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Physiologie Fragen 💡 1. Was versteht man unter Membranruhepotential? Nennen Sie für das Membranpotential wesentliche Ionen mit Konzentration innerhalb und außerhalb der Zelle. Ruhemembranpotential meint grundsätzlich d...

Physiologie Fragen 💡 1. Was versteht man unter Membranruhepotential? Nennen Sie für das Membranpotential wesentliche Ionen mit Konzentration innerhalb und außerhalb der Zelle. Ruhemembranpotential meint grundsätzlich die Spannungsdifferenz, die sich durch die ungleiche Verteilung von Ionen im Intra- und Extrazellulärraum ergibt (Zelle ist im Ruhezustand). Ruhezustand: -60 und -80mV Nervenzelle: -70mV Glia- Herz-, und Skelettmuskelzelle: -90mV Ein Membranpotenzial entsteht aus der Summe der Gleichgewichtspotenziale aller (an der Membran vorhandenen) Ionenarten und hängt vor allem von der unterschiedlichen Permeabilität ab. (Mischpotenzial berechnen mit Goldman- Gleichung) Physiologie Fragen 1  💡 IZM: eher negativ geladen, EZM eher positiv geladen, alleine stehend aber beide elektrisch neutral → Spannungsdifferenz NUR an der Membran Beim Ruhepotenzial sind chemisches und elektrisches Potenzial gleich groß. (wirken in entgegengesetzte Richtung heben sich daher auf) → Gleichgewichtspotenzial: spezifisch für verschiedene Ionen Ionenkonzentration: K+: chemisch intrazellulär höhrere Konzentration als extrazellulär → Gradient, K+ will die Zelle verlassen, allerdings ist das Zellinnere elektrisch negativ polarisiert und zieht somit die positiv geladenen Kalium Ionen an, in Ruhe K+ Kanäle offen Na+: in der Zelle wenig, außen viel, in Ruhe wenig Na+ Kanäle → Leckstrom NOKIA: Natrium Out Kalium in. Cl-: auch außen viel, innen viel Anionen Nernst-Gleichung: Gleichgewichtspotenzial, das sich durch Fließgleichgewicht, Diffusionskraft und el. Kraft eines Ions ergibt → spezifisch für Ionensorte → dann liegt kein Nettofluss vor Membranpotenzial = Summe der einzelnen Gleichgewichtspotenziale Umso größer die Membranpermeabilität eines Ions umso größer ist der Einfluss auf das Ruhemembranpotenzial. Aufrechterhaltung des Membranpotenzials: 2 Mechanismen Physiologie Fragen 2  Natrium Kalium ATPase: pumpt 3Na+ nach außen und 2K+ nach innen (Zellinneres wird weiter negativ). Aktiver Transport, weil Na/K-Pumpe ATP verbraucht Spannungsabhängige Ionenkanäle (K+ und Na+)² → wegen Leckstrom nie exakter Nettofluss Ressources 1. https://youtu.be/wYfIsp-dOI0 (Erklärvideo Membranspannung-Potenzial-Ruhepotenzial) 2. https://www.youtube.com/watch?v=U3CQTIOGIRo (Erklärvideo 2) und https://viamedici.thieme.de/lernmodul/540782/530899/elektrische+vorgänge+an+zellen 💡 2. Beschreiben Sie die wesentlichen Änderungen der Membranleitfähigkeiten im Laufe des Aktionspotentials einer Nervenzelle. Eine Nervenzelle arbeitet nach dem alles oder nichts Prinzip: Ein Reiz muss einen Schwellenwert überschreiten, um ein Aktionspotenzial auszulösen Beim Aktionspotenzial wird die Membranleitfähigkeit geändert: Spannungsgesteuerte Ionenkanäle: Änderung über el. Spannung Ligandengesteuerte Ionenkanäle (ionotrope Rezeptoren): durch Ligandenbindung aktivierbar Mechanisch gesteuerte Ionenkanäle: reagieren z.B. auf Kälte, Wärme, Osmolarität, Zug (Innenohr) Vor dem Aktionspotenzial befindet sich die Nervenzelle im Ruhepotenzial Reiz von vorgeschaltetem Neuron → Ligandengesteuerte Natriumkanäle werden geöffnet → langsamer Na+ Einstrom beginnt → Vordepolarisation → Reiz hat größere Spannungsdifferenz als -55mV (überschwelliger Reiz) → Spannungsabhängige Ionenkanäle öffnen sich → Permeabilität für Na+ ist jetzt sehr hoch → ein extremer Natriumeinstrom erfolgt (Konzentration von Na+ steigt intrazellulär und sinkt extrazellulär); der Einstrom geschieht sehr rasch, weil intrazellulär fast keine Na+ vorliegen und die negative Ladung des Zellinneren den Einstrom forciert + positive Rückkopplung. Nun Physiologie Fragen 3  überwiegt auf der Membraninnenseite eine positive Ladung mit 30mV (Depolarisation). Für die Repolarisation ist die erhöhte K+ Leitfähigkeit maßgeblich. 💡 Aktionspotenzial wird in 4 Phasen eingeteilt: Initiationsphase: Schwellenwert von -55mV muss überschritten werden, damit spannungsgesteuerte Na+ Kanäle sich öffnen Depolarisation (Potenzial positiver (30mV) als bei Ruhemembranpotenzial (-70mV)) Repolarisation Hyperpolarisation (Potenzial noch geringer als -70mV) Initiationsphase: Zelle wird aus Ruhephase (-70mV) „gerissen“ und es öffnen sich rezeptorgebundene Na+ Kanäle und leichter Na+ Einstrom entsteht. Wenn der Reiz Potenzial von -55mV erreicht, öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle und ein sehr schneller Einstrom erfolgt. Kalium Kanäle schließen sich währenddessen. Außerdem strömen Ca2+ ein. Einstrom von Na+ und Ca2+ muss größer sein, als K+ Ausstrom, um Depolarisation auszulösen. Depolarisation: Enormer Na+Einstrom, K+Kanäle vollständig geschlossen (einige Kalium Ionen bleiben mit ihrer positiven Ladung im Zellinneren; hinzu kommen die einströmenden Na+ Ionen). → Membranpotenzial von -70mV → 30mV → Overshoot bei Aktionspotenzialpeek Während steigendem Graphen des Aktionspotenzials werden Na+ Kanäle bereits geschlossen, damit Depolarisation nicht zu positiv wird. Repolarisation: Na+ Kanäle schließen Spannungsabhängige K+ Kanäle werden geöffnet und K+ Ionen strömen aus der Zelle raus. (Potenzial sinkt dadurch immer weiter ab) Der Kalium Ausstrom wird durch Ca2+ stark unterstützt, weil sich gleichpolige Ladungen abstoßen. Hyperpolarisation: -90mV, Weiterhin besteht Kaliumleitfähigkeit, weil Ca2+ während Depolarisation eingeströmt ist und nur langsam entfernt werden kann. (es hält die Kaliumkanäle währenddessen offen) Na+ Kanäle ändern sich von geschlossen inaktiv zu geschlossen aktivierbar CAVE! Refraktärzeit (Na+Kanäle bleiben inaktivierbar) Der weitere Kaliumausstrom bewirkt eine Annäherung an das Gleichgewichtspotenzial von K+ dann, schließen sich spannungsabhängige K+ Kanäle und Zelle hat wieder ein Ruhemembranpotenzial. Refraktärzeit (=Zelle kaum oder schwer erregbar): Absolute Refraktärzeit: keine Erregung möglich (Na+ Kanäle geschlossen und inaktiv) Relative Physiologie Fragen 4  Refraktärzeit: Erregung möglich, wenn Reiz deutlich höher ist als normal und die Amplitude des Aktionspotenzials wäre geringer Neuron kann nicht mehr als 500 Aktionspotenziale pro sek erzeugen Refraktärzeit wichtig für die Richtung des Stromflusses Ressources https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=-wOMM94ZUvs&feature=youtu.be Zusammenfassung von S. 71 Das Aktionspotenzial ist eine kurzzeitige Änderung der Membranspannung auf Werte bis zu 40 mV und kann in vier Phasen unterteilt werden: (1) Initiationsphase: Depolarisierender Kationeneinstrom durch einen äußeren Reiz blockiert die Kir-Kanäle (Sperminblock) (2) Depolarisation (Aufstrich und overshoot): Starke Depolarisation des Membranpotenzials durch Aktivierung der Nav-Kanäle und den damit verbundenen Natriumeinstrom (3) Repolarisation: Inaktivierung der Nav-Kanäle und Aktivierung der Kv-Kanäle, die einen Kaliumausstrom tragen; die Repolarisation bewirkt auch die Deblockierung der Kir-Kanäle und die Rückkehr der Nav- Kanäle in den aktivierbaren Zustand (4) Nachhyperpolarisation (in zentralen Neuronen): Kurzzeitiger Anstieg der Kaliumleitfähigkeit nach einem Aktionspotenzial durch Aktivierung kalziumgesteuerter Kaliumkanäle. Durch eine reiz-induzierte initiale Depolarisation werden die für das Ruhemembranpotenzial verantwortlichen Kaliumkanäle blockiert und spannungsgesteuerte Natrium (Nav)- und Kalium (Kv)-Kanäle aktiviert. Die schnell öffnenden Nav-Kanäle sorgen über einen Einstrom von Na+ für eine Depolarisation der Membran, die verzögert öffnenden Kv-Kanäle über einen K+-Ausstrom für die nachfolgende Repolarisation. Durch Kanäle mit unterschiedlicher Offenwahrscheinlichkeit (gating) kann dem Aktionspotenzial ein zelltyp- spezifischer Verlauf aufgeprägt werden. 💡 3. Was versteht man unter einem Neurotransmitter? Einteilungsmöglichkeiten und drei konkrete Neurotransmitter. Neurotransmitter Sind Botenstoffe/biochemische Stoffe, welche Reize von einer Nervenzelle zu anderen Nervenzellen an der chemischen Synapse weitergeben. Sie werden in den Neuronen Physiologie Fragen 5  synthetisiert und in Vesikeln gespeichert -> Freisetzung durch Aktionspotential in den synaptischen Spalt (etwa 0,02ym) Nach Freisetzung werden sie spezifisch inaktiviert, bis sie benötigt werden. Nachdem ein Neurotransmitter seinen Effekt an der postsynaptischen Membran erfüllt hat kommt es zu: Abbau, Wiederaufnahme, Abtransport und Diffusion des Überträgerstoffs. Neurotransmitter sind verschiedene heterogene Gruppe, es können z.B. biogene Amine, Peptide oder einzelne Aminosäuren als Neurotransmitter fungieren. Neurotransmitter können anhand ihrer Grundstruktur in Aminosäuren, Peptide und Monoamine eingeteilt werden. Es existieren jedoch manche Sonderformen, die nicht zu diesen drei Gruppen zugehörig sind. 