Bio 2
ZHAW_BSc_BMLD22_FS23_Biologie 2
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Lernkarten
Noradrenalin
- Katecholamin
- ZNS: Aufmerksamkeit, Motivation, Emotion
- PNS: "Stresshormon" im sympathischen System
- erregend, hemmend
Dopamin
- Katecholamin
- ZNS: Bewegungssteuerung, Belohnungssystem, Motivation, Arbeitsgedächtnis
- PNS: Steuer- und Regelvorgänge (u.a. Durchblutung von Organe)
- hemmend
Neurotransmitter Analytik
- Parameter
- Dopamin
- Noradrenalin
- Adrenalin
- Cortisol
- DHEA
- Serotonin
- Probenmaterial
- Urin
- Speichel
GHB
- gamma Hydroxybuttersäure
- eng mit GABA verwandt
- wird als K.O. Tropfen missbraucht
Muskelaufbau
- Sarkomere
- Myofibrillen
- Funktionseinheiten, die die Verkürzung ermöglichen; umhüllt vom sarkoplasmatischen Retikulum (spezielles endoplasmatisches Retikulum der Muskeln)
- Muskelfasern
- gestreckte, mehrkernige Zellen (Synzytium), gefüllt mit Sarkoplasma (Zellplasma einer Muskelzelle) und umgeben vom Sarkolemma (Zellmembran einer Muskelzelle)
- Muskelfaserbündel
- mehrere Muskelfasern, die von einer Schicht Bindegewebe umgeben sind
Sarkomer
- aus den Myofilamenten Aktin und Myosin (partielle Überlappung)
- Verankerung des Myosins (Füsschen) am M-Steifen
- Verankerung des Aktins am Z-Streifen (Begrenzung)
- Z-Streifen -> verschiedene Proteine über Ankerproteine befestigt
- Das Protein Aktin bildet die dünnen Filamente → sind durch das Ankerprotein Aktinin innen an beiden Seiten der Z-Scheiben befestigt
- Dicke Filamente →werden durch das Protein Myosin gebildet und durch das Protein Titin in der Z-Scheibe verankert
- Titin ist wie eine Feder gewunden → dadurch übernimmt es eine Federfunktion während des Zusammenziehens der Muskeln → hält die
Myosinfilamente in der Mitte zwischen den Z-Scheiben
- Titin ist wie eine Feder gewunden → dadurch übernimmt es eine Federfunktion während des Zusammenziehens der Muskeln → hält die
Quergestreifte Muskulatur
- Aufgebaut aus kleinen homogenen Funktionseinheiten → Sarkomeren, Grundbaustein der Muskelfasern
- Durch unterschiedliche Lichtbrechung der verschiedenen Abschnitte des Sarkomers kommt es zur Querstreifung
- Einige Abschnitte sind aufgrund der molekularen Struktur ihrer Proteine einfach lichtbrechend bzw. isotrop ("I"), andere Abschnitte doppelt lichtbrechend bzw. anisotrop ("A")
- Lichtmikroskop: abwechselnd helle I-Banden (Aktin), und dunklere A-Banden (Myosinbündel)
Troponin und Tropomyosin
Ablauf der Muskelkontraktion – Querbrückenzyklus
- Ruhezustand (Muskel entspannt):
- Aktin ist vom Protein Troponin und von Tropomyosinfäden umschlungen → Tropomyosinfäden verdecken so die MyosinBindestelle auf Aktin
- Der Myosinkopf hat ATP gebunden und befindet sich im 90°- Winkel zum Aktinfilament
- Aktivierung:
- Ein Nervensignal führt zur Ausschüttung von Calciumionen (Ca2+) aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum
- Ca2+ aktiviert die Enzymaktivität von Myosin (= ATPase) → dadurch wird ATP durch Hydrolyse zu ADP und Pi gespalten
- Myosin speichert die freiwerdende Energie und ist in einem gespannten Zustand
- Ca2+ -Ionen binden an Troponin und dies führt zu einer Konformationsänderung →Myosin-Bindestelle freigegeben
- Querbrückenbildung und Kontraktion:
- Myosin kann an Aktin binden und bildet eine Querverbindung aus
- Der Myosinkopf gibt nacheinander Pi und ADP ins Cytosol ab und setzt die Energie frei → führt zu einem Kippen des Kopfs in einen 45° Winkel dabei zieht Myosin die Aktinfilamente in Richtung Mitte und
- Rückkehr Ausgangszustand:
- Neues ATP lagert sich an den Myosinkopf an → Myosin und Aktin lösen sich voneinander und die
Ruhestellung ist wieder erreicht
der Muskel spannt sich an (kontrahiert)
- Neues ATP lagert sich an den Myosinkopf an → Myosin und Aktin lösen sich voneinander und die
Totenstarre
kein neues ATP mehr zur Verfügung steht, um die Bindung von Myosin und Aktinfasern wieder zu lösen
Wichtige Sarkomerproteine
- Aktin -> Hauptbestandteil der dünnen Filamente, ca. 22% des Gesamtproteingehalts
- α-Aktin -> Aktinbindendes Strukturprotein in den Z-Scheiben
