner mRNA. Im Knochenmark z. B. werden so insgesamt rund 5  ·  1014 Hämoglobin-Kopien à 574 Aminosäuren/s hergestellt.

Die mikroRNA (= miRNA oder miR) wurde erst vor etwa 25 Jahren beschrieben. Es sind kurze (ca. 22 Nucleotide), haarnadelförmige, nicht kodierende RNAs (= ncRNA), die bei der posttranskriptionalen Genregulation, insbesondere bei der Stilllegung von Genen (Silencing), eine wichtige Rolle spielen. Ihre Funktion üben sie u. a. dadurch aus, dass sie spezifisch an mRNA binden, deren Translation sie erschweren oder ganz unterbinden, u. U. aber auch erleichtern.

Kurze ncRNAs stammen z.T. von langen ncRNAs (IncRNAs). Letztere haben oft regulatorische Funktion. So inaktiviert z.B. die IncRNA des XIST-Gens das X-Chromosom.

Das endoplasmatische Retikulum(ER; ▶ Abb. 1.5C, ▶ Abb. 1.6F) spielt eine zentrale Rolle bei der Protein- und Lipidsynthese der Zelle und dient zudem als intrazellulärer Ca2+-Speicher ( ▶ Abb. 1.8, A). Es besteht aus einem netzähnlichen Labyrinth verzweigter Kanäle und flacher Bläschen, deren Innenräume (Zisternen; ca. 10 % des Zellvolumens) miteinander verbunden und von einer Membran umgeben sind, die bis zu 70 % der Membranmasse der Zelle ausmachen kann. An der Außenseite eines Teils des ER sind diejenigen Ribosomen angeheftet (raues ER), die die Transmembranproteine ( ▶ Abb. 1.7G) für Plasmamembran, ER, Golgi-Apparat, Lysosomen etc. sowie die Exportproteine synthetisieren. Bei Beginn der Synthese eines Proteins (Start am Aminoende) durch ein (vorerst noch freies) Ribosom entsteht eine Signalsequenz, an die im Zytoplasma ein SRP (signal-recognition particle) bindet. Dies hat zur Folge, dass (a) die Synthese vorübergehend angehalten und (b) das Ribosom (unter Vermittlung des SRP und eines SRP-Rezeptors) an einen Ribosomrezeptor der ER-Membran gebunden wird. Erst dann geht die Synthese weiter. Bei der Exportprotein-Synthese wird die Peptidkette nach Syntheseende durch ein Translokatorprotein in die Zisterne abgegeben. Bei der Synthese von Membranproteinen wird, je nach Anzahl der Membran-spannenden Domänen ( ▶ Abb. 1.7G2), die Synthese mehrmals durch Schließung des Translokatorproteins unterbrochen und die jeweilige (hydrophobe) Peptidsequenz seitlich in die Phospholipidmembran geschoben. Ein ER ohne Ribosomen wird glattes ER genannt. Hier werden u. a. Lipide synthetisiert (z. B. für die ▶ Lipoproteine). Die vom ER gebildeten Proteine werden samt Membran (Lipide) in Form sich abschnürender Bläschen weiter zum Golgi-Apparat transportiert.

synthetisiert Polysaccharide,

modifiziert Proteine (posttranslationale Modifikation), z. B. Glykosylierung von Membranproteinen an bestimmten Aminosäuren (geschieht z. T. schon im ER), die später als Glykokalix an der Zellaußenseite ▶ zu liegen kommen, oder ▶ γ-Carboxylierung von Glutamatresten,

phosphoryliert Zuckeranteile von Glykoproteinen (z. B. zu Mannose-6-Phosphat, s. u.) und

„verpackt“ für den Export bestimmte Proteine in sekretorische Vesikel (Sekretgranula), deren Inhalt in den Extrazellulärraum exozytiert ▶ wird.

Der Golgi-Apparat stellt daher v. a. eine zentrale Modifikations-, Sortier- und Verteilerstation der vom ER übernommenen Proteine und Lipide dar.

Die Regelung der Genexpression geschieht auf der Stufe der Transkription ( ▶ Abb. 1.5C1a), der RNA-Modifikation ( ▶ Abb. 1.5C1b), des mRNA-Exports ( ▶ Abb. 1.5C1c), der RNA-Hemmung (s. o.), des RNA-Abbaus ( ▶ Abb. 1.5C1d), der Translation ( ▶ Abb. 1.5C1e), der Modifikation und Sortierung ( ▶ Abb. 1.7Ff) und des Proteinabbaus ( ▶ Abb. 1.7Fg).

Epigenetik. Der ▶ genetische Code wird vererbt und ist auch noch im Acht-Zell-Stadium des Embryos unverändert vorhanden. Diese Zellen sind totipotent, d.h. aus jeder von ihnen kann ein ganzer Organismus entstehen. Bei späteren Zellteilungen entstehen dann aber mehr und mehr spezialisierte Zellen, deren jeweilige Funktion festgelegt ist. Bei unverändertem Erbgut geschieht diese Festlegung durch biochemische Modifikation einzelner DNA-Basen und von Histonen, so durch Methylierung und Acetylierung. Auch die Umwelt hat auf diese epigenetischen Prozesse Einfluss, da eineiige Zwillinge als Kleinkinder epigenetisch noch ganz ähnlich sind, aber im Alter sehr voneinander abweichen können, wenn ihr Leben verschieden verlaufen ist. Nach der ▶ Vereinigung von Spermie und Eizelle werden die epigenetischen Veränderungen wieder (weitesgehend) entfernt, sodass der daraus entstehende Embryo anfänglich wieder totipotent ist.

