Basiswissen Physiologie 2. Auflage (Springer-Lehrbuch)

Springer-Lehrbuch Florian Lang Philipp Lang Basiswissen Physiologie 2., vollständig neu bearbeitete und aktualisiert...

Author: Florian Lang | Philipp Lang

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Springer-Lehrbuch

Florian Lang Philipp Lang

Basiswissen Physiologie 2., vollständig neu bearbeitete und aktualisierte Auflage

Mit 189 vierfarbigen Abbildungen und 46 Tabellen

123

Prof. Dr. Florian Lang Physiologisches Institut der Universität Tübingen Gmelinstraße 5 72076 Tübingen

Dr. Philipp Lang Im Rotbad 52 72076 Tübingen

ISBN-13 978-3-540-71401-9 Springer Medizin Verlag Heidelberg Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer Medizin Verlag springer.de © Springer Medizin Verlag Heidelberg 2000, 2007 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Angaben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Planung: Kathrin Nühse, Heidelberg Projektmanagement: Sigrid Janke, Heidelberg Lektorat: Bernadette Gmeiner, Edingen-Neckarhausen Zeichnungen: BITmap, Mannheim; Otto Nehren, Ladenburg Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg Layout und Umschlaggestaltung: deblik Berlin Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg SPIN 10743171 Gedruckt auf säurefreiem Papier

15/2117 – 5 4 3 2 1 0

V

Vorwort zur 2. Auflage Sinnvolles ärztliches Handeln erfordert Wissen und Verständnis derjenigen Mechanismen, die von der Krankheitsursache zum Krankheitsbild führen, also zu den für Patient und Arzt sichtbaren Veränderungen des erkrankten Körpers. Die zur Krankheit führenden Mechanismen folgen den gleichen Gesetzen wie diejenigen, welche die Funktionstüchtigkeit des gesunden Körpers gewährleisten. Das Buch setzt sich zum Ziel, Wissen und Verständnis dieser Mechanismen in kurzer, prägnanter Weise zu vermitteln. Das Buch konzentriert sich auf die Inhalte und folgt der Gliederung des IMPP Gegenstandskataloges und soll auf diese Weise die IMPP Prüfungsvorbereitung erleichtern. In Gliederung und Darstellung sind die noch relativ frischen Lern- und Prüfungserfahrungen des neu gewonnenen Coautors Philipp Lang eingeflossen. Die einzelnen Kapitel der ersten Auflage wurden von herausragenden Vertretern der jeweiligen Fachgebiete kritisch überarbeitet. Für die sorgfältige Prüfung der Texte danken wir Christian Bauer, Zürich (Blut), Niels Birbaumer, Tübingen (Integrative Leistungen des Gehirns), Hans K. Biesalski, Stuttgart (Ernährung, Verdauung), Wolfgang Clauss, Giessen (Ernährung, Verdauung), Urs Boutelier, Zürich (Leistungsphysiologie), Rainer Greger, Freiburg (Wasser- und Elektrolyt-Haushalt), Gerolf Gros, Hannover (Atmung), Helmut L. Haas, Düsseldorf (Sensomotorik), Hanns Hatt, Bochum (Geruch-Geschmack), Jürgen Hescheler, Köln (Zellphysiologie), Wilfried Jänig, Kiel (Vegetatives Nervensystem), Armin Kurz, Regensburg (Niere), Wolfgang Kuschinski, Heidelberg (Liquor und Blut-Hirn-Schranke), Frank Lehmann-Horn, Ulm (Muskulatur), Gabriele Pfitzer, Köln (Ernährung, Verdauung), Pontus Persson, Berlin (Kreislauf), Peter Ruppersberg, Tübingen (Gleichgewichtssinn, Gehör und Phonation), Hans-Georg Schaible, Jena (Somatoviszerale Sensibilität), Irene Schulz, Homburg (Hormone), Olaf Strauss, Berlin (Sehen), Michael Wiederholt, Berlin (Sehen), Karlheinz Voigt, Marburg (Hormone), Eugen Zeisberger, Giessen (Energie- und Wärmehaushalt) und Heinz-Gerhard Zimmer, Leipzig (Herz). Auch die vorliegende Auflage wurde von mehreren Kollegen sorgfältig gelesen. Allen voran danken wir Herrn Dr. Michael Fischer, Mainz für das Einbringen seines brillanten physiologischen Wissens in mehrere Kapitel des Buches. Herzlicher Dank für das kritische Lesen einzelner Kapitel gilt ferner den Mitarbeitern und Kollegen Horst Apfel (Sehen), Jutta Engel (Auditorisches System), Helmut Heinle (Blut, Ernährung, Verdauungstrakt, Leber, Energie- und Wärmehaushalt), Stefan Huber (Atmung, Chemische Sinne), Karl Lang (Immunabwehr), Monica Palmada (Somatoviszerale Sensorik), Guiscard Seebohm (Herz), Perikles Simon (Arbeits- und Leistungsphysiologie), Nathalie Strutz-Seebohm (Motorik, Integrative Leistungen des Zentralnervensystems), Susanne Ullrich (Hormonale Regulation) und Thomas Wieder (Blut, Muskulatur). Jasmin Bühringer danken wir für die Mitwirkung bei der Erstellung des Registers. Schließlich danken wir den Studenten Grammato O. Amexi, Amine Aline Aslan, Sergios Gatidis, Lisa Hellmann, Pascal Johann, Michaela Metz, Stephan Lauxmann und Jonas Schmöe für vielfältige wertvolle Hinweise. Nicht zuletzt möchten wir den Mitarbeitern des Springer-Verlages für die enthusiastische und höchst professionelle Unterstützung danken, allen voran Frau Sigrid Janke, Frau Kathrin Nühse und Frau Bernadette Gmeiner. Im August 2007

Florian Lang Philipp Lang

VII

Die Autoren

Florian Lang

Philipp Lang

geboren 1945 in Ravensburg studierte Florian Lang in München und Glasgow Medizin. Nach klinischer Weiterbildung arbeitete er als Forscher und Lehrer an der Universität Innsbruck, an der Mayo Clinic in Rochester MN, am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt, an der Yale University in New Haven CT, und an der Universität Neapel. Er wurde 1982 in Innsbruck zum Professor ernannt und folgte 1992 einem Ruf an die Universität Tübingen. Seine Forschungsschwerpunkte umfassen u. a. Transportmechanismen und die Rolle von Transport in der Regulation von Zellvolumen, Zellproliferation und Zelltod. Er ist im Herausgeberstab von mehreren europäischen, amerikanischen und japanischen Zeitschriften. Für seine Forschung erhielt er eine Reihe nationaler und internationaler Auszeichnungen. Im Unterricht legt er besonderen Wert auf pathophysiologische Zusammenhänge.

geboren 1980 in Innsbruck studierte Philipp Lang in Tübingen Medizin. In seiner Doktorarbeit widmete er sich den Mechanismen und der pathophysiologischen Bedeutung des suizidalen Erythrozyten-Todes. Nach dem Studium arbeitete er an der Yale University und der Universität Zürich. Sein besonderes Interesse gilt der Physiologie des Immunsystems.

Basiswissen Physiologie

Schlüsselbegriffe: sind fett hervorgehoben

Leitsystem: schnelle Orientierung über alle Kapitel und den Anhang

Einleitung: thematischer Einstieg ins Kapitel

Inhaltliche Struktur: klare Gliederung durch alle Kapitel

Gleichungen, Formeln, Gesetze und Theoreme

Verweis auf Abbildungen und Tabellen: deutlich herausgestellt und leicht zu finden

Tabelle: klare Übersicht der wichtigsten Fakten

Navigation: Farbleitsystem, Seitenzahl und Kapitelnummer für die schnelle Orientierung

Über 190 farbige Abbildungen: veranschaulichen komplexe Sachverhalte

Roter Faden: Kernaussagen zu Beginn des Unterkapitels bringen das Wichtigste auf den Punkt

In Kürze: fasst ein Unterkapitel strukturiert zusammen

Aufzählungen: Lerninhalte übersichtlich präsentiert

XI

Inhaltsverzeichnis 1 1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.4 1.4.1 1.4.2 1.5 1.5.1 1.5.2 1.6 1.6.1 1.6.2

Allgemeine und Zellphysiologie, Zellerregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stoffmenge und Konzentration . . . . Konzentrationen . . . . . . . . . . . . . Lösung von Gasen . . . . . . . . . . . . Osmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transport von Wasser . . . . . . . . . . Onkotischer Druck . . . . . . . . . . . . Stofftransport . . . . . . . . . . . . . . . Stofftransport in Gasen und Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . Stofftransport durch Membranen . . Intrazellulärer Transport . . . . . . . . . Stofftransport über Zellverbände . . . Zellorganisation und Beweglichkeit . Zellmembran und Zytosol . . . . . . . Organellen . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Phänomene an Zellen . . Grundphänomene und –funktionen . Funktion erregbarer Zellen . . . . . . . Zellproliferation und Zelltod . . . . . . Zellproliferation . . . . . . . . . . . . . . Zelltod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

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2 2 3 3 3 4 4

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4 5 7 8 9 9 10 12 12 13 15 15 16

2

Blut und Immunsystem . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5

Blut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zelluläre Blutbestandteile . . . . . . . . Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erythrozyten . . . . . . . . . . . . . . . . . Eigenschaften und Funktion . . . . . . . Pathophysiologie der Erythrozyten . . Blutplasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transportfunktion . . . . . . . . . . . . . Niedermolekulare Bestandteile . . . . . Plasmaproteine . . . . . . . . . . . . . . . Hämostase und Fibrinolyse . . . . . . . Thrombozyten . . . . . . . . . . . . . . . Hämostase . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fibrinolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abwehrsystem und zelluläre Identität (Immunologie) . . . . . . . . . . . . . . . Leukozyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unspezifische Abwehr . . . . . . . . . . . Spezifische Abwehr . . . . . . . . . . . .

2.5.1 2.5.2 2.5.3

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18 18 18 19 19 21 23 23 23 23 27 27 28 30 32 32 34 35

2.5.4 2.5.5

Entzündungsreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . 37 Blutgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3

Herz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3

Elektrophysiologie des Herzens . . . . . . . . Spezielle Elektrophysiologie des Myokards Erregungsbildungs und -leitungssystem . . Elektromechanische Kopplung . . . . . . . . Elektrokardiographie . . . . . . . . . . . . . . Mechanik des Herzens . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen der Muskelkontraktion . . . . . Herzklappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herzzyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Füllung des Herzens . . . . . . . . . . . . . . . Ernährung des Herzens . . . . . . . . . . . . . Koronardurchblutung . . . . . . . . . . . . . . Energieumsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steuerung der Herztätigkeit . . . . . . . . . . Frank-Starling-Mechanismus . . . . . . . . . Herznerven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktionsabhängige Anpassung . . . . . . .

4

Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.3.1

Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . Physikalische Gesetzmäßigkeiten . . . . Funktionelle Gefäßabschnitte . . . . . . . Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungswiderstand . . . . . . . . . . . . Blutvolumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stoffaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochdrucksystem . . . . . . . . . . . . . . Blutdruckregulation . . . . . . . . . . . . . Störungen der Blutdruckregulation . . . Kardiovaskulärer Schock . . . . . . . . . . Blutdruckmessung . . . . . . . . . . . . . . Niederdrucksystem . . . . . . . . . . . . . Bestandteile, Volumen und Druckwerte des Niederdrucksystems . . . . . . . . . . Zentraler Venendruck . . . . . . . . . . . . Organdurchblutung . . . . . . . . . . . . . Grundmechanismen . . . . . . . . . . . . . Lunge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gehirn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3.2 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

42 42 46 47 48 55 55 57 59 60 65 65 66 67 67 68 68

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72 72 73 75 76 77 77 78 81 81 85 86 86 88

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88 88 89 89 93 93

XII

Inhaltsverzeichnis

4.4.4 4.4.5 4.4.6 4.4.7 4.4.8 4.4.9 4.5 4.5.1 4.5.2 4.6 4.6.1 4.6.2

Niere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Haut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Skelettmuskel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Splanchnikusgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchblutungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . Fetaler und plazentarer Kreislauf . . . . . . . . . . Blutströmung in Plazenta und fetalem Kreislauf Kreislaufumstellung nach der Geburt . . . . . . . Ischämie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ischämiefolgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wiederbelebungszeit . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

Atmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.1 5.1.1 5.1.2 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.4.1

Morphologische Grundlagen . . . . . . . . . . Strukturen der Lunge . . . . . . . . . . . . . . . Blutversorgung der Lunge . . . . . . . . . . . . Nichtrespiratorische Lungenfunktion . . . . . Aufgaben zuführender Atemwege . . . . . . . Regulation der Atemwege . . . . . . . . . . . . Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . Eigenschaften von Gasen . . . . . . . . . . . . . Gasdiffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atemmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lungenvolumina und Statik des Atemapparates . . . . . . . . . . . . . . . . Dynamik des Atemapparates . . . . . . . . . . Lungenperfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eigenschaften der Lungengefäße . . . . . . . Beeinflussbarkeit der Lungenperfusion . . . . Gasaustausch in der Lunge . . . . . . . . . . . . O2-Aufnahme, CO2-Abgabe . . . . . . . . . . . Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verteilung von Ventilation und Perfusion . . . Atemgastransport im Blut . . . . . . . . . . . . O2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselwirkung zwischen O2- und CO2-Bindung . . . . . . . . . . . . . . . Atmungsregulation . . . . . . . . . . . . . . . . Atemzentren, Atemreize . . . . . . . . . . . . . Formen normaler und veränderter Atmung . Atmen unter ungewöhnlichen Bedingungen Atmen in der Höhe . . . . . . . . . . . . . . . . . Tauchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atemspende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Säure-Basen-Gleichgewicht und Pufferung .

5.4.2 5.5 5.5.1 5.5.2 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.8 5.8.1 5.8.2 5.9 5.9.1 5.9.2 5.9.3 5.10

93 94 94 94 94 95 96 96 97 97 97 98

. . . . . . . . . .

. 100 . 100 . 100 . 100 . 100 . 101 . 102 . 102 . 103 . 104

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. 104 . 106 . 114 . 114 . 114 . 115 . 115 . 115 . 115 . 116 . 117 . 117 . 121

. . . . . . . . .

. 122 . 123 . 123 . 125 . 127 . 127 . 128 . 128 . 129

5.10.1 5.10.2 5.10.3 5.10.4

Pufferung und H+-Ionen . . . . . . . . . Pufferung und CO2-Austausch . . . . . Säure-Basen-Haushalt . . . . . . . . . . Störungen des Säure-Basenaushaltes

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. 129 . 131 . 131 . 134

6

Arbeits- und Leistungsphysiologie . . . . . . . 139

6.1 6.1.1 6.1.2 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.3

Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . Muskelarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurzzeitbelastung und Ausdauerleistung Organbeteiligung . . . . . . . . . . . . . . . Blut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lunge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreislaufsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . Skelettmuskel . . . . . . . . . . . . . . . . . . ZNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erfassung von Leistung und Leistungsbeurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spiroergometrie . . . . . . . . . . . . . . . . Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermüdung und Erholung . . . . . . . . . . .

6.3.1 6.3.2 6.3.3

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. 140 . 140 . 141 . 142 . 142 . 143 . 143 . 144 . 145

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. 146 . 146 . 146 . 147

7

Ernährung, Verdauungstrakt, Leber . . . . . . 149

7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4

Ernährung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nahrungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inadäquate Ernährung . . . . . . . . . . . . . . . Regulation der Nahrungsaufnahme . . . . . . . Motorik des Magen-Darm-Traktes . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kauen und Schlucken . . . . . . . . . . . . . . . . Magen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erbrechen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dünn- und Dickdarm, Defäkation . . . . . . . . Sekretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mund, Rachen, Ösophagus . . . . . . . . . . . . . Magen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pankreas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leber und Galle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dünn- und Dickdarmsekrete, Stuhl, Darmflora . Aufschluss der Nahrung . . . . . . . . . . . . . . Kohlenhydrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lipide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eigenschaften intestinaler Epithelien . . . . . . Monosaccharide, Aminosäuren, Oligopeptide . Lipide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasser und Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . .

. 150 . 150 . 153 . 155 . 158 . 158 . 160 . 160 . 161 . 161 . 163 . 163 . 164 . 165 . 167 . 168 . 170 . 173 . 173 . 173 . 174 . 174 . 174 . 175 . 175 . 176

XIII Inhaltsverzeichnis

7.5.5 7.6 7.6.1 7.6.2 7.6.3

Sonstige Nahrungsbestandteile . . . . . Integrative Steuerung der Magen-Darm-Funktion . . . . . . . . . Zeitliche Koordination der digestiven und interdigestiven Verdauungsaktivität Gastrointestinale Hormone . . . . . . . . Durchfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 176 . . . . . 178 . . . . . 178 . . . . . 178 . . . . . 178

8

Energie- und Wärmehaushalt . . . . . . . . . . 181

8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5

Energiehaushalt . . . . . . . . . . . . . Grundlagen biologischer Energetik Energiequellen . . . . . . . . . . . . . Energieumsatz . . . . . . . . . . . . . Wärmehaushalt . . . . . . . . . . . . . Körpertemperatur . . . . . . . . . . . Wärmebildung . . . . . . . . . . . . . Wärmeabgabe und -aufnahme . . . Temperaturregulation . . . . . . . . . Akklimatisation . . . . . . . . . . . . .

9

Wasser und Elektrolythaushalt, Nierenfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.1.5 9.1.6 9.1.7 9.1.8 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.2.6 9.2.7 9.2.8 9.2.9 9.2.10

Wasser- und Elektrolythaushalt . . . . . . Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . Flüssigkeitsräume . . . . . . . . . . . . . . Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Natrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kalium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Calcium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phosphat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Magnesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . Niere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bau und Funktion . . . . . . . . . . . . . . . Durchblutung . . . . . . . . . . . . . . . . . Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transport an renalen Epithelien . . . . . . Resorption, Sekretion . . . . . . . . . . . . Harnkonzentrierung . . . . . . . . . . . . . Globale Nierenfunktion und Regulation Stoffwechsel und Hormonbildung . . . . Ableitende Harnwege . . . . . . . . . . . . Messgrößen der Nierenfunktion . . . . .

. . . . . . . . . .

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. 182 . 182 . 182 . 183 . 185 . 185 . 186 . 186 . 188 . 190

. 194 . 194 . 195 . 197 . 199 . 200 . 203 . 205 . 206 . 209 . 209 . 209 . 212 . 215 . 216 . 221 . 224 . 226 . 227 . 228

10

Hormonale Regulation . . . . . . . . . . . . . . . 235

10.1 10.1.1 10.1.2 10.1.3

Grundlagen und Allgemeines . . . . . . . . Funktionelle Struktur des Hormonsystems Hormoneigenschaften . . . . . . . . . . . . Signalkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. 236 . 236 . 239 . 243

10.1.4 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5 10.3.6

Neuroendokrine Signalübertragung . . . . Wasser und Elektrolythaushalt . . . . . . . ADH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aldosteron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Natriuretische Faktoren . . . . . . . . . . . . Calcium-Phosphat-Haushalt regulierende Hormone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiehaushalt und Wachstum . . . . . . STH, Somatotropin . . . . . . . . . . . . . . . Schilddrüsenhormone T3, T4 . . . . . . . . . Glukokortikoide . . . . . . . . . . . . . . . . . Insulin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glukagon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adrenalin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

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. 247 . 249 . 249 . 250 . 252

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. 252 . 254 . 254 . 256 . 258 . 262 . 265 . 265

11

Sexualentwicklung und Reproduktionsphysiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

11.1 11.1.1 11.1.2 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3

Geschlechtsfestlegung und Pubertät . . . . Geschlechtsentwicklung . . . . . . . . . . . . Störungen der Geschlechtsentwicklung . . Weibliche Sexualhormone . . . . . . . . . . . Regulation der weiblichen Sexualhormone Wirkungen der weiblichen Sexualhormone Überschuss und Mangel an weiblichen Sexualhormonen . . . . . . . . . . . . . . . . . Oxytozin und Prolaktin . . . . . . . . . . . . . Menstruationszyklus . . . . . . . . . . . . . . . Zyklusphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hormonelle Verhütungsmittel . . . . . . . . . Androgene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Synthese und Regulation von Testosteron . Testosteronwirkungen . . . . . . . . . . . . . Störungen der Testosteronausschüttung oder Wirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gameten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oozyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spermien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kohabitation und Befruchtung . . . . . . . . Kohabitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befruchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwangerschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . Hormonelle Umstellung . . . . . . . . . . . . Plazenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umstellung im mütterlichen Organismus . Fetus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wachstum, Endokrines System . . . . . . . . Organentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . Geburt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.2.4 11.3 11.3.1 11.3.2 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.3 11.5 11.5.1 11.5.2 11.6 11.6.1 11.6.2 11.7 11.7.1 11.7.2 11.7.3 11.8 11.8.1 11.8.2 11.9

. . . . . .

. . . . . .

. 271 . 271 . 271 . 272 . 272 . 273

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. 274 . 274 . 275 . 275 . 276 . 276 . 276 . 277

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. 278 . 279 . 279 . 279 . 279 . 279 . 280 . 281 . 281 . 281 . 282 . 283 . 283 . 283 . 285

XIV

Inhaltsverzeichnis

11.9.1 Hormonelle und vegetativ-nervale Steuerung der Uteruskontraktionen . . . . . . . . . . . . . . 11.9.2 Wehentätigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.9.3 Anpassung des Neugeborenen . . . . . . . . . . 11.9.4 Umstellung der Mutter nach der Geburt . . . . 11.10 Laktation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.10.1 Mechanismen und Regulation mütterlicher Milchproduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.10.2 Muttermilch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.11 Alter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.11.1 Wechseljahre, Menopause . . . . . . . . . . . . . 11.11.2 Hormonsubstitution . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 285 . 285 . 285 . 286 . 286 . 286 . 287 . 287 . 287 . 287

12

Funktionsprinzipien des Nervensystems . . 289

12.1 12.1.1 12.1.2 12.2 12.2.1 12.2.2 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.4 12.4.1 12.4.2 12.4.3 12.4.4 12.4.5 12.5 12.5.1 12.5.2 12.6 12.6.1 12.6.2 12.6.3 12.7 12.7.1 12.7.2 12.7.3

Ionenkanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Kationenkanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Cl--Kanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Ruhemembranpotenzial . . . . . . . . . . . . . . . 291 Ionengradienten und Permeabilitäten . . . . . . 291 Gleichgewichtspotenziale, Membranpotenzial 292 Signalübertragung in Zellen . . . . . . . . . . . . . 292 Passive elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . 292 Aktionspotenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Fortleitung des Aktionspotenzials . . . . . . . . . 295 Intrazellulärer Transport . . . . . . . . . . . . . . . 297 Signalübertragung zwischen Zellen . . . . . . . . 298 Prinzipien synaptischer Übertragung . . . . . . . 298 Transmitterfreisetzung . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 Übertragung an der motorischen Endplatte . . . 301 Ligandengesteuerte Übertragung an zentralen Synapsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Signalverarbeitung im Nervensystem . . . . . . . 305 Elementarmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . 305 Verarbeitung in Neuronenpopulationen . . . . . 305 Funktionsprinzipien sensorischer Systeme . . . . 307 Allgemeine Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Rezeptorpotenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Transformation der Reize . . . . . . . . . . . . . . . 307 Gliazellen und Liquor . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Gliazellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Liquor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Blut-Hirn-Schranke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

13

Muskulatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

13.1 Allgemeine Muskelphysiologie . . . . . . . . . . . 314 13.1.1 Myofilamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 13.1.2 Sarkolemm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

13.1.3 13.1.4 13.1.5 13.2 13.2.1 13.2.2 13.2.3 13.3 13.3.1 13.3.2

Sarkoplasmatisches Retikulum . . . . . . . Sarkoplasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieumwandlung . . . . . . . . . . . . . Quergestreifte Muskulatur . . . . . . . . . . Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . Skelettmuskel . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herzmuskel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glatter Muskel . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontraktionsauslösung im glatten Muskel Regulation der glatten Muskelaktivität . .

14

Vegetatives Nervensystem . . . . . . . . . . . . 327

14.1

Morphologische Grundlagen, Entwicklung, Wachstumsfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Strukturelle Organisation . . . . . . . . . . . . . . . 328 Afferenzen, Darmnervensystem . . . . . . . . . . 329 Zelluläre und molekulare Mechanismen der Signaltransduktion im vegetativen Nervensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 Synaptische Übertragung in den Ganglien . . . . 330 Informationsübertragung von postganglionären Axonen auf Zielorgane . . . . . . . . . . . . . . . . 330 Funktionelle Organisation des Vegetativen Nervensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 Vegetative Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . 334 Vegetative Reflexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 Supraspinale Kontrolle durch das Stammhirn . . 336 Hypothalamische und limbische Steuerung . . . 336

14.1.1 14.1.2 14.2

14.2.1 14.2.2 14.3 14.3.1 14.3.2 14.3.3 14.3.4

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. 318 . 320 . 320 . 322 . 322 . 322 . 324 . 325 . 325 . 325

15

Motorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

15.1 15.1.1 15.1.2 15.2 15.2.1 15.2.2 15.3 15.3.1 15.3.2 15.4 15.4.1 15.4.2 15.4.3 15.4.4 15.4.5 15.5 15.5.1 15.5.2

Programmierungder Willkürbewegung . . . . Von der Bewegungsabsicht zur Bewegung . Bewegungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorische Repräsentation auf dem Kortex . Primärer motorischer Kortex . . . . . . . . . . . Prä- und supplementärmotorischer Kortex . Efferente Projektion der motorischen Kortizes Prinzipielle Verschaltungsmuster . . . . . . . . Projektion in subkortikale Gebiete . . . . . . . Neuronale Systeme des Rückenmarks . . . . . Neuronentypen und ihre Lage . . . . . . . . . Reflexsysteme des Rückenmarks . . . . . . . . Reflexsystem der Muskelspindelafferenz . . . Reflexsystem der Golgi-Sehennorgane . . . . Reflexsystem der Beugereflexe . . . . . . . . . Motorische Funktionen des Hirnstamms . . . Augenmotorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewegungs- und Lagesinn . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 343 . 343 . 343 . 344 . 344 . 345 . 345 . 345 . 345 . 347 . 347 . 347 . 349 . 351 . 351 . 353 . 353 . 353

XV Inhaltsverzeichnis

15.5.3 Vestibulariskerne und motorische Funktionen . 15.5.4 Andere motorische Funktionen des Hirnstammes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6 Basalganglien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.1 Verschaltung/Informationsfluss . . . . . . . . . . 15.6.2 Verarbeitungsprinzipien . . . . . . . . . . . . . . 15.6.3 Störungen der Motorik . . . . . . . . . . . . . . . 15.7 Cerebellum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.7.1 Verschaltung, Informationsfluss . . . . . . . . . 15.7.2 Verarbeitungsprinzipien . . . . . . . . . . . . . . 15.7.3 Störungen der Motorik . . . . . . . . . . . . . . . 15.8 Integrale motorische Funktionen des Zentralnervensystems . . . . . . . . . . . . . 15.8.1 Laufen und Gehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.8.2 Stehen und Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . 15.8.3 Ergreifen eines Gegenstandes . . . . . . . . . . . 15.8.4 Motorisches Lernen . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.8.5 Sprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.9 Störungen der Motorik . . . . . . . . . . . . . . . 15.9.1 Muskeltonus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.9.2 Spastik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.9.3 Tremor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.9.4 Querschnittsverletzung des Rückenmarks . . .

. 354 . 354 . 356 . 356 . 356 . 357 . 359 . 359 . 359 . 361 . 362 . 362 . 362 . 363 . 363 . 363 . 364 . 364 . 364 . 364 . 365

16

Somatoviszerale Sensorik . . . . . . . . . . . . . 367

16.1 16.1.1 16.1.2 16.1.3 16.2 16.2.1 16.2.2 16.2.3 16.2.4 16.3 16.3.1

Funktionelle und morphologische Grundlagen 368 Einteilung, Modalitäten und Qualitäten . . . . . . 368 Rezeptive Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Afferente und zentrale Strukturen . . . . . . . . . 370 Tastsinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 Qualitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 Eigenschaften der Rezeptoren . . . . . . . . . . . 375 Funktionelle Organisation . . . . . . . . . . . . . . 376 Besonderheiten des Tastsinnes der Hand . . . . . 376 Temperatursinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Warm-/Kaltsensoren, afferente Bahnen und zentralnervöse Projektionen . . . . . . . . . . 377 Funktionelle Organisation des Warm/Kaltsinnes 378 Tiefensensibilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 Funktionelle Organisation . . . . . . . . . . . . . . 379 Biologische Bedeutung der Tiefensensibilität . . 379 Viszerale Sensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Periphere und zentrale Sensoren . . . . . . . . . . 380 Viszerale Sensibilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Viszerale Reflexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 Nozizeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 Nozizeptorerregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 Nervenläsionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

16.3.2 16.4 16.4.1 16.4.2 16.5 16.5.1 16.5.2 16.5.3 16.6 16.6.1 16.6.2

16.6.3 Spinale Organisation der Nozizeption . . . . . 16.6.4 Supraspinale Organisation von Nozizeption und Schmerz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.6.5 Endogene Schmerzhemmung . . . . . . . . . 16.7 Störungen der somatoviszeralen Sensibilität 16.7.1 Periphere Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . 16.7.2 Zentrale Störungen . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 382 . . . . .

. 383 . 383 . 385 . 385 . 385

17

Visuelles System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

17.1 17.1.1 17.1.2 17.1.3 17.1.4 17.1.5 17.1.6 17.1.7 17.1.8 17.2 17.2.1 17.2.2 17.2.3 17.2.4 17.3 17.3.1 17.3.2 17.4 17.4.1 17.4.2 17.4.3 17.4.4 17.4.5

Dioptischer Apparat . . . . . . . . . . . . . . . . . Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . Auge als optisches System . . . . . . . . . . . . . Abbildungsfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Akkomodation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pupille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Augeninnendruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tränen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Augenmotorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signalverarbeitung in der Retina . . . . . . . . . Aufbau der Retina . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transduktionsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . Neuronale Verarbeitungsprozesse . . . . . . . . Retinale Mechanismen des Farbensehens . . . Zentrale Repräsentation des visuellen Systems Gesichtsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verlauf der Sehbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . Informationsverarbeitung in der Sehbahn . . . Verschaltung der Sehbahn . . . . . . . . . . . . . Retina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corpus geniculatum laterale . . . . . . . . . . . . Visuelle Cortices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tiefenwahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . .

. 390 . 390 . 391 . 391 . 392 . 393 . 394 . 394 . 394 . 397 . 397 . 398 . 399 . 401 403 . 403 . 403 . 404 . 404 . 405 . 405 . 405 . 406

18

Auditorisches System . . . . . . . . . . . . . . . . 409

18.1 18.1.1 18.1.2 18.2 18.2.1 18.2.2 18.3 18.3.1 18.3.2 18.4 18.4.1 18.4.2 18.5 18.5.1

Physiologische Akustik . . . . . . . . . . . . . . . . 410 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 Testverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 Gehörgang und Mittelohr . . . . . . . . . . . . . . 413 Außenohr und Gehörgang . . . . . . . . . . . . . . 413 Mittelohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 Innenohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 Bau des Innenohrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 Innenohrschwerhörigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 415 Zentrale Hörbahn und kortikale Repräsentation 417 Verschaltungen der Hörbahn . . . . . . . . . . . . 417 Zentrale Tonanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 Sprachbildung und Sprachverständnis . . . . . . 419 Stimmbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

XVI

Inhaltsverzeichnis

18.5.2 18.5.3 18.6 18.6.1 18.6.2

Sprachverständnis . . . . . . . . . . . . . . . Aphasien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleichgewichtssinn . . . . . . . . . . . . . . Bau der Gleichgewichtsorgane . . . . . . . Reizaufnahme und Erregung im Gleichgewichtsorgan . . . . . . . . . . . 18.6.3 Verschaltungen des Gleichgewichtssinns 18.6.4 Störungen des Gleichgewichtssinns . . . . 18.6.5 Prüfung des Gleichgewichtssinns . . . . .

19

. . . .

. . . .

. . . .

. 420 . 420 . 422 . 422

19.3.2 19.3.3 19.3.4 19.3.5

Transduktionsprozesse . . . . . . . . . . . . . Bahnen und zentralnervöse Verarbeitung . Assoziationsregionen für den Geruchssinn . Störungen der Geruchswahrnehmung . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. 423 . 423 . 424 . 424

20

Integrative Leistungen des Zentralnervensystems . . . . . . . . . . . . 435

20.1

Allgemeine Physiologie und funktionelle Anatomie der Großhirnrinde . . . . . . . . . . Organisation der Großhirnrinde . . . . . . . Kortikale Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kortikale Asymmetrie, Händigkeit und Sprachfunktion . . . . . . . . . . . . . . . Elektrophysiologische Analyse der Hirnrindenaktivität. . . . . . . . . . . . . . Integrative Funktionen durch Interaktionen zwischen Hirnrinde und subkortikalen Hirnregionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zirkadiane Periodik . . . . . . . . . . . . . . . . Bewusstsein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plastizität, Gedächtnis und Lernen . . . . . . Triebverhalten, Motivationen und Emotionen . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. 432 . 432 . 432 . 432

. . . 436 . . . 436 . . . 437

. 428

20.1.1 20.1.2 20.1.3

. 428

20.1.4

. 429 . 430

20.2

. 430 . 430 . 430 . 431 . 432

20.2.1 20.2.2 20.2.3 20.2.4

. 432

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

Chemische Sinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

19.1 Grundlagen chemischer Sinne . . . . . . . . . . 19.1.1 Einteilung, morphologische Grundlagen und sensorische Funktionen . . . . . . . . . . . . 19.1.2 Schutzreflexe, viszerale und sekretorische Reflexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2 Geschmack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.1 Geschmacksqualitäten und Psychophysiologie des Geschmacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.2 Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.3 Zentrale Projektionen . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.4 Störungen der Geschmacksempfindung . . . . 19.3 Geruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3.1 Sinnesmodalitäten, Qualitäten und Psychophysiologie des Geruchs . . . . . . .

. . . .

. . . 438 . . . 438

. . . .

. . . .

. 442 . 442 . 445 . 446

. . . 448

1

1 Allgemeine und Zellphysiologie, Zellerregung 1.1

Stoffmenge und Konzentration – 2

1.1.1 Konzentrationen – 2 1.1.2 Lösung von Gasen – 3

1.2

Osmose

–3

1.2.1 Transport von Wasser – 3 1.2.2 Onkotischer Druck – 4

1.3

Stofftransport

1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4

Stofftransport in Gasen und Flüssigkeiten – 4 Stofftransport durch Membranen – 5 Intrazellulärer Transport – 7 Stofftransport über Zellverbände – 8

–4

1.4

Zellorganisation und Beweglichkeit

1.4.1 Zellmembran und Zytosol 1.4.2 Organellen – 10

1.5

–9

–9

Elektrische Phänomene an Zellen – 12

1.5.1 Grundphänomene und –funktionen 1.5.2 Funktion erregbarer Zellen – 13

– 12

1.6

– 15

Zellproliferation und Zelltod

1.6.1 Zellproliferation 1.6.2 Zelltod – 16

– 15

2

1

Kapitel 1 · Allgemeine und Zellphysiologie, Zellerregung

> > Einleitung

1.1

Stoffmenge und Konzentration

Der Körper ist eine Gemeinschaft von Zellen, die unterschiedlich spezialisierte Leistungen für die »Allgemeinheit« erbringen und ihrerseits darauf angewiesen sind, dass die »Allgemeinheit« Grundvoraussetzungen für ihr Überleben gewährleistet. Die Grundvoraussetzungen sind zunächst, dass genügend Substrate für die Energieversorgung bereitstehen, Abfallprodukte des Stoffwechsels abtransportiert werden und dass die Flüssigkeit, welche die Zellen umgibt, eine hinreichend konstante Zusammensetzung und Temperatur aufweist. Schließlich muss dafür gesorgt werden, dass schädliche Substanzen oder Organismen ferngehalten werden. Die Aufnahme von Substraten geschieht über den Darm, ihre Umwandlung und teilweise Speicherung in der Leber und die Aufnahme von Sauerstoff durch die Atmung. Der Transport von Substraten und O2 zu den verschiedenen Zellen ist Aufgabe des Blutes, das vom Herzen über die Gefäße des Kreislaufes an die verschiedenen Zellen transportiert wird. Im Stoffwechsel produziertes CO2 wird wieder abgeatmet, Stoffwechselendprodukte durch die Leber über den Darm und durch die Niere ausgeschieden. Die Niere übernimmt ferner die Aufgabe, die Elektrolytzusammensetzung des Extrazellulärraums zu regulieren. Unerwünschte Fremdstoffe und Fremdorganismen werden durch das Immunsystem bekämpft. Die genannten Leistungen werden durch Zellen des Nervensystems und hormonproduzierende Zellen aufeinander abgestimmt. Darüber hinaus gewinnt das Nervensystem über Sinnesorgane Informationen aus der Umwelt und kann umgekehrt über Steuerung von Muskelkontraktionen Einfluss auf die Umwelt nehmen. Die Weitergabe des genetischen Materials an Nachkommen ist schließlich eine Funktion der Reproduktionsorgane. Die geschilderten Aufgaben erfordern eine völlig unterschiedliche Spezialisierung der Zellen. Trotz dieser Spezialisierung sind die Grundbedürfnisse der Zellen gleich geblieben. Darüber hinaus werden von verschiedensten Zellen gleiche Elemente eingesetzt, um ganz unterschiedliche Leistungen zu erbringen. Daher weisen die Zellen trotz ihrer Spezialisierung untereinander ein hohes Maß an funktioneller Ähnlichkeit auf. Aufgabe dieses ersten Kapitels ist es zunächst, diese gemeinsamen Eigenschaften aufzuzeigen. Zuvor sollen noch einige Definitionen und physikalische Grundlagen erläutert werden.

1.1.1

Konzentrationen

! Konzentrationen bzw. Aktivitäten bestimmen die biologischen Wirkungen gelöster Substanzen

Konzentration. Reaktionen im Körper werden durch die

Konzentrationen der beteiligten Substanzen beeinflusst. Die Konzentration einer Substanz kann unterschiedlich ausgedrückt werden, wie z. B. in Molarität, Molalität, Massenkonzentration oder Fraktion (. Tab. 1.1). Die Molekularmasse kann absolut (in kDa) oder relativ (Verhältnis der Molekularmasse zur atomaren Masseneinheit) ausgedrückt werden. Aktivität. Für die biologische Wirkung (z. B. von Ca2+) ist

maßgebend, welcher Anteil des gelösten Ions frei verfügbar ist und die jeweilige Reaktion eingehen kann. Diesen Anteil bezeichnet man als Aktivität (A). Der Aktivitätskoeffizient (f) ist derjenige Anteil an gelöster Substanz, der für eine Reaktion zur Verfügung steht, also »aktiv« ist. Der Aktivitätskoeffizient ist eine Funktion der Ionenstärke (µ), die aus den Ionenkonzentrationen (ci) und den jeweiligen Ladungszahlen (zi) errechnet wird: µ = 0,5 · Σ · (zi2 · ci). In einer isotonen Kochsalzlösung (150 mmol/l NaCl) ist die Ionenstärke 0,15, der Aktivitätskoeffizient von Na+ etwa 0,7, und die Aktivität somit um etwa 30% geringer als die Konzentration. Bei geringer Ionenstärke sind Ionenaktivität und Ionenkonzentration in etwa gleich. . Tab. 1.1. Konzentrationsparamenter Begriff

Definition

Beispiel

Molare Konzentration (Molarität)

Stoffmenge/Volumen

mol/l

Molare Konzentration (Molalität)

Stoffmenge/Masse Lösungsmittel

mol/kg

Massenkonzentration

Masse/Volumen

g/l

Fraktion

z. B. Volumen/Volumen

l/l oder g/g

Osmolarität

Osmol/Volumen

osmol/l

Osmolalität

Osmol/Masse Lösungsmittel

osmol/kg

kg = Kilogramm, l = Liter, g = Gramm, Osmol = Σ cosmotisch aktiver Substanzen

3

3

1.2 · Osmose

pH. Die Konzentration von H+ ([H+]) wird üblicherweise in

1.2

Osmose

einem dekadischen Logarithmus ausgedrückt: pH = -log[H+]. Ein pH von 7,0 entspricht einer H+-Konzentration von 0,1 µmol/l.

1.2.1

Transport von Wasser

! Wasser folgt einem hydrostatischen und osmotischen Druckgradienten.

1.1.2

Lösung von Gasen Treibende Kräfte des Wassertransportes. Der Transport

! Die Wirkung von Gasen ist eine Funktion ihres Partialdruckes

Partialdruck. Der Partialdruck eines Gases ist derjenige

Druck, den dieses Gas ausübt (7 Kap. 5.3). Besteht ein Druck von einer Atmosphäre (100 kPa) und besteht ein Gasgemisch zu 5% aus CO2, dann übt CO2 einen Partialdruck von 0,05 Atmosphären (5 kPa) aus. Die Fraktion eines Gases ist der Anteil, den ein Gas in einem Gasgemisch einnimmt, also im genannten Beispiel 0,05. Löslichkeitskoeffizient. Der Gasdruck und die Löslichkeit

des Gases bestimmen die Konzentration des gelösten Gases. In Wasser ist der Löslichkeitskoeffizient von CO2 0,24 mmol/ (l · kPa), bei einem Druck von 5 kPa sind daher 1,2 mmol/l CO2 gelöst. Der Löslichkeitskoeffizient nimmt bei zunehmender Temperatur ab, d. h. bei Erwärmung einer CO2-haltigen Flüssigkeit unter konstantem CO2-Druck entweicht CO2. Die Löslichkeit von O2 ist in Wasser etwa 20-fach geringer als die von CO2. In Kürze

Stoffmenge und Konzentration 4 Molarität (mol/l), Molalität (mol/kg), Massenkonzentration (g/l) 4 Für biologische Wirkung Aktivität maßgebend, bei Ionen die Ionenstärke: [µ = 0,5 · Σ(zi2 · ci)] 4 H+-Ionenkonzentrationen [H+] werden als pH (-log[H+]) angegeben 4 Partialdruck eines Gases und Löslichkeitskoeffizient o gelöste Gaskonzentration

von Wasser wird durch einen hydrostatischen (Δp) und einen effektiven osmotischen (Δπ) Druckgradienten getrieben (. Tab. 1.2). Der osmotische Druckgradient ist eine Funktion der osmolalen Konzentrationsdifferenz zwischen den Kompartimenten und den Reflektionskoeffizienten jedes einzelnen Teilchens an der Trennschicht (Beziehung nach van’t Hoff ’ und Stavermann): Δπ = R · T · Σ(σi · Δci) Dabei ist σi der Reflexionskoeffizient der einzelnen gelösten Substanzen, d. h. derjenige Anteil, der von der Trennschicht zurückgehalten wird. Die Summe der Konzentrationen osmotisch aktiver Substanzen (ci) ist die Osmolarität (osmol/l) oder Osmolalität (osmol/kg) einer Lösung. Die Tonizität ist der osmotische Druck, der durch die Lösung erzeugt wird. Bei der normalen Osmolarität des Plasma (ca. 300 mosmol/l) spricht man von isotoner Lösung, bei höheren Osmolaritäten von hypertoner, bei geringeren Osmolaritäten von hypotoner Lösung. Eine Konzentrationsdifferenz von 1 mosmol/kg Wasser bei völliger Impermeabilität der gelösten Teilchen erzeugt einen osmotischen Druckgradienten von etwa 2,2 kPa (. Tab. 1.2). Hydraulische Leitfähigkeit. Der Transport von Wasser ist

nicht nur eine Funktion der treibenden Kräfte, sondern auch der hydraulischen Leitfähigkeit der Trennschicht zwischen den beiden Kompartimenten. Die hydraulische Leitfähigkeit von Zellmembranen wird durch Wasserkanäle (Aquaporine) gesteigert. Durch den Einbau von Wasserkanälen sind Zellmembranen (mit wenigen Ausnahmen) äußerst gut für Wasser permeabel.

11

4

1


. Tab. 1.2. Formeln, die Transportprozesse quantitativ beschreiben

1.2.2

Onkotischer Druck

! Der onkotische Druck ist der durch Makromoleküle ausgeübte osmotische Druck

Transportform

Formel

Wassertransport

Jv = Lp · A (Δp – Δπ)

Solvent drag

Jis = (1 – σi) · ci · Jv

Osmotische Aktivität von Makromolekülen. Auch Makro-

Diffusion (FickDiffusionsgesetz)

Jid = D · A · Δc/Δx Jid = P · A · Δci

Sättigbarer Transport

Ji = ci · Ji,max / (Ki,½ + ci)

Diffusion geladener Teilchen

Jid = -P · A · (Δci + [(z · F) / (R · T)] · ΔE · ci)

moleküle, wie Proteine, üben einen osmotischen Druck aus. Er ist etwas größer als der osmotische Druck kleiner Moleküle gleicher Konzentration. Man spricht dabei von onkotischem Druck. Der durch Makromoleküle erzeugte onkotische Druck begünstigt den Wassereinstrom in Zellen.

Durch geladene Teilchen erzeugter Strom

I = g · ΔE

Onkotischer Druck über die Gefäßwand. Die Proteine des

Gleichgewichtspotenziall (NernstGleichung)

E = –[(R · T)/(zi · F)] ln (c1/c2) E = –61mV lg (c1/c2)

Membranpotenzial (Goldmanngleichung)

EM = (R · T/F) · ln{(PNa[Na]e + PK[K]e + PCl[Cl]i)/ (PNa[Na]i+PK[K]i+PCl[Cl]e)}

Blutplasmas üben einen onkotischen Druck von etwa 25 mmHg aus. Die Flüssigkeit außerhalb der Gefäße (interstitielle Flüssigkeit, 7 Kap. 9.1) weist in der Regel eine geringe Proteinkonzentration auf und der onkotische Druckgradient über die Gefäßwand fördert eine Wasseraufnahme in das Plasma.

Jv = Wasserfluss [m3/s] Ji = Substanztransportrate [mol/s] Δp = hydrostatischer Druckgradient [Pa] Δπ = effektiver osmotischer Druckgradient = R · T · Σ (σi · Δci) [Pa] Lp = hydraulische Leitfähigkeit [m · s-1 · Pa-1] A = Fläche des Epithels bzw. der Zellmembran [m2] Δci = Konzentrationsdifferenz zwischen den Kompartimenten [mol/m3] σ = Reflexionskoeffizient R = Gaskonstante [8,3 Joule · K-1 · mol-1] T = absolute Temperatur [0 K] Δx = Diffusionsstrecke [m] D = Diffusionskoeffizient [m2/s] P = D/Δx = Permeabilität P [m/s] zi = Ladung eines diffundierenden Teilchens F = Faraday-Konstante [~105 Cb/mol] c1, c2 = Konzentrationen der Substanz zu beiden Seiten der Membran [mol/m3] Ji,max = maximale Transportrate [mol/s] Ki,½ = Substratkonzentration, bei der Transportrate halbmaximal ist [mol/m3] ΔE = Potenzialdifferenz zwischen beiden Kompartimenten [V] I = Strom [Cb/s] g = Leitfähigkeit [Cb · s-1 · V-1] E = Gleichgewichtspotenzial für ein Ion [V] PNa, PK, PCl = Permeabilität für Na+, K+ bzw. Cl[Na+]e, [K+]e, [Cl-]e = extrazelluläre Konzentration von Na+, K+ bzw. Cl[Na+]i, [K+]i, [Cl-]i = intrazelluläre Konzentration von Na+, K+ bzw. Cl

In Kürze

Osmose 4 Wasser wird durch osmotischen (Δπ = R · T · Σ (σi · Δci), [van’t Hoff ]) und hydrostatischen DruckGradienten getrieben 4 Makromoleküle üben onkotischen Druck aus 4 Wassertransport durch Zellmembranen wird durch Wasserkanäle erleichtert

1.3

Stofftransport

1.3.1

Stofftransport in Gasen und Flüssigkeiten

! Gelöste Substanzen werden in fließendem Wasser mitgerissen oder diffundieren einem Konzentrationsgradienten folgend.

Solvent drag. Im Strom transportierten Wassers können gelöste Teichen mitgerissen werden (solvent drag). Die Menge (mol) an gelösten Teilchen, die pro Zeiteinheit über solvent drag transportiert wird, steigt mit dem Wasserfluss und der Teilchenkonzentration (. Tab. 1.2). Diffusion. Gelöste Teilchen diffundieren von Orten höherer

Konzentration zu Orten geringerer Konzentration. Die

5 1.3 · Stofftransport

Menge ungeladener Teilchen, die pro Zeiteinheit durch Diffusion transportiert wird, steigt proportional zur Konzentrationsdifferenz der Teilchen und der Diffusionsfläche und nimmt proportional zur Diffusionsstrecke ab (. Tab. 1.2). Diffusion geladener Teilchen. Geladene Teilchen (Ionen)

werden zusätzlich durch einen elektrischen Gradienten getrieben, d. h. eine Potenzialdifferenz über die Zellmembran bzw. das Epithel. Chemischer und elektrischer Gradient können sich gegenseitig aufheben und ein elektrochemisches Gleichgewicht schaffen. Die Potenzialdifferenz (∆E), welche benötigt wird, um ein solches Gleichgewicht herzustellen, ist bei 37 °C: ΔE = – 61 mV · z-1 · lg (c1/c2) Dabei ist z die Ladung, c1 und c2 die Konzentration des jeweiligen Teilchens zu beiden Seiten der Membran. Wenn zum Beispiel die zytosolische K+-Konzentration (c1) das 30-fache der extrazellulären K+-Konzentration (c2) ist (lg (c1/c2) ≈ 1,5), besteht bei etwa – 90 mV (innen negativ) ein Diffusionsgleichgewicht für K+ über die Zellmembran. Unterscheiden sich chemischer und elektrischer Gradient, dann diffundieren die Teilchen in die Richtung des überwiegenden Gradienten. Beispielsweise verlässt bei einem Gradienten von 30 zu 1 K+ die Zelle, sobald das Zellmembranpotenzial unter -90 mV sinkt.

1.3.2

Stofftransport durch Membranen

! Transportprozesse vermitteln die zelluläre Aufnahme oder Abgabe von gelösten Stoffen, wie Ionen, Substraten und Stoffwechselprodukten.

Bedeutung von Transport über die Zellmembran. Jede

Zelle ist auf die Tätigkeit von Transportprozessen angewiesen, die Aufnahme und Abgabe von Substanzen vermitteln. Darüber hinaus gibt es im Körper spezialisierte Epithelzellen, deren zentrale Aufgabe der Transport von Wasser und gelösten Teilchen (Soluten) aus einem Körperkompartiment in ein anderes ist. An dieser Stelle sollen allgemeine Gesetzmäßigkeiten von Transportprozessen erläutert werden (. Tab. 1.2). Erleichterte Diffusion. Wird die Diffusion über spezifische Transportmoleküle (Carrier) vermittelt, dann spricht man von erleichterter Diffusion. Treibende Kraft ist die Konzen-

trationsdifferenz bzw. bei geladenen Soluten der elektrochemische Gradient. Nichtionische Diffusion (nonionic diffusion). Ist die undis-

soziierte (ungeladene) Form einer schwachen Säure oder Base lipidlöslich, dann kann diese Form die Membran ohne Vermittlung von Carriern überwinden. Für den Transport ist dann die Konzentrationsdifferenz der ungeladenen Teilchen maßgebend, die neben der Konzentration an Säure bzw. Base auch vom pH zu beiden Seiten der Membran abhängt. Auch Gase (CO2, NH3, O2) können carrierunabhängig über die Zellmembran diffundieren, soweit sie eine hinreichende Lipidlöslichkeit aufweisen. Andererseits wird vermutet, dass Gase (insbesondere das gut wasserlösliche CO2) auch durch Kanäle die Zellmembran passieren können. Aktiver Transport. Durch aktiven Transport können Teil-

chen auch gegen ihr elektrochemisches Gefälle transportiert werden. Dazu ist der Einsatz von Energie erforderlich. Primär aktive Transportprozesse werden durch chemische Energie in Form von ATP getrieben. Die wichtigste Ionenpumpe ist die Na+/K+-ATPase, welche unter Verbrauch von Energie Na+ aus der Zelle und im Austausch dazu K+ in die Zelle transportiert. Da sie jeweils 3 Na+ gegen 2 K+ austauscht, verschiebt sie positive Ladung nach außen, sie ist also elektrogen. Die Na+/K+-ATPase ist verantwortlich für die niedrigen Na+- und hohen K+-Konzentrationen in der Zelle. Weitere wichtige Transport-ATPasen sind die H+-ATPase, H+/K+-ATPase und die Ca2+-ATPase (. Abb. 1.1). Wegen der hohen Energie, die beim Abbau von ATP frei wird, können primär aktive Transportprozesse in der Regel hohe elektrochemische Gradienten überwinden. Der Energieverbrauch durch aktive Transportprozesse ist erheblich. Bei einer »ruhenden« Zelle verbraucht die Na+/K+-ATPase im Mittel etwa ein Drittel der gesamten Energie. Da die aktiven Pumpen durch Abkühlung gehemmt werden, kann der Energieverbrauch durch Herabsetzung der Körperoder Organtemperatur massiv gedrosselt werden. ATP-produzierender H+-Transport in Mitochondrien. In

Mitochondrien wird der Transport über eine ATPase zur Energiegewinnung eingesetzt. Die Atmungskette schleust H+ aus dem Innenraum der Mitochondrien aus und erzeugt damit ein steiles elektrochemisches Gefälle für H+ über die innere Mitochondrienmembran. Durch »Rückwärtslaufen« einer H+-ATPase wird der Gradient zur ATP-Produktion genutzt.

1

6


1

. Abb. 1.1. Transportprozesse der Zellmembran: Transportiert werden anorganische Ionen oder organische Substanzen (»organische Substrate« wie Glukose, Aminosäuren, organische Säuren, organische

Kationen). Die Transportprozesse können in Cotransporter, Antiporter (Austauscher), Pumpen (ATPasen), Uniporter oder Kanäle eingeteilt werden

Sekundär aktive Transportprozesse. Eine Reihe von Trans-

Teilchen gegen ihr elektrochemisches Gefälle zu transportieren. Einige sekundär aktive Transportprozesse sind in . Abb. 1.1 zusammengestellt.

portprozessen setzen nicht ATP, sondern den elektrochemischen Gradienten anderer Substrate ein, um Solute gegen ihren Gradienten zu transportieren. Da die Zelle relativ geringe Na+-Konzentrationen aufweist und im Inneren negativ ist, besteht ein steiles elektrochemisches Gefälle für Na+ vom Extrazellulärraum in die Zelle. Der steile Na+-Gradient wird von vielen Transportsystemen benutzt, um andere

Sättigbarkeit von Transportprozessen. Der Transport über

spezifische Transportprozesse ist prinzipiell sättigbar, die Transportrate kann also nicht beliebig gesteigert werden, sondern erreicht bei hohen Substratkonzentrationen einen

7 1.3 · Stofftransport

. Abb. 1.2. Endozytose/Exozytose. Ein Makromolekül (z. B. ein Protein) kann durch Exozytose in den Extrazellulärraum abgegeben oder durch

Endozytose (Phagozytose, Pinozytose) aus dem Extrazellulärraum in die Zelle aufgenommen werden (nach Dudel aus Schmidt et al.)

maximalen Wert (Jmax). Bei niedrigen Substratkonzentrationen arbeitet der Carrier submaximal, wobei neben der Substratkonzentration die Affinität des Transportproteins für das Substrat über die Transportrate entscheidet (. Tab. 1.2). Bei sehr niedrigen Substratkonzentrationen nimmt die Transportrate annähernd linear proportional mit der Substratkonzentration zu.

auf der anderen Seite das Axon, das Erregungen des Neurons zu anderen Neuronen oder Zielzellen weitergeben soll. Wandernde Zellen müssen am vorderen Ende Ionen und Wasser aufnehmen und am hinteren Ende Ionen und Wasser abgeben. Die Funktion der Zellen erfordert daher die Fähigkeit, Ionenkanäle und Transportproteine gezielt in die richtige Membran einzubauen (sorting). Bei der Proteinsynthese werden die Transportproteine in die Vesikelmembran eingebaut. Die Vesikel wandern dann zu der richtigen Membran und verschmelzen mit ihr. Für den richtigen Einbau sind dabei bestimmte Sequenzen des Transportproteins maßgebend.

Endozytose, Exozytose. Zellen können Wasser und darin

gelöste Teilchen (z. B. Proteine) auch aufnehmen, indem sie ihre Plasmamembran einstülpen und sich den Inhalt in zytosolische Bläschen (Vesikel) einverleiben (Endozytose, . Abb. 1.2). Die endozytotischen Vesikel können mit Lysosomen fusionieren und der Inhalt (z. B. aufgenommene Proteine) durch lysosomale Enzyme abgebaut werden. Umgekehrt kann der Inhalt intrazellulärer Vesikel durch Fusion mit der Zellmembran nach außen entleert werden (Exozytose, . Abb. 1.2). Durch luminale Endozytose und basolaterale Exozytose können Proteine Epithelzellen durchqueren.

1.3.3

Intrazellulärer Transport

! Der gerichtete Transport intrazellulärer Vesikel ist Voraussetzung für die Funktion polarer Zellen

Funktionelle Polarisierung von Zellen. Mehrere Zellfunk-

tionen erfordern, dass die Zellen polarisiert sind, wie etwa Epithelzellen, Neurone oder wandernde Zellen. Epithelzellen dienen dem Transport von Wasser und Soluten, die über die eine Membran in die Zelle aufgenommen werden und über die gegenüberliegende Membran wieder die Zelle verlassen müssen. Neurone haben normalerweise auf der einen Seite Ausläufer (Dendriten), die Erregungen aufnehmen,

Transport intrazellulärer Vesikel. Der gerichtete Transport

intrazellulärer Vesikel wird durch Elemente des Zytoskeletts vermittelt. Endoplasmatische Vesikel können Substanzen speichern, wie etwa Neurotransmitter oder Hormone. Bei Bedarf können die Vesikel mit der Zellmembran verschmelzen und dabei den Inhalt in den Extrazellulärraum abgeben. Axonaler Transport. Nervenzellen besitzen als Ausläufer

Dendriten und Axone. Die Axone können über einen Meter lang werden. Der Zellkern einer Nervenzelle liegt im Zellkörper (Soma). Die Proteinsynthese ist damit auf diesen Bereich beschränkt und zelluläre Proteine müssen von dort in die Axone transportiert werden. Die Axone verfügen über mehrere effiziente Mechanismen des Stofftransports über die weiten Strecken innerhalb eines Axons. 4 Der schnelle anterograde axonale Transport (ca. 400 mm/Tag) bewegt Vesikel in Richtung der Axonterminalen. Er wird durch myosinartige Zytoskelettbestandteile (Kinesine) angetrieben. 4 Der langsame anterograde axonale Transport (1 mm/ Tag) wird wahrscheinlich durch Polymerisierung von

1

8

1


Zytoskelettbestandteilen selbst hervorgerufen. Der langsame axonale Transport bestimmt die Geschwindigkeit, mit der ein abgeschnittener peripherer Nerv wieder in Richtung Peripherie wächst. 4 Ein retrograder axonaler Transport (ca. 300 mm/Tag) schafft proteinhaltige Vesikel in Richtung Zellkörper. Beteiligte Motorproteine sind dabei Dyneine. Auf diese Weise wird u. a. der nerve growth factor (NGF) transportiert, der für das Überleben von Neuronen erforderlich ist. Über den retrograden axonalen Transport peripherer Nerven können jedoch auch Krankheitserreger (z. B. Herpes- und Polio-Viren) und Toxine (z. B. Tetanustoxin) in das zentrale Nervensystem gelangen.

1.3.4

Stofftransport über Zellverbände

! Epithelien dienen dem transzellulären und parazellulären Transport von Wasser und Soluten. Endothelzellen regulieren die Funktion der Gefäßmuskelzellen. Gliazellen schaffen die Voraussetzung für die adäquate Funktion der Neurone

Epithelien. Epithelien trennen verschiedene Komparti-

mente des Körpers und dienen dem Transport von Wasser und Soluten (s. u.). Das Darmepithel, beispielsweise, dient dem Transport von Wasser und Soluten aus dem Darmlumen in das Blut (Absorption) oder aus dem Blut in das Darmlumen (Sekretion). Der transepitheliale Transport ist entweder transzellulär oder parazellulär. Transzelluläre Absorption erfordert den Eintritt von Wasser bzw. Soluten über die apikale Membran und den Transport aus der Zelle über die basolaterale Membran. Die spezifischen Transportleistungen werden durch entsprechende spezifische Transportproteine und Ionenkanäle geleistet. Transzellulärer Transport kann passiv oder aktiv sein. Wasser und Solute können ferner an den Nahtstellen (Schlussleisten, tight junctions) zwischen den Zellen transportiert werden (parazellulärer Transport). Eigenschaften der tight junctions sind eine Funktion der tight junction Proteine, wie Occludin, Claudine und Junction Adhäsions Moleküle (JAM). Die Dichtheit bzw. Durchlässigkeit von tight junctions entscheidet wiederum darüber, welcher elektrochemische Gradient über das Epithel aufgebaut werden kann. Endothelzellen. Endothelien kleiden die Blutgefäße aus. Die Dichtheit der tight junctions von Endothelzellen entscheidet

über die Durchlässigkeit des Endothels (7 Kap. 4.1.7). Besonders durchlässige Endothelien kleiden die Leberkapillaren aus, besonders dichte Endothelien die Kapillaren der Hoden (Blut-Hoden-Schranke) und die Gefäße des Gehirns (Blut-Hirn-Schranke, s. u.). Endothelzellen bilden jedoch nicht nur eine Barriere, sondern beeinflussen die Eigenschaften von Blutzellen (z. B. bei der Immunabwehr, 7 Kap. 2.5) und von Gefäßmuskelzellen (7 Kap. 4.2.2). Blut-Hirn-Schranke. Die Endothelzellen der Hirnkapillaren bilden (außer im Hypophysenhinterlappen, in der Area postrema und in den Plexus chorioidei) unter dem Einfluss von Astrozyten dichte Schlussleisten (tight junctions), die keinen Durchtritt von im Blut gelösten Substanzen (Elektrolyten, Proteinen) oder Zellen zulassen (Blut-HirnSchranke oder Blut-Liquor-Schranke). Das extrazelluläre Milieu des Gehirns wird auf diese Weise vom Blut abgekoppelt, um zu verhindern, dass Nervenzellen Elektrolytschwankungen, Transmittern, Hormonen, Wachstumsfaktoren und Immunreaktionen des Blutes ausgesetzt sind. Die Versorgung des Gehirns mit Substraten wird dabei durch spezifische Transportprozesse gewährleistet (u. a. für Glukose, Aminosäuren). Pharmaka und Toxine können die Blut-Hirn-Schranke überwinden, wenn sie durch diese Transportprozesse akzeptiert werden oder eine so hohe Lipidlöslichkeit aufweisen, dass die Zellmembranen keine Diffusionsbarriere darstellen. Die tight junctions können unter pathologischen Bedingungen geöffnet und damit die Blut-Hirn-Schranke durchbrochen werden, wie etwa bei Hirntumoren (die keine funktionellen Astrozyten enthalten), bei Hyperosmolarität (durch Infusion hypertoner Mannitollösungen in hirnversorgende Arterien) und bei bakterieller Hirnhautenzündung (Meningitis). Bei Neugeborenen ist die Blut-Hirn-Schranke normalerweise noch nicht dicht. Daher kann bei Hyperbilirubinämie des Neugeborenen (nicht jedoch des Erwachsenen) Bilirubin in das Gehirn eindringen und sich in Kernen des Hirnstamms ablagern (Kernikterus). Folglich kommt es zur Schädigung der Basalganglien mit Auftreten von Hyperkinesien (7 Kap. 15.6.3). Funktion von Gliazellen. Im zentralen Nervensystem sind

die Neurone von den weitaus zahlreicheren Gliazellen umgeben. Man unterscheidet je nach Struktur und Funktion Astroglia, Oligodendroglia und Mikroglia. Die Oligodendrogliazellen bilden die Myelinscheiden der zentralen Neurone, die Schwann-Zellen die Myelinscheiden peri-

9 1.4 · Zellorganisation und Beweglichkeit

pherer Neurone (. Abb. 12.9). Astroglia und Mikroglia sind ferner zur Phagozytose befähigt (. Abb. 1.2). Wichtigste Aufgabe der Gliazellen ist die Kontrolle des extrazellulären Milieus. Der Extrazellulärraum beträgt weniger als 25 % des Gehirnvolumens. Wenn die Zellen z. B. bei einer Salve von Aktionspotenzialen nur 1 % ihres K+ abgeben, dann verdoppelt sich die extrazelluläre K+-Konzentration und das K+-Gleichgewichtspotenzial nimmt um 18 mV ab. Die Gliazellen nehmen jedoch normalerweise bei Anstieg der extrazellulären K+-Konzentration K+ aus dem Extrazellulärraum auf und halten damit die extrazelluläre K+-Konzentration niedrig. Zum Teil geben sie das K+ wieder an anderer Stelle mit niedriger extrazellulärer K+-Konzentration ab (spatial buffering). Versagen die Gliazellen, dann führt der Anstieg der extrazellulären

K+-Konzentration zur Aktivierung von Nachbarneuronen, die dabei wiederum K+ verlieren. Auf diese Weise kann sich eine Erregung ausbreiten, wie etwa bei der Epilepsie. Gliazellen sind auch in der Lage, die extrazelluläre Ca2+-Konzentration und den extrazellulären pH zu regulieren. Schließlich verhindern sie, dass Neurotransmitter aus einer Synapse zu anderen Neuronen diffundieren. Sie nehmen Transmitter auf und bauen sie wieder in ihre Vorstufen ab. Neurotransmitter können umgekehrt die Funktion von Gliazellen modulieren. Gliazellen spielen ferner eine entscheidende Rolle bei der Gehirnentwicklung, wo sie das Auswachsen von Axonen und Dendriten fördern. Umgekehrt hemmen sie im erwachsenen Gehirn das Aussprossen von Axonen und Dendriten.

In Kürze

Stofftransport 4 Soluttransport: solvent drag, Diffusion, erleichterte Diffusion und aktiv. Erleichterte Diffusion und aktiver Transport sind sättigbar 4 Sekundär aktive Transporte nutzen Gefälle von Soluten, um andere gegen ein Gefälle zu transportieren 4 Transport geladener Solute wird durch elektrochemisches Gefälle getrieben 4 Makromoleküle werden durch Endozytose/Exozytose transportiert 4 Polarisierung von Zellen (Epithelien, migrierende Zellen, Neurone) entsteht durch gezielten Einbau von Membranproteinen (sorting)

1.4

Zellorganisation und Beweglichkeit

1.4.1

Zellmembran und Zytosol

! Die Zellmembran ermöglicht spezifische Aufnahme und Abgabe von Soluten sowie die spezifische Bindung von Signalstoffen. Sie bestimmt die Zusammensetzung des Zytosols

Zellmembran. Die Zellen sind von einer Zellmembran (Plas-

mamembran) umgeben, die aus einer Lipiddoppelschicht besteht und das Passieren weitgehend aller polaren Substanzen, also von Elektrolyten und gut wasserlöslichen orga-

4 Intrazellulärer Transport von Vesikeln wird durch Zytoskelett geleitet 4 Epithelien transportieren transzellulär und parazellulär 4 tight junctions o Dichtheit bzw. Durchlässigkeit von Epithelien und Endothelien; in Hirngefäßen besonders dicht o Blut-Hirn-Schranke 4 Endothelzellen regulieren Blutzellen und Gefäßmuskelzellen 4 Gliazellen regulieren Elektrolytkonzentrationen und Transmitterkonzentrationen, für normale Gehirnentwicklung erforderlich

nischen Substanzen verhindert (. Abb. 1.3). In diese Lipiddoppelschicht sind Transportproteine eingelagert, die das Durchtreten jeweils spezifischer Elektrolyte oder organischer Substrate zulassen (. Abb. 1.3). Darüber hinaus enthält die Zellmembran u. a. Rezeptormoleküle, an die Signalstoffe von außen binden und dadurch intrazelluläre Reaktionen auslösen können. Zytosol. Im Zellinneren befindet sich das Zytosol, der eigent-

liche Lösungsraum der Zelle. Es enthält u. a. die Enzyme für mehrere Stoffwechselvorgänge. Durch die hohe Proteinkonzentration und die Strukturierung durch das Zytoskelett (7 Kap. 1.4.2) weist das Zytosol eine gallertige Konsistenz auf.

1

10


1

. Abb. 1.3. Die Zellmembran mit eingebauten Proteinen

1.4.2

Organellen

! Zellkern, endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Lysosomen, Oxysomen und Mitochondrien bilden abgetrennte, zelluläre Kompartimente, die jeweils spezifische zelluläre Funktionen erfüllen. Das Zytoskelett ist mehr als ein Gerüst

Aufgaben von Organellen. Die Zelle enthält verschiedene

Organellen, deren Innenraum vom Zytosol durch eine oder zwei Membranen abgetrennt ist und die, jeweils spezifische, Funktionen für die Zelle erfüllen (. Abb. 1.4). 4 Im Zellkern befindet sich die genetische Information, die für die Proteinsynthese abgelesen wird (Transkription). 4 Der Zellkern wird vom endoplasmatischen Retikulum umgeben. Das raue endoplasmatische Retikulum ist mit Ribosomen besetzt, die für die Proteinsynthese erforderlich sind (Translation). Das glatte endoplasmatische Retikulum ist nicht mit Ribosomen besetzt. 4 Ein Teil der Proteine wird zum Golgi-Apparat transportiert, der Proteine u. a. glykosyliert, bevor sie in die Membran eingebaut oder in den Extrazellulärraum abgegeben werden. 4 Proteine werden u. a. in Lysosomen abgebaut, die in ihrem Inneren proteinabbauende Enzyme (Proteasen) speichern. Bei genetischen Defekten von beteiligten Enzymen können die Substrate nicht abgebaut werden

und häufen sich in den Lysosomen an (Speicherkrankheiten). 4 Peroxysomen können aus Sauerstoff Peroxide bilden und damit Substrate oxidieren. Durch eine Katalase können sie H2O2 zu O2 und H2O entgiften. 4 Lysosomen und endoplasmatisches Retikulum speichern Calciumionen und geben sie bei entsprechender Aktivierung der Zelle in das Zytosol ab. Auf diese Weise werden calciumabhängige Proteine aktiviert. 4 Mitochondrien sind für die Synthese von energiereichen Phosphaten, wie v. a. Adenosintriphosphat (ATP) verantwortlich. Sie enthalten u. a. die Enzyme des Zitratzyklus, der Atmungskette und der Fettsäureoxidation. Bedeutung der Kompartimentierung. Die verschiedenen Organellen erfüllen somit ganz unterschiedliche biochemische Aufgaben. Die Kompartimentierung durch Membranen gewährleistet dabei einen geordneten Ablauf der jeweiligen Funktionen. So können gleichzeitig in den Lysosomen Proteine abgebaut und im rauen endoplasmatischen Retikulum andere Proteine aufgebaut werden. Zytoskelett. Die Zellen enthalten ein Zytoskelett aus Aktin-

filamenten, Mikrotubuli, Mikrofilamenten und Intermediärfilamenten, das für Form und Bewegung von Zellen und von Organellen innerhalb der Zellen bedeutsam ist. Die Kontraktion von Muskeln wird durch das Zusammenspiel von

11 1.4 · Zellorganisation und Beweglichkeit

. Abb. 1.4. Aufbau einer Zelle. Gezeigt ist die Struktur einer Epithelzelle

Aktin und Myosin (7 Kap. 13.1.1) bewerkstelligt. In ähnlicher Weise bewegt das Protein Dynein die Mikrotubuli, z. B. bei der Bewegung von Zilien. Darüber hinaus spielen

Elemente des Zytoskeletts eine wesentliche Rolle in der Regulation des Zellstoffwechsels. Unter anderem wird über das Zytoskelett eine Formveränderung der Zelle registriert.

In Kürze

Zellorganisation und Beweglichkeit 4 Transportprozesse in der Zellmembran o Konzentrationen im Zytosol 4 Die Zellmembran enthält Rezeptoren für Signalstoffe 4 Raues endoplasmatisches Retikulum o Proteinsynthese, glattes endoplasmatisches Retikulum o Speichervesikel, die mit anderen Organellen oder Zellmembran fusionieren 4 Golgi-Apparat o Glykosylierung und Transport von Proteinen

4 4 4 4

Lysosomen o Proteinabbau Peroxysomen o Peroxide Mitochondrien o Energiegewinnung Endoplasmatische Vesikel, Lysosomen o Speicherung Ca2+-Ionen 4 Zytoskelett o Gerüst, Signaltransduktion, Vesikeltransport

1

12

1


1.5

Elektrische Phänomene an Zellen

1.5.1

Grundphänomene und –funktionen

! Ungleiche Verteilung und Permeabilität von Ionen in der Zellmembran schaffen das Membranpotenzial +

+

+

+

Verteilung von Na und K . Die Na /K -ATPase in der Zellmembran transportiert unter Verbrauch von ATP Na+-Ionen aus der und K+-Ionen in die Zelle. Folglich ist die intrazelluläre K+-Konzentration etwa 30-mal höher und die intrazelluläre Na+-Konzentration etwa 10-mal geringer als die entsprechenden extrazellulären Ionenkonzentrationen (. Abb. 1.5). Der jeweilige chemische Gradient treibt demnach K+ aus der Zelle und Na+ in die Zelle. Nun ist die Zellmembran der meisten Zellen in Ruhe für Na+ schlecht und für K+ sehr gut permeabel. Im Gegensatz zu Na+ kann also K+ seinem chemischen Gradienten folgen. Die Diffusion von K+ erzeugt eine innen negative Potenzialdifferenz über

. Abb. 1.5. Aufbau des Zellmembranpotenziales. Durch die Na+/ K+-ATPase wird Na+ im Austausch gegen K+ aus der Zelle gepumpt (a, 1). Die Zelle ist normalerweise für Na+ schlecht (a, 2), für K+ gut (a, 3) permeabel. K+ diffundiert, seinem chemischen Gradienten folgend, nach außen und erzeugt damit eine außen positive und innen negative Potenzialdifferenz über die Zellmembran (a, 3). Das Potenzial erzeugt einen elektrischen Gradienten (rot), der im Gleichgewicht den chemischen Gradienten für K+ (blau) aufhebt (b). Damit kommt die Nettodiffusion von K+ zum Stillstand. Das Zellmembranpotenzial treibt Cl- aus der Zelle (a, 4), bis der chemische Gradient den elektrischen Gradienten in etwa aufhebt (b). Damit kommt auch die Cl--Nettodiffusion zum Stillstand. Die niedrigere intrazelluläre Cl--Konzentra-

die Zellmembran. Das innen negative Potenzial hält das positiv geladene K+ zurück, und es entsteht ein Gleichgewicht zwischen chemischem und elektrischem Gradienten von K+. K+-Gleichgewichtspotenzial. Ist die Zellmembran aus-

schließlich für K+ permeabel, dann erreicht die Potenzialdifferenz über die Zellmembran das K+-Gleichgewichtspotenzial EK (Nernst-Gleichung): EK = – 61 mV · lg [K+]i/[ K+]e wobei [K+]i und [K+]e die wirksamen Konzentrationen (Aktivitäten) in der intrazellulären bzw. extrazellulären Flüssigkeit sind. Durch Wechselwirkung der Ionen untereinander sind die Aktivitäten zu beiden Seiten der Membran etwas geringer als die Konzentrationen (mol/l bzw. mol/kg Wasser), der Fehler bei Verwendung der Konzentrationen ist jedoch gering.

tion wird durch negative Ladungen intrazellulärer Proteine kompensiert, so dass intra- und extrazellulär Elektroneutralität herrscht. Für Na+ zeigen sowohl chemischer (blau) als auch elektrischer (rot) Gradient in die Zelle (b). Wegen der geringen Permeabilität der Zellmembran für Na+ fließt jedoch trotzdem nur wenig Na+ in die Zelle. Dieses Na+ kann durch die Na+/K+-ATPase wieder zurücktransportiert werden. Bei Hemmung der Na+/K+-ATPase (z. B. Energiemangel) akkumuliert die Zelle jedoch selbst bei langsamem Na+-Einstrom Na+ und verliert K+ (c). Das Sinken des chemischen Gradienten für K+ führt zur Depolarisation und folgender Zunahme der intrazellulären Cl--Konzentration. Letztlich droht durch zelluläre Aufnahme von NaCl Zellschwellung und nekrotischer Zelltod (d)

13 1.5 · Elektrische Phänomene an Zellen

Membranpotenzial. Das Potenzial ist auf der Zellseite +

negativ, da positiv geladenes K die Zelle verlassen hat. Die Potenzialdifferenz (EM) über eine Zellmembran, die ausschließlich für K+ permeabel ist, wird automatisch den Wert von EK erreichen. Ist nämlich EM positiver als EK, dann wird K+ seinem elektrochemischen Gefälle folgend die Zelle verlassen und EM solange polarisieren (negativieren), bis EK erreicht wird. Ist EM negativer als EK, dann wird K+ durch das elektrochemische Gefälle in die Zelle getrieben und EM wird solange depolarisiert, bis wiederum EK erreicht ist. Der Strom I, der im Ungleichgewicht fließt (. Tab. 1.2), ist eine Funktion der Differenz von EM- EK und der Leitfähigkeit der Membran für K+ (gK): I = gK · (EM - EK) Ist die Zellmembran für mehr als ein Ion permeabel, so bestimmen die Leitfähigkeiten (gn) und Gleichgewichtspotenziale (En) aller Ionen (n) das Zellmembranpotenzial:

K+-Kanäle und Membranpotenzial. In den meisten un-

stimulierten Zellen ist gK größer als die Summe der Leitfähigkeiten für die anderen Ionen und das Membranpotenzial ist nahe dem K+-Gleichgewichtspotenzial. Die Leitfähigkeit der K+-Kanäle hängt jedoch von der K+-Konzentration ab, eine Abnahme der intra- und extrazellulären K+-Konzentration mindert die K+-Leitfähigkeit. Eine Abnahme der extrazellulären K+-Konzentration verändert das Zellmembranpotenzial durch Zunahme des EK und durch Abnahme der gK. Eine Zunahme von EK hyperpolarisiert, eine Abnahme von gK depolarisiert die Zelle. Der Nettoeffekt einer Herabsetzung der extrazellulären K+-Konzentration auf das Zellmembranpotenzial hängt von der Zahl und den Eigenschaften der jeweiligen K+-Kanäle ab. Im Allgemeinen überwiegt der Einfluss auf EK, wenn die Zellmembran eine hohe K+-Leitfähigkeit aufweist (gK/gt nahe bei 1). Wenn gK niedrig und damit der Einfluss von K+ auf das Membranpotenzial gering ist, dann überwiegt die weitere Abnahme der K+-Leitfähigkeit und die Zelle depolarisiert (7 Kap. 9.1.5).

EM = Σ (gn · En/gt) wobei gt die Gesamtleitfähigkeit der Zellmembran (für alle Ionen) ist. In unserem Beispiel (. Abb. 1.5) ist EK ≈ -90 mV und ENa ≈ +60 mV. Ist die Zellmembran zu 90% für K+ (gK/gt = 0,9) und zu 10% für Na+ leitfähig (gNa/gt = 0,1), dann stellt sich ein Zellmembranpotenzial von -75 mV ein [0,9 · (-90 mV) + 0,1 · (+60 mV)]. Wird durch Zunahme von gNa die Zellmembran gleichermaßen für Na+ und K+ leitfähig (gNa/gt und gK/gt jeweils 0,5), dann depolarisiert die Zelle auf -15 mV [0,5 · (-90 mV) + 0,5 · (+60 mV)]. Alternativ kann das Membranpotenzial mit der Goldmann-Gleichung abgeschätzt werden, wobei die Permeabilitäten und Konzentrationen für Na+, K+ und Cl- berücksichtigt werden (. Tab. 1.2). Elektrogene Transportprozesse. Neben den Ionenkanälen,

die den passiven Durchtritt von einzelnen Ionen vermitteln, tragen auch elektrogene Transportprozesse zu Leitfähigkeit und Membranpotenzial bei (z. B. Na+-3HCO3– -Cotransport, . Abb. 1.1). Schließlich kann das Zellmembranpotenzial durch elektrogene Pumpen beeinflusst werden. Da die Na+/K+-ATPase 3 Na+-Ionen gegen 2 K+-Ionen austauscht, erzeugt ihre Tätigkeit einen Strom, der die Membran hyperpolarisiert. Das Membranpotenzial wird demnach negativer als das aus den Leitfähigkeiten und Gleichgewichtspotenzialen errechnete Potenzial EM.

1.5.2

Funktion erregbarer Zellen

! Erregbare Zellen werden bei »Erregung« durch Öffnung von Na+- und/oder Ca2+-Kanälen depolarisiert. K+-Kanäle werden bei Depolarisation geschlossen oder verzögert geöffnet

Spannungsabhängige Ionenkanäle. Die Leitfähigkeit von

Ionenkanälen ist häufig eine Funktion des Zellmembranpotenzials. Potenzialabhängigkeit von K+-Kanälen. K+-Kanäle reagie-

ren unterschiedlich auf Änderungen des Membranpotenzials. Die einwärtsgleichrichtenden K+-Kanäle werden bei Depolarisation verschlossen, eine Eigenschaft, die den K+-Ausstrom bei Depolarisation unterbindet. Auswärtsgleichrichtende K+-Kanäle leiten hingegen bei Depolarisation besonders gut, begünstigen also den K+-Ausstrom. Eine dritte Gruppe von K+-Kanälen wird durch das Membranpotenzial wenig beeinflusst. Potenzialabhängigkeit von Na+-Kanälen. Auch unter den

Na+-Kanälen gibt es Kanäle, deren Leitfähigkeit nur geringfügig vom Zellmembranpotenzial beeinflusst wird, wie etwa der epitheliale Na+-Kanal (ENaC). Der Na+-Kanal in den erregbaren Zellen (z. B. Herz, Skelettmuskeln, Ner-

1

14


1

. Abb. 1.6. Aktivierung und Inaktivierung des spannungsabhängigen Na+-Kanales in erregbaren Zellen. In Ruhe (links) hält das außen positive Zellmembranpotenzial den Kanal verschlossen, da das elektrische Feld eine positive Ladung im Verschlussmechanismus (gate) zur Zellinnenseite drängt (blauer Pfeil). Bei Depolarisation (Mitte) fällt die Wirkung des elektrischen Feldes weg und das gate öffnet sich

(roter Pfeil). Na+ strömt durch den geöffneten Kanal in die Zelle. Innerhalb einer Millisekunde wird die nun frei zugängliche Öffnung des Kanals durch einen »Ball« verschlossen und damit »inaktiviert« (rechts). Erst bei Repolarisation gibt der Ball die Öffnung wieder frei und der Kanal kann erneut aktiviert werden (links) (nach Koester aus Kandel et al.)

venzellen) weist hingegen eine hohe Spannungsabhängigkeit auf. Der spannungsabhängige Na+-Kanal ist bei einem Membranpotenzial von - 90 mV (Ruhemembranpotenzial) weitgehend verschlossen. Durch Depolarisation wird er schlagartig geöffnet (aktiviert) und binnen einer Millisekunde wieder verschlossen (inaktiviert). Er bleibt dann inaktiviert, solange die Zelle depolarisiert ist. Bei einer Repolarisation der Zelle bleibt der Kanal zunächst verschlossen, er wird jedoch wieder aktivierbar, d. h. er wird durch eine erneute Depolarisation wieder geöffnet (. Abb. 1.6).

Im Herzen werden durch die initiale Depolarisation die einwärtsgleichrichtenden K+-Kanäle verschlossen und spannungsabhängige Ca2+-Kanäle geöffnet. Die Unterbindung des repolarisierenden K+-Ausstroms sowie der Na+und Ca2+-Einstrom halten die Depolarisation dann für einige hundert Millisekunden aufrecht (Plateau). Erst die verzögerte Aktivierung von K+-Kanälen und die verzögerte Inaktivierung von Ca2+-Kanälen leiten dann die Repolarisation ein.

Aktionspotenzial. Die Eigenschaft der spannungsabhängigen Na+-Kanäle ist wichtige Voraussetzung für die schnelle Depolarisation einer erregbaren Zelle während eines Aktionspotenzials (. Abb. 1.7). Wird die Zellmembran bis zur Schwelle der Na+-Kanäle depolarisiert, dann führt die Öffnung dieser Kanäle zu einem lawinenartigen Einstrom von Na+ in die erregbare Zelle und damit zu einer schlagartigen weiteren Depolarisation, die zu einem völligen Potenzialverlust oder sogar zu einer Potenzialumkehr (innen positiv) führen kann. In den Neuronen dauert diese Depolarisation wegen der sofortigen Inaktivierung der Na+-Kanäle nur etwa eine Millisekunde. Unmittelbar nach dem Aktionspotenzial hyperpolarisiert die Zellmembran (Nachpotenzial) wegen der noch anhaltenden Aktivierung der K+-Kanäle und der Transporttätigkeit der elektrogenen Na+/K+-ATPase, die das eingeströmte Na+ wieder aus der Zelle pumpt (7 Kap. 1.3.2). Durch die schnelle Inaktivierung der Na+-Kanäle fließt freilich pro Aktionspotenzial nur sehr wenig Na+ in die Zelle.

Refraktärität. Unmittelbar nach dem Aktionspotenzial kann die Zellmembran (aufgrund noch inaktiver Na+-Kanäle) gar nicht (absolute Refraktärität) oder nur schwer (relative Refraktärität) erregt werden. In Kürze

Elektrische Phänomene an Zellen 4 Ungleiche Ionenverteilung über Zellmembran, hohe K+- (und Cl--)Leitfähigkeit, geringe Na+-Leitfähigkeit o Ruhemembranpotenzial außen positiv, durch Ionenkanäle (v. a. K+) und elektrogene Transportprozesse beeinflusst. Ionenströme entstehen bei Abweichungen vom Gleichgewichtspotenzial (E = – 61 mV · lg ci/c e, NernstGleichung) 4 Potenzial K+-, Na+-, und Cl--permeabler Membranen kann durch Goldmann-Gleichung abgeschätzt werden 4 Elektrische Erregung: Depolarisation l Öffnung spannungsabhängiger Na+- und Ca2+-Kanäle

15 1.6 · Zellproliferation und Zelltod

. Abb. 1.7. Aktionspotenziale (oben) und zugrunde liegende Ionenströme (unten) im Nerven (links) und Herzmuskel (rechts). Die absoluten Ströme sind von Zelle zu Zelle sehr verschieden. Ge-

1.6

Zellproliferation und Zelltod

1.6.1

Zellproliferation

! Täglich sterben Hunderte von Millionen an Zellen in unserem Körper, die durch Neubildung von Zellen (Zellproliferation) ständig neu gebildet werden müssen.

Zellproliferation. Die kontrollierte Teilung einer Zelle in ihre Tochterzellen erfordert den Ablauf einer komplizierten Sequenz von Ereignissen, die unter anderem die Aktivierung von K+-Kanälen und Ca2+-Kanälen, von Na+/H+-Austauscher und weiteren Transportproteinen sowie eine Zellvolumenzunahme erfordert. Bei der Stimulation der Zellproliferation werden unter Vermittlung von G-Proteinen 1,4,5-InsP3 und 1,3,4,5-InsP4 gebildet, Tyrosinkinasen aktiviert und mehrere Kinasekaskaden ausgelöst (7 Kap. 10.1.3 und Lehrbücher der Biochemie). Der konzertierte Ablauf dieser Signalwege ist Voraussetzung für eine geordnete

zeigt sind daher relative Ströme (im logarithmischen Maßstab). Ferner sind absolute und relative Refraktärzeit angegeben (nach Schmidt et al.)

Zellteilung. Durch Hemmung einzelner Elemente der Signalkaskade, z. B. durch Hemmung der K+- oder Ca2+-Kanäle kann die Zellproliferation gestoppt werden. Mitogene. Die Signalkaskade der Zellproliferation wird

durch Mediatoren (Mitogene bzw. Wachstumsfaktoren) und einige Hormone (z. B. Insulin) ausgelöst. Beispielsweise wird bei Gefäßverletzung von den Blutplättchen ein Mediator abgegeben, der unter anderem die Zellproliferation stimuliert (platelet derived growth factor) und auf diese Weise die Heilung einleitet. Unkontrollierte Zellproliferation kann unter anderem durch Mutationen einzelner Signalmoleküle (Onkogene) zustande kommen, die auch ohne Stimulation durch Wachstumsfaktoren aktiviert bleiben. Die Zelle teilt sich autonom und gibt diese Eigenschaft an ihre Tochterzellen weiter. Auf diese Weise können Tumore entstehen.

1

16

1


1.6.2

Zelltod

! Man unterscheidet zwei Formen von Zelltod, die Apoptose (programmierter Zelltod) und die Nekrose. Bei der Apoptose wird der Zelltod durch ein intrazelluläres Programm aktiv eingeleitet, bei der Nekrose durch äußere Bedingungen der Zelle aufgezwungen. Nekrose ist ein a priori pathologischer Prozess, Apoptose ist ein physiologischer Vorgang, der parallel zur Zellproliferation den jeweils erforderlichen Bestand an funktionierenden Zellen gewährleistet.

Apoptose. Apoptose wird durch eine Signalkaskade ver-

mittelt, die letztlich zu Zellschrumpfung, zu Fragmentation der DNA, Kondensation des nukleären Chromatins, Fragmentation des Nukleus und zur Abschnürung kleiner Zellanteile, den apoptotischen Körperchen führt. In der Zellmembran wird Phosphatidylserin nach außen gelagert. Phosphatidylserin an der Oberfläche apoptotischer Zellen bindet an Rezeptoren von Makrophagen, welche die apoptotischen Zellen phagozytieren und dann intrazellulär abbauen. Bei Apoptose kommt es zur Aktivierung intrazellulärer Proteinasen aus der Familie der Caspasen (Cystein-haltige, bei Aspartat schneidende Proteinasen). Die oben genannten Rezeptoren bzw. Stimuli aktivieren über verschiedene intermediäre Enzyme Caspase 3, das ein Schlüsselenzym für die Exekution von Apoptose ist. Caspase 3 vermittelt direkt oder indirekt die Spaltung vieler zellulärer Proteine, eine Fragmentation der nukleären DNA, Veränderungen des Zytoskeletts und eine Disintegration der Zelle. Apoptose kann durch Einlagerung der Proteine Bax, Bad und Bid in die Mitochondrien ausgelöst werden. Folge ist eine Permeabilitätssteigerung und Depolarisation der Mitochondrienmembran mit Freisetzung von mitochondrialem Cytochrom C. Cytochrom C bindet an ein Adapterprotein (APAF-1), der Komplex bindet Caspase 9, die damit aktiviert wird und weitere Caspasen aktiviert. Die Zellschrumpfung ist u. a. Folge einer Aktivierung von Cl--Kanälen und einer Hemmung des Na+/H+-Austauschers. Apoptose wird durch bestimmte Mediatoren ausgelöst, wie etwa durch den tumor necrosis factor (TNFα) oder den CD95-Liganden. Die Signalkaskade, welche zur Apoptose

führt, kann ferner durch Strahlen und Gifte ausgelöst werden. Gehen zu viele Zellen eines Organs apoptotisch zugrunde, dann kann das Organ seine Funktion nicht mehr hinreichend erfüllen (Organinsuffizienz). Wird andererseits der apoptotische Zelltod unterbunden, dann droht die Entwicklung von Tumorzellen. Bestimmte Viren können z. B. die Apoptose der von ihnen befallenen Zellen hemmen und damit Tumore erzeugen. Nekrose. Im Gegensatz zur Apoptose ist die Nekrose keine

geordnete Entfernung von Zellen. Nekrose wird beispielsweise dann ausgelöst, wenn die Energie nicht mehr ausreicht, um die Na+/K+-ATPase zu betreiben. In der Folge schwellen die Zellen, bis die Integrität der Zellmembran nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Das Aufbrechen der Zellmembran besiegelt in der Regel das Schicksal der Zelle, da es zum endgültigen Zusammenbruch der Gradienten führen muss. Auch eine direkte Schädigung der Zellmembran, etwa durch mechanische Einflüsse, Strahlen oder Gifte, kann Nekrose auslösen. Folge ist schließlich die Freisetzung intrazellulärer Makromoleküle und damit die Auslösung einer lokalen Entzündung (7 Kap. 2.5). In Kürze

Zellproliferation 4 Mitogene (Wachstumsfaktoren, Insulin) o Zellproliferation o u. a. K+-Kanäle n, Ca2+-Kanäle n, Na+/H+-Austauscher n, G-Proteine n, 1,4,5-InsP3 n, 1,3,4,5-InsP4 n, Tyrosinkinasen n, Kinasekaskaden n 4 Onkogene o unkontrollierte Zellproliferation

Zelltod 4 Apoptose: Aktivierung Todesrezeptoren, Einlagerung von Bax, Bad und Bid in Mitochondrien, mitochondriale Depolarisation, langanhaltende Steigerung der intrazellulären Ca2+-Konzentration o Caspase-Kaskade o DNA Fragmentierung, Phospholipid-Umlagerung der Zellmembran, Bläschenbildung, Zellschrumpfung o phagozyotische Entfernung 4 Nekrose. Energiemangel, Zellmembranleck, Na+/K+ATPase-Hemmung o Zellschwellung o Zellplatzen

2

2 Blut und Immunsystem 2.1

Blut

– 18

2.1.1 Zelluläre Blutbestandteile 2.1.2 Plasma – 18

2.2

Erythrozyten

– 18

– 19

2.2.1 Eigenschaften und Funktion – 19 2.2.2 Pathophysiologie der Erythrozyten

2.3

Blutplasma

– 23

2.3.1 Transportfunktion – 23 2.3.2 Niedermolekulare Bestandteile 2.3.3 Plasmaproteine – 23

2.4

– 21

– 23

Hämostase und Fibrinolyse

– 27

2.4.1 Thrombozyten – 27 2.4.2 Hämostase – 28 2.4.3 Fibrinolyse – 30

2.5

Abwehrsystem und zelluläre Identität (Immunologie) – 32

2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5

Leukozyten – 32 Unspezifische Abwehr – 34 Spezifische Abwehr – 35 Entzündungsreaktionen – 37 Blutgruppen – 38

18

2

Kapitel 2 · Blut und Immunsystem

> > Einleitung

2.1.2

Der Körper des erwachsenen Menschen enthält normalerweise 4–6 l Blut, das sind etwa 6–8% des Körpergewichts. Bei Kindern ist der relative Anteil des Blutes am Körpergewicht etwa 10%. Blut dient dem Transport von O2 und CO2, Substraten, Abfallprodukten, Hormonen und Wärme. Komponenten der Hämostase dienen bei Verletzung eines Gefäßes einer Abdichtung der defekten Stelle zur Verhinderung von Blutverlust. Komponenten der Fibrinolyse schränken andererseits die inadäquate Gerinnung des Blutes ein, welche ja sonst zum Stillstand des Blutflusses führen würde. Das Blut enthält ferner wesentliche Elemente der Immunabwehr, die v. a. fremde Organismen und Schadstoffe (Toxine), aber auch schädliche oder unnütze körpereigene Zellen entfernen sollen.

! Blutplasma ist eine proteinreiche Extrazellulärflüssigkeit

Plasma

Proteine. Der nichtzelluläre Anteil des Blutes (0,58 , 0,55 ) ist Plasma, eine proteinreiche Extrazellulärflüssigkeit. Die Plasmaproteine werden nach ihrem Verhalten in der Elektrophorese in Albumine sowie α-, β-, und γ-Globuline eingeteilt (7 Kap. 2.3). Sie dienen einer Vielzahl von Aufgaben, wie etwa dem Transport schwer wasserlöslicher Substanzen, der Immunabwehr und der Blutgerinnung. Die meisten Proteine können die Blutbahn nicht verlassen und halten daher kolloidosmotisch (bzw. onkotisch) Blutwasser zurück. Solute. Die weitere Zusammensetzung des Blutplasma ent-

2.1

Blut

2.1.1

Zelluläre Blutbestandteile

spricht im Wesentlichen der Zusammensetzung des übrigen Extrazellulärraums (. Tab. 2.1). An Plasmaproteine gebundene Substanzen (z. B. Fette, Calcium) weisen entsprechend höhere Konzentrationen im Blutplasma als im übrigen Extrazellulärraum auf.

! Blut enthält Erythrozyten, Leukozyten und Thrombozyten

Erythrozyten. Zu fast der Hälfte besteht das Blut aus roten Blutkörperchen (Erythrozyten), die im Wesentlichen den Transport von O2 und CO2 gewährleisten (7 Kap. 5.7). Leukozyten. Verschieden spezialisierte Leukozyten des

Blutes dienen der Immunabwehr des Körpers (7 Kap. 2.5.1). Nach morphologischen Kriterien werden sie in Granulozyten (enthalten intrazelluläre Granula), Monozyten (enthalten einen großen, gelappten Kern) und Lymphozyten (haben einen runden Kern) eingeteilt. Die Granulozyten lassen sich nach der Färbbarkeit ihrer Granula mit entsprechenden Farbstoffen weiter in eosinophile, neutrophile und basophile Granulozyten einteilen.

. Tab. 2.1. Bestandteile des Blutes mit gerundeten Normalwerten der Konzentrationen Sonstige Substanzen

[mmol/l]

[mg/100 ml]

Hämoglobin

2,5

16.000

Aminosäuren

2

5

Glukose

5

90

Fettsäuren (frei)

1

30

Triacylglyzerine

1

100

Cholesterin (gesamt) Cholesterin (frei)

5 2

200 80

Harnstoff

4

4

Harnsäure

0,3

5

Thrombozyten. Die Thrombozyten des Blutes sind an der

Kreatinin

0,1

1

Blutungsstillung beteiligt (7 Kap. 2.4).

Bilirubin (gesamt)

0,01

0,5

Hämatokrit. Der Anteil von roten korpuskulären Elementen

(Erythrozyten), der Hämatokrit, liegt normalerweise bei 0,42 ( ) bzw. 0,45 ( ).

Ammoniak

0,06

0,1

Eisen

0,02

0,1

Osmolarität

300 mosmol/l

19 2.2 · Erythrozyten

In Kürze

Blut 4 Zelluläre Blutbestandteile: Erythrozyten, neutrophile, basophile und eosinophile Granulozyten, Monozyten, Lymphozyten und Thrombozyten 4 Blutplasma: Albumine, α-, β-, γ-Globuline, Hormone, extrazelluläre Zusammensetzung von Soluten

2.2

Erythrozyten

2.2.1

Eigenschaften und Funktion

! Erythrozyten sind spezialisiert, den Transport von Blutgasen zu gewährleisten

Bedeutung. Entscheidende Aufgabe der Erythrozyten ist der Transport von O2 im Blut (7 Kap. 5.7). Die Erythrozyten spielen ferner beim Transport von CO2 eine wesentliche Rolle (7 Kap. 5.7). Form. Die Erythrozyten gleichen normalerweise flachen

Scheibchen mit einem Durchmesser von etwa 7,5 µm und einem etwas aufgetriebenen Rand (. Abb. 2.1). Die Erythrozyten sind normalerweise ausgesprochen verformbar und können somit die engen Blutkapillaren passieren. Die Form normaler Erythrozyten bietet ferner den Vorteil einer großen Oberfläche und von kurzen Diffusionsstrecken für O2 zum Hämoglobin. Bei Schwellung nehmen die Erythrozyten eine kugelige Form an (Sphärozyten), bei Schrumpfung Stechapfelform (Echinozyten). Sowohl die Sphärozyten als auch die Echinozyten sind in ihrer Verformbarkeit wesentlich eingeschränkt. Derart verformte Erythrozyten weisen eine verkürzte Lebensdauer auf. O2-Transport. Die entscheidende Aufgabe der Erythrozy-

ten, der Transport von O2, wird durch das Hämoglobin bewerkstelligt, das etwa ein Drittel des Feuchtgewichts von Erythrozyten ausmacht. Das Hämoglobin besteht aus vier Untereinheiten mit jeweils einer Proteinkette (Globin) und einem eisenhaltigen Porphyrinring (Häm), der eigentlichen Bindungsstelle für O2. Hämoglobin hat die Eigenschaft, reversibel O2 zu binden. Bei der Passage der Erythrozyten durch die Blutkapillaren der Lunge nimmt Hämoglobin O2 auf, bei Passage der Blutkapillaren anderer Gewebe gibt Hämoglobin O2 ab. Eine Abnahme der Konzentration an Ery-

. Abb. 2.1. Erythrozyten. Oben: Bikonkave Scheibenform normaler Erythrozyten. Unten: Stechapfelform (Echinozyt), die u. a. nach Einbringen von Erythrozyten in hypertone Salzlösungen auftritt (nach Bessis)

throzyten bzw. an Hämoglobin beeinträchtigt somit den O2-Transport im Blut und kann lebensbedrohliche Ausmaße annehmen. Der O2-Transport kann ferner bei herabgesetzter O2-Bindungsfähigkeit von Hämoglobin beeinträchtigt sein: Beispielsweise kann das Eisen des Häm von Fe2+ zu Fe 3+ oxidiert werden und damit seine O2-Bindungsfähigkeit verlieren (Methämoglobin). O2 kann ferner durch Kohlenmonoxid von der Bindungsstelle verdrängt werden (7 Kap. 5.7). Mechanische Eigenschaften. Nachdem Hämoglobin einen

wesentlichen Anteil am Erythrozytenvolumen ausmacht, bestimmt es auch die mechanischen Eigenschaften der Erythrozyten. Bei der Sichelzellanämie, ist z. B. eine Aminosäure in der Eiweißkette des Hämoglobins vertauscht. Das Hämoglobin hat dadurch die Neigung, nach Abgabe von O2 (Desoxigenierung) seine Struktur zu verändern. Die Erythrozyten nehmen in der Folge eine starre Sichelform ein

2

20

2

Kapitel 2 · Blut und Immunsystem

und bleiben in der Peripherie hängen. Die Verstopfung der Gefäße durch deformierte Sichelzellen (Beeinträchtigung der Mikrozirkulation) führt lokal zu O2-Mangel, zu weiterer »Sichelung« von Erythrozyten und letztlich zur ischämischen Schädigung des Gewebes. Membrantransport. Die Erythrozyten weisen ein Membranpotential von etwa -10 mV auf. Die Membran ist vorwiegend für Cl- leitfähig. Cl- verteilt sich weitgehend passiv über die Zellmembran und erreicht so eine intrazelluläre Konzentration von etwa 70 mmol/l. Durch die Na+/K+-ATPase in der Zellmembran wird die intrazelluläre Na+-Konzentration niedrig und die intrazelluläre K+-Konzentration hoch gehalten. Die K+-Leitfähigkeit ist gering, die Na+-Leitfähigkeit geht normalerweise gegen Null. Eine Aktivierung der K+-Kanäle führt zur Hyperpolarisation, die Cl- aus der Zelle treibt und damit die Erythrozyten schrumpfen lässt. Eine Zunahme der Na+-Leitfähigkeit depolarisiert die Erythrozyten und fördert damit Cl--Einstrom und Zellschwellung. Auch Hemmung der Na+/K+-ATPase führt letztlich zur Zellschwellung durch Depolarisation. Ein wesentliches Transportprotein in der erythrozytären Zellmembran ist der Cl-/HCO3–-Austauscher (Bande-3-Protein), der den Transport von HCO3– über die Zellmembran erlaubt (7 Kap. 5.7). Stoffwechsel. Da die Erythrozyten im Wesentlichen als

»Hämoglobinbehälter« dienen, ist ihr Energiebedarf gering. Ihr Stoffwechsel ist daher äußerst begrenzt. Der Erythrozyt verliert während seiner Reifung Zellkern, Ribosomen und Mitochondrien und mit ihnen die Fähigkeit zu Zellteilung, Enzymsynthese und oxidativer Energiegewinnung. Der Erythrozyt gewinnt seine Energie (in Form von ATP) ausschließlich durch Abbau von Glukose zu Laktat und Pyruvat. ATP wird z. B. für die Aufrechterhaltung der Ionengradienten über die Zellmembran durch die Na+/K+-ATPase benötigt. Der Abbau von Glukose liefert dem Erythrozyten ferner NADH (aus glykolytischem Abbau von Glukose zu Pyruvat) und NADPH (aus dem Pentosephosphatweg). Der Erythrozyt benötigt NADH zur Reduktion von Methämoglobin, eine Voraussetzung für den O2-Transport. NADPH wird zur Bereitstellung von reduziertem Glutathion benötigt, das zur Reduktion von S-S-Gruppen zu SH-Gruppen eingesetzt wird. Vor allem SH-Gruppen von Proteinen in der Zellmembran werden ständig zu S-S-Gruppen oxidiert und müssen dann wieder reduziert werden. Mangelhafte Reduktion der S-S-Gruppen (z. B. bei Glutathionreduktasemangel)

steigert die Permeabilität der Membran u. a. für Na+. Kann der Na+-Einstrom dann durch die Na+/K+-ATPase nicht kompensiert werden, dann droht Zellschwellung und letztlich das Platzen der Erythrozyten (Hämolyse), erkennbar am Austreten von Hämoglobin, also am Rotfärben des Plasmas. Osmotische Resistenz. Die Emfpindlichkeit von Erythro-

zyten gegenüber einer Senkung der extrazellulären Osmolarität wird in der Klinik zur Diagnose von erythrozytären Erkrankungen getestet. Dazu wird Blut mit unterschiedlich hypotonen Lösungen gemischt (meist 10 µl Zitratblut mit 1 ml hypotoner Lösung). Normalerweise sind die Erythrozyten in der Lage, eine Herabsetzung der extrazellulären Osmolarität um etwa 40 % (0,54 % NaCl bzw. 75 mmol/l NaCl) zu tolerieren, ohne dass Hämolyse auftritt. Eine Herabsetzung der Osmolarität auf 0,34 % NaCl (bzw. 57 mmol/ l NaCl) hat normalerweise vollständige Hämolyse zur Folge. Gesteigerte Na+-Permeabilität der Zellmembran (z. B. bei Enzymdefekten des Pentosephosphatzyklus) mindert die osmotische Resistenz, da der Na+-Einstrom die Zellen schwellen lässt (7 Kap. 9.1.2). Die osmotische Resistenz ist auch bei Fehlen bestimmter Elemente des Zytoskeletts (Spektrin bei Sphärozytose) herabgesetzt. Die osmotische Resistenz ist dagegen bei reduziertem Hämoglobingehalt der Erythrozyten (z. B. bei Eisenmangel und einigen Hämoglobinopathien) gesteigert. Bildung, Lebensdauer und Abbau. Die Erythrozyten wer-

den vom fetalen Organismus in Leber und Milz, beim Erwachsenen im roten Knochenmark gebildet (. Abb. 2.2). Vorläufer der Erythrozyten sind die pluripotenten Stammzellen, aus denen letztlich alle Blutzellen entstehen können. Aus den pluripotenten Stammzellen entstehen binnen 4–6 Tagen über determinierte Stammzellen, Proerythroblasten und Erythroblasten die Normozyten, die durch Ausstoßung des Zellkerns die Retikulozyten bilden. Nach Verlust der Zellkerne sind die Retikulozyten beweglich genug, um durch die Schlitze der Knochenmarksinus in das Blut zu entweichen. Im peripheren Blut verlieren sie innerhalb von einem Tag ihre Mitochondrien und Ribosomen und entwickeln sich zu reifen Erythrozyten. Die mittlere Lebensdauer der Erythrozyten beträgt 100–120 Tage. Sie werden vorwiegend durch das retikuloendotheliale System von Knochenmark, Leber und Milz abgebaut. Der Abbau wird durch die Alterung der Erythrozyten begünstigt: Die Abnahme der (ja nicht mehr neu synthetisierbaren) Enzyme der Glykolyse und des Pentosephos-

21 2.2 · Erythrozyten

. Abb. 2.2. Bildung von Blutzellen. (AG = Antigen, BFU = burst forming unit, CFU = colony forming unit [E = Erythrozyten, G = Granulozyten, M = Monozyten, Mega = Megakaryozyten, Bas = basophile Gra-

nulozyten, Eo = eosinophile Granulozyten], Epo = Erythropoietin, IL = Interleukin, SCF = Stammzellfaktor, CSF = colony stimulating factor, . Tab. 12.2) (Nach Weiss und Jelkmann aus Schmidt et al.)

phatzyklus führt zu Mangel an ATP, NADH und NADPH. Folgen sind u. a. Zellschwellung und ein erhöhter Anteil an Methämoglobin.

2.2.2

Regulation der Erythropoiese. Die Zahl der Erythrozyten im Blut wird in erster Linie durch Erythropoietin reguliert. Das Glykoprotein (Molekularmasse etwa 30 kDa) wird hauptsächlich in den adulten Nieren, aber auch in der fetalen Leber gebildet. Seine Ausschüttung wird bei O2-Mangel gesteigert. Weitere Hormone, welche die Erythropoiese fördern, sind Testosteron (7 Kap. 11.4), Schilddrüsenhormone (7 Kap. 10.3), Somatotropin (7 Kap. 10.3) und Kortisol (7 Kap. 10.3). Zeichen einer gesteigerten Erythropoiese ist vermehrtes Auftreten (> 1 %) von Retikulozyten im peripheren Blut.

Pathophysiologie der Erythrozyten

! Sowohl ein Mangel (Anämie) als auch ein Überschuss (Polyglobulie) an Erythrozyten hat pathophysiologische Auswirkungen

Anämie. Auch bei normaler Erythrozytenzahl schränkt ein

Mangel an Hämoglobin die Transportfähigkeit des Blutes für O2 ein (Hämoglobinkonzentration 100 Liter/Minute)

aufrechter Haltung wird der Kapillardruck durch die Schwerkraft in den oberen Lungenabschnitten herabgesetzt und in den basalen Lungenabschnitten gesteigert. In der Lungenspitze kann der Perfusionsdruck unter den Alveolardruck sinken, folglich kollabieren die Kapillaren und die Perfusion bricht zusammen. Gleichzeitig ist auch die Ventilation der oberen Lungenabschnitte in aufrechter Haltung eingeschränkt. Das Ventilationsperfusionsverhältnis ist in den oberen Lungenabschnitten dennoch etwas höher als in den unteren Lungenabschnitten, d. h. das Blut, das die oberen Lungenabschnitte passiert, wird besser mit Sauerstoff gesättigt. Einfluss von Muskelarbeit. Bei gesteigertem O2-Bedarf des

Körpers, z. B. während schwerer Muskelarbeit, nehmen Herzminutenvolumen und Perfusionsdruck im Pulmonalkreislauf zu und die apikalen Lungenabschnitte werden verstärkt perfundiert. Durch Zunahme der Atemtiefe werden die oberen Lungenabschnitte dann auch stärker ventiliert, sodass die regionalen Unterschiede von Perfusion und Ventilation schwinden. In Kürze

5.5.2

Beeinflussbarkeit der Lungenperfusion

! Die Perfusion von Lungengefäßen wird durch O2-Partialdruck und Perfusionsdruck reguliert

Einfluss von O2 auf die Perfusion. Für die Anpassung der Perfusion an die Ventilation einzelner Alveolen spielt die O2Empfindlichkeit der Pulmonalgefäße eine entscheidende Rolle. In schlecht ventilierten Alveolen sinkt der O2-Partialdruck und führt zu einer Vasokonstriktion der zuführenden Pulmonalgefäße (Euler-Liljestrand-Mechanismus). Auf diese Weise wird gewährleistet, dass nur diejenigen Alveolen perfundiert werden, die auch hinreichend ventiliert sind. Bedeutung der Körperstellung. Der Kapillardruck in den Lungenkapillaren beträgt im Mittel nur etwa 8 mmHg. In

Lungenperfusion Eigenschaften der Lungengefäße 4 Gefäßdruckwerte: Arteria pulmonalis ≈20/7 mmHg, Kapillaren ≈8 mmHg 4 Strömungswiderstand: Gering, nimmt bei Druckzunahme ab Beeinflussbarkeit der Lungenperfusion 4 O2 p o Vasokonstriktion (Euler-LiljestrandMechanismus) 4 Aufrechte Haltung o Perfusion obere Lungenabschnitte p 4 Muskelarbeit o O2-Bedarf n o Herzminutenvolumen n o Perfusion oberer Lungenabschnitte n

115 5.6 · Gasaustausch in der Lunge

5.6

Gasaustausch in der Lunge

5.6.1

O2-Aufnahme, CO2-Abgabe

! Die wichtigste Aufgabe der Lunge ist die O2-Aufnahme und CO2-Abgabe

O2-Aufnahme. Der Körper gewinnt seine Energie überwie-

gend aus oxidativer Verbrennung. Dazu ist die Aufnahme von O2 erforderlich (normalerweise ≈280 ml/min). Die eingeatmete Luft enthält normalerweise zu etwa 21% O2, das entspricht auf Meereshöhe einem Partialdruck von ≈21 kPa. In den Alveolen mischt sich die Luft mit dem Gasgemisch in den Alveolen, der mittlere O2-Partialdruck beträgt in den Alveolen ≈13 kPa. Das aus den Pulmonalarterien kommende desoxygenierte Blut weist einen geringeren Partialdruck auf und O2 diffundiert daher aus den Alveolen in das Blut. Während der Passage der alveolären Kapillaren erreicht der O2-Partialdruck im Blut normalerweise den Partialdruck in den Alveolen und das Hämoglobin des durchströmenden Blutes wird fast vollständig aufgesättigt (7 Kap. 5.7.1). In der Peripherie passiert das Blut Gewebe mit niederem O2-Partialdruck und das Blut gibt O2 wieder ab (7 Kap. 5.7.1). CO2-Abgabe. Das in der Peripherie gebildete CO2 (normalerweise ≈220 ml/min) muss im Gewebe vom Blut aufgenommen und zur Lunge transportiert werden, wo es in die Alveolen diffundiert (≈5 kPa) und abgeatmet wird. CO2 ist zwar 20-mal besser in Wasser löslich als O2, der Transport von physikalisch gelöstem CO2 reicht jedoch nicht aus, um die erforderlichen Mengen an CO2 zu transportieren, sondern CO2 wird im Blut vorwiegend als HCO–3 transportiert (7 Kap. 5.7.2). RQ. Der respiratorische Quotient (RQ), das Verhältnis der CO2-Abgabe über der O2-Aufnahme, erlaubt eine Aussage über die Energiesubstrate, wie an anderer Stelle ausgeführt wird (7 Kap. 8.1.2).

5.6.2

Ventilation

! Maßgebend für die alveolare O2- und CO2-Konzentration und damit den Gasaustausch ist die alveolare Ventilation

˙ a) ist eine AlveolareVentilation. Die alveolare Ventilation (V Funktion von Atemzugsvolumen (Vt), Totraumvolumen (Vd) und Atemfrequenz (f).

˙ a = (Vt – Vd) · f V Sie nimmt daher sowohl bei zunehmender Atemtiefe (Vt) als auch bei zunehmender Atemfrequenz zu. Einfluss der Ventilation auf die CO2-Abgabe. Eine Abnah-

me der alveolären Ventilation führt zu einer Zunahme des alveolären CO2-Partialdruckes und damit zu einer Behinderung der CO2-Abgabe. Eine Zunahme der Ventilation führt umgekehrt zu einer Abnahme des CO2-Partialdruckes im Blut. Einfluss der Ventilation auf die O2-Aufnahme. Der alveolare O2-Partialdruck ist ebenfalls eine Funktion der alveolären Ventilation. Allerdings ist die O2-Aufnahme des Blutes bereits bei normaler Ventilation annähernd maximal und kann durch Zunahme der Ventilation nur noch geringfügig gesteigert werden (7 Kap. 5.7.1). Auch eine mäßige Abnahme der Ventilation und ein entsprechend mäßiger Abfall des alveolaren O2-Partialdruckes mindert die O2-Aufnahme des Blutes nur geringfügig, da auch bei mäßig reduziertem O2-Partialdruck Hämoglobin weitgehend mit O2 gesättigt ist (7 Kap. 5.7.1). Die maximale O2-Aufnahme ist eine Funktion der Menge an nichtoxygeniertem Hämoglobin, das die Lungenalveolen passiert. Sie ist damit eine Funktion des maximalen Herzminutenvolumens.

5.6.3

Diffusion

! Die Diffusionskapazität ist eine Funktion von Diffusionsfläche/Diffusionsstrecke. Bei Abnahme der Diffusionskapazität ist die O2-Aufnahme bei körperlicher Belastung eingeschänkt

Determinanten der Diffusion. Wie bereits zuvor ausgeführt

(7 Kap. 5.3.2), ist die Menge an O2 oder CO2, welche pro ˙ ), eine Funktion von PartialZeiteinheit diffundiert (M druckunterschied zwischen Blut und Alveole (ΔP) und der Diffusionskapazität (DL) der Lunge: ˙ = DL · ΔP M Die Diffusionskapazität ist eine Funktion der Difffusionsfläche (F) und der Diffusionsstrecke (d): DL ~ F/d. Aufgrund der großen Diffusionskapazität der Lunge reicht die geringe Kontaktzeit des durchströmenden Blutes

5

116

Kapitel 5 · Atmung

mit den Alveolen (normalerweise ca. 0,7 Sekunden) aus, um das Blut mit den alveolaren Partialdrucken zu equilibrieren. Bei Steigerung des Herzminutenvolumens muss pro Zeiteinheit mehr Blut die Alveolen passieren und die Kontaktzeit des Blutes mit den Alveolen wird herabgesetzt. Eine Diffusionsstörung wird daher bei zunehmendem Herzminutenvolumen entlarvt. Bei Gesunden wird die Diffusion allerdings erst bei extremer körperlicher Belastung zum limitierenden Faktor der O2-Aufnahme.

5

Diffusionsstörungen. Bei einigen restriktiven Lungenerkrankungen (z. B. Lungenfibrose, 7 Kap. 5.4.2, Lungenödem, 7 Kap. 4.3), ist die Diffusionsstrecke gesteigert. Bei anderen restriktiven Lungenerkrankungen (z. B. chirurgische Entfernung eines Lungenflügels) ist die Diffusionsfläche herabgesetzt, ein größerer Anteil des Herzminutenvolumens muss an der verbleibenden Diffusionsfläche vorbei geschleust werden, und die Kontaktzeit in den Alveolen nimmt ab. Folge ist in beiden Fällen eine Diffusionsstörung. Bei Arbeit und zunehmendem Herzminutenvolumen entwickelt sich die Kontaktzeit dann schnell zum limitierenden Faktor bei der O2-Aufnahme. Der sich dabei entwickelnde Abfall der O2-Konzentration im Blut (Hypoxämie) kann durch Hyperventilation nur in Grenzen beeinflusst werden, da ja auch bei maximaler Ventilation der alveolare O2-Partialdruck nicht über 20 kPa gesteigert werden kann. Außerdem kann die Ventilation wegen der zunehmenden CO2-Abatmung nicht beliebig gesteigert werden. Die Diffusion von CO2 ist im Gegensatz zu der von O2 bei Diffusionsstörungen nur wenig beeinträchtigt, da CO2 ja sehr viel leichter diffundiert als O2 (7 Kap. 5.3.2).

5.6.4

Verteilung von Ventilation und Perfusion

! Normalerweise werden nur ventilierte Alveolen perfundiert. Eine Verteilungsstörung führt in erster Linie zur Hypoxämie

Anpassung von Perfusion und Ventilation. Eine ökonomische Atmung erfordert, dass Ventilation und Perfusion einer Alveole aufeinander abgestimmt sind. Die Ventilation nicht perfundierter Alveolen entspricht der Belüftung von Totraum und die Perfusion von nicht belüfteten Alveolen einem Rechts-Links-Shunt des Pulmonalblutes. Trotz erheblicher regionaler Unterschiede sowohl der Belüftung als auch der Perfusion der Lungenabschnitte treten normaler-

weise nur mäßige Unterschiede des Verhältnisses von Belüftung und Perfusion auf. Wie bereits erläutert wurde (7 Kap. 5.5.2), wird die Perfusion wenig ventilierter Alveolen durch die vasokonstriktorische Wirkung niederer O2Konzentrationen weitgehend unterbunden. Störungen der Ventilations- und Perfusionsverteilung. Bei Störungen der Ventilation einzelner Alveolen wird der Blutfluss zu diesen Alveolen gedrosselt. Sind größere Lungenbereiche betroffen, wie bei obstruktiven Lungenerkrankungen, dann steigt wegen der Widerstandszunahme im Pulmonalkreislauf der Pulmonaldruck und das rechte Herz wird einer Druckbelastung ausgesetzt. Bei anhaltend hohem Widerstand im kleinen Kreislauf kommt es dadurch zur Rechtsherzhypertrophie (Cor pulmonale). Bei unzureichender Drosselung des Blutstroms zu hypoventilierten Alveolen kommt es zur Beimischung von nicht O2-gesättigtem Blut in den Pulmonalvenen. Die herabgesetzte O2-Sättigung des beigemischten Blutes kann durch gesteigerte O2-Sättigung im Blut gut ventilierter Alveolen nicht ausgeglichen werden, da die O2-Sättigung ja bereits normalerweise 98% erreicht. Das Mischblut weist daher eine entsprechend reduzierte O2-Sättigung auf. Im Gegensatz dazu kann eine gesteigerte CO2Abatmung in gut ventilierten Alveolen die herabgesetzte CO2-Abatmung in schlecht belüfteten Alveolen ausgleichen. In Kürze

Gasaustausch in der Lunge O2-Aufnahme, CO2-Abgabe 4 O2-Aufnahme normalerweise ≈280 ml/min, O2Partialdruck eingeatmete Luft ≈21 kPa, Alveolen ≈13 kPa, Transport an Hämoglobin 4 CO2-Abgabe normalerweise ≈220 ml/min. Partialdruck Alveolen ≈5 kPa, Transport v. a. als HCO3– 4 RQ = CO2-Abgabe/O2-Aufnahme (0,7–1,0) Ventilation 4 Alveolare Ventilation: V˙ a = (Vt – Vd) · f; 4 CO2-Abgabe ist v. a. Funktion von alveolarer Ventilation, O2-Aufnahme v. a. Funktion des Herzminutenvolumens Diffusion ˙ ) ist Funktion von Parti4 Diffundierende Menge (M aldruckunterschied zwischen Blut und Alveole (ΔP) ˙ = DL · ΔP und Diffusionskapazität (DL): M 6

117 5.7 · Atemgastransport im Blut

4 Diffusionskapazität ist Funktion von Difffusionsfläche (F) und der Diffusionsstrecke (d): DL ~ F/d 4 Kontaktzeit normalerweise ≈0,7 Sekunden 4 Diffusionsstörungen: Lungenfibrose, Lungenödem o Diffusionsweg n o O2-Diffusion p o Hypoxämie bei Arbeit (Herzminutenvolumen n o Kontaktzeit in Alveolen p) Verteilung von Ventilation und Perfusion 4 Hypoventilation o O2 p o Vasokonstriktion o Perfusion hypoventilierter Alveolen p 4 Bei Hypoventilation großer Lungenanteile o Widerstand kleiner Kreislauf n o Cor pulmonale 4 Bei inkompletter Vasokonstriktion hypoventilierter Alveolen o Hypoxämie in Ruhe

5.7

Atemgastransport im Blut

5.7.1

O2

! O2 wird im Blut fast ausschließlich an Hämoglobin gebunden transportiert. Die O2-Affinität von Hämoglobin entscheidet über die O2-Abgabe im Gewebe

Bedeutung von Hämoglobin. Die bei normalem Alveolarpartialdruck physikalisch gelöste Menge an O2 reicht bei weitem nicht aus, um die Gewebe hinreichend mit O2 zu

versorgen. Etwa 98% des O2 wird an Hämoglobin gebunden zur Peripherie transportiert. Der O2-Transport im Blut ist daher von den Bindungseigenschaften des Hämoglobins abhängig. Die Form der Erythrozyten (7 Kap. 2.2) gewährleistet ein Minimum an Diffusionsstrecke für O2 vom Extrazellulärraum zum Hämoglobin. Der intraerythrozytäre Transport von O2 wird zudem durch Bindung an Hämoglobin und Diffusion von Oxyhämoglobin beschleunigt. Nur auf diese Weise ist eine fast vollständige Absättigung des Hämoglobins binnen der kurzen Kontaktzeit mit den Alveolen möglich. Sauerstoffbindungseigenschaften von Hämoglobin. Eine Einheit des Hämoglobins besteht aus dem tetrazyklischen Häm und dem Proteinanteil Globin (. Abb. 5.11). Das Häm enthält ein zweiwertiges Eisen, an das O2 gebunden wird. Vier solcher Einheiten bilden das Hämoglobinmolekül (Molekulargewicht 64 kDa), das somit maximal vier O2-Moleküle binden kann. Dabei besteht der Proteinanteil beim Erwachsenen aus je zwei α- und β-Ketten (HbA). Fetales Hämoglobin (HbF) enthält statt der beiden β-Ketten zwei γ-Ketten. Die O2-Bindungskapazität des Blutes ist praktisch mit der Menge an Bindungsstellen für O2 am Hämoglobin identisch. Die Affinität der Bindungsstellen entscheidet bei gegebenem O2-Partialdruck über das Ausmaß der Sättigung von Hämoglobin mit O2. Die Bindung von O2 an die erste Einheit steigert die Affinität der übrigen Einheiten für O2. Dadurch entsteht eine sigmoide O2-Bindungskurve des Hämoglobins. Bei niederen O2-Partialdrücken bindet Hämo-

. Abb. 5.11. Struktur des Hämoglobins (nach Thews aus Schmidt et al.)

