Anatomie und Physiologie für Nichtmediziner - Exam

Aufgabe 1)

Struktur und Funktion von Zellen und GewebenGrundlagen der Biologie: Zellen als kleinste lebende Einheiten, Gewebe als Zusammenschluss ähnlicher Zellen zur Erfüllung spezifischer Funktionen.

• Zellkern: Steuerzentrale, enthält DNA
• Zellmembran: Abgrenzung und Stofftransport
• Zytoplasma: Enthält Zellorganellen
• Mitochondrien: Energieproduktion (ATP)
• Ribosomen: Proteinsynthese
• Endoplasmatisches Retikulum (ER): Synthese und Transport von Stoffen
• Gewebearten: Epithelgewebe, Binde- und Stützgewebe, Muskelgewebe, Nervengewebe

a)

Erkläre die Funktion und Bedeutung der Mitochondrien in einer Zelle. Berechne, wie viel ATP in 24 Stunden von einer Zelle produziert wird, wenn die Zelle 5 * 10^6 Moleküle ATP pro Sekunde synthetisiert.

Lösung:

Funktion und Bedeutung der Mitochondrien in einer ZelleMitochondrien werden oft als die Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Ihre Hauptfunktion besteht in der Produktion von Adenosintriphosphat (ATP), der Hauptenergiequelle der Zelle. Dieser Prozess erfolgt durch die Zellatmung, bei der Nährstoffe wie Glukose in Energie umgewandelt werden. Mitochondrien spielen auch eine wichtige Rolle bei der Regulation des Zellzyklus und der Apoptose (programmierter Zelltod).Berechnung der ATP-Produktion über 24 StundenUm zu berechnen, wie viel ATP eine Zelle in 24 Stunden produziert, sind folgende Schritte notwendig:

• Schritt 1: Bestimme die Anzahl der Sekunden in 24 Stunden.24 Stunden \times 60 Minuten/Stunde \times 60 Sekunden/Minute = 86.400 Sekunden
• Schritt 2: Multipliziere die Anzahl der ATP-Moleküle, die pro Sekunde produziert werden, mit der Gesamtanzahl der Sekunden in 24 Stunden.5 \times 10^6 Moleküle ATP/Sekunde \times 86.400 Sekunden = 4,32 \times 10^{11} Moleküle ATP

Die Zelle produziert daher in 24 Stunden insgesamt 4,32 \times 10^{11} Moleküle ATP.

b)

Vergleiche die Funktionen des rauen und glatten Endoplasmatischen Retikulums (ER). Nenne jeweils zwei Beispiele für Proteine oder Lipide, die in diesen Bereichen synthetisiert werden.

Lösung:

Vergleich der Funktionen des rauen und glatten Endoplasmatischen Retikulums (ER)Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein ausgedehntes Membransystem in der Zelle, das in zwei Formen vorkommt: raues ER (rER) und glattes ER (sER). Beide haben unterschiedliche Funktionen und sind an der Synthese und dem Transport verschiedener Moleküle beteiligt.

• Raues Endoplasmatisches Retikulum (rER)Das raue ER ist mit Ribosomen besetzt, die ihm ein raues Aussehen verleihen. Es ist hauptsächlich an der Synthese und am Transport von Proteinen beteiligt, insbesondere solcher, die für die Sekretion, für die Integration in die Zellmembran oder für die Verwendung in Lysosomen bestimmt sind.
  • Beispiele für synthetisierte Proteine:- Insulin (ein Hormon)- Lysosomale Enzyme (die in Lysosomen verwendet werden)
• Glattes Endoplasmatisches Retikulum (sER)Im Gegensatz zum rauen ER fehlen dem glatten ER Ribosomen, was ihm ein glattes Aussehen verleiht. Es ist hauptsächlich an der Synthese und dem Metabolismus von Lipiden beteiligt und spielt auch eine Rolle bei der Entgiftung von Chemikalien und der Speicherung von Kalzium.
  • Beispiele für synthetisierte Lipide:- Phospholipide (Bestandteile der Zellmembran)- Steroidhormone (wie Östrogen und Testosteron)

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das raue ER vor allem für die Proteinsynthese und -modifikation verantwortlich ist, während das glatte ER eine Schlüsselrolle in der Lipidsynthese und -metabolismus sowie in der Entgiftung und Kalziumspeicherung spielt.

c)

Beschreibe die Struktur und Hauptfunktion des Zellkerns. Erläutere, wie der Zellkern an der Proteinbiosynthese beteiligt ist.