Die Mitochondrien ( ▶ Abb. 1.4A, B, u. ▶ Abb. 1.8B) sind u. a. der Ort der Kohlenhydrat- und Lipidoxidation zu CO2 und H2O unter O2 -Verbrauch. Der Zitronensäurezyklus, die Atmungskette und die damit verknüpfte ATP-Bildung laufen u. a. dort ab. Reich an Mitochondrien sind stoffwechsel- und transportintensive Zellen, z. B. Leberzellen bzw. Darm- und Nierenepithelzellen. Die Mitochondrien sind von einer glatten äußeren Membran und einer inneren Membran umgeben, die die Matrix einhüllt, zur Oberflächenvergrößerung tief gefaltet ist (Cristae) und wichtige Transportaufgaben hat ( ▶ Abb. 1.8B). Die Mitochondrien gehen stammesgeschichtlich wahrscheinlich auf eingewanderte aerobe Bakterien zurück, die ursprünglich mit der ansonsten anaeroben Zelle in Symbiose lebten (Symbiontenhypothese). Ein Relikt sind die der bakteriellen DNA ähnliche miRNA und die Doppelmembran der Mitochondrien. Auch sie besitzen Ribosomen zur Synthese einiger ihrer Proteine (s. o.).

Lysosomen sind Vesikel ( ▶ Abb. 1.6F g), die dem ER (via Golgi-Apparat) entstammen und der intrazellulären „Verdauung“ von Makromolekülen dienen. Diese werden per Endozytose (z. B. Albumin im Nierentubulus, ▶ Abb. 7.6) oder per Phagozytose (z. B. ▶ Bakterien durch Makrophagen) in die Zelle aufgenommen oder entstammen dem Abbau zelleigener Organellen (Autophagie, z. B. von Mitochondrien), die in Autophagosomen angeliefert werden ( ▶ Abb. 1.4B, ▶ Abb. 1.6F). Endozytierte Membranteile werden z. T. erneut in die Zellmembran eingebaut (z. B. Rezeptorrecycling bei der ▶ rezeptorvermittelten Endozytose). Zwischenstationen dieses Vesikelverkehrs sind die frühen und späten Endosomen. Die späten Endosomen und die Lysosomen enthalten saure Hydrolasen (u. a. Proteasen, Nukleasen, Lipasen, Glykosidasen, Phosphatasen, die nur im Sauren aktiv sind), die Membran eine H+-ATPase (V-Typ), die das Innere der Lysosomen auf pH 5 ansäuert, sowie diverse Transportproteine, die (a) die „Verdauungsprodukte“ (z. B. Aminosäuren) ins Zytoplasma entlassen und (b) für den Ladungsausgleich der H+-Aufnahme sorgen (Cl–-Kanäle). Diese Enzyme und Transportproteine werden in primären Lysosomen aus dem Golgi-Apparat angeliefert. Als „Adresse“ dient dabei Mannose-6-Phosphat (M6P); dieses bindet an M6P-Rezeptoren in der Golgi-Membran, die wie bei der ▶ rezeptorvermittelten Endozytose mit Hilfe eines Clathrin-Gerüstes zusammengelagert werden. Im sauren Milieu werden die Proteine vom Rezeptor getrennt, und M6P wird dephosphoryliert. Die M6P-Rezeptoren werden recycelt (F). Die am M6P dephosphorylierten Proteine werden vom M6P-Rezeptor nicht mehr erkannt, was den Proteinen den Rückweg zum Golgi-Apparat abschneidet.

Die Peroxisomen enthalten (mittels einer Signalsequenz importierte) Enzyme, mit denen sie bestimmte organische Moleküle (R-H2), z. B. Purine, D-Aminosäuren und Fettsäuren, oxidieren: R–H2 + O2 ⇌ R + H2O2. Die ebenfalls in Peroxisomen vorkommende Katalase wandelt 2 H2O2 in O2 + H2O um und oxidiert u. a. Toxine, z. B. Alkohol.

Zellmembran. Während die Membranen der Organellen für die intrazelluläre Kompartimentierung sorgen, dient die Zellmembran ( ▶ Abb. 1.7G) v. a. der Abschirmung des Zellinneren gegen den ▶ Extrazellulärraum. Sie besteht aus einer Lipiddoppelschicht ( ▶ Abb. 1.7G1) und ist glatt oder tief gefaltet (z. B. Bürstensaum und basales Labyrinth; ▶ Abb. 1.4B). Sie enthält, je nach Zelltyp, unterschiedliche Anteile von Phospholipiden (v. a. Phosphatidylcholin [ ▶ Abb. 1.7G3], -serin und -ethanolamin sowie Sphingomyelin), Cholesterin (= Cholesterol) und Glykolipide (z. B. Cerebroside), deren hydrophobe Teile einander zugekehrt sind, während die hydrophilen Anteile der wässrigen Umgebung, also Extrazellulärflüssigkeit bzw. Zytosol, zugewandt sind ( ▶ Abb. 1.7G4). Die Lipidzusammensetzung der beiden Membranblätter ist sehr unterschiedlich; die Glykolipide finden sich nur in der Außenschicht (s. u.). Cholesterin (in beiden Schichten) senkt die Membranfluidität und die Permeabilität für polare Stoffe. In diese zweidimensional fluide Lipidmembran eingelagert sind Proteine, die, je nach Membrantyp, 25 (Myelinmembran) bis 75 % (innere Mitochondrienmembran) der Membranmasse ausmachen und von denen viele einmal ( ▶ Abb. 1.7G1) oder mehrmals ( ▶ Abb. 1.7G2) durch die ganze Lipiddoppelschicht hindurchreichen (Transmembranproteine) und z. B. als Ionenkanäle, Carrier oder Hormonrezeptoren dienen. In der Membran verankert sind die Proteine mit ihren lipophilen Aminosäureresten oder durch Anlagerung an bereits in die Membran eingebaute Proteine. Einige Membranproteine sind frei in der Membran beweglich, andere am Zytoskelett verankert, z. B. der Anionenaustauscher der Erythrozyten. Die Zelloberfläche ist weitgehend mit der Glykokalix bedeckt, die aus den Zuckeranteilen der Glykoproteine und Glykolipide der Zellmembran ( ▶ Abb. 1.7G1,4) sowie aus solchen der extrazellulären Matrix besteht. Die Glykokalix vermittelt Zell-Zell-Interaktionen (Oberflächenerkennung, Zellandockung u. Ä.). Selektine sind z. B. Membranproteine des Endothels, die an Glykokalixkomponenten der ▶ Leukozyten andocken.