💡 Neurotransmitter nur bei chemischen Synapsen, nicht elektrische → Gap Junctions Neurotransmitter wirken entweder auf ionotrope Rezeptoren oder metabotrope Rezeptoren (G- Protein vermittelte Wirkung) ionotrope Rezeptoren sind ligandenaktivierte Ionenkanäle. Das heißt, sie sind Rezeptor und Ionenkanal zugleich. Wenn der Transmitter (Ligand) an den Rezeptor bindet, öffnet sich dieser und lässt Ionen passieren. Dadurch ändert sich das Membranpotenzial an der postsynaptischen Membran. Je nachdem, in welche Richtung sich das Potenzial ändert, wird es als exzitatorisch (erregend) oder inhibitorisch (hemmend) bezeichnet.), je öfter so ein Ligand bindet umso unempfindlicher wird der Rezeptor, oft schnelle Übertragung metabotrop, Signalkaskade wirken über Second-Messenger (G-Protein gesteuerte Rezeptoren, langsamer aber verstärktes Signal Neurotransmitter hemmen oder fördern einen Impuls, man unterscheidet demnach exzitatorische (z.B. Acetylcholin, Glutamat, Dopamin) und inhibitorische (z.B. Glycin, GABA→ wichtigster im ZNS) Neurotransmitter Dale-Prinzip: jedes Neuron eines adulten Organismus verwendet an allen Synapsen denselben Neurotransmitter. Kommen jedoch an manchen Synapsen Cotransmitter (z.B. ATP oder Peptide ausgeschüttet) gilt das Dale-Prinzip nicht mehr. Einteilungsmöglichkeiten: aber nicht einheitlich, weil verschiedene Stoffe Monoamine: Dopamin, Noradrenalin, Adrenalin, Serotonin, Histamin Aminosäuren: GABA (Gamma-Amino-Buttersäure), Glycin, Glutamat Peptide: Somatostatin (=Universalbremse), Angiotensinogen II, Substanz P, Endorphine Quartäre Ammoniumverbindungen: Acetylcholin (sowohl ionotrop als auch metabotrop) Acetylcholin Synthese aus Acetyl-CoA und Cholin durch die Cholinacetyltransferase. Wirken auf muscarinerge Rezeptoren (G-Protein gekoppelt) im vegetativen Nervensystem und nikotinerge Rezeptoren (ionotroper Rezeptor). Physiologie Fragen 6  Acetylcholin ist meist erregend (bezogen auf cholinerge Synapsen), außer in dem M2- Cholinozeptoren im Herzen, durch ACh kommt es zum K+-Ausstrom und ist somit hemmend. Im ZNS ist Acetylcholin der Transmitter von ca. 10% aller Synapsen. Das sind etwa Projektionen vom Rückenmark zum Kortex oder Projektionen innerhalb des Gehirns. vermittelt im peripheren NS die Erregungsübertragung von Nerven auf die neuromuskularen Endplatten der Muskeln. Im vegetativen Nervensystem vermittelt Acetylcholin die Signalübertragung aller präganglionären Neuronen und die der postganglionären parasympathischen Neuronen auf die Endorgane. Die postganglionären sympathischen Neuronen in den Bahnen zu den Schweißdrüsen nutzen ebenfalls ACh. Noradrenalin Zählt zu den Katecholaminen, genauer gesagt zu den Monoaminen, da es den klassifizierenden Katecholring aufweist. Es ist der primäre Neurotransmitter des Sympathikus (errregend) und wirkt an allen postganglionären sympathischen Endungen (außer den Schweißdrüsen, wo Acetylcholin wirkt). Wird im Nebennierenmark als Hormon sezerniert und in noradrenergen Neuronen (als Neurotransmitter) gebildet GABA (Gamma-Aminobuttersäure) Zählt zu den Aminosäuren Ist der verbreitetste hemmende Überträgerstoff im zentralen Nervensystem Wirkt Prä- und postsynaptisch hemmend GABA wirkt als inhibitorischer Transmitter in der Bauchspeicheldrüse, indem es in den Langerhans-Inseln die Glucagonsekretion der Alphazellen hemmt Gegenspieler zu Glutamat Dopamin: für Bewegungssteuerung „Belohnungs- und Lustsystem“ Glycin: wichtiger Inhibitor (Gegenspieler von Glutamat) in Hirnstamm und RM 💡 4. Begriffserklärung Längenkonstante (Nervenfaser), was beeinflusst diese? Aktionspotenzial wird am Axonhügel generiert und über das Axon dann an nächste Nervenzelle weitergegeben. Zuvor findet Reizübertragung von präsynaptischer Membran an Postsynapse statt. Von dort muss Reiz bis zum Axonhügel gelangen. Das Signal, das sich „als Ionenstrom“ Physiologie Fragen 7  (elektrotonische Ausbreitung vergleichbar mit Stromkabel) in Richtung Axonhügel bewegt, nimmt mit zunehmender Entfernung exponentiell ab. Die Depolarisation breitet sich vom Ort der Entstehung konzentrisch der Membran entlang aus und verliert mit zunehmender Distanz an Signalstärke. Die Ausbreitung des Signals erfolgt elektrotonisch, da Membranen von Dendriten über keine Ionenkanäle verfügen und die Ausbreitung rein durch Ladungsverschiebungen geschieht. (schneller als ein Aktionspotenzial aber verlustreiche Ausbreitung schon nach einigen Hundertsel Millimetern) 💡 Je höher die Längskonstante, desto größer ist die Distanz, die das Potenzial transportiert werden kann. Membranlängskonstante λ gibt an, nach welcher Strecke die Depolarisation nur noch zu 37% (1/e = 1/2,72 = 0,37) ihres Ausgangswertes messbar ist. (bei Neuronen ca. zwischen 5 μm und 5 mm) Die Membranlängenkonstante kann man berechnen, indem man die Wurzel des Quotienten aus Membranwiderstand/Innenwiderstand zieht: Aus dieser Formel schließen wir, dass der Membranwiderstand möglichst hoch sein sollte und der Innenwiderstand möglichst gering, damit man eine hohe Membranlängenkonstante Lambda erhält Elektronenfluss muss (e-) durch das Kabel indem positive Ladungen sind. Je größer der Durchmesser, desto mehr positiv geladene Atome sind im Kabel (gleichpolige Ladungen stoßen einander ab → Elektronen haben bessere Flussmöglichkeit, weil die sie anziehenden Protonen weiter voneinander entfernt lokalisiert sind (wegen gegenseitiger Abstoßung) ! Achtung: Membranwiderstand ist vom Quadrat des Durchmessers abhängig: Eine Halbierung des Durchmessers hat eine Vervierfachung des Innenwiderstands zur Folge ! 💡 5. Was versteht man unter zeitlicher und räumlicher Summation an Neuronen? Was wird summiert? Nicht alle Reize, die auf der Postsynapse aufgenommen werden sind am Axonhügel noch so stark (Schwellenwert übersteigend), dass sie ein erneutes Aktionspotenzial auslösen können. Meistens sind sie alleine zu niederschwellig. Dies hängt unter anderem mit der Membranlängskonstante zusammen (Frage 4). Man unterscheidet EPSPs (Exzitatorische postsynaptische Potenziale; positiv geladener Ioneneinstrom) von IPSPs (Inhibitorische postsynaptische Potenziale; negativ geladener Ioneneinstrom (zb Chlorid-Ionen)) Physiologie Fragen 8  Räumliche Summation: Wenn ein EPSP nun den Schwellenwert zur Auslösung eines neuen Aktionspotenzials nicht aufbringen kann, werden mehrere lokale EPSPs, die zum gleichen Zeitpunkt am Axonhügel eintreffen, summiert → zusammen kann ein Aktionspotenzial generiert werden. Es kann auch zu Überlagerung von EPSP und IPSP kommen, die einander auch auslöschen/aufheben können, sodass es zu keinem Aktionspotenzial kommt. Zeitliche Summation: EPSP verliert pro Weg und Zeit sein Aktionspotenzial. Zu einem späteren Zeitpunkt (bzw. nach weit zurückgelegtem Weg) ist weniger Potenzial vorhanden als zu Beginn. Treffen nun 2 Potenziale zeitversetzt am Axonhügel aufeinander, kann das Restpotenzial vom ersten EPSP mit dem („gerade ankommenden und daher noch stärkerem“) Aktionspotenzial eines zweiten EPSPs summiert werden und so ein neues Aktionspotenzial generiert werden. (je mehr Weg das EPSP zurücklegen muss, desto geringer wird dessen noch vorhandenes Potenzial sein. (Dies ist von Membranlängskonstante abhängig, da elektrotonische Weiterleitung am Dendrit (wo keine Ionenkanäle verfügbar sind) zwar eine schnelle aber auch verlustreiche Weiterleitung ermöglicht) 💡 6. Nennen Sie systematische Einteilungsmöglichkeiten des Nervensystems. Wo befinden sich Somata von Nervenzellen? Einteilung: Topografie: ZNS: besteht aus Gehirn und Rückenmark PNS: besteht aus allen übrigen Teilen des Nervensystems (Nerven und Ganglien). Die 12 Hirn- und 31 Spinalnerven(paare) gehören trotzdem zum PNS. Funktion: somatisches NS: somatosensitiv / Somatomotorik (willkürlich/ bewusst/ oikotrop) vegetatives NS: sympathisch/ parasympathisch und Enterisches Nervensystem (autonom/ viszeral) ZNS – Zentrales Nervensystem: Besteht aus Gehirn und Rückenmark, die Abgrenzung zum PNS wird nur nach anatomischer Lage getroffen (durch Blut-Hirn-Schranke), funktionell sind die beiden Anteile eng verflochten ist das zentrale Integrations- (Afferenzen), Koordinations- (Motorische Leistung) und Regulationszentrum (Abstimmung des Organismus). Somata also Zellkörper → grauen Substanz des zentralen Nervengewebes Physiologie Fragen 9  Gehirn: 🧠 Graue Substanz (Substantia grisea) liegt außen (hier liegen Somata), ist im Cortex des Groß- und Kleinhirns Innen weiße Substanz (Substantia alba) (besteht aus Axonen=Neuriten; Färbung wegen Myelinscheiden weiß) Rückenmark: Im Rückenmark liegt die graue Substanz innen, genauer gesagt im Vorder- und Hinterhorn (hier liegen Somata) Die Nervenbahnen verlaufen in weißer Substanz (ist außen) PNS – Peripheres Nervensystem: wird gegliedert in afferent und efferent Afferente Nervenfasern: verlaufen von Peripherie zum ZNS (rauf) Somata sind im Hinterhorn entweder sensibel (Oberflächen- und Tiefenwahrnehmung) oder sensorisch (olfaktorische, visuelle, auditorische und gustatorische Sinneswahrnehmung) Efferente Nervenfasern: verlaufen vom ZNS in die Peripherie Somata sind im Vorderhorn entweder somatomotorisch (verlaufen zu den Muskeln und sind für aktive Bewegungen verantwortlich) oder autonom/vegetativ (wird weiter in Sympathikus, Parasympathikus und enterisches Nervensystem unterteilt) Somatisches Nervensystem SNS: Bewusste Wahrnehmung von Sinneseindrücken, Innervierung der Skelettmuskulatur, willensgesteuert Vegetatives/ Autonomes Nervensystem VNS: steuert Organfunktion, glatte Muskulatur, ist willensunabhängig, unterteilt in 3 Komponenten Sympathikus FIGHT OR FLIGHT Physiologie Fragen 10  Die Aktivierung des Sympathikus versetzt den Körper in erhöhte Leistungsbereitschaft und steigert den Abbau von Energiereserven u.a. Pupillen weiten sich, Herzfrequenz steigt, Verdauung wird heruntergefahren Präganglionäre Neurone verwenden Acetylcholin als Neurotransmitter und postganglionäre Neurone Noradrenalin. Parasympathikus REST AND DIGEST Die Aktivierung des Parasympathikus dient der Regeneration des Organismus und dem Aufbau von Energiereserven. u.a. Pupillen weiten sich, Herzfrequenz sinkt, Verdauung wird angekurbelt Neurotransmitter ist prä- und postganglionär das Acetylcholin. Die Hirnnerven III, VII, IX und X enthalten parasympathische Nervenfasern. Enterisches Nervensystem Innerviert fast den gesamten GIT -> hat einen starken Einfluss auf Verdauungsprozesse (Darmmotilität, Sekretion, Absorption und Perfusion des GIT) Ab Ösophagus und wirkt auch in Leber und Pankreas Sympathikus und Parasympathikus regulieren zusätzlich das enterische Nervensystem, ebenso somatisches und viszerales haben beide Einfluss darauf Abgrenzungen sind nicht zu 100% möglich, da sowohl PNS als auch ZNS über somatische und autonome Teile verfügen und sich die verschiedenen Bereiche untereinander beeinflussen. 