V-1 Einleitung und Zellphysiologie (1) PDF

70.020 Vorlesung Grundlagen der Sport- und Bewegungsmedizin [BA-1], [Bed-1-Sek, GS, BS, SO] [Kontaktstudium] Prof. Dr. med. Rüdiger Reer Institut für Bewegungswissenschaft Sport- und Bewegungsmedizin Universität Hamburg Strukturel...

70.020 Vorlesung Grundlagen der Sport- und Bewegungsmedizin [BA-1], [Bed-1-Sek, GS, BS, SO] [Kontaktstudium] Prof. Dr. med. Rüdiger Reer Institut für Bewegungswissenschaft Sport- und Bewegungsmedizin Universität Hamburg Struktureller Ablauf des Seminars 1. Veranstaltung findet während der offiziellen Vorlesungszeit (jeweils am Dienstag von 12.15 bis 13.45 Uhr im Phil A-Hörsaal A in Präsenz statt; an wenigen Terminen digital (22.10.24 / 3.12.24)). 2. Die PowerPoint Folienpräsentationen zu den einzelnen Themen sind in STINE unter der betreffenden Lehrveranstaltung abgelegt 3. Es findet neben der Vorlesung ein die Vorlesung begleitendes Tutorium statt: Montags, 8.15-9.45 (Hörsaal Mollerstraße 10), Tutorin: Sveja Szerdahelyi; dort können Fragen, Unklarheiten etc. besprochen werden 4. Regelmäßige Anwesenheit (maximal 2x Fehlen!) 5. Der Unterrichtsstoff wird im Rahmen einer Multiple-Choice Klausur (Modulprüfung) abgeprüft. Für die Teilnahme an der Klausur ist die Anmeldung in STINE vorausgesetzt. Die An- und Abmeldung zur Klausur ist bis spätestens 14 Tage vor dem Prüfungstermin möglich. Es werden zwei Prüfungstermine im Semester angeboten. Die Anmeldung zum zweiten Prüfungstermin erfolgt nicht automatisch. Man muss sich explizit zu dem zweiten Prüfungstermin anmelden. 6. Zugangslink, falls eine Seminar-Doppelstunde digital abgehalten wird: Siehe gesonderte Folie! 7. Brandschutz: 2 Buddies für Studierende mit Defiziten (selbst suchen, benennen), Feuerlöscher, Fluchtwege (Notausgänge), Fluchtplan Zoom-Link digitale Vorlesung Zugangslink, falls Seminar-Doppelstunde digital abgehalten wird: Zoom-Meeting beitreten https://uni- hamburg.zoom.us/j/69215863611?pwd=uceN7xNN9X2HnEahxy1ZURS H2SUiKx.1 Meeting-ID: 692 1586 3611 Kenncode: 70878415 Schnelleinwahl mobil +496950500952,,69215863611#,,#,70878415# Deutschland +496950502596,,69215863611#,,#,70878415# Deutschland Themen, ungefährer Zeitplan Di, 15.10.2024: Einführung / Organisation, Zellphysiologie Di, 22.10.2024: Neurophysiologie (digital) Di, 29.10.2024: Muskulatur Di, 05.11.2024: Kontraktionsformen, spinale Motorik, Muskelverletzungen Di, 12.11.2024: Energiebereitstellung Di, 19.11.2024: Leistungsdiagnostik / Spiroergometrie Di, 26.11.2024: Knochen Di, 03.12.2024: Gelenke (digital) Di, 10.12.2024: Wirbelsäule / Rumpf Di, 17.12.2024: Herz-Kreislauf Teil 1 Di, 07.01.2025: Herz-Kreislauf Teil 2 Di, 14.01.2025: Atmung Di, 21.01.2025: Wärmehaushalt und Thermoregulation Di, 28.01.2025: Spezielle Themen (Hormone, ZNS, Sensomotorik u.a.) Literaturempfehlungen - Bücher 1. Dickhuth, H.-H.: Sportmedizin für Ärzte. Deutscher Ärzte-Verlag 2. Halle M: Sporttherapie in der Medizin. Schattauer Verlag 3. Hollmann W, Hettinger Th: Sportmedizin; Arbeits- und Trainingsgrundlagen. Schattauer Verlag 4. Peterson L., Renström P.: Verletzungen im Sport. Deutscher Ärzte-Verlag 5. Rost R: Sportmedizin. Deutscher Ärzte-Verlag. 6. Rost R: Sport- und Bewegungstherapie bei Inneren Krankheiten. Deutscher Ärzte-Verlag 7. Weineck J: Optimales Training. Perimed Verlag 8. Weineck J: Sportbiologie. Perimed Verlag Literaturempfehlungen – Literaturrecherche Medline (Zentralbibliothek, Internet) Spolit (Bibliothek Institut für Bewegungswissenschaft, Zentralbibliothek, Internet) Weitergehende Informationen ⚫ Universitärer Arbeitsbereich Sport- und Bewegungsmedizin: www.bw.uni- hamburg.de/einrichtungen/sport- und- bewegungsmedizin.html ⚫ Institut für Sport- und Bewegungsmedizin e.V. an der Universität Hamburg: www.sportmedizin- hamburg.com Viel Spaß und Erfolg beim Studium und in der Vorlesung! Zellphysiologie  Kennzeichen des Lebens Reizbarkeit: Reaktion auf Reize Fortpflanzung und Vermehrung Stoffwechsel Wachstum und Entwicklung Bewegung und Beweglichkeit  Kennzeichen des Lebens Reizbarkeit Reaktion auf spezifische Reize - Spezifische Rezeptoren - Erfolgsorgane Die Zelle