Lösung:

Struktur und Hauptfunktion des ZellkernsDer Zellkern (Nucleus) ist ein wesentliches Zellorganell in eukaryotischen Zellen. Er ist meist kugel- oder eiförmig und von einer doppelten Membran, der Kernhülle, umgeben. Diese Kernhülle ist durch Kernporen durchsetzt, die den Austausch von Molekülen zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma ermöglichen.

• Kernhülle: Doppelschichtige Membran, die den Zellkern umgibt.
• Kernporen: Öffnungen in der Kernhülle, die den Austausch von Stoffen ermöglichen.
• Nukleolus: Bereich im Zellkern, in dem Ribosomen zusammengebaut werden.
• Chromatin: Netzwerk aus DNA und Proteinen, das die genetische Information enthält.

Die Hauptfunktion des Zellkerns besteht darin, die genetische Information in Form von DNA zu speichern und zu schützen. Diese Information wird für die Steuerung aller zellulären Prozesse verwendet.Beteiligung des Zellkerns an der ProteinbiosyntheseDie Proteinbiosynthese ist ein entscheidender Prozess, bei dem der Zellkern eine zentrale Rolle spielt. Der Ablauf kann wie folgt beschrieben werden:

• Transkription: Innerhalb des Zellkerns wird ein Abschnitt der DNA in messenger RNA (mRNA) umgeschrieben. Dabei dient die DNA als Vorlage (Matrix) für die Synthese der mRNA. Dieser Prozess wird von dem Enzym RNA-Polymerase gesteuert.
• mRNA-Transport: Die fertige mRNA verlässt den Zellkern durch die Kernporen und gelangt ins Zytoplasma.
• Translation: Im Zytoplasma wird die mRNA von Ribosomen abgelesen, und auf Basis der mRNA-Sequenz werden Aminosäuren zu Proteinen verknüpft. Dies ist der eigentliche Vorgang der Proteinsynthese, der unter der Anleitung der mRNA erfolgt.

Zusammengefasst wird im Zellkern die genetische Information für die Proteinproduktion generiert und in eine transportfähige Form umgeschrieben, die dann im Zytoplasma in funktionale Proteine übersetzt wird.

d)

Gewebearten spielen eine wichtige Rolle in der Biologie. Definiere die vier Hauptgewebearten und beschreibe je zwei spezifische Funktionen, die jeder dieser Gewebearten in einem Organismus erfüllt.

Lösung:

Gewebearten und ihre FunktionenIn der Biologie werden vier Hauptgewebearten unterschieden, die jeweils spezifische Funktionen im Organismus erfüllen. Diese Hauptgewebearten sind Epithelgewebe, Binde- und Stützgewebe, Muskelgewebe und Nervengewebe.

• EpithelgewebeEpithelgewebe bedeckt Oberflächen und Hohlräume im Körper und bildet die äußerste Schicht von Organen.
  • Schutz: Es schützt das darunterliegende Gewebe vor mechanischen Schäden, Mikroorganismen und Austrocknung. Beispielsweise schützt die Haut vor äußeren Einflüssen.
  • Resorption und Sekretion: Epithelgewebe kann Stoffe aufnehmen und abgeben, wie das Darmepithel bei der Nährstoffaufnahme oder Drüsenepithel bei der Sekretion von Enzymen und Hormonen.
• Binde- und StützgewebeDieses Gewebe stützt und verbindet andere Gewebe und Organe im Körper.
  • Stützen: Knochengewebe bildet das Skelett, das dem Körper Struktur und Stabilität verleiht.
  • Verbindung und Unterstützung: Lockeres Bindegewebe verbindet verschiedene Gewebe und bietet strukturelle Unterstützung, wie das Bindegewebe um Organe herum.
• MuskelgewebeMuskelgewebe ist spezialisiert auf Kontraktion und Bewegung.
  • Bewegung: Skelettmuskulatur ermöglicht die bewusste Bewegung des Körpers, zum Beispiel beim Laufen oder Heben.
  • Durchblutung: Herzmuskulatur (Myokard) pumpt Blut durch den Körper durch rhythmische Kontraktionen des Herzens.
• NervengewebeNervengewebe ist zuständig für die Reizaufnahme, -verarbeitung und -weiterleitung.
  • Reizweiterleitung: Neuronen (Nervenzellen) leiten elektrische Signale weiter, um Informationen im Körper zu übertragen.
  • Informationsverarbeitung: Nervenzellen im Gehirn und Rückenmark verarbeiten sensorische Informationen und koordinieren Reaktionen und Bewegungen.

Jede dieser vier Hauptgewebearten erfüllt entscheidende Funktionen, die für das Überleben und die Gesundheit von Organismen entscheidend sind.

