1. Auflage 2016
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© 2016 Katharina Ecker
Herstellung und Verlag:
BoD – Books on Demand GmbH, Norderstedt
ISBN 978-3-7392-8746-1
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Physiologie beschäftigt sich damit, wie ein Organismus funktioniert, und liefert somit das Verständnis für viele weitere Zweige der Medizin, wie beispielsweise der Pathologie, Pharmakologie und Toxikologie. Um zu begreifen, wie ein Organ und schlussendlich auch ein gesamter Organismus funktioniert, muss man sich zuerst mit der einzelnen Zelle befassen – dem Grundbaustein höherer Lebewesen. Sie ist die kleinste Funktionseinheit eines Körpers und erfüllt daher sämtliche Lebenskriterien: Sie ist dazu fähig sich zu vermehren, zu wachsen, sich zu bewegen, hat einen eigenständigen Stoffwechsel und kann verschiedene chemische und physikalische Signale von außen empfangen und darauf mit entsprechenden Reaktionen antworten, sie ist also reizbar.
Ein Organismus ist zwar aus vielen verschiedenen Zellen aufgebaut, die sich in ihrer Funktion und somit auch in Größe, Form und Struktur mehr oder weniger unterscheiden, jedoch haben sie alle ungefähr denselben Aufbau und funktionieren nach denselben Prinzipien.
Die Organellen einer Zelle sind in Cytoplasma eingebettet, welches neben Wasser auch Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, Nukleinsäuren und Spurenelemente enthält und Raum für viele Reaktionen bietet, welche oft durch Enzyme katalysiert werden.
1.1. Zellkern
Im Zellkern befindet sich die genetische Information für den Bau sämtlicher Proteine in Form der DNS (Desoxyribonukleinsäure), verteilt auf eine artspezifische Anzahl an Chromosomen (Mensch: 46, Pferd: 64, Hund: 78). Seine Aufgabe ist die Produktion von mRNA, welche als Vorlage für den Proteinbau im Cytoplasma dient und die Zusammensetzung der Untereinheiten der Ribosomen in den Nucleoli, welche dann als fertige Ribosomen wieder ins Cytoplasma wandern.
1.2. Endoplasmatisches Retikulum
Das Endoplasmatische Retikulum ist ein System aus membranumhüllten Tubuli, man unterscheidet das glatte und das raue Endoplasmatische Retikulum.
Das glatte Endoplasmatische Retikulum synthetisiert Lipide und Lipidhormone, kann bestimmte Stoffe durch chemische Veränderungen entgiften und übernimmt Speicherfunktionen. Im Darm wird das absorbierte Fett im glatten Endoplasmatischen Retikulum zwischengelagert, in der Muskulatur ist es der wichtigste Speicher für Ca2+ und wird dort als sarkoplasmatisches Retikulum bezeichnet.
Das raue Endoplasmatische Retikulum ist an der Außenseite mit Ribosomen besetzt und dient daher der Proteinsynthese, vor allem von Membranproteinen, Enzymen und Strukturproteinen, und der posttranslationalen Modifikation derselben.
1.3. Ribosomen
Ribosomen bestehen aus rRNA (ribosomale RNA) und Proteinen und teilen sich in 2 Untereinheiten. Sie befinden sich entweder an der Außenseite des rauen Endoplasmatischen Retikulums oder frei im Cytoplasma und binden an mRNA, wodurch sie die Translation auslösen.
1.4. Golgi – Apparat
Der Golgi – Apparat ist ein Stapel von Tubuli, der von kleinen Vesikel umgeben ist und stellt das Postamt der Zelle dar. Im rER gebildete Proteine werden im Golgi – Apparat modifiziert und verpackt, um anschließend an den Zielort geschickt zu werden.