5

118

5

Kapitel 5 · Atmung

globin O2 mit relativ geringer Affinität, d. h. die Steilheit der O2-Bindungskurve ist niedrig. Mit zunehmendem O2-Partialdruck nimmt die Steilheit der Kurve zu und O2 wird überproportional gut gebunden. Das Bindungsverhalten von Hämoglobin gewährleistet wegen der hohen O2-Affinität bei höheren O2-Partialdrücken eine annähernd maximale O2-Aufnahme in der Lunge. Bei einer Abnahme des normalen O2-Partialdruckes von etwa 100 mmHg (≈ 13,3 kPa) auf 60 mmHg (≈ 8 kPa) erreicht die O2-Sättigung immer noch annähernd 90%, d. h. die O2-Bindung in der Lunge wird durch mäßige Abnahme der Ventilation nicht wesentlich beeinträchtigt. Die O2-Abgabe wird im Gewebe durch den sigmoiden Verlauf der O2-Bindungskurve begünstigt. Eine Betrachtung der . Abb. 5.13 lehrt, dass O2 gesättigtes Hämoglobin bei Passage von Gewebe mit einem O2-Partialdruck um 15 mmHg (≈2 kPa) etwa 80% des gebundenen O2 abgibt, während bei einem Gewebepartialdruck von 40 mmHg (≈5,3 kPa) nur etwa 20% freigesetzt werden. Die O2-Abgabe reagiert also im Bereich zwischen 15 und 40 mmHg äußerst empfindlich auf den O2-Partialdruck im Gewebe. Damit wird erreicht, dass der O2-Partialdruck in peripheren Kapillaren meist nicht unter 15 – 40 mmHg sinkt.

phosphoglyzerat (2,3-BPG), sowie bei einer Abnahme des pH herabgesetzt (Rechtsverschiebung der O2-Bindungskurve, . Abb. 5.13). Durch die Wirkung von CO2 und pH wird die O2-Abgabe im relativ CO2-reichen und sauren peripheren Gewebe erleichtert, während der relativ geringe CO2-Partialdruck und der relativ alkalische pH in der Lunge die O2-Aufnahme begünstigen (Bohr-Effekt). Maternofetale O2-Diffusion. Der Hämoglobingehalt und damit die O2-Bindungskapazität ist im fetalen Blut deutlich höher als beim Erwachsenen. Dadurch wird in der Plazenta die Übernahme von O2 aus dem mütterlichen in das fetale Blut begünstigt. Fetales Hämoglobin (HbF) weist ferner eine höhere O2-Affinität auf als das Hämoglobin des Erwachsenen. Darüber hinaus nimmt bei Schwangeren die O2-Affinität des Hämoglobins ab, u. a. durch Zunahme des erythrozytären 2,3-BPG. Das fetale Blut wird in der Plazenta annähernd zur Hälfte mit O2 gesättigt, wobei das mütterliche Blut zu annähernd zwei Drittel desoxygeniert wird. Der plazentare Übergang von O2 wird durch die plazentare Ansäuerung des mütterlichen Blutes und Alkalisierung des fetalen Blutes gefördert (doppelter Bohr-Effekt).

Affinität des Hämoglobin wird bei einer Zunahme von CO2-Partialdruck, Temperatur und erythrozytärem Bi-

! Herabgesetzter O2-Gehalt des Blutes führt zur Zyanose. Oxidation des Hämeisens und CO-Vergiftung verhindern die Bindung von O2. Bei CO-Vergiftung ist das Blut nicht zyanotisch

. Abb. 5.12. O2-Aufnahme aus den Alveolen. Links: Trotz der kurzen Kontaktzeit mit den Alveolen, erreicht der O2-Partialdruck im vorbeiströmenden Blut praktisch den alveolären O2-Partialdruck. Rechts: Die O2-Bindungskurve ist im Bereich der alveolaren Drucke flach (rot) und im Bereich der Gewebspartialdrucke steil (blau). Die O2-Aufnahme

in der Lunge ist in weiten Grenzen nur gering vom alveolaren O2-Partialdruck abhängig (rot), d. h. Hyperventilation und mäßige Hypoventilation beeinträchtigen die O2-Aufnahme kaum. Die O2-Abgabe im Gewebe wird bei sinkendem O2-Gewebspartialdruck massiv gesteigert (blau)

Wirkung von CO2, pH, 2,3-BPG und Temperatur. Die O2-


Zyanose. Die Bindung von O2 bewirkt eine Änderung der

Absorptionseigenschaften des Hämoglobins. Daher ist O2gesättigtes Blut rot und desoxygeniertes Blut bläulich. Eine Blaufärbung der Haut (Zyanose) bzw. der Lippen tritt zutage, wenn die mittlere Konzentration von desoxygeniertem Hämoglobin 0,7 mmol/l (5 g/100 ml) übersteigt. Bei hohen Hämoglobinkonzentrationen wird dieser Wert relativ leicht erreicht und eine Zyanose kann auch bei adäquater O2-Versorgung des Gewebes auftreten. Umgekehrt kann eine Zyanose bei Anämie trotz O2-Mangel des Gewebes ausbleiben. Methämoglobin. Die Bindung von O2 an Hämoglobin kann

nur erfolgen, wenn das Eisen im Häm zweifach (Fe 2+ ) geladen ist. Bei Oxidation des Eisens zu Fe 3+ (Methämoglobin) ist keine Bindung von O2 mehr möglich. Da das Eisen spontan oxidiert wird, muss es durch ein Enzym des Erythrozyten (Methämoglobinreduktase) ständig wieder in Fe 2+ überführt werden. Mangelnde Funktion oder Überforderung der Reduktase führt zur Methämoglobinämie, die mit entsprechender Einschränkung des O2-Transportes einhergeht. Die Patienten sind wegen der Farbe des Methämoglobins zyanotisch. CO-Vergiftung. O2 kann durch Kohlenmonoxid (CO) aus der Bindungsstelle im Hämoglobin verdrängt werden, wobei die Affinität des CO zu Hämoglobin um den Faktor 350 höher ist als die von O2. Bei einem Anstieg des CO-Gehaltes der Luft auf nur 0,06 % bindet bereits etwa die Hälfte des Hämoglobin CO. Verschärfend kommt hinzu, dass die Bindung von CO an ein Häm die O2-Affinität der übrigen Bindungsstellen steigert, wodurch die O2-Abgabe im Gewebe beeinträchtigt wird. ! O2 diffundiert im Gewebe vom Gefäß zu den Zellen und wird dort in Mitochondrien verbraucht . Abb. 5.13. Sauerstoffbindungskurve von Hämoglobin. Oben: Einfluss von Temperatur, pH, Biphosphoglycerat (BPG). Mitte: Wirkung veränderter O2-Affinität auf die O2-Abgabe. Bei einem alveolaren O2Partialdruck von 100 mmHg und einem Gewebspartialdruck von 30 mmHg ist die Menge an O2, die an das Gewebe abgegeben wird (Länge der Pfeile), in hohem Maße von der O2-Affinität des Hämoglobin abhängig. Die O2-Abgabe ist bei gesteigerter Affinität (grün) wesentlich geringer als bei normaler (rot) oder herabgesetzter (blau) Affinität. Unten: Wirkung veränderter O2-Affinität auf den Gewebs-O2-Partialdruck. Der Gewebs-O2-Partialdruck, der die Abgabe von der Hälfte des an Hämoglobin gebundenen O2 bewirkt, hängt in hohem Maße von der O2-Affinität von Hämoglobin ab. Der Druck muss bei gesteigerter Affinität (grün) sehr viel stärker absinken, als bei normaler (rot) oder herabgesetzter (blau) Affinität

Sauerstofftransport und -verbrauch im Gewebe. Im Ge-

webe muss O2 nach Freisetzung aus dem Hämoglobin über die Kapillarwand und den Extrazellulärraum zu den Zellen diffundieren. Dazu ist ein Konzentrationsgradient erforderlich, sodass der O2-Partialdruck an den Zellen deutlich geringer ist als im Blut. Der aktuelle O2-Partialdruck in einer Zelle hängt vom O2-Verbrauch der Zelle, dem Abstand zur nächsten Kapillare und dem O2-Partialdruck in dieser Kapillare ab. Ist der O2-Verbrauch groß, die Distanz zur nächsten Kapillare weit und handelt es sich dabei um den venösen Schenkel einer Kapillare, dann ist der O2-Partialdruck entsprechend niedrig. Die minimalen Werte, die von

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Kapitel 5 · Atmung

Zellen ohne Einschränkung ihrer Funktion und Integrität toleriert werden, liegen im Bereich von 0,3–1 kPa (0,2– 0,8 mmHg). Bei Organen mit hohem O2-Bedarf, wie dem Herzen und dem Gehirn, sind die Kapillaren dicht beieinander und die Diffusionsstrecken von den Kapillaren zu den Zellen entsprechend kurz. Letztlich wird O2 für die Energiegewinnung durch oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien der Zellen benötigt. O2 muss also zu den Mitochondrien diffundieren. Vor allem im Skelettmuskel sind die intrazellulären Diffusionswege nicht unerheblich. In den Skelettmuskelund Herzmuskelzellen fördert Myoglobin die Diffusion von O2. Myoglobin bindet O2 mit einer deutlich höheren Affinität als Hämoglobin, die halbmaximale Sättigung wird bereits bei etwa 5–6 mmHg (0,7–0,8 kPa) erreicht. Myoglobin ist ferner ein kurzfristiger O2-Speicher, der im Myokard für 3 – 4 Sekunden den O2-Bedarf decken kann. Im Herzen ist das O2 aus dem Myoglobin vor allem während der Systole wertvoll, da durch die Kontraktion des Herzmuskels der Energiebedarf hoch und durch die Kompression der intramyokardialen Kapillaren die Blutzufuhr gedrosselt ist. ! Vermehrter O2-Bedarf von Geweben kann durch gesteigerte O2-Aussschöpfung und Durchblutung gedeckt werden

Sauerstoffausschöpfung. Der O2-Verbrauch eines Organs

˙ O 2) ist das Produkt aus der Durchblutung (V ˙ ) und der ar(V teriovenösen O2-Differenz, d. h. der Differenz von O2-Konzentration in arteriellem ([O2]a) und venösem ([O2]v Blut: ˙ O 2 = ([O2]a [O2]v) · V ˙ V Das Verhältnis von Sauerstoffverbrauch und Sauerstoffan˙ · [O2]a) ist die Sauerstoffausschöpfung (AO2): gebot (V

werden, also durch Zunahme der arteriovenösen O2-Differenz. Das ist vor allem in denjenigen Organen möglich, die in Ruhe eine geringe O2-Ausschöpfung aufweisen, während beispielsweise dem Herzen hier enge Grenzen gesetzt sind (7 Kap. 3.3.1). Die gesteigerte O2-Ausschöpfung wird durch Absinken des O2-Partialdruckes im Gewebe und vermehrte Desoxygenierung von durchströmendem Blut erzielt. Das O2-Angebot kann ferner durch Vasodilatation in dem arbeitenden Organ gesteigert werden. Ist nur ein kleines Organ betroffen, dann wird das O2-Angebot durch die maximale Gefäßweite der zuführenden Gefäße limitiert. Bei vermehrtem O2-Bedarf großer Organe (z. B. schwere Muskelarbeit) kann der Blutdruck trotz Vasodilatation nur aufrechterhalten werden, wenn das Herzzeitvolumen zunimmt. Dabei passiert ein größeres Blutvolumen pro Zeiteinheit die Lunge, und die Kontaktzeit des Blutes mit den Alveolen nimmt ab. Bei Zunahme des Herzzeitvolumens und des Atemzeitvolumens während Arbeit werden auch die sonst wenig perfundierten und ventilierten apikalen Lungenabschnitte perfundiert und ventiliert und damit steht eine größere Diffusionsfläche zur Verfügung (7 Kap. 5.5.2). Dennoch kann auch beim Gesunden bei extremen Herzminutenvolumina die Kontaktzeit des Blutes mit den Alveolen zum limitierenden Faktor der O2-Aufnahme werden, d. h. die O2-Sättigung des arteriellen Blutes nimmt ab. Langfristig kann das O2-Angebot durch vermehrte Bildung von Erythrozyten und damit Zunahme der O2-Transportkapazität des Blutes gesteigert werden. Diese Anpassung erfordert mehrere Tage bis Wochen und ist limitiert, da eine zu hohe Erythrozytenzahl die Fließeigenschaften des Blutes verschlechtert. ! Der Weg von O2 zu den Zellen und die O2-Nutzung durch die Zellen können vielfach gestört sein

˙ /(V ˙ · [O2]a) = ([O2]a [O2]v)/[O2]a AO2 = ([O2]a [O2]v) · V Störungen von O2-Transport und O2-Nutzung. Die Ener-

Die O2-Ausschöpfung und damit die arteriovenöse O2-Differenz ist in den verschiedenen Organen ganz unterschiedlich. Sie kann im Herzen bei maximaler Arbeit 90 % erreichen und liegt andererseits in der Niere bei weniger als 10 % (. Tab. 4.1). Anpassung des Sauerstoffangebotes an den Bedarf. Der

Energieverbrauch und damit der O2-Bedarf vor allem des Herzens und des Skelettmuskels ist je nach Arbeitsbelastung ganz unterschiedlich. Die O2-Aufnahme kann zunächst durch Zunahme der O2-Ausschöpfung gesteigert

giegewinnung durch oxidative Verbrennung erfordert die hinreichende Aufnahme von O2 mit der Atmung, den Transport von O2 im Blut zum Gewebe und schließlich die Utilisation des O2 in den Mitochondrien. Störungen können an jedem dieser Schritte auftreten. 4 Gestörte Aufnahme. Bei herabgesetztem O2-Angebot in der Inspirationsluft (z. B. in großer Höhe, 7 Kap. 5.9.1) sowie bei behinderter Ventilation oder Diffusion in der Lunge kann das Blut nicht mehr hinreichend mit O2 gesättigt werden und es entwickelt sich eine arterielle Hypoxie


4 Eingeschränkte Bindung. Der O2-Transport im Blut ist

bei Mangel an Erythrozyten bzw. Mangel an Hämoglobin (Anämie) oder bei funktionellem Ausfall des Hämoglobins (Methämoglobinämie, CO-Vergiftung) beeinträchtigt (7 Kap. 2.2) 4 Ischämie. Der Transport von O2-beladenem Hämoglobin zum verbrauchenden Gewebe ist bei zu engen Gefäßen oder bei Kreislaufversagen eingeschränkt (Ischämie). Bei einem Kreislaufstillstand kommt es innerhalb einer Minute auch zu einem Atemstillstand. Darüber hinaus kann primär ein Atemstillstand eintreten. Ohne künstliche Beatmung ist dann in wenigen Minuten mit einer irreversiblen Schädigung des Gehirns zu rechnen (7 Kap. 4.4) 4 Gestörte O2-Utilisation. Schließlich kann trotz ausreichendem O2-Angebot die Utilisation beeinträchtigt sein, wie etwa bei Vergiftung der Mitochondrien (zytotoxisch) Anaerobe Glykolyse. Da die Zellen über keine hinreichen-

den O2-Speicher verfügen, ist das Gewebe bei mangelhaftem O2-Angebot gezwungen, auf anaerobe Energiegewinnung auszuweichen, also auf die Gewinnung von Energie aus dem Abbau von Glukose zu Laktat (7 Kap. 8.1.2). Folge ist eine Anhäufung von Milchsäure mit Entwicklung einer Azidose, die zum limitierenden Faktor werden kann (7 Kap. 5.10.4).

führt. Darüber hinaus kann ein hoher O2-Partialdruck (Hyperoxie) wegen der Reaktionsfreudigkeit von O2 und der Bildung aggressiver O2-Radikale schädliche Wirkungen entfalten. In der Lunge löst O2 über Reizung der Atemwege Husten und Schmerzen aus und steigert über Schädigung von Endothel und Alveolarepithel die Gefäßpermeabilität. Folgen von Hyperoxie. Bei Hyperoxie droht die Entwicklung

eines Lungenödems, das paradoxerweise die O2-Aufnahme in das Blut mindert. Gesteigerte O2-Partialdrucke im Blut führen zu Abnahme von Herzminutenvolumen und Einschränkung der Durchblutung von Gehirn und Niere. Letztlich treten Schwindel und Krämpfe auf. Sehr hohe O2-Partialdrücke (> 300 kPa), wie sie beim Gerätetauchen auftreten können (7 Kap. 5.9.2), lösen bereits bei kurzfristiger Exposition Schädigungen des Lungengewebes und Krämpfe aus. Bei Neugeborenen kann reiner Sauerstoff eine retrolentale Fibroplasie im Auge und damit Erblinden hervorrufen. Neugeborenen bietet man daher nur Gemische mit maximal 40 % bzw. 40 kPa O2 an.

5.7.2

CO2

! CO2 wird vorwiegend als HCO3– im Blut transportiert

Bikarbonat. Der größte Anteil (etwa 3/4) von CO2 wird in ! Übermäßige O2-Zufuhr führt über gesteigerte Oxidation zu Gewebeschädigung

Hyperoxie. Einem O2-Mangel kann durch gesteigerte O2Konzentration in der Inspirationsluft entgegnet werden (Sauerstoffbeatmung). Die hohe O2-Konzentration begünstigt freilich das Kollabieren schlecht belüfteter Alveolen (Atelektase), da die O2-Aufnahme in das vorbeiströmende Blut zu einem Schwinden des Alveolarvolumens

Form von HCO–3 (Bikarbonat) transportiert. CO2 reagiert im Blut bei Passage des Gewebes mit Wasser zu Kohlensäure (H2CO3), die zu H+ und HCO–3 dissoziiert (7 Kap. 5.10). Die Hydratisierung von CO2 zu H2CO3 ist eine langsame Reaktion und erfordert bei den kurzen Passagezeiten des Blutes eine Beschleunigung durch das Enzym Karboanhydrase. Da dieses Enzym in den Erythrozyten sitzt, kann die Reaktion nur dort mit der erforderlichen Geschwindigkeit ablaufen (. Abb. 5.14). CO2 diffundiert in die Erythrozyten

. Abb. 5.14. CO2-Transport im Blut. Links: CO2-Aufnahme aus dem Gewebe, rechts: CO2-Abgabe in die Alveolen

5

122

Kapitel 5 · Atmung

und reagiert dort über Kohlensäure zu H+ und HCO3–. Bikarbonat verlässt die Erythrozyten dann zum Teil (⅔) im Austausch gegen Cl- (Hamburger Shift). Die dabei gebildeten H+-Ionen werden an Hämoglobin gebunden. In der Lunge sinkt durch Abdiffusion von CO2 in die Alveolen die CO2-Konzentration und HCO3– reagiert zu CO2. Dazu muss HCO–3, wiederum im Austausch gegen Cl-, in die Erythrozyten aufgenommen werden. Mit dem CO2 verschwindet auch das im Gewebe an Hämoglobin gebundene H+. Karbaminobindung. Ein kleinerer Teil von CO2 (ca. 10 %)

5

wird in den Erythrozyten an Aminogruppen des Globins gebunden (Karbaminobindung). Beziehung zwischen CO2-Partialdruck und alveolärer Ventilation. Normalerweise ist die Konzentration von CO2 in

der Inspirationsluft vernachlässigbar gering und die abgeatmete Menge an CO2 ist das Produkt aus alveolarer Venti˙ A) und der CO2-Konzentration [Volumen/Volulation (V men] in den Alveolen (CCO2,alv). Der CO2-Partialdruck ist wiederum eine Funktion von atmosphärischem Druck und dem CO2-Anteil (PCO2 = Patm · CCO2,alv). Arterialisiertes Blut weist den gleichen CO2-Partialdruck (PCO2,art) auf wie das alveolare Gasgemisch. Nun muss im Gleichgewicht genau˙A · CCO2,alv) wie gebildet so viel CO2 abgeatmet werden (V ˙ CO2) und daher gilt: wird (V

. Abb. 5.15. Einfluss der alveolaren Ventilation (V˙A) auf den alveolaren CO2-Partialdruck (PCO2) bei unterschiedlicher CO2-Produktion. Bei Hyperventilation (blau) sinkt, bei Hypoventilation (gelb) steigt der PCO2. Bei gesteigerter CO2-Produktion (V˙CO2) steigt der PCO2 (rot), wenn nicht gleichzeitig hyperventiliert wird (grün)

5.7.3

Wechselwirkung zwischen O2und CO2- Bindung

! Die Transporte von O2 und CO2 im Blut beeinflussen sich gegenseitig

Bohr-Effekt. Die O2-Affinität des Hämoglobins wird bei ei-

˙ CO2/ V ˙A CCO2,art = V PCO2,art ist daher eine Funktion von alveolärer Ventilation ˙A ) und CO2-Produktion (. Abb. 5.15): (V Hyperkapnie-Hypokapnie. Eine Zunahme des CO2-Parti-

aldruckes im arterialisierten Blut wird als Hyperkapnie, eine Abnahme von PCO2,art als Hypokapnie bezeichnet. Der Transport und die Abatmung von CO2 spielen bei der Regulation der H+-Konzentration (Säure-Basen-Haushalt) in Blut und Gewebe eine hervorragende Rolle, wie später noch ausgeführt wird (7 Kap. 5.10.3). Bei Hyperkapnie reagiert CO2 zu H2CO3, das zu HCO–3 und H+ dissoziiert. Dadurch steigt die H+-Konzentration (Azidose). Bei Hypokapnie reagieren umgekehrt HCO–3 und H+ über H2CO3 zu CO2 und die H+-Konzentration sinkt (Alkalose). Durch gesteigerte Abatmung von CO2 kann eine nichtrespiratorische Azidose korrigiert werden (7 Kap. 5.10.3).

ner Zunahme des CO2-Partialdruckes sowie bei einer Abnahme des pH herabgesetzt (. Abb. 5.13). Durch die Wirkung von CO2 und pH wird die O2-Abgabe im relativ CO2reichen und sauren peripheren Gewebe erleichtert, während der relativ geringe CO2-Partialdruck und der relativ alkalische pH in der Lunge die O2-Aufnahme begünstigen (Bohr-Effekt). Haldane-Effekt. Sowohl die Reaktion von CO2 zu HCO–3,

als auch die Bindung von CO2 an das Hämoglobin werden durch die Desoxygenierung des Hämoglobins im Gewebe begünstigt, da desoxygeniertes Hämoglobin eine schwächere Säure ist als oxygeniertes Hämoglobin. In der Lunge begünstigt die Oxygenierung des Hämoglobins umgekehrt die Bildung von CO2 aus HCO–3 und die Freisetzung von CO2 aus der Karbaminobindung. Durch diesen Einfluss werden daher die CO2-Aufnahme im Gewebe und die CO2Abgabe in der Lunge gefördert (Haldane-Effekt).

123 5.8 · Atmungsregulation

In Kürze

Atemgastransport im Blut O2 4 Hämoglobin: ≈98 % des O2-Transportes (Fe-haltiges Häm + Globin, 64 kDa, Bindung von 4 O2-Molekülen; HbA von Erwachsenem: 2α/β-Ketten, HbF von Feten: 2α/2γ) 4 O2-Bindungskapazität = Zahl verfügbarer Bindungsstellen für O2 am Hämoglobin/Liter Blut 4 Maximale O2-Aufnahme = abhängig von O2-Bindungskapazität und Herzminutenvolumen 4 O2-Abgabe im Gewebe gesteigert bei herabgesetzter O2-Affinität; CO2 n, pH p, 2,3-BPG n und Temperatur n o O2-Affinität des Hämoglobin p 4 Maternofetale O2-Diffusion begünstigt durch O2-Affinität und Konzentration HbF > HbA (Mutter), pH-Abfall mütterliches Blut und pH Anstieg fetalesBlut (doppelter Bohr-Effekt) 4 Zyanose: mittlere Konzentration von desoxygeniertem Hämoglobin > 0,7 mmol/l (5 g/100 ml) 4 Methämoglobin: Oxidation des Eisens zu Fe 3+ o keine O2-Binding mehr möglich o Zyanose 4 CO-Vergiftung: CO bindet 350-mal besser als O2; CO-Bindung steigert O2-Affinität des übrigen Hämoglobins o O2-Abgabe im Gewebe p 4 Minimaler O2-Partialdruck an den Zellen = 0,3–1 kPa (0,2–0,8 mmHg). 4 Myoglobin speichert kurzfristig O2 und fördert intrazelluläre O2-Diffusion (v. a. Skelettmuskel, Herz) 4 O2-Ausschöpfung: AO2 = ([O2]a - [O2]v)/ [O2]a (Herz bis zu 90%, Niere Einleitung

6

Äußere oder innere Antriebe stellen an den Körper Anforderungen, die als Belastungen bezeichnet werden. Diesen Anforderungen versucht er durch Erbringen adäquater Leistungen zu entsprechen. Die jeweilige Beanspruchung des Körpers beim Erbringen einer Leistung hängt von dem Verhältnis zwischen Leistung und Leistungsfähigkeit ab. So wird der Körper eines Spitzensportlers im Gewichtheben durch das Tragen eines 30 kg schweren Koffers weniger beansprucht als der Körper einer zierlichen Frau. Die Leistungsfähigkeit ist von genetischen Faktoren (Begabung, Geschlecht), Trainings- und Ernährungszustand und einer Reihe äußerer Faktoren (Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit etc.) abhängig. Die geforderten bzw. erbrachten Leistungen können intellektueller oder emotionaler Natur sein. Die Arbeits-, Leistungs- bzw. Sportphysiologie beschäftigt sich jedoch in erster Linie mit den Mechanismen, welche zum Erbringen von Muskelarbeit beitragen.

6.1

Allgemeine Grundlagen

6.1.1

Muskelarbeit

! Physikalische Arbeit wird bei dynamischer, nicht aber bei statischer Muskeltätigkeit geleistet. Die Energieversorgung des Muskels wird kurzfristig durch Kreatinphosphat, mittelfristig durch anaerobe Glykolyse und langfristig durch oxidative Verbrennung von Glukose und Fettsäuren gedeckt

Arbeit und Leistung. Die physikalische Definition von Arbeit ist Kraft mal Weg, Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit. Außen messbare physikalische Arbeit wird nur bei dynamischer Arbeit geleistet, nicht aber bei Haltearbeit (isometrische Muskelkontraktion, 7 Kap. 3.2.1). Dennoch wird auch bei isometrischer Kontraktion Energie verbraucht. Bei der isotonen Muskelkontraktion (7 Kap. 3.2.1) verkürzt sich der Muskel gegen eine gleich bleibende Kraft (Last). Je größer die Last ist, desto geringer ist die Verkürzungsgeschwindigkeit (. Abb. 3.15). Der Wirkungsgrad (geleistete Arbeit/Energieverbrauch) ist bei Haltearbeit null, bei dynamischer Arbeit bis zu 25%. Die restliche verbrauchte Energie wird in Wärme umgewandelt. Dabei kann die Körpertemperatur ansteigen (Arbeitshyperthermie).

Energieversorgung. Bei der Muskelkontraktion wird ATP verbraucht (. Abb. 6.1). Anhaltende Muskelarbeit ist ohne Energiezufuhr nicht möglich. Die ATP-Reserven eines

. Abb. 6.1. Substratverbrauch bei körperlicher Arbeit. FS = Fettsäuren, Glc = Glukose, KK = Ketonkörper, Lct = Laktat

Muskels reichen bei fehlender Energiezufuhr nur für etwa zwei Sekunden. Das ADP kann unter Verbrauch von Kreatinphosphat wieder zu ATP aufgebaut werden, wobei der Bestand an Kreatinphosphat normalerweise etwa 20 Sekunden reicht. Weitere Muskeltätigkeit ist nur unter Energiegewinnung möglich. Limitierender Faktor kann dabei das O2-Angebot werden. An Myoglobin gebundenes O2 reicht wenige Sekunden und stellt daher keine nennenswerte Reserve dar. Bei mangelndem O2-Angebot muss der Muskel seine Energie aus anaerober Glykolyse beziehen. Insbesondere die mitochondrienarmen Typ-IIb-Muskelfasern nutzen zur Energiegewinnung die anaerobe Glykolyse. Die Glukose kann der Muskel z. T. aus eigenen Glykogenvorräten beziehen. Der Energiegewinn durch anaerobe Glykolyse ist mit 2 ATP pro Glukose gering, im Vergleich zu den 36 ATP, die beim oxidativen Abbau von Glukose gewonnen werden. Zudem werden bei anaerober Glykolyse H+ und Laktat gebildet. Folge ist eine Azidose, die Muskelkontraktion und Glykolyse hemmt. Die Energiegewinnung durch anaerobe Glykolyse kann daher den Energiebedarf nur für eine weitere halbe Minute decken. Langfristige intensive Muskelarbeit erfordert die oxidative Verbrennung von Glukose und Fettsäuren (7 Kap. 6.1.2). Voraussetzung ist u. a. die hinreichende Versorgung mit O2, also die adäquate Durchblutung des Muskels

141 6.1 · Kurzzeitbelastung und Ausdauerleistung

! Bewegungsmangel begünstigt Arteriosklerose und Hyperglykämie

Arteriosklerose. Regelmäßige körperliche Ausdaueraktivi-

tät senkt die LDL (low densitiy Lipoproteine) und steigert die HDL (high density Lipoproteine), verringert somit die periphere Cholesterinablagerung und hemmt daher die Entwicklung von Arteriosklerose. Hyperglykämie. Ferner fördert Muskeltätigkeit die muskuläre Glukoseaufnahme und senkt somit die Plasmaglukosekonzentration. Bewegungsmangel fördert umgekehrt die Entwicklung von Arteriosklerose und begünstigt die Entwicklung von Hyperglykämie bei Patienten mit Diabetes mellitus.

6.1.2

Kurzzeitbelastung und Ausdauerleistung

! Der Skelettmuskel verbraucht Fettsäuren und Glukose. Bei unzureichender O2-Zufuhr entsteht ein O2-Defizit mit gesteigerter Laktatbildung

Substratversorgung des Muskels. Der Muskel deckt seine Energie v. a. aus der Verbrennung von Fettsäuren und Glukose. Fettsäuren werden durch gesteigerte Lipolyse und Abbau muskulärer Triacylglycerine, Glukose durch Glykogenabbau in der Leber und im Muskel bereitgestellt. Lipolyse und Glykogenabbau werden u. a. über Aktivierung des Sympathikus stimuliert. Die Lipolyse wird ferner durch Somatotropin gesteigert, das bei Absinken der Plasmaglukosekonzentration ausgeschüttet wird. Darüber hinaus stellt die Leber Glukose über Glukoneogenese (u. a. aus Laktat) bereit. Steigerung der O2-Aufnahme. Energiegewinnung aus oxidativer Verbrennung erfordert gesteigerte O2-Aufnahme bei Muskelarbeit. Sie wird teilweise durch stärkere Ausschöpfung des angebotenen O2 im Gewebe erreicht, der die arteriovenöse O2-Differenz steigert. Ferner nimmt die O2Aufnahme mit dem Herzminutenvolumen zu, die maximale O2-Aufnahme ist daher eine Funktion von Herzfrequenz und Schlagvolumen. O2-Defizit und Anpassung des Stoffwechsels. Die O2-Aufnahme hält auch bei mäßiger Muskelarbeit zunächst nicht mit dem Energieverbrauch Schritt und der Körper geht damit ein O2-Defizit ein. Nach etwa 2–3 Minuten erreicht die

O2-Aufnahme über die Lunge den Verbrauch und es stellt sich ein Gleichgewicht (steady state) ein. Nach Absetzen der Muskelarbeit hält die Atmungssteigerung in Abhängigkeit von der geleisteten Arbeit noch längere Zeit an, um die O2-Schuld abzutragen. Der zusätzlich aufgenommene O2 dient unter anderem zur Auffüllung der Kreatinphosphatspeicher, der Wiederherstellung der Ionengradienten über die Zellmembran und vor allem der Verbrennung von Laktat. Bei schwerer Arbeit größerer Muskelgruppen muss der Stoffwechsel das in der Muskulatur gebildete Laktat entsorgen und die Versorgung der Muskulatur mit Substraten sicherstellen. Laktat wird vom Herzen und den mitochondrienreichen Typ-I-Muskelfasern verbrannt sowie in der Leber wieder zu Glukose aufgebaut. Bei mäßig intensiver Arbeit stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Laktatproduktion im Muskel und Laktatverbrauch in Leber und Herz ein. Bei Leistungen, die deutlich unter der Leistungsgrenze liegen und daher über längere Zeit erbracht werden können, erreicht die Laktatkonzentration ein steady state. Die maximale Laktatkonzentration, die von einem Individuum im steady state erreicht werden kann, wird als individuelle anaerobe Schwelle bezeichnet. Unterhalb dieser Schwelle liegt der aerobe/anaerobe Übergangsbereich. ! Wird die Dauerleistungsgrenze überschritten, steigt der Laktatspiegel ständig an. Die körperliche Erholung ist zu Beginn einer Belastungspause am stärksten. Testosteron steigert Muskelmasse und muskuläre Leistungsfähigkeit

Dauerleistungsgrenzen. Die Dauerleistungsgrenze eines Individuums entspricht seiner individuellen anaeroben Schwelle. Bis zur Dauerleistungsgrenze kann Arbeit unter entsprechender Zufuhr von Kohlenhydraten theoretisch mehrere Stunden geleistet werden. Obgleich die Fähigkeit eines Individuums, Laktatwerte über einen längeren Zeitraum im Gleichgewicht zu halten, sehr stark unterschiedlich ausgeprägt ist, spricht man verallgemeinernd bei Laktatplasmakonzentrationen zwischen 2 und 4 mmol/l vom aerobanaeroben Übergangsbereich und bei Zunahme über 4 mmol/l von einem Überschreiten der anaerobe Schwelle. Die Dauerleistungsgrenze liegt bei dynamischer Arbeit höher als bei statischer Arbeit und variiert somit in Abhängigkeit von Sportart, Individuum und Trainingszustand. Der Arbeitsumsatz ist bei Sportarten mit Beteiligung großer Muskelgruppen (z. B. Rudern, Fahrradfahren) naturgemäß größer als der Umsatz bei Sportarten, die den Einsatz kleinerer Muskelgruppen erfordern.

6

142

Kapitel 6 · Arbeits- und Leistungsphysiologie

Höchstleistungsgrenze. Leistungen über der Dauerleis-

tungsgrenze können nur zeitlich begrenzt erbracht werden. Je höher die Leistung, desto kürzer ist die Zeitspanne, in der die Leistung erbracht werden kann. Die Laktatkonzentration steigt dabei kontinuierlich weit über 2 mmol/l an. Erhohlungsphasen. Insbesondere bei Arbeiten oberhalb der Dauerleistungsgrenzen sind Erholungsphasen erforderlich. Dabei ist die Erholung zu Beginn der Pause am

stärksten, mehrere kurze Pausen sind daher günstiger als wenige lange Pausen. Geschlechtsabhängige Leistungsfähigkeit. Testosteron

fördert die Zunahme der Muskelmasse und die Mitochondriendichte in der Muskulatur. Ferner ist bei Männern der Hämatokrit und die maximale O2-Aufnahme/Körpergewicht größer als bei Frauen. Daher ist die muskuläre Leistungsfähigkeit bei Männern größer als bei Frauen.

In Kürze

Allgemeine Grundlagen Muskelarbeit 4 Definitionen: Arbeit = Kraft mal Weg; Leistung = Arbeit pro Zeiteinheit; Wirkungsgrad = geleistete Arbeit/Energieverbrauch (bei Haltearbeit null, bei dynamischer Arbeit bis zu 25%) 4 Energieversorgung: ATP reicht ≈2 Sekunden, Kreatinphosphat ≈20 Sekunden: O2-Myoglobin wenige Sekunden 4 Anaerobe Glykolyse: 2 ATP/Glukose (36 ATP/Glukose oxidativ) o Bildung Laktat o Azidose o Muskelkontraktion p, Glykolyse p 4 Langfristige intensive Muskelarbeit erfordert oxidative Verbrennung von Glukose und Fettsäuren 4 Bewegungsmangel begünstigt Arteriosklerose und Hyperglykämie

6

Kurzzeitbelastung und Ausdauerleistung 4 Substratversorgung: Fettsäuren aus Lipolyse + Abbau muskulärer Triacylglycerine; Glukose aus Glykogenabbau Leber/Muskel, Glukoneogenese Leber; Stimulation durch Sympathikus/Somatotropin 4 Steigerung der O2-Aufnahme: Durchblutung n + arteriovenöse O2-Differenz n

6.2

Organbeteiligung

6.2.1

Blut

! Der O2-Verbrauch und die Bildung von CO2 und Laktat im arbeitenden Muskel führen zu entsprechenden Konzentrationsänderungen im Blut

Blutgase, Laktat. Der gesteigerte O2-Verbrauch bei schwe-

rer körperlicher Arbeit kann zu einer mäßigen Abnahme

4 O2-Defizit: O2-Aufnahme < Energieverbrauch; Nach 2–3 min Gleichgewicht (steady state); Nach Muskelarbeit weiterhin gesteigerte Atmung zur Abtragung von O2-Schuld 4 Mäßig intensive Arbeit o Laktatproduktion = Laktatverbrauch (aerobe Schwelle) 4 Dauerleistungsgrenze: Herzfrequenz ≤ 130/Minute, Atemzeitvolumen ≤ 30 Liter/Minute, Laktatkonzentration < 2 mmol/l, O2-Aufnahme < halbmaximal 4 Aerober-anaerober Übergangsbereich: Laktatplasmakonzentrationen 2–4 mmol/l 4 Anaerobe Schwelle: Laktatplasmakonzentrationen = 4 mmol/l 4 Individuelle anaerobe Schwelle: Laktatplasmakonzentrationen im steady state 4 Höchstleistungsgrenze: Je höher die Leistung, desto kürzer ist die Zeitspanne 4 Erhohlungsphasen: Erholung zu Beginn der Pause am stärksten o mehrere kurze Pausen günstig 4 Geschlechtsabhängige Leistungsfähigkeit:Testosteron o Muskelmasse n, Mitochondriendichte n, Hämatokrit n, maximale O2-Aufnahme/Körpergewicht n

des O2-Partialdrucks im Blut führen. Die arteriovenöse O2Differenz steigt steil an. Die Zunahme der Laktatkonzentration führt zu einer metabolischen Azidose. Die teilweise respiratorische Kompensation (7 Kap. 5.10.4) senkt den CO2-Partialdruck im Blut. Glukose. Die Plasmaglukosekonzentration fällt erst bei erschöpfender Arbeit ab.

143 6.2 · Organbeteiligung

Kalium, Natrium. Die Depolarisation von Muskelzellen

führt zu muskulären K+-Verlusten, die zur Hyperkaliämie führen kann. Bei starkem Schwitzen von hypotonem Schweiß kann die Na+-Konzentration ansteigen.

druck erzeugt. Damit wird die Ventilation unterbrochen und der Rückstrom von Blut zum Herzen behindert.

6.2.3

Kreislaufsystem

Blutzellen. Wasser- und Kochsalzverluste über Schwitzen

mindern v. a. das Plasmavolumen und steigern damit den Hämatokrit. Die Zahl an zirkulierenden Leukozyten und Thrombozyten steigt an. Hormone. Unter schwerer Belastung steigen die Plasmakonzentrationen an Adrenalin und Kortisol an. Die Insulinkonzentration sinkt normalerweise geringfügig ab. Wasser- und Elektrolytersatz. Insbesondere bei schwerer

Arbeit unter hohen Temperaturen kann der Verlust an Wasser und Elektrolyten lebensbedrohliche Ausmaße erreichen. Dabei ist die Zufuhr von Wasser und Elektrolyten (v. a. Na+) erforderlich (nicht aber bei geringer Belastung unter günstigen klimatischen Bedingungen).

6.2.2

Lunge

! Die Erbringung einer anhaltenden Leistung ist ohne eine gegenüber dem Ruhezustand gesteigerte O2-Aufnahme und CO2-Abgabe durch die Atmung nicht möglich

Ventilationssteigerung. Bei schwerer Arbeit nehmen Atemzugvolumen und Atemfrequenz zu, die Ventilation kann über 100 Liter/Minute erreichen, die O2-Aufnahme (VO2) über 4 Liter. Die Ventilation (VE) kann stärker ansteigen als die VO2, es steigt also das Atemäquivalent (VE/VO2). Die Plasmakonzentrationen an O2 und CO2 sinken geringfügig. Da das Blut nach der Lungenpassage ohnehin mit O2 gesättigt ist, wird die gesteigerte O2-Aufnahme bei Arbeit durch Zunahme des Herzzeitvolumens und der arteriovenösen O2-Differenz, nicht durch Steigerung der Ventilation erzielt. Die Ventilationssteigerung dient in erster Linie der Abatmung von CO2, die der Entwicklung einer Azidose entgegenwirkt. Kurz vor der Erschöpfung nimmt die Atemfrequenz aufgrund massiv gesteigerten Atemantriebes steil zu. Psychogene Hyperventilation. Bereits vor Einsetzen der

Arbeit nimmt die Ventilation zu. Bauchpresse bei Haltearbeit. Bei Haltearbeit wird häufig die Stimmritze geschlossen und ein intrathorakaler Über-

! Vasodilatation in der arbeitenden Muskulatur dient der Energieversorgung und dem Wärmeabtransport. Steigerung des Herzzeitvolumens verhindert einen Blutdruckabfall

Vasodilatation in der arbeitenden Skelettmuskulatur. Die zentralen Neurone, welche die Muskelarbeit auslösen, aktivieren gleichzeitig die kreislaufregulierenden Neurone und damit den Sympathikus. Daher kommt es bereits vor der Muskelarbeit über Aktivierung dilatierender sympathischer (ß2-Rezeptoren) und cholinerger Fasern zu gesteigerter Muskeldurchblutung. Die Muskeldurchblutung wird nach Einsetzen der Muskelarbeit durch lokale Faktoren, wie H+, K+, Metabolite und Adenosin erzielt (7 Kap. 4.4). Durch die gesteigerte Muskeldurchblutung wird nicht nur der adäquate Antransport von O2 und Substraten, sondern auch der Abtransport von Laktat, CO2 und Wärme gewährleistet. Kreislaufanpassung. Rückmeldungen aus freien Nerven-

endigungen in den arbeitenden Muskeln (Ergorezeptoren) stimulieren das sympathische Nervensystem. Trotz der begleitenden Vasodilatation in der arbeitenden Muskulatur (7 Kap. 20.1) und der damit verbundenen erheblichen Abnahme des peripheren Widerstandes bei schwerer Arbeit großer Muskelgruppen kommt es selten zu einem Blutdruckabfall, da die Aktivierung des Sympathikus einerseits Herzfrequenz und Schlagvolumen steigert und andererseits eine Vasokonstriktion im Splanchnikusgebiet (MagenDarm-Trakt), in der Niere und in der nichtarbeitenden Muskulatur auslöst. Da die Muskelarbeit Wärme erzeugt, die über die Haut abgegeben werden muß, kann die Hautdurchblutung in aller Regel nicht gedrosselt werden. Die Frequenz kann bei kurzfristigen Leistungen normalerweise bis zu 200/min, das Schlagvolumen um bis zu 100 % gesteigert werden. Das Herzminutenvolumen kann demnach bei Ausdauerathleten auf über 30 Liter/Minute, bei Weltklasseathleten auf über 40 Liter/Minute ansteigen. Bei einer Leistung, die über einen längeren Zeitraum (z. B. Arbeitsschicht von 8 Stunden) erbracht werden kann, erreicht die Herzfrequenz einen neuen steady-state-Wert, der in der Regel unter 130/Minute bleibt (. Abb. 6.2). Bei

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144


Schlagvolumens des hypertrophierten Herzens genügt eine geringe Herzfrequenz zur Erzeugung eines normalen Herzminutenvolumens. Folge ist eine Sportlerbradykardie in Ruhe.

6.2.4

Skelettmuskel

! Die Muskulatur ist das größte Organ des Körpers. Die Kraftentwicklung von Skelettmuskeln ist von ihrer Faserzusammensetzung abhängig. Bei der Kontraktion entsteht Wärme. Muskeltätigkeit erfordert gesteigerte Durchblutung

Muskelmasse. Die Skelettmuskulatur ist mit mehr als ei-

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nem Drittel des Körpergewichtes das bei weitem größte Organ des Menschen. Der Anteil ist bei Frauen geringer als bei Männern (7 Kap. 6.1.1). Muskeltätigkeit fördert die Hypertrophie der beanspruchten Muskeln. Sie wird durch Somatotropin und Testosteron unterstützt. Bewegungsmangel führt zur Hypotrophie der Muskulatur. Kraftentwicklung. Je nach Tätigkeit müssen die Muskeln

. Abb. 6.2. Herzfrequenz (oben) und O2-Verbrauch bei nichterschöpfender (links) und erschöpfender (rechts) körperlicher Arbeit. Zu Beginn der Arbeit (und bei erschöpfender Arbeit während der gesamten Arbeit) wird mehr O2 verbraucht als aufgenommen wird (hellrote Fläche). Die Schuld wird nach geleisteter Arbeit wieder durch Hyperventilation aufgenommen (blaue Fläche)

einer erschöpfenden Leistung wird kein steady state erreicht, sondern die Pulsfrequenz steigt kontinuierlich an, bis die Arbeit aus Erschöpfung abgebrochen wird. Blutdruckänderungen. Wegen der Zunahme von Schlagvolumen und Herzminutenvolumen steigt der systolische Blutdruck bei Arbeit trotz Abnahme des peripheren Widerstandes. Bei starker Beanspruchung einer kleinen Muskelgruppe sinkt der periphere Widerstand kaum ab und der Blutdruckanstieg ist entsprechend ausgeprägter. Sportlerherz. Training in Sportarten, in welchen ein großes

Herzminutenvolumen erforderlich ist, steigert die Herzgröße und damit das Schlagvolumen. Wegen des großen

schnelle kurzfristige oder langanhaltende Kontraktionen durchführen. Die schnellen, weißen Fasern vom Typ II (oder F = fast) sind für die Schnellkraft besonders geeignet, die langsamen, tonischen, roten Fasern vom Typ I (oder S = slow) für anhaltende Haltekraft. Die intermediären Muskelfasern sind für Ausdauerleistungen geeignet. Die maximale Kraftentwicklung ist bei isometrischen Kontraktionen größer als bei isotonen Kontraktionen (7 Kap. 3.2.1, 7 Kap. 13.1.1). Wärmeproduktion. Nur ein kleiner Teil (ca. 25%) der Mus-

kelarbeit wird in mechanische Arbeit überführt und der überwiegende Teil wird in Wärme umgewandelt. Man unterscheidet dabei Aktivierungswärme, Erschlaffungswärme und Erholungswärme (7 Kap. 13.1.1). Muskeldurchblutung. Die Muskeldurchblutung wird vor

und während der Arbeit durch sympathische Innervation und lokale Faktoren gesteigert (7 Kap. 6.2.3). Während einer Muskelkontraktion werden die Gefäße im Muskel komprimiert und die Durchblutung eingeschränkt. Eine statische Muskelarbeit ist daher schwerer zu erbringen als eine dynamische Muskelarbeit, bei der ein Wechsel von Kontraktion und Erschlaffung die Durchblutung fördert.

145 6.2 · Organbeteiligung

6.2.5

ZNS

! Das ZNS gewährleistet die Präzision von Bewegungen und bereitet sie vor. Es limitiert die Leistungsbereitschaft

! Bei mentaler und emotionaler Arbeit werden die gleichen vegetativen Begleitreaktionen ausgelöst wie bei Muskelarbeit

Mentale Arbeit. Bei mentaler Arbeit (Lösung intellektueller Motorische Steuerung. Der Erfolg von Muskeltätigkeit

ist meist nicht nur eine Frage der Kraftentwicklung, sondern auch der Präzision von Bewegungen. Sie erfordert eine zielgenaue Steuerung durch das zentrale Nervensystem. Motorisches Lernen ist dabei in erster Linie eine Leistung der Kleinhirnhemisphären (7 Kap. 15.7).

Aufgaben, Fahrer, Piloten, etc.) kommt es zur Zunahme des Muskeltonus und wie bei Muskelarbeit zu vegetativer Anpassung, wie Hyperventilation, Zunahme von Herzfrequenz, Blutdruck und Hautdurchblutung, sowie Schweißausbruch. Die Gehirndurchblutung ist jedoch insgesamt nur geringfügig gesteigert. Emotionale Arbeit. Psychische Belastungen, wie Angst oder

Vorstartzustand. Bereits vor Einsetzen einer motorischen

Leistung, tritt ein Bereitschaftspotenzial über weiten Teilen der Großhirnrinde auf (7 Kap. 15.1.1). Gleichzeitig wird der Sympathikus aktiviert, Herzfrequenz und Blutdruck steigen und die Gefäße der erwartungsgemäß erforderlichen Muskeln werden dilatiert. Leistungsbereitschaft. Der Mensch ist willentlich nicht in

der Lage, seine maximale Leistungsfähigkeit auszuschöpfen, sondern es bleibt ein autonom geschützter Bereich. Die Leistungsbereitschaft ist einer Tagesrhythmik unterworfen (7 Kap. 6.3.3).

Erregung führen ebenfalls zu vegetativen Begleiterscheinungen, wie Hyperventilation und Zunahme der Herzfrequenz. Notfallreaktion. Eine massive Aktivierung des Sympathikus und eine Freisetzung von Antidiuretischem Hormon, ACTH und Kortisol tritt beim »Kampf ums Überleben« auf. In der Folge werden die sympathikusabhängigen (7 Kap. 14.3) ADH- (7 Kap. 10.2) und Kortisolwirkungen (7 Kap. 10.3) ausgelöst, wie massive Steigerung von Herzfrequenz und Herzminutenvolumen, periphere Vasokonstriktion, Schweißausbruch, Pupillenerweiterung, Antidiurese, Glykogenolyse, Lipolyse und Hemmung der Immunabwehr.

In Kürze

Organbeteiligung Blut 4 Blutgase, Laktat: O2- Partialdruck p; Laktatkonzentration n o Azidose o CO2-Partialdruck p 4 Glukose: Erst bei erschöpfender Arbeit Hypoglykämie 4 Kalium, Natrium: Muskelarbeit o Hyperkaliämie; Schwitzen o Na+-Konzentration n 4 Blutzellen: Hämatokrit n, Leukozyten n, Thrombozyten n Lunge 4 Ventilation: Atemzugvolumen n, Atemfrequenz n o Ventilation > 100 Liter/Minute, O2-Aufnahme > 4 Liter/Minute. Erschöpfung o Atemfrequenz nn; Psychogene Hyperventilation 4 Bauchpresse bei Haltearbeit o Unterbrechung Ventilation, Rückstrom zum Herzen p 6

Kreislaufsystem. 4 Vasodilatation: Sympathische (ß2-Rezeptoren) und cholinerge Fasern, H+, K+, Metabolite und Adenosin o Muskeldurchblutung n o Versorgung mit O2, Substraten, Abtransport Laktat, CO2, Wärme 4 Kreislaufanpassung: Aktivierung Sympathikus o Herzfrequenz (bis zu 200/min) n, Schlagvolumen (bis zu 100 %) n, Herzminutenvolumen (bis zu 40 Liter/ Minute) n; Vasokonstriktion Splanchnikusgebiet, Niere und nichtarbeitende Muskulatur o trotz Muskeldurchblutung n systolischer Blutdruck n 4 steady-state. Herzfrequenz < 130/Minute 4 Sportlerherz: Herzgröße n o Schlagvolumen n o Sportlerbradykardie in Ruhe Skelettmuskel 4 Muskelmasse M>W; ѿ Körpergewicht; Muskeltätigkeit o Hypertrophie (Somatotropin/Testosteron)

6

146


4 Mukelfasertypen: Schnell, weiß, Typ II (F); langsam, tonisch, rot, Typ I (S) 4 Wärmeproduktion: Energie überwiegend in Wärme: Aktivierungs-, Erschlaffungs-, Erholungswärme 4 Muskeldurchblutung: Bei statischer Muskelarbeit schlechter als bei dynamischer Muskelarbeit ZNS, Hormone 4 Motorische Steuerung: Motorisches Lernen Leistung von Kleinhirnhemisphären 4 Vorstartzustand: Bereitschaftspotenzial, Sympathikusaktivierung

6 6.3

Erfassung von Leistung und Leistungsbeurteilung

6.3.1

Spiroergometrie

4 Leistungsbereitschaft: Biphasische Tagesrhythmik; Autonom geschützter Bereich nur im Todeskampf oder unter Doping 4 Mentale, emotionale Arbeit o Muskeltonus n, Ventilation n, Herzfrequenz n, Blutdruck n,Hautdurchblutung n, Schweißausbruch n 4 Notfallreaktion: Sympathikus nn, ADH n, ACTH n, Kortisol n, Insulin p o Herzfrequenz n, Herzminutenvolumen n, Vasokonstriktion, Schweißausbruch, Pupillenerweiterung, Antidiurese, Glykogenolyse n, Lipolyse n, Immunabwehr p

200/Minute die maximale Leistungsfähigkeit erreicht ist, wird in einer Grafik, in der die submaximalen Leistungen gegen die jeweiligen Herzfrequenzen aufgetragen werden, durch lineare Extrapolation auf 200/Minute die maximale Leistungsfähigkeit ermittelt.

! Messgrößen für die Leistungsfähigkeit sind neben der Ermittlung maximaler Leistungen die Kreislaufparameter

6.3.2

Training

Leistungstests. Die Leistungsfähigkeit eines Probanden

kann im Stufentest, Laufband, Fahrradergometer etc. ermittelt werden. Dabei können u. a. Herzfrequenz, Atemzeitvolumen, O2-Aufnahme, oder Laktatkonzentration bestimmt werden. Die maximale O2-Aufnahme ist als Maß für die Fähigkeit, Ausdauerleistungen zu erbringen, umstritten: Ein anderes Maß ist die maximale Leistung, bei der gerade noch ein Laktat steady state auftritt (anaerobe Schwelle) und die Zeitdauer, die das Schwellentempo durchgehalten wird (7 Kap. 6.1.2). Mittelzeittests von etwa drei Minuten prüfen die Fähigkeit, Muskelarbeit unter Bildung von Laktat zu leisten (glykolytisches System). Bei Belastungen von wenigen Sekunden (Kurzzeittests) werden Leistungen erbracht, die von der bereitgestellten Menge an ATP und Kreatinphosphat abhängen. Leistungstests bei Patienten. Bei Patienten ist die Ermittlung der Leistungsgrenze mit erheblichen Gefahren verbunden. Um ihre maximale Leistung zu ermitteln, können Patienten mehreren submaximalen Belastungen ausgesetzt und ihre Herzfrequenz jeweils gemessen werden. Nachdem eine etwa lineare Korrelation zwischen Herzfrequenz und Belastung besteht und bei einer Herzfrequenz von etwa

! Durch Wiederholung bestimmter Tätigkeiten wird die Leistungsfähigkeit in diesen Tätigkeiten gesteigert

Muskel. Muskeltraining steigert die Leistungsfähigkeit der betroffenen Muskeln durch präzisere und ökonomischere Bewegungen, Rekrutierung von mehr motorischen Einheiten bei trainierten Bewegungen, Steigerung der ATP- und Kreatinphosphatkonzentrationen, sowie langfristig durch Zunahme der Muskelfaserdicke, von kontraktilen Proteinen, Mitochondrien- und Kapillardichte. Da das Bindegewebe nicht zunimmt, ist der trainierte Muskel in besonderem Maße verletzungsgefährdet. Kreislauf. Unter Trainingseinfluss kommt es auch zur Zunahme des Blutvolumens, der Herzgröße (Sportlerherz) und damit des maximalen Schlagvolumens. Wird bei Zunahme des Blutvolumens auch die Zahl der Erythrozyten gesteigert, dann nimmt auch die O2-Transportkapazität zu. Eine ausschließliche Zunahme des Plasmavolumens (Hämatokrit sinkt) steigert die Herzfüllung und erleichtert die Thermoregulation. Die Zunahme der Herzgröße hat zur Folge, dass das Schlagvolumen auch in Ruhe sehr viel größer ist als bei untrainierten Personen. Das für den Ruheum-

147 6.3 · Erfassung von Leistung und Leistungsbeurteilung

satz erforderliche Herzzeitvolumen wird daher bei sehr niedrigen Herzfrequenzen erreicht (Bradykardie des ruhenden Leistungssportlers).

mehr decken kann und die Entwicklung einer Hypoglykämie die Versorgung des Gehirns mit Glukose beeinträchtigt.

Stoffwechsel. Die Leistungssteigerung bei trainierten Per-

Leistungsbereitschaft. Normalerweise wird die Leistung wegen Erschöpfung abgebrochen, längst bevor die theoretisch erreichbare maximale Leistung erbracht worden ist. Die Leistungsbereitschaft unterliegt zirkadianen Schwankungen mit Leistungsspitzen am Morgen und am frühen Abend. Durch massive Motivation, wie etwa bei einem bedeutsamen Wettkampf, können zusätzliche Einsatzreserven mobilisiert werden. Der autonom geschützte Bereich der Leistungsfähigkeit kann selbst durch äußerste Motivation nicht ausgeschöpft werden. Er ist jedoch unter dem Einfluss bestimmter Pharmaka mobilisierbar (Doping), wobei Gesundheit und Leben des Sportlers gefährdet werden.

sonen ist schließlich auch auf eine Umstellung des Stoffwechsels zurückzuführen. Kohlenhydratreiche Kost nach dem Training steigert die Bildung von Muskelglykogen und ermöglicht daher bei der nächsten Beanspruchung ein höheres Ausmaß an anaerober Glykolyse. Durch Training kann auch eine gesteigerte Eliminierung von Laktat, u. a. durch Zunahme der Masse an Herzmuskel und Typ-I-Skelettmuskeln, sowie eine herabgesetzte Laktatproduktion durch bevorzugte Rekrutierung von S-Muskelfasern erzielt werden. Die herabgesetzten Laktatplasmaspiegel tragen dann zur Leistungssteigerung bei. Schließlich ist die Ausschüttung von Hormonen wie Adrenalin beim Trainierten gesteigert.

Muskelkater. Die Überbeanspruchung von Muskeln führt 6.3.3

Ermüdung und Erholung

! Der Leistung sind durch die Ermüdung Grenzen gesetzt. Die Ermüdung kann den Muskel, den Kreislauf oder das Nervensystem erfassen

Ermüdung des Muskels. Sie folgt dem Zusammenbrechen der Energieversorgung, bzw. einem Mangel an Kreatinphosphat, an O2, Glukose und Fettsäuren. Ein Absinken des Verhältnisses von ATP/ADP gefährdet nicht nur die Muskelkontraktion, sondern auch die Aufrechterhaltung der Ionengradienten über die Zellmembran. Darüber hinaus führt Anhäufung von Laktat zur Ermüdung des Muskels, da die Azidose einen hemmenden Einfluss auf die Glykolyse und die Kontraktion ausübt. Ermüdung des Kreislaufes. Eine systemische Ermüdung

tritt auf, wenn bei Beanspruchung großer Muskelgruppen der periphere Widerstand in einer Weise absinkt, dass der Blutdruck nicht mehr aufrechterhalten werden kann, wenn also die Anpassungsmechanismen (7 Kap. 20.2) überfordert sind. Die Ermüdung kann beispielsweise durch hohe Umgebungstemperaturen beschleunigt werden, da die erschwerte Wärmeabgabe eine gesteigerte Durchblutung der Haut erzwingt. Hypoglykämie. Ermüdung kann schließlich eintreten,

wenn die Bereitstellung von Glukose den Bedarf nicht

mit einer Verzögerung von Stunden bis Tagen zum Muskelkater. Ursache sind lokale Schwellung sowie kleine Muskelrisse, die zum Austritt von Proteinen, damit zu lokaler Entzündung und zur Reizung von Nozizeptoren durch die Entzündungsmediatoren führen. Gesteigerte Laktatkonzentrationen spielen bei der Entstehung des Muskelkaters keine wesentliche Rolle. Erholung. Nach Beendigung einer Leistung müssen im

Muskel Kreatinphosphat und Glykogen aufgebaut, Laktat und H+ abtransportiert und die Ionengradienten über die Muskelzellmembran wiederhergestellt werden. Laktat kann in der Leber wieder zu Glukose aufgebaut bzw. in Herz und mitochondrienreichen Skelettmuskelzellen abgebaut werden. CO2 muss abgeatmet und die O2-Schuld abgetragen werden. Auch die geplünderten Glykogenvorräte von Muskeln und Leber müssen wieder aufgefüllt sowie die Flüssigkeits- und Kochsalzverluste durch den Schweiß wieder ausgeglichen werden. Schließlich werden die intramuskulären Triacylglycerine und – bei entsprechender Ernährung auch die Fettdepots – wieder aufgebaut. Diese Vorgänge bilden die Erholung des Muskels bzw. des Körpers von einer Beanspruchung. Je nach Intensität und Dauer der Leistung sowie je nach Erholungsparameter nimmt die Erholung wenige Minuten bis Wochen in Anspruch. Die erbrachte Leistung stimuliert die Schaffung von Energiereserven im Muskel etwa in Form von Glykogen, sodass eine Superkompensation eintritt. Sie ist letztlich ein wesentliches Element des Trainings.

6

148


In Kürze

Erfassung von Leistung und Leistungsbeurteilung Spiroergometrie 4 Leistungstests: Stufentest, Laufband, Fahrradergometer o Herzfrequenz, Atemzeitvolumen, O2-Aufnahme, Laktatkonzentration o Maximale O2-Aufnahme, anaerobe Schwelle (maximale Leistung bei Laktat steady state), Mittelzeittests (drei Minuten), Kurzzeittests 4 Leistungstests bei Patienten: Bestimmung Leistungsgrenze gefährlich, daher submaximale Belastungen und lineare Extrapolation auf 200/Minute

6

Training 4 Muskel: Präzison von Bewegungen n, Rekrutierung motorischer Einheiten n, ATP-Kreatinphosphatkonzentrationen n, Muskelfaserdicke n, kontraktile Proteine n, Mitochondrien n, Kapillardichte n 4 Kreislauf: Blutvolumenn, Herzgröße n, maximales Schlagvolumen n 4 Stoffwechsel: Muskelglykogen n, Laktatabbbau n, Laktatbildung p, Adrenalinausschüttung n

Ermüdung und Erholung 4 Muskelermüdung: Energieversorgung p, Kreatinphosphat p, O2 p, Glukose p, Fettsäuren p, ATP/ADP p, Ionengradienten über Zellmembran p, Laktat n o Azidose o Glykolyse p, Kontraktion p 4 Ermüdung Kreislauf: Peripherer Widerstand p o Blutdruck p (v. a. bei Wärme) 4 Hypoglykämie o Versorgung des Gehirns mit Glukose p 4 Leistungsbereitschaft: zirkadiane Schwankungen, Leistungsspitzen am Morgen und frühen Abend; der autonom geschützte Bereich nur unter Doping mobilisierbar 4 Muskelkater: Lokale Schwellung, kleine Muskelrisse o lokale Entzündung o Reizung Nozizeptoren 4 Erholung: Aufbau Kreatinphosphat, Glykogen, intramuskuläre Triacylglycerine, Abtransport Laktat, H+, Ionengradienten Muskelzellmembran n, Aufnahme Flüssigkeit, Kochsalz o Superkompensation

7

7 Ernährung, Verdauungstrakt, Leber 7.1

Ernährung

– 150

7.1.1 Nahrungsmittel – 150 7.1.2 Inadäquate Ernährung – 153 7.1.3 Regulation der Nahrungsaufnahme

– 155

7.2

Motorik des Magen-Darm-Traktes

7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5

Grundlagen – 158 Kauen und Schlucken – 160 Magen – 160 Erbrechen – 161 Dünn- und Dickdarm, Defäkation

– 158

7.3

Sekretion

7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6

Grundlagen – 163 Mund, Rachen, Ösophagus – 164 Magen – 165 Pankreas – 167 Leber und Galle – 168 Dünn- und Dickdarmsekrete, Stuhl, Darmflora

7.4

Aufschluss der Nahrung

– 161

– 163

– 170

– 173

7.4.1 Kohlenhydrate – 173 7.4.2 Proteine – 173 7.4.3 Lipide – 174

7.5

Absorption – 174

7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5

Eigenschaften intestinaler Epithelien – 174 Monosaccharide, Aminosäuren, Oligopeptide Lipide – 175 Wasser und Elektrolyte – 176 Sonstige Nahrungsbestandteile – 176

7.6

Integrative Steuerung der Magen-Darm-Funktion – 178

7.6.1 Zeitliche Koordination der digestiven und interdigestiven Verdauungsaktivität – 178 7.6.2 Gastrointestinale Hormone – 178 7.6.3 Durchfall – 178

– 175

150

Kapitel 7 · Ernährung, Verdauungstrakt, Leber

> > Einleitung Für die Unterhaltung der Körperfunktionen ist die ständige Zufuhr chemischer Energie erforderlich. Durch die Ernährung wird normalerweise die ausreichende Aufnahme energiereicher Verbindungen gewährleistet. Darüber hinaus sollen weitere essentielle Nahrungsbestandteile bereitgestellt werden, die für den Aufbau und die Funktion des Körpers benötigt werden. Daher treten selbst bei kalorisch adäquater Ernährung Mangelerscheinungen auf, wenn bestimmte Bestandteile der Nahrung nicht in hinreichender Menge zugeführt werden. Der Verdauungstrakt dient der Aufschlüsselung und Absorption von Nahrungsbestandteilen, sowie der Ausscheidung von Ballaststoffen und bestimmter Fremdstoffe. Dazu müssen zunächst Enzyme, Wasser und Elektrolyte sezerniert werden. Die Leber ist nicht nur Verdauungsdrüse, sondern zentrales Stoffwechselorgan.

7 7.1

Ernährung

7.1.1

Nahrungsmittel

! Kohlehydrate, Proteine und Fette dienen der Bildung von Energiesubstraten und Bausteinen

Energiesubstrate. Der Körper gewinnt seine Energie im

Wesentlichen durch Abbau von Fetten, Kohlenhydraten und Eiweiß. Letztlich wird aus allen drei Stoffgruppen ATP gewonnen (7 Kap. 8.1.2). Pro aufgenommenem Gramm Nährstoff ist die Energieausbeute (biologischer Brennwert) bei Zufuhr von Fetten (39 kJ/g) etwa doppelt so groß wie bei Zufuhr von Kohlenhydraten (KH) oder Eiweiß (je 17 kJ/g) (. Tab. 7.1). Die verschiedenen Energiesubstrate sind teilweise austauschbar (Isodynamie), d. h. eine herabgesetzte Zufuhr von Kohlenhydraten kann z. B. durch gesteigerte Zufuhr

. Tab. 7.1. Energetische Eigenschaften der Nahrungsstoffe Eiweiß

Fett

KH

Einheit

biologischer Brennwert

17,0

39,0

17,0

kJ/g

energetisches Äquivalent

18,8

19,6

21,0

Respiratorischer Quotient (RQ) (7 Kap. 5.6.1)

0,8

0,7

1,0

40,0

0,0

10,0

spezifische Dynamische Wirkung (7 Kap. 8.1.3)

kJ/lO2 lCO2/lO2 %

von Eiweiß kompensiert werden. Die Austauschbarkeit ist freilich nicht unbegrenzt. Im Körper muss ständig Glukose als Energiesubstrat zur Verfügung stehen. Die Bildung von ATP geschieht in Erythrozyten ausschließlich und in Neuronen vorwiegend durch Abbau von Glukose. Bei vorübergehend herabgesetzter Glukosezufuhr kann Glukose aus Glykogen der Leber bereitgestellt werden. Bei anhaltend mangelhafter Kohlenhydratzufuhr muss freilich Glukose aus den anderen Nährstoffen gebildet werden (Glukoneogenese), wie z. B. aus Succinyl-CoA, das beim Abbau verschiedener Aminosäuren und Glycerin sowie verzweigter und ungeradzahliger Fettsäuren entsteht. Der Abbau von Fettsäuren mündet jedoch hauptsächlich in Acetyl-CoA, das nicht zur Glukoneogenese eingesetzt werden kann. Somit kann die Zufuhr von Fett die Kohlenhydratzufuhr nur eingeschränkt kompensieren. Eiweiß. Die Aufrechterhaltung der Proteinsynthese erfordert die regelmäßige Zufuhr von Eiweiß. Bei Zufuhr von weniger als 30–40 g Eiweiß/Tag (Bilanzminimum) überwiegt der Eiweißabbau und es entsteht eine negative Stickstoffbilanz. Bei völliger Eiweißkarenz, aber kalorisch hinreichender Ernährung werden täglich etwa 15 g körpereigenes Eiweiß abgebaut (absolutes Eiweißminimum). Die empfohlene tägliche Zufuhr von Eiweiß beträgt 0,8 g/kg Körpergewicht. Eine höhere Zufuhr wird u. a. für Kinder, Schwangere und alte Menschen empfohlen. Essentielle Aminosäuren. Selbst bei quantitativ ausrei-

chender Eiweißzufuhr kann es zu Störungen kommen, wenn die essentiellen Aminosäuren nicht in genügender Menge enthalten sind (. Tab. 7.2). Zu den essentiellen Aminosäuren zählen Valin, Leucin, Isoleucin, Lysin, Methionin, Threonin, Tryptophan und Phenylalanin. Sie können im menschlichen Körper nicht aus den übrigen Aminosäuren synthetisiert werden. Wegen der vom Menschen abweichenden Aminosäurezusammensetzung pflanzlicher Proteine müssen diese zur Deckung des Bedarfs an essentiellen Aminosäuren in größeren Mengen als tierische Proteine zugeführt werden. Daher spricht man von einer geringeren biologischen Wertigkeit pflanzlicher Proteine. Essentielle Fettsäuren. Im menschlichen Körper können

Fettsäuren aus Acetyl-CoA gebildet werden, das beim Abbau von Kohlenhydraten und Aminosäuren entsteht. Nicht synthetisiert werden können freilich die ungesättigten Fett-

151 7.1 · Ernährung

. Tab. 7.2. Essentielle Nahrungsbestandteile Bestandteil

Beispiele

wichtigste Mangelerscheinung

Empfohlene Zufuhr

Brennstoffe

Eiweiß 17 kJ/g, Fett 40 kJ/g, oder Kohlenhydrate 17 kJ/g

Gewichtsverlust, verminderte Leistungsfähigkeit

8000 kJ/Tag

Ödeme

1 g/kg KG/Tag

Eiweiß essentielle Aminosäuren

Valin, Leucin, Isoleucin, Lysin, Methionin, Threonin, Tryptophan, Phenylalanin

Ödeme

Fettsäuren

Linolsäure

Dermatosen, Hämaturie . Tab. 7.3, . Tab. 7.4

Vitamine,und Spurenelemente Wasser und Elektrolyte

. Tab. 9.5

säuren Linolsäure und Linolensäure, die Doppelbindungen aufweisen, die mehr als 9-C-Atome von der Karboxylgruppe entfernt sind. Sie müssen als essentielle Fettsäuren zugeführt werden. Fett ist der wichtigste Energiespeicher des Körpers. ! Vitamine und Spurenelemente werden nur in geringen Mengen benötigt, sind jedoch unverzichtbar

. Tab. 7.3, . Tab. 7.4 . Tab. 9.5, . Tab. 9.6

! Unverzichtbare Bestandteile der Nahrung sind ferner Wasser und Elektrolyte. Ballaststoffe sind nicht unbedingt erforderlich, aber dennoch physiologisch bedeutsam

Wasser, Elektrolyte. Eine ausreichende Zufuhr von Wasser

und Elektrolyten ist lebensnotwendig, wie an anderer Stelle ausführlicher dargestellt wird (7 Kap. 9.1). Ballaststoffe. Weitere physiologisch bedeutsame, wenn

Vitamine. Notwendige Nahrungsbestandteile sind ferner

die Vitamine. Sie können – außer Vitamin D – vom menschlichen Körper nicht selbst hergestellt werden. Im Gegensatz zu Energiesubstraten oder etwa essentiellen Aminosäuren, müssen Vitamine nur in sehr geringen Mengen zugeführt werden. Die meisten Vitamine (v. a. wasserlösliche Vitamine) werden im Körper zum Aufbau von Coenzymen benötigt, d. h. von Molekülen, die für die Tätigkeit von Enzymen erforderlich sind. Bei Mangel an bestimmten Vitaminen kann die jeweilige Reaktion im Körper nicht in der normalen Weise ablaufen und es kommt zu Mangelerscheinungen. Man unterscheidet fettlösliche von wasserlöslichen Vitaminen. Die fettlöslichen Vitamine sind A (Retinol), D (Cholecalciferol), E (Tocopherol), K1 (Phyllochinon) und K2 (Menachinon), die wasserlöslichen Vitamine C (Ascorbinsäure), B1 (Thiamin), B2 (Riboflavin), B6 (Pyridoxin), B12 (Cobalamin), Niacinamid, Pantothensäure, Biotin, Cholin und Folsäure. Die einzelnen Vitamine sind in . Tab. 7.3 zusammengestellt. Spurenelemente. Bei den Spurenelementen, wie Eisen, Ko-

balt, Kupfer, Zink, Mangan, Vanadium, Selen, Jod und Fluor, ist die Zufuhr geringster Mengen (Spuren) ausreichend, aber auch notwendig. Ihre jeweilige physiologische Bedeutung ist in . Tab. 7.4 gezeigt.

auch nicht lebensnotwendige Inhaltsstoffe von Nahrungsmitteln sind die Ballaststoffe, zu denen v. a. die unverdaulichen Polysaccharide zählen. Sie werden im Darm nicht absorbiert, ziehen osmotisch Wasser an und dehnen damit das Darmlumen. Die Dehnung der Darmmuskulatur fördert die Darmmotilität und beschleunigt auf diese Weise die Darmpassage (7 Kap. 7.2). Ballaststoffarme Kost führt umgekehrt zu verlangsamter Darmpassage (Verstopfung) und begünstigt die Entwicklung von Darmtumoren (7 Kap. 7.3.6). ! Parenterale Ernährung sichert die Zufuhr von Nahrungsstoffen bei Ausfall der Darmfunktion

Parenterale Ernährung. Ist die enterale Aufnahme not-

wendiger Nahrungsstoffe über den Darm nicht gewährleistet (z. B. bei massiven Durchfallerkrankungen), dann können die Nahrungsstoffe auch parenteral zugeführt, also in die Blutbahn infundiert werden. Bei langfristiger parenteraler Ernährung müssen wie bei oraler Ernährung Energiesubstrate, Aminosäuren, essentielle Aminosäuren und Fettsäuren, Vitamine, Spurenelemente, Wasser und Elektrolyte in hinreichenden Mengen verabreicht werden. Die parenteral zugeführten Nahrungsbestandteile müssen in löslicher Form vorliegen, wobei die Osmolarität der zu-

7

152


. Tab. 7.3. Vitamine Vitamine

Empfohlene tägliche Zufuhr

Aufgaben bzw. Reaktionen

Mangelsymptome

A (Retinol)

1 mg

Vorstufe von Rhodopsin; als Retinsäure (Ligand für Kernrezeptoren) wichtig für Wachstum und Differenzierung (u. a. Epithelien) über Steuerung der Expression diverser Proteine

Nachtblindheit, Verhornung von Epithelien (Bindehaut o Xerophthalmie, Haut- und Schleimhäute o Hyperkeratose), Knochenwachstumsstörungen

D (Calciferole)

5 µM

als 1,25 (OH)2D3 Einfluß auf Ca-HPO4Stoffwechsel (7 Kap. 9.1.6), Beeinflussung der Mitoserate

Rachitis, Osteomalazie

E (Tocopherole)

10 mg

Antioxidativ wirksam

Ödeme, Hämolyse, Thrombozytose (beim Menschen nahezu unbekannt)

K (Phyllochinone)

30 µg

Synthese der Gerinnungsfaktoren II, VII, IX und X

herabgesetzte Blutgerinnung, Blutungen

Fettlösliche Vitamine

Wasserlösliche Vitamine

7

B1 (Thiamin) (Aneurin)

1,4 mg

oxidative Dekarboxylierung von Pyruvat, Zitronensäurezyklus, Transketolase, Pentosephosphatzyklus

Beri-Beri: Polyneuropathie (Sensibilitätsausfälle, Lähmungen), Enzephalopathie, Herzinsuffizienz, Vasodilatation, Muskelatropie, Darmatonie, Diarrhö

B2 (Riboflavin)

1,6 mg

Wasserstoffübertragung (FAD + FMN) in Atmungskette, β-Oxidation, Aminosäureoxidase, Xanthinoxidase

Mundwinkelrhagaden, Cheilose, Zungenpapillenatrophie, Dermatosen, Nagelveränderungen, Vaskularisierung der Kornea, Anämie, Missbildungen

Niacinamid

18 mg

Wasserstoffüberträger (NAD , NADP )

Pellagra, Entzündung von Haut, Schleimhäuten (Glossitis, Stomatitis, Gastroenterokolitis, Proktitis), Schädigung des ZNS (Neuritiden, Demenz)

B6 (Pyridoxalphosphat)

2,2 mg

als Pyridoxalphosphat Transaminierung und Dekarboxylierung von Aminosäuren, Bildung von GABA, Umwandlung von Tryptophan zu Serotonin, Oxalat zu Glyzin; d-Aminolävulinsäuresynthese

Störung des ZNS (Übererregbarkeit, Krämpfe, Hyperakusis), Oxalose, Anämie, Dermatose

Panthothensäure

5–10 mg

Bestandteil von Coenzym A

Schwäche, Müdigkeit, Krämpfe, burning foot Syndrom

Biotin

0,2 mg

Karboxylierungen (z. B. Pyruvate, Acetyl-CoA)

Hauterkrankungen (Dermatitis, Seborrhö), Anämie, Müdigkeit

B12 (Kobalamin)

3 µg

Umwandlung von Neutralfetten in Phosphatide, Purinsynthese, Folsäuremetabolismus

funikuläre Myelose, perniziöse Anämie, gesteigerte Methylmalonatausscheidung

Folsäure

0,4 mg

als Tetrahydrofolat Übertragung von C1Bruchstücken, Synthese von Aminosäuren, Pyrimidin, Purin und Porphyrin, Umwandlung von Homocystein in Methionin

makrozytäre Anämie, Leuko-, Lympho- und Thrombozytopenie, Glossitis, Störungen des Knochenwachstums, gesteigerte Formiminoausscheidung (Zwischenprodukt des Histaminabbaues)

C (Ascorbinsäure)

60 mg

Redoxreaktionen, Aufbau von Kollagen und Glykosaminoglykanen

Skorbut (Zahnausfall, Blutungen), Müdigkeit, Schwäche, Infektanfälligkeit, Gelenkschwellungen

+

+

153 7.1 · Ernährung

. Tab. 7.4. Essentielle Spurenelemente Element

Empfohlene Zufuhr

Wichtigste Aufgaben bzw. Wirkungen

Wichtigste Auswirkungen eines Mangels

Überschuss

Eisen

10 mg

u. a. Bestandteil von Hämoglobin, Enzyme der Atmungskette, der Biotransformation

Anämie, Haarausfall, brüchige Fingernägel

Hämochromatose, Hämosiderose

Kobalt

0,1 µg

Bestandteil von Vitamin B12

. Tab. 7.3, Mangel an Vitamin B12

Erbrechen, Durchfall, Schädigung des Herzens

Kupfer

2 mg

Bestandteil,von Oxidoreduktasen (u. a. Lysyloxidase,Tyrosinase Monoaminoxidase, Ferrioxidase)

Störungen im Kollagenaufbau, Anämie, Leukopenie, ZNS-Störungen, gesteigerte Cholesterinsynthese

Gastrointestinale Störungen, Schädigung der Leber (indian childhood cirrhosis) und selten ZNS, Niere, Hämolyse

Zink

15 mg

Bestandteil einer Vielzahl (über 70) von Enzymen jeder Klasse, beeinflusst Fluidität von Zellmembranen

Hauterkrankungen, Störung der Wundheilung, des ZNS, Infektanfälligkeit,Wachstumsverzögerung, Impotenz

gastrointestinale Störungen, Kupfermangel, Störungen des ZNS

Mangan

>Colon), Wasser durch osmotischen Gradienten 4 Ca2+: Ca2+ tight junctions, luminale Ca2+-Kanäle, basolateral Ca2+-ATPase, Na+/ Ca2+-Austauscher, intrazellulär Bindung an Calbindin, Stimulation durch Calcitriol 4 Phosphat: Alkalische Phosphatase, Na+-gekoppelte zelluläre Aufnahme, Stimulation durch Kalzitriol 4 Sulfat: Na+-gekoppelter Transport, begrenzte Transportkapazität Sonstige Nahrungsbestandteile 4 Eisen: Fe3+ (Ferrireduktase) o Fe2+ o zelluläre Aufnahme (H+, Fe2+-Cotransporter) o Bindung an Ferritin; Eisenmangel o iron-regulating protein (IRP) bindet an mRNA von Ferritin o Ferritinsynthese p o intrazelluläre Fe2+-Bindung p o Fe2+-Abgabe an Blut n o Fe2+ (Coeruloplasmin) o Fe3+ o Apotransferrin-Bindung o Transferrin (Apotransferrin + 2 Fe3+) o Erythroblasten 4 Vitamine: Fettlösliche Vitamine (A, D, E, K) erfordern zur Absorption Gallensäuren; Vitamin C, Biotin, Thiamin, Pantothensäure, Riboflavin werden Na+-gekoppelt transportiert; Absorption (im Ileum) von Vitamin B12 (Kobalamin) erfordert Intrinsic factor

7

178


7.6

Integrative Steuerung der Magen-Darm-Funktion

naltrakt, die Insulinausschüttung und eine Reihe von Funktionen außerhalb des Gastrointestinaltraktes.

7.6.1

Zeitliche Koordination der digestiven und interdigestiven Verdauungsaktivität

7.6.3

! Die Verweildauer von Nahrungsbestandteilen im Gastrointestinaltrakt ist variabel. Man unterscheidet mehrere Phasen der Stimulation des Gastrointestinaltraktes durch Nahrungsbestandteile

Durchfall

! Eine der häufigsten Erkrankungen des Gastrointestinaltraktes ist Diarrhö, also eine gesteigerte Ausscheidung von Darminhalt

Ursachen. Mehrere Ursachen können Diarrhö auslösen: 4 Die diätetische Zufuhr nichtabsorbierbarer Nah-

Gastrointestinale Passagezeiten. Die Verweildauer von Nah-

rungsbestandteilen in verschiedenen Abschnitten des Gastrointestinaltraktes ist ausgesprochen variabel. Nahrungsbestandteile verbleiben etwa 1–6 Stunden im Magen, etwa 2–5 Stunden im Dünndarm und etwa 5–70 Stunden im Colon.

7

Phasen der Regulation des Gastrointestinaltraktes. Bei der

Regulation der Sekretionstätigkeit unterscheidet man unterschiedliche Phasen (7 Kap. 7.3.3): Vor Aufnahme der Nahrung sichert die kephalische Phase (ausgelöst durch Gerüche, Vorstellung und Sehen von Essbarem) die Vorbereitung des Gastrointestinaltraktes. Es wird durch das parasympathische Nervensystem die Speichel- und Magensaftsekretion angeregt. Gelangt die Nahrung in den Magen, folgt die gastrische Phase (Dehnung und chemische Stimulation durch Nahrungsbestandteile). Dabei wird Gastrin ausgeschüttet, das wiederum die Magensaftsekretion stimuliert. Bei Übertritt in den Darm folgt die intestinale Phase (durch chemische Stimulation und pH-Abfall im Duodenum). Dabei ist die Ausschüttung von Sekretin, gastric inhibitory polypeptide (GIP), Cholecystokinin (CCK), Peptide YY, und Neurotensin (. Tab. 7.5) stimuliert, die Gastrinsekretion gehemmt.

7.6.2

Gastrointestinale Hormone

! Im Gastrointestinaltrakt wird eine Vielzahl von Hormonen gebildet, die ihre Wirkung nicht nur im Gastrointestinaltrakt entfalten

Bildungsorte. Die Bildungsorte der wichtigsten gastroin-

testinalen Hormone sind in . Tab. 7.5 zusammengestellt. Wirkungen. Wie . Tab. 7.5 zeigt, regulieren gastrointestina-

le Hormone die Motorik und Sekretion im Gastrointesti-

rungsbestandteile oder die Zufuhr von Mengen, welche das Transportmaximum übersteigen, führt zu einem Zurückbleiben dieser Nahrungsbestandteile im Darmlumen 4 Auch bei massiv gesteigerter Sekretion kann die Absorptionskapazität des Darms überfordert werden 4 Ferner kann bei gestörter Verdauung die Aufschlüsselung in absorbierbare Bestandteile verzögert sein 4 Schließlich können bei Vorliegen von Transportdefekten die aufgeschlossenen Nahrungsbestandteile nicht hinreichend absorbiert werden Die nicht absorbierten Substanzen üben einen osmotischen Druck aus, der die Absorption von Wasser beeinträchtigt. Die folgende Dehnung des Darmlumens stimuliert die Darmmotorik, wodurch die Darmpassage beschleunigt wird. Damit wird auch die Absorption normal zugeführter Nahrungsbestandteile beeinträchtigt. Eine primär oder sekundär gesteigerte Darmmotorik beschleunigt die Passage zugeführter Nahrungsbestandteile. Dadurch ist die Kontaktzeit für Verdauung und Absorption zu kurz, Nahrungsbestandteile werden nicht vollständig absorbiert und gelangen in distale Darmabschnitte, welche eine nur geringe oder keine Transportkapazität für die jeweiligen Substanzen aufweisen. Die nicht absorbierten Nahrungsbestandteile üben einen osmotischen Druck aus, der Wassereinstrom in das Lumen dehnt den Darm und fördert dann zusätzlich die Darmmotorik. Auswirkungen. Der bakterielle Abbau von Glukose bei gestörter Glukoseabsorption führt zu säuerlichem Gärungsstuhl, der Abbau von Aminosäuren zum Fäulnisstuhl. Durchfall kann, insbesondere bei Kindern, sehr schnell zu lebensbedrohlichen Störungen des Wasserund Elektrolythaushaltes führen. Bei gestörter Fettabsorption (Steatorrhö) binden nicht absorbierte Fettsäuren

179 7.6 · Integrative Steuerung der Magen-Darm-Funktion

Ca2+ und begünstigen damit die Absorption von Oxalat, das normalerweise mit Ca2+ ausfällt und daher nicht absorbiert wird. Die Oxalatabsorption kann gesteigerte renale Oxalatausscheidung mit Bildung von Oxalalsteinen nach sich ziehen (7 Kap. 9.2.9). Enteraler Verlust von

Gallensäuren mindert die Sekretion von Gallensäuren in die Galle und begünstigt damit das Auftreten von Gallensteinen. Eingeschränkte Absorption von Vitaminen führt zu den entsprechenden Vitaminmangelerscheinungen (. Tab. 7.3).

In Kürze

Integrative Steuerung der Magen-Darm-Funktion Zeitliche Koordination der digestiven und interdigestiven Verdauungsaktivität 4 Gastrointestinale Passagezeiten: ≈1–6 h Magen, ≈2–5 h Dünndarm, ≈5–70 h Colon. 4 Kephalische Phase (Gerüche, Vorstellung, Sehen) o Parasympathikus o Speichel- und Magensaftsekretion n; Gastrische Phase (Dehnung, Nahrungsbestandteile Magen) o Gastrin n o Magensaftsekretion; Intestinale Phase (Nahrungsbestandteile, pH-Abfall Duodenum) o Sekretin n, gastric inhibitory polypeptide (GIP) n, Cholecystokinin (CCK) n, Peptide YY n, Neurotensin, Gastrin p

Gastrointestinale Hormone (. Tab. 7.5) Durchfall 4 Ursachen: Zufuhr > Transportkapazität Nahrungsbestandteile, Sekretion n, Verdauung p, Transportdefekte, primär oder sekundär gesteigerte Darmmotorik 4 Auswirkungen: säuerlicher Gärungsstuhl (Glukose), Fäulnisstuhl (Aminosäuren), Wasser- und Elektrolytverluste (v. a. Kinder!), Steatorrhö (Mangel an fettlöslichen Vitaminen), Komplexierung von Ca2+ o Oxalatabsorption o Nierensteine), Verlust von Gallensäuren o Gallensteine

7

8

8 Energie- und Wärmehaushalt 8.1

Energiehaushalt – 182

8.1.1 Grundlagen biologischer Energetik 8.1.2 Energiequellen – 182 8.1.3 Energieumsatz – 183

8.2

Wärmehaushalt

8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5

Körpertemperatur – 185 Wärmebildung – 185 Wärmeabgabe und -aufnahme Temperaturregulation – 188 Akklimatisation – 190

– 182

– 185

– 186

182

Kapitel 8 · Energie- und Wärmehaushalt

> > Einleitung Der menschliche Körper benötigt für die Aufrechterhaltung seiner Funktionen die ständige Zufuhr von Energie. Die Energie wird durch Verbrennung von Nahrungsbestandteilen gewonnen (chemische Energie). Die Zellen unseres Körpers sind auf die Nutzung der energiereichen (makroenergen) Phosphatbindungen (v. a. ATP) angewiesen. Die Nutzform der chemischen Energie kann für Syntheseleistungen eingesetzt werden, also wiederum in chemische Energie umgewandelt werden. Durch Kontraktion von Muskeln kann andererseits mechanische Arbeit (Energie) geleistet werden, wie etwa beim Heben einer Last. Durch aktiven (energieverbrauchenden) Transport von Substanzen über eine Membran wird ein Konzentrationsgradient geschaffen (osmotische Arbeit), wie etwa für Natrium über die Zellmembran. Sind diese Substanzen (wie Na+) geladen, dann kann ein elektrisches Potenzial über die Membran aufgebaut werden (elektrische Energie). Schließlich entsteht im Körper Wärme (thermische Energie).

8

8.1

Energiehaushalt

8.1.1

Grundlagen biologischer Energetik

! In einem geschlossenen System bleibt die Gesamtheit der Energie konstant. Bei allen gerichteten Energieumwandlungen muss die Entropie zunehmen

Erster Hauptsatz der Thermodynamik. In einem geschlosse-

nen System muss bei allen Vorgängen die Energie konstant bleiben, d. h. wird eine bestimmte Menge chemischer Energie verbraucht, dann muss dabei die gleiche Menge an anderer Energie (chemisch + mechanisch + osmotisch + elektrisch + thermisch) entstehen (1. Hauptsatz der Thermodynamik, 7 Lehrbücher der Physik). Wird beispielsweise mit Hilfe einer Muskelkontraktion eine Hantel hochgehoben, dann wird die durch Spaltung von ATP freiwerdende chemische Energie in mechanische Energie (Heben der Hantel) und thermische Energie (der Muskel wird wärmer) umgewandelt. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik. Ein Vorgang läuft nur dann gerichtet ab, wenn die Entropie dabei zunimmt, bzw. wenn das System in einen wahrscheinlicheren Zustand versetzt wird. Der wahrscheinlichere Zustand ist dabei (vereinfacht gesagt) die gleichmäßigere Verteilung der Energie (»sozialistischer« Hauptsatz der Thermodynamik, 7 Lehrbücher der Physik). Die gleichmäßigste Verteilung von Ener-

gie ist in Form von Wärme möglich, da Wärme sich auf alle benachbarten Moleküle gleichmäßig verteilt. Bei energieverbrauchenden Prozessen im Körper entsteht daher in aller Regel Wärme.

8.1.2

Energiequellen

! Der Körper gewinnt Energie durch Abbau von Kohlehydraten, Fetten und Proteinen. Die Energiequellen unterscheiden sich in der Energieausbeute

Energiegewinnung. Der bei weitem wichtigste Energielie-

ferant für aktive Prozesse im Körper ist ATP. Es wird im Wesentlichen aus dem Abbau von Nährstoffen (Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen) gewonnen (. Abb. 8.1). Nährstoffe sind in verschiedenen Körperdepots gespeichert (Speicherform der chemischen Energie). Diese Reserven reichen für die Erneuerung von verbrauchten energiereichen Phosphatverbindungen bei einem ruhenden Menschen normalerweise etwa 30–40 Tage. Trotzdem sind wir es gewohnt, durch regelmäßige Nahrungsaufnahme die verbrauchten Nahrungsreserven mehrmals täglich zu ersetzen und dabei das Körpergewicht erstaunlich konstant zu halten. Die Nahrungsaufnahme wird dabei durch Regelkreise kontrolliert, die Hunger- und Sättigungsgefühle entstehen lassen (7 Kap. 7.1.3). Der Nährstoffabbau führt einerseits direkt zur Bildung von ATP, andererseits zur Bildung von gebundenem Wasserstoff (H2) etwa in Form von NADH + H+. In der Atmungskette reagiert über eine Kaskade von Reaktionen H2 mit O2. Die dabei freiwerdende chemische Energie wird wiederum teilweise zur Bildung von ATP genutzt. Verbrennung. Zur Energiegewinnung werden die Nah-

rungsbestandteile letztlich mit Sauerstoff zu CO2 und Wasser »verbrannt«: Für die »Verbrennung« von Glukose lässt sich z. B. folgende Bilanz aufstellen: C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O Auch Fettsäuren werden vollständig zu CO2 und H2O verbrannt, wie z. B. Palmitinsäure: C16H32O2 + 23 O2 = 16 CO2 + 16 H2O Wirkungsgrad. Insgesamt werden bei Kohlenhydratverbrennung etwa 40 % der chemischen Energie von Glukose in

183 8.1 · Energiehaushalt

nosäuren wird jedoch im Gegensatz zur physikalischen Verbrennung nicht oxidiert, sondern zum größten Teil als Harnstoff ausgeschieden. Die chemische Energie des Harnstoffs bleibt also vom Körper ungenutzt und der biologische Brennwert der Proteine (ca. 17 kJ/g) ist damit geringer als deren physikalischer Brennwert (ca. 24 kJ/g). Darüber hinaus ist ja der Wirkungsgrad der ATP-Bildung aus Proteinen mit etwa 30 % relativ gering, d. h. die bei der Eiweißverbrennung entstehende Energie geht zum größeren Teil als thermische Energie »verloren« Respiratorischer Quotient. Bei der Verbrennung von Glu-

kose wird ebenso viel O2 verbraucht wie CO2 gebildet wird. Der respiratorische Quotient (RQ), d. h. der Quotient aus CO2-Bildung zu O2-Verbrauch ist also 1. Bei der Verbrennung von Fetten wird hingegen relativ zum O2-Verbrauch weniger CO2 gebildet, der respiratorische Quotient liegt bei 0,7. Der respiratorische Quotient für die Eiweißverbrennung liegt bei etwa 0,81. Kalorisches Äquivalent. Die Energie, welche pro verbrauchtem O2 gewonnen wird (kalorisches Äquivalent), ist bei Verbrennung von Fetten (19,6 kJ/l O2), Kohlenhydraten (21,0 kJ/l O2) und Eiweißen (18,8 kJ/l O2) ähnlich. . Abb. 8.1. Energiestoffwechsel bei enteraler Absorption (oben) und bei Hunger (unten). AS = Aminosäuren, FS = Fettsäuren, Glc = Glukose, Gg = Glykogen, Gln = Glutamin, Glyc = Glycerin, HS = Harnstoff, KK = Ketonkörper, Lct = Laktat, Pr = Proteine, TG = Tri(acyl)glyceride

chemische Energie von ATP umgewandelt. Die übrige Energie wird in thermische Energie (Wärme) verwandelt. Bei der Verbrennung von Proteinen werden nur etwa 30 % der Energie in chemische Energie von ATP umgesetzt. Wiederum wird der Rest in Wärme umgewandelt. Bei Muskelkontraktionen wird gleichermaßen nur ein kleiner Anteil der chemischen Energie von ATP in mechanische Arbeit umgesetzt, der größte Teil der Energie wird in thermische Energie umgewandelt. Der Wirkungsgrad, d. h. die geleistete Arbeit pro verbrauchter Energie ist also gering (< 25 %). Brennwert. Kohlenhydrate und Fette werden somit im Körper wie bei einer physikalischen Verbrennung vollständig verbrannt. Der biologische Brennwert von Kohlenhydraten und Fetten ist damit praktisch identisch mit dem physikalischen Brennwert. Der Brennwert von Fetten (ca. 39 kJ/g) ist dabei etwa doppelt so groß wie der Brennwert von Kohlenhydraten (ca. 17 kJ/g). Der Stickstoff der Ami-

Ernährung. Die Energiesubstrate müssen über die Nahrung

aufgenommen werden, wie an anderer Stelle näher erläutert wird (7 Kap. 7.1.1). Übersteigt die Aufnahme von Energiesubstraten den Energieverbrauch, dann werden die überschüssigen Energiesubstrate vorwiegend als Fett gespeichert, es entwickelt sich Fettsucht (7 Kap. 7.1.2). Ist umgekehrt der Energieverbrauch größer als die Zufuhr von Energiesubstraten, dann muss der Energiebedarf teilweise durch Abbau von körpereigenem Fett, Glykogen und Eiweiß gedeckt werden (7 Kap. 7.1.2).

8.1.3

Energieumsatz

! Der Energieumsatz ist eine Funktion der Leistungen des Körpers. Er kann anhand des O2-Verbrauchs abgeschätzt werden

Energieverbrauch. Der Energieumsatz des Körpers

hängt naturgemäß von den Leistungen ab, die jeweils erbracht werden müssen (. Tab. 8.1). In körperlicher und geistiger Ruhe und im Nüchternzustand ist der Umsatz gering (Grundumsatz, ca. 300 kJ/Std.). Bei rein geistiger

8

184


. Tab. 8.1. Energiebedarf kJ/Tag · kg

MJ/Tag · m2

kcal/Tag · kg

Mcal/Tag · m2

Grundumsatz

100

4

24

1,0

Ruheumsatz

120

5

29

1,2

Freizeitumsatz

140

6

33

1,4

sehr schwere Arbeit

280

12

67

2,9

Arbeit steigt der Umsatz nur geringfügig, bei körperlicher Arbeit kann er jedoch über das 10-fache ansteigen (7 Kap. 6.1.2). Spezifische dynamische Wirkung. Nahrungszufuhr führt

8

zu einer Zunahme des Umsatzes, da für Verdauung, Absorption und metabolische Verarbeitung der Nahrungsstoffe Energie verbraucht wird. Bei Zufuhr von Kohlenhydraten steigt der Umsatz um etwa 10 %, bei Zufuhr von Proteinen um bis zu 30 % der zugeführten Energie (spezifische dynamische Wirkung). Kalorimetrie. Der Energieumsatz wird bei der direkten

Kalorimetrie über die Wärmeabgabe des Körpers ermittelt. Bei der indirekten Kalorimetrie schätzt man den Energieverbrauch aus dem O2-Verbrauch ab. Der Energie˙ ) kann aus der O2-Aufnahme (V ˙ O2) und dem umsatz (W mittleren kalorischen Äquivalenten (20 kJ/l O2) errechnet werden: ˙ =V ˙ O2 · 20 [kJ] W Nimmt eine Versuchperson etwa pro Minute 300 ml O2 auf, dann errechnet sich ihr Energieumsatz aus der indirekten Kalorimetrie aus: 0,3 [l/min] · 20 [kJ/l] = 6 kJ/min. Dabei wird vernachlässigt, dass die Energiegewinnung pro O2-Verbrauch bei Verbrennung von Kohlenhydraten, Eiweiß und Fetten nicht identisch ist (. Tab. 7.1). Genauere Werte erhält man, wenn man zunächst ermittelt, welche Nahrungssubstrate verbrannt wurden, wobei die renale Stickstoffausscheidung ein Maß für den Eiweißabbau, und der respiratorische Quotient (RQ) ein Maß für die relative Fett- und Kohlenhydratverbrennung sind. Bei reiner Fettverbrennung ist der RQ = 0,7, bei reiner Kohlenhydratverbrennung 1,0. Bei Verbrennung von Fetten und Kohlenhydraten in jeweils gleichem Ausmaß ist der RQ = 0,85.

Die Berechnung des Energieumsatzes setzt ein metabolisches und respiratorisches Gleichgewicht voraus. Wird etwa im Körper aus zugeführten Kohlenhydraten Fett gebildet oder wird durch Hyperventilation relativ viel CO2 abgeatmet, dann kann der RQ-Wert über 1,0 ansteigen und

reflektiert nicht mehr unverfälscht die Verbrennung der jeweiligen Nährstoffe. ! Die verschiedenen Organe verwenden unterschiedliche Energiesubstrate

Substratbedarf einzelner Organe. Die verschiedenen Or-

gane decken ihren Energiebedarf in unterschiedlichem Ausmaß aus Glukose, Aminosäuren und Fettsäuren. Ferner bestehen wesentliche Unterschiede in ihrem O2-Verbrauch (. Tab. 4.1). Die Erythrozyten decken ihren Energiebedarf ausschließlich aus nichtoxidativem Abbau von Glukose, da sie keine Mitochondrien besitzen und zum oxidativen Abbau von Substraten nicht befähigt sind. Das Gehirn deckt seine Energieversorgung in erster Linie durch oxidative Verbrennung von Glukose. Die Neurone verfügen über keine Glykogenvorräte und sind daher auf ständige Zufuhr von Glukose über das Blut angewiesen. Hypoglykämie führt wie Ischämie sehr schnell zum Funktionsausfall und zu irreversibler Schädigung des Gehirns. Allerdings entnimmt das Gehirn normalerweise nur etwa 10 % der arteriell angebotenen Glukose. Bei längerem Fasten deckt das Gehirn einen erheblichen Anteil seines Energiebedarfes aus der Verbrennung von β-Hydroxybutyrat und Azetazetat, die von der Leber aus Fettsäuren bereitgestellt werden. Gleichzeitig wird Glukose dann überwiegend nur noch zu Laktat abgebaut, das dann zur Glukoneogenese wiederverwendet werden kann. In der Niere verbrauchen die proximalen Tubuli in erster Linie Fettsäuren zur Energiegewinnung. Das hohe O2Angebot in der Nierenrinde begünstigt dabei den oxidativen Abbau der Fettsäuren. In Nierenmark, distalem Tubulus und Sammelrohr wird Glukose als Substrat bevorzugt. Der Skelettmuskel verbrennt bei entsprechendem Angebot Fettsäuren, bei Mangel an Fettsäureangebot auch βHydroxybutyrat und Azetazetat sowie Glukose. Bei mangelhaftem Angebot an Substraten über das Blut deckt der

185 8.2 · Wärmehaushalt

Skelettmuskel seinen Energiebedarf aus der Verbrennung von Glukose, die durch den Abbau von Muskelglykogen bereitgestellt wird. Bei Hypoxie weicht der Skelettmuskel auf anaerobe Glykolyse aus. Der Herzmuskel kann Fettsäuren, β-Hydroxybutyrat und Azetazetat, Laktat und Glukose zur Energiegewinnung einsetzen. Vor allem bei schwerer Arbeit verbrennt der Herzmuskel zum Teil das im Skelettmuskel erzeugte Laktat. Bei Ischämie ist der Herzmuskel jedoch selbst auf anaerobe

Energiegewinnung angewiesen und bildet über anaerobe Glykolyse Laktat (Laktatumkehr). Die Leber kann ihren Energiebedarf aus dem Abbau von verschiedensten Substraten decken, wobei sie ihren Stoffwechsel nach den Bedürfnissen der übrigen Organe richtet. So verwendet sie bei gesteigerter Laktatproduktion der Skelettmuskulatur das überschüssige Laktat zur Glukoneogenese, bei gesteigertem Angebot an Fettsäuren bildet sie β-Hydroxybutyrat und Azetazetat.

In Kürze

Energiehaushalt Grundlagen biologischer Energetik 4 Erster Hauptsatz: In einem geschlossenen System bleibt die Gesamtheit der Energie konstant 4 Zweiter Hauptsatz: Ein Vorgang läuft nur gerichtet ab, wenn Entropie zunimmt Energiequellen 4 Energiegewinnung: ATP entsteht bei Abbau von Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen. Glukoseverbrennung: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O, Fettsäureverbrennung: C16H32O2 + 23O2 = 16CO2 + 16H2O 4 Wirkungsgrad: Kohlenhydratverbrennung ≈40% der chemischen Energie in Energie von ATP; Muskelkontraktionen ≤25% in geleistete mechanische Arbeit (jeweils Rest Wärme) 4 Brennwert: Fette ≈39 kJ/g, Kohlenhydrate ≈17 kJ/g, Proteine ≈17 kJ/g 4 Respiratorischer Koeffizient RQ: CO2-Bildung/O2-Verbrauch: RQ Kohlenhydrate ≈1, Fette ≈0,7, Proteine ≈ 0,81 4 Kalorisches Äquivalent: Energie/verbrauchtem O2: Fette ≈19,6 kJ/l O2, Kohlenhydrate ≈21,0 kJ/l O2, Proteine ≈18,8 kJ/l O2

8.2

Wärmehaushalt

8.2.1

Körpertemperatur

! Der Körper toleriert nur geringfügige Änderungen der Kerntemperatur. Sie kann durch verschiedene Messmethoden erfasst werden

Temperaturabhängigkeit von Körperfunktionen. Alle Funktionen des Körpers, wie chemische Reaktionen, Transport, Kontraktion etc. werden durch die Temperatur beein-

Energieumsatz 4 Energieverbrauch: Grundumsatz, ca. 300 kJ/Std., bei körperlicher Arbeit bis zum Zehnfachen 4 Spezifische dynamische Wirkung: Kohlenhydrate ≈10%, Proteine ≈30% 4 Kalorimetrie: Direkt = Wärmeabgabe; Indirekt = O2˙ = V˙O2 · 20 [kJ]) Verbrauch (W 4 Substratermittlung: Renale Stickstoffausscheidung = Maß für Eiweißabbau, RQ = Maß relative Fett- und Kohlenhydratverbrennung (Voraussetzung: metabolisches und respiratorisches Gleichgewicht) 4 Substratbedarf: Erythrozyten (nichtoxidativer Abbau von Glukose); Gehirn (oxidative Verbrennung Glukose >> β-Hydroxybutyrat, Azetazetat); proximale Tubuli Niere (Fettsäuren); Nierenmark, distaler Tubulus, Sammelrohr (Glukose); Skelettmuskel (Fettsäuren > β-Hydroxybutyrat, Azetazetat, Glukose); Herzmuskel (Fettsäuren, β-Hydroxybutyrat, Azetazetat, Laktat, Glukose); Leber (abhängig von Verfügbarkeit, z. B. Laktat o Glukoneogenese, Fettsäuren o β-Hydroxybutyrat und Azetazetat)

flusst. Bei einer Temperatursenkung um 10°C nimmt die Diffusion um etwa 3% ab, die Reaktionsgeschwindigkeit energieverbrauchender enzymatischer Reaktionen auf weniger als ein Viertel (Q10-Wert). Eine Temperaturänderung beeinflusst somit die verschiedenen Funktionen in ganz unterschiedlichem Ausmaß. Es ist leicht vorstellbar, dass eine Temperaturänderung auf diese Weise erhebliche Verschiebungen von Fließgleichgewichten, Ionenkonzentrationen, Membranpotenzial etc. nach sich ziehen muss. Um temperaturbedingte Änderungen seiner Leistungsfähigkeit zu vermeiden, hält der Mensch seine Körpertemperatur im

8

186


Inneren weitestgehend konstant. Voraussetzung dazu ist, daß die Wärmeabgabe – unabhängig von den klimatischen Bedingungen – der Wärmeproduktion angeglichen wird. Wirkliche Homoiothermie wird nur für den Körperkern erreicht, d. h. für das zentrale Nervensystem und die inneren Organe, während die Temperatur der Haut und der Extremitäten durchaus erheblichen Schwankungen unterworfen wird. Messung der Körpertemperatur. Die Körperkerntemperatur kann im Rektum, unter der Zunge oder auch im Gehörgang gemessen werden. Weniger zuverlässig ist die Temperaturmessung unter der Achselhöhle.

8.2.2

Wärmebildung

! Der Körper bildet auch in Ruhe ständig Wärme. Bei Arbeit steigt die Wärmebildung

8

Wärmehaushalt. Bei allen chemischen und physikalischen

Prozessen des Körpers entsteht Wärme. Bereits die Aufrechterhaltung der Minimalfunktionen des Körpers ist mit Wärmeproduktion verbunden. Bei nach außen geleisteter Arbeit in Form von Muskelkontraktionen wird maximal ein Wirkungsgrad von etwa 25% erreicht, d. h. mindestens 75% der eingesetzten Energie gehen in Wärme über. Die Wärmeproduktion ist eine Leistung (Energie/Zeit) und wird deswegen in Watt angegeben (1 Watt = 1 J/s). Die Ruhewärmeproduktion eines Menschen beträgt 85 100 W (= 300 360 kJ/h oder 7,2 8,6 MJ/Tag). Mit dieser Leistung wäre es möglich, etwa 70 Liter Wasser innerhalb von einer Stunde um 1°C zu erwärmen. Da unsere Körpermasse auch etwa 70 kg beträgt, kann man annehmen, dass wir uns in einer Stunde um 1°C und in 6 Stunden auf tödliche Werte von 43°C erwärmen würden, wenn die Wärmeabgabe verhindert wäre. Die Ruhewärmebildung unterschiedlich großer Menschen nimmt weniger zu als das Körpergewicht, jedoch stärker als die Körperoberfläche. In doppellogarithmischer Darstellung lässt sich die Beziehung zwischen dem Energieumsatz und dem Körpergewicht am besten durch eine Gerade mit einer Steigung von 0,75 darstellen. Bei direkter Proportionalität zum Körpergewicht wäre die Steigung 1,0, bei direkter Proportionalität zur Körperoberfläche 0,66. Früher wurde fälschlicherweise angenommen, dass die Wärmebildung proportional zur Körperoberfläche sein muss, über die die Wärmeabgabe erfolgt. Daher findet man in den medizinischen Lehrbü-

chern die Angaben der Ruhewärmebildung auf die Oberfläche bezogen (z. B. bei einem 20-jährigen Mann etwa 45 Watt/m2). Bei schwerer Arbeit oder sportlicher Leistung kann die Wärmebildung für kurze Zeit um mehr als das 20-fache des Ruhewertes ansteigen. Der Tagesumsatz erreicht bei langfristiger Arbeit etwa 20 MJ, das ist etwa das 3-fache des Grundumsatzes (7 MJ). In Ruhe wird die Wärme zu annähernd zwei Dritteln in den inneren Organen gebildet (Gehirn etwa 18 %) und nur zu etwa einem Viertel in der Skelettmuskulatur. Bei schwerer Muskelarbeit entstehen umgekehrt bis zu 90 % der Wärme in der Skelettmuskulatur. Die Wärmebildung nimmt im Alter und im Schlaf ab. Gleichzeitig kommt es zu einem Absinken der Körpertemperatur (7 Kap. 8.2.4).

8.2.3

Wärmeabgabe und -aufnahme

! Wärme wird über Strahlung, Diffusion, Konvektion und Verdunstung aufgenommen oder abgegeben

Wärmeabgabe oder -aufnahme. Die pro Zeiteinheit gebildete Wärme muss nach außen abgeführt werden, wenn die Körpertemperatur konstant bleiben soll (7 Kap. 8.2.2). Eine Nettowärmeaufnahme führt zwangsläufig zu einem Temperaturanstieg und ist daher nur äußerst begrenzt möglich. Die Wärme wird zum Teil über die Atmung abgegeben, da die Inspirationsluft angewärmt und mit Wasserdampf gesättigt wird, wodurch dem Körper Wärme entzogen wird. Der bei weitem größte Anteil an Wärme wird jedoch über die Haut abgegeben (Körperschale). Dabei muss die in den inneren Organen und der Skelettmuskulatur gebildete Wärme zunächst zur Hautoberfläche transportiert werden. Wärmetransport zur Hautoberfläche. Das Blut nimmt in den Organen und den Skelettmuskeln Wärme auf und transportiert sie in die Gefäße der Haut (Konvektion). In der Haut diffundiert die Wärme vom Gefäß zur Hautoberfläche. Für den Wärmefluss ist dabei neben der effektiven Diffusionsfläche die Temperaturdifferenz zwischen Blutgefäß und Hautoberfläche, sowie der Abstand des Gefäßes von der Hautoberfläche maßgebend (. Tab. 8.2). Die Wärmeabgabe über die Gliedmaßen kann durch Kontraktion oberflächlicher Gefäße herabgesetzt werden. Tiefe Arterien werden von jeweils zwei tiefen Venen flankiert. Abgekühltes venöses Blut aus der Peripherie entzieht


Verdunstung. Die Wärmeabgabe durch Verdunstung

. Tab. 8.2. Wärmetransport Diffusion von Gefäß zur Haut

˙ GoH ~ (TG – TH) · F/xGoH W

Wärmestrahlung:

˙ S ~ (TH4 - TK4) · F W

Diffusion von der Haut in die Luft:

˙ D ~ (TG - TH) · F/xS W

Verdunstung:

˙ V ~ (pH - pL) · F W

TG TH F TK TL xS pH pL

= Temperatur Blutgefäß = Hauttemperatur = effektive Hautoberfläche = Temperatur strahlender Körper in der Umgebung = Lufttemperatur = Dicke der stehenden Luftschicht über der Haut = Dampfdruck auf der Haut = Dampfdruck in der Luft

dabei dem arteriellen Blut Wärme, sodass das arterielle Blut bereits abgekühlt ist, bevor es die Kapillaren der Haut erreicht. Das Gegenstromsystem mindert somit die Wärmeverluste in der Peripherie. Wärmeabgabe der Haut. Von der Hautoberfläche wird die

Wärme durch Strahlung, Diffusion, Konvektion und Verdunstung von Wasser abgegeben. Neben der Fläche spielen dabei weitere Parameter eine Rolle: Strahlung. Die Wärmeabgabe durch Strahlung ist eine

Funktion der Hauttemperatur und der Temperatur strahlender Körper in der Umgebung.

(2400 kJ/Liter) ist eine Funktion des Dampfdruckes der Haut und der Luft. Der Dampfdruck hängt wiederum von der Temperatur und der Feuchtigkeit der Hautoberfläche bzw. der Luft ab. Wärme über Verdunstung kann nur dann abgegeben werden, wenn der Wasserdampfdruck der Haut größer ist als derjenige der Luft. Selbst bei vollständig wasserdampfgesättigter Luft ist das noch möglich, wenn die Hauttemperatur höher ist als die Temperatur der umgebenden Luft. Ferner kann Wärme über Verdunstung bei trockener Luft auch dann noch abgegeben werden, wenn die Luft heißer ist als die Hautoberfläche. Nur bei heißer, wasserdampfgesättigter Luft versagt die Wärmeabgabe über Verdunstung. Der gebildete Schweiß rinnt dann über die Hautoberfläche, ohne zu verdunsten, also ohne der Haut Wärme zu entziehen. Trockene Hitze, wie sie z. B. in der Wüste herrscht, wird demnach besser vertragen als feuchte Hitze (Schwüle). Die Haut ist auch ohne Schweißsekretion nicht völlig trocken, sondern verliert durch Diffusion Wasser und durch das Verdunsten des Wassers Wärme. Ferner wird die Atemluft auf 37°C erhitzt und mit Wasserdampf gesättigt. Auch auf diese Weise geht Wärme verloren. Die extraglanduläre Wasserdampfabgabe mit der Atmung und die Wasserdiffusion durch die Haut bezeichnet man als Perspiratio insensibilis. ! Die Wärmeabgabe ist eine Funktion der Körperoberfläche und des subkutanen Fettgewebes

Körperoberfläche. Mit zunehmender Körpergröße bei gleiDiffusion. Die Wärmeabgabe durch Diffusion ist eine

Funktion der Temperaturdifferenz zwischen Haut und umgebender Luft sowie der Dicke der stehenden Luftschicht über der Haut. Außerhalb der stehenden Luftschicht wird die Wärme über Konvektion abtransportiert, die einen sehr viel schnelleren Transport gewährleistet als die Diffusion und damit nicht limitierend ist. Die Dicke der stehenden Luftschicht ist bei nach außen gekrümmten Oberflächen wesentlich kleiner als bei geraden Oberflächen. Sie ist somit an den Fingern (Akren) besonders gering. Die akralen Hautpartien (akrale Wärmeaustauscher) verfügen über arteriovenöse Anastomosen. Nach ihrer Öffnung kann die Durchblutung bis zu einem Faktor 100 ansteigen und damit kann der Wärmetransport zur Oberfläche wesentlich beschleunigt werden. Die stehende Luftschicht nimmt bei Luftbewegungen (Wind, Ventilator) massiv ab (und damit die Wärmeabgabe zu). Umgekehrt wird die stehende Luftschicht durch Haare und Tragen von Kleidung vergrößert.

chen relativen Körpermassen steigt die Oberfläche im Quadrat, die Körpermasse im Kubik. Bei kleinen Personen, vor allem aber bei Säuglingen und Kleinkindern ist daher das Verhältnis von Wärme – verlierender Hautoberfläche zu Wärme – generierender Körpermasse groß, sie sind daher eher gefährdet, auszukühlen. Unterhautfettgewebe. Die Wärmeabgabe über die Haut

wird durch das isolierende Unterhautfettgewebe behindert. Übergewichtige können daher bei hohen Temperaturen nicht so leicht Wärme abgeben und kommen leicht »ins Schwitzen«. ! Eine Differenz zwischen Wärmeproduktion und Wärmeabgabe führt zu Hyperthermie oder Hypothermie

Ursachen. Hyperthermie entsteht, wenn die Wärmebildung bzw. Wärmeaufnahme die Wärmeabgabe übersteigt

8

188


(7 Kap. 8.2.4). Hypothermie ist umgekehrt das Ergebnis einer Wärmeabgabe, welche die Wärmebildung übertrifft (7 Kap. 8.2.4). Auswirkungen. Eine Abkühlung oder Erwärmung des Körperkerns ist nur in engen Grenzen mit dem Leben vereinbar. Zum einen droht die Entgleisung temperaturabhängiger Funktionen, zum anderen gefährdet bei passiven Änderungen der Kerntemperatur der massive Einsatz temperaturregulierender Mechanismen das Überleben des Menschen. Hypothermie. Absinken der Temperatur beeinträchtigt v. a. aktive Prozesse (u. a. Na+/K+-ATPase Aktivität). Bei Ausbleiben von thermoregulatorischer Gegenregulation (7 Kap. 8.2.4) senkt ein Absinken der Kerntemperatur Grundumsatz, Herzfrequenz, Blutdruck, Atemfrequenz, glomeruläre Filtrationsrate und tubuläre Resorption in der Niere, sowie periphere O2-Abgabe von Hämoglobin. Letztlich droht Kammerflimmern.

8

Hypothalamus. Die Afferenzen werden in temperaturregulierenden Neuronen des Hypothalamus verrechnet, die teilweise selbst temperaturempfindlich sind. Von diesen Neuronen aus werden die temperaturregulierenden Mechanismen ausgelöst, wobei vegetatives Nervensystem, Motorik und Hormonausschüttung beeinflusst werden. Sollwert. Der Sollwert wird in den Neuronen des Hypotha-

lamus festgesetzt. Er kann von übergeordneten zentralnervösen Strukturen, von Mediatoren und von Hormonen verstellt werden. Praktisch wichtiges Beispiel ist die Verstellung des Temperatursollwertes durch Gestagene um etwa 0,5 °C nach oben (7 Kap. 11.2). Auch Schilddrüsenhormone und Nebennierenrindenhormone können die Kerntemperatur steigern. Schließlich unterliegt die Kerntemperatur einem Tagesrhythmus mit einem Maximum während des späten Nachmittags und einem Minimum zwischen 0 und 6 Uhr morgens. Unterschreiten des Sollwertes. Ist die Körpertemperatur

Hyperthermie. Auch bei Ausbleiben von thermoregulatori-

scher Gegenregulation (7 Kap. 8.2.4) steigert eine Zunahme der Kerntemperatur Energieumsatz, Ventilation und O2Aufnahme (13%/°C) sowie Herzfrequenz (10 Schläge/Minute pro °C) und Herzminutenvolumen. Bei Temperaturen >40°C treten Verwirrtheit, Hirndrucksteigerungen und Krämpfe auf. Kerntemperaturen von >42°C werden selten überlebt. Für die Therapie von Hypo- oder Hyperthermie ist maßgebend, ob eine Störung oder Überforderung der Temperaturregulation vorliegt (7 Kap. 8.2.4).

