Anatomie und Physiologie für Nichtmediziner - Exam

Aufgabe 1)

Beschreibe und analysiere die Rolle und den Aufbau des menschlichen Skelettsystems. Gehe auf die verschiedenen Zelltypen ein, die am Knochenaufbau beteiligt sind, und erläutere die Funktionen von rotem und gelbem Knochenmark. Diskutiere die Struktur und die Bestandteile des Knochens, einschließlich Kollagen und Hydroxylapatit und vergleiche die Unterschiede zwischen Spongiosa und Kortikalis.

a)

Erkläre die spezifischen Rollen von Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten im Knochengewebe. Wie wirken diese Zellen zusammen, um das Gleichgewicht zwischen Knochenbildung und Knochenabbau zu erhalten? Verwende dabei biochemische und strukturelle Merkmale.

Lösung:

Das menschliche Skelettsystem ist ein komplexes und dynamisches System, das aus verschiedenen Zelltypen und Strukturen besteht. Im Knochengewebe spielen Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten eine zentrale Rolle. Hier sind ihre spezifischen Funktionen und wie sie zusammenarbeiten, um das Gleichgewicht zwischen Knochenbildung und Knochenabbau zu erhalten:

• Osteoblasten: Osteoblasten sind für die Knochenbildung verantwortlich. Sie synthetisieren Kollagen und sezernieren die organische Matrix des Knochens, die als Osteoid bezeichnet wird. Diese Matrix wird dann mineralisiert, um festes Knochengewebe zu bilden. Osteoblasten produzieren auch wichtige biochemische Substanzen wie Alkalische Phosphatase (ALP), die die Mineralisation fördern.
• Osteozyten: Osteozyten sind reife Knochenzellen, die aus Osteoblasten entstehen, nachdem sie von der von ihnen produzierten Knochenmatrix umschlossen wurden. Sie leben in kleinen Höhlen, den Lakunen, und sind durch Kanälchen (Canaliculi) miteinander verbunden. Osteozyten sind für die Erhaltung des Knochengewebes verantwortlich und kommunizieren mit anderen Knochenzellen, um mechanische Belastungen zu überwachen und auf sie zu reagieren. Sie regulieren die Knochenumbauprozesse, indem sie Signale an Osteoblasten und Osteoklasten senden.
• Osteoklasten: Osteoklasten sind große, mehrkernige Zellen, die für den Knochenabbau verantwortlich sind. Sie resorbieren Knochengewebe, indem sie Enzyme und Säuren freisetzen, die die Mineral- und Kollagenmatrix des Knochens auflösen. Osteoklasten entstehen aus der Fusion von Vorläuferzellen des mononukleären Phagozytose-Systems (ähnlich wie Makrophagen).

Zusammenarbeit und Gleichgewicht: Das Gleichgewicht zwischen Knochenbildung und Knochenabbau wird durch das koordinierte Zusammenspiel von Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten aufrechterhalten. Folgende biochemische und strukturelle Merkmale spielen eine Rolle:

• RANK/RANKL/OPG-System: Osteoblasten exprimieren den Rezeptoraktivator für nukleären Faktor Kappa-B-Ligand (RANKL), der an den RANK-Rezeptor auf Osteoklastenvorläuferzellen bindet und ihre Differenzierung und Aktivierung fördert. Osteozyten können ebenfalls RANKL produzieren. Osteoprotegerin (OPG) ist ein Decoy-Rezeptor, der von Osteoblasten produziert wird und RANKL neutralisiert, wodurch die Osteoklastenaktivität gehemmt wird. Das Verhältnis zwischen RANKL und OPG beeinflusst daher das Gleichgewicht zwischen Knochenabbau und -aufbau.
• Mechanische Belastung: Osteozyten reagieren auf mechanische Belastungen und senden Signale an Osteoblasten, um die Knochenbildung zu fördern, oder an Osteoklasten, um den Knochenabbau zu stimulieren. Diese Mechanotransduktion stellt sicher, dass der Knochen sich an veränderte mechanische Anforderungen anpasst.
• Kollagen und Hydroxylapatit: Kollagen, das von Osteoblasten produziert wird, bildet die organische Grundstruktur des Knochens. Hydroxylapatit, ein Mineralsalz, lagert sich in dieser Matrix ab und verleiht dem Knochen seine Härte und Festigkeit. Osteoklasten resorbieren sowohl die organische Matrix als auch die mineralischen Komponenten des Knochens, während Osteoblasten neue Matrix und Mineralien produzieren, um den Knochen zu regenerieren.

Durch das Zusammenspiel dieser Zellen und Prozesse wird ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Knochenbildung und Knochenabbau aufrechterhalten, das für die Knochengesundheit und die Anpassung des Skeletts an verschiedene Belastungen entscheidend ist.

c)

Vergleiche den Aufbau und die Funktionen von Spongiosa und Kortikalis und erkläre anhand von Beispielen, wo im menschlichen Körper man diese beiden Knochenstrukturen findet. Warum sind diese Unterschiede evolutionsbiologisch sinnvoll?

Lösung:

Das menschliche Skelettsystem besteht aus verschiedenen Knochenstrukturen, nämlich Spongiosa (auch Trabekelwerk oder schwammartige Substanz genannt) und Kortikalis (auch Kompakta genannt). Diese beiden Strukturen haben unterschiedliche Aufbauten und Funktionen.