Aufgabe 2)

Homöostase und Regelkreisläufe im KörperHomöostase ist die Fähigkeit des Körpers, ein stabiles inneres Milieu aufrechtzuerhalten. Regelkreisläufe sind Mechanismen, die die Homöostase durch Feedback-Schleifen sichern.

• Homöostase sichert konstante Temperatur, pH-Wert, Blutdruck u.v.m.
• Negative Rückkopplung: Korrektur bei Abweichung vom Sollwert (z.B. Blutzuckerregulation).
• Positive Rückkopplung: Verstärkung von Prozessen (z.B. Wehen bei Geburt).
• Komponenten eines Regelkreislaufs: Sensor, Kontrollzentrum, Effektor.
• Beispiele: Thermoregulation durch Hypothalamus, osmotische Homöostase.

a)

Erkläre detailliert, wie der Regelkreislauf der Thermoregulation im menschlichen Körper funktioniert.

• Definiere die Rolle des Hypothalamus bei der Thermoregulation.
• Beschreibe die Funktionsweise von Sensoren, Kontrollzentrum und Effektor in diesem Regelkreislauf.
• Beschreibe sowohl den Prozess der negativen als auch der positiven Rückkopplung innerhalb der Thermoregulation und gib jeweils ein Beispiel an.

Lösung:

Regelkreislauf der Thermoregulation im menschlichen Körper

Die Thermoregulation ist ein essentielles Beispiel für die Homöostase im menschlichen Körper. Es ermöglicht die Aufrechterhaltung einer konstanten Körpertemperatur, trotz Schwankungen in der Umgebungstemperatur.

• Rolle des Hypothalamus bei der Thermoregulation: Der Hypothalamus fungiert als das Kontrollzentrum für die Thermoregulation. Er ist ein Teil des Zwischenhirns und enthält thermosensitive Neuronen, die Veränderungen der Körperkerntemperatur wahrnehmen. Der Hypothalamus integriert diese Informationen und initiiert geeignete Antworten, um die Temperatur zu regulieren.

• Funktionsweise von Sensoren, Kontrollzentrum und Effektor:
  • Sensoren: Die Thermosensoren im Körper sind spezialisierte Nervenzellen, die Temperaturänderungen wahrnehmen können. Diese befinden sich hauptsächlich in der Haut, wo sie äußere Temperaturen messen, und im zentralen Nervensystem, wo sie die Kerntemperatur überwachen.
  • Kontrollzentrum: Der Hypothalamus wertet die Signale der Thermosensoren aus und vergleicht sie mit dem Sollwert der Körpertemperatur (etwa 37°C). Falls Abweichungen festgestellt werden, sendet der Hypothalamus Signale, um Gegenmaßnahmen einzuleiten.
  • Effektor: Die Effektoren im Regelkreis der Thermoregulation sind unter anderem die Blutgefäße, die Schweißdrüsen und die Skelettmuskeln. Beispielsweise führen die Blutgefäße in der Haut bei Hitze zur Vasodilation (Erweiterung), um Wärme abzugeben, oder zur Vasokonstriktion (Verengung) bei Kälte, um Wärme zu speichern. Schweißdrüsen erhöhen die Schweißproduktion bei Überhitzung, was durch Verdunstung Kälte erzeugt. Skelettmuskeln können Zittern auslösen, um durch Muskelkontraktionen Wärme zu erzeugen.

• Negative und positive Rückkopplung:
  • Negative Rückkopplung: Dies ist der wichtigste Mechanismus zur Aufrechterhaltung der Homöostase. Bei der Thermoregulation tritt negative Rückkopplung auf, wenn der Körper auf Abweichungen von der normalen Temperatur reagiert, um diese zu korrigieren. Beispiel: Wenn die Körpertemperatur steigt, nimmt der Hypothalamus dies wahr und veranlasst das Schwitzen und die Vasodilation, um die Temperatur zu senken.
  • Positive Rückkopplung: Dies ist ein weniger häufig auftretender Mechanismus bei der Thermoregulation, da er Prozesse verstärkt anstatt sie zu stabilisieren. Beispiel: Bei starkem Kälteeinfluss kann es zu einem temporären Anstieg des Zitterns kommen, um die Wärmeproduktion schnell zu erhöhen. Allerdings wird dieser Effekt rasch durch negative Rückkopplung reguliert.

b)

Angenommen ein Patient hat Diabetes Typ 1. Skizziere den Regelkreislauf zur Blutzuckerregulation und erläutere:

• Wie wirkt sich der Insulinmangel auf den Regelkreislauf aus?
• Welche mathematischen Beziehungen beschreiben die Änderung der Blutzuckerkonzentration in Abhängigkeit von Insulin und Glukagon? Verwende hierzu die folgende Differentialgleichung: \( \frac{d[B]}{dt} = - \frac{a[B]}{1 + [I]} + k[Gl] \)Erkläre, was die Variablen und Konstanten in dieser Gleichung darstellen.
• Gib eine qualitative Erklärung dafür, wie sich eine Unterbrechung dieses Regelkreislaufs auf die Homöostase des Körpers auswirkt.