als Raum für physiologische Austauschprozesse Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen, 1997 jede Zelle ist von einer Membran umschlossen Zellkern: Träger der erblichen Information (Chromatin mit DNA!) Endoplasmatische Retikulum (ER): Ort der Protein- und Lipidsynthese Golgi-Apparat: Modifikations-, Sortier- und Verteilerstation der vom ER übernommenen Proteine und Lipide Mitochondrien: Kraftwerke der Zelle Universität Hamburg  Zellmembran Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen, 1997 Der Körper: Ein offenes System mit innerem Millieu „Abschottung“ durch die Zellmembran als „offenes System“ auf den Austausch von Wärme, Sauerstoff, Nahrungs- und Abfallstoffen sowie von Informationen mit seiner Umgebung angewiesen Universität Hamburg  Vom Einzeller zum Vielzeller eine Zelle mit ein Organismus „Organellen“ mit „Organen“ https://www.sofatutor.com/biologie/videos/entstehung-von-mehrzellern Grundlagen der Zellphysiologie 1865: „... 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 [1813 - 1878] Universität Hamburg Wie gelangen Substanzen von „A“ nach „B“ Passiver Transport Diffusion Aktiver Transport Endo- Exozytose Transportmoleküle in Zellmembran Diffusion I Diffusion I Diffusion II Diffusion III Substanzen haben das Bestreben, in den verfügbaren Räumen gleiche Konzentrationen zu erreichen  Stoffaustausch der Zelle mit ihrer Umgebung In Lösungen gleichen sich Konzentrationsunterschiede gelöster Teilchen durch Diffusion aus Diffusion durch Membranen Permeabilität (Durchlässigkeit von Materie für andere Atome, Moleküle oder Jonen) Universität Hamburg Fick‘sches Diffusionsgesetz dm/dt = - D  A/d  (c1 – c2) = - D  A/d   c m = Fluss des Stoffes t = Zeit D = Diffusionskoeffizient A = Fläche der Membran Permeabilität d = Dicke der Membran c1 + c2 = Stoffkonzentration Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen, 1997 Diffusionskoeffizient konstanter Wert für: den jeweiligen Stoff das Lösungsmittel eine bestimmte Temperatur  Was kann durch die Plasmamembran frei bzw. gut diffundieren ? Wasser gelöste Gase [O2 und CO2] lipidlösliche Stoffe kleine polare Moleküle [Ethanol, Harnstoff] gute Permeabilität ! Was kann durch die Plasmamembran nicht bzw. nur schlecht diffundieren ? Zucker [Glucose] geladene Moleküle schlechte Permeabilität ! Permeabilität verschiedener Substanzen (durch zelluläre Membranen) Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen, 1997  Osmose Häufigste Form: spontane Passage von Wasser durch eine semipermeable Membran, die für Wasser, jedoch nicht für die darin gelösten Stoffe durchlässig ist  Wasserverschiebung bei für Substanzen undurchlässiger Membran Osmotische Arbeit Darm Blut normoton Gleiche Konzentration in Darm und Blut hyperton Höhere Konzentration im Darm (Wasser > Darm) hypoton Geringere Konzentration im Darm (Wasser > Blut) Osmotischer Durchfall durch hyperosmolare Getränke Magenentleerung und Osmolarität des Getränks Normotone Flüssigkeit in Blutgefäßen Hypotone Flüssigkeit in Gefäßen Hypertone Flüssigkeit in Gefäßen  Osmose Gerichteter Fluss von molekularen Teilchen durch eine selektiv- oder semipermeable Membran Häufig: spontane Passage von Wasser durch eine semipermeable Membran, die für Wasser, jedoch nicht für die darin gelösten Stoffe durchlässig ist Osmotische Arbeit  Erythrozyten in… hypotonen isotonen hypertonen Lösungen Lösungen Lösungen Wie gelangen Substanzen von „A“ nach „B“ Passiver Transport Diffusion Aktiver Transport Endo- Exozytose Transportmoleküle in Zellmembran  Endo- und Exozytose Durch Endo- und Exozytose können Stoffe die Zellmembran passieren, die nicht durch diffundieren können und für die es keine Transportkanäle gibt. Makromoleküle, wie Proteine oder Cholesterin Endo- und Exozytose Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen, 1997  Glukoseaufnahme bei „physical activity“ durch Transportmoleküle Bioelektrizität Elektrolyse von NaCl I  Elektrolyse von NaCl II Anode + Kathode - Natrium Chlorid Negativ geladene Ionen wandern zur positiven Anode und werden > Anionen Positiv geladene Ionen wandern zur negativen Kathode und werden > Kationen