• Aufbau und Funktionen von Spongiosa:
  • Aufbau: Spongiosa ist eine poröse, schwammartige Knochenstruktur, die aus einem Netzwerk von dünnen Knochenbälkchen (Trabekeln) besteht. Zwischen diesen Trabekeln befinden sich Hohlräume, die mit Knochenmark gefüllt sind.
  • Funktionen: Spongiosa ermöglicht eine Reduzierung des Gesamtgewichts des Knochens ohne signifikanten Festigkeitsverlust. Sie bietet zudem Platz für das Knochenmark und spielt eine wichtige Rolle bei der Blutbildung (Hämatopoese) im roten Knochenmark.
  • Beispiele: Spongiosa findet sich vor allem in den Endbereichen (Epiphysen) langer Knochen wie dem Oberschenkelknochen (Femur) und Oberarmknochen (Humerus) sowie in den Wirbeln und dem Beckenknochen.
• Aufbau und Funktionen von Kortikalis:
  • Aufbau: Kortikalis ist die dichte, kompakte äußere Schicht des Knochens. Sie besteht aus dicht gepackten Knochenlamellen, die sich um zentrale Havers-Kanäle anordnen, durch die Blutgefäße und Nerven verlaufen.
  • Funktionen: Kortikalis verleiht dem Knochen seine Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Belastungen. Sie schützt das innere Knochenmark und die Spongiosa.
  • Beispiele: Kortikalis findet sich vor allem in den Diaphysen (mittleren Bereichen) langer Knochen wie dem Oberschenkelknochen, den kurzen und flachen Knochen wie den Schädelknochen und den Rippen.
• Warum sind diese Unterschiede evolutionsbiologisch sinnvoll?
  • Gewichtsreduktion: Die Spongiosa erlaubt es, das Gewicht des Skeletts zu reduzieren, was die Fortbewegung effizienter macht. Ein zu schweres Skelett würde die Beweglichkeit und Ausdauer deutlich einschränken.
  • Mechanische Eigenschaften: Die Kombination von Spongiosa und Kortikalis ermöglicht es den Knochen, sowohl Festigkeit als auch Elastizität zu besitzen. Kortikalis gibt den Knochen Stabilität, während Spongiosa Stöße abfedert und den Energiefluss bei mechanischen Belastungen verteilt.
  • Schutz und Unterstützung der Hämatopoese: Die Spongiosa bietet Raum für Knochenmark, das für die Bildung von Blutzellen unerlässlich ist. Diese Anordnung gewährleistet eine kontinuierliche und ausreichende Produktion von Blutzellen, was für das Überleben und die Gesundheit des Organismus entscheidend ist.

Zusammengefasst ergänzen sich Spongiosa und Kortikalis, um ein leichtes, aber dennoch starkes und funktional effektives Skelettsystem zu schaffen, das den Anforderungen des täglichen Lebens und der Evolution gerecht wird.

Aufgabe 2)

Das Gehirn und das Nervensystem sind die Regelzentren des Körpers und dienen als Netzwerke zur Signalweiterleitung und -verarbeitung. Das zentrale Nervensystem (ZNS), bestehend aus Gehirn und Rückenmark, und das periphere Nervensystem (PNS), welches das Körpernervensystem umfasst, spielen hierbei eine wesentliche Rolle. Neuronale Signalweiterleitung erfolgt über Aktionspotentiale und synaptische Transmission, wobei wichtige Neurotransmitter wie Dopamin, Serotonin und Acetylcholin eine zentrale Rolle spielen. Zu den bedeutenden Hirnstrukturen gehören das Großhirn, das Kleinhirn und der Hirnstamm.

a)

Erkläre den Prozess der neuronalen Signalweiterleitung von der Entstehung eines Aktionspotentials bis hin zur synaptischen Übertragung. Stelle sicher, dass Du Begriffe wie Depolarisation, Repolarisation, Schwellenwert und synaptische Vesikel korrekt erklärst.

Lösung:

Prozess der neuronalen Signalweiterleitung

• Entstehung eines AktionspotentialsNeuronale Signalweiterleitung beginnt mit der Entstehung eines Aktionspotentials. Dies passiert, wenn ein Neuron durch einen Reiz depolarisiert wird. Depolarisation bedeutet, dass die Membranpotentialdifferenz weniger negativ wird. Dies geschieht durch das Öffnen von spannungsgesteuerten Natriumkanälen, wodurch Natriumionen (Na⁺) in das Neuron strömen.
• SchwellenwertDamit ein Aktionspotential ausgelöst wird, muss das Membranpotential einen bestimmten Schwellenwert erreichen. Dieser Schwellenwert liegt typischerweise bei etwa -55 mV. Wird dieser Schwellenwert erreicht, öffnen sich noch mehr Natriumkanäle, was zu einem weiteren Einstrom von Na⁺ und einer vollständigen Depolarisation führt.
• RepolarisationNach der Depolarisation erfolgt die Repolarisation, bei der das Membranpotential wieder negativ wird. Dies wird durch das Schließen der Natriumkanäle und das Öffnen von spannungsgesteuerten Kaliumkanälen (K⁺) erreicht, sodass Kaliumionen das Neuron verlassen und das Membranpotential wieder in den negativen Bereich bringen.
• HyperpolarisationManchmal wird während der Repolarisation das Membranpotential kurzzeitig noch negativer als das Ruhepotential. Diesen Zustand nennt man Hyperpolarisation. Der Zustand normalisiert sich jedoch schnell wieder zum Ruhepotential.
• Synaptische ÜbertragungWenn das Aktionspotential das Ende des Axons (die präsynaptische Endigung) erreicht, öffnet es spannungsgesteuerte Calciumkanäle, wodurch Calciumionen (Ca²⁺) in die Zelle strömen. Dieses Calcium löst die Verschmelzung von synaptischen Vesikeln mit der präsynaptischen Membran aus. Synaptische Vesikel sind kleine Bläschen, die Neurotransmitter enthalten.
• Freisetzung von NeurotransmitternDie Vesikel setzen ihre Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei. Diese Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran des nächsten Neurons, was entweder eine weitere Depolarisation hervorruft, wenn es sich um exzitatorische Neurotransmitter handelt, oder eine Hemmung, wenn es sich um inhibitorische Neurotransmitter handelt.