Lösung:

Regelkreislauf zur Blutzuckerregulation bei Diabetes Typ 1

Die Blutzuckerregulation ist ein kritischer Regelkreislauf im Körper, der die Homöostase des Blutzuckerspiegels aufrechterhält. Dieser Prozess wird primär durch die Hormone Insulin und Glukagon gesteuert, die von der Bauchspeicheldrüse produziert werden.

• Auswirkungen des Insulinmangels auf den Regelkreislauf:Bei Diabetes Typ 1 produziert der Körper wenig bis kein Insulin. Insulin hat die Aufgabe, die Glukoseaufnahme in die Zellen zu fördern und dadurch den Blutzuckerspiegel zu senken. Ein Mangel an Insulin führt dazu, dass die Glukose nicht effektiv in die Zellen gelangen kann, wodurch der Blutzuckerspiegel ansteigt. Das Fehlen von Insulin unterbricht den Regelkreislauf, da der Blutzucker nicht mehr effizient gesenkt wird, was zu Hyperglykämie (hohem Blutzuckerspiegel) führt.

• Mathematische Beschreibung der Blutzuckerkonzentration:Die Differentialgleichung, die die Änderung der Blutzuckerkonzentration beschreibt, lautet:

  \( \frac{d[B]}{dt} = - \frac{a[B]}{1 + [I]} + k[Gl] \)

  • \[ [B] \] stellt die Blutzuckerkonzentration dar.
  • \[ [I] \] repräsentiert die Insulinkonzentration im Blut.
  • \[ a \] ist eine Konstante, die die Rate beschreibt, mit der Glukose durch Insulin aus dem Blut entfernt wird.
  • \[ k \] ist eine Konstante, die die Menge der durch Glukagon freigesetzten Glukose beschreibt.
  • \[ [Gl] \] ist die Glukagonkonzentration.

• Qualitative Erklärung der Auswirkung einer Regelkreislaufunterbrechung:Ein unterbrochener Regelkreislauf der Blutzuckerregulation, wie es bei Diabetes Typ 1 der Fall ist, führt dazu, dass der Blutzuckerspiegel nicht innerhalb des normalen Bereichs gehalten werden kann. Chronisch hohe Blutzuckerspiegel (Hyperglykämie) können eine Vielzahl von gesundheitlichen Problemen verursachen, einschließlich Schäden an Blutgefäßen, Nerven und Organen. Dies beeinträchtigt die Homöostase erheblich und kann zu schweren gesundheitlichen Komplikationen wie diabetischer Ketoazidose oder kardiovaskulären Krankheiten führen.

Aufgabe 3)

Betrachte die Prozesse der Signalübertragung in Neuronen, die durch elektrische und chemische Mechanismen gesteuert werden. Elektrische Signale entstehen durch Aktionspotenziale, während die Signalübertragung an Synapsen durch chemische Neurotransmitter vermittelt wird. Die Schritte umfassen die Depolarisation durch Öffnung von Na\textsuperscript{+}-Kanälen, die Repolarisation durch Öffnung von K\textsuperscript{+}-Kanälen und die Verschmelzung der Vesikel mit der präsynaptischen Membran zur Freisetzung von Neurotransmittern. Diese Neurotransmitter binden dann an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und erzeugen exzitatorische oder inhibitorische postsynaptische Potenziale, deren Summation zu einer neuen Erregung führen kann.

a)

(a) Erläutere den gesamten Prozess der Depolarisation und Repolarisation während eines Aktionspotenzials in einem Neuron und beschreibe die Rolle von Na\textsuperscript{+}- und K\textsuperscript{+}-Kanälen in jedem dieser Schritte.