NaCl Hydrolyse  Di-Pol Eigenschaften des Wassermoleküls www.allesroh.at www.allesroh.at Das Zytosol in der Zelle enthält vom Extrazellulärraum abweichende Ionenkonzentrationen Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen, 1997 Das elektrochemische Gleichgewicht Im elektrochemischen Gleichgewicht halten sich 2 Kräfte die Waage: Konzentrationsgradient der Ionen Kaliumionen streben nach außen elektrischer Gradient aufgrund der Ladung der Ionen Durch Ausstrom von positiven K+ Ionen wird das Zellinnere negativ und bindet positive Ionen Das Zytosol in der Zelle enthält vom Extrazellulärraum abweichende Ionenkonzentrationen Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen  Die Na+-K+-Pumpe Das Gleichgewicht der Ionenströme durch die Zellmembran wird durch aktiven Transport, hauptsächlich durch die Na+-K+-Pumpe hergestellt ! Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen Informationsvermittlung durch elektrische Erregung Ruhepotential der Nervenzelle: - 70 mV Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen Das Ruhemembranpotential wird aufrecht erhalten unter ATP Verbrauch durch die K+ Na+ Pumpe Aktionspotential Änderung der Ionenleitfähigkeit der Membran Nach Erreichen des Schwellenpotentials Aktivierung der Na+-Kanäle [„Alles-oder-Nichts-Antwort“] Anschließend Anstieg der K+- Leitfähigkeit zum Wiederaufbau des Ruhemembranpotentials Silbernagl/Despopoulos, Taschenatlas der Physiologie, 2003  „Overshoot“ Aktionspotential schnelle Depolarisation vom Ruhepotential zu einem positiven Potential selbstätige Repolaristion Zeitverlauf der Repolaristion für den Zelltyp typisch http://www.wissenschaft-online.de/abo/lexikon/neuro/293  Refraktärperiode Nach einem Aktionspotential ist eine Membran vorübergehend nicht erneut erregbar absolute Refraktärperiode – Die Zelle ist auch durch extrem starke Reize nicht erregbar relative Refraktärperiode – Es kann nur ein Aktionspotential geringerer Höhe und Anstiegssteilheit ausgelöst werden.  Zusammenfassung 1 Die Zellmembran und ihre integrierten Bestandteile dienen einerseits der „Abschottung“ der Zelle, andererseits der gezielten Steuerung der Zellfunktion durch bioelektrische Prozesse Die hierzu nötigen physikochemischen Abläufe benötigen Energie.  Zusammenfassung 2 Die Aufrechterhaltung der vom Extrazellulärraum abweichenden intrazellulären Elektrolytkonzentrationen beruht auf einem energieabhängigen aktiven Transport [Na+- K+-Pumpe] Unter Ruhebedingungen findet sich ein elektrochemisches Gleichgewicht zwischen dem Konzentrationsgradient der Ionen und dem elektrischen Gradient aufgrund der Ionenladung Fortleitung des Aktionspotentials auf Membranen Dauer eines Aktionspotentials 1 ms 10 ms >200 ms Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen  Nervenzellen Zellen, an denen Aktionspotentiale ausgelöst werden können sind erregbare Zellen Erregbarkeit ist eine typische Eigenschaft von Nerven- und Muskelzellen Nervenzellen übertragen diese Impulse Muskelzellen reagieren mit Kontraktion  Nervenzellen Zellen, an denen Aktionspotentiale ausgelöst werden können sind erregbare Zellen Erregbarkeit ist eine typische Eigenschaft von Nerven- und Muskelzellen Nervenzellen übertragen diese Impulse Muskelzellen reagieren mit Kontraktion Nervenzelle Aufbau einer Nervenzelle [motorisches Neuron] Das Neuron ist die strukturelle und funktionelle Einheit des Nervensystems Soma [Zellkörper] 2 Arten von Fortsätzen: Axon [efferente Faser] Dendriten [afferente Fasern]  Ranvierscher Schnürring markhaltige Nervenfasern sind alle 1,5 mm von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen saltatorische Erregungs- fortleitung hohe Leitungsgeschwindigkeit [steigt mit Faserdurchmesser] Silbernagl/Despopoulos, Taschenatlas der Physiologie, 2003 Fortlaufende und saltatorische Erregungsausbreitung Leitungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit zum Faserdurchmesser Bei Wirbeltieren sind alle Fasern, die schneller als 3 m/s leiten markhaltig Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen Nervenfasertypen Schmidt – Thews [Hrsg.], Physiologie des Menschen, 1997 The End! Universität Hamburg