Physiologie. Physiologie: Die Funktion des Lebendigen.

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1 Physiologie Lehrbücher: Physiologie, Bartels & Bartels, Urban & Schwarzenberg Lehrbuch der Physiologie, Klinke/Silbernagel, Thieme Biologie des Menschen, Mörike/Betz/Mergenthaler, Quelle & Mayer Physiologie: Die Funktion des Lebendigen. Die Physiologie (von griech. Physis die Natur) versucht, die physikalischen und chemischen Faktoren aufzuklären, die für die Entstehung, Entwicklung und den Erhalt des Lebens notwendig sind. Anders als bei der Anatomie, deren wesentliches Anliegen die Beschreibung von Strukturen ist, lauten die Fragen in der Physiologie: was geschieht und wie geschieht es? Das Verstehen der Körperfunktionen eines Organismus bedarf, neben anatomischen Grundkenntnissen, der Kenntnisse der Chemie und der Physik. Die humane Physiologie beschäftigt sich mit den normalen Funktionsabläufen im menschlichen Körper. Grundlage für das Verständnis der Funktionen der Organe und des gesamten Organismus ist das Wissen über die Lebensvorgänge in den Baueinheiten des Körpers, den Zellen. Dieses Teilgebiet ist die Zytologie, die Zellenlehre. 1

2 Die Zelle Zellen stellen die kleinsten Einheiten des Lebens dar und sind der Ort, an dem die grundlegenden Lebensprozesse stattfinden, sie stellen die mikroskopischen Bausteine des Körpers dar. Der menschliche Körper umfasst nach Schätzungen ca Zellen. Sie unterscheiden sich in der Struktur (Form und Größe) je nach der Rolle, die sie im lebenden Organismus spielen. Einen Verband gleichartiger Zellen nennt man Gewebe. Man unterschiedet vier allgemeine Typen: Epithelgewebe, Bindegewebe, Muskelgewebe und Nervengewebe. Die Zellen bestehen aus drei Hauptelementen: der Zellmembran, dem Zytoplasma und dem Zellkern. Darüber hinaus gibt es noch zahlreiche kleinere funktionelle Elemente, die Organellen. Zellmembran Die Zelloberfläche besteht aus einer doppelten Schicht von Lipidmolekülen (Fetten), genauer gesagt, von Phospholipiden die von Eiweißmolekülen (Proteinen) durchsetzt sind. Die Lipide machen dabei den Hauptteil der Oberflächenmembran aus. Jedes Phospholipid besitzt einen hydrophilen (wasseranziehenden) Phosphat- Kopf und zwei flexible hydrophobe (wasserabweisende) Lipid- Schwänze. In der Membran ordnen sich die Phospholipide selbständig in einer Doppelschicht so an, dass die Phosphatköpfe zum wässrigen Inneren und Äußeren der Zelle zeigen, während die Lipidschwänze in der mittleren Schicht verborgen werden. Ein weiterer hydrophober Bestandteil ist das Cholesterin, ein starres Molekül, das der Membranoberfläche Widerstandskraft verleiht. Glykolipide bestehen aus einem Zucker- ( glyco = griechisch für süß ) und einem Lipid-Teil. Die Blutgruppe (0, A, B oder AB) wird so z.b. über die jeweilige Art der Glykolipide auf der Oberfläche roter Blutzellen bestimmt. Die Steuerung sämtlicher Zellaktionen wie z.b. die Aufnahme und Abgabe von Stoffen oder die Kommunikation mit der Umwelt übernehmen die Membranproteine. Transport durch die Zellmembran Die Bewegung von Substanzen in die Zellen hinein oder aus ihnen heraus kann aktiv oder passiv erfolgen. Ein passiver Transport benötigt keine Energie und kann als einfache Diffusion ablaufen, bei der die Moleküle einer Substanz von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration wandern. Sauerstoff, Stickstoff und andere kleine Moleküle, die sich leicht in Lipiden (Fetten) auflösen, können schnell über die Doppelschicht ein- und austreten. Fettunlösliche Moleküle, wie z.b. Glukose (Zucker), Natrium- oder Kaliumionen können diese Membran nicht über einfache Diffusion durchqueren. Sie benötigen bestimmte Transportproteine oder besondere Kanäle, um in die Zellen hinein und aus ihnen heraus zu gelangen. Beim aktiven Transport trägt die Zelle selbst dazu bei, Moleküle aufzunehmen oder sie abzugeben. Die dazu benötigte Energie wird aus energiereichen Phosphat-Verbindungen gewonnen (ATP Adenosintriphosphat). Zellen verwenden aber auch noch einen anderen Mechanismus, um die Moleküle ins Zellinnere zu bringen. Dieser Mechanismus wird Endozytose genannt. Dabei stülpt sich ein Teil der Membranoberfläche mit dem darin enthaltenen Partikel ein, löst sich dann von der äußeren Zellmembran ab und transportiert den Partikel auf diese Weise ins Zellinnere. Es entstehenden mit Flüssigkeit gefüllten Bläschen (Vesikel). Beim entgegen gesetzten Prozess, der Exozytose, verschmelzen Vesikel (z.b. vom Golgi, s.u.) mit der Membran und setzen ihren Inhalt jenseits der Zelle frei. Welche der drei Arten des Transports jeweils in Frage kommt, hängt von verschiedenen Faktoren ab, zu denen z.b. die Größe des zu transportierenden Elementes, die chemische Zusammensetzung, die elektrische Aufladung und die Konzentration gehören, wie natürlich auch die Löslichkeit in Lipiden. Zytoplasma Unter dem gelartigen Zytoplasma versteht man die heterogene Substanz, die den Bereich zwischen Plasmamembran und Zellkern ausfüllt. Sie besteht aus Wasser mit gelösten Substanzen wie Minera- 2