💡 7. Skizzieren Sie die Abläufe bei der Signalübertragung an einer elektrischen und einer chemischen Synapse. Elektrische Synapsen kommen selten vor (in Herzmuskel und Uterus), ermöglichen eine verzögerungsfreie Weiterleitung – Signale können in beide Richtungen übertragen werden. Chemische Synapsen arbeiten mit Neurotransmittern, die das an der Präsynapse ankommende AP über den synaptischen Spalt auf die Postsynapse übertragen wird. (ca. 1-5ms) Dort finden sich Membranvesikel (gefüllt mit Neurotransmittern) die durch Ca+ Einstrom geöffnet und ausgeschüttet werden Elektrische Synapsen: Werden durch Gap Junctions gebildet und spielen vor allem in glatter Muskulatur und im Herzmuskel eine Rolle. Gap Junctions verbinden die Intrazellularräume zweier benachbarter (auf (2nm) Physiologie Fragen 11  beieinander liegender Zellen) mittels Ionenkanälen. Diese Kanäle bestehen aus Connexonen (Komplex aus 6 Connexinmolekülen), die in der Zellmembran einen Gap Junction Channel bilden → großer nicht selektiver Ionenkanal (Ca2+, K+) und kleinmolekulare Stoffe (Glukose) können diffundieren) Elektrische Synapsen ermöglichen synchrone Kontraktionen und Relaxationen von miteinander verschalteten Muskelzellpopulationen. Elektrische Synapsen sind also gekoppelt und in diesen Kopplungsgruppen können einzelne Gap Junctions (mittels intrazellulärem Anstieg von Ca2+- oder H+-Ionenkonzentration) geschlossen werden und so einzelne oder auch mehrere Zellen vom Zellverband abgeschottet werden. Das bedeutet die AP werden elektrotonisch, schnell und synchron übertragen ohne Neurotransmitter. Gap J. leiten in beide Richtungen Chemische Synapsen: → wenn Sigal nur in eine Richtung übertragen werden soll, 1. Aktionspotenzial gelangt über Axon an präsynaptischen Endknopf und löst dort einen Calcium- Einstrom (durch spannungsabhängige Ca2+ Kanäle) aus → 2. dieses Calcium bindet an einen Sensor (Synaptotagmin), der Interaktion mit SNARE Komplex ermöglicht. Dieser SNARE Komplex lässt Vesikel (mit enthaltenen Neurotransmittern) mit der präsynaptischen Membran verschmelzen → Neurotransmitter werden per Exozytose in synaptischen Spalt abgegeben. (Calciumkanäle der Präsynapse schließen sich und Ruhemembranpotenzial wird dort (an Präsynapse) wiederhergestellt) → Neurotransmitter können an der Postsynapse entweder an ionotrope oder metabotrope Rezeptoren binden → Ionotrope Rezeptoren öffnen (bei Ligandenbindung) Ionenkanäle metabotrope lösen eine Signalkaskade aus→ (Na+ und K+ strömen wegen ihres Konzentrationsgradienten in bzw. aus der postsynaptischen Zelle; wobei Na+-Einstrom zu Beginnmstärker ist, weil er durch den Ladungsunterschied (Zellinneres ja negativer und Na+ positiv geladen) unterstützt wird → Postsynapse wird depolarisiert → wenn dieses Potenzial größer als Schwellenwert → erneutes Aktionspotenzial (bei Nervenzelle) bzw. Muskelkontraktion (wenn Postsynapse eine Muskelzelle ist (Reizweiterleitung nur in eine Richtung) 💡 8. Was unterscheidet ein Rezeptorpotenzial von einem Aktionspotenzial? Körper reagiert über Sinnesorgane auf die Umwelt → dabei enstehen an Rezeptoren neuronale Reize, sinnesphysiologische Rezeptoren: auch Sensoren Reize: Licht, Wärme, Schall oder Duftstoffe → verschiedene Rezeptoren: Thermo-, Chemo-, Mechano-, oder Photozeptoren Rezeptorpotenzial: auch Membranpotenzial basiert auf Übersetzung eines Reizes an einem Sensor (Sensorpotenzial) in eine Membranpotenzialänderung (Reiztransduktion), Physiologie Fragen 12  Rezeptorpotentiale generieren in den zugehörigen afferenten Nervenfasern AP Wie: Dehnungsrezeptor: Kanäle öffnen sich bei mechanischer Belastung- Reiz + Stromfluss (Transduktionsstrom verändert das Ruhemembranpotenzial) nach Reizintensität: Linear: Thermo-oder Dehnungsrezeptoren Logarithmisch: Lichtsinnes- oder Photorezeptoren 💡 Rezeptorpotenziale summieren sich je nach zeitlich/ räumlicher Ausprägung → lösen Aktionspotenzial aus Aktionspotentiale: Digitale Signale funktionieren nach dem Alles-oder-Nichts Prinzip, entweder es passiert, oder es passiert nicht 💡 9. Welche Arten von Nervenfasern kennen Sie? Nennen sie die jeweils zugehörigen Leitungsgeschwindigkeiten! Nervenfasern = Axon + Myelinscheide (wenn vorhanden) Nerv = mehrere gebündelte Nervenfasern Myelinscheiden: ZNS: von Oligodendrozyten gebildet PNS: von Schwann-Zellen gebildet Klassifizierung von Nervenfasern nach: Myelinisierungsgrad, Axondurchmesser, Leitungsgeschwindigkeit des AP Physiologie Fragen 13  💡 Welche maximale Aktionspotentialfrequenz ist in einem Neuron und in einer Skelettmuskelzelle möglich? Begründen sie dies. manche spez. Neurone: kurzzeitig sogar bis 800Hz, bei Skelettmuskelzelle: Ruhemembranp.=-85mV, Refraktärzeit ca. 4ms → AP Frequenz: 70Hz → daher kann eine Skelettmuskelzelle rechnerisch nicht mehr als 500 AP in einer Sekunde erzeugen. Weil das Generatorpotenzial erst beim Übertreten der -55mV-Schwelle zum AP wird, dauert die Depolarisation länger als bei Nervenzellen, deren Ruhemembranpotenzial bei -70mV liegt. maximale Frequenz der AP durch Dauer der absoluten Refraktärzeit bestimmt (Na-Kanäle inaktiv → daher kein AP auslösbar) Refraktärzeit variiert für unt. Zelltypen max. Aktionspotenzialfrequenz: Dauer des Aktionspotentials + die Refraktärzeit (Hyperpolarisation). Infolge wird eine Sekunde (1) durch die Summe von Dauer AP und Refraktärzeit dividiert. Beispiel: AP-Dauer:1ms, Refraktärzeit:3ms, max. Abstand zwischen 2 AP 4ms: 1/0,004 = 250Hz → das bedeutet pro Sek können 250 AP entstehen. 💡 11. Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktionsweise einer „neuromuskulären Endplatte“. Welche Rolle spielt Acetylcholin bei der Auslösung einer Skelettmuskelkontraktion? Aufbau jede Muskelfaser hat nur eine motorische Endplatte → Innervation durch einzelnes Neuron = (alpha) Motoneuron Motoneuron versorgt viele Muskelfasern (Anzahl von Muskel abhg.) = motorische Einheit →Axon des Motoneurons teilt sich in mehrere synaptische Endknöpfchen auf Je weniger Muskelfasern pro Motoneuron, desto präziser die Bewegungen Endknöpfchen des Motoneurons + Membranabschnitt der Muskelzelle + synaptischer Spalt Physiologie Fragen 14  Neuromuskuläre Endplatte = synaptische Verbindung zw. Alpha-Motoneuron und Skelettmuskelfaser mononeuronale Innervation = eine Muskelfaser wird von einem Motoneuron innerviert als Transmitter fungiert Acetylcholin Funktionsweise AP erreicht Endknöpfchen → Öffnung spannungsabhängiger Ca-Kanäle → führt an Präsynapse zu Ca2+Einstrom induziert Freisetzung von Acetylcholin (Vesikel mit Transmittern) → Exozytose in synaptischen Spalt Je mehr Ca2+, desto schneller die Übertragung Acetylcholin diffundiert zu Membran; bindet ligandengesteuerten Nikotin-Rezeptor -> bewirken Na+-Einstrom Depolarisation→ Erhöhung des Endplattenpotentials bis Schwellenwert (EPSP) > überschwelliges EPSP löst ein AP aus Dauer: 10ms, Amplitude: 130 mV Elektromechanische Kopplung AP wird über Membraneinstülpungen (T-Tubuli) ins Zellinnere geleitet → T-Tubuli sind in engem Kontakt mit terminalen Zisternen des Sarkoplasmati. Retikulums→ Ryanodinrezeptoren, Ca2+ Ausstrom von SR in Sarkoplasma → interzelluläre Ca2+ Konzentration steigt Mechanismus der Muskelkontraktion: Ca2+ bindet an Troponin C (=Protein des Aktinfilaments) → Sterische Reorganisation des Aktinfilaments → Bindungsstellen für Myosinköpfchen (=Querbrücken) werden frei → Aktin- Myosin-Interaktion (Kraftentwicklung d. Gleitfilamenttheorie) → Kontraktion Mechanismus der Relaxation Feuerstop des Motoneurons → durch SERCA Ca2+ zurück ins SR → zytosolische Ca2+Konzentration sink → Lösen der Aktion-Myosin-Interaktion, da Ca2+ von Troponin dissoziiert → Kraftentwicklung sinkt -> Relaxation Kurz gesagt: wenn ein Aktionspotential im Endknöpfchen den Motoneurons ankommt, öffnen sich Ca2+ Kanäle und Kalzium strömt ein. Dadurch werden Vesikel mit Acetylcholin in den synaptischen Spalt freigesetzt. Das bindet an die nikotinergen Rezeptoren an der Muskelzelle (ionotrop) und ein EPSP entsteht. Ein überschwelliges EPSP löst dann ein Aktionspotential aus, welches zu einer Kontraktion des Muskels führt. Acetylcholin: Neurotransmitter Wird in Endknöpfchen bestimmter Axone durch das Enzym Cholinacetyltransferase aus Cholin und Acetyl-CoA synthetisiert und In Vesikeln gespeichert Vermittelt als Transmitter der neuromuskulären Endplatte die willkürliche Kontraktion der Skelettmuskulatur Physiologie Fragen 15  Zum Beenden der Weiterleitung wird das Acetylcholin im synaptischen Spalt durch die Acetylcholinesterase in Cholin und Essigsäure (Acetat) gespalten. 