Das Zytoskelett ermöglicht der Zelle, verschiedene Formen anzunehmen (u. a. bei der Zellteilung), sich gezielt zu bewegen (Migration, Zilien) und intrazelluläre Transporte (Vesikel, Mitose) zu leiten. Es enthält Aktinfilamente, vom Zentrosom ausgehende Mikrotubuli und Intermediärfilamente, wie Vimentin-, Desmin-, Neuro- und Keratinfilamente.

Abb. 1.4 Die Zelle I

Abb. 1.5 Die Zelle II

Abb. 1.6 Die Zelle III

Abb. 1.7 Die Zelle IV

1.3 Transport in, durch und zwischen Zellen

Die lipophile Zellmembran schottet das Zellinnere gegen die ganz anders zusammengesetzte ▶ Extrazellulärflüssigkeit ab. Dies ist Voraussetzung dafür, dass die Zelle ihr Innenmilieu unter Aufwendung von Stoffwechselenergie schaffen und aufrechterhalten kann. Kanäle (Poren), Carrier, ▶ Ionenpumpen und der Prozess der ▶ Zytose ermöglichen den transmembranalen Transport nur ganz bestimmter Stoffe, sei es den Import und Export von Stoffwechselsubstraten oder Metaboliten oder den gerichteten Transport von Ionen, mit dem u. a. das ▶ Zellpotenzial aufgebaut und geändert wird, was bei Nerven- oder Muskelzellen die Voraussetzung für deren Erregbarkeit ist. Auch die Folgen des Durchtritts von Substanzen, für die die Zellmembran meist relativ gut permeabel ist, z. B. Wasser und CO2, können durch gerichteten Transport anderer Substanzen gemildert werden. Unerwünschte Veränderungen des ▶ Zellvolumens und des zellinternen pH-Wertes z. B. sind so regulatorisch kompensierbar.

Intrazelluläre Transportprozesse Da das Zellinnere durch die diversen Membranen der Zellorganellen in ganz unterschiedliche Räume (Kompartimente) aufgeteilt ist und in einigen Zellen auch sehr weite intrazelluläre Strecken zu überwinden sind, existiert eine Vielzahl spezifischer intrazellulärer Transportprozesse. Beispiele dafür sind:

der RNA-Export und der Proteinimport durch die Kernporen der Kernhülle ( ▶ Abb. 1.5C),

der Proteintransport vom RER zum Golgi-Komplex ( ▶ Abb. 1.6F),

der ▶ axonale Transport in Nervenfasern, der Distanzen bis zu 1 m überwinden muss. Diese Transporte finden großteils entlang von Filamenten des Zytoskeletts statt. Unter Verbrauch von ATP werden von den Mikrotubuli z. B. Dynein-gebundene Vesikel in die eine und Kinesin-gebundene in die andere Richtung bewegt ( ▶ Abb. 1.6F; ▶ Abb. 1.18A4).

Intrazellulärer transmembranaler Transport geschieht u. a.

an den Lysosomen: Aufnahme von H+-Ionen aus dem Zytosol und Abgabe von Metaboliten, z. B. Aminosäuren, ▶ ins Zytosol;

am ER, das neben seinem ▶ Translokatorprotein u. a. auch zweierlei Ca2+-transportierende Proteine besitzt ( ▶ Abb. 1.8A): Mit einer Ca2+-ATPase kann Ca2+ aus dem Zytosol herausgepumpt werden und über einen Ca2+-Kanal das so gespeicherte Ca2+ auf ein Signal hin wieder ins Zytosol ▶ abgegeben werden;

an den Mitochondrien. Deren äußere Membran enthält große Poren (Porine; permeabel für Moleküle < 5 kDa) und ihre innere Membran spezifische Carrier und Enzyme in hoher Dichte ( ▶ Abb. 1.8B). Die Enzymkomplexe der Atmungskette übertragen Elektronen (e–) von einem hohen zu einem niedrigen Energieniveau und pumpen damit gleichzeitig H+-Ionen aus dem Matrixraum in den intermembranösen Raum ( ▶ Abb. 1.8B1). Dadurch entsteht ein in die Matrix gerichteter H+-Ionen-Gradient. Dieser treibt nun nicht nur die ATP-Synthase an (ATP-Produktion; ▶ Abb. 1.8B2), sondern u. a. auch den Einstrom von Pyruvat– und anorganischem Phosphat, Pi– (Symport; ▶ Abb. 1.8B2b,c u. ▶ sekundär aktiver Transport). Ca2+-Ionen, die im Muskel Ca2+-sensitive mitochondriale Enzyme regeln, können unter ATP-Verbrauch in den Matrixraum gepumpt werden ( ▶ Abb. 1.8B2); somit können die Mitochondrien eine Art Pufferraum für den Fall gefährlich hoher Ca2+-Konzentrationen im Zytosol bilden. Das (durch den H+-Austritt) innen negative Membranpotenzial treibt die Aufnahme von ADP3 – im Austausch gegen ATP4 – ; ( ▶ Abb. 1.8B2a) ▶ (potenzialgetriebener Transport).