b)

Vergleiche die Funktionen der folgenden Hirnstrukturen: Großhirn, Kleinhirn und Hirnstamm. Erläutere detailliert, welche kognitiven und motorischen Funktionen jeder dieser Hirnabschnitte steuert.

Lösung:

Vergleich der Funktionen von Großhirn, Kleinhirn und Hirnstamm

• Großhirn (Cerebrum)
  • Kognitive Funktionen: Das Großhirn ist verantwortlich für höhere kognitive Funktionen, einschließlich Denken, Planen, Problemlösen und Entscheidungsfindung. Es ist auch der Sitz des Bewusstseins, der Wahrnehmung und der Sprache. Verschiedene Bereiche des Großhirns sind spezialisiert auf bestimmte Aufgaben, zum Beispiel das Frontalhirn für exekutive Funktionen und das Temporallappen für das Gedächtnis.
  • Sinneswahrnehmung: Das Großhirn verarbeitet sensorische Informationen von den Sinnesorganen. Der somatosensorische Kortex etwa empfängt und interpretiert taktile Informationen.
  • Motorische Funktionen: Der motorische Kortex im Großhirn plant und initiiert freiwillige Bewegungen. Es sendet Signale an die Muskeln, um präzise Bewegungen zu koordinieren.
• Kleinhirn (Cerebellum)
  • Motorische Kontrolle: Das Kleinhirn spielt eine wesentliche Rolle bei der Feinabstimmung von Bewegungen und der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts und der Körperhaltung. Es integriert sensorische Informationen aus dem Körper und passt Motorik entsprechend an.
  • Koordination: Das Kleinhirn koordiniert komplexe motorische Abläufe, indem es Bewegungen aufeinander abstimmt und die Genauigkeit verbessert. Dies ist besonders wichtig bei zeitlich präzisen Bewegungen, wie dem Spielen eines Musikinstruments oder der sportlichen Betätigung.
  • Lernprozesse: Das Kleinhirn ist an motorischem Lernen beteiligt, zum Beispiel beim Erlernen neuer Bewegungsabläufe.
• Hirnstamm (Brainstem)
  • Autonome Funktionen: Der Hirnstamm kontrolliert lebenswichtige autonome Funktionen wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck. Er enthält Zentren, die diese unwillkürlichen Prozesse regulieren.
  • Reflexe: Der Hirnstamm ist verantwortlich für verschiedene Reflexe, wie den Schluckreflex, den Hustenreflex und den Pupillenreflex.
  • Verbindung zwischen Gehirn und Rückenmark: Der Hirnstamm fungiert als Kommunikationskanal zwischen dem Gehirn und dem Rückenmark. Er leitet sensorische und motorische Informationen hin und her.
  • Schlaf und Wachheit: Der Hirnstamm enthält Strukturen, die den Schlaf-Wach-Zyklus und die allgemeine Wachheit regulieren.

c)

Beschreibe die Rolle der Neurotransmitter Dopamin, Serotonin und Acetylcholin im Nervensystem. Welche Auswirkungen haben Ungleichgewichte in der Konzentration dieser Neurotransmitter auf das Verhalten und die Physiologie des Menschen.

Lösung:

Rolle der Neurotransmitter im Nervensystem

• Dopamin
  • Funktion: Dopamin ist ein Neurotransmitter, der eine wichtige Rolle bei der Belohnung und Motivation spielt. Es ist auch an der Steuerung von Bewegungen und der Regulierung emotionaler Reaktionen beteiligt.
  • Ungleichgewichte und Auswirkungen:
    • Parkinson-Krankheit: Ein Mangel an Dopamin in bestimmten Gehirnregionen, insbesondere in der Substantia nigra, führt zu motorischen Symptomen wie Zittern, Steifheit und Bewegungsarmut.
    • Schizophrenie: Übermäßige Dopaminaktivität wird mit psychotischen Symptomen wie Halluzinationen und Wahnvorstellungen in Verbindung gebracht.
    • Sucht: Störungen im Dopamin-System können zur Entwicklung von Suchtverhalten führen, da Dopamin das Belohnungssystem des Gehirns beeinflusst.
• Serotonin
  • Funktion: Serotonin spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulierung von Stimmung, Schlaf, Appetit und Gedächtnis. Es wirkt auch auf die Schmerzempfindung und die Regulierung des Verdauungssystems.
  • Ungleichgewichte und Auswirkungen:
    • Depression: Ein Mangel an Serotonin wird häufig mit Depressionen in Verbindung gebracht. Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRIs) sind gängige Antidepressiva, die die Verfügbarkeit von Serotonin im Gehirn erhöhen.
    • Angststörungen: Niedrige Serotoninspiegel können zu erhöhter Angst und Panikattacken führen.
    • Migräne: Ungleichgewichte im Serotonin-System können auch eine Rolle bei der Entstehung von Migräne spielen.
• Acetylcholin
  • Funktion: Acetylcholin ist wichtig für die Muskelkontraktion sowie die Funktion des autonomen Nervensystems. Es spielt auch eine Rolle bei der Gedächtnisbildung und der Erregbarkeit von Nervenzellen im ZNS.
  • Ungleichgewichte und Auswirkungen:
    • Alzheimer-Krankheit: Eine reduzierte Cholinacetyltransferase-Aktivität, die für die Synthese von Acetylcholin notwendig ist, wird mit Gedächtnisverlust und kognitiven Beeinträchtigungen in Verbindung gebracht.
    • Myasthenia Gravis: Diese Autoimmunerkrankung führt zu einer Schwächung der Muskulatur durch die Zerstörung von Acetylcholinrezeptoren an der neuromuskulären Verbindung.
    • Schlafstörungen: Acetylcholin spielt eine Rolle im Schlaf-Wach-Zyklus und kann Schlafstörungen beeinflussen, wenn seine Regulation gestört ist.