💡 12. Nennen Sie die Unterschiede zwischen glatter, Herz- und Skelettmuskulatur hinsichtlich der Kontraktion. In jedem Muskelgewebe erfolgt die Kontraktion über Ca-vermittelte Aktin-Myosin-Interaktion. → Art der intrazellulären Ca-Erhöhung und Steuerung der Aktin-Myosin-Interaktion verschieden Skelettmuskulatur Kontraktion erfolgt willkürlich über das zentrale Nervensystem, über die motorische Einheit (motorische Endplatte) innerviert Kurz zusammengefasst: AP an der Skelettmuskelfaser ausgelöst (Na+ Einstrom durch Bindung von ACh an nikotinergen Rezeptor) → EPSP (1) → überschwellig → Depolarisation (Na+ Einstrom durch spannungsabhängige Kanäle (2) → Aktionspotenzial) (3). AP breitet sich an T-Tubuli (Einstülpung der Zelle) aus -> bewirkt am sog. Dihydropyridin- Rezeptor (DHPR) eine Konformationsänderung. DHPR Rezeptor ist eng an den Ryanodin-Rezeptor (RyR1) gebunden. Formveränderung des DHPR bewirkt eine mechanische Reaktion zwischen den beiden, wodurch der (im SarkPR) RyR nun einen Ca2+ Ausstrom aus dem sarkoplasmatischen Retikulum ins Zellinnere der Skelettmuskelzelle ermöglicht. (AP:10ms) Die Kalziumkonzentration in der Muskelfaser verhundertfacht sich dadurch (von 10^-7 auf 10^-5). ,,Calcium-Spark’’ Ca bindet an Troponin-C, legt Bindungsstelle auf dem Aktin frei-> Myosinköpfchen kann sich an das Aktin binden (Querbrückenmechanismus; Aktin/Myosin-Interaktion) und durch ein „Abknicken“ seines Köpfchens ein Ineinandergleiten der Aktin und Myosin-Filamente verursachen → Kontraktion Kontraktion wird beendet, indem SERCA (Enzym) das Kalzium wieder ins SR zurücktransportiert oder über den Na/Ca Antiport aus der Zelle befördert => Repolarisation der Zelle Erregung wird nicht über Gap junctions weitergeleitet, sondern kann nur von der jeweiligen Nervenfaser übertragen werden (multi-unit-type). Skelettmuskeln besitzen zwei verschiedene Kontraktionsformen, diese sind die isometrische Kontraktion und die isotonische Kontraktion. isometrischen Kontraktion: bleibt Länge des Muskels gleich, je nachdem wie weit der Muskel vorgedehnt ist, ändert sich die max Kraft. keine Verkürzung wenn die entwickelte Physiologie Fragen 16  Kraft des Muskels geringer als die einwirkende Gegenkraft ist. Bei der isotonischen Kontraktion wird der Muskel bei konstanter Kraft verkürzt. Herzmuskulatur Erregungsleitung nicht Motoneuronen sondern Schrittmacherzellen + Gap Junctions (ausgehend von Sinusknoten) da Erregung im Herz selbst gebildet (spontan aktive Kardiomyozyten). Herzmuskelzellen bilden ein funktionelles Synzytium, die Filamente werden über die Glanzstreifen zusammengehalten Erregungsausbreitung wie beim Skelettmuskel -> Öffnung des Dihydropyridin-Rezeptors (jedoch ist dieser nicht mechanisch mit dem Ryanodinrezeptor gekoppelt) Öffnung des DHPR bewirkt einen kleinen Kalzium-Einstrom ist aber noch zu gering für Akt-Myos Interaktion, Calcium Spark bewirkt Freisetzung von Ca durch den RyR2 → größerer Ca+ Einstrom → das nennt man Calcium Spark (Ca2+ durch Ca2+ ausgeschüttet) 💡 Calciumionen müssen einströmen und es reicht keine Depolarisation des T-Tubulus Vegetatives Nervensystem passt mit Neurotransmittern Leitung des Herzens an (N. vagus, Sympathikus) deutlich längeres Aktionspotential ca. 300-400ms, aufgrund Erhöhung der Membranleitfähigkeit für Calcium-Ionen. Längere Refraktärzeit -> nicht tetanisierbare Kontraktion Glatte Muskulatur Kontraktion nicht nur durch das autonome Nervensystem ausgelöst, es können auch Umgebungsfaktoren wie etwa Dehnung, Hormone oder metabolische Faktoren verantwortlich sein. Reiz: elektrische Spannung oder Ligandenbindung an G-Proteine. Sollte eine nervale Steuerung vorliegen, gibt es keine motorischen Endplatten sondern Neurotransmitter werden in direkter Nähe der der glatten Muskelzellen ausgeschüttet. KEIN Troponin → Glatte Muskelzellen sind über Gap junctions verbunden, Filamente durch dense bands/bodies untereinander und in Zellmembran verankert. AP nicht zwingend nötig, grundsätzlich steigt der Ca2+ - Einstrom bei einer Depolarisation und sinkt bei Hyperpolarisation. Sarkoplasmatisches Retikulum und T-Tubuli (hier Caveoli) sind weniger ausgeprägt → geringerer Bedeutung. Der Großteil Ca2+ -Ionen von extrazellulär Das eingeströmte Kalzium bindet sich im Zytoplasma an Calmodulin. Der Calcium-Calmodulin- Komplex aktiviert die Myosin-leichte-Kette-Kinase (MLCK). Dieses spaltet ATP und überträgt das Phosphat auf die leichte Kette der Myosinköpfe. Erst wenn die leichte Kette des Myosins Physiologie Fragen 17  phosphoryliert ist, besitzt Myosin ATPase-Aktivität und kann so in den Querbrückenzyklus eintreten. Die Phosphorylierung der leichten Kette steigert so den Tonus der glatten Muskulatur. Bei sinkendem Ca2+ -Spiegel werden die leichten Ketten durch die Myosin-leichte-Ketten- Phosphatase wieder dephosphoryliert und der Querbrückenzyklus wird unterbrochen. Leichter gesagt: Das Kalzium bindet an Calmodulin. Der Kalzium-Calmodulin-Komplex aktiviert die Myosin- leichte-Ketten-Kinase und diese phosphoryliert wiederum die leichte Kette des Myosins. Die Konformation des Myosins wird also geändert → die Vermittlung der Kontraktion geschieht direkt am Myosin! 💡 Was versteht man beim Skelettmuskel unter tetanischer Kontraktion und wie kommt es zu dieser? Die tetanische Kontraktion: viele APs hintereinander Muskelzelle erreichen → keine Entspannungsphase SERCA & Na+/Ca+ Antiport → Ca2+ aus dem Zellinneren, Bindungsstelle am Aktin wieder „versiegelt“ wird. erreicht in der Zwischenzeit ein neues AP die Muskelzelle, (über DHPR, RyR1 → erneuten Ca2+ Ausstrom ev. nicht genug Zeit für Calcium-Abbau → auf die erste Kontraktion folgt fließend 2. → Überlagerung mehrerer Kontraktionen = Superposition AP Skelettmuskel ca 3-10ms → mechanische Antwort 20-500ms. Mittels Superposition sind größere Kraftwirkungen erzielbar als mit Einzelzuckungen, Man unterscheidt: vollständiger Tetanus: hohe Aktionspotenzialfrequenzen fehlende Entspannung→ vollständiger Tetanus, Zeit zwischen Aktionspotential kürzer als ein Drittel der Dauer der Kontraktion. unvollständiger tetanischer Kontraktion: Wenn wenigere APs hintereinander geschalten werden und sich die Kontraktionen teilweiseüberlagern → unvollständiger Tetanus, Fusionsfrequenz Die Refraktärzeit des Motoneurons, also die Zeit, in der kein neues Aktionspotential im Nerv generiert werden kann, wirkt als ein Limit auf die Tetanie. Da diese Zeit beim Skelettmuskel aber nur verschwindend gering ist, ist hier ein vollständiger Tetanus möglich. Im Herzen ist das allerdings nicht so. Die Refraktärzeit ist hier deutlich länger und schützt so das Herz vor einer Tetanie, also einer anhaltenden Kontraktion, die schnell tödlich enden könnte. 💡 14. Welche Energiequelle und Energiespeicher benützt die Skelettmuskulatur? Physiologie Fragen 18  Universeller Energieträger des Zellstoffwechsels ist Adenosintriphosphat (ATP). Bei Muskelarbeit wird ATP (chemische Energie) in mechanische und thermische Energie umgewandelt. Myosinquerbrücken sind ATPasen, sie brauchen chemische Energie für Aktivität. Diese Energie wird als ATP zur Verfügung gestellt. ATP Speicher nach wenigen Anstrengung ausgeschöpft, der Körper muss aus eingelagerten Stoffen (Kohlenhy, Fette, Prot.) durch biochem. Vorgänge ATP synthesieren. ATP-Quellen für die Kontraktion: ATP Speicher der Muskelzelle: ATP -> ADP + Pi + Energiesteigerung (< 3s) Kreatinphosphat (CP; Keratin über Niere und Leber hergestellt): wird unter Verbrauch von ADP zu ATP umgewandelt -> CP + ADP -> ATP + Kreatin (< 10s) gelangt über das Blut in die Muskelzellen und wird dort von Kreatinkinase in Kreatinphosphat umgewandelt ATP resynthetisiert aus: Kohlenhydraten: anaerob: Blutzucker, Glykogen, pro Glucose 2 ATP -> Laktatbildung (< 60s) aerob: Glykogen, pro Glucose 32 ATP, CO2 + H2O (30-120 min) Fette: aerob CO2 + H2O Proteine: Aminosäuren als Energielieferant bei extrem langer Belastung Verwertbare Formen der Substrate: Kohlenhydrate: Muskelglykogen, Leberglykogen, Blutzucker Fette: freie Fettsäuren Bereitstellung und Regeneration von ATP: Die Myosinkopfdomänen besitzen ATPase-Aktivität. ATP ist dementsprechend direktes Substrat der Myosinköpfe und die chemische Energie der Hydrolyse von ATP ist unmittelbare Energiequelle der Muskelkontraktion. Bei der Muskelkontraktion hydrolysiertes ATP wird ständig mit so hoher Effizienz nachgeliefert, dass praktisch kein Absinken der normalen ATP- Konzentration (ca. 5mMol/l) im Sarkoplasma eintritt. Die ATP-Regeneration erfolgt im Wesentlichen über diese Mechanismen: ATP wird aus Kreatinphosphat nachgeliefert, entsprechend der Lohmann-Reaktion : CP + ADP -> Kreatin + ATP. Die ATP-Regeneration aus Kreatinphosphat erfolgt ohne Sauerstoffverbrauch und ohne Bildung von Lactat (Milchsäure), sie ist also anaerob- alaktazid. Glykolyse: Anaerobe: ATP entsteht anaerob beim Abbau von Glukose über die Glykolyse. Die Glukose stammt überwiegend aus dem Glykogenabbau. 