Transport zwischen benachbarten Zellen Im Organismus findet Transport auch zwischen benachbarten Zellen statt, sei es durch Diffusion durch den Extrazellulärraum (z. B. parakrine Hormonwirkung) oder durch kanalartige Zellverbindungen (Konnexone) im Bereich bestimmter Membranareale (Gap Junctions= Nexus; ▶ Abb. 1.9C). Ein Konnexon ( ▶ Abb. 1.9C1) ist ein Halbkanal, der aus 6 Connexin-Molekülen ( ▶ Abb. 1.9C2) besteht und dem genau gegenüber ein Konnexon einer Nachbarzelle sitzt, sodass beide gemeinsam einen Kanal bilden, der Stoffe mit einer Molekülmasse bis etwa 1 kDa durchlässt. Da dies sowohl für Ionen (z. B. Ca2+) als auch für zahlreiche organische Stoffe (z. B. ATP) gilt, werden derartige Zellen zu einem engen elektrischen und metabolischen Verband gekoppelt, wie er z. B. in Epithelien, in der glatten Muskulatur des Magen-Darm-Trakts, im Uterus (am Ende der Schwangerschaft), in der Leber, im Myokard und in der Glia des ZNS verwirklicht ist. Die elektrische Koppelung erlaubt es z. B., dass sich die Erregung von Muskelzellen auf ihre Nachbarzellen ausbreitet und somit eine Erregungswelle über weite Teile eines Organs auslösen kann (Magen, Darm, Gallengang, Uterus, Ureter, Herzvorhof, Herzkammer usw., nicht aber Skelettmuskel; siehe z.B. auch ▶ Single-Unit-Typ). Auch bestimmte Neurone der Retina und des ZNS kommunizieren so (elektrische Synapse). Die ▶ Gap Junctions in der Glia und in den Epithelien ermöglichen es, dass Belastungen, die im Rahmen der Transport- und Barrierefunktionen (s. u.) auftreten, vom ganzen Zellverband gemeinsam getragen werden. Steigt allerdings in einer Zelle die Ca2+-Konzentration (Extremfall: Loch in der Zellmembran) oder die H+-Konzentration zu stark an, so schließen sich die Konnexone ( ▶ Abb. 1.9C3), d. h. die Zelle wird im Interesse des Funktionserhalts des ganzen Zellverbandes mit ihren Problemen allein gelassen.

Transport durch Zellverbände Die Trennfunktion zwischen „innen“ und „außen“ übernimmt bei Einzelzellen die Zellmembran. Im vielzelligen Organismus mit seinen größeren Räumen wird diese Funktion von Zellverbänden übernommen: Die Epithelien (Haut, Magen-Darm-Trakt, Urogenitaltrakt, Respirationstrakt u. a.), das Endothel der Blutgefäße und die Glia des ZNS sind solche großflächigen Barrieren. Sie trennen den allgemeinen Extrazellulärraum von Räumen mit ganz anderer Zusammensetzung ab, so etwa von der Luft (Haut, Bronchialepithel), vom Inhalt des Magen-Darm-Traktes, von mit Harn oder Galle gefüllten Räumen (Tubulus, Harnblase bzw. Gallenblase), vom Kammerwasser des Auges, vom Blutraum (Endothel), vom Liquor des Gehirns („Blut-Liquor-Schranke“) und vom Extrazellulärraum des ZNS („Blut-Hirn-Schranke“, s.u.). Trotz dieser Abtrennung muss es für bestimmte Substanzen natürlich auch Transportmöglichkeiten durch diese Zellverbände geben, also einen gerichteten transzellulären Transport, bei dem der Import in die Zelle auf der einen Seite mit dem Export auf der Gegenseite kombiniert ist.

Blut-Hirn-Schranke. Für die meisten Stoffe ist diese Barriere dicht, es sei denn, dass das Endothel der Hirnkapillaren eine spezifische Transportmöglichkeit für den betreffenden Stoff besitzt. Das Lipid LPC-DHA z.B. ist für das Wachstum und die Funktion des Gehirns notwendig. LPC-DHA ist im Blut an Albumin gebunden. Der kleine ungebundene Anteil wird auf der Blutseite der Hirnkapillaren vom dort lokalisierten Na+-Cotransporter (Mfsd2a) in die Endothelzelle aufgenommen und erreicht schließlich via Astrozyten die Gehirnzellen, wobei der Transport aus der Endothelzelle heraus noch unklar ist.

Im Gegensatz zu Zellen mit rundum gleichartigen Eigenschaften ihrer Plasmamembran (z. B. Blutzellen), handelt es sich bei Epi- und Endothelzellen bezüglich ihres Baues ( ▶ Abb. 1.4A, B) und ihrer Transportfunktion um polare Zellen. So enthält die apikale Membran (nach „außen“ gewandt) einer Epithelzelle einen anderen Satz an Transportproteinen als ihre basolaterale Membran auf der Blutseite.

Durch Zellbarrieren kann jedoch nicht nur transzellulär transportiert werden, sondern auch zwischen den Zellen hindurch: parazellulärer Transport. Bestimmte Epithelien (z. B. im Dünndarm und im proximalen Nierentubulus) sind in dieser Hinsicht für kleine Moleküle relativ durchlässig („leck“), andere sind dagegen weniger leck (z. B. distales Nephron, Kolon). Dies hängt davon ab, wie stark die Schlussleisten ausgebildet sind und welche Proteine sie enthalten: Occludine, JAM [junction adhesion molecule] und Claudine. So sind bisher 16 Claudine bekannt, die auch für die Spezifität der Durchlässigkeit entscheidend sind; z. B. ist ein intaktes Claudin 16 für die parazelluläre Mg2+-Resorption in der Henle-Schleife des Nierentubulus ▶ Voraussetzung.