d)

Angenommen, ein Mensch hat eine Störung im dopaminergen System, die zu einer unzureichenden Produktion von Dopamin führt. Berechne, wie diese Störung den Transfer elektrischer Signale über eine synaptische Verbindung beeinflussen könnte, indem Du die Abfolge der Ereignisse, die bei der synaptischen Transmission stattfinden, mathematisch modellierst.

Lösung:

Einfluss einer Störung im Dopaminergen System auf die Synaptische Transmission

Um zu verstehen, wie eine unzureichende Produktion von Dopamin den Transfer elektrischer Signale beeinflusst, müssen wir die synaptische Übertragung und die Rolle von Neurotransmittern mathematisch modellieren. Dabei wird berücksichtigt, dass Dopamin eine kritische Rolle in der Signalübertragung und der Verstärkung von Signalen spielt.

• Mathematische Modellierung der synaptischen Übertragung:
  • Ruhemembranpotential (RMP): Das Ruhepotential eines Neurons ergibt sich aus der Differenz der Ionenkonzentrationen auf beiden Seiten der Zellmembran. Es wird durch die Goldmann-Gleichung beschrieben:
  \[ V_{Rest} = \frac{{RT}}{{F}} \times \frac{{ln([Na^+]_{out} + [K^+]_{out} + [Cl^-]_{out})}}{{[Na^+]_{in} + [K^+]_{in} + [Cl^-]_{in}}} \]
  • Generierung des Aktionspotentials: Ein Aktionspotential entsteht, wenn das Membranpotential den Schwellenwert erreicht. Der Zustrom von Natriumionen bringt das Membranpotential von seinem Ruhewert auf einen positiven Wert, was durch das Hodgkin-Huxley-Modell beschrieben wird:
  \[ I_{\text{Na}} = g_{\text{Na}}(V - V_{\text{Na}}) \] \[ I_{\text{K}} = g_{\text{K}}(V - V_{\text{K}}) \]
  • Freisetzung von Neurotransmittern: Der Einstrom von Calcium-Ionen (Ca²⁺) in die präsynaptische Endigung löst die Freisetzung von Dopamin aus synaptischen Vesikeln aus.
  \[ [Ca^{2+}]_{\text{in}} > [Ca^{2+}]_{\text{out}} \] \[ J_{\text{in}} = C \times \frac{{dV}}{{dt}} \]
  • Bindung von Neurotransmittern an Rezeptoren: Die freigesetzten Dopaminmoleküle binden an postsynaptische Rezeptoren, was zur Öffnung von ionotropen Kanälen und somit zu einer Änderung des postsynaptischen Membranpotentials führt.
  \[ V_{\text{post}} = \frac{{1}}{{R_{\text{post}}}} \times I_{\text{post}} \]
  • Effekte einer Störung im dopaminergen System:Wenn die Dopaminproduktion unzureichend ist, wird die Anzahl der Dopaminmoleküle, die freigesetzt werden können, reduziert. Dies beeinflusst die synaptische Übertragung mathematisch folgendermaßen:
  • Reduzierter Einstrom von Ca²⁺ durch geringere Aktivierung des präsynaptischen Neurons
  \[ J_{\text{in}} = C \times \frac{{dV_{\text{red}}}}{{dt}} \]

• Weniger Dopaminmoleküle, die an die Rezeptoren binden können:
\[ [Dopamin]_{\text{post}} \to 0 \]

• Schwächere postsynaptische Potentiale (EPSPs) aufgrund geringerer Rezeptoraktivierung:
\[ V_{\text{EPSP}} \to 0 \]

• ZusammenfassungEine Störung im dopaminergen System führt zu einer reduzierten Freisetzung von Dopamin, was die synaptische Übertragung durch die beschriebenen mathematischen Abhängigkeiten stark beeinträchtigt. Dies kann zu eingeschränkter Bewegungs- und Emotionsregulierung führen, wie bei der Parkinson-Krankheit beobachtet.

Aufgabe 3)

Das Kreislaufsystem umfasst das Herz und die Blutgefäße und ermöglicht den Transport von Blut, Nährstoffen, Sauerstoff und Abfallstoffen im Körper. Die Herzfunktion bezieht sich auf die Fähigkeit des Herzens, Blut durch den Körper zu pumpen.