- Myomesin -> M-Bandenprotein, bindet an Myosin und Titin
- Myosin -> Molekularer Motor und Hauptbestandteil der dicken Filamente;ca. 44% des Gesamtproteingehalts
- Myosinbindungsprotein C -> Strukturprotein der dicken Filamente, bindet an Titin, Myosin. Auch Regulatorfunktion (beeinflusst myofilamentäre Ca2+-Sensitivität
- Nebulin -> Bindet entlang der Aktinfilamente und stabilisiert sie
- Titin -> Elasische Feder, Gerüst- und Signalprotein, ca. 10% des Gesamtproteingehalts
- Tropomyosin -> Filamentöses Regulatorprotein an den dünnen Filamenten
- Troponin -> Regulatorischer Proteinkomplex an den dünnen Filamenten
Herzmuskel ( Kardiomyozyten)
- kurze schmale Zellen mit Rechteckiger Form
- gegensätzlich zu Skelettmuskel einen einzigen Zellkern
- mehr Sakrosomen wie Skelettmuskeln (Sakroplasmatisches Retikulum ist weniger ausgeprägt)
- Myofibrillen -> bestehen aus in Sakromeren angeordenten Myofilamente
- T-Tubuli (Transversaltubuli) -> Übertragung des Impulses ins Zellinnere
- viele Mitochondrien -> Energiegewinnung
- Glanzstreifen -> befinden sich an Verbindungstellen zwischen Herzmuskelzellen
- besteht aus Desmosomen und Gap Junctions
- für die elektromechanische Kopplung benötigtes Ca2+ wird aus dem Sakroplasmatischen Retikulum (RS) und zum Teil auch aus dem Extrazellulärraum bereitgestellt
Troponine
- Biomarker für Herzmuskelschaden
- Troponin I -> inhibitorisches Troponin, starke Affinität für Aktin (inhibiert Myosinbindung)
- cTnI
- Troponin T -> Bindung an das Tropomyosin
- cTnT
- Troponin C -> bindet Calcium
- drei unterschiedliche Isoformen von Troponin I und Troponin T (verschiedenen Gene)
- cardiales Troponin (cTn)
- Troponine in den langsamen und schnellen Skelettmuskelfasern (sTn)
- Strukturhomologie von cTn und sTn liegt bei 40-58%
Glatte Muskulatur
- Sarkomere als Minisarkomere, sind unregelmässiger angeordent wie in Skelettmuskeln
- enthalten Intermidärfilamente -> Verbindung mit Extrazellulärer Matrix
- enthalten Verdichtungszonen -> übernehmen Rolle der Z-Scheibe
- sehr viel längere Aktin- und Myosinfilamente wie bei quergestreiften Muskeln
- Calmodulin statt Troponin
- tonische glatte Muskulatur
- Bsp.: Blutgefässe
- Stromstärkeregulation
- Dauerkontraktion
- erschlafft durch Hormone, vegetatives Nervensystem, mechanische Reize
- phasische glatte Muskulatur
- Bsp.: Magen/ Darmtrakt
- Transport
- rhythmische Kontraktion
- kontrahiert durch Hormone, vegetatives Nervensystem, mechanische Reize
Calmodulin
- intrazelluäres Rezeptorprotein fur Ca2+
- in glatter Muskulatru an Aktin gebunde
- Depolarisierung der Muskelzelle
- Ca2+ freisetzung
- aus sakroplasmatischem Retikulum (über Zellmembran) strömt ins Zytoplasma
- neuronal wie auch Skelettmuskel
- aus intrazellulären Speichern
- pharmakomechanische Kopplung über IP3/DAG-Signalweg
- über Füllungszustand der intrazellulären Calciumspeicher
- durch mechanosensitive Ca2+Kanäle (Reagieren zum Beispiel auf Dehnung)
- aus sakroplasmatischem Retikulum (über Zellmembran) strömt ins Zytoplasma
- Ca2+-Calmodulinkomplex bindet an Caldesmon -> Verlängerung
- Aktivierung der Myosinleichtkettekinase
- Phosphorylierung ders leichten Kette von Myosin -> Aktivierung/ Enthemmung
- Kontraktion kann stattfinden
Querbrückenzyklus (Glatte Muskulatur)
- läuft nach dem selben Muster ab wie in Skeletmuskeln, wird anders reguliert
- kein Troponin C
- Ca2+ wird von Calmodulin gebunden -> gibt Querbrückenzyklus frei
- Bindung von Ca2+-Calmodulin-Komplexws an Caldesmon
- Bewegt sich von der Myosinbindungsstelle am Aktin weg
- reguliert ATPase-Aktivität der Myosinkörperchen über Myosin-leichte-Ketten-Kinase (MLCK)
Muskelkater
- Mikroläsionen vorallem im Bereich der Z-Scheiben der Sakrome
- metabolische und mechanische Belastung (Beschädigung der Zellmembran) => intrazellulären Ca2+-Konzentration steigt an
- verminderte Ca2+ Rückaufnahme in das sarkoplasmatische Retikulum aufgrund von ATP-Mangel
- Ca2+ aktiviert Lipasen und Proteasen (Bsp.: Calpain) -> zerstören/ lösen Zellstrukturen auf
Warum verspürt man den Muskelkater erst nach ein bis drei Tagen nach der sportlichen Belastung?