Der parazelluläre Weg und das Ausmaß seiner Durchlässigkeit (z. B. Kationen- oder Anionenspezifität) sind wesentliche funktionelle Elemente des jeweiligen Epithels. Die Schranke des Endothels der Gefäßwände kann von Makromolekülen durch ▶ Transzytose überwunden werden, doch spielt auch in diesem Fall der parazelluläre Transport eine wesentliche Rolle, insbesondere natürlich beim fenestrierten Endothel. Anionische Makromoleküle wie das Albumin, das ja wegen seiner ▶ kolloidosmotischen Wirksamkeit in der Blutbahn verbleiben muss, werden dabei aufgrund von Wandladungen der Interzellularspalten und z. T. auch an den Fenstern zurückgehalten.

Ferntransport Schließlich ist auch ein Ferntransport zwischen den Organen des Körpers und zwischen ihm und der Außenwelt notwendig. Das wesentliche Transportprinzip ist hier die ▶ Konvektion.

Abb. 1.8 Transport I

Abb. 1.9 Transport II

1.4 Passiver Transport durch Diffusion

Überschichtet man z. B. Wasser mit O2-Gas, so diffundiert O2 entlang seines anfänglich hohen Gasdruckgefälles rasch ins Wasser hinein ( ▶ Abb. 1.10A2). Dort steigt infolgedessen der (bei Gasen statt der Konzentration verwendete) Partialdruck von O2 ( ), sodass O2 gleich in die nächste, O2-ärmere Wasserschicht weiterdiffundieren kann ( ▶ Abb. 1.10A1). Allerdings wird die Steilheit des  -Profils oder -Gradienten,  /dx, in jeder weiteren Schicht mit der Entfernung x von der O2-Quelle (exponentiell) immer kleiner ( ▶ Abb. 1.10A3), d. h. die sog. Diffusionsrate (= diffundierende Stoffmenge/Zeit) wird zunehmend geringer. Diffusion ist im Organismus also nur geeignet für einen Transport über kurze Strecken, wobei die Diffusion in Flüssigkeiten langsamer ist als die in Gasen.

Die Diffusionsrate (Jdiff [mol  ·  s– 1]) ist außerdem proportional der für die Diffusion zur Verfügung stehenden Fläche F und der absoluten Temperatur T sowie umgekehrt proportional der Viskosität η des Lösungsmittels und dem Radius r der diffundierenden Teilchen.

Nach der Stokes-Einstein-Gleichung werden T, η und r als Diffusionskoeffizient D zusammengefasst:

(1.1)

wobei die Proportionalitätskonstante R die allgemeine Gaskonstante (8,3144 J  ·  K– 1  ·  mol– 1) und NA die ▶ Avogadrokonstante ist.

Das 1. Ficksche Diffusionsgesetz (Adolf Fick 1855) lautet demnach:

(1.2)

Da die Trieb„kraft“, d. h. der Gradient dC/dx entlang der Diffusionsstrecke exponentiell abnimmt (s. o.), nimmt die Diffusionszeit mit dem Quadrat der Diffusionsstrecke exponentiell zu: Braucht ein bestimmtes Molekül für den ersten μm 0,5 ms, so sind es für 100 μm bereits 5 s und für 1 cm schon 14 h.

Wenn im o. g. Beispiel der freien O2-Diffusion in Flüssigkeit ( ▶ Abb. 1.10A2) der   über dem Wasser konstant gehalten wird, wird sich nach einiger Zeit der gleiche   auch in der Flüssigkeit eingestellt haben; die Nettodiffusion hört dann auf, es kommt zum Diffusionsgleichgewicht. Im Organismus ist die Diffusion von O2 aus der Lungenalveole ins Blut und von CO2 in umgekehrter Richtung ▶ ein Beispiel dafür.

(1.3)

Die Diffusionsrate ist also umso größer, je größer F, D und ΔC, und umso kleiner, je dicker die Trennwand (Δx) ist.

Bei der Diffusion durch die Lipidmembranen der Zelle ist zu berücksichtigen, dass sich hydrophile Substanzen in der Membran nur wenig lösen (s. intramembranaler Gradient in ▶ Abb. 1.10C1 im Vergleich zu ▶ Abb. 1.10C2) und diese daher mittels „einfacher“ Diffusion schwer durchdringen können. Ein Maß für die Lipidlöslichkeit eines Stoffes ist der Öl-Wasser-Verteilungskoeffizientk ( ▶ Abb. 1.10C).

Durch eine reine Phospholipiddoppelmembran wird ein Stoff umso rascher diffundieren, je höher sein k ist. (D). Gl. ▶ Formel 1.3 lautet nun

(1.4)

Während bei gleichem k der Molekülradius r (Gl 1.1) nach wie vor die Größe von D wesentlich mitbestimmt (vgl. z. B. Diethylmalonamid mit Ethylharnstoff in ▶ Abb. 1.11D), kann k bei gleichem r um viele Zehnerpotenzen variieren (vgl. z. B. Harnstoff mit Ethanol in D) und damit die Membrandurchlässigkeit (Permeabilität) entscheidend beeinflussen.

Da die Größen k, D und Δx im Organismus meist nicht bestimmbar sind, fasst man sie in der Praxis als Permeabilitätskoeffizient P zusammen, wobei

(1.5)

Bezieht man nun noch die Transportrate Jdiff [mol · s–1] auf die Fläche F, so heißt die umgeformte Gl. ▶ Formel 1.4 dann:

(1.6)

Die pro Fläche und Zeit (netto-)diffundierende Stoffmenge ist damit proportional zu ΔC und P (E, blaue Gerade mit der Steigung P).