3 lien und Zucker (Glukose), Proteine (auch Enzyme), und Organellen, sowie verschiedene Einschlüsse (Materialpartikel wie z.b. Fettkügelchen und Abfallprodukte, die in den Zellen gelagert werden). Im Zytoplasma findet der Zellstoffwechsel statt: Nahrungsbausteine werden umgesetzt und dabei wird chemische Energie freigesetzt, die für die Lebensvorgänge in der Zelle notwendig ist. Aus anderen Nahrungskomponenten werden spezifische Struktur- und Funktionselemente, wie z.b. Eiweiße, synthetisiert. Zellkern Die meisten Zellen enthalten nur einen Zellkern (Nukleus), der von einer Membranschicht umgeben wird. Die auch Kernhülle genannte Membran ist als doppelte Elementarmembran ausgeführt. Zwischen beiden befindet sich ein schmaler Zwischenraum, der als perinukleäre Zisterne bezeichnet wird. Dieser Raum steht häufig mit dem Membransystem des ER (s.u.) in Verbindung. Die Kernmembran ist von Poren durchsetzt, sodass eine Verbindung zwischen Kern und Cytoplasma hergestellt ist. Im Kern befindet sich nahezu die gesamte genetische Information der Zelle in Form von DNA- Molekülen (Mitochondrien besitzen eigene DNA). Der Zellkern ist somit die Steuerzentrale der Zelle. Die Erbinformation in Form der DNA-Doppelstränge ist zusammen mit Hilfsproteinen (Histonen) zu Chromosomen organisiert. Befindet sich die Zelle im Teilungsstadium, so sind die Chromosomen stark kondensiert, d.h. durch die besondere Hyperspiralisierung werden die Chromosomen im Lichtmikroskop sichtbar. Äußerlich besitzen alle Chromosomen einen ähnlichen Aufbau mit ganz geringen Variationen. Normaler Körperzellen besitzen einen doppelten Chromosomensatz, d.h. die Chromosomen liegen als Paare vor. In menschlichen Zellen gibt es 23 Chromosomenpaare, also insgesamt 46 Chromosomen. Je ein Teil des Paares stammt von der Mutter bzw. vom Vater. Zwei der Chromosomen, genauer: das 23. Paar, bestimmen das Geschlecht. Bei einer Frau bestehen die Geschlechtschromosomen aus zwei X, bei einem Mann aus einem X und einem Y-Chromosom. In verschiedenen Zellen ist ein dunkler Bereich im Kern, der Nukleolus sichtbar. Es ist der Ort an einem bestimmten Chromosom an der eine besonders intensive Produktion von ribosomaler RNA (s.u.) stattfindet. Zellorganellen Als Zellorganellen bezeichnet man abgeschlossene strukturelle Einheiten, die bestimmte Funktionen in einer Zelle übernehmen. Man unterscheidet membrangebundene (Mitochondrien, Endoplasmatisches Reticulum...) und nicht-membrangebundene Organellen (Ribosomen, Cytoskelett). Mitochondrien In einer lebendigen Zelle stellen Mitochondrien nach dem Zellkern (Nukleus) die größten Organellen dar und sind von einer dop- Mitochondrium 3