Lösung:

Um den Prozess der Depolarisation und Repolarisation während eines Aktionspotenzials in einem Neuron zu erklären, müssen wir die spezifischen Rollen der Natrium- (Na⁺) und Kaliumkanäle (K⁺) in diesen Phasen betrachten. Die Ereignisse können wie folgt beschrieben werden:

• Ruhepotential: Das Neuron hat ein Ruhepotential von etwa -70 mV. Dies wird durch die Na⁺-K⁺-Pumpe aufrechterhalten, die Na⁺ aus der Zelle heraus und K⁺ in die Zelle hinein transportiert. In diesem Zustand sind die meisten Na⁺-Kanäle geschlossen und die K⁺-Kanäle sind leicht geöffnet, wodurch eine höhere Konzentration an Na⁺-Ionen außen und eine höhere Konzentration an K⁺-Ionen innen aufrechterhalten wird.
• Depolarisation: Wenn ein Neuron ein ausreichend starkes Signal erhält, öffnen sich spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle. Diese Öffnung führt dazu, dass Na⁺-Ionen in das Neuron einströmen, was zu einem starken Anstieg des Membranpotenzials führt. Das Membranpotenzial wird weniger negativ und kann sogar positive Werte erreichen, typischerweise etwa +30 mV (dies wird als Depolarisation bezeichnet). Die Depolarisation breitet sich entlang des Axons als elektrisches Signal aus.
• Repolarisation: Nach einer kurzen Zeit schließen sich die Na⁺-Kanäle und spannungsgesteuerte K⁺-Kanäle öffnen sich. Dies führt dazu, dass K⁺-Ionen aus dem Neuron herausströmen, was zu einer Abnahme des Membranpotenzials zurück zu negativen Werten führt. Dieser Prozess wird als Repolarisation bezeichnet und stellt das Ruhepotential wieder her.
• Hyperpolarisation (Nachpotential): In einigen Fällen kann die Efflux von K⁺-Ionen so stark sein, dass das Membranpotenzial kurzzeitig unter das Ruhepotential fällt, ein Zustand, der als Hyperpolarisation bekannt ist. Nach dieser Phase wird das Membranpotenzial durch die Na⁺-K⁺-Pumpe und andere Mechanismen auf das Ruhepotential zurückgeführt.

Zusammengefasst ist die Depolarisation durch die Öffnung von Na⁺-Kanälen und den Einstrom von Na⁺-Ionen charakterisiert, während die Repolarisation durch die Öffnung von K⁺-Kanälen und den Ausstrom von K⁺-Ionen charakterisiert ist.

b)

(b) Es sei die folgende Kurve eines Aktionspotenzials gegeben. Skizziere und erkläre die Änderungen des Membranpotenzials in Bezug auf die geschalteten Ionenkanäle.

           /          /   ____________/                    \    /                 \  /                   \/

Lösung:

Um die Änderungen des Membranpotenzials während eines Aktionspotenzials zu skizzieren und zu erklären, schauen wir uns die typische Kurve und die beteiligten Ionenkanäle an.

• Ruhepotential: Das Neuron befindet sich im Ruhezustand bei etwa -70 mV.
• Depolarisation: Zu Beginn des Aktionspotenzials öffnen sich spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle. Na⁺-Ionen strömen in das Neuron, wodurch das Membranpotenzial steigt und weniger negativ wird.
• Overshoot: Das Membranpotenzial kann sogar positive Werte erreichen (typischerweise etwa +30 mV), da weiterhin Na⁺-Ionen einströmen.
• Repolarisation: Nach einer kurzen Zeit schließen sich die Na⁺-Kanäle und spannungsgesteuerte K⁺-Kanäle öffnen sich. K⁺-Ionen strömen aus dem Neuron, was das Membranpotenzial wieder negativ macht.
• Hyperpolarisation: Manchmal bleibt das Membranpotenzial kurzzeitig unter dem Ruhepotential, weil K⁺-Ionen weiterhin ausströmen und die Kanäle langsam schließen. Dies wird als Hyperpolarisation bezeichnet.

Im Folgenden eine skizzierte Darstellung der Kurve eines Aktionspotenzials:

           /          /    ____________/                        /                    /                     /                     /                       

Erklärung der Phasen in Bezug auf Ionenkanäle:

• Ruhepotential: Na⁺- und K⁺-Kanäle sind geschlossen. Das Membranpotenzial ist stabil bei -70 mV.
• Depolarisation: Spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle öffnen sich. Na⁺-Ionen strömen in die Zelle ein und machen das Membranpotenzial positiv.
• Repolarisation: Nach dem Erreichen des Peaks schließen die Na⁺-Kanäle, während sich K⁺-Kanäle öffnen. K⁺-Ionen strömen aus der Zelle und das Membranpotenzial wird wieder negativ.
• Hyperpolarisation: K⁺-Kanäle bleiben kurzzeitig geöffnet, was das Membranpotenzial unter das Ruhepotential fallen lässt.
• Rückkehr zum Ruhepotential: Na⁺- und K⁺-Pumpen sowie andere Mechanismen stellen das Ruhepotential von -70 mV wieder her.