Für die Diffusion von Gasen wird ΔC in Gl. ▶ Formel 1.4 durch ΔP ( ▶ Löslichkeitskoeffizient mal Partialdruckdifferenz) und Jdiff [mol · s–1] durch  [m3 · s–1] ersetzt. k · α · D wird dann zusammengefasst als „Diffusionsleitfähigkeit“ oder Krogh-Diffusionskoeffizient K [m2 · s– 1 · Pa– 1], sodass das 1. Ficksche Diffusionsgesetz in dieser Form lautet:

(1.7)

Da beim alveolären ▶ Gasaustausch F und Δx am Lebenden nicht bestimmbar sind, werden K · F/Δx für O2 oft als O2-Diffusionskapazität der Lunge DL zusammengefasst, sodass

(1.8)

Das bisher Gesagte hat die Diffusion elektrisch geladener Stoffteilchen (Ionen) nicht berücksichtigt. Für sie kommt hinzu, dass eine elektrische Potenzialdifferenz, z. B. an einer Zellmembran, eine weitere treibende „Kraft“ für Diffusion sein kann („Elektrodiffusion“): Positiv geladene Ionen (Kationen) werden dann auf die negativ geladene Membranseite wandern, negativ geladene Ionen (Anionen) auf die positiv geladene Seite. Voraussetzung für einen solchen Transport ist natürlich, dass die Membran durch ▶ eingebaute Ionenkanäle für das zu transportierende Ion durchlässig ist. Umgekehrt trägt jedes entlang eines Konzentrationsgefälles diffundierende Ion seine Ladung mit sich und erzeugt dadurch selbst ein elektrisches ▶ Diffusionspotenzial.

Infolge der elektrischen Ladung von Ionen kann der Permeabilitätskoeffizient des Ions X (= Px) umgewandelt werden in die elektrische Leitfähigkeit der Membran für dieses Ion, gx:

(1.9)

(1.10)

Im Gegensatz zu P ist g also konzentrationsabhängig. Wenn z. B. die extrazelluläre K+-Konzentration von 4 auf 8 mmol/kg H2O steigt (intrazellulär unverändert 160 mmol/kg H2O), so steigt  , und damit  , um 20 %.

Da die meisten biologisch wichtigen Stoffe so polar, also lipophob sind (kleines k), dass ihre einfache Diffusion durch die Membran viel zu langsam ablaufen würde, gibt es neben den Ionenkanälen weitere Membranproteine, sog. Carrier (Transporter), die das zu transportierende Molekül (z. B. Glucose) auf der einen Membranseite binden und sich (nach einer Konformationsänderung des Carriers) jenseits der Membran wieder von ihm trennen (G). Für den Transport durch solche Carrier (z. B. GLUT-Uniporter für ▶ Glucose, ist zwar, wie bei der einfachen Diffusion, ein Konzentrationsgefälle notwendig (passiver Transport), doch ist diese „erleichterte Diffusion“ andererseits sättigbar ( ▶ Abb. 1.11E) und spezifisch für strukturell ähnliche Stoffe, die sich auch gegenseitig kompetitiv hemmen können. Diese Eigenschaften haben solche Carrier mit denen für den ▶ aktiven Transport gemeinsam.

Abb. 1.10 Diffusion I

Abb. 1.11 Diffusion II

1.5 Osmose, Filtration und Konvektion

Wasser- oder Volumentransport (JV) durch Trennwände im Organismus geschieht durch Osmose (= Wasserdiffusion) oder durch Filtration. Dazu muss die Trennwand wasserdurchlässig sein (hydraulische Leitfähigkeit Kf), sodass ein osmotischer bzw. hydrostatischer Druckunterschied (Δπ bzw. ΔP) die Flüssigkeit durch die Wand hindurch pressen kann.

Für den osmotischen Wasserfluss ( ▶ Abb. 1.12A) gilt

(1.11)

und für Δπ nach van’t Hoff und Staverman

(1.12)

Für den Durchlass von Wasser durch die Zellmembran besitzt diese meist Wasserkanäle (Aquaporine). Eine Sammelrohr-Hauptzelle der Niere z. B. enthält 107 solche Kanäle, und zwar in der luminalen Membran Aquaporin-2 (regelbar) und in der basolateralen Membran Aquaporin-3 und -4 (permanent). Geregelt wird die Wasserdurchlässigkeit des Sammelrohrepithels ( ▶ Abb. 1.12A rechts) durch Ein- und Wiederausbau von Aquaporin-2, das in der Membran intrazellulärer Vesikel gelagert ist. In Anwesenheit von ADH (V2-Rezeptoren, ▶ cAMP)werden sie innerhalb von Minuten in die luminale Membran eingebaut und erhöhen so deren Wasserdurchlässigkeit (pro Kanal ca. 1,5 · 10– 17 l · s– 1).

Für die Filtration gilt ( ▶ Abb. 1.12B;▶ Peff):

(1.13)

Bei Osmose und Filtration können gelöste Substanzen „mitgerissen“ werden: Solvent Drag. Wieviel von einem gelösten Stoff x in dieser Art transportiert wird (Jx), hängt außer von JV und der mittleren ▶ Stoffaktivität  am Ort des Durchtritts davon ab, welcher Anteil der Teilchen beim Auftreffen auf die Trennwand diese nicht durchdringt, also „reflektiert“ wird. Ein Maß dafür ist der Reflexionskoeffizient σ.