8.2.4

Temperaturregulation

! Die Regulation der Körpertemperatur erfordert die Messung der Temperatur durch sogenannte Temperaturfühler, den Vergleich zwischen der gemessenen Temperatur (Istwert) mit dem jeweils gewünschten Wert (Sollwert) und die Korrektur durch Beeinflussung der sogenannten Stellglieder, die Wärmeproduktion und/oder Wärmeabgabe verändern

Fühler. Die Fühler sind Warm- und Kaltrezeptoren der

Haut (7 Kap. 16.1.1), wenig definierte Temperaturfühler in den inneren Organen und temperaturempfindliche Neurone im zentralen Nervensystem, v. a. im Rückenmark und im

zu niedrig, dann wird einerseits die Wärmeproduktion stimuliert, andererseits die Wärmeabgabe gedrosselt. 4 Beim Erwachsenen wird die Wärmeproduktion in erster Linie durch Stimulation der Muskeltätigkeit (Muskelzittern) gesteigert 4 Neugeborene sind in der Lage, die Wärmeproduktion durch Lipolyse und direkte Bildung von Wärme ohne ATP-Bildung (Entkopplung der Oxidation von der Phosphorylierung) in gut durchblutetem braunem Fettgewebe zu steigern (zitterfreie Wärmeproduktion). Erwachsene verfügen über kein braunes Fettgewebe mehr 4 Die Wärmeabgabe wird bei Hypothermie über Herabsetzung der Körperoberfläche durch Zusammenkauern und andere Verhaltensmaßnahmen eingeschränkt 4 Darüber hinaus wird die Wärmeabgabe durch Vasokonstriktion in der Haut gedrosselt. Das Blut aus den Extremitäten wird vorwiegend über die tiefen Venen beiderseits der Arterien zurückgeführt und damit der Wärmeverlust gemindert (7 Kap. 8.2.3). Durch die periphere Vasokonstriktion nimmt die Temperatur nicht nur in der Haut, sondern auch in den tieferen Schichten der Extremitäten ab (. Abb. 8.2). Bei Abkühlung unter 10 °C kommt es periodisch (ca. alle 20 Sekunden) zu einer kurzfristigen Vasodilatation, wahrscheinlich als Folge einer Lähmung der Gefäßmuskulatur durch die Kälte (Lewis-Reaktion)


gungen steigern die Indifferenztemperatur. Ferner spielt die Temperatur der umgebenden Körper eine Rolle. Ein Raum mit kalten Wänden wird auch bei erhöhten Lufttemperaturen als unangenehm empfunden, da Wärme durch Strahlung verloren geht. Schließlich spielt für die Behaglichkeit die relative Luftfeuchtigkeit eine Rolle, ein Betrag von etwa 50% wird am angenehmsten wahrgenommen. Besonderheiten von Neugeborenen. Die Indifferenztempe-

ratur liegt bei nackten Neugeborenen mit 34 °C deutlich über der Indifferenztemperatur des Erwachsenen, da Neugeborenen eine, im Vergleich zu ihrer Wärmeproduktion, relativ große Körperoberfläche und eine geringe subkutane Fettschicht aufweisen. Andererseits verfügen Neugeborene im Gegensatz zu Erwachsenen noch über braunes (gut durchblutetes) Fettgewebe, das der Thermoregulation dient.

. Abb. 8.2. Temperaturprofil des menschlichen Körpers bei Kälte (links) und bei warmer Umgebung (rechts) (nach Simon aus Schmidt et al.)

! Änderungen der Kerntemperatur sind entweder Folge von Verstellungen des Sollwertes (aktive Hypo-oder Hyperthermie) oder von äußeren Einwirkungen bei Überforderung der thermoregulatorischen Mechanismen (passive Hypo- oder Hyperthermie)

Überschreiten des Sollwertes. Ist die Körpertemperatur zu

hoch, dann wird durch Vermeidung von Muskelarbeit die Wärmeproduktion eingeschränkt. Darüber hinaus wird die Wärmeabgabe durch Vasodilatation in der Haut begünstigt. Das venöse Blut der Extremitäten wird nun bevorzugt über die oberflächlichen Venen zurückgeführt. Wichtigster Mechanismus zur Wärmeabgabe ist jedoch die Schweißsekretion, die dem Körper über Verdunstung Wärme entzieht. Damit wird die Haut abgekühlt und das die Haut passierende Blut kann die Wärme abgeben. Kann die Kerntemperatur nur unter Einsatz massiver thermoregulatorischer Mechanismen beim Sollwert gehalten werden, dann werden die Umgebungsbedingungen (Raumklima) als unangenehm empfunden.

Passive Hypothermie. Bei passiver Hypothermie setzt zu-

nächst thermoregulatorisches Muskelzittern ein, das die Wärmeproduktion trotz Dämpfung des übrigen Stoffwechsels steigert. Bei Kerntemperaturen unter 35°C sinkt jedoch die Wärmeproduktion ab, bei Kerntemperaturen um 30°C setzt Bewusstlosigkeit, bei ca. 26°C Kammerflimmern ein. Da der Energieverbrauch der Gewebe bei Hypothermie massiv abnimmt, überleben die Organe relativ lange trotz Ausfall der Blutversorgung. So ist es immer wieder möglich, hypotherme Patienten (z. B. Lawinenopfer) trotz bereits eingetretenem Herzstillstand zu reanimieren und weitgehend wiederherzustellen. Aktive Hypothermie. Eine mäßige Hypothermie kann durch

Indifferenztemperatur. Die Außentemperatur, bei der ein

Minimum an Regulationsmechanismen eingesetzt wird (Indifferenztemperatur), liegt beim sitzenden erwachsenen Menschen im Bereich von 27–32°C. Darunter setzt Kältezittern, darüber Schweißsekretion ein. Im Wasser liegt die Indifferenztemperatur bei 35–36°C, da die Wärmediffusion in Wasser etwa 20-mal größer ist als in Luft. Der genaue Wert der Indifferenztemperatur hängt von Stoffwechsellage, Körperbau und Masse an Unterhautfettgewebe ab. Die Indifferenztemperatur in Luft sinkt mit zunehmender Kleidung, bei Sommerkleidung z. B. auf etwa 23°C. Luftbewe-

Verstellung des Sollwertes auf niedrigere Temperaturen auftreten, wie im Alter (um etwa 1°C) oder im Schlaf (um etwa 0,5°C). Die Thermoregulation ist bei Bewusstlosigkeit, Narkose und Schlafmittelvergiftung weitgehend ausgeschaltet und läßt die Entwicklung einer Hypothermie zu. Passive Hyperthermie. Bei Steigerung der Körpertempera-

tur über den Sollwert erschweren periphere Vasodilatation und Wasserverluste durch Schweißsekretion die Aufrechterhaltung des Blutdrucks und es droht ein Hitzekollaps. Darüber hinaus führt eine Temperaturerhöhung über 40°C

8

190


zu Entgleisungen des Stoffwechsels und der neuromuskulären Erregbarkeit. Die Stoffwechselentgleisungen steigern zusätzlich die Wärmebildung und verschärfen auf diese Weise das Missverhältnis von Wärmebildung und Wärmeabgabe. Folge kann letztlich ein Hitzschlag sein, der mit Bewusstlosigkeit verbunden ist. Temperaturen über 43°C werden selten überlebt. Die Entwicklung einer Hyperthermie wird durch Volumenmangel (Dehydration) begünstigt, der die Schweißsekretion beeinträchtigt. Fieber. Beim Fieber liegt eine Hyperthermie durch Sollwert-

verstellung vor. In der Folge wird die Wärmebildung durch Muskelzittern (bzw. Schüttelfrost) gesteigert und die Wärmeabgabe durch Vasokonstriktion in der Haut gedrosselt, bis der Istwert den angehobenen Sollwert erreicht hat. Bei Normalisierung des Sollwertes (Entfieberung) setzen umgekehrt Schweißsekretion und Vasodilatation der Haut ein. Bei Infektionen wird Fieber durch Mediatoren des Immunsystems ausgelöst, das über Interleukine und Prostaglandin E2 die Sollwertverstellung im Hypothalamus hervorruft.

8

Maligne Hyperthermie. Die maligne Hyperthermie entsteht durch massive Muskelkontraktionen nach Verabreichung bestimmter Narkosemittel (z. B. Halothan). Sie tritt während der Narkoseeinleitung bei bestimmten Patienten auf, in deren Muskeln der sarkoplasmatische Ca2+-Kanal aufgrund seiner genetisch bedingten besonderen Struktur durch die Narkosemittel aktiviert werden kann.

Therapie von Hyperthermie. Bei passiver Hyperthermie

muss dem Körper Wärme entzogen werden (z. B. durch kalte Wadenwickel). Bei Fieber unterbindet therapeutische Hemmung der Zyklooxygenase, des für die Prostaglandinsynthese verantwortlichen Enzyms, die Sollwerterhöhung und damit das Fieber. Dagegen zeigen Wadenwickel wenig Wirkung, solange der Sollwert gesteigert bleibt. Therapie von Hypothermie. Bei Hypothermie muss die Kerntemperatur gesteigert werden, was durch Wärmeaufnahme (z. B. Wärmestrahlung) erreicht wird. Bei Erwärmung besteht freilich die Gefahr, dass periphere Vasodilatation eintritt, die kalte Haut dem durchströmenden Blut Wärme entzieht und die Kerntemperatur weiter absinkt. Eine Zunahme der Temperatur steigert ferner den Energieverbrauch und kann, wegen der eingeschränkten Organdurchblutung und O 2-Versorgung (7 Kap. 8.2.3) eine bestehende Hypoxie verschärfen. Bei stark unterkühlten Patienten kann mit der Herz-LungenMaschine der Kreislauf aufrechterhalten und dann langsam erwärmt werden.

8.2.5

Akklimatisation

! Die wiederholte Konfrontation mit extremen Temperaturen fördert die Entwicklung von Mechanismen, welche die Toleranz gegenüber diesen Temperaturen steigern

Arbeit. Bei intensiver Arbeit kann die Wärmebildung die

Kapazität der Wärmeabgabemechanismen übersteigen, und die Kerntemperatur auf Werte über 41 °C ansteigen, ohne dass der Sollwert ansteigt. Bei extremen Leistungen kann es u. a. aufgrund der starken Einschränkung der Darmdurchblutung zum Übertritt von Darmbakterien oder deren Toxine in den Blutkreislauf kommen und dadurch Fieber erzeugt werden, das sich an der Temperatursteigerung beteiligt. ! Massive Hyper- und Hypothermie erfordern therapeutisches Eingreifen

Kälteakklimatisation. Bei wiederholter Kälteexposition

wird die Kälte weniger wahrgenommen und die Zitterschwelle sinkt ab (Habituation). Wärmeakklimatisation. Bei wiederholter Wärmeexposition setzt die Schweißsekretion bei geringeren Temperaturen ein, erreicht größere maximale Werte und ist, wegen gesteigerter NaCl-Resorption in den Schweißdrüsenausführungsgängen, mit geringeren NaCl-Verlusten verbunden.


In Kürze

Wärmehaushalt Körpertemperatur 4 Temperaturabhängigkeit von Körperfunktionen: Q10-Wert Diffusion (3%) < aktiver Transport (>4) 4 Homoiothermie nur im Körperkern (zentrales Nervensystem, innere Organe) 4 Messung Körpertemperatur: Rektum, unter Zunge, Gehörgang, weniger zuverlässig Achselhöhle Wärmebildung 4 Wärmeproduktion bei allen chemischen und physikalischen Prozessen; Ruhewärmeproduktion: 85– 100 W (=300–360 kJ/h; 7,2–8,6 MJ/Tag) [≈18% Gehirn, ≈50% sonstige innere Organe, 25% Skelettmuskulatur]. Bei schwerer Arbeit kurzfristig das 20-fache [90% Skelettmuskulatur]; Alter, Schlaf o Wärmeproduktion p 4 Log (Energieumsatz) /Log (Körpergewicht) ≈0,75 Wärmeabgabe und -aufnahme 4 Wärmeabgabe: Zum Teil über die Atmung, größter Teil über Haut (Körperschale) 4 Wärmetransport zur Hautoberfläche: Konvektion zu Gefäßen der Haut (durch Gegenstromsystem herabgesetzt) o Diffusion zur Hautoberfläche (. Tab. 8.2) 4 Wärmeabgabe der Haut: Strahlung, Diffusion, Konvektion und Verdunstung (2400 kJ/Liter) (. Tab. 8.2) 4 Perspiratio insensibilis: Extraglanduläre Wasserdampfabgabe Atmung, Wasserdiffusion durch Haut 4 Körperoberfläche/Körpergewicht n, Unterhautfettgewebe p o Relative Wärmeabgabe n 4 (Wärmebildung + Wärmeaufnahme) < Wärmeabgabe o Hypothermie 4 Hypothermiefolgen: Na+/K+-ATPase pp, Grundumsatz p, Herzfrequenz p, Blutdruck p, Atemfrequenz p, glomeruläre Filtrationsrate p, renaltubuläre Resorption p, periphere O2-Abgabe Hämoglobin p, Kammerflimmern 4 Hyperthermiefolgen: Energieumsatz n, Ventilation n, O2-Aufnahme n (13%/°C), Herzfrequenz n (10 Schläge/Minute pro °C), Herzminutenvolumen n, bei >40°C Verwirrtheit, Hirndrucksteigerungen, Krämpfe, >42°C meist letal 6

Temperaturregulation 4 Fühler: Warm- und Kaltrezeptoren Haut Temperaturfühler in inneren Organen, temperaturempfindliche Neurone im ZNS (v. a. Rückenmark, Hypothalamus) 4 Sollwert: Eingestellt von Neuronen im Hypothalamus, beeinflussbar von Mediatoren, Hormonen [Gestagene, Schilddrüsenhormone, Nebennierenrindenhormone o Kerntemperatur n], Tagesrhythmus [Maximum später Nachmittag, Minimum zwischen 0 und 6 Uhr] 4 Unterschreiten des Sollwertes o Wärmeproduktion n [Muskelzittern, zitterfreie Wärmeproduktion], Wärmeabgabe p[Zusammenkauern, Vasokonstriktion in der Haut, Abfluss über tiefe Venen] 4 Überschreiten des Sollwertes o Wärmeproduktion p [Vermeidung Muskelarbeit], Wärmeabgabe n [Vasodilatation, Schweißsekretion] 4 Indifferenztemperatur = sitzender erwachsener Mensch 27–32°C, in Wasser 35–36°C; Nackte Neugeborene 34°C [im Vergleich zur Wärmeproduktion relativ große Körperoberfläche und geringe subkutane Fettschicht] 4 Passive Hypothermie o Muskelzittern; Kerntemperatur 40°C o Entgleisungen Stoffwechsel und neuromuskuläre Erregbarkeit o circulus vitiosus o Hitzschlag [Bewusstlosigkeit]; >43°C meist letal 4 Fieber: Prostaglandin E2 o Sollwertverstellung o Muskelzittern (Schüttelfrost), Vasokonstriktion bis zum Erreichen des Sollwertes; Bei Entfieberung o Schweißsekretion p, Vasodilatation Haut 4 Maligne Hyperthermie: Aktivierung von sarkoplasmatischem Ca2+-Kanal durch Narkosemittel 4 Arbeit o Wärmebildung o Kerntemperatur o ≥41°C [o Darmdurchblutung p o Übertritt von Darmbakterien o Fieber]

8

192


4 Therapie Hyperthermie: kalte Wadenwickel (bei passiver H.), Cykloxygenasehemmer (bei Fieber) 4 Therapie von Hypothermie: Bei Erwärmung Gefahr des steigenden Energieverbrauches bei noch nicht normalisiertem Kreislauf [Aufwärmung mit Herz-Lungen-Maschine]

8

Akklimatisation 4 Kälteakklimatisation: Kälte wird weniger wahrgenommen, Zitterschwelle sinkt (Habituation) 4 Wärmeakklimatisation: Schweißsekretion früher und stärker und mit weniger NaCl-Verlusten

9

9 Wasser und Elektrolythaushalt, Nierenfunktion 9.1

Wasser- und Elektrolythaushalt – 194

9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.1.5 9.1.6 9.1.7 9.1.8

Allgemeine Grundlagen – 194 Flüssigkeitsräume – 195 Wasser – 197 Natrium – 199 Kalium – 200 Calcium – 203 Phosphat – 205 Magnesium – 206

9.2

Niere

9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.2.6 9.2.7 9.2.8 9.2.9 9.2.10

Bau und Funktion – 209 Durchblutung – 209 Filtration – 212 Transport an renalen Epithelien – 215 Resorption, Sekretion – 216 Harnkonzentrierung – 221 Globale Nierenfunktion und Regulation – 224 Stoffwechsel und Hormonbildung – 226 Ableitende Harnwege – 227 Messgrößen der Nierenfunktion – 228

– 209

194

Kapitel 9 · Wasser und Elektrolythaushalt, Nierenfunktion

> > Einleitung Der Körper besteht zu etwa einem Drittel aus Wasser. Es verteilt sich auf intrazelluläre und extrazelluläre Kompartimente, die jeweils durch Membranen voneinander getrennt sind. Der Intrazellulärraum ist vom Extrazellulärraum durch die Zellmembranen getrennt, der interstitielle Raum vom Plasmaraum durch Basalmembran bzw. Endothel und von den transzellulären Räumen (Peritonealflüssigkeit, Pleuraraum, Pericardraum, Liquor, Kammerwasser im Auge, luminale Flüssigkeit von Drüsen, Darm, Nierentubuli und Blase) jeweils durch Epithelschichten. Die weitgehende Konstanz der Volumina und Zusammensetzung einzelner Flüssigkeitsräume ist Voraussetzung für das Überleben des Körpers. Aufgabe der Niere ist v. a. die Regulation der Wasserbilanz und der extrazellulären Elektrolytkonzentrationen.

9

9.1

Wasser- und Elektrolythaushalt

9.1.1


! Der Körper besteht zu etwa zwei Drittel aus Wasser. Die Volumina und Elektrolytkonzentrationen der Wasserräume des Körpers müssen in engen Grenzen reguliert werden

Wasser. In Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und Fett-

gewebe sind etwa 60–70% des Körpergewichtes Wasser (. Abb. 9.1). Wasser ist als Lösungsraum für Substanzen

. Tab. 9.1. Flüssigkeitsräume des Körpers 35 %

Intrazellulärraum

25%

Extrazellulärraum

18%

interstitieller Raum

5%

Plasmawasser

2%

transzelluläres Wasser

Gesamtkörperwasser: ca. 60 % des Körpergewichtes (Säuglinge ca. 75 %, ältere Frauen ca. 50 %, bei stark adipösen Personen weniger)

und ihre Reaktionen unentbehrlich. Es verteilt sich über die Flüssigkeitsräume und bestimmt deren Volumen (. Tab. 9.1). Wasser folgt einem osmotischen Gradienten, der zum größten Teil durch die gelösten Ionen geschaffen wird. Elektrolyte. Die Elektrolyte sind ungleich in den verschiedenen Flüssigkeitsräumen verteilt (. Tab. 9.2). Intrazellulär überwiegt K+, extrazellulär NaCl. Homöostase. Änderungen von Zellvolumen oder Elek-

trolytkonzentrationen beeinträchtigen die Funktion von Zellen. Darüber hinaus können Änderungen der Volumina einzelner Flüssigkeitskompartimente verheerende Auswirkungen haben. Zum Beispiel kann eine Abnahme des Blutvolumens (Hypovolämie) Kreislaufversagen, eine

. Abb. 9.1. Anteil von intrazellulärem (IZV) und extrazellulärem (EZV) Wasser am Körpergewicht. Einfluss von Geschlecht und Alter FS = feste Substanz (v. a. Knochen)

195 9.1 · Wasser- und Elektrolythaushalt

. Tab. 9.2. Elektrolytkonzentrationen in den Flüssigkeitsräumen des Körpers Plasma a

Na+

Interstitielle Flüssigkeit

Intrazelluläre Flüssigkeit [mval/l]

[mval/l]

[mmol/l]

[mval/l]

[mmol/l]

[mmol/l]

141

141

143

143

15

15

K+

4

4

4

4

140

140

Ca2+

5

2,5

2,6

1,3

2

1

1,4

0,7

Mg2+

30

0,0001 b 15

Summe

152

Cl -

103

103

115

115

8

8

25

25

28

28

15

15

2

1

2

1

85 c

60 c

1

0,5

1

0,5

20

10

2

2

60

6

– 3

HCO

HPO4224

SO

org. Säuren

151

0,0002 b

4

4

5

Proteine

17

2

0,6

Harn

> 0,7

Schweiß

0–10

Säuglinge tauschen täglich ca. 10% des Körpergewichts an Wasser aus

198


. Abb. 9.3. Regulation renaler Wasser- (H2O-) und Kochsalz-(NaCl-)Ausscheidung nach Wasser und/oder NaCl-Zufuhr. (AII = Angiotensin II, RH2O = Wasserrückresorption in der Niere)

9

Wasseraufnahme führt zur Zunahme von intra- und extrazellulärem Volumen. Die Zunahme des Zellvolumens und die Vorhofdehnung hemmen die Ausschüttung von ADH. Die folgende Hemmung der distal-tubulären Wasserresorption sorgt für die renale Ausscheidung des überschüssigen Wassers. Bei Wassermangel wird über Stimulation der ADHAusschüttung die renale Ausscheidung von Wasser herabgesetzt. . Abb. 9.4. Störungen des Wasser- und NaClHaushaltes. Links die jeweiligen Änderungen von Intrazellulärraum (IZR, grün) und Extrazellulärraum (EZR, blau). Rechts die jeweiligen Änderungen der extrazellulären Na+-Konzentration ([Na+]), der Plasmaproteinkonzentration ([Pr -]), des Hämatokrit (Hkt) und des Verhältnisses von Hämatokrit und Hämoglobinkonzentration (Hkt/[Hb])

Störungen des Wasserhaushaltes. Ein Überschuss an Wasser wird als Hyperhydration, ein Mangel an Wasser als Dehydration bezeichnet. Die Störungen können ohne (isoton) oder mit (hyperton oder hypoton) Änderung der extrazellulären (und intrazellulären) Osmolarität einhergehen (. Abb. 9.4). Hyperhydration führt zur Expansion, Dehydration zur Schrumpfung von Flüssigkeitsräumen. Welche Räume besonders betroffen sind, hängt in erster Linie von der gleichzeitigen Kochsalzbilanz ab (7 Kap. 9.1.4).

9


9.1.4

Natrium

. Tab. 9.6. Täglicher Elektrolytumsatz des Körpers bei Erwachsenen

! Kochsalz ist der quantitativ wichtigste Bestandteil des Extrazellulärraums. Die Regulation der Kochsalzbilanz ist v. a. Aufgabe von Aldosteron und natriuretischen Faktoren

Physiologische Bedeutung von Kochsalz. Normalerweise stellen Na+ und Cl- etwa 80 % der extrazellulären Osmolarität. Daher wird der Anteil des Körperwassers, der im Extrazellulärraum bleibt, im Wesentlichen von der NaCl-Konzentration im Extrazellulärraum diktiert. NaCl beeinflusst somit sowohl Intra- als auch Extrazellulärvolumen. Der Kochsalzgehalt des Körpers bestimmt damit auch das Plasmavolumen, das über den Vorhofdruck die Herzfüllung, das Schlagvolumen und damit den Blutdruck beeinflusst (7 Kap. 3.2.4). Na+ ist von entscheidender Bedeutung für die schnelle Depolarisation erregbarer Zellen (7 Kap. 1.5). Schließlich wird der steile Gradient von Na+ über die Zellmembran für den Transport anderer Elektrolyte und einer Vielzahl von organischen Substanzen genutzt. Freilich ist die Tätigkeit von Na+-Kanälen und den Na+-gekoppelten Transportprozessen nur bei massiven Änderungen der extrazellulären Na+-Konzentration beeinträchtigt, wie sie beim Lebenden nicht vorkommen. Störungen des NaClHaushaltes wirken daher im Wesentlichen über Änderungen im Volumen des Intra- und Extrazellulärraums. Regulation des Wasser- und Kochsalzhaushaltes. Die Kochsalzbilanz ist eine Funktion von oraler Aufnahme auf der einen und Ausscheidung über Urin, Kot und Schweiß auf der anderen (. Tab. 9.6). Die orale Aufnahme von Kochsalz kann durch Salzappetit stimuliert werden. Allerdings wird die Salzaufnahme im Gegensatz zur Wasseraufnahme nicht präzise reguliert. Bei Mangel an Kochsalz drosselt die Niere die Na+-Ausscheidung (Antinatriurese). Das Nebennierenhormon Aldosteron fördert sowohl Salzappetit als auch Antinatriurese (7 Kap. 10.2.2). Ein Überschuss an Kochsalz fördert die renale Na+-Ausscheidung (Natriurese). Die renale Cl--Ausscheidung ist eine Funktion der Na+Ausscheidung und der Ausscheidung anderer Anionen. Mehrere Mechanismen passen die renale Ausscheidung von Wasser und Kochsalz an die jeweilige Aufnahme an (. Abb. 9.3). Natriuretische Faktoren. Bei Zunahme des Blutvolumens

werden in den Vorhöfen des Herzens natriuretische Peptide (Atriopeptin, atrialer natriuretischer Faktor, ANF) gebildet, die eine Steigerung der renalen Na+-Ausschei-

Gesamtumsatz Ausscheidung in % der Gesamtausscheidung [mmol/24 h]

Ausscheidung in % der Gesamtausscheidung

Natrium

150

95

4

1

Kalium

100

90

10

–

Chlorid

100

98

1

1

Calcium

20

30

70

–

Magnesium

15

30

70

–

Urin

Kot

Schweiß

dung bewirken (7 Kap. 10.2.3). Sie fördern die renale Na+Ausscheidung durch Steigerung der renalen Durchblutung und Filtration sowie durch Hemmung der Na+-Resorption im Sammelrohr der Niere. Ferner hemmen sie die Aldosteronausschüttung und senken den Blutdruck durch Minderung von Herzfrequenz und Herzkraft sowie durch periphere Vasodilatation. Im Gehirn gebildete natriuretische Peptide (Atriopeptin, brain natriuretic peptide, BNP, oder C-type-related natriuretic peptide, CNP) unterdrücken im Gehirn (v. a. Hypothalamus) Durst und ADH-Ausschüttung. Auch in der Niere selbst wird ein natriuretisches Peptid gebildet, das Urodilatin, dessen Struktur und Wirkungen denen von Atriopeptin sehr ähnlich sind. In der Nebenniere wird natriuretisch wirksames Ouabain gebildet (7 Kap. 10.2.3). Es hemmt die Na+/K+-ATPase. Weitere natriuretisch wirksame Hormone. Neben den atri-

alen und extrakardialen natriuretischen Peptiden und Ouabain werden noch einige weitere Hormone bzw. Mediatoren im Körper bzw. in der Niere gebildet, die eine natriuretische Wirkung ausüben können, wie u. a. Parathormon (s. u.), Prostaglandine und Dopamin. 4 Parathormon hemmt die proximal-tubuläre Na+-Resorption 4 Prostaglandine steigern die Durchblutung und hemmen die Kochsalzresorption in dicker Henle-Schleife und Sammelrohr. Prostaglandin E2 weist zudem eine starke vasodilatatorische Wirkung in der Peripherie auf 4 Dopamin steigert die renale Durchblutung und glomeruläre Filtrationsrate und hemmt die Rückresorption von Na+

200

9


Aufnahme isotoner Kochsalzlösung steigert ausschließlich das Extrazellulärvolumen. Über das Filtrationsgleichgewicht in peripheren Kapillaren steigt auch das Plasmavolumen. Folge ist ein Anstieg des Vorhofdruckes. Die Vorhofdehnung stimuliert die Ausschüttung des atrialen natriuretischen Faktors (ANF, Atriopeptin), der u. a. Natriurese auslöst. Die Vorhofdehnung hemmt ferner über vagale Afferenzen die Ausschüttung von antidiuretischem Hormon (ADH). Der Wegfall der ADH-Wirkung hemmt die Wasserresorption im distalen Nephron und führt damit zur Diurese. Die gesteigerte Vorhoffüllung steigert ferner das Schlagvolumen und begünstigt damit eine Zunahme des Blutdruckes. Die gesteigerte Dehnung der Rezeptoren im Karotissinus stimuliert den Parasympathikus und hemmt den Sympathikus. Folge ist wiederum eine Herabsetzung des präglomerulären Vasotonus. Eine Steigerung der Nierendurchblutung wird durch die renale Autoregulation weitgehend unterbunden. Es kommt aber zu einer Hemmung der Reninausschüttung. Über eine herabgesetzte Bildung von Angiotensin II wird damit die Ausschüttung von Aldosteron und ADH gehemmt. Folgen sind gesteigerte renale Eliminierung von NaCl und Wasser. Schließlich soll bei Volumenüberschuss in der Nebenniere Ouabain gebildet werden, das über Hemmung der Na+/K+-ATPase die renale Na+-Resorption hemmt. Mangel an Wasser und Kochsalz drosselt über Hemmung der Ausschüttung von ANF und Ouabain sowie Stimulation der Ausschüttung von Aldosteron und ADH die renale Ausscheidung von Kochsalz und Wasser.

zur Volumenzunahme aufweist. Eine Schwellung von Neuronen und Gliazellen wird zunächst durch Verdrängung von Liquor kompensiert, der normalerweise etwa 15% des intrakraniellen Raumes einnimmt. Bei weiterer Volumenzunahme steigt der intrakranielle Druck steil an, durch Kompression der Gefäße wird die Gehirndurchblutung eingeschränkt und durch Energiemangel kommt es zu weiterer Zellschwellung. Zeichen gestörter neuronaler Funktion bei Hirnödem sind Übelkeit, Erbrechen, Bradykardie, Verwirrtheit und Koma 4 Auch eine Zellschrumpfung beeinträchtigt unter anderem die Funktion des Gehirns und kann letztlich Verwirrtheit und Koma auslösen 4 Eine Zunahme des Extrazellulärraums führt zur Bildung von Ödemen. Besonders gefürchtet ist das Lungenödem, das den Gasaustausch in der Lunge beeinträchtigt. Über gesteigerte Vorhoffüllung und Herzminutenvolumen kann der Blutdruck steigen 4 Bei einer Abnahme des Extrazellulärvolumens sinken umgekehrt Vorhoffüllung und Herzminutenvolumen und es droht Blutdruckabfall. Durch renale Vasokonstriktion, Renin, Angiotensin, Aldosteron und ADH wird Antidiurese ausgelöst, die ein Ausfallen schwer löslicher Urinbestandteile, also Nephrolithiasis begünstigt

! Störungen des Kochsalzhaushaltes beeinflussen Extraund Intrazellulärvolumina

! Kalium ist vorwiegend intrazellulär. Bei der Regulation der Plasmakonzentration spielt sowohl die Kaliumbilanz nach außen als auch der Transport über die Zellmembran eine Rolle

Störungen des Wasser- und Kochsalzhaushaltes. Die Volumenkonstanz einzelner Flüssigkeitsräume wird durch Störungen der Wasserbilanz (7 Kap. 9.1.3) oder durch Störungen osmotisch aktiver Substanzen gefährdet. (. Abb. 9.4). Da die Osmolarität des Extrazellulärraumes in erster Linie durch Kochsalz geschaffen wird, sind die Auswirkungen von Störungen des Wasserhaushaltes in erster Linie von der gleichzeitigen Kochsalzbilanz abhängig (7 Kap. 9.1.4). Folgen von Störungen des Salz-Wasser-Haushaltes sind Änderungen des intra- oder extrazellulären Volumens oder beidem. 4 Eine Zunahme des Intrazellulärvolumens bedroht vor allem das Gehirn (zelluläres Hirnödem), das zu zwei Dritteln aus Intrazellulärraum besteht und wegen der unnachgiebigen knöchernen Hülle keinen Spielraum

9.1.5

Kalium

Physiologische Bedeutung von Kalium. K+ wird in den Zel-

len akkumuliert und der chemische Gradient treibt K+ aus der Zelle. In den meisten Zellen ist der K+-Gradient Voraussetzung für die Schaffung der Potenzialdifferenz über die Zellmembran (7 Kap. 1.5). Über das Zellmembranpotenzial beeinflusst K+ die Erregbarkeit von Skelettmuskeln, Herz, glatter Muskulatur, Neuronen, die Ausschüttung von Hormonen (u. a. Insulin), elektrogene epitheliale Transportprozesse, die Aktivierung von Lymphozyten, sowie die Verteilung von HCO–3 über die Zellmembran und damit den Säure-Basen-Haushalt. Da K+ einen wesentlichen Anteil der intrazellulären Osmolarität beisteuert, beeinflusst K+ schließlich das Zellvolumen.


. Abb. 9.5. K+-Haushalt. Grün: Faktoren, welche die extrazelluläre K+-Konzentration steigern, rot: Faktoren, welche die extrazelluläre K+-Konzentration senken

Regulation der zellulären Kaliumaufnahme. Da sich der +

größte Anteil von K in den Zellen aufhält, spielt der Transport von K+ über die Zellmembran für die extrazelluläre K+Konzentration eine überragende Rolle (. Abb. 9.5). Geben etwa die Zellen nur 3 % ihres K+-Gehaltes ab, dann steigt die extrazelluläre K+-Konzentration auf mehr als das Doppelte. Umgekehrt zieht K+-Aufnahme in die Zellen eine massive Abnahme der extrazellulären K+-Konzentration nach sich. Der K+-Transport über die Zellmembran wird durch den Säure-Basen-Haushalt beeinflusst: Bei (extrazellulärer) Alkalose geben die Zellen H+ im Austausch gegen Na+ ab (Na+/H+-Austauscher), das wiederum im Austausch gegen K+ (Na+/K+-ATPase) aus der Zelle gepumpt wird. Alkalose stimuliert damit die zelluläre Aufnahme von K+. Umgekehrt mindert eine (extrazelluläre) Azidose die zelluläre Abgabe von H+ über den Na+/H+-Austauscher, weniger Na+ steht für die Na+/K+-ATPase zur Verfügung und weniger K+ wird zellulär aufgenommen. Auf diese Weise führt eine Alkalose zu Hypokaliämie und Azidose zu Hyperkaliämie. Die K+-Aufnahme in Zellen wird ferner durch Insulin stimuliert. Insulin fördert die zelluläre K+-Aufnahme über den Na+-K+-2 Cl--Cotransport und die Na+/K+-ATPase. Bei langanhaltendem Insulinmangel (z. B. Diabetes mellitus, Mangelernährung) kommt es zu zellulären K+-Verlusten. Die Verabreichung von Insulin bzw. die Zufuhr von Nahrung mit folgender endogener Insulinausschüttung lösen dann lebensbedrohliche Hypokaliämien aus. Glukagon fördert umgekehrt die zelluläre K+-Abgabe.

Adrenalin aktiviert über α-Rezeptoren zelluläre K+Kanäle, über β-Rezeptoren die Na+/K+-ATPase. Je nach Überwiegen der Rezeptoren kann Adrenalin zelluläre K+Abgabe (α) oder K+-Aufnahme (β) bewirken. Schilddrüsenhormone fördern über Stimulation der Na+/K+-ATPase die zelluläre K+-Aufnahme aber aktivieren gleichzeitig K+Kanäle. Bei Arbeit und bei Zelluntergang wird ebenfalls intrazelluläres K+ frei. ! Die renale K+-Ausscheidung ist abhängig von der renaltubulären Natriumresorption

Regulation der renalen K+-Ausscheidung. Neben einer

adäquaten Verteilung über die Zellmembran ist für die K+-Konzentration im Blut auch eine ausgeglichene Bilanz Voraussetzung. Sie wird im Wesentlichen durch orale Aufnahme auf der einen Seite und renale Ausscheidung auf der anderen diktiert. Für die renale Ausscheidung von K+ spielen vor allem distaler Tubulus und Sammelrohr eine entscheidende Rolle (. Abb. 9.6). In diesen Nephronsegmenten kann bei massivem K+-Mangel K+ über die K+/H+-ATPase resorbiert werden. Normalerweise wird jedoch K+ sezerniert. Die K+Sekretion wird durch eine Zunahme der luminalen K+Konzentration und eine Abnahme der zellulären K+-Konzentration gehemmt. Die luminale K+-Konzentration steigt bei geringer luminaler Stromstärke aufgrund der Kalium-

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202


tiviert u. a. den distal-tubulären Na+-Kanal. Hemmung der Na+-Kanäle (z. B. Amilorid) oder der Aldosteronrezeptoren (Spironolakton) setzen die K+-Sekretion und renale K+Ausscheidung herab. Katecholamine haben eine geringfügig hemmende Wirkung auf die distal tubuläre K+-Sekretion. Die K+Sekretion wird bei Azidose gehemmt, da die K+-Kanäle durch H+ verschlossen werden und die Sekretion von H+ über Positivierung des Lumens die treibende Kraft für die K+-Sekretion herabsetzt. Alkalose fördert umgekehrt die renale K+-Ausscheidung. Regulation der extrarenalen Ausscheidung. Die extrarenale Ausscheidung von K+ spielt normalerweise eine geringfügige Rolle. Auch im Kolon wird unter dem stimulierenden Einfluss von Aldosteron Na+ im Austausch gegen K+ resorbiert. Bei Durchfall kann es daher zu erheblichen K+Verlusten kommen. ! Sowohl Hypo- als auch Hyperkaliämie können Herzrhythmusstörungen bis zum Kammerflimmern auslösen

Hypokaliämie. Eine Abnahme der extrazellulären K+-Kon-

9

. Abb. 9.6. Faktoren, welche die renale K+-Ausscheidung beeinflussen (n = Steigerung der K+-Ausscheidung, p = Minderung der K+Ausscheidung)

sekretion schnell an und limitiert die weitere K+-Sekretion. Hohe luminale Stromstärke begünstigt hingegen die K+Sekretion. Die K+-Sekretion wird ferner durch die Na+-Resorption gefördert, da Na+-Einstrom die luminale Zellmembran depolarisiert und damit die treibende Kraft für die K+-Sekretion steigert. Darüber hinaus wird Na+ an der basolateralen Membran über die Na+/K+-ATPase im Austausch gegen K+ aus der Zelle transportiert. Luminale Stromstärke und Na+-Resorption im distalen Tubulus und damit die renale K+-Sekretion sind bei Hemmung der Na+-Resorption in proximalem Tubulus (z. B. Karboanhydrasehemmer) und Henle-Schleife (Schleifendiuretika) gesteigert. Die distal-tubuläre Na+-Resorption und K+-Sekretion werden v. a. durch Aldosteron gesteigert. Das Hormon ak-

zentration (Hypokaliämie) ist das Ergebnis von K+-Verlusten oder einer Verschiebung von K+ in die Zellen. 4 Renale K+-Verluste treten bei gesteigerter Aldosteronwirkung (Hyperaldosteronismus), Behandlung mit Diuretika oder Schädigung von Nierentubuli auf 4 Beim seltenen genetisch bedingten Bartter-Syndrom ist die Na+-Resorption in der dicken Henle-Schleife gestört und das gesteigerte NaCl-Angebot an den distalen Tubulus stimuliert die K+-Sekretion 4 Mit extrarenalen K+-Verlusten muss man bei Durchfall rechnen 4 Eine Verschiebung von K+ in die Zellen tritt bei Gabe von Insulin und bei Alkalose auf Hypokaliämie kann durch Zunahme des elektrochemischen Gradienten über die Zellmembran für K+ und Hyperpolarisation die neuromuskuläre Erregbarkeit und die Aktivität glatter Muskulatur herabsetzen. Folgen sind u. a. Hyporeflexie und Darmatonie (Ileus, 7 Kap. 7.2.5). Auf der anderen Seite ist bei K+-Mangel die K+-Leitfähigkeit herabgesetzt und im Herzen die Phase-4-Depolarisation (7 Kap. 3.1) beschleunigt. Wie oben erläutert wurde, kann Hypokaliämie zu Alkalose führen. Über herabgesetzte Verfügbarkeit von K+ für den Na+-K+-2 Cl--Cotransport in der Henle-Schleife kann eine Hypokaliämie schließlich die


Na+-Resorption in diesem Segment und damit die Konzentrierungsfähigkeit der Niere beeinträchtigen.

Zellen herab, ist für die Blutgerinnung erforderlich und bindet an den Ca2+-Rezeptor, der u. a epithelialen Transport, Hormonausschüttung und Zellproliferation reguliert.

Hyperkaliämie. Eine Zunahme der extrazellulären K+-Kon-

zentration (Hyperkaliämie) ist meist Folge von exzessiver K+-Zufuhr, von zellulären K+-Verlusten wie bei Azidose, Insulinmangel und Zelluntergang (z. B. Crush-Syndrom, Hämolyse, Untergang von Tumorzellen bei Tumortherapie) oder von herabgesetzter renaler K+-Auscheidung (z. B. bei Niereninsuffizienz, Hypoaldosteronismus, Azidose, und Behandlung mit Amilorid). Hyperkaliämie steigert über Depolarisation der Zellmembranen die neuromuskuläre Erregbarkeit. Anhaltende Depolarisation bei Hyperkaliämie kann andererseits über Inaktivierung der muskulären Na+-Kanäle zu Lähmungen führen (7 Kap. 1.4). Im Herzen verkürzt Hyperkaliämie das Plateau des Aktionspotenzials und kann damit Kammerflimmern auslösen. Massive Hyperkaliämie löst durch anhaltende Depolarisation Herzstillstand aus.

9.1.6

Calcium

! Calcium ist wichtiger intrazellulärer Transmitter und Bestandteil des Knochens. Seine Regulation ist eng mit der von Phosphat verknüpft

Verknüpfung von Calcium und Phosphat. Calcium und

Phosphat sind durch die begrenzte Löslichkeit von Calciumphosphatsalzen miteinander verknüpft. Mit dem Produkt der Konzentrationen von Ca2+ ([Ca2+]) und HPO42([HPO42-]) steigt auch die Konzentration an CaHPO4 · [CaHPO4], bis dessen maximal lösliche Konzentration erreicht wird. Um eine Mineralisierung des Knochens durch Ausfällen von CaHPO4 zu ermöglichen, muss das Ionenprodukt von Ca2+ und HPO42- nahe dem Wert gehalten werden, bei dem CaHPO4 ausfällt (Löslichkeitsprodukt). Im Extrazellulärraum ist das Produkt [Ca2+] · [HPO42-] daher nur geringfügig unter dem Löslichkeitsprodukt. Ein Ansteigen von [Ca2+] führt also zum Ausfallen von CaHPO4, wenn nicht gleichzeitig [HPO42-] gesenkt wird und eine Zunahme von [HPO42-] ist ohne Ausfallen von CaHPO4 nur bei gleichzeitiger Senkung von [Ca2+] möglich. Da CaHPO4 sehr viel schlechter löslich ist als Ca(HPO4)2, fördert Alkalinisierung (und damit Zunahme der HPO42--Konzentration, 7 Kap. 5.10.1) das Ausfallen von Calciumphosphat und die Mineralisierung von Knochen und Zähnen. ! Die Regulation des Calcium-Phosphat-Haushaltes ist vor allem Aufgabe von Parathormon, Calcitriol und Calcitonin

Physiologische Bedeutung von Calcium. Gemeinsam mit

Phosphat ist Calcium wichtigster Bestandteil des Knochens. Über 99 % des Körpercalciums sind im Knochen eingebaut. Darüber hinaus ist Calcium ein wichtiger Regulator zellulärer Funktionen. In unstimulierten Zellen ist die intrazelluläre Ca2+-Aktivität nur etwa 0,1 µmol/l, d. h. nur ein zehntausendstel der extrazellulären Ca2+-Aktivität. In vielen Zellen (v. a. Muskelzellen, Neuronen, hormonproduzierenden Zellen) öffnet Depolarisation spannungsabhängige Ca2+-Kanäle und steigert damit die intrazelluläre Ca2+-Konzentration. Darüber hinaus öffnen viele Hormone rezeptoroperierte Ca2+-Kanäle in der Zellmembran und lösen damit die Ca2+-abhängigen zellulären Wirkungen aus, wie etwa 4 Muskelkontraktion 4 Ausschüttung von Hormonen und Neurotransmittern 4 Aktivierung von Ionenkanälen und von Enzymen Extrazelluläres Calcium hyperpolarisiert die Schwelle von Na+-Kanälen in erregbaren Zellen und mindert damit die neuromuskuläre Erregbarkeit. Ca2+ setzt ferner die Permeabilität von tight junctions in endothelialen und epithelialen

Regulation des Calcium-Phosphat-Haushaltes. Die Konstanz der extrazellulären Ca2+-Aktivität hat bei der Regulation des Calcium-Phosphat-Haushaltes unbedingten Vorrang, da phosphatabhängige Reaktionen (7 Kap. 9.1.7) erst bei massivem Phosphatmangel beeinträchtigt werden, während die Ca2+ abhängigen Reaktionen z. T. eine Funktion der Calciumkonzentration sind. So ist die Menge an Ca2+, die bei Stimulation durch rezeptoroperierte oder spannungsabhängige Ca2+-Kanäle in die Zelle gelangen, eine Funktion der extrazellulären Ca2+-Aktivität. Diese Menge entscheidet aber über die zellulären Wirkungen einer Depolarisation oder eines Hormons. Die Konstanthaltung der Plasma-Ca2+-Konzentration ist in erster Linie Aufgabe von Parathormon (Parathyrin, PTH). Das Hormon wird bei Abnahme der extrazellulären Ca2+-Konzentration aus der Nebenschilddrüse ausgeschüttet und seine Wirkungen zielen auf eine Steigerung der extrazellulären Ca2+-Aktivität ab (. Abb. 9.7). Parathormon stimuliert die Mobilisierung von Knochenmineralien (u. a. Calciumphosphat und Calciumkarbonat) und fördert die

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204


. Abb. 9.7. Die Wirkungen von Parathormon (links) und von Calcitonin (rechts). Direkte Wirkungen blau, Wirkungen über Bildung von Calcitriol [1,25(OH)2D3] grün. Pi = Phosphat

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renale Ca2+-Resorption. Es hemmt die renale Resorption von Phosphat und Bikarbonat, und erleichtert durch eine Senkung der Phosphat- und Bikarbonatplasmakonzentrationen die weitere Mobilisierung von Knochenmineralien. Bei Anstieg der Phosphatkonzentration würde eine Komplexierung von CaHPO4 im Blut drohen. Die akuten Wirkungen von Parathormon sind hervorragend geeignet, eine schnelle Korrektur der Plasma-Ca2+-Konzentration zu erzielen. Wiederholte Wirkungen von Parathormon würden jedoch schließlich zu einer Demineralisierung des Knochens führen. Daher stimuliert Parathormon die Bildung von Calcitriol [1,25(OH)2D3] in der Niere. Calcitriol fördert die enterale Absorption und renale Resorption von Calcium und Phosphat und begünstigt über einen Anstieg des Ionenproduktes die Mineralisierung des Knochens (. Abb. 9.8). Vorstufe von Calcitriol ist Vitamin D (Cholecalciferol), das entweder diätetisch zugeführt oder in der Haut unter dem Einfluss von UV-Strahlen aus 7-Dehydrocholesterin gebildet wird. In der Leber wird aus Vitamin D das Calcidiol [25(OH)D3] gebildet, das in der Niere zum wirksamen Calcitriol [1,25(OH)2D3] umgewandelt wird. Die Bildung von 25(OH)D3 in der Leber wird durch Östrogene, die Bildung von 1,25(OH)2D3 in der Niere durch Parathormon, Calcitonin (s.u.), Calcium- und Phosphatmangel stimuliert.

. Abb. 9.8. Bildung und Wirkungen von Calcitriol [25(OH)2D3]

Der Calcium-Phosphat-Haushalt wird schließlich durch Calcitonin aus der Schilddrüse reguliert. Das Hormon wird bei Hyperkalzämie ausgeschüttet. Es stimuliert die renale Bildung von Calcitriol und fördert somit die intestinale Calcium- und Phosphatabsorption (. Abb. 9.7). Gleichzeitig fördert es in physiologischen Konzentrationen die renale Ca2+-Resorption, hemmt die renale Phosphatresorption und stimuliert die Mineralisierung des Knochens. Das Hormon fördert die Mineralisierung des fetalen und kindlichen Knochens und schützt das mütterliche Skelett während der Schwangerschaft vor Demineralisierung. Sein Ausfall bleibt jedoch im Gegensatz zu Parathormon und Calcitriol ohne nennenswerte Konsequenzen. ! Störungen des Calciumhaushaltes beeinflussen kardiale und neuromuskuläre Erregbarkeit, sowie die Mineralisierung des Knochens und können die Bildung von Nierensteinen bewirken

Hypocalciämie. Die Konzentration an freiem Ca2+ im Plas-

ma sinkt bei herabgesetzter Mobilisierung von Calcium aus dem Knochen, mangelhafter intestinaler Aufnahme, renalen Verlusten oder Komplexierung von Ca2+ an Phosphat, Bikarbonat, Proteine oder Fettsäuren. Bei Mangel an Cal-


citriol (z. B. Vitamin-D-Mangel oder Niereninsuffizienz) ist v. a. die intestinale Ca2+-Absorption beeinträchtigt. Eine Hypocalciämie wird jedoch dabei in der Regel durch Ausschüttung von Parathormon verhindert. Herabgesetzte Ausschüttung (Hypoparathyroidismus) oder Wirksamkeit (Pseudohypoparathyroidismus) von Parathormon führt hingegen über eingeschränkte Calcitriolbildung, herabgesetzte renale und intestinale Resorption sowie verminderte Mobilisierung aus dem Knochen regelmäßig zur Hypocalciämie. Bei eingeschränkter Nierenfunktion (Niereninsuffizienz) ist die renale Phosphatausscheidung eingeschränkt, die Phosphatkonzentration im Blut steigt und komplexiert Ca2+. Die Hypocalciämie stimuliert die Ausschüttung von Parathormon, das u. a. Knochenmineralien mobilisiert. Der Versuch bleibt jedoch weitgehend wirkungslos, da das gleichzeitig mobilisierte Phosphat nicht durch die Niere ausgeschieden werden kann und Phosphat weiterhin Ca2+ komplexiert. Ca2+-Komplexierung an Fettsäuren wird bei Pankreatitis beobachtet, bei der Fettsäuren durch die Pankreaslipase freigesetzt werden. Bei Alkalose dissoziieren Plasmaproteine und binden Ca2+. Bei metabolischer Alkalose wird Ca2+ zusätzlich an Bikarbonat komplexiert, bei respiratorischer Alkalose nimmt die Komplexierung an Bikabonat ab. Daher sinkt die freie Ca2+-Konzentration bei metabolischer Alkalose stärker ab als bei respiratorischer Alkalose. Da alkalisches Phosphat (HPO42-) mit Ca2+ schwerer lösliche Komplexe bildet als saures Phosphat (H2PO4-), begünstigt Alkalose das Ausfallen von Calciumphosphat. Die wichtigste Auswirkung von Hypocalciämie ist gesteigerte neuromuskuläre Erregbarkeit. Im Herzen ist das Aktionspotenzial wegen verzögerter Aktivierung Ca2+-sensitiver K+-Kanäle verlängert. Bei Ca2+-Mangel droht Entmineralisierung des Knochens. Hypercalciämie. Sie ist häufig das Ergebnis von gesteigerter Mobilisierung von Knochenmineralien bei Hyperparathyroidismus, Knochentumoren und Immobilisierung. Darüber hinaus kann die enterale Absorption gesteigert sein, wie bei Überschuss an Vitamin D oder exzessiver Ca2+-Zufuhr. Folgen der Hypercalciämie sind u. a. Störungen der Erregung des Herzens und durch Stimulation des Ca2+-Rezeptors eingeschränkte Konzentrierungsfähigkeit der Niere. Schließlich können Ca2+-Salze ausfallen und u. a. Nierensteine erzeugen.

9.1.7

Phosphat

! Phosphat ist Bestandteil vieler organischer Verbindungen, ist an der Regulation von Proteinfunktionen beteiligt und ist für die Knochenmineralisierung erforderlich

Physiologische Bedeutung von Phosphat. Zusammen mit

Calcium ist Phosphat wichtigster Bestandteil des Knochens. In Zellen dient Phosphat einer Vielzahl von Funktionen. Phosphat ist u. a. Bestandteil von Membranlipiden, von energiereichen Phosphaten (v. a. ATP), und Botenstoffen wie cAMP. Schließlich werden durch Koppelung von Phosphat an Proteine (Phosphorylierung) deren Eigenschaften verändert und damit Enzyme oder Transportproteine aktiviert oder inaktiviert. Regulation des Phosphathaushaltes. Wie bereits ausge-

führt (7 Kap. 9.1.6), wird die renale Phosphatresorption durch Parathormon (Parathyrin) gehemmt und auf diese Weise die renale Phosphatausscheidung gesteigert. Parathyrin senkt damit die Plasmphosphatkonzentration, obgleich es die Mobilisierung von Phosphat aus dem Knochen stimuliert. Parathormon fördert die Bildung von Calcitriol, das seinerseits intestinale Absorption und renale Resorption von Phosphat stimuliert. Calcitonin hemmt die renale Phosphatresorption und steigert den Einbau von Phosphat in den Knochen. Phosphatmangel. Der Phosphatmangel ist das Ergebnis

mangelhafter Zufuhr, (z. B. bei Alkoholismus, Fasten), eingeschränkter intestinaler Absorption (Malabsorption, Vitamin-D-Mangel), oder renaler Verluste (Vitamin-D-Mangel, renaler Transportdefekt). Folgen massiven Phosphatmangels sind u. a. eingeschränkte ATP-Bildung mit Muskelschwäche, Herzinsuffizienz, verkürzte Lebensdauer von Erythrozyten mit Anämie sowie gestörte Funktion des Nervensystems. Anhaltender Mangel an Phosphat zieht Entmineralisierung des Knochens nach sich. Phosphatüberschuss. Der Phosphatüberschuss ist meist

Folge einer herabgesetzten renalen Ausscheidung von Phosphat, wie bei Niereninsuffizienz (häufig, 7 Kap. 9.1.6), Hypoparathyreoidismus (selten) und Pseudohypoparathyroidismus (sehr selten). Darüber hinaus können exzessive Zufuhr und Demineralisierung der Knochen zu Hyperphosphatämie führen. Phosphatüberschuss führt zur Komplexierung von Ca2+ mit Ausfällungen v. a. in Gelenken und der Haut. Die resultierende Hypocalciämie stimuliert die

9

206


Ausschüttung von Parathormon, das weiteres CaHPO4 aus dem Knochen mobilisiert und damit einen Circulus vitiosus auslöst (s. o.)

9.1.8

Magnesium

! Magnesium reguliert Enzyme, Kanäle und Transportproteine. Störungen des Magnesiumhaushaltes beeinträchtigen die neuromuskuläre Erregbarkeit

Physiologische Bedeutung von Magnesium. Eine Vielzahl von Enzymen ist von Mg2+ abhängig. Insbesondere erfordert die Aktivität mehrerer Kinasen und Phosphatasen die Komplexierung von Phosphat mit Mg2+. Zum Beispiel beeinflusst Mg2+ über seinen Einfluss auf die Myosin-ATPase die Kontraktion des Herzmuskels und über Stimulation der Na+/K+-ATPase die zelluläre Aufnahme von K+. Darüber hinaus hemmt Mg2+ die Ausschüttung von Neurotransmittern und einer Reihe von Hormonen wie Parathormon, Calcitonin, Glukagon und Insulin. Regulation des Mg2+-Haushaltes. Die intrazelluläre Mg2+-

9

Konzentration beträgt etwa das Zehnfache der extrazellulären Mg2+-Konzentration. Getrieben durch das Zellmembranpotenzial kann Mg2+ über Ionenkanäle in die Zelle aufgenommen werden. Eine Mg2+-ATPase transportiert Mg2+ aus der Zelle heraus. Die zelluläre Mg2+-Aufnahme wird

durch akute respiratorische Alkalose und durch Insulin gefördert. Die Mg2+-Bilanz wird normalerweise durch das Gleichgewicht von intestinaler Absorption und renaler Ausscheidung bestimmt. Die intestinale Absorption wird durch luminale Komplexierung von Mg2+ an Phosphat, Oxalat oder Fettsäuren behindert. Sie wird stimuliert durch Parathormon, Calcitriol und Somatotropin und gehemmt durch Ca2+, Aldosteron und Calcitonin. Die renale Resorption von Mg2+ wird u. a. durch Magnesiummangel, Parathormon und ADH stimuliert und u. a. durch Magnesiumüberschuss, Schleifendiuretika, Hypercalciämie, Alkohol und Phosphatmangel gehemmt. Erhebliche Mengen an Mg2+ können schließlich über den Schweiß ausgeschieden und in die Muttermilch abgegeben werden. Mg2+-Mangel. Der Mg2+-Mangel ist Folge herabgesetzter

Zufuhr, gestörter intestinaler Absorption, sowie renaler und extrarenaler (Schweiß, Muttermilch) Verluste. Mg2+Mangel führt über Hemmung der Na+/K+-ATPase und gesteigerte K+-Kanal-Aktivität zu zellulären K+-Verlusten. Folgen von Mg2+-Mangel sind u. a. gesteigerte neuromuskuläre Erregbarkeit, kardiale Arrhythmien und herabgesetzte Herzkraft. Mg2+-Überschuss. Der Mg2+-Überschuss tritt bei gestörter

renaler Eliminierung oder exzessiver Mg2+-Aufnahme auf. Folgen von Mg2+-Überschuss sind u. a. herabgesetzte neuromuskuläre und kardiale Erregbarkeit.

In Kürze

Wasser- und Elektrolythaushalt Allgemeine Grundlagen 4 Wasser: 60–70% des Körpergewichtes, bestimmt Volumen der Flüssigkeitsräume, folgt osmotischem Gradienten 4 Elektrolyte: Intrazellulär überwiegt K+, extrazellulär NaCl 4 Homöostase von Körpervolumina und Elektrolytkonzentrationen erfordert ausgeglichene Bilanz nach außen und adäquate Verteilung zwischen den einzelnen Flüssigkeitskompartimenten innerhalb des Körpers Flüssigkeitsräume 4 Körperkompartimente: Zellmembranen trennen Intrazellulärraum von Extrazellulärraum; Gefäßwand trennt 6

Blutplasma von interstitieller Flüssigkeit, Epithelien trennen transzelluläre Räume (Pleuraraum, Pericardraum, Peritonealraum, Liquorraum, Augenkammern, Nierentubuli, Darm etc.) von übrigem Extrazellulärraum ab 4 Elektrolytkonzentrationen: . Tab. 9.2 4 Bestimmung von Körpervolumina: V = M/c; c = Indikatorkonzentration im Volumen (Plasmavolumen = Evansblau, radioaktiv markierte Proteine; Blutvolumen = 51Cr-markierte Erythrozyten, Extrazellulärvolumen = radioaktive Na+, Cl-, Thiozyanat, Inulin oder Sucrose; Gesamtkörperwasser = tritiiertes Wasser, Antipyrin. Intrazellulärvolumen = Gesamtkörperwasser – Extrazellulärvolumen) 4 Zellvolumenerhaltung: Zellmembranen sind H2O-permeabel, daher osmotisches Gleichgewicht erforderlich:


Na+/K+-ATPase o [Na+]i p, [K+]i n, wegen K+-Gradient und hoher K+-Permeabilität o K+-Ausstrom o außen positives Potenzial o Cl--Ausstrom. Niederes [Cl-]i kompensiert hohe Konzentration organischer osmotisch aktiver Substanzen. Negative Ladungen intrazellulär v.a. durch osmotisch (pro Ladung) weniger aktive Proteine 4 Energiemangel o Gradienten für Na+ und K+ p o Depolarisation o [Cl-]i n o Zellschwellung 4 Zellvolumenregulation: Schwellung o KCl-Cotransporter n, K+- und Cl--Kanäle n o Elektrolytausstrom o Wasserausstrom; Zellschrumpfung o Na+-Kanäle n, Na+-K+-2Cl–-Cotransporter n, Na+/H+-Austauscher n, Cl–/HCO3–-Austauscher n o Elektrolytaufnahme o Wassereinstrom. Zellschrumpfung ferner o Akumulation organischer Osmolyte (Taurin, Sorbitol, Inositol, Betain, Glyzerophosphorylcholin, Aminosäuren [Proteolyse]); Zellschwellung o Osmolytabgabe und Proteinsynthese Wasser 4 Wasser = Lösungsraum, bestimmt Volumen von Flüssigkeitsräumen 4 Regulation: Orale Aufnahme und Produktion (Oxidationswasser) ≈ Verdunstung und Ausscheidung. Wassermangel o Zellschrumpfung, Füllung rechter Vorhof p o Durst (Wasseraufnahme), ADH-Ausschüttung (Antidiurese) 4 Störungen Wasserhaushalt: Wasserüberschuss (Hyperhydration) o Schwellung; Mangel an Wasser (Dehydration) o Schrumpfung. Bei isotonen Störungen nur Extrazellulärraum betrofffen, bei hypotonen Störungen Zellschwellung, bei hypertonen Störungen Zellschrumpfung Natrium 4 Bedeutung: ≈80% extrazellulärer Osmolarität o Verteilung von Wasser zwischen Intra- und Extrazellulärraum inkl. Plasmavolumen o Vorhofdruck o Herzfüllung o Schlagvolumen o Blutdruck. Na+-Kanäle (Depolarisation erregbarer Zellen), Na+-Transport (u. a. Na+/H+-Austauscher, Na+/Ca2+-Austauscher, Na+gekoppelter Transport von Glukose, Aminosäuren) 4 Regulation: Aufnahme (Salzappetit, stimuliert durch Aldosteron), renale Ausscheidung; Natriurese: Atrio6

4

4 4

4 4 4 4

peptin [atrialer natriuretischer Faktor, ANF], brain natriuretic peptide [BNP], C-type-related natriuretic peptide [CNP], Urodilatin (Niere), Ouabain (Nebenniere), Parathormon, Prostaglandine, Dopamin Überschuss an isotoner Kochsalzlösung o Extrazellulärvolumen n o Plasmavolumen n o Vorhofdruck n o Atriopeptin n, Ouabain n, ADH p o Natriurese, Diurese. Ferner: Vorhofdruck n o Schlagvolumen n o Blutdruck n o Sympathikus p o Reninausschüttung p o Angiotensin II p o Aldosteron p, ADH p o Natriurese, Diurese Mangel an Wasser und Kochsalz o ANF p, Ouabain p, Aldosteron n, ADH n o Antinatriurese, Antidiurese Störungen: Überschuss an NaCl o Extrazellulärraum n, Intrazellulärraum p; Mangel an NaCl o Extrazellulärraum p, Intrazellulärraum n Zellschwellung o Hirnödem o Übelkeit, Erbrechen, Bradykardie, Verwirrtheit, Koma Zellschrumpfung o Gehirn o Verwirrtheit, Koma Extrazellulärraum n o Ödeme (v. a. Lungenödem), Blutdruck n Extrazellulärvolumen p o Vorhoffüllung p o Herzminutenvolumen p o Blutdruck p o renale Vasokonstriktion o Renin n o Angiotensin n o Aldosteron n, ADH n o Antidiurese o Nephrolithiasis

Kalium 4 Physiologische Bedeutung: K+ o Zellmembranpotenzial o Erregbarkeit (Skelettmuskeln, Herz, glatte Muskulatur, Neurone), Hormonausschüttung, epithelialer Transport, Säure-Basen-Haushalt, Zellvolumen 4 K+-Transport über Zellmembran abhängig von SäureBasen-Haushalt (Alkalose o Hypokaliämie, Azidose o Hyperkaliämie), Insulin (zelluläre K+-Aufnahme), Glukagon (Abgabe), Schilddrüsenhormone (Aufnahme), Adrenalin [K+-Abgabe (α), K+-Aufnahme (β)] 4 Distal-tubuläre Na+-Resorption n, Aldosteron, Alkalose o Renale K+-Ausscheidung n 4 Hypokaliämie: K+-Verluste (renal [Diuretika, Hyperaldosteronismus], intestinal [Durchfälle]) oder Verschiebung von K+ in die Zellen (v. a. Insulin, Realimentation,Alkalose) o neuromuskuläre Erregbarkeit p (Hyporeflexie), glatte Muskulatur p (Darmatonie, Ileus), K+-Leitfähigkeit Herz p(Extrasystolen), Alkalose, Harnkonzentrierung p

9

208


4 Hyperkaliämie: Exzessive K+-Zufuhr, zelluläre K+-Verluste (Azidose, Insulinmangel, Zelluntergang [z. B. großflächige Gewebezerstörung, Hämolyse, Tumortherapie]), renale K+-Retention (Niereninsuffizienz, Hypoaldosteronismus, Azidose, K+-sparende Diuretika) o Depolarisation o neuromuskuläre Erregbarkeit (Hyperreflexie, Lähmungen), Kammerflimmern, Herzstillstand

9

Calcium 4 Bedeutung: > 99% des Körpercalciums im Knochen, vorwiegend als Phosphatsalze. Intrazellulärer Botenstoff (Muskelkontraktion, Ausschüttung Hormone, Neurotransmitter, Aktivierung Ionenkanäle, Enzyme); Extrazelluläres Ca2+ o Schwelle Na+-Kanäle erregbarer Zellen, Permeabilität tight junctions, Blutgerinnung, Ca2+-Rezeptor 4 Verknüpfung mit Phosphat: Begrenzte Löslichkeit von Calciumphosphatsalzen (u. a. [CaHPO4], bei Alkalose schlechter löslich. Daher gemeinsame Regulation von Ca2+, HPO42- und pH. Zunahme von [Ca2+], [HPO42-] oder pH o Ausfallen CaHPO4, Mineralisierung Knochen, Zähne 4 Regulation: Extrazelluläre Ca2+-Konzentration p o Parathormon o Mobilisierung CaHPO4 aus Knochen n, renale Ca2+-Resorption n, renale Ausscheidung Phosphat und Bikarbonat n, Calcitriolbildung; Calcitriol o enterale Absorption + renale Resorption Calcium-Phosphat n 4 Calcitriolbildung: 7-Dehydrocholesterin + UV (Haut) o Cholecalciferol (Vitamin D) + Östrogene (Leber) o Calcidiol [25(OH)D3] + Parathormon, Calcitonin, Ca2+- oder Phosphatmangel (Niere) o Calcitriol [1,25(OH)2D3] 4 Hypercalciämie o Calcitonin o Stimulation Knochenmineralisierung, Calcitriolbildung, renale Ca2+Resorption n, renale Phosphatresorptionn 4 Hypocalciämie: Mangel an Calcitriol, Hypoparathyroidismus, Pseudohypoparathyroidismus, Niereninsuffizienz, Pankreatitis, Alkalose o gesteigerte neuromuskuläre Erregbarkeit; Ca2+-Mangel o Entmineralisierung des Knochens 4 Hypercalciämie: Hyperparathyroidismus, Knochentumoren, Immobilisierung, Überschuss an Vitamin D,

exzessive Ca2+-Zufuhr o Störungen der Erregung des Herzens, eingeschränkte renale Konzentrierungsfähigkeit, Nierensteine Phosphat 4 Bedeutung: Knochen, Membranlipide, energiereiche Phosphate (v. a. ATP), Botenstoffe. Proteinphosphorylierung 4 Regulation: siehe Ca2+ 4 Phosphatmangel: Mangelhafte Zufuhr (Alkoholismus, Fasten), eingeschränkte intestinale Absorption (Malabsorption, Vitamin-D-Mangel), renale Verluste (VitaminD-Mangel, renaler Transportdefekt) o ATP-Bildung p (Muskelschwäche, Herzinsuffizienz, Anämie), Entmineralisierung Knochen 4 Phosphatüberschuss: Herabgesetzte renale Ausscheidung (Niereninsuffizienz, Hypoparathyreoidismus, Pseudohypoparathyroidismus), exzessive Zufuhr, Demineralisierung Knochen o CaHPO4-Ausfällungen in Gelenken, Haut, Hypocalciämie o Parathormon n Magnesium 4 Bedeutung: Mg2+-abhängige Enzyme (Kinasen, Phosphatasen), Kanäle, Kontraktion Herzmuskel, Na+/K+-ATPase, Ausschüttung von Neurotransmittern, Hormonen (Parathormon, Calcitonin, Glukagon, Insulin) 4 Regulation: Zelluläre Mg2+-Aufnahme n durch respiratorische Alkalose, Insulin; Intestinale Absorption n durch Parathormon, Calcitriol, Somatotropin, Intestinale Absorption p durch luminale Komplexierung, Ca2+, Aldosteron, Calcitonin. Renale Resorption von Mg2+ n durch Magnesiummangel, Parathormon, ADH. Renale Resorption von Mg2+ p durch Magnesiumüberschuss, Schleifendiuretika, Hypercalciämie, Alkohol, Phosphatmangel, Verluste über Schweiß, Muttermilch 4 Mg2+-Mangel: Zufuhr p, intestinale Absorption p, renale + extrarenale (Schweiß, Muttermilch) Verluste o Na+/K+-ATPase p, K+-Kanäle n o zelluläre K+-Verluste o neuromuskuläre Erregbarkeit n, kardiale Arrhythmien, Herzkraft p 4 Mg2+-Überschuss: Renale Eliminierung p, Mg2+-Aufnahme n o neuromuskuläre und kardiale Erregbarkeit p

209 9.2 · Niere

9.2

Niere

9.2.1

Bau und Funktion

! Die Ausscheidung durch die Nieren geschieht durch glomeruläre Filtration und tubulären Transport

Gefäßen. Das anliegende Tubulusepithel ist dabei besonders hoch (Macula densa) und die Gefäßmuskelzellen enthalten Speichergranula, aus denen sie Renin freisetzen können. Gemeinsam mit den Maculazellen bilden sie den juxtaglomerulären Apparat. Bau der Nierentubuli. Das Tubulussystem besteht aus meh-

Aufgaben. Die Niere ist das wichtigste Ausscheidungsorgan

des Körpers. Sie eliminiert eine Reihe von überflüssigen oder schädlichen Substanzen (sog. harnpflichtige Substanzen). Darüber hinaus spielt die Niere eine überragende Rolle in der Kontrolle des Volumens und der Elektrolytzusammensetzung des Extrazellulärraums. Über den Wasser- und Kochsalzhaushalt kontrolliert sie das Blutvolumen und damit auch den Blutdruck. Zudem wirkt sie bei der Bildung von kreislaufaktiven Hormonen mit. Über den Mineralhaushalt beeinflusst sie indirekt die Mineralisierung des Knochens. Dabei bildet sie selbst Calcitriol, ein für den Mineralhaushalt bedeutsames Hormon. Sie bildet auch Klotho, ein Hormon, das u. a. Altern verzögert. Über die H+und HCO3–-Ausscheidung wirkt sie in entscheidender Weise bei der Regulation des Säure-Basen-Haushaltes mit. Ferner scheidet sie H+ als NH+4 aus, das sie aus Glutamin gewinnt. Das nach Desaminierung übrige Kohlenstoffskelett baut sie zu Glukose auf (Glukoneogenese). Schließlich bildet die Niere Erythropoietin, das die Erythropoiese reguliert. Im Zentrum ihrer Aktivität steht freilich die Kontrolle der Zusammensetzung des Extrazellulärraums.

reren, morphologisch und funktionell unterschiedlichen Abschnitten (. Abb. 9.9). Die filtrierte Flüssigkeit gelangt zunächst in den proximalen Tubulus, der in die HenleSchleife mündet. Die Henle-Schleife leitet die Tubulusflüssigkeit von der Nierenrinde in das Nierenmark und wieder zurück. Die Tubulusflüssigkeit wird dann zum juxtaglomerulären Apparat geführt, wo ein enger Kontakt zwischen den Tubulusepithelzellen (Macula densa) und dem jeweiligen Vas afferens hergestellt wird. Über distalen Tubulus und Verbindungsstück in der Nierenrinde erreicht die Tubulusflüssigkeit ein Sammelrohr, in das jeweils annähernd 3000 Nephrone münden. Über 300 Sammelrohre leiten die Tubulusflüssigkeit (bzw. den Urin) in das Nierenbecken.

9.2.2

Durchblutung

! Die Niere ist pro Gewicht das best durchblutete Organ des Körpers. Allerdings verteilt sich das Blut sehr ungleich über das Organ

Durchblutungswerte. Normalerweise passieren etwa 20 % Funktionsweise. Um dieser Aufgabe gerecht werden zu

können, muss die Niere pro Zeiteinheit ein möglichst großes Volumen ihrer Kontrolle unterziehen. Tatsächlich werden am Tag etwa 150 Liter Plasmawasser in den etwa 2 Millionen Glomerula filtriert und damit der Kontrolle durch die Niere unterworfen. Die filtrierte Flüssigkeit passiert dann ein System von Tubuli (. Abb. 9.9), die den weitaus größten Teil der Flüssigkeit und der gelösten Teilchen wieder zurücknehmen. Übrig bleibt der Urin, der über die Harnwege abgeleitet wird. Bau der Glomerula. Die Endothelzellen der Glomerulum-

kapillaren sind von einer Basalmembran umgeben. Auf der anderen Seite der Basalmembran werden die Gefäße durch Fußfortsätze der Podozyten gestützt. Podozyten und die zwischen den Kapillarschlingen liegenden Mesangialzellen nehmen liegengebliebene Proteine phagozytotisch auf und bauen sie ab. In den Vas afferens und Vas efferens besteht ein enger Kontakt zwischen dem Tubulusepithel und den

des Herzminutenvolumens (ca. 1,2 l/min) die beiden Nieren. Bezogen auf ihr Gewicht (ca. 300 g) sind die Nieren die am besten durchbluteten Organe des Körpers. Nierengefäße. Das Blut aus der Arteria renalis gelangt zu-

nächst über die Aa. interlobares zu den Aa. arcuatae, aus denen senkrecht die Aa. interlobulares entspringen. Die Aa. interlobulares geben die Vasa afferentia ab, die sich in den Glomerula in viele parallele Gefäßschlingen aufteilen. Die Kapillarschlingen münden in die Vasa efferentia, die sich nun erneut aufzweigen. Die Vasa efferentia oberflächlicher Nephrone geben die peritubulären Kapillaren ab, die ein Gefäßnetz um die Tubuli in der Nierenrinde bilden. Vasa efferentia aus tiefer gelegenen Glomerula (sog. juxtamedullären Glomerula) geben die Vasa recta ab, die in langen Kapillarschleifen in das Nierenmark eintauchen. Vasa recta und peritubuläre Kapillaren münden schließlich in die Vv. interlobulares, die das Blut über die Vv. arcuatae und Vv. interlobares zur V. renalis leiten. In der Niere sind

9

210


9

. Abb. 9.9. Struktur der Niere. Lage von oberflächlichen und tiefen Nephronen. Ausschnitt: Macula densa mit Glomerulum

somit zwei Kapillarnetze (Glomerulumkapillaren und peritubuläre Kapillaren bzw. Vasa recta) hintereinandergeschaltet. Druck und Widerstand in den Nierengefäßen. In Aorta

und Nierenarterie findet beim Gesunden kein wesentlicher Druckabfall statt (. Abb. 9.10), da der Widerstand dieser Gefäßabschnitte sehr gering ist. Die Arteria interlobaris weist bereits einen deutlichen Widerstand auf. Der größte Widerstand liegt jedoch normalerweise im Vas afferens, hier findet also der größte Druckabfall statt. Das Vas afferens steht darüber hinaus unter dem Einfluss einer Reihe von Faktoren, welche den Widerstand dieses Gefäßabschnittes modulieren (. Tab. 9.7). Das Vas afferens gibt eine

Vielzahl paralleler Glomerulumkapillaren ab, die wegen ihrer Parallelschaltung und Kürze einen sehr geringen Widerstand aufweisen. Damit tritt in den Glomerulumkapillaren praktisch kein Druckabfall auf. Die Glomerulumkapillaren münden in das Vas efferens, das wiederum einen erheblichen Widerstand aufweist und einen entsprechenden Druckabfall bewirkt. Die weiteren Gefäßabschnitte, wie peritubuläre Kapillaren und Venen, setzen dem Blutfluss wiederum einen geringen Widerstand entgegen. Der relativ hohe Widerstand im Vas efferens hält den Druck in den Glomerulumkapillaren hoch und gewährleistet damit den für eine normale Filtrationsrate erforderlichen Filtrationsdruck (s. u.). Aus den Vasa efferentia der juxtamedullären Nephrone entspringen die Vasa recta, die trotz ihrer

9

211 9.2 · Niere

. Tab. 9.7. Die wichtigsten Wirkungen von Hormonen auf die Nierenfunktion

. Abb. 9.10. Druckverlauf in den einzelnen Gefäßabschnitten der Niere. Der größte Druckabfall findet in den Gefäßabschnitten mit größtem Widerstand statt (Vas afferens und Vas efferens). Bei Anstieg des systemischen Druckes (grün) wird der Widerstand im Vas afferens gesteigert, bei Abfall des systemischen Druckes wird der Widerstand im Vas afferens gesenkt, sodass der Druck in den glomerulären Kapillaren annähernd gleich bleibt (Autoregulation)

enormen Länge normalerweise keinen sehr hohen Widerstand aufweisen, da eine Vielzahl von Vasa recta parallel geschaltet sind. Allerdings ist der Blutfluss in den Vasa recta bei Beeinträchtigung der Fließeigenschaften des Blutes in hohem Maße gefährdet. So nimmt man an, dass im postischämischen Nierenversagen die Strömungsverlangsamung in den Vasa recta zum Erliegen der Durchblutung dieser Gefäßabschnitte führt, sodass eine Mangelversorgung der benachbarten Zellen folgt.

Hormon

Wirkung

Aldosteron (Mineralokortikoide)

+ Na+-Kanäle, K+-Kanäle, Na+/K+-ATPase, Energiegewinnung in DT und SR

Kortisol (Glukokortikoide)

+ GFR, Na+/H+-Austauscher, Na+-HPO42--Cotransport in PT, Na+/K+-ATPase in dHL, DT, SR

Progesteron

- mineralokortikoide Wirkung

Schilddrüsenhormone

+ RBF, GFR, Na+/K+-ATPase, K+-Kanäle, Na+HPO42--Cotransport im PT

ADH

+ Wasserkanäle, Na+-Kanälen in DT und SR, Cl Kanäle, Na+-K+-2Cl --Cotransport im dHL

Atriopeptin

+ RBF, GFR, - Na+-HPO42--Cotransport im PT, Na+-Resorption im SR

Ouabain

- Na+/K+-ATPase in allen Nephronsegmenten

Parathormon

- Na+-HPO42--Cotransport, HCO3–-Resorption, + Na+/Ca2+-Austauscher im PT, Ca2+-Resorption im DT

Calcitonin

- Na+-HPO42--Cotransport im PT

Somatotropin

+ Na+-gekoppelter Transportprozesse im PT

Insulin

+ Na+-HPO3– -Cotransport im PT, Na+-Resorption und K+-Sekretion im DT

Glukagon

+ RBF, GFR, - Na+- und Ca2+-Resorption im PT

Angiotensin

- RBF, GFR, + Na+/H+-Austauscher im PT

Prostaglandin E2

+ RBF, GFR, - Na+-Resorption in dHL und SR

-

Thromboxan

- RBF, GFR

Leukotriene

- RBF, GFR

Intrarenale Durchblutungsverteilung. Das die Niere

Adenosin (akut)

- RBF, GFR

durchströmende Blut verteilt sich sehr ungleich auf Nierenrinde und Nierenmark: Praktisch das gesamte Blut passiert die in der Nierenrinde liegenden Glomerula. Die Vasa efferentia der oberflächlichen Glomerula geben die peritubulären Kapillaren der Nierenrinde ab, die proximale und distale Konvolute umspülen. Vasa efferentia aus den tiefer gelegenen juxtamedullären Glomerula geben die Vasa recta ab, welche die Durchblutung des Nierenmarks bewerkstelligen. Das Nierenmark, das immerhin ⅓ des Nierengewichtes ausmacht, erhält weniger als 10 % der renalen Durchblutung. Die relativ schlechte Blutversorgung des Nierenmarks wird noch dadurch verschärft, dass die Anordung der Vasa recta in Form von Schleifen die Zulieferung von O2 sowie den Abtransport von CO2 und Stoffwechselprodukten erschwert. Die Durchblutung von Nierenrinde und Nierenmark wird durch verschiedene Faktoren unterschiedlich

Bradykinin

+ RBF, GFR, - Na+-Resorption in dHL und SR

Adrenalin (α)

- Reninausschüttung, Na+-Resorption im SR + Na+-Resorption im PT

Adrenalin (β)

+ Reninausschüttung, NaCl-Resorption in dHL, DT und SR

Acetylcholin

+ RBF

Dopamin

+ RBF, GFR, - Na+-HPO42--Cotransport im PT

Histamin

+ RBF, GFR, - Na+-Resorption im PT

NO

+ RBF, GFR

Endothelin

- RBF, GFR

PT = proximaler Tubulus, dHL = dicker aufsteigender Teil der HenleSchleife, DT = distaler Tubulus, SR = Sammelrohr, RBF = renaler Blutfluss, GFR = glomeruläre Filtrationsrate, + = Aktivierung bzw. Steigerung, - = Hemmung

212


beeinflusst. Zu den Substanzen, welche Vasodilatation vorwiegend im Nierenmark bewirken, gehören Prostaglandine, Acetylcholin und Bradykinin. Darüber hinaus kommt es bei mäßigem Blutdruckabfall sowie bei Steigerung des Ureterdruckes vorwiegend zu einer Vasodilatation im Nierenmark. Bestimmung der Nierendurchblutung. Die Nierendurch-

blutung kann über die Bestimmung der Plasmakonzentration und der renalen Ausscheidung von Paraaminohippursäure bestimmt werden (7 Kap. 9.2.10).

9.2.3

Filtration

! Der glomeruläre Filter ist permselektiv und verhindert die Filtration der meisten Plasmaproteine

Permselektivität des glomerulären Filters. Eine für die

9

Funktion der Niere wesentliche Eigenschaft des glomerulären Filters ist seine Selektivität gegenüber Inhaltstoffen des Plasmas. Für die Passage durch den glomerulären Filter ist u. a. die Größe eines Moleküls maßgebend. Moleküle mit einem Durchmesser >4 nm bzw. von einem Molekulargewicht >50 kDa können den Filter nicht passieren. Darüber hinaus spielt die Ladung der Moleküle eine wesentliche Rolle (. Abb. 9.11). Negativ geladene Moleküle werden von negativen Fixladungen des glomerulären Filters abgestoßen und passieren erheblich schwerer als positiv geladene Moleküle. Da die meisten Plasmaproteine negativ geladen sind, wird ihre Filtration durch die La-

. Abb. 9.11. Permselektivität des glomerulären Filters. Der Anteil filtrierter Makromoleküle (UF/P) als Funktion der Molekülgröße (Radius) und der Ladung (+ = positiv geladen, - = negativ geladen,

dung erschwert. Bei Entzündungen des Glomerulum (Glomerulonephritis) werden die negativen Fixladungen am glomerulären Filter neutralisiert, die Permselektivität des Filters geht verloren und negativ geladene Plasmaproteine können leichter filtriert werden (. Abb. 9.11). So kommt es auch bei mikroskopisch kaum erkennbaren Schädigungen des Glomerulum (sog. minimal change nephropathy) zur mitunter massiven Ausscheidung von Proteinen (Proteinurie). Proteinbindung. Eine Vielzahl von Substanzen wird an Proteine gebunden, wie etwa eine Reihe von Hormonen (v. a. Schilddrüsenhormone und Steroidhormone) sowie einige Fremdstoffe (Pharmaka und Gifte). Der proteingebundene Anteil wird nicht filtriert. Ca2+ wird zu etwa 40% an Proteine gebunden, und die filtrierte Menge an Ca2+ ist entsprechend gering. Gibbs-Donnan-Potenzial. Die Tatsache, dass die negativ geladenen Plasmaproteine zurückgehalten werden, führt zu einem negativen Ladungsüberschuss auf der Blutseite, der ein Potenzial von etwa 1,5 mV über den glomerulären Filter erzeugt (sog. Gibbs-Donnan-Potenzial). Dieses Potenzial hält Kationen zurück und begünstigt die Filtration von Anionen. Im Ergebnis ist die Konzentration im Filtrat an frei filtrierbaren einwertigen Kationen um etwa 5% niedriger und an frei filtrierbaren einwertigen Anionen um etwa 5% höher als im Plasmawasser. ! Die glomeruläre Filtrationsrate ist eine Funktion des effektiven Filtrationsdruckes

oder n = neutral). Links: Normales Glomerulum, rechts: entzündlich geschädigtes Glomerulum (Glomerulonephritis)

213 9.2 · Niere

Determinanten der glomerulären Filtrationsrate. Die pro

Zeiteinheit filtrierte Flüssigkeitsmenge (GFR) ist abhängig von der Fläche (F) und der hydraulischen Leitfähigkeit des glomerulären Filters (Lp), sowie vom effektiven Filtrationsdruck (Peff ): GFR = Lp · F · Peff Die hydraulische Leitfähigkeit und die Filtrationsfläche sind nicht getrennt bestimmbar und lassen sich zu einem Ultrafiltrationskoeffizienten (Kf) zusammenfassen: Kf = Lp · F Der effektive Filtrationsdruck (Peff ) errechnet sich wiederum aus hydrostatischem (Δp) und kolloidosmotischem (Δπ) Druckunterschied zwischen Glomerulumkapillare (pK, πK) und glomerulärem (Bowman-) Kapselraum (pB, πB): Peff = Δp – Δπ = (pK – pB) – (πK – πB) pK und pB können beim Menschen nicht bestimmt werden. Aus Tierversuchen vermutet man Werte um 50 mmHg (pK) und 15 mmHg (pB). πK liegt bei 25 mmHg, πB ist vernachlässigbar.

Der kolloidosmotische Druck wird im Wesentlichen durch die nichtfiltrierbaren Proteine hervorgerufen. Durch den Filtrationsprozess werden diese Proteine im Blut konzentriert, sodass die Proteinkonzentration und mit ihr πK ansteigen (. Abb. 9.12). Auf diese Weise wird der effektive Filtrationsdruck entlang der Glomerulumkapillare kleiner und sinkt normalerweise gegen Ende der Kapillarschlingen sogar gegen null (Filtrationsgleichgewicht). Der durch die Filtration zunehmende kolloidosmotische Druck limitiert somit die glomeruläre Filtration. Die glomeruläre Filtrationsrate lässt sich mindestens theoretisch über Änderungen jedes der genannten Faktoren beeinflussen: 4 Eine Abnahme des Ultrafiltrationskoeffizienten (Kf), also der hydraulischen Leitfähigkeit und/oder der Fläche des glomerulären Filters mindert die glomeruläre Filtrationsrate, wenn bei dem herabgesetzten Kf das Filtrationsgleichgewicht nicht mehr erreicht wird. Die Wirkung eines herabgesetzten Kf wird dadurch abgeschwächt, daß durch die Abnahme der glomerulären Filtrationsrate der kolloidosmotische Druck in den Kapillaren langsamer ansteigt und daher ein relativ hoher effektiver Filtrationsdruck bis zum Ende der Glomerulumkapillare wirksam bleibt. Umgekehrt führt eine Zu-

. Abb. 9.12. Glomeruläre Druckwerte. Hydrostatischer (p) und onkotischer (π) Druck in Glomerulumkapillaren (pK, πK) und BowmanKapselraum (pB, πB) als Funktion der Länge der glomerulären Kapillarschlinge. Δp und Δπ sind die entsprechenden Druckgradienten über den glomerulären Filter. Da πB praktisch null ist, ist Δπ identisch mit dem onkotischen Druck der Kapillare. Der Druckgradient Δp –Δπ (gelbe Fläche) ist die treibende Kraft für die glomeruläre Filtration. Sie kann gegen Ende der Kapillarschlinge gegen null gehen (Filtrationsgleichgewicht)

nahme des Ultrafiltrationskoeffizienten nur dann zu einer Zunahme der glomerulären Filtrationsrate, wenn vorher das Filtrationsgleichgewicht noch nicht erreicht worden ist 4 Eine Zunahme des Widerstandes im Vas efferens steigert den hydrostatischen Druck in den Glomerulumkapillaren, eine Wirkung, welche eine Zunahme der Filtrationsrate begünstigt. Durch die Zunahme des Widerstandes im Vas efferens nimmt freilich gleichzeitig der renale Plasmafluss ab. Das bedeutet, dass pro filtriertes Volumen ein stärkerer Anstieg des kolloidosmotischen Druckes zu erwarten ist. Der Anstieg des kolloidosmotischen Druckes führt dann relativ schnell zu einer Limitierung der Filtration. Eine Kontraktion des Vas efferens kann also letztlich trotz Steigerung des hydrostatischen Druckes in den Glomerulumkapillaren eine Abnahme der glomerulären Filtrationsrate zur Folge haben 4 Eine Zunahme des Widerstandes im Vas afferens senkt den hydrostatischen Druck in den Glomerulumkapillaren und senkt den renalen Plasmafluss. Die Abnahme

9

214


des renalen Plasmaflusses führt zu einem schnelleren Anstieg des kolloidosmotischen Druckes pro filtriertes Volumen. Somit führen beide Wirkungen zu einer Herabsetzung der glomerulären Filtrationsrate 4 Eine Zunahme der Plasmaproteinkonzentration steigert den kolloidosmotischen Druck und senkt daher die glomeruläre Filtrationsrate. Umgekehrt führt eine Abnahme der Plasmaproteinkonzentration zu einer Zunahme der glomerulären Filtrationsrate. 4 Bei entzündlicher Schädigung des Glomerulum (Glomerulonephritis) nimmt der Gefäßwiderstand durch Einengung des glomerulären Gefäßbettes zu und der Ultrafiltrationskoeffizient durch Herabsetzung von Filterfläche und -durchlässigkeit ab. Folge ist eine Abnahme des glomerulären Plasmaflusses und der GFR ! Renale Durchblutung und Filtration sind autoreguliert und werden von mehreren Hormonen beeinflusst

Autoregulation von Nierendurchblutung und glomerulärer Filtrationsrate. Die Fähigkeit der Niere, ihre Durchblu-

9

tung und Filtration auch bei wechselndem systemischem Blutdruck konstant zu halten, wird als Autoregulation bezeichnet. Die Niere ist normalerweise in der Lage ist, innerhalb des systemischen Blutdruckbereichs von etwa 80– 180 mmHg sowohl Durchblutung als auch glomeruläre Filtrationsrate annähernd konstant zu halten (. Abb. 9.13). Die Niere erzielt die Konstanz ihrer Durchblutung durch Vasokonstriktion bei Blutdruckanstieg und durch Vasodilatation bei Blutdruckabfall. Bei plötzlichen Änderungen des Blutdruckes benötigt die Niere freilich einige Sekunden, um den Widerstand entsprechend anzupassen.

Die Autoregulation der Nierendurchblutung könnte theoretisch sowohl durch das Vas afferens als auch durch das Vas efferens bewerkstelligt werden. Eine gleichzeitige Autoregulation von Nierendurchblutung und glomerulärer Filtrationsrate ist jedoch nur durch Widerstandsänderung am Vas afferens möglich, da das Vas efferens ja renale Durchblutung und glomeruläre Filtrationsrate unterschiedlich beeinflusst. Für die Autoregulation ist nicht ein einzelner Mechanismus verantwortlich, sondern eine Reihe von Mechanismen, die möglicherweise an unterschiedlichen Segmenten des Vas afferens wirksam werden. Dabei gewährleistet das Zusammenspiel vor allem der folgenden drei Mechanismen die annähernd perfekte Autoregulation der Niere: 4 Wie eine Reihe anderer Gefäße reagieren Nierengefäße bei Zunahme des intramuralen Druckes (bei Blutdruckanstieg) mit einer myogenen Vasokonstriktion (Bayliss-Effekt, durch Aktivierung von Kationenkanälen). Auf diese Weise wird der Widerstand dem jeweiligen Perfusionsdruck angepasst und eine autoregulatorische Wirkung erzielt 4 Eine Mangeldurchblutung v. a. des Nierenmarks löst die Bildung von vasodilatorischen Prostaglandinen aus. Dadurch wird v. a. die Durchblutung des Nierenmarks gewährleistet 4 Eine Zunahme der glomerulären Filtrationsrate führt zu einer Zunahme des filtrierten Angebotes an Kochsalz. Hält die Resorption von Kochsalz in proximalem Tubulus und Henle-Schleife nicht Schritt, dann gelangt mehr Kochsalz bis zur Macula densa, Epithelzellen des distalen Tubulus, die in engem Kontakt mit dem Vas afferens des gleichen Nephrons stehen (. Abb. 9.9). Über Bildung von Adenosin wird bei Zunahme der Kochsalzkonzentration an der Macula densa das zugehörige Vas afferens konstringiert. Folge ist eine Drosselung der glomerulären Filtration. Diese tubuloglomeruläre Rückkopplung (tubuloglomerular feedback) gewährleistet nicht nur eine Autoregulation der Nierendurchblutung, sondern vor allem eine Anpassung der Filtrationsrate an die tubuläre Transportkapazität. Ist bei Schädigung der Niere die Transportkapazität eingeschränkt, dann sinkt über das tubuloglomeruläre Feedback auch die Filtrationsrate Renin-Angiotensin-Aldosteron. Ein gesteigertes Kochsalz-

. Abb. 9.13. Autoregulation von renalem Plasmafluss (RPF) und glomerulärer Filtration (GFR). RPF und GFR als Funktion des systemischen Mitteldruckes (RR)

angebot an die Macula densa löst nicht nur eine Konstriktion des Vas afferens aus, sondern hemmt auch die Ausschüttung von Renin aus spezialisierten Zellen im Vas affe-

215 9.2 · Niere

rens (sog. myoepitheliale Zellen). Die Ausschüttung von Renin wird durch Abnahme der Gefäßdehnung im Vas afferens stimuliert, in der Regel also dann, wenn der Blutdruck abfällt oder wenn Gefäßabschnitte vor dem Vas afferens konstringiert werden (z. B. unter dem Einfluss des Sympathikus). Renin spaltet von dem aus der Leber stammenden Protein Angiotensinogen ein Dekapeptid (Angiotensin I) ab. Ein ubiquitär vorkommendes angiotensin converting enzyme (ACE) bildet daraus durch Abspaltung von zwei weiteren Aminosäuren Angiotensin II. Angiotensin II löst Vasokonstriktion aus und stimuliert die proximaltubuläre Na+-Resorption sowie die Ausschüttung von Aldosteron und ADH (7 Kap. 17.2). Aldosteron fördert die distaltubuläre Kochsalzresorption und ADH die distaltubuläre Wasserresorption. Der Renin-Angiotensin-AldosteronMechanismus spielt eine hervorragende Rolle in der Regulation des Kochsalz-Wasser-Haushaltes (7 Kap. 9.1.4) und des Blutdruckes (7 Kap. 4.2.3). Steuerung von Nierendurchblutung und glomerulärer Filtrationsrate. Eine Vielzahl von Mediatoren beeinflusst die

renale Durchblutung und glomeruläre Filtration (. Tab. 9.7).

Darüber hinaus steigert eiweißreiche Diät renale Durchblutung und glomeruläre Filtrationsrate. Bestimmung der glomerulären Filtrationsrate. Die GFR wird über die Bestimmung der Plasmakonzentration und renalen Ausscheidung filtrierter und tubulär nicht resorbierter Substanzen (v. a. Kreatinin) bestimmt (7 Kap. 9.2.10).

9.2.4

Transport an renalen Epithelien

! Der tubuläre Transport erzeugt aus dem filtrierten Plasmawasser letztlich Urin. Dabei sind mehrere ganz unterschiedliche Nephronsegmente beteiligt

Aufgabe renal-epithelialen Transportes. Normalerweise

werden annähernd 99% des filtrierten Wassers und über 90% der im Filtrat gelösten Substanzen durch die Nierentubuli wieder resorbiert. Darüber hinaus werden einige Substanzen sezerniert. Durch tubuläre Resorption und Sekretion wird schließlich ein Urin erzeugt, dessen Zusammensetzung weit von der des Plasmawassers abweicht. Die zwei

. Tab. 9.8. Transport von Wasser und Substanzen in verschiedenen Tubulusabschnitten Substanz

Resorption bzw. Sekretion (–) in PT

Wasser Kreatinin

HL

Ausscheidung

Beteiligte Transportmechanismen

DT+SR

60

20

15

0

0

0

5* 100

osmotischem Gradienten folgend (Diffusion) kein nennenswerter Transport

Natrium

60

34

6

0,5*

aktiv, Diffusion, solvent drag

Chlorid

55

38

6

1*

Diffusion, solvent drag, sekundär aktiv

Kalium

60

25

-5

20*

Bikarbonat

90

0

10

0,1

sekundär aktiv

Calcium

60

30

9

1

sekundär aktiv, Diffusion, aktiv

Phosphat

70

10

0

20

sekundär aktiv

Magnesium

30

60

0

10

aktiv, Diffusion

Glukose

99

1

0

0

sekundär aktiv

Glyzin, Histidin

90

5

0

5

sekundär aktiv

weitere Aminosäuren

99

0

0

1

sekundär aktiv

Harnstoff

50

- 60

60

50

Diffusion, solvent drag

Harnsäure

60

30

0

10

tertiär aktiv, Diffusion

-20

-10

0

130

tertiär aktiv, Diffusion

Oxalat

aktiv, Diffusion, solvent drag

Resorption und Sekretion (–) in % von der filtrierten Menge in den einzelnen Tubulusabschnitten (PT = Proximaler Tubulus, HL = Henle-Schleife inklusive Pars recta und aufsteigendem dicken Teil, DT + SR = Distaler Tubulus und Sammelrohr). Ausscheidung im Urin in % der filtrierten Menge. Die Zahlen sind nur Anhaltswerte. Die mit einem * versehenen Urinwerte unterliegen besonders starken Schwankungen

9

216


Aufgaben, Resorption großer Mengen und Feineinstellung der Urinzusammensetzung werden durch verschiedene Tubulussegmente in unterschiedlichem Ausmaß wahrgenommen. Tubulussegmente. Funktionell unterscheidet man mehrere Tubulussegmente, wie proximalen Tubulus, HenleSchleife, distalen Tubulus und Sammelrohr. Sie tragen in unterschiedlichem Ausmaß zum tubulären Transport bei (. Tab. 9.8). Keines der genannten Segmente ist in sich homogen und es gibt Unterschiede zwischen oberflächlichen und tiefen (juxtamedullären) Nephronen. Etwa 80 % der filtrierten gelösten Substanzen sind Na+ und Cl-. Die Resorption von NaCl spielt daher in allen Segmenten die dominierende Rolle.

9.2.5

Resorption, Sekretion

! Im proximalen Tubulus werden zwei Drittel des filtrierten Wassers und Kochsalzes und der größte Teil des filtrierten Bikarbonates resorbiert. Ammoniak wird gebildet und sezerniert

9

. Abb. 9.14. Die wichtigsten Transportprozesse im proximalen Tubulus. S = Substrate für Na+-gekoppelte Transportprozesse (Aminosäuren, Glukose, Phosphat, Laktat, etc.). A- = organische Anionen (ähnliche Transporter existieren auch für organische Kationen)

Allgemeine Physiologie proximal-tubulärer Transportprozesse. Im proximalen Tubulus werden etwa ⅔ des filtrierten

Wassers und Kochsalzes, 95% des filtrierten Bikarbonats, und annähernd 100% der filtrierten Glukose und Aminosäuren resorbiert. Darüber hinaus sezerniert der proximale Tubulus einige Säuren und Basen (. Abb. 9.14). Der proximale Tubulus verfügt über sehr große Transportkapazitäten, kann jedoch im Allgemeinen keinen hohen Gradienten aufbauen. Die luminale Zellmembran der proximalen Tubuluszellen weist eine Reihe Na+-gekoppelter Transportprozesse auf (u. a. für Glukose/Galaktose, Aminosäuren, organische Säuren, Vitamin C, Phosphat, Sulfat). Treibende Kraft dieser Transportprozesse ist der steile elektrochemische Gradient für Na+ aus dem Extrazellulärraum in die Zelle. Er wird durch die Na+/K+-ATPase an der basolateralen Zellmembran aufrechterhalten, die Na+ im Austausch gegen K+ aus der Zelle pumpt (7 Kap. 1.3). Das auf diese Weise in der Zelle akkumulierte K+ verlässt z. T. die Zelle über K+-Kanäle und erzeugt damit das außen positive Zellmembranpotenzial. Bikarbonatresorption. Der quantitativ bedeutsamste Na+-

gekoppelte Transportprozess im proximalen Tubulus ist der Na+/H+-Austauscher, der H+-Ionen im Austausch gegen

Na+ aus der Zelle transportiert. Die H+-Ionen reagieren im Tubuluslumen mit filtriertem HCO–3 zu CO2. Diese Reaktion läuft normalerweise nur langsam ab, wird jedoch durch die in der luminalen Zellmembran sitzende Karboanhydrase (IV) beschleunigt. Das gebildete CO2 diffundiert (z. T. durch Wasserkanäle) in die Zelle und wird dort, unter Vermittlung von Karboanhydrase, wieder in H+ und HCO–3 umgewandelt. HCO3– verläßt die Zelle über einen Na+3 HCO3–-Cotransport. Treibende Kraft für diesen Transport ist das Zellmembranpotenzial, das sowohl HCO–3 als auch Na+ gegen einen chemischen Gradienten aus der Zelle treibt. Durch die genannten Mechanismen wird der größte Teil an filtriertem HCO–3 resorbiert. NH4+-Produktion und -Sekretion. Der proximale Tubulus

produziert NH4+ durch Desaminierung von Glutamin, das über einen Na+-gekoppelten Transport aus dem Blut in die Zelle aufgenommen wird. NH3 verlässt die Zelle vorwiegend durch die luminale Zellmembran und bindet im sauren Tubuluslumen H+. Das bei der Desaminierung von Glutamin gebildete α-Ketoglutarat wird z. T. zu Glukose aufgebaut (7 Kap. 9.2.8).

217 9.2 · Niere

Homeostatischer basolateraler H+- und Ca2+-Transport. +

2+

An der basolateralen Zellmembran wirken ein Na /Ca Austauscher und ein Na+/H+-Austauscher, die in erster Linie die intrazelluläre Ca2+- und H+-Konzentration konstant halten. ! Viele organische Substanzen (u. a. Glukose, Aminosäuren) werden im proximalen Tubulus vollständig resorbiert, einige werden sezerniert

Na+-gekoppelter Transport von organischen Substraten und Anionen. Weitere Transportprozesse koppeln den +

Transport von Na über die luminale Zellmembran an die Resorption jeweils verschiedener Substrate, wie Glukose, Aminosäuren, Laktat, Phosphat, Sulfat etc. Die auf diese Weise zellulär akkumulierten Substrate verlassen die Zellen über verschiedene passive Transportprozesse in der basolateralen Zellmembran. Die Na+-gekoppelten Transportprozesse entziehen dem Lumen das positiv geladene Na+ und erzeugen somit zu Beginn des proximalen Tubulus ein lumennegatives Potenzial. In der zweiten Hälfte des proximalen Tubulus sind die meisten Substrate bereits resorbiert und das Potenzial wird lumenpositiv. Sekretion und Resorption organischer Säuren. Na+-gekop-

pelte Transportprozesse in der basolateralen Zellmembran ermöglichen die zelluläre Aufnahme von Substraten aus dem Blut. Durch einen Na+-Dikarboxylattransporter werden Dikarboxylsäuren aufgenommen, die teilweise zur Energiegewinnung eingesetzt werden, teilweise jedoch auch für den Austausch gegen andere organische Säuren zur Verfügung stehen. Gleichermaßen steht α-Ketoglutarat für den Austausch bereit. Der Gradient von Dikarboxylat und 2-Oxoglutarat über die Zellmembran liefert dabei die Triebkraft für die zelluläre Aufnahme anderer organischer Säuren (tertiär aktiver Transport). Die in der Zelle akkumulierten Säuren verlassen die Zelle über Anionenaustauscher oder Uniporter in der luminalen Zellmembran. Auf diese Weise wird u. a. Paraaminohippursäure (PAH) sezerniert, die zur Messung der Nierendurchblutung eingesetzt wird (7 Kap. 9.2.10). Harnsäure kann über die Anionentransporter sowohl sezerniert als auch resorbiert werden. In der Regel überwiegt die Resorption bei weitem. Über einen Anionenaustauscher werden u. a. Formiat und Oxalat im Austausch gegen Cl- sezerniert. Durch Bindung von H+ reagiert Formiat im Lumen zu Ameisensäure und diffundiert als solche wieder in die Zelle zurück. Dort dissoziiert die Ameisensäure erneut zu Formi-

at und steht für den Austausch gegen Cl- bereit. Auf diese Weise können erhebliche Mengen Cl- resorbiert werden. Transport organischer Basen. Organische Kationen kön-

nen gleichfalls durch Uniporter und Austauscher resorbiert und/oder sezerniert werden. ! Die Resorption von Na+ geschieht im proximalen Tubulus zu einem großen Teil passiv

Resorption durch den parazellulären Shuntweg. Die Re-

sorption v. a. von Na+, HCO–3, Glukose und Aminosäuren entzieht der Tubulusflüssigkeit osmotisch aktive Substanzen. Wasser folgt durch Wasserkanäle in der Zellmembran und durch die tight junctions. Im Strom resorbierten Wassers werden gelöste Teilchen (u. a. Na+, Cl-) mitgerissen (solvent drag). Die luminale Konzentration von Substanzen, die nicht oder relativ gering resorbiert werden, steigt an. Unter anderem nimmt die luminale Konzentration von Cl- zu. Das lumennegative Potenzial zu Beginn des proximalen Tubulus treibt zwar das negativ geladene Cl- durch den parazellulären Shunt, die Resorption hinkt aber dennoch hinter der Resorption anderer Substanzen und Wasser hinterher. Der Anstieg der luminalen Cl--Konzentration fördert die Diffusion von Cl- aus dem Tubuluslumen. Die Cl--Diffusion hinterlässt in der zweiten Hälfte des proximalen Tubulus ein lumenpositives Potenzial. Dieses Potenzial treibt Kationen, wie Na+, K+ und Ca2+ durch die tight junctions an den Zellen vorbei aus dem Lumen. Insgesamt ist mehr als die Hälfte der proximal tubulären Resorption von Na+ passiv, getrieben durch solvent drag und elektrisches Potenzial. Bedeutung passiver Na+-Resorption. Durch parazellulären

Transport und Na+-3HCO3–-Cotransport (s. o.) wird ein großer Teil des Na+ passiv bzw. tertiär aktiv resorbiert. Während die Na+/K+-ATPase ein ATP für den Transport von 3 Na+-Ionen verbraucht, kann der proximale Tubulus fast 10 Na+-Ionen pro ATP resorbieren. Da die Niere in erster Linie für die Na+-Resorption Energie verbraucht, ist die Ökonomie der Na+-Resorptionsmechanismen bedeutsam. ! Transportprozesse in der Henle-Schleife dienen der Harnkonzentrierung

Transportprozesse der Henle-Schleife. Die Henle-Schleife

ist für die Harnkonzentrierung erforderlich (7 Kap. 9.2.6). Sie besteht aus drei völlig unterschiedlichen Nephronsegmenten:

9

218


4 Der absteigende dicke Teil der Henle-Schleife gehört

9

zum proximalen Tubulus und verfügt über ähnliche Transportsysteme (. Abb. 9.14) 4 Der dünne Teil der Henle-Schleife weist praktisch keine aktive Transportaktivität auf, sondern erlaubt lediglich passiven Elektrolyttransport über Cl--Kanäle in der luminalen und basolateralen Zellmembran sowie kationendurchlässige tight junctions 4 Der wichtigste Nephronabschnitt der Henle-Schleife ist der wasserimpermeable dicke, aufsteigende Teil (. Abb. 9.15). Na+ wird in diesem Segment durch den Na+-K+-2 Cl--Cotransport in die Zelle transportiert. Der steile elektrochemische Gradient für Na+ wird dabei genutzt, um K+ und Cl- in die Zelle zu transportieren. Das so in die Zelle aufgenommene K+ rezirkuliert zum größten Teil wieder zurück in das Lumen, das aufgenommene Cl- verlässt die Zelle vorwiegend über Cl-Kanäle in der basolateralen Zellmembran. Na+ wird im Austausch gegen K+ durch die Na+/K+-ATPase der basolateralen Zellmembran aus der Zelle gepumpt. Das dabei aufgenommene K+ verläßt die Zelle z. T. über einen KCl-Cotransport. Das in das Lumen zurückkehrende K+ und das die Zelle basolateral verlassende Clerzeugen ein lumenpositives transepitheliales Potenzial, das Kationen (Na+, Ca2+, Mg2+) durch die tight junctions aus dem Lumen treibt. Neben den genannten Transportprozessen kann Na+ in der Henle-Schleife noch durch einen Na+/H+-Austauscher resorbiert werden. Normalerweise spielt dieser Transport jedoch eine untergeordnete Rolle für die Na+-Resorption in diesem Segment 4 Der Na+-K+-2 Cl--Cotransport kann statt K+ auch NH+4 resorbieren. Die Resorption von NH4+ in der dicken Henle-Schleife führt zur Akkumulierung von NH4+ im Nierenmark. Da das Sammelrohr für NH3/NH+4 durchlässig ist, gewährleisten die hohen NH4+-Konzentrationen eine effiziente Ausscheidung von NH+4 in den Urin

. Abb. 9.15. Die wichtigsten Transportprozesse im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife. Der Na+-K+-2Cl --Cotransport wird über einen Ca2+-Rezeptor durch hohe extrazelluläre Ca2+-Konzentrationen gehemmt

gen Teil durch gesteigerte Resorption im distalen Nephron ausgeglichen werden. Das distale Nephron besteht aus mehreren sehr heterogenen Segmenten (s. o.) und jedes einzelne Segment ist aus unterschiedlichen Zellen zusammengesetzt. Distale Tubuluszelle. Die meisten Zellen des frühen distalen

! Im distalen Nephron geschieht die Feineinstellung der Ausscheidung von Wasser, H+ und Elektrolyten

Tubulus resorbieren Na+ vorwiegend durch einen NaCl-Cotransport (. Abb. 9.16). Cl- verläßt die Zelle über einen KClCotransport an der basolateralen und möglicherweise an der luminalen Zellmembran. Na+ wird aus der Zelle durch die Na+/K+-ATPase transportiert, das dabei akkumulierte K+ verläßt die Zelle z. T. durch K+-Kanäle. Die Zellen können Ca2+ resorbieren, und zwar in erster Linie durch luminale Ca2+-Kanäle und basolaterale Na+/Ca2+-Austauscher.

Transportprozesse im distalen Nephron. Das distale Ne-

Hauptzellen. Im späten distalen Tubulus und Sammelrohr

phron (distaler Tubulus, Verbindungsstück und Sammelrohr) ist für die endgültige Zusammensetzung des Harns verantwortlich. Es kann gegen hohe Gradienten transportieren, verfügt jedoch nur über eine geringe Transportkapazität. Eine herabgesetzte Transportleistung des proximalen Tubulus und der Henle-Schleife kann nur zu einem gerin-

findet man vorwiegend Hauptzellen, die durch Na+-Kanäle und K+-Kanäle in der luminalen Zellmembran charakterisiert sind (. Abb. 9.17). Na+, das in die Zelle gelangt, wird durch die Na+/K+-ATPase in der basolateralen Zellmembran wieder aus der Zelle gepumpt. Die Zelle resorbiert somit Na+ im Austausch gegen K+, d. h. eine gesteigerte Na+-

219 9.2 · Niere

. Abb. 9.16. Die wichtigsten Transportprozesse in der distalen Tubuluszelle

Resorption im distalen Nephron zieht in der Regel eine gesteigerte K+-Sekretion und K+-Ausscheidung nach sich. Schaltzellen. Zwischen den Hauptzellen sind im distalen Nephron sog. Schaltzellen eingestreut, die entweder H+ (Typ A) oder HCO–3 (Typ B) sezernieren. In den Schaltzellen des Typ A wird die H+-Sekretion durch eine H+-ATPase oder (bei K+-Mangel) durch eine H+/K+-ATPase bewerkstelligt (. Abb. 9.17). Das in der Zelle gebildete HCO–3 verlässt die Zelle über einen Cl-/HCO–3Austauscher in der basolateralen Zellmembran. Das so akkumulierte Cl- wird über basolaterale Cl--Kanäle aus der Zelle ausgeschleust. Die HCO–3-Sekretion in den Schaltzellen Typ B wird vorwiegend durch einen luminalen Cl-/HCO–3-Austauscher, basolaterale Cl--Kanäle und eine basolaterale H+-ATPase bewerkstelligt. Durch luminale Cl-/HCO3–-Austauscher und Cl--Kanäle an beiden Membranen resorbieren Schaltzellen Cl-. Cl- kann das Lumen möglicherweise auch parazellulär verlassen. Die Cl--Resorption über Kanäle und den parazellulären Weg wird durch das, von den Na+-Kanälen der Hauptzellen erzeugte, lumennegative Potenzial begünstigt. ! Tubuläre Transportprozesse können genetisch defekt sein oder pharmakologisch beeinflusst werden

. Abb. 9.17. Transportprozesse in Zellen des Sammelrohres. Oben: Hauptzelle, Mitte: Schaltzelle Typ A, Unten: Schaltzelle Typ B

Transportdefekte. Eine gesteigerte oder – häufiger – herab-

gesetzte Aktivität der renalen Transportprozesse führt zu inadäquater Ausscheidung der betroffenen Substanz. Die Transportmechanismen können durch genetische Defekte (. Tab. 9.9) oder durch Schädigung der Niere (z. B. Schwermetallvergiftung) beeinträchtigt werden. Über Änderungen der Plasmakonzentration oder Zunahme der Harnkonzentrationen können dann negative Auswirkungen auftreten. 4 Störungen der proximalen HCO–3-Resorption oder der distaltubulären H+-Sekretion führen zu proximaltubulärer oder distaltubulärer Azidose 4 Eine Überaktivität des epithelialen Na+-Kanals führt über Kochsalzüberschuss zu Blutdrucksteigerungen (Liddle-Syndrom) 4 Genetische Defekte der Kochsalzresorption in der Henle-Schleife (Bartter-Syndrom) oder dem frühdista-

9

220


len Tubulus (Gitelman-Syndrom) führen zu massiven Kochsalzverlusten 4 Beim renalen Diabetes mellitus ist die Affinität oder maximale Transportrate der tubulären Glukosetransporter eingeschränkt 4 Verschiedene Transportdefekte beeinträchtigen die Resorption von Aminosäuren.

Proximale Diuretika. Die proximale NaCl-Resorption kann

durch Hemmung des luminalen Na+/H+-Austauschers oder der Karboanhydrase eingeschränkt werden. Dabei kommt es gleichzeitig zu gesteigerter Ausscheidung von Bikarbonat. Proximale Diuretika werden daher zur Steigerung der Kochsalzausscheidung allein derzeit nicht eingesetzt. Schleifendiuretika. Am stärksten wirksam sind Diuretika, die den Na+-K+-2 Cl--Cotransport in der Henle-Schleife hemmen (Schleifendiuretika). Das gesteigerte Angebot von Na+ an den distalen Tubulus fördert dort die Na+-Resorption über die Na+-Kanäle, wodurch die distaltubuläre K+-Sekretion gesteigert wird. Die Schleifendiuretika führen daher auch zu K+-Verlusten. Die Dosis der Schleifendiuretika kann nicht beliebig gesteigert werden, da die Substanzen auch Na+-K+-2 Cl--Cotransporter in anderen Epithelien

Neben dem Verlust der Substrate kann die gesteigerte Konzentration im Urin pathophysiologische Relevanz erlangen. Insbesondere kann die gesteigerte Ausscheidung schwer löslicher Substanzen Urolithiasis erzeugen (7 Kap. 9.2.9). Diuretika. Einige Transportprozesse können durch Pharmaka gehemmt, und damit eine Diurese (Diuretika) bzw. Natriurese (Saluretika) ausgelöst werden (. Tab. 9.10).

. Tab. 9.9. Molekulare Physiologie und Pathophysiologie renaler Transportprozesse

9

Transporter

Genetischer Transportdefekt

Wichtigste Wirkungen

Na+-Glukose/Galaktose- Cotransporter (SGLT-1)

p Glukose-Galaktosemalabsorption*,1

Glukosurie, osmotische Diurese

Na+-Glukose-Cotransport

p isolierte Glukosurie

Glukosurie

Aminosäure-Austauscher für neutrale und basische Aminosäuren (rBAT)

p Cystinurie*,1

Gesteigerte Ausscheidung von Cystin und basischen Aminosäuren, Nierensteine

Resorption neutraler Aminosäuren (SLC6A19)

p Hartnup-Syndrom*,1

Schädigung,Nervensystem, Nikotinsäuremangel

Resorption von Glyzin, Prolin, Hydoxyprolin

pIminoglyzinurie

Keine Symptome

Resorption basischer Aminosäuren (LAT)

pFamiliäre Proteinintoleranz*,1

Erbrechen, Durchfall

Resorption neutraler und basischer Aminosäuren

p Lowe-Syndrom*

Demenz, Katarakt, Azidose

Harnsäureresorption

n Hypourikosurie1

Hyperurikämie, Gicht

Na -Phosphat-Cotransport (NaPi-II)

p Phosphaturie n Pseudohypoparathyreoidismus2

Vitamin-D-resistente Rachitis Hypocalciämie

Cl--Transport in protein- resorbierenden Vesikeln (ClC-5)

n Phosphaturie, Calciurie, Proteinurie

Nierensteine, Rachitis

Ca2+-Kanal (TRPV5)

p Calciurie1,2 n Hypocalciurische Hypercalciämie 2

Nierensteine

p proximaltubuläre Azidose

Azidose, Hyperkaliämie

p distaltubuläre Azidose

Azidose, Hyperkaliämie, Nierensteine, Rachitis

+

Na+/H+-Austauscher, Karboanhydrase II +

-

– 3

H -ATPase, Cl /HCO Austauscher +

+

-

2

1

Na -K -2Cl -Cotransporter, (NKCC-2), K+-Kanal (ROMK), Cl - -Kanal (ClCKb/Barttin) in dicker Henle-Schleife

p Bartter-Syndrom

Na+-Cl --Cotransport

p Gitelman-Syndrom1

Na -Kanal (ENaC)

p Pseudohypoaldosteronismus n Liddle-Syndrom1

Wasserkanäle (AQ-2)

p Diabetes insipidus renalis1,2

+

Volumenmangel, Hypokaliämie, Alkalose, Reninismus, massive Prostaglandinbildung wie Bartter-Syndrom, aber wesentlich milder 1,2

Dehydration, Hyperkaliämie, Azidose Hypertonie, Hypokaliämie Hypertone Dehydratation

p = herabgesetzte Funktion, n = gesteigerte Funktion, * = gleichzeitiger Defekt enteraler Absorption, 1 = defekter Transporter, 2 = gestörte Regulation

221 9.2 · Niere

. Tab. 9.10. Diuretika Diuretikagruppe

Zielmolekül

Wirkung*

Proximale Diuretika

Karboanhydrase, Na+/H+-Austauscher

Na+ n, K+ n, HCO3– nn

Osmodiuretika

Keine vorhanden

Na+ n, Cl - n, HCO3– n

+

+

-

behindert damit die Wasserresorption. Die Resorption von NaCl senkt bei eingeschränkter Wasserresorption die luminale NaCl-Konzentration ab und muss daher zunehmende Gradienten überwinden. Auf diese Weise wird auch die NaCl-Resorption behindert und es kommt zur Natriurese. Osmotische Diurese kann auch durch endogene Substanzen wie Glukose oder Bikarbonat ausgelöst werden, wenn die Resorption mit der Filtration nicht Schritt hält.

Schleifendiuretika

Na -K -2Cl Cotransport

Na+ nnn, K+ nn, Cl - nnn

Frühdistale Diuretika (Thiazide)

NaCl-Cotransport

Na+ nn, Cl - nn, K+ nn, HCO3– n

K +-sparende Diuretika

Na+-Kanäle

Na+ n, Cl - n, K + p

9.2.6

Mineralokortikoidrezeptoren

Na+ n, Cl - n, K + p

! Mechanismen der Harnkonzentrierung erlauben die Ausscheidung von hypoosmolarem oder hyperosmolarem Harn

* = Wirkung auf die Ausscheidung der genannten Elektrolyte, p = Abnahme, n = Zunahme der Ausscheidung

Harnkonzentrierung

Transport in Henle-Schleife. In Abhängigkeit von den Be-

(u. a. Stria vascularis des Innenohrs) hemmen können. Normalerweise erreichen die Schleifendiuretika jedoch durch proximaltubuläre Sekretion im Lumen der Henle-Schleife Konzentrationen, die weit über den Blutkonzentrationen liegen. Nur so ist es möglich, eine Diurese ohne gleichzeitiges Auftreten von Taubheit (durch Hemmung des Na+-K+2 Cl--Cotransporters im Innenohr) zu erzielen. Frühdistale Diuretika. Thiazide hemmen den NaCl-Cotransporter im frühdistalen Tubulus. Auch dabei gelangt mehr Na+ in den späteren distalen Tubulus und es kommt zu gesteigerter K+-Sekretion.

dürfnissen des Körpers scheidet die Niere einen hoch konzentrierten (bis zu 1200 mosmol/l) oder einen stark verdünnten (bis zu 50 mosmol/l) Harn aus. Auf diese Weise sind wir von der Flüssigkeitszufuhr in weiten Grenzen unabhängig, d. h. wir können normalerweise ohne nennenswerte Änderungen der extrazellulären Osmolarität hypotone oder hypertone Nahrung zuführen, vorübergehend dursten oder »über den Durst« trinken. Die jeweiligen Grenzen werden dabei in erster Linie durch die maximale Fähigkeit der Nieren vorgegeben, einen hyper- oder hypotonen Harn zu bilden. Die Konzentrierung bzw. Verdünnung des Harns ist eine Leistung der Henle-Schleife. Gegenstrommultiplikation. Der aufsteigende Teil der Hen-

K+-sparende Diuretika. Hemmung der distaltubulären

Na+-Kanäle durch Na+-Kanalblocker oder Aldosteronantagonisten mindert nicht nur die Na+-Resorption, sondern auch die K+-Sekretion (K+-sparende Diuretika). Auch die Na+-Kanalblocker erreichen luminal hohe Konzentrationen und erlauben eine selektive Hemmung der distaltubulären Na+-Resorption ohne gleichzeitige Hemmung von Na+-Kanälen in anderen Organen, wie den Alveolen der Lunge. Osmotische Diurese. Eine Diurese kann auch durch Infu-

sion von Substanzen erzielt werden, die in der Niere nicht oder nur schlecht resorbiert werden können. Therapeutisch wird beispielsweise der Polyalkohol Mannitol eingesetzt. Mannitol wird filtriert und durch die Flüssigkeitsresorption im Nephron zunehmend konzentriert. Die hohe luminale Mannitolkonzentration hält osmotisch Wasser zurück und

le-Schleife resorbiert Kochsalz, ohne dass Wasser folgen kann (. Abb. 9.18). Der Transport in der aufsteigenden Henle-Schleife mindert somit die Osmolarität im Tubuluslumen und steigert die Osmolarität im Interstitium. Durch die gesteigerte interstitielle Osmolarität wird dem absteigenden Schenkel der Henle-Schleife mehr Wasser als Osmolarität entzogen und die luminale Osmolarität steigt bis zur Schleifenspitze an. Durch die Anordnung des Tubulus in Form einer Schleife wird bis zur Schleifenspitze das Vierfache der Blutosmolarität erzielt, ohne dass große Gradienten über einzelne Tubulusepithelien aufgebaut werden müssen (Gegenstromsystem bzw. Gegenstrommultiplikation). Auf ihrem Weg zurück in Richtung Nierenrinde gibt die Henle-Schleife wieder Kochsalz ohne Wasser ab und die Osmolarität sinkt wieder. Am Ende der HenleSchleife ist die Tubulusflüssigkeit hypoton. Im Verlauf der Henle-Schleife wurde der Tubulusflüssigkeit also insgesamt

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222

9


. Abb. 9.18. Harnkonzentrierung. Transport von Kochsalz (rot), Harnstoff (grün) und Wasser (blau) als Pfeile dargestellt. PT = Proximaler Tubulus, HS = Henle-Schleife, DT = Distaler Tubulus, SR = Sammelrohr

Harnstoff. Bei der Harnkonzentrierung spielt neben Koch-

lumen in das Interstitium. Die Zellen des medullären Sammelrohres verfügen über Harnstofftransporter und sind daher (bei Antidiurese) für Harnstoff sehr gut durchlässig. Harnstoff folgt dem chemischen Gradienten vom Lumen des medullären Sammelrohres in das Interstitium des Nierenmarks. Auf diese Weise können mehrere hundert mmol/l Harnstoff im Nierenmark akkumuliert werden (. Abb. 9.18). Interstitieller Harnstoff entzieht dem absteigenden dünnen Teil der Henle-Schleife Wasser und konzentriert so die luminale NaCl-Konzentration. Damit wird ein Kochsalzgradient vom Lumen zum Interstitium geschaffen, der im aufsteigenden Teil der dünnen HenleSchleife die NaCl-Resorption treibt. Auf diese Weise trägt Harnstoff zur Konzentrierung bei.

salz auch Harnstoff eine wesentliche Rolle: Dicke HenleSchleife, distaler Tubulus und kortikales Sammelrohr sind nur schlecht für Harnstoff permeabel. Die Wasserresorption in distalem Tubulus und kortikalem Sammelrohr steigert die luminale Konzentration von Harnstoff und schafft damit einen hohen Gradienten für Harnstoff vom Tubulus-

Antidiuretisches Hormon (ADH). Das antidiuretische Hormon stimuliert (über cAMP) den Einbau von Wasserkanälen (Aquaporin 2) in die luminale Zellmembran von distalem Tubulus und Sammelrohr und steigert damit deren Wasserpermeabilität. Unter dem Einfluss von ADH kann

mehr gelöste Substanz als Wasser entzogen. Die auf diese Weise aufgebaute hohe Osmolarität des Nierenmarks schafft den osmotischen Gradienten für die Wasserresorption im Sammelrohr. Somit kann letztlich ein Urin erzeugt werden, der die hohe Osmolarität des Nierenmarks erreicht. Im dicken Teil der Henle-Schleife ist die NaCl-Resorption sekundär aktiv und auf Energiezufuhr angewiesen (7 Kap. 9.2.5). Im dünnen Teil der Henle-Schleife ist die NaCl-Resorption passiv. Das in das Interstitium gelangte NaCl entzieht der relativ NaCl-impermeablen, absteigenden, dünnen HenleSchleife Wasser und konzentriert damit gleichfalls deren luminale Flüssigkeit.