1.5. Lysosomen
Lysosomen sind membranbegrenzte Vesikel, welche aus der Verschmelzung eines Endosoms, einem durch Endocytose entstehenden Vesikel, mit einem enzymhältigen Transportvesikel des Golgi – Apparats entstehen. Nach der Verschmelzung beginnt die H+ - Pumpe das Innere des Lysosoms anzusäuern, um die Enzyme zu aktivieren. Lysosome sind dafür zuständig zelleigene sowie zellfremde Substanzen abzubauen und somit für die Verdauung der Zelle verantwortlich. Dafür verschmelzen sie wiederum mit einem Vesikel, der den abzubauenden Stoff enthält.
1.6. Mitochondrien
Mitochondrien sind relativ große Organellen, welche für die Energiegewinnung und somit für die Zellatmung verantwortlich sind. Sie oxidieren Kohlenhydrate, Fette und Aminosäuren unter Wasser – und Sauerstoffverbrauch, wodurch ATP entsteht, welches dann der Zelle zur Verfügung steht.
1.7. Cytoskelett
Das Cytoskelett besteht aus Filamenten und Mikrotubuli, welche die Zelle stabilisieren oder für die Bewegung sowohl der gesamten Zelle wie auch der Zellinhalte oder – fortsätze verantwortlich sind. Das Skelett ist dynamisch und lässt sich schnell ab-, um- und wieder aufbauen, was vor allem bei Zellteilungen deutlich wird.
Um eine Zelle von ihrer Umgebung abzugrenzen, ist sie von einer Biomembran, der Zellmembran, umgeben, einer 5 – 6 nm dicken Grenzschicht zwischen Cytoplasma und Extrazellularraum. Durch sie kann die Zelle ihre Stoffaufnahme und – abgabe über spezifischen Transport, Endo – und Exocytose kontrollieren. Weiters ist sie für die Signalaufnahme, – verarbeitung und – weiterleitung und die Verbindungen zwischen den Zellen zuständig.
Die Zellmembran ist aus einer Lipiddoppelschicht (Bilayer) aufgebaut, bestehend größtenteils aus Phospholipiden, dazu kommen noch Glykolipide und Cholesterin. Die charakteristische Anordnung der Membran ergibt sich aus der physikalisch günstigsten Anordnung im wässrigen Milieu – die hydrophoben Fettsäurereste stehen sich in der Mitte gegenüber, die hydrophilen Kopfgruppen ragen in den Extra – bzw. Intrazellularraum und bilden Wasserstoffbrücken mit dem Wasser des jeweiligen Milieus.
Durch Oligosaccharidseitenketten an den Glykolipide, welche nur an der Außenseite der Zellmembran zu finden sind, ist die Membran asymmetrisch. Sie stehen zum Teil so dicht aneinander, dass sich eine gesamte Schicht, die sogenannte Glykokalix, bildet, welche für ein Mikromilieu zwischen sich selbst und der Zellmembranoberfläche sorgt, welches sich von dem restlichen extrazellulären Raum unterscheiden kann, und beispielsweise für die Zellen der Magenwand wichtig ist. Des Weiteren ist sie für die Zell – Zell – Erkennung, Zell – Zell – Adhäsion, Schutz und Stabilisation wichtig.
In die Membran eingebettet sind Proteine, wodurch ein flüssiges Mosaik entsteht. Als Mosaik wird es bezeichnet, weil es aus vielen kleinen Teilen besteht und flüssig deshalb, weil Biomembranen einem ständigen Wandel unterworfen sind. Die Moleküle sind ständig in Bewegung und können um ihre Längsachse rotieren, senkrecht zur Membranebene umklappen (Flip – Flop – Vorgang) oder lateral diffundieren. Letzteres ist die häufigste Bewegungsform, da sie im Vergleich zu den anderen beiden weniger Energie benötigt. Die ständige Umwandlung ist ein Resultat des Abschnürens und Aufnehmens von Vesikeln und dem Einbauen und wieder Ausbauen verschiedener Proteine aufgrund geänderter Anforderungen an die Zelle oder der Anpassung an Veränderungen ihrer Umwelt.