(1.14)

Manche kleinmolekularen Stoffe im Plasma sind z. T. an Proteine gebunden: Plasmaproteinbindung ( ▶ Abb. 1.12C). Das behindert den freien Durchtritt solcher Stoffe durch Endothelien oder das ▶ glomeruläre Filter. Bei einer glomerulären Filtrationsfraktion von 20 % werden auch 20 % eines frei filtrierbaren Stoffes abfiltriert. Ist dieser Stoff jedoch zu 9/10 an Plasmaproteine gebunden, werden von ihm nur 2 % pro Nierenpassage filtriert.

Auch beim Transport über weite Strecken, z. B. im Blutkreislauf oder im Harntrakt, werden die gelösten Stoffe, ähnlich wie ein Stück Holz in einem Fluss, „mitgerissen“: Transport durch Konvektion. Die dabei transportierte Stoffmenge/Zeit (Jkonv) errechnet sich aus dem Volumenfluss/Zeit (JV [m3 · s– 1]) und der Stoffkonzentration (C [mol · m– 3]):

(1.15)

Auch der Gasstrom im Atemtrakt dient dem konvektiven Transport. Beim Wärmetransport im Blut und bei der Wärmeabgabe in Form erwärmter Luft spricht man ebenfalls von ▶ Konvektion.

Abb. 1.12 Osmose, Filtration und Konvektion

1.6 Aktiver Transport

An vielen Stellen im Organismus ist es nötig, Stoffe energetisch „bergauf“ zu transportieren, d. h. gegen ihr chemisches Konzentrationsgefälle und/oder – im Falle von Ionen – gegen ein ▶ elektrisches Potenzial, zusammengenommen gegen ihr elektrochemisches Gefälle (Gradient, Potenzial). Diese Aufgabe lässt sich nicht mit Hilfe ▶ passiver Transportprozesse lösen (die ja in der Gegenrichtung, d. h. energetisch „bergab“ ablaufen), sondern nur mit sog. aktiven Transportmechanismen, die energieabhängig sind. Ein beträchtlicher Teil der dem Körper in Form von Nahrung zugeführten chemischen Energie wird – nach Umwandlung in unmittelbar verwendbares ▶ ATP – für den aktiven Transport verbraucht. Die Energie, die bei der ATP-Hydrolyse freigesetzt wird, treibt zahlreiche transmembranale Transporte von Ionen, Stoffwechselsubstraten und Ausscheidungsprodukten an. Mit diesem Energieaufwand entsteht bei all diesen Reaktionen, thermodynamisch gesehen, Ordnung in den Zellen und in deren Organellen, was Voraussetzung für das Überleben und die normale Funktion aller Zellen und damit des ganzen ▶ Organismus ist.

Wird die Energie der ATP-Hydrolyse direkt für den Transport- oder „Pump“-Mechanismus verwendet, spricht man von primär-aktivem Transport. Solche Ionenpumpen werden daher auch ATPasen genannt. Sie bauen relativ langsam (Na+-K+-ATPase: ca. 1 μmol · s– 1 · m– 2 Membranfläche) einen elektrochemischen Gradienten auf. Dieser Gradient wird dann, nach Erhöhung der ▶ Ionenkanaldurchlässigkeit, für schnelle (passive) Ionenflüsse in der Gegenrichtung ausgenutzt (z. B. Na+-Einstrom beim Aktionspotenzial: ca. 1000 μmol · s– 1 · m– 2).

Die ubiquitär vorkommende Na+-K+-ATPase der Zellmembran, die Ca2+-ATPasen von endoplasmatischem Retikulum und Plasmamembran, die H+/K+-ATPase der Magendrüsen und der renalen Sammelrohre sowie die H+-ATPase der Lysosomen sind Beispiele dafür. Sie transportieren Na+, K+, Ca2+ bzw. H+ primär-aktiv. Außer der H+-ATPase sind sie aus je 2 α- und 2 β-Untereinheiten aufgebaut (sog. P-Klasse), wobei die α-Untereinheiten phosphoryliert werden und den „Transportkanal“ für die Ionen bilden ( ▶ Abb. 1.13A1).

Die Na+-K+-ATPase ist für die Homöostase der intrazellulären Na+- und K+-Konzentration und damit auch für die Aufrechterhaltung des Membranpotenzials der Zelle verantwortlich. Pro Transportzyklus werden gleichzeitig 3 Na+-Ionen aus der Zelle hinaus- und 2 K+-Ionen hinein„gepumpt“ ( ▶ Abb. 1.13A1, 2). Dabei wird ein ATP-Molekül für die Phosphorylierung des Transporters verbraucht ( ▶ Abb. 1.13A2b), die zunächst eine Konformationsänderung des Proteins und anschließend Affinitätsänderungen der Na+- und K+-Bindungsstellen auslöst. Die Konformationsänderung stellt den eigentlichen Ionentransportschritt dar, indem sie die Bindungsstellen jeweils auf der gegenüberliegenden Membranseite exponiert ( ▶ Abb. 1.13A2, b ⇒ d). Die Dephosphorylierung stellt wieder den Ausgangszustand her ( ▶ Abb. 1.13A2, e ⇒ f). Die Pumprate der Na+-K+-ATPase steigt, wenn sich die intrazelluläre Na+-Konzentration erhöht, z. B. durch vermehrte Na+-Aufnahme, oder wenn die extrazelluläre K+-Konzentration ansteigt. Daher auch der volle Name Na+-K+-aktivierbare ATPase. Ouabain und Herzglykoside hemmen die Na+-K+-ATPase.