c)

(c) Angenommen, an einer Synapse werden Neurotransmitter freigesetzt, die aufgrund der Summation von mehreren EPSPs zur Auslösung eines neuen Aktionspotenzials führen. Berechne unter der Annahme, dass jedes EPSP eine Potentialänderung von 0.2 mV bewirkt, die notwendige Anzahl an EPSPs, die benötigt wird, um ein Neuron von einem Ruhepotential von -70 mV auf die Schwelle von -55 mV zu depolarisieren.

Lösung:

Um die Anzahl der exzitatorischen postsynaptischen Potenziale (EPSPs) zu berechnen, die notwendig sind, um ein Neuron von einem Ruhepotential von -70 mV auf die Schwelle von -55 mV zu depolarisieren, können wir die folgenden Schritte ausführen:

• Schritt 1: Bestimme die gesamte notwendige Änderung des Membranpotentials. Das Ziel ist es, das Membranpotential von -70 mV auf -55 mV zu bringen. Das bedeutet, wir müssen die Potentialänderung berechnen:

\[\text{Gesamte Potentialänderung} = \text{Schwellenpotential} - \text{Ruhepotential} = -55 \text{ mV} - (-70 \text{ mV}) = 15 \text{ mV}\]

• Schritt 2: Bestimme die Änderung, die jedes EPSP verursacht.Jedes EPSP bewirkt eine Potentialänderung von 0.2 mV.
• Schritt 3: Berechne die notwendige Anzahl der EPSPs.

\[\text{Anzahl der EPSPs} = \frac{\text{Gesamte Potentialänderung}}{\text{Änderung pro EPSP}} = \frac{15\text{ mV}}{0.2\text{ mV pro EPSP}} = 75\text{ EPSPs}\]

Das bedeutet, dass 75 EPSPs notwendig sind, um das Neuron von einem Ruhepotential von -70 mV auf die Schwelle von -55 mV zu depolarisieren und somit ein neues Aktionspotential auszulösen.

d)

(d) Beschreibe den Unterschied zwischen exzitatorischen postsynaptischen Potenzialen (EPSPs) und inhibitorischen postsynaptischen Potenzialen (IPSPs) und erkläre, wie deren räumliche und zeitliche Summation zur Steuerung der neuronalen Aktivität beiträgt.

Lösung:

Um den Unterschied zwischen exzitatorischen postsynaptischen Potenzialen (EPSPs) und inhibitorischen postsynaptischen Potenzialen (IPSPs) sowie die Konzepte der räumlichen und zeitlichen Summation zu verstehen, betrachten wir die folgenden Punkte:

• Exzitatorische Postsynaptische Potenziale (EPSPs):Ein EPSP entsteht, wenn ein Neurotransmitter an Rezeptoren der postsynaptischen Membran bindet und depolarisierende Ionenkanäle, typischerweise Na⁺-Kanäle, öffnet. Dies führt zu einer Depolarisation des Membranpotentials, d. h. es wird weniger negativ, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass das Neuron ein Aktionspotenzial auslöst.
• Inhibitorische Postsynaptische Potenziale (IPSPs):Ein IPSP entsteht, wenn ein Neurotransmitter an Rezeptoren der postsynaptischen Membran bindet und hyperpolarisierende Ionenkanäle, meistens Cl^-- oder K⁺-Kanäle, öffnet. Dies führt zu einer Hyperpolarisation des Membranpotentials, d. h. es wird negativer, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass das Neuron ein Aktionspotenzial auslöst.

Räumliche und zeitliche Summation:

• Räumliche Summation:Dies tritt auf, wenn mehrere synaptische Eingänge, die sich an unterschiedlichen Stellen des Neurons befinden, gleichzeitig aktiviert werden. Wenn mehrere EPSPs zur gleichen Zeit auftreten, summieren sie sich und können gemeinsam das Membranpotential ausreichend depolarisieren, um die Schwelle für ein Aktionspotenzial zu erreichen. Umgekehrt können sich EPSPs und IPSPs gegenseitig aufheben, was die Aktivität des Neurons beeinflusst.
• Zeitliche Summation:Dies tritt auf, wenn mehrere synaptische Eingänge in schneller zeitlicher Abfolge am selben Ort aktiviert werden. Wenn EPSPs in kurzer Zeit hintereinander auftreten, bevor das Membranpotential wieder zum Ruhepotential zurückkehrt, summieren sie sich und erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass die Schwelle für ein Aktionspotenzial erreicht wird. Ähnlich können aufeinander folgende IPSPs die Neuronenaktivität weiter reduzieren.