- entsteh sekundär vermutlich durch Ödeme und inflammatorische Prozesse
- schmerzempfindliche Rezeptoren im Bindegewebe (Nozizeptoren)
- verzögertes Anlaufen der Entzündungsreaktion
- mehrstufige Reaktionen; Ca2+ abhängige proteolytische und phospholipolytische Prozesse
- Phospholipase A2 -> Archidonsäure -> Eikosanoide -> löst inflammatorische Reaktion aus
Kreatininsynthese aus Kreatin
- schnelle ATP Bereitstellung durch Kreatin (in der Leber gebidet aus L-Arginin und S-Adenosylmethionin)
- Muskelzellen nicht in der Lage Kreatinin zu synthetisieren
- enthalten keine Transmethylase
- Kreatinin wird aus dem Blut aufgenommen und zu Kreatinphosphat phosphoryliert
- ATP Verbrauch
- genug ATP in Erholungs-/ Ruhephase
- bei erhöhtem Energiebedarf; Kreatinphosphat + Kreatinkinase -> Kreatin + Phosphat
- -> Kreatinin durch katalytische Dehydrierung an Membranenzym
- Rückbildung durch Kreatinkinase in Ruhephase
-> Kreatinin Nachweis als indikator für die Nierenfunktion, da Kreatinin nur über die Niere ausgeschieden werden kann & muss
rote Muskelfasern
- Langsame Muskelfasern -> niedrige ATPase-Aktivität
- viel sauerstoffbindendes Myoglobin und viele Mitochondrien
- erhöhte kapazität für oxidativer Stoffwechsel
- rote Färbung
- hohe Energiereserven (Glykogen und Fett)
- permanente ATP Produktion bei genügend O2
- geeignet für aerobe Ausdauerleistung
- kontrahieren relativ langsam, aber mit grosser Ausdauer
- Typ-I-Faser oder ST-Faser (slow twitch)
weisse Muskelfasern
- schnelle Muskelfasern -> hoher ATPase-Aktivität
- wenig Mitochondrien und Myoglobin
- weniger strak durchblutet
- Energie durch Glykolyse -> speichern Glykogen
- schnelle Maximalspannung
- Maximalspannung grösser wie bei roten Muskelfasern
- ermüdet schnell
- können Actomyosinkomplexe schnell regenerieren
- Myosin kann schnell ATP in Arbeit umsetzen
- Myosin kann ATP-Speicher nich schnell genug auffüllen
- Typ-II-Faser oder FT-Fasern (fast twich)
Muskelkraft
- maximale Kraft
- Funktion des Muskelquerschnitts
- je mehr Actin- & Myosinfilamente in einem Muskel oder einer Muskelfaser vorhanden sind, desto mehr Kontraktionskraft kann aufgebaut werden
- Training
- Muskel kontrahiert unter starker Belastung
- Übungen werden bis zur völligen Erschöpfung wiederholt
- Muskelkater
- induziert Actin- & Myosinfilament Bildung
- nicht mehr sondern dickere Muskelfasern
- durch anaerobe Aktivität erhöht
Ausdauer
- Arbeitskapazität des Muskels
- wird durch aerobe Aktivität gesteigert
- oxidative Kapazität wird erhöht
- Erhöhung der Mitochondrienzahl
- Konzentrationserhöhung der Enzyme, welche bei der Energienutzung wichtig sind
- Erhöhung der Dichte der Blutkapillare (O2 Versorgung)
- Myoglobinmenge in Skeletmuskelzellen steigt an
- nimmt O2 auf
- erleichtert Difussion von O2 in Muskelfasern
- Ausdauertraining kann Belastungsfaähigkeit und Ausdauer der Muskulatur erhöhen
Phosphatstoffwechsel (Muskel)
- Sofortsystem
- ATP nur in geringen Mengen gespeichert
- alternativ Kreatinphosphat
- Energie auf Menge Kreatinphosphat begrenzt
- steht schnell zur Verfügung
- schnelle Muskelfasern können rasch viel Kraft entwickeln
- System schnell erschöpft -> auf glykolytisches System ausweichen
Milchsäuregärung (Muskel)
- glykolytisches System
- anaerober Abbau von Kohlenhydraten zu Pyruvat und dann zu Lactat