Von sekundär-aktivem Transport spricht man, wenn der „Bergauf“-Transport eines Moleküls (z. B. Glucose) mittels eines Carrierproteins (im Beispiel: SGLT 2) an den passiven Transport eines Ions (im Beispiel Na+) gekoppelt ist ( ▶ Abb. 1.14B1). In diesem Fall stellt das ins Zellinnere gerichtete elektrochemische Na+-Gefälle (für das die Na+-K+-ATPase an einer anderen Stelle der Zellmembran sorgt, ▶ Abb. 1.13A) die treibende Kraft für die sekundär-aktive Aufnahme der Glucose in die Zelle dar. Eine solche Koppelung wird Cotransport genannt. Dabei spricht man von Symport, wenn die betreffende Substanz in dieselbe Richtung transportiert wird wie das treibende Ion ( ▶ Abb. 1.14B1, 2, 3), und von Antiport (Gegentransport, Countertransport), wenn der Na+-Gradient z. B. H+-Ionen in die Gegenrichtung sekundär-aktiv transportiert ( ▶ Abb. 1.14B4). Ein so entstehendes elektrochemisches H+-Gefälle kann nun in der Folge u. a. für den tertiär-aktiven Symport z. B. von Peptiden ( ▶ Abb. 1.14B5) oder ▶ Eisen-Ionen genutzt werden.

Während beim Na+/H+-Antiport (B4) und beim Na+-Cl–-Symport ( ▶ Abb. 1.14B2) keine elektrische Nettoladung transportiert wird (elektroneutraler Transport), ist dies bei Symportern für Na+ + Glucose0 ( ▶ Abb. 1.14B1), Na+ + Aminosäure0 ( ▶ Abb. 1.14B3), 3 Na+ +   oder dem für H+ + Peptid0 ( ▶ Abb. 1.14B5) der Fall: elektrogener oder rheogener Transport. Beim elektroneutralen Transport ist das chemische Na+-Gefälle alleinige Triebkraft, während beim elektrogenen Transport das innen negative ▶ Membranpotenzial eine zusätzliche Triebkraft darstellt. Wird der sekundär-aktive Transport z. B. von Glucose an den Einstrom nicht nur von einem, sondern von 2 Na+-Ionen gekoppelt (z. B. beim SGLT 1-Symporter), so verdoppelt sich die Triebkraft nochmals. Wo allerdings ein Konzentrationsgefälle über mehrere Zehnerpotenzen geschaffen werden muss (Extremfall: H+-Ionen im Magen: 1:106), werden von vorne herein ATPasen eingesetzt. Auch diese können elektrogen (z. B. Na+-K+-ATPase: 3 Na+/2 K+) oder elektroneutral sein (z. B. H+/K+-ATPase: 1 H+/1 K+).

Kennzeichnend für solche aktiven Transportmechanismen ist u. a., dass

sie sättigbar sind, d. h., sie haben nur eine begrenzte Kapazität (Jmax, s. u.),

sie mehr oder weniger spezifisch sind, d. h., dass nur bestimmte, chemisch meist sehr ähnliche Stoffe durch einen Carrier transportiert werden; diese Stoffe hemmen sich gegenseitig beim Transport (kompetitive Hemmung),

diese ähnlichen Stoffe oft unterschiedlich gut transportiert werden, d. h., dass sie eine unterschiedliche Affinität (~1/KM; s. u.) zum Transportsystem besitzen,

sie gehemmt werden, wenn die Energieversorgung der Zelle gestört ist.

Mit Ausnahme des letzten Punktes gilt dies übrigens auch für passive Carrier, d. h. für erleichterte Diffusion durch ▶ Uniporter.

Die Transportrate Jsätt eines solchen sättigbaren Transportes errechnet sich meist nach der Michaelis-Menten-Kinetik:

(1.16)

wobei C die aktuelle Konzentration der zu transportierenden Substanz, Jmax die maximale Transportrate der Substanz und KM ( ▶ Michaelis-Konstante)deren Konzentration bei Halbsättigung, d. h. bei 0,5 · Jmax, bedeutet.

Ein ganz anders gearteter Typ von aktivem Transport ist die Zytose. Sie beinhaltet die Bildung von membranumschlossenen Vesikeln, die 50 – 400 nm Durchmesser haben und sich unter ATP-Verbrauch von der Plasmamembran nach innen abschnüren (Endozytose) oder von innen her in diese einfügen (Exozytose). Durch spezifische Zytose werden v. a. Makromoleküle (Proteine, Lipoproteine, Polynukleotide und -saccharide) in die Zelle aufgenommen oder aus dieser exportiert. In ganz ähnlicher Weise werden diese Stoffe auch innerhalb der ▶ Zelle transportiert.

Bei der Endozytose (s. a. ▶ Abb. 1.6F) unterscheidet man die kontinuierliche, unspezifische Aufnahme von Extrazellulärflüssigkeit über relativ kleine Vesikel (Pinozytose), mit der wahllos darin gelöste Moleküle in die Zelle aufgenommen werden, sowie die rezeptorvermittelte (= adsorptive) Endozytose, die für bestimmte Makromoleküle spezifisch ist (C). Letztere beginnt meist an kleinen Einbuchtungen (pits) der Plasmamembran, die an ihrer Innenseite oft mit dem Protein Clathrin dicht ummantelt sind (coated pits). Die Rezeptoren für die rezeptorvermittelte Endozytose sind integrale Proteine der Zellmembran, z. B. solche für das Lipoprotein LDL (Leberzelle) oder für Intrinsic-factor-gebundene Cobalamine (Ileumepithel). An Clathrin-coated pits können Tausende von Rezeptoren, auch unterschiedlicher Art, zusammengezogen werden ( ▶ Abb. 1.14C), was die Effizienz der Ligandenaufnahme enorm erhöht. Die endozytotischen Vesikel sind anfänglich noch mit Clathrin umhüllt (Clathrin-coated vesicles