3Mol ATP/Mol Glukose werden beim Abbau aus Glykogen gewonnen, bei Abbau freier Glukose nur 2Mol ATP/Mol Glukose -> kann nur ca. 60s Energie liefern → Physiologie Fragen 19  Lactat (in geringen Mengen abgebaut, in großen Mengen Übersäuerung), d.h. die ATP- Bereitstellung erfolgt anaerob-laktazid. Aerobe: 1mol Glucose wird unter Verwendung von O2 zu 32 ATP abgebaut (sehr viel effizienter als anaerobe), allerdings braucht sie auch lange, um anzulaufen. Sie liefert für 30- 120 min Energie. Hier entsteht nur CO2. Durch die oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien werden 36Mol ATP/Mol Glukose gewonnen. Energieliefernde Substrate sind Kohlenhydrate und Fettsäuren. Bei Fettsäuren hängt die Energieausbeute vom Fettsäuretyp ab. Die ATP-Bereitstellung ist entsprechend aerob-alaktazid. Das in den Mitochondrien gebildete ATP kann nicht direkt die Mitochondrien verlassen. Über die Lohmann-Reaktion wird das energiereiche Phosphat auf Kreatin übertragen und gelangt in Form von Kreatinphosphat in das Sarkoplasma, wo es der Regeneration von ATP aus ADP dient. Zeitabfolge: Nutzung des ATP-Speichers -> Leerung des CP-Speicher -> Anaerobe Glykolyse (bei kurzer Belastung) -> Langanhaltende Belastung nur über anaerobe Energiegewinnung möglich Energienutzung verschiedener Aktivitätslevel Ruhe: Moderate Aktivität: Maximale Aktivität: aerober Metabolismus Aerober Anaerober Metabolismus dominiert Metabolismus dominiert dominiert Treibstoff: Fettsäuren Treibstoff: Glykogen Treibstoff: ATP-Überschuss: ATP wird für Glykogen Glykogenspeicher wird Muskelkontraktion benötigt angelegt / CP wird ATP wird für zunächst von CP, dann über aufgeladen Muskelkontraktion anaerobe Glykolyse → benötigt Milchsäure entsteht (wird CP, dann aerobe über Gefäße abtransportiert) Glykolyse Muskelfasertypen Muskeln für spezifische Anforderungen spezialisiert → schneller vs. langsamer Muskel mit überwiegend schnellen bzw. langsamen Fasern: Schnelle Muskelfasern (=Typ II /weiß) Langsame Muskelfasern (=Typ I /rot) Geringer Mitochondriengehalt Hoher Anteil an Myoglobin (=Sauerstoffträger) Viel Kreatinphosphat Hoher Mitochondriengehalt Hohe Kapillarisierung Wenig Kreatinphosphat Für schnelle kraftvolle Aktivität Geringe Kapillarisierung Hohe Kontraktionsgeschwindigkeit Langsame Kontraktionsgeschwindigkeit Schnelle Ermüdung Ermüdungsresistent Physiologie Fragen 20  →Fasertypumwandlung möglich (Training, elektr. Stimulation, Doping, Genmanipulation) 💡 Beschreibe die Aufgabe und Innervation der Muskelspindel und erkläre das Phänomen der Spindelpause. GENAU NACHARBEITEN Die Muskelspindel erfasst die Muskellänge/Längenänderung und liefert dem ZNS, Informationen über die Dehnung des Muskels (Propriozeptoren = Sensoren der Tiefensensibilität) → will durch Relaxation oder Kontraktion des Antagonisten entgegenwirken. Die Dichte an Spindeln in der Muskulatur ist nicht gleichmäßig verteilt. Muskeln für feine Bewegungen → viele Muskelspindeln Aufbau: aus besonderen Muskelfasern, parallel zu denen der Arbeitsmuskulatur angeordnete (intrafusale Muskelfasern), extrafusale = normalen, für die Kontraktion verantwortlichen Muselfasern oder Golgi Sehnenspindeln intrafusale meist nicht über die Länge des gesamten Muskels, am Ende mit der Arbeitsmuskulatur verbunden. Ca. 10 = spindelförmigen Komplex, von Perineuralkapsel umgeben. Beispiele: Muskelspindeln, Golgi- Sehnenorgane und Ruffini-/Vater-Paccini-Körperchen. Patellarsehnenreflex (=Muskeldehnungsreflex): 1. Schlag auf Sehne 2. Dehnungsreiz (=Längenänderung) wird von Muskelspindeln registriert -> senden 1a-Faser → Afferenzen ins Rückenmark (tritt über dorsale Wurzel ein, Efferenz ventral) 3. im Rückenmark: monosynaptische Aktivierung durch alpha Motorneuron exzitatorisches Signal an Agonisten 4. über Interneurone Hemmung des Antagonisten, was die Kontraktion des Agonisten zusätzlich begünstigt → um den Muskel vor Überdehnung zu schützen Afferente Innervation: Physiologie Fragen 21  Die afferente Innervation erfolgt über Fasern der Klasse 1a(Kernsackfasern) messen Muskellänge und Dehnungsgeschwindigkeit (statische und dynamische Komponente. Zusätzlich existieren Klasse-II Fasern, Kernkettenfasern, sie besitzen nur eine proportionale Komponente und haben eine höhere Reizschwelle als Ia-Afferenzen. 💡 Ia-Fasern antworten vor allem auf dynamischen Reiz & II-Fasern für statische Messung Efferente Innervation: Die efferente Innervation über A-Gamma-Motorneurone an den Enden der intrafusalen Muskelfasern → Verkürzung und dadurch Vorspannung → Rezeptorempfindlichkeit der Muskelspindel gesteigert Diese Vorspannung durch die Alpha-Gamma- Koaktivierung erzielt und verhindert die Spindelpause. Es existieren dynamische und statische Gamma-Motorneurone. Die Aktivierung statischer Motoneurone erhöht die Empfindlichkeit für die Muskellänge, die der dynamischen Fasern die Empfindlichkeit für die Dehnungsgeschwindigkeit. Ohne die Gamma-Innervation könnten die Muskelspindeln Bewegungen nur in einem engen Rahmen erfassen. Bei starker Muskelverkürzung wären die intrafusalen Muskelfasern irgendwann so schlaff, dass eine weitere Verkürzung nicht gemessen werden könnte, diese Situation wird als Spindelpause bezeichnet. Ähnliches gilt für geplante Bewegungen. Die abrupte aktive Verkürzung des Muskels würde bei nicht vorgedehnten Muskelspindeln zu einem starken Abfall der Entladungsrate führen, aus dem das ZNS keine Rückinformation über die Extremitätenposition gewinnen könnte. Die Bewegung würde sozusagen blind ablaufen. Bei gewollter Bewegung greift deshalb die Alpha-Gamma- Coaktivierung. Eine Aktivierung der Alpha- Motoneurone eines Muskels ist immer auch von einer Aktivierung der Gamma- Motoneurone begleitet. So verkürzen sich die intrafusalen Fasern parallel zu denen der Arbeitsmuskulatur und die Empfindlichkeit der Muskelspindeln bleibt während der gesamten Bewegung erhalten. So können die supraspinalen motorischen Zentren die Ausführung der Bewegung überwachen und bei Bedarf nachregulieren. Damit die Spindeln in der Mitte – dort wo Ia- und II-Fasern ansetzen – weiterhin gestreckt bleiben, müssen sich die kontraktilen Fasern an den Polen zusammenziehen -> über Gamma- Physiologie Fragen 22  Motoneuronen -> Erhalt der Rezepptorempfindlichkeit -> Spindelpause wird verhindert durch die Koaktivierung https://www.youtube.com/watch?v=IXV4fRC6nPc 💡 16. Nennen Sie Afferenz, zentrale Verschaltung und Funktion des Golgi Sehnenorgans. Sehnenspindeln (Golgi-Sehnenorgan) sind Sensoren des propriozeptiven Systems, die in den Sehnen im Übergangsbereich zwischen Muskel- und Sehnenfaser lokalisiert sind. Sie dienen der Wahrnehmung der Tiefensensibilität und messen die Muskelspannung (also bei passiver Dehnung/ aktiver Kontraktion Sehnenspindel: wird von afferenten myeliniserten Ib-Nervenfasern versorgt Sehnenspindeln (in Perineuralkapseln, extrafusalen Muskelfasern) messen mechanische Spannung z.B. Biceps-Curl -> Kraftmessung der Sehne bei isometrischer Kontraktion 1b-Afferenzen zum Rückenmark gesendet, Frequenz entspricht Stärke der Muskelkontraktion wirken auf inhibitorisches und exzitatorische Interneuron. inhibitorisch: hemmt über Motorneuron Agonisten → Entspannung exzitatorisch: Reiz an Antagonisten → Kontraktion Rückenmark wirken die Ib-Neurone über Interneurone hemmend auf die Alpha- Motoneurone desselben Muskels (=autogene Hemmung; innerhalb des Agonisten statt) und erregend auf die Motoneurone seiner Antagonisten. Weiterhin gelangen die Impulse zum Kleinhirn Diese Form der Hemmung wird als autogene Hemmung bezeichnet, auf diese Weise soll die Spannung des Muskels begrenzt werden. Schützen vor Überdehnung (=Golgisehnenreflex), reißen und überschießende Kraftausbildung. https://www.youtube.com/watch?v=CzeAcc39Cyo 💡 17. Erklären Sie Funktionsweise und Bedeutung des Renshaw Systems. Physiologie Fragen 23  Renshaw System: soll überschießende Muskelkontraktionen verhindern. Prinzipiell aktiviert ein Alpha Motoneuron die Muskelfasern über Acetylcholin. Im Renshaw System gehen vom Alpha Motoneuron zwei Kollateralen hervor: erste Kollaterale verlässt das Rückenmark und wirkt mittels ACh erregend am Muskel zweite (rekurrente) Kollaterale verlässt Rückenmark nicht, sondern ist rückläufig. Sie aktiviert per ACh die Renshawzelle, die als inhibitorisches Interneuron fungiert → Renshawzelle aktiviert worden, wirkt hemmend auf das Alpha Motoneuron (mittels Glycin) Je stärker ein Muskel innerviert wird, desto stärker ist auch seine inhibitorische Rückkoppelung 💡 18. Beschreiben Sie die essentiellen Funktionen der Niere. Funktionen: Filtration & Reinigung des Blutes: Ausscheidung harnpflichtiger Substanzen (z.B. Abbauprodukte: Harnstoff, Kreatinin und Harnsäure oder Fremdstoffe) → Urinproduktion über Nephron - Filtration im Glomerulus -Rückresorption und Sekretion im Tubulussystem 💡 Blut fließt über Vas afferens in die glomulären Kapillare, wird dort gefiltert und das reine Blut fließt über Vas efferens wieder ab und vervollständigt den Körperkreislauf 180l Primärharn pro Tag, 1,5l Sekundärharn Regulation des Elektrolyt- und Wasserhaushalts: Durch den juxtaglomerulären Apparat wird die NaCl-Konzentration sowie die Flussrate im distalen Tubulus gemessen und beeinflusst die Menge an Renin die freigesetzt wird. Physiologie Fragen 24  Konservierung wertvoller Blutbestandteile (z.B. Glukose, Aminosäuren): Im proximalen Tubulus der Nephrone werden etwa 2/3 des filtrierten NaCl und Wassers sowie fast 100% der