223 9.2 · Niere

Wasser somit dem osmotischen Gradienten folgend resorbiert werden (Antidiurese). Das Hormon stimuliert ferner den Na+-Transport in der Henle-Schleife und fördert den Einbau von Harnstofftransportern im medullären Sammelrohr. In Abwesenheit des Hormons werden distaler Tubulus und Sammelrohr jedoch impermeabel für Wasser und trotz hoher Osmolarität im Nierenmark wird ein hypoosmolarer Harn ausgeschieden (Wasserdiurese). Dabei wird also mehr Wasser ausgeschieden, als für die isoosmolare Lösung der ausgeschiedenen Substanzen erforderlich wäre (sog. freies Wasser, 7 Kap. 9.2.10). ! Ohne Anordnung der Gefäße in Schleifen würde die Hyperosmolarität des Nierenmarkes schnell ausgewaschen

Vasa recta. Die Hyperosmolarität des Nierenmarks würde sehr schnell ausgewaschen werden, wenn das Nierenmark normal durchblutet wäre. Die Anordnung der Vasa recta in Form langer Schleifen verhindert jedoch den schnellen Abtransport von Kochsalz und Harnstoff. Die absteigenden Vasa recta nehmen, entsprechend den chemischen Gradienten, NaCl und Harnstoff von Interstitium und aufsteigenden Vasa recta auf und erreichen damit bis zur Schleifenspitze eine ähnlich hohe Osmolarität wie das Interstitium. Im Verlauf der aufsteigenden Vasa recta verlassen NaCl und Harnstoff wieder das Blut, sodass die Osmolarität am Ende der Vasa recta nur geringfügig gesteigert ist, die Gefäße also nur wenig der medullären Osmolarität mitnehmen. Versorgungsmangel im Nierenmark. Die Anordnung der Vasa recta in Schleifen bedeutet freilich, daß auch die Zulieferung von Substraten wie Glukose und O2, sowie der Abtransport von Stoffwechselprodukten wie CO2 und Laktat erschwert ist. Beispielsweise geben die oxygenierten Erythrozyten der absteigenden Vasa recta ihr O2 an die desoxygenierten Erythrozyten der aufsteigenden Vasa recta ab und verarmen damit an O2, bereits bevor sie das Nierenmarkgewebe erreichen. Das Gegenstromsystem führt demnach zum Mangel an allem, was im Nierenmark verbraucht wird und zur Anhäufung an allem, was im Nierenmark produziert wird. Aus diesem Grund sind energieverbrauchende Transportprozesse im tiefer gelegenen dünnen Teil der Henle-Schleife nicht mehr möglich und die Konzentrierung muss durch passive Cl-- und Harnstoffdiffusion getrieben werden. ! Störungen der Harnkonzentrierung führen zu nächtlichem Wasserlassen

Störungen der Harnkonzentrierung. Die Harnkonzentrie-

rung ist eingeschränkt, wenn die Hyperosmolarität des Nierenmarks nicht aufgebaut werden kann oder wenn eine herabgesetzte Wasserpermeabilität des Sammelrohrs einen osmotischen Ausgleich zwischen Tubulusflüssigkeit und Interstitium verhindert. Erkannt wird sie am nächtlichen Wasserlassen. Die Osmolarität ist v. a. dann herabgesetzt, wenn die NaCl-Resorption in der dicken Henle-Schleife beeinträchtigt ist: 4 Schleifendiuretika hemmen den Na+-K+-2 Cl--Cotransporter direkt. Auch toxische Schädigung oder genetische Defekte der Transportprozesse beeinträchtigen die NaCl-Resorption in dickem oder dünnem Teil der Henle-Schleife (7 Kap. 9.2.5) 4 Bei Kaliummangel steht im Tubuluslumen nicht genügend K+ für den Na+-K+-2 Cl--Cotransporter bereit und die NaCl-Resorption wird eingeschränkt 4 Bei Hypercalciämie (z. B. Entmineralisierung des Knochens durch einen Knochentumor) verschließt Ca2+ die tight junctions und behindert damit die parazelluläre Resorption von Na+, Ca2+ und Mg2+. Darüber hinaus aktivieren gesteigerte extrazelluläre Ca2+-Konzentrationen einen Ca2+-Rezeptor in der Zellmembran, der einen hemmenden Einfluss auf die Resorption in der dicken Henle-Schleife ausübt 4 Die Osmolarität im Nierenmark ist auch bei proteinarmer Ernährung reduziert, da hierbei weniger Harnstoff zur Verfügung steht 4 Nierenentzündungen führen zu einer Dilatation der Vasa recta. Damit wird die Hyperosmolarität des Nierenmarks ausgewaschen 4 Bei Blutdrucksteigerung autoreguliert das Nierenmark nicht perfekt und die Stromstärkenzunahme führt gleichfalls zum Auswaschen des Nierenmarks (Druckdiurese) 4 Werden nicht oder nur teilweise resorbierbare osmotisch aktive Substanzen filtriert, dann wird die Flüssigkeitsresorption beeinträchtigt. Darunter leidet auch die Flüssigkeitsresorption aus der absteigenden HenleSchleife und damit der Gegenstrommechanismus. Bei forcierter osmotischer Diurese werden letztlich große Mengen isotonen Harns ausgeschieden 4 Die Wasserpermeabilität ist bei ADH-Mangel (zentraler Diabetes insipidus) oder bei Unempfindlichkeit der Nierenepithelien gegen ADH (renaler Diabetes insipidus) herabgesetzt: Ein zentraler Diabetes insipidus entsteht bei herabgesetzter Ausschüttung des Hormons aus der Hypophyse (7 Kap. 10.2). Ein renaler Diabetes insipidus entsteht bei Unfähigkeit der distalen Epithelzellen, auf

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224


Stimulation durch ADH funktionstüchtige Wasserkanäle in die luminale Membran einzubauen. In beiden Fällen entsteht ein Diabetes insipidus, bei dem bis zu 20 Liter hypotonen Harns pro Tag ausgeschieden werden

9.2.7

Globale Nierenfunktion und Regulation

! Wenn die Niere als zentrales Organ in der Regulation von Volumen und Zusammensetzung der Körperflüssigkeiten sowie der Blutdruckregulation ihrer Aufgabe gerecht werden soll, müssen ihre Partialfunktionen einer präzisen Kontrolle unterzogen werden. Die Kontrolle geschieht durch intrarenale homeostatische Mechanismen, nervale und hormonelle Einflüsse

Glomerulotubuläre Balance. Eine Zunahme der GFR ist in

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aller Regel mit einer proportionalen Zunahme der proximal-tubulären Resorption verbunden. Na+-Resorption und maximale Transportraten (etwa für Glukose) steigen mit der GFR an, sodass die zusätzlich filtrierten Mengen an Wasser und Substanzen am Ende des proximalen Tubulus weitgehend wieder resorbiert sind. Tubuloglomeruläre Balance. Der enge Kontakt von Tubu-

lusepithel und Vas afferens am juxtaglomerulären Apparat dient unter anderem der Anpassung der glomerulären Filtration an die Transportkapazität von proximalem Tubulus und Henle-Schleife. Hält der Transport in den beiden Segmenten mit der Filtration nicht Schritt, dann steigt die Kochsalzkonzentration an der Macula densa und die GFR wird durch Kontraktion des Vas afferens gesenkt. Auf diese Weise wird verhindert, dass bei eingeschränkter Transportkapazität von proximalem Tubulus und Henle-Schleife Kochsalz- und Wasserverluste auftreten, die sonst angesichts der geringen Transportkapazität des distalen Tubulus und Sammelrohrs unvermeidlich wären. Nierenschwelle. Die meisten Transportprozesse der Niere sind sättigbar. Insbesondere die Resorption der organischen Substanzen (u. a. Glukose, Aminosäuren), aber auch von Phosphat und Sulfat wird durch ein Transportmaximum limitiert. Wird das Transportmaximum dieser Substanzen überschritten, dann wird die zusätzlich filtrierte Menge ausgeschieden (7 Kap. 9.2.10). Die Niere begrenzt somit einen Anstieg der Plasmakonzentrationen betroffener Substanzen durch automatische Zunahme der Ausscheidung.

Autoregulation von Ca2+. Hohe Ca2+-Konzentrationen blo-

ckieren die tight junctions und unterbinden auf diese Weise den parazellulären Transport u. a. von Ca2+. Darüberhinaus hemmt Ca2+ über den Ca2+-Rezeptor die Resorption in der dicken aufsteigenden Henle-Schleife, eines der wichtigsten Segmente der tubulären Ca2+-Resorption. Auf diese Weise führt Hypercalciämie auch ohne Vermittlung von Hormonen zur Hypercalciurie. Intrazelluläre Konzentrationen. Die Tätigkeit von Trans-

portproteinen ist häufig eine Funktion intrazellulärer Konzentrationen der transportierten Substanzen. Eine Abnahme der intrazellulären K+-Konzentration inaktiviert luminale K+-Kanäle und senkt auf diese Weise die renale K+-Ausscheidung. Proximaltubulärer Na+/H+-Austauscher und distaltubuläre H+-ATPase werden bei intrazellulärer Azidose stimuliert und bei intrazellulärer Alkalose abgeschaltet. Darüber hinaus bilden die proximalen Tubuluszellen bei intrazellulärer Azidose vermehrt NH+4 . So wird bei zellulärer Azidose vermehrt H+ renal ausgeschieden. Der Phosphatcarrier wird bei intrazellulärem Phosphatmangel vermehrt in die Zellmembran eingebaut. Auf diese Weise wird die renale Phosphatresorption gesteigert und die renale Phosphatausscheidung gedrosselt. Intrazellulärer Phosphatmangel fördert ferner die proximaltubuläre Bildung von Calcitriol, das in die Regulation des Calcium-Phosphat-Stoffwechsels eingreift (7 Kap. 9.1.6, 7 Kap. 9.1.7). Nervale Kontrolle. Die Nieren stehen unter der Kontrolle von sympathischen Nerven, die normalerweise jedoch eine geringe Aktivität aufweisen. Bei Volumenmangel oder sonstiger Aktivierung des Sympathikus senken die Nerven über Kontraktion von Aa. interlobulares sowie von Vasa afferentia und efferentia die glomeruläre Filtrationsrate. Darüberhinaus stimulieren sie die tubuläre Resorption u. a. von Na+, HCO–3, Cl- und Wasser. Schließlich regen die Nerven vorwiegend über β1-Rezeptoren die Ausschüttung von Renin an (7 Kap. 9.2.2). Die Reninausschüttung wird umgekehrt über α1-Rezeptoren gedrosselt. Blutdruck. Obgleich die Niere Durchblutung und Filtration

bei Änderungen des arteriellen Mitteldruckes zwischen 80 und 180 mmHg weitgehend konstant hält (7 Kap. 9.2.3), steigt die Nierenmarkdurchblutung doch bei Zunahme des Blutdruckes. Damit werden Harnkonzentrierung und Na+Resorption beeinträchtigt. Darüber hinaus wird die Aktivität der Nierennerven durch den Blutdruck beeinflusst. Die

225 9.2 · Niere

renale Na+-Ausscheidung ist somit eine steile Funktion des systemischen Blutdruckes. Hormonelle Kontrolle. Nierendurchblutung, glomeruläre Filtrationsrate und tubuläre Transportprozesse werden durch eine Vielzahl von Hormonen kontrolliert (. Tab. 9.7). Die Bedeutung der renalen Wirkung dieser Hormone wird im Zusammenhang mit der Blutdruckregulation (7 Kap. 4.2.2), dem Salz-, Wasser- und Mineralhaushalt (7 Kap. 9.1.4) sowie den Hormonwirkungen (7 Kap. 10.2) näher erläutert. ! Bei einem Kreislaufschock löst die Drosselung der renalen Durchblutung nicht selten ein akutes Nierenversagen aus. Die Niere kann auch bei Entzündungen und Vergiftungen akut ausfallen

Ischämisches akutes Nierenversagen. Eine der Mechanis-

men zur Aufrechterhaltung des Blutdruckes, z. B. bei schweren Blutverlusten, ist die durch den Sympathikus ausgelöste Konstriktion von Nierengefäßen (7 Kap. 4.2.2). Dabei kann es zu einer Ischämie des Nierengewebes kommen, die ein ischämisches akutes Nierenversagen auslöst. Selbst nach Wiederherstellung von Blutvolumen und Blutdruck (z. B. durch Transfusionen) bleibt die GFR massiv erniedrigt und die Niere scheidet keinen (Anurie) oder wenig (Oligurie) Urin aus. Die ischämischen Tubuluszellen bilden Adenosin, das in der Niere im Gegensatz zu anderen Organen eine starke vasokonstriktorische Wirkung ausübt. Die Drosselung der GFR verhindert, daß die ischämischen Tubuluszellen zu energetisch aufwändiger Na+-Resorption gezwungen werden. Wenn sich die Tubuluszellen teilweise erholen, dann setzt die GFR wieder ein. Allerdings bleibt die Transportkapazität der Tubuluszellen häufig für einige Wochen eingeschränkt und es kommt trotz herabgesetzter GFR zu massiver Ausscheidung von Wasser und Elektrolyten (polyurische Phase des akuten Nierenversagens). Bisweilen erholt sich die Niere nicht mehr und es bleibt eine dauerhafte (chronische) Niereninsuffizienz zurück.

! Niereninsuffizienz führt neben Anämie v. a. zu Azidose, Hyperphosphatämie und Anhäufung toxischer Substanzen. Dialyse normalisiert pH und Elektrolytkonzentrationen im Blut und eliminiert toxische Substanzen

Folgen eingeschränkter Nierenfunktion. Ein Ausfall von

funktionstüchtigem Nierengewebe bleibt in der Regel ohne schwere Folgen, bis die glomeruläre Filtrationsrate unter 20 ml/Minute abfällt. Äußerlich erkennbar ist die eingeschränkte Nierenfunktion zunächst an einer herabgesetzten (Oligurie) oder völlig eingestellten (Anurie) Harnproduktion. In aller Regel täuscht das Urinvolumen jedoch über das wirkliche Ausmaß der Störung hinweg, denn die mitunter massiv eingeschränkte GFR läuft parallel mit einer herabgesetzten tubulären Resorption, sodass die Minderung des Harnzeitvolumens zunächst nur mäßig ausfällt. Der Urin ist jedoch wenig konzentriert und die Ausscheidung wesentlicher Bestandteile des Urins ist herabgesetzt. 4 Eine der wichtigsten Konsequenzen der eingeschränkten Ausscheidungsfähigkeit der Niere ist eine Retention von Phosphat, das im Blut Calcium komplexiert und dadurch eine massive Störung des Mineralhaushaltes auslöst (7 Kap. 9.1.7) 4 Die herabgesetzte renale Eliminierung von H+ führt zur Azidose (7 Kap. 5.10.4). Die Retention von Kochsalz und Wasser hat eine Hyperhydration (7 Kap. 9.1.4) zur Folge 4 Die Retention von K+ löst eine Hyperkaliämie (7 Kap. 9.1.5) aus 4 Durch die renale Retention der schlecht löslichen Harnsäure kann es zu Hyperurikämie und schmerzhaften Harnsäureausfällungen v. a. in Gelenken kommen (Gicht) 4 Schließlich zieht die verminderte Ausschüttung von Erythropoietin regelmäßig eine Anämie nach sich (7 Kap. 12.2), der Mangel an Klotho bewirkt möglicherweise ein beschleunigtes Auftreten altersassoziierter Störungen, wie Arteriosklerose Dialyse. Die im Körper akkumulierten Elektrolyte und orga-

Weitere Ursachen von Nierenversagen. Die Nieren können

durch eine Reihe weiterer Erkrankungen in Mitleidenschaft gezogen werden. Anhaltend hoher Blutdruck (Hypertonie), Entzündungen (Glomerulonephritis und Pyelonephritis), Diabetes mellitus und Vergiftungen können zur vollständigen Zerstörung der Nieren führen. Auch der Rückstau von Urin bei Verlegung des Harnleiters durch Harnsteine kann über direkte Schädigung der Tubuli oder folgende Besiedlung mit Erregern die betroffene Niere zerstören.

nischen Substanzen können durch Dialyse aus dem Körper eliminiert werden. Dabei wird Blut durch semipermeable Schläuche geleitet, welche die Diffusion der Substanzen in eine externe Elektrolytlösung erlauben (Hämodialyse). Als Alternative kann der Peritonealraum mit künstlichen Lösungen durchspült werden. Aus dem Blut diffundieren dabei die »harnpflichtigen Substanzen« in den Peritonealraum und werden auf diese Weise entfernt. Wasser wird dabei durch Verwendung hypertoner Lösungen eliminiert. Zu schnelle

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226


Korrektur der Azidose kann freilich vorübergehend das Ausfallen von CaHPO4 begünstigen, das im Alkalischen sehr viel schlechter löslich ist als im Sauren (7 Kap. 9.1.6).

über alle Enzyme der Harnstoffsynthese, bildet jedoch keine relevanten Mengen an Harnstoff. Entgiftung von Fremdstoffen. Die Niere kann Xenobiotika

9.2.8

Stoffwechsel und Hormonbildung

! Die Niere erfüllt eine Reihe von Stoffwechselaufgaben. Insbesondere baut sie Glukose auf und inaktiviert Hormone und Fremdstoffe

O2-Verbrauch. Normalerweise wird ein Fünftel des Herzminutenvolumens durch die Glomerula geschleust. Die Durchblutung der Nieren ist damit sehr viel größer, als für die O2-Versorgung der kleinen Organe erforderlich wäre. Die Niere benötigt normalerweise weniger als 10% des angebotenen O2 (Sauerstoffausschöpfung). O2 wird in erster Linie für die Energetisierung des Na+-Transportes benötigt und korreliert mit der tubulären Na+-Resorption. Eine Steigerung der Nierendurchblutung geht in aller Regel mit einer Steigerung der glomerulären Filtrationsrate (GFR) einher (7 Kap. 9.2.3) und bedeutet für die Niere mehr Arbeit, da ja nun auch mehr Na+ resorbiert werden muss.

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Fettsäureabbau. Der proximale Tubulus verwendet für die

Energiegewinnung überwiegend Fettsäuren, Azetazetat und β-Hydroxybutyrat. Glukose wird vom proximalen Tubulus nicht verbraucht. Glukoneogenese. Glutamin wird aus dem Tubuluslumen und aus dem Blut in proximale Tubuluszellen aufgenommen und durch die mitochondriale Glutaminase zu Glutamat desaminiert. Glutamat wird im Zytosol zu 2-Oxoglutarat desaminiert, das schließlich zu Glukose aufgebaut wird. Glukose wird in das Blut abgegeben und die beiden anfallenden NH4+-Ionen zur Säureeliminierung verwendet (7 Kap. 5.10.3). Bei Azidose ist die Niere gezwungen, vermehrt H+ auszuscheiden. Dabei werden im proximalen Tubulus Glutaminabbau und Glukoneogenese gesteigert. Die Niere kann im Übrigen auch aus Laktat Glukose aufbauen. Im Gegensatz zum proximalen Tubulus verbrauchen medulläre Henle-Schleife, distaler Tubulus und Sammelrohr Glukose für die Energiegewinnung. Aminosäurestoffwechsel. Die Niere baut Glutamin unter Bildung von Glukose und NH+4 ab. Umgekehrt bildet die Niere Arginin aus Aspartat und Zitrullin. Schließlich kann sie β-Alanin und Serin produzieren. Die Niere verfügt zwar

selbst umwandeln, wie etwa die Kopplung an Azetylcystein unter Bildung von Merkaptursäure. Inaktivierung von Hormonen. Die Niere spielt eine wesentliche Rolle bei der Inaktivierung von Hormonen, vor allem von Peptidhormonen (u. a. Glukagon, Insulin, Parathormon). Oligopeptide und kleinere Proteine werden filtiert (7 Kap. 9.2.3) und werden durch Peptidasen im proximalen Tubuluslumen teilweise abgebaut. Die einzelnen Aminosäuren werden dann über die entsprechenden Transportsysteme in die Zellen aufgenommen. Darüber hinaus werden filtrierte Proteine über Pinozytose in proximale Tubuluszellen eingeschleust und intrazellulär abgebaut. Auch im Stoffwechsel von Steroidhormonen spielt die Niere eine wichtige Rolle. Steroidhormone können die Zellmembranen leicht passieren und werden in den Tubuluszellen durch Oxidoreduktasen und Hydroxylasen metabolisiert. Zellen, welche Mineralokortikoidrezeptoren (Typ I-Kortikosteroidrezeptoren) aufweisen, exprimieren gleichzeitig eine 11β-Hydroxysteroiddehydrogenase, die Kortisol in Kortison umwandelt. Im Gegensatz zu Kortisol und Aldosteron kann Kortison an den Typ-I-Rezeptor nicht binden und die typischen Aldosteronwirkungen auslösen. Die 11β-Hydroxysteroiddehydrogenase verhindert somit die Auslösung von mineralokortikoiden Wirkungen durch Kortisol (. Tab. 9.7), das ja im Blut eine viel höhere Konzentration als Aldosteron aufweist (7 Kap. 10.2). ! Die Niere bildet eine Reihe von Hormonen

Erythropoietinbildung. In der Niere wird Erythropoietin gebildet, ein Peptidhormon, das die Erythropoiese stimuliert (7 Kap. 2.2). Die Bildung und Ausschüttung des Hormons wird durch Anämie und Hypoxie stimuliert. Bei Niereninsuffizienz führt die herabgesetzte Bildung des Hormons zur Anämie. Thrombopoietin. Die Niere bildet ferner Trombopoietin,

ein Peptidhormon, das die Bildung von Megakaryozyten und damit von Thrombozyten stimuliert. Allerdings wird Thrombopoietin vorwiegend in anderen Organen gebildet. Calcitriol. Durch eine mitochondriale 1 α -Hydroxylase des proximalen Tubulus wird das Hormon Calcitriol

227 9.2 · Niere

(1,25(OH)2D3) aus 25(OH)-Cholecalciferol (25(OH)D3) gebildet. Die 1 α -Hydroxylase wird durch das Nebenschilddrüsenhormon Parathormon sowie durch Ca2+- und Phosphatmangel stimuliert. Calcitriol steigert die enterale und renale Ca2+- und Phosphatresorption und fördert auf diese Weise die Mineralisierung des Knochens (7 Kap. 9.1.7). Klotho. Das Proteohormon Klotho wird vor allem in der

Niere gebildet. Das Hormon hemmt die proximal tubuläre Phosphatresorption und steigert die distaltubuläre Ca2+Resorption. Das Hormon mindert darüber hinaus die Wirkung von Insulin in der Peripherie (7 Kap. 10.3). Ein Mangel an Klotho führt zu beschleunigtem Altern, ein Überschuss zu Langlebigkeit. Klotho erzielt seine lebensverlängernde Wirkung wahrscheinlich durch Hemmung des Insulinstimulierten Phosphatidylinositol (PI)3-Kinaseweges.

kungen von Angiotensin II sind vor allem bei der Blutdruckregulation von hervorragender Bedeutung (7 Kap. 4.2.1)

9.2.9

Ableitende Harnwege

! Der in den Nieren gebildete Harn wird über die Ureteren zur Harnblase geleitet. Die Harnwege können bei Ausfallen von Harnbestandteilen durch Steine verlegt werden

Harnwege. Der in der Niere gebildete Harn sammelt sich

Urodilatin. Die Niere bildet Urodilatin, ein dem Atriopeptin sehr ähnliches Peptid, das gleichfalls die GFR steigert und Natriurese auslöst.

zunächst im Nierenbecken, um dann über den Ureter in die Harnblase transportiert zu werden. Der Harn wird im Ureter durch peristaltische Kontraktionswellen (2–6/min) vorwärts getrieben, die vom Nierenkelch zur Harnblase laufen (2–6 cm/s). Dilatation des Ureters steigert die Frequenz und mechanische Reizung kann spontane Kontraktionen auslösen. Bei Füllung der Harnblase wird die Wandmuskulatur zunächst passiv gedehnt, bis schließlich der Blasenentleerungsreflex ausgelöst wird (7 Kap. 14.3.2).

Gewebshormone. Die Niere bildet wie andere Gewebe eine

Urolithiasis. Einige Ionen oder organische Substanzen

Reihe von Mediatoren, wie u. a. Prostaglandine, Endothelin und Kinine, die ihre Wirkungen vor allem in der Niere selbst ausüben (. Tab. 9.7).

erreichen bisweilen im Harn Konzentrationen, die nicht mehr löslich sind (Übersättigung). Wird der metastabile Bereich (s. u.) überschritten, dann fallen diese Substanzen aus (. Tab. 9.11). Besonders häufig bilden Calciumoxalat und Calciumphosphat Nierensteine, wobei sekundär weitere Ionen, wie Mg2+ und NH4+ beteiligt sein können. Seltener ist eine Harnsäure-, Cystin- oder Xanthinurolithiasis. Primäre Ursache der Urolithiasis kann ein genetischer oder erworbener Transportdefekt sein. So sind Cystinsteine in der Regel Folge eines Transportdefektes in der Niere

Renin-Angiotensin. Das Enzym Renin wird in juxtaglomerulären Zellen gebildet und bei Drosselung der Nierendurchblutung ausgeschüttet (7 Kap. 9.2.2). Es spaltet aus dem hepatischen Plasmaprotein Angiotensinogen das Peptid Angiotensin I ab, aus dem unter dem Einfluss von Angiotensin converting enzyme (ACE) das stark vasokonstriktorisch und antinatriuretisch wirksame Angiotensin II entsteht. Die Wir. Tab. 9.11. Häufigste Ursachen von Nierensteinen Steine

Ursachen*

Begünstigte Faktoren (außer geringem Harnvolumen)

Ca-Oxalat

Gesteigerte Produktion oder Absorption von Oxalat, gesteigerte Absorption oder Mobilisierung von Ca2+

verminderte Ausscheidung von Phosphat oder Zitrat (Calciumbinder) oder Pyrophosphat

Ca–CO3–PO4, Mg–NH 4–PO4

gesteigerte Absorption oder Mobilisierung von Calciumphosphat

alkalischer Urin (Harnwegsinfekte), Mangel an Zitrat

Harnsäure

Überproduktion von Harnsäure

saurer Urin

Natrium-Urat

Überproduktion von Harnsäure

alkalischer Urin, hohe Na+-Konzentration

Cystin

renaler Resorptionsdefekt

saurer Urin

Xanthin

gestörter Abbau

Die meisten Nierensteine (ca. 80 %) enthalten Calciumoxalat, ca. 30% Calcium-Magnesium-Phosphat. 10 % Harnsäure, nur wenige Cystin oder Xanthin. * = Produktion im Stoffwechsel, Absorption im Darm oder Mobilisierung aus dem Knochen

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(Cystinurie). Die Ausscheidung ist bei normalem tubulärem Transport gesteigert, wenn aufgrund prärenaler Faktoren die Plasmakonzentration gesteigert ist und damit mehr filtriert wird. So begünstigt gesteigerte intestinale Absorption von Oxalat, Purinen oder Calcium gleichermassen Urolithiasis wie gesteigerte Mobilisierung von Calcium aus dem Knochen oder vermehrte Bildung von Harnsäure bei gesteigertem Zelluntergang. Für das Auftreten von Urolithiasis ist freilich nicht nur die Ausscheidung der konkrementbildenden Substanzen maßgebend. Die Konzentration wird auch durch das Harnvolumen diktiert. Starke Antidiurese fördert demnach die Bildung von Harnsteinen. Der Ca2+-Rezeptor in der HenleSchleife hemmt bei Hypercalciämie die NaCl-Resorption in diesem Segment und setzt die Fähigkeit zur Urinkonzentrierung herab. Damit wird ein Zusammentreffen von gesteigerter Calciumausscheidung und Antidiurese normalerweise unterbunden. Die Steinbildung wird ferner vom Urin-pH beeinflusst. Saurer pH führt das mäßig lösliche Urat vermehrt in die sehr schlecht lösliche Harnsäure über und begünstigt damit die Entwicklung von Harnsäuresteinen. Calciumphosphatsteine sind wiederum in alkalischem Milieu sehr viel schlechter löslich als im sauren Milieu (7 Kap. 9.1.6), und ein alkalischer Urin fördert die Bildung von CaHPO4-Steinen. Allerdings hemmt Alkalose die proximal-tubuläre Zitratresorption und damit wird bei Alkalose Zitrat ausgeschieden, das mit Ca2+ sehr gut lösliche Komplexe bildet. Auf diese Weise wird normalerweise einer Ausfällung von CaHPO4 vorgebeugt, wenn eine Alkalose die Ausscheidung von Bikarbonat erfordert. Eine Übersättigung führt nicht sofort zum Ausfällen der gelösten Substanzen, sondern im metastabilen Bereich bleiben die Substanzen zunächst gelöst. Lange Verweildauer (inkomplette Entleerung der ableitenden Harnwege) und das Auftreten von Kristallisationskernen fördert das Ausfallen. Steigen die Konzentrationen über den metastabilen Bereich, dann bilden sich auf jeden Fall Kristalle.

9.2.10

Messgrößen der Nierenfunktion

! Die Nierenfunktion kann durch Messung der glomerulären Filtrationsrate, Clearance und Nierenschwelle überprüft werden

Glomeruläre Filtrationsrate. Substanzen, die frei filtriert werden, weisen im glomerulären Filtrat praktisch die glei-

che Konzentration auf wie im Plasma (P). Ihre filtrierte Menge ist demnach P · GFR (GFR = glomeruläre Filtrationsrate). Werden sie weder resorbiert noch sezerniert, dann ist ihre Ausscheidung (Me) gleich der filtrierten Menge (Mf ), d. h.: Me = Mf oder U · VU = GFR · P Dabei ist U die Konzentration der Substanz im Urin, VU die Urinstromstärke. Bestimmt man U, V und P, dann kann man aus diesen Werten die GFR errechnen: GFR = U · VU/ P Das Polysaccharid Inulin ist praktisch frei filtrierbar und wird weder resorbiert noch sezerniert. Es wird daher zur GFR-Bestimmung eingesetzt. Dazu muß Inulin allerdings infundiert werden. Einfacher ist die Bestimmung der GFR mit Hilfe von Kreatinin, dem Anhydrit von Kreatin. Kreatinin wird ständig von der Muskulatur abgegeben, muss also nicht von außen zugeführt werden. Da es tubulär nur geringfügig transportiert wird, erlaubt es ebenfalls eine Abschätzung der GFR. Die Kreatininkonzentration im Plasma (P) eines Patienten sei 0,1 mmol/l, die Konzentration im Urin (U) 5 mmol/l, die Urinstromstärke 2 ml/min. Dann beträgt die GFR = 5 mmol/l · 2 ml/min/0,1 mmol/l = 100 ml/min.

Im klinischen Alltag wird häufig die Kreatininplasmakonzentration als erstes Maß für die Nierenfunktion herangezogen. Da Kreatinin praktisch ausschließlich über die Niere ausgeschieden wird, muss die pro Zeiteinheit gebildete Kreatininmenge auch renal ausgeschieden werden. Bei Abnahme der GFR sinkt die renale Ausscheidung von Kreatinin (Me) zunächst unter die pro Zeiteinheit produzierte Kreatininmenge (Mp). Da weniger ausgeschieden als produziert wird, steigt die Plasmakonzentration solange an, bis die pro Zeiteinheit filtrierte Menge wieder die produzierte Menge erreicht hat. Im Gleichgewicht ist Me = Mp. Bei konstanter Kreatininproduktion ist somit das Produkt von GFR und Plasmakonzentration konstant (GFR · P = Me = Mp), und die Plasmakonzentration steigt umgekehrt proportional zur GFR (. Abb. 9.19). Allerdings ist die Kreatininproduktion u. a. eine Funktion der Muskelmasse und keineswegs konstant. Eine gesteigerte Kreatininproduktion erfordert eine gesteigerte renale Ausscheidung und damit bei gleicher GFR eine gesteigerte Plasmakreatininkonzentration. Eine mäßige Abnahme der GFR kann daher leicht

229 9.2 · Niere

Freie Wasser-Clearance. In Analogie zur Clearance gelöster

Substanzen kann auch eine freie Wasser-Clearance (CH2O) errechnet werden. Sie wird ermittelt, indem vom Urinvolumen dasjenige Volumen abgezogen wird, das zur plasmaisotonen (Posm) Ausscheidung der im Urin ausgeschiedenen osmotisch aktiven Substanzen erforderlich wäre. Das abgezogene Volumen ist umso größer, je höher die Urinosmolarität (Uosm) ist: CH2O = VU (1–Uosm/ Posm) Ist die Urinosmolarität höher als im Plasma, dann resultiert eine negative freie Wasser-Clearance.

. Abb. 9.19. Abhängigkeit der Kreatininplasmakonzentration von der Kreatinin-Clearance. Die Beziehung gilt unter der Voraussetzung, dass Kreatinin konstant gebildet wird, nicht verstoffwechselt wird und in der Niere unbehindert filtriert, jedoch nicht sezerniert oder resorbiert wird. Der Streubereich entsteht vor allem durch unterschiedliche Produktionsraten von Kreatinin (aus Schmidt, Lang und Thews)

übersehen werden, wenn gleichzeitig weniger Kreatinin produziert wird.

Ein Patient scheidet 6 ml/min eines Harns mit 145 mosmol/kg Wasser aus. Zur plasmaisotonen (Posm = 290 mosmol/kg H2O) Lösung der ausgeschiedenen osmotisch aktiven Substanzen wären 6 ml/min · 145 mosmol/kg H2O/290 mosmol/kg H2O = 3 ml/min erforderlich. Die freie Wasser-Clearance beträgt demnach 6 ml/min-3 ml/min = 3 ml/min. Beträgt die Urinosmolarität 580 mosmol/kg H2O, dann wären (bei einer Urinstromstärke von 6 ml/min) 12 ml/min zur plasmaisotonen Lösung der Urinbestandteile erforderlich. Es resultiert somit eine negative freie Wasser-Clearance von 6-12 = - 6 ml/min.

Transportmaximum und Affinität sättigbarer Transportprozesse. Eine Reihe von renalen Transportprozessen weist

eine maximale Transportrate auf, die im Bereich bzw. nicht weit über der filtrierten Menge (Mf ) liegt (. Abb. 9.20). Für die Ausscheidung der betroffenen Substanzen (Me) sind die kinetischen Parameter des Transportsystems, wie maximale Transportrate (Tm) und Affinität entscheidend. Bei Vorliegen einer einfachen Kinetik gilt für die Transportrate (Mt):

Clearance und fraktionelle Ausscheidung. Die filtrierte

Menge von Inulin und Kreatinin wird zur Gänze ausgeschieden. Das Plasmavolumen, das von Inulin und Kreatinin »geklärt« wurde (Clearance), ist somit die GFR. Bei Substanzen, die teilweise resorbiert werden, ist die renale Clearance (C= U · V/P) kleiner als die GFR, bei Substanzen, die sezerniert werden, ist die Clearance größer als die GFR. Das Verhältnis der Clearance einer Substanz zur GFR wird fraktionelle Ausscheidung genannt. Die fraktionelle Ausscheidung von Kreatinin ist 1. Bei einem Patienten werden eine Harnstoffkonzentration von 5 mmol/l im Plasma, und eine Harnstoffkonzentration von 80 mmol/l im Urin gemessen. Die Harnstromstärke sei 3 ml/min. Die Harnstoff-Clearance beträgt somit C = 80 mmol/l · 3 ml/min/5 mmol/l = 48 ml/min. Ist die Kreatinin-Clearance des Patienten 100 ml/min, dann ist seine fraktionelle Harnstoffausscheidung 0,48. Das heißt, der Patient scheidet etwa die Hälfte des filtrierten Harnstoffs aus.

Mt = C · Tm/(C+C 1/2 ) wobei C 1/2 diejenige Substratkonzentration ist, bei welcher halbmaximal transportiert wird. Für die Ausscheidung der Substanz gilt: Me = Mf – Mt Bei Nettoresorption ist Mt positiv, bei Nettosekretion ist Mt negativ. Mit zunehmender Plasmakonzentration (P) steigt einerseits die filtrierte Menge: (Mf = P · GFR) und andererseits die Konzentration am Transporter (C) und damit die Transportrate. Resorptionsprozesse mit hoher Affinität. Bei hoher Affinität bzw. kleinem C 1/2 sind nur geringe Substratkonzentra-

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230

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. Abb. 9.20. Filtration, Resorption und Ausscheidung von Substanzen, die in der Niere sättigbar transportiert werden. Die jeweils filtrierte (f, blau), resorbierte (r, braun), sezernierte (s, rot) und ausgeschiedene (a, grün) Menge an Substanz (Menge in mol/min) in Abhängigkeit von der Plasmakonzentration: Links: Resorption mit hoher Affinität (Beispiel Glukose, Phosphat). Im roten Bereich wird die maximale Transportrate erreicht (Nierenschwelle). Die gesamte, zusätzlich filtrierte Menge wird dann ausgeschieden. Die Glukosekonzentration ist normalerweise (5 mmol/l, G1) weit unter der Nierenschwelle. Erst bei einem Anstieg auf das Doppelte (10 mmol/l, G2) wird die Nierenschwelle erreicht. Eine nur mäßige zusätzliche Steigerung der Glukoseplasmakonzentration (auf 12 mmol/l, G3) führt zur

massiven Glukosurie. Mitte: Resorption mit niederer Affinität (Beispiel Harnsäure). Harnsäure wird bereits bei Plasmakonzentrationen ausgeschieden, bei denen der Resorptionsmechanismus noch nicht gesättigt ist (0,3 mmol/l, H1). Bei Steigerung der Plasmakonzentration nehmen Resorption und Ausscheidung zu. Rechts: Sekretion (Beispiel Paraaminohippursäure, PAH). Bei niederen Plasmakonzentrationen (PAH1) ist der Sekretionsmechanismus noch nicht gesättigt und die gesamte, in die Niere gelangende PAH-Menge wird ausgeschieden. Die PAH-Clearance ist dabei gleich dem renalen Plasmafluss RPF (ca 5-fache der GFR). Bei hohen Plasmakonzentrationen ist der Sekretionsmechanismus gesättigt und die Ausscheidung ist nicht mehr proportional dem RPF

tionen erforderlich, um die maximale Transportrate zu erreichen, und die Substanz wird fast vollständig resorbiert, solange die filtrierte Menge nicht die maximale Transportrate übersteigt. Sobald die maximale Transportrate überschritten ist, kommt es zu einer fast vollständigen Ausscheidung der überschüssig filtrierten Menge. Der Übergang von vollständiger Resorption und quantitativer Ausscheidung überschüssig filtrierter Substanz (Nierenschwelle) ist scharf (. Abb. 9.20). Für Phosphat ist die Nierenschwelle normalerweise etwa 20 % niedriger als die Plasmakonzentration, es werden also etwa 20 % der filtrierten Menge ausgeschieden. Für Glukose ist die Nierenschwelle (10 mmol/l) etwa doppelt so hoch wie die Plasmakonzentration im Nüchternzustand (ca. 5 mmol/l). Glukose wird daher nur bei massiv gesteigerten Plasmakonzentrationen ausgeschieden (> 10 mmol/l), wie sie bei Diabetes mellitus (7 Kap. 10.1) auftreten können. Weitere Substrate von Transportprozessen mit hoher Affinität sind einige Aminosäuren (. Abb. 9.20).

Resorptionsprozesse mit niedriger Affinität. Niederaffine

Transportprozesse arbeiten bei niedrigen Substratkonzentrationen weit unter dem Transportmaximum und es wird Substanz ausgeschieden, bevor die filtrierte Menge die maximale Transportrate übersteigt. Eine weitere Zunahme der Plasmakonzentration steigert nicht nur die filtrierte Menge, sondern auch die Resorptionsrate, die Ausscheidung steigt also weniger steil an als die filtrierte Menge (. Abb. 9.20). Beispiele sind Harnsäure und Glyzin. Sekretionsprozesse, Bestimmung des renalen Plasmaflusses. Wird eine Substanz sezerniert, dann addieren sich

filtrierte und transportierte Menge. Bei Sekretionsprozessen mit hoher Affinität (z. B. Paraaminohippursäure, PAH) wird die gesamte, die Niere passierende Substanz ausgeschieden, solange der Transportprozess noch nicht gesättigt ist (. Abb. 9.20). Me = P · RPF

Ein Patient mit schlecht kontrolliertem Diabetes mellitus weist eine Plasmaglukosekonzentration von 15 mmol/l auf. Seine GFR beträgt 100 ml/min (0,1 l/min), sein Transportmaximum für Glukose 1 mmol/min. Seine Glukoseausscheidung beträgt demnach: 0,1l/min · 15 mmol/l –1 mmol/min] = 0,5 mmol/min. Er scheidet demnach ein Drittel der filtrierten Glukosemenge aus.

Dabei ist RPF das pro Zeiteinheit die Niere passierende Volumen (renaler Plasmafluss, RPF). Für die Substanzen ist die renale Clearance somit identisch mit dem RPF. Übersteigt die im renalen Plasma antransportierte Substanz die

231 9.2 · Niere

maximale Sekretionsrate, dann ist die renale Clearance geringer als der RPF. Aus dem RPF und dem Hämatokrit (Hkt) kann der renale Blutfluss (RBF) errechnet werden: RBF = RPF/ (1–Hkt)

Ist die PAH-Konzentration im Plasma eines Probanden 0,2 mmol/l (nichtsättigende Konzentration) und im Urin 20 mmol/l und beträgt die Urinstromstärke 6 ml/min, dann ergibt sich ein renaler Plasmafluss von: RPF = 20 mmol/l · 6 ml/min/0,2 mmol/l] = 600 ml/min. Bei einem Hämatokrit von 0,40 ist der renale Blutfluss dann: RBF = 600 ml/min/ 0,6 = 1 l/min].

In Kürze

Niere Bau und Funktion 4 Aufgaben: Eliminierung überflüssiger/schädlicher Substanzen; Kontrolle Volumen und Elektrolytzusammensetzung Extrazellulärraum, Blutvolumen, Blutdruck. Regulation Säure-Basen-Haushalt, Glukoneogenese, Regulation von Mineralhaushalt und Knochenmineralisierung, Bildung Calcitriol, Erythropoietin, und Klotho 4 Funktionsweise: Filtration von 150 Liter Plasmawasser in 2 Millionen Glomerula, folgende Modifizierung durch tubuläre Transportprozesse 4 Durchblutung: 20% des Herzminutenvolumens (ca. 1,2 l/min) 4 Nierengefäße: Aa. interlobares o Aa. arcuatae o Aa. interlobulares o Vasa afferentia (größer Druckabfall) o glomeruläre Kapillarschlingen o Vasa efferentia (zweitgrößter Druckabfall) o peritubuläre Kapillaren, Vasa recta o Vv. interlobulares o Vv. arcuatae o Vv. interlobares o V. renalis 4 Nierenrinde hervorragend durchblutet, Nierenmark (⅓ des Nierengewichtes) 4 nm bzw. >50 kDa nicht filtriert, negative Ladungen o Filtration p; Glomerulonephritis o negative Fixladungen p o Permselektivität p 4 Proteinbindung (Hormone, Pharmaka, Gifte, Ca2+) o Filtration p 4 Gibbs-Donnan-Potenzial: Blutseite ≈1,5 mV negativ o im Filtrat einwertige Kationen ≈5% niedriger, einwertige Anionen ≈5% höher als im Plasmawasser. 4 Glomeruläre Filtrationsrate: GFR = Lp · F · Peff; Peff = Δp – Δp = (pK – pB) – (πK – πB); pK ≈50 mmHg, pB ≈15 mmHg, πK ≈ 25 mmHg, πB vernachlässigbar. 4 Filtrationsprozess o πK n o Peff p o Filtrationsgleichgewicht 6

Resorption, Sekretion 4 Proximal-tubulärer Transport (in % vom Filtrat): 70% H2O und NaCl, 95% Bikarbonat, ≈100% Glukose, Aminosäuren; Sekretion Säuren, Basen; große Transportkapazität, keine hohen Gradienten 4 Bikarbonatresorption: Na+/H+-Austauscher, luminale H+-Ionen + HCO3– o CO2 (Karboanhydrase) o CO2-Diffusion in Zelle o zellulär CO2 o H+ + HCO3– o Na+3HCO3– -Cotransport 4 Proximal-tubuläre NH4+-Produktion durch Desaminierung von Glutamin o NH3 ins Lumen o bindet H+ o als NH4+ ausgeschieden. Glutamin o α-Ketoglutarat o Glukose 4 Na+-gekoppelter Transport von Glukose/Galaktose, Aminosäuren, Laktat, Phosphat, Sulfat, Vitamin C

Ultrafiltrationskoeffizient (Kf = F · Lp) p o GFR p Widerstand Vas efferens n o pK n, RPF p o GFR np Widerstand Vas afferens n o pK p o GFR p Plasmaproteinkonzentration n o πK p o GFR p Glomerulonephritis o Widerstand Vas afferens n, Kf p o GFR p 4 Autoregulation: GFR und RPF zwischen 80–180 mmHg annähernd konstant (Widerstandsänderung am Vas afferens) durch myogene Vasokonstriktion (Bayliss-Effekt), Prostaglandine, tubuloglomerulärer Feedback (NaCl an Macula densa o GFR p) 4 Renin-Angiotensin-Aldosteron: NaCl an Macula densa p, Gefäßdehnung Vas afferens p o Renin o Angiotensin I o (angiotensin converting enzyme, ACE) Angiotensin II o Vasokonstriktion, proximaltubuläre Na+-Resorption n, Ausschüttung Aldosteron, ADH o distaltubuläre Kochsalz- und Wasserresorption n Transport 4 Transport an renalen Epithelien: 99% des filtrierten Wassers, >90% filtrierter Substanzen wieder resorbiert, dazu sezerniert o Urin

9

232

9


4 Organische Säuren: Bildung von α-Ketoglutarat, Akkumulation Dikarboxylsäuren durch basolateralen Na+-Dikarboxylattransporter o teilweise Austausch gegen andere organische Säuren (tertiär aktiver Transport), die über Anionenaustauscher oder Uniporter in das Lumen sezerniert werden (z. B. Paraaminohippursäure, PAH); Harnsäure über Anionentransporter sezerniert und resorbiert 4 Organische Basen durch Uniporter und Austauscher resorbiert und/oder sezerniert 4 Parazelluläre Resorption: Transzelluläre Resorption o Wasserstrom o solvent drag; lumenpositives transeptheliales Potenzial o passive Na+ Resorption (>50%) 4 Henle-Schleife o Harnkonzentrierung 4 Absteigender dicker Teil wie proximaler Tubulus 4 Dünner Teil: Passiver Transport über Cl--Kanäle und Kationen-permeable tight junctions 4 Dicker aufsteigende Teil: Luminaler Na+-K+-2Cl--Cotransport, luminale K+-Kanäle, basolaterale Cl--Kanäle, Na+/K+-ATPase und KCl-Cotransport; Lumenpositives transepitheliales Potenzial o Transport Na+, Ca2+, Mg2+ durch tight junctions; H2O-impermeabel 4 Distales Nephron transportiert gegen hohe Gradienten, geringe Transportkapazität 4 Distale Tubuluszelle NaCl Resorption, Ca2+-Resorption: luminal NaCl-Cotransport, Ca2+-Kanäle, basolateral KCl-Cotransport, Na+/K+-ATPase, K+-Kanäle, Na+/Ca2+-Austauscher, Ca2+-ATPase 4 Hauptzellen: Luminale Na+-Kanäle, K+-Kanäle, basolateriale Na+/K+-ATPase 4 Schaltzellen: Sekretion H+ (Typ A: luminale H+-ATPase oder H+/K+-ATPase, basolatealer Cl-/HCO3– -Austauscher, Cl--Kanäle) oder HCO3– (Typ B: luminale Cl-/HCO3– -Austauscher, basolaterale Cl--Kanäle, H+-ATPase) 4 Transportdefekte (. Tab. 9.9) proximaltubuläre oder distaltubuläre Azidose, Liddle-Syndrom, Bartter-Syndrom, Gitelman-Syndrom, renaler Diabetes mellitus, Aminoacidurien 4 Diuretika (. Tab. 9.10). Proximale Diuretika, Schleifendiuretika, frühdistale Diuretika, K+-sparende Diuretika, osmotische Diurese. Diurese auch bei Glukosurie, Bikarbonaturie 6

Harnkonzentrierung 4 Harnosmolarität: 50–1200 mosmol/l 4 Gegenstrommultiplikation: Aufsteigender Teil HenleSchleife resorbiert NaCl ohne Wasser o Osmolarität im Interstitium n o Wasserentzug aus absteigendem Schenkel o luminale Osmolarität n (an Schleifenspitze 4-fach). Ende Henle-Schleife = Tubulusflüssigkeit hypoton 4 Hohe Osmolarität Nierenmark o osmotischer Gradient für Wasserresorption im Sammelrohr 4 Harnstoff: H2O-Resorption distaler Tubulus + kortikales Sammelrohr o luminale Harnstoffkonzentration n Harnstoffdiffusion aus medullärem Sammelrohr in Interstitium Nierenmark o Wasserentzug aus dem absteigenden dünnen Teil der Henle-Schleife o luminale NaCl-Konzentration n o Gradient für NaCl-Resorption im aufsteigenden Teil der dünnen Henle-Schleife 4 Antidiuretisches Hormon o cAMP o Einbau von Aquaporin 2 in luminale Zellmembran o Wasserresorption; zusätzlich: Na+-Resorption, Einbau von Harnstofftransportern 4 Vasa recta. Anordnung als Schleife o Rezirkulation o Abtransport von Kochsalz, Harnstoff p, aber auch Rezirkulation Glukose, O2, CO2, Laktat o Mangel an allem, was verbraucht wird und Anhäufung an allem, was gebildet wird 4 Störungen Harnkonzentrierung: Schleifendiuretika, Kaliummangel, Hypercalciämie [o Transport HenleSchleife]; proteinarme Ernährung [o Harnstoff p]; Nierenentzündungen, Blutdrucksteigerung [o Durchblutung Vasa recta n]; osmotische Diurese [o osmotischer Gradient p]; ADH-Mangel bzw. -Unempfindlichkeit [o Wasserresorption p] Globale Nierenfunktion und Regulation 4 Glomerulotubuläre Balance: GFR n o proximal-tubuläre Resorption n 4 Tubuloglomeruläre Balance: NaCl an Macula densa n o Kontraktion Vas afferens o GFR p 4 Nierenschwelle: Überschreiten Transportmaximum o Ausscheidung zusätzlich filtrierter Menge 4 Ca2+-Konzentration n o tight junctions p, Ca2+-Rezeptor o Ca2+-Resorption p 4 Intrazelluläre Konzentrationen K+, H+, Phosphat n o Ausscheidung n

233 9.2 · Niere

4 Nervale Kontrolle: Sympathische Nerven o GFR p, Resorption (u. a. Na+, HCO3– , Cl-, Wasser) n, Reninausschüttung n(β1), p (α1) 4 Blutdrucksteigerung o Nierenmarkdurchblutung n o Diurese 4 Hormone: RPF, GFR, tubuläre Transportprozesse hormonell reguliert (. Tab. 9.7) 4 Ischämisches akutes Nierenversagen: Schock o Vasokonstriktion Niere o Ischämie o Adenosin o akutes Nierenversagen o Anurie, Oligurie o o o polyurische Phase o (teilweise) Erhohlung 4 Weitere Ursachen von Nierenversagen: Hypertonie, Entzündungen (Glomerulonephritis und Pyelonephritis), Diabetes mellitus, Vergiftungen, Verlegung Harnleiter 4 Niereninsuffizienz o GFR < 20 ml/Minute o Oligurie, Anurie o Retention von Phosphat o Calciumkomplexierung o Hyperparathyreoidismus o CaHPO4 Mobiliserung aus Knochen o circulus vitiosus; Eliminierung von H+ p o Azidose; Retention von Kochsalz o Hyperhydration; Retention von K+ o Hyperkaliämie; Retention Harnsäure o Gicht; Erythropoietin p o Anämie; Klotho po beschleunigtes Altern 4 Dialyse: Semipermeable Schläuche o Diffusion harnpflichtiger Substanzen in externe Elektrolytlösung (Hämodialyse); Durchspülung Peritonealraum (Peritonealdialyse) Stoffwechsel und Hormonbildung 4 O2-Ausschöpfung 10%, im Wesentlichen für Energetisierung tubulären Na+-Transportes 4 Fettsäureabbau: Proximaler Tubulus verbrennt v. a. Fettsäuren, Azetazetat, β-Hydroxybutyrat 4 Glukoneogenese aus Laktat und 2-Oxoglutarat aus Glutaminabbau (zur NH3-Bildung) 4 Aminosäurestoffwechsel: Glutaminabbau; Bildung von Arginin aus Aspartat und Zitrullin; Produktion von β-Alanin, Serin

4 Entgiftung von Fremdstoffen: Kopplung von Xenobiotika an Azetylcystein o Merkaptursäure 4 Inaktivierung von Hormonen: Inaktivierung von Peptidhormonen (u. a. Glukagon, Insulin, Parathormon); Steroidhormonumbau durch Oxidoreduktasen und Hydroxylasen, durch 11β-Hydroxysteroiddehydrogenase Umbau von Kortisol in Kortison 4 Hormonbildung: Erythropoietin, Thrombopoietin, Calcitriol, Klotho, Urodilatin, Prostaglandine, Endothelin, Kinine; Renin (Homonbildendes Enzym) o Angiotensin Ableitende Harnwege 4 Harnwege: Nierenbecken o Ureter o Harnblase; Im Ureter peristaltische Kontraktionswellen (2–6/min, 2–6 cm/s) 4 Urolithiasis: Calciumoxalat > Calciumphosphat (+ Mg2+, NH4+) > Harnsäure-, Cystin- oder Xanthinurolithiasis. Ursachen: Transportdefekte (Cystinsteine), intestinale Absorption Oxalat, Purine, Calcium n, Mobilisierung von Calcium aus dem Knochen, Bildung von Harnsäure n, Harnvolumen p, Urin-pH (pH n o Phosphatsteine n, Harnsäuresteine p), Zitrat p, Verweildauer n Messgrößen der Nierenfunktion 4 Glomeruläre Filtrationsrate: GFR = U · VU/P (KreatininClearance) 4 Clearance: Plasmavolumen, das von Substanz »ge• klärt« wird: c = V · U/P 4 Fraktionelle Ausscheidung. Clearance/GFR 4 Freie Wasser-Clearance: CH2O = VU(1 - Uosm/Posm) 4 Transportmaximum und Affinität: Mt = C · Tm/(C + C1/2) 4 Renaler Plasmafluss: RPF = Me,PAH/PPAH 4 Renaler Blutfluss: RBF = RPF/(1 - Hkt)

9

10

10 Hormonale Regulation 10.1

Grundlagen und Allgemeines – 236

10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.1.4

Funktionelle Struktur des Hormonsystems – 236 Hormoneigenschaften – 239 Signalkette – 243 Neuroendokrine Signalübertragung – 247

10.2

Wasser und Elektrolythaushalt – 249

10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4

ADH – 249 Aldosteron – 250 Natriuretische Faktoren – 252 Calcium-Phosphat-Haushalt regulierende Hormone – 252

10.3

Energiehaushalt und Wachstum – 254

10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5 10.3.6

STH, Somatotropin – 254 Schilddrüsenhormone T3, T4 – 256 Glukokortikoide – 258 Insulin – 262 Glukagon – 265 Adrenalin – 265

236

Kapitel 10 · Hormonale Regulation

> > Einleitung Die Abstimmung der Leistungen jeweils verschieden spezialisierter Zellen im Organismus sowie die Anpassung des Organismus an sich ständig ändernde äußere Bedingungen erfordert eine Kommunikation zwischen den verschiedenen Zellen. Sie wird einerseits durch direkten Kontakt über gap junctions gewährleistet, zum anderen geben Zellen Signalstoffe ab, die Funktionen anderer Zellen beeinflussen. Hormone werden meist in spezialisierten Zellen des Körpers (endokrinen Drüsen) gebildet. Allerdings gibt es einen fließenden Übergang von Hormonen im engeren Sinn zu vorwiegend lokal wirkenden Mediatoren und zu Transmittern des Nervensystems. Tatsächlich wirken einige Hormone auch als Transmitter im Nervensystem.

10.1

Grundlagen und Allgemeines

10.1.1

Funktionelle Struktur des Hormonsystems

! Hormone werden in spezialisierten Zellen synthetisiert und teilweise gespeichert. Nach Ausschüttung wirken sie lokal oder über den Blutweg. Ihre Inaktivierung ist Voraussetzung für eine adäquate Regulation

10

Wirkungsweise von Signalstoffen. Signalstoffe erreichen Zellen anderer Organe über die Blutbahn (endokrin), benachbarte Zellen des gleichen Organs (parakrin) oder wirken auf die sezernierende Zelle selbst zurück (autokrin). Hormone im engeren Sinn entfalten ihre Wirkungen vorwiegend auf endokrinem Wege. Ihre endokrine Wirksamkeit setzt voraus, dass sie im Blut nicht vor Erreichen der Zielzellen inaktiviert werden. Hormone wirken auf ihre Zielzellen über Rezeptoren (7 Kap. 10.1.2, 7 Kap. 10.1.3). Dabei handelt es sich um Proteine, die nach Bindung des jeweils spezifischen Hormons ihre Struktur verändern (7 Kap. 10.1.3). Diese Strukturveränderung löst dann eine intrazelluläre Kaskade aus, die letztlich zu den zellulären Wirkungen des jeweiligen Hormons führt (7 Kap. 10.1.3). Hormonspeicherung und -ausschüttung. Hormone kön-

nen nach ihrer Synthese (7 Kap. 10.1.2) zunächst in der Hormondrüse gespeichert werden, bevor sie bei Bedarf ausgeschüttet werden. Insbesondere Proteohormone werden in intrazellulären Vesikeln gespeichert. Ihre Ausschüttung wird durch die intrazelluläre Ca2+-Konzentration reguliert. Ca2+ stimuliert das Verschmelzen von Vesikeln

mit der Zellmembran und in der Folge wird der Inhalt der hormonhaltigen Vesikel in den Extrazellulärraum entleert. Im Gegensatz zu anderen Proteohormonen wird die Ausschüttung von Parathormon durch Ca2+ gehemmt. Diese Hemmung wird durch einen Rezeptor an der Zellmembran für Ca2+ vermittelt (7 Kap. 10.2.4). Schilddrüsenhormone werden nicht in Vesikeln, sondern als Proteine extrazellulär gespeichert (7 Kap. 10.3.2). Inaktivierung von Hormonen. Eine Regulation ist nur möglich, wenn die Hormonkonzentration je nach Bedarf gesteigert oder gesenkt werden kann. Eine Abnahme der Hormonkonzentration erfordert die Entfernung bzw. Inaktivierung des Hormons. Proteohormone werden durch proteolytische Spaltung vor allem in Leber und Niere inaktiviert. Die Steroidhormone werden vorwiegend in der Leber in unwirksame Metabolite abgebaut, die dann über Galle und Nieren ausgeschieden werden. Eine eingeschränkte Funktion von Leber oder Nieren verzögert die Inaktivierung der Hormone und kann auf diese Weise die endokrine Regulation stören. Hormonbindung an Plasmaproteine. Im Blut sind einige Hormone z. T. an Plasmaproteine gebunden. Insbesondere für Schilddrüsenhormone ist der gebundene Anteil mit 99,9% sehr hoch. Steroidhormone werden meist zwischen 60% (Aldosteron) und 90% (Kortisol) an Proteine gebunden, Testosteron sogar zu 98 %. Da die Plasmaproteine die Blutbahn nicht in nennenswertem Ausmaß verlassen, kann der an Plasmaproteine gebundene Hormonanteil die Zielzellen außerhalb der Blutbahn nicht erreichen und bleibt wirkungslos. Andererseits entzieht sich der plasmaproteingebundene Anteil auch der Inaktivierung. Durch die Bindung der Hormone an Plasmaproteine nimmt die Halbwertszeit zu (. Tab. 10.1). Die Plasmaproteinbindung wirkt also wie ein Puffer (7 Kap. 5.10.1). ! Hormone sind in Regelkreise eingebaut. Sie dienen der Regelung und Steuerung von Parametern und Leistungen

Hormonelle Regelkreise. Die Ausschüttung der Hormone unterliegt der Kontrolle von einem oder mehreren Regelkreisen: Hormone wirken direkt oder indirekt auf jene Faktoren, die ihre Ausschüttung fördern oder hemmen. Regelkreise unterliegen typischerweise einer negativen Rückkopplung (. Abb. 10.1): Die Ausschüttung von Glukagon wird durch einen Abfall der Glukosekonzentration im Blut stimuliert. Glukagon stimuliert den Glykogenabbau in der

237 10.1 · Grundlagen und Allgemeines

. Abb. 10.1. Hormonelle Regelkreise. Einfacher hormoneller Regelkreis (links, Beispiel Glukagon) und hypothalamisch/hypophysärer

Regelkreis (rechts, Beispiel Kortisol). Gezeigt ist jeweils nur eine der Wirkungen von Glukagon und Kortisol

Leber und steigert u. a. auf diese Weise die Glukosekonzentration im Blut. Der hormonelle Regelkreis hält also in diesem Fall die Glukosekonzentration im Blut konstant. Die Regelkreise von Hormonen, die vom Hypothalamus aus kontrolliert werden (7 Kap. 10.1.4), sind komplexer, folgen jedoch den gleichen Prinzipien wie die einfachen Regelkreise (. Abb. 10.1). Ein hormoneller Regelkreis reagiert prinzipiell in zwei Richtungen. In unserem Beispiel führt eine Zunahme der Glukosekonzentration zu einer Abnahme, eine Abnahme der Glukosekonzentration zu einer Zunahme der Glukagonausschüttung. Der Regelkreis wirkt somit sowohl einer Abnahme als auch einer Zunahme der Glukosekonzentration entgegen. Wesentliche Eigenschaften eines hormonellen Regelkreises sind die Belastbarkeit auf der einen Seite und die Ansprechzeit auf der anderen. Belastbarkeit bzw. Regelbreite eines hormonellen Regelkreises beschreibt die Fähigkeit, maximale Störgrößen zu kompensieren. Sie hängt davon ab, in welchem Ausmaß das Hormon die Leistung eines Organs beeinflussen kann. Sie ist eingeschränkt bei herabgesetzter Hormonempfindlichkeit oder Leistungsfähigkeit des Zielorgans. Die Ansprechzeit eines hormonellen Regelkreises hängt davon ab, wie schnell die Hormonausschüttung auf eine Änderung des kontrollierten Stoffwechselparameters reagiert, wie lange das Hormon im Blut aktiv

zirkuliert (Halbwertszeit), wie schnell die Wirkung im Zielorgan einsetzt und wie lange sie anhält (. Tab. 10.1). Steuerung der Hormonausschüttung. Steuernde Einflüsse

verstellen die Empfindlichkeit der endokrinen Drüse für . Tab. 10.1. Ungefähre Halbwertszeiten einiger Hormone im Plasma Hormone Liberine, Statine (RH, RIH) Corticotropin (ACTH) Thyrotropin (TSH)

Halbwertszeiten [Minuten] 5 25 70

Follitropin (FSH)

240

Lutropin (LH)

210

Choriongonadotropin (hCG)

500

Prolaktin

30

Somatotropin (STH)

25

Adiuretin (ADH) Oxytozin

6 5

Adrenalin

Aminosäuren (v. a. Leucin, aber auch Arginin und Alanin) n > Azetazetat n >>> Fettsäuren n; Glukoseaufnahme o Glucoseabbau o ATP n o KATP-Kanäle p o Depolarisa6

4

4

4 4

4 4

4

tion o spannungsabhängige Ca2+-Kanäle n o Ca2+-Einstrom o intrazelluläre Ca2+-Konzentration o Insulinausschüttung Sulfonylharnstoffe (orale Antidiabetika) o KATP-Kanäle p o Insulinausschüttung n; Hyperkaliämie o Depolarisation o Insulinausschüttung n; Hypokaliämie o Hyperpolarisation o Insulinausschüttung p Acetylcholin (o depolarisierende Na+-Kanäle n), Cholecystokinin (InsP3 o Ca2+), Glukagon, glucagon like peptide (GLP), Sekretin, gastric inhibitory peptide (GIP), Gastrin, Pankreozymin, Kortikotropin und Somatotropin (o cAMPn) o Sensibilisierung der B-Zellen für Hyperglykämie Sympathikus (α2), Galanin, Somatostatin o Insulinausschüttung p Wirkungen: Zelluläre Aufnahme (v. a. Muskel-, Fettzellen) Glukose, Aminosäuren, Fettsäuren n, Abbau Triglyzeride in Chylomikronen n, Aufnahme Fettsäuren und Glyzerin in Fettgewebe n; Glykogenaufbau n, Proteinaufbau n, Lipolyse p, Glykogenolyse p, Proteolyse p, Glukoneogenese p, Glykolyse n; Na+/H+-Austauscher n, Na+-K+-2Cl--Cotransporter n; Na+/K+-ATPase n; Zellschwellung, Alkalose; zelluläre Aufnahme von K+, Phosphat, Mg2+, renaltubuläre Na+-Resorption n; Herzkraft n; Zellteilung n, Längenwachstum n Autoimmunerkrankung o Zerstörung der B-Zellen o absoluter Insulinmangel (Typ 1 Diabetes) Hyperalimentation o Übergewicht o Down-Regulation Insulinrezeptoren o periphere Insulinresistenz o relativer Mangel an Insulin (Typ 2 Diabetes); Somatotropin, Schilddrüsenhormone, Glukagon, Glukokortikoide (Steroiddiabetes) und Katecholamine o relativer Mangel an Insulin Akute Folgen Insulinmangel: Glykogen p, Fett p,Proteine p, Plasmakonzentrationen von Glukose n, Aminosäuren n, Lipoproteine n, Fettsäuren n, Azetazetat n, β-Hydroxybutyrat n (o metabolische Azidose o Kußmaul-Atmung); Hyperglykämie o Glukosurie o osmotische Diurese o Verluste an Wasser und Elektrolyten o Durst; zelluläre Verluste von K+, Phosphat [Verabreichung von Insulin o zelluläre Wiederaufnahme o Hypokaliämie, Hypophosphatämie]; Hyperglykämie, metabolische Entgleisung, Wasser-, Elektrolytstörungen o Coma diabeticum

10

268

Kapitel 10 · Hormonale Regulation

4 Folgen anhaltender Insulinmangel: Hyperglykämie, Hyperlipidämie o Schädigung von Gefäßen o Herzinfarkte, Zerstörung der Nieren (diabetische Nephropathie), periphere Durchblutungsstörungen und Zerstörung der Netzhaut des Auges (diabetische Retinopathie) 4 Überdosierung von Insulin (häufig), orale Antidiabetika (häufig), Aminosäuren Blut n (z. B.. Leberinsuffizienz), insulinproduzierender Tumor (sehr selten) o Insulinüberschuss o Hypoglykämie o Sympathikusaktivierung o Tachykardie, Blutdruckanstieg, Schweißausbruch, Zittern; Substratmangel Neurone o Bewusstlosigkeit (z. T. irreversible) Schädigung Gehirn Glukagon 4 Hypoglykämie, Aminosäuren n, freie Fettsäuren p, Acetylcholin n, Adrenalin (α) n, gastrointestinale Hormone n, GABA p, Somatostatin p o Glukagonaus-

10

schüttung o Glykogenolyse n, Lipolyse n, Bildung von Ketonkörpern aus Fettsäuren n, Proteolyse n, Glukoneogenese aus Aminosäuren n, Herzkraft n, GFR n 4 Schädigungen Pankreas o Glukagonmangel (klinisch wenig relevant) 4 Tumor der A-Zellen o Glukagonüberschuss o Insulinbedarf n Adrenalin 4 Vegetatives Nervensystem o Adrenalinausschüttung o Dilatation Gefäße in Herz, Muskeln, Leber, Kontraktion Gefäße in Haut, Darm, Niere; Darm-, Blasen- und Uterusmuskulatur p, Sphinkteren Darm- Blasenausgang n, Bronchialmuskulatur p, Glykogenolyse n, Lipolyse n, Hormonausschüttung np, Kontraktion Mm. arrectores pilorum, musculus dilatator pupillae n, Mobilisierung Leukozyten n, Thrombozytenaggregation n, Speicheldrüsensekretion n

11

11 Sexualentwicklung und Reproduktionsphysiologie 11.1

Geschlechtsfestlegung und Pubertät – 271

11.1.1 11.1.2

Geschlechtsentwicklung – 271 Störungen der Geschlechtsentwicklung – 271

11.2

Weibliche Sexualhormone

11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4

Regulation der weiblichen Sexualhormone – 272 Wirkungen der weiblichen Sexualhormone – 273 Überschuss und Mangel an weiblichen Sexualhormonen Oxytozin und Prolaktin – 274

– 272

11.3

Menstruationszyklus

11.3.1 11.3.2

Zyklusphasen – 275 Hormonelle Verhütungsmittel

11.4

Androgene – 276

11.4.1 11.4.2 11.4.3

Synthese und Regulation von Testosteron – 276 Testosteronwirkungen – 277 Störungen der Testosteronausschüttung oder Wirkung

11.5

Gameten

11.5.1 11.5.2

Oozyten – 279 Spermien – 279

11.6

Kohabitation und Befruchtung – 279

11.6.1 11.6.2

Kohabitation – 279 Befruchtung – 280

11.7

Schwangerschaft

11.7.1 11.7.2 11.7.3

Hormonelle Umstellung – 281 Plazenta – 281 Umstellung im mütterlichen Organismus

– 274

– 275 – 276

– 279

– 281

– 282

– 278

11.8

Fetus

– 283

11.8.1 11.8.2

Wachstum, Endokrines System Organentwicklung – 283

11.9

Geburt

11.9.1 11.9.2 11.9.3 11.9.4

Hormonelle und vegetativ-nervale Steuerung der Uteruskontraktionen Wehentätigkeit – 285 Anpassung des Neugeborenen – 285 Umstellung der Mutter nach der Geburt – 286

11.10

Laktation

11.10.1 11.10.2

Mechanismen und Regulation mütterlicher Milchproduktion Muttermilch – 287

11.11

Alter – 287

11.11.1 11.11.2

Wechseljahre, Menopause – 287 Hormonsubstitution – 287

– 283

– 285

– 286 – 286

– 285

271 11.1 · Geschlechtsfestlegung und Pubertät

> > Einleitung Fortpflanzung, Altern und Tod sind Voraussetzung für die ständige Erneuerung von menschlichem Leben. In Abhängigkeit von einem testisdeterminierenden Faktor auf dem Y Chromosom entwickeln sich männliche oder weibliche Gonaden, die männliche bzw. weibliche Sexualhormone bilden. Unter dem Einfluss der Sexualhormone entwickeln sich die inneren und äußeren Geschlechtsorgane, die sekundären Geschlechtsmerkmale und eine Vielzahl von extragenitalen Eigenschaften inklusive der psychischen Ausprägung. Damit werden Mann und Frau auf unterschiedliche Aufgaben in der Fortpflanzung vorbereitet.

11.1

Geschlechtsfestlegung und Pubertät

11.1.1

Geschlechtsentwicklung

mon unterdrückt. Die äußeren sekundären Geschlechtsmerkmale (Behaarung, Stimme) werden in erster Linie durch die Konzentrationen an Androgenen determiniert (7 Kap. 11.4.2), die Entwicklung weiblicher Genitale und einiger weiblicher Geschlechtsmerkmale werden durch Östrogene gefördert. Über die männliche oder weibliche Prägung des Gehirns entscheidet wahrscheinlich die Anwesenheit von Androgenen in der zweiten Schwangerschaftshälfte. Definition des Geschlechtes. Das Geschlecht kann nun aufgrund des Chromosomensatzes (XX bzw. XY), aufgrund der Gonaden (Ovar oder Testis), der inneren Genitale, der äußeren Erscheinungsform, aber auch der psychischen Geschlechterrolle definiert werden.

11.1.2

! Die Gonadenentwicklung wird durch den testisdeterminierenden Faktor geprägt, die Entwicklung von Geschlechtsorganen von Androgenen und Anti-MüllerHormon

Störungen der Geschlechtsentwicklung

! Intersexualität tritt auf, wenn sich die verschiedenen Geschlechtsmerkmale nicht eindeutig oder in unterschiedlicher Ausprägung ausbilden

Pseudohermaphroditismus. Beim PseudohermaphroditisGonadenentwicklung. Die Entwicklung der Gonadenan-

lagen zu Ovar oder Testis wird durch An- oder Abwesenheit des testisdeterminierenden Faktors (TDF) festgelegt, der auf der SRY (sex determining region of Y) des Y-Chromosoms kodiert wird und die Entwicklung der Testis bewirkt. Bei Fehlen des TDF entwickelt sich ein Ovar. Die Gonaden entscheiden über die Bildung von weiblichen oder männlichen Sexualhormonen. In den Leydig-Zwischenzellen der Testis wird Testosteron, in den Sertolizellen des Hodens Anti-Müller-Hormon (Müller-Inhibitionsfaktor, MIF) gebildet. Im Ovar werden Gestagene und Östrogene, aber in geringen Konzentrationen auch Androgene (vorwiegend Androstendion) gebildet. Umgekehrt bildet der Mann nicht nur Androgene, sondern auch Gestagene (z. T. Vorstufen der Testosteronbildung) und Östradiol (überwiegend durch periphere Umwandlung von Testosteron). Entwicklung der Geschlechtsorgane. Die Entwicklung der

Wolff-Gänge zum männlichen inneren Genitale (Nebenhoden und Samenleiter) wird von Androgenen gefördert, die Entwicklung von Müller-Gängen zum weiblichen inneren Genitale (Eileiter, Uterus, Vagina) vom Anti-Müller-Hor-

mus entsprechen die Gonaden dem Chromosomengeschlecht. Der männliche Pseudohermaphroditismus weist jedoch intersexuelle oder weibliche Geschlechtsmerkmale auf. Ursache kann Mangel an Gonadotropinen sein, z. B. bei Unterdrückung der Gonadotropinausschüttung durch gesteigerte Bildung weiblicher Sexualhormone durch einen Tumor. Weitere Ursachen sind defekte Hoden, fehlende Konversion von Testosteron in Dihydrotestosteron (5α-Reduktasemangel, 7 Kap. 11.4.2) sowie defekte Androgenrezeptoren. Der weibliche Pseudohermaphroditismus kann Folge iatrogener Zufuhr oder gesteigerter Bildung von Androgenen sein, wie bei einem androgenproduzierenden Tumor oder bei Enzymdefekten von Nebennierenrindenhormonen, die zu gesteigerter Bildung von Androgenen führen. Eine mangelhafte Bildung von weiblichen Sexualhormonen kann über Steigerung der Gonadotropinausschüttung die Bildung von Androgenen fördern.

11

272

Kapitel 11 · Sexualentwicklung und Reproduktionsphysiologie

In Kürze

Geschlechtsfestlegung und Pubertät Geschlechtsentwicklung 4 : Sex determining region of Y (SRY) o Testisdeterminierender Faktor (TDF) o Testis o Testosteron (Leydig-Zwischenzellen), Anti-Müller-Hormon (Sertolizellen) o Wolff-Gänge o Nebenhoden, Samenleiter 4 : Fehlender TDF o Ovar o Östrogene (Follikelzellen), Gestagene (Corpus luteum), fehlendes AntiMüller-Hormon o Müller-Gänge o Eileiter, Uterus, Vagina

11.2

Weibliche Sexualhormone

11.2.1

Regulation der weiblichen Sexualhormone

! Die Ausschüttung von Sexualhormonen wird durch Hypothalamus und Hypophyse über Gonadoliberine und Gonadotropine reguliert

11

Gonadotropine. Unter dem stimulierenden Einfluss pulsatil ausgeschütteten Gonadoliberins (GnRH) werden bei beiden Geschlechtern die Gonadotropine des Hypothalamus, Follitropin (FSH) und Lutropin (LH), freigesetzt. Die Gonadotropine fördern Bildung und Ausschüttung der Sexualhormone, deren Wirkungen für die Reproduktionsmechanismen unerläßlich sind. Bei den weiblichen Hormonen sind es die Östrogene und Gestagene. Freilich werden auch bei der Frau Androgene (Testosteron) gebildet. Die Gonadotropinausschüttung wird durch Leptin unterstützt. Bei starker Abnahme der Fettmasse (z. B. Anorexie) ist die Leptinausschüttung für eine adäquate Gonadotropinausschüttung nicht ausreichend. Ontogenetische Entwicklung. Beim Kind sind die Gonadotropinspiegel und damit die Konzentrationen an Sexualhormonen verschwindend gering. Erst mit der Pubertät setzt die pulsatile Ausschüttung von Gonadoliberin (GnRH) und damit der Gonadotropine ein und die Sexualhormone werden gebildet. Bei der Frau sind die meisten Follikel in der fünften Lebensdekade verbraucht, das Ovar stellt seine Produktion an Östrogenen und Gestagenen ein und die bei der geschlechtsreifen Frau mehr oder weniger regelmäßi-

4 Definition des Geschlechtes: Chromosomensatz (XX bzw. XY), Gonaden (Ovar oder Testis), innere Genitale, äußere Erscheinungsform, psychische Geschlechterrolle Störungen der Geschlechtsentwicklung 4 Tumor o Sexualhormone n o Gonadotropine p; defekte Hoden, 5α-Reduktasemangel, Androgenrezeptordefekt o männlicher Pseudohermaphroditismus 4 Zufuhr, Tumore, Enzymdefekte o Androgene n o weiblicher Pseudohermaphroditismus

gen Regelblutungen (. Abb. 11.1) bleiben aus. Der Zeitpunkt der letzten Regelblutung wird als Menopause, die Zeit danach als Postmenopause bezeichnet. Regulation der weiblichen Sexualhormone. Follitropin (FSH) fördert die Reifung der Follikel und die Östrogenproduktion in den Granulosazellen der Follikel des Ovars (. Abb. 11.1). Die Östrogene (Östron, Östradiol, Östriol) hemmen bei niedrigen Konzentrationen die Ausschüttung der Gonadotropine (negative Rückkopplung). Durch die weitere Entwicklung der Follikel nimmt die Östrogenproduktion jedoch weiter zu und bei hohen Östrogenkonzentrationen schlägt die Hemmung in eine Stimulation der Gonadotropinausschüttung um (positive Rückkopplung), die zu einem massiven Anstieg der Gonadotropinkonzentration und damit zum Eisprung führt. Nach dem Eisprung wandeln sich die Zellen des geplatzten Follikels zum Gelbkörper (Corpus luteum) um. Die vom Corpus luteum unter dem Einfluss von Lutropin gebildeten Gestagene sowie nach dem Eisprung auch die Östrogene hemmen die weitere Ausschüttung von Gonadotropinen, die Konzentrationen an Gonadotropinen und mit einiger Verzögerung auch an Östrogenen und Gestagenen sinken wieder ab. In der Regel nimmt dieser Zyklus 28 Tage in Anspruch, wobei die Dauer zwischen Menstruation und Ovulation äußerst variabel ist. Abbau und Ausscheidung von Östrogenen und Gestagenen. Östradiol wird in in der Leber zu Östron abgebaut.

Östron wird u. a. an Sulphat und Glukuronsäure gekoppelt und über die Niere ausgeschieden. Progesteron wird zu Pregnandiol abgebaut, an Glukuronsäure gekoppelt und über die Niere ausgeschieden.

273 11.2 · Weibliche Sexualhormone

Zellen noch Oxytozin (7 Kap. 11.2.5) und Relaxin, die Muttermund bzw. Schambeinfuge auflockern und damit für eine etwaige Geburt vorbereiten.

11.2.2

Wirkungen der weiblichen Sexualhormone

! Östrogene und Gestagene sind für die Sexualfunktionen erforderlich, haben jedoch zusätzlich eine Vielzahl extragenitaler Wirkungen

Wirkungen weiblicher Sexualhormone auf die Geschlechtsorgane. Östrogene (v. a. das besonders wirksame

. Abb. 11.1. Weiblicher Zyklus. Regulation der Ausschüttung weiblicher Sexualhormone (oben), Proliferation, Sekretion und Desquamation der Uterusschleimhaut (unten)

Östradiol) fördern die Entwicklung der Müller-Gänge in Eileiter und Gebärmutter, der Scheide, der Ovarien und der sekundären Geschlechtsmerkmale (u. a. Entwicklung der Mammae, die weibliche Fettverteilung). Für die Stimulation der Scham- und Achselbehaarung benötigen die Östrogene die Kooperation mit den Androgenen. Östrogene beeinflussen ferner die psychische Entwicklung zur Frau. Bei geschlechtsreifen Frauen fördern Östrogene die Proliferation, Gestagene die Reifung und Sekretionstätigkeit der Uterusschleimhaut. Gestagene mindern ferner die Kontraktilität der Uterusmuskulatur. Bei Abfall von Progesteron gegen Ende des Zyklus wird die Uterusschleimhaut abgestoßen (Regelblutung, . Abb. 11.1). Östrogene vermindern, Gestagene steigern die Konsistenz des Zervixschleims. Gestagene verengen den Muttermund und hemmen die Eileitermotilität. Östrogene steigern, Gestagene hemmen die Proliferation und Abschilferung von Vaginalepithel, dessen Glykogen von der Vaginalflora zu Milchsäure abgebaut wird. Der durch Milchsäure gesenkte pH hemmt das Vordringen pathogener Keime. Östrogene fördern die Ausbildung von Drüsenschläuchen, Gestagene die Ausbildung von Alveolen der Milchdrüsen. Extragenitale Wirkungen der Sexualhormone. Östrogene

Weitere Hormone. Die Granulosazellen bilden außer

Östrogenen Inhibin und Activin sowie mit den Thekazellen die Androgene Androstendion und Testosteron (7 Kap. 11.4). Activin fördert, Inhibin hemmt die Gonadotropinausschüttung. Auch das aus der Hypophyse stammende Prolaktin (7 Kap. 11.2.5) hemmt die GnRH-Ausschüttung und damit die Ausschüttung von Gonadotropin. Darüber hinaus mindert es die Ansprechbarkeit des Ovars für Gonadotropine. Schließlich bilden die Corpus-luteum-

und Gestagene üben eine Reihe von extragenitalen Wirkungen aus. Östrogene 4 fördern Proteinaufbau 4 mindern die Insulinempfindlichkeit des Fettgewebes 4 stimulieren die Bildung von HDL (high density lipoprote-

ins) und von VLDL (very low density lipoproteins), senken die Plasmakonzentrationen der LDL (low density lipoproteins) und setzen damit das Arterioskleroserisiko herab

11

274


4 steigern andererseits die Gerinnungsbereitschaft des

Blutes 4 fördern die renale Elektrolytretention 4 unterstützen über Hydroxylierung von Vitamin D3 die Mineralisierung des Knochens 4 fördern bei Kindern Knochenwachstum und -reifung und beschleunigen den Epiphysenschluss Gestagene 4 steigern den Grundumsatz 4 erhöhen die Körpertemperatur 4 lösen eine Hyperventilation aus 4 üben eine mäßige glukokortikoide und antimineralokortikoide (natriuretische) Wirkung aus 4 senken die Produktion von Cholesterin und die Plasmakonzentrationen von HDL und LDL

Mangel an Sexualhormonen lässt keinen normalen Zyklus zu. Bei Östrogenmangel fehlt die Proliferationsphase des Uterus und die Gestagene sind nicht in der Lage, die Reifung herbeizuführen. Bei Gestagenmangel entfällt die Reifung der Uterussschleimhaut. In beiden Fällen sind die Patientinnen unfruchtbar. Die Regelblutungen bleiben aus (Amenorrhö). Der Mangel an Östrogenen äußert sich ferner in herabgesetzter Ausprägung äußerer Geschlechtsmerkmale, in Anfälligkeit gegenüber Vaginalinfektionen, in Osteoporose und bei Kindern in verzögertem Epiphysenschluss, der trotz verlangsamtem Wachstum letztlich zu einem Hochwuchs führen kann. Der Mangel an Östrogenen in der Postmenopause beschleunigt die im Alter ohnehin fortschreitende Entmineralisierung des Knochens. Ein Mangel an Östrogenen führt im Übrigen auch beim Mann zu beschleunigtem Knochenabbau. Weitere Ursachen von Infertilität. Auch bei normaler Aus-

11.2.3

Überschuss und Mangel an weiblichen Sexualhormonen

! Sowohl ein Überschuss als auch ein Mangel an weiblichen Sexualhormonen führt zu Amenorrhö und zu einer Reihe von genitalen und extragenitalen Störungen

Überschuss an weiblichen Sexualhormonen. Ein Überschuss an weiblichen Sexualhormonen ist meist Folge

11

exogener Zufuhr (Kontrazeptiva). Ferner bilden einige Tumore Sexualhormone. Dabei ist die Gonadotropinausschüttung unterdrückt, die Reifung der Follikel bleibt aus, eine geregelte Abstoßung der Uterusschleimhaut kommt nicht zustande und die Patientinnen sind unfruchtbar. Bei Kindern leiten hohe Östrogenkonzentrationen eine frühzeitige Geschlechtsreife ein und beschleunigen das Wachstum. Dabei führt allerdings der vorzeitige Epiphysenschluss letztlich zu einem Minderwuchs. Die Einnahme von Kontrazeptiva steigert das Risiko für das Auftreten von tiefen Venenthrombosen und Lungenembolien. Durch Reduktion des Östrogenanteils kann das Risiko herabgesetzt werden. Mangel an weiblichen Sexualhormonen. Ein Mangel an weiblichen Sexualhormonen ist häufig Folge herabgesetz-

ter Gonadoliberinausschüttung bei massiver psychischer (z. B. Stress) und physischer (z. B. schwere Allgemeinerkrankungen, Mangelernährung) Belastung. Die Bildung von Östrogenen und/oder Gestagenen ist ferner bei einer Funktionsstörung des Ovars beeinträchtigt.

schüttung von Sexualhormonen ist die Frau infertil, wenn kein Eisprung stattfindet, wenn der Eileiter nicht durchgängig, oder wenn die Funktion des Uterus gestört ist.

11.2.4

Oxytozin und Prolaktin

! Oxytozin und Prolaktin sind hypophysäre Hormone, die bei der hormonellen Regulation von Geburt und Laktation beteiligt sind

Oxytozin. Oxytozin fördert die Kontraktion der Uterus-

muskulatur (im Orgasmus oder bei der Geburt), der glatten Muskulatur der Milchdrüsen (beim Stillen) und der Samenkanälchen (bei der Ejakulation). Oxytozin beeinflusst die Psyche und trägt so wahrscheinlich zur emotionalen Bindung der stillenden Mutter an den Säugling bei. Prolaktin. Prolaktin ist ein Peptidhormon (199 Aminosäuren), das im Hypophysenvorderlappen gebildet wird. Die Prolaktinausschüttung wird durch Thyroliberin, Endorphine, Angiotensin II und vasoactive intestinal peptide (VIP) stimuliert und durch Dopamin sowie ein weiteres Prolaktostatin (PIH) gehemmt. Der Einfluss von Dopamin auf die Prolaktinausschüttung überwiegt, d. h. bei Unterbrechung des Einflusses vom Hypothalamus wird vermehrt Prolaktin ausgeschüttet. Die Prolaktinausschüttung ist bei der Laktation (Stillen) sowie u. a. bei Stress gesteigert. Prolaktin fördert Wachstum, Differenzierung und Tätigkeit der Brustdrüse, hemmt die Ausschüttung von Gonadotropinen (LH, FSH) und beeinflusst die Immunabwehr.

275 11.3 · Menstruationszyklus

In Kürze

Weibliche Sexualhormone Regulation der weiblichen Sexualhormone 4 Ab Pubertät bis zu Menopause o GnRH (pulsatil) o Gonadotropine [ FSH (o Follikelreifung, Granulosazellen o Östrogenproduktion), LH (o Corpus luteum o Gestagene)] 4 Prolaktin p, Leptin n o Gonadotropine n 4 Granulosazellen zusätzlich o Inhibin (o Gonadotropine p), Activin (o Gonadotropine n), Thekazellen o Androstendion,Testosteron 4 Corpus-luteum-Zellen zusätzlich o Oxytozin, Relaxin Wirkungen der weiblichen Sexualhormone 4 Östrogene (Östradiol) o Reifung Eileiter, Gebärmutter, Scheide, Ovarien, Mammae, weibliche Fettverteilung, Psyche, (+ Androgene o Scham-, Achselbehaarung); Proliferation Uterusschleimhaut, Zervixschleimkonsistenz p, Proliferation Vaginalepithel n (o Glykogen o Milchsäure o pH p) Drüsenschläuche Milchdrüse n, Proteinaufbau n, Insulinempfindlichkeit Fettgewebe p, HDL n, VLDL n, LDL p (o Arterioskleroserisiko p), Gerinnungsbereitschaft Blut n, renale Elektrolytretention n, Calcidiolbildung n, Knochenmineralisierung n, Epiphysenschluss 4 Gestagene (Progesteron) o Reifung, Sekretion Uterusschleimhaut n, Zervixschleimkonsistenz n, Kontraktilität Uterusmuskulatur p, Verengung Mutter-

11.3

Menstruationszyklus

11.3.1

Zyklusphasen

! Die weiblichen Hormone und Sexualfunktionen durchlaufen einen etwa 4-wöchigen Rhythmus

Zyklusabhängige Veränderungen der Hormonspiegel. Im weiblichen Zyklus kommt es zu charakteristi-

schen Veränderungen der Hormonkonzentrationen (7 Kap. 11.2.1). Vor dem Eisprung steigen die Konzentrationen von Östradiol und LH steil an (. Abb. 11.1). Nach dem Eisprung sinkt die LH-Konzentration wieder ab und es wird durch den Gelbkörper im Ovar Progesteron gebildet. Bei Zusammenbruch des Gelbkörpers nehmen die

mund, Eileitermotilität p, Proliferation Vaginalepithel p, Alveolen Milchdrüsen n, Grundumsatz n, Körpertemperatur n, Hyperventilation n, glukokortikoide Wirkung n, antimineralokortikoide (natriuretische) Wirkung n, Cholesterinproduktion p, HDL p, LDL p Überschuss und Mangel an weiblichen Sexualhormonen 4 Kontrazeptiva, Tumore o Überschuss Sexualhormone o Gonadotropine p, (o Follikelreifung p), gestörte Menstruation (o Infertilität), frühzeitige Geschlechtsreife, beschleunigtes Wachstum, vorzeitiger Epiphysenschluss (o Minderwuchs), Venenthrombosen n, (o Lungenembolie). 4 Stress, Magersucht (o Leptin p) o Gonadoliberine p o Mangel Sexualhormone o Proliferation/Sekretion Uterusschleimhaut (o Infertilität), äußere Geschlechtsmerkmale p, Vaginalinfektionen, Osteoporose, verzögerter Epiphysenschluss (o Hochwuchs) Oxytozin und Prolaktin 4 Oxytozin o Kontraktion Uterusmuskulatur Milchdrüsengänge, Samenkanälchen; Zuneigung 4 Thyroliberin n, Endorphine n, Angiotensin II n VIP n, Dopamin p, PIH p o Prolaktin n o Brustdrüse, Gonadotropine (LH, FSH) p, Immunabwehr

Konzentrationen von Östrogenen und Gestagenen wieder steil ab. Veränderungen im Uterus. Unter der Wirkung von Östrogenen proliferiert das Endometrium des Uterus und wird zunehmend dicker (7 Kap. 11.2.2). Unter dem Einfluss der Gestagene wird die Sekretionsphase eingeleitet. Der Abfall der Gestagenkonzentration am Ende des Zyklus führt zur Abstoßung der Uterusschleimhaut (7 Kap. 11.2.2). Veränderungen im Ovar. Zu Beginn des Zyklus reifen

mehrere Tausend Follikel. Die Follikelzellen bilden Östrogene (7 Kap. 11.2.1). Die steil ansteigenden Konzentrationen an LH führen zum Rupturieren von einem (oder

11

276


sehr selten von mehr als einem) Follikel (7 Kap. 11.2.1). Die zurückbleibenden Follikelzellen bilden sich in gestagenproduzierende Corpus-luteum-Zellen um. Nach etwa 14 Tagen kommt es zur Apoptose der Corpusluteum-Zellen. Damit bricht die Progesteronproduktion ein. Empfängnisbereitschaft während des Zyklus. Unter dem Einfluss der Östrogene ist die Zervixschleimkonsistenz herabgesetzt und damit der Muttermund für Spermien besonders durchgängig. Gestagene steigern die Konsistenz des Zervixschleims. Nach dem Eisprung ist das weibliche Ei nur etwa 12–24 Stunden empfängnisbereit. Spermien sind für 24–48 Stunden lebensfähig. Damit ist eine Befruchtung durch einen Koitus maximal zwei Tage vor bis zu einem Tag nach dem Eisprung möglich.

11.3.2

Hormonelle Verhütungsmittel

! Empfängnis kann durch Hormonzufuhr verhindert werden

Kontrazeptiva. Durch Zufuhr von Östrogenen oder Gestagenen wird die Ausschüttung der Gonadotropine (v. a. der für die Auslösung der Ovulation erforderliche Sekretionsgipfel) gehemmt. Durch Zufuhr von Progesteron kann die Konsistenz des Zervixschleims gesteigert und damit der Durchtritt von Spermien verhindert werden. Hohe Dosen an Östrogenen können die Einnistung des Keimlings kurz nach der Befruchtung verhindern. Progesteronantagonisten. Im Gegensatz zu den Kontra-

zeptiva sind Progesteronrezeptorantagonisten auch noch nach der Einnistung des Eis wirksam. Sie unterbinden die Wirkungen von Progesteron und lösen somit einen Schwangerschaftsabbruch aus.

In Kürze

Menstruationszyklus

11

Zyklusphasen 4 Hormonspiegel: Östradiol n, LH n o Eisprung o LH p, Progesteron n o (≈14 Tage) Zusammenbruch Gelbkörper o Östrogene p, Gestagene p 4 Uterus: (Östrogeneo ) Proliferation o (Gestageneo ) Sekretionsphase o Abstoßung 4 Ovar: Reifung mehrerer Tausend Follikel o Östrogene; LH n o Rupturieren eines Follikels o Corpus-luteumZellen o Gestagenproduktion o (≈14 Tage) Apoptose Corpus-luteum-Zellen o Progesteronproduktion p 4 Empfängnisbereitschaft: Östrogene o Zervixschleimkonsistenz p o Muttermund durchgängig

11.4

Androgene

11.4.1

Synthese und Regulation von Testosteron

! Das wichtigste männliche Sexualhormon ist Testosteron, das in den Leydig-Zwischenzellen des Hodens gebildet wird

Testosteronsynthese. Die Syntheseschritte von Testosteron sind in 7 Kap. 10.3.3 (. Abb. 10.8) dargestellt.

(fruchtbar); Gestagene o Zervixschleimkonsistenz n o undurchgängig; Ei ≈12–24 h empfängnisbereit, Spermien ≈24–48 h lebensfähig. Befruchtung ≈zwei Tage vor bis 1 Tag nach dem Eisprung Hormonelle Verhütungsmittel 4 Kontrazeptiva: Östrogene, Gestagene o Gonadotropine p o Ovulation unterbunden; Progesteron o Zervixschleimdurchlässigkeit p, Östrogene nn o Einnistung p 4 Progesteronantagonisten o Schwangerschaftsabbruch

Regulation der Ausschüttung. Die Testosteronproduktion

und Ausschüttung wird durch Lutropin (LH, ICSH = interstitial cell stimulating hormone) gefördert, das in der Hypophyse unter dem stimulierenden Einfluss von Gonadoliberin (GnRH) aus dem Hypothalamus gebildet wird (7 Kap. 11.2.1). Testosteron hemmt die Ausschüttung von GnRH und damit von Lutropin und Follitropin (. Abb. 11.2). Unter dem Einfluss von FSH bilden die Sertoli-Zellen des Hodens Inhibin, das die Ausschüttung von GnRH hemmt, und androgenbindendes Protein (ABP), das den Transport von Testosteron in die Samenkanälchen

277 11.4 · Androgene

vermittelt. Beim Mann werden aus Testosteron im Übrigen auch Östrogene gebildet, die offenbar für die Mineralisierung des Knochens wichtig sind (7 Kap. 11.2.2).

11.4.2

Testosteronwirkungen

! Testosteron ist für die Entwicklung männlicher Reproduktionsorgane und der sekundären Geschlechtsmerkmale verantwortlich

Genitale Wirkungen von Testosteron. Sie dienen in erster

Linie der Entwicklung und Tätigkeit der Reproduktionsorgane (. Abb. 11.2). Testosteron fördert Wachstum und Entwicklung von Tubuli seminiferi, Samenleiter, Samenblase, Prostata, Skrotum und Penis. Testosteron gelangt unter Vermittlung von androgenbindendem Protein in die Samenkanälchen und fördert dort, gemeinsam mit Follitropin, die Bildung und Reifung der Spermatozyten. Testosteron fördert ferner die Reifung der Spermien im Nebenhoden und die Sekretionstätigkeit von Prostata (vermindert Ejakulatviskosität) und Samenblase (Beimengung von Fruktose und Prostaglandinen). Wirkungen auf sekundäre Geschlechtsmerkmale. Testosteron ist für die Ausbildung der sekundären Geschlechtsmerkmale verantwortlich, wie 4 Bartwuchs 4 männliche Schambehaarung 4 Hautdicke 4 Pigmentierung des Skrotum 4 Kehlkopfwachstum (Stimmbruch) 4 Verdickung der Stimmbänder 4 Sekretionstätigkeit der Talgdrüsen und Schweißdrüsen in Achselhöhlen und Genitalbereich

Die Anwesenheit von Testosteron ist für den männlichen Haarausfall verantwortlich. . Abb. 11.2. Bildung und Wirkung männlicher Sexualhormone

Weitere Wirkungen. Testosteron 4 steigert über Stimulation der Erythropoietinausschüt-

tung die Erythropoiese 4 steigert z. T. über Stimulation von Proteinaufbau das

Muskel- und Knochenwachstum 4 senkt die Konzentration an HDL (high density lipopro-

teins) im Blut 4 beeinflusst die Fettverteilung 4 fördert die renale Retention von Elektrolyten

11

278


Zwar beschleunigt Testosteron bei Jugendlichen und Kindern das Längenwachstum, gleichzeitig leitet es den Verschluss der Epiphysenfugen ein und beendet damit das Längenwachstum. Ein Überschuss an Testosteron führt somit letztlich zu herabgesetzter Körpergröße, während Mangel an Testosteron zu Riesenwuchs führt (eunuchoider Hochwuchs). Durch Beeinflussung von limbischem System und Hypothalamus steigert Testosteron die Libido. Dihydrotestosteron. Die Wirkungen von Testosteron

werden teilweise nicht durch das Hormon selbst, sondern durch Dihydrotestosteron ausgelöst, das unter Vermittlung des Enzyms 5α-Reduktase in Sertoli-Zellen und Peripherie aus Testosteron gebildet wird. Die Sertoli-Zellen bilden ferner aus Testosteron Östrogene, die wie Testosteron selbst die Entwicklung der Spermatozyten fördern.

11.4.3

Störungen der Testosteronausschüttung oder Wirkung

! Ein Mangel an Testosteron führt zu weiblicher Ausprägung, ein Überschuss zu Virilisierung

11

Testosteronmangel. Wichtigste Störung bei herabgesetzter Testosteronproduktion durch Hodeninsuffizienz oder Mangel an 5α-Reduktase ist Infertilität. Ferner werden in Abhängigkeit vom Entwicklungsstadium die sekundären Geschlechtsmerkmale weniger stark ausgeprägt. Ein völliger Mangel an Testosteronwirkung führt zu einer weiblichen Ausprägung der Reproduktionsorgane mit völligem Fehlen sekundärer Geschlechtsmerkmale (hairless women). Testosteronüberschuss. Bei langdauernder exogener Zufuhr von Testosteron (z. B. Anabolikamissbrauch) wird über die Hemmung der Follitropin-(FSH-) und Lutropin-(LH-)Ausschüttung im Hoden weniger Testosteron und androgenbin-

dendes Protein gebildet, was zu Hodenatrophie und Verlust der Fertilität führen kann. Bei Frauen folgen Vermännlichung (Virilisierung) bei gleichzeitiger Störung des weiblichen Hormonhaushaltes und damit ebenfalls Infertilität. In Kürze

Androgene Synthese und Regulation von Testosteron 4 Testosteronsynthese: (. Abb. 10.8) 4 GnRH (pulsatil) o LH n (o Testosteron n), FSH n (o Inhibin n,androgenbindendes Proteinn) o GNRH p o LH p, FSH p Testosteronwirkungen 4 Testosteron (5α-Reduktase) o Dihydrotestosteron o Wachstum, Entwicklung Tubuli seminiferi, Samenleiter, Samenblase, Prostata, Skrotum, Penis n; Spermatozytenreifung n, Sekretion n Prostatasekretion (o Ejakulatviskosität p), Samenblase (Fruktose, Prostaglandine), Bartwuchs, männliche Schambehaarung, Hautdicke, Pigmentierung des Skrotum, Kehlkopfwachstum (Stimmbruch), Verdickung Stimmbänder, Sekretion Talgdrüsen, Schweißdrüsen; Haarausfall; Erythropoietin n; Muskel-, Knochenwachstum, HDL p, Fettverteilung, renale Elektrolytretention; Längenwachstum, Epiphysenfugenschluss, Libido Störungen der Testosteronausschüttung oder Wirkung 4 Hodeninsuffizienz, Mangel an 5α-Reduktase o Dihydrotestosteronmangel o Infertilität, sekundäre Geschlechtsmerkmale p (hairless women) 4 Exogene Zufuhr Testosterono Testosteronüberschuss o LH p (o endogene Androgenproduktion p), FSH p (o androgenbindendes Protein p), o Hodenatrophie, Infertilität; Bei o Virilisierung, GnRH p o Östrogene p, Gestagene p o Infertilität

279 11.6 · Kohabitation und Befruchtung

11.5

Gameten

11.5.1

Oozyten

! Oozyten reifen in Follikeln des Ovars und werden beim Eisprung in den Eileiter katapultiert

die relativ hohe K+-, Phosphat-, und Glycerophosphorylcholin sowie relativ geringe Na+- und Ca2+-Konzentrationen aufweist. Die Prostata sezerniert u. a. Zitrat und Zink, die Samenbläschen Fruktose, Prostaglandine, und das koagulierende Seminogelin. Im weiblichen Genitaltrakt erhalten die Spermien zudem Zugang zu Glukose und Laktat.

Oozytenreifung. Bereits während der embryonalen Ent-

In Kürze

wicklung der Frau werden aus den sich mitotisch teilenden Urkeimzellen (Eistammzellen, Oogonien) primäre Oozyten gebildet. Zum Zeitpunkt der Geburt verfügt die Frau über etwa 2 Millionen Oogonien. Zum Zeitpunkt der Pubertät sind es noch ca. 300.000 pro Ovar (Atresie). Durch Meiose halbiert sich der Chromosomensatz zur reifen Oozyte. In der Prophase der Meiose I lagern sich Follikelzellen an das Ei an und werden von östrogenproduzierenden Granulosazellen ummantelt (Primordialfollikel). Durch Größenzunahme der Eizelle und Proliferation der Follikelzellen und Granulosazellen bilden sich Sekundärfollikel und Tertiärfollikel (Graaf-Follikel).

Gameten

Eisprung. Unter dem Einfluss von LH wächst der Follikel,

und rupturiert, unterstützt durch die proteolytische Wirkung von eiweißspaltenden Enzymen (Proteasen) und durch Kontraktionen in der Follikelbasis: Dadurch wird das Ei in den Eileiter geworfen.

11.5.2

Oozyten 4 Oozytenreifung: Urkeimzellen o primäre Oozyten o Halbierung Chromosomensatz + Follikelzellen + östrogenproduzierende Granulosazellen o Primordialfollikel o Sekundärfollikel o Tertiärfollikel (Graaf-Follikel), LHo Follikelwachstum o Ruptur (Eisprung) Spermien 4 Follitropin, Testosteron, Östrogene o Tubuli seminiferi o Spermatogonien o Spermatozyten o Halbierung Chromosomensatz o Spermatiden o Spermatozoen (Spermien) (70 Tage) o Speicherung in Nebenhoden, Vasa deferentia o + Sekrete Samenblase, Prostata, Schleimdrüsen o Ejakulation 4 Ejakulatzusammensetzung: K+ n, Phosphat n, Glycerophosphorylcholin n, Na+ p, Ca2+ p-Konzentrationen, Zitrat, Zink, Fruktose, Prostaglandine, Seminogelin

Spermien

! Spermien reifen in den Tubuli seminiferi und gelangen über Ejakulation in die Vagina

11.6

Kohabitation und Befruchtung

Reifung der Spermien. Unter dem Einfluss von Follitropin,

11.6.1

Kohabitation

Testosteron und den aus Testosteron gebildeten Östrogenen werden in den Tubuli seminiferi aus Spermatogonien über Spermatozyten und unter Halbierung des Chromosomensatzes die Spermatiden gebildet, aus denen ohne weitere Zellteilung die Spermatozoen (Spermien) entstehen. Die Reifung benötigt etwa 70 Tage. Dabei spielen die Sertoli-Zellen eine wesentliche Rolle. Die Reifung der Spermien wird erst in den Nebenhoden (Epididymis) vollendet. Bis zur Ejakulation werden sie in Nebenhoden und Vasa deferentia gespeichert. Mit den Sekreten von Samenblase, Prostata und Schleimdrüsen werden sie schließlich bei der Ejakulation ausgeworfen. Zusammensetzung des Ejakulats. Die Spermien werden in

einer luminalen »Konservierungs-Füssigkeit« aufbewahrt,

! Sexuelle Erregung führt zu Erektion und Ejakulation beim Mann, zum Anschwellen von Labia minora, Vagina und Uterus bei der Frau. Die Kohabitation führt bei beiden Geschlechtern zu Orgasmus

Steuerung der Genitalfunktionen beim Mann. Sexuelle Er-

regung löst beim Mann die Erektion des Gliedes aus. Sie ist Folge einer Dilatation der Arterien der Corpora cavernosa und des Corpus spongiosum urethrae, die durch parasympathische vegetative Neurone aus dem Rückenmarksegment S2 – S4 ausgelöst wird. Transmitter der postganglionären Neurone sind neben Acetylcholin VIP und Stickoxid (NO). Die Vasodilatation wird u. a. durch Aktivierung der

11

280


Proteinkinase G (7 Kap. 10.1.3) vermittelt. Darüber hinaus kann die Erektion auch psychogen über sympathische Innervation aus dem Thorakolumbalmark ausgelöst werden. Die Erektion wird durch Afferenzen gefördert, welche v. a. von der Glans penis über den N. pudendus zum Sakralmark laufen. Die Emission, d. h. der Übertritt von Samenflüssigkeit und Prostatasekret in die Urethra wird durch sympathische Efferenzen ausgelöst, welche die Kontraktionen von Epididymis, Ductus deferens, Vesicula seminalis und Prostata stimulieren. Zur Ejakulation kommt es durch Kontraktionen der über den N. pudendus somatisch innervierten Mm. bulbo- und ischiocavernosi sowie der Beckenbodenmuskulatur. Emission und Ejakulation werden v. a. durch Reiben des Penis ausgelöst, wobei die Afferenzen über den N. dorsalis penis (durch den N. pudendus) zum Rückenmark laufen. Während Emission und Ejakulation tritt beim Mann Orgasmus auf. Nach dem Orgasmus folgt die Rückbildungsphase mit einer Refraktärzeit von weniger als einer Stunde bis mehreren Stunden.

11

Steuerung der Genitalfunktionen bei der Frau. Bei der Frau kommt es bei Erregung zum Zurückweichen und Auseinanderklaffen der Labia maiora, sowie zum Anschwellen von Klitoris, Labia minora, Vagina und Uterus. Die zugrundeliegende Vasodilatation wird durch parasympathische Neurone aus dem Sakralmark und sympathische Neurone aus dem Lumbalmark ausgelöst. Die erregenden Afferenzen werden aus Klitoris, Labia minora etc. über den N. pudendus zum Sakralmark geleitet. Während des Orgasmus kommt es zur mehrfachen Kontraktion der orgastischen Manschette der Vagina und zu Kontraktionen des Uterus, welche durch sympathische Innervation vermittelt wird. Im Gegensatz zum Mann kann die Frau mehrere Orgasmen hintereinander erleben. Danach folgt die Rückbildungsphase. Wurde der Orgasmus nicht erreicht, ist die Rückbildungsphase langsamer.

11.6.2

Befruchtung

! Spermien folgen dem Maiglöckchenduft der Eizelle und reifen auf der Reise. Für die Befruchtung müssen Corona radiata und Zona pellucida des Eis überwunden werden

Spermatozoenaszension. Die in die Vagina entleerten

Spermien dringen in den Zervikalkanal des Uterus ein, dessen Schleim um die Ovulation eine besonders geringe Vis-

kosität aufweist. Die Spermien werden z. T. durch orgastische Uteruskontraktionen (7 Kap. 11.6.1) in Richtung des Eileiters katapultiert. Allerdings erreichen nur wenige Hundert der über 100 Millionen Spermien eines Ejakulates den Eileiter. Sie wandern mit einer Geschwindigkeit von 35 µm/s in Richtung der Eizelle. Die Eizelle gibt einen Maiglöckchenduftstoff ab, der die Spermien chemotaktisch anlockt. Die Spermien werden erst während der ascension befruchtungsfähig (Kapazitation). Dabei lösen sich Proteasehemmer von der Membran und es werden Proteasen sowie Rezeptoren für die Andockung an die weibliche Eizelle freigelegt. Befruchtung. Die Eizelle ist von einer äußeren Corona radiata und inneren Zona pellucida umgeben. Mit Hilfe ihrer Proteasen (Acrosin) durchdringen reife Spermien die Corona radiata und binden mit ihren speziesspezifischen Rezeptoren an die Zona pellucida. Nach Verschmelzen mit der Eizellmembran wird der Kopf des Spermiums internalisiert. Nach Eindringen eines Spermiums gibt die Eizelle Proteasen ab, welche die Rezeptoren an der Zona pellucida abbaut. Damit können in der Regel keine weiteren Spermien binden. Wanderung und Implanation der Eizelle. Die Befruchtung des mütterlichen Eis durch die väterlichen Spermien geschieht in der Regel bereits im Eileiter. Bis zum Erreichen des Uterus in etwa 4 Tagen hat das Ei dann viele Teilungen durchlaufen und es wird das Morulastadium (ca. 60 Zellen) erreicht. Die Ernährung wird durch Pyruvat, Laktat und Aminosäuren aus dem Tubensekret gewährleistet. Binnen 7 Tagen bildet sich die Blastozyte (Trophoblast und Embryoblast), die sich an das Uterusepithel heftet und mit Hilfe von Proteasen in das Endometrium eindringt. Das Endometrium ist in der Sekretionsphase ein hervorragender Nährboden für die Einnistung des Keimlings. Nährstoffe werden von Zellen der Uterusschleimhaut (Decidua) geliefert. Mit Hilfe von Proteolyse eröffnet der Trophoblast mütterliche Gefäße und schafft Hohlräume (Lakunen), in die sich mütterliches Blut ergießt. Letztlich entsteht auf diese Weise die Plazenta (7 Kap. 11.7.2).

281 11.7 · Schwangerschaft

In Kürze

Kohabitation und Befruchtung Kohabitation 4 : Afferenzen Glans penis o N. pudendus o Sexuelle Erregung o parasympathische vegetative Neurone (S2– S4) o Acetylcholin, VIP, NO o Proteinkinase G o Dilatation Arterien Corpora cavernosa, Corpus spongiosum urethrae o Erektion o sympathische Efferenzen o Kontraktion Epididymis, Ductus deferens, Vesicula seminalis, Prostata o Emission o Kontraktion Mm. bulbo-, ischiocavernosi, Beckenbodenmuskulatur o Ejakulation o Orgasmus o Rückbildungsphase (>1 Stunde) 4 : Afferenzen Klitoris, Labia minora o N. pudendus o parasympathische Neurone Sakralmark, sympathische Neurone Lumbalmark o Vasodilatation o Öffnen Labia maiora, Anschwellen Klitoris, Labia minora,

11.7

Schwangerschaft

11.7.1

Hormonelle Umstellung

! Der Keimling stimuliert zunächst die mütterliche Progesteronbildung durch Gonadotropine, später bildet er selbst Progesteron

Bildung von Gonadotropinen durch den Keimling. In wenigen Tagen bildet das Chorion des Keimlings humanes Choriongonadotropin, das im Corpus luteum der Mutter die weitere Ausschüttung von Gestagenen stimuliert. Damit wird ein Abfall der Gestagenkonzentration verhindert und die Regelblutung bleibt aus. Die Plazenta bildet ferner humanes Chorionsomatomammotropin (HCS, Plazentares laktogenes Hormon, HPL), das somatotropinähnliche Wirkungen entfaltet (7 Kap. 10.3.1). Das Hormon kann bereits 6 – 8 Tage nach der Befruchtung in Blut und Urin der Schwangeren nachgewiesen werden (Schwangerschaftstest). Progesteron- und Östriolbildung durch den Keimling. Ab

der 8. bis 10. Schwangerschaftswoche werden in der Plazenta des Keimlings aus mütterlichem Cholesterin hinreichende Mengen an Progesteron produziert, sodass der weitere Verlauf der Schwangerschaft vom Ovar unabhängig ist. Der Fetus bildet in seinen Nebennierenrinden ferner Dehydroepiandrosteron (DHEA), das in der Plazenta u. a. zur Öst-

Vagina, Uterus o Orgasmus o Sympathikus o Kontraktion orgastischer Manschette Vagina, Uterus o Orgasmus (wiederholbar) o Rückbildungsphase (langsam) Befruchtung 4 Spermien o Zervikalkanal o Eileiter (35 µm/s) o chemotaktischer Maiglöckchenduftstoff der Eizelle o während ascension Kapazitation o Durchdringen Corona radiata o Bindung an Rezeptoren der Zona pellucida o Verschmelzen o Internalisierung Kopf des Spermiums o proteolytischer Abbau Rezeptoren o Teilungen o Morulastadium (≈60 Zellen) o Blastozyte (Trophoblast und Embryoblast) o Implantation, Proteolyse Öffnung mütterlicher Gefäße o Lakunen o Plazenta

riolproduktion eingesetzt wird (fetoplazentare Einheit). Gegen Ende der Schwangerschaft bildet die Nebenniere unter dem Einfluss von ACTH zunehmend Kortisol und die Bildung von DHEA sowie von Progesteron geht zurück.

11.7.2

Plazenta

! Die Plazenta dient vor allem dem Stoffaustausch. Außerdem bildet sie Hormone

Bau der Plazenta. Zotten der Plazenta tauchen in die mit

mütterlichem Blut gefüllten intervillösen Hohlräume, die von Spiralarterien der mütterlichen Schleimhaut gespeist werden. Im Zentrum der Zotten sind die fetalen Blutgefäße, die sich in den Nabelschnurgefäßen vereinigen. Die fetalen Blutgefäße sind vom mütterlichen Blut durch das Epithel der Plazentazotten getrennt (Plazentaschranke). Plazentadurchblutung. Gegen Ende der Schwangerschaft

fließt etwas mehr als die Hälfte (55%) des fetalen Herzzeitvolumens (≈600 ml/min) durch die Plazenta. Der Blutdruck liegt in den Arterien bei 50-60 mmHg, in den Venen bei 10-20 mmHg. Die mütterliche Durchblutung liegt bei etwa 500 ml/min. Die mütterliche Plazentadurchblutung ist nicht autoreguliert und sinkt daher bei Blutdruckabfall. Ferner wird sie bei Uteruskontraktionen gedrosselt. Eine Mangeldurchblutung führt zur Hypoxie

11

282


des Feten, die an einer Verlangsamung der Herzfrequenz erkennbar ist. Funktion der Plazenta. Neben der Hormonbildung

11

(7 Kap. 11.7.1) dient die Plazenta in erster Linie der Versorgung des Feten über das mütterliche Blut. Die hohe O2-Affinität des fetalen Hämoglobin (7 Kap. 11.8.2) und die gleichzeitig herabgesetzte O2-Affinität des mütterlichen Blutes (7 Kap. 11.7.3) erleichtert die fetale O2-Aufnahme. Bei einem mittleren PO2 von etwa 4 kPa im arterialisierten Nabelvenenblut ist das fetale Hämoglobin etwas mehr als 50% gesättigt. Ferner werden Nährstoffe (Glukose, Aminosäuren, Vitamine) vom Feten aufgenommen. Der Transport von Glukose, Aminosäuren, Laktat, Vitamin B, Dehydroascorbinsäure, wird durch Carrier unterstützt (für Glukose z. B. GLUT1), Eisen wird durch Endozytose aufgenommen. CO2 und Stoffwechselendprodukte (z. B. Harnstoff) werden an das mütterliche Blut abgegeben. Der CO2-Partialdruck bleibt im arterialisierten Nabelschnurblut normalerweise unter 6 kPa. Auch Wasser und Elektrolyte werden über die Plazenta ausgetauscht. Die Plazenta erlaubt auch die Passage von mehreren Pharmaka, Toxinen, und Krankheitserregern (v. a. Viren). So führte die Hemmung der Angiogenese durch das als Schlafmittel eingesetzte Medikament Contergan bei Feten zu katastrophalen Missbildungen, ohne erkennbare entsprechende Nebenwirkungen beim Erwachsenen auszulösen. Für die Mütter sonst meist harmlose Infektionen (z. B. Röteln) können gleichermaßen massive Schädigungen beim Feten auslösen. Die Plazenta transportiert andererseits durch rezeptorvermittelte Endozytose auch Immunglobuline der Klasse IgG und bietet damit einen Schutz vor Infektionen. Andererseits kann dadurch auch eine Immunreaktion gegen den Feten auftreten (Rhesusinkompatibilität, 7 Kap. 2.5.5).

11.7.3

Umstellung im mütterlichen Organismus

! Die Schwangerschaft zwingt dem mütterlichen Organismus eine Leistungssteigerung auf

Gewichtszunahme. Das Gewicht der Schwangeren steigt um etwa 12 kg, wobei der Fetus (etwa 3,5 kg), die Plazenta (ca. 1 kg) und das Fruchtwasser (ca 1 kg) weniger als die Hälfe der Gewichtszunahme beisteuern. Die Masse der Uterusmuskulatur steigt von etwa 50 g auf etwa 1 kg, und auch die Masse der Brustdrüsen nimmt zu.

Nahrungsbedarf. Die Ernährung des Feten steigert den Be-

darf an Nährstoffen, Vitaminen und Spurenelementen. Schwangeren muss vor allem zusätzlich (1 mg/Tag) Eisen für die Hämoglobinbildung zugeführt werden. Gesteigerte Zufuhr von Vitamin D fördert die enterale Calciumphosphatabsorption und verhindert somit, dass die Mineralisierung des fetalen Skeletts auf Kosten der Mineralisierung mütterlicher Knochen und Zähne geschieht. Herz, Kreislauf, Blut. Die zusätzliche Durchblutung der Plazenta und die für die Versorgung des Feten erforderliche Leistungssteigerung der mütterlichen Organe erfordert eine Zunahme des Herzzeitvolumens (um 30–40%) und Blutvolumens (um 30%). Die periphere Vasodilatation wird durch vasodilatatorisch wirksame Mediatoren (u. a. PGE2) aus der Plazenta unterstützt. Durch Stimulation der Erythropoiese werden junge Erythrozyten mit hohen BPG-Konzentrationen und daher geringer O2-Affinität gebildet. Das Plasmavolumen nimmt stärker zu als die Erythrozytenzahl, sodass der Hämatokrit sinkt. Die damit verbundene Viskositätsabnahme kann zum Auftreten von Strömungsgeräuschen führen, zumal Herzminutenvolumen und damit Strömungsgeschwindigkeit gesteigert sind. Die Kompression von tiefen Venen im Becken kann den Rückstrom des Blutes von den Beinen behindern. Niere. Der renaler Blutfluss und die Filtrationsfraktion stei-

gen und damit die glomeruläre Filtrationsrate (um etwa 50%). Trotz renaler Vasodilatation steigt die Ausschüttung von Renin, das Angiotensin II bildet und so die Ausschüttung von Aldosteron steigert. Aldosteron stimuliert die distale Natriumresorption und trotz gesteigerter GFR wird letztlich weniger Kochsalz und Wasser ausgeschieden. Extrazellulärvolumen und Plasmavolumen nehmen zu. Aufgrund der vasodilatatorischen Mediatoren kommt es trotz hoher Angiotensinspiegel und trotz Hypervolämie normalerweise zu keiner Hypertonie. Bei etwa 5% der Schwangeren bildet die Plazenta offenbar weniger vasodilatatorisch wirksame Prostaglandine und es überwiegen vasokonstriktorische Einflüsse (z. B. Angiotensin II). Folgen sind Hypertonie und Zunahme des Widerstandes von Nierengefäßen. Schädigung der Glomerula führt zu Proteinurie, periphere Filtration zu Ödemen. (EPH-Gestose [Edema, Proteinuria, Hypertension]). Atmung. Unter dem Einfluss von Gestagenen steigt die

Ventilation um etwa 20% an und der PCO2 sinkt geringfügig ab.