Zusammengefasst tragen EPSPs zur Depolarisation und erhöhten Aktivität eines Neurons bei, während IPSPs zur Hyperpolarisation und verringerten Aktivität führen. Die räumliche und zeitliche Summation dieser Potenziale bestimmt letztendlich, ob das Neuron ein Aktionspotenzial auslöst oder nicht.

Aufgabe 4)

Das Herz ist die Pumpe des Körpers, die den Blutkreislauf aufrechterhält. Es besteht aus vier Kammern: zwei Vorhöfen (Atrien) und zwei Kammern (Ventrikel). Das sauerstoffreiche Blut fließt vom linken Vorhof in die linke Kammer und von dort in den Körperkreislauf, während das sauerstoffarme Blut vom rechten Vorhof in die rechte Kammer und von dort in den Lungenkreislauf gelangt. Herzklappen verhindern den Rückfluss des Blutes; es gibt Segelklappen und Taschenklappen. Der Herzmuskel (Myokard) ist für die Kontraktionen verantwortlich, die durch das elektrische Leitungssystem des Herzens gesteuert werden: Sinusknoten -> AV-Knoten -> His-Bündel -> Tawara-Schenkel -> Purkinje-Fasern. Der Herzzyklus besteht aus einer Systole (Kontraktion) und einer Diastole (Entspannung). Das Herzzeitvolumen (HZV) lässt sich durch die Formel HZV = Schlagvolumen \times Herzfrequenz bestimmen.

a)

Beschreibe den Weg des Blutes durch das Herz und nenne die beteiligten Strukturen, einschließlich der Klappenarten, die den Rückfluss verhindern.

Lösung:

Der Weg des Blutes durch das Herz:

• Das sauerstoffarme Blut gelangt zunächst über die obere und untere Hohlvene (Vena cava superior und Vena cava inferior) in den rechten Vorhof (Atrium dextrum).
• Vom rechten Vorhof fließt das Blut durch die Trikuspidalklappe (eine Segelklappe) in die rechte Kammer (Ventrikel dexter).
• Die rechte Kammer pumpt das Blut durch die Pulmonalklappe (eine Taschenklappe) in den Lungenkreislauf. Hier gelangt das Blut in die Lungenarterie und wird zur Lunge transportiert, wo es mit Sauerstoff angereichert wird und Kohlendioxid abgibt.
• Das nun sauerstoffreiche Blut fließt von der Lunge über die Lungenvenen zurück zum Herzen, und zwar in den linken Vorhof (Atrium sinistrum).
• Vom linken Vorhof fließt das Blut durch die Mitralklappe (eine Segelklappe) in die linke Kammer (Ventrikel sinister).
• Die linke Kammer pumpt das Blut durch die Aortenklappe (eine Taschenklappe) in die Aorta und damit in den Körperkreislauf, um den gesamten Körper mit sauerstoffreichem Blut zu versorgen.

Beteiligte Klappenarten, die den Rückfluss verhindern:

• Segelklappen: Trikuspidalklappe und Mitralklappe- Diese Klappen befinden sich zwischen Vorhöfen und Kammern und verhindern den Rückfluss des Blutes in die Vorhöfe während der Ventrikelkontraktion (Systole).
• Taschenklappen: Pulmonalklappe und Aortenklappe- Diese Klappen befinden sich am Ausgang der Ventrikel und verhindern den Rückfluss des Blutes in die Kammern nach der Auswurfphase (Systole).

b)

Erkläre, wie der Herzmuskel (Myokard) seine Kontraktionen ausführt und welche Rolle das elektrische Leitungssystem dabei spielt. Gehe dabei auf die Reihenfolge der Aktivierung der verschiedenen Teile ein.

Lösung:

Die Ausführung der Kontraktionen durch den Herzmuskel (Myokard) und die Rolle des elektrischen Leitungssystems:

Der Herzmuskel (Myokard) führt seine Kontraktionen durch, indem elektrische Impulse durch ein spezielles Leitungssystem übertragen werden. Diese Impulse initiieren und koordinieren die Kontraktionen, die als Herzzyklus auftreten. Der Herzzyklus besteht aus einer Systole (Kontraktion) und einer Diastole (Entspannung).