filtrierten Aminosäuren und Glukose rückresorbiert. Blutdruckregulation: über Renin Regulation des Säure-Basen-Haushalts: (die Niere kann den Blutdruck steigern, Sekretion von H+ oder Resorption von Bicarbonat, Puffernutzung → mehr HCO3- im Blut → pH-Wert sinkt → Azidose (sauer) → weniger HCO3- im Blut → pH-Wert steigt → Alkalose (basisch) Regulation des Blutvolumen/Osmolalität: Wenn ADH aus Hypothalamus ausgeschieden wird (weil Blutvolumen zu gering), erhöht Niere die Wasserrückresorption durch Aquaporine im Tubulussystem und scheidet weniger Wasser aus Hormonproduktion: Erythropoetin -> Blutbildung, Vitamin D Aktivierung zu Calcitrol -> Ca-Aufnahme und Knochenaufbau und Renin ein Ort der Gluconeogenese (Stoffwechselweg zur Synthese von Glucose aus Nicht- Kohlenhydraten; dient Aufrechterhaltung eines konst. Blutglucosespiegels) 💡 19. Erklären Sie die glomeruläre Filtration und die sie beeinflussenden Regulationsmechanismen. Überblick Aufbau Niere: Nephron: Funktionelle Einheit = Nephron (ca. 1 Millionen pro Niere) Aufbau: zu- und abführenden Gefäßen Nierenkörperchen (Glomerulus + Bowman-Kapsel) Tubulus-System (proximaler Tubulus, Henle-Schleife, distaler Tubulus, Sammelrohr) Glomerulus: Liegen in Nierenrinde, Bilden Filter, durch den Plasmaflüssigkeit (=Primärharn) abfiltriert wird, bilden Blut-Harn-Schranke 20% der Herzzeitvolumens fließen durch die Niere! Physiologie Fragen 25  💡 Bei der glomerulären Filtration handelt es sich um einen passiven Mechanismus -> beschreibt die pro Zeiteinheit aus dem Blutplasma filtrierte Flüssigkeitsmenge. Bei einem gesunden Erwachsenen beträgt sie etwa 120ml/min. Pro Tag werden also 180 Liter Primärharn filtriert. Bei der glomerulären Filtration werden: zelluläre Bestandteile und Proteine NICHT durchgelassen Elektrolyte, Glukose, Aminosäure und Wasser durchgelassen Filtration ist abhängig von Größe und Ladung -> je größer das Element, umso unwahrscheinlicher kann es durch + Ladung wichtig (negativ oder positiv – Basallamina negativ geladen = neg. Elemente können schlechter durch aufgrund elektrostatischer Abstoßung – wie z.B. Albumin!) Blut fließt über Vas afferens in Nierenkörperchen (Glomerulus) ein, durch hydrostatischen Druck in glomulären Kapillaren → Trennung von Makromolekülen (Proteinen; Blutzellen) und Wasser/Ionen, Plasmaproteine und Blutzellen bleiben in Blut → Primärharn = 180l/Tag (=Ultrafiltrat) besteht hauptsächlich aus Wasser, Elektrolyten (Bicarbonat, Na, K, Cl, Ca, Mg,...), Glucose, Aminosäuren, Lipiden, Abfallstoffen und Vitaminen → Primärharn wird von Bowman-Kapsel aufgefangen und in Tubulussystem weitergeleitet → Großteil der enthaltenden Substanzen werden in Tubulussystem resorbiert → In Tubulussystem entsteht Sekundärharn/Endharn (1,8l), mündet über Sammelrohre in Nierenbecken → Blut verlässt Nierenkörperchen über Vas efferens Glomeruläre Filtrationsrate Maß als pro Zeiteinheit von den Glomeruli beider Nieren filtriertes Volumen in ml/min -> 120ml/min bzw. 180l/Tag Gfr = P eff ∗ F ∗ L → wichtig für Beurteilung der Nierenfunktion abhängig von: Änderung des renalen Blutflusses Änderungen des hydrostatischen Drucks in Glomerulumkapillare/Bowman-Kapsel (durch systemischen Blutdruck, Konstriktion des Vas afferens oder Vas efferens) Änderung in der Konzentration der Plasmaproteine (Dehydration, Hypoproteinämie) Physiologie Fragen 26  Änderung der Filtrationsfläche Änderung der Kapillarpermeabilität Einflussfaktoren der GFR Effektiver Filtrationsdruck: setzt sich zusammen aus den Drücken, die von der Kapillare in die Bowmankapsel gehen und jenen, die aus der Bowmankapsel in die Kapillare zeigen. (Filtration fördern und ihr entgegenwirken) Filtrationskoeffizient: setzt sich aus der Oberfläche des Glomerulus, sowie aus seiner Permeabilität (die der Kapillaren und die Ladung der Filter) zusammen. (intrarenaler Einflussfaktor) Hydrostatischer Druck in den Glomeruluskapillaren (Blutdruck in den Kapillaren): gegen diesen Druck wird das Ultrafiltrat abgepresst; beträgt ca 45 – 55 mmHg Onkotischer (= kolloidosmotischer) Druck in den Kapillaren: verändert sich im Verlauf der Kapillarstrecken: da die abfiltrierte Flüssigkeit fast kein Eiweiß enthält, dem durchströmenden Blut also v. a. Wasser und Salze entzogen werden, nimmt die Proteinkonzentration im Kapillarbett immer weiter zu, steigt der onkotische Druck von 25 mmHg auf Werte über 30 mmHg, so dass der effektive Filtrationsdruck am Ende des Glomerulus auf 0 mmHg absinkt. Es stellt sich ein Filtrationsgleichgewicht ein. Hydrostatischer Druck in der Bowman-Kapsel: Druck, der durch das Zurückstauen des Primärharns in der Kapsel entsteht; beträgt ca. 13mmHg Wirken beide dem hydrostatischen Druck in den Glomeruluskapillaren entgegen Effektiver Filtrationsdruck Peff: Peff = Pkap – πonk – Pbow d.h. Peff ≈ 48 – 25 – 13≈10mmHg Die GFR kann durch Änderungen des hydrostatischen Kapillardrucks Pkap beeinflusst werden, der vom Gefäßwiderstand in den Vasa afferentia und efferentia abhängt. Je höher Pkap, desto höher ist auch die GFR. Eine Zunahme des renalen Plasmaflusses kann aber auch direkt über eine weniger steile Zunahme des onkotischen Drucks πonk entlang der Filtrationsstrecke zu einer Erhöhung der GFR führen, selbst wenn sich der hydrostatische Druck in den Glomeruluskapillaren nicht ändert. Durch den Bayliss-Effekt kann der Blutdruck und damit die glomeruläre Filtration reguliert werden. Bei Kontraktion im Vas afferens kommt es zu einem Anstieg des Widerstands der einen verminderten renalen Plasmafluss und geringere Filtration bewirkt. Gegensätzlich bewirkt eine Kontraktion im Vas efferens einen höheren Druck in den glomerulären Kapillaren und es wird mehr Blutplasma filtriert. Der Bayliss- Effekt ist ein Autoregulationsmechanismus, durch ihn wird der in den Vasa afferentia auftretende Strömungswiderstand durch Vasokonstriktion an den derzeitigen Blutdruck angepasst. So wird der renale Plasmafluss unabhängig von den Schwankungen des systemarteriellen Blutdruckes konstant gehalten. Der Bayliss- Effekt ist bei Änderungen des arteriellen Blutdruckes zwischen 80-180 mmHg effektiv, bei Über- oder Unterschreitung dieser Werte wird die glomeruläre Filtration druckpassiv verändert. Regulationsmechanismen Physiologie Fragen 27  myogene Autoregulation: ist der Bayliss-Effekt; Ziel: Druck in glomerulären Kapillaren soll konstant bleiben; Regulation über Gefäßwiderstand Vas afferens/efferens z.B. Blutdruck steigt – Kapillardruck steigt somit auch – da es aber gleich bleiben soll = Kontraktion des Vas afferens = weniger Blutfluss und somit Kapillardruck gesenkt – umgekehrt bei Blutdruck-Abfall genauso: Kapillardruck sinkt – will gleich bleiben und deshalb Dilatation des Vas afferens und somit mehr Blutfluss = Kapillardruck steigt Prostaglandine: Mangeldurchblutung stimuliert Bildung von Prostaglandinen in Nierenmark -> vasodilatorische Wirkung tubuloglomeruläre Feedback: Juxtaglomulärer Apparat (JGA) misst NaCl- Konzentration im Harn des Tubulus -> Zunahme der NaCl-Konzentration bewirkt Kontraktion der Vas afferens (-> GFR sinkt) -> Drosselung der glomulären Filtration des einzelnen Nephrons Renin-Angiotensin-Aldosteron-System: erhöht Blutdruck Vegetatives NS Einflussfaktoren auf glomeruläre Filtration prärenal: renaler Blutfluss: hydrostatischer Druck in Glomeruluskapillare, welcher durch systemischen Blutdruck, Vas afferens und Vas efferens bestimmt wird Konzentration der Plasmaproteine intrarenal: Filtrationskoeffizient: z.B. Filtrationsfläche, Kapillarpermeabilität und Ladung des Filters postrenal hydrostatischer Druck in Bowman-Kapsel: z.B. Ureterobstruktion (z.B. Steine) und Nierenödem 💡 20. Was trägt zur Selektivität und Umfang der glomerulären Filtration bei? Physiologie Fragen 28  Das Filtrationsvolumen ist abhängig von: (GFR=Peff x Fläche x Permeabilität) 1. Filtrationsfläche 2. Durchlässigkeit des Filters (Aufbau Filtrationsschranke; siehe Skizze) 3. Effektiver Filtrationsdruck: p_Eff (=effektiver Filtrationsdruck) → P_eff= Kapillardruck – (Bowmankapseldruck + kolloidosmotischer Druck) Die Selektivität der glomerulären Filtration wird primär vom Aufbau der Blut-Harn- Schranke beeinflusst: fenestrierten Endothelzellen: der Kapillaren → Poren mit d=50-100 nm. Moleküle herausgefiltert + große Proteine Basallamina: dreischichtig und negativ geladen → negativ geladene Moleküle Albumin oder Immunglobuline abgestoßen viszeralen Blatts der Bowmankapsel: genauer Podozyten bilden sog. Filtrationsschlitze → lassen nur noch Moleküle durch, die kleiner als 7-9 nm sind. außerdem auch eine neg. geladene Glykokalyx → neg. Mol. schwerer durch Die Filtrationsrate kann verändert werden durch den Blutdruck (viel zu niedriger Blutdruck → keine Filtration möglich - viel zu hoch → hoher Wasser- und Elektrolytverlust), Veränderungen in der Blutzusammensetzung (zB Erhöhung des Hämokrit-Anteils verringert renalen Plasmafluss), Vasodilatation (Wirkung Baylisseffekt oder Prostaglandine bei allg. Minderdurchblutung) oder Vasokonstriktion der Vas afferens und Vas efferens, Änderung der Filtrationsfläche, Änderung der Kapillarpermeabilität usw. Physiologie Fragen 29  💡 Beschreiben Sie Grundprinzipien renaler Transportmechanismen für H20; Na+, K+ und Cl-. meiste Resorptionsmechanismen im proximalen Tubulus → sind an Na+ Resorption gebunden (Antiport/ Symport) Transportmechanismen