An einigen Stellen der Zellmembran befinden sich besonders viele Glyko– und Sphingolipide, sowie Cholesterin. Diese Regionen werden als lipid rafts bezeichnet und stehen im Verdacht, für die Signaltransduktion wichtig zu sein, da hier auch dafür nötige Proteine vorhanden sind. Ein einzelnes davon ist nicht sonderlich groß, allerdings machen sie insgesamt eine relativ große Fraktion der Plasmamembran aus.
Zellorganellen werden ebenfalls durch sehr ähnliche Membranen von der Umgebung abgegrenzt, der Unterschied liegt im Verhältnis von Proteinen zu Lipiden.
Aufgrund ihrer Lipophilie im Inneren sind Biomembranen nur für ungeladene Moleküle gleich welcher Größe problemlos passierbar. Somit können sowohl die kleinen Moleküle O2 und N2 als auch große, wie Steroidhormone, durch die Membran diffundieren. Polare Moleküle, also Stoffe, welche zwar nicht geladen sind, jedoch Imbalancen in der Verteilung der Elektronen innerhalb des Moleküls haben, können nur bis zu einer Größe von ungefähr 100 Dalton durch Plasmamembranen diffundieren, was Wasser und Harnstoff einschließt, jedoch für Aminosäuren, Nukleotide und Zucker einen Kompartimentwechsel ohne Hilfsmittel unmöglich macht. Für geladene Moleküle und Ionen, wie Na+, K+, oder Cl– sind Membranen gänzlich impermeabel, wodurch sie – genauso wie größere polare Moleküle – Transportproteine benötigen, um in eine Zelle hinein – oder aus ihr hinauszugelangen.
Nach ihrer Funktion werden Proteine der Zellmembran eingeteilt in:
Grob können sie auch in periphere/extrinsische und integrale/intrinsische Proteine unterteilt werden. Periphere Proteine sind entweder durch elektrostatische Kräfte locker an die Köpfe der Lipidmoleküle angelagert oder zum Teil in eine der Schichten eingebaut. Integrale Proteine sind in der Lipiddoppelschicht verankert, indem die Membrandomänen des Proteins die Membran meist mehrfach durchspannen. Diese Domänen werden dann durch cytoplasmatische oder extrazelluläre Domänen verbunden. Oft tragen solche Proteine im Extrazellularraum Kohlenwasserstoffketten, weshalb sie als Glykoproteine bezeichnet werden und zur Bildung der Glykokalix entscheidend beitragen.
Anhand der Aminsosäuresequenz eines Proteins kann man ein Struktur – Funktions – Modell erstellen, wodurch man abschätzen kann, wie es in der Membran liegt. Hydrophobe Sequenzen ordnet man transmembranen Segmenten zu, Sequenzen mit Kohlenhydratketten liegen extrazellulär. Ein besonders gut untersuchtes Beispiel für integrale Proteine ist der spannungsgesteuerte Na+ – Kanal der Nervenzellen.
Ein spannungsgesteuerter Na+ – Kanal besteht aus einer langen Aminosäurekette, die 4 Domänen mit jeweils 6 Transmembran – Helices (Segmente 1 bis 6) bildet. Die Segmente sind intra – und extrazellulär durch Aminsosäureketten verbunden. Die Helices S6 der vier Domänen bilden zusammen eine zentrale hydrophile Pore, die je nach Aktivierungszustand eng oder weit sein kann. Die Helices S4 haben Spannungssensoren und können somit den Kanal aktivieren bzw. deaktivieren.