• Das Herz hat vier Kammern: zwei Vorhöfe und zwei Ventrikel.
• Blutfluss: Sauerstoffarmes Blut - rechter Vorhof - rechte Kammer - Lungen - linker Vorhof - linke Kammer - Körper.
• Systole: Kontraktion des Herzens, Pumpphase.
• Diastole: Erholungsphase des Herzens, Füllphase.
• Herzzeitvolumen (HZV): \[ HZV = Herzfrequenz \times Schlagvolumen \]
• Blutdruck: \[ Blutdruck = Herzzeitvolumen \times peripherer Widerstand \]
• Wichtige Herzklappen: Aortenklappe, Pulmonalklappe, Mitralklappe, Trikuspidalklappe.

a)

Erkläre den Weg des Blutes durch das Herz, beginnend mit dem Eintritt von sauerstoffarmem Blut in den rechten Vorhof bis zum Verlassen des Herzens in den systemischen Kreislauf. Stelle sicher, dass Du die relevanten Herzklappen und Kammern erwähntst.

Lösung:

Um den Weg des Blutes durch das Herz zu beschreiben, beginnen wir mit dem Eintritt von sauerstoffarmem Blut in den rechten Vorhof:

• Rechter Vorhof: Sauerstoffarmes Blut aus dem Körper kehrt durch die Vena cava superior und Vena cava inferior in den rechten Vorhof zurück.
• Trikuspidalklappe: Das Blut fließt durch die Trikuspidalklappe in die rechte Kammer.
• Rechte Kammer: Hier wird das Blut in die Lungen (kleiner Kreislauf) gepumpt. Dies geschieht durch die Pulmonalklappe.
• Pulmonalklappe: Das Blut gelangt durch die Pulmonalklappe in den Lungenkreislauf, wo es mit Sauerstoff angereichert wird.
• Linker Vorhof: Das nun sauerstoffreiche Blut kehrt durch die Pulmonalvenen in den linken Vorhof zurück.
• Mitralklappe: Das Blut fließt durch die Mitralklappe in die linke Kammer.
• Linke Kammer: Hier wird das Blut in den systemischen Kreislauf (großer Kreislauf) gepumpt.
• Aortenklappe: Das Blut fließt durch die Aortenklappe in die Aorta und somit in den restlichen Körper, um Sauerstoff und Nährstoffe zu verteilen.

b)

Beschreibe den Unterschied zwischen Systole und Diastole. Welche Rolle spielen diese Phasen in der Herzfunktion und wie beeinflussen sie den Blutdruck?

Lösung:

Um den Unterschied zwischen Systole und Diastole zu beschreiben, betrachten wir zuerst die Definitionen und die Funktionen dieser Phasen:

• Systole: Die Systole ist die Kontraktionsphase des Herzens. In dieser Phase ziehen sich die Herzkammern zusammen, um Blut in die Arterien (die Lungenarterie und die Aorta) zu pumpen. Dies entspricht der Pumpphase des Herzzyklus.
• Diastole: Die Diastole ist die Erholungsphase des Herzens. In dieser Phase entspannen sich die Herzkammern und füllen sich mit Blut, das aus den Vorhöfen in die Kammern fließt. Dies entspricht der Füllphase des Herzzyklus.

Rolle in der Herzfunktion:

• Die Systole spielt eine entscheidende Rolle beim Auswerfen von Blut aus den Herzkammern in den Kreislauf. Sie sorgt dafür, dass Blut durch die Lungen und den restlichen Körper fließt. Während der Systole wird Blut durch die Pulmonalklappe in den Lungenkreislauf und durch die Aortenklappe in den systemischen Kreislauf gepumpt.
• Die Diastole ist ebenso wichtig, da sie dem Herzen ermöglicht, sich zu erholen und sich mit Blut zu füllen. Diese Phase stellt sicher, dass ausreichend Blut in den Kammern vorhanden ist, um während der nächsten Systole effizient gepumpt zu werden. Blut fließt durch die Trikuspidal- und Mitralklappe in die Kammern.

Einfluss auf den Blutdruck:

• Der Blutdruck hat zwei Messungen: systolischer und diastolischer Druck.
• Der systolische Blutdruck ist der Druck in den Arterien, wenn das Herz während der Systole Blut pumpt. Dies ist typischerweise der höhere Wert und spiegelt die maximale Kraft wider, die auf die Arterienwände ausgeübt wird.
• Der diastolische Blutdruck ist der Druck in den Arterien, wenn das Herz während der Diastole entspannt ist. Dies ist typischerweise der niedrigere Wert und spiegelt den minimalen Druck wider, der während der Ruhephase des Herzens auf die Arterienwände ausgeübt wird.
• Ein gesundes Herz-Kreislauf-System benötigt ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Systole und Diastole, um sicherzustellen, dass der Blutdruck im normalen Bereich bleibt und der Körper optimal mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt wird.

c)

Berechne das Herzzeitvolumen (HZV), wenn die Herzfrequenz 75 Schläge pro Minute ist und das Schlagvolumen 70 ml beträgt. Bedenke die Formel: \[ HZV = Herzfrequenz \times Schlagvolumen \]

Lösung:

Um das Herzzeitvolumen (HZV) zu berechnen, verwenden wir die gegebene Formel:

Formel:

HZV = Herzfrequenz \times Schlagvolumen

Wir haben die folgenden Werte:

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

Setzen wir diese Werte in die Formel ein:

HZV = 75 \times 70 = 5250

Daher beträgt das Herzzeitvolumen (HZV) 5250 ml pro Minute, oder 5,25 Liter pro Minute.

d)

Ein Patient hat einen Blutdruck von 120/80 mmHg. Wenn sein Herzzeitvolumen 5 Liter pro Minute beträgt, welcher periphere Widerstand liegt vor? Nutze die Formel: \[ Blutdruck = Herzzeitvolumen \times peripherer Widerstand \]

Lösung:

Um den peripheren Widerstand zu berechnen, verwenden wir die Formel:

Formel:

Blutdruck = Herzzeitvolumen \times peripherer Widerstand

Zuerst müssen wir den mittleren arteriellen Druck (MAD) berechnen, da der Blutdruck gewöhnlich als Systolischer Druck/Diastolischer Druck angegeben wird:

Ein Blutdruck von 120/80 mmHg ergibt:

MAD = Diastolischer Druck + (Systolischer Druck - Diastolischer Druck) / 3

Also:

MAD = 80 + (120 - 80) / 3 = 80 + 40 / 3 = 80 + 13.33 = 93.33 mmHg

Nun können wir den peripheren Widerstand berechnen:

Da das Herzzeitvolumen 5 Liter pro Minute (5000 ml/min) beträgt, verwenden wir die umgestellte Formel:

Peripherer Widerstand = MAD / Herzzeitvolumen

Peripherer Widerstand = 93.33 mmHg / 5000 ml/min = 0.01867 mmHg•min/ml

Daher beträgt der periphere Widerstand 0.01867 mmHg•min/ml.

Aufgabe 4)

Zellphysiologie und Zellatmung

Zellphysiologie untersucht die Funktionen der Zellen. Zellatmung ist der Prozess der Umwandlung von Glukose und Sauerstoff in Energie (ATP), Kohlendioxid und Wasser.

• Zellatmung in drei Schritte unterteilt: Glykolyse, Citratzyklus, oxidative Phosphorylierung.
• Gleichung: \[ C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + ATP \]
• Glykolyse: im Cytoplasma, Glukose -> Pyruvat
• Citratzyklus: in der Mitochondrienmatrix, Pyruvat -> CO_2 und energiereiche Moleküle (NADH, FADH_2)
• Oxidative Phosphorylierung: an der inneren Mitochondrienmembran, NADH/FADH_2 -> ATP
• ATP: Hauptenergiespeicher

a)

Beschreibe detailliert die einzelnen Schritte der Zellatmung: Glykolyse, Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung. Betone dabei die Umwandlung der verschiedenen Stoffe und die Orte der Prozesse innerhalb der Zelle.

Lösung:

Zellphysiologie und Zellatmung

Zellphysiologie untersucht die Funktionen der Zellen. Zellatmung ist der Prozess der Umwandlung von Glukose und Sauerstoff in Energie (ATP), Kohlendioxid und Wasser.

• Zellatmung in drei Schritte unterteilt: Glykolyse, Citratzyklus, oxidative Phosphorylierung.
• Gleichung: \[C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + ATP\]
• Glykolyse: im Cytoplasma, Glukose -> Pyruvat
• Citratzyklus: in der Mitochondrienmatrix, Pyruvat -> CO2 und energiereiche Moleküle (NADH, FADH2)
• Oxidative Phosphorylierung: an der inneren Mitochondrienmembran, NADH/FADH2 -> ATP
• ATP: Hauptenergiespeicher

Beschreibe detailliert die einzelnen Schritte der Zellatmung: Glykolyse, Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung. Betone dabei die Umwandlung der verschiedenen Stoffe und die Orte der Prozesse innerhalb der Zelle.

• Glykolyse:
  • Ort: Cytoplasma der Zelle
  • Prozess: Glykolyse ist der erste Schritt der Zellatmung, bei dem ein Glukosemolekül (C6H12O6) in zwei Moleküle Pyruvat umgewandelt wird.
  • Reaktionsverlauf: Glukose wird in mehreren Schritten abgebaut. Dabei entstehen zwei Moleküle ATP (Adenosintriphosphat), zwei Moleküle NADH (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid) und zwei Moleküle Pyruvat.
• Citratzyklus (auch Krebszyklus oder Tricarbonsäurezyklus genannt):
  • Ort: Mitochondrienmatrix
  • Prozess: Pyruvat wird in den Mitochondrien weiter abgebaut.
  • Reaktionsverlauf: Pyruvat wird in Acetyl-CoA umgewandelt, das in den Citratzyklus eintritt. Während dieses Zyklus werden mehrere Zwischenprodukte gebildet und abgebaut, wobei CO2 freigesetzt und energiereiche Elektronentransportverbindungen wie NADH und FADH2 erzeugt werden.
• Oxidative Phosphorylierung:
  • Ort: Innere Mitochondrienmembran
  • Prozess: Die in NADH und FADH2 gespeicherte Energie wird genutzt, um ATP zu erzeugen.
  • Reaktionsverlauf: NADH und FADH2 übertragen ihre Elektronen auf die Elektronentransportkette, die sich in der inneren Mitochondrienmembran befindet. Die freigesetzte Energie wird verwendet, um Protonen (H+) durch die Membran zu pumpen, wobei ein Konzentrationsgradient entsteht. Dieser Protonengradient treibt die ATP-Synthase an, die aus ADP und anorganischem Phosphat ATP synthetisiert. Am Ende des Prozesses verbinden sich Elektronen, Protonen und Sauerstoff zu Wasser (H2O).