transzellulär: vom Urin in die Zelle Na/K-ATPase: primär aktiver Transport -> hoher Na-Gradient -> Symport/Antiport mit Na möglich (sekundär aktiver Transport) Aquaporine: durch erleichterte Diffusion parazellulär: geht an Epithelzellen vorbei leaky thight junctions: für manches durchlässig durch transepitheliales Potential (=elektrischer Gradient) möglich, Ladungsunterschied zwischen Tubuluslumen und Intersititum (=Blut) (ist zuerst lumennegativ, dann lumenpositiv) solvent drag: wenn Wasser durch tight junctions geht und Ionen mitnimmt H2O - Resorption IMMER PASSIV (osmotischer Gradient) parazellulär Tubulussystem osmotisch rückresorbiert (proximaler Tubulus 100 Liter; im dünnen absteigenden Teil der Henle-Schleife; im Sammelrohr über Aquaporine (transzellulär)) solange die Konzentration der osmot. aktiven Teilchen außerhalb der Tubuli höher als innerhalb Der Einbau von Aquaporinen im Sammelrohr über ADH (Adiuretisches Hormon) gesteuert -> weniger Wasser wird ausgeschiede bzw. mehr Wasser wird rückresorbiert Na+ - Resorption wird zu 99,4% resorbiert höchste Konzentration im Filtrat d.h. höchster Energieaufwand NA+/K+ ATPASE: macht Konzentrationsgradient, 1/3 der Natrium-Ionen werden im proximalen Tubulus durch luminale sekundär-aktive Co-Transporter resorbiert → Blutgefäße abgegeben Zu den sekundär aktiven Co-Transportern zählen Na+/Glukose-Symporter, Na+/Aminosäure-Symporter und Na+/H+-Antiporter Durch solvent drag wird ein weiterer Anteil der Natrium-Ionen resorbiert, dabei folgen Na+- Ionen zuerst den Chlorid-Ionen die entlang des elektrochemischen Gradienten durch intrazelluläre Spalten aus dem Tubulus-Lumen resorbiert werden, durch die verminderte Osmolarität im Tubulus-Lumen folgt Wasser osmotisch und zieht weitere gelöste Teilchen (u.a. Na+, Cl- und K+) aus dem Tubulus-Lumen in die umliegenden Blutgefäße. Ein weiterer Bestandteil der Natrium-Ionen wird im Co-Transport mit Kalium und Chlorid über Na+/K+ /2Cl--Cotransporter resorbiert. Physiologie Fragen 30  Transepitheliales Potenzial positiv im Lumen → durch leaky tight junctions NKCC2 (Na+/K+/2Cl-) -Transporter im dicken aufsteigenden Teil der Henle Schleife Na+ Kanal (ENaC) K+ - Resorption Die K+-Resorption im proximalen Tubulus macht 60-70% der resorbierten Menge aus und findet fast ausschließlich passiv durch Diffusion und solvent drag statt 25-30% werden im Co-Transport mit Natrium und Chlorid über Na+/K+/2Cl-- Cotransporter im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife resorbiert. Eine kleine Menge Kalium-Ionen wird im distalen Tubulus im Symport mit Natrium resorbiert. Cl- - Resorption 99,2%ige Resorption, eng mit Natriumresorption gekoppelt: transepitheliales Potenzial lumennegativ → in Zelle eintreten Cl - Ionen werden einerseits durch elektrische Interaktionen mit Natrium-Ionen aus dem Tubulus-Lumen resorbiert, zusätzlich dazu werden sie wird im Co-Transport mit Natrium und Kalium über Na+/K+/2Cl-- Cotransporter und über den solvent drag resorbiert. Zusätzlich gibt es Na/Cl-Transporter und Cl/HCO3-Transporter. Genauer: Solvent drag im proximalen Tubulus, passive Resorption im dünnen aufsteigenden Teil der Henle-Schleife, Na+K+2Cl– Transporter im dicken aufsteigenden Teil und NaCl- Cotransporter im distalen Tubulus. Henle-Schleife: dient der Harnkonzentrierung und hat Na/K/2Cl-Transporter hat Aquaporine und einen großen osmotischen Gradient (früh)distaler Tubulus Na/Cl-Cotransporter: durch Aldosteron reguliert Na/Ca-Antiport luminale Ca-Transporter (spät)distaler Tubulus & Sammelrohr: Hauptzelle Na-Kanal: durch Aldosteron reguliert K-Kanal: durch Aldosteron reguliert Aquaporine: durch ADH reguliert Schaltzelle für Säure-Base-Haushalt H/K-ATPase und H-ATPase Cl/HCO3-Transporter Physiologie Fragen 31  solvent drag = passiver Resorptionsmechanismus 💡 22. Was trägt zur Selektivität und Umfang von tubulären Transportmechanismen bei? Transport- und Kanalmoleküle sind spezifisch -> für körperfremde Stoffe keine Transportmechanismen -> werden ausgeschieden Proximaler Tubulus: Resorption von Wasser, Ionen, Glucose, AMS Henle-Schleife: Aufrechterhaltung des Konzentrationsgradienten für Harnkonzentrierung Distaler Tubulus/Sammelrohr: Harnkonzentrierung, Feinjustierung der Urinzusammensetzung Die Selektivität der tubulären Transportmechanismen wird primär durch die verschiedenen Symporter und Antiporter reguliert. Am wichtigsten sind dabei die basolateralen Na+/K+- ATPasen, sie erzeugen als primär aktive Transporter den Konzentrationsgradienten für alle luminalen Natrium-Symporter und -Antiporter. Zusätzlich zu den aktiven Transportern beeinflussen elektrochemische Gradienten den Transport der Elektrolyte. In Folge der Bewegung osmotisch aktiver (geladener) Teilchen wird auch Wasser aus dem Tubulus-Lumen nachfolgen. Der Umfang der tubulären Transportmechanismen wird durch die Hormone: Aldosteron: Teil des RAAS, induziert Proteinsynthese für luminale Na+-Kanäle und basolaterale Na+/K+-ATPasen → Gradient für Na-Ionen schneller aufgebaut, elektrost. WW → Rückresorption von Cl- und H20 Sekretion über Renin und Angiotensine durch Blutdruckabfall Antidiuretisches Hormon (ADH): bewirkt Einbau von Aquaporinen in Sammelrohren der Nephrone → mehr H20 resorbiert Sekretion durch erhöhte Osmolarität im Blutplasma atriales natriuretisches Peptid (ANP) hemmt den Einbau von Na+-Kanälen im Sammelrohr → weniger Elektrolyte + weniger Wasser resorbiert. bei erhöhter Dehnung der Vorhöfe (Dehnungssensoren) und erhöhten zentralvenösen Druck freigesetzt Physiologie Fragen 32  💡 23. Wie trägt die Niere zum Flüssigkeitshaushalt bei? 180 Liter Primärharn werden jeden Tag aus den afferenten Arteriolen in die Nephrone gefiltert. Im proximalen und distalem Tubulus wird Wasser je nach Osmolarität der Elektrolyte transportiert Der aufsteigende Teil der Henle-Schleife ist undurchlässig für Wasser, hier wird durch luminale Na+/K+/2Cl--Cotransporter ein Konzentrationsgradient aufgebaut, der absteigende Teil der Henle-Schleife ist wasserdurchlässig, hier wird Wasser in die Vasa recta bewegt. Das Sammelrohr kann seine Wasserdurchlässigkeit ADH-abhängig variieren: Hypothalamus weiß das durch Osmorezeptoren (Hyperosmolaritär → ADH Ausschüttung) ADH Anwesenheit: Aquaporine in Sammelrohrwand eingebaut ADH fehlt: wasserundurchlässiges Sammelrohr → Harn hypoton, weil im distalen Nephron weiter NaCl resorbiert Regulierung der Natriumrückresorption durch RAAS: Urinkonzentration kann dabei maximal auf im Interstitium herrschende Werte von 1200-1400 mosmol/l konzentriert werden Aldosteron: neben ADH für eine vermehrte Rückresorption von Natrium-Ionen und Wasser verantwortlich. Die Aldosteronfreisetzung wird durch das RAAS (Renin-Angiotensin- Aldosteron-System) reguliert → bewirkt höheres Blutvolumen Freisetzung: Angiotensin II Gehalt und ACTH Na- und K-Kanäle eingebaut -> vermehrt Na und Wasser rückresorbiert -> vermehrt Kalium und Protonen ausgeschieden Der juxtaglomeruläre Apparat misst den Blutdruck, bei zu großem Blutdruckabfall (< 80mmHg) wird die Renin-Sekretion erhöht, spaltet infolge das inaktive Angiotensinogen (von Leber produziert) zu Angiotensin I, dieses wird dann von ACE (Angiotensin converting Enzyme) zu Angiotensin II umgewandelt, dieses stimuliert dann die Freisetzung von Aldosteron in der Zona Glomerulosa der Nebennierenrinde -> Blutdruck und GFR wird erhöht. Angiotensin II: Physiologie Fragen 33  Vasokonstriktion → Blutdruck steigt Durst / Salzhunger bewirkt Aldosteron Ausschüttung ADH Freisetzung aus Neurohypophyse Renin: Protease (Enzym), im JGA (in granulierten Zellen) produziert Freisetzung bei: Blutdruckabfall durch Sympathikus niedrigen Harn-NaCl- Gehalt freigesetzt. Verminderung: Angiotensin II (Rückkopplung mit JGA) Aldosteron Parasympathikus hohen Harn-NaCl-Gehalt Regulierung der Wasserrückresorption durch ADH ADH (=Adiuretin =Vasopressin): Wird im Hypothalamus gebildet und über den Hypophysenhinterlappen ausgeschüttet Wassermangel -> ADH-Sekretion und Durst steigt Wasserüberschuss -> AHD-Sekretion sinkt V1-Rezeptoren (an Gefäße): Vasokonstriktion -> Blutdruck erhöht V2-Rezeptoren (in Niere): mehr Aquaporine im Sammelrohr -> vermehrte Wasserrückresorption ANP bewirkt den umgekehrten Effekt zu Aldosteron, es hemmt die Natrium- Rückresorption und die Sekretion von Renin, Aldosteron und ADH, dadurch wird die Rückresorption von Wasser in den Sammelrohren und Tubuli vermindert und es kommt zu einer Senkung des Blutdrucks und des Blutvolumens. Physiologie Fragen 34  💡 24. Beschreiben Sie die Mechanik der ruhigen Ein- und Ausatmung, die beteiligten Muskeln, und die resultierenden Druckveränderungen in den Alveolen. Nennen Sie die statischen Lungenvolumina bzw. -kapazitäten (inkl. Richtgrößen) sowie die Auswirkungen von Obstruktion & Restriktion. Mechanik: Luft folgt immer dem Druckgefälle, dabei sind etwa 14 Atemzüge/min normal →14x0,5L = 7L/min (=Atemminutenvolumen) Inspiration: aktiver Vorgang, Kontraktion der Atemmuskulatur, Vergrößerung des Thoraxvolumen und Lungenvolumen, Hebung der Rippen & Senken des Diaphragmas (Kontraktion) es entsteht ein Unterdruck (-0,1kPa) in der Lunge, weil intrapulmonaler Druck (Druck in den Alveolen) abfällt + intrapleuraler Druck wird noch negativer (-> - 0,7 kPa) -> Außendruck höher als Innendruck => Luft folgt dem Druckgefälle hinein Innervation: Plexus