Stark vereinfacht sieht der Mechanismus der Na+ – Kanäle so aus: Die S4 – Helices enthalten mehrere positiv geladene Reste. Solange die Membran polarisiert ist, bleibt die Helix durch elektrostatische Anziehung in der Membran, weil die Innenseite der Membran negativ geladen ist und somit die Helix angezogen wird. Kommt es jetzt zu einer Depolarisation, kehren sich die elektrischen Verhältnisse um, die Elektronegativität in der extrazellulären Flüssigkeit steigt und somit wird die Helix S4 nach oben „gezogen“ und die Pore geöffnet. Dadurch kann Na+ einströmen. Außerdem sorgt ein sogenannter Selektivitätsfilter, also die Kombination mehrerer unterschiedlicher Seitenketten an den Aminosäuren, welche die Pore bilden, dafür, dass keine anderen Ionen durchkommen.
Wie bereits erwähnt gleichen Biomembranen flüssigen Mosaiken, wodurch auch die Proteine nicht an Ort und Stelle bleiben würden. Wenn bestimmte Regionen der Membran aber auf eine bestimmte Funktion spezialisiert sind, müssen die Proteine in diesen Regionen fest verankert werden. In myelinisierten Nervenfasern zum Beispiel sind die Ionenkanäle besonders in der Gegend der Ranvier’schen Schnürringe konzentriert. Bei der Verankerung sind vor allem Elemente des Cytoskeletts wichtig.
4.1. Abgrenzung des Intra – vom Extrazellularraums
Wie bereits erwähnt ist die Zellmembran eine Barriere zwischen Intra – und Extrazellularraum. Dadurch können unterschiedliche Konzentration von Ionen und Proteinen auf beiden Seiten aufrechterhalten werden. Extrazellulär findet man Na+ als häufigstes Kation und Cl- als das häufigste Anion. Intrazellulär sind die Konzentrationen der beiden viel geringer (14 – 26 – fach weniger), dafür ist K+ mit einer fast 40 – fach größeren Konzentration als extrazellulär vertreten. Für Elektroneutralität innen wie außen sorgen „große Anionen“ (negativ geladene Proteine und organische Säuren).
4.2. Transport durch die Zellmembran
Stoffe können entweder passiv oder aktiv, unter Energieverbrauch, zwischen membranumhüllten Kompartimenten transportiert werden.
Wenn ein Stoff passiv, also ohne Energieaufwand, transportiert werden soll, muss eine treibende Kraft herrschen. Diese Kraft kann durch Konzentrationsunterschiede oder elektrische Ladungsunterschiede entstehen und bringt Moleküle dazu, sich spontan von einem membranumgrenzten Kompartiment ins nächstgelegene zu bewegen. Dabei wechselt es immer vom Kompartiment höherer Konzentration oder höherer elektrischer Ladung in das mit niedrigeren Werten. Dadurch spricht man davon, dass der Transport „bergab“ oder „mit dem Gradienten“ stattfindet. Konzentrationsdifferenzen erzeugen das chemische Potential, elektrische Ladungsunterschiede können auch als elektrisches Potential bezeichnet werden. Wirken sowohl chemische als auch elektrische Faktoren, spricht man vom elektrochemischen Potential. Sobald der elektrochemische Gradient ausgeglichen ist, ist der Nettostrom der betrachteten Substanz 0, da genauso viel hinaus wie in der gleichen Zeit hineinströmt.
Die meisten im Körper vorhandenen Stoffe benötigen Transportproteine, um zwischen Intra – und Extrazellularraum zu wechseln, da die Zellmembran durch ihre Lipophilie nicht für alle Moleküle problemlos passierbar ist. Andere Stoffe, ungeladene Stoffe jeder Größe und kleine polare Stoffe, können jedoch auch ohne die Hilfe von Proteinen Biomembranen durchqueren. Diese nichtselektive Permeabilität ermöglicht die Aufnahme oder Abgabe von beispielsweise Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid, Ethanol, Harnstoff oder Steroidhormonen. Dabei ist entscheidend, dass die Diffusion ausschließlich „bergab“, entlang des Konzentrationsgradienten Gradienten – also von höherer zu niedrigerer Konzentration erfolgen kann.