Zusammenfassung:

• Glykolyse: findet im Cytoplasma statt, wandelt Glukose in Pyruvat um, erzeugt ATP und NADH.
• Citratzyklus: findet in der Mitochondrienmatrix statt, wandelt Pyruvat in CO2 um, erzeugt NADH und FADH2.
• Oxidative Phosphorylierung: findet an der inneren Mitochondrienmembran statt, wandelt NADH und FADH2 in ATP um, erzeugt Wasser.

b)

Berechne die gesamte ATP-Ausbeute der Zellatmung, wenn eine einzige Glukosemolekül vollständig oxidiert wird. Die Glykolyse ergibt 2 ATP, der Citratzyklus ergibt 2 ATP, und jede NADH ergibt ungefähr 2,5 ATP, während jede FADH_2 ungefähr 1,5 ATP ergibt. Nimm an, dass in der Zellatmung 10 NADH und 2 FADH_2 Moleküle entstehen.

Lösung:

Zellphysiologie und Zellatmung

Zellphysiologie untersucht die Funktionen der Zellen. Zellatmung ist der Prozess der Umwandlung von Glukose und Sauerstoff in Energie (ATP), Kohlendioxid und Wasser.

• Zellatmung in drei Schritte unterteilt: Glykolyse, Citratzyklus, oxidative Phosphorylierung.
• Gleichung: \[C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + ATP\]
• Glykolyse: im Cytoplasma, Glukose -> Pyruvat
• Citratzyklus: in der Mitochondrienmatrix, Pyruvat -> CO2 und energiereiche Moleküle (NADH, FADH2)
• Oxidative Phosphorylierung: an der inneren Mitochondrienmembran, NADH/FADH2 -> ATP
• ATP: Hauptenergiespeicher

Berechne die gesamte ATP-Ausbeute der Zellatmung, wenn eine einzige Glukosemolekül vollständig oxidiert wird. Die Glykolyse ergibt 2 ATP, der Citratzyklus ergibt 2 ATP, und jede NADH ergibt ungefähr 2,5 ATP, während jede FADH2 ungefähr 1,5 ATP ergibt. Nimm an, dass in der Zellatmung 10 NADH und 2 FADH2 Moleküle entstehen.

Um die gesamte ATP-Ausbeute zu berechnen, addieren wir die ATP, die in den drei Schritten der Zellatmung produziert werden: Glykolyse, Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung.

• Glykolyse: 2 ATP
• Citratzyklus: 2 ATP
• Oxidative Phosphorylierung:
  • Jede NADH ergibt 2,5 ATP. Es entstehen 10 NADH-Moleküle: \(10 \textmd{ NADH} \times 2,5 \textmd{ ATP/NADH} = 25 \textmd{ ATP}\)
  • Jede FADH2 ergibt 1,5 ATP. Es entstehen 2 FADH2-Moleküle: \(2 \textmd{ FADH2} \times 1,5 \textmd{ ATP/FADH2} = 3 \textmd{ ATP}\)

Die gesamte ATP-Ausbeute ergibt sich aus der Summe der ATP, die in den drei Phasen der Zellatmung produziert werden:

• ATP Glykolyse = 2 ATP
• ATP Citratzyklus = 2 ATP
• ATP oxidative Phosphorylierung = 25 ATP + 3 ATP = 28 ATP

Gesamte ATP-Ausbeute:

\(2 \textmd{ ATP} + 2 \textmd{ ATP} + 28 \textmd{ ATP} = 32 \textmd{ ATP}\)

Die gesamte ATP-Ausbeute der Zellatmung bei vollständiger Oxidation eines Glukosemoleküls beträgt somit 32 ATP.

c)

Erkläre die Bedeutung der ATP-Synthase während der oxidativen Phosphorylierung und wie der Protonengradient zur ATP-Produktion beiträgt.

Lösung:

Zellphysiologie und Zellatmung

Zellphysiologie untersucht die Funktionen der Zellen. Zellatmung ist der Prozess der Umwandlung von Glukose und Sauerstoff in Energie (ATP), Kohlendioxid und Wasser.

• Zellatmung in drei Schritte unterteilt: Glykolyse, Citratzyklus, oxidative Phosphorylierung.
• Gleichung: \[C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + ATP\]
• Glykolyse: im Cytoplasma, Glukose -> Pyruvat
• Citratzyklus: in der Mitochondrienmatrix, Pyruvat -> CO_2 und energiereiche Moleküle (NADH, FADH_2)
• Oxidative Phosphorylierung: an der inneren Mitochondrienmembran, NADH/FADH_2 -> ATP
• ATP: Hauptenergiespeicher

Erkläre die Bedeutung der ATP-Synthase während der oxidativen Phosphorylierung und wie der Protonengradient zur ATP-Produktion beiträgt.

Die ATP-Synthase ist ein essentielles Enzym in der inneren Mitochondrienmembran, das ATP (Adenosintriphosphat) aus ADP (Adenosindiphosphat) und anorganischem Phosphat (Pi) synthetisiert. Dieser Prozess ist ein zentraler Bestandteil der oxidativen Phosphorylierung, der letzte Schritt der Zellatmung.