cervicalis (C3-C5) innerviert Beteiligte Muskeln (Atemmuskulatur) Diaphragma, Mm. scaleni (auch Hilfsmuskel), Mm. intercostales externi Atemhilfsmuskeln: in Situationen mit schwerer Atemtätigkeit; Mm. sternocleidomastoidei, Mm. serrati und Mm. pectoralis. Exspiration: passiv durch erschlaffende Atemmuskulatur durch Rückstellkräfte (Elastizität) Physiologie Fragen 35  Verkleinerung des Thoraxvolumen und Lungenvolumen, Senken der Rippen & Hebung des Diaphragma , Anstieg des intrapulmonalen Drucks ( + 0,1 kPa) Innendruck höher als Außendruck => Luft folgt dem Druckgefälle aus Lunge raus (passiver Vorgang!) → nach außen gepresst Das Residualvolumen und die funktionelle Residualkapazität ist nach dem Ausatmen noch vorhanden Beteiligte Muskeln (Ausatemmuskulatur) Bei Ruheatmung: Exspiration erfolgt passiv bei Anstrengung: Mm. intercostales interni und die Bauchmuskulatur (werden zusätzlich aktiviert) Druck in den Alveolen: steigt bei der Exspiration auf +0,1 kPa 💡 Der intrapulmonale Druck entspricht in Ruhelage dem äußeren Luftdruck -> 0 kPa → Am Ende der In-und Exspiration ist Pulmonaldruck = 0 Statische Lungenvolumina und -kapazitäten: Die Lungenvolumina beschreiben, wieviel Luft sich in der Lunge befindet bzw. ein- oder ausgeatmet werden kann AV/TV: Atemzugvolumen; Luftvolumen, das bei einem normalen Atemzug eingeatmet und dann wieder ausgeatmet wird: 0.5 Liter, davon bleiben 150ml im anatomischen Totraum (Tidalvolumen genannt) IRV: Inspiratorisches Reservevolumen; Luftvolumen, das nach normaler Inspiration zusätzlich max. inspiriert werden kann 3 Liter (ca. 65% der VC) ERV: Exspiratorisches Reservevolumen; Luftvolumen, das nach normaler Exspiration zusätzlich max. exspiriert werden kann ca. 1,2 oder 1.7 Liter (ca. 25% der VC)?? RV: Residualvolumen; Luftvolumen, das nach max. Ausatmung in der Lunge verbleibt → verhindert Vakumn und Zusammenfall der Lunge ca. 1-1,5 Liter (ca. 20-25% der TK) VC: Vitalkapazität; Volumendifferenz zwischen max. Einatmung und Ausatmung VC = IRV + ERV + AV, ca. 5.2 Liter TLC/TC: Totalkapazität; gesamtes Gasvolumen in der Lunge nach max. Inspiration TLC = VC + RV, ca. 6.5 Liter FRC: funktionelle Residualkapazität; Volumen, das nach normaler Ausatmung noch in der Lunge verbleibt FRC = ERV + RV, ca. 3 Liter Physiologie Fragen 36  IRC: inspiratorische Reservekapazität; Luftvolumen, das nach normaler Exspiration max. inspiriert werden kann IRC = AV + IRV 🫁 RV und FRK nicht mit Spirometrie messbar Anatomischer Totraum: Raum den die Atemluft passieren muss, um in den Alveolen am Gasaustausch teilnehmen zu können. Diese luftleitenden Wege weisen keine Alveolenauf und können somit nicht am Gasaustausch teilnehmen! (Mundraum, Nase, Rachen, Trachea) Funktioneller Totraum werden Teile des Lungentrakts genannt, die aus pathologischen Gründen nicht mehr am Gasaustausch teilnehmen können, aber sollten. Obstruktion: durch intra- und/oder extrathorakale Einengung der Atemwege bedingte Erhöhung des Atemwegswiderstandes (= Resistance) durch Fremdkörper oder Pathologie (Tumor, Asthma, COPD) d.h. Lungenvolumen wird langsamer ein und ausgeatmet → dadurch muss mehr Atemarbeit geleistet werden => subjektiv entsteht dabei Atemnot (Dyspnoe) man kann immer noch dasselbe Volumen inspirieren und exspirieren, allerdings mit höherem Zeitaufwand → das bedeutet → statische Lungenvolumina bleiben unverändert; dynamische Lungenvolumina stark eingeschränkt!) Residualvolumen ↑ (dadurch auch Totalkapazität ↑) Vitalkapazität eher normal Z.B. Asthma, COPD Restriktion: beruhen auf einer verminderten Dehnbarkeit (Expansion) von Lunge/Thorax (= Compliance) → Lunge kann sich nicht entfalten → d.h. nicht volles Volumen kann ausgeatmet werden Vitalkapazität ↓ und dadurch auch Verminderung der Totalkapazität, Residualvolumen ↓ Z.B. Lungenfibrose, Verlust von Lungengewebe, eingeschränkte Beweglichkeit des Thorax oder Fehlstellung Physiologie Fragen 37  Resistance: = Atemwegswiderstand; berechnet aus intrapulomalen Druck / Volumenstromstärke Compliance: Dehnbarkeit von Lunge/Thorax; hohe Compliance erleichtert Atmung; berechnet aus V/p 💡 25. Nennen Sie die Zusammensetzung von Luft in Meeres- und Höhenlage. Definieren Sie den Begriff Partialdruck und nennen bzw. berechnen Sie die Partialdruck-Werte der Atemgase (O2 und CO2) in Umgebungsluft. Warum sind O2 und CO2 Partialdruck in den Alveolen unterschiedlich von der Umgebungsluft? Luftzusammensetzung: 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff, 1% Edelgase, 0,03% Kohlendioxid Zusammensetzung von Luft ist konstant bis 90km Druck sinkt von 760 mmHg (Meeresniveau) auf 250 mmHg (Mt. Everest) → halbiert sich also alle 5500m bzw. nimmt exponentiell ab in der Höhe von 1000m zu 2000m verringern sich 02, N2 und andere Mol im selben Verhältnis Partialdruck Den Anteil eines Gases am Gesamtgemisch bezeichnet man als Fraktion. Partialdruck Druck, den ein Gas eines Gasgemischs zum Gesamtgasdruck beisteuert. Je höher die Fraktion eines Gases, desto höher ist der Anteil dieses Gases am Gesamtdruck. Druck, den ein Gas ausüben würde, wenn es sich allein im verfügbaren Volumen befände. Es ist berechenbar durch den Gesamtdruck des Gasgemisches x dem prozentualen Anteil des spezifischen Gases. Summe aller Partialdrücke addiert sich zum Gesamtluftdruck (Dalton’sches Gesetz) gesamter Luftdruck in Umgebungsluft: 760mmHg bzw 101 kPa. pO2 in Umgebungsluft: 160mmHg bzw 20kP pCO2 in Umgebungsluft: 0,3mmHg bzw 0,04 kPa Physiologie Fragen 38  Bsp: O2 auf Meeresniveau: pO2= 760mmHg x 0,21 = 160mmHg O2 am Mount Everest: pO2 = 250mmgH x 0,21 = 50mmHg Wenn O2 eingeatmet wird, und sich im anatomischen Totraum befindet, hat er einen Partialdruck von 160mmHg. Am Weg zu den Alveolen wird die Luft mit Wasserdampf angereichert (befeuchtet), was den Partialdruck Sauerstoffs (und anderen an Luft beteiligten Molekülen) verändert (pO2feucht=150mmHg). (weil Mengenverhältnisse sich ändern) Formel für die Sättigung des Wasserdampfes: Pgas = (760 - 47) × AnteilGas O2 diffundiert in das Kapillarblut (aus der Alveole) – CO2 aus dem Kapillarblut (in die Alveole) – auf dem Weg in die Alveolen wird Umgebungsluft angefeuchtet = Mengenverhältnisse der einzelnen Gase werden verschoben 💡 26. Nennen und erklären Sie die dynamischen Lungenvolumina bzw. -kapazitäten (inkl. Richtgrößen) sowie die Auswirkungen von Lungenerkrankungen. Wovon hängt der Atemwegswiderstand ab und welche anatomischen Strukturen bestimmen ihn? Atemwiderstand = Elastance (Elastizität der Lunge, physikalisch gesehen Rückstellkraft) Atemwegswiderstand = Resistance (zu überwindender Strömungswiderstand) hängt von Bronchialmuskulatur ab, Radius der Bronchien und elastischen Fasern, Widerstand berechnen nach Hagen Poiseulle: besagt, dass der Widerstand in einem Gefäß indirekt proportional zur vierten Potenz des Radius ist direkter Parameter für obstruktive Lungenfunktionsstörung Norm: 0,005 bis 1,5 cmH2O/l/s erhöht → Lunge verengt, weniger Volumen eingeatmet in gleicher Zeit Histaminausschüttung d. Parasympathikus für Bronchienkonstriktion Adrenalin vom Sympathikus für Bronchiendilatation 💡 Elastance und Resistance nicht verwechseln Physiologie Fragen 39  Dynamische Lungenvolumina: AMV: Atemminutenvolumen in L/min; Atemfrequenz x Atemzugvolumen → in Ruhe: 0,5 x 14 = 7L/min → wird sowohl bei Obstruktion als auch Restriktion neg. beeinflusst AGW/MVV: Atemgrenzwert in L/min; ist das AMV bei max. Hyperventilation 120 – 170 L/min FCV: forcierte (exspiratorische) Vitalkapazität; Volumen, das nach vollständiger Inspiration unter maximaler Anstrengung od. Geschwindigkeit? exspiriert werden kann, kleiner als Vitalkapazität FEV1: absolute Einsekundenkapazität in L/s; Atemvolumen, das nach maximaler Inspiration mit voller Kraft innerhalb der ersten Sekunde ausgeatmet werden kann > 90%, also 4,5l/s → Sirometrie messen FEV1%: relative Einsekundenkapazität, auch „Tiffeneau-Index“ berechnet aus FEV1 / (F)VC ein Verhältnis, das sollte über > 70% PEF: Peak exspiratory flow -> max. exspiratorischer Spitzenfluss in L/s; Maximale Atemstromstärke bei forcierter Exspiration, maximal am Anfang des Ausatmens sollte über > 90% MEF75: maximaler exspiratorischer Fluss bei 75% Vitalkapazität in L/s; mittlere Atemstromstärke, wenn noch 75% der Vitalkapazität in der Lunge ist > 90% MEF50: maximaler exspiratorischer Fluss bei 50% Vitalkapazität in L/s; mittlere Atemstromstärke, wenn noch 50% der Vitalkapazität in der Lunge ist > 90% MEF25: maximaler exspiratorischer Fluss bei 25% Vitalkapazität in L/s; mittlere Atemstromstärke, wenn noch 25% der Vitalkapazität in der Lunge ist > 90% Obstruktion FEV1 ↓ Tiffeneau-Index ↓ (ist entscheidender Wert für obstruktive Ventilationsstörungen) Peak Flow ↓ Atemgrenzwert ↓ Physiologie Fragen 40  MEF 75/50/25% -> eine Verringerung von MEF 50% und MEF 25% spricht für Obstruktion der peripheren kleinen Atemwege (z.B. Asthma bronchiale) Restriktion FEV1 normal Peak Flow eher normal Atemgrenzwert eher normal Tiffeneau-Index normal Wenn der allgemeine Widerstand dann in die Formel 𝐴𝑡𝑒𝑚𝑠𝑡𝑟𝑜𝑚𝑠𝑡ä𝑟𝑘𝑒 [𝑙⁄𝑚]: eingesetzt wird, wird klar, dass je höher der Widerstand ist, desto weniger Volumen kann über einen gewissen Zeitabschnitt über die Ventilation zu den Alveolen gelangen. Zur Veranschaulichung: Verkleinert sich der Radius also z.B. um die Hälfte, steigt der Widerstand nicht auf das Doppelte, sonder