Die Stoffmenge, die durch eine Flächeneinheit in einer bestimmten Zeitspanne diffundiert, ist die Diffusionsstromdichte J und wird mit folgender Formel erklärt:
J = P • Δc [mol/(cm2 • s)]
P = Permeabilitätskoeffizient (Diffusionskonstante, Diffusionsstrecke pro Zeit [cm/s])
Δc = Konzentrationsunterschied [mol/cm3]
Bei physiologisch vorkommenden Konzentrationen ist der Vorgang nicht sättigbar, da die Transportrate V mit der Substratkonzentration C linear ansteigt. Das bedeutet: Je höher die Konzentration ist, desto schneller und mehr diffundiert durch die Membran.
Stoffe, die nicht so leicht durch die Membran durchtreten können, also geladene und polarisierte Stoffe ab etwa einer Größe von 100 Dalton, wie zum Beispiel Ionen oder Glucose und Aminosäuren, benötigen membranständige Transportproteine. Dadurch, dass nicht alles hinein oder hinaus kann, spricht man von einer selektiven Permeabilität der Membran. Der Transport mittels Proteinen kann immer noch passiv, jedoch auch aktiv ablaufen.
1. Kanäle
Der Transport durch Kanäle erfolgt passiv, also unabhängig von Energie, und somit nach den Gesetzen der Diffusion „bergab“, vom höheren zum niedrigeren Potential. Wenn es sich um geladene Stoffe handelt, muss man neben dem chemischen auch den elektrischen Gradienten berücksichtigen. Zusammen spricht man von einem elektrochemischen Gradienten.
Kanäle können in verschiedenen Funktionszuständen vorliegen, sie können wie ein Tor geöffnet und wieder geschlossen werden, daher spricht man von „gating“. Dies kann entweder durch einen Liganden (chemisch), durch Phosphorylierung der Kanalproteine oder durch das Membranpotential (elektrisch) erfolgen. Durch jeden dieser 3 Mechanismen wird die Konformation der Kanalproteine verändert, wodurch sich die Pore weitet oder verengt.
Ligandenbindungsstellen können sich entweder extra – oder intrazellulär befinden, je nachdem von welchem Kompartiment aus der Funktionszustand kontrolliert wird. Dabei funktioniert diese Bindung nach dem Schlüssel – und – Schloss Prinzip, was bedeutet, dass idealisiert ausgedrückt nur 1 Molekül an die Bindungsstelle andocken kann. In Wahrheit gibt es oft mehrere passende Moleküle, jedoch mit unterschiedlicher Affinität, und ein Molekül kann auch an mehrere Bindungsstellen andocken.
Bei einer Öffnung oder Schließung durch Veränderung des Membranpotentials hat der Kanal einen Spannungssensor, welcher bei Spannungsänderungen eine Konformationsänderung im Protein bewirkt. Diese Kanäle reagieren dabei nicht nur auf eine spezifische Spannung, sondern auf einen Spannungsbereich. Die mindestens nötige Spannung, um einen Kanal zu öffnen, wird als Schwellenpotential bezeichnet. Manche spannungsgesteuerten Kanäle haben jedoch nicht nur einen geschlossenen und einen offenen Zustand, sondern auch noch einen geschlossenen, inaktivierbaren. In diesem Zustand liegen sie in einer Konformation vor, welche verhindert, dass sich der Kanal bei Spannungsänderungen öffnet. Dieser Mechanismus ist vor allem für Neurone wichtig und wird im Kapitel „Allgemeine Neurophysiologie“ näher beschrieben.
Damit nur eine Sorte Ionen durch den Kanal fließen können, hat jeder Kanal einen Selektivitätsfilter, der aus den Seitenketten der Aminosäuren besteht, welche die Pore umhüllen. Der Transport durch Kanäle verläuft nahezu genauso schnell, wie die Diffusion des Stoffes durch Wasser. Wie die Diffusion durch Membranen ist auch der Transport durch Kanäle bei physiologischen Konzentrationen nicht sättigbar.
2. Carrier