- innherhalb weniger Sekunden
- glykolytische Enzyme befinden sich im Cytoplasma der Muskelfaser
- ATP steht den Myosinfilamenten rasch zur Verfügung
- Glykolyse alleine ist ineffizient
- Ansammlung von Milchsäure verlangsamt den Prozess
- in weniger als 1 min können das Sofortsystem und das glykolytische System den grössten Teil der Energie für die Muskelarbeit liefern
Zellatmung (Muskel)
- oxidatives System
- aerober Abbau
- zunächst Kohlenhydrate, dann Fette -> H2O und CO2
- ca. 1 min bis zur Aktivierung
- viel ATP
- Viele Reaktionsschritte welche in den Mitochondrien statt finden
- ausreichend Sauerstoff und Substrate müssen in Mitochondiren diffundieren
- ATP muss in die Myofibrillen diffundieren
- Zeitintensiv
- Glykolyse alleine ist ineffizient
- in weniger als 1 min können das Sofortsystem und das glykolytische System den grössten Teil der Energie für die Muskelarbeit liefern
Alkalische Phosphatase
- hydrolysiert organische Phosphate
- erzeugen hohen PO4-Gehalt
- hält hohe interne Kaltiumkonzentrationen aufrecht
Osteozyten
- reife Knochenzellen
- Definition: Osteoblasten, auf deren "Rücken" eine neue Schicht Osteoid abgelagert wurde
- Osteoid; weiche, noch nicht mineralisierte Grundsubstanz
- Funktion: Steuern den Knochenumbau und verhindern übermässigen Knochenaufbau
- bei Defekt am Knochen sterben Osteozyten durch unzureichende Versorgung ab -> Osteoplasten "aktiviert"
- Lokalisation: Verteilt in der mineralisierten Knochenmatrix
Osteoklasten
- Definition: Mehrkernige Fresszellen, die den mineralisierten Knochen abbauen und durch Fusion von Monozyten entstehen
- Funktion: Knochenab- und -umbau
Kalzium
- für viele Lebensnotwendige Funktionen
- Muskelkontraktion
- Knochen- und Zahnbildung
- Blutgerinnung
- Funktion von best. Enzymen
- Gesamtkörpermasse von ca. 1-2 kg
- 99% ungelöstes Kalziumphosphat (Hydroxylapatit) als extrazellulärer Bestandteil des Skeletts un der Zähne
- 0.1% extrazellulär gelöst/ frei
- im Blutserum ca. 55% gebunden (Albumin, Citrat, Sulfat, Phosphat)
- im Blutserum ca. 45% ionisiert/ frei
Woher stammt Kalzium
- empfohlene tägliche Zufuhr 800 - 1000 mg
- während Schwangerschaft, Stillzeit und Adoleszenz ist der Bedarf höher
- Nahrungsmittel mit hohem Kalziumgehlat
- Milchprodukte
- Mineralwasser
- auch Gemüse, Früchte & Getreideprodukte
- Laktose und Fettsäuren fördern Kalziumaufnahme
- Phosphate und Oxalat hemmen Kalziumaufnahme
Ausscheidung und Reabsorbtion von Kalzium über die Niere
- wird vorallem über die Niere ausgeschieden
- ionisierter Anteil wird glomerulär frei filtriert
- 95-98% werden absorbiert
- 65% im proximalen Tubulus (von Natriumresorbtion abhängig)
- 20% in der Henleßschen Schlaufe
- 10-15% im distalen Tubulus (durch PTH gefördert)
- 95-98% werden absorbiert
- 100-300mg/Tag werden über die Niere ausgeschieden
- bei hoher kalziumkonzentration im Urin steigt das Risiko für Nierensteine
Kalzium-Regelsystem
- Zur Einschätzung der Kalziumstoffwechselsituation wird das freie Kalzium direkt bestimmt oder errechnet
- wichtigste Regelgröße des Kalziumhaushalts ist die extrazelluläre freie bzw. ionisierte Kalziumkonzentration
- freie Kalziumkonzentration im Serum (wird durch hormonelles Regelsystem kontolliert)
- Serumkalzium-Wert ist von der Albuminkonzentration abhängig -> muss ggf. korrigiert werden