Protonengradient:

• Während der Elektronentransportkette werden Elektronen von NADH und FADH_2 auf verschiedene Proteinkomplexe in der inneren Mitochondrienmembran übertragen.
• Diese Elektronentransferreaktionen setzen Energie frei, die verwendet wird, um Protonen (H+) aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum zu pumpen.
• Durch das Pumpen der Protonen entsteht ein Protonengradient, der auch als elektrochemischer Gradient bekannt ist, durch die Membran.
• Dieser Protonengradient hat zwei Komponenten: einen chemischen Gradienten (Unterschied in der Protonenkonzentration) und einen elektrischen Gradienten (Unterschied in der Ladung).

Wie der Protonengradient zur ATP-Produktion beiträgt:

• Die Protonen möchten aufgrund des Gradienten zurück in die Mitochondrienmatrix strömen.
• Der einzige Weg für die Protonen, zurück in die Matrix zu gelangen, ist durch die ATP-Synthase.
• Wenn Protonen durch die ATP-Synthase zurückfließen, nutzen sie die gespeicherte Energie im Gradienten.
• Diese Energie treibt die Rotation eines Teils der ATP-Synthase an, was eine Konformationsänderung des Enzyms verursacht.
• Diese mechanische Energie wird genutzt, um ADP und anorganischem Phosphat zu verbinden und ATP zu erzeugen.

Zusammengefasst: Die ATP-Synthase konvertiert die potentielle Energie des Protonengradienten in chemische Energie, indem sie ATP synthetisiert. Dieser Prozess ermöglicht Zellen, die Energie aus Nahrung effizient in die nutzbare Form von ATP umzuwandeln.

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Diskutiere, wie ein Defekt in der mitochondriellen inneren Membranstruktur die ATP-Produktion beeinflussen würde. Beziehe Dich dabei auf den Prozess der oxidativen Phosphorylierung.

Lösung:

Zellphysiologie und Zellatmung

Zellphysiologie untersucht die Funktionen der Zellen. Zellatmung ist der Prozess der Umwandlung von Glukose und Sauerstoff in Energie (ATP), Kohlendioxid und Wasser.

• Zellatmung in drei Schritte unterteilt: Glykolyse, Citratzyklus, oxidative Phosphorylierung.
• Gleichung: \[C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + ATP\]
• Glykolyse: im Cytoplasma, Glukose -> Pyruvat
• Citratzyklus: in der Mitochondrienmatrix, Pyruvat -> CO_2 und energiereiche Moleküle (NADH, FADH_2)
• Oxidative Phosphorylierung: an der inneren Mitochondrienmembran, NADH/FADH_2 -> ATP
• ATP: Hauptenergiespeicher

Diskutiere, wie ein Defekt in der mitochondriellen inneren Membranstruktur die ATP-Produktion beeinflussen würde. Beziehe Dich dabei auf den Prozess der oxidativen Phosphorylierung.

Die oxidativen Phosphorylierung ist der Prozess, bei dem die Energie, die in NADH und FADH_2 gespeichert ist, genutzt wird, um ATP zu erzeugen. Dieser Prozess findet an der inneren Mitochondrienmembran statt und involviert die Elektronentransportkette und die ATP-Synthase.

• Elektronentransportkette: Diese besteht aus mehreren Protein-Komplexen, die Elektronen von NADH und FADH_2 durch eine Reihe von Redoxreaktionen auf Sauerstoff übertragen. Die Energie dieser Reaktionen wird genutzt, um Protonen (H+) von der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum zu pumpen, wodurch ein Protonengradient aufgebaut wird.
• ATP-Synthase: Diese Enzymkomplex nutzt den Protonengradient, um ATP aus ADP und anorganischem Phosphat zu synthetisieren. Protonen fließen durch die ATP-Synthase zurück in die Matrix, und die daraus resultierende Energie treibt die ATP-Produktion an.

Folgen eines Defekts in der inneren Membranstruktur:

• Verminderte Protonenpumpeffizienz: Wenn die innere Mitochondrienmembran beschädigt ist, können die Protein-Komplexe der Elektronentransportkette möglicherweise nicht effizient Protonen pumpen. Dies würde zu einem weniger stark ausgeprägten Protonengradient führen.
• Lecks in der Membran: Ein Defekt in der Struktur könnte zu Lecks führen, durch die Protonen unkontrolliert in die Matrix zurückströmen. Dies würde den Protonengradienten verringern.
• Beeinträchtigte ATP-Synthase-Funktion: Wenn die Struktur der inneren Membran beeinträchtigt ist, könnte die Konformation und Funktion der ATP-Synthase selbst gestört sein. Dies würde die Fähigkeit der Zelle zur effektiven Produktion von ATP weiter verringern.
• Reduzierte ATP-Produktion: Insgesamt würden die beschriebenen Probleme zu einer signifikant reduzierten ATP-Produktion führen. Dies könnte schwere Auswirkungen auf die Zellfunktion und den Energiehaushalt der Zelle haben.

Zusammengefasst: Ein Defekt in der mitochondriellen inneren Membranstruktur könnte die Effizienz der Elektronentransportkette, den Protonengradient und die Funktion der ATP-Synthase beeinträchtigen, was zu einer verminderten ATP-Produktion führt. Dies hätte weitreichende negative Auswirkungen auf die Energieversorgung und Funktionsfähigkeit der Zelle.