Das elektrische Leitungssystem des Herzens besteht aus mehreren Schrittmachern und Leitungsbahnen, die nacheinander aktiviert werden:

• Sinusknoten: Der Sinusknoten, der sich im rechten Vorhof (Atrium dextrum) befindet, fungiert als natürlicher Schrittmacher des Herzens. Er erzeugt elektrische Impulse, die die Herzfrequenz bestimmen. Diese Impulse breiten sich über die Vorhofmuskulatur aus und führen zur Kontraktion der Vorhöfe (Atriale Systole).
• AV-Knoten: Die elektrischen Impulse gelangen dann zum Atrioventrikularknoten (AV-Knoten), der sich an der Grenze zwischen Vorhöfen und Kammern befindet. Der AV-Knoten verzögert die Weiterleitung der Impulse leicht, um sicherzustellen, dass die Vorhöfe vollständig kontrahiert sind und das Blut in die Kammern gefüllt ist, bevor die Ventrikel (Kammern) kontrahieren.
• His-Bündel: Nach der Verzögerung im AV-Knoten werden die Impulse über das His-Bündel, das im Septum (der Wand) zwischen den Ventrikeln verläuft, weitergeleitet. Das His-Bündel leitet den Impuls in die Tawara-Schenkel weiter.
• Tawara-Schenkel: Die Tawara-Schenkel teilen sich in einen rechten und einen linken Schenkel, die die elektrischen Impulse zu den jeweiligen Ventrikeln leiten.
• Purkinje-Fasern: Schließlich breiten sich die Impulse über die Purkinje-Fasern, die in die Muskelwand der Ventrikel eingefügt sind, aus. Diese Fasern sorgen für eine schnelle und koordinierte Weiterleitung der Impulse, die zu einer gleichzeitigen und kraftvollen Kontraktion der Ventrikel (Ventrikuläre Systole) führt.

Die koordinierte Aktivierung des elektrischen Leitungssystems sorgt dafür, dass das Herz synchron und effizient Blut pumpt, indem es die rhythmischen Kontraktionen des Myokards steuert.

c)

Stelle dir eine Situation vor, in der die Herzfrequenz eines Patienten 75 Schläge pro Minute beträgt und das Schlagvolumen 70 ml ist. Berechne das Herzzeitvolumen (HZV) und erkläre die Bedeutung dieses Wertes für den Körper.

Lösung:

Berechnung des Herzzeitvolumens (HZV):

Gegeben:

• Herzfrequenz = 75 Schläge pro Minute
• Schlagvolumen = 70 ml

Die Formel zur Berechnung des Herzzeitvolumens (HZV) lautet:

HZV = Schlagvolumen × Herzfrequenz

Einsetzen der gegebenen Werte:

HZV = 70 ml × 75 Schläge/Minute

HZV = 5250 ml/Minute

HZV = 5,25 Liter/Minute

Das Herzzeitvolumen beträgt daher 5,25 Liter pro Minute.

Bedeutung des Herzzeitvolumens für den Körper:

Das Herzzeitvolumen (HZV) gibt die Menge an Blut an, die das Herz pro Minute durch den Körper pumpt. Es ist ein wichtiger Indikator für die Leistungsfähigkeit des Herz-Kreislauf-Systems. Ein HZV von 5,25 Litern pro Minute bedeutet, dass das Herz des Patienten pro Minute 5,25 Liter Blut durch den Körper transportiert. Dieser Wert ist wichtig für die Aufrechterhaltung des Blutflusses und der Sauerstoffversorgung aller Gewebe und Organe.

Die Bedeutung dieses Wertes umfasst:

• Sauerstoffversorgung: Ein ausreichendes HZV stellt sicher, dass alle Gewebe und Organe mit ausreichend Sauerstoff versorgt werden. Sauerstoff ist notwendig für die Zellatmung und den Energiehaushalt des Körpers.
• Nährstofftransport: Neben Sauerstoff werden auch Nährstoffe, wie Glukose und Aminosäuren, über das Blut zu allen Zellen transportiert.
• Abtransport von Stoffwechselabfällen: Ein ausreichendes HZV hilft, Stoffwechselabfälle wie Kohlendioxid und Harnstoff effizient aus den Geweben und Organen abzutransportieren.
• Aufrechterhaltung des Blutdrucks: Das HZV trägt zur Aufrechterhaltung eines stabilen Blutdrucks bei, welcher für die Perfusion der Organe und die allgemeine Homöostase des Körpers essentiell ist.

Ein zu niedriges HZV könnte auf eine Herzinsuffizienz oder andere kardiale Probleme hinweisen und würde bedeuten, dass der Körper möglicherweise nicht ausreichend mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt wird. Ein zu hohes HZV könnte auf eine Überbelastung des Herzens hinweisen.