4 pelschichtigen Membran umgeben. Die innere und äußere Membran trennt ein flüssigkeitsgefüllter Zwischenraum. Von der inneren Membran stülpen sich Falten (Cristae) nach innen und unterteilen das Innere der Mitochondrien in mehrere Kompartimente. Mitochondrien werden häufig als Kraftwerk der Zellen bezeichnet, da sie den größten Teil der Energieversorgung der Zelle liefern. Energie wird aus Zucker und Fettsäuren produziert und der Zelle in Form des universellen Energieträgers ATP bereitgestellt. Die Anzahl der Mitochondrien hängt vom jeweiligen Zelltyp ab und kann bis zu 20 % einer Zelle einnehmen, wie z.b. in einer Leberzelle, die große Energiemengen benötigt. Mitochondrien besitzen eine eigene DNA und vermehren sich durch Teilung. Ribosomen In den kugelähnlichen Partikeln, genannt Ribosomen, findet die (Proteinsynthese) Eiweißsynthese statt. Eine einzige Zelle kann Tausende solcher Ribosomen enthalten. Einige Ribosomen bewegen sich frei im Zytoplasma, andere befinden sich an der Oberfläche des endoplasmatischen Reticulums. Beide Ribosomenarten dienen der Eiweißherstellung; während die freischwimmenden Ribosomen die Proteine frei ins Zytoplasma entlassen, geben gebundene Ribosomen ihre vollendeten Proteine in das Innere des endoplasmatischen Reticulums ab. Ribosomen bestehen aus Protein und Ribonukleinsäure (rrna). Endoplasmatisches Reticulum und Golgi-Apparat Das endoplasmatische Reticulum bildet innerhalb der Zelle ein Netzwerk aus Membranröhren. Die Membranen, die die miteinander verbundenen Kanäle bilden, erscheinen z.t. glatt, während andere dagegen eine raue Oberfläche besitzen. Diese rauflächigen Membranen sind mit Ribosomen besetzt, die wie Körnchen auf den äußeren Oberflächen sitzen. Am rauen endoplasmatischen Reticulum (rer) findet die Proteinsynthese statt. Die auf ihm liegenden Ribosomen lagern die neu erzeugten Proteine im Innenraum des endoplasmatischen Reticulums ab. Das glatte endoplasmatische Reticulum (ger) besitzt keine Ribosomen sondern ist der Ort der Lipidsynthese (Fettsynthese). Insbesondere die Lipide für das Wachstum der Zellmembran und der Organell-Membranen innerhalb der Zelle werden hier synthetisiert. Das endoplasmatische Reticulum stellt somit die Fabrik der Zelle dar. Phospholipide und Cholesterin, die Hauptbestandteile der Membranen in der gesamten Zelle bilden die Außenschicht der proteingefüllten Bläschen (Vesikel), die aus dem endoplasmatischen Reticulum herauslösen, um zu anderen Organellen zu wandern. Dann verschmelzen sie mit diesen und lagern anschließend ihre Proteinfüllung ab. Die Mehrzahl der Proteine, die das endoplasmatische Reticulum verlassen, werden bevor sie an ihren Bestimmungsort innerhalb, oder außerhalb der Zelle transportiert werden, erst noch in einer anderen Organelle, dem Golgi-Apparat, weiterverarbeitet. Der Golgi-Apparat, besteht aus Stapeln von abgeflachten Hohlräumen, die von Membranen umschlossen werden. Die genauen Abläufe im Golgi-Apparate sind noch nicht bis in alle Einzelheiten aufgedeckt. Im Golgi-Apparat werden viele im rer entstandenen Proteine in reife, funktionale Einheiten umgeformt, indem sie chemisch modifiziert (z.b. mit Zuckern verknüpft) werden, quasi mit Etiketten beschriftet bevor sie in abgelösten Vesikeln zu ihrem Bestimmungsort versandt werden. Lysosomen und Peroxisomen Lysosomen und Peroxisomen sind von einer einzigen Membran umhüllte Strukturen. Sie enthalten ein stark oxidierendes Milieu (Peroxisomen) oder Zersetzungsenzyme (Lysosomen). In ihnen werden große Moleküle, wie z.b. Eiweiße, Fette und Nukleinsäuren, in kleinere Bestandteile aufgespaltet. Diese kleineren Produkte können dann ins Zytoplasma wandern, wo sie weiter verwertet werden. Unverdauliche Reste werden nach außen abgegeben oder sie bleiben als Restkörper in der Zelle. In Lysosomen können zelleigene Elemente (z.b. Organellen wie Mitochondrien) oder aus dem Außenmedium aufgenommene verdaut werden. Die Lysosomen und Peroxisomen entstehen als Abschnürungen des Golgi-Komplexes. 4

5 Zytoskelett Das Zytoskelett bildet im Zytoplasma ein Netzwerk aus dünnen Protein- Filamenten (Mikrotubuli, Mikrofilamente und Intermediärfilamente). Das Zytoskelett verleiht der Zelle eine bestimmte Form. Das Zytoskelett ist nicht starr. Es kann dynamisch verändert werden, indem die aus einzelnen Protein- Untereinheiten aufgebauten Filamente umgebaut werden. Die Zytoskelettfilamente dienen auch als Transportbahnen, z.b. für Vesikel (Golgivesikel, Lysosomen). Die Filamente bilden außerdem die Grundstrukturen, die zelluläre Bewegungsvorgänge ermöglichen. Aufbau eines Mikrotubulus aus Tubulin-Untereinheiten Proteinsynthese Die Proteinsynthese findet an den Ribosomen statt. Die genetische Information für die Reihenfolge der Aminosäuren des Proteins wird von der DNA in Form der Messenger - oder Boten-RNA (mrna) kopiert (Transkription). Die mrna verlässt den Kern. Die Ribosomen lesen die mrna ab und verknüpfen die in der RNA kodierten Aminosäuren zu einer wachsenden Kette (Translation). Das entstehende Protein wird im ER gesammelt, eventuell im Golgi-Apparat modifiziert und in Vesikeln zum Bestimmungsort transportiert. Die Proteinsynthese, vereinfachte Darstellung. Transkription des Gens im Nukleus. Translation der mrna an den Ribosomen des ER. Modifikation in Golgi-Feldern. Transport in Vesikeln. 5