283 11.8 · Fetus

In Kürze

Schwangerschaft Hormonelle Umstellung 4 Hormonbildung: Humanes Choriongonadotropin (o mütterliche Gestagene), ab 6–8 Tagen Chorionsomatomammotropin (HCS, somatotropinähnlich), ab 8. Schwangerschaftswoche Progesteron (Nebennierenrinden-Dehydroepiandrosteron (DHEA) o Östriol (fetoplazentare Einheit) o Ende Schwangerschaft o fetales ACTH o Kortisol n, DHEA p, Progesteron p Plazenta 4 Bau: In intervillöse Hohlräume (mütterliches Blut aus Spiralarterien) tauchen Zotten mit zentralen fetalen Blutgefäßen und Epithel (Plazentaschranke) 4 Durchblutung: Fetales HZV (≈600 ml/min) o 55% durch Plazenta; Blutdruck 50–60 mmHg arteriell, 10– 20 mmHg venös; mütterlicher Blutdruckabfall, Uteruskontraktionen o mütterliche Durchblutung (normalerweise 500 ml/min) p o fetale Hypoxie o fetale Herzfrequenz p

4 Funktionen: Hormonbildung; Aufnahme O2, Nährstoffe (Glukose, Aminosäuren, Vitamine, z. T. Carrier-vermittelt), Eisen (Endozytose); IgG Immunglobuline (Endozytose); Abgabe CO2, Stoffwechselendprodukte; WasserElektrolytaustausch (aber auch Passage von Pharmaka, Toxinen, und Krankheitserregern [v. a. Viren]) Umstellung im mütterlichen Organismus 4 Schwangerschaft o Gewicht n (≈12 kg,, davon ≈3,5 kg Fet, ≈1 kg Plazenta, ≈1 kg Fruchtwasser, Uterusmuskulatur ≈1 kg), Bedarf an Nährstoffen n, Vitaminen n (v. a. Vitamin D), Spurenelementen n (v. a. Eisen); Herzzeitvolumen n (≈30–40%); Blutvolumens n (≈30%), Erythropoiese n (o O2-Affinität p), Hämatokrit p (o Strömungsgeräusche); Ventilation n (≈20%); PCO2 p; GFR n (≈50%); Renin n (o Angiotensin II no Aldosteron n); Natriumresorption n (o Na+Ausscheidung p) 4 Bei ≈5% der Schwangeren Hypertonie; Proteinurie, Ödeme (EPH-Gestose)

11.8

Fetus

11.8.2

11.8.1

Wachstum, Endokrines System

! Die meisten Organe entwicklen sich innerhalb weniger Wochen

! Der Embryo wächst und stellt durch Hormonproduktion sicher, dass er nicht abgestoßen wird

Wachstum. Der Embryo wächst von 10 cm Körperlänge

und 100 g Gewicht in der zwölften Woche auf etwa 50 cm Körperlänge und 3,5 kg Gewicht bei Geburt. Der Fettanteil beträgt bei der Geburt etwa 15%. Endokrines System. Die Bildung von plazentaren Hormonen

wurde bereits dargestellt (7 Kap. 11.7.1). Die Plazenta erlaubt die Passage von Steroidhormonen und von Schilddrüsenhormonen T3/T4. Die übrigen mütterlichen Hormone gelangen nur wenig in den fetalen Kreislauf. Insulin und Glukagon werden im Feten ab der 8 Schwangerschaftswoche gebildet. In den überproportinal großen Nebennieren des Feten wird zunächst vorwiegend Dehydroepiandrosteron (DHEA) gebildet, das von der Plazenta zur Progesteronsynthese verwendet wird (7 Kap. 11.7.1). Unter dem Einfluss von ACTH bildet die Nebenniere ab der 36. Woche zunehmend Kortisol.

Organentwicklung

Kreislauf. Das Herz schlägt ab der 5. Woche, der Kreislauf

entwickelt sich bis zur 11. Woche. Die Besonderheiten des fetalen Kreislaufes wurden im Kreislaufkapitel dargestellt (7 Kap. 4.6). Lunge. Die Lunge des Feten ist mit Alveolarsekret gefüllt,

das ständig nachgebildet wird und in das Fruchtwasser abfließt. Ab der 26. Woche wird unter dem Einfluss von Kortisol Surfactant gebildet, das ebenfalls teilweise in das Fruchtwasser gelangt. Ein Mangel an Surfactant erschwert die Entfaltung der Lunge nach der Geburt. Ab der 12. Schwangerschaftswoche treten Atembewegungen auf. Blutzusammensetzung, Gastransport. Ab der 4. Schwan-

gerschaftswoche werden Erythrozten in Mesenchym und Blutgefäßen, später in Leber und Milz gebildet. Die Erythrozyten des fetalen Blutes weisen eine besonders hohe O2Affinität auf, mit der gewährleistet wird, dass O2 in hinrei-

11

284


chender Menge vom mütterlichen Hämoglobin zum fetalen Hämoglogin wechselt. Nachteil der hohen Affinität ist die erschwerte O2-Abgabe in den fetalen Geweben. Der O2Partialdruck im arterialisierten Blut ist etwa 4 kPa, der CO2-Partialdruck liegt unter 6 kPa (7 Kap. 11.7.2). Granulozyten und Lymphozyten werden ab der 8. Woche gebildet. Die Thrombozytenzahl ist gering und die Konzentration der Gerinnungsfaktoren niedrig. An Plasmaproteinen wird zunächst α-Fetoprotein, später überwiegend Albumin gebildet. Der Fetus bildet keine Immungloguline, die Konzentration mütterlicher IgG ist aber wegen des plazentaren Transportes in Feten höher als im mütterlichen Blut. Gastrointestinaltrakt. Der Gastrointestinaltrakt ist ab der

30. Woche voll funktionsfähig. Der Fetus schluckt Fruchtwasser, das zum größten Teil intestinal absorbiert wird. Im Kolon bleibt nicht absorbiertes Material als Mekonium liegen. Bei Hypoxie wird die Darmperistaltik angeregt und das Mekonium in das Fruchtwasser entleert. Leber. Die Leber nimmt ab der 8. Schwangerschaftswoche ihre Stoffwechseltätigkeit auf und entwickelt sich bis zur Geburt kontinuierlich weiter. Der linke Leberlappen wird ausschließlich vom O2-reichen Blut aus der Nabelschnurvene versorgt, der rechte auch vom O2-armen Pfortaderblut.

Bei Geburt verliert der linke Leberlappen seine privilegierte O2-Versorgung und bildet sich zurück, wodurch die Leberfunktion vorübergehend beeinträchtigt ist. Die Ausscheidung von Bilirubin ist in der Fetalzeit Aufgabe der Plazenta und wird nach der Geburt nur mit Verzögerung übernommen. Dadurch wird die Hyperbilirubinämie durch gesteigerten Abbau von Erythrozyten (7 Kap. 11.9.4) verstärkt. Niere. Glomeruläre Filtration setzt in der 22. Schwanger-

schaftswoche ein. Mit Zunahme funktionierender Nephrone steigt die Filtration bis zur 36. Woche an. Die renale Durchblutung bleibt mit 2% des Herzzeitvolumens gering. Tubuläre Transportprozesse erzeugen einen glukose- und eiweißfreien, hypotonen Harn. Erst in den beiden Monaten nach der Geburt gewinnt die Niere die Fähigkeit zur Harnkonzentrierung. Sie bleibt noch mehrere Jahre unter der Fähigkeit des Erwachsenen. Gehirn. Neurone vermehren sich durch Zellproliferation bis zur 28. Schwangerschaftswoche. Danach vermehren sich nur noch Gliazellen. Die Neurone nehmen allerdings weiter an Volumen zu und differenzieren sich, Axone werden ab der 24. Woche myelinisiert, ab der 20. Woche sind typische EEG-Muster meßbar. Die Gehirnentwicklung ist bei der Geburt jedoch noch nicht abgeschlossen.

In Kürze

11

Fetus Wachstum, Endokrines System 4 12. Woche (≈10 cm Länge/100 g Gewicht)o Geburt (50 cm/3,5 kg), Hormonbildung Plazenta (7 Kap. 11.7), plazentarer Übertritt Steroidhormone, T3/T4, fetale Bildung von Insulin, Glukagon (ab 8 Woche) Organentwicklung 4 Herzschläge ab 5. Woche, Kreislauf (7 Kap. 4.6), Lunge flüssigkeitsgefüllt, ab 26. Woche Kortisol o Surfactant, ab der 12. Schwangerschaftswoche Atembewegungen; ab 4. Woche Erythrozyten (O2-Affinität n); ab

6. Woche Granulozyten, Lymphozyten; Thrombozytenzahl p; Plasmaproteine (erst α-Fetoprotein, später Albumin; Gerinnungsfaktoren p, nur mütterliche IgG); ab 30. Woche Gastrointestinaltrakt funktionsfähig (Hypoxie o Darmperistaltik o Entleerung Mekonium in Fruchtwasser); ab 8. Woche Leberfunktion; ab 22. Woche glomeruläre Filtration (renale Durchblutung 2% des HZV); erst nach Jahren normale Harnkonzentrierung; bis zur 28. Woche Vermehrung Neurone; danach Volumen n, Differenzierung, ab 24.Woche Myelinisierung; ab 20. Woche EEG-Muster; Gehirnentwicklung bei Geburt nicht abgeschlossen

285 11.9 · Geburt

11.9

Geburt

11.9.1

Hormonelle und vegetativ-nervale Steuerung der Uteruskontraktionen

! Östrogene bereiten den Uterus für die Geburt vor. Ausgelöst wird sie v. a. durch Abfall der Gestagenkonzentrationen

net (bei normaler Lage des Kindes) die Zervix. Dazu werden bei Erstgebärenden etwa 8–12 Stunden benötigt (Eröffnungsperiode). Nach völligem Verstreichen des Muttermundes beginnt die Austreibungsperiode, die durch reflektorisch ausgelöste Bauchpressen der Mutter unterstützt wird. Sie dauert normalerweise weniger als eine Stunde. Nachgeburt. Die Kontraktionen halten mit geringerer Hef-

Hormonelle und nervale Regulation der Geburt. Die ho-

hen Östrogenkonzentrationen während der Schwangerschaft fördern die Expression von kontraktilen Elementen, Ionenkanälen, gap junctions und Rezeptoren und bereiten den Uterus somit für die Geburt vor. Die zunehmende Dehnung durch den wachsenden Fetus fördert zudem das Auftreten von Depolarisationen mit folgenden Kontraktionen. Progesteron hyperpolarisiert jedoch die Uterusmuskulatur und unterbindet daher weitgehend Kontraktionen. Durch Anstieg der Östrogen- und Abfall der Progesteronkonzentrationen gegen Ende der Schwangerschaft (7 Kap. 11.7.1) wird die Geburt eingeleitet. Bei Einsetzen von Kontraktionen wird der Keimling gegen den Muttermund und die Vagina gepresst, die eine hohe Dichte von Mechanorezeptoren aufweisen. Reizung dieser Mechanorezeptoren stimuliert die weitere Ausschüttung von Oxytozin (Ferguson-Reflex), sodass der Geburtsvorgang an Dynamik gewinnt. Schließlich treten Presswehen auf, die Kind und Plazenta austreiben. Oxytozin aus dem Hypophysenhinterlappen stimuliert die Uteruskontraktionen, und stimuliert die Bildung kontraktionsfördernder Prostaglandine.

11.9.2

Wehentätigkeit

! Das Austreiben des Feten erfordert die koordinierte Kontraktion der Uterusmuskulatur

Schrittmacher. Effektive Wehen erfordern eine koordinier-

te Kontraktion aller Uterusmuskeln. Meist bildet sich ein Schrittmacherbezirk aus, von dem sich die Depolarisationen über gap junctions ausbreiten.

tigkeit nach der Geburt des Kindes an und führen zur Ablösung und dem Ausstoßen der Plazenta. Weitere Kontraktionen pressen Gefäße ab und limitieren den Blutverlust, der normalerweise etwa 350 ml erreicht.

11.9.3

Anpassung des Neugeborenen

! Der Neugeborenene muss sich nach der Geburt in wenigen Minuten an völlig neue Bedingungen anpassen

Atmung. Die Unterbrechung des CO2-Abtransportes durch

die Plazenta führt nach der Geburt schnell zu einem Anstieg des PCO2 und damit zu einem Atemantrieb. Die Atmung wird ferner durch die Abkühlung der Haut stimuliert. Die Entfaltung der Alveolen wird durch Surfactant unterstützt. Ferner wird Natrium und damit Flüssigkeit über einen epithelialen Na+-Kanal resorbiert (ENaC), der auch im Sammelrohr der Niere die Natriumresorption bewerkstelligt (7 Kap. 9.2.4). Kreislauf, Blut. Die Umstellung des Kreislaufes nach der

Geburt wird im Kreislaufkapitel beschrieben (7 Kap. 4.6). Die hohe O2-Afffinität des fetalen Hämoglobins bietet nach der Geburt keine Vorteile mehr und behindert die O2-Abgabe in der Peripherie. Die fetalen Erythrozyten müssen also ausgetauscht werden. Fetale Erythrozyten sind gegen Oxidation schlecht geschützt und werden durch den hohen O2-Partialdruck in der Lunge in den suizidalen Zelltod getrieben. Der Abbau des Häms fetaler Erythrozyten führt zu einem bisweilen schädlichen Anstieg der Bilirubinkonzentration im Blut. Niere,Wasserhaushalt. Neugeborene sind wegen der einge-

Wehen. Bereits vor der Geburt treten Uteruskontraktio-

nen auf, die wegen der zunehmenden Expression von gap junctions immer größere Bereiche des Uterus erfassen (Vorwehen). Bei der Geburt kontrahiert der Uterus zunächst etwa alle drei Minuten und der kindliche Kopf öff-

schränkten Konzentrierungsfähigkeit ihrer Nieren bei Flüssigkeitsverlusten besonders gefährdet. Verdauung, Ernährung. Der Neugeborene hat einen

funktionstüchtigen Gastrointestinaltrakt, der Kohlenhy-

11

286


drate und Proteine aufschließen und resorbieren kann. Die Gallesekretion und damit die Emulsion von Fetten ist nach der Geburt zunächst eingeschränkt. Laktase wird erst gegen Ende der Schwangerschaft gebildet, und Frühgeborene können Laktose der Muttermilch nicht abbauen.

11.9.4

Umstellung der Mutter nach der Geburt

! Durch die Geburt fallen die plazentaren Hormone plötzlich aus

Hormonelle Umstellung. Der Verlust der Plazenta führt zu Thermoregulation. Der Neugeborene ist wegen seiner im

Verhältnis zum Körpergewicht großen Oberfläche und seines geringen Unterhautfettgewebes in besonderem Maße gefährdet, auszukühlen (7 Kap. 8.2.4). Im Gegensatz zum Erwachsenen verfügt er andererseits über braunes Fettgewebe, das er zur Wärmebildung verwenden kann.

einem abrupten Abfall der plazentaren Hormone. Dadurch fällt die Hemmung des Hypothalamus und der Hypophyse weg und es werden wieder Gonadotropine und Prolaktin ausgeschüttet. Uterus, Brustdrüse. Die Gebärmutter bildet sich nach der

Geburt schnell zurück und erreicht die ursprüngliche Größe in etwa 4 Wochen. Die Laktation setzt am 2. bis 4. Tag ein (7 Kap. 11.10.1).

In Kürze

Geburt Hormonelle und vegetativ-nervale Steuerung der Uteruskontraktionen 4 Östrogene n o Uterus o kontraktile Elemente, Ionenkanäle, gap junctions, Rezeptoren (Dehnung o Depolarisation o Kontraktion); Ende Schwangerschaft o Progesteron p o Depolariation o Kontraktionen o Druck Keimling gegen Muttermund, Vagina o Mechanorezeptoren o Oxytozinausschüttung (Ferguson-Reflex) o Presswehen

11

Wehentätigkeit 4 Schrittmacher o gap junctions o Ausbreitung (zunächst alle drei Minuten) o Eröffnungsperiode (8– 12 h bei Erstgebährenden) o Austreibungsperiode (40 Lebensjahre o ovarielle Hormonproduktion p, Regelblutungen p (Wechseljahre) o letzte Regelblutung (Menopause) o Postmenopause 4 Wechseljahre o Östrogene p o Gonadotropinfreisetzung, hypothalamische Aktivierung (wärme-, kreislaufregulierende Neurone) o Hitzewallungen, Tachykardieanfälle

11

4 Postmenopause o Östrogene p o Knochenabbau, HDL p,VLDL p, LDL n; Vaginalzellproliferation p o Glykogen po Laktat p o pH n o Erreger n Hormonsubstitution 4 Vorteile: Hitzewallungen p, Vaginalinfektionen p, Knochenabbau p 4 Nachteile: Brustdrüsen-, Endometriumkarzinome n, Thromboembolien n

12

12 Funktionsprinzipien des Nervensystems 12.1

Ionenkanäle

12.1.1 12.1.2

Kationenkanäle – 290 Cl–-Kanäle – 291

– 290

12.2

Ruhemembranpotenzial

12.2.1 12.2.2

Ionengradienten und Permeabilitäten – 291 Gleichgewichtspotenziale, Membranpotenzial – 292

– 291

12.3

Signalübertragung in Zellen – 292

12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4

Passive elektrische Eigenschaften – 292 Aktionspotenzial – 294 Fortleitung des Aktionspotenzials – 295 Intrazellulärer Transport – 297

12.4

Signalübertragung zwischen Zellen – 298

12.4.1 12.4.2 12.4.3 12.4.4 12.4.5

Prinzipien synaptischer Übertragung – 298 Transmitterfreisetzung – 298 Transmitter – 299 Übertragung an der motorischen Endplatte – 301 Ligandengesteuerte Übertragung an zentralen Synapsen – 302

12.5

Signalverarbeitung im Nervensystem – 305

12.5.1 12.5.2

Elementarmechanismen – 305 Verarbeitung in Neuronenpopulationen – 305

12.6

Funktionsprinzipien sensorischer Systeme – 307

12.6.1 12.6.2 12.6.3

Allgemeine Aspekte – 307 Rezeptorpotenzial – 307 Transformation der Reize – 307

12.7

Gliazellen und Liquor

12.7.1 12.7.2 12.7.3

Gliazellen – 308 Liquor – 309 Blut-Hirn-Schranke – 311

– 308

290

Kapitel 12 · Funktionsprinzipien des Nervensystems

> > Einleitung Die Aufgaben des menschlichen Nervensystems werden von mindestens 100 Milliarden Neuronen wahrgenommen. Jedes dieser Neurone empfängt über Tausende von Synapsen hemmende und fördernde Einflüsse seiner Aktivität. Auf ein Neuron konvergiert somit eine große Zahl von anderen Neuronen. Umgekehrt beeinflusst das Neuron über eine ähnliche Vielzahl von Axonkollateralen die Aktivität anderer Neurone. Konvergenz und Divergenz von Erregungen sind wichtige Voraussetzungen für die Informationsverarbeitung im zentralen Nervensystem.

12.1

Ionenkanäle

12.1.1

Kationenkanäle

! Spannungsabhängige Na+-Kanäle ermöglichen die blitzschnelle Depolarisation von Nervenzellmembranen. K+Kanäle halten das Ruhemembranpotenzial und beschleunigen die Repolarisation. Das Zellmembranpotenzial wird ferner durch Ca2+-Kanäle und unspezifische Kationenkanäle beeinflusst

Spannungsabhängige Na+-Kanäle. Die schnelle Depolari-

12

sation während eines Aktionspotenziales ist Folge der Aktivierung von spannungsabhängigen Na+-Kanälen (7 Kap. 1.5). Sie werden bei Depolarisation der Zellmembran bis zum Schwellenpotenzial (≈-60 mV) aktiviert und binnen weniger als einer Milllisekunde inaktiviert. Die spannungsabhängigen Na+-Kanäle werden nicht über die gesamte Nervenzellmembran eingebaut sondern nur im Axon und seinem Ursprung in der Nervenzelle (Axonhügel, . Abb. 12.1). Damit entsteht ein Aktionspotenzial zu Beginn des Axons und breitet sich über die gesamte Länge des Axons aus. Die Bindung von Ca2+ an der extrazellulären Seite verändert das Fixladungspotenzial der Zellmembran und verschiebt damit die Schwelle der Na+-Kanäle. Bei Hypocalciämie wird die Schwelle gesenkt und das Auslösen von Aktionspotenzialen begünstigt. Dadurch können Muskelkrämpfe auftreten (Tetanie). K+-Kanäle. Die K+-Kanäle sind für die Aufrechterhaltung

des Ruhemembranpotenzials erforderlich (7 Kap. 1.5). Bei einem Aktionspotenzial in Nerven- und Muskelzellen beschleunigt eine blitzschnelle Aktivierung von spannungsabhängigen K+-Kanälen die Repolarisation und verkürzt so die Aktionspotenzialdauer.

. Abb. 12.1. Strukturelemente eines Neurons. Über Synapsen (5) an Zellkörper und Dendriten (1) erhält das Neuron Informationen von Rezeptoren und anderen Neuronen. Über sein Axon (2) leitet es seine Erregungen zu anderen Neuronen, zu Muskelzellen etc., wo es die Erregung über Nervenendigungen (6) weitergibt. Myelinisierte Axone sind von Myelinscheiden (3) umgeben, die durch Ranvier-Schnürringe (4) unterbrochen sind

Ca2+-Kanäle. In den Nervenendigungen (. Abb. 12.1) ver-

mitteln spannungsabhängige Ca2+-Kanäle den Einstrom von Ca2+, das die Transmitterausschüttung auslöst (7 Kap. 12.4.2). In den Dendriten von Nervenzellen (. Abb. 12.1) erzeugen Ca2+-Kanäle bei Aktivierung kurze Depolarisationen der dendritischen Zellmembran (Ca2+-Spikes). Ligandengesteuerte Kationenkanäle. Transmitter beein-

flussen über Aktivierung von Ionenkanälen das Zellmembranpotenzial und damit die Erregung von Neuronen (7 Kap. 12.4.4, 7 Kap. 12.4.5, 7 Kap. 12.4.7).

291 12.2 · Ruhemembranpotenzial

12.1.2

Cl--Kanäle

! Cl--Kanäle tragen zur Repolarisation nach einem Aktionspotenzial bei und beeinflussen die Erregbarkeit

Einfluss von Cl--Kanälen auf das Zellmembranpotenzial. Die

intrazelluläre Cl--Konzentration ist in Neuronen weniger als ein Zehntel der extrazellulären Cl--Konzentration und das Gleichgewichtspotenzial liegt bei Neuronen meist bei etwa -75 mV (7 Kap. 12.2.2). Bei einer Depolarisation strömt das negativ geladene Cl- in die Zelle und trägt damit zur Repolarisation bei. Die Cl--Kanäle sind insbesondere für die schnelle Repolarisation von Muskelzellen erforderlich (7 Kap. 13.2.2). Ligandengesteuerte Cl--Kanäle. Die Wirkung von Cl--

Kanälen auf das Membranpotenzial spielt auch bei der Wirkung von Neurotransmittern eine Rolle. Unter anderem wirkt der Neurotransmitter γ-Aminobuttersäure GABA (7 Kap. 12.4.3) teilweise über Aktivierung von Cl-Kanälen. Die Wirkung hängt dabei vom Membranpoten-

zial und vom Cl--Gleichgewichtspotenzial ab. Ist das Zellmembranpotenzial stärker polarisiert als das Cl--Gleichgewichtspotenzial, dann wird Cl- aus der Zelle getrieben und die Zelle depolarisiert. Ist das Zellmembranpotenzial weniger polarisiert als das Cl--Gleichgewichtspotenzial, dann wird Cl- in die Zelle getrieben und die Zelle hyperpolarisiert. Das Zellmembranpotenzial bewegt sich also bei Aktivierung der Kanäle in Richtung des Gleichgewichtspotenziales. Meist liegt das Cl--Gleichgewichtspotenzial zwischen dem Ruhemembranpotenzial und der Schwelle zur Auslösung des Aktionspotenziales. Eine Aktivierung von Cl--Kanälen führt dann bei der unerregten Zelle zur Depolarisation, erschwert jedoch eine Depolarisation unter das Cl--Gleichgewichtspotenzial und damit das Erreichen der Schwelle zur Aktivierung von Na+-Kanälen. Während der Hinentwicklung ist die intrazelluläre Cl-Konzentration relativ hoch und das Cl--Gleichgewichtspotenzial niedriger als die Schwelle zur Aktivierung von Na+Kanälen. Daher wirkt GABA während der Hirnentwicklung als aktivierender Neurotransmitter.

In Kürze

Ionenkanäle Kationenkanäle 4 Spannungsabhängige Na+-Kanäle (Schwellenpotenzial ≈-60 mV) Axonhügel, Axon o blitzschnelle (> Na+, Erregung Na+ > K+

12.3

Signalübertragung in Zellen

12.3.1

Passive elektrische Eigenschaften

! Die Geschwindigkeit der elektronischen Ausbreitung eines Aktionspotenzials ist eine Funktion der Membrankapazität und des Zytoplasmawiderstandes

Elektrotonische Ausbreitung des Aktionspotenzials. Die Öffnung von Na+-Kanälen und die durch den Na+-Einstrom erzeugte Depolarisation schaffen eine Potenzialdifferenz zwischen der depolarisierten (erregten) Membran und benachbarten unerregten Membranabschnitten. Diese Potenzialdifferenz führt zu einem Strom innerhalb und außerhalb der Zelle, der auch die benachbarten Membranabschnitte depolarisiert (. Abb. 12.2). Erreicht die Depolarisation am vormals unerregten Membranabschnitt die Schwelle für die Na+-Kanäle, dann kommt es auch an dieser Stelle zur Entwicklung eines Aktionspotenzials und auf diese Weise breitet sich das Aktionspotenzial über die gesamte Zellmembran aus. Kapazität. Die Depolarisation einer Zellmembran (ΔU) erfordert eine Ladungsverschiebung (ΔQ), die wie bei einem Kondensator umso größer sein muss, je größer die Membranfläche (F) und die spezifische Kapazität der Membran (C≈1 µF/cm2) ist:

ΔQ=F · C · ΔU Je geringer C und je größer der depolarisierende Strom pro Fläche, desto schneller und stärker wird die Membran depolarisiert.

Gleichgewichtspotenziale, Membranpotenzial 4 Gleichgewichtspotenziale: -90 mV K+, +60 mV Na+, -70 mV Cl-, +120 mV Ca2+ 4 Membranpotenzial: EM = Σ(gn · En/gt) (7 Kap. 1.5)

. Abb. 12.2. Einfluss des Rezeptorpotenzials auf die Aktionspotenzialfrequenz. Bei unterschwelligem Reiz (links) kommt kein Aktionspotenzial zustande. Bei gerade überschwelligem Reiz ist die Aktionspotenzialfrequenz gering, bei deutlich überschwelligem Reiz hoch

293 12.3 · Signalübertragung in Zellen

Membranzeitkonstante. Ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der die Membran depolarisiert wird, ist die Membranzeitkonstante. Bei der Menge an erforderlichem Strom muss berücksichtigt werden, dass bei Depolarisation ein K+-Ausstrom einsetzt, der die weitere Depolarisation behindert. Daher muss vor allem bei langsamer Depolarisation sehr viel mehr Strom eingesetzt werden, als für die Entladung der Membran erforderlich wäre. Der während der Millisekunde eines Aktionspotenzials erzeugte Einstrom ist somit nicht in der Lage, ein größeres Membranstück zu depolarisieren. Der Einfluss eines depolarisierenden Stroms nimmt exponentiell mit dem Abstand zur Stromquelle ab. Ein Maß für die Abnahme ist die Membranlängskonstante λ. Bis zu einem Abstand von einem λ nimmt die Depolarisation um etwa 63% ab. Die Membranlängskonstante und damit die Reichweite von depolarisierenden Strömen sinken mit steigender Membrankapazität und abnehmendem Membranwiderstand einer Nervenfaser. Ferner sinken sie mit steigendem Zytoplasmawiderstand, den der depolarisierende Strom überwinden muss. Der Zytoplasmawiderstand (R) ist ist eine Funktion der Querschnittsfläche (πr 2 ) des Axons (R~1/πr 2 ). Die Membranfläche und damit der depolarisierende Strom nimmt andererseits mit dem Umfang (2πr) zu, also mit dem Radius und nicht mit seinem Quadrat. Das Verhältnis von depolarisierendem Strom durch die Membran zu Zytoplasmawiderstand und damit die Leitungsgeschwindigkeit steigen mit der Zunahme des Axondurchmessers. Die elektronische Leitung ist an den dünnen Dendriten und an kleinen Zellen wegen des relativ hohen Zytoplasmawiderstandes entsprechend langsam. Daher haben Membranströme an dünnen Dendriten einen relativ geringen Einfluss auf das Membranpotenzial eines Neurons. Eine äußerst wirksame Maßnahme zur Steigerung der Nervenleitungsgeschwindigkeit ist die Myelinisierung der Markscheiden von Nervenfasern (7 Kap. 12.3.3). ! Rezeptoren und Nerven können durch Strominjektion gereizt werden

Künstliche Reizung von Rezeptoren und Nerven. Rezeptoren, Nervenzellen und Nervenfasern lassen sich künstlich durch Applikation von Strom reizen. Bei einer bipolaren Reizung von Nerven werden die beiden Pole (die positiv geladene Anode und die negativ geladene Kathode) eines Reizgerätes in die Nähe des Nervs gebracht (z. B. durch leitenden Kontakt mit der Haut über dem Nerven). Der Nerv

wird über der Anode hyperpolarisiert und über der Kathode depolarisiert. Bei einer unipolaren Erregung wird eine kleinflächige, dicht am Nerven gelegene Kathode und eine großflächige, entfernt vom Nerven gelegene, Anode verwendet. Die Stromdichte über der Kathode ist damit sehr viel höher als die Stromdichte unter der Anode. Der Nerv wird durch die Kathode depolarisiert und damit erregt. Bei Verwendung von extrazellulären Elektroden fließt nur ein Bruchteil des Stroms durch die Zellmembran. Die Stromstärke muss daher vielfach höher sein als der Strom über die Zellmembran. Wird eine Nervenzellmembran durch einen überschwelligen Reizstrom (I) bis zur Schwelle entladen, dann muss dazu eine bestimmte Ladungsmenge verschoben werden (ΔQ). Darüber hinaus muss der Reizstrom den repolarisierenden K+-Ausstrom (IK) überwinden (7 Kap. 12.1.1). Zwischen der applizierten Stromstärke (I) und der Zeit (t), die benötigt wird, um eine Erregung auszulösen, ergibt sich daher folgender (vereinfachter) Zusammenhang: (I - IK) · t = ΔQ Ein Strom, der den repolarisierenden K+-Ausstrom IK nicht übersteigt, erzeugt auch bei langer Stromapplikation keine Erregung. Bei Strömen über IK tritt die Erregung umso früher ein, je größer I ist (. Abb. 12.3). Der Strom, der bei lang andauernder Reizung gerade noch eine Erregung auslöst, wird als Rheobase bezeichnet. Die Zeit, die bei doppeltem Rheobasenstrom benötigt wird, eine Erregung auszulösen, nennt man Chronaxie. Rheobase und Chronaxie sind Kenngrößen einer erregbaren Zelle (7 Kap. 12.4). Bei unterschwelliger Depolarisation wird ein Teil der Na+-Kanäle aktiviert und wieder inaktiviert, ohne dass ein Aktionspotenzial ausgelöst wurde. Diese Na+-Kanäle können bei einer weiteren Depolarisation nicht mehr aktiviert werden. Durch die Abnahme der erregbaren Na+-Kanäle muss die Zellmembran zur Aktivierung genügender Na+Kanäle stärker depolarisiert werden, d. h. die Schwelle für die Auslösung eines Aktionspotenzials depolarisiert. Eine geringfügige weitere Depolarisation führt zur Aktivierung und folgenden Inaktivierung weiterer Na+-Kanäle und verursacht somit eine weitere Depolarisation der Erregungsschwelle. Auf diese Weise kann ein langsam einschleichender Strom die Zelle völlig depolarisieren, ohne dass je ein Aktionspotenzial auftritt. Bei einem Wechselstrom wird die Membran abwechselnd depolarisiert und hyperpolarisiert. Bei einem hoch-

12

294


12.3.2

Aktionspotenzial

! Das Aktionspotenzial von Neuronen ist eine lawinenartige, extrem kurzlebige Depolarisation

Auslösung des Aktionspotenzials. Das Aktionspotenzial

wird durch Öffnung von spannungsabhängigen Na+-Kanälen ausgelöst, deren Offenwahrscheinlichkeit mit einer Depolarisation zunimmt (7 Kap. 1.5). Repolarisation. Die Repolarisation ist Folge der schnellen Inaktivierung spannungsabhängiger Na+-Kanäle und wird durch Aktivierung spannungsabhängiger K+-Kanäle beschleunigt. Unmittelbar nach dem Aktionspotenzial hyperpolarisiert die Zellmembran (Nachhyperpolarisaton), u. a. weil die Na+/K+-ATPase 3 Na+-Ionen gegen 2 K+-Ionen austauscht und daher elektrogen ist.

12

. Abb. 12.3. Zusammenhang von Reizintensität und Reizdauer überschwelliger Reize. Oben: Ein depolarisierender Strom (I=Q/t) muss die Ladung einer Membran (QM) erst abbauen und benötigt dazu Zeit: Die Änderung des Potenzials mit der Zeit folgt einer exponentiellen Funktion: E=E 0 · (1- e -t/τ), wobei τ die Zeitkonstante der Membran ist. Unten links: Einmaliger, konstanter Reiz: Ein Reiz muss die Membran bis zur Schwelle depolarisieren, wozu sie entladen werden muss. Die dazu erforderliche Ladungsmenge ist das Produkt der Nettoreizstromstärke (I – Irh) und der Zeit t. Irh (Rheobasenstrom) entspricht dem repolarisierenden K+-Strom an der Schwelle. Ist der Reizstrom I geringer als Irh, dann wird auch bei langem Reiz keine Erregung ausgelöst (blaue Fläche). Bei hinreichendem Produkt (I – Irh)·t ist der Reiz überschwellig (rote Fläche). Die Chronaxie (Chr) ist diejenige Reizdauer, die bei I=2 · Irh gerade noch eine Erregung auslöst. Unten rechts: Langsam ansteigender Reiz. Bei Applikation unterschwelliger Reize (blau) führt die Depolarisation der Membran zur Aktivierung weniger Na+-Kanäle, die in der Folge inaktiviert werden. Die Inaktivierung der Na+-Kanäle mindert die Erregbarkeit der Membran und die Schwelle zur Auslösung eines Aktionspotenzials (Es) depolarisiert. Daher kann das Membranpotenzial (EM) langsam bis auf 0 mV depolarisiert werden, ohne dass ein Aktionspotenzial ausgelöst wird

frequenten Wechselstrom (> 500 kHz) ist der Wechsel so schnell, dass die Menge an Ladung nicht ausreicht, um bis zur Schwelle zu depolarisieren. Damit können hochfrequente Wechselströme zur Erwärmung eines Gewebes eingesetzt werden, ohne dass eine Aktivierung erregbarer Zellen auftritt. Die in Deutschland verwendete Wechselstromfrequenz von 50 kHz führt jedoch leider zur Aktivierung erregbarer Zellen (Nerven, Skelettmuskeln, Herz) und kann daher auch bei relativ geringen Stromstärken tödliche Stromunfälle auslösen.

Refraktärzeit. Während und unmittelbar nach einem Aktionspotenzial ist kein weiteres Aktionspotenzial auslösbar (absolute Refraktärzeit), da die Na+-Kanäle noch inaktiviert sind (. Abb. 1.7). Nach dem Aktionspotenzial erschweren die aktivierten K+-Kanäle und die Tätigkeit der Na+/K+-ATPase eine erneute Depolarisation (relative Refraktärzeit). Das Aktionspotenzial der Nervenzelle (. Abb. 1.7) folgt dem Alles-oder-nichts-Gesetz, d. h. bei Erreichen der Schwelle kommt es zur vollständigen Depolarisation unabhängig von der Reizstärke bzw. vom Rezeptorpotenzial. Die Reizstärke beeinflusst jedoch die Aktionspotenzialfrequenz (. Abb. 12.2): Bei starkem depolarisierendem Reiz kommt es nach der Repolarisation trotz relativer Refraktärzeit relativ schnell zur erneuten Depolarisation bis zur Schwelle der Na+-Kanäle und dem erneuten Auftreten eines Aktionspotenzials. Auf diese Weise wird die Amplitude des Rezeptorpotenzials in eine Frequenz der Aktionspotenziale übersetzt (Transformation des Reizes oder Kodierung in Frequenzen, 7 Kap. 12.3.3). Lokalanästhetika. Blockierung von spannungsabhängigen Na+-Kanälen unterbindet die axonale Fortleitung eines Aktionspotenzials. Pharmaka, die spannungsabhängige Na+-Kanäle hemmen, werden daher zur Hemmung der Weiterleitung von Schmerzafferenzen eingesetzt (Lokalanästhetika).


12.3.3

Fortleitung des Aktionspotenzials

! Aktionspotenziale sind frequenzmodulierte Information. Durch saltatorische Weiterleitung wird sie beschleunigt weitergeleitet

Frequenzmodulation. Die Erregung in einem Neuron oder einem Rezeptor muss auch über weite Strecken (bis über einen Meter) getreu weitergeleitet werden. Die Amplitude der neuronalen Depolarisation kann über diese weiten Strecken nicht unverfälscht bleiben. Daher wird die Amplitude des neuronalen oder Rezeptorpotenzials in die Frequenz von Aktionspotenzialen übersetzt (Kodierung, . Abb. 12.2). Die Frequenz der an der Nervenendigung ankommenden Aktionspotenziale ist die gleiche wie die Frequenz der Aktionspotenziale im Neuron oder am Rezeptor, da normalerweise kein Aktionspotenzial während der Weiterleitung durch das Axon verschwindet. Die Frequenzmodulation der Information ermöglicht somit eine getreue Weiterleitung der Information. Am Axonende entscheidet die Frequenz der Aktionspotenziale über die Ausschüttung von Transmitter und damit über die Depolarisation des folgenden Neurons. Die saltatorische Erregungsfortleitung. Die kontinuierliche Erregungsausbreitung ist langsam (7 Kap. 12.3.1). Die bloße Zunahme des Durchmessers ermöglicht nur eine bescheidene Zunahme der Leitungsgeschwindigkeit (z. B. im Riesenaxon des Tintenfisches). Während der Evolution ist jedoch ein Mechanismus entwickelt worden, der eine sehr viel schnellere Fortleitung zulässt: Bei der saltatorischen Fortleitung werden große Membranabschnitte übersprungen, die weder K+- noch Na+-Kanäle aufweisen und deren Potenzial daher passiv dem Potenzial der angrenzenden aktiven Membranabschnitte folgt. Bei Depolarisation eines erregbaren Membranabschnittes werden sie durch die intrazellulären Ströme depolarisiert. Die passiven Membranabschnitte verzögern die Depolarisation nicht durch K+-Ausstrom, sind jedoch andererseits auch nicht in der Lage, selbst ein Aktionspotenzial auszubilden. Erst der nächste erregbare Membranabschnitt verfügt über Na+-Kanäle und kann wieder ein aktives Aktionspotenzial erzeugen. Durch Überspringen des unerregbaren Nervenfaserabschnittes wird erheblich Zeit gewonnen. Nun ist die Länge des übersprungenen Membranabschnittes begrenzt. Um die Depolarisation über diese Membranabschnitte zu leiten, müssen auch diese Abschnitte depolarisiert werden, d. h. die Ladung der Membran muss aufgehoben werden. Die Menge an Ladung, die zur Depolarisation des passiven

Membranabschnittes verschoben werden muss, ist natürlich umso größer, je länger der passive Membranabschnitt ist. Wenn der passive Membranabschnitt zu lang ist, dann reicht die Menge an Na+, die während eines Aktionspotenzials in die Zelle strömt, nicht aus, um die passive Membran soweit zu depolarisieren, bis die Schwelle der nächsten aktiven Membran erreicht wird. In diesem Fall wird das Aktionspotenzial nicht weitergeleitet (. Abb. 12.4). ! Myelinscheiden beschleunigen die Fortleitungsgeschwindigkeit von Nervenfasern vielfach

Funktion der Myelinscheiden. Je geringer die spezifische

Kapazität eines passiven Membranabschnitts ist, desto länger kann dieser Abschnitt sein, ohne dass die Weiterleitung des Aktionspotenzials gefährdet ist. Der Bau von schnellleitenden Nervenfasern zielt daher auf eine möglichst geringe spezifische Kapazität der passiven Membranabschnitte ab. Die Kapazität eines Kondensators nimmt mit dem Abstand der Kondensatorplatten ab. Darüber hinaus wird er herabgesetzt, wenn sich zwischen den beiden Platten (Dielektrikum) nichtpolarisierbares Material (z. B. Lipide) befindet. Die schnell leitenden Nervenfasern verfügen über Myelinscheiden. Die Myelinscheiden sind lipidreiche Ausläufer von Schwann-Zellen oder von Oligodendrogliazellen, die sich mehrfach um die Axone der Neurone wickeln. Damit ist erreicht, dass der »Kondensatorplattenabstand“ groß und das Dielektrikum apolar ist. Die myelinisierten Nervenfasern weisen also eine sehr geringe spezifische Kapazität auf. Darüber hinaus unterbinden sie repolarisierende K+-Ströme an den umwickelten Membranabschnitten (Isolierung). Ranvier-Schnürringe. Die Myelinscheiden verdünnen sich

periodisch an den sogenannten Ranvier-Schnürringen oder Knoten. Dort verfügt die Membran über eine hohe Konzentration an Na+- und K+-Kanälen und ist damit erregbar. Die Erregung springt somit von einem Ranvier-Schnürring zum andern. Normalerweise ist die Myelinisierung stärker, als für das Springen von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten erforderlich wäre. In der Regel erlaubt das Verhältnis von Na+-Einstrom und spezifischer Kapazität das Überspringen von zwei Ranvier-Schnürringen. Der unerregbare Membranabschnitt zwischen zwei Ranvier-Schnürringen wird Internodium genannt. Nervenfaserklassen. Je nach Myelinisierungsgrad und Funktion werden die verschiedenen Nervenfasern in Klassen eingeteilt (. Tab. 12.1). Besonders schnell leitende Ner-

12

296


. Tab. 12.1. Die verschiedenen Klassen von Nervenfasern Fasergruppe

Durchmesser (µm)

NLG (m/s)

Funktion

Aα (Ia, Ib)

15

100

A: primäre Muskelspindeln (Ia), Sehnenorgane (Ib) E: α-Motoneurone

Aβ (II)

8

50

A: Berührung, Druck, sekundäre Muskelspindeln

Aγ

5

20

E: Muskelspindeln

Aδ (III)

3

15

A: Mechanorezeption, Temperatur, Schmerz

B

3

7

E: Sympathisch präganglionär

C (IV)

1

1

A: Schmerz, Mechanorezeption, Temperatur E: Sympathisch postganglionär

(nach Erlanger und Gasser sowie Lloyd und Hunt). C (IV) = Fasern sind nicht myelinisiert A = afferent; E = efferent

leiten. Periphere Nerven sind häufig gemischt, sie enthalten schnelle und langsame Nervenfasern.

12

. Abb. 12.4. Fortleitung eines Aktionspotenzials. Der Na+-Einstrom (rot) depolarisiert den erregten Membranabschnitt. Die Depolarisation erzeugt eine Potenzialdifferenz zu den angrenzenden Membranabschnitten, die auf diese Weise ebenfalls depolarisiert werden. Bei kontinuierlicher Ausbreitung (a) bewirkt die Depolarisation der angrenzenden Membranabschnitte einen K+-Ausstrom (grün), der den Strom teilweise kurzschließt und damit die Ausbreitung behindert. Durch Zwischenschalten eines impermeablen Membranabschnittes (b) kann die Ausbreitung beschleunigt werden. Allerdings muß der Na+-Einstrom ausreichend sein, um die Ladung des impermeablen Membranabschnittes umzupolen und den nächsten permeablen Membranabschnitt bis zur Schwelle zu depolarisieren. Durch Myelinisierung (c) wird die Kapazität des impermeablen Membranabschnittes herabgesetzt und damit ermöglicht, dass ein größerer Abschnitt übersprungen werden kann. Nimmt bei demyelinisierenden Erkrankungen (z. B. multiple Sklerose) die Myelinscheidendicke ab (d), dann reicht der Na+-Strom wegen der Zunahme der Membrankapazität nicht mehr aus, die gesamte impermeable Membran zu depolarisieren und das Aktionspotenzial wird nicht mehr weitergeleitet. Oben: Der Abfall des Potenziales ΔE entlang der Nervenfaserlänge Δx folgt der Funktion: Ex=E0 · e-x/l, wobei l die Längskonstante der Membran ist

venfasern werden vor allem in der Motorik eingesetzt, während die Nervenfasern für Wärme und teilweise für Schmerz, sowie die postganglionären vegetativen Nervenfasern (7 Kap. 14.2) unmyelinisiert sind und daher langsam

Messung der Nervenleitungsgeschwindigkeit. Zur Messung der Nervenleitungsgeschwindigkeit werden an einer Stelle des Nerven Aktionspotenziale ausgelöst (7 Kap. 12.3.1) und an einer zweiten Stelle der Zeitpunkt ermittelt, zu dem die Aktionspotenziale ankommen. Der Abstand zwischen Reizelektrode und Ableitelektrode (d) über der Zeitdauer (t) zwischen Reizung und Ankunft der Aktionspotenziale ergibt dann die Leitungsgeschwindigkeit (d/t). Dabei leitet der Nerv gleichermaßen in die physiologische (orthodrom) und entgegengesetzte (antidrom) Richtung. Alternativ kann ein Muskel an zwei Stellen des jeweiligen motorischen Nerven gereizt und der jeweilige Zeitpunkt der Muskelerregung bestimmt werden. Die Nervenleitungsgeschwindigkeit ist dabei der Abstand zwischen den beiden Reizelektroden (d) über der Differenz der Zeitpunkte (Δt) zu denen die Erregung im Muskel einsetzt (d/Δt). Demyelinisierende Erkankungen. Ein Verlust von Markscheidendicke ist mitunter Folge einer Autoimmunreaktion (7 Kap. 2.5, multiple Sklerose) gegen die Myelinscheiden oder Oligodendrogliazellen (7 Kap. 12.7.1) oder einer Kompression des Nerven (z. B. des Nervus facialis im knöchernen Verlauf). Durch die Zunahme der Internodienkapazität ist dabei mehr Strom zur Depolarisation der Internodien erforderlich. Zunächst kommt es zu einer Verlangsamung der


Erregungsfortleitung, da nunmehr keine Ranvier-Schnürringe mehr übersprungen werden können. Bei starker Demyelinisierung kommt es zur völligen Leitungsunterbrechung, da der Strom eines Ranvier-Schnürringes nicht mehr ausreicht, um das Internodium bis zum nächsten RanvierSchnürring überschwellig zu depolarisieren und an diesem Ranvier-Schnürring ein Aktionspotenzial auszulösen.

12.3.4

Intrazellulärer Transport

! Der Zellkern einer Nervenzelle liegt im Zellkörper (Soma). Proteine müssen von dort über die Axone in die Nervenendigungen transportiert werden. Die Axone verfügen über mehrere effiziente Mechanismen des Stofftransports über weite Strecken

anterograde axonale Transport (≈1 mm/Tag) wird wahrscheinlich durch Polymerisierung von Zytoskelettbestandteilen selbst hervorgerufen. Der langsame axonale Transport bestimmt die Geschwindigkeit, mit der ein abgeschnittener peripherer Nerv wieder in Richtung Peripherie wächst. Retrograder axonaler Transport. Der retrograde axonale

Transport (≈200 mm/Tag) schafft proteinhaltige Vesikel in Richtung Zellkörper. Er transportiert u. a. Wachstumsfaktoren (nerve growth factor NGF und brain derived nerve growth factor BDNF), die für das Überleben von Neuronen erforderlich sind. Über den retrograden axonalen Transport peripherer Nerven können jedoch auch Krankheitserreger (z. B. Herpes- und Polio-Viren) und ihre Toxine (z. B. Tetanustoxin) in das zentrale Nervensystem gelangen. Motorproteine. Der axonale Vesikeltransport wird durch

Anterograder axonaler Transport. Der schnelle axonale

Transport (≈400 mm/Tag) bewegt Vesikel unter Verbrauch von ATP in Richtung der Axonterminalen. Der langsame

Motorproteine vermittelt, die sich entlang von Aktinfilamenten (Myosine) oder Mikrotubuli (Kinesine und Dyneine) bewegen.

In Kürze

Signalübertragung in Zellen Passive elektrische Eigenschaften 4 Kapazität: ΔQ = F · C · ΔU 4 Membranzeitkonstante = Maß für die Geschwindigkeit, mit der die Membran depolarisiert wird 4 Membranlängskonstante λ = Membranabschnitt, in dem Depolarisation auf 37% abnimmt 4 Zytoplasmawiderstand (R~1/πr2) sinkt (und Leitungsgeschwindigkeit steigt) mit Zunahme Axondurchmesser 4 Künstliche Reizung von Rezeptoren und Nerven: (I-IK) · t=ΔQ 4 Rheobase = Strom, der bei lang andauernder Reizung gerade noch Erregung auslöst 4 Chronaxie = Zeit, die bei doppeltem Rheobasenstrom benötigt wird, eine Erregung auszulösen 4 Langsam einschleichender Strom o sukzessive Inaktivierung Na+-Kanäle o Depolarisation ohne Auslösung Aktionspotenzial 4 Hochfrequenter Wechselstrom (>500 kHz) o keine Erregung; Wechselstromfrequenz von 50 kHz o Aktivierung erregbarer Zellen o auch bei relativ geringen Stromstärken tödliche Stromunfälle 6

Aktionspotenzial 4 Auslösung: Öffnung spannungsabhängiger Na+Kanäle (7 Kap. 1.5). 4 Repolarisation: Inaktivierung Na+-Kanäle + Aktivierung K+-Kanäle + Na+/K+-ATPase 4 Refraktärzeit: Absolute Refraktärzeit = kein Aktionspotenzial (AP) auslösbar (Na+-Kanäle inaktiviert), relative Refraktärzeit AP schwer auslösbar (K+-Kanäle n, Na+/ K+ATPase n) 4 Alles-oder-nichts-Gesetz = Erreichen der Schwelle o vollständige Depolarisation 4 Reizstärke o Aktionspotenzialfrequenz (Frequenzkodierung) 4 Lokalanästhetika o Blockierung von Na+-Kanälen o Leitungsunterbrechung Fortleitung des Aktionspotenzials 4 Frequenzmodulation o kein Informationsverlust 4 Impermeable Axonabschnitte (Internodien) mit geringer Kapazität o Saltatorische Erregungsfortleitung von und zu Ranvier-Schnürringen 4 Schwann-Zellen, Oligodendrogliazellen o Myelinscheiden o Isolierung n, Kapazität Internodium pp

12

298


o weniger Strom pro Axonabschnitt o längere Internodien o schnellere Fortleitung 4 Myelinisierungsgrad Nervenfaserklassen (. Tab. 12.1) 4 Messung Nervenleitungsgeschwindigkeit: Elektrodenabstand (d) pro Zeitdauer (Δt); orthodrom = antidrom 4 Demyelinisierende Erkankungen: Entzündung, Druck o Markscheidendicke p o Internodienkapazität n o Strom reicht nicht zur Depolarisation bis zur Schwelle des nächsten Ranvier-Schnürringes o Leitungsunterbrechung

12.4

Signalübertragung zwischen Zellen

12.4.1

Prinzipien synaptischer Übertragung

! Die Information zwischen zwei Neuronen kann durch direkte elektrische Verbindungen oder über Ausschüttung eines Transmitters (chemische Synapse) erfolgen

Elektrische Synapsen. Bestimmte Kanalproteine in der

12

Zellmembran (Connexine) bilden mit entsprechenden Kanalproteinen von Nachbarzellen einen Kanalkomplex, der den Durchtritt von Ionen und ungeladenen kleinen Teilchen von Zelle zu Zelle ermöglicht (gap junctions). Bei Depolarisation einer Zelle A, die über eine elektrische Synapse mit einer Zelle B verbunden ist, entsteht ein elektrisches Gefälle an der elektrischen Synapse, das Kationen in die Zelle B und Anionen in die Zelle A treibt. Der Strom depolarisiert Zelle B und bremst die Depolarisation in Zelle A. Auch nichterregbare Zellen (z. B. Epithelien) verfügen über interzelluläre Verbindungskanäle, die durch Connexine gebildet werden. Chemische Synapsen. Im Nervensystem spielen elektrische

Synapsen eine untergeordnete Rolle. Bei weitem häufiger und bedeutsamer sind chemische Synapsen (. Abb. 12.5). Bei diesen Synapsen gibt ein Neuron (präsynaptisches Neuron) einen chemischen Botenstoff (Transmitter) ab, der auf ein zweites Neuron (postsynaptisches Neuron) wirkt. Eine chemische Synapse besteht aus der transmitterfreisetzenden präsynaptischen Membran des ersten Neurons, dem synaptischen Spalt, in den der Transmitter abgegeben wird, und der subsynaptischen Membran des zweiten Neurons, auf die der Neurotransmitter einwirkt. Die Potenzialänderung an der subsynaptischen Membran breitet sich elektro-

Intrazellulärer Transport 4 Schneller axonaler Transport von Vesikeln durch Motorproteine entlang von Aktinfilamenten (Myosine) oder Mikrotubuli (Kinesine und Dyneine) (anterograd ≈400 mm/Tag [z. B. Enzyme für Transmittersynthese], retrograd ≈200 mm/Tag [z. B. NGF, BDNF, Viren, Toxine]), langsamer anterograder axonaler Transport (≈1 mm/Tag)

tonisch auf die benachbarten Membranabschnitte (postsynaptische Membran) des zweiten Neurons aus.

12.4.2

Transmitterfreisetzung

! Aktionspotenziale öffnen spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle in der präsynaptischen Endigung, Ca2+ strömt ein und löst die Fusion transmitterhaltiger Vesikel mit der präsynaptischen Membran aus

Auslösung der Transmitterfreisetzung. Die Neurotransmitter sind in präsynaptischen Vesikeln abgepackt, die teilweise direkt unter der präsynaptischen Membran liegen. Bei Erregung des präsynaptischen Neurons wandert ein Aktionspotenzial dem Axon entlang bis zur Synapse. Dort führt die Depolarisation zu einer Aktivierung spannungsabhängiger Ca2+-Kanäle. Ca2+ strömt durch diese Kanäle in die Nervenendigung und vermittelt die Fusion von transmitterhaltigen Vesikeln mit der präsynaptischen Zellmembran (Exozytose, 7 Kap. 1.3.2). Die Vesikel entleeren sich in den synaptischen Spalt. Die Vesikelmembran wird dann wieder durch clathrinvermittelte Endozytose internalisiert. Durch die Entleerung des Vesikelinhaltes steigt im synaptischen Spalt die Transmitterkonzentration deutlich an und der Transmitter bindet an Rezeptoren der subsynaptischen Membran. Durch Bindung des Transmitters werden direkt oder unter Vermittlung von G-Proteinen Ionenkanäle der postsynaptischen Membran aktiviert oder inaktiviert und damit das Zellmembranpotenzial des postsynaptischen Neurons verändert (ligandengesteuerte Kanäle bzw. rezeptormodulierte Kanäle). Quanten. Bei der Fusion eines Vesikels mit der präsynapti-

schen Membran entleert sich der gesamte Inhalt des Vesi-

299 12.4 · Signalübertragung zwischen Zellen

dazu erforderlichen Enzyme werden im Zellleib des Neurons synthetisiert und dann durch anterograden axonalen Transport zur Nervenendigung transportiert (7 Kap. 12.3.4). Acetylcholin wird durch Azetylierung von Cholin gebildet, Serotonin durch Hydroxylierung und Dekarboxylierung von Tryptophan, GABA durch Dekarboxylierung von Glutamat, Histamin durch Dekarboxylierung von Histidin. Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin werden über mehrere Schritte aus Tyrosin gebildet, Taurin über mehrere Schritte aus Cystein. Die Transmitter Glutamat, Aspartat und Glyzin sind proteinogene Aminosäuren. Die Neurotransmitter werden über entsprechende Transportprozesse in den Vesikeln konzentriert. Neuropeptide werden über Proteinsynthese bzw. Abspaltung der Peptide im Zellkörper synthetisiert und durch axonalen Transport in großen, dichten Vesikeln zur Nervenendigung gebracht.

12.4.3 . Abb. 12.5. Chemische Erregungsübertragung am Beispiel der muskulären Endplatte (Transmitter Acetylcholin, ACH). Das in der Nervenendigung ankommende Aktionspotenzial aktiviert Na+-Kanäle (1), wodurch die Zellmembran weiter depolarisiert wird. Die Depolarisation öffnet spannungsabhängige Ca2+-Kanäle (2), Ca2+ vermittelt die Verschmelzung ACH-haltiger Vesikel mit der präsynaptischen Membran (3). ACH wird in den Spalt ausgeschüttet (4) und bindet an ACH-Rezeptoren (5) der subsynaptischen Membran, unspezifische Kationenkanäle, die bei Bindung von ACH öffnen. Der folgende Na+-Einstrom depolarisiert die subsynaptische Membran und durch elektrotonische Ausbreitung (6) die benachbarte postsynaptische Membran, wodurch dort spannungsabhängige Na+-Kanäle geöffnet werden (7). Die Erregung wird durch Spaltung von ACH durch die Acetylcholinesterase (8) beendet. Die Spaltprodukte Essigsäure und Cholin werden z. T. wieder in die Nervenendigung aufgenommen (9) und zu ACH gekoppelt, das dann wieder in die Vesikel transportiert wird (10)

kels in den synaptischen Spalt. Die Gesamtheit der Transmitter eines Vesikels wird also auf einmal abgegeben. Die Mengen an Transmitter, die in einem Vesikel abgespeichert werden, sind somit die kleinsten Einheiten (Quanten) der Transmitterfreisetzung. Autorezeptoren. Der Transmitter kann auch an Rezeptoren der präsynaptischen Membran binden und damit die Funktion der transmitterausschüttenden Zelle selbst beeinflussen. Transmittersynthese. Die meisten Neurotransmitter

(. Abb. 12.6) werden in der Nervenendigung gebildet. Die

Transmitter

! Bei den chemischen Synapsen kommt eine Vielzahl unterschiedlicher Neurotransmitter zum Einsatz, die jeweils über verschiedene Rezeptoren ihre Wirkungen auf die postsynaptischen Neurone ausüben

Aminosäuren. Die exzitatorischen Aminosäuren Glutamat

und Aspartat und die hemmenden Neurotransmitter Glyzin sind proteinogene Aminosäuren, Taurin eine ß-Aminoethylsulfonsäure (. Tab. 12.2). Monoamine. Einige Neurotransmitter sind Monoamine,

wie Serotonin (Hydroxytryptophan), die Katecholamine (Dopamin, Adrenalin, Noradrenalin, 7 Kap. 14.2.2), Histamin und der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter des zentralen Nervensystems GABA (γ-Aminobuttersäure) (. Tab. 12.2). Oligopeptide. Wichtige, als Neurotransmitter eingesetzte Oligopeptide (Neuropeptide) sind die schmerzhemmenden Opioide Endorphin und Enkephalin, die Schmerzafferenzen übertragende Substanz P, sowie die auch endokrin wirksamen Signalstoffe Angiotensin II, Somatostatin und das vasoaktive intestinale Peptid VIP. Acetylcholin. Neben seiner Rolle als Überträgerstoff an der

muskulären Endplatte (7 Kap. 12.4.4) ist Acetylcholin Überträgerstoff im vegetativen Nervensystem (7 Kap. 14) und aktivierender Transmitter im zentralen Nervensystem.

12

300


. Abb. 12.6. Die wichtigsten Neurotransmitter und ihre Vorstufen

Cotransmitter. Die Vesikel speichern nicht nur einen Trans-

12

mitter sondern weitere Mediatoren, die gleichfalls Wirkungen auf das postsynpatische oder präsynaptische Neuron ausüben können. Zu Cotransmittern zählen ATP, ADP und AMP, die über purinerge Rezeptoren ihre Wirkungen entfalten. NO. Aus Arginin kann Nitroxid (NO) abgespalten werden,

das über die präsynaptische oder postsynpatische Membran diffundiert und über Nitrosylierung und/oder Aktivierung der G-Kinase (7 Kap. 10.1.3) seine Wirkungen entfaltet. Gleichermaßen könnte CO als Botenstoff dienen. Beendigung des Signals. Neuronale Informationsübertragung erfordert, dass ein Signal beendet wird, dass also der Transmitter wieder entfernt wird. Das geschieht entweder durch Abbau oder zelluläre Aufnahme des Transmitters. Acetylcholin wird beispielsweise zu Essigsäure und Cholin

gespalten, die wieder durch das präsynaptische Neuron aufgenommen werden (7 Kap. 12.4.4). Glutamat, Aspartat, GABA, Taurin und Monoamine werden durch Na+ gekoppelten Transport in Gliazellen oder Neurone aufgenommen. Steuerung der Transmitterwirksamkeit. Die Ausschüttung und Wirkung von Neurotransmittern sind keine Konstanten, sondern unterliegen modulierenden Einflüssen. Über Autorezeptoren der präsynaptischen Membran kann die Transmitterausschüttung gehemmt werden (Autoinhibition), die Empfindlichkeit der Rezeptoren kann durch modulierende Einflüsse gesteigert oder herabgesetzt werden. Häufig kommt es bei einer Interaktion mit Transmittern zu Internalisierung und Abbau von Rezeptoren (Desensitisierung), die eine Abnahme der Zahl an verfügbaren Rezeptoren und damit eine Abnahme der Transmitterwirkung zur Folge haben. Umgekehrt führt verminderte oder fehlende Neuro-


12.4.4

. Tab. 12.2. Wichtige Neurotransmitter Transmitter

Rezeptor

Strom

Bedeutung

Acetylcholin

Endplatte nikotinisch muskarinisch

INa,K INa,K IK,ICa

Muskelkontraktion veg. Ganglien Parasympathikus

(Nor)adrenalin

α β

ICa –IK

Sympathikus

ATP

purinerg

INa, Ca

veg. Nervensystem Hemmung

ICl

α-Motoneurone

Glyzin Dopamin

D2

IK

Basalganglien

GABA

GABAA, GABAB

ICl I K ,–ICa

Hemmer ZNS

Glutamat

AMPA* NMDA**

INa,K INa,Ca

Stimulator ZNS

Serotonin

5HT1

IK

Schlaf

–IK

Schmerz

µ, d

IK

Schmerzhemmung

Substanz P Endorphine

Beispiele von Rezeptoren, regulierten Strömen an der Zellmembran und physiologischer Bedeutung * = AMPA-Rezeptor wird so genannt, weil er besonders gut durch αAmino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxal-propionic acid aktiviert wird. Da er auch Kainat bindet, wird er auch A/K-Rezeptor (AMPA/Kainat) genannt. ** = NMDA-Rezeptor wird so genannt, weil er besonders gut durch N-methyl-D-Aspartat aktiviert wird

transmitterausschüttung zu einer Sensibilisierung des postsynaptischen Neurons, die u. a. durch eine Zunahme der Zahl an Rezeptoren erreicht wird. Desensibilisierung und Sensibiltisierung sind wichtige Mechanismen des Nervensystems, um einen adäquaten Informationsfluss sicherzustellen. Bei der pharmakologischen Therapie von Erkrankungen des Nervensystems wird u. a. versucht, durch Beeinflussung des Transmitterstoffwechsels eine herabgesetzte oder gesteigerte Aktivität der jeweiligen Neurone zu erzielen. Dabei wird die Bildung von Neurotransmittern durch Hemmung entsprechender Enzyme herabgesetzt, die Speicherung durch Hemmung der Transportproteine an den Vesikeln beeinträchtigt, die Wirkung durch Rezeptorblocker unterbunden oder die Wirkung durch Hemmer des Transports aus dem synaptischen Spalt verstärkt. Erkrankungen des Nervensystems können bisweilen auf genetische Defekte von transmitterbildenden oder -abbauenden Enzymen, Transportproteinen oder Rezeptoren zurückgeführt werden.

Übertragung an der motorischen Endplatte

! Die Übertragung einer Erregung von der Nervenendigung auf den Muskel geschieht in der motorischen Endplatte. Kurz vor dem Muskel endet die Myelinscheide, der Nerv verzweigt sich mehrfach und bildet mehrere enge Verbindungen mit der Muskelzellmembran. Die Übertragung an der Endplatte entspricht der synaptischen Übertragung erregender Nerven

Mechanismen der Erregungsübertragung. Erreicht ein Aktionspotenzial die Nervenendigungen, kommt es zur Öffnung spannungsabhängiger Ca2+-Kanäle, Ca2+ strömt ein und vermittelt die Verschmelzung acetylcholinhaltiger präsynaptischer Vesikel mit der präsynaptischen Membran. Dadurch wird Acetylcholin in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Acetylcholin bindet an nikotinische Rezeptoren der subsynaptischen Membran und löst dadurch einen unspezifischen Kationenstrom aus. Der Einstrom von Na+ depolarisiert die subsynaptische Membran (Endplattenpotenzial) und durch elektrotonische Ausbreitung auch die unmittelbar angrenzenden Membranabschnitte/ postsynaptische Membran). Wird dort die Schwelle erreicht, dann kommt es zur Ausbildung eines Aktionspotenzials, das sich schnell über die gesamte Muskelzellmembran ausbreitet. Im synaptischen Spalt wirkt eine Acetylcholinesterase, die durch Spaltung des Acetylcholin in Essigsäure und Cholin dessen Wirkung binnen weniger Millisekunden beendet. Essigsäure und Cholin werden in die präsynaptische Nervenendigung aufgenommen, wieder zu Acetylcholin verestert und als solches in den Vesikeln gespeichert. Acetylcholin kann auch durch eine im Blut vorkommende Cholinesterase gespalten und damit inaktiviert werden. Ein Vesikel enthält etwa 104 Acetylcholinmoleküle. Die Ausschüttung eines Vesikels erzeugt eine messbare Depolarisation (Miniaturendplattenpotenzial), die allerdings kein Aktionspotenzial auslösen kann. Beeinflussung der Übertragung durch Pharmaka und Gifte. Eine Reihe von Substanzen kann die synaptische

Übertragung an der motorischen Endplatte unterbinden bzw. verstärken. Das vom Bakterium Clostridium botulinum gebildete Botulinustoxin unterbindet die Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran und damit die Acetylcholinausschüttung. Das Gift des indianischen Pfeilgiftes Curare (d-Tubocurarin) verdrängt Acetylcho-

12

302


lin kompetitiv vom Rezeptor, ohne selbst den Rezeptor zu aktivieren. Beide Substanzen hemmen somit die neuromuskuläre Übertragung und lösen Lähmungen aus. Succinylcholin aktiviert wie Acetylcholin den Acetylcholinrezeptor, kann aber durch die Acetylcholinesterase der Endplatte nicht inaktiviert werden. Es erzeugt somit im Bereich der Endplatte eine Dauerdepolarisation, wodurch die spannungsabhängigen Na+-Kanäle inaktiviert werden und sich kein Aktionspotenzial mehr ausbilden kann. Curare und Succinylcholin werden in der Anästhesie zur Muskelrelaxation eingesetzt. Die Acetylcholinesterase kann durch Physostigmin (bzw. Prostigmin, Neostigmin) gehemmt und damit die Acetylcholinwirkung verstärkt werden. Überdosierung der Acetylcholinesterasehemmer führt jedoch wie bei Succinylcholin zu Dauerdepolarisation und Lähmung. Myasthenie. Die Myasthenia gravis ist die wichtigste Stö-

rung der neuromuskulären Übertragung. Die Erkrankung wird durch Antikörper (Autoantikörper) gegen die nikotinischen Acetylcholinrezeptoren ausgelöst, die Acetylcholin vom Rezeptor verdrängen. Um dennoch eine hinreichende Kontraktion des Muskels zu erzielen, muss der Patient mehr Acetylcholin ausschütten, der erhöhte Verbrauch von Acetylcholin führt schließlich zur vorzeitigen Erschöpfung der betroffenen Muskeln. Bei dieser Erkrankung werden Acetylcholinesterasehemmer zur Steigerung der neuromuskulären Übertragung eingesetzt.

12

Myasthenisches Syndrom Eaton-Lambert. Bei dieser Erkrankung werden Antikörper gegen die spannungsabhängigen Ca2+-Kanäle in der präsynaptischen Nervenendigung gebildet, was zur Folge hat, dass weniger Ca2+ einströmt, weniger Acetylcholin ausgeschüttet wird, und die Muskelkontraktion wegen Abnahme der postsynaptischen Aktionspotenzialfrequenz abgeschwächt ist. Im Gegensatz zur Myasthenie nimmt die Kontraktionskraft bei wiederholter Aktivierung des Muskels zu. Denervierung. Normalerweise findet man muskuläre Acetylcholinrezeptoren nur in der postsynaptischen Membran der Endplatte, die weniger als 1% der Muskelmembranfläche einnimmt. Bei Denervierung werden jedoch Acetylcholinrezeptoren über die gesamte Muskelzelloberfläche verteilt. Dadurch besteht die Chance, dass Kollateralen benachbarter Nervenfasern durch Aussprossen auf eine acetylcholinempfindliche Membran

stoßen und eine erneute neuromuskuläre Verbindung herstellen können.

12.4.5

Ligandengesteuerte Übertragung an zentralen Synapsen

! Transmitter fördern oder hemmen die Erregung von Neuronen über Beeinflussung jeweils spezifischer Rezeptoren

Exzitatorisches postsynaptisches Potenzial. Werden

durch den Neurotransmitter unspezifische Kationenkanäle geöffnet (z. B. durch Glutamat), dann strömt in erster Linie Na+ in die Zelle und depolarisiert die subsynaptische Zellmembran (. Abb. 12.6). Da sich K+ im Gegensatz zu Na+ bei unerregter Zellmembran nahe seinem elektrochemischen Gleichgewicht befindet, ist für einen K+-Ausstrom nur eine geringe treibende Kraft vorhanden. Der depolarisierende Na+-Einstrom erzeugt das exzitatorische postsynaptische Potenzial (EPSP). Ein einzelnes EPSP kann 0,1 mV bis zu 10 mV erreichen. Bei hinreichender Depolarisation des postsynaptischen Neurons wird die Schwelle von Na+-Kanälen zu Beginn des Axons (Axonhügel) erreicht und es entsteht dort ein Aktionspotenzial, das zu der Nervenendigung des postsynaptischen Neurons weitergeleitet wird. In einigen wenigen Neuronen wird ein EPSP nicht durch Aktivierung von Kationenkanälen, sondern durch Hemmung von K+Kanälen ausgelöst. Inhibitorisches postsynaptisches Potenzial. Werden

durch den Neurotransmitter K+-Kanäle aktiviert, dann kommt es zu einer Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran und es entsteht ein inhibitorisches postsynaptisches Potenzial (IPSP). Ist die Aktivierung der K+-Kanäle stark genug, dann verhindert das IPSP die Aktivierung der spannungsabhängigen Na+-Kanäle am Axonhügel und unterbindet damit eine Erregung des Neurons (. Abb. 12.7). Auch die Aktivierung von Cl--Kanälen (z. B. durch GABA oder Glyzin) führt beim Erwachsenen zur Herabsetzung der Erregbarkeit des Neurons (. Abb. 12.7). Das Gleichgewichtspotenzial für Cl- liegt in der Regel bei etwa -75 mV. Werden also Cl--Kanäle einer unerregten Zelle aktiviert, dann strömt Cl- aus der Zelle heraus und depolarisiert die Zellmembran. Die Depolarisation ist jedoch ohne Belang, da sie maximal auf -75 mV erfolgt, ein Wert weit negativer als die Erregungsschwelle des Neuron (ca. -60 mV). Ist das Neuron jedoch durch ein


. Abb. 12.7. Exzitatorische (EPSP) und inhibitorische (IPSP) postsynaptische Potenziale. a: Unterschwelliges EPSP; b: Summation zweier unterschwelliger EPSP und damit Auslösung eines Aktionspo-

tenzials; c: IPSP; d: Unterbindung eines Aktionspotenzials durch ein IPSP trotz gleichzeitiger Auslösung von zwei EPSPs

EPSP unter -75 mV depolarisiert, dann strömt Cl- in die Zelle und hyperpolarisiert die Membran, behindert also wie ein K+-Ausstrom die weitere Depolarisation und damit die Auslösung von Aktionspotenzialen.

wird bei polarisierter Membran durch Mg2+ blockiert, das jedoch bei Depolarisation aus dem Kanal gedrängt wird und damit die Kanalöffnung freigibt (. Abb. 12.8). Glutamat kann den NMDA-Kanal also nur öffnen und einen Ca2+-Einstrom veranlassen, wenn die Zelle depolarisiert ist, wenn also etwa gleichzeitig der AMPA-Rezeptor aktiviert ist. Die Wirkung kann also nur eintreten, wenn zwei unterschiedliche Erregungen gleichzeitig auf ein Neuron einwirken, ein wichtiger Mechanismus neuronaler Informationsverarbeitung.

Metabotrope Rezeptoren. Ein präsynaptisches Neuron

kann auf ein postsynaptisches Neuron nicht nur über Auslösung von EPSPs oder IPSPs wirken. Vielmehr können Neurotransmitter über metabotrope Rezeptoren die intrazelluläre Signaltransduktion beeinflussen, wie etwa die Bildung von intrazellulären Botenstoffen (z. B. InsP3 oder cAMP), die Aktivierung von Proteinkinasen oder die Bildung von NO (7 Kap. 12.4.3). Durch die intrazellulären Signalwege kann eine Vielzahl von zellulären Funktionen beeinflusst werden, die letztlich in gesteigerte oder herabgesetzte Erregbarkeit münden. Kooperation von NMDA- und AMPA-Rezeptoren. Der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter des zentralen Nervensystems ist Glutamat. U. a. kann es über den AMPARezeptor (. Tab. 12.2) einen Na+- und K+-permeablen Kationenkanal öffnen und damit die Zellmembran depolarisieren sowie über den NMDA-Rezeptor einen Na+-, K+- und Ca2+-permeablen Kationenkanal öffnen und damit neben der Depolarisation die zytosolische Ca2+-Konzentration steigern (ligandengesteuerte Kanäle). Der NMDA-Kanal

. Abb. 12.8. Kooperation von NMDA- und Nicht-NMDA-Rezeptoren. Glutamat (grün) kann bei polarisierter Membran den NMDA-Rezeptor nicht aktivieren, da der NMDA-Rezeptor durch Mg2+ (rot) verstopft ist (a). Bei gleichzeitiger Aktivierung des Nicht-NMDA-Rezeptors (AMPA-Rezeptor) wird die Zellmembran depolarisiert, wodurch Mg2+ aus dem NMDA-Kanal gedrängt wird und Glutamat den NMDA-Kanal öffnen kann (b). Folge ist u. a. ein Einstrom von Ca2+. Aktivierung des Nicht-NMDA-Rezeptors allein hat nur Depolarisation, nicht jedoch Zunahme der intrazellulären Ca2+-Konzentration zur Folge (c)

12

304


In Kürze

Signalübertragung zwischen Zellen

Transmitterfreisetzung 4 Aktionspotenzial o Depolarisation o Aktivierung spannungsabhängige Ca2+-Kanäle o Ca2+-Einstrom o Exozytose transmitterhaltiger Vesikel o Transmitter in synaptischem Spalt o Aktivierung Ionenkanäle in subsynaptischer Membran o Potenzialänderung postsynaptisches Neuron 4 Quanten: Gesamter Transmitterinhalt eines Vesikels = kleinste Einheit der Transmitterfreisetzung 4 Autorezeptoren: Aktivierung von Rezeptoren der präsynaptischen Membran 4 Transmittersynthese: Azetylierung Cholin o Acetylcholin; Hydroxylierung + Dekarboxylierung Tryptophan o Serotonin; Dekarboxylierung Glutamat o GABA; Dekarboxylierung Histidin o Histamin; Tyrosin o o o Dopamin, Noradrenalin, Adrenalin; Cystein o o o Taurin; Glutamat, Aspartat, Glyzin = proteinogene Aminosäuren; Proteinsynthese o Neuropeptide

Übertragung an der motorischen Endplatte 4 Aktionspotenzial Nervenendigung o Ca2+-Kanäle o Ca2+-Einstrom o Exozytose o Acetylcholinausschüttung (104 Acetylcholinmoleküle/Vesikel) o nikotinische Rezeptoren subsynaptische Membran o unspezifischer Kationenstrom o Depolarisation subsynaptische Membran (Endplattenpotenzial) o Depolarisation angrenzender postsynaptische Membran o Schwelle o fortgeleitetes Akionspotenzial; Acetylcholinesterase (Synapse, Blut) o Spaltung Acetylcholin o Aufnahme Essigsäure, Cholin in präsynaptische Nervenendigung o erneute Veresterung zu Acetylcholin o Speicherung 4 Botulinustoxin o Vesikelfusion p; Curare (d-Tubocurarin) o Bindung Acetylcholin Rezeptor p; Succinylcholin o Daueraktivierung Acetylcholinrezeptor o Dauerdepolarisation o Inaktivierung Na+-Kanäle; Physostigmin (Prostigmin, Neostigmin) o Acetylcholinesterase p 4 Autoantikörper gegen nikotinische Acetylcholinrezeptoren o Verdrängung Acetylcholin vom Rezeptor o mehr Acetylcholinausschüttung erforderlich o Erschöpfung der betroffenen Muskelno Myasthenie 4 Antikörper gegen Ca2+-Kanäle o Ca2+-Einstrom p o ACH-Ausschüttung p o Muskelkontraktion p o Myasthenisches Syndrom Eaton-Lambert (wiederholteAktivierung o Kontraktionskraft n) 4 Denervierung o Ausbreitung Acetylcholinrezeptoren über gesamte Muskelzelloberfläche

Transmitter 4 Acetylcholin; Aminosäuren: Glutamat, Aspartat, Glyzin, (Taurin = β-Aminoethylsulfonsäure); Monoamine: Serotonin (Hydroxytryptophan), Katecholamine (Dopamin, Adrenalin, Noradrenalin), Histamin, GABA; Oligopeptide: Opioide (Endorphin, Enkephalin), Substanz P, Angiotensin II, Somatostatin, VIP 4 Cotransmitter: ATP, ADP, AMP, NO 4 Signalbeendigung: Transmitterabbau (Acetylcholin), zelluläre Aufnahme (Glutamat, Aspartat, GABA, Taurin, Monoamine) 4 Autoinhibition, Rezeptor(de)sensitisierung o Transmitterwirksamkeit 4 Genetische Defekte, Pharmaka o Transmittersynthese, -speicherung, -transport; Rezeptorblocker

Ligandengesteuerte Übertragung an zentralen Synapsen 4 Neurotransmitter (z. B. Glutamat) o unspezifische Kationenkanäle n (K+-Kanäle p) o Depolarisation = exzitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP) o Depolarisation Axonhügel zur Schwelle o Aktionspotenzial 4 Neurotransmitter (z. B. GABA, Glycin) o K+-Kanäle n, Cl--Kanäle n o Hyperpolarisation bzw. Hemmung von Depolarisation zur Schwelle o Inhibitorisches postsynaptisches Potenzial (IPSP) o Aktionspotenziale p 4 Neurotransmitter o Metabotrope Rezeptoren o InsP3, cAMP, Proteinkinasen, NO 4 Glutamat o AMPA-Rezeptor o Kationenkanal o Na+Einstrom o Depolaration o Mg2+-Block im NMDA-Kanal p o Aktivierbarkeit des NMDA-Kanals durch Glutamat o Ca2+-Einstrom

Prinzipien synaptischer Übertragung 4 Elektrische Synapsen: Connexine o gap junctions o Durchtritt Ionen [und ungeladene Teilchen] o Weiterleitung von Potenzialänderungen 4 Chemische Synapsen: Chemischer Botenstoff aus präsynpatischem Neuron wirkt auf subsynaptische Membran des postsynaptischen Neurons mit folgenden Potentialänderungen der postsynaptischen Membran

12

305 12.5 · Signalverarbeitung im Nervensystem

12.5

Signalverarbeitung im Nervensystem

12.5.1

Elementarmechanismen

! Bahnung und Hemmung sind Elementarmechanismen der Informationsverarbeitung in neuronalen Netzwerken

Divergenz und Konvergenz. Das Axon eines einzelnen

Neurons verzweigt sich vielfach und kann daher eine Vielzahl anderer Neurone beeinflussen (Divergenz). Umgekehrt wird ein Neuron durch eine Vielzahl von Nervenendigungen anderer Neurone beeinflusst (Konvergenz). Die Neurone können sich gegenseitig bahnen oder hemmen. Bahnung. Die Konvergenz von Erregungen ist Vorausset-

zung für die räumliche Bahnung (7 Kap. 12.5.2). Hemmung. Die Auslösung eines Aktionspotenzials durch

ein EPSP kann umgekehrt durch gleichzeitiges Auftreten von IPSPs unterbunden werden. Hemmungen spielen bei der neuronalen Informationsverarbeitung eine mindestens ebenso bedeutsame Rolle, wie Stimulationen. Die neuronale Hemmung wird häufig durch spezialisierte, zwischengeschaltete Neurone (Interneurone) vermittelt. Über Aktivierung hemmender Interneurone können Neurone ihre eigene Hemmung veranlassen. Dabei spricht man von Rückwärtshemmung (rekurrente Hemmung, z. B. Renshaw-Hemmung, 7 Kap. 15.4.1). Bei der Vorwärtshemmung wird das hemmende Interneuron nicht durch das gehemmte, sondern durch ein anderes Neuron aktiviert. Bei der lateralen Hemmung hemmt ein Neuron – wiederum über Interneurone – benachbarte Neurone. Die laterale Hemmung ermöglicht die Kontrastierung eines Reizes (. Abb. 12.9).

12.5.2

Verarbeitung in Neuronenpopulationen

! Neurone integrieren bahnende und hemmende Einflüsse

Zeitliche und räumliche Summation. Das durch ein einzel-

nes präsynaptisches Aktionspotenzial ausgelöste exzitatorische postsynaptische Potenzial (EPSP) erreicht in aller Regel nicht die Schwelle des postsynaptisches Neurons. Auch ein unterschwelliger Reiz kann einige Na+-Kanäle öffnen. Wenn die Zahl der Na+-Kanäle jedoch klein ist, dann ge-

. Abb. 12.9. Kontrastierung durch laterale Hemmung. Zwei Reize (gelb und braun) treffen auf eine Reihe von Rezeptoren. Durch ihre Überlagerung sind sie durch die Rezeptoren (blau) nicht mehr getrennt erkennbar. Die Rezeptoren aktivieren Neurone (grün), die über Interneurone (rot) jeweils ihre Nachbarneurone hemmen. Dabei ist die Hemmung der Nachbarn umso stärker, je stärker das Neuron erregt wird (im Zahlenbeispiel hemmt jedes Interneuron mit der Hälfte der Wirkung des Rezeptors). Durch die laterale Hemmung werden wieder zwei Reize erkennbar

nügt der zusätzliche depolarisierende Strom durch diese Kanäle nicht für die Aktivierung einer hinreichenden Zahl weiterer Na+-Kanäle und die Auslösung eines Aktionspotenziales. Die Depolarisation bleibt lokal, wird aber nicht als Aktionspotenzial weitergeleitet. Das subsynpatische EPSP dauert jedoch wesentlich länger als ein Aktionspotenzial, sodass hochfrequent eintreffende präsynaptische Aktionspotentiale additiv wirken und ein wesentlich stärkeres EPSP auslösen (zeitliche Summation). Ferner addieren sich gleichzeitig depolarisierende Wirkungen präsynaptischer Aktionspotentiale verschiedener Synapsen (räumliche Summation).

12

306


Langzeitpotenzierung und Langzeitdepression. Das durch den NMDA-Rezeptor in die postsynaptische Zelle gelangte Ca2+ (7 Kap. 12.4.5) kann über Auslösung einer zellulären Signalkaskade die Empfindlichkeit des postsynaptischen Neurons über einen längeren Zeitraum steigern (sog. Langzeitpotenzierung) oder herabsetzen (sog. Langzeitdepression). Langzeitpotenzierung und Langzeitdepression sind wichtige zelluläre Mechanismen der Gedächtnisbildung. Unter anderem kann Ca2+ im postsynaptischen Neuron eine NO-Synthase aktivieren. Das NO kann im postsynaptischen Neuron über Aktivierung der Guanylylzyklase und folgende Aktivierung der cGMP-abhängigen G-Kinase den AMPA-Rezeptor phosphorylieren und damit dessen Empfindlichkeit herabsetzen. NO kann ferner in das präsynaptische Neuron diffundieren und dort über Modulation des Ca2+-Transports die Transmitterausschüttung beeinflussen. Präsynaptische Hemmung. Die synaptische Übertragung kann durch axoaxonale Synapsen modifiziert werden, d. h.

durch Synapsen an den Axonen anderer Nervenzellen. Durch die präsynaptische Hemmung wird die Ausschüttung des Transmitters aus der präsynaptischen Nervenendigung herabgesetzt. Meist wird die Herabsetzung durch Aktivierung eines unspezifischen Kationenkanals erreicht, der die Nervenendigung vordepolarisiert und damit einen Teil der spannungsabhängigen Na+-Kanäle inaktiviert. Dadurch stehen weniger aktivierbare Na+-Kanäle zur Verfügung, ein ankommendes Aktionspotenzial wird gedämpft und damit die Aktivierung der spannungsabhängigen Ca2+Kanäle und der Ca2+-Einstrom herabgesetzt. Eine Minderung des Ca2+-Einstroms kann auch durch cAMP-vermittelte Hemmung der spannungsabhängigen Ca2+-Kanäle erreicht werden. Präsynaptische Bahnung. Umgekehrt kann die Transmit-

terausschüttung gesteigert werden (Bahnung), etwa durch Aktivierung der spannungsabhängigen Ca2+-Kanäle oder durch Hemmung von K+-Kanälen mit folgender Verlängerung des Aktionspotenzials.

In Kürze

Signalverarbeitung im Nervensystem

12

Elementarmechanismen 4 Neuron o Axonverzweigung o viele Neurone o Divergenz; jedes Neuron viele Synapsen o Konvergenz 4 Gegenseitige Bahnung (additive EPSP) o Erregbarkeitn; Hemmung (durch Interneurone) o IPSP o Erregbarkeit p; Rückwärtshemmung (rekurrente Hemmung, z. B. Renshaw-Hemmung); Vowärtshemmung; laterale Hemmung o Kontrastierung Verarbeitung in Neuronenpopulationen 4 Addition von hochfrequent eintreffenden präsynaptischen Aktionspotentialen o zeitliche Summation; Addition EPSP zweier Synapsen o räumliche Summation

4 Aktivierung NMDA-Rezeptor o Ca2+-Einstrom o Empfindlichkeit postsynaptisches Neuron n o Langzeitpotenzierung 4 Ca2+-Einstrom o NO-Synthase o Guanylylzyklase o cGMP o G-Kinase o AMPA-Rezeptor-Phosphorylierung o Kanalaktivität p o Empfindlichkeit postsynaptisches Neuron p o Langzeitdepression 4 Axoaxonale Synapsen o Kationenkanäle n o Vordepolarisation o Inaktivierung Na+-Kanäle o Aktionspotenzial p o Transmitterausschüttung präsynaptische Nervenendigung p o präsynaptische Hemmung 4 cAMPo Ca2+-Kanäle p o ebenfalls präsynaptische Hemmung 4 Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle n, K+-Kanäle p o Verlängerung Aktionspotenzial o präsynaptische Bahnung

307 12.6 · Funktionsprinzipien sensorischer Systeme

12.6

12.6.1

Funktionsprinzipien sensorischer Systeme Allgemeine Aspekte

! Spezialisierte Rezeptoren reagieren auf Licht, Schallwellen, sonstige mechanische Reizung, Temperatur, bestimmte chemische Strukturen und schädigende Reize

Sinnesreize. Nervenendigungen oder spezialisierte Rezeptoren reagieren auf mechanische Deformierung, Temperaturänderungen, bestimmte chemische Strukturen oder Licht mit einer Änderung des Membranpotenziales, wie an anderer Stelle ausgeführt wird. (7 Kap. 16.1.2). Über Auslösung von Aktionspotenzialen wird die Information an das zentrale Nervensystem weitergeleitet.

Transduktion. Die Reize lösen in der Rezeptorzelle (Sensor-

zelle) Potenzialänderungen aus. Die meisten Rezeptoren reagieren auf den Reiz mit einer Depolarisation (7 Kap. 16.1.2). Die Photorezeptoren des Auges reagieren hingegen auf Lichteinfall mit einer Hyperpolarisation (7 Kap. 17.2.2). In Abhängigkeit von den Rezeptoren, werden die Potenzialänderungen durch mechanisch gesteuerte Ionenkanäle (7 Kap. 16.1.2), ligandengesteuerte Ionenkanäle (7 Kap. 16.1.2), oder second messenger gesteuerte Ionenkanäle (z. B.7 Kap. 17.2.2, 7 Kap. 19.2.2, 7 Kap. 19.3.2) ausgelöst. Die Potenzialänderung beeinflusst entweder die Ausschüttung von Transmitter, der folgende Neurone bzw. Nervenendigungen erregt (sekundäre Sinneszellen) oder löst im Rezeptor ein Aktionspotenzial aus, das in Richtung des zentralen Nervensystems weitergeleitet wird (primäre Sinneszellen). Beziehung zwischen Reizstärke und Rezeptorpotenzial.

Sinnesmodalitäten. Ein einzelner Rezeptor ist nicht für alle

Sinnesreize gleichermaßen empfindlich. Die Empfindlichkeit ist vielmehr eine Funktion der Ausstattung mit entsprechenden Ionenkanälen und Membranrezeptoren der Rezeptorzelle. Die Empfindlichkeit wird ferner durch Nachbarzellen und extrazelluläre Matrix beeinflusst. Auge und Ohr sind Strukturen, die der spezifischen Zuführung von Sinnesreizen an die jeweiligen Sinneszellen dienen. Eine Rezeptorzelle wird also durch bestimmte Reize (adäquate Reize) besonders leicht erregt. Wie an anderer Stelle ausgeführt wird (7 Kap. 16.1.2), erfordern inadäquate Reize eine sehr viel höhere Energie, um eine Erregung auslösen zu können. An Sinnesmodalitäten unterscheiden man neben Auge und Ohr Mechanorezeptoren, Thermorezeptoren, Chemorezeptoren und Nozizeptoren (7 Kap. 16.1.1). Subjektive Wahrnehmungen. Die neuronale Verarbeitung

erschöpft sich keineswegs nur in der Feststellung, dass ein bestimmter Rezeptor gereizt wurde. Die wesentliche Aufgabe besteht letztlich darin, den Reiz zu interpretieren und seine Bedeutung für eigenes Handeln festzulegen. Die Interpretation einer Empfindung führt zur Wahrnehmung. Auf dem Weg vom Reiz zur Empfindung und Wahrnehmung spielen subjektive Faktoren eine wesentliche Rolle.

12.6.2

Rezeptorpotenzial

! Der Reiz wird in Änderungen des Membranpotenziales übersetzt und die Information wird über Aktionspotenziale weitergeleitet

Die minimale Reizstärke, die gerade noch eine Erregung auslöst, ist die Reizschwelle. Oberhalb der Schwelle steigt das Ausmaß der Depolarisation mit der Intensität des Reizes, wie an anderer Stelle ausgeführt wird (7 Kap. 16.1.2). Bei großen Reizintensitäten wird die maximale Potenzialänderung (bzw. Aktionspotenzialfrequenz) erreicht, die durch weitere Reizstärkenzunahme nicht weiter gesteigert werden kann. Die Reizstärke zwischen der Schwelle und derjenigen Reizstärke, die gerade ausreicht, die maximale Erregung auszulösen, ist der Arbeitsbereich des Rezeptors (Sensors).

12.6.3

Transformation der Reize

Elektrotonische Ausbreitung. Innerhalb des Rezeptors breitet sich die durch den Reiz ausgelöste Potenzialänderung elektrotonisch aus (7 Kap. 12.3.1). Erreicht die Depolarisation die Schwelle der Na+-Kanäle, dann wird ein Aktionspotenzial ausgelöst, das afferent weitergeleitet wird (7 Kap. 12.3.1). Dabei wird die Amplitude des Rezeptorpotenziales in die Frequenz von Aktionspotenzialen übersetzt (Frequenzkodierung). Differentialfühler–Proportionalfühler. Meist setzen Rezep-

toren (Sensoren) bei anhaltender Reizung ihre Empfindlichkeit herab, sie gewöhnen sich an die gesteigerte Reizintensität (Adaptation). Im Extremfall nimmt die Erregung bei anhaltendem Reiz allmählich wieder auf das Ausgangsniveau ab. Die Rezeptoren reagieren somit nur auf Änderungen der Reizintensität, nicht auf die Reizintensität selbst, man nennt sie daher Differentialfühler oder phasische

12

308


den benachbarten Arealen. Auf diese Weise können Kontraste verschärft werden (7 Kap. 17.2.3). In Kürze

Funktionsprinzipien sensorischer Systeme Allgemeine Aspekte 4 Sensoren sind spezialisiert für Licht, Schallwellen, sonstige mechanische Reizung, Temperatur, bestimmte chemische Strukturen, schädigende Reize; Schwelle für adäquaten Reiz besonders niedrig 4 Interpretation des Reizes o subjektive Wahrnehmung o Handeln Rezeptorpotenzial 4 Reize o Sensorzelle o mechanisch gesteuerte Ionenkanäle, ligandengesteuerte Ionenkanäle, second messenger gesteuerte Ionenkanäle o Potenzialänderungen o Aktionspotenzial (primäre Sinneszellen) oder Transmitterausschüttung (o Depolarisation folgender Neurone bzw. Nervenendigungen [sekundäre Sinneszellen]) 4 Arbeitsbereich des Rezeptors (Sensors) = von Reizschwelle bis zur maximalen Erregung

. Abb. 12.10. Verhalten von Proportionalfühlern (PF), Differentialfühlern (DF) und Proportional-Differentialfühlern (PDF) bei einem Rechteckreiz (schwarz). Gezeigt ist jeweils grob schematisch das Rezeptorpotenzial (rot) und die Aktionspotenziale (blau)

12

Fühler (. Abb. 12.10). Bei Rezeptoren, die nicht adaptieren, ist die Erregung stets proportional der Reizstärke, man nennt sie daher Proportionalfühler oder tonische Fühler. Meist haben Fühler eine phasische und eine tonische Komponente, d. h. bei plötzlichem Anstieg der Reizstärke auf einen höheren konstanten Wert nimmt die Erregung zunächst überschießend zu und sinkt dann auf einen Wert ab, der höher ist, als der Ausgangswert. Diese Rezeptoren nennt man Proportional-Differentialfühler (PD-Fühler). Rezeptives Feld. Mehrere Rezeptoren können auf ein Neuron konvergieren und dieses gemeinsam erregen. Das von diesen Rezeptoren versorgte Areal bezeichnet man dann als rezeptives Feld. Hemmt dieses Neuron durch laterale Hemmung die Nachbarneurone, dann führen Reize im rezeptiven Feld zur Hemmung der Weiterleitung von Reizen in

Transformation der Reize 4 Proportionalfühler = Erregung proportional der Reizstärke, Differentialfühler = Änderungen der Reizintensität; Proportional-Differentialfühler sowohl Reizstärke als auch ihre Änderung 4 Konvergenz mehrerer Rezeptoren auf ein Neuron = Rezeptives Feld 4 Laterale Hemmung von Nachbarneuronen o Kontrastverschärfung

12.7

Gliazellen und Liquor

12.7.1

Gliazellen

! Im zentralen Nervensystem sind die Neurone von den weitaus zahlreicheren Gliazellen umgeben. Man unterscheidet je nach Struktur und Funktion Astroglia, Oligodendroglia und Mikroglia

Bildung von Myelinscheiden und Phagozytose. Die Oligo-

dendrogliazellen bilden die Myelinscheiden der zentralen Axone (. Abb. 12.11), die Schwann-Zellen die Myelinschei-

309 12.7 · Gliazellen und Liquor

Regulation von Konzentrationen an Ca2+, H+ und Neurotransmittern. Gliazellen sind auch in der Lage, die extrazel-

luläre Ca2+-Konzentration und den extrazellulären pH zu regulieren. Schließlich verhindern sie, dass Neurotransmitter aus einer Synapse zu anderen Neuronen diffundieren, nehmen Transmitter auf und bauen sie wieder in ihre Vorstufen ab. Neurotransmitter können umgekehrt die Funktion von Gliazellen modulieren. Rolle bei der Hirnentwicklung. Gliazellen spielen ferner

eine entscheidende Rolle bei der Gehirnentwicklung, wo sie das Auswachsen von Axonen und Dendriten fördern. Umgekehrt hemmen sie im erwachsenen Gehirn das Aussprossen von Axonen und Dendriten.

12.7.2

Liquor

! Der Liquor ist unverzichtbarer Volumenpuffer im unnachgiebigen knöchernen Schädel. Seine Zusammensetzung liefert wichtige diagnostische Hinweise

Aufgabe des Liquors. Das Gehirn ist nach Verknöcherung . Abb. 12.11. Gliazellen. Oligodendrozyt mit Myelinscheiden und Astrozyt mit Kontakten zu einem Neuron und einem Gefäß

den peripherer Axone. Astroglia (. Abb. 12.11) und Mikroglia sind ferner zur Phagozytose befähigt Regulation der extrazellulären K+-Konzentration. Wich-

tigste Aufgabe der Gliazellen ist die Kontrolle des extrazellulären Milieus. Der Extrazellulärraum beträgt weniger als 25 % des Gehirnvolumens. Wenn die Zellen z. B. bei einer Salve von Aktionspotenzialen nur 1% ihres K+ abgeben, dann verdoppelt sich die extrazelluläre K+-Konzentration und das K+-Gleichgewichtspotenzial nimmt um 18 mV ab. Die Gliazellen nehmen jedoch normalerweise bei Anstieg der extrazellulären K+-Konzentration K+ aus dem Extrazellulärraum auf und halten damit die extrazelluläre K+-Konzentration niedrig. Zum Teil geben sie das K+ wieder an anderer Stelle mit niedriger extrazellulärer K+-Konzentration ab (spatial buffering). Dabei kann K+ über gap junctions an benachbarte Gliazellen weitergegeben werden. Versagen die Gliazellen, dann führt der Anstieg der extrazellulären K+-Konzentration zur Aktivierung von Nachbarneuronen, die dabei wiederum K+ verlieren. Auf diese Weise kann sich eine Erregung ausbreiten, wie etwa bei der Epilepsie.

der Schädelnähte von einer unnachgiebigen Hülle umgeben, eine Volumenausdehnung des Gehirns ist nicht möglich und ein intrakranielles Kompartiment kann sich nur auf Kosten anderer Kompartimente ausdehnen. Der Intrazellulärraum nimmt 70 – 80 % des Volumens ein, der zwischen den zellulären Elementen liegende interstitielle Raum etwa 15 %, der Liquorraum weniger als 10 % und der intravaskuläre Raum weniger als 5%. Der Liquorraum ist über das Foramen magnum zum Liquorraum des Rückenmarks offen. Damit bietet sich der Liquorraum als ein Volumenpuffer an, der schnell Volumenänderungen in anderen Kompartimenten ausgleichen kann. So wird beispielsweise bei jedem Pulsschlag der intravaskuläre Raum vorübergehend vergrößert und pulssynchron entweicht ein kleines Volumen Liquor über das Foramen magnum, d. h. der vaskuläre Raum nimmt auf Kosten des Liquorraums vorübergehend zu. Auch moderate Änderungen des Zellvolumens können durch entsprechende Verschiebungen von Liquor kompensiert werden. Hirndrucksteigerung. Unter pathophysiologischen Bedin-

gungen beanspruchen Tumore und Blutungen intrakranielles Volumen auf Kosten des Liquorraums. Ist der Liquorraum kollabiert, dann kommt es zu einer steilen Druckzunahme, welche den gleichfalls nach außen offenen Gefäß-

12

310


raum komprimiert. Folge ist eine massive Einschränkung der Hirndurchblutung. Eine akute Abflussstörung von Liquor führt gleichermaßen zu einer Drucksteigerung, die über eine Einengung des Gefäßlumens die Gehirndurchblutung in Mitleidenschaft zieht. Liquorzirkulation. Liquor wird v. a. in den Plexus choroidei der Seitenventrikel gebildet (. Abb. 12.12). Von dort fließt er über die Foramina interventricularia in den dritten Ventrikel und von dort über den Aquädukt in den vierten Ventrikel. Über die Foramina Luschkae und Magendii gelangt er in den Subarachnoidalraum und zu den Arachnoidalvilli der Hirnsinus (Pacchionischen Granulationen), wo er in die venösen Sinus aufgenommen wird. Störungen der Liquorzirkulation. Störungen in der Liquorzirkulation führen zum Liquorrückstau. Je nach Lo-

12

kalisation unterscheidet man einen kommunizierenden Hydrozephalus, bei dem der Liquorfluss zwischen den Ventrikeln ungestört ist, von einem nichtkommunizierenden Hydrozephalus bei Verlegung von Verbindungen zwischen den Ventrikeln. Mögliche Ursachen sind Missbildungen, Narben und Tumore. Die Resorption von Liquor in den Arachnoidalvilli ist bei Abflussstörungen der Sinus beeinträchtigt, wie etwa bei Thrombose oder sonstigem Verschluss der Sinus oder bei Behinderung des venösen Abflusses (z. B. bei Herzinsuffizienz). Bei angeborenem Hydrozephalus erlauben die noch nicht verknöcherten Knochennähte ein Nachgeben der knöchernen Hülle und es entsteht ein Wasserkopf (Hydrozephalus). Bei bereits verschlossenen Nähten erzeugt der Liquorüberschuss einen Überdruck.

. Abb. 12.12. Bildung und Fluss des Liquors

Folgen von Hirndrucksteigerungen. Erkennbar ist eine

Hirndrucksteigerung am Papillenödem: Durch den gesteigerten intrakraniellen Hirndruck kann Lymphe aus dem Augenhintergrund nicht mehr über den Lymphkanal im Zentrum des Sehnerven zum Intrakranialraum abfließen. Lymphe staut sich am Austritt des Sehnervs zurück und wölbt die Papille vor (Stauungspapille). Weitere Folgen von Hirndrucksteigerung sind Kopfschmerzen, Übelkeit, Erbrechen, Schwindel, Einschränkungen des Bewusstseins (u. a. wegen der Durchblutungseinschränkung), Bradykardie und Hypertonie (durch Kompression des Hirnstamms), Schielen (Abklemmen des Nervus abducens) und weite, lichtstarre Pupillen (Abklemmen des Nervus oculomotorius). Schließlich droht die Herniation von Hirnteilen durch das Tentorium cerebelli oder das Foramen magnum. Die Kompression des Hirnstamms führt dabei unmittelbar zum Tod. Bei einseitiger Druckzunahme kann es auch zur Herniation des Gyrus cinguli unter die Falx cerebri kommen mit Kompression der Vasa cerebri anteriora und entsprechenden Ausfällen der Hirnfunktionen. Liquorzusammensetzung. Die Liquorzusammensetzung

ist von diagnostischer Bedeutung bei bestimmten Erkrankungen des Gehirns: Normalerweise entspricht die Elektrolytzusammensetzung in etwa der des Serums. Allerdings ist die Konzentration an Proteinen und damit an proteingebundenen Ca2+-Ionen niedriger. Auch die K+Konzentration ist normalerweise um etwa 1 mmol/l geringer als im Serum. Die Proteinkonzentration im Liquor ist bei Liquorstau (fehlende Resorption in den Arachnoidalvilli), sowie bei Infektionen (v. a. Bildung durch immunkompetente Zellen) gesteigert. Die Glukosekonzentration ist im Liquor u. a. bei Tumoren, akuten bakteriellen Infektionen, Tuberkulose, Befall des Gehirns mit Pilzen und Hefe, sowie in sehr seltenen Fällen bei defektem Glukosetransporter herabgesetzt. Blutzellen werden normalerweise nicht im Liquor gefunden, bei Infektionen (z. B. Meningitis) treten jedoch Leukozyten, nach Blutungen (z. B. in Hirntumoren) Erythrozyten in den Liquor über. Die Farbe des normalerweise fast wasserklaren Liquors wird bei Blutungen rötlich (Erythrozyten) oder gelblich (Blutfarbstoffe, bilirubinbindende Plasmaproteine) und bei Ansammlungen von Leukozyten und Proteinen trüb.

311 12.7 · Gliazellen und Liquor

12.7.3

Blut-Hirn-Schranke

! Die Blut-Hirn-Schranke schützt die Neurone vor unkontrollierten schädlichen Änderungen des extrazellulären Milieus

Aufbau der Blut-Hirn-Schranke. Die Endothelzellen der

Hirnkapillaren bilden (außer im Hypophysenhinterlappen, in der Area postrema und im Plexus choroideus) unter dem Einfluss von Astrozyten dichte Schlussleisten (tight junctions), die keinen Durchtritt von im Blut gelösten Substanzen (Elektrolyten, Proteinen) oder Zellen zulassen (BlutHirn-Schranke oder Blut-Liquor-Schranke). Das extrazelluläre Milieu des Gehirns wird auf diese Weise vom Blut abgekoppelt, um zu verhindern, dass Nervenzellen Elektrolytschwankungen, Transmittern, Hormonen, Wachstumsfaktoren und Immunreaktionen im Blut ausgesetzt sind. Die Versorgung des Gehirns mit Substraten wird dabei durch spezifische Transportprozesse gewährleistet (u. a. für Glukose, Aminosäuren). Pharmaka und Toxine können die

Blut-Hirn-Schranke überwinden, wenn sie durch diese Transportprozesse akzeptiert werden oder eine so hohe Lipidlöslichkeit aufweisen, dass die Zellmembranen keine Diffusionsbarriere darstellen. Durchbrechung der Blut-Hirn-Schranke. Die tight junctions können unter pathologischen Bedingungen geöffnet und damit die Blut-Hirn-Schranke durchbrochen werden, wie etwa bei Hirntumoren (die keine funktionellen Astrozyten enthalten), bei Hyperosmolarität (durch Infusion hypertoner Mannitollösungen in hirnversorgende Arterien) und bei bakterieller Meningitis. Bei Neugeborenen ist die Blut-Hirn-Schranke normalerweise noch nicht dicht. Daher kann bei Hyperbilirubinämie des Neugeborenen (nicht jedoch des Erwachsenen) Bilirubin in das Gehirn eindringen und sich in Kernen des Hirnstamms ablagern (Kernikterus). Folglich kommt es zur Schädigung der Basalganglien mit Auftreten von Hyperkinesien.

In Kürze

Gliazellen und Liquor Gliazellen 4 Aufgaben: Oligodendrogliazellen o Myelinscheiden zentraler Neurone; Schwann-Zellen o Myelinscheiden peripherer Axone; Astroglia, Mikroglia o Phagozytose; Regulation der extrazellulären Konzentrationen an K+ (Abgabe an Stellen mit niedriger extrazellulärer K+-Konzentration = spatial buffering), Ca2+, H+, Neurotransmitter; Auswachsen von Axonen o Hirnentwicklung Liquor 4 Aufgabe: Volumenpuffer 4 Liquorzirkulation: Plexus choroidei Seitenventrikel o Foramina interventricularia o dritter Ventrikel o Aquädukt o vierter Ventrikel o Foramina Luschkae, Magendii o Subarachnoidalraum, Arachnoidalvilli Hirnsinus (Pacchionische Granulationen) o venöse Sinus 4 Missbildungen, Narben, Tumore, Sinusabflussstörungen o kommunizierender Hydrozephalus (Liquorfluss zwischen Ventrikeln ungestört) bzw. nichtkommunizierender Hydrozephalus o Liquorrückstau o Hydrozephalus

4 Hirndrucksteigerungen: Tumore, Blutungen, Abflussstörung von Liquor o intrakranieller Druck n o Kompression Gefäßraum o Hirndurchblutung p 4 Auswirkungen Drucksteigerung: Kopfschmerzen, Übelkeit, Erbrechen, Schwindel, Bewusstseinsverlust, Bradykardie, Hypertonie, Schielen (N. abducens), weite, lichtstarre Pupillen (N. oculomotorius); Lymphabfluss aus dem Augenhintergrund p o Lymphstau am Austritt des Sehnerven o Stauungspapille 4 Herniationen: Hirnteile durch Tentorium cerebelli oder Foramen magnum (o Kompression Hirnstamm o Tod), Gyrus cinguli unter Falx cerebri o Kompression Vasa cerebri anteriora 4 Liquorzusammensetzung: Im Vergleich zu Serum: Proteine, proteingebundene Ca2+-Ionen p, K+-Konzentration p, Liquorstau, Infektionen o Proteine n; Tumoren, Infektionen o Glukose p Blut-Hirn-Schranke 4 Astrozyten o Endothelzellen der Hirnkapillaren o dichte Schlussleisten (tight junctions) (Nicht dicht: Area postrema, Plexus choroideus beim Erwachsenen; Neugeborene, Hirntumoren, Hyperosmolarität, Meningitis)

12

13

13 Muskulatur 13.1

Allgemeine Muskelphysiologie

13.1.1 13.1.2 13.1.3 13.1.4 13.1.5

Myofilamente – 314 Sarkolemm – 317 Sarkoplasmatisches Retikulum Sarkoplasma – 320 Energieumwandlung – 320

13.2

Quergestreifte Muskulatur

13.2.1 13.2.2 13.2.3

Allgemeine Grundlagen – 322 Skelettmuskel – 322 Herzmuskel – 324

– 314

– 318

– 322

13.3

Glatter Muskel

13.3.1 13.3.2

Kontraktionsauslösung im glatten Muskel – 325 Regulation der glatten Muskelaktivität – 325

– 325

314

Kapitel 13 · Muskulatur

> > Einleitung Muskelzellen sind für die Durchführung von Bewegungen oder die Erzeugung mechanischen Drucks oder Spannung spezialisiert. Je nach Eigenschaften und Aufgaben unterscheidet man quergestreifte Muskulatur, die zur Durchführung willkürlicher Bewegungen eingesetzt wird, Herzmuskulatur, die das Blut durch den Kreislauf pumpt und glatte Muskulatur, die Blutgefäße und Hohlorgane umschließt, wie z. B. MagenDarm-Kanal, Harnleiter und Blase, Uterus, Samenleiter, Bronchien etc. Ferner regulieren glatte Muskeln im Auge die Linsenkrümmung und Pupillenweite sowie im Mittelohr das Spiel der Gehörknöchelchen.

hezustand werden die Bindungsstellen am Aktin des quergestreiften Muskels durch das Tropomyosin verlegt. Totenstarre. Nimmt das ATP bei gesteigerter intrazellulärer

Ca2+-Konzentration ab, dann kann die Bindung zwischen Myosin und Aktin nicht mehr gelöst werden und der Muskel verharrt im kontrahierten Zustand (Wegfall der »Weichmacherwirkung« von ATP). Auf diese Weise entsteht die Totenstarre der Skelettmuskulatur. ! Bei der Kontraktion durchlaufen die kontraktilen Elemente einen Reaktionszyklus

Kontraktionszyklus in Skelett- und Herzmuskel. Die Mus13.1

Allgemeine Muskelphysiologie

13.1.1

Myofilamente

! Die Muskelzelle kontrahiert durch Interaktion von Aktinund Myosinfilamenten

Aktinfilamente. Einzelne, kugelige (globuläre) Aktinmoleküle (G-Aktin) werden entlang langgestreckten, fadenförmigen Tropomyosinmolekülen perlschnurartig aneinander geheftet und bilden auf diese Weise die etwa 6 nm dicken Aktinfilamente (F-Aktin, . Abb. 13.1). Dabei sind jeweils zwei Aktinketten miteinander verschlungen. Die Aktinfilamente sind durch senkrecht verlaufendes α-Aktinin miteinander verbunden (Z-Streifen). An die Tropomyosinmoleküle lagern sich in der quergestreiften und der Herzmuskulatur jeweils im Abstand von 40 nm Troponinmoleküle an, die für die Regulation der Muskelkontraktion bedeutsam sind (s. u.).

13

kelkontraktion wird durch einen Anstieg der zytosolischen Ca2+-Konzentration ausgelöst. Ca2+ bindet an Troponin, wodurch an den Aktinfilamenten Bindungsstellen für die Myosinköpfchen frei werden (. Abb. 13.1). Durch das Freilegen der Myosinbindungsstellen am Aktin kann Myosin unter Mg2+-abhängiger Spaltung eines gebundenen ATP (ATPase) an das Aktinfilament binden und unter Abgabe von Phosphat und ADP um 45° abknicken. Durch diesen Knick wird das Myosin um etwa 10 – 20 nm am Aktinfilament entlang verschoben. Das am Aktin haftende Myosinköpfchen löst sich nun unter erneuter Bindung von ATP vom Aktinfilament, bildet mit dem Myosinhals wieder einen Winkel von 90° und haftet an eine um 10 – 20 nm weiter gelegene Bindungsstelle. Durch eine Vielzahl solcher Zyklen schiebt sich das Myosin allmählich am Aktinmolekül entlang und erzeugt damit ein Ineinanderschieben der Myosin- und Aktinfilamente (sliding filaments). Der Muskel kann sich auf diese Weise auf etwa die Hälfte der Ruhelänge verkürzen. Calponin/Caldesmon. Der glatte Muskel verfügt über kein

Myosinfilamente. Die Myosinfilamente sind mit 12 nm we-

sentlich dicker als die Aktinfilamente. Etwa 300, jeweils ca. 150 nm lange, Myosinmoleküle assoziieren durch elektrostatische Wechselwirkungen ihrer jeweils ca. 90 nm langen stabförmigen Anteile (»Schäfte«) zu einem ca. 1,6 μm langen Myosinfilament. An den jeweiligen Enden sind die Myosinmoleküle zu den Myosinköpfchen verdickt, die an Myosinhälsen hängen. Mit Ausnahme eines kleinen Bereiches in der Mitte des Myosinfilamentes ragen über die gesamte Länge des Myosinfilamentes (im Abstand von etwa 14 nm) Myosinköpfchen heraus. Die Myosinköpfchen können ATP binden und zu ADP spalten. Die Myosinköpfchen binden bei der Muskelkontraktion an die Aktinfilamente. Im Ru-

Troponin. Dessen Funktion wird durch die Proteine Calponin/Caldesmon wahrgenommen. Titin. Die elastischen Eigenschaften des Muskels, d. h. die

Zunahme der Spannung bei passiver Dehnung des erschlafften Muskels (Ruhedehnungskurve), werden durch Titin vermittelt, ein sehr großes Protein (>3000 kDa), das sich wie eine Feder dehnen lässt. Es verbindet die Z-Streifen (7 Kap. 13.1.1) mit den Myosinfilamenten. ! Die Kontraktionskraft und Kontraktionsgeschwindigkeit sind eine Funktion von Vordehnung und Kontraktionsform. Man unterscheidet dabei mehrere Kontraktionsformen

315 13.1 · Allgemeine Muskelphysiologie

. Abb. 13.1. Kontraktionszyklus eines Muskels. Das Ineinanderschieben von Aktinfilamenten und Myosin wird durch Abknicken von Myosinköpfchen erzielt (A). Voraussetzung für die Bindung von Myosin an Aktin ist, dass Ca2+ durch Verlagerung von Tropomyosin die Bindungsstellen für Myosin am Aktinfilament freilegt (B). Myosin bindet ATP (Ca). Nach Abspaltung eines Phosphates bin-

det nun Myosin an Aktin (Cb) und in der Folge knickt das Köpfchen ab (45°) und ADP wird freigesetzt (Cc). Durch erneute Bindung von ATP kann sich Myosin vom Aktin lösen, sich aufrichten (90°) und die nächste Bindungsstelle aufsuchen. Durch eine Serie solcher »Ruderschläge« bewegt sich Myosin am Aktin entlang (nach Rüegg aus Schmidt et al.)

Beziehung zwischen Kraft und Vordehnung des Muskels.

Bei der isometrischen Kontraktion bleibt die Länge des Muskels gleich, der Muskel entwickelt jedoch ein Maximum an Kraft. Äußere Arbeit (Kraft · Weg) wird bei einer rein isometrischen Muskelkontraktion nicht geleistet (. Abb. 13.3), obgleich der Muskel Energie (bzw. ATP) verbraucht. Bei der isotonen Muskelkontraktion verkürzt sich der Muskel gegen eine gleichbleibende Kraft (Last). In aller Regel ändern sich jedoch bei einer Muskelverkürzung auch die Kraft bzw. der Druck, gegen den kontrahiert wird. Bei der Verkürzung eines Skelettmuskels ändern sich z. B. die Hebel am Gelenk und damit die Kraft selbst bei konstanter Last. Nimmt während der Muskelverkürzung die Kraft zu, gegen die kontrahiert werden muss, dann nennt man die Muskelkontraktion auxoton.

Die bei der Muskelkontraktion erzeugte Kraft ist keine Konstante, sondern hängt von der Vordehnung ab. Der Muskel entwickelt bei mittlerer Vordehnung (Sarkomerlänge von ca. 2,2 µm) die größte Kraft (. Abb. 13.2). Bei stärkerer Vordehnung kann nur ein Teil der Myosinköpfchen an Aktin binden, bei starker Muskelverkürzung überlappen sich die Aktinfilamente teilweise und behindern die weitere Kontraktion. Darüber hinaus fördert Vordehnung des Muskels den Ca2+-Einstrom und steigert über Zunahme der Ca2+-Affinität von Troponin C die Wirkung von Ca2+ auf die kontraktilen Elemente, Wirkungen, die bei zu geringer Vordehnung des Muskels ausbleiben. Kontraktionsformen. Die Muskelkontraktion kann je nach

mechanischen Randbedingungen unterschiedlich ablaufen.

13

316


. Abb. 13.2. Abhängigkeit der Muskelkraft von der Vordehnung. Bei geringer Vordehnung wird die Muskelkraft durch Ineinanderschieben der Aktinfilamente behindert (a). Bei zu starker Vordeh-

nung ist der Kontakt zwischen Aktin und Myosin herabgesetzt und die Kontraktionskraft nimmt gleichermaßen ab (c, d) (nach Ghez aus Kandel et al.)

. Abb. 13.3. Spannungs-Längen-Diagramm und Kontraktionsformen eines Muskels. Ruhedehnungskurve und Maxima isometri-

scher (a) und isotoner (b) Muskelkontraktionen sowie verschiedene Formen der Muskelkontraktion (c)

13


Bei der Anschlagszuckung ist nur eine begrenzte Verkürzung des Muskels möglich. Die zunächst isotone oder auxotone Kontraktion geht dann in eine isometrische Muskelzuckung über. Beispielsweise ist die Kontraktion der Kaumuskulatur beim Zubeißen eine Anschlagszuckung. Umgekehrt besteht die Unterstützungszuckung aus einer initialen isometrischen Muskelzuckung, gefolgt von einer isotonen bzw. auxotonen Kontraktion. Eine Unterstützungszuckung wird z. B. bei Heben eines Gewichtes durchgeführt, wobei zunächst der Muskel isometrisch angespannt werden muss, bis er die – für das Heben des Gewichtes – erforderliche Kraft erreicht hat. ! Die Kontraktionsgeschwindigkeit hängt von den Eigenschaften des Muskels und der Last ab

Kontraktionsgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeit einer

Muskelkontraktion hängt zunächst von der Geschwindigkeit der zytosolischen Ca2+-Konzentrationszunahme ab. Sie ist umso schneller, je größer die zellulären Speicher sind und je dichter sie die kontraktilen Elemente umgeben. Die

Zunahme der Ca2+-Konzentration und damit die Geschwindigkeit der Kontraktion kann durch Hormone bzw. Mediatoren gesteigert werden, wie etwa durch Noradrenalin am Herzen. Die Geschwindigkeit einer Muskelkontraktion hängt ferner von der Frequenz des Kontraktionszyklus ab. Eine hohe ATPase-Aktivität am Myosin beschleunigt den Zyklus. Skelettmuskeln, die für die Durchführung schneller Bewegungen spezialisiert sind (z. B. Augenmuskeln), weisen eine höhere Myosin-ATPase-Aktivität auf als langsame Haltemuskeln (z. B. M. soleus der Wade). Die Kontraktionsgeschwindigkeit hängt schließlich von der Last ab, gegen die der Muskel kontrahieren muss (Hill-Gesetz). Bei lastfreier Kontraktion (L = 0) erreicht die Verkürzungsgeschwindigkeit ihr Maximum (Vmax). Ist die Last mit der maximalen Kraft des Muskels identisch (Lmax), dann geht die Verkürzungsgeschwindigkeit gegen null (isometrische Kontraktion). Ist die Last größer als Lmax, dann wird der Muskel trotz Anspannung gedehnt (. Abb. 13.4). Die Last beeinflusst auch die erbrachte Leistung. Sie ist bei lastfreier Kontraktion null und bei mittlerer Last am größten.

13.1.2

Sarkolemm

! Die Depolarisation des Sarkolemms ist der erste Schritt bei der Auslösung der Muskelkontraktion

Tubuläres System. Der große Durchmesser von Skelettmus-

kelzellen erlaubt keinen hinreichend schnellen Transport von extrazellulärem Ca2+ von der Zelloberfläche zu den kontraktilen Elementen. Die Zellmembran von Skelettmuskeln (Sarkolemm) ist daher stark eingefaltet und erzeugt ein transversales tubuläres System, das in engem Kontakt mit Ca2+-speichernden intrazellulären Hohlräumen (longitudinales tubuläres System, sarkoplasmatisches Retikulum) steht. Damit gelangt die Zellmembran in die Nähe aller kontraktilen Elemente und ermöglicht bei Depolarisation lokal Einstrom und Freisetzung von Ca2+ (. Abb. 13.5). . Abb. 13.4. Verkürzungsgeschwindigkeit und Muskelleistung als Funktion der Last. Die Verkürzungsgeschwindigkeit (oben) ist bei kleiner Last am größten, allerdings wird dabei keine Leistung erbracht (unten). Ist die Last so groß wie die maximale Muskelkraft (Vmax), gehen Verkürzungsgeschwindigkeit und Leistung gegen null. Ist die Last größer als Vmax , dann werden Verkürzungsgeschwindigkeit und Leistung sogar negativ (d. h. der Muskel wird von der Last gedehnt) (nach Hescheler und Hirche aus Deetjen und Speckmann)

Fortleitung der Depolarisation. Die spannungsabhängigen Na+-Kanäle im Sarkolemm gewährleisten die blitzartige (3–5 m/s) Ausbreitung einer Depolarisation über die gesamte Skelettmuskelfaser inklusive transversales tubuläres System, ergreift jedoch im Gegensatz zu glatten Muskeln (7 Kap. 13.3.1) und Herzmuskel (7 Kap. 3.1.2) keine benachbarten Muskelfasern.

13

318

13


. Abb. 13.5. Freisetzung von Ca2+ im Skelettmuskel durch Depolarisation. In Ruhe ist die Zellmembran polarisiert (innen negativ) und die Speicher des sarkoplasmatischen Retikulums speichern Ca2+ (rot). Bei Erregung wird die Zellmembran durch Öffnung von Na+-Kanälen und folgenden Na+-Einstrom (lila Pfeile) depolarisiert. Dadurch öffnen spannungsabhängige Ca2+-Kanäle (orange Pfeile). In der Folge werden

Ca2+-Kanäle in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums geöffnet (orange Pfeile). Ca2+ strömt in das Zytosol und löst die Muskelkontraktion aus. Die Erschlaffung wird durch Repolarisation der Zellmembran eingeleitet. Dabei strömt Cl– ein (blaue Pfeile) und K+ aus (grüne Pfeile) und Ca2+ wird wieder in die Speicher gepumpt (orange Pfeile) (nach Rüegg aus Schmidt et al.)

Calciumfreisetzung und -einstrom. Die Depolarisation des

Neurotransmitter Acetylcholin aufweisen, breiten sich beim denervierten Skelettmuskel Acetylcholinrezeptoren über die gesamte Zellmembran aus. Für eine Erregung des Muskels ist jedoch ein erneuter Kontakt mit einer Nervenendigung erforderlich. Auch denervierte glatte Muskeln steigern ihre Rezeptorendichte für Mediatoren und Hormone und können somit leichter erregt werden.

Sarkolemm aktiviert spannungs-abhängige Ca2+-Kanäle (LTyp Ca2+-Kanäle bzw. Dihydropyridinrezeptoren, DHPR), über welche Ca2+ aus dem Extrazellulärraum einströmt. Die Aktivierung der DHP-Rezeptoren bewirkt eine Aktivierung der Ryanodinrezeptoren (RYR-1 im Skelettmuskel, RYR-2 im Herzen), die sowohl im transversalen tubulären System als auch im sarkoplasmatischen Retikulum verankert sind. Die Aktivierung der Ryanodinrezeptoren führt zu einer Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum, die den Einstrom von Ca2+ aus dem Extrazellulärraum bei weitem überwiegt. Die Zunahme der zytosolischen Calciumkonzentration führt letztlich zur Kontraktion des Muskels (7 Kap. 13.1.1). Die Potenzialabhängigkeit der Aktivität von DHP-Rezeptoren gewährleistet die Kopplung der Muskelkontraktion an das Zellmembranpotenzial (elektromechanische Kopplung).

Erschlaffung. Bei Repolarisation der Zellmembran sinkt die zytosolische Ca2+-Konzentration wieder schnell ab, da Ca2+Pumpen Ca2+ zurück in die Speicher und Na+/Ca2+-Austauscher sowie Ca2+-Pumpen Ca2+ in den Extrazellulärraum transportieren. Damit wird der Kontraktionszyklus unterbrochen und der Muskel erschlafft. Im Skelettmuskel wird die Repolarisation durch Cl--Einstrom unterstützt (7 Kap. 13.2.2).

13.1.3

Sarkoplasmatisches Retikulum

Regulation der Muskelkontraktion durch Nerven. Der

Skelettmuskel wird normalerweise über Nerven depolarisiert und damit eine Kontraktion ausgelöst. Auch die Multiunit-Muskelfasern der glatten Muskulatur werden hauptsächlich durch den Einfluss von Nerven depolarisiert. Bei Denervierung werden sie zunächst stillgelegt. Die denervierte Muskulatur verändert jedoch ihre Sensibilität gegenüber Nervenreizen. Während normalerweise weniger als 1 % der Fläche eines Skelettmuskels Rezeptoren für den

! Ca2+ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum überflutet die Muskelzelle mit Ca2+

Calciumspeicher. Das sarkoplasmatische Retikulum dient als intrazellulärer Ca2+-Speicher. Eine Ca2+-ATPase (sarcoplasmic endoplasmic reticulum Ca2+ transporting ATPase, SERCA) pumpt Ca2+ aus dem Zytosol in das sarkoplasmatische Retikulum.


. Abb. 13.6. Beziehung zwischen Aktionspotenzial (EM = Zellmembranpotenzial) und Muskelkontraktion (K = Kontraktionskraft). Beim Skelettmuskel (oben) löst ein einzelnes Aktionspotenzial nur eine geringe Zunahme der zytosolischen intrazellulären Ca2+-Konzentration

(Cai) und Kontraktion aus. Durch hochfrequente Reizung des Muskels steigen Cai und Kontraktionskraft an (sog. tetanische Reizung). Im Herzen (unten) erfolgt die Kontraktion bereits während des Aktionspotenzials und eine tetanische Reizung des Herzmuskels ist nicht möglich

Depolarisation, Ca2+ und die Regulation der Kontraktionskraft. Die Muskelkontraktion ist eine Funktion der zytosoli-

können demnach mehrere Aktionspotenziale bereits vor Einsetzen der Kontraktion auftreten und eine stufenweise Zunahme der zytosolischen Ca2+-Konzentration bewirken. Die Frequenz der Aktionspotenziale entscheidet dabei über zytosolische Ca2+-Konzentration und Kontraktionskraft (sog. Tetanisierung des Muskels, . Abb. 13.6). Auch im Herzmuskel wird Ca2+ aus intrazellulären Speichern freigesetzt. Im Herzen spielt jedoch der Ca2+-Einstrom von außen eine wesentlich größere Rolle als im Skelettmuskel und extrazellulärer Ca2+-Entzug führt nach wenigen Schlägen zum Herzstillstand. Beim Herzen ist ferner das Aktionspotenzial lang und lässt keine Tetanisierung zu (7 Kap. 3.1.1).

schen Ca2+-Konzentration: Je höher die zytosolische Ca2+Konzentration, desto mehr Aktinbindungsstellen werden frei und desto stärker ist die Kontraktionskraft. Die Erregung wird in der Regel durch eine Depolarisation der Zellmembran ausgelöst, die zu einer Öffnung von spannungssensitiven Ca2+-Kanälen und Freisetzung von Ca2+ aus intrazellulären Speichern führt (7 Kap. 13.1.2). Durch Ca2+-Einstrom und Ca2+-Freisetzung steigt die zytosolische Ca2+-Konzentration schlagartig von ca. 0,1 bis auf 10 µmol/l. Die Depolarisation (Aktionspotenzial) ist im Skelettmuskel nur kurz, und es

13

320


IP3 stimulierte Ca2+-Freisetzung. In glatten Muskelzellen

kann auch Inositoltrisphosphat (IP3) eine Ca2+ -Freisetzung auslösen (7 Kap. 13.3.2).

13.1.4

Sarkoplasma

! Die Ca2+-Konzentration im Sarkoplasma wird durch mehrere Pumpen reguliert

Ionenzusammensetzung. Die Ionenzusammensetzung des Sarkoplasma entspricht derjenigen von anderen Zellen (7 Kap. 12.2.2). Für die Kontraktion maßgebend ist die zytosolische Ca2+-Konzentration (7 Kap. 13.1.1), die durch Ca2+-Kanäle, Ca2+-ATPasen und Na+/Ca2+-Austauscher reguliert wird (7 Kap. 13.1.2). Eine Zunahme der intrazellulären Na+-Konzentration mindert die treibende Kraft für den Na+/Ca2+-Austauscher und kann daher die intrazelluläre Ca2+-Konzentration und damit die Muskelkraft steigern. Auf diese Weise steigern Hemmstoffe der Na+/K+-ATPase (Digitalisglykoside) die Herzkraft. Intrazelluläre K+- und Cl--Konzentrationen können über Beeinflussung des Membranpotenziales (7 Kap. 1.5) die Muskeltätigkeit beeinflussen. Eine Zunahme der intrazellulären H+-Konzentration behindert die Bindung von Ca2+ und mindert damit die Kontraktilität (7 Kap. 5.10.3). Regulation der SERCA. Die Aktivität der SERCA kann im Herzmuskel und in glatten Muskeln durch second messenger (cAMP und cGMP) stimuliert und damit die Ca2+-Aufnahme in die Speicher beschleunigt werden. Im Herzmuskel wird dadurch die Erschlaffung beschleunigt (7 Kap. 3.4.2), im glatten Muskel kann dadurch die Kontraktion abgeschwächt werden.

13

Regulation der Kontraktion durch intrazelluläre Transmitter. Im glatten Muskel wird die Ca2+-Sensitivität durch eini-

ge intrazelluläre second messenger reguliert (7 Kap. 13.3.2).

13.1.5

Energieumwandlung

! Die Muskelkontraktion ist auf Energie in Form von ATP angewiesen

ATP-Spaltung und -Resynthese. Die Muskeltätigkeit erfor-

dert Energie in Form von ATP, das sowohl für die Kontraktion als auch für die Erschlaffung des Muskels erforderlich

ist (7 Kap. 13.1.1). Mangel an ATP verhindert die Lösung des Myosins vom Aktin und führt damit zu einem Erstarren des Muskels (z. B. Totenstarre, 7 Kap. 13.1.5). ATP-Gewinnung. Im Muskel kann ATP sowohl durch Glukoseabbau zu Laktat (anaerobe Glykolyse) als auch durch aerobe Verbrennung von Fettsäuren, Ketonkörpern und Glukose gewonnen werden. Bei Verfügbarkeit von Sauerstoff bevorzugt die Muskulatur Fettsäuren als Energiesubstrat. Das Herz gewinnt seine Energie v. a. durch oxidativen Abbau von Fettsäuren, Glukose und Laktat (7 Kap. 3.3.2). Energiespeicher. Der Muskel verfügt über mehrere Mecha-

nismen, die eine Tätigkeit auch bei kurzfristiger Unterbrechung der Zufuhr von O2 oder Substraten ermöglichen. Der Gehalt an ATP erlaubt nur eine äußerst kurzfristige Fortsetzung der Muskeltätigkeit. Der Muskel akkumuliert über einen Na+-gekoppelten Transporter (CreaT) das in der Leber gebildete Kreatin, das im Muskel reversibel Phosphat binden und an ADP abgeben kann. Die Reaktion wird durch die Kreatinkinase katalysiert. Kreatinphosphat ist ein kurzfristiger Energiespeicher. Im Muskel wird O2 an Myoglobin gebunden, das eine wichtige Rolle im O2-Transport innerhalb des Muskels spielt aber ebenfalls ein nur äußerst kurzfristiger Speicher ist. Skelettmuskeln können erhebliche Mengen an Glykogen speichern, bei dessen Abbau Glukose-1-phosphat zur Energiegewinnung bereitgestellt wird. Der Glykogengehalt eines Muskels entscheidet über seine Fähigkeit, seine Arbeit bei O2-Mangel aufrecht zu erhalten. Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad eines Muskels ist die

geleistete mechanische Arbeit (Kraft · Weg) in % des Energieverbrauches. Er ist bei statischer Muskelarbeit praktisch null, da ohne Bewegung keine Arbeit geleistet wird. Bei dynamischer Muskelarbeit kann der Wirkungsgrad bis zu 25% des Energieverbrauches erreichen. Dabei werden 75% der Energie in Wärme umgewandelt. Wärmebildung von Muskeln. Die Aktivierungswärme entsteht durch die Umwandlung von ATP in mechanische Energie, die Erschlaffungswärme durch das Freiwerden der mechanischen Energie bei Dehnung elastischer Elemente des Muskels, und die Erholungswärme durch die chemischen Umsätze zur Herstellung des ursprünglichen Zustandes. Bei anhaltender isometrischer Kontraktion wird der Kontraktionszyklus ständig durchlaufen und es werden somit ständig große Mengen Wärme freigesetzt (Erhaltungswärme).


In Kürze

Allgemeine Muskelphysiologie Myofilamente 4 Aktinmoleküle (G-Aktin) bilden entlang Tropomyosinmolekülen 6 nm dicke Aktinfilamente (F-Aktin), senkrecht verlaufendes α-Aktinin (Z-Streifen), angelagerte Troponinmoleküle, Myosinfilamente (12 nm), Myosinköpfchen an Myosinhälsen. Myosinköpfchen enthalten ATPase-Aktivität 4 ATP p bei hoher Ca2+-Konzentration o Bindung zwischen Myosin und Aktin kann nicht gelöst werdeno Totenstarre 4 Kontraktionszyklus in Skelett- und Herzmuskel: Zytosolische Ca2+-Konzentration n o Ca2+ bindet Troponin o Bindungsstellen für Myosinköpfchen frei o Bindung Myosin (unter Mg2+-abhängiger ATP-Spaltung) o 45° Abknicken o Lösen o erneute ATP-Bindung o Winkel von 90° o erneutes Anheften o erneutes Abknicken (sliding filaments) 4 Glatter Muskel statt Troponin Calponin/Caldesmon 4 Titin (>3000 kDa) dehnbar = elastische Eigenschaften des Muskels, verbindet Z-Streifen 4 Mittlere Vordehnung (Sarkomerlänge von ca. 2,2 µm) o größte Kraft; Ca2+-Einstrom n, Ca2+-Affinität von Troponin C n; weitere Vordehnung n o weniger Überlappung Myosin-Aktin o Kraft p; Vordehnung p o Überlappung Aktinfilamente, Ca2+-Einstrom p, Ca2+-Affinität von Troponin C p o Kraft p 4 Isometrisch (= Länge bleibt konstant); Isoton (= Kraft [Last] bleibt konstant); Auxoton (Länge p, Kraft n); Anschlagszuckung (isoton/auxoton o isometrisch): Unterstützungszuckung (isometrisch o isoton/auxoton) 4 Größe, Dichte zellulärer Ca2+-Speicher n, [o Geschwindigkeit Ca2+-Konzentrationszunahme n], ATPase-Aktivität am Myosin n [o Frequenz Kontraktionszyklus] o Kontraktionsgeschwindigkeit n 4 Lastfreie Kontraktion o Verkürzungsgeschwindigkeit maximal, Leistung bei mittlerer Last am größten Sarkolemm 4 Zellmembran von Skelettmuskeln, stark eingefaltet (transversales tubuläres System), enger Kontakt zu Ca2+-speichernden intrazellulären Hohlräumen (longitudinales tubuläres System, sarkoplasmatisches Retikulum) o schnelle zytosolische Ca2+-Zunahme nach Depolarisation

4 Depolarisation o Na+-Kanäle o blitzartige (3–5 m/s) Ausbreitung o Ca2+-Kanäle (L-Typ Ca2+-Kanäle bzw. Dihydropyridinrezeptoren, DHPR), o Ryanodinrezeptoren (RYR-1 im Skelettmuskel, RYR-2 im Herzen) o Ca2+-Freisetzung aus sarkoplasmatischem Retikulum (>>Ca2+-Einstrom aus Extrazellulärraum) o Kontraktion des Muskels (elektromechanische Kopplung); Repolarisation (u. a. durch Cl--Einstrom) o zytosolische Ca2+-Konzentration p (sarcoplasmic endoplasmic reticulum Ca2+ transporting ATPase, SERCA, sarkolemmale Ca2+-ATPase, Na+/Ca2+-Austauscher) Sarkoplasmatisches Retikulum 4 Frequenz der Aktionspotenziale o zytosolische Ca2+Konzentration o Kontraktionskraft (Tetanisierung) 4 Inositoltrisphosphat (IP3) in glatten Muskelzellen o Ca2+-Freisetzung Sarkoplasma 4 Ca2+-Kanäle, Ca2+-ATPasen, Na+/ Ca2+-Austauscher o zytosolische Ca2+-Konzentration; Hemmung Na+/ K+-ATPase (Digitalisglykoside) o zytosolische Na+Konzentration n o Na+/Ca2+-Austauscher p o intrazelluläre Ca2+-Konzentration n o Muskelkraft n 4 K+-, Cl--Konzentrationen o Membranpotenzial o Kontraktion 4 pHi p o Bindung von Ca2+ p o Kontraktilität p 4 cAMP, cGMP o SERCA n o beschleunigte Erschlaffung Energieumwandlung 4 Skelettmuskel: Anaerober Glukoseabbau, Verbrennung von Fettsäuren (bevorzugt), Ketonkörpern, Glukose 4 Herz: Verbrennung von Fettsäuren, Glukose und Laktat 4 Energiespeicher: ATP, Kreatinphosphat, O2-Myoglobin, Glykogen 4 Wirkungsgrad: statische Muskelarbeit 0, dynamische Muskelarbeit ≤25% 4 Aktivierungswärme (Umwandlung ATP in mechanische Energie), Erschlaffungswärme (Freiwerden mechanischer Energie), Erholungswärme (chemische Umsätze, Herstellung ursprünglicher Zustand), anhaltende isometrische Kontraktion (Erhaltungswärme)

13

322


13.2


13.2.1


! Die zytosolische Ca2+-Konzentration und damit die Muskelkraft steigt mit zunehmender Aktionspotenzialfrequenz. Die Kraft bzw. Muskelspannung steigt ferner mit der Zahl rekrutierter Muskelfasern und deren Vordehnung

Aktivierung der Endplatte und Mechanismen der Ca2+-Freisetzung. Eine Muskelfaser wird über ihre motorische End-

platte aktiviert, wie an anderer Stelle ausgeführt wird (7 Kap. 12.4.4). An der postsynaptischen Membran der Endplatte entsteht ein Aktionspotenzial, das über transversale Tubuli in die Tiefe der Zelle zum sarkoplasmatischen Retikulum weitergeleitet wird (7 Kap. 13.1.3). Dort wird über Aktivierung von DHP-Rezeptoren (L-Typ-Ca2+-Kanälen) und v. a. Freisetzung von Ca2+ über Ryanodinrezeptoren die intrazelluläre Ca2+-Konzentration gesteigert (7 Kap. 13.1.3). Tetanische Muskelkontraktion. Die Muskelzuckung tritt

13

beim Skelettmuskel erst mit erheblicher Verzögerung ein und dauert auch wesentlich länger an als ein Aktionspotenzial (. Abb. 13.6). Damit ist die Frequenz von Einzelzuckungen begrenzt (< 5 Hz). Die Kontraktionskraft einer einzelnen Muskelfaser kann jedoch durch Zunahme der Aktionspotenzialfrequenz gesteigert werden. Dabei addieren sich die Wirkungen einzelner Aktionspotenziale (Superposition) auf die Muskelkraft. Bei höheren Aktionspotenzialfrequenzen (> 20 Hz) kommt es zu einer anhaltenden Kontraktion der Muskelfaser (tetanische Kontraktion). Die tetanische Kontraktion (Tetanus) ist ein physiologischer Vorgang und darf nicht mit Tetanie verwechselt werden, die gesteigerte neuromuskuläre Erregbarkeit bei Hypokapnie (7 Kap. 5.10.4) und bei Hypocalciämie (7 Kap. 9.1.6). Ferner wird der Wundstarrkrampf ebenfalls Tetanus genannt, bei dem durch das Tetanustoxin des Wundstarrkrampferregers die Ausschüttung des hemmenden Transmitters Glyzin unterbunden wird und auf diese Weise lebensbedrohliche Krämpfe ausgelöst werden. Regulation der Muskelkraft. Für die Kontraktionskraft eines Skelettmuskels spielt neben der Aktionspotenzialfrequenz einzelner Muskelfasern auch die Zahl der gleichzeitig aktivierten Muskelfasern eine Rolle: Alle, von einem α-Motoneuron im Rückenmark innervierten Muskelfasern (motorische Einheit) werden bei Aktivierung dieses Motoneu-

rons kontrahiert. Je mehr Motoneurone bzw. motorische Einheiten sich an der Kontraktion beteiligen, desto stärker wird die Kontraktionskraft. Ruhedehnungskurve. Bei passiver Dehnung des Muskels

nimmt die Muskelspannung durch Dehnung elastischer Elemente (Titin) zu. Der Zusammenhang zwischen Länge und Spannung eines ruhenden Muskels wird durch die Ruhedehnungskurve dargestellt (. Abb. 13.3). Während der Muskelkontraktion addieren sich passive Spannung und aktiv erzeugte Kraft des Muskels (. Abb. 13.2).

13.2.2

Skelettmuskel

! Cl--Kanäle sind bei der Repolarisation beteiligt, Ionenkanaldefekte führen zu Myotonie und Lähmungen

Bedeutung der Cl--Kanäle für die Repolarisation. Die en-

gen longitudinalen Tubuli des sarkoplasmatischen Retikulums weisen ein sehr geringes Volumen auf. Bei einem repolarisierenden K+-Ausstrom steigt die intratubuläre K+Konzentration daher sehr schnell an, das K+-Gleichgewichtspotenzial sinkt ab und die Repolarisation wird erschwert. Ein Anstieg der extrazellulären K+-Konzentration um 10 mmol/l von 5 auf 15 mmol/l K+ bedeutet eine Abnahme des K+-Gleichgewichtspotenzials um etwa 30 mV (7 Kap. 1.5). Daher erfordert die Repolarisation in den longitudinalen Tubuli auch die Aktivierung von Cl--Kanälen. Der repolarisierende Cl--Strom von den Tubuli in die Zelle senkt zwar die tubuläre Cl--Konzentration, ein Absinken der extrazellulären Cl--Konzentration um 10 mmol/l von 110 mmol/l auf 100 mmol/l ändert das Gleichgewichtspotenzial jedoch um weniger als 3 mV. Genetische Defekte von Ionenkanälen. Genetische Defekte der Cl--Kanäle führen zur Myotonie. Bei dieser Erkrankung ist die Repolarisation gestört und einer Depolarisation folgen Salven weiterer Aktionspotenziale (Myotonia Thomsen oder Becker). Bei der Paramyotonie führt eine Mutation des Na+-Kanals zur verzögerten Inaktivierung bei Kälte, die Patienten leiden unter Muskelsteifigkeit, wenn die Muskeltemperatur absinkt. Bei der periodischen hyperkaliämischen Lähmung führen Mutationen des Na+-Kanals zu persistierendem Na+Einstrom mit anhaltender, ausgeprägter Depolarisation, zellulären K+-Verlusten mit Hyperkaliämie und beeinträchtigter Repolarisation, die zur Lähmung führen kann.

323 13.2 · Quergestreifte Muskulatur

Ein genetischer Defekt des Ryanodinrezeptors führt zur malignen Hyperthermie: Bei dieser Erkrankung wird der Ryanodinrezeptor durch Halothan aktiviert, das bei Narkose eingesetzt wird. Patienten mit diesem Ionenkanaldefekt reagieren auf Anästhetika wie Halothan mit massiver Aktivierung der Muskulatur, die u. a. zur Temperatursteigerung führt. ! Schnelle Zielbewegungen und Haltearbeit erfordern unterschiedliche Muskelfasertypen

Muskelfasertypen. Der Körper verfügt über zweierlei Mus-

kelfasertypen, die langsamen S-(slow) und die schnellen F(fast)Muskelfasern. Die S-Muskelfasern sind reich an Mitochondrien und Myoglobin und mit einem dichten Kapillarnetz versorgt. Sie sind relativ schwer ermüdbar und eignen sich besonders für langdauernde Muskelarbeit. Die F-Muskelfasern sind hingegen reich an Glykogen und glykolyti-

. Abb. 13.7. Elektromyogramm. Stark schematisierte Bilder normaler und pathologischer Registrierungen vor, während und nach maximaler Muskelkontraktion. Bei neurogener Muskeldystrophie ist die maximale Frequenz herabgesetzt, da die Zahl der motorischen Einheiten in Elektrodennähe durch Untergang von Motoneuronen reduziert ist. Bei myogener Muskeldystrophie ist die gemessene Amplitude he-

schen Enzymen. Sie sind vor allem für schnelle, kurzdauernde Muskelkontraktionen geeignet. Der Anteil an F-Fasern ist in denjenigen Muskeln besonders hoch, die schnelle Zielbewegungen durchführen müssen (z. B. Augenmuskeln). Der Anteil an SMuskelfasern überwiegt in der Haltemuskulatur (z. B. M. soleus). Ein intermediärer Muskelfasertyp verfügt über eine große Menge an Mitochondrien und glykolytischen Enzymen. ! Elektromyographie unterstützt die Diagnostik von Störungen der Muskelkontraktion

Elektromyographie. Die elektrischen Eigenschaften eines

Muskels lassen sich in der Klinik durch Elektromyographie erfassen (. Abb. 13.7). Dabei wird die Potenzialdifferenz zwischen Elektroden auf der Hautoberfläche über dem Muskel und einer Referenzelektrode (transkutane Elektro-

rabgesetzt, da die motorischen Einheiten durch Muskelfaseruntergang kleiner geworden sind. Bei Myasthenia gravis fallen bei anhaltender Aktivierung zunehmend Muskelfasern einer motorischen Einheit aus, und die Amplitude nimmt ab. Beim myasthenischen Syndrom wird die Aktivierung der Muskelfasern bei anhaltender Kontraktion besser und die Amplitude steigt entsprechend

13

324


myographie) abgegriffen. Alternativ wird eine Nadelelektrode in den Muskel eingestochen. Die Amplitude der intramuskulär aber extrazellulär gemessenen Potenzialänderungen ist mit etwa 1 mV sehr viel kleiner als die Amplitude eines Aktionspotenzials (ca. 100 mV). Die Amplitude der Potenzialänderungen steigt mit der Zahl gleichzeitig depolarisierender Muskelfasern in unmittelbarer Nähe der Elektrode. Da alle Muskelfasern einer motorischen Einheit (7 Kap. 13.2.1) gleichzeitig depolarisieren, zeigt die Amplitude an, wieviele Muskelfasern einer motorischen Einheit in unmittelbarer Nähe zur Elektrode liegen. Die Kontraktionsstärke nimmt mit der Frequenz der Potenzialänderungen zu. Da unterschiedliche motorische Einheiten in der Regel nicht gleichzeitig kontrahieren, nimmt die gemessene Aktionspotenzialfrequenz bei gleichzeitiger Aktivierung benachbarter motorischer Einheiten zu. Die bei maximaler Kontraktion des Muskels erreichte Frequenz hängt somit von der Zahl der motorischen Einheiten ab, deren Muskelfasern im Bereich der Nadelelektrode liegen. Die Elektromyographie wird v. a. zur Unterscheidung muskulärer und neuronaler Funktionsausfälle eingesetzt. Bei Untergang von einigen Muskelfasern einer motorischen Einheit nimmt die Amplitude der Potenzialänderungen ab, da nun weniger Muskelfasern gleichzeitig depolarisieren. Bei Untergang von Neuronen fallen alle betroffenen motorischen Einheiten aus. Die denervierten Muskelfasern werden dann durch Kollateralen benachbarter Motoneurone innerviert. Die jeweiligen motorischen Einheiten werden somit größer. Bei teilweisem Untergang von Motoneuronen

wird im betroffenen Muskel somit die Frequenz der Potenzialänderungen geringer, die Amplitude jedoch größer.

13.2.3

Herzmuskel

! Der Herzmuskel ist eine Volumenpumpe. Auch er wird bei Zunahme der zytosolischen Ca2+-Konzentration kontrahiert

Kontraktionsmechanismus. Auch die Kontraktion des Herzmuskels wird durch Zunahme der zytosolischen Ca2+-Konzentration ausgelöst (7 Kap. 3.2.1). Über Bindung an Troponin C leitet es die Interaktion von Aktinfilamenten und Myosin ein (7 Kap. 3.2.1). Im Herzen gelangt Ca2+ vorwiegend durch spannungsabhängige Ca2+-Kanäle in die Zelle und wird aus intrazellulären Speichern freigesetzt (7 Kap. 3.2.1). Kontraktionsformen während des Herzzyklus. Die Kon-

traktion des Herzens beginnt mit einer isovolumetrischen Kontraktion bis zum Erreichen des Druckes in Aorta (linkes Herz) bzw. Arteria pulmonalis (rechtes Herz). Dann folgt eine auxotone Kontraktion mit gleichzeitiger Spannungszunahme und Volumenverkleinerung. Es folgt eine isovolumetrische Erschlaffung bei geschlossenen Herzklappen und schließlich die erneute Herzfüllung mit gleichzeitiger Druck- und Volumenzunahme (7 Kap. 3.2.3). Die isovolumetrische Kontraktion des Herzens ist keine strikte isometrische Kontraktion, da die Muskelfasern sich verkürzen und damit eine Formveränderung des Herzens bewirken.

In Kürze


13

Allgemeine Grundlagen 4 Mit zunehmender Aktionspotenzialfrequenz addieren sich Wirkungen einzelner Aktionspotenziale (Superposition) zur Muskelkraft. Bei >20 Hz o anhaltende Kontraktion (tetanische Kontraktion) 4 Tetanie = neuromuskuläre Erregbarkeit n bei Hypokapnie, Hypocalciämie 4 Tetanus entsteht durch Tetanustoxin (o Glyzinausschüttung p) o lebensbedrohliche Krämpfe 4 Aktionspotenzialfrequenz einzelner Muskelfasern + Zahl gleichzeitig aktivierter Motoneurone (motorische Einheiten) o Kontraktionskraft 4 Passive Dehnung o Dehnung Titin o Ruhedehnungskurve 6

Skelettmuskel 4 Genetischer Defekt Cl--Kanäle o gestörte Repolarisation o Aktionspotenzialsalven o Myotonie 4 Genetischer Defekt Na+-Kanäle o verzögerte Inaktivierung bei Kälte o Paramyotonie: 4 Defekter Na+-Kanal o anhaltende Öffnung o Depolarisation, K+-Verluste, Hyperkaliämie o Periodische hyperkaliämische Lähmung 4 Defekter Ryanodinrezeptor o Aktivierung durch Halothan o Ca2+-Freisetzung o maligne Hyperthermie 4 Slow Muskelfasertyp reich an Mitochondrien, Myoglobin, Kapillaren (rot) o relativ schwer ermüdbar, langdauernde Muskelarbeit (z. B. M. soleus)

325 13.3 · Glatter Muskel

4 Fast Muskelfasertyp reich an Glykogen, glykolytische Enzyme o schnelle, kurzdauernde Muskelkontraktionen (z. B. Augenmuskeln) 4 Intermediärer Muskelfasertyp reich an Mitochondrien und glykolytischen Enzymen. 4 Transkutane Elektromyographie: Amplitude Zahl gleichzeitig depolarisierter Muskelfasern in Elektrodennähe Muskelfasern einer motorischen Einheit; Frequenz Zahl gleichzeitig aktivierter benachbarter motorischer Einheiten Zahl motorischer Einheiten in

13.3

Glatter Muskel

13.3.1

Kontraktionsauslösung im glatten Muskel

! Im glatten Muskel fehlt die Streifung. Bei der Aktivierung sind Zellmembranpotenzial, Ca2+, MLCK und Caldesmon/ Calponin beteiligt

Elektrodennähe; Muskelfasern einer motorischen Einheit p o Amplitude p; Untergang Neurone o Frequenz p Herzmuskel 4 Kontraktionsauslösung: Ca2+-Einstrom über Kanäle der Zellmembran und aus intrazellulären Speichern o zytosolische Ca2+-Konzentration n o Ca2+-Bindung an Troponin C o Interaktion Aktinfilamente und Myosin 4 Herzzyklus: Isovolumetrische Kontraktion o auxotone Kontraktion o isovolumetrische Erschlaffung o erneute Herzfüllung (7 Kap. 3.2.3)

Caldesmon/Calponin im glatten Muskel eine ähnliche Rolle wie Troponin/Tropomyosin im quergestreiften Muskel. Myosin wird durch eine Phosphatase (MLCP) dephosphoryliert und damit inaktiviert. Mechanische Eigenschaften. Bei gleichem Querschnitt errei-

chen glatte Muskeln in etwa die gleiche Kraft wie quergestreifte Muskeln. Ihre Kontraktionsgeschwindigkeit ist jedoch geringer. Sie können sich andererseits sehr viel stärker verkürzen. Bei Haltearbeit können sie den Querbrückenzyklus verlangsamen und können damit den Energieverbrauch auf Einleitung Das vegetative Nervensystem dient in erster Linie der Regulation des »inneren Milieus« und der Anpassung von Organleistungen an den jeweiligen Bedarf. Seine Tätigkeit entzieht sich weitgehend der bewussten Kontrolle durch das somatische Nervensystem.

14.1

Morphologische Grundlagen, Entwicklung, Wachstumsfaktoren

14.1.1

Strukturelle Organisation

! Im vegetativen Nervensystem innerviert ein Neuron im ZNS ein zweites Neuron in Ganglien oder im regulierten Organ, das über seine Nervenendigungen die vegetativen Transmitter freisetzt

Aufbau. Das periphere vegetative Nervensystem umfasst das sympathische und parasympathische Nervensystem sowie das Darmnervensystem. Vom Rückenmark aus erreichen sympathische und parasympathische Nervensysteme die Zielorgane jeweils über zwei Neurone. Der Zellkörper des ersten Neurons (präganglionäres Neuron), sitzt in der intermediären Zone des Rückenmarks (. Abb. 14.1) oder in Kernen der Hirnnerven III, VII, IX oder X. Sein Axon verlässt das Rückenmark über die Vorderwurzel und innerviert ein zweites Neuron (postganglionäres Neuron), dessen Axon dann das Zielorgan innerviert. Die Zellkörper der präganglionären Neurone des sympathischen Nervensystems sitzen im thorakalen und lumbalen Rückenmark (thorakolumbales System), die Zellkörper der präganglionären Neurone des parasympathischen Nervensystems im Hirnstamm und im Sakralmark (kraniosakrales System).

14

. Abb. 14.1. Strukturelle Organisation des vegetativen Nervensystems. Präganglionäre sympathische Fasern (rot), postganglionäre sympathische Fasern (rosarot), präganglionäre parasympathische Fa-

sern (grün), postganglionäre parasympathische Fasern (blau) und Ganglien (gelb) (nach Jänig aus Schmidt et al.)

329 14.1 · Morphologische Grundlagen, Entwicklung, Wachstumsfaktoren

Ganglien. Ansammlungen an Zellkörpern postganglionä-

rer vegetativer Neurone nennt man Ganglien. Die sympathischen Ganglien sind zum größten Teil perlschnurartig vor der Wirbelsäule angeordnet (Grenzstrangganglien), beim Sympathikus sind die Axone der präganglionären Neurone daher meist kurz, die Axone der postganglionären Neurone lang. Die präganglionären Axone sind zum Teil, die postganglionären Axone nicht myelinisiert. Die parasympathischen Ganglien liegen in der Nähe oder sogar innerhalb der Zielorgane. Beim Parasympathikus sind also die Axone der präganglionären Neurone in der Regel lang, die Axone der postganglionären Neurone kurz (. Abb. 14.1). Varikositäten. Die Nervenendigungen der postganglionären Axone bilden Varikositäten, transmitterfreisetzende Auftreibungen in den Zielorganen.

14.1.2

Afferenzen, Darmnervensystem

! Viszerale Afferenzen in vegetativen Nerven informieren das ZNS über Gefäße und Organe

Viszerale Afferenzen. In den vegetativen Nerven (v. a. N. vagus und Nn. splanchnici) befinden sich auch viszerale afferente Fasern. Die Zellkörper der spinalen viszeralen afferenten Nervenfasern liegen in den Spinalganglien, die Zellkörper der viszeralen afferenten Nervenfasern von Hirnnerven in entsprechenden Ganglien dieser Nerven. Die viszeralen Afferenzen tragen Informationen aus Druck-, Volumen- und Chemorezeptoren der Organe zu Rückenmark und Hirnstamm. Auf diese Weise wird das

zentrale Nervensystem über Dehnung von Lunge, Herz, Gefäßen, Magen-Darm-Kanal, Harnblase und Genitalorganen, die O2- und CO2-Konzentration im Blut, die Osmolarität in der Leber sowie die Glukosekonzentration im Magen-Darm-Kanal informiert. Viszerale Schmerzen werden ausschließlich durch spinale Nervenfasern vermittelt. ! Das Darmnervensystem koordiniert und reguliert die Funktionen des Magen-Darm-Traktes

Darmnervensystem. Das Darmnervensystem umfasst etwa

die gleiche Zahl (108) an Neuronen wie das Rückenmark. Die Zellkörper liegen zum größten Teil in den Plexus myentericus (Auerbach) und submucosus (Meissner). Afferente Neurone weisen rezeptive Neuriten auf, efferente Neurone regulieren bzw. steuern Motorik, epithelialen Transport (Sekretion und Resorption) und Hormonausschüttung in der Darmwand. Afferente und efferente Neurone sind über hemmende und fördernde Interneurone miteinander verknüpft. Als Transmitter dienen Acetylcholin, Serotonin, Stickoxid (NO), ATP und eine Reihe von Peptiden, wie u. a. VIP, Substanz P und Somatostatin (7 Kap. 14.2.2). Sympathische und parasympathische Nerven üben meist nur einen modulierenden Einfluss auf das Darmnervensystem aus und sind für die koordinierte Funktion des Darms (z. B. Propulsionsbewegungen, 7 Kap. 7.2) nicht erforderlich. Die Motorik zu Beginn (Schlucken) und Ende (Defäkation) des Magendarmtraktes erfordert freilich die Koordination von Darmnervensystem, Sympathikus, Parasympathikus und somatischem Nervensystem (7 Kap. 7.2). Über Beeinflussung der Blutgefäße regulieren sympathische Nervenfasern ferner die Durchblutung des MagenDarm-Traktes.

In Kürze

Morphologische Grundlagen, Entwicklung, Wachstumsfaktoren Strukturelle Organisation 4 Peripheres vegetatives Nervensystem = sympathisches (thorakolumbales System) und parasympathisches Nervensystem (kraniosakrales System), Darmnervensystem 4 Neurone: Präganglionäres Neuron intermediäre Zone Rückenmark oder Kerne Hirnnerven III, VII, IX, X; o postganglionäres Neuron o Zielorgan 6

4 Ganglien = postganglionäre vegetative Neurone; sympathisch(Grenzstrangganglien) = Axone präganglionär z. T. myelinisiert, kurz, postganglionär meist lang, nicht myelinisiert; parasympathisch (in Nähe oder in Zielorganen) = Axone präganglionär meist lang, postganglionär kurz 4 Varikositäten = transmitterfreisetzende Auftreibungen in Zielorganen

14

330

Kapitel 14 · Vegetatives Nervensystem

Afferenzen, Darmnervensystem 4 Viszerale Afferenzen in vegetativen Nerven (v. a. N. vagus und Nn. splanchnici) für Druck-, Volumenund Chemorezeptoren, Dehnung Lunge, Herz, Gefäße, Magen-Darm-Kanal, Harnblase und Genitalorgane, O2- CO2-Konzentration, Osmolarität (Leber), Glukosekonzentration (Magen-Darm); viszerale Schmerzen über spinale Nervenfasern 4 Darmnervensystem: 108 Neurone (wie Rückenmark). Plexus myentericus (Auerbach), submucosus

14.2

Zelluläre und molekulare Mechanismen der Signaltransduktion im vegetativen Nervensystem

14.2.1

Synaptische Übertragung in den Ganglien

! Neurone vegetativer Ganglien werden durch Acetylcholin erregt. Sie integrieren Efferenzen aus dem ZNS

Transmitter. Der Transmitter des präganglionären Neurons

ist bei Sympathikus und Parasympathikus (nikotinisch) Acetylcholin. Konvergenz und Divergenz in den vegetativen Ganglien.

14

Ein einzelnes präganglionäres Neuron aktiviert in aller Regel eine Vielzahl von postganglionären Neuronen (Divergenz). Umgekehrt konvergieren in der Regel mehrere präganglionäre Neurone auf ein einzelnes postganglionäres Neuron. Die von einem präganglionären Neuron aktivierten postganglionären Neurone üben meist gleichartige Funktionen aus, wie etwa die Regulation von Schweißdrüsen oder die Stimulation von glatten Gefäßmuskelzellen. Die präganglionären und dazugehörenden postganglionären Neurone sind die Endstrecke des vegetativen Nervensystems. Nebennierenmark. Das Nebennierenmark wird durch Zellen gebildet, die sympathischen Ganglienzellen entsprechen (Homologie). Wie die Ganglienzellen werden sie von präganglionären sympathischen Axonen innerviert, welche die Ausschüttung der Transmitter stimulieren. Die Nebennierenmarkzellen bilden jedoch keine Axone, mit denen sie die

(Meissner). Afferenzen + Efferenzen (Motorik, Sekretion, Resorption, Hormonausschüttung), Interneurone; Transmitter: Acetylcholin, Serotonin, Stickoxid (NO), ATP, Peptide (VIP, Substanz P, Somatostatin). Sympathikus und Parasympathikus modulieren; Sympathikus reguliert Durchblutung 4 Schlucken, Defäkation erfordern Darmnervensystem, Sympathikus, Parasympathikus, somatisches Nervensystem

Zielorgane erreichen, sondern schütten ihre Transmitter (die Katecholamine Adrenalin und Noradrenalin, 7 Kap. 14.2.2) in die Blutbahn aus. Die im Nebennierenmark ausgeschütteten Katecholamine wirken somit wie Hormone (endokrin, 7 Kap. 10.3.6) und erreichen auch Zellen, die nicht durch Fasern des vegetativen Nervensystems innerviert werden. Damit spielen sie vor allem bei der Regulation des Stoffwechsels eine wesentliche Rolle. Die ins Blut ausgeschütteten Katecholamine können andererseits im Gegensatz zu den vegetativen Nervenfasern nicht spezifisch einzelne Organfunktionen stimulieren, ohne die Funktion anderer Organe zu beeinflussen. Katecholamine aus dem Nebennierenmark werden vor allem bei Notfallsituationen ausgeschüttet, wie z. B. bei Blutverlust, Unterkühlung, Hypoglykämie, Hypoxie, Verbrennungen und schwerer körperlicher oder psychischer Belastung.

14.2.2

Informationsübertragung von postganglionären Axonen auf Zielorgane

! Periphere Transmitter des vegetativen Nervensystems sind Adrenalin, Noradrenalin, Acetylcholin und NANC Mediatoren

Transmitter. Das postganglionäre Neuron setzt beim Para-

sympathikus gleichfalls Acetylcholin frei, beim Sympathikus in aller Regel Noradrenalin. Nur die sympathische Stimulation der Schweißdrüsen und möglicherweise die sympathisch vermittelte Vasodilatation von Muskelgefäßen werden durch Acetylcholin erzeugt. Zellen im Nierenmark schütten Adrenalin (80 %) und Noradrenalin (20 %) in das Blut aus. Im Blut ist die Noradrenalinkonzentration jedoch normalerweise wesentlich höher als die Adrenalinkonzen-

331 14.2 · Zelluläre und molekulare Mechanismen der Signaltransduktion im vegetativen Nervensystem

tration, da auch das in den Nervenendigungen freigesetzte Noradrenalin teilweise ins Blut gelangt. Neben Acetylcholin, Noradrenalin und Adrenalin werden durch vegetative Nervenendigungen noch weitere Mediatoren freigesetzt (NANC = nichtadrenerge nichtcholinerge Transmitter), wie u. a. Adenosintriphosphat (ATP), Stickoxid (NO), vasoaktives intestinales Peptid (VIP) und Neuropeptid Y (NPY). Die NANC-Mediatoren tragen zur Wirkung der vegetativen Nerven bei. So wirkt Stickoxid (NO) u. a. erschlaffend auf die glatte Muskulatur des Darms und der Blutgefäße des erektilen Gewebes, Adenosintriphosphat (ATP) und vasoaktives intestinales Peptid (VIP) wirken vasodilatierend und stimulieren die Sekretion in verschiedenen Epithelien und Neuropeptid Y (NPY) verstärkt die Wirkung von Noradrenalin auf Gefäße und Herz. Acetylcholinrezeptoren. Die Acetylcholinrezeptoren an

den Ganglienzellen unterscheiden sich von den Acetylcholinrezeptoren an den Zielzellen des parasympathischen Nervensystems. Die Acetylcholinrezeptoren der Ganglienzellen und der Nebennierenmarkzellen können durch Nikotin aktiviert und durch quarternäre Ammoniumverbindungen (Ganglienblocker) blockiert werden. Die cholinergen Rezeptoren in den Zielzellen des Parasympathikus werden durch Muscarin (ein Gift aus dem Fliegenpilz) und Pilocarpin aktiviert und durch Atropin (ein Gift aus der Tollkirsche) blockiert. Acetylcholin wirkt über nikotinische Rezeptoren direkt (ligandengesteuert) auf Ionenkanäle und über muskarinische Rezeptoren und unterschiedliche intrazelluläre Signalwege auf verschiedene zelluläre Effektoren (7 Kap. 10.1.3). ! Bei den Adrenozeptoren unterscheidet man α- und β-Rezeptoren

Adrenozeptoren. Auch die Adrenozeptoren sind nicht einheitlich, sondern lassen sich in zwei Klassen (α und β) einteilen, die jeweils mehrere Subtypen umfassen. Die Rezeptoren weisen unterschiedliche Affinitäten für aktivierende (Agonisten) und blockierende (Antagonisten) Substanzen auf. Ein α-Adrenozeptor bindet z. B. Noradrenalin besser als Adrenalin und Adrenalin besser als die synthetische Substanz Isoproterenol (ein β-Adrenozeptoragonist), Ein β-Adrenozeptor bindet umgekehrt Isoproterenol besser als Adrenalin und Adrenalin besser als Noradrenalin. Die verschiedenen Rezeptortypen koppeln ferner an unterschiedliche intrazelluläre Mechanismen (7 Kap. 10.1.3)

und vermitteln unterschiedliche Wirkungen von Noradrenalin und Adrenalin (. Tab. 14.1). Eine Reihe von Funktionen werden gleichzeitig durch α- und β-Rezeptoren beeinflusst, wobei die Wirkungen jeweils antagonistisch sein können. So wird die Gefäßkontraktion über α-Adrenozeptoren gefördert und durch βAdrenozeptoren gehemmt. In der Klinik wird eine Vielzahl spezifischer Agonisten und Antagonisten eingesetzt, welche die jeweils gewünschte Wirkung im Körper erzielen, ohne die Gesamtheit der übrigen Wirkungen des Sympathikus auszulösen. Präsynaptische und extrasynaptische Rezeptoren. α- und

β-Adrenozeptoren findet man nicht nur in den Membranen der Zielzellen, sondern auch in den präsynaptischen Membranen von Nervenendigungen. Aktivierung der präsynaptischen α2-Rezeptoren hemmt, Aktivierung der präsynaptischen β-Rezeptoren stimuliert die Ausschüttung von Noradrenalin. Über α2-Rezeptoren wird ferner die Ausschüttung von Acetylcholin gehemmt (z. B. in den Bronchien). Umgekehrt kann Acetylcholin über muskarinische Rezeptoren die Ausschüttung von Noradrenalin hemmen. Damit können sich Sympathikus und Parasympathikus sowohl selbst als auch gegenseitig beeinflussen. Schließlich findet man α- und β-Rezeptoren auch außerhalb der Synapsen. Aktiviert werden die extrasynaptischen Rezeptoren durch Katecholamine aus dem Nebennierenmark und durch Noradrenalin, das aus den Synapsen diffundiert. ! Die Wirkungen des Sympathikus erscheinen in ihrer Gesamtheit dann sinnvoll, wenn eine Notfallsituation bewältigt werden soll, etwa die Flucht vor einer Raubkatze

Wirkungen des Sympathikus. Aktivierung des Sympathikus (. Tab. 14.1) führt zu: 4 Stimulation des Herzens und Vasokonstriktion peripherer Gefäße (v. a. Haut, Darm, Niere). Auf diese Weise wird ein Absinken des Blutdruckes verhindert, wenn die massive Muskeltätigkeit eine entsprechende Durchblutung erfordert 4 Dilatation der Gefäße in Herz und Muskeln So wird die Durchblutung dieser in der Notfallsituation entscheidenden Organe gesteigert 4 Dilatation der arteriellen Lebergefäße. Damit wird die, durch Vasokonstriktion der Darmgefäße herabgesetzte, Durchblutung aus dem Pfortadergebiet kompensiert 4 Hemmung der Darm- und Blasenmuskulatur und die Aktivierung der Sphinktere. Damit wird die in dieser

14

332


4 4

4

4

14

Situation nicht mögliche Miktion und Defäkation unterbunden Hemmung der Uterusmuskulatur. Damit wird die Einleitung einer Geburt verhindert Hemmung der Bronchialmuskulatur. Damit wird der Atemwegswiderstand herabgesetzt und so die erforderliche Steigerung des Atemzeitvolumens erleichtert Stimulation der Schweißsekretion. Die folgende Abkühlung der Haut ermöglicht eine Wärmeabgabe mit relativ geringer Hautdurchblutung Stimulation der Glykogenolyse und der Lipolyse. Auf diese Weise werden die erforderlichen Energiesubstrate bereitgestellt

Auch die Wirkungen des Sympathikus auf die Hormonausschüttung sind in einer Notfallsituation sinnvoll, wie etwa die Hemmung der Ausschüttung des blutzuckersenkenden Insulins aus den B-Zellen des Pankreas (7 Kap. 10.3.4) oder des vasodilatatorisch wirkenden Histamins aus den basophilen Granulozyten und Gewebsmastzellen (7 Kap. 4.2.2). Die Stimulation der Mm. arrectores pilorum ist wohl der – beim Menschen kaum mehr erfolgreiche – Versuch, durch Aufstellen der Haare einen etwaigen Kampfgegner einzuschüchtern. Der Sympathikus erweitert die Pupillen, weite, lichtstarre Pupillen sind ein diagnostisch wertvolles Indiz für massive Aktivierung des Sympathikus (z. B. im Blutverlustschock, 7 Kap. 4.2.2). Weitere Wirkungen des Sympathikus sind Mobilisierung von Leukozyten, Begünstigung der Thrombozytenaggregation und Stimulation der Speicheldrüsen. Es muss nochmals betont werden, dass die Gesamtheit der Wirkungen nur in seltenen Notfallsituationen ausgelöst wird. Normalerweise arbeitet das vegetative Nervensystem nicht synchron, sondern die einzelnen vegetativen Nervenfasern regulieren die jeweiligen Organfunktionen weitgehend unabhängig voneinander. So kann beispielsweise ein Lichteinfall in das Auge eine parasympathisch vermittelte Pupillenverengung auslösen und gleichzeitig eine Zunahme der Körpertemperatur über sympathische Nervenfasern die Schweißsekretion stimulieren. Die Fähigkeit des vegetativen Nervensystems, organspezifisch zu regulieren, ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber den Hormonen, bei deren Ausschüttung jeweils die gesamte Palette der hormonspezifischen Wirkungen ausgelöst wird. ! Der Parasympathikus wirkt vielfach antagonistisch zum Sympathikus

. Tab. 14.1. Wirkungen von Sympathikus und Parasympathikus auf einzelne Organfunktionen Funktion

Sympathikus

Parasympathikus

Herz*

+ (E1)

–

Arterien in Herz, Leber

– (E2)

0

Arterien in Haut, Niere, Darm, Gehirn; Venen

+ (D1)

0

Arterien in Skelettmuskel

+ (D1) – (E2 , ACh)

0 –

Muskelaktivität (-Kontraktion)

Arterien, Penis, Klitoris, Schamlippen

+ (D1)

Sphinktere (Darm, Blase)

+ (D1)

–

alle anderen Muskeln in Darm, Blase

– (E2 , D2)

+

Bronchialmuskulatur

– (E2)

+

Sphincter pupillae (Auge)

0

+

Dilatator pupillae (Auge)

+ (D1)

0

Musculus tarsalis (Oberlidheber)

+ (D1)

0

Musculus ciliaris

0

+

M. orbitalis

+ (D1)

0

Arrectores pilorum (Haut)

+ (D1)

0

innere Geschlechtsorgane (Mann)

+ (D1)

0

Uterus

– (E2)

0

Schweißdrüsen

+ (ACh)

0

Speicheldrüsen

+ (D1)

+

alle anderen Drüsen (Tränen, Bronchial, Verdauung)

0/–

+

+ (E)

+/0

Drüsensekretion

Ausschüttung von Hormonen, Mediatoren Glukagon, Calcitonin, Parathormon, Renin, Somatostatin, Gastrin, Melatonin Somatotropin, Kortikotropin, Thyrotropin

+ (D)

+/0

Histamin, Somatotropin, Thyroxin

– (E)

+/0

Prolaktin, Renin, Insulin

– (D)

+/0

Abbau von Leberglykogen

+ (D1 , E2)

0

Abbau von Muskelglykogen

+ (E2)

0

Mobilisierung von Fett (Lipolyse)

+ (E2)

0

Mobilisierung von Leukozyten (Leukozytose)

+ (E1)

0

Thrombozytenaggregation Zelluläre K+-Aufnahme

+ (D2)

0

+ (E2)

0

Zelluläre K+-Abgabe

+ (D1)

0

Sonstige Wirkungen

jeweils + = Stimulation, - = Hemmung der Muskelkontraktion, Drüsensekretion, etc., in runden Klammern die vorwiegend verantwortlichen Rezeptoren, * = im Herzen Zunahme von Frequenz, Kontraktionskraft, Überleitungsgeschwindigkeit

333 14.2 · Zelluläre und molekulare Mechanismen der Signaltransduktion im vegetativen Nervensystem

Wirkungen des Parasympathikus. Reizung der jeweiligen

parasympathischen Fasern mindert die Herzfrequenz und indirekt die Herzkraft (7 Kap. 3.4.2), stimuliert die Bronchialmuskulatur, hemmt die Sphinktere des Darms und fördert die Motilität der übrigen Darm- und Blasenmuskulatur. Er stimuliert die Sekretionstätigkeit von Tränendrüsen, Speicheldrüsen, Bronchialdrüsen und Drüsen des Verdauungstraktes. Er verengt die Pupillen. Über parasympathische Nerven werden schließlich die Gefäße in Penis, Klitoris und den Schamlippen dilatiert (7 Kap. 14.3.2). Zusammenwirken von Sympathikus und Parasympathikus. Eine Reihe von Geweben bzw. Organen werden sowohl

parasympathisch als auch sympathisch innerviert. Die Wirkungen sympathischer und parasympathischer Fasern sind dabei häufig antagonistisch. Die Organfunktion hängt von der jeweiligen Summe sympathischer und parasympathischer Aktivierung ab. Meist wird bei der vegetativen Regulation einer Organfunktion die Aktivierung der jeweiligen sympathischen Fasern von einer Inaktivierung der parasympathischen Fasern begleitet (und umgekehrt). Eine Ak-

tivierung der sympathischen Nervenfasern zum Herzen führt beispielsweise zu einer Zunahme der Herzfrequenz, die durch gleichzeitige Abnahme der Aktivität parasympathischer Nervenfasern unterstützt wird (synergistische Regulation). ! Vegetative Neurone sind meist spontan aktiv, ihre Aktivität kann gesteigert oder herabgesetzt werden

Spontanaktivität. Viele postganglionäre vegetative Neuro-

ne sind bereits normalerweise aktiv und unterhalten damit ein mittleres Aktivitätsniveau (z. B. in Vasokonstriktorneuronen zur Regulation des Gefäßmuskeltonus) der jeweiligen Zielorgane. In Abhängigkeit von der Aktivität der präganglionären Neurone kann die Aktivität der postganglionären Neurone und damit die jeweilige Funktion der Zielzellen gedrosselt oder gesteigert werden. Über Abnahme der Aktivität sympathischer Nervenfasern kann also z. B. Vasodilatation und durch Zunahme der Aktivität Vasokonstriktion ausgelöst werden.

In Kürze

Zelluläre und molekulare Mechanismen der Signaltransduktion im vegetativen Nervensystem Synaptische Übertragung in den Ganglien 4 Transmitter sympathisch und parasympathisch Acetylcholin (nikotinisch, Hemmung durch Ganglienblocker) 4 Konvergenz, Divergenz in vegetativen Ganglien 4 Nebennierenmark von präganglionären sympathischen Axonen innerviert; Transmitter (80% Adrenalin, 20% Noradrenalin) ins Blut (endokrin); bedeutsam bei Notfallsituationen, Blutverlust, Unterkühlung, Hypoglykämie, Hypoxie, Verbrennungen, schwere körperliche, psychische Belastung Informationsübertragung von postganglionären Axonen auf Zielorgane 4 Transmitter postganglionär parasympathisch Acetylcholin (muskarinisch), sympathisch [Nor]adrenalin, Acetylcholin (Schweißdrüsen, Vasodilatation Muskelgefäße); NANC [= nichtadrenerge nichtcholinerge Transmitter = ATP, NO, VIP, Neuropeptid Y (NPY)] 4 Acetylcholinrezeptoren: Muscarinisch (Hemmung durch Atropin)

4 Adrenozeptoren: α-Adrenozeptor (Noradrenalin > Adrenalin > Isoproterenol); β-Adrenozeptor (Isoproterenol > Adrenalin > Noradrenalin) 4 Präsynaptisch α2 n, präsynaptisch β p o Noradrenalinausschüttung p, Acetylcholin p 4 Präsynaptisch Acetylcholin (muskarinisch) n o Noradrenalin p 4 Sympathikus (. Tab. 14.1) o Herz n (β1); Vasokonstriktion Haut, Darm, Niere (α1). Vasodilatation Herz, Muskeln, Leber (β2); Darm- und Blasenmotilität p (β2, α2); Sphinktere n (α1), Uterusmuskulatur p (β2); Bronchialmuskulatur p (β2); Schweißsekretion n (ACH); Glykogenolyse n (α1,β2); Lipolyse n (β2); Insulinausschüttung p (β), Histaminausschüttung p (β); Mm. arrectores pilorum n (α1); Dilatator Pupillae n (α1); Mobilisierung Leukozyten n (β1), Thrombozytenaggregation n (α2) Speicheldrüsen n (α1) 4 Parasympathikus o Herzfrequenz p, Herzkraft p; Bronchialmuskulatur n; Sphinktere Darm p; Motilität übrige Darm- Blasenmuskulatur n; Drüsensekretion n; Pupillenverengung; Dilatation Gefäße in Penis, Klitoris, Schamlippen

14

334


14.3

Funktionelle Organisation des Vegetativen Nervensystems

14.3.1

Vegetative Steuerungen

! Das vegetative Nervensystem steuert Kreislauf, Linsenkrümmung, Pupillenweite, Bronchien, Darm-und Blasenmuskulatur sowie die Ausschüttung von Hormonen

Kreislauf. Der Sympathikus wirkt positiv chronotrop, dromotrop, bathmotrop und inotrop auf das Herz (7 Kap. 3.4.2) und vasokonstriktorisch (α) oder vasodilatatorisch (β) auf die Gefäße (7 Kap. 4.1.5, . Tab. 14.1). Der Parasympathikus wirkt am Herzen negativ chronotrop, negativ dromotrop und indirekt negativ inotrop (7 Kap. 3.4.2). Er wirkt in den Genitalgefäßen vasodilatatorisch; Sympathische und parasympatische Einflüsse können den Blutdruck an die jeweiligen Erfordernisse anpassen (7 Kap. 4.2.2). Aktivierung des Parasympathikus (z. B. durch Schlag auf den Carotissinus) kann den Zusammenbruch des Blutdruckes zur Folge haben (vasovagale Synkope). Auge. Im Auge regulieren Sympathikus und Parasympathi-

kus Linsenkrümmung (7 Kap. 17.1.4) und Pupillenweite (7 Kap. 17.1.5). Die Bronchien werden durch den Parasympathikus verengt und durch den Sympathikus (β2) erweitert, die Darm- und Blasenmuskulatur wird durch den Parasympathikus stimuliert und den Sympathikus gehemmt, die jeweiligen Sphinktere durch den Parasympathikus erschlafft und durch den Sympathikus stimuliert (7 Kap. 14.2.2). Sowohl Sympathikus als auch Parasympathikus stimulieren die Sekretionstätigkeit von Drüsen (7 Kap. 14.2.2) und sind bei der Steuerung von Sexualfunktionen beteiligt (7 Kap. 14.2.2, 7 Kap. 14.3.2).

14

14.3.2

Vegetative Reflexe

! Über Reflexe reguliert das vegetative Nervensystem Funktionen von Kreislauf, Auge, Gastrointestinaltrakt und Bronchien

Reflexe. Die präganglionären Neurone stehen unter dem

Einfluss viszeraler Afferenzen des gleichen Rückenmarksegments. Diese Afferenzen werden im Rückenmark umgeschaltet, wobei mindestens ein Interneuron zwischen dem afferenten Neuron und dem präganglionären Neuron zwischengeschalten ist. Der gesamte Reflexbogen benötigt somit inklusive der Synapse zwischen präganglionärem und postganglionärem Neuron mindestens drei Synapsen. Über entsprechende Reflexe greift das vegetative Nervensystem in die Regulation verschiedenster Funktionen ein, wie bei den entsprechenden einzelnen Organfunktionen erläutert wird. Insbesondere bei der Regulation von Herzfunktion (7 Kap. 3.4.2) und Blutdruck (7 Kap. 4.2.2) spielt das vegetative Nervensystem eine entscheidende Rolle. Über Pupillenreflexe (7 Kap. 17.1.5) wird die Pupille des Auges bei Stimulation der Linsenkrümmung (Betrachtung naher Objekte) und bei Zunahme des Lichteinfalls durch den Parasympathikus verengt. Über gastroentrale Reflexe werden die Sekretionstätigkeit von Darmdrüsen (7 Kap. 7.3) sowie Durchmischung und Transport von Darminhalt (7 Kap. 7.2) kontrolliert und koordiniert. Auch der geordnete Ablauf der Darmmotorik zu Beginn (Schlucken, Erbrechen) und Ende (Defäkation) des Magendarmkanals erfordert die aktive Beteiligung des vegetativen Nervensystems (7 Kap. 7.2). Die Bronchien werden in der späten Exspirationsphase reflektorisch verengt und damit die Exspiration unterstützt (7 Kap. 5.2.2). Eine gesteigerte Bronchokonstriktion (Bronchospasmus) steigert jedoch den Strömungswiderstand in den Bronchien und behindert daher die Atmung (7 Kap. 5.4.2).

Hormone. Über Beeinflussung der Ausschüttung von Hor-

monen (. Tab. 14.1) greift das vegetative Nervensystem in die Steuerung und Regulation des Stoffwechsels ein. So übt Adrenalin nicht nur selbst eine blutzuckersteigernde Wirkung aus (. Tab. 14.1), sondern hemmt auch die Ausschüttung des blutzuckersenkenden Hormons Insulin und stimuliert die Ausschüttung des blutzuckersteigernden Hormons Glukagon.

! Die Regulation der Miktion erfordert periphere vegetative Reflexe und supraspinale Kontrolle

Miktion. Eine Entleerung der Blase wird durch die netzförmige Blasenwandmuskulatur (M. detrusor vesicae) bewirkt, die an der Harnröhre ansetzt und bei Kontraktion eine Verkürzung der Harnröhre und eine Öffnung des inneren Blasensphinkters hervorruft. Eine vorzeitige Entleerung wird durch Kontraktion des inneren und äußeren Blasensphinkters verhindert. Die Blasenwandmuskulatur

335 14.3 · Funktionelle Organisation des Vegetativen Nervensystems

wird durch den Parasympathikus (2. – 4. Sakralsegment), der innere Blasensphinkter durch den Sympathikus (1. – 2. Lumbalsegment) und der äußere Blasensphinkter somatomotorisch (N. pudendus aus S3 und S4) innerviert (. Abb. 14.2). Afferenzen aus Dehnungsrezeptoren der Blasenwand werden über viszerale Nervenfasern zum Rückenmark geleitet und dort auf Interneurone umgeschaltet, die einerseits zu parasympathischen Neuronen, andererseits zu pontinen Neuronen projizieren. Die pontinen Neurone stehen zusätzlich unter dem Einfluss von Hypothalamus und Großhirn. Normalerweise wird bei einem Blasenvolumen von über 200 ml die Schwelle der pontinen Neurone erreicht, die dann über Aktivierung der präganglionären parasympathischen Neurone in S2–S4 die Kontraktion der Blasenmuskulatur auslösen. Die Kontraktion der Blasenmuskulatur führt zu einer Spannungszunahme der Blasenwand und steigert damit weiter den afferenten Zustrom. Darüber hinaus werden die präganglionären parasympathischen Neurone durch Afferenzen aus der Harnröhrenwand stimuliert, die bei Eintritt des Harns in die Harnröhre aktiviert werden. Gleichzeitig werden zentrale hemmende Einflüsse unterdrückt. Damit kommt es nach Einsetzen des Harnflusses zu einer zunehmenden Kontraktion der Blasenmuskulatur, die eine schnelle Entleerung der Blase ermöglicht. Bei Blasenentzündung sind die Afferenzen in der Blasenwand sensibilisiert und Blasenkontraktionen setzen bereits bei geringfügiger Füllung ein. Folge ist häufiges Wasserlassen (Polakisurie). ! Rückenmarksdurchtrennung unterbindet zunächst die vegetativen Reflexe unterhalb der Läsion. Später kommt es zur Hyperreflexie

Rückenmarksdurchtrennung. Eine Rückenmarksdurchtrennung führt durch Wegfall der deszendierenden Bahnen zunächst zum spinalen Schock mit Erliegen vegetativer Aktivität unterhalb der Läsion. Der Ausfall sympathischer Innervation der Gefäße führt zum Blutdruckabfall und die vegetativen Reflexe sind erloschen. Insbesondere der Blasenentleerungsreflex ist aufgehoben, und die Blase muss mit Kathetern entleert werden. Erst nach Wochen bis Monaten stellt sich die vegetative neuronale Aktivität wieder ein und die segmentalen Reflexe (Miktion, Defäkation) treten wieder auf. Die Blasenentleerung kann dann bei entsprechender Dehnung der Blasenwand z. B. durch Klopfen auf die Blase ausgelöst werden (Reflexblase). Schließlich kommt es zur Hyperreflexie, wo-

. Abb. 14.2. Die Verschaltungen des Miktionsreflexes. Afferenzen von Dehnungsrezeptoren der Blasenwand (blau), sympathische (rot), parasympathische (grün) und somatische (gelb) Efferenzen sowie deszendierende Kontrolle (lila, rosa und dunkelgrün). Unterbrochene Pfeile bedeuten herabgesetzte Aktivität von Efferenzen. Links: Miktion; Rechts: Kontinenz (nach Jänig aus Schmidt et al.)

bei z. B. bei Auslösung des Blasenentleerungsreflexes auch andere vegetative Reaktionen ausgelöst werden können (z. B. Blutdruckanstieg). ! Die Funktion des vegetativen Nervensystems ist an gestörter autonomer Regulation erkennbar

Funktionelle Testung des vegetativen Nervensystems. Die

Funktion des vegetativen Nervensystems kann durch Prü-

14

336


fung der jeweiligen Reflexe überprüft werden, wie des Pupillenreflexes (7 Kap. 17.1.5). Störungen des vegetativen Nervensystems äußern sich u. a. in inadäquater Reaktion von Herzfrequenz und Blutdruck beim Übergang vom Liegen zum Stehen (7 Kap. 4.2.2), bei wiederholten tiefen Atemzügen (>1,5 Liter) und beim Pressen (Valsalva-Versuch). Ferner kann die herabgesetzte Reaktion der Schweißsekretion auf mechanische Hautreizung oder Temperaturanstieg eine mangelhafte autonome Regulation aufdecken.

14.3.3

Supraspinale Kontrolle durch das Stammhirn

! Das Stammhirn integriert motorische und vegetative Funktionen

Präganglionäre Neurone. Die Zellkörper der präganglio-

nären Neurone liegen in der intermediären Zone des thorakolumbalen und sakralen Rückenmarks. Sie steuern die Aktivität der postganglionären Neurone. Die Aktivität der präganglionären Neurone wird durch Afferenzen aus dem jeweiligen Rückenmarksegment und durch deszendierende Bahnen v. a. aus der Medulla oblongata reguliert. Gegenseitige Beeinflussung von vegetativem und somatischem Nervensystem. Jedes Rückenmarksegment erhält

14

viszerale und somatische Afferenzen und beeinflusst Organe, Haut und Muskulatur efferent über vegetative und somatische Efferenzen. Das von einem Rückenmarksegment afferent innervierte Hautareal nennt man Dermatom. Viszerale und somatische Afferenzen konvergieren im Rückenmark z. T. auf die gleichen Neurone. Das Erregungsniveau dieser Neurone wird also sowohl durch viszerale als auch durch somatische Afferenzen beeinflusst. Beispielsweise konvergieren viszerale Afferenzen aus dem Herzen und somatische Afferenzen aus der Haut von linkem Arm und linker Schulter auf die gleichen Neurone im Zervikalmark. Für die weitere neuronale Verarbeitung ist nicht mehr erkennbar, ob ein gesteigertes Erregungsniveau dieser Neurone auf viszerale oder somatische Afferenzen zurückzuführen ist. Bei einem Herzinfarkt, beispielsweise, wird das Erregungsniveau durch nozizeptive Afferenzen aus dem Herzen gesteigert. Folge ist gesteigerte Berührungsempfindlichkeit (Hyperästhesie) und Schmerzempfindlichkeit (Hyperalgesie) im linken Arm und in der linken Schulter (übertrage-

ner Schmerz). Durch Beeinflussung efferenter Neurone im gleichen Rückenmarksegment kommt es u. a. zur Vasodilatation im jeweiligen Dermatom (viszerokutaner Reflex) und zu gesteigertem Tonus der von dem jeweiligen Rückenmarksegment versorgten Muskulatur. Umgekehrt kann über Reizung somatischer Afferenzen Einfluss auf die vom gleichen Segment innervierten Organe genommen werden (kutiviszeraler Reflex). Medulla oblongata in der Regulation vegetativer Funktionen. Die präganglionären sympathischen und parasympa-

thischen Neurone stehen unter dem ständigen Einfluss aus Neuronen der Medulla oblongata. Eine wichtige Schaltstelle in der Medulla oblongata ist der Nucleus tractus solitarii, in den alle viszeralen Afferenzen des N. vagus von Herz, Lunge und Magen-Darm-Trakt projizieren. Über Kerne des Hirnstamms beeinflusst er die präganglionären Neurone. Der Nucleus tractus solitarii hat reziproke Verbindungen zu limbischem System und Hypothalamus (. Abb. 14.3), der die Ausschüttung hypophysärer Hormone kontrolliert (7 Kap. 10.1.4). Besondere, für die Steuerung der präganglionären Neurone wichtige Kerngebiete liegen in der Medulla oblongata (Nuclei raphé [serotoninerg], rostrale ventrolaterale Medulla oblongata) und in der Pons (noradrenerg). Neurone in der Medulla oblongata sind für die homöostatische Regulation des arteriellen Blutdrucks (7 Kap. 4.2.2) und der Atmung (7 Kap. 5.8) erforderlich und an der Regulation der Pupillenweite (7 Kap. 17.1.5) und Linsenkrümmung (7 Kap. 17.1.4) beteiligt (7 Kap. 14.3.1). Sie vermitteln die willkürliche Kontrolle von Blasen- und Mastdarmentleerung (7 Kap. 14.3.2) und die emotionale Auslösung von Genitalfunktionen (7 Kap. 11.6.1).

14.3.4

Hypothalamische und limbische Steuerung

! Bei der Regulation und Steuerung des inneren Milieus nimmt der Hypothalamus eine zentrale Rolle ein. Neurone im Hypothalamus sind in Regelkreise eingebaut, welche verschiedene vegetative Parameter des Körpers (z. B. Temperatur) konstant halten (Homöostase)

Allgemeine Rolle des Hypothalamus in der Steuerung des vegetativen Nervensystems und des Endokriniums. Eine

Aufgabe des Hypothalamus ist die Anpassung des Kreislaufes, der Atmung und des Gastrointestinaltraktes an den durch die verschiedenen Verhaltensweisen definierten Be-


. Abb. 14.4. Die wichtigsten Kerngebiete des Hypothalamus (nach Jänig aus Schmidt et al.)

. Abb. 14.3. Verschaltungen des vegetativen Nervensystems

darf. Im Rahmen dieser integrativen Funktionen erhält der Hypothalamus fortlaufend Rückmeldungen aus der Peripherie des Körpers über afferente Neurone, über Hormone im Blut und über physikalische (Temperatur) und chemische (Osmolalität) Parameter im Blut. So regulieren z. B. Neurone im Hypothalamus über Sympathikus und Parasympathikus während schwerer körperlicher Arbeit den Kreislauf. Im medialen Hypothalamus (. Abb. 14.4) werden z. T. die Blutparameter gemessen, welche durch die peripheren Hormone reguliert werden, sowie die Konzentrationen an peripheren Hormonen und von hypophysären Hormonen, welche die periphere Hormonausschüttung stimulieren (glandotrope Hormone bzw. Tropine). Über Liberine (releasing hormones, RHs) und Statine (release inhibiting hormones, RIHs) können Neurone des medialen Hypothalamus die Ausschüttung der Tropine regulieren (7 Kap. 10.1.4). Die Liberin- und Statinausschüttung, die Tropine, peripheren Hormone und Blutparameter bilden Regelkreise mit meist negativer Rückkopplung (7 Kap. 10.1.4), die Hormon- und

Parameterkonzentrationen in Grenzen halten. Das Nervensystem kann – vor allem über limbisches System und lateralen Hypothalamus – die Liberinausschüttung im medialen Hypothalamus steuern und damit periphere Konzentrationen an Hormonen und Parametern beeinflussen. Damit werden eben diese Parameter an das jeweilige Verhalten angepasst. Eine besondere Funktion des Hypothalamus ist somit die Verknüpfung von Nervensystem und Endokrinium. Die Rolle des Hypothalamus in der Regulation der Hormonausschüttung. Über Beeinflussung des vegetativen

Nervensystems reguliert der Hypothalamus die Ausschüttung der meisten peripheren Hormone (. Tab. 14.1). Darüber hinaus bilden Neurone im Hypothalamus selbst Hormone und kontrollieren die Hormonausschüttung in der Hypophyse (7 Kap. 10.1.4): Neurone in den hypothalamischen Nuclei supraoptici und paraventricularis bilden Oxytozin und antidiuretisches Hormon (ADH), befördern sie über axonalen Transport zur Neurohypophyse und geben sie dort in die Blutgefäße ab (7 Kap. 10.2.1). Die Liberine und Statine werden in Neuronen der hypophysiotropen Zone des Hypothalamus direkt über der Hypophyse gebildet. Die Mediatoren werden über axonalen Transport zum Pfortadersystem der Hypophyse transportiert und dort freigesetzt. Mit dem Blutstrom gelangen sie dann zu den hormonproduzierenden Zellen der Hypophyse (7 Kap. 10.1.4). Über Liberine und Tropine beeinflusst der Hypothalamus diverse Funktionen, wie u. a. Blutdruck, Stoffwechsel, Wachstum, sexuelle Reifung und sexuelle Aktivität.

14

338


Die Rolle des Hypothalamus in der Temperaturregulation.

Zur Regulation und Steuerung der Körpertemperatur integrieren Neurone im Hypothalamus wiederum Funktionen des somatischen (z. B. Zusammenkauern bei Kälte) und vegetativen (z. B. periphere Vasokonstriktion bei Kälte) Nervensystems (7 Kap. 8.2). Da durch Kälte ferner die ADH-Ausschüttung gehemmt und bei langanhaltender Kälte die Thyroliberin-(TRH-) Ausschüttung gefördert wird, beeinflusst der Hypothalamus temperaturabhängig auch das Endokrinium. Kontrolle der Nahrungsaufnahme, Hunger. Die Nahrungsaufnahme wird im Hypothalamus gesteuert, der unter dem Einfluß von Glukorezeptoren in lateralem Hypothalamus, Hirnstamm und Leber, Afferenzen aus dem Magen (Leerkontraktionen) und Thermorezeptoren u. a. im Hypothalamus, sowie von Hormonen, wie Leptin steht (7 Kap. 7.1.3). Aktivierung der Neurone im lateralen Hypothalamus bewirken offenbar Hunger, Aktivierung der Neurone im ventromedialen Hypothalamus Sättigung. Zerstörung des lateralen Hypothalamus führt daher zu Nahrungsverweigerung (Aphagie), Zerstörung des ventromedialen Hypothalamus zu Fresssucht (Hyperphagie). Fettsucht und Magersucht (z. B. Anorexia nervosa) sind freilich nur in sehr seltenen Fällen Folge von Läsionen im Hypothalamus. Kontrolle der Flüssigkeitsaufnahme, Durst. Der Hypotha-

14

wird (7 Kap. 20.2.1), sind die über dem Chiasma opticum gelegenen Nuclei suprachiasmatici sowie die ventromedialen Kerne des Hypothalamus wesentliche Schrittmacher für den zirkadianen Rhythmus, der u. a. den Schlaf-WachRhythmus auslöst. ! Neurone des Hypothalamus verfügen über Programme, welche Somatomotorik, vegetatives Nervensystem und Hormone einem jeweiligen Verhaltensmuster (z. B. Wut) anpassen

Hypothalamische Verhaltensprogramme. Im Hypothala-

mus existieren Neuronenpopulationen, welche über fixe Programme für die Durchführung bestimmter, artspezifischer Verhaltensweisen verfügen. 4 Reizung bestimmter Neurone im kaudalen Hypothalamus löst die »fight and flight reaction« (bzw. Abwehrreaktion, defense reaction, Stress) aus. Sie beinhaltet eine Zunahme des Muskeltonus und die Einnahme artspezifischer Abwehrstellungen (z. B. Katzenbuckel), massive Aktivierung des Sympathikus (z. B. Blutdrucksteigerungen, Schweißausbruch, Sträuben der Haare), und Ausschüttung u. a. von ADH und Kortikoliberin bzw. CRH, das über Kortikotropin (ACTH) die Ausschüttung von Kortisol bewirkt. Die vielfältigen Wirkungen des Sympathikus und des Kortisols bereiten den Körper vegetativ auf Kampf oder Flucht vor 4 Im Gegensatz zur fight and flight reaction führt Reizung von wiederum anderen Neuronen im dorsalen Hypothalamus zu »nutritivem Verhalten«. Es beinhaltet Aktivierung parasympathischer Neurone und Hemmung sympathischer Neurone zum Gastrointestinaltrakt, Abnahme von Muskeltonus und -durchblutung, sowie gesteigerte Nahrungsaufnahme 4 Wiederum andere Neurone im Hypothalamus fördern artspezifisches Sexualverhalten oder lösen Brutpflegeverhalten aus

lamus erzeugt ferner Durst, der bei Mangel an intrazellulärem oder extrazellulärem Wasser entsteht (7 Kap. 7.1.3). Das intrazelluläre Wasser (bzw. die Osmolalität der extrazellulären Flüssigkeit) wird durch osmorezeptive Neurone in der lateralen präoptischen Region des Hypothalamus und der Wand des 3. Ventrikels registriert. Diese Neurone reagieren auf Zellschrumpfung (bei Abnahme des intrazellulären Wassers) mit einer Depolarisation durch Öffnen von mechanosensiblen nichtselektiven Kationenkanälen. Folge ist der osmotische Durst. Ein Mangel an extrazellulärer Flüssigkeit mindert die Aktivität vagaler Dehnungsrezeptoren (Volumenrezeptoren) in herznahen Gefäßen und im rechten Vorhof des Herzens (hypovolämischer Durst). Darüber hinaus wird bei einem Mangel an extrazellulärer Flüssigkeit die Perfusion der Niere beeinträchtigt (7 Kap. 9.2.8). Folge ist u. a. die Bildung von Angiotensin II, das seinerseits Durst auslöst (7 Kap. 7.1.3).

Bei diesen Programmen koordiniert der Hypothalamus die Aktivitäten von somatosensorischem und vegetativem Nervensystem mit endokrinen Systemen. Das zentrale Nervensystem bedient sich unter Vermittlung des limbischen Systems (7 Kap. 20.2.4) dieser fixen Programme im Hypothalamus, wenn der entsprechende soziale Kontext gegeben ist.

Die Bedeutung des Hypothalamus für die zirkadiane Rhythmik. Wie an anderer Stelle ausführlicher erläutert

! Läsionen im Hypothalamus haben vielfältige vegetative Dysregulationen zur Folge


Folgen von Läsionen im Hypothalamus. Aus dem Gesagten über den Hypothalamus folgt, dass Läsionen im Hypothalamus massive Störungen der vegetativen Steuerung zur Folge haben müssen. 4 Eine Läsion des vorderen Hypothalamus (inkl. Regio praeoptica) zieht Störungen der Temperaturregulation, der zirkadianen Rhythmik mit Schlaflosigkeit und endokrine Störungen, wie Diabetes insipidus durch ADHMangel und Pubertas präcox durch gestörte Sexualhormonausschüttung nach sich

4 Eine Läsion des medialen Hypothalamus hat gleich-

falls Störungen der Temperaturregulation und des Endokriniums, daneben Hyperphagie sowie Störungen von Gedächtnis und Emotionen zur Folge 4 Eine Läsion des lateralen Hypothalamus beeinträchtigt Emotionen, Appetit und Durstgefühl 4 Läsionen des hinteren Hypothalamus führen neben komplexen endokrinen, vegetativen und emotionalen Störungen zu Poikilothermie, Schlafsucht und Gedächtnisausfällen

In Kürze

Funktionelle Organisation des Vegetativen Nervensystems Vegetative Steuerungen 4 Herz: Sympathikus o positiv chronotrop, dromotrop, bathmotrop, inotrop; Parasympathikus o negativ chronotrop, negativ dromotrop, indirekt negativ inotrop 4 Gefäße: Sympathikus vasokonstriktorisch (α), vasodilatatorisch (β, ACH), Genitalbereich Parasympathikus vasodilatatorisch 4 Auge: Sympathikus o Pupillenweite n; Parasympathikus Linsenkrümmung n, Pupillenweite p 4 Bronchienweite: Parasympathikus p, Sympathikus (β2) n 4 Parasympathikus n, Sympathikus p oDarm- und Blasenmotilität n, Sphinktere p. 4 Hormone (. Tab. 14.1) Vegetative Reflexe 4 Reflexe: Viszerale Afferenzen o Interneuron(e) Rückenmark o präganglionäres Neuron o postganglionäres Neuron o Zielorgan (Herz, Blutdruck, Bronchien, Pupillen, gastroentrale Motorik, Sekretion) 4 Miktion: Dehnung Blasenwand (>200 ml) o viszerale Afferenzen o Interneurone o pontine Neurone o Parasympathikus [S2–S4] (o M. detrusor vesicae n), Sympathikus [L1, L2] (o innerer Blasensphinkter p), N. pudendus [S3, S4) (o äußerer Blasensphinkter p) o Blasenentleerung o Afferenzen Harnröhrenwand o Blasenentleerung nn 4 Blasenentzündung o viszerale Afferenzen o Schwelle Miktionsreflex p o Polakisurie 4 Rückenmarksdurchtrennung o Spinaler Schock o vegetative Aktivität unterhalb Läsion p o Blutdruckabfall, vegetative Areflexie o nach Wochen/Monaten Blutdruckanstieg, Hyperreflexie (Reflexblase) 6

4 Diagnostische Prüfung: Pupillenreflex; Herzfrequenz, Blutdruck nach Aufstehen, nach tiefen Atemzügen (>1,5 Liter), beim Pressen (Valsalva-Versuch); Schweißsekretion Supraspinale Kontrolle durch das Stammhirn 4 Viszerale + somatische Afferenzen eines Dermatoms o gleiche Interneurone Rückenmarksegment: Herzinfarkt o nozizeptive Afferenzen vom Herzen n o Berührungsempfindlichkeit n (Hyperästhesie), Schmerzempfindlichkeit n (Hyperalgesie) linker Arm, linke Schulter (übertragener Schmerz) 4 Viszerale Afferenzen o Vasodilatation (viszerokutaner Reflex), Muskeltonus n im gleichen Dermatom 4 Somatische Afferenzen o Organe gleiches Rückenmarksegment (kutiviszeraler Reflex). 4 Afferenzen N. vagus aus Herz, Lunge, Magendarmtrakt o Nucleus tractus solitarii (l limbisches System, Hypothalamus o hypophysäre Hormone) o deszendierende Bahnen o präganglionäre sympathische/ parasympathische Neurone 4 Nuclei raphé [serotoninerg], rostrale ventrolaterale Medulla oblongata, Pons (noradrenerg) in Medulla oblongata o Blutdruck, Atmung, Pupillenweite, Linsenkrümmung, willkürliche Kontrolle Blasen- und Mastdarmentleerung, emotionale Auslösung von Genitalfunktionen Hypothalamische und limbische Steuerung 4 Anpassung Kreislauf, Atmung, Gastrointestinaltrakt an Verhaltensweisen 4 Hypothalamus o Messung hormonregulierter Blutparameter, Hormonkonzentrationen o (Oxytozin,

14

340


4 4

4

4

14

ADH), Liberine o hypophysäre Tropine o Hormone o Blutdruck, Stoffwechsel, Wachstum, sexuelle Reifung und sexuelle Aktivität Zentrales Nervensystem o limbisches System o Hypothalamus o Oxytozin, ADH, Liberine Hypothalamus o Temperaturregulation o Verhalten (Zusammenkauern bei Kälte), vegetative Funktionen (Vasokonstriktion bei Kälte), Hormonausschüttung (ADH p, TRH n bei Kälte) Afferenzen aus Magen (Leerkontraktionen), Glukorezeptoren, Thermorezeptoren, Leptin o Hunger o Nahrungsaufnahme (lateraler Hypothalamus o Hunger, ventromedialer Hypothalamus o Sättigung) Osmorezeptive Neurone und Wand 3. Ventrikel o osmotischer Durst; vagale Dehnungsrezeptoren herznahe Gefäße, rechter Vorhof o hypovolämischer Durst

4 Nuclei suprachiasmatici, ventromediale Kerne Hypothalamus o zirkadianer Rhythmus 4 Zentrales Nervensystem o limbisches Systemo hypothalamische Neurone o fixe Programme = fight and flight reaction (o Muskeltonus n, Sympathikus n [Blutdruck n, Schweiß n, Haarsträuben], ADH n, CRH n [o ACTH n o Kortisol n]), nutritives Verhalten (Parasympathikus n, Sympathikus p, Muskeltonus p, Nahrungsaufnahme n, Gastrointestinaltrakt n), artspezifisches Sexualverhalten, Brutpflegeverhalten 4 Läsionen Hypothalamus: Vorderer H. (inkl. Regio praeoptica) o Temperaturregulation, zirkadiane Rhythmik (Schlaflosigkeit), endokrine Störungen (Diabetes insipidus, Pubertas präcox); medialer H. o Temperaturregulation, endokrine Störungen, Hyperphagie, Gedächtnis, Emotionen; lateraler H. o Emotionen, Appetit, Durst; hinterer H. o komplexe endokrine, vegetative, emotionale Störungen, Poikilothermie, Schlafsucht, Gedächtnisausfälle

15

15 Motorik 15.1

Programmierung der Willkürbewegung – 343

15.1.1 15.1.2

Von der Bewegungsabsicht zur Bewegung Bewegungsformen – 343

15.2

Motorische Repräsentation auf dem Kortex

15.2.1 15.2.2

Primärer motorischer Kortex – 344 Prä- und supplementärmotorischer Kortex

15.3

Efferente Projektion der motorischen Kortizes – 345

15.3.1 15.3.2

Prinzipielle Verschaltungsmuster – 345 Projektion in subkortikale Gebiete – 345

15.4

Neuronale Systeme des Rückenmarks

15.4.1 15.4.2 15.4.3 15.4.4 15.4.5

Neuronentypen und ihre Lage – 347 Reflexsysteme des Rückenmarks – 347 Reflexsystem der Muskelspindelafferenz – 349 Reflexsystem der Golgi-Sehennorgane – 351 Reflexsystem der Beugereflexe – 351

15.5

Motorische Funktionen des Hirnstamms

15.5.1 15.5.2 15.5.3 15.5.4

Augenmotorik – 353 Bewegungs- und Lagesinn – 353 Vestibulariskerne und motorische Funktionen – 354 Andere motorische Funktionen des Hirnstammes – 354

15.6

Basalganglien

15.6.1 15.6.2 15.6.3

Verschaltung/Informationsfluss – 356 Verarbeitungsprinzipien – 356 Störungen der Motorik – 357

15.7

Cerebellum

15.7.1 15.7.2 15.7.3

Verschaltung, Informationsfluss – 359 Verarbeitungsprinzipien – 359 Störungen der Motorik – 361

– 356

– 359

– 343

– 344

– 345

– 347

– 353

15.8

Integrale motorische Funktionen des Zentralnervensystems – 362

15.8.1 15.8.2 15.8.3 15.8.4 15.8.5

Laufen und Gehen – 362 Stehen und Gleichgewicht – 362 Ergreifen eines Gegenstandes – 363 Motorisches Lernen – 363 Sprache – 363

15.9

Störungen der Motorik

15.9.1 15.9.2 15.9.3 15.9.4

Muskeltonus – 364 Spastik – 364 Tremor – 364 Querschnittsverletzung des Rückenmarks

– 364

– 365

343 15.1 · Programmierung der Willkürbewegung

> > Einleitung Menschliches und tierisches Verhalten äußert sich letztlich in Muskelkontraktionen, die Bewegungen erzeugen oder verhindern. Die Muskulatur steht unter der Kontrolle des Nervensystems, das in vielfältiger Weise auf äußere oder innere Reize reagiert. Auch ohne Bewegung ist die Motorik aktiv, die dosierte Kontraktion antagonistischer Muskeln unterhält einen Muskeltonus, der Voraussetzung ist für Körperhaltung und aufrechtes Stehen (Stützmotorik). Zusätzlich zur Stützmotorik entstehen Bewegungen, welche durch innere oder äußere Reize ausgelöst werden. Die einfachste motorische Aktion ist der motorische Reflex, eine in der Regel einfache, stereotype Bewegung auf einen Reiz. Automatismen sind angeborene oder erlernte Bewegungsabfolgen, die entweder völlig automatisch sind (z. B. Atmung) oder durch innere oder äußere Reize ausgelöst werden. Die Willkürmotorik kann sich einzelner Automatismen bedienen. Während der Durchführung werden die Automatismen jedoch einem motorischen Plan untergeordnet, der bewusst entworfen wird.

15.1

15.1.1

Programmierung der Willkürbewegung Von der Bewegungsabsicht zur Bewegung

! Die Durchführung einer Bewegung erfordert Motivation, Plan und Ausführung und damit die Einbeziehung entsprechender Areale des Gehirns

deszendierende motorische Bahnen letztlich die α-Motoneurone des Rückenmarks ansteuert 4 Die α-Motoneurone aktivieren die Muskelfasern. Die Gesamtheit der von einem α-Motoneuron innervierten Muskelfasern ist eine motorische Einheit. Die α-Motoneurone sind die gemeinsame Endstrecke für die Regulation der Muskeltätigkeit Wenn wir wegen der Unaufmerksamkeit eines Fußgängers mit dem Fahrrad stürzen, entsteht in den Motivationsarealen das Bedürfnis, den Fußgänger zu beschimpfen. Die Motivationsareale werden dabei durch Schmerzafferenzen aus dem aufgeschürften Knie aktiviert. Nun muss im Assoziationskortex (v. a. in den Sprachzentren) ein Plan erstellt werden, welche Worte den eigenen Gefühlen am ehesten Rechnung tragen. In Basalganglien und Kleinhirn werden die zur Artikulation erforderlichen Bewegungsprogramme abgerufen und über den Thalamus dem motorischen Kortex zugespielt. Von dort aus werden die α-Motoneurone der für die Artikulation erforderlichen Muskeln in einer, dem Bewegungsprogramm entsprechenden, zeitlichen Abfolge aktiviert.

Bereitschaftspotenzial. Die Aktivierung von kortikalen

Neuronen vor der Durchführung einer Bewegung erzeugt ein »kortikales Bereitschaftspotenzial« (7 Kap. 20.1.4). Rückmeldung. Auf jeder Ebene wird das zielmotorische

Programm durch Afferenzen aus der Peripherie und aus dem Nervensystem selbst modifiziert und damit den äußeren und inneren Verhältnissen angepasst. Auf diese Weise können wir auch dann noch sprechen, wenn der Mund voll oder unsere Lippen angeschwollen sind.

15.1.2

Bewegungsformen

Durchführung von Zielbewegungen. Stark vereinfacht

lässt sich die Sequenz der Ereignisse bei der Durchführung von Zielbewegungen folgendermaßen darstellen: 4 Die Motivation, eine Bewegung durchzuführen, entsteht in Motivationsarealen, wenig definierten kortikalen und subkortikalen Strukturen v. a. des limbischen Systems (7 Kap. 20.2.4) 4 Die Motivationsareale aktivieren Assoziationsareale des Kortex, in denen ein Bewegungsplan, eine Strategie festgelegt wird 4 Von den Assoziationsarealen aus werden die geeigneten Bewegungsprogramme in prämotorischem Kortex, Basalganglien und Kleinhirn abgerufen 4 Basalganglien und Kleinhirn aktivieren über den Thalamus den motorischen Kortex, der über verschiedene

! Ballistische Bewegungen, Folgebewegungen und Stützmotorik werden bei der Durchführung unterschiedlich kontrolliert

Ballistische Bewegungen. Sehr schnelle zielgerichtete Be-

wegungen (ballistische Bewegungen) folgen v. a. einem Bewegungsprogramm und werden während der Durchführung durch reflektorische Rückmeldungen nur geringfügig korrigiert. Vor allem das Kleinhirn stellt Bewegungsprogramme für ballistische Bewegungen bereit. Eine Kopie der Aktivität deszendierender kortikaler Bahnen wird wiederum dem Kleinhirn zugespielt. Der Vergleich des Bewegungserfolges mit der geplanten Bewegung ermöglicht dann eine Perfektionierung ballistischer Bewegungen.

15

344

Kapitel 15 · Motorik

Bei langsamen Folgebewegungen ist eine feine Abstimmung mit den Reflexschleifen erforderlich, da die Reflexe sonst den Ablauf der Bewegung stören würden (7 Kap. 15.4.3). Stützmotorik. Auch ohne Durchführung zielmotorischer Bewegungen werden Länge und Spannung der Muskeln ständig kontrolliert. Die gleichzeitige Aktivierung von

Agonisten und Antagonisten unterhält einen Muskeltonus, der passive Bewegungen von Muskeln und Gelenken verhindert bzw. behindert. Eine funktionierende Stützmotorik ist Voraussetzung für Stehen und Sitzen. Ohne intakte Stützmotorik ist schließlich keine erfolgreiche Zielmotorik möglich, u. a. weil die zielmotorischen Bewegungen die Erhaltung des Gleichgewichts gefährden würden.

In Kürze

Programmierung der Willkürbewegung Von der Bewegungsabsicht zur Bewegung 4 Motivationsareale [u. a. limbisches System] (Absicht, erkennbar am Bereitschaftspotenzial) o Assoziationsareale (Plan) o prämotorischer Kortex, Basalganglien, Kleinhirn (Programme) o Thalamus o motorischer Kortex (Durchführung) o deszendierende motorische Bahnen o α-Motoneuron (= gemeinsame Endstrecke für Regulation der Muskeltätigkeit) 4 Auf jeder Ebene Modifikation des zielmotorischen Programmes durch Afferenzen

15.2

Motorische Repräsentation auf dem Kortex

15.2.1

Primärer motorischer Kortex

Bewegungsformen 4 Kleinhirn o Bewegungsprogramme für schnelle zielgerichtete Bewegungen (ballistische Bewegungen) o nur geringfügige reflektorische Rückmeldungen, Perfektion durch Vergleich von Bewegungserfolg mit Bewegungsplan 4 Langsame Folgebewegungen o feine Abstimmung mit Reflexschleifen 4 Gleichzeitige Aktivierung von Agonisten und Antagonisten o Muskeltonus o Stützmotorik o Stehen, Sitzen, Gleichgewichterhaltung während Zielmotorik

! Der Motorkortex ist die letzte kortikale Instanz bei der Durchführung von Willkürbewegungen

15

Motorkortex. Axone von Neuronen des Motorkortex in der Area 4 des Gyrus praecentralis (. Abb. 15.1) ziehen teilweise direkt zu Motorneuronen der Hirnnervenkerne und des Rückenmarks. Durch Reizungen im Gyrus praecentralis lassen sich demnach einzelne Bewegungen auslösen. Dabei ist der Motorkortex streng somatotopisch gegliedert (Homunculus, . Abb. 15.1). Da Finger und Mund besonders vielfältige und fein abgestufte Bewegungen durchführen, ist die Zahl der Neurone, die Bewegungen in diesen Bereichen kontrollieren, besonders groß. Diese Areale nehmen also einen großen Teil des Gyrus praecentralis ein.

. Abb. 15.1. Strukturelle Organisation des somatomotorischen Kortex. Links: Lage von motorischen Kortexarealen (Gyrus praecentralis, supplementärmotorischer Kortex und praemotorischer Kortex). Rechts: Somatotopische Gliederung des Gyrus praecentralis (sog. Homunculus) (nach Penfield und Rasmussen)

Die Efferenzen des Mortorkortex gehen von den Pyramidenzellen aus, deren Erregung zu einzelnen Gelenkbewegungen, nicht zur Aktivierung einzelner Muskeln führen. Die Aktivität der Pyramidenzellen wird durch Interneurone, wie die Sternzellen und die Korbzellen moduliert (7 Kap. 20.1.1).

345 15.3 · Efferente Projektion der motorischen Kortizes

15.2.2

Prä- und supplementärmotorischer Kortex

! Supplementärmotorischer Kortex und prämotorischer Kortex sind zur Durchführung komplexer Bewegungen erforderlich

Supplementärmotorischer und prämotorischer Kortex. Vor dem Gyrus praecentralis liegt der prämotorische Kortex und der supplementärmotorische Kortex (Area 6 und 8,

. Abb. 15.1), die bei der Programmierung komplizierterer Bewegungen mitwirken. Der supplementärmotorische Kortex wird etwa bei komplexen Fingerbewegungen (z. B. Klavierspielen) eingesetzt, der prämotorische Kortex zur Koordination von Rumpfmuskulatur, proximaler und distaler Muskulatur bei Orientierung des Körpers zu einem Zielobjekt. Auch Neurone des somatosensorischen Kortex im Gyrus postcentralis (Area 1, 2, 3) werden bei Bewegungen aktiviert. Ihre Beteiligung ist vor allem für die räumliche Organisation von Bewegungen erforderlich.

In Kürze

Motorische Repräsentation auf dem Kortex Primärer motorischer Kortex 4 Stimulation Motorkortex (Area 4, Gyrus praecentralis) o Bewegungen 4 somatotop organisiert (Homunculus) mit großer Repräsentanz von Fingern, Mund 4 Sternzellen, Korbzellen o Pyramidenzellen o deszendierende Bahnen o einzelne Gelenkbewegungen

15.3

Efferente Projektion der motorischen Kortizes

15.3.1

Prinzipielle Verschaltungsmuster

! Der Motorkortex projiziert in vielfältige kortikale und subkortikale Strukturen

Projektionen. Der Motorkortex projiziert zu Rückenmark, Striatum, Thalamus, Nucleus ruber, Pons, Formatio reticularis und unterer Olive. Kommissuren- und Assoziationsfasern. Der Motorkortex ist über Kommissurenfasern durch den Balken mit der gegenüberliegenden Seite und durch Assoziationsfasern mit anderen Kortexarealen verbunden (7 Kap. 20.1.1).

Prä- und supplementärmotorischer Kortex 4 Supplementärmotorischer Kortex o komplexe Fingerbewegungen 4 prämotorischer Kortex o Koordination von Rumpfmuskulatur, proximaler und distaler Muskulatur bei Körperorientierung 4 somatosensorischer Kortex (Gyrus postcentralis, Area 1–3) o räumliche Organisation Bewegungen

Kortikospinale und Kortikobulbäre Bahnen. Neurone aus Motorkortex und angrenzenden kortikalen Arealen bilden mit ihren Axonen kortikospinale und kortikobulbäre Bahnen, die über die Capsula interna somatotopisch geordnet zu Hirnstamm, Medulla oblongata und Rückenmark ziehen. Etwa 5% der deszendierenden Efferenzen gehen von Betz-Riesenzellen direkt zu den α-Motoneuronen des Rückenmarks. Die überwiegende Zahl von Efferenzen gehen von kleinen Pyramidenzellen über Interneurone in Kernen des Hirnstamms und im Rückenmark zu den Motoneuronen. Etwa 90 % der zum Rückenmark ziehenden Fasern kreuzen in der Medulla oblongata auf die Gegenseite, wo sie als Tractus corticospinalis lateralis zu Interneuronen und Motoneuronen des Rückenmarks ziehen. Etwa 10 % der Fasern erreichen ungekreuzt über den Tractus corticospinalis ventralis die Neurone im Rückenmark. Pyramidenbahn. Tractus corticospinalis lateralis und

15.3.2

Projektion in subkortikale Gebiete

! Der Motorkortex beeinflusst die Motorik über kortikospinale und kortikobulbäre Bahnen. Nur ein kleiner Teil erreicht die α-Motoneurone direkt

ventralis bilden die Pyramidenbahn. Die monosynaptischen Verbindungen zwischen Pyramidenzellen des Motorkortex und den α-Motoneuronen sind vor allem für feine Zielbewegungen bedeutsam, da das Signal unverfälscht weitergegeben wird (Kortikomotoneuronales [CM] System). Eine große Zahl von Efferenzen erreichen

15

346


jedoch zunächst Interneurone, welche die Motoneuronenaktivität modulieren. Einige Fasern beeinflussen über Interneurone des Hinterhorns und Kollateralen zu den Nuclei gracilis und cuneatus die Weiterleitung sensorischer Signale (7 Kap. 16). Die Pyramidenbahn aktiviert mit der rubrospinalen Bahn und dem Tractus reticulospinalis lateralis vorwiegend die Beuger des Beines und die Strecker des Armes. Tractus reticulospinalis medialis und vestibulospinalis stimulieren vorwiegend die Antigravitätsmuskeln, d. h. die Beuger der Arme und die Strecker der Beine. Extrapyramidale motorische Systeme. Früher wurde die

Pyramidenbahn den extrapyramidalen motorischen Systemen gegenübergestellt, zu denen Corpus striatum, Putamen, Pallidum, Nucleus subthalamicus, Substantia nigra und Nucleus ruber gezählt wurden. Eine solche Einteilung berücksichtigt nicht, dass die Pyramidenbahn mit den anderen motorischen Strukturen eine funktionelle Einheit bildet. ! Ausfall kortikospinaler Bahnen führt zunächst zum spinalen Schock, gefolgt von Hyperreflexie und Spastik

Unterbrechung motorischer Bahnen. Ein isolierter Aus-

fall der Pyramidenbahn ist sehr selten. Er zieht lediglich eine Einschränkung der Feinbeweglichkeit v. a. der Finger

nach sich. Sehr viel häufiger ist ein Ausfall mehrerer kortikaler Efferenzen z. B. bei einer Schädigung im Motorkortex oder im Bereich der Capsula interna (z. B. durch Blutungen oder Ischämie im Bereich der Arteria cerebri media). Dabei fallen neben der Pyramidenbahn weitere Verbindungen des Motorkortex, wie z. B. zum Nucleus ruber und zur medullären Formatio reticularis aus. Folge ist eine herabgesetzte Aktivität dieser Bahnen. Die vestibulospinalen und medialen retikulospinalen Bahnen sind weniger betroffen, da sie unter einem stärkeren Einfluss z. B. aus dem Kleinhirn stehen. Eine Unterbrechung der Weiterleitung im Bereich der Capsula interna hat daher letztlich ein Überwiegen der Strecker des Beines und der Beuger des Armes zur Folge. Zunächst kommt es jedoch zu einem spinalen Schock durch Wegfall supraspinaler Innervation von α-Motoneuronen (7 Kap. 15.4.1). Im spinalen Schock ist die Muskulatur schlaff und es sind keine Reflexe (7 Kap. 15.4.2) auslösbar. Die partielle »Denervierung« der α-Motoneurone zieht jedoch eine Steigerung der Empfindlichkeit dieser Neurone nach sich und die ausgefallenen Nervenendigungen supraspinaler Neurone werden durch Synapsen aus Neuronen des Rückenmarks ersetzt. Damit gewinnen die Reflexe (7 Kap. 15.4.2) einen stärkeren Einfluss auf die α-Motoneuronenaktivität. Folge ist Hyperreflexie. Schließlich entwickelt sich Spastik (7 Kap. 15.9.2).

In Kürze

Efferente Projektion der motorischen Kortizes Prinzipielle Verschaltungsmuster 4 Projektionen o Rückenmark, Striatum, Thalamus, Nucleus ruber, Pons, Formatio reticularis, untere Olive 4 Kommissurenfasern o Balken o andere Seite; Assoziationsfasern o andere Kortexareale

4 4

15

Projektion in subkortikale Gebiete 4 Motorkortex, angrenzende kortikale Areale o kortikospinale + kortikobulbäre Bahnen o Capsula interna (somatotopisch geordnet) o Hirnstamm, Medulla oblongata, Rückenmark; ≈90% kreuzen in Medulla oblongata o Tractus corticospinalis lateralis o Interneurone, Motoneurone; ≈10% ungekreuzt o Tractus corticospinalis ventralis 4 Pyramidenbahn = Tractus corticospinalis lateralis + ventralis; ≈5% monosynaptische Verbindungen Py-

4 4 4

ramidenzellen Motorkortex o α-Motoneuronen (= kortikomotoneuronales [CM] System). o feine Zielbewegungen Einige Fasern o Interneurone o Nuclei gracilis, cuneatus o Weiterleitung sensorischer Signale Pyramidenbahn, rubrospinale Bahn, Tractus reticulospinalis lateralis o vorwiegend Beuger Bein, Strecker Arm Tractus reticulospinalis medialis, vestibulospinalis o Antigravitätsmuskeln (Beuger Arme, Strecker Beine) Isolierter Ausfall der Pyramidenbahn o Einschränkung Feinbeweglichkeit Finger (selten) Ausfall mehrerer kortikaler Efferenzen o Unterbrechung Efferenzen zu Nucleus ruber, medulläre Formatio reticularis o spinaler Schock o Überwiegen Beinstrecker, Armbeuger, Hyperreflexie, Spastik

347 15.4 · Neuronale Systeme des Rückenmarks

15.4


15.4.1

Neuronentypen und ihre Lage

! Die Motorik wird von Motoneuronen und Interneuronen des Rückenmarks kontrolliert

α-Motoneurone. Die motorische Einheit besteht aus einem

α-Motoneuron und allen von ihm innervierten Muskelfasern. Die α-Motoneurone sind die letzte Instanz bzw. gemeinsame Endstrecke, über die alle Einflüsse des Nervensystems auf die Muskulatur wirken müssen. Die α-Motoneurone stehen unter dem Einfluss von Afferenzen aus dem gleichen Muskel, Afferenzen und Interneuronen des gleichen Rückenmarkssegmentes, Neuronen aus anderen Rückenmarksegmenten sowie supraspinalen Neuronen, wie z. B. Neuronen aus dem Motorkortex. Das Axon des α-Motoneurons bildet in der Regel mehrere Kollateralen, welche jeweils eine Muskelfaser innervieren. Das Aktionspotenzial des α-Motoneurons breitet sich über alle Kollateralen aus und erreicht alle Muskelfasern der motorischen Einheit praktisch gleichzeitig. Die Muskelfasern einer motorischen Einheit liegen nicht direkt nebeneinander, sondern sind über einen größeren Querschnitt eines Skelettmuskels verteilt. Damit wird erreicht, dass die synchrone Kontraktion der Fasern einer motorischen Einheit über einen größeren Querschnitt des Muskels verteilt wird. Größe motorischer Einheiten. Die Zahl der durch ein αMotoneuron innervierten Muskelfasern ist nicht einheitlich. Bei Muskeln, die für die Feinmotorik eingesetzt werden (z. B. Muskulatur des Daumens, der Lippen, der Augenlider), ist sie klein. In diesen Muskeln ist also die Zahl der α-Motoneurone, welche für die Innervation dieser Muskeln eingesetzt werden, relativ groß, und damit kann die neuronale Kontrolle der Bewegung dieser Muskeln besonders fein abgestimmt werden. Bei Muskeln, welche vorwiegend Haltearbeit leisten müssen (z. B. Wadenmuskulatur), ist dagegen die Zahl der Muskelfasern pro α-Motoneuron groß. γ-Motoneurone. Die γ-Motoneurone innervieren Muskelspindeln, spezialisierte Muskelfasern zur Messung der Muskellänge (7 Kap. 15.4.3). Sie verstellen Länge bzw. Empfindlichkeit der Muskelspindeln und beeinflussen so indirekt die Aktivität der α-Motoneurone (7 Kap. 15.4.3). Die Muskelfasern der Muskelspindeln werden als intrafusale

Muskulatur der übrigen, extrafusalen Muskulatur gegenübergestellt. Neben α-Motoneuronen und γ-Motoneuronen unterscheidet man noch β-Motoneurone, die sowohl intrafusale als auch extrafusale Muskulatur innervieren. Renshaw-Hemmung. Kollateralen des Axons von α-Moto-

neuronen zweigen bereits im Rückenmark ab und enden an den Renshaw-Zellen. Diese Zellen sind inhibitorische Neurone, deren Axone zur Population derjenigen α-Motoneurone zurückkehren, durch die sie aktiviert werden. Über die Renshaw-Zellen hemmt das α-Motoneuron sich selbst. Die Renshaw-Zellen bewirken somit eine negative Rückkopplung der α-Motoneuronaktivität. Darüber hinaus hemmen Renshaw-Zellen andere Interneurone, welche antagonistische Muskeln hemmen. Damit fördern die Renshaw-Zellen die Aktivität dieser Muskeln. Transmitter der Renshaw-Zellen ist Glyzin. Das Gift Strychnin verdrängt Glyzin vom Rezeptor und löst so Muskelkrämpfe aus. Interneurone. Jeweils unterschiedliche Interneurone vermitteln die Übertragung von Erregungen innerhalb des jeweiligen Rückenmarksegmentes (Schaltneurone), die Übertragung in andere Rückenmarksegmente (propriospinale Neurone), auf die andere Rückenmarkseite (kommissurale Neurone) oder die Weiterleitung von Signalen zu supraspinalen Strukturen (Bahnneurone).

15.4.2

Reflexsysteme des Rückenmarks

! Die Aktivität der α-Motoneurone wird durch Reflexe ständig modifiziert. Die Reflexe werden durch Dehnung der Muskeln (Muskeldehnungsreflex), durch Dehnung der Sehnen und durch Reizung von Afferenzen in Haut und Eingeweiden ausgelöst

Definition. Zu einem Reflex gehören jeweils ein oder meh-

rere Rezeptoren (z. B. Dehnungsrezeptoren im Muskel), ein afferenter Schenkel (afferente Nervenfaser), eine Umschaltung im Rückenmark (»Reflexzentrum«, z. B. Interneurone und α-Motoneurone), ein efferenter Schenkel (z. B. Axone der Motoneurone) und ein Effektor (z. B. Skelettmuskelfasern). Regeltechnisch besteht ein Reflex aus einem Fühler (Rezeptor), einem Regler (Interneurone und α-Motonneurone) und einem Stellglied (Muskel). Der Regler stellt die geregelte Größe (Muskellänge) auf einen Sollwert. Wenn

15

348


die augenblickliche Muskellänge (Istwert) vom Sollwert abweicht, dann löst der Reflex eine Korrektur aus, die den Istwert dem Sollwert angleicht. Bei monosynaptischen Reflexen werden α-Motoneurone direkt von afferenten Fasern stimuliert. Bei polysynaptischen Reflexen sind ein oder mehrere Interneurone dazwischen geschalten. Die Interneurone werden zusätzlich durch andere Afferenzen aus der Peripherie, durch andere Interneurone im Rückenmark und durch deszendierende Bahnen aus Kortex und Hirnstamm in ihrer Aktivität beeinflusst. Ihre Erregung integriert diese Einflüsse und ist daher nicht nur eine Funktion der Reflexafferenz. Je mehr Interneurone in einem Reflexkreis eingebaut sind, desto größer ist die Zeitspanne zwischen Reiz und Reizerfolg (Latenz) und desto variabler ist die Reflexantwort. Beim monosynaptischen Reflex ist die Latenz weitgehend konstant, da nur eine Synapse beteiligt ist. Variabilität der Reflexantwort. Die Wirkung eines Reizes auf

15

die Reflexantwort ist selbst bei monosynaptischen Reflexen keine Konstante und nimmt mit steigender Zahl an Synapsen bzw. dazwischen geschalteten Interneuronen zu, da andere fördernde oder hemmende Einflüsse auf das α-Motoneuron bzw. die Interneurone einwirken. In der Klinik spricht man bei gesteigerter Reflexantwort von Hyperreflexie, bei herabgesetzter oder ausbleibender Reflexantwort von Hypo- bzw. Areflexie. Bei abgeschwächtem Muskeldehnungsreflex wird versucht, die Reflexantwort durch Aktivierung der Motorik zu steigern, z. B. indem man den Patienten auffordert, zu gähnen oder seine Hände vor der Brust zu verhaken und fest auseinander zu ziehen (Jendrassik-Handgriff). Die Auslösung eines Reflexes kann dadurch erleichtert werden, indem stimulierende Einflüsse gleichzeitig von mehreren Afferenzen bzw. Interneuronen auf das α-Motoneuron einwirken (räumliche Fazilitation) oder indem kurz hintereinander Erregungen über die gleiche Afferenz eintreffen (zeitliche Fazilitation). Umgekehrt kann die Auslösung eines Reflexes durch konkurrierende neuronale Aktivität verhindert werden (Okklusion). Die Schwelle für die Auslösung eines Reflexes ist eine Funktion der Empfindlichkeit von beteiligten Sensoren und der gleichzeitigen Bahnung oder Hemmung von Motoneuronen durch andere Einflüsse. Die Schwelle von Muskeldehnungsreflexen wird durch Aktivierung von Muskelspindeln herabgesetzt (7 Kap. 15.4.3). Oberhalb der Schwelle nimmt die Reflexantwort bei steigender Reizstärke bis zum Maximalwert (Sättigung) zu.

Bei Zielbewegungen muss neben der Aktivierung von α-Motoneuronen auch die Empfindlichkeit der Muskelspindeln entsprechend verstellt werden, da die Muskelverkürzung sonst die reflektorische Aktivierung der α-Motoneurone mindert. Theoretisch kann eine Bewegung reflektorisch durch Herabsetzung der Schwelle ausgelöst werden (Servomechanismus). H-Reflex. Eigenreflexe können durch Beklopfen der Seh-

nen (T-Reflex, 7 Kap. 15.4.3) oder durch elektrische Reizung des Nerven ausgelöst werden (H-Reflex nach Hoffmann). Bei geringer H-Reflex-Reizstärke werden zunächst ausschließlich bzw. vorwiegend die Ia-Afferenzen überschwellig erregt und die folgende Muskelkontraktion (bzw. Aktivierung im Elektromyogramm) ist in erster Linie Folge der Aktivierung von α-Motoneuronen durch die Ia-Afferenzen (. Abb. 15.2). Mit zunehmender Reizstärke werden auch die Axone der α-Motoneurone direkt erregt und es tritt eine M-Welle auf (Gruppe-II-Fasern). Schließlich verschwindet der H-Reflex, da die α-Motoneurone

. Abb. 15.2. Hoffmann-Reflex (H-Reflex). Bei geringer elektrischer Reizung eines Nerven werden ausschließlich Ia-Fasern erregt. Über die entsprechende α-Motoneuronenpopulation gelangt die Erregung zum zugehörenden Muskel und erzeugt dort einen Ausschlag im EMG (blau). Bei zunehmender Reizstärke werden auch die α-Motoaxone aktiviert, wodurch im EMG früher ein Ausschlag (M-Welle) sichtbar ist. Bei sehr hoher Reizstärke entsteht im EMG nur noch die M-Welle, da die α-Motoneurone durch die direkte elektrische Reizung refraktär sind und den H-Reflex nicht mehr leiten können (Kollision der Aktionspotenziale) (nach Wiesendanger aus Schmidt et al.)


über ihre Axone antidrom erregt werden und von den IaFasern nicht mehr orthodrom aktiviert werden können (Kollision der Erregungen).

15.4.3

Reflexsystem der Muskelspindelafferenz

! Dehnung von Muskelspindeln stimuliert die Kontraktion des betroffenen Muskels und reguliert über Interneurone die Kontraktion anderer Muskeln

Muskelspindeln. Die Dehnung des Muskels beim Muskeldehnungsreflex wird durch spezialisierte, von Bindegewebe umgebene Rezeptoren, die Muskelspindeln gemessen (. Abb. 15.3). Die Muskelspindeln werden bei Dehnung des Muskels mitgedehnt und damit erregt. Muskelspindeln messen somit die Muskellänge. Die Muskelspindeln weisen ferner kontraktile Elemente auf (intrafusale Muskulatur), die von Nervenendigungen umschlungen werden. Es gibt zwei Typen von intrafusalen Muskelspindelfasern, die Kernsackfasern und die Kernkettenfasern. Die Kernsackfasern, nicht aber die Kernkettenfasern adaptieren (Proportional-Differential-Fühler bzw. PD-Fühler, 7 Kap. 16). Die Muskelspindeln sind über den Querschnitt des Muskels verstreut.

. Abb. 15.3. Aufbau und Innervation verschiedener Muskelspindeln. Links und rechts Kernsackfasern, Mitte Kernkettenfasern

Im mittleren Bereich der Muskelspindeln enden Ia-Fasern (primäre Afferenzen) und Gruppe-II-Fasern (sekundäre Afferenzen, vorwiegend an Kernkettenfasern) von sensiblen Neuronen, deren Zellkörper in den Spinalganglien sitzen. Die afferenten Ia-Fasern aktivieren α-Motoneurone des gleichen Muskels. Damit wird bei Dehnung eines Muskels die Kontraktion dieses Muskels ausgelöst und der Muskel wieder auf die ursprüngliche Länge (»Sollwert«) zurückgeführt. Der Muskeldehnungsreflex arbeitet somit wie ein Regelkreis. Da die beteiligten Nervenfasern stark myelinisiert sind, ist die Latenzzeit bis zur Kontraktion des Muskels gering. Ein in der Klinik häufig untersuchter Muskeldehnungsreflex ist der Patellarsehnenreflex (. Abb. 15.4): Durch Beklopfen der Patellarsehne wird der M. quadriceps gedehnt und damit dessen Kontraktion ausgelöst. Die Latenz des Patellarsehnenreflexes beträgt etwa 30 ms. Man bezeichnet die durch Beklopfen der Sehne (T = tendon) aus-

. Abb. 15.4. Muskeldehnungsreflex am Beispiel des »Patellarsehnenreflexes«. Afferenzen (blau) des gedehnten Muskels (M. quadriceps femoris) werden im Rückenmark auf Motoneurone (rot) desselben Muskels umgeschaltet. Gleichzeitig werden über hemmende Interneurone (grün) die Motoneurone (braun) des Antagonisten (M. biceps femoris) gehemmt

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350


gelösten Reflexe im Übrigen auch als T-Reflexe. Die Bezeichnung Sehnenreflexe ist allerdings etwas unglücklich, da Auslöser der Muskelkontraktion nicht die Dehnung der Sehne sondern die des Muskels ist. Bauchdeckenreflex. Ein Schlag mit dem Reflexhammer auf die Bauchdecke dehnt die Bauchmuskulatur und löst über einen monosynaptischen Reflexbogen ihre Kontraktion aus. γ-Motoneurone. Die kontraktilen Elemente der Muskel-

spindeln werden durch γ-Motoneurone innerviert, welche die Länge bzw. Empfindlichkeit der Muskelspindeln verstellen (. Abb. 15.5). Man unterscheidet demnach die durch die γ-Motoneurone innervierte Muskulatur der Muskelspindeln (intrafusale Muskulatur) und die durch die α-Motoneurone innervierten übrigen Muskelfasern (extrafusale Muskulatur). Bei einer langsamen Zielbewegung werden die γ-Motoneurone gemeinsam mit α-Motoneuronen innerviert. Damit wird verhindert, dass der Muskeldehnungsreflex einer Längenänderung des Muskels entgegenwirkt. Bei einer sehr schnellen Bewegung (ballistische Bewegung) ist die gleichzeitige Innervation der γ-Motoneurone nicht erforderlich, da die Rückkopplung erst nach Abschluss der Bewegung einsetzt. Eine Aktivierung der γ-Motoneurone löst eine Muskelkontraktion aus, da die Kontraktion der intrafusalen Muskulatur eine Dehnung der sensiblen Areale der Muskelspindeln und damit über Ia-Fasern eine Stimulation der α-Motoneurone nach sich zieht. Von dieser Möglichkeit wird jedoch bei der Steuerung der Motorik normalerweise kein Gebrauch gemacht, sondern α- und γ-Motoneurone werden gleichzeitig aktiviert (α-γ-Coaktivierung). β-Motoneurone innervieren gleichzeitig intrafusale und extrafusale Muskulatur (7 Kap. 15.4.1). Weitere Verschaltungen des Muskeldehnungsreflexes.

15

Der Muskeldehnungsreflex weist nur eine einzige Synapse im Rückenmark auf (monosynaptischer Reflexbogen, Transmitter Glutamat). Kollateralen der afferenten Ia-Fasern enden aber auch an Interneuronen des Rückenmarks, die α-Motoneurone antagonistischer Muskeln am gleichen Gelenk hemmen (. Abb. 15.4). Schließlich werden die Afferenzen der Muskelspindeln zu supraspinalen Neuronen geleitet. Sekundäre Muskelspindelafferenzen. Gruppe-II-Fasern aktivieren und hemmen polysynaptisch die α-Motoneuro-

. Abb. 15.5. Erregung von Muskelspindeln. Aktivierung bei passiver Dehnung des Muskels (a), bei Stimulation und Kontraktion der extrafusalen Muskulatur über α-Motoneurone (b), bei Stimulation und Kontraktion der intrafusalen Muskulatur durch γ-Motoneurone (c), sowie bei Koaktivierung von α- und γ-Motoneuronen (d). Gezeigt sind jeweils rechts die Aktionspotenziale (PDIa) in den Ia-Muskelspindelafferenzen (oben) und die Muskellänge (l )

ne desjenigen Muskels, in dem die Muskelspindel liegt. Darüber hinaus aktivieren sie u. a.Interneurone, welche αMotoneurone von Flexoren der gleichen Extremität stimulieren, unabhängig davon, ob die von Gruppe-II-Fasern innervierte Muskelspindel in einem Extensor oder einem Flexor liegt.


15.4.4

Reflexsystem der Golgi-Sehennorgane

! Dehnung von Sehenrezeptoren hemmt die Kontraktion des entsprechenden Muskels

Sehnenrezeptoren. Im Gegensatz zur Dehnung des Mus-

kels, führt Dehnung einer Sehne zur Hemmung der α-Motoneurone dieses Muskels (autogene Hemmung). Die Hemmung wird durch die Golgi-Sehnenorgane ausgelöst, nicht adaptierende Nervenendigungen, die in Kollagenfasern gepackt sind. Bei Dehnung der Sehne bzw. bei Zug auf die Kollagenfasern werden die Nervenendigungen komprimiert und auf diese Weise erregt. Die Rezeptoren liegen an der Grenze zwischen Muskel und Sehne und messen die Spannung des Muskels, nicht seine Länge. Der durch sie ausgelöste Reflex wirkt einer übersteigerten Muskelspannung entgegen, welche zu Sehnen- oder Muskelrissen führen könnte.

le ein Fremdreflex ausgelöst (. Abb. 15.6). Die Aktivierung der Beuger des linken Beines zieht die Extremität von der Schadensquelle zurück. Gleichzeitig werden die Extensoren der gegenüberliegenden Extremität aktiviert (gekreuzter Streckreflex). Die beiden anderen Extremitäten (in unserem Beispiel die Arme) werden gleichfalls an der ipsilateralen Seite gebeugt und an der kontralateralen Seite gestreckt (doppelt gekreuzter Streckreflex). Klinisch kann ein Fremdreflex z. B. über Bestreichen der Fußsohle mit einem spitzen Gegenstand ausgelöst werden. Folge ist normalerweise eine Plantarflexion aller Zehen, eine Dorsalflexion des Fußes und bei starker Reizung eine Flexion in Knie und Hüftgelenk.

Afferenz. Die Sehnenrezeptoren werden durch Ib-Fasern

innerviert (. Tab. 1.2). Die Ib-Afferenzen enden an spinalen Interneuronen, welche die α-Motoneurone des gespannten Muskels und seiner Agonisten hemmen. Gleichzeitig steigern die Afferenzen über Interneurone die Aktivität der Antagonisten am gleichen Gelenk. Afferenzen aus Sehnenorganen fördern bevorzugt Flexoren. Schließlich werden auch Kollateralen der Afferenzen aus den Sehnenorganen zu supraspinalen Neuronen weitergeleitet.

15.4.5

Reflexsystem der Beugereflexe

! Bei Fremdreflexen werden Muskelkontraktionen durch Afferenzen aus Haut oder Eingeweiden ausgelöst

Fremdreflexe. Bei den Fremdreflexen stammt die Afferenz nicht aus dem Muskel, sondern aus der Haut oder von den Eingeweiden. Als Auslöser von Fremdreflexen spielen vor allem Schmerzafferenzen eine Rolle, aber auch unerwartete nicht schmerzhafte Berührung kann einen Fremdreflex auslösen. Über langsam leitende Fasern (Gruppe III und IV) werden diese Afferenzen auf Interneurone des Rückenmarks übertragen. Über eine Kette von Interneuronen (polysynaptisch) werden dann die Flexoren stimuliert und die Extensoren gehemmt. Tritt man beispielsweise mit dem linken Fuß auf einen Nagel, dann wird über die Schmerzrezeptoren der Fußsoh-

. Abb. 15.6. Verschaltung des Beuge- und gekreuzten Streckreflexes. (a) Bei Treten auf einen Nagel werden die Beuger des verletzten Beines stimuliert und die Strecker gehemmt. Kontralateral werden Strecker stimuliert und Beuger gehemmt (hemmende Interneurone grün, stimulierende Interneurone braun). (b) Damit wird erreicht, dass der Fuß vom Nagel abgehoben wird

15

352


Bauchhautreflex. Bestreichen der Bauchhaut stimuliert

die Kontraktion der Bauchmuskulatur. Dieser Reflex ist im Gegensatz zum Bauchdeckenreflex (7 Kap. 15.4.3) polysynaptisch.

Lidschlussreflex. Ein Schlag mit dem Reflexhammer auf die Nasenwurzel löst reflektorisch Lidschluss aus. Die Afferenzen dieses Fremdreflexes laufen über den Nervus trigeminus, die Efferenzen über den Nervus facialis.

In Kürze


15

Neuronentypen und ihre Lage 4 Afferenzen gleicher Muskel, Interneurone gleiches Rückenmarkssegment, Neurone anderer Rückenmarksegmente, supraspinale Neurone (u. a. Motorkortex) o α-Motoneuron 4 α-Motoneuron + alle von ihm innervierte Muskelfasern = motorische Einheit 4 Muskeln für Feinmotorik (Daumen, Lippen, Augenlider) = kleine motorische Einheit 4 Muskeln für grobe Motorik (Wadenmuskulatur) = große motorische Einheiten 4 γ-Motoneurone o Muskelspindeln (intrafusale Muskulatur) 4 α-Motoneurone o Axonkollateralen o Interneuron (Transmitter Glyzin) (o gleiches α-Motoneuron p Renshaw-Hemmung) o hemmende Interneurone p o antagonistische Muskeln n 4 Schaltneurone (o innerhalb jeweiligem Rückenmarksegment), propriospinale Neurone (Übertragung in andere Rückenmarksegmente), kommissurale Neurone (auf andere Rückenmarksseite) Bahnneurone (Weiterleitung zu supraspinalen Strukturen).

4 Interneurone integrieren Einfluss aus peripheren Afferenzen, anderen Interneuronen Rückenmark, deszendierenden Bahnen aus Kortex, Hirnstamm 4 Reflexantwort n = Hyperreflexie; Reflexantwort p = Hyporeflexie; keine Reflexantwort = Areflexie 4 Jendrassik-Handgriff o Hände vor der Brust verhaken und fest auseinander ziehen 4 räumliche + zeitliche Fazilitation = Summation von Stimulationen 4 Okklusion = Löschung durch konkurrierende neuronale Aktivität 4 Aktivierung von Muskelspindeln o Schwelle p 4 Oberhalb der Schwelle steigt Reflexantwort mit Reizstärke bis zum Maximalwert (Sättigung) 4 Servomechanismus = Bewegung reflektorisch durch Herabsetzung der Schwelle 4 H-Reflex (nach Hoffmann) elektrische Reizung o Ia-Afferenzen (o α-Motoneurone o Muskelkontraktion), mit zunehmender Reizstärke Axone der α-Motoneurone direkt aktiviert, M-Welle (Gruppe-II-Fasern), dann Verschwinden des H-Reflex (α-Motoneurone antidrom erregt und daher nicht mehr durch die Ia-Fasern orthodrom erregbar = Kollision Erregungen)

Reflexsysteme des Rückenmarks 4 Reflexelemente: Rezeptoren (Dehnungsrezeptoren Muskel, Fühler), afferenter Schenkel (afferente Nervenfaser), Umschaltung im Rückenmark (»Reflexzentrum«, Interneurone, α-Motoneurone, Regler), efferenter Schenkel (z. B. Axone der Motoneurone) und Effektor (z. B. Skelettmuskelfasern, Stellglied) 4 Geregelte Größe = Muskellänge (Sollwert) 4 Afferente Fasern o direkt α-Motoneurone (monosynaptisch = geringe Latenz, stabiler Einfluss) 4 Afferente Fasern o Interneurone o α-Motoneurone (polysynaptisch = große Latenz, variabler Einfluss) 6

Reflexsystem der Muskelspindelafferenz 4 Muskeldehnung (z. B. Beklopfen Patellarsehne; T-Reflex) o Dehnung Muskelspindel (Kernsackfasern [PD-Fühler], Kernkettenfaser [Proportionalfühler]) o Ia-Fasern (primäre Afferenzen), GruppeII-Fasern (sekundäre Afferenzen, vorwiegend Kernkettenfasern) o α-Motoneurone gleicher Muskel (monosynaptisch, Transmitter Glutamat) o Muskelkontraktion (Regelkreis mit kurzem Feedback, Latenzzeit 30 ms) 4 Bauchdeckenreflex = Muskeldehnungsreflex 4 γ-Motoneurone verstellen Länge bzw. Empfindlichkeit Muskelspindeln durch Kontraktion intrafusaler Muskulatur; bei langsamen Zielbewegungen α-γ-Coaktivie-

353 15.5 · Motorische Funktionen des Hirnstamms

rung, bei ballistischen Bewegungen γ-Aktivierung nicht erforderlich 4 Afferente Ia-Fasern (o α-Motoneurone gleicher Muskel) o Interneurone Rückenmark o α-Motoneurone antagonistischer Muskeln; supraspinale Neurone 4 Sekundäre Muskelspindelafferenzen o Gruppe-IIFasern o polysynaptisch α-Motoneurone gleicher Muskel p Reflexsystem der Golgi-Sehnenorgane 4 Dehnung Sehne o Golgi-Sehnenorgane o Ib-Fasern o α-Motoneuron p (autogene Hemmung, bevorzugt Flexoren) o supraspinale Neurone

15.5

Motorische Funktionen des Hirnstamms

15.5.1

Augenmotorik

! Die Tätigkeit der Augenmuskeln soll die Ausrichtung der Augen auf die interessierenden Objekte gewährleisten. Die jeweiligen Bewegungen müssen schnell und mit äußerster Präzision durchgeführt werden

Augenmuskeln. Die Augenbewegungen werden durch

die Musculi recti medialis und lateralis (bewegen die Augen in der Horizontalebene) die Musculi rectus superior und obliquus inferior (heben die Augen) und die Musculi recti inferior und obliquus superior (senken die Augen) durchgeführt, wie an anderer Stelle erläutert wird (7 Kap. 17.1.8). Steuerung. Die Augenmuskeln werden von Strukturen im Hirnstamm gesteuert (7 Kap. 17.1.8). Die Colliculi superiores vermitteln v. a. die Anpassung der Augenbewegungen an die Netzhautbilder (7 Kap. 15.7.2, 7 Kap. 17.1.8). Da visuelle Informationen zur Gleichgewichtserhaltung beisteuern, wird die Augenmotorik auch durch Afferenzen aus dem Gleichgewichtsorgan und dem Kleinhirn beeinflusst. Dieser Einfluss wird durch Vestibulariskerne und die parapontine retikuläre Formation vermittelt (7 Kap. 17.1.8).

Reflexsystem der Beugereflexe 4 Schmerzafferenzen o langsam leitende Fasern (Gruppe III, IV) o Interneurone Rückenmark polysynaptisch o Flexoren n, Extensoren p gleicher Extremität (Fremdreflex), Extensoren n andere Extremität (gekreuzter Streckreflex). Die beiden anderen Extremitäten ebenfalls ipsilateral gebeugt und kontralateral gestreckt (doppelt gekreuzter Streckreflex) 4 Bestreichen Fußsohle o Plantarflexion aller Zehen, Dorsalflexion Fuß, Flexion Knie, Hüftgelenk 4 Bauchhautreflex: Bestreichen, Beklopfen Bauchhaut o Kontraktion der Bauchmuskulatur 4 Lidschlussreflex: Schlag mit Reflexhammer auf Nasenwurzel o reflektorisch Lidschluss

15.5.2

Bewegungs- und Lagesinn

! Neurone im Hirnstamm spielen bei der Stützmotorik und bei der Durchführung programmgesteuerter Automatismen eine wesentliche Rolle. Ihre deszendierenden Bahnen beeinflussen vorwiegend über Interneurone die Aktivität von α-Motoneuronen

Gleichgewicht. Bewegung und Lage des Kopfes werden

durch das Gleichgewichtsorgan wahrgenommen, wie an anderer Stelle ausgeführt wird (7 Kap. 18.6). Die Afferenzen erreichen die Vestibulariskerne im Hirnstamm (7 Kap. 15.5.3). Stützmotorik. Vor allem die vestibulospinalen und media-

len retikulospinalen Bahnen dienen der Stützmotorik, also der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts. Sie stimulieren vorwiegend die Antigravitätsmuskeln, das sind diejenigen Muskeln, die der Schwerkraft entgegenwirken. Beim Menschen sind dies die Strecker der Beine und die Beuger der Arme. Die rubrospinalen und die lateralen retikulospinalen Bahnen haben andererseits eine eher hemmende Wirkung auf die Antigravitätsmuskulatur. Den Neuronen im Hirnstamm kommt ferner bei der stützmotorischen Absicherung von zielmotorischen Bewegungen eine wichtige Aufgabe zu (posturale Synergien).

15

354


15.5.3

Vestibulariskerne und motorische Funktionen

! Die Vestibulariskerne dienen der Gleichgewichtserhaltung. Sie fördern die Aktivität der Antigravitätsmuskeln

Verschaltung der Vestibulariskerne. In den vier Vestibula-

riskernen (Nucleus superior, inferior, medialis und lateralis) münden die afferenten Axone des Vestibularnerven aus dem Gleichgewichtsorgan (7 Kap. 18.6.3). Sie informieren die Vestibulariskerne über Stellung und Drehbeschleunigung des Kopfes. Zusätzlich erhalten die Vestibulariskerne Afferenzen aus den Muskelspindeln v. a. der Haltemuskulatur und sind daher über die Stellung des Kopfes zum Körper informiert (7 Kap. 18.6.3). Efferenzen der Vestibulariskerne führen zu γ-Motoneuronen und α-Motoneuronen v. a. der Antigravitätsmuskulatur (Tractus vestibulospinalis), zur Formatio reticularis, zum Kleinhirn (Vestibulocerebellum), zu den Augenmuskelkernen, zum Hypothalamus und über basale Thalamuskerne zum insulären Kortex und Gyrus postcentralis (7 Kap. 18.6.3). Aufgabe der Vestibulariskerne. Die Vestibulariskerne inte-

grieren die relevanten Informationen für die Erhaltung des Gleichgewichtes und geben diese Informationen an das Vestibulocerebellum weiter, in dem die Informationen verrechnet werden (7 Kap. 15.7.2). Vestibulariskerne und Kleinhirn kontrollieren die Augenbewegungen (7 Kap. 17.1.8). Auf diese Weise wird normalerweise erreicht, dass die Augen bei Drehbewegungen des Kopfes so bewegt werden, dass das Abbild der Umwelt auf der Netzhaut des Auges stehen bleibt (7 Kap. 15.7.2, 7 Kap. 15.7.3, 7 Kap. 18.6.4). Rolle des Hirnstammes bei der Regulation des Muskeltonus.

15

hemmt den Vestibulariskern und führt zu einer tonischen Aktivierung aller Extensoren mit Überstreckung aller Gliedmassen und der Wirbelsäule (Opisthotonus, Dezerebrierungsstarre). Eine Läsion oberhalb des Nucleus ruber (z. B. Blutung in die Capsula interna) resultiert in einer Beugung der oberen und in einer Streckung der unteren Extremitäten. Halte- und Stellreflexe. Nach Dezerebrierung können in

Tieren einige Halte- und Stellreflexe ausgelöst werden, die normalerweise von kortikalen Efferenzen überdeckt werden: Mit den Stellreflexen wird versucht, den Kopf senkrecht zu stellen. 4 Bei Beugung des Kopfes (Dehnung der Nackenmuskulatur) werden die vorderen Extremitäten gebeugt und die hinteren Extremitäten gestreckt 4 Bei Strecken des Kopfes werden die vorderen Extremitäten gestreckt und die hinteren Extremitäten gebeugt 4 Bei Drehen des Kopfes auf eine Seite werden die Extremitäten auf dieser Seite gebeugt. Wird bei fixiertem Kopf der Rumpf auf eine Seite gedreht, dann werden die Extremitäten auf dieser Seite gestreckt (. Abb. 15.7)

15.5.4

Andere motorische Funktionen des Hirnstammes

! Neurone im Hirnstamm können einfache Automatismen durchführen und sie steuern vegetative Funktionen über vegetatives und somatosensorisches Nervensystem

Automatismen. Der Hirnstamm verfügt über einfache Programmbausteine, wie Gehen (Lokomotion), Kauen,

Die vestibulären Bahnen und die medialen reticulospinalen Bahnen steigern die Aktivität der Antigravitätsmuskeln (Extensoren der Beine, Beuger der Arme), die lateralen reticulospinalen Bahnen, die rubrospinale Bahn und die kortikospinalen Bahnen fördern vor allem die Aktivität der Beuger (7 Kap. 15.5.2). Insgesamt steigert die Aktivität der deszendierenden Bahnen aus dem Hirnstamm den Muskeltonus. Lokalisierte Läsionen. Unterbrechung des Hirnstammes

unmittelbar unterhalb des Nucleus vestibularis lateralis unterbindet die Aktivierung des Extensoren durch den Vestibulariskern. Dadurch überwiegt unterhalb der Läsion die Aktivität der Beuger. Eine Unterbrechung zwischen dem Nucleus vestibularis lateralis und dem Nucleus ruber ent-

. Abb. 15.7. Stellreflexe: Bei Linksdrehen und bei Linksbeugen des Kopfes werden die linken Extremitäten gestreckt und die rechten gebeugt. Bei Rechtsdrehen und bei Rechtsbeugen des Kopfes werden die rechten Extremitäten gestreckt und die linken gebeugt

355 15.5 · Motorische Funktionen des Hirnstamms

Schmatzen. Sie können bei der Durchführung zielmotorischer Bewegungen vom Großhirn abgerufen und sinnvoll in eine motorische Handlung eingebaut werden.

Atmungsregulation. Die atemregulierenden Neurone im

Steuerung vegetativer Funktionen. Neurone im Hirn-

Apallisches Syndrom. Bei Ischämie werden die viel emp-

stamm steuern über die Nerven trigeminus, glossopharyngeus und Vagus das Kauen und den Schluckreflex (7 Kap. 7.2.2). Über das vegetative Nervensystem steuern Neurone im Hirnstamm die Motorik des Magens (7 Kap. 7.2.3) und des Darms (7 Kap. 7.2.5). Neurone im Hirnstamm steuern über vegetatives und somatomotorisches Nervensystem den komplexen Ablauf des Erbrechens (7 Kap. 7.2.4) und der Defäkation (7 Kap. 7.2.5). Die Auslösung der Harnblasenentleerung (Miktion) erfordert normalerweise den permissiven Einfluss von pontinen Neuronen des Hirnstamms (7 Kap. 14.3.2). Neurone im Hirnstamm sind schließlich bei der Kontrolle der Herzfunktion (7 Kap. 3.4.2) und der Regulation des Blutdrucks (7 Kap. 4.2.2) beteiligt (7 Kap. 14.3.2).

findlicheren Neurone der Großhirnrinde schneller geschädigt als die Neurone des Hirnstamms. Nach einem Kreislaufstillstand kann daher die Großhirnrinde zerstört sein und die Neurone des Hirnstamms überleben (apallisches Syndrom). Dabei überwiegt typischerweise der Einfluss auf die Antigravitätsmuskeln und der Patient liegt mit gestreckten Beinen und gebeugten Armen im Bett. Das ist vor allem dann der Fall, wenn auch die Neurone des Nucleus ruber zugrunde gegangen sind, welche eher eine hemmende Wirkung auf die Antigravitätsmuskeln ausüben. Bisweilen können Automatismen, wie Kauen und Schmatzen auftreten, die sich nun der Kontrolle durch die frontale und temporale Großhirnrinde entziehen. Der Mensch ist im Gegensatz zum Tier jedoch nicht fähig, ausschließlich über Steuerung von Neuronen in Hirnstamm und Rückenmark zu gehen.

Hirnstamm steuern die Atemtätigkeit, wie an anderer Stelle näher ausgeführt wird (7 Kap. 5.8.1).

In Kürze

Motorische Funktionen des Hirnstamms Augenmotorik 4 Netzhautbilder o Colliculi superiores o Musculi recti medialis und lateralis [o Augen in Horizontalebene], Musculi rectus superior und obliquus inferior [o heben Augen], Musculi recti inferior und obliquus superior [o senken Augen] 4 Gleichgewichtsorgan, Kleinhirn o Vestibulariskerne, parapontine retikuläre Formation o Augenmuskeln Bewegungs- und Lagesinn 4 Vestibulospinale, mediale retikulospinale Bahnen o Antigravitätsmuskeln n (beim Menschen Strecker Beine und Beuger Arme, dienen Stützmotorik) 4 Rubrospinale, laterale retikulospinale Bahnen o Antigravitätsmuskulatur p 4 Neurone Hirnstamm o stützmotorische Absicherung zielmotorischer Bewegungen (posturale Synergien) Vestibulariskerne und motorische Funktionen 4 Gleichgewichtsorgan, Muskelspindelafferenzen der Haltemuskulatur o Vestibulariskerne (Nucleus superior, inferior, medialis und lateralis) o γ-Motoneurone, α-Motoneurone Antigravitätsmuskulatur 6

(Tractus vestibulospinalis), Formatio reticularis, Kleinhirn (Vestibulocerebellum), Augenmuskelkerne, Hypothalamus, basale Thalamuskerne (o insulärer Kortex, Gyrus postcentralis) 4 Unterbrechung Hirnstamm unmittelbar unterhalb Nucleus vestibularis lateralis o Überwiegen Beuger 4 Unterbrechung zwischen Nucleus vestibularis lateralis und Nucleus ruber o Aktivierung Extensoren, Überstreckung Gliedmassen und Wirbelsäule (Opisthotonus, Dezerebrierungsstarre); Läsion oberhalb des Nucleus ruber o Beugung obere und Streckung untere Extremitäten 4 Halte- und Stellreflexe dezerebrierter Tiere: Kopfbeugung o Beugung vordere Extremitäten, Streckung hintere Extremitäten; Strecken des Kopfes o Streckung vordere Extremitäten, Beugung hintere Extremitäten; Drehen des Kopfes o Beugung Extremitäten auf die hingedrehte Seite; Rumpfdrehen bei fixiertem Kopf o Streckung Extremitäten auf hingedrehter Seite Andere motorische Funktionen des Hirnstammes 4 Automatismen: Gehen (Lokomotion), Kauen, Schmatzen

15

356


4 Vegetative Funktionen: Hirnstamm o Nn. trigeminus, glossopharyngeus, Vagus o Kauen, Schluckreflex, o vegetatives Nervensystem gastrointestinale Motorik, Erbrechen, Defäkation, Harnblasenentleerung,

15.6

Basalganglien

15.6.2

15.6.1

Verschaltung/Informationsfluss

! Das Striatum kann den Thalamus stimulieren oder hemmen. Dopamin fördert in beiden Fällen die Aktivität des Thalamus

! Die Basalganglien sind eine Gruppe von Neuronen, welche bei der Planung und Programmierung der Zielmotorik beteiligt sind. Sie bestehen aus dem Striatum, das sich aus dem Putamen und dem Nucleus caudatus zusammensetzt, sowie aus der Pars externa und interna des Pallidum, dem Nucleus subthalamicus und der Substantia nigra (Pars compacta und Pars reticularis)

Funktion der Basalganglien. Bei der Durchführung von Ziel-

motorik werden die Basalganglien vom Assoziationskortex aktiviert und kontrollieren über den Thalamus die Durchführung der Bewegung durch den Motorkortex. Sie bestimmen die Schwelle für die Durchführung geplanter Bewegungen.

15

Herzfunktion, Regulation Blutdruck, atemregulierende Neurone 4 Ischämie o Schädigung Großhirnrinde bei erhaltenem Hirnstamm o apallisches Syndrom o Überwiegen von Antigravitätsmuskeln, Kauen, Schmatzen

Verschaltung der Basalganglien. Das Striatum erhält erregende Eingänge aus weiten Gebieten der Großhirnrinde, v. a. aus dem Assoziationskortex (Transmitter vorwiegend Glutamat). Die Neurone im Striatum stehen ferner unter dem Einfluss von cholinergen Interneuronen (. Abb. 15.8). Die Efferenzen des Striatum sind vorwiegend GABAerg und hemmen Neurone in Pallidum (Pars interna und externa) und Substantia nigra (sowohl Pars compacta als auch Pars reticulata). Die Neurone in der Pars externa des Pallidum hemmen über den Transmitter GABA Neurone im Nucleus subthalamicus, die ihrerseits Neurone in der Pars interna des Pallidum erregen. Die Neurone der Pars interna des Pallidum hemmen über GABA Neurone im Thalamus. Die Neurone in der Pars reticularis der Substantia nigra hemmen ebenfalls über GABA Neurone im Thalamus. Substantia nigra. Die Neurone in der Substantia nigra (pars compacta) üben durch den Transmitter Dopamin sowohl einen hemmenden (D2-Rezeptoren), als auch einen fördernden (D1-Rezeptoren) Einfluss auf Neurone des Striatum aus (. Abb. 15.8).

Verarbeitungsprinzipien

Transmitter. Wie bereits ausgeführt (7 Kap. 15.6.1), werden

Neurone im Striatum durch Glutamat (kortikale Bahnen) und Acetylcholin (Interneurone) stimuliert und durch Dopamin (Substantia nigra, pars compacta) teilweise stimuliert und teilweise gehemmt. Ihre Efferenzen wirken über GABA hemmend. Auch die Substantia nigra (pars reticularis) und der Globus pallidus (pars interna und externa) wirken über GABA hemmend, während der glutamaterge Nucleus subthalamicus aktivierend wirkt. Die GABAergen Neurone der Basalganglien schütten zusätzlich Neuropeptide, wie Substanz P und Enkephalin, aus, die modulierende Einflüsse auf die postsynaptischen Neurone ausüben. Schaltkreise. Neurone im Striatum beeinflussen den Thala-

mus auf drei Wegen: 4 Über Pars externa des Pallidum (GABA), Nucleus

subthalamicus (Glutamat) und Pars interna des Pallidum (GABA) hemmen Neurone im Striatum (GABA) die Aktivität im Thalamus. Diese Neurone werden durch Dopamin gehemmt 4 Über Pars interna des Pallidum (GABA) fördern Neurone im Striatum (GABA) die Aktivität im Thalamus. Diese Neurone werden durch Dopamin stimuliert 4 Über Pars reticularis der Substantia nigra (GABA) fördern Neurone im Striatum (GABA) die Aktivität im Thalamus. Auch diese Neurone werden durch Dopamin stimuliert Über alle drei Schaltkreise steigert Dopamin aus der Substantia nigra die Aktivität des Thalamus und fördert somit die Durchführung von Bewegungen.

357 15.6 · Basalganglien

. Abb. 15.8. Verschaltungen der Basalganglien bei intaktem Gehirn, bei Morbus Parkinson, Chorea und Hemiballismus. GABAerge (hemmende) Neurone sind blau, dopaminerge (hemmend und stimu-

15.6.3


! Ausfall der Substantia nigra führt u. a. zur Hypokinesie des Morbus Parkinson, Läsionen in Striatum, Pallidum und Nucleus subthalamicus zur Hyperkinesie

Morbus Parkinson. Eine häufige Störung der Basalganglien ist der Morbus Parkinson. Er ist Folge eines Untergangs von dopaminergen Neuronen in der Pars compacta der Substantia nigra. Damit steht der Thalamus unter einer tonischen Hemmung (7 Kap. 15.6.2) und die Patienten haben große Mühe, eine Bewegung durchzuführen (Hypokinesie,

lierend) sind grün, glutamaterge (stimulierend) rot und cholinerge (stimulierend) braun eingezeichnet. p.e. = pars externa, p.i. = pars interna, p.r. = pars reticularis, p.c. = pars compacta

Akinesie). Darüber hinaus ist der Muskeltonus gesteigert und die Muskulatur setzt jeder passiven Bewegung Widerstand entgegen (Rigor). Das Zusammentreffen von Rigor und Hypokinesie wird auch als hyperton-hypokinetisches Syndrom bezeichnet. Die tonische Kontraktion der Gesichtsmuskulatur führt zur mimischen Starre. Schließlich kommt es zu einem Tremor, der durch alternierende Innervation von Antagonisten charakterisiert ist. Er tritt hauptsächlich in Ruhe auf (Ruhetremor), verschwindet allerdings z. B. im Schlaf (7 Kap. 15.9.3). Vegetative Störungen der Patienten mit Morbus Parkinson, wie etwa gesteigerte Aktivität der Speichel- und

15

358


Talgdrüsen (Salbengesicht), sowie Veränderungen der Psyche, sind auf den Ausfall weiterer dopaminerge Verbindungen zurückzuführen. Schließlich kommt es bei Patienten mit Morbus Parkinson auch zur Verlangsamung kognitiver Leistungen (Bradyphrenie). Therapie des Morbus Parkinson. Die Symptome des Mor-

bus Parkinson können durch Zufuhr von L-Dopa, der Vorstufe von Dopamin vorübergehend gebessert werden. Dopamin selbst kann die Blut-Hirn-Schranke nicht überschreiten und ist daher wirkungslos. Acetylcholinantagonisten hemmen den stimulierenden Einfluss der cholinergen Interneurone und Glutamatantagonisten den stimulierenden Einfluss des Kortex. Beide Substanzklassen werden zur Therapie des Morbus Parkinson eingesetzt. Durch

Hemmstoffe der Monoaminoxidase kann der Abbau von Dopamin unterbunden und durch Einsatz von antioxidativ wirksamen Substanzen der Untergang von Zellen in der Substantia nigra hinausgezögert werden. Hyperkinesien. Ein Untergang von Neuronen in den Ba-

salganglien führt über den Wegfall der Hemmung des Thalamus zum Auftreten von unwillkürlichen Bewegungen. Ein Untergang von Neuronen im Striatum führt zur Chorea (groteske, verrenkende Bewegungen), ein Untergang des Nucleus subthalamicus zum Hemiballismus (plötzliche, schleudernde Bewegungen), ein Untergang von Neuronen im Pallidum zu Athetose (langsame, quälende Verkrampfungen). Der Muskeltonus zwischen den Bewegungen ist eher niedrig (hypoton-hyperkinetisches Syndrom).

In Kürze

Basalganglien Verschaltung/Informationsfluss 4 Großhirnrinde (v. a. Assoziationskortex) o (Glutamat) o Striatum n (l cholinerge Interneurone) o (GABA) o Pallidum p (Pars interna + externa), Substantia nigra p (Pars compacta + reticulata) 4 Pars externa Pallidum o (GABA) o Nucleus subthalamicus p o (Glutamat) o Pars interna Pallidum n o (GABA) o Thalamus p 4 Pars reticularis Substantia nigra (GABA) o Thalamus 4 Substantia nigra Pars compactao (Dopamin) o Striatum p(D2), n(D1) 4 Dopamin stimuliert über drei Wege die Aktivität im Thalamus (p+p=n) 4 Substantia nigra o (Dopamin) o Striatum p o (GABA) o Pars externa Pallidum p o (GABA) o Nucleus subthalamicus p o (Glutamat) o Pars interna des Pallidum n o (GABA) o Thalamus p 4 Substantia nigra o (Dopamin) o Striatum n o (GABA) o Pars interna des Pallidum p o (GABA) o Thalamus p

15

4 Substantia nigra o (Dopamin) o Striatum n o (GABA) o Pars reticularis Substantia nigra p o (GABA) o Thalamus p Störungen der Motorik 4 Morbus Parkinson o Untergang dopaminerger Neurone in Substantia nigra (Pars compacta) o Dopamin p o Thalamus p oHypokinesie, Akinesie; Muskeltonus n, Rigor n (hyperton-hypokinetisches Syndrom), mimische Starre, Ruhetremor (alternierend); zusätzlich Speichel-, Talgdrüsen-Sekretion (Salbengesicht), psychische Veränderungen, Bradyphrenie; Therapie: L-Dopa (o Dopamin), Acetylcholinantagonisten, Hemmstoffe Monoaminoxidase 4 Hyperkinesien: Neurone Basalganglien p o Thalamus n o hypoton-hyperkinetisches Syndrom (Striatum p o Chorea; Nucleus subthalamicus p o Hemiballismus; Pallidum p o Athetose

359 15.7 · Cerebellum

15.7

Cerebellum

15.7.1

Verschaltung, Informationsfluss

! Dem Kleinhirn kommt sowohl bei der Durchführung zielmotorischer Bewegungen als auch bei der Kontrolle der Stützmotorik eine entscheidende Rolle zu

Afferenzen. Seine Afferenzen erhält das Kleinhirn aus der

Peripherie (u. a. von Muskelspindeln), dem Hirnstamm und der Großhirnrinde. IntrazerebellareVerschaltung. Die Afferenzen konvergieren letztlich auf die Purkinje-Zellen (. Abb. 15.9), deren Axone die einzigen Efferenzen aus der Kleinhirnrinde darstellen (Transmitter GABA). Die Afferenzen erreichen die Kleinhirnneurone über Moosfasern und Kletterfasern (Transmitter Aspartat und Glutamat). Die Kletterfasern (vorwiegend aus der Olive) erregen direkt die Purkinje-Zellen, die Moosfasern (vorwiegend aus pontinen Kernen) erregen Körnerzellen, die über die Parallelfasern Purkinje-Zellen und hemmende Interneurone des Kleinhirns (Stern-, Korb- und Golgizellen) erregen. Die Interneurone erzielen durch rückläufige und laterale Hemmung eine Kontrastverschärfung. Über vorgelagerte Kerne (7 Kap. 15.7.2) beeinflussen die PurkinjeFasern die übrigen Elemente der Motorik. Die Purkinje-Zellen und die Kleinhirnkerne sind streng somatotopisch organisiert, die Muskulatur des Kopfes ist in den hinteren, die der Beine in den vorderen Anteilen der Kerne repräsentiert.

15.7.2

Verarbeitungsprinzipien

! Jeweils spezialisierte Anteile des Kleinhirns dienen der Erhaltung des Gleichgewichts, der Durchführung, Kontrolle und Speicherung von Zielmotorik sowie der Unterstützung der Großhirnrinde bei einigen kognitiven Leistungen

Bedeutung des Kleinhirns für Stützmotorik und Gleichgewichtserhaltung. Das Vestibulocerebellum (Lobus floc-

culonodularis, Vermis, paravermale Anteile) dient in erster Linie der Erhaltung des Gleichgewichtes. Das Vestibulocerebellum erhält u. a. Einflüsse von den Muskelspindeln der Haltemuskulatur, den Gleichgewichtsorganen und dem Auge (vom Corpus geniculatum laterale und von der primären Sehrinde). Die Efferenzen laufen über die Nuclei

. Abb. 15.9. Feinbau des Kleinhirns. Die einzigen efferenten Zellen des Kleinhirns sind die Purkinje-Zellen. Ihre Axone wirken über GABA hemmend auf Neurone in den Nuclei dentatus, nodosus, emboliformis, fastigii und vestibularis lateralis. Die Purkinje-Zellen werden über afferente Fasern aus der unteren Olive (Kletterfasern), den Raphékernen und dem Locus coeruleus, sowie von Interneuronen der Kleinhirnrinde (Korbzellen und Sternzellen) innerviert. Die Sternzellen stehen wiederum unter dem Einfluss von Körnerzellen, die von pontinen Neuronen über Moosfasern aktiviert werden. Weitere Interneurone, die Golgi-Zellen, werden von Körnerzellen und von Moosfasern innerviert und beeinflussen ihrerseits die Körnerzellen. Ansammlungen von Körner- und Purkinje-Zellen bilden die Körnerzellschicht und PurkinjeZellschicht der Kleinhirnrinde. Die Dendritenbäume der Purkinje-Zellen reichen in die Molekularschicht, in der auch die Korb- und Sternzellen zu finden sind

fastigii und vestibulares (. Abb. 15.10) zu den stützmotorischen Neuronen des Hirnstamms und den Augenmuskelkernen. Das Kleinhirn hat die Aufgabe, die genannten Afferenzen miteinander zu verrechnen. Die Länge der Nackenmuskulatur stellt dabei die Beziehung zwischen Rumpf und Kopf fest, die Aktivität der Gleichgewichtsorgane die Stellung des Kopfes zur Schwerkraft. Die Bilder auf der Netzhaut des Auges signalisieren die Beziehung des Kopfes zur Umwelt. Kenntnis dieser Informationen erlaubt die Voraussage, ob der Körper im Gleichgewicht ist. Soll bei Bewegungen des Kopfes das Bild auf der Netzhaut stehen bleiben, dann müssen die Augenmuskeln das Auge entsprechend mitbewegen. Das Kleinhirn errechnet mit Hilfe der Signale aus den Gleichgewichtsorganen und des Bewegungsapparates das jeweils erforderliche Ausmaß an Augenbewegungen. Sollte trotz entsprechender Augenbewe-

15

360


. Abb. 15.10. Verschaltungen des Kleinhirns. a: Verschaltung des Vestibulocerebellum. b: Verschaltung des Spinocerebellum, c: Verschaltung des Pontocerebellum

gung das Bild auf der Netzhaut wandern, dann entsteht der Eindruck, dass sich die Umgebung bewegt (7 Kap. 15.7.3). Die Bedeutung des Kleinhirns für die Zielmotorik. Das Spi-

15

nocerebellum (Vermis und mediale Anteile der Hemisphären) sowie das Cerebrocerebellum (Pontocerebellum, Hemisphären) stehen vorwiegend im Dienste der Zielmotorik. Dabei fällt dem Kleinhirn die Aufgabe zu, Programme zur Durchführung zielmotorischer Bewegungen bereitzustellen (Cerebrocerebellum) und die Durchführung dieser Programme zu kontrollieren (Spinocerebellum). Über pontine Kerne und die untere Olive gelangt die Bewegungsstrategie des Assoziationskortex zum Cerebrocerebellum (. Abb. 15.10). Dort werden bestimmte Programme abgerufen und über Nucleus dentatus und Thalamus dem Motorkortex zugespielt.

Efferenzkopie. Die Efferenzen vom Motorkortex zum Rückenmark geben Kollateralen ab (Efferenzkopie), welche über die untere Olive dem Spinocerebellum zugespielt werden. Das Spinocerebellum erhält ferner eine Rückmeldung von sensorischen Afferenzen aus der Peripherie. Das Spinocerebellum gibt seine Informationen über Nucleus globosus und emboliformis an Thalamus und Nucleus ruber weiter (. Abb. 15.10). Über den Thalamus wird die Großhirnrinde und über die rubrospinale Bahn die Motoneurone des Rückenmarks beeinflusst. Die Programme der Kleinhirnhemisphären lassen sich durch die Rückkopplung ständig modifizieren und perfektionieren. Damit spielen die Kleinhirnhemisphären eine entscheidende Rolle beim Erlernen motorischer Leistungen (prozedurales Lernen, 7 Kap. 20.2.3).

361 15.7 · Cerebellum

Läsionen des Vestibulocerebellum. Bei Läsionen des Vestibulocerebellum kommt es vor allem zu massiver Einschränkung des Gleichgewichts. Die Patienten leiden unter Schwindel, Übelkeit und Erbrechen. Die Augenmuskeln führen Pendelbewegungen durch (Nystagmus), die nicht durch entsprechende Kopfbewegungen begründet sind. Demnach wandert das Bild auf der Netzhaut und die Patienten haben den Eindruck, dass sich der Raum dreht. Augenfolgebewegungen sind abgehackt. Die mangelhafte Koordination der Stützmotorik führt zu torkelndem Gang, zur Rumpf- und Gangataxie (zerebellare Ataxie). Läsionen in Spinocerebellum und Cerebrocerebellum. Bei

. Abb. 15.10. Fortsetzung

Bedeutung des Kleinhirns für kognitive Leistungen. Das

Cerebrocerebellum spielt auch eine Rolle bei der Durchführung komplexer Leistungen des Nervensystems. Das linke Cerebrocerebellum unterstützt die rechte Großhirnhälfte beim visuell-räumlichen Denken, das rechte Cerebrocerebellum die linke Großhirnhälfte bei der Sprache.

15.7.3


! Läsionen des Kleinhirns beeinträchtigen in erster Linie die Erhaltung des Gleichgewichts und die präzise Durchführung von Bewegungen

Schädigung von Spino- und Cerebrocerebellum stehen vor allem Störungen der Zielmotorik im Vordergrund: 4 Der Muskeltonus ist herabgesetzt und die Gelenke sind überstreckbar 4 Bei zielgerichteten Bewegungen entsteht ein Intentionstremor: Versucht ein kleinhirngeschädigter Patient ein Glas zu ergreifen, dann zittert seine Hand umso mehr, je näher sie sich dem Glas nähert. Beim Versuch, den Blick in eine bestimmte Richtung zu lenken, tritt Nystagmus auf 4 Der Patient ist nicht in der Lage, bei Zielbewegungen die richtige Kraft einzusetzen und das richtige Ausmaß der erforderlichen Bewegung abzuschätzen (Dysmetrie) 4 Bei der Durchführung einer komplexen Bewegung ist dem Patienten nicht mehr die zeitlich richtig gestaffelte Kontraktion mehrerer Muskelgruppen möglich (Dysbzw. Asynergie) 4 Der Patient ist nicht in der Lage, eine Muskelkontraktion schnell zu stoppen, wenn der Widerstand plötzlich nachlässt (Reboundphänomen) 4 Er kann antagonistische Muskelbewegungen (z. B. Pronation und Supination) nicht schnell hintereinander ausführen (Dys- bzw. Adiadochokinese) 4 Schnell wechselnde Bewegungen bereiten ihm große Schwierigkeiten. So ist seine Sprache inadäquat laut, verwaschen, langsam, zerhackt und monoton (skandierende Sprache, Dysarthrie) 4 Das motorische Lernen ist beeinträchtigt

15

362


In Kürze

Cerebellum Verschaltung, Informationsfluss 4 Peripherie (u. a.Muskelspindeln), Hirnstamm, Großhirnrinde o Olive o Purkinje-Zellen o (GABA) o Kleinhirnkerne 4 Pontine Kerne o Moosfasern o Körnerzellen o Parallelfasern o Purkinje-Zellen, Stern-, Korb- und Golgi-Zellen (= hemmende Interneurone o rückläufige + laterale Hemmung o Kontrastverschärfung) 4 Purkinje-Zellen und Kleinhirnkerne somatotopisch organisiert Verarbeitungsprinzipien 4 Muskelspindeln Haltemuskulatur, Gleichgewichtsorgan, Auge o Vestibulocerebellum (Lobus flocculonodularis, Vermis, paravermale Anteile) o Nuclei fastigii und vestibulares o Gleichgewicht 4 Assoziationskortex o pontine Kerne o Cerebrocerebellum (Pontocerebellum, Hemisphären [Bewegungsprogramme]), o Nucleus dentatus o Thalamus o Motorkortex o Zielmotorik

15.8

Integrale motorische Funktionen des Zentralnervensystems

15.8.1

Laufen und Gehen

4 Peripherie, Motorkortex o untere Olive o Spinocerebellum (Vermis und mediale Anteile der Hemisphären [Durchführungskontrolle]) o nucleus globosus und emboliformis o Thalamus (o Großhirnrinde), Nucleus ruber (o rubrospinale Bahn o Motoneurone Rückenmark) o prozedurales Lernen 4 Cerebellare kognitive Leistungen. Unterstützung visuell-räumlichen Denkens, Sprache Störungen der Motorik 4 Läsionen Vestibulocerebellum o Gleichgewichtsstörungen (Schwindel, Übelkeit, Erbrechen), Nystagmus, torkelnder Gang, Rumpf- und Gangataxie (zerebellare Ataxie). 4 Läsionen Spinocerebellum und Cerebrocerebellum o Muskeltonus p, Gelenke überstreckbar, Intentionstremor, Dysmetrie, Dys- , Asynergie, Reboundphänomen, Dys-, Adiadochokinese, skandierende Sprache, Dysarthrie, motorisches Lernen p (Beeinträchtigung der Zielmotorik)

Stehen), der abgetrennte Anteil des Rückenmarks kann jedoch keine Gehbewegungen mehr auslösen.

15.8.2 ! Rückenmarksautomatismen unterstützen Gehbewegungen. Ohne deszendierende Bahnen aus dem Kortex ist beim Menschen jedoch Gehen nicht möglich

15

Rückenmarksautomatismen. Über Ketten von Interneuronen und propriospinale Bahnen sind die verschiedenen Segmente des Rückenmarks miteinander verbunden. Spinale Neuronenverbände sind beim Tier sogar in der Lage, einfache koordinierte Bewegungen aller vier Extremitäten durchzuführen, wie etwa einfache Gehbewegungen (Rückenmarksautomatismen). Beim neugeborenen Menschen können solche Gehbewegungen noch durch Berührung der Fußsohle ausgelöst werden. Die Rückenmarksautomatismen unterstützen auch beim Erwachsenen die Durchführung von Bewegungen. Nach Durchtrennung des Rückenmarks (Querschnittsläsion) ist zwar noch kurzfristiges Stehen möglich (spinales

Stehen und Gleichgewicht

! Gleichgewichtserhaltung erfordert die Verrechnung von Propriozeption mit Afferenzen aus dem Gleichgewichtsorgan

Gleichgewicht. Zur Erhaltung des Gleichgewichtes werden Afferenzen aus Gleichgewichtsorgan, Muskelspindeln und Sehnenorganen (Propiozeption) verrechnet, wie an anderer Stelle ausgeführt wird (7 Kap. 15.7.2, 7 Kap. 18.6.3). Die Verrechnung geschieht in erster Linie im Kleinhirn (7 Kap. 15.7.2). Muskeltonus. Stehen und Erhalten des Gleichgewichts erfordern eine hinreichende Muskelspannung der Antigravitätsmuskulatur (7 Kap. 15.5.2), die eine Dehnung der Muskeln verhindert. Der Muskeltonus ist bei Schädigung der Substatia nigra gesteigert (7 Kap. 15.6.3), bei Schädigung

363 15.8 · Integrale motorische Funktionen des Zentralnervensystems

von Basalganglien (7 Kap. 15.6.3) und des Kleinhirns (7 Kap. 15.7.3) herabgesetzt.

ern, führen zum Verlust erlernter Fertigkeiten (Apraxie), wie etwa das Binden von Schnürsenkeln.

Reaktionen auf Änderungen von Lage und Beschleunigungskräften. Stützmotorik bedeutet nicht nur die stati-

15.8.5

sche Erhaltung des Gleichgewichtes, sondern auch die Anpassung von Körperstellung und Muskeltonus an Änderungen von Körperlage und Beschleunigungskräften. Bei Seitwärtsbeschleunigung der Standfläche wird automatisch das Gewicht auf die Gegenseite verlagert, bei Beschleunigung nach oben (Liftreaktion) werden die Extensoren, bei Beschleunigung nach unten die Flexoren aktiviert.

15.8.3

Ergreifen eines Gegenstandes

! Feinmotorische Bewegungen der Finger erfordern monosynaptische Innervation von beteiligten α-Motoneuronen durch den Motorkortex

Beteiligte Strukturen. Die Feinmotorik der Finger, die für das präzise Ergreifen von Gegenständen erforderlich ist, wird bei höheren Affen und beim Menschen durch monosynaptische Verbindungen zwischen Pyramidenzellen des Motorkortex und den α-Motoneuronen (Kortikomotoneuronales [CM] System der Pyramidenbahn) kontrolliert (7 Kap. 15.3.2). Bewegungsprogramme und Bewegungskontrolle sind Aufgaben vor allem des Kleinhirns. Folge von Läsionen. Äußerst seltene isolierte Läsionen des

CM-Systems beeinträchtigen die Fingerfertigkeit. Kleinhirnläsionen behindern das Ergreifen von Gegenständen durch Auftreten von Intentionstremor (7 Kap. 15.7.3).

15.8.4

Sprache

! Sprache erfordert die Beteiligung von entsprechenden sensorischen und motorischen Assoziationskortex-Arealen

Die Sprache ist eine komplexe motorische Leistung, zu der Phonation und Artikulation erforderlich sind, wie an anderer Stelle ausgeführt wird (7 Kap. 18.5.1). Für das Sprechen sind u. a. Neurone des motorischen (Broca) und sensorischen (Wernicke) Sprachzentrums erforderlich (7 Kap. 18.5.1). Sprachstörungen (Aphasie) treten bei Läsionen im motorischen Sprachzentrum, dem sensorischen Sprachzentrum, und/oder der Verbindung von sensorischem und motorischem Sprachzentrum auf (7 Kap. 18.5.3). Ferner können Läsionen im Temporallappen, im vorderen unteren Frontallappen, im parietalen-temporalen Assoziationskortex oder im Bereich der Basalganglien, des Thalamus und des Kleinhirns zu charakteristischen Störungen der Sprache führen (7 Kap. 18.5.3). In Kürze

Integrale motorische Funktionen des Zentralnervensystems Laufen und Gehen 4 Interneurone und propriospinale Bahnen o spinale Neuronenverbände o Rückenmarksautomatismen o Unterstützung bei Durchführung von Bewegungen 4 Querschnittsläsion: kurzfristiges Stehen (spinales Stehen), jedoch keine Gehbewegungen

Motorisches Lernen

! Motorisches Lernen ist eine Leistung von Cerebrocerebellum und Assoziationskortex

Beteiligte Strukturen. Motorisches Lernen erfordert die Schaffung entsprechender Bewegungsprogramme vor allem im Cerebrocerebellum (7 Kap. 15.7.3). Bei komplexen motorischen Leistungen sind entsprechende Bereiche des Assoziationskortex erforderlich. Apraxie. Läsionen in assoziativen motorischen Arealen (prämotorischer Kortex), die komplexe Handlungen steu-

Stehen und Gleichgewicht 4 Schädigung Substantia nigra o Muskeltonus n, Schädigung Basalganglien, Kleinhirn o Muskeltonus p 4 Stützmotorik o Gleichgewichterhaltung + Anpassung Körperstellung und Muskeltonus an Änderungen von Körperlage und Beschleunigungskräften: Seitwärtsbeschleunigung o Gewicht auf Gegenseite; Beschleunigung nach oben (Liftreaktion) o Extensoren n, Beschleunigung nach unten o Flexoren p 6

15

364


Ergreifen eines Gegenstandes 4 Assoziationskortex, Supplementärmotorischer Kortex, Kleinhirn o Monosynaptisch Pyramidenzellen Motorkortex zu α-Motoneuronen (Kortikomotoneuronales [CM] System) o Feinmotorik Finger Motorisches Lernen 4 Cerebrocerebellum, Assoziationskortex o Motorisches Lernen; Läsionen o Verlust erlernter Fertigkeiten (Apraxie) Sprache 4 7 Kap. 18.5.1, 7 Kap. 18.5.3

15.9


15.9.3

15.9.1

Muskeltonus

! Tremor sind unwillkürliche oszillierende Bewegungen variabler Amplitude und Frequenz

! Der Muskeltonus ist u. a.bei Läsionen des Kleinhirns, der Basalganglien und der Substantia nigra gestört. Dabei werden Körperhaltung und die Durchführung von Zielbewegungen beeinträchtigt

Muskuläre Hypertonie. Der Muskeltonus ist bei Morbus Parkinson massiv gesteigert, wie an anderer Stelle ausgeführt wird (Rigor, 7 Kap. 15.6.3). Muskuläre Hypotonie. Bei Läsionen des Kleinhirns (7 Kap. 15.7.3) und der Basalganglien (7 Kap. 15.6.3) kommt es zu einer Abnahme des Muskeltonus, wie an anderer Stelle ausgeführt wird.

15.9.2

Spastik

! Spastik tritt bei Ausfall deszendierender Bahnen auf

15

Die Muskelspindeln reagieren jedoch überwiegend phasisch, d. h. bei langsamer oder anhaltender Dehnung lässt die Erregung wieder nach. Damit gewinnt der Einfluss der Sehnenorgane das Übergewicht. Bei Dehnung hemmen die Sehnenorgane die Muskelkontraktion. Unter anderem durch ihren Einfluss gibt der Muskel bei langsamer bzw. langanhaltender Dehnung nach (Taschenmesserphänomen). Das Überwiegen der Extensoren führt bei Bestreichen der Fußsohle zur Dorsalflexion, anstatt der beim Gesunden üblichen Plantarflexion. Dieses sog. Babinski-Zeichen, ist beim Neugeborenen normal, beim Erwachsenen wird es als Hinweis auf eine Pyramidenbahnläsion gewertet. Tatsächlich sind Spastik und das Babinski-Zeichen Folge einer Läsion mehrerer kortikofugaler Bahnen inklusive der Pyramidenbahn.

Spastik. Die Aktivität der α-Motoneurone steht nach Ausfall deszendierender Bahnen vor allem unter dem Einfluss der Muskelspindeln und Sehnenorgane. Dehnung der Muskelspindeln stimuliert über einen monosynaptischen Reflexbogen die α-Motoneurone des gleichen Muskels, der gesteigerte Einfluss der Muskelspindeln äußert sich somit in einer massiven Kontraktion bei Dehnung (Spastik).

Tremor

Ruhetremor des Morbus Parkinson. Beim Morbus Parkinson tritt häufig ein Tremor von etwa 4–6 Hertz auf, der meist zunächst einseitig in den Händen beginnt und sich dann proximal und auf die andere Körperseite ausbreitet. Er ist auf alternierende Erregungen von Agonisten (z. B. Pronatoren) und Antagonisten (Supinatoren) zurückzuführen. Typisch sind Fingerbewegungen, die an Münzenzählen oder Pillendrehen erinnern. Der Tremor tritt vorwiegend bei Ruhe auf, verschwindet allerdings z. B. im Schlaf. Intentionstremor bei Kleinhirnläsionen. Zu den typischen

Störungen bei Läsionen des Kleinhirns zählt ein Tremor von etwa 3–8 Hertz, der v. a. bei Zielbewegungen auftritt. Er wird ebenfalls durch alternierende Erregung von Agonisten und Antagonisten hervorgerufen. Dabei wird die Amplitude mit zunehmender Näherung an das Zielobjekt immer größer. Ein langsam alternierender Tremor von etwa 1–4 Hertz tritt bei Läsionen des Nucleus ruber (7 Kap. 15.5.2) und bei Athetose (7 Kap. 15.6.3) auf. Halte- und Aktionstremor. Im Alter tritt häufig ein Tremor von etwa 5–8 Hertz auf, der durch gleichzeitige Aktivierung von Agonisten und Antagonisten hervorgerufen wird. Angst Müdigkeit, Alkohol, Stress, (Aktivierung von adrenergen β-Rezeptoren 7 Kap. 14.2.2, Glukokortikoide

365 15.9 · Störungen der Motorik

7 Kap. 10.3.4), Hyperthyreose (7 Kap. 10.3.2) und eine Viel-

Rückenmarksdurchtrennung. Hier kommt es zunächst zu

zahl von Pharmaka begünstigen das Auftreten von Tremor. Tritt ein Tremor ohne erkennbare Ursache auf, dann spricht man von essentiellem Tremor. Er hat meist eine Frequenz von 6–12 Hertz. Er tritt familiär gehäuft auf, was eine genetische Ursache nahe legt.

einem spinalen Schock der abgetrennten Neurone. Die Aktivität der α-Motoneurone erlischt, Reflexe (motorische oder vegetative) sind nicht auslösbar. Erst nach etwa vier bis sechs Wochen bilden sich wieder Reflexe aus. Diese Reflexe werden dann in den folgenden Wochen bis Monaten stärker und es entwickelt sich schließlich eine Hyperreflexie der Beugemuskulatur. Diese Entwicklung ist zum Teil Folge einer Neubildung von Synapsen zwischen spinalen Neuronen, welche die Synapsen mit deszendierenden Bahnen ersetzen. Die Aktivität eines α-Motoneurons wird damit zunehmend von Einflüssen aus dem Rückenmark und der Peripherie diktiert.

15.9.4

Querschnittsverletzung des Rückenmarks

! Rückenmarksdurchtrennung führt primär zum spinalen Schock, später entwickelt sich Hyperreflexie

In Kürze

Störungen der Motorik Muskeltonus 4 Morbus Parkinson o Muskeltonus n; Läsionen Kleinhirn, Basalganglien o Muskeltonus p Spastik 4 Ausfall deszendierender Bahnen o Einfluss Muskelspindeln, Sehnenorgane auf α-Motoneurone nn o Dehnung o Muskelspindeln no Kontraktion nn (Spastik) o (Adaptation phasischer Muskelspindeln), Sehnenorgane n o Kontraktion p (Taschenmesserphänomen) 4 Ausfallen deszendierender kortikaler Bahnen o Extensoren n o Bestreichen Fußsohle o Dorsalflexion (Babinski-Zeichen)

Tremor 4 Morbus Parkinson o Ruhetremor (4–6 Hertz, alternierend, Hände o proximal und auf andere Körperseite) 4 Kleinhirnläsionen o Intentionstremor (3–8 Hertz, alternierend, v. a. bei Zielbewegungen) 4 Läsionen nucleus ruber oder bei Athetose o grober Tremor (1–4 Hertz, alternierend) 4 Alter, Angst, Müdigkeit, Alkohol, Streß, Glukokortikoide, Hyperthyreose o Halte-, Aktionstremor (5–8 Hertz, gleichzeitige Aktivierung Agonisten und Antagonisten) 4 Genetischer Defekt o essentieller Tremor (6–12 Hertz) Querschnittsverletzung des Rückenmarks 4 Rückenmarksdurchtrennung o spinaler Schock o Areflexie o nach etwa vier bis sechs Wochen Neubildung von Synapsen zwischen spinalen Neuronen o Reflexe o Wochen bis Monate o Hyperreflexie Beugemuskulatur

15

16

16 Somatoviszerale Sensorik 16.1

Funktionelle und morphologische Grundlagen – 368

16.1.1 16.1.2 16.1.3

Einteilung, Modalitäten und Qualitäten – 368 Rezeptive Strukturen – 368 Afferente und zentrale Strukturen – 370

16.2

Tastsinn

16.2.1 16.2.2 16.2.3 16.2.4

Qualitäten – 375 Eigenschaften der Rezeptoren – 375 Funktionelle Organisation – 376 Besonderheiten des Tastsinnes der Hand

16.3

Temperatursinn – 377

16.3.1 16.3.2

Warm-/Kaltsensoren, afferente Bahnen und zentralnervöse Projektionen – 377 Funktionelle Organisation des Warm/Kaltsinnes – 378

16.4

Tiefensensibilität

16.4.1 16.4.2

Funktionelle Organisation – 379 Biologische Bedeutung der Tiefensensibilität

16.5

Viszerale Sensorik

16.5.1 16.5.2 16.5.3

Periphere und zentrale Sensoren – 380 Viszerale Sensibilität – 380 Viszerale Reflexe – 381

16.6

Nozizeption

16.6.1 16.6.2 16.6.3 16.6.4 16.6.5

Nozizeptorerregung – 381 Nervenläsionen – 382 Spinale Organisation der Nozizeption – 382 Supraspinale Organisation von Nozizeption und Schmerz – 383 Endogene Schmerzhemmung – 383

16.7

Störungen der somatoviszeralen Sensibilität – 385

16.7.1 16.7.2

Periphere Störungen – 385 Zentrale Störungen – 385

– 375

– 376

– 379 – 379

– 380

– 381

368

Kapitel 16 · Somatoviszerale Sensorik

> > Einleitung

16.1.2

Mechanische, thermische und chemische Reize werden von Rezeptoren in der Haut (Oberflächensensibilität), dem Bewegungsapparat (Tiefensensibilität) und den Organen (viszerale Sensibilität) in Potenzialänderungen übersetzt. Dabei vermittelt der Bau des Rezeptors und die Ausstattung seiner Zellmembran mit bestimmten Ionenkanälen Spezifität und weitere Eigenschaften (z. B. Empfindlichkeit, Adaptation) des Rezeptors.

! Die Eigenschaften von Rezeptoren sind u. a. eine Funktion der Rezeptorstruktur

16.1

Funktionelle und morphologische Grundlagen

16.1.1

Einteilung, Modalitäten und Qualitäten

! In einer ersten Einteilung lassen sich Mechanorezeptoren, Thermorezeptoren, Chemorezeptoren und Nozizeptoren unterscheiden. In der Haut bilden Tastsinn, Temperatursinn und Schmerz die Oberflächensensibilität

Sinnesmodalitäten. Das somatosensorische System vermittelt Informationen von der Hautoberfläche (Hautsensibilität bzw. Oberflächensensibilität), vom Bewegungsapparat (Propriozeption) und von den Eingeweiden (viszerale Sensibilität). Jeweils spezialisierte Rezeptoren vermitteln dabei Mechanorezeption, Thermorezeption, Chemorezeption und Nozizeption (Schmerz). Juckreiz entsteht wahrscheinlich durch Reizung von Nozizeptoren.

Rezeptive Strukturen

Primäre und sekundäre Rezeptorzellen. Reize aktivieren

an Nervenendigungen Kationenkanäle und führen so zur Depolarisation. Bei Erreichen der Schwelle für spannungsabhängige Na+-Kanäle bilden sich weitergeleitete Aktionspotenziale aus (7 Kap. 12.1.1). Primäre Rezeptorzellen leiten die Erregung selbst in Richtung des zentralen Nervensystems. Sekundäre Rezeptorzellen schütten bei Depolarisation einen Transmitter aus, der eine folgende Nervenendigung erregt (7 Kap. 14.4.1). Rezeptorstrukturen. Welche Reize in besonderem Maße die Erregung eines Rezeptors auslösen können, hängt im Wesentlichen vom Bau des Rezeptors ab. Der Tastsinn, beispielsweise, wird durch jeweils spezialisierte Strukturen (Hilfszellen) vermittelt, welche die Nervenendigungen umgeben und wie Filter nur einen Teil der mechanischen Deformierungen übertragen (. Abb. 16.1 und . Tab. 16.1). Durch diese Strukturen und die Eigenschaften der jeweiligen Nervenendigungen wird die Selektivität der »Rezeptoren« für bestimmte mechanische Reize erzielt (7 Kap. 16.2.2).

Submodalitäten und Qualitäten der Hautsensorik. Die Re-

zeptoren auf der Hautoberfläche informieren über die Qualitäten Berührung, Druck und Vibration (Tastsinn), über Wärme und Kälte (Temperatursinn und Thermorezeption) sowie über schädliche Reize (Nozizeption, Juckreiz). Qualitäten der Propriozeption. Rezeptoren der Proprio-

zeption informieren über Lage, Bewegung und Kraft im Bewegungapparat.

16

Qualitäten der viszeralen Sensibilität. Rezeptoren der Viszerozeption informieren über Dehnung von Hohlorganen und Gefäßen, über Konzentrationen von CO2, O2, H+, K+, Ca2+ und Glukose, über Osmolarität und über schädliche Reize.

. Abb. 16.1. Rezeptoren in der Haut

369 16.1 · Funktionelle und morphologische Grundlagen

. Tab. 16.1. Somatosensorische Rezeptoren Rezeptor

wichtigster Reiz

Adaptation

Nerv

Weiterleitung

Druck (fein)

SA I

II

lemniscal

Ruffini

Scherkräfte, Druck

SA II

II

lemniscal

Meissner

Vibration (niederfrequent)

FA I

II

lemniscal

Pacini

Vibration (hochfrequent)

FA II

II

lemniscal

Haarfollikel

Haarbewegungen

FA I

II

lemniscal

freie Nervenendigungen

Druck (grob)

Schnell

III

extralemniscal


Kälte (15–35 °C)

Mittel

III, IV

extralemniscal


Wärme (30 – 45 °C)

Mittel

IV

extralemniscal

starke mechanische, thermische Reize, H+, K+

langsam

III

lemniscal

Mediatoren, etc

langsam

IV

extralemniscal

Gelenkrezeptoren

Gelenkkapseldehnung

FA und SA

II,III

lemniscal

Golgi-Sehnenorgane

Muskelspannung

langsam,PD

Ib

lemniscal

Muskelspindeln Kernsack

Muskellänge

langsam,PD

Ia

lemniscal

Muskelspindeln Kernketten

Muskellänge

langsam

Ia,II

lemniscal

Mechanorezeptoren Haut Merkel

Thermorezeptoren Haut

Schmerzrezeptoren (Haut, Tiefe, viszeral) freie Nervenendigungen

Tiefensensibilität

Viszerale Sensibilität Mechanorezeptoren

Wandspannung von Hohlorganen

FA und SA

III,IV

extralemniscal

Chemorezeptoren

H+, CO2, O2, K+, Osmolarität, Glukose, Mediatoren

SA

III,IV

extralemniscal

SA I = langsam (slow) adaptierend, kleines, scharf begrenztes rezeptives Feld, SA II = langsam adaptierend, großes, unscharf begrenztes rezeptives Feld, FA I = schnell (fast) adaptierend, kleines, scharf begrenztes rezeptives Feld, FA II = schnell adaptierend, großes, unscharf begrenztes rezeptives Feld, PD = Proportionaldifferentialfühler

Die Sehnenorgane sind in die Sehnen eingebaute Dehnungsrezeptoren, die durch Spannen der Sehne gereizt werden. Die Muskelspindeln sind spezialisierte Muskelfasern, die Dehnungsrezeptoren enthalten und die Muskellänge messen (7 Kap. 15.4.3). Durch efferente Innervierung können kontraktile Elemente in den Muskelspindeln verkürzt und damit die Muskellänge verstellt werden, bei welcher die Muskelspindel erregt wird. Rezeptorpotenzial. Das Potenzial von Rezeptoren bzw. Nervenendigungen ändert sich, wenn ein äußerer Reiz (chemisch, thermisch, mechanisch, optisch) zu einer Aktivierung oder Inaktivierung eines Ionenkanals führt. Je nach Rezeptor sind die zellulären Mechanismen der Regulation sensorischer Ionenkanäle ganz verschieden. Das Er-

gebnis ist meist eine Depolarisation der Zelle. Bei den Photorezeptoren kommt es hingegen bei Lichteinfall zu einer Hyperpolarisation (7 Kap. 17.2.2). Eine Depolarisation wird in der Regel durch die Aktivierung von unspezifischen Kationenkanälen hervorgerufen, durch die Na+, seinem steilen elektrochemischen Gefälle folgend, in die Zelle strömt. Der Einstrom von Na+ erzeugt einen Generatorstrom, der die Zelle depolarisiert (Rezeptorpotenzial). Die Umwandlung eines äußeren Reizes (z. B. mechanischer Reiz) in eine Potenzialänderung (Generatorpotenzial oder Sensorpotenzial) der Rezeptorzelle nennt man Transduktion. Ein überschwelliges Generatorpotenzial erzeugt eine Sequenz von Aktionspotenzialen. Die Übersetzung eines Generatorpotenzials in eine Folge von Aktionspotenzialen nennt man Transformation.

16

370


Einfluss der Reizstärke. Die Intensität des Reizes bestimmt die Amplitude der Depolarisation. Führt etwa ein mechanischer Reiz zur Aktivierung von mechanosensitiven Ionenkanälen, dann werden umso mehr Ionenkanäle geöffnet, je stärker der mechanische Reiz ist. Folglich fällt die Depolarisation des Rezeptors umso stärker aus, je größer der Reiz ist. Bei Depolarisation durch Bindung eines Stoffes (Liganden) nimmt das Ausmaß der Depolarisation mit der Konzentration des Liganden zu. Die Empfindung ist jedoch keine reine Abbildung des Rezeptorpotenzials, sondern auch eine Funktion der Reizweiterleitung und -verarbeitung im Nervensystem. Psychophysik. Je empfindlicher ein Rezeptor ist, desto kleiner ist die Reizintensität, die gerade noch ausreicht, um eine Empfindung auszulösen (Reizschwelle, IRo). Zwei Reize verschiedener Intensität können bei der Unterschiedsschwelle gerade noch als unterschiedlich stark empfunden werden. Die Empfindung (E) nimmt in der Regel nicht linear-proportional mit der Intensität (IR) eines Reizes zu, sondern ist im mittleren Bereich in etwa eine Funktion des Logarithmus der Reizstärke (E = log(IR/IRo), Weber-Fechner-Gesetz). Der Unterschied an Lärmempfindung ist zum Beispiel zwischen einem und zwei Motorrädern genauso groß wie zwischen zwei und vier Motorrädern. Über einen weiten Bereich gilt die Stevens-Potenzfunktion:

E = (IR-IRo)n wobei n in Abhängigkeit von der Reizart Werte zwischen 0,33 und 3,5 annehmen kann. Der Wert ist am größten (d. h. die Zunahme der Empfindungsstärke am steilsten) für Schmerz, gefolgt von Druck, Vibration, Lautstärke (Gehör) und Helligkeit (Auge). Einfluss der Reizmodalität. Die Rezeptoren sind nicht ge-

16

genüber verschiedenen mechanischen, thermischen, chemischen oder optischen Reizen gleichermaßen empfindlich, sondern sind in der Regel auf bestimmte Reize spezialisiert. Diese Reize nennt man die adäquaten Reize für den jeweiligen Rezeptor. Die Spezifität der Rezeptoren ist Voraussetzung für die Unterscheidung verschiedener Sinnesmodalitäten (. Tab. 16.1). Der Rezeptor ist zwar durchaus in der Lage, auch auf inadäquate Reize zu reagieren, die Reizintensität muss jedoch vielfach höher sein als bei Angebot eines adäquaten Reizes. Jeder weiß, dass ein Schlag auf das Auge zu Lichtempfindungen (man sieht Sterne) führt, das Auge kann aber mit seiner Empfindlichkeit auf

mechanische Reize mit Mechanorezeptoren nicht konkurrieren. Wird ein Rezeptor jedoch inadäquat gereizt, so ist der Reiz für das Nervensystem von einem adäquaten Reiz nicht mehr zu unterscheiden. Die Sterne bei einem Schlag auf das Auge gleichen daher echten Sternen. Die Spezifität eines Reizes kann im übrigen durch Strukturen unterstützt (oder erst ermöglicht) werden, die den entsprechenden Reiz an den richtigen Rezeptor leiten (Auge, Ohr). Zeitliches und räumliches Auflösungsvermögen. Neben

der Sinnesmodalität und Intensität eines Reizes erhält das Nervensystem auch Informationen über sein zeitliches Auftreten und bei gleichzeitiger Erregung mehrerer Rezeptoren auch über seine räumliche Ausbreitung. Zeitliches und räumliches Auflösungsvermögen sind wesentliche Voraussetzungen für die adäquate Bewertung eines Reizes. Adaptation. Rezeptoren können bei anhaltender Reizung

ihre Empfindlichkeit herabsetzen (7 Kap. 12.6.3). Rezeptoren können nur auf Änderungen der Reizintensität (Differentialfühler), proportional zur Reizstärke (Proportionalfühler) oder auf beides (Proportional-Differentialfühler bzw. PD-Fühler) reagieren (7 Kap. 12.6.3).

16.1.3

Afferente und zentrale Strukturen

! Die Afferenzen erreichen über unterschiedlich schnell leitende Fasern das Rückenmark und werden über Hinterstrang –oder Vorderseitenstrangbahnen zum Thalamus und von dort zur Großhirnrinde weitergeleitet

Verteilung und Afferenzen von Sensortypen. Die Afferen-

zen aus den verschiedenen Sensortypen werden in unterschiedlich schnell leitenden Nervenfasern zum Rückenmark geleitet (. Tab. 16.1). Afferenzen von Mechanorezeptoren der Haut (Berührung, Druck, Vibration) leiten über relativ schnell leitende II (Aβ) Fasern und langsam leitende III (Aδ) und IV (C) Fasern, Afferenzen von Thermorezeptoren über langsam leitende III (Aδ) und IV (C) Fasern, Afferenzen aus Nozizeptoren über langsam leitende III (Aδ) und IV (C) Fasern, Afferenzen aus Propriozeptoren über schnell leitende Ia, Ib und II Fasern und Viszerozeptoren über langsam leitende III (Aδ) und IV (C) Fasern. Am zentralen Ende des Axons löst ein Aktionspotenzial über Aktivierung von spannungsgesteuerten Ca2+-Kanälen den Neurotransmitter Glutamat und die Neuropeptide Substanz P und CGRP (Calcitonin generelated peptide) aus.


Präsynaptische Hemmung der Weiterleitung. Die Afferenzen stehen unter dem hemmenden Einfluss von GABA, Serotonin, Noradrenalin, endogenen Opioiden und endogenen Cannabinoiden aus deszendierenden und lokalen Fasern. Weiterleitung von Afferenzen. Die Afferenzen aus Mecha-

norezeptoren der Haut und aus Rezeptoren der Tiefensensibilität treten im medialen Teil, die übrigen Afferenzen im lateralen Teil der Hinterwurzel in das Rückenmark ein (. Abb. 16.2). Die Afferenzen dienen teilweise der synaptischen Aktivierung oder Hemmung von α-Motoneuronen und vegetativen Neuronen im Rückenmark. Andererseits leiten Kollateralen der Afferenzen über Hinterstrangbahnen oder Vorderseitenstrangbahnen die Information zu Hirnstamm, Thalamus und Großhirnrinde. Informationen über den Bewegungsapparat werden ferner über spinocerebelläre Bahnen zum Kleinhirn weitergeleitet (. Abb. 16.2).

Hinterstrangbahn (lemniscale Bahn). Afferenzen aus Me-

chanorezeptoren der Haut und von Propriozeptoren werden z. T. ohne Umschaltung über die Hinterstrangbahnen der gleichen Seite zu den Nuclei cuneatus und gracilis in der Medulla oblongata weitergeleitet. Die Axone der Neurone dieser Kerne kreuzen im Lemniscus medialis der Medulla oblongata zur Gegenseite und ziehen dann zum ventrobasalen Komplex des Thalamus. Von dort wird die Erregung zum somatosensorischen Kortex im Gyrus postcentralis (Areae 1, 2, 3) weitergeleitet. Viele der Neurone in den Nuclei gracilis und cuneatus sowie im Thalamus werden bereits durch eine einzige Afferenz erregt (sog. Relaiskerne), es findet also sehr wenig Konvergenz statt und die Afferenzen werden weitgehend unverfälscht weitergegeben. Durch kollaterale Hemmung wird freilich eine Kontrastierung erreicht. Die Afferenzen sind im Verlauf der Hinterstrangbahn streng somatotopisch gegliedert. Afferenzen aus der unteren Körperhälfte liegen in der Hinterstrangbahn medial und projizieren zum Nucleus gracilis, Afferenzen aus der oberen Körperhälfte liegen lateral und projizieren zum Nucleus cuneatus. Ein kleiner Teil der Mechanorezeption (Haarfollikelrezeptoren) wird über den spinozervikalen Trakt weitergeleitet, der im Halsmark umgeschaltet wird und sich dann der lemniscalen Bahn anschließt. Vorderseitenstrangbahn (Tractus spinoreticularis und Tractus spinothalamicus). Afferenzen aus einem Teil der

. Abb. 16.2. Somatosensorische Bahnen. Verlauf der spinozerebellären Bahnen und Hinterstrangbahnen (links), sowie der Vorderseitenstrangbahnen (rechts)

Mechanorezeptoren, Temperaturfühlern und Nozizeptoren steigen ohne Umschaltung über den Lissauer Trakt ein bis zwei Rückenmarksegmente auf oder ab und werden dann im Hinterhorn umgeschaltet (. Abb. 16.2). Die Axone der zweiten Neurone kreuzen auf die Gegenseite und ziehen dann über den Vorderseitenstrang nach oben. Ein Teil des Vorderseitenstrangs schließt sich in der Medulla oblongata der lemniscalen Bahn an und projiziert teilweise zum ventrobasalen Komplex, teilweise zum posterioren Kern des Thalamus (Mechanorezeption, heller Schmerz). Die neospinothalamische Bahn vermittelt die Weiterleitung des hellen Schmerzes und der lokalisierten Temperaturwahrnehmung. Die übrigen Afferenzen werden über die paläospinothalamische Bahn und die spinoretikuläre Bahn weitergeleitet. Durch mehrfache Umschaltung, Konvergenz und Divergenz in spinoretikulärer und z. T. in spinothalamischer Bahn geht die zeitliche und räumliche Schärfe der Afferenzen verloren, die Afferenzen der Thermorezeptoren können daher schlecht lokalisiert werden. Durch Verbin-

16

372


dungen zu Formatio reticularis, Hypothalamus (Tractus spinohypothalamicus) und limbischem System üben sie jedoch einen besonders intensiven Einfluss auf Motorik, vegetative Funktionen und Emotionen aus. Thalamus. Der Thalamus ist die wichtigste Umschaltstelle zwischen subkortikalen Strukturen und der Großhirnrinde. Er wird als »Tor zum Bewusstsein« bezeichnet. Außer dem Geruchsinn werden alle sensorischen Afferenzen in jeweils spezifischen Kerngebieten des Thalamus umgeschalten (. Tab. 16.2 und . Abb. 16.3). Darüber hinaus ist der Thalamus wichtigste Umschaltstelle zwischen verschiedenen Anteilen der Großhirnrinde. Die spezifischen thalamokortikalen Systeme dienen jeweils spezifischen Leistungen. Die spezifischen somatosensorischen Afferenzen aus der lemniscalen Bahn werden im ventrobasalen Komplex (Nucleus ventralis posterior) umgeschalten, die Afferenzen aus dem Auge im Corpus geniculatum laterale und die Afferenzen aus dem Ohr im Corpus geniculatum mediale. Diese spezifischen Bahnen sind jeweils somatotopisch fein gegliedert und vermitteln ein getreues Abbild der Sinneseindrücke. Sie projizieren hauptsächlich in die jeweils spezifischen Kortexareale, wie primärer somatosensorischer Kortex, primäre Sehrinde und primäre Hörrinde. Die Nuclei ventralis anterior und ventralis lateralis dienen der Durchführung von Zielmotorik (7 Kap. 15.1). Der Pulvinar thalami ist wichtige Um-

. Abb. 16.3. Die Kerne des Thalamus und ihre Verbindungen (. Tab. 16.2). A = Nucleus anterior, CM = Centrum medianum, DM und DL = Nucleus dorsomedialis und dorsolateralis, GM und GL = Geniculatum mediale und laterale, IL = intralaminare Kerne, LP = Nucleus lateralis posterior, Pu = Pulvinar, VA und VL = Nuclei ventroanterioris und ventrolateralis, VPM und VPL = Nuclei ventroposterior medialis und lateralis (nach Kelly aus Kandel et al.)

. Tab. 16.2. Die wichtigsten Kernareale im Thalamus und ihre Verbindungen

16

Kerne

Afferenzen

Projektionen

Funktion

Nucleus ventralis anterior

Basalganglien

Motorkortex

Motorik

Nucleus ventralis lateralis

Kleinhirn

Motorkortex

Motorik

Nucleus ventroposterior medialis

Somatosensorischer Kortex

Trigeminuskerne

Somatosensorik Gesicht

Nucleus ventroposterior lateralis

Lemniscus medialis

Somatosensorischer Kortex

Somatosensorik Körper

Corpus geniculatum laterale

Nervus opticus

Sehrinde

Gesichtsinn

Corpus geniculatum mediale

untere Vierhügel

Hörrinde

Gehör

Pulvinar, Nucleus lateralis posterior

obere Vierhügel, temporale, parietale occipitale Rinde

temporale, parietale, occipitale Rinde

Integration sensorischer Information

Nucleus anterior

Corpora mammillaria

Gyrus cinguli

Emotionen

Nucleus dorsomedialis

Corpora amygdaloidea, Hypothalamus

präfrontale Rinde

Emotionen

Nucleus dorsolateralis

Gyrus cinguli

Gyrus cinguli

Emotionen

Centrum medianum,

Formatio reticularis

Basalganglien,

Emotionen, Vigilanz,

intralaminare Kerne etc.

Tractus spinothalamicus, Globus pallidus, Kortex

Kortex

Bewusstsein


schaltstelle für integrative Leistungen des Gehirns, wie etwa die Sprache (7 Kap. 18.5). Er projiziert zu verschiedenen Assoziationsarealen der Großhirnrinde (7 20.1.1). Demgegenüber vermittelt das generalisierte thalamokortikale System wenig spezifische Erregungen. Zu diesem System gehört die Massa intermedia, und die Nuclei centromedianus, parafascicularis, anteroventralis und anterodorsalis. Es wird u. a. aus der Formatio reticularis aktiviert (sog. aufsteigendes retikuläres aktivierendes System, ARAS) und ist für Vigilanz, Schlaf-Wach-Rhythmus und für die Regulation von Emotionen und Motivation bedeutsam. Ohne hinreichende Aktivierung des generalisierten thalamokortikalen Systems ist eine bewusste Wahrnehmung von spezifischen Sinneseindrücken nicht möglich. Ausschaltung des generalisierten thalamokortikalen Systems führt zur Bewusstlosigkeit (7 Kap. 20.2.2). Großhirnrinde. Neurone des Thalamus projizieren zum pri-

mären somatosensorischen Kortex (SI) im Gyrus postcentralis. Der Gyrus postcentralis ist streng somatotopisch gegliedert. An seiner Oberfläche lässt sich ein Homunculus abbilden. Dabei nehmen Finger, Mundregion und Zunge jeweils besonders große Areale ein, da diese Körperteile besonders viele (kleine, eng umgrenzte) rezeptive Felder aufweisen. Parallel zur somatotopischen Gliederung liegt auch eine Gliederung nach Sinnesmodalitäten vor (. Abb. 16.4). Neurone, die Afferenzen gleicher Modalität aus der gleichen Körperregion erhalten und verarbeiten, sind in Säulen übereinander angeordnet. Neurone unterschiedlicher Modalität, jedoch gleicher Körperregion liegen nebeneinander auf gleicher Höhe. Aus dem primären Kortex werden die Informationen in sekundäre sensorische Hirnareale überspielt, wo eine Analyse der Sinneseindrücke vorgenommen wird. Hier konvergieren verschiedene Modalitäten und die Gesamtheit der Sinneseindrücke wird interpretiert. Auf diese Weise entstehen Wiedererkennen und Verstehen von Sinneseindrücken (7 Kap. 20.2.3). Der sekundäre sensorische Kortex liegt posterior vom primären somatosensorischen Kortex, wobei die jeweiligen Areale für das Gesicht direkt nebeneinander liegen. Er erhält Informationen aus beiden Körperhälften und ist weniger streng somatotopisch organisiert als der primäre sensorische Kortex. Er hat Verbindungen zu den Amygdala (emotionale Bewertung von Sinneseindrücken) und zum Hippokampus (Gedächtnis).

. Abb. 16.4. Topographische Organisation der sensorischen Rinde. Homunculus und Aufteilung nach Modalitäten: Area 1: Mechanorezeption Haut FA; Area 2: Gelenke; Area 3a: Muskel, 3b: Mechanorezeption Haut SA,FA (nach Penfield und Rasmussen)

Der posteriore Parietallappen erzeugt v. a. eine räumliche Dimension. Der Körper als räumliche Struktur wird in den äußeren Raum eingeordnet. Hierbei spielt die Integration visueller, propriozeptiver und somästhetischer Information eine Rolle. Läsionen in diesem Areal führen zum Hemineglekt, dem Ignorieren der kontralateralen Körperhälfte und seiner Umgebung. Thermorezeption, Nozizeption und Viszerozeption projizieren u. a. in die Inselrinde, die wiederum in das limbische System projiziert und damit eine wesentliche Rolle bei der Steuerung von Emotionen spielt. Kontrolle der spinalen synaptischen Übertragung. Die

Weiterleitung der Sinneseindrücke kann an jeder Umschaltstelle modifiziert werden. Über deszendierende Bahnen beeinflusst beispielsweise der Kortex die Weiterleitung im Thalamus und die Weiterleitung der Afferenzen in den Nuclei gracilis und cuneatus, also der ersten Umschaltstelle der lemniscalen Bahn. Die deszendierenden Bahnen können zur Kontrastverschärfung beitragen. Besondere Bedeutung erlangen Mechanismen, die eine Weiterleitung von Schmerzafferenzen hemmen (7 Kap. 16.6.6).

16

374


In Kürze

Funktionelle und morphologische Grundlagen Einteilung, Modalitäten und Qualitäten 4 Sinnesmodalitäten: Oberflächensensibilität, Propriozeption, viszerale Sensibilität; Mechanorezeption, Thermorezeption Chemorezeption, Nozizeption (inkl. Juckreiz) 4 Qualitäten (Submodalitäten) Haut: Berührung, Druck und Vibration (Tastsinn), Wärme und Kälte (Temperatursinn) schädliche Reize (Nozizeption, Juckreiz) 4 Qualitäten Propriozeption: Lage, Bewegung und Kraft im Bewegungapparat. 4 Qualitäten viszerale Sensibilität: Dehnung Hohlorgane, Gefäße; CO2-, O2-, H+-, K+-, Ca2+-, Glukosekonzentrationen; Osmolarität; schädliche Reize

4

4

4 Rezeptive Strukturen 4 Primäre (leiten Erregung selbst) sekundäre Rezeptorzellen (Ausschüttung Transmitter o Erregung Nervenendigung) 4 Hilfszellen umgeben Nervenendigungen, wirken wie Filtero Selektivität 4 Reiz (chemisch, thermisch, mechanisch, optisch) o meist Aktivierung von unspezifischen Kationenkanälen [Ausnahme Auge (7 Kap. 17.2.2)] o Na+-Einstrom o Depolarisation o Rezeptorpotenzial (Transduktion) o Sequenz von Aktionspotenzialen (Transformation) 4 Reizstärke o Amplitude der Depolarisation o Aktionspotenzialfrequenz 4 Psychophysik: Reizintensität, die gerade noch eine Empfindung auszulöst = Reizschwelle, IRo 4 Zwei gerade noch unterschiedlich wahrgenommene Reize = Unterschiedsschwelle 4 Zeitliches und räumliches Auflösungsvermögen 4 Empfindung E ~ log(IR/IRo) (Weber-Fechner-Gesetz); E ~ (IR-IRo)n (Stevens-Potenzfunktion) 4 Adäquater Reiz = geringe Reizenergie o Erregung 4 Proportionalfühler: E ~ R; Differentialfühler: E ~ ∆R/∆t; PD-Fühler: E ~ (R + ∆R/∆t)

16

Afferente und zentrale Strukturen 4 Weiterleitung: Mechanorezeptoren Haut (Berührung, Druck, Vibration) o II (Aβ), III (Aδ), IV (C); Thermorezeptoren o III (Aδ) und IV (C) Fasern; Nozizeptoren 6

4 4

4

4

o III (Aδ), IV (C); Propriozeptoren o Ia, Ib, II; Viszerozeptoren o III (Aδ), IV (C) Transmitter erste Synapse Rückenmark: Glutamat, Substanz P, CGRP (calcitonin gene related peptide); präsynaptische Hemmung der Weiterleitung: GABA, Serotonin, Noradrenalin, endogene Opioide, endogene Cannabinoide Mechanorezeptoren Haut, Propriozeptoren o (z. T. ohne Umschaltung) o ipsilaterale Hinterstrangbahn o Nuclei cuneatus, gracilis o Kreuzung im Lemniscus medialis Medulla oblongata o ventrobasaler Komplex Thalamus o somatosensorischer Kortex Gyrus postcentralis (Areae 1, 2, 3) Lemniscale Bahn wenig Konvergenz (unverfälschte Weitergabe), Kontrastierung (kollaterale Hemmung), somatotopische Gliederung (Afferenzen untere Körperhälfte o mediale Hinterstrangbahn o Nucleus gracilis, Afferenzen obere Körperhälfte o lateral o Nucleus cuneatus) Haarfollikelrezeptoren o spinozervikaler Trakt o Umschaltung Halsmark o lemniscale Bahn Mechanorezeptoren, Temperaturfühler, Nozizeptoren o (ohne Umschaltung) o Lissauer Trakt o Umschaltung im Hinterhorn o Kreuzung auf Gegenseite o Vorderseitenstrang o teilweise lemniscale Bahn [Mechanorezeption, heller Schmerz, lokalisierte Temperaturwahrnehmung] o ventrobasaler Komplex + posteriorer Kern Thalamus, neospinothalamische Bahn), teilweise extralemniskal (o Formation reticularis, spinoretikuläre Bahn, Thalamus, paläospinothalamische Bahn) Mehrfache Umschaltung [Konvergenz, Divergenz] in spinoretikulärer und z. T. in spinothalamischer Bahn o zeitliche und räumliche Schärfe der Afferenzen p; Verbindungen zu Formatio reticularis [Motorik], Hypothalamus [vegetative Funktionen], limbisches System [Emotionen] Spezifische thalamokortikale Systeme. Lemniscale Bahn o ventrobasaler Komplex, Nucleus ventralis posterior o somatosensorischer Kortex; Auge o Corpus geniculatum laterale o primäre Sehrinde; Ohr o Corpus geniculatum mediale o primäre Hörrinde; Motorkortex o Nuclei ventralis anterior und ventralis latera-

375 16.2 · Tastsinn

lis o Kleinhirn, Basalganglien; Pulvinar thalami Sprache (getreue Übertragung von Information) 4 Generalisiertes thalamokortikales System: aufsteigendes retikuläres aktivierendes System, ARAS o Massa intermedia, Nuclei centromedianus, parafascicularis, anteroventralis und anterodorsalis (Vigilanz, Schlaf-Wach-Rhythmus, Emotionen, Motivation); Ausfall o Bewusstlosigkeit 4 Thalamus o primärer somatosensorischer Kortex (SI) (Gyrus postcentralis, Gliederung somatotopisch [Homunculus] und nach Sinnesmodalitäten [Säulen, Neurone unterschiedlicher Modalität, jedoch gleicher Körperregion nebeneinander auf gleicher

16.2

Tastsinn

16.2.1

Qualitäten

! Mechanorezeptoren der Haut bilden die periphere Grundlage für den Tastsinn. Sie informieren über Berührung, Druck und Vibration. Gemeinsam mit dem Temperatursinn und dem Schmerz bilden sie die Oberflächensensibilität

Berührung, Druck. Mechanische Deformierung der Hautoberfläche und damit von Rezeptoren in der Haut werden als Berührung oder Druck wahrgenommen. Die Empfindlichkeit für Berührung kann klinisch durch einen Wattebausch getestet werden. Vibration. Oszillierende Deformierungen der Hautoberflä-

che werden durch spezialisierte Rezeptoren wahrgenommen, die durch Frequenzen von 3 bis über 300 Hz erregt werden. Vibrationsempfindung kann klinisch durch aufgesetzte Stimmgabeln getestet werden.

16.2.2

Eigenschaften der Rezeptoren

! Rezeptoren des Tastsinns unterscheiden sich in Ansprechbarkeit, Adaptation und Größe von rezeptiven Feldern

Strukturen, Ansprechbarkeit. Die unterschiedlichen Re-

zeptoren des Tastsinns unterscheiden sich in den beteiligten Strukturen, welche die Eigenschaften der Rezeptoren

Höhe]) o sekundäre sensorische Hirnareale (posterior vom primären somatosensorischen Kortex; Analyse Sinneseindrücke, Interpretation der Gesamtheit der Sinneseindrücke o Wiedererkennen, Verstehen) oAmygdala (emotionale Bewertung), Hippokampus (Gedächtnis) 4 posteriore Parietallappen o räumliche Einordnung; Läsionen o Hemineglekt 4 Thermorezeption, Nozizeption,Viszerozeption o Inselrinde o limbische System (Emotionen) 4 Deszendierende Bahnen (Kortex o Thalamus, Nuclei gracilis, cuneatus) o Kontrastverschärfung, Hemmung Weiterleitung (Schmerzafferenzen)

wesentlich beeinflussen (. Abb. 16.1 und . Tab. 16.1). Es werden schnell adaptierende (FA = fast adapting) von langsam adaptierenden (SA = slowly adapting) Rezeptoren unterschieden (Differentialfühler und Proportionalfühler, . Abb. 12.9). Die Ansprechbarkeit der Rezeptoren wird durch den anatomischen Bau entscheidend beeinflusst. So reagiert nach Entfernen der Korpuskeln von den schnell adaptierenden Pacini-Körperchen der Rezeptorrest tonisch. Darüber hinaus unterscheiden sich die Rezeptoren bzw. ihre Verschaltung im zentralen Nervensystem in der Größe ihrer rezeptiven Felder (I oder II), d. h. in der Größe des Hautareals, dessen Reizung Aktionspotenziale in der versorgenden Nervenfaser auslöst. Kleine, scharf begrenzte rezeptive Felder garantieren eine hohe räumliche Auflösung mechanischer Reize (FA I bzw. SA I). Große rezeptive Felder erlauben nur eine grobe räumliche Zuordnung des Reizes (FA II bzw. SA II). Im Einzelnen werden folgende Mechanorezeptoren unterschieden (. Abb. 16.1, . Tab. 16.1): Die Merkel-Zellen sind Gruppen von ca. 40 spezialisierten Epithelzellen. Ihre Nervenendigungen sind langsam adaptierend und für senkrecht auf die Haut wirkende Kräfte besonders empfindlich, ihre rezeptiven Felder sind klein (SA I). Sie vermitteln in erster Linie die Empfindung für Berührung und Druck. Die Ruffini-Körperchen enthalten einen von einer Bindegewebskapsel umgebenen flüssigkeitsgefüllten Raum. Ihre Nervenendigungen sind langsam adaptierend, ihre rezeptiven Felder groß (SA II). Ihre Nervenendigungen werden am stärksten bei Einwirken von Scherkräften gereizt.

16

376


Sie vermitteln die Empfindung von Spannung, Berührung und Druck. Die Meissner-Körperchen sind, von einer Bindegewebskapsel umgebene, scheibenförmige Schwann-Zellen, in die schnell adaptierende Nervenendigungen münden. Sie werden durch (niederfrequente) Vibrationen am besten gereizt. Ihre rezeptiven Felder sind klein (FA I). Sie vermitteln die Empfindung von Berührung und Vibration (. Abb. 16.5). Die Pacini-Körperchen bestehen aus mehreren Schichten von äußeren Bindegewebszellen und inneren SchwannZellen. Ihre Nervenendigungen adaptieren extrem schnell, die Pacini-Körperchen sprechen daher auf hochfrequente Vibrationen am besten an, ihre rezeptiven Felder sind groß (FA II). Sie vermitteln die Empfindung von Berührung und Vibration (. Abb. 16.5). Die Haarfollikel-Rezeptoren umgeben die Haarfollikel und werden bei Bewegung der Haare gereizt. Die Haarfollikel sind schnell adaptierend, sie nehmen die Bewegung eines einzelnen Haares wahr (FA I).

16.2.3

Funktionelle Organisation

! Mechanorezeptoren sind ungleich über die Haut verteilt. Dementsprechend unterscheiden sich die rezeptiven Felder

Verteilung von Mechanorezeptoren auf der Körperoberfläche. Mechanorezeptoren sind nicht gleichmäßig über die

Körperoberfläche verteilt. Die Rezeptorendichte ist am größten an den Fingerspitzen > Lippen > Wangen > Handfläche = Zehen > Stirn = Sohle > Arme = Beine = Rumpf. Entsprechend sind die rezeptiven Felder an den Fingerspitzen am kleinsten, am Rumpf am größten. Die Größe des rezeptiven Feldes kann ermittelt werden, indem zwei Punkte auf der Hautoberfläche gereizt werden. Werden sie als getrennt erkannt, gehören sie zu unterschiedlichen Feldern. Bei kleinem rezeptiven Feld können z. B. zwei 5 mm voneinander entfernte mechanische Reize als noch getrennt wahrgenommen werden. Die »Zweipunkt-Schwelle« hängt neben dem Rezeptortyp auch von der Dichte der Rezeptoren ab. Bei gleichzeitiger Reizung (simultan) ist das räumliche und zeitliche Auflösungsvermögen schlechter und die Zweipunktschwelle größer als bei sukzessiver Reizung. Frequenzoptimum von Vibrationsensoren. Bei Vibrationen ist die Schwelle bei etwa 20 Hz für die Merkel-Zellen und bei etwa 200 Hz für die Pacini-Körperchen am niedrigsten. Bedeutung von Mechanosensoren. Die Mechanorezeption

diente in der Evolution u. a. der Wahrnehmung von Feinden. Durch niederfrequente Vibrationen des Bodens kann das Nahen von großen Tieren, durch hochfrequente Vibrationen und Berührung (Kitzel) die Landung von Stechmücken auf der Hautoberfläche erkannt werden

16.2.4

Besonderheiten des Tastsinnes der Hand

! Die Fingerspitzen weisen die höchste Rezeptorendichte auf. Damit wird Begreifen möglich

Verteilung der Sensortypen. Die Dichte von Mechano-

16 . Abb. 16.5. Vibrationsempfindlichkeit von Mechanorezeptoren. Oben: Frequenzabhängigkeit der Wahrnehmungsschwelle von Meissner- und Pacini-Körperchen (am Affen). Unten: Aktionspotenziale in verschiedenen Mechanorezeptoren bei einem rampenförmigen Reiz

rezeptoren auf der Handoberfläche ist besonders groß (7 Kap. 16.3.2). Dabei sind die rezeptiven Felder der oberflächlich gelegenen Merkel-Zellen und MeissnerKörperchen wesentlich kleiner als die rezeptiven Felder

377 16.3 · Temperatursinn

der tiefer gelegenen Ruffini- und Pacini-Körperchen. An den Fingerspitzen ist die Rezeptorendichte höher als an der Handfläche. Zentrale Repräsentation. Afferenzen aus der Hand neh-

men im Thalamus und Gyrus postcentralis ein relativ gro-

ßes Areal ein. Gleichzeitig sind die rezeptiven Felder auf der Handoberfläche besonders klein. Bei Afferenzen aus der Hand ist die räumliche Auflösung besonders gut und die Übertragungssicherheit im ZNS besonders hoch. Daher kann man begreifend Strukturen von Gegenständen auflösen.

In Kürze

Tastsinn Qualitäten 4 Berührung, Druck, Vibration Eigenschaften der Rezeptoren 4 Schnell adaptierend (FA = fast adapting), langsam adaptierend (SA = slowly adapting), Größe rezeptiver Felder (I oder II) 4 Merkel-Zellen: ≈40 Epithelzellen (SA I), Berührung, Druck, Vibration (Frequenzoptimum 20 Hz); RuffiniKörperchen: Bindegewebskapsel mit flüssigkeitsgefülltem Raum (SA II). Spannung, Berührung, Druck; Meissner-Körperchen: Bindegewebskapsel scheibenförmige Schwann-Zellen (FA I), Berührung, Vibration;

16.3

Temperatursinn

16.3.1

Warm-/Kaltsensoren, afferente Bahnen und zentralnervöse Projektionen

! Thermorezeptoren sind ungleich über die Körperoberfläche verteilt. Die räumliche Auflösung geht bei der Weiterleitung zum Gehirn zum großen Teil verloren

Rezeptoren. Temperaturrezeptoren sind freie Nervenendigungen (Primäre Rezeptoren), die mit temperaturempfindlichen Kationenkanälen ausgestattet sind (. Tab. 16.1). Die Nervenzelle sitzt im Spinalganglion. Die afferenten Fasern sind langsam leitend (. Tab. 16.1). Ausgehend von einer Indifferenztemperatur von 30 °C führt Abkühlung zu einer Erregung von Kaltrezeptoren, Erwärmung zur Aktivierung von Warmrezeptoren. Bei Erwärmung über 45 °C sinkt jedoch die Aktivität der Warmrezeptoren und bei Abkühlung unter 20 °C die Aktivität der Kaltrezeptoren wieder ab (. Abb. 16.6). Die Kaltrezeptoren liegen in der Haut oberflächlicher als die Warmrezeptoren. Bei Erhitzen über 45 °C kommt es zu paradoxer Aktivierung der Kaltrezeptoren.

Pacini-Körperchen: Mehrere Schichten Bindegewebszellen und Schwann-Zellen (FA II), Berührung, Vibration (Frequenzoptimum 200 Hz); Haarfollikel-Rezeptoren: Haarfollikel (FA I), Haarauslenkung Funktionelle Organisation 4 Rezeptorendichte Fingerspitzen > Lippen > Wangen > Handfläche = Zehen > Stirn = Sohle > Arme = Beine = Rumpf; Testung durch »Zweipunkt-Schwelle« Besonderheiten des Tastsinnes der Hand 4 Rezeptordichte n, zentrale Repräsentation n o räumliche Auflösung n, Übertragungssicherheit n

Verteilung Hautoberfläche. Sowohl die Warm- als auch die

Kaltrezeptoren sind ungleichmäßig über die Hautoberfläche verteilt. Ihre Dichte ist im Gesichtsbereich am größten und am Oberkörper dichter als am Unterbauch. In den Extremitäten ist die Dichte sehr gering. Diese Verteilung ist sinnvoll, da bei Kälte die Hautdurchblutung der Extremitäten stark gedrosselt wird und daher die Temperatur der Hautoberfläche stark absinkt (7 Kap. 8.2.4). Die peripheren rezeptiven Felder sind entsprechend im Gesichtsbereich am kleinsten. Proportional-Differentialverhalten. Die Temperatur-

fühler sind klassische PD-Fühler, die bei Änderungen der Temperatur zunächst überschießend reagieren (. Abb. 12.9). Aufsteigende Bahnen. Afferenzen aus Temperaturfühlern

gelangen über den Lissauer Trakt zum zweiten Neuron (7 Kap. 16.1.3) im Hinterhorn (. Abb. 16.2). Die Axone der zweiten Neurone kreuzen auf die Gegenseite und ziehen dann über den Vorderseitenstrang zum Hirnstamm. Dabei geht die zeitliche und räumliche Schärfe der Afferenzen z. T. verloren (7 Kap. 16.1.3). Über Verbindungen zu For-

16

378


16.3.2

Funktionelle Organisation des Warm/ Kaltsinnes

! Die Temperaturempfindlichkeit von Thermorezeptoren ist variabel

Warm- und Kaltempfindung. Die Warm- und Kaltempfin-

dung entsteht durch zentralnervöse Verrechnung von Afferenzen aus beiden Rezeptortypen (Warm- und Kaltrezeptoren). Eine konstant bleibende Temperatur von 30 bis 35 °C löst keine Warm-Kalt-Empfindung aus (Indifferenztemperatur). Allerdings wird auch in diesem Bereich eine Änderung der Temperatur wahrgenommen. Die Empfindlichkeit für Temperaturänderungen ist eine Funktion der Temperatur. So reagieren z. B. bei Kälte die Kaltrezeptoren empfindlicher auf Änderungen der Temperatur als bei Wärme. Wird eine große Hautfläche erwärmt oder abgekühlt, dann wird die Temperaturänderung schneller wahrgenommen als bei Erwärmung oder Abkühlen einer kleinen Hautfläche. Ferner nimmt die Empfindlichkeit der Rezeptoren mit der Geschwindigkeit der Temperaturänderung zu. Das räumliche Auflösungsvermögen der Temperaturrezeption ist im Gesichtsbereich und am Oberkörper am besten (7 Kap. 16.3.1). Thermorezeptoren sind PD-Fühler (7 Kap. 16.3.1). Längere Exposition kann die Kältetoleranz steigern (Habituation, 7 Kap. 8.2.5). . Abb. 16.6. Aktivität von Kaltrezeptoren (blau) und Warmrezeptoren (rot) in Abhängigkeit von der Temperatur. Oben: Erregung bei unterschiedlicher Dauertemperatur. Unten: Ansprechen auf einen plötzlichen Temperatursprung

Beziehung zur Thermoregulation. Die Warm-Kalt-Empfindung dient der Thermoregulation, wie an anderer Stelle weiter ausgeführt wird (7 Kap. 8.2.4). In Kürze

Temperatursinn

16

matio reticularis (tractus spinoreticularis), Hypothalamus (Tractus spinohypothalamicus) und limbisches System beeinflussen sie Motorik, vegetative Funktionen und Emotionen (7 Kap. 16.1.3). Die Verbindung zum Hypothalamus ist besonders für die Regulation der Körpertemperatur bedeutsam (7 Kap. 14.3.4). Über den Thalamus erreicht die Information die Großhirnrinde, wobei insbesondere Verbindungen zur Inselrinde bestehen (7 Kap. 16.1.3). Thermosensitive Neurone sind jedoch in der Rinde relativ selten und die rezeptiven Felder entsprechend groß. Dabei werden auch Neurone gefunden, die nur bei Änderungen der Temperatur ansprechen (komplexe Neurone).

Warm-/Kaltsensoren, afferente Bahnen und zentralnervöse Projektionen 4 Freie Nervenendigungen (Primäre Rezeptoren) temperaturempfindliche Kationenkanäle (PD-Fühler), Indifferenztemperatur = 30 °C; Abkühlung bis 20 °C o Kaltrezeptoren n; Erwärmung bis 45 ° o Warmrezeptoren n; Kaltrezeptoren oberflächlicher als Warmrezeptoren. > 45 °C o Kaltrezeptoren n (Kälteparadoxon!) 4 Rezeptordichte: Gesichtsbereich > Oberkörper > Unterbauch >>> Extremitäten 4 Aufsteigende Bahnen: Neospinothalamische, spinoretikuläre, paläospinothalamische Bahn 6

379 16.4 · Tiefensensibilität

Funktionelle Organisation des Warm-/Kaltsinnes 4 Warm- und Kaltempfindung o zentralnervöse Verrechnung Warm- + Kaltrezeptoren (30–35 °C = Indifferenztemperatur); Längere Kälteexposition o Habituation

16.4

Tiefensensibilität

16.4.1

Funktionelle Organisation

Kortex weitergeleitet. Propriozeptive Afferenzen informieren ferner über spinozerebellare Bahnen das Kleinhirn (7 Kap. 15.7).

16.4.2

Biologische Bedeutung der Tiefensensibilität

! Propriozeption ist für die unwillkürliche Aufrechterhaltung der Körperstellung und für die kontrollierte Durchführung von Bewegungen erforderlich

Körperstellung. Dehnungsrezeptoren in Muskeln (Muskel! Die Propriozeption informiert über Lage, Bewegung und Kraft

Sensoren. In den Gelenkkapseln und perikapsulären Fas-

zien liegen schnell (FA) oder langsam (SA) adaptierende Mechanorezeptoren, die v. a. bei Extremstellungen der Gelenke aktiviert werden. Dehnungsrezeptoren in Sehnen (Golgi-Sehnenorgane, 7 Kap. 15.4.4) informieren über die Muskelspannung und Dehnungsrezeptoren in Muskelspindeln (7 Kap. 15.4.3) über die Muskellänge. Die jeweiligen Afferenzen sind die besonders schnell leitenden Ia Fasern für die Muskelspindeln und Ib Fasern für die Golgi-Sehnenorgane sowie die schnell leitenden II Fasern für die sekundären Muskelspindeln und die Gelenkrezeptoren. Sinnesqualitäten. Die Länge der Muskeln eines Gelenkes bestimmt die Gelenkstellung. In der Gesamtheit informiert die Propriozeption über Lage des Körpers, Bewegungen und Kraftentwicklung. Sie ermöglicht beispielsweise über die Muskelspannung der Haltemuskulatur eine Abschätzung des Gewichtes eines in der Hand gehaltenen Gegenstandes.

spindeln, Sehnen, Sehnenorganen) und Gelenkkapseln vermitteln Informationen über die Funktion des Bewegungsapparates bzw. die Stellung der Gelenke. Ohne Propriozeption ist das Körpergleichgewicht selbst unter visueller Kontrolle und willkürlicher Steuerung nur schwer möglich. Kontrolle der Motorik. Rezeptoren in Muskelspindeln und

Sehnen spielen eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle von Muskeltonus und Bewegung. Die Funktion von Muskelspindeln (7 Kap. 15.4.3) und Sehnenrezeptoren (7 Kap. 15.4.4) wird an anderer Stelle ausgeführt. In Kürze

Tiefensensibilität Funktionelle Organisation 4 Gelenkstellung o Mechanorezeptoren in Gelenkkapseln, perikapsuläre Faszien o II 4 Muskelspannung o Dehnungsrezeptoren in Sehnen (Golgi-Sehnenorgane) o Ib 4 Muskellänge o Muskelspindeln o Ia, II 4 Propriozeptive Afferenzen (o Reflexe) o Hinterstrangbahnen o Lemniscus medialis o Thalamus o somatosensorischer Kortex; spinozerebellare Bahnen o Kleinhirn

Arbeitsbereicheinstellung. Die Muskelspindeln stehen

unter der Kontrolle von efferenten Fasern aus γ-Motoneuronen, durch die ihre Empfindlichkeit verstellt werden kann, wie an anderer Stelle ausgeführt wird (7 Kap. 15.4.3). Zentrale Bahnen. Propriozeptive Afferenzen regulieren

über Reflexe die Aktivität des gleichen und anderer Muskeln (7 Kap. 15.4.3). Sie werden andererseits über die Hinterstrangbahnen, den Lemniscus medialis und den Thalamus zur Area 3a und 2 des primären somatosensorischen

Biologische Bedeutung der Tiefensensibilität 4 Information über Lage des Körpers, Bewegungen und Kraftentwicklung o u. a. Gleichgewicht, Kontrolle Motorik

16

380


16.5

Viszerale Sensorik

16.5.1

Periphere und zentrale Sensoren

! Die viszerale Sensibilität umfasst Chemorezeptoren, Baro- und Dehnungsrezeptoren, Nozizeptoren und Irritationssensoren. Sie dienen der Regulation vegetativer Funktionen

Chemorezeptoren. Viszerale Chemorezeptoren liefern In-

formationen über die Osmolarität, über Glukose-, O2-, CO2-, pH-, K+- und Ca2+-Konzentrationen. Rezeptoren der Glomera aortica und carotica messen pH, CO2 und O2 (7 Kap. 5.8.1). Die H+-Konzentration wird auch in der Medulla oblongata gemessen (7 Kap. 5.8.1). Da CO2 die BlutHirn-Schranke schneller überwindet als H+ oder HCO3–, reagieren die Rezeptoren in der Medulla oblongata vor allem auf Änderungen der CO2-Konzentration im Blut (7 Kap. 5.8.1.).

Bedeutung von viszeralen Rezeptoren. Die Pressorezeptoren dienen der Blutdruckregulation (7 Kap. 4.2) sowie Dehnungsrezeptoren im Niederdrucksystem (Herzvorhöfe) der Regulation des Blutvolumens (7 Kap. 10.2.1). Dehnungsrezeptoren in der Blase lösen Harndrang aus und gewährleisten damit die zeitgerechte Blasenentleerung (7 Kap. 14.3.2). Dehnungsrezeptoren im Darm erzeugen Stuhldrang und dienen der Regulation gastrointestinaler Motorik (7 Kap. 7.2.1, 7 Kap. 7.2.3, 7 Kap. 7.2.5) inklusive Erbrechen (7 Kap. 7.2.4) und Defäkation (7 Kap. 7.2.1). Dehnungsrezeptoren in der Lunge beeinflussen die Atemtätigkeit (7 Kap. 5.8.1).

16.5.2

Viszerale Sensibilität

! Afferenzen führen über spinale Nerven und den Nervus vagus letztlich zur Inselrinde. Sie sind in die Steuerung und reflektorische Regulation vegetativer Funktionen eingebunden

Barorezeptoren. Barorezeptoren im Hochdrucksystem des

Kreislaufes (Carotissinus, Aorta) dienen der Messung des Blutdruckes (7 Kap. 4.2.1). Ihre Afferenzen werden über die Nervi vagus und glossopharyngeus geleitet. Barorezeptoren in der linken Herzkammer schützen vor Überdehnung (7 Kap. 4.2.1). Dehnungsrezeptoren. Mechanorezeptoren in der Wand

verschiedener Hohlorgane (Blase, Magen, Darm, Vorhöfe des Herzens, etc.) werden bei passiver Dehnung und bei Kontraktion der Muskulatur gereizt. Die Rezeptoren werden somit bei zunehmender Wandspannung erregt.

Afferenzen und zentrale Projektion. Afferenzen viszeraler

Schmerzen führen im Wesentlichen über spinale Afferenzen, die parallel zu den efferenten sympathischen Fasern in den Gefäßwänden liegen. Die Afferenzen werden nach Umschaltung im Rückenmark über den somatosensorischen Thalamus zur Inselrinde geleitet. Weitere Verbindungen führen zum Nucleus parabrachialis. Andere Afferenzen (z. B. aus Chemo- und Dehnungsrezeptoren) können auch über den Nervus vagus zum Nucleus tractus solitarius und von dort zum Hypothalamus und ebenfalls zur Inselrinde weitergeleitet werden. Über Gyrus cinguli und Hypothalamus beeinflusst die Inselrinde wiederum vegetative Funktionen (7 Kap. 14.3.4).

Nozizeptoren. Mit den Blutgefäßen erreichen Nozizepto-

16

ren alle Organe. Sie innervieren Herz, Atemwege, Ösophagus, Gastrointestinaltrakt, Gallenblase, Leber- und Milzkapsel, Harnwege und Harnblase, Gonaden, Geschlechtsorgane, und Hirnhäute. Das Gehirn selbst, Leber, Milz, Pankreas, Niere und Nebenniere verfügen über keine relevanten Nozizeptoren. Nozizeptoren bzw. Irritationssensoren in den Atemwegen lösen Niesen und Husten aus (7 Kap. 5.8.1) und Irritationsrezeptoren in Rachen, Ösophagus und Magen Erbrechen (7 Kap. 7.2.4). In den übrigen Organen rufen sie vegetative Reaktionen und bewusste Wahrnehmung aus, die allerdings meist auf die Hautfläche projiziert werden.

Reflexe. Die Afferenzen dienen ferner reflektorischen Regelkreisen innerhalb des vegetativen Nervensystems (7 Kap. 16.5.2), die der Blutdruckregulation (7 Kap. 4.2), der Regulation von Blutvolumen (7 Kap. 10.2.1), Blasenentleerung (7 Kap. 14.3.2), gastrointestinaler Motorik (7 Kap. 7.2.1, 7 Kap. 7.2.3, 7 Kap. 7.2.5), Erbrechen (7 Kap. 7.2.4) und Defäkation (7 Kap. 7.2.1), Nies- und Hustenreflexen (7 Kap. 5.8.1) dienen (7 Kap. 16.5.1). Über viszerokutane Reflexe beeinflussen Afferenzen aus den Organen die Hautdurchblutung und über viszeromotorische Reflexe beeinflussen Afferenzen aus den Organen die Muskelspannung.

381 16.6 · Nozizeption

16.5.3

Viszerale Reflexe

rer Stelle ausgeführt wird ( 7 Kap. 7.2.1, 7 Kap. 7.2.3, 7 Kap. 7.2.5).

! Viszerale Reflexe koordinieren die gastrointestinale Motorik

Erbrechen, Defäkation. Erbrechen (7 Kap. 7.2.4) und DefäRegulation gastrointestinaler Motorik. Viszerale Reflexe

koordinieren die gastrointestinale Motorik, wie an ande-

kation (7 Kap. 7.2.1) sind wichtige gastrointestinale Reflexe, die an anderer Stelle beschrieben werden.

In Kürze

Viszerale Sensorik Periphere und zentrale Sensoren 4 Chemorezeptoren: Osmolarität, Glukose-, O2-, CO2-, pH-, K+-, Ca2+-Konzentrationen (viszeral); pH, CO2 und O2 (Glomera aortica, carotica), CO2 Blut o pH Medulla oblongata; Barorezeptoren (Blutdruck Carotissinus, Aorta); Dehnungsrezeptoren (Blase, Magen, Darm, Herzvorhöfe); Nozizeptoren alle Organe außer Gehirn (wohl aber Hirnhäute), Leber, Milz, Pankreas, Niere, Nebenniere; Irritationssensoren (Atemwege) o Niesen und Husten 4 Bedeutung: Regulation Blutdruck, Blutvolumen, Blasenentleerung, Defäkation, Erbrechen gastrointestinale Motorik, Atemtätigkeit

16.6

Nozizeption

16.6.1

Nozizeptorerregung

! Schmerz entsteht bei Reizung entsprechender freier Nervenendigungen. Die gesteigerte Reizung von Nozizeptoren bei Gewebsläsionen ist komplex

Schmerz. Schmerzreize können durch freie Nervenendigungen in Haut, Bewegungsapparat, inneren Organen und Gefäßen wahrgenommen werden. Sie können durch hohe Reizintensitäten (Dehnung, Temperatur) sowie bei Gewebsläsionen ausgelöst werden. Die Schmerzempfindung kann zeitlich und räumlich gut (heller, erster Schmerz) oder schlecht (dumpfer, zweiter Schmerz) definiert werden. Dabei ist der zweite Schmerz deutlich unangenehmer. Reizung mechanosensibler Nozizeptoren in der Haut (z. B. Nadelstich) lösen zunächst hellen Schmerz aus, während Gewebsläsionen und Reizung von Nozizeptoren in Bewegungsapparat und Organen meist a priori dumpfen Schmerz hervorrufen. Bei den Rezeptoren lassen sich A-Mechanorezeptoren, A-polymodale Rezepto-

Viszerale Sensibilität 4 Spinale Afferenzeno somatosensorischer Thalamus o Inselrinde, Nucleus parabrachialis 4 Chemo-, Dehnunsgrezeptoren o Nervus vagus o Nucleus tractus solitarius o Hypothalamus o Inselrinde o Gyrus cinguli, Hypothalamus o Vegetative Funktionen 4 Reflexe: Blutdruckregulation, Blutvolumen, Blasenentleerung, gastrointestinale Motorik, Erbrechen, Defäkation, Niess-, Hustenreflexe, viszerokutane Reflexe, viszeromotorische Reflexe Viszerale Reflexe 4 Regulation gastrointestinaler Motorik 4 Erbrechen, Defäkation

ren (beide markhaltige Fasern) und C-polymodale Rezeptoren (nichtmarkhaltige Fasern) unterscheiden. In der Haut ist die Dichte von Nozizeptoren besonders groß. Bei Sensibilisierung sinkt die Erregungsschwelle von Nozizeptoren in den nichtnoxischen Bereich, sodass sonst nichtnoxische Reize Schmerzen auslösen können (Allodynie). Die Sensibilisierung kann ferner die Antwort auf noxische Reize verstärken (Hyperalgesie). Schmerz bei Gewebsläsionen. Nekrotische Zellen setzen K+ und intrazelluläre Proteine frei. K+ reizt die Nozizeptoren, die Proteine und bei Hautläsionen eindringende Erreger lösen eine Entzündung aus. Folge ist die Freisetzung einer Vielzahl von schmerzauslösenden Mediatoren, wie Leukotrienen, Histamin, Prostaglandin E2 und Bradykinin. Leukotriene, Prostaglandin E2 und Histamin sensibilisieren die Nozizeptoren. Es treten Hyperalgesie und Allodynie auf. Histamin löst ferner Juckreiz aus. Histamin, Prostaglandin E2 und Bradykinin wirken zudem vasodilatatorisch und steigern die Gefäßpermeabilität. Folge ist die Bildung eines lokalen Ödems, der Gewebsdruck steigt und erregt die sensibilisierten Nozizeptoren. Durch die Gewebs-

16

382


läsion wird ferner die Blutgerinnung aktiviert, und damit die Ausschüttung von Bradykinin und Serotonin ausgelöst. Durch Gefäßverschluss kommt es zur Ischämie, ein Ansteigen der extrazellulären Konzentrationen von K+ und H+ führt wiederum zur Aktivierung der Nozizeptoren. Die Nozizeptoren geben bei Reizung die Peptide Substanz P (SP) und calcitonin gene related peptide (CGRP) ab, die unter anderem die Entzündung fördern sowie Vasodilatation und Gefäßpermeabilitätssteigerung bewirken (neurogene Entzündung). Auf diese Weise entsteht ein Circulus vitiosus. Durch Kollateralen der Schmerzafferenzen werden Motorik beeinflusst, vegetative Begleitreaktionen ausgelöst (Sympathikusaktivierung) und die psychische Komponente des Schmerzerlebens hervorgerufen. Juckreiz. Wie Schmerz, wird auch Juckreiz über polymodale freie Nervenendigungen (C-Fasern) wahrgenommen. Für den Juckreiz ist möglicherweise die Nähe der Nervenendigungen zu Mastzellen bedeutsam, die bei Reizung Histamin und Tryptase freisetzen. Über Aktivierung von H1-Rezeptor sowie Protease-aktivierter Rezeptor PAR-2 werden dann die entsprechenden Nervenendigungen depolarisiert. ! Schmerzen sind ein Hinweis auf krankhafte Vorgänge im Körper. Häufig ist der Schmerz das wesentliche Problem

vus ulnaris im Sulcus ulnaris oder durch Kompression der Hinterwurzel bei Bandscheibenvorfall. Die Wahrnehmung wird dann in das Innervationsgebiet des Nerven projiziert. Phantomschmerz. Nach Amputation einer Extremität treten bisweilen Schmerzempfindungen in der nicht mehr vorhandenen Extremität auf. Der Wegfall von Afferenzen aus der amputierten Extremität führt zur plastischen Reorganisation des entsprechenden rezeptiven Feldes im somatosensorischen Kortex. Die deafferentierten kortikalen Neurone werden dann von Afferenzen aus anderen Körperregionen innerviert. Die Reorganisation ist offenbar bei Patienten mit Phantomschmerz besonders stark ausgeprägt.

16.6.3

Spinale Organisation der Nozizeption

! Schmerz wird über den Vorderseitenstrang zu Thalamus und Rinde weitergeleitet, Verbindungen u. a. zum limbischen System prägen die emotionale Komponente

Plastizität der synaptischen Übertragung. Die synaptische

Übertragung ist keine Konstante, sondern kann bei Entzündung und Nervenläsionen zunehmen. Damit wird die Schmerzschwelle gesenkt und die Schmerzen werden unerträglicher.

Migräne. Das Gehirngewebe ist schmerzunempfindlich.

Allerdings können Schmerzen in den Gefäßen und der Dura entstehen. Vasokonstriktion (durch Serotonin) gefolgt von Vasodilatation sind wahrscheinlich für Migräneanfälle verantwortlich, heftige Kopfschmerzen mit neuronalen Ausfällen durch Mangeldurchblutung des Gehirns. Gesteigerte Schmerzwahrnehmung. Mehrere Mechanis-

men können Schmerzen auslösen oder verstärken. Möglicherweise durch Versagen der deszendierenden Hemmung können Läsionen im Thalamus massive Schmerzzustände nach sich ziehen (Thalamussyndrom).

16.6.2

16

Nervenläsionen

! Beim projizierten Schmerz entsteht das Aktionspotenzial am Nerven

Projizierter Schmerz. Beim projizierten Schmerz entsteht die Schmerzempfindung nicht am Nozizeptor, sondern der Nerv selbst wird gereizt, etwa durch Quetschung des Ner-

Sekundäre Hyperalgesien. Wiederholte noxische Reize oder Entzündungsmediatoren (7 Kap. 2.5.3) senken die Schmerzschwelle, sodass Allodynie und Hyperalgesie auftreten (7 Kap. 16.2.2). Ursachen sind neben der Sensibilisierung der Nozizeptoren (7 Kap. 16.2.2) und der Rekrutierung »schlafender« Nozizeptoren die verstärkte zentrale Weiterleitung von Schmerzafferenzen. Aufsteigende Bahnen. Afferenzen aus Nozizeptoren steigen über den Vorderseitenstrang nach oben (7 Kap. 16.1.3). Die neospinothalamische Bahn vermittelt die Weiterleitung des hellen Schmerzes. Der dumpfe Schmerz wird über die spinoretikuläre Bahn weitergeleitet (7 Kap. 16.1.3). Vom Thalamus aus wird Schmerz zur primären somatosensorischen Rinde und zur Insel weitergeleitet. Viszerale Nozizeption. Schmerzafferenzen aus Organen und von der Hautoberfläche werden z. T. im Rückenmark vermascht, das heißt die Afferenzen konvergieren auf gleiche Neurone im Rückenmark (viszerosomatische Konvergenz). Die Erregung von Nozizeptoren in einem Organ

383 16.6 · Nozizeption

16.6.5

Endogene Schmerzhemmung

! Die Weiterleitung von Schmerzafferenzen kann durch deszendierende Bahnen unterdrückt werden. Schmerz kann medizinisch bekämpft werden

Hirnstamm-Kerngebiete. Deszendierende Bahnen aus dem

. Abb. 16.7. Vermaschung viszeraler (blau) und vegetativer (grün) Afferenzen. Die Konversion der Afferenzen im Hinterhorn führt zu einer Projektion viszeraler Schmerzen auf die Haut und zur Beeinflussung vegetativer Efferenzen (rot) durch Afferenzen aus der Haut

steigert damit die Schmerzempfindlichkeit derjenigen Hautareale, deren Afferenzen im gleichen Rückenmarksegment umgeschaltet werden (übertragener Schmerz, . Abb. 16.7). Bei einem Herzinfarkt, z. B., strahlen die Schmerzen in die linke Schulter und den linken Arm aus (sog. Head-Zonen).

16.6.4

Kortex aktivieren Neurone im zentralen Höhlengrau und in den Nuclei raphé (. Abb. 16.8). Deszendierende Bahnen aus diesen Kernen aktivieren über Serotonin und Noradrenalin Interneurone im Rückenmark, die durch Ausschüttung u. a. von Endorphinen (Encephalinen) die Umschaltung von Schmerzafferenzen im Rückenmark unterbinden. Morphine wirken u. a. über eine Hyperpolarisation und damit Hemmung der Transmitterausschüttung. Aktivierung der endogenen Schmerzhemmung. Die endo-

gene Schmerzhemmung kann durch Reizung von anderen Mechanorezeptoren induziert werden. Die Neurone im zentralen Höhlengrau und in den Nuclei raphé werden auch bei psychischem Stress aktiviert. Damit wird verhindert, dass in einer lebensbedrohlichen Situation der »Kampf ums Überleben« durch Schmerzen eingeschränkt wird.

Supraspinale Organisation von Nozizeption und Schmerz

! Schmerzen besitzen eine sensorische und eine emotionale Komponente. Das Schmerzerlebnis wird durch Plastizität und Gedächtnis beeinflusst

Mehrdimensionalität. Schmerzafferenzen projezieren in verschiedene Hirnregionen, wobei die thalamokortikale Projektion über Lokalisierung und zeitliches Auftreten des Schmerzes informiert (sensorische Dimension), während Projektionen ins limbische System die affektive Dimension des Schmerzerlebnisses vermitteln. Zentrale Plastizität und Schmerzgedächtnis. Das Schmerzerlebnis kann durch plastische Veränderungen der Gehirnrinde (z. B. nach Amputationen, 7 Kap. 16.6.2), sowie als Folge einer Bahnung durch vorausgegangene Schmerzerlebnisse (Entstehen von Schmerzgedächtnis) beeinflusst werden.

. Abb. 16.8. Deszendierende Bahnen zur Schmerzhemmung

16

384


Schmerzbekämpfung, Analgetikawirkungen. Schmerzen

lassen sich auf mehreren Ebenen bekämpfen: Entzündung und Aktivierung der Rezeptoren lassen sich u. a. durch Abkühlen der verletzten Stelle und Prostaglandinsynthesehemmer unterbinden, Schmerzweiterleitung durch Abkühlen und Na+-Kanalblocker (Lokalanästhetika). Prostaglandine wirken darüber hinaus offenbar auch im zentralen Nervensystem. Die deszendierenden Systeme zur Hemmung der Weiterleitung von nozizeptiven Afferenzen können wahrscheinlich durch Elektroakupunktur und transkutane Nervenstimulation aktiviert werden. Die Endorphinrezeptoren u. a. in Rückenmark und Hirnstamm werden durch Mor-

phin und verwandte Pharmaka aktiviert. Die Weiterleitung im Thalamus wird durch Narkose und Alkohol unterbunden. Durch psychologische Behandlungsmethoden können Mechanismen endogener Schmerzhemmung gefördert werden. Bisweilen wurde versucht, die Schmerzweiterleitung durch neurochirurgische Eingriffe zu unterbinden. Analgesie. Fehlende Weiterleitung von Schmerz durch pharmakologische Intervention oder sehr seltene angeborene Analgesie unterbindet die warnende Funktion von Schmerzen. Die unterlassene Beseitigung der Schmerzursache kann dabei lebensbedrohlich sein.

In Kürze

Nozizeption

16

Nozizeptorerregung 4 Hohe Reizintensitäten (Dehnung, Temperatur), Gewebsläsionen o A-Mechanorezeptoren, A-polymodale Rezeptoren, C-polymodale Rezeptoren in Haut, Bewegungsapparat, inneren Organen, Gefäßen o heller, erster Schmerz, dumpfer, zweiter Schmerz o markhaltige (A), nichtmarkhaltige (C) Fasern 4 Gewebsläsionen o Nekrotische Zellen o K+, intrazelluläre Proteine o K+ reizt Nozizeptoren, Proteine (+ Erreger) o Entzündung o Leukotriene, Histamin, Prostaglandin E2, Bradykinin o Sensibilisierung o Hyperalgesie (Empfindlichkeit für noxische Reize n), Allodynie (Schmerz durch nichtnoxische Reize); Histamin o Juckreiz; Histamin, Prostaglandin E2, Bradykinin o Vasodilatation, Gefäßpermeabilität n o Ödem o Gewebsdruck n o weitere Sensibilisierung; Blutgerinnung o Bradykinin n, Serotonin n, Gefäßverschluss (o Ischämie o K+ n, H+ n o Nozizeptoren n o Substanz P (SP), calcitonin gene related peptide (CGRP) o Entzündung n, Vasodilatation, Gefäßpermeabilität n (neurogene Entzündung) o Circulus vitiosus; Kollateralen der Schmerzafferenzen o Motorik, Sympathikus n, Psyche 4 Mastzellen o Histamin (o H1), Tryptase (o Proteaseaktivierter Rezeptor PAR-2) o benachbarte Nervenendigungen o Juckreiz 4 Serotonin o Vasokonstriktion o Mangeldurchblutung des Gehirns o Vasodilatation o Migräne 4 Läsionen im Thalamus o deszendierende Hemmung po Schmerzen (Thalamussyndrom) 6

Nervenläsionen 4 Projizierter Schmerz: Läsion Nerv o Projektion der Wahrnehmung in Innervationsgebiet 4 Phantomschmerz: Wegfall Afferenzen o plastische Reorganisation von rezeptivem Feld in somatosensorischem Kortex o Phantomschmerz Spinale Organisation der Nozizeption 4 Sekundäre Hyperalgesien: Wiederholte noxische Reize, Entzündungsmediatoren o Schmerzschwelle p, Rekrutierung »schlafender« Nozizeptoren 4 Bahnen: Vorderseitenstrang, neospinothalamische Bahn (heller Schmerz), spinoretikuläre Bahn (dumpfer Schmerz) o Thalamus o primäre somatosensorische Rinde, Insel 4 Viszerosomatische Konvergenz o übertragener Schmerz (Head-Zonen). Supraspinale Organisation von Nozizeption und Schmerz 4 Thalamokortikale Projektion o sensorische Dimension; Projektionen ins limbische System affektive Dimension des Schmerzerlebnisses 4 Schmerzerlebnisse o Bahnung, plastische Veränderungen Gehirnrinde o Schmerzgedächtnis Endogene Schmerzhemmung 4 Aktivierung Mechanorezeptoren, psychischer Stress o zentrales Höhlengrau, Nuclei raphé o deszendierende Bahnen o Serotonin, Noradrenalin o Interneurone Rückenmark o Endorphine o Hyperpolarisation o Schmerzweiterleitung p

385 16.7 · Störungen der somatoviszeralen Sensibilität

4 Schmerzbekämpfung: Abkühlen (o Entzündung p), Prostaglandinsynthesehemmer o Rezeptoren p; Abkühlen, Na+-Kanalblocker o Schmerzweiterleitung; Elektroakupunktur, transkutane Nervenstimulation o deszendierende Hemmung n; Morphin o Endor-

16.7

16.7.1

Störungen der somatoviszeralen Sensibilität Periphere Störungen

! Die Sinneswahrnehmung am Rezeptor und die Erregungsweiterleitung können gestört sein

Störungen der Rezeptoren. Rezeptoren, welche die verschiedenen Reize in der Peripherie wahrnehmen, können ausfallen oder inadäquat gereizt werden. Folgen sind völliger (Anästhesie) oder teilweiser (Hypästhesie) Ausfall der Sinneswahrnehmung, eine gesteigerte Empfindlichkeit für die Sinneswahrnehmung (Hyperästhesie), oder das Auftreten von Sinneswahrnehmungen ohne adäquaten Reiz (Parästhesien, Dysästhesien). Unterbrechung der Nervenleitung. Läsionen in peripheren Nerven oder Spinalnerven können gleichfalls An-, Hyp-, Hyper-, Para- und Dysästhesien hervorrufen. Ausfälle an peripheren Nerven unterscheiden sich von Ausfällen an Spinalnerven durch die Topographie der Störungen (. Abb. 16.9). Durch Überlappung von Innervationsgebieten kommt es bei Ausfall eines Spinalnerven lediglich zu Hypästhesie des betroffenen Dermatoms. Bei Unterbrechung der Nervenleitung durch eine Schädigung oder Durchschneidung des Nerven kann es auch zu Schmerzen kommen. Diese entstehen durch Erregungsbildung an der verletzten Stelle und/oder im Zellkörper der verletzten Hinterwurzelganglienzelle (neuropathischer Schmerz).

16.7.2

Zentrale Störungen

! Störungen im Zentralen Nervensystem können die Weiterleitung oder Verarbeitung (Interpretation) von Rezeptorsignalen beeinträchtigen

phinrezeptoren n; Narkose, Alkohol o Thalamus p; psychologische Behandlung o endogene Schmerzhemmung n 4 Pharmakologische (selten genetische) Analgesie o fehlende Warnung o lebensbedrohlich

Unterbrechung von Rückenmarksbahnen. Bei einer

Halbseitenläsion ist die Tiefensensibilität und die feine (epikritische) Oberflächensensibilität auf der Seite der Läsion (ipsilateral), Temperatur, grobe Mechanorezeption und Schmerz auf der anderen Seite (kontralateral) in Mitleidenschaft gezogen (dissoziierte Empfindungsstörung). Auf der ipsilateralen Seite sind im Übrigen die deszendierenden motorischen Bahnen unterbunden (Brown-Séquard-Syndrom). Eine Unterbrechung der Leitung in den Hinterstrangbahnen unterbindet die Vibrationsempfindung und mindert die Fähigkeit, mechanische Reize räumlich und zeitlich exakt zu definieren und ihre Intensität richtig einzuschätzen. Ferner ist die Tiefensensibilität aufgehoben. Dadurch ist vor allem die Information aus den Muskelspindeln in Mitleidenschaft gezogen und mit ihr die Kontrolle der Muskeltätigkeit und des Gleichgewichts. Folge ist u. a. Ataxie. Bei einer Läsion innerhalb der Hinterstrangbahnen spielt die topographische Ordnung der Bahnen eine Rolle. Im zervikalen Rückenmark sind die zervikalen Bahnen (c) am meisten lateral, während die sakralen Bahnen (s) medial liegen. Eine Läsion im Vorderseitenstrang führt zur Unterbrechung der Afferenzen von Druck, Schmerz und Temperatur. Es können An-, Hyp-, Hyper-, Para- und Dysästhesien auftreten. Bei Bewegungen der Wirbelsäule können durch Reizung der lädierten Afferenzen entsprechende Sinneswahrnehmungen auftreten (LhermitteZeichen). Agnosie. Funktionen des Erkennens können bei Läsionen

der assoziativen Rindenareale gestört sein. Bei Läsionen im somatosensorischen Kortex sind räumliches und zeitliches Auflösungsvermögen von Empfindungen, Stellungs- und Bewegungssinn aufgehoben, die Einschätzung der Intensität beeinträchtigt. Bei Läsionen in assoziativen Bahnen oder Rindenabschnitten kommt es zu gestörter Verarbeitung von Sinneswahrnehmungen. Folgen sind u. a. Astereognosie (Unfähigkeit, Gegenstände durch

16

386


. Abb. 16.9. Dermatome (links) und Innervationsgebiete (rechts). 1. N. trigeminus, 2. N. auricularis magnus, 3. Nn. occipitales maior et minor, 4. N. cutaneus colli, 5. Nn. supraclaviculares, 6. Rr. dorsales N. spin., 7. Rr. ventrales N. intercost., 8. Rr. laterales N. intercost., 9. N. cutaneus brachii lateralis, 10. N. cutaneus brachii medialis, 11. N. cutaneus brachii posterior, 12. N. cutaneus antebrachii medialis, 13. N. cutaneus anterachii posterior, 14. N. cutaneus antebrachii lateralis, 15. R. superfi-

16

cialis Nn. radialis, 16. Nn. digitales Nn. mediani, 17. Rr. manus Nn. ulnaris, 18. N. iliohypogastricus, 19. Nn. clunium, 20. N. genitofemoralis, 21. N. ilioinguinalis, 22. N. cutaneus femoris lateralis, 23. N. cutaneus femoris posterior, 24. N. femoralis, 25. N. obturatorius, 26. N. cutaneus surae lateralis, 27. N. suralis, 28. N. saphenus, 29. N. peroneus superficialis, 30. N. tibialis, 31. N. plantaris lateralis, 32. N. plantaris medialis

387 16.7 · Störungen der somatoviszeralen Sensibilität

Betasten zu erkennen) Topagnosie (Verlust räumlicher Wahrnehmung), Körperschemastörungen, Lagesinnstörungen, Auslöschphänomen (Ignorieren eines von zwei

gleichzeitig angebotenen Reizen) und Hemineglekt (Ignorieren der kontralateralen Körperhälfte und des Umfeldes dieser Seite).

In Kürze

Störungen der somatoviszeralen Sensibilität Periphere Störungen 4 Anästhesie = völliger, Hypästhesie = teilweiser Ausfall Sinneswahrnehmung, Hyperästhesie = gesteigerte, Parästhesie, Dysästhesie = inadäquate Sinneswahrnehmung 4 Ausfall peripherer Nerven, Spinalnerven erkennbar an Topographie der Sensibilitätsausfälle; bei Spinalnerven durch Überlappung von Innervationsgebieten Hypästhesie (nicht Anästhesie); Läsion von Axonen oder Hinterwurzelganglienzelle o Schmerzen (neuropathischer Schmerz) Zentrale Störungen 4 Halbseitenläsion o ipsilateral Tiefensensibilität p und feine (epikritische) Oberflächensensibilität p, kontralateral Temperatur p, grobe Mechanorezeption p,

Schmerz p (dissoziierte Empfindungsstörung); zusätzlich ipsilateral deszendierende motorische Bahnen (Brown-Séquard-Syndrom) 4 Läsion Hinterstrangbahnen oVibrationsempfindung p, räumliche und zeitliche Definition von Mechanorezeption p, Tiefensensibilität p (o Ataxie); Läsion Vorderseitenstrang o Druck p, Schmerz p und Temperatur p. Bewegungen der Wirbelsäule o Reizung lädierter Afferenzen o Sinneswahrnehmungen (Lhermitte-Zeichen) 4 Läsionen im somatosensorischen Kortex o räumliches, zeitliches Auflösungsvermögen p, Einschätzung Intensität p, Bewegungs- Lagesinn p Läsionen assoziative Bahnen bzw. Areale o Agnosie, Astereognosie, Topagnosie, Körperschemastörungen, Lagesinnstörungen, Auslöschphänomen, Hemineglekt

16

17

17 Visuelles System 17.1

Dioptischer Apparat – 390

17.1.1 17.1.2 17.1.3 17.1.4 17.1.5 17.1.6 17.1.7 17.1.8

Physikalische Grundlagen – 390 Auge als optisches System – 391 Abbildungsfehler – 391 Akkomodation – 392 Pupille – 393 Augeninnendruck – 394 Tränen – 394 Augenmotorik – 394

17.2

Signalverarbeitung in der Retina – 397

17.2.1 17.2.2 17.2.3 17.2.4

Aufbau der Retina – 397 Transduktionsprozess – 398 Neuronale Verarbeitungsprozesse – 399 Retinale Mechanismen des Farbensehens – 401

17.3

Zentrale Repräsentation des visuellen Systems – 403

17.3.1 17.3.2

Gesichtsfeld – 403 Verlauf der Sehbahn

17.4

Informationsverarbeitung in der Sehbahn

17.4.1 17.4.2 17.4.3 17.4.4 17.4.5

Verschaltung der Sehbahn – 404 Retina – 405 Corpus geniculatum laterale – 405 Visuelle Cortices – 405 Tiefenwahrnehmung – 406

– 403

– 404

390

Kapitel 17 · Visuelles System

> > Einleitung Das Auge ist in der Lage, elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 400–750 nm aufzunehmen und Bilder von Objekten zu entwerfen, von denen diese Strahlen ausgehen. Die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit verschiedener Rezeptoren des Auges erlaubt die Wahrnehmung von Farben, die präzise Abbildung von äußeren Objekten auf der Retina, die Wahrnehmung von Gestalt.

17.1

Dioptischer Apparat

17.1.1

Physikalische Grundlagen

sich hinter dem Brennpunkt und erzeugen damit ein Abbild des Punktes. Die Gerade zwischen Objekt und jeweiligem Abbild kreuzt die optische Achse im Knotenpunkt. Farben. Das Sonnenlicht enthält Wellen unterschiedlicher Wellenlänge in einer Zusammensetzung, die uns weiß er-

! Licht wird an Grenzflächen gebrochen. Sonnenlicht ist eine Mischung von Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge, also unterschiedlicher Farbe

Sichtbare Lichtwellen. Sichtbares Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen von 400–750 nm. Die Intensität der Strahlung bestimmt die Helligkeit. Lichtbrechung durch Linsen. Wie alle elektromagnetischen Wellen wird sichtbares Licht an einer Fläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechzahlen (»Brechungsindices«) gebrochen. Die Brechung ist umso stärker, je schräger das Licht einfällt und je größer das Verhältnis der Brechzahlen ist. Treffen parallele Strahlen (von einem Punkt in weiter Entfernung) auf eine kugelige Trennfläche (Linse), dann bleibt der in der Mitte senkrecht auf die Linse treffende Strahl ungebrochen. Je peripherer die Strahlen auf die Linse auftreffen, desto schräger treffen sie auf die Trennfläche und desto stärker werden sie gebrochen. Auf diese Weise werden die parallel einfallenden Strahlen hinter der Linse in einem Punkt vereint (Brennpunkt). Je kleiner der Radius der Linse ist, desto stärker werden die seitlich einfallenden Strahlen gebrochen und desto dichter liegt der Brennpunkt hinter der Linse, desto kürzer ist also die Brennweite (f, gemessen in Metern). Je kürzer die Brennweite einer Linse, desto größer ihr Brechwert (ihre »Brechkraft«): Sie wird in Dioptrien (D) angegeben: D=1/f.

17

Strahlengang in Linsen. Die Kenntnis der Brennweite und damit des vorderen und hinteren Brennpunktes erlaubt die Konstruktion des Strahlengangs (. Abb. 17.1). Die Verbindungslinie zwischen den Brennpunkten ist die optische Achse. Strahlen, die von einem Punkt ausgehen, vereinigen

. Abb. 17.1. Lichtbrechung im Auge und an optischen Linsen. a Brechung an flacher (oben) und stark gekrümmter (unten) Linse. b Akkommodationsbreite in Abhängigkeit vom Alter. c Strahlengang im Auge (F1, F2 = vorderer und hinterer Brennpunkt, H, H’ = vordere und hintere Hauptebene, K, K’ = vorderer und hinterer Knotenpunkt). d Strahlengang in optischen Linsen

391 17.1 · Dioptrischer Apparat

scheint. Sie besteht jedoch aus einer Strahlenmischung mit unterschiedlichen Wellenlängen und damit Farbtönen. Kurzwellige Strahlen sind blau, langwellige rot. Je weniger weiß (bzw. Strahlen anderer Wellenlänge) eine Farbe enthält, desto stärker ist sie gesättigt (Farbsättigung). Kurzwellige Strahlen werden stärker gebrochen als langwellige Strahlen. Dadurch kann Licht bei starker Brechung in seine monochromatischen farbigen Bestandteile zerlegt werden (z. B. entsteht durch Brechung an Wassertröpfchen ein Regenbogen). Subtraktive Farbenmischung entsteht, wenn weißes Licht auf eine Mischung von zwei Farben fällt oder durch zwei Filter unterschiedlicher spektraler Absorption geleitet wird. Durch Mischen von Blau und Gelb entsteht dadurch die Farbe Grün, durch Mischen von Grün und Rot entsteht Braun. Additive Farbenmischung entsteht, wenn Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge auf eine Fläche (eine Stelle der Netzhaut) einfallen. Ein grüner Lichtstrahl und ein roter Lichtstrahl ergeben auf diese Weise den Eindruck von gelbem Licht. Rote, grüne und blaue Strahlen können sich zusammen zu weiß vereinen.

Linse etwa 1,41. Strahlen, die in das Auge einfallen, werden vor allem an der Kornea gebrochen (ca. 43 dpt). Da die Kornea jedoch an der Rückseite in gleicher Richtung gewölbt ist (konvex/konkave Linse) und das Kammerwasser eine etwas geringere Brechzahl als die Kornea aufweist, geht ein kleiner Teil des Brechwertes (3 dpt) wieder verloren. Obwohl die Augenlinse als bikonvexe Linse eine stärkere Brechung erzielen sollte als die konvex/konkave Kornea (. Abb. 17.2), erreicht sie nicht deren Brechwert. Sie weist ja eine nur geringfügig größere Brechzahl als die angrenzenden Medien auf. Beim fernadaptierten Auge (Gegenstandsweite »unendlich«) erreicht die Linse ca. 19 dpt. Die besondere physiologische Bedeutung der Linse liegt jedoch in ihrer Fähigkeit, ihre Krümmung und damit ihren Brechwert zu steigern (Akkommodation, 7 Kap. 17.1.4).

17.1.3

Abbildungsfehler

! Bei den Refraktionsanomalien werden betrachtete Objekte nicht scharf auf der Netzhaut abgebildet

Kontraste. Nach Betrachten eines Objektes mit einer be-

stimmten Farbe erscheint eine weiße Fläche in der Komplementärfarbe (Sukzessivkontrast). Werden zwei aneinandergrenzende Flächen unterschiedlicher Farbe bzw. Helligkeit angeboten, dann erscheint eine Fläche konstanter Farbe und Helligkeit umso heller, je dunkler die andere Fläche ist (Simultankontrast).

17.1.2

Auge als optisches System

! Der optische Apparat des Auges dient der scharfen Abbildung von Objekten auf der Netzhaut. Die Brechung ist an der Hornhautvorderfläche am größten

Brechung von Lichtstrahlen durch den optischen Apparat des Auges. Um auf der Retina ein scharfes Abbild zu erhal-

ten, müssen Lichtstrahlen, die von einem Punkt eines Objektes ausgehen, an den Grenzflächen des abbildenden Apparates in der Weise gebrochen werden, dass sie sich wieder in einem Punkt auf der Netzhaut treffen (. Abb. 17.1). Der Gesamtbrechwert des fernakkommodierten Auges beträgt etwa 58 Dioptrien (dpt). Der Abstand des Knotenpunktes von der Retina beträgt beim normalen Auge 17 mm bei einer Gesamtbulbuslänge von 24,4 mm. Im Vergleich zu Luft (=1) ist die Brechzahl der Kornea etwa 1,38, der des Kammerwassers etwa 1,34 und der der

Myopie. Bei der Myopie (Kurzsichtigkeit) ist entweder der

Brechwert des Auges zu groß (Brechungsmyopie, selten) oder der Augenbulbus ist für den Brechwert zu lang (Achsenmyopie). Parallel einfallende Strahlen vereinigen sich vor der Netzhaut und weit entfernte Gegenstände können nicht scharf gesehen werden (. Abb. 17.3). Die Anomalie kann durch eine Zerstreuungslinse korrigiert werden. Hyperopie. Bei der Hyperopie (Weitsichtigkeit) ist entwe-

der der Augenbulbus zu kurz (Achsenhyperopie) oder der Brechwert des Auges zu gering (Brechungshyperopie). Folge ist, dass Strahlen, die von nahen Punkten ausgehen, nicht mehr auf der Netzhaut vereinigt werden können, also nahe Gegenstände unscharf gesehen werden (. Abb. 17.3). Die Anomalie kann durch eine Sammellinse korrigiert werden. Presbyopie. Mit dem Alter schwindet die Elastizität der

Linse und der Ziliarmuskel atrophiert. Dadurch nimmt die maximale Krümmung bei Nahakkommodation ab. Folge ist die Presbyopie (Altersweitsichtigkeit), die schwindende Fähigkeit, nahe Objekte scharf zu sehen: Die Akkommodationsbreite nimmt auf weniger als drei Dioptrien ab und der Nahpunkt entfernt sich vom Auge entsprechend (>33 cm). Die Betrachtung naher Objekte erfordert somit die Verwendung einer Sammellinse, die jedoch bei Betrachtung ferner Objekte wieder abgelegt werden muss.

17

392


. Abb. 17.2. Das Auge

Astigmatismus. Bei Astigmatismus weicht die Augenober-

fläche von der Kugelform ab. Beim regulären Astigmatismus unterscheiden sich die Krümmungsradien von horizontaler und vertikaler Achse, ein aufrechtes Quadrat wird als Rechteck abgebildet. Er kann durch Zylinderlinsen korrigiert werden. Ein geringfügiger (< 0,5 Dioptrien) regulärer Astigmatismus mit größerem Brechwert in vertikaler Richtung ist normal. Beim schiefen Astigmatismus stehen die unterschiedlichen Achsen schräg zueinander. Beim irregulären Astigmatismus ist die Hornhautoberfläche unregelmäßig, z. B. als Folge von Hornhautnarben. Er kann u. a. durch Kontaktlinsen behoben werden (. Abb. 17.3). Sphärische und chromatische Aberration. Die bei sphärischen Linsen beobachtete stärkere Brechung im Randbereich der Linse (sphärische Aberration) und stärkere Brechung der kurzwelligen Strahlen (chromatische Aberration) spielen beim menschlichen Auge keine relevante Rolle. Korrekturen. Die erforderliche Korrektur (in dpt) eines Re-

17

fraktionsfehlers errechnet sich aus dem Kehrwert des Fernpunktes FP [in m]: K=1/FP. Liegt der Fernpunkt eines Patienten mit Myopie bei 2 m, dann benötigt er eine Zerstreuungslinse von –0,5 Dioptrien. Der Fernpunkt ist bei Hyperopie

nur mit einer Sammellinse feststellbar. Bei einer Linse mit der Brennweite f gilt: K=1/f–1/FP. Ist bei einem Patienten mit Hyperopie der Fernpunkt mit einer Sammellinse von +2 dpt (f=0.5 m) 4 m, dann ist der Refraktionsfehler +1,75 dpt. Katarakt. Die Transparenz von Kornea und Linse wird normalerweise durch Regulation des Wassergehaltes aufrechterhalten. Das Korneaepithel ist auf Sauerstoffzufuhr von außen angewiesen. Bei Schluss der Augenlider sinkt der Sauerstoffpartialdruck ab, der Transport ist beeinträchtigt und die Transparenz der Kornea nimmt ab. Nach Öffnen der Augen am Morgen sieht man daher nicht sofort deutlich. Bei verschiedenen Erkrankungen (v. a. Diabetes mellitus) und im Alter kann der Wassergehalt der Linse verändert sein und die Transparenz der Linse abnehmen (Katarakt, grauer Star).

17.1.4

Akkomodation

! Die Linse kann ihren Brechwert den Erfordernissen anpassen. Diese Fähigkeit geht im Alter weitgehend verloren

Nahakkommodation. Die Linse wird durch Zug der am

Linsenäquator ansetzenden Zonulafasern abgeflacht. Bei


Akkomodationsbreite. Bei einem Fernpunkt im Unendlichen und einem Nahpunkt von 7 cm ist die Akkommodationsbreite bei Kindern demnach 14 Dioptrien (1/Nahpunkt [m]-1/Fernpunkt [m] = 1/0,07-1/∞ = 14 - 0). Im Alter nimmt freilich die Akkommodationsbreite ab (. Abb. 17.3).

17.1.5

Pupille

! Die Pupillen können über ihre Weite den Lichteinfall in das Auge regulieren

Beleuchtung. Die Afferenzen aus der Retina dienen nicht

. Abb. 17.3. Refraktionsanomalien. Brechung von Lichtstrahlen bei Kurzsichtigkeit (Myopie), bei Weitsichtigkeit (Hyperopie) und Astigmatismus, jeweils vor und nach Korrektur mit entsprechender Linse

Kontraktion des Musculus ciliaris (über parasympathische Fasern) wird der Zug der Zonulafasern herabgesetzt, die Linse zieht sich aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften zusammen und die Linsenkrümmung nimmt zu. Die Linse ist so in der Lage, ihre Krümmung und damit ihren Brechwert bei Betrachten naher Gegenstände um bis zu 14 dpt zu steigern. Damit können z. B. normalsichtige Kinder Objekte scharf auf der Retina abbilden, die nur (1/14) m ≈7 cm vom Auge entfernt sind. Fernakkommodation. Erschlaffung des Musculus ciliaris bei Fernakkommodation führt zur Abflachung der Linse. Das gesunde Auge kann bei Fernakkomodation parallel einfallende Strahlen auf der Netzhaut vereinigen (Fernpunkt im Unendlichen).

nur der Wahrnehmung in der Sehrinde, sondern regulieren auch die Pupillenweite. Die Afferenzen aus der Retina gelangen aus dem Tractus opticus zur Area praetectalis des Mittelhirns (7 Kap. 17.3.2) und von dort über parasympathische Innervation (Edinger-Westphal-Kern, Nervus oculomotorius und Ganglion ciliare) zum Sphincter pupillae (. Abb. 14.1). Belichtung führt zur Aktivierung, Dunkelheit zur Hemmung des Sphincter pupillae. Im Dunkeln sind die Pupillen demnach weit. Wird ein Auge beleuchtet, dann wird binnen 0,3–0,8 s nicht nur die Pupille dieses Auges (direkte Reaktion), sondern auch des anderen Auges (konsensuelle Reaktion) verengt. Ist ein Auge blind, dann bleiben bei Beleuchtung dieses Auges beide Pupillen erweitert. Bei Beleuchtung des gesunden Auges reagiert jedoch auch die Pupille des blinden Auges durch konsensuelle Reaktion. Nahakkommodation. Die Pupillenweite wird nicht nur bei zunehmender Leuchtstärke, sondern auch bei Nahakkommodation verengt. Bei Läsionen im Bereich der Area praetectalis bleiben die Pupillen bei Beleuchtung weit, werden jedoch noch durch Nahakkommodation verengt (LichtNah-Dissoziation). Aktivierung des Sympathikus. Der Sympathikus stimuliert

über Hypothalamus, ziliospinales Zentrum des Rückenmarks und Ganglion cervicale superius den M. dilatator pupillae. Bei massiver Sympathikusaktivierung bleibt die Pupille auch unter Lichteinfluss erweitert. Bei Läsion des Ganglion cervicale superius ist die Pupille verengt (Miosis). Gleichzeitig ist durch Wegfall der entsprechenden sympathischen Innervation die Lidspalte schmal (Ptose) und der Augapfel eingesunken (Enophthalmus), man spricht von einem Horner-Syndrom.

17

394


17.1.6

Augeninnendruck

! Sekretion und Abfluss von Kammerwasser bestimmen den Augeninnendruck

Regulation der Sekretion. Die Tränensekretion wird über parasympathische Fasern aus dem Ganglion pterygopalatinum stimuliert, die zentralen Neurone liegen im Hirnstamm (Pons) und stehen unter dem Einfluss von nozizeptiven Afferenzen aus dem Auge sowie u. a. vom limbischen System.

Bildung und Abfließen von Kammerwasser. Das Kammer-

wasser wird durch ein Epithel in den Ziliarfortsätzen gebildet, fließt in die vordere Augenkammer und gelangt über das Trabekelwerk des Kammerwinkels in den SchlemmKanal. Der Augeninnendruck (ca. 10– 20 mmHg) ist das Ergebnis des Gleichgewichtes von Kammerwasserproduktion (ca. 3 µl/min) in den Ziliarfortsätzen und Kammerwasserabfluss in den Schlemm-Kanal. Glaukom. Eine Steigerung des Augeninnendrucks kann Folge gesteigerter Kammerwasserproduktion (selten) oder beeinträchtigten Abflusses (häufig) sein. Ein gesteigerter Innendruck ist wiederum der wichtigste Risikofaktor für das Auftreten eines Glaukoms, einer Optikusneuropathie, die freilich auch bei normalem Augeninnendruck auftreten kann. Bei Erweiterung der Pupille (7 Kap. 17.8) wird der Schlemm-Kanal teilweise verlegt und der Abfluss beeinträchtigt. Pupillenerweiterung (z. B. durch Verabreichung von Atropin) kann daher einen Glaukomanfall auslösen. Der Augendruck ist an der Verformung der Kornea bei definierter Krafteinwirkung erkennbar (Tonometrie).

17.1.7

Tränen

! Tränen schützen die Hornhaut vor Austrocknen und Infektionen

Bildung, Abfluss. Tränen werden in den Tränendrüsen produziert (ca. 1 ml/Tag) und fließen über die Tränenpünktchen, Tränensack und Tränennasengang ab. Ferner wird Schleim durch Becherzellen gebildet. Zusammensetzung, Aufgabe. Die Tränen weisen eine hö-

17

here K+- und geringere Na+-Konzentration auf als Plasma. Da CO2 abdiffundiert und unter H+-Verbauch aus HCO–3 nachgebildet wird, ist die Tränenflüssigkeit etwas alkalisch. Die Tränen bilden einen Flüssigkeitsfilm an der Oberfläche, der geringfügige Unebenheiten der Kornea ausgleicht und daher ihre optischen Eigenschaften verbessert. Tränenflüssigkeit enthält Glukose, die von den oberflächlichen Korneaepithelzellen verstoffwechselt wird. Tränen enthalten ferner IgA Antikörper und eine Reihe antibakteriell wirksamer Proteine.

17.1.8

Augenmotorik

! Durch Bewegungen der Augen wird erreicht, dass die jeweils interessierenden äußeren Objekte foveal abgebildet werden.

Vergenzbewegungen. Die Vergenzbewegungen werden

eingesetzt, um die Augenachsen bei Fixierung von Objekten in der Nähe (Konvergenz) oder in der Ferne (Divergenz) beidseitig foveal abbilden zu können. Die Konvergenz ist normalerweise mit einer stärkeren Krümmung der Augenlinse und einer Verengung der Pupille verknüpft. Folgebewegungen. Die Folgebewegungen dienen der

vorübergehenden Fixierung eines bewegten Objektes in der Fovea. Die Folgebewegungen können eine Geschwindigkeit von bis zu 100°/s erreichen. Sakkaden. Die Sakkaden sind schnellere Augenbewegungen (bis zu 700°/s), die normalerweise ein neues Objekt in der Fovea abbilden sollen. Optokinetischer Nystagmus. Der Optokinetische Nystagmus wird eingesetzt, um stabile Bilder auf der Netzhaut zu halten, während sich die Umwelt relativ zum Betrachter bewegt. Betrachtet man beispielsweise eine Landschaft aus einem fahrenden Zug, dann wird ein Objekt (z. B. eine Kuh) in der Landschaft foveal abgebildet und durch eine Folgebewegung ihr Bild auf der Netzhaut stabilisiert. Vor maximaler Auslenkung der Augen wird durch eine Sakkade in Fahrtrichtung des Zuges ein neues Objekt (z. B. ein Baum) foveal abgebildet und erneut durch Folgebewegung stabilisiert. Die Richtung des Nystagmus wird nach der schnellen Komponente benannt, also nach der Richtung, in die sich die Person bewegt. Drehnystagmus. Bei Drehen des Kopfes wird durch Reizung des Gleichgewichtsorgans ein Nystagmus ausgelöst, der normalerweise erreicht, dass trotz Drehen des Kopfes die unbewegte Umgebung auf der Netzhaut stabil abgebildet wird. Dabei werden, wie beim optokinetischen Nystag-


mus, durch Sakkaden jeweils neue Objekte foveal abgebildet. Bei Reizung des Gleichgewichtsorgans ohne Drehen des Kopfes wird ein inadäquater optokinetischer Nystagmus ausgelöst. Folglich wandert das Bild auf der Netzhaut und es entsteht der Eindruck, dass sich die Umgebung dreht (7 Kap. 15.7.2). Augenrotationen. Torsionale Augenbewegungen werden

zur Stabilisierung der Netzhautbilder bei Neigen des Kopfes benötigt. Äußere Augenmuskeln. Die Augenbewegungen werden durch die Augenmuskeln durchgeführt (. Abb. 17.4). Die Musculi recti medialis und lateralis bewegen die Augen in der Horizontalebene nach innen (Adduktion) bzw. nach außen (Abduktion). Die Musculi rectus superior und obliquus inferior heben die Augen, die Musculi rectus inferior und obliquus superior senken die Augen. Darüber hinaus haben die Musculi recti und obliqui superior und inferior noch rotierende, adduzierende und/oder abduzierende Wirkungen (. Abb. 17.4). Innervation der Augenmuskeln. Sie wird durch den Nervus oculomotorius (Musculi recti superior, inferior und medialis, Musculus obliquus inferior), Nervus trochlearis (Musculus obliquus superior) und Nervus abducens (Musculus rectus lateralis) vermittelt. Steuerung der Augenmotorik. Sie wird von mehreren Hirnarealen gewährleistet: Die Colliculi superiores vermitteln in erster Linie die Anpassung der Augenbewegungen an die Netzhautbilder. Darüber hinaus erhalten sie akustische und somatosensorische Afferenzen. Über die parapontine retikuläre Formation und den rostralen interstitiellen Kern des medialen longitudinalen Fazikels beeinflussen sie die Augenmuskelker-

. Abb. 17.4. Zugrichtung und Innervation (Hirnnerven III, IV, VI) der Augenmuskeln

ne. Sie ermöglichen über Sakkaden die Fixierung neuer Objekte. Sie vermitteln somit die foveale Abbildung von interessierenden Objekten, die optisch (zunächst in der Netzhautperipherie) akustisch oder somatosensorisch wahrgenommen werden. Über Vestibulariskerne und die parapontine retikuläre Formation beeinflussen das Gleichgewichtsorgan und das Kleinhirn die Augenmotorik. Über Prätektum und Colliculi superiores steuert das frontale Augenfeld (Area 8) die Augenbewegungen, um die foveale Abbildung interessierender Objekte zu erzielen. Parietotemporale Assoziationsareale wirken bei der Steuerung von Folgebewegungen und des optokinetischen Nystagmus mit. Störungen der Augenmotorik. Sie treten bei Fehlfunkti-

on der Augenmuskeln, der Nerven oder der steuernden Hirnstrukturen auf. Folgen sind je nach Läsion Schielen oder fehlerhafte Augenbewegungen (z. B. Nystagmus, 7 Kap. 15.7.2).

In Kürze

Dioptrischer Apparat Physikalische Grundlagen 4 Sichtbares Licht 400–750 nm; Brechung an Grenzflächen umso stärker, je schräger Licht einfällt und je größer Verhältnis der Brechzahlen der angrenzenden Medien. Parallele Strahlen werden hinter einer Linse im Brennpunkt vereinigt. Linsenradius p o Brechung n o Brennweite (f ) p o Brechwert n in Diopt6

rien (D): D=1/f. Verbindungslinie zwischen Brennpunkten = optische Achse. Strahlen werden an vorderer und hinterer Hauptebene gebrochen. Strahlen von einem Punkt vereinigen sich hinter dem hinteren Brennpunkt und erzeugen damit ein Abbild des Punktes. Die Gerade zwischen Objekt und jeweiligem Abbild kreuzt die optische Achse im Knotenpunkt

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396


4 Farben: Kurzwellige Strahlen blau, langwellige rot. Kurzwellige werden stärker als langwellige Strahlen gebrochen. Je weniger weiß eine Farbe enthält, desto stärker ist sie gesättigt (Farbsättigung) 4 Licht durch zwei Filter unterschiedlicher spektraler Absorption = Subtraktive Farbenmischung 4 Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge auf eine Fläche = Additive Farbenmischung 4 Weiß erscheint nach Betrachten einer Farbe in der Komplementärfarbe = Sukzessivkontrast 4 Fläche erscheint um so heller, je dunkler angrenzende Fläche ist = Simultankontrast Auge als optisches System 4 Gesamtbrechwert des fernakkommodierten Auges ≈58 Dioptrien (dpt), Gesamtbulbuslänge ≈24,4 mm, Abstand Knotenpunkt zu Retina ≈17 mm; Im Vergleich zu Luft (=1) beträgt die Brechzahl Kornea ≈1,38, Kammerwasser ≈1,34, Linse ≈1,41. Brechwert Kornea (≈43– 3 dpt), Linse 19 dpt fernadaptiert, 33 dpt nahadaptiert Abbildungsfehler 4 Myopie: Brechwert n (Brechungsmyopie, selten) oder Augenbulbus zu lang (Achsenmyopie) o Korrektur erfordert Zerstreuungslinse (K[dpt]) = -1/FP[m]) 4 Hyperopie: Augenbulbus zu kurz (Achsenhyperopie) oder Brechwert p (Brechungshyperopie) o Sammellinse 4 Presbyopie: maximale Linsenkrümmung bei Nahakkommodationp o Lese(sammel)linse 4 Regulärer Astigmatismus: Krümmungsradien in horizontaler und vertikaler Achse verschieden o Zylinderlinsen 4 Schiefer Astigmatismus: Achsen stehen schräg zueinander o Kontaktlinsen 4 Irregulärer Astigmatismus: Hornhautoberfläche unregelmäßig o Kontaktlinsen 4 Schluss Augenlider o O2 po Transport p o Wassergehalt n o Transparenz Kornea p o Sicht nach Aufstehen p; Diabetes mellitus, Alter o Transparenz p (Katarakt, grauer Star)

17

Akkomodation 4 Nahakkommodation: Parasympathikus o Musculus ciliaris o Linsenkrümmung n o bis zu +14 dpt 6

4 Fernakkommodation: Abflachung durch Zug von am Linsenäquator ansetzenden Zonulafasern 4 Akkomodationsbreite: 1/Nahpunkt [m] - 1/Fernpunkt [m] ≈14-0 (normalsichtige Kinder) Pupille 4 Beleuchtung o Afferenzen aus Retina o Tractus opticus o Area praetectalis o Edinger-Westphal-Kern, Nervus oculomotorius, Ganglion ciliare o Sphincter pupillae no Pupillenverengung (direkt und konsensuell) 4 Nahakkommodation o Pupillenverengung (bei Läsionen der Area praetectalis nur noch Verengung durch Nahakkommodation, nicht aber Beleuchtung (LichtNah-Dissoziation) 4 Sympathikus o Hypothalamus o ziliospinales Zentrum Rückenmark o Ganglion cervicale superius o M. dilatator pupillae n o lichtstarre weite Pupillen; Läsion Ganglion cervicale superius o Pupille verengt (Miosis), Lidspalte schmal (Ptose), Augapfel eingesunken (Enophthalmus) (Horner-Syndrom) Augeninnendruck 4 Kammerwasser von Epithel in Ziliarfortsätzen gebildet (ca. 3 µl/min) o vordere Augenkammer o Trabekelwerk Kammerwinkel o Schlemm-Kanal; Augeninnendruck (≈10–20 mmHg); Glaukom = Optikusneuropathie wird durch Augeninnendruck n begünstigt; Erweiterung Pupille o Verlegung Schlemm-Kanal o Abfluss p. Messung von Augendruck durch Tonometrie Tränen 4 Limbisches System, nozizeptive Afferenzen o Pons o Ganglion pterygopalatinum (Parasympathikus) o Tränendrüsensekretion ≈1 ml/Tag, Abfluss über Tränenpünktchen, Tränensack, Tränennasengang; Tränen enthalten Glukose (Versorgung Korneaepithelzellen), IgA Antikörper, antibakteriell wirksame Proteine, (im Vergleich zu Blutplasma) K+ n, Na+ p, pH n; Tränen o optische Eigenschaften der Kornea n Augenmotorik 4 Vergenzbewegungen: Zur beidseitigen fovealen Abbildung in Nähe (Konvergenz) + Ferne (Divergenz)

397 17.2 · Signalverarbeitung in der Retina

4 Folgebewegungen: Zur Fixierung eines bewegten Objektes in Fovea (bis zu 100°/s) 4 Sakkaden: Zur Fixierung eines neuen Objektes (bis zu 700°/s) 4 Optokinetischer Nystagmus: Abwechselnd Folgebewegungen und Sakkaden, Richtung wird nach schneller Komponente benannt 4 Drehen des Kopfes o Reizung Gleichgewichtsorgan o Nystagmus 4 Torsionale Augenbewegungen o Stabilisierung Netzhautbilder bei Neigen des Kopfes 4 Äußere Augenmuskeln: Musculi recti medialis und lateralis o Augen in der Horizontalebene nach innen (Adduktion) bzw. außen (Abduktion); Musculi rectus superior und obliquus inferior heben Augen; Musculi rectus inferior und obliquus superior senken Augen; Musculi recti und obliqui superior und inferior rotie-

17.2

Signalverarbeitung in der Retina

17.2.1

Aufbau der Retina

4

4 4

4

rende, adduzierende und/oder abduzierende Wirkungen. Innervation: N. oculomotorius (Musculi recti superior, inferior und medialis, Musculus obliquus inferior), N. trochlearis (Musculus obliquus superior), N. abducens (Musculus rectus lateralis) Netzhautbilder, akustische und somatosensorische Afferenzen o Colliculi superiores o parapontine retikuläre Formation o rostraler interstitieller Kern mediales longitudinales Fazikel o Augenmuskelkerne o Sakkaden o Fixierung neuer Objekte Gleichgewichtsorgan, Kleinhirn o Vestibulariskerne, parapontine retikuläre Formation o Augenmotorik Frontales Augenfeld (Area 8), Parietotemporale Assoziationsareale o Prätektum, Colliculi superiores o Augenbewegungen Fehlfunktion Augenmuskeln, Nerven, steuernde Hirnstrukturen o Schielen, Nystagmus

! Photorezeptoren geben ihre Information über Bipolarzellen an die Ganglienzellen weiter. Amakrine- und Horizontalzellen dienen der Vernetzung

Aufbau der Retina. Die Retina ist von einem Pigmentepi-

thel ausgekleidet (. Abb. 17.5). In das Pigmentepithel ragen die lichtempfindlichen Außensegmente der Photorezeptoren. Die Innensegmente der Photorezeptoren stehen in synaptischer Verbindung mit den Bipolarzellen, die auf der anderen Seite mit den Ganglienzellen verknüpft sind. Horizontalzellen bilden Querverknüpfungen zwischen Photorezeptoren, Amakrine Zellen zwischen Bipolarzellen und Ganglienzellen. Durch die Verschaltung werden rezeptive Felder geschaffen (. Abb. 17.5). Ein rezeptives Feld ist derjenige Bereich, von dem aus die Aktivität einer Ganglienzelle beeinflusst werden kann (7 Kap. 17.2.3). Zwischen den neuronalen Zellen liegen noch die retinalen Gliazellen (Müller-Zellen). Die Axone der Ganglienzellen vereinigen sich in der Papille zum Nervus opticus. Da in der Papille keine Photorezeptoren sind, kann dort kein Licht wahrgenommen werden (blinder Fleck).

. Abb. 17.5. Aufbau der Retina (oben) und rezeptive Felder (unten). Gelb: Ganglienzellen, braun: Amakrine Zellen, blau: Horizontalzellen, rosa: Bipolarzellen, grau: Stäbchen, rot, grün, blau: Zapfen (nach Grüsser und Grüsser-Cornehls aus Schmidt et al.)

17

398


Photorezeptoren. Rezeptoren der Retina (Netzhaut) sind die Stäbchen (ca. 120 Mio.) und drei verschiedene Typen von Zapfen (ca. 6 Mio.). Die Stäbchen vermitteln Dämmerungssehen (skotopisches Sehen), die Zapfen das Tagessehen (Farbensehen, photopisches Sehen). Die Innensegmente der Photorezeptoren enthalten den Zellkern. Die Außensegmente der Photorezeptoren enthalten tausende kleine Membranscheibchen. Sie werden täglich erneuert und die Reste von den Pigmentepithelzellen phagozytiert. Bei eingeschränkter Phagozytosefähigkeit der Pigmentzellen kommt es zum Untergang der Photorezeptoren (Retinitis pigmentosa). Netzhautspiegelung. Mit direkter oder indirekter Ophthalmoskopie bzw. Fundusskopie (. Abb. 17.6) lässt sich die Retina betrachten. Erkennbar ist dabei vor allem die Papilla nervi optici mit dem Nervus opticus und den aus- bzw. eintretenden Gefäßen (. Abb. 17.6) sowie die Fovea centralis bzw. Macula lutea (gelber Fleck).

17.2.2

Transduktionsprozess

! Aktivierung von Rhodopsin führt zum Abbau von cGMP und damit zur Hemmung cGMP-abhängiger depolarisierender Kanäle

17

Aktivierung von Rhodopsin und cGMP-Bildung. In den Membranscheibchen des Außensegmentes der Stäbchen (Dämmerungs- bzw. skotopisches Sehen) sind Rhodopsinmoleküle eingebaut, Membranproteine, die den Chromophor 11-cis-Retinal enthalten. Bei Einfall von Licht wandelt sich 11-cis-Retinal in All-trans-Retinal um, das Rhodopsinmolekül aktiviert das G-Protein Transducin, das wiederum eine cGMP spaltende Phosphodiesterase stimuliert (. Abb. 17.7). Die Konzentration an cGMP sinkt und dadurch wird ein Na+- und Ca2+-permeabler Kationenkanal geschlossen, der in Dunkelheit durch cGMP offen gehalten wird (depolarisierender Dunkelstrom). Der Verschluss des Kationenkanals führt zur Hyperpolarisation, da nun der Einfluss der ständig offenen K+-Kanäle überwiegt. Die Hyperpolarisation hemmt wiederum die Ausschüttung von Glutamat. Ca2+ wird durch einen Na+/Ca2+-Austauscher (im Außensegment), Na+ durch eine Na+/K+-ATPase (im Innensegment) aus der Zelle transportiert. Bei Hemmung der Kationenkanäle sinkt die intrazelluläre Ca2+-Konzentration. Dadurch wird eine Ca2+-hemmbare Guanylatzyklase enthemmt und vermehrt cGMP gebildet. Damit wird

. Abb. 17.6. Ophthalmoskopie. A: Strahlengang bei direkter Ophthalmoskopie (G = Gegenstand, B´ = Bild im Auge des Arztes, B = virtuelles Bild) B. Strahlengang bei indirekter Ophthalmoskopie. Linse (+15 dpt) ca. 50 cm vor dem Auge des Arztes. (B = umgekehrtes, reelles Bild) C. Photographie des Augenhintergrundes (rechtes Auge): A = Äste der A. centralis retinae, V = Äste der Vv. centralis retinae, P 0 Papilla nervi optici, F = Fovea centralis (nach Eysel und GrüsserCornehls aus Schmidt et al.)

bei anhaltendem Lichteinfall die Lichtempfindlichkeit herabgesetzt. Bei Unterbrechung des Lichteinfalls kommt es wieder zu schneller Zunahme der cGMP-Konzentration und des Dunkelstroms. Ein Rhodopsinmolekül kann viele Transducinmoleküle aktivieren, und eine Phosphodiesterase viele cGMP spalten. Letztlich kann ein Photon den Einstrom von einer Million Kationen hemmen. Der Transduktionsmechanismus dient somit als mächtiger Signalverstärker. Der Transduktionsprozess in Zapfen (Tages- bzw. photopisches Sehen) ist mit dem Transduktionsprozess der Stäbchen vergleichbar, statt Rhodopsin setzen die Zapfen jedoch ein anderes Protein ein (Zapfenopsine).


. Abb. 17.7. Zelluläre Mechanismen der Photorezeption. Durch Licht wird Rhodopsin (R) umgelagert (M-R), und aktiviert über ein G-Protein (G) eine Phosphodiesterase, die cGMP zu GMP abbaut. Damit wird ein cGMPaktivierter Kationenkanal gehemmt, der im Dunkeln die Zellmembran depolarisiert und so die Transmitterausschüttung stimuliert

Nachtblindheit. 11-cis-Retinal entsteht aus Vitamin A. Bei

Vitamin-A-Mangel ist die Bildung des Sehfarbstoffs in Stäbchen und Zapfen eingeschränkt, die Lichtwahrnehmung ist vor allem bei geringer Lichtintensität eingeschränkt, man spricht daher von Nachtblindheit (Hemeralopie).

17.2.3

Neuronale Verarbeitungsprozesse

! In der Retina erfolgt nicht nur die Umwandlung von Licht in Änderungen des Membranpotenzials von Photorezeptoren, sondern bereits eine erste neuronale Verarbeitung der optischen Information

Neuronale Verschaltungen in der Retina. Das Membran-

potenzial der Photorezeptoren reguliert die Ausschüttung von Glutamat, das die folgenden Bipolarzellen beeinflusst. Ein Teil der Bipolarzellen wird bei Lichteinfall depolarisiert (on-Bipolarzellen), der andere Teil hyperpolarisiert (off-Bipolarzellen). Über Transmitter beeinflussen die Bipolarzellen wiederum das Membranpotenzial der Ganglienzellen. Eine Depolarisation der Ganglienzellen führt zur Ausbil-

dung von Aktionspotenzialen, die über die Axone der Ganglienzellen weitergeleitet werden. Die Photorezeptoren, Bipolarzellen und Ganglienzellen werden durch Horizontalzellen und amakrine Zellen verknüpft. Diese Verknüpfungen dienen der Bildung von rezeptiven Feldern. Ein rezeptives Feld ist das gesamte Areal, von dem aus eine Ganglienzelle erregt oder gehemmt werden kann. Bei den on-Zentrumfeldern wird die Ganglienzelle durch Beleuchtung des Feldzentrums erregt und durch Beleuchtung der Feldperipherie gehemmt. Bei off-Zentrumfeldern wirkt Beleuchtung des Zentrums hemmend, und Beleuchtung der Peripherie erregend. Durch die antagonistischen Wirkungen von Zentrum und Peripherie entsteht eine kollaterale Hemmung, die zur Kontrastierung beiträgt (7 Kap. 12.5.1). Visus. Die kleinsten rezeptiven Felder in der Fovea centra-

lis bestehen aus einem einzelnen Zapfen im Feldzentrum und aus den unmittelbar benachbarten Zapfen in der Feldperipherie. Die räumliche Auflösung, d. h. die Fähigkeit, zwei getrennte Punkte gerade noch als getrennt wahrnehmen zu können, hängt von der Größe der rezeptiven Felder

17

400


ab. Sie ist in der Fovea centralis normalerweise etwa 5 µm, das entspricht einer Winkelminute (=1/60°). Der Normalsichtige kann damit eine etwa 3 mm breite Lücke in einem Ring (sog. Landolt-Ring) noch im Abstand von 10 m erkennen (Visus = 1). Erkennt man die Lücke erst in einem Abstand von 5 m, dann ist der Visus nur noch 0,5. Die Fovea centralis enthält ausschließlich Zapfen, jedoch keine Stäbchen. Die Dichte der Stäbchen ist parafoveal am höchsten. Mit der Entfernung von der Fovea centralis nimmt die Rezeptordichte (vorwiegend Stäbchen) ab und die Größe der rezeptiven Felder zu. Die räumliche Auflösung nimmt demnach in der Netzhautperipherie ab (. Abb. 17.8). Helligkeitsempfindlichkeit von Zapfen und Stäbchen. Die Zapfen benötigen wegen ihrer hohen Schwelle Tageslicht (photopisches Sehen). Ihre Empfindlichkeit ist bei etwa 500 nm (grün/blau) am größten. Da die Rotzapfen die geringste Empfindlichkeit aufweisen, verschwinden bei Dämmerung zuerst die Rotfarben und bei Dunkelheit wirkt alles bläulich. Bei geringer Leuchtstärke (Mondlicht) wird das Sehen durch die wesentlich empfindlicheren Stäbchen vermittelt (skotopisches Sehen). Die Stäbchen können jedoch keine Farben erkennen (Schwarz/Weiß-Sehen). Bei Tag

17

. Abb. 17.8. Sehschärfe in Abhängigkeit vom Abstand von der Fovea bei photopischem Sehen (Zapfen, rot) und bei skotopischem Sehen (Stäbchen, blau). Darunter der Landolt-Ring zur Bestimmung der Sehschärfe

weist die Fovea die größte Sehschärfe auf, bei geringer Leuchtstärke ist sie jedoch wegen der relativ geringen Empfindlichkeit der Zapfen annähernd blind. Zapfen sind ferner wesentlich schneller als die Stäbchen, d. h. bei kurzdauernden Lichtblitzen werden sie schneller erregt. Dunkeladaptation. Durch Einsatz mehrerer Mechanismen

ist das Auge in der Lage, Bilder ganz unterschiedlicher Leuchtstärken zu verarbeiten. Der Lichteinfall auf die Retina wird durch die Pupillenweite reguliert. Bei großer Leuchtstärke wird binnen Bruchteilen einer Sekunde die Pupille verengt und bei geringer Leuchtstärke die Pupille gleichermaßen schnell vergrößert. Die Pupillenfläche und damit die Menge einfallenden Lichtes kann auf diese Weise um den Faktor von etwa 20 verändert werden. Die Muskeln, welche die Pupillenweite regulieren, stehen unter der Kontrolle der Netzhaut (7 Kap. 17.1.5). Bei Dunkelheit wird 11-cis-Retinal nicht verbraucht und steht damit einer Photoreaktion zur Verfügung. Durch die stärkere Verfügbarkeit von 11-cis-Retinal wird die Photoempfindlichkeit der Rezeptoren gesteigert (photochemische Adaptation). Die Zapfen adaptieren schnell und erreichen ca. 10 min nach Abschalten von Licht ihre maximale Empfindlichkeit. Die Stäbchen benötigen 15 – 20 min, erreichen jedoch letztlich eine wesentlich größere Empfindlichkeit. Der Übergang von Zapfensehen in das Stäbchensehen erzeugt einen Knick in der Adaptationskurve (Kohlrausch-Knick, . Abb. 17.9). Da die Stäbchen ihre größte spektrale Empfindlichkeit bei 500 nm aufweisen, werden sie durch grün/blaues Licht auch am meisten geblendet. Durch Verwendung von gelbem oder rotem Licht z. B. im Straßenverkehr kann somit die Blendung der Stäbchen herabgesetzt werden. Die Adaptation wird schließlich teilweise durch Anpassung neuronaler Verschaltung an die Leuchtstärke erzielt. Über dopaminerge amakrine Zellen hemmen Zapfen bei großer Leuchtstärke die Weiterleitung der Erregung aus den Stäbchen. Darüber hinaus wird die Verschaltung der rezeptiven Felder der Helligkeit angepasst. Bei geringer Leuchtstärke nimmt das Zentrum des rezeptiven Feldes auf Kosten der Peripherie zu. Folge ist neben einer Zunahme der Empfindlichkeit eine Abnahme der räumlichen Auflösung. Elektroretinogramm. Bei Belichtung der Retina können

zwischen der Kornea und einer indifferenten Elektrode an der Stirn Potenzialschwankungen abgegriffen werden (Elektroretinogramm). Kurze Belichtung löst zunächst eine


. Abb. 17.9. Dunkeladaptation. Adaptation von Zapfen (rot) und Stäbchen (blau). Aufgetragen ist (in logarithmischer Skala!) die Schwellenreizstärke in Abhängigkeit von der Zeit nach Wechsel von Licht zu Dunkelheit. Die Stäbchen erreichen niedrigere Schwellenwerte, adaptieren jedoch langsamer als die Zapfen. Bei weißem Licht (das Zapfen und Stäbchen erregt) entsteht dadurch bei Übergang von Zapfensehen in das Stäbchensehen der sog. Kohlrausch-Knick

a-Welle durch die Potenzialänderung an den Rezeptoren aus, gefolgt von einer b-Welle durch Erregung der nachgeschalteten Zellen und einer c-Welle durch Potenzialänderungen über das Pigmentepithel. Bei Löschen des Lichtes entsteht eine d-Welle durch Erregungsumkehr. Bei Erkrankungen der Retina können frühzeitig Veränderungen des Elektroretinogramms auftreten. Durch das in der Retina erzeugte Potenzial wirkt das Auge wie ein Dipol. Mit den Augen bewegt sich der Dipol und durch Abgreifen der Potenzialdifferenz zwischen den beiden Schläfen lassen sich daher Augenbewegungen verfolgen.

17.2.4

Retinale Mechanismen des Farbensehens

! Die Fähigkeit, Farben zu sehen, ist an die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit der Zapfen gebunden

Farbempfindlichkeit der Zapfen. Die Farbstoffe der Blau-,

Grün- und Rotzapfen weisen jeweils unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit auf (Maximum bei 440, 535 und 567 nm, . Abb. 17.10). Daher wird Licht verschiedener Wellenlänge von den verschiedenen Zapfentypen unter-

. Abb. 17.10. Spektrale Empfindlichkeit unterschiedlicher Zapfen (blau, grün, rot) und der Stäbchen (schwarz). Angegeben ist die relative Schwellenlichtintensität. Beachte den logarithmischen Maßstab der Ordinate

schiedlich gut wahrgenommen und Unterschiede in der Erregung der verschiedenen Zapfentypen zeigen die jeweilige Farbe an. Die spektrale Eigenschaft des einfallenden Lichtes wird in der Retina durch Vergleich der Aktivierung unterschiedlicher Zapfentypen analysiert, wobei Farbtüchtige anhand von Farbton, Helligkeit und Sättigung ca. 10 Millionen unterschiedliche Farben unterscheiden können. Dabei kann der Eindruck einer bestimmten Farbe durch verschiedenste Kombinationen an Licht unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt werden. Farbkonstanz. Bunte Gegenstände können bei Kunstlicht

(fast) so wie bei natürlichem Sonnenlicht wahrgenommen werden, obgleich die spektrale Eigenschaft der Farben durch die unterschiedliche spektrale Eigenschaft der Beleuchtung verfälscht sein sollte. Eine Ursache für diese Farbkonstanz ist die Adaptation der Zapfen. Farbenblindheit. Mutationen der Gene für die Farbstoffe der Blau-, Grün- und Rotzapfen beeinträchtigen das Farbensehen. Ein teilweiser bzw. völliger Ausfall der jeweiligen Farbstoffe führt zur Rotschwäche (Protanomalie) bzw. Rotblindheit (Protanopie), Grünschwäche (Deuteranomalie) bzw. Grünblindheit (Deuteranopie) oder Blauschwäche (Tritanomalie) bzw. Blaublindheit (Tritanopie). Da die Gene für den Rot- und Grünfarbstoff auf dem X-Chromosom liegen, sind sehr viel mehr Männer als Frauen von einer Rot-Grün-Blind-

17

402


heit betroffen. Bei Ausfall aller Zapfen fehlt nicht nur der Farbensinn, sondern auch die Sehschärfe ist massiv eingeschränkt, da der Patient nur noch mit den Stäbchen sehen

kann (Stäbchenmonochromasie). Die Farbentüchtigkeit kann mit Tafeln getestet werden, in denen die Zahlen nur mit Hilfe der entsprechenden Zapfen richtig erkannt werden.

In Kürze

Signalverarbeitung in der Retina

17

o rezeptive Felder (Bereich, von dem aus die Aktivität Aufbau der Retina einer Ganglienzelle beeinflusst werden kann) on-Zen4 Pigmentepithel: lichtempfindliche Außensegmente der trumfeld: Beleuchtung im Zentrum stimuliert, in PeriphePhotorezeptoren, deren Innensegmente synaptisch verrie hemmt Ganglienzelle; off-Zentrumfeld umgekehrt knüpft mit Bipolarzellen, diese verknüpft mit Gang4 Visus: Kleinste rezeptive Felder in Fovea centralis (1 Zaplienzellen. Querverknüpfungen zwischen Photorezepfen Feldzentrum und unmittelbar benachbarte Zapfen in toren durch Horizontalzellen, zwischen Bipolarzellen Feldperipherie). Räumliche Auflösung ≈5 µm ≈1/60° und Ganglienzellen durch Amakrine Zellen. Retinale Glia≈3 mm breite Lücke in Landolt-Ring im Abstand von zellen (Müller-Zellen). Axone der Ganglienzellen vereinigen sich in Papille zum Nervus opticus (blinder Fleck) 10 m, Visus = 1 [Abstand 5 m Visus = 0,5]. Fovea centralis 4 Photorezeptoren: Stäbchen (≈120 Mio, skotopisches ausschließlich Zapfen, Stäbchendichte parafoveal am Sehen), drei verschiedene Zapfentypen (≈6 Mio, photohöchsten, nimmt zur Netzhautperipherie ab 4 Zapfen o photopisches Sehen (Tageslicht), Empfindpisches Sehen). Innensegmente Zellkern, Außenseglichkeit bei ≈500 nm (grün/blau) am größten. Stäbchen mente Membranscheibchen (täglich erneuert, Reste von o skotopisches Sehen (Dämmerung, Schwarz/Weiß). Pigmentepithel phagozytiert; eingeschränkte PhagozyZapfen schneller als Stäbchen tosefähigkeit o Retinitis pigmentosa). 4 Netzhautspiegelung: Direkte oder indirekte Ophthal4 Dunkeladaptation o Pupillenweite n (≈20-fach), 11-cismoskopie bzw. Fundusskopie Retinal n (photochemische Adaptation, Zapfen ≈10 min, Stäbchen ≈15–20 min nach Blendung maximale EmpfindTransduktionsprozess lichkeit). Übergang Zapfensehen in Stäbchensehen o Kohlrausch-Knick. Stäbchen durch 500 nm (grün/ 4 Licht o Stäbchen o 11-cis-Retinal in All-trans-Retinal blau) am stärksten geblendet; Anpassung neuronale o Rhodopsin n o G-Protein Transducin n o PhosphoVerschaltung: Geringe Leuchtstärke o Zentrum n, Peridiesterase o cGMP p o Na+- und Ca2+-permeabler pherie p rezeptives Feld o Empfindlichkeit n, räumliche Kationenkanal p o Hyperpolarisation o Ausschüttung Auflösung p von Glutamat p 4 Kationenkanal p o Ca2+-Einstrom p (Na+ o Na+/K+-ATPa- 4 Elektroretinogramm: Belichtung o Potenzial zwischen se, Ca2+ o Na+/Ca2+-Austauscher) o Ca2+-KonzentraKornea und Stirn o a-Welle (Rezeptoren) o b-Welle tion p o Guanylatzyklase n o cGMP n o Lichtempfind(nachgeschaltete Zellen) o c-Welle (Pigmentepithel); lichkeit p Licht-Löscheno d-Welle; Auge = Dipol o Augenbewe4 Unterbrechung Lichteinfall o cGMP n o Kationengungen o Potenzialänderungen kanal n (Dunkelstrom) o Ca2+-Konzentration n o Guanylatzyklase po cGMP no Sensitivität n Retinale Mechanismen des Farbensehens 4 Zapfen statt Rhodopsin Zapfenopsine 4 Farbstoffe Blau-, Grün- und Rotzapfen Empfindlichkeits4 Vitamin-A-Mangel o Bildung 11-cis-Retinal p o Nachtmaximum bei 440, 535 und 567 nm; ≈10 Millionen unterblindheit (Hemeralopie) schiedliche Farben (Farbton, Helligkeit, Sättigung) Farbenblindheit: Mutationen der Gene für die Farbstoffe der Blau-, Grün- und Rotzapfen o Rotschwäche/blindheit Neuronale Verarbeitungsprozesse (Protanomalie/anopie), Grünschwäche/blindheit (Deu4 Photorezeptoren o Glutamat o Depolarisation onteranomalie/anopie), Blauschwäche/blindheit (TritanoBipolarzellen, Hyperpolarisation off-Bipolarzellen, malie/anopie). Rot- und Grünfarbstoff auf X-Chromosom o Ganglienzellen o Aktionspotenziale 4 Verknüpfung Photorezeptoren, Bipolarzellen und Gango M >> W rot-grün-blind; Ausfall aller Zapfen o Stäblienzellen durch Horizontalzellen und amakrine Zellen chenmonochromasie)

403 17.3 · Zentrale Repräsentation des visuellen Systems

17.3

Zentrale Repräsentation des visuellen Systems

17.3.1

Gesichtsfeld

! Die Gesamtheit des im Auge abgebildeten Raumes ist das Gesichtsfeld

Perimetrie. Zur Prüfung der Funktionsfähigkeit der verschiedenen Netzhautareale wird das Gesichtsfeld bestimmt (. Abb. 17.11). Dazu fixiert die untersuchte Person mit einem Auge das Zentrum des halbkugelförmigen Perimeters, und es werden an verschiedenen Punkten Lichtreize angeboten. Die Ergebnisse werden in eine Karte eingetragen. Farben und Bewegungen im Gesichtsfeld. In der Periphe-

rie wird Licht vorwiegend durch farbunempfindliche Stäbchen mit großen rezeptiven Feldern aufgenommen. Die Peripherie ist also verschwommen und wenig farbig. Dafür werden bewegte Objekte in der Peripherie relativ gut wahrgenommen. Damit werden Gefahren (ein heranrasendes Auto) früher erkannt. Gesichtsfeldausfälle. Bei Läsionen in einem Netzhautareal

wird der Lichtreiz in dem entsprechenden Bereich des Gesichtsfeldes nicht wahrgenommen (Skotom). Lichtreize, die auf die Macula nervi optici treffen, werden auch vom Normalsichtigen nicht erkannt (blinder Fleck, etwa 15° temporal vom Fixationspunkt . Abb. 17.11). Gesichtsfeldausfälle entstehen nicht nur bei Schädigung der Netzhaut, sondern auch bei Läsionen in der Sehbahn (. Abb. 17.12).

. Abb. 17.11. Gesichtsfeld. Links: Bestimmung des Gesichtsfeldes, Rechts: Gesichtsfeld des linken (rot) und des rechten (blau) Auges bei

. Abb. 17.12. Die Sehbahn (links) und Gesichtsfeldausfälle (rechts) bei Läsionen der Sehbahn. Beachte, daß die Afferenzen zur Area prätectalis vor dem Corpus geniculatum laterale abzweigen. Läsionen im Corpus geniculatum und nachgeschalteten Neuronen beeinträchtigen daher nicht die Pupillenreaktion

17.3.2

Verlauf der Sehbahn

! Afferenzen aus nasalen, nicht aber aus temporalen Netzhautabschnitten kreuzen, foveale Afferenzen werden zur Sehrinde beider Seiten weitergeleitet

Verlauf der Sehbahn. Die Informationen aus beiden Augen

werden über die Sehbahn zur Sehrinde weitergeleitet (. Abb. 17.11). Dabei kreuzen im Chiasma opticum die Axone aus den nasalen Hälften der Retina, während die

einem Gesunden. BF = blinder Fleck (nach Grüsser und Grüsser-Cornehls aus Schmidt et al.)

17

404


Axone aus den temporalen Anteilen ungekreuzt weiterlaufen. Nach dem Chiasma opticum laufen die Axone als Tractus opticus weiter. Ein Teil der Fasern (v. a. aus den magnozellulären Ganglienzellen, 7 Kap. 17.4.2) projiziert zu den Colliculi superiores und die prätectale Region. Die Kerne dienen der Steuerung von Augenbewegungen, vor allem zur Erreichung fovealer Abbildung interessierender Objekte. Der größte Teil der Fasern projeziert jedoch in das Corpus geniculatum laterale des Thalamus. Vom Corpus geniculatum laterale gelangen die Afferenzen über die Radiatio optica zur Sehrinde im Occipitallappen. Läsionen der Sehbahn (. Abb. 17.12). 4 Eine Läsion im temporalen Bereich der Retina des lin-

ken Auges führt zu einem Gesichtsfeldausfall dieses Auges auf der rechten Seite

4 Eine Unterbrechung des Sehnerven des linken Auges

hat den Ausfall des gesamten Gesichtsfeldes zur Folge 4 Eine Unterbrechung der Leitung im Chiasma opticum betrifft v. a. die kreuzenden Fasern, bei beiden Augen ist der laterale Anteil des Gesichtsfeldes ausgefallen (»Scheuklappenblindheit«, bitemporale Hemianopsie) 4 Eine Unterbrechung des Tractus opticus links hat in beiden Augen den Ausfall der rechten Gesichtsfeldhälfte zur Folge 4 Unterbrechungen in der Radiatio optica und in der primären Sehrinde führen zu weiteren charakteristischen, von der Lokalisation abhängigen Gesichtsfeldausfällen

In Kürze

Zentrale Repräsentation des visuellen Systems Gesichtsfeld 4 Bestimmung des Gesichtsfeldes o Perimetrie; Peripherie farbunempfindliche Stäbchen mit großen rezeptiven Feldern o verschwommen, unfarbig, aber empfindlich für bewegte Objekte; Gesichtsfeldausfälle = Skotome (Schädigung Netzhaut, Sehbahn); Macula nervi optici = blinder Fleck Verlauf der Sehbahn 4 Axone aus den nasalen Retinahälften kreuzen (temporale kreuzen nicht) im Chiasma opticum o Tractus

17.4

Informationsverarbeitung in der Sehbahn

17.4.1

Verschaltung der Sehbahn

opticus; kleiner Teil o Colliculi superiores, prätectale Region o Augenbewegungen; größter Teil o Corpus geniculatum laterale o Radiatio optica o Sehrinde (Occipitallappen) 4 Läsionen: Temporale Retina links o Gesichtsfeldausfall linkes Auge rechts; Sehnerv linkes Auge o Ausfall gesamtes Auge; Unterbrechung Chiasma opticum o »Scheuklappenblindheit« (bitemporale Hemianopsie), Unterbrechung Tractus opticus links o beide Augen Ausfall rechte Gesichtsfeldhälfte

auch stärker repräsentiert als die Netzhautperipherie. Etwa die Hälfte der Neurone im corpus geniculatum laterale repräsentiert foveale Ganglienzellen. Retinotope Organisation. Im Corpus geniculatum laterale

17

! Die Afferenzen bleiben bei der Weiterleitung durch die Sehbahn retinotop organisiert

und in der Radiatio optica sind die Afferenzen streng retinotop organisiert.

Zuordnung korrespondierender Netzhautstellen. Afferen-

Verarbeitungsprozesse in den übertragenden Schaltstellen. Die Übertragung im Corpus geniculatum laterale

zen aus dem linken Gesichtsfeld (nasale Retinahälfte linkes Auge und laterale Retinahälfte rechtes Auge) gelangen über die Radiatio optica in die Sehrinde der rechten Hemisphäre und das rechte Gesichtsfeld wird in der linken Sehrinde abgebildet. Foveal abgebildete Gegenstände werden in die Sehrinden beider Hemisphären projiziert. Die Fovea ist

wird durch mehrere Einflüsse modifiziert (7 Kap. 17.4.3). Insbesondere unterliegt die Weiterleitung von Afferenzen der Kontrolle von efferenten Bahnen aus dem visuellen Cortex.

405 17.4 · Informationsverarbeitung in der Sehbahn

17.4.2

Retina

! Die Retina enthält Ganglienzellen, die auf die Wahrnehmung von Farbe, Helligkeit und Bewegung spezialisiert sind

Form und Farbe. Besonders im Zentrum der Netzhaut liegen Ganglienzellen, die in erster Linie Form und Farben wahrnehmen können. Das rezeptive Feld eines solchen Ganglions enthält beispielsweise ein Zentrum, das durch rot und eine Peripherie, die durch grün aktiviert wird. Die überwiegende Zahl (80%) von Ganglienzellen haben mittlere Zellkörper und kleine, dichte Dendritenfelder (parvozelluläres System). Sie sind tonisch, farbempfindlich und hochauflösend. Eine kleine Gruppe von Ganglienzellen (10%) sind groß und haben ein weit verzweigtes dichtes Dendritenfeld (magnozelluläres System). Sie sind phasisch, kontrastempfindlich und achromatisch. Ein kleine Gruppe von Ganglienzellen ( > Einleitung Das Gehör analysiert und interpretiert Schallwellen. Das Sinnesorgan und die folgende neuronale Verarbeitung sind so leistungsfähig, dass etwa die Töne einzelner Instrumente in einem Orchester erkannt werden. Diese Leistungsfähigkeit war Voraussetzung für die Entwicklung der Sprache als wichtigstes Instrument menschlicher Kommunikation. Dem auditorischen System benachbart und funktionell verwandt ist das Gleichgewichtsorgan, das über Lage und Bewegung des Kopfes informiert.

18.1

Physiologische Akustik

18.1.1

Grundbegriffe

! Schallwellen sind Druckwellen, die sich in Luft mit einer Geschwindigkeit von etwa 330 m/s ausbreiten. Schallintensität wird in Dezibel, Lautstärke in Phon und Lautheit in Sone ausgedrückt

Schalldruckpegel (Dezibel, dB). Bei der Quantifizierung

des Schalldruckes (p) verwendet man ein relatives logarithmisches Maß. Eingesetzt wird der Schalldruck im Verhältnis zu einem Bezugsschalldruck. Bei einem Bezugsschalldruck p0 von 2 · 10-5 N/m2 erhält man die Werte für den Schalldruckpegel L in Dezibel SPL (sound pressure level): L = 10 lg px2/p02 oder L = 20 lg px/p0 [dB SPL]

Bei einer Zunahme des Schalldruckes auf das Doppelte nimmt der Schalldruckpegel L um 6 dB zu (lg2=0,3). Bei zwei Schallquellen addiert sich die Schallenergie (E~p2), nicht der Schalldruck. Erzeugt ein Motorrad z. B. einen Lärm von 60 dB, dann erzeugen zehn solche Motorräder einen Lärm von 70 dB, zwei Motorräder einen Lärm von 63 dB. Phon. Die Empfindlichkeit des Hörorgans ist nicht für alle

Frequenzen gleich. Vielmehr ist die Empfindlichkeit normalerweise bei 4.000 Hertz am höchsten und nimmt zu tieferen und höheren Frequenzen ab (. Abb. 18.1). Töne von weniger als 20 Hertz und höher als 16.000 Hertz werden normalerweise nicht mehr gehört. Um (subjektive) Lautstärken von Tönen unterschiedlicher Frequenzen vergleichen zu können, wurde die Phon-Skala eingeführt. Töne mit gleicher Phonzahl (Isophone) werden gleich laut empfunden. Bei 1.000 Hertz sind die Werte für Phon und Dezibel identisch (. Abb. 18.1). Bei sehr hohen (z. B. 10.000 Hertz) oder niederen (z. B. 100 Hertz) Frequenzen müssen die Töne jedoch wesentlich größere Schalldrücke aufweisen, um gleich laut empfunden zu werden wie Töne von 1.000 Hertz. Sone. Schließlich können Töne noch in einer Lautheitskala

eingestuft werden: Deren Einheit Sone gibt an, um wieviel lauter ein Ton empfunden wird als ein anderer. Bezugspunkt (1 Sone) ist ein Ton von 40 Phon. Ein doppelt so laut empfundener Ton ist 2 Sone, ein dreimal so laut empfundener Ton 3 Sone, etc.

. Abb. 18.1. Hörkurven in dB (SPL) und Phon. Eingezeichnet sind u. a. der Hauptsprachbereich, die Hörschwelle, die Unbehaglichkeitsschwelle und die Schmerzschwelle (nach Zenner aus Schmidt et al.)

411 18.1 · Physiologische Akustik

Hörschwellen. 4 Phon entsprechen der normalen unteren Hörschwelle. Dazu sind je nach Frequenz unterschiedliche Schalldruckpegel erforderlich (. Abb. 18.1). Zwei Töne gleicher Frequenz werden im Bereich von 40 Phon normalerweise als unterschiedlich laut erkannt, wenn sie sich um etwa 1 dB unterscheiden (Unterschiedsschwelle). Töne gleicher Lautstärke werden im Bereich von 1.000 Hertz normalerweise als unterschiedlich hoch erkannt, wenn sie sich in ihrer Frequenz um 3 Hertz unterscheiden (Frequenzunterschiedsschwelle). Allerdings ist die Unterscheidungsfähigkeit bei anderen Lautstärken oder Frequenzen weniger hoch. Die Unbehaglichkeitsschwelle liegt normalerweise bei 110 Phon, die Schmerzschwelle bei 130 Phon.

Weber-Versuch. Wird bei einseitigem Hörverlust der Ton

einer auf die Mitte der Stirn aufgesetzten Stimmgabel auf dem erkrankten Ohr besser gehört als auf dem gesunden Ohr, dann kann es sich nur um eine Schallleitungsschwerhörigkeit handeln. Sprachaudiometrie. Bei Anbieten von normierten Wör-

tern über Tonband kann bei Innenohrschwerhörigkeit wegen der eingeschränkten Frequenzselektivität auch bei Steigerung der Lautstärke kein vollständig normales Wortverständnis erreicht werden.

Wahrnehmung eines allmählich leiser werdenden Tons einer Stimmgabel herangezogen werden. Dieser wird vom kranken Ohr bereits nicht mehr wahrgenommen, wenn der gesunde Untersucher ihn noch sicher hört.

Tonschwellenaudiometrie. Bei der Tonschwellenaudiometrie werden langsam lauter werdende Töne unterschiedlicher Frequenz über die linke oder rechte Muschel eines Kopfhörers (Schallleitung) bzw. über einen auf dem linken oder rechten Mastoid aufgesetzten Transducer (Knochenleitung) angeboten. Der Untersuchte muss angeben, wann er den Ton hört. Die Abweichungen von der jeweils normalen Hörschwelle werden auf eine Karte eingetragen (. Abb. 18.2). Bei Schallleitungsschwerhörigkeit ist die Luftleitung, bei Innenohrschwerhörigkeit (Schallempfindungsschwerhörigkeit) zusätzlich die Knochenleitung eingeschränkt.

Rinne-Versuch. Setzt man eine Stimmgabel solange auf den

Evozierte Potenziale. Durch Messung evozierter Potenziale

Warzenfortsatz, bis der Ton nicht mehr gehört wird, dann wird der Ton normalerweise, nicht jedoch bei Schallleitungsschwerhörigkeit, erneut gehört, wenn die Stimmgabel vor das Ohr gehalten wird. Normalerweise, nicht jedoch bei Schallleitungsschwerhörigkeit, wird über Luftleitung besser gehört als über Knochenleitung.

im EEG (7 Kap. 20.1.4) kann die Weiterleitung im Hirnstamm erfasst werden (brain stem evoked response audiometry BERA bzw. Hirnstammaudiometrie). Die Erfassung der evozierten Potenziale erfordern keine Mitwirkung des Patienten und erlaubt beispielsweise auch die Hörprüfung bei Säuglingen.

. Abb. 18.2. Audiometrie. Hörkurven eines gesunden Probanden, und jeweils eines Patienten mit Innenohrschwerhörigkeit und Schallleitungsschwerhörigkeit (Mittelohrschwerhörigkeit). Eingetragen ist

jeweils die Schwelle der Knochenleitung in dB (grün) und der Luftleitung (rot) des Probanden im Vergleich mit dem Normalwert (= Hörverlust in dB) bei unterschiedlichen Wellenlängen

18.1.2

Testverfahren

! Hörtests erlauben die Diagnose von Schalleitungs- oder Innenohrschwerhörigkeit

Schwabach-Test. Zur orientierenden Hörprüfung kann die

18

412

Kapitel 18 · Auditorisches System

In Kürze

18

Physiologische Akustik

. Abb. 18.3. Potenziale, die über eine Elektrode am Foramen rotundum (im Vergleich zu einer indifferenten Elektrode) abgegriffen werden können. Ein kurzes Schallereignis erzeugt zunächst ein kochleares Mikrophonpotenzial (CM), gefolgt von einem kochlearen Summenaktionspotenzial (CAP) des Hörnerven (nach Zenner aus Schmidt et al. 2000)

Mikrophonpotenzial, Hörnervenaktionspotenzial.

Durch eine Elektrode am Foramen rotundum lassen sich (im Vergleich zu einer indifferenten Elektrode) Summenpotenziale der Haarsinneszellen (kochleares Mikrophonpotenzial, CM) und der Hörnervenfasern (kochleäres Hörnerven-Summenaktionspotenzial, CAP) ableiten (. Abb. 18.3). Trommelfellimpedanz. Die mechanischen Eigenschaften

des Übertragungsapparates im Mittelohr können durch Trommelfellimpedanzmessungen erfasst werden.

Grundbegriffe 4 Schalldruckpegel L in Dezibel SPL (sound pressure level): L = 10 lg px2/p02 oder L = 20 lg px/p0 [dB SPL] 4 Phon: Empfindlichkeit des Hörorgans bei 4.000 Hertz am höchsten (Hörbereich 20–16.000 Hertz) Töne mit gleicher Phonzahl (Isophone) werden gleich laut empfunden. Bei 1.000 Hertz Phon = Dezibel 4 Sone: 1 Sone = 40 Phon. 2 Sone doppelt so laut, 3 Sone dreimal so laut 4 Untere Hörschwelle normalerweise ≈ 4 Phon; Unterschiedsschwelle bei gleicher Frequenz, 40 Phon ≈1 dB; Frequenzunterschiedsschwelle bei gleicher Lautstärke, 1.000 Hertz ≈3 Hertz, Unbehaglichkeitsschwelle ≈110 Phon, Schmerzschwelle ≈130 Phon Testverfahren 4 Schwabach-Test: Stimmgabel vor krankem Ohr o gesunder Untersucher 4 Rinne-Versuch: Stimmgabel auf Warzenfortsatz, bis Ton nicht mehr gehört o vor Ohr 4 Weber-Versuch. Auf Scheitel aufgesetzte Stimmgabel 4 Sprachaudiometrie: Normierte Wörter über Tonband 4 Tonschwellenaudiometrie: Langsam lauter werdende Töne unterschiedlicher Frequenz; Schallleitungsschwerhörigkeit o Luftleitung p; Innenohrschwerhörigkeit o Luftleitung p und Knochenleitung p 4 Evozierte Potenziale. Mit EEG gemessene evozierte Potenziale (brain stem evoked response audiometry BERA bzw. Hirnstammaudiometrie) 4 Elektrode am Foramen rotundum erfasst Summenpotenziale der Haarsinneszellen (kochleäres Mikrophonpotenzial, CM) und der Hörnervenfasern (kochleäres Hörnerven-Summenaktionspotenzial, CAP) 4 Trommelfellimpedanz = mechanische Eigenschaften des Übertragungsapparates

413 18.2 · Gehörgang und Mittelohr

18.2

Gehörgang und Mittelohr

18.2.1

Außenohr und Gehörgang

! Das Außenohr dient der Zuleitung von Schallwellen zum Trommelfell

Außenohr. Die Form der Ohrmuscheln ist geeignet, Schall-

wellen zu sammeln und durch den äußeren Gehörgang dem Trommelfell zuzuleiten. Ihr Einfluss auf das Hörvermögen ist jedoch bescheiden. Die Wirkung kann jedoch spürbar verstärkt werden, wenn man die Muscheln durch Hände vergrößert. Da von vorne eintreffende Schallwellen vom Außenohr anders weitergeleitet werden als Töne von hinten, unterstützt das Außenohr auch das Richtungshören (7 Kap. 18.4.2). Das Trommelfell grenzt das Mittelohr vom äußeren Gehörgang ab. Ein Verlegen des Gehörganges (z. B. durch Cerumen) mindert das Hörvermögen spürbar.

18.2.2

. Abb. 18.4. Bau von Mittelohr und Innenohr (nach Zenner aus Schmidt et al.)

Mittelohr

! Durch die Schallübertragung im Mittelohr werden 20 dB gewonnen

Bau des Mittelohrs. Das Mittelohr ist eine mit Schleimhaut

ausgekleidete, mit Luft gefüllte Höhle, die über die Tuba Eustachii mit dem Nasenraum verbunden ist (. Abb. 18.4). Im Mittelohr wird ständig Luft absorbiert, die durch die Tuba Eustachii nachströmt. Bei Verstopfung der Tuba Eustachii sinkt der Druck und das Trommelfell wird nach innen gezogen. Schallleitung im Mittelohr. Die Schallwellen werden vom

Trommelfell über die Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel auf das Foramen ovale übertragen (. Abb. 18.4). Die Fläche des Trommelfells ist wesentlich größer als die Fläche des Foramen ovale, die Schallenergie wird somit auf eine kleinere Fläche konzentriert und damit die Druckschwankungen größer. Der Übertragungsapparat im Mittelohr wirkt als Impedanzwandler zwischen der umgebenden Luft und der Flüssigkeit des Innenohrs: Ohne ihn würden 98% der Schallenergie reflektiert, das entspricht annähernd 20 dB. Da die Flüssigkeit des Innenohrs nicht komprimiert werden kann und die knöcherne Hülle unnachgiebig ist, kann eine Einbuchtung des Foramen ovale nur bei gleich-

zeitiger Ausbuchtung des Foramen rotundum erfolgen. Das Trommelfell schirmt das Foramen rotundum normalerweise gegen äußere Schallwellen ab und leitet die Schallenergie spezifisch auf das Foramen ovale. Auf diese Weise entsteht eine Flüssigkeitsbewegung im Innenohr vom Foramen ovale zum Foramen rotundum. Die Schallwellenübertragung in Trommelfell und Gehörknöchelchen wird durch Muskeln beeinflusst: Der Musculus tensor tympani spannt das Trommelfell, der Musculus stapedius kippt den Steigbügel. Anspannung der Muskeln dämpft die Übertragung durch die Gehörknöchelchen und ist daher ein Schutzmechanismus für das Innenohr. Ausfall der Muskeln (z. B. des M. stapedius bei Unterbrechung der Innervation durch den Nervus facialis) kann zu gesteigerter Geräuschempfindlichkeit führen (Hyperakusis). Knochenleitung. Schallwellen können auch auf den Schädelknochen übertragen werden und auf diese Weise Flüssigkeitsbewegungen im Innenohr erzeugen (Knochenleitung). Dazu ist freilich eine größere Schallenergie erforderlich. Schallleitungsschwerhörigkeit. Zerreißen des Trommel-

fells, Läsion der Gehörknöchelchen oder Immobilisierung des Übertragungsapparates etwa durch eine eitrige Mittelohrentzündung dämpfen die Übertragung auf das Foramen ovale. Bei einem Loch im Trommelfell sollte zudem das Fo-

18

414

18


ramen rotundum nicht mehr hinreichend abgeschirmt sein. Folge ist eine Schallleitungsschwerhörigkeit. Während die Luftleitung eingeschränkt ist, bleibt die Knochenleitung nor-

mal, oder ist sogar durch die Immobilisierung der Gehörknöchelchen, die verminderte Schallabstrahlung und die Sensibilisierung der Haarzellen etwas verbessert (. Abb. 18.2).

In Kürze

Gehörgang und Mittelohr Außenohr und Gehörgang 4 Ohrmuscheln steigern geringfügig Hörvermögen und unterstützen Richtungshören, Trommelfell grenzt Mittelohr von äußerem Gehörgang ab. Verlegung Gehörgang o Hörvermögen p 4 Mittelohr mit Schleimhaut ausgekleidete, Luft gefüllte Höhle, über Tuba Eustachii mit Nasenraum verbunden. Luftabsorption o bei Verstopfung der Tuba Eustachii Unterdruck 4 Schallwellen o Trommelfell o Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel o Foramen ovale; Übertragungsapparat = Impedanzwandler (sonst Reflexion von 98% der Schallenergie) ≈20 dB. Trom-

18.3

Innenohr

18.3.1

Bau des Innenohrs

! Die Stereozilien der Haarzellen des Innenohrs tauchen in die K+-reiche, positiv geladene Endolymphe. Mechanische Deformierung führt zur Öffnung von Kationenkanälen, Ca2+-Einstrom und Ausschüttung von Glutamat, das in Nervenfasern Aktionspotenziale auslöst

Kompartimente des Innenohrs. Das Innenohr ist ein

schneckenförmig gewundener knöcherner Hohlraum, der mit einem Epithel ausgekleidet ist. Das Lumen ist durch zwei Membranen (Reissner-Membran und Basilarmembran) in drei Kompartimente unterteilt, die mit Perilymphe gefüllten Scalae vestibuli und tympani und die mit Endolymphe gefüllte Scala media (. Abb. 18.5). Die Scala vestibuli und die Scala tympani sind an der Spitze der Schnecke durch eine Öffnung (Helicotrema) miteinander verbunden. Die Scala vestibuli reicht vom Foramen ovale bis zum Helicotrema, die Scala tympani vom Helicotrema bis zum Foramen rotundum. Perilymphe-Endolymphe. Die Perilymphe weist eine typi-

sche extrazelluläre Zusammensetzung, die Endolymphe mit ca. 150 mmol/l K+-Konzentration eine eher intrazellu-

melfell schirmt Foramen rotundum ab und leitet Schallenergie spezifisch auf das Foramen ovale 4 Musculus tensor tympani spannt Trommelfell, Musculus stapedius kippt Steigbügel o Übertragungsdämpfung (Schutzmechanismus). Ausfall Muskeln o Hyperakusis 4 Knochenleitung erzeugt Flüssigkeitsbewegungen im Innenohr; erfordert größere Schallenergie 4 Zerreißen Trommelfell, Läsion Gehörknöchelchen, Immobilisierung Übertragungsapparat o Übertragung auf Foramen ovale p o Schallleitungsschwerhörigkeit (Knochenleitung normal oder gesteigert)

läre Zusammensetzung auf. Die Endolymphe wird v. a. von Epithelzellen der Stria vascularis gebildet. Die K+-Sekretion wird durch einen luminalen K+-Kanal (KCNE1/KCNQ1) und antiluminalen Na+-K+-2 Cl--Cotransport, Na+/K+-ATPase und Cl--Kanäle (ClC-Kb/Barttin+ClC-Ka/Barttin) bewerkstelligt. Die Endolymphseite ist etwa 80 mV positiver als die Perilymphe. Wanderwellen. Durch die Schwingung des Foramen ovale

werden im Innenohr Wanderwellen ausgelöst, die sich zunächst über die Scala vestibuli in Richtung Helicotrema ausbreiten (. Abb. 18.5). Die Wellen können nun entweder bis zum Helicotrema und von dort wieder bis zum Foramen rotundum wandern, oder durch Einbuchtung der Basilarmembran von der Scala vestibuli zur Scala tympani »kurzgeschlossen« werden. Im ersten Fall muss die gesamte Flüssigkeitssäule von Scala vestibuli und Scala tympani verschoben, im zweiten Fall die Basilarmembran ausgelenkt werden. Die Steifigkeit der Basilarmembran nimmt in Richtung Helicotrema um den Faktor 104 ab. Je höher die Frequenz der Wanderwellen ist, desto größer ist die Beschleunigungsarbeit, die bei Verschieben der Flüssigkeitssäule geleistet werden muss. Hochfrequente Wanderwellen buchten daher v. a. die steife Basilarmembran zu Beginn der Schnecke ein. Töne niederer Frequenzen wandern hingegen v. a. weiter in Richtung Helicotrema und buchten die dort

415 18.3 · Innenohr

. Abb. 18.5. Querschnitt durch die Cochlea mit Darstellung des Cortiorgans und der Transportprozesse in der Stria vascularis

frequenzabhängigen Stelle werden Stereozilien durch die Scherbewegungen der Tektorialmembran abgeschert. Dadurch werden »tip links« gedehnt und mechanosensitive Kationenkanäle geöffnet. Der elektrische Gradient für den Kationeneinstrom von der Endolypmphe in die Haarzelle ist 150 mV (80 mV positives Potenzial der Endolymphe und 70 mV Zellmembranpotenzial, jeweils im Vergleich zur Perilymphe) Der chemische Gradient ist wegen der hohen K+-Konzentration in der Endolymphe gering. Getrieben durch den elektrischen Gradienten strömt K+ bei Öffnung der Kanäle in die Haarzellen ein und führt somit zur Depolarisation. In den inneren Haarzellen führt die Depolarisation über Öffnung spannungsabhängiger Ca2+-Kanäle zur Ausschüttung von Glutamat, das die anliegenden Nervenendigungen depolarisiert und so Aktionspotenziale auslöst. Die Nervenendigungen gehören zu den bipolaren Neuronen im Ganglion spirale, die ihre Erregung über die Hörnervenfasern an die Nuclei cochlearis weiterleiten (7 Kap. 18.4.1). Die äußeren Haarzellen enthalten ein Protein (Prestin), das bei Potenzialänderungen seine Länge ändert und so die mechanischen Schwingungen verstärkt. Damit steigern die äußeren Haarzellen die Empfindlichkeit des Gehörs. Die Kontraktionen der äußeren Haarzellen können Schwingungen der Basilarmembran erzeugen, die über Foramen ovale, Gehörknöchelchen und Trommelfell nach außen abgegeben werden (evozierte otoakustische Emissionen) und kurz nach einem Schallereignis vor dem Trommelfell messbar sind. Ausfall der aktiven Schwingungen zieht einen Hörverlust von 30–50 dB nach sich. Das über die apikale Membran in die Haarzelle aufgenommene K+ verlässt die Zelle auf der basalen Seite, wo es in benachbarte Zellen gelangt. Die Zellen nehmen auch Glutamat auf. Beides wird über gap junctions von Zelle zu Zelle weitergereicht und so abtransportiert.

18.3.2

weichere Basilarmembran ein. Töne unterschiedlicher Frequenzen werden also räumlich getrennt und jede Frequenz hat einen bestimmten Ort der maximalen Auslenkung entlang der Schnecke (tonotope Abbildung, Ortsprinzip).

Innenohrschwerhörigkeit

! Innenohrschwerhörigkeit tritt bei Schädigung von Haarzellen und gestörtem Transport von Flüssigkeit auf

Ursachen von Innenohrschwerhörigkeit. Die Haarzellen Haarzellen. Auf der Basilarmembran sitzen neben Stützzel-

len äußere und innere Haarzellen, die mit ihren Stereozilien (»Härchen«) z. T. in eine gallertige Tektorialmembran eintauchen (. Abb. 18.5). Durch Ausbuchtung der kochleären Trennwand mit Basilarmembran und Corti-Organ an einer

können durch chronische oder kurzfristig massive Schallbelastung, sowie durch Ischämie geschädigt werden. Wegen ihres hohen Glykogengehaltes und ihrer Fähigkeit zur Glykolyse können die Haarzellen freilich kurzfristige Ischämiephasen überleben. Haarzellen werden ferner durch be-

18

416

18


stimmte, über die Stria vascularis in der Endolymphe akkumulierte, Pharmaka geschädigt, z. B. durch die als Antibiotika verwendeten Aminoglykoside. Unter anderem in Abhängigkeit von der lebenslangen Schallbelastung nimmt im Alter die Empfindlichkeit vor allem für hohe Frequenzen ab (Altersschwerhörigkeit bzw. Presbyakusis). Bei der Altersschwerhörigkeit spielt neben Schädigung der Haarzellen auch eine Versteifung der Basilarmembran und damit eine gestörte Mikromechanik eine Rolle. Innenohrschwerhörigkeit kann auch Folge einer gestörten Endolymphsekretion sein. Schleifendiuretika hemmen bei Überdosierung nicht nur den renalen, sondern auch den auditorischen Na+-K+-2 Cl--Cotransport. Darüber hinaus sind (seltene) genetische Defekte u. a. des luminalen K+-Kanals, der basolateralen Cl--Kanäle, und der gap junctions bekannt, die zu familiärem Hörverlust führen. Eine gestörte Resorption von Endolymphe begünstigt neben Schwerhörigkeit das Auftreten von Schwindel (Morbus Menière). Eine Resorptionsstörung buchtet den Endolymphraum aus und verzerrt damit die Beziehung von Haarzellen und Tektorialmembran (Endolymphhydrops). Auswirkungen. Folge einer Schädigung von Haarzellen ist

eine Innenohrschwerhörigkeit, die das Hörvermögen einschränkt, unabhängig davon, ob der Schall über Luft- oder Knochenleitung zur Cochlea gelangt. Dabei ist nicht nur die Hörschwelle betroffen, sondern durch die Schädigung der äußeren Haarzellen auch die aktive Komponente der Basilarmembranauslenkung. Auf diese Weise ist die Diskriminierung verschieden hoher Töne erschwert (eingeschränkte Frequenzselektivität, . Abb. 18.6). Durch Schädigung der Haarzellen kann außerdem eine inadäquate Geräuschempfindung auftreten (Tinnitus).

. Abb. 18.6. Tuningkurven von Hörnervenfasern bei normalem (oben) und geschädigtem (unten) Innenohr. Erregung von zwei verschiedenen Hörnervenfasern durch unterschiedliche Frequenzen. Bei Innenohrschwerhörigkeit nimmt die Empfindlichkeit vor allem in dem spezifischen Frequenzbereich ab. Damit geht die Frequenzselektivität verloren. Ein angebotener Ton wird von beiden Fasern nur schwer unterschieden. Reine Tonverstärkung kann dabei das Defizit nicht aufheben

In Kürze

Innenohr Bau des Innenohrs 4 Schneckenförmig gewundener, knöcherner, mit Epithel ausgekleideter Hohlraum. Lumen durch ReissnerMembran und Basilarmembran in drei Kompartimente unterteilt in mit Perilymphe gefüllte Scalae vestibuli und tympani und mit Endolymphe gefüllte Scala media. Foramen ovale o Scala vestibuli o Helicotrema o Scala tympani o Foramen rotundum 4 Perilymphe extrazelluläre Zusammensetzung, Endolymphe ≈150 mmol/l K+. Endolymphe wird v. a. von 6

Epithelzellen der Stria vascularis gebildet (luminal K+Kanal (KCNE1/KCNQ1), antiluminal Na+-K+-2Cl--Cotransport, Na+/K+-ATPase, Cl--Kanäle (ClC-Kb/ Barttin+ClC-Ka/Barttin); Endolymphseite ≈80 mV positiv 4 Schwingung des Foramen ovale o Wanderwellen, die sich über die Scala vestibuli in Richtung Helicotrema ausbreiten. Steifigkeit Basilarmembran sinkt in Richtung Helicotrema um Faktor 104. Hochfrequente Wanderwellen buchten steife Basilarmembran zu Beginn

417 18.4 · Zentrale Hörbahn und kortikale Repräsentation

der Schnecke ein, Töne niederer Frequenzen wandern weiter in Richtung Helicotrema 4 Ausbuchtung kochleäre Trennwand mit Basilarmembran und Corti-Organ o Abscheren von Stereozilien durch Scherbewegungen der Tektorialmembran o Dehnung »tip links« o Öffnung mechanosensitiver Kationenkanäle (Elektrischer Gradient ≈150 mV) o K+-Einstrom in Haarzellen o Depolarisation o (innere Haarzellen o Ca2+-Kanäle o Ausschüttung Glutamat o Depolarisation anliegender Nervenendigungen o Aktionspotenziale o bipolare Neurone Ganglion spirale o Nuclei cochlearis) o Prestin äußere Haarzellen o Verstärkung mechanischer Schwingungen 4 Kontraktionen der äußeren Haarzellen o Schwingungen Basilarmembran o Foramen ovale o Gehörknöchelchen, Trommelfell o evozierte otoakustischen Emissionen; Ausfall aktiver Schwingungen o Hörverlust 30–50 dB

18.4

Zentrale Hörbahn und kortikale Repräsentation

18.4.1

Verschaltungen der Hörbahn

! Afferenzen des Hörnerven werden über Nuclei cochlearis und Olivenkerne zu lateralem Schleifenkern, unteren Vierhügeln, Corpora geniculata und primärer Hörrinde geleitet

4 In Haarzelle aufgenommenes K+ verlässt Zelle auf basaler Seite, über gap junctions von Zelle zu Zelle abtransportiert Innenohrschwerhörigkeit 4 Ursachen von Innenohrschwerhörigkeit: Schädigung Haarzellen durch Schallbelastung, Ischämie, Alter, Pharmaka (im Alter auch Versteifung der Basilarmembran und damit gestörte Mikromechanik) 4 Gestörte Endolymphsekretion: Schleifendiuretika, sehr seltene genetische Defekte (u. a. luminaler K+-Kanal, basolaterale Cl--Kanäle, gap junctions) 4 Gestörte Resorption von Endolymphe o Schwindel (Morbus Menière), Ausbuchtung Endolymphraum o Haarzellen (Endolymphhydrops) 4 Schädigung Haarzellen o Innenohrschwerhörigkeit, aktive Basilarmembranauslenkung p o Frequenzselektivität p, inadäquate Geräuschempfindung (Tinnitus)

dungen zu verschiedenen Assoziationsarealen. Von den unteren Vierhügeln bestehen u. a. Verbindungen zur Motorik, v. a. zur Augenmotorik (über die oberen Vierhügel, 7 Kap. 17.1.8). Der Nucleus cochlearis ventralis projiziert auf die Oliven beider Seiten. Die Afferenzen aus jedem Ohr werden somit auf die Hörbahn beider Seiten übertragen.

Hörnerv. Die Nervenendigungen an den inneren Haarzel-

len gehören zu den bipolaren Neuronen des Ganglion spirale, die ihre Erregungen an die Nuclei cochlearis der Medulla oblongata weiterleiten (Hörnerv). Cochleaimplantate. Die Nervenfasern können durch entsprechende implantierte Elektroden direkt gereizt und auf diese Weise können Hörempfindungen ausgelöst werden. Aus der zeitlichen Abfolge erzeugter Aktionspotenziale (Periodizitätsanalyse, 7 Kap. 18.4.2) kann der ertaubte Patient die Schallfrequenz ableiten. Damit kann er sogar wieder Sprache verstehen. Verschaltungen. Von den Nuclei cochlearis werden die Af-

ferenzen zu Oliven, lateralem Schleifenkern, unteren Vierhügeln, Corpora geniculata medialia und primärer Hörrinde weitergeleitet (. Abb. 18.7). Von dort bestehen Verbin-

. Abb. 18.7. Verschaltungen der Hörbahn

18

418

18


Bei Ausfall einer Hörrinde kann man daher noch mit beiden Ohren hören.

18.4.2

Zentrale Tonanalyse

! Die zentrale Tonanalyse ermittelt u. a. Tonfrequenz und Lautstärke, über Richtungshören die Herkunft und über Mustererkennen die Bedeutung

Erkennen akustischer Information. Sie ist eine Leistung der assoziativen Rindenfelder, wie dem sensorischen Sprachzentrum (7 Kap. 18.5.2). Die Entwicklung dieser Hirnareale ist in hohem Maße von ihrer Beanspruchung abhängig. Die Sprachentwicklung, die ja Voraussetzung für eine normale geistige Entwicklung ist, wird bei angeborener Taubheit oder Schwerhörigkeit verzögert, wenn nicht rechtzeitig therapeutisch eingegriffen wird. Adaptation. Die Wahrnehmung von Amplitude und Fre-

Tonanalyse. Grundeigenschaften eines Tons sind Amplitu-

de und Fequenz. Die Amplitude wird durch die Aktionspotenzialfrequenz der Afferenzen kodiert. Die Frequenz bestimmt den Ort der maximalen Basilarmembranauslenkung im Corti-Organ, also diejenigen afferenten Nervenfasern, die am stärksten erregt werden. Durch laterale Hemmung (7 Kap. 12.5.1) wird eine Kontrastierung erzielt. Darüber hinaus ist das Gehirn bis 5 kHz in der Lage, aus dem zeitlichen Muster von Aktionspotenzialen die Schallfrequenzen zu ermitteln (Periodizitätsanalyse). Die Organisation im Nucleus cochlearis ist noch streng tonotop, d. h. Töne ähnlicher Frequenzen erregen jeweils benachbarte Neurone. Die tonotope Organisation weicht auf den folgenden Stationen zunehmend einer komplexeren Organisation. So werden einige Neurone im Corpus geniculatum mediale nur durch gleichzeitiges Angebot von Tönen bestimmter unterschiedlicher Frequenzen erregt. Andere Neurone sprechen nur auf bestimmte kurze Sequenzen unterschiedlicher Tonfrequenzen an. Diese Neurone sprechen somit auf bestimmte Geräusche an. Dennoch ist eine tonotope Organisation als Teil anderer Ordnungsprinzipien bis zur primären Hörrinde nachweisbar.

quenz kann nach Adaptation bzw. Ermüdung verändert sein. Laute Beschallung eines Ohrs mit 400 Hertz mindert die Empfindlichkeit der gereizten Haarzellen bzw. nachfolgenden Neurone in diesem Bereich. Ein folgender Ton von 400 Hertz wird leiser, ein Ton von 420 Hertz höher empfunden als der gleiche Ton vor der Beschallung. Richtungshören. Die Schallaufnahme durch beide Ohren

ermöglicht die Lokalisierung von Schallquellen im Raum, wobei auch die Form der äußeren Ohrmuschel eine Rolle spielt (7 Kap. 18.2.1). Liegt die Schallquelle genau in der Mitte zwischen beiden Ohren, dann erreichen die Schallwellen beide Ohren gleichzeitig. Liegt die Schallquelle auf einer Seite, so wird das gleichseitige Ohr schneller erregt. Im Gehirn erfolgt ein Zeitvergleich der Wahrnehmung von beiden Ohren und damit kann ermittelt werden, auf welcher Seite die Schallquelle liegt. Neben dem Vergleich der Laufzeiten werden auch Intensitätsunterschiede und Frequenzverzerrungen zum Richtungs- und Entfernungshören eingesetzt. Das Ohr kann Unterschiede im Schalldruckpegel von 1 dB und Laufzeitunterschiede von 30 µs erkennen. Unter optimalen Bedingungen wird ein Winkel von 3° erkannt.

In Kürze

Zentrale Hörbahn und kortikale Repräsentation Verschaltungen der Hörbahn 4 Verschaltungen: Nervenendigungen bipolarer Neurone des Ganglion spirale o Nuclei cochlearis o Oliven (bilateral) o lateraler Schleifenkern o untere Vierhügel (o obere Vierhügel o Augenmotorik) o Corpora geniculata medialia (o primäre Hörrinde) 4 Cochleaimplantate: Direkte Reizung der Nervenfasern o Periodizitätsanalyse Zentrale Tonanalyse 4 Amplitude o Aktionspotenzialfrequenz; Frequenz o Periodizitätsanalyse, Ort maximaler Basilarmemb-

ranauslenkung (laterale Hemmung o Kontrastierung); Nucleus cochlearis streng tonotop, danach zunehmend komplexer; Erkennen in assoziativen Rindenfeldern (sensorisches Sprachzentrum); Sprachentwicklung bei unbehandelter Schwerhörigkeit verzögert 4 Adaptation: Laute Beschallung o Empfindlichkeit p o Lautheit und Frequenzwahrnehmung folgender Töne 4 Vergleich von Zeit (>30 µs), Intensität (>1 dB), Frequenz der Afferenzen aus beiden Ohren o Richtungshören (Winkel >3°)

419 18.5 · Sprachbildung und Sprachverständnis

18.5

Sprachbildung und Sprachverständnis

18.5.1

Stimmbildung

! Im Kehlkopf wird während der Phonation (Stimmbildung) ausgeatmete Luft durch einen Schlitz zwischen den Stimmbändern gepresst und Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen erzeugt. Durch Modifikation in MundNasen-Rachenraum (Ansatzrohr) entsteht die Artikulation

Phonation. Zur Phonation wird im Kehlkopf (. Abb. 18.8) zunächst bei geschlossener Stimmritze ein Druck von bis zu 2 kPa (20 cm H2O) aufgebaut. Der Druck drängt die Stimmbänder auseinander und Luft wird durchgeblasen. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit entsteht ein Unterdruck zwischen den Stimmbändern, die dann – wie ein offener Fensterflügel im Wind – sich periodisch öffnen und schließen. Auf diese Weise entstehen Klanggemische, deren Grundfrequenz von der Spannung der Stimmbänder und der Druckdifferenz über die Stimmbänder abhängt. Die Grundfrequenz stimmt mit der Frequenz von Öffnen und Schließen der Stimmbänder überein. Beim Flüstern werden die Stimmbänder nicht vollkommen verschlossen, sondern belassen eine kleine, permanente Öffnung (Flüsterdreieck). Artikulation. Das durch die Stimmritze erzeugte Klanggemisch wird durch die Form und damit Eigenfrequenz der Lufträume und die Art der Strömungswiderstände in charakteristischer Weise modifiziert. Je nach Stellung der Zunge und des Mundes entstehen die Vokale a, e, i, o, u, die sich durch die jeweiligen Obertöne (Formanten) unterscheiden. Durch Erzeugung von unterschiedlichen Widerständen an Gaumen, Zähnen oder Lippen entstehen die Konsonanten, das sind Reibelaute (w, f, s, j, sch), Plosionslaute (b, p, d, t, g, k) oder nasale Laute (m, n, ng). Sie sind durch das zeitliche Muster und die Zusammensetzung der gleichzeitig erzeugten Frequenzen unterscheidbar. Sprachstörungen. Bei einer Lähmung des Nervus recur-

rens aus dem Nervus vagus fällt die Innervation der Kehlkopfmuskulatur aus. Die erschlafften Stimmbänder bilden eine kleine Öffnung. Dabei ist einerseits nur Flüstersprache möglich, andererseits ist die Atmung behindert. Nach Entfernung des Kehlkopfes (z. B. bei Entfernung eines Tumors) fällt die Phonation aus. Die Patienten können lernen, Luft in den Ösphagus zu verschlucken und während des Ablassens zu artikulieren. Damit können sie sich noch mit-

. Abb. 18.8. Kehlkopf (oben) und Stellung der Stimmbänder (rechts). Ruhestellung (1) beim Atmen (2), Flüstern (3) und völligem Verschluss (4)

teilen (Ösophagusersatzsprache). Statt Einsetzen des Ösophagus kann ein Grundgeräusch durch einen Tongenerator erzeugt werden. Bei Ausfall des Nervus hypoglossus (XII) sind die Zungenmuskeln und bei Ausfall des Nervus facialis die Lippenmuskeln gelähmt. Dabei kommt es zu entsprechender Beeinträchtigung der Artikulation. Sprache ist schließlich eine Leistung, die den Einsatz mehrerer assoziativer Hirnareale erfordert. Durch Läsionen dieser Hirnareale treten unterschiedliche Formen von Aphasien auf, wie später ausgeführt wird (7 Kap. 18.5.3).

18

420

18


18.5.2

Sprachverständnis

! Sprache und Sprachverständnis sind Leistungen assoziativer Hirnareale, die über Basalganglien, Kleinhirn, Thalamus und Motorkortex die α-Motoneurone erreichen

Für die Sprache erforderliche Hirnstrukturen. Die verbale

Kommunikation erfordert Sprechen und Sprachverständnis, beides Leistungen assoziativer Großhirnareale. Gesprochenes wird zunächst in der primären Hörrinde wahrgenommen und seine Bedeutung in inferioren parietalen Arealen (Wernicke-Sprachzentrum) gedeutet (. Abb. 18.9). Geschriebenes Wort wird über primäre und sekundäre Sehrinde der Area 39 zugespielt, die akustische, optische und somatosensorische Wahrnehmungen integriert und interpretiert. Über den Fasciculus arcuatus wird der prämotorische Kortex (Broca-Sprachzentrum) aktiviert, der schließlich über Basalganglien bzw. Kleinhirn und Thalamus den Motorkortex aktiviert. Lateralisierung. Bei Rechtshändern sind vor allem die sprachmotorischen Areale links. Die rechte Hemisphäre ist u. a. für die Analyse der Sprachmelodie (Prosodie) verantwortlich, sowie für die emotionale Tönung der motorischen

Sprache. Bei Linkshändern sind die Sprachzentren bisweilen rechts oder auf beiden Seiten.

18.5.3

Aphasien

! Läsionen in assoziativen Hirnarealen oder ihren Verbindungen führen zu Ausfällen von Sprache und/oder Sprachverständnis

Läsionen der für die Sprache erforderliche Hirnstrukturen beeinträchtigen die Sprache in charakteristischer Weise (. Abb. 18.9): 4 Der Broca-Aphasie liegt eine Läsion des motorischen Sprachzentrums zugrunde. Die Spontansprache ist nicht flüssig, der Patient teilt sich typischerweise in einzelnen Worten mit. Der Patient ist auch nicht fähig, nachzusprechen. Das Sprachverständnis ist hingegen häufig wenig gestört 4 Die Wernicke-Aphasie ist Folge einer Läsion in den sensorischen Sprachregionen. Bei diesen Patienten ist das Sprachverständnis eingeschränkt. Dabei verlieren die Patienten auch die Fähigkeit, nachzusprechen. Die Spontansprache ist flüssig, mitunter sprechen die Patienten

. Abb. 18.9. Die an der Sprache beteiligten Strukturen der Großhirnrinde

421 18.5 · Sprachbildung und Sprachverständnis

4

4 4

4

unentwegt (Logorrhö). Dabei können sich allerdings phonematische (Spille statt Spinne) oder semantische (Mutter statt Frau) Fehler einschleichen (Paraphasie) Bei der Leitungsaphasie ist die Verbindung von sensorischem und motorischem Sprachzentrum unterbrochen (Fasciculus arcuatus). Die Sprache ist flüssig (allerdings paraphasisch), das Sprachverständnis gut. Die Fähigkeit, Worte nachzusprechen, ist massiv eingeschränkt. Die Patienten sind auch nicht in der Lage, laut vorzulesen, obwohl sie gelesenen Text verstehen Bei der globalen Aphasie ist sowohl die Spontansprache, als auch das Sprachverständnis beeinträchtigt Die anomische Aphasie folgt einer Läsion im Temporallappen. Der Patient spricht weitgehend normal und auch das Sprachverständnis ist erhalten. Der Patient hat aber Schwierigkeiten, für bestimmte Objekte das richtige Wort zu finden Bei der achromatischen Aphasie (Läsion an der Unterseite des Temporallappens) kennt der Patient nicht

4

4

4

4

die Wörter für Farben (obgleich er durchaus Farben erkennt und z. B. Objekte nach Farben sortieren kann) Die motorische transkortikale Aphasie ist Folge einer Läsion im vorderen unteren Frontallappen. Dabei ist die Spontansprache stark eingeschränkt, während Nachsprechen und Sprachverständnis normal sind Die sensorische transkortikale Aphasie tritt nach einer Läsion im parietalen-temporalen Assoziationskortex auf. Die Patienten können flüssig sprechen und nachsprechen. Sie haben aber Schwierigkeiten, Worte zu verstehen, haben Wortfindungsschwierigkeiten und können weder lesen noch schreiben Eine subkortikale Aphasie entsteht bei Läsionen im Bereich der Basalganglien (v. a. Nucleus caudatus) und des Thalamus. Dabei treten vorübergehende Störungen von Sprachverständnis und Wortfindung auf Die Sprache ist schließlich bei Läsionen des Kleinhirns beeinträchtigt (7 Kap. 15.7.3)

In Kürze

Sprachbildung und Sprachverständnis Stimmbildung 4 Phonation: Geschlossene Stimmritze o Druck (≤2 kPa) o Stimmbänder auseinandergedrängt o hohe Strömungsgeschwindigkeit o Unterdruck zwischen Stimmbändern o Stimmbandflattern o Klanggemisch (Grundfrequenz Funktion von Stimmbandspannung und Druck). Flüstern (Flüsterdreieck) 4 Artikulation: Stellung Zunge, Mund o Vokale mit

verschiedenen Obertönen (a, e, i, o, u); Reibelaute (w, f, s, j, sch), Plosionslaute (b, p, d, t, g, k), nasale Laute (m, n, ng) 4 Lähmung Nervus recurrens o nur Flüstersprache; Entfernung Kehlkopf o keine Phonation (Ösophagusersatzsprache, Tongenerator); Nervus hypoglossus (XII) p (o Zungenmuskeln p), Nervus facialis p (o Lippenmuskeln p) o Artikulation p; Assoziative Hirnareale p o Aphasien Sprachverständnis 4 Gesprochenes o primäre Hörrinde o WernickeSprachzentrum (Geschriebenes o primäre, sekundäre Sehrinde o Area 39 [Integration akustischer, 6

optischer, somatosensorischer Wahrnehmungen]) o Fasciculus arcuatus o Broca-Sprachzentrum o Basalganglien, Kleinhirn o Thalamus o Motorkortex 4 Lateralisierung: Rechtshänder = links: sprachmotorische Areale, rechts: Sprachmelodie (Prosodie), emotionale Tönung; Linkshänder Sprachzentren rechts oder auf beiden Seiten Aphasien 4 Läsion motorisches Sprachzentrum o Broca-Aphasie (Spontansprache nicht flüssig, Nachsprechen p, Sprachverständnis normal) 4 Läsion sensorische Sprachregion o Wernicke-Aphasie (Sprachverständnis p, Nachsprechen p, Spontansprache flüssig, Logorrhö, Paraphasie) 4 Unterbrechung Fasciculus arcuatus o Leitungsaphasie (Sprache flüssig, paraphasisch, Sprachverständnis normal, Nachsprechen p, Vorlesen p) 4 Globale Aphasie (Spontansprache p, Sprachverständnis p) 4 Läsion Temporallappen o Anomische Aphasie (Wortfindung p) 4 Läsion Unterseite Temporallappen o Achromatische Aphasie (Farbenbenennung p)

18

422

18


4 Läsion vorderer, unterer Frontallappeno motorische transkortikale Aphasie (Spontansprache p, Nachsprechen, Sprachverständnis normal) 4 Läsion parietaler-temporaler Assoziationskortex o sensorische transkortikale Aphasie (Wortfin-

18.6

Gleichgewichtssinn

18.6.1

Bau der Gleichgewichtsorgane

dung p, Lesen p, Schreiben p, Sprache flüssig, Nachsprechen normal) 4 Läsionen Basalganglien, Thalamus o subkortikale Aphasie (vorübergehend Sprachverständnis p, Wortfindung p) 4 Läsionen Kleinhirn o skandierende Sprache

! Sacculus, Utriculus und Bogengänge bilden das Gleichgewichtsorgan

Bau und Bedeutung. Das Gleichgewichtsorgan besteht aus

knöchernen Hohlräumen im Felsenbein, dem Sacculus, dem Utriculus und den jeweils senkrecht aufeinander stehenden Bogengängen (. Abb. 18.10). Sacculus und Utriculus sind auf die Wahrnehmung von Linearbeschleunigungen wie die Schwerkraft, die Bogengänge auf die Wahrnehmung von Drehbewegungen spezialisiert. In den Hohlräumen sind ein Perilymphraum und ein Endolymphraum enthalten, die mit den entsprechenden Räumen der Cochlea des Hörorgans in Verbindung stehen. Perilymphe. Die mit einem Epithel ausgekleideten knö-

chernen Hohlräume Sacculus, Utriculus und die Bogengänge sind mit Perilymphe gefüllt, einer in ihrer Zusammensetzung typischen extrazellulären Flüssigkeit. Der Perilymphraum steht über den Ductus perilymphaticus mit dem Subarachnoidalraum in Verbindung. Endolymphe. Im Perilymphschlauch ist ein zweiter, häutiger Schlauch aufgehängt, der Endolymphe enthält. Die Endolymphe weist im Gegensatz zur Perilymphe niedrige Na+- und hohe K+-Konzentrationen auf, wie sie sonst für intrazelluläre Flüssigkeiten typisch sind (7 Kap. 18.3.1). Die Endolymphe wird im endolymphatischen Sack am Ende des endolymphatischen Gangs passiv resorbiert. Cupulae und Otolithenmembranen. In den Endolymph-

schlauch der drei Bogengänge und des Utriculus und Sacculus ragt je eine gallertige Masse, die Cupulae und die Otholithenmembranen. Die Otholithenmembranen des Sacculus und des Utriculus sind mit Ca2+-Salzkristallen be-

. Abb. 18.10. Bau des Innenohrs und Gleichgewichtsorgans (oben) und der Haarzellen im Gleichgewichtsorgan (unten)

423 18.6 · Gleichgewichtssinn

schwert und werden daher durch die Schwerkraft nach unten gezogen. Die kristallfreien Cupulae der Bogengänge haben die gleiche Dichte wie die Endolymphe, sie werden durch Flüssigkeitsbewegungen im Endolymphschlauch, nicht jedoch durch Linearbeschleunigungen deformiert. In die gallertige Masse ragen feine Härchen (Zilien) der Sinneszellen (Haarzellen). Jede Haarzelle hat ein besonders langes Kinozilium und viele kürzere Stereozilien.

18.6.2

Reizaufnahme und Erregung im Gleichgewichtsorgan

! Drehbeschleunigungen der Flüssigkeit in den Bogengängen und Linearbeschleunigungen in Utriculus und Sacculus scheren Zilien der Haarzellen ab, mit nachfolgender Depolarisation und Glutamatausschüttung

Aktivierung von Haarzellen. Kräfte, die auf die gallertigen Massen einwirken, führen zu einem Abscheren der Zilien. Die mechanische Deformierung führt über mechanosensitive Ionenkanäle zu einer Änderung des Membranpotenzials der Haarzellen. Bei Abscheren in Richtung des Kinozilium kommt es zur Dehnung der tip links (7 Kap. 18.3.1) und Öffnung der Kanäle, K+ strömt aus der K+-reichen Endolymphe in die Haarzelle und depolarisiert die Zelle. Bei Abscheren in die andere Richtung werden die Kanäle geschlossen und die Zelle hyperpolarisiert. Die Haarzellen stehen in großflächiger (Rezeptortyp I) oder kleinflächiger (Rezeptortyp II) synaptischer Verbindung zu Nervenendigungen (. Abb. 18.10). In Abhängigkeit vom Membranpotenzial schütten die Haarzellen Glutamat aus, das die Nervenendigungen depolarisiert und damit postsynaptische Aktionspotenziale auslöst. Bei fehlenden Scherkräften ist die Zellmembran der Rezeptoren mäßig depolarisiert und die Aktionspotenzialfrequenz nimmt einen mittleren Wert an. Bei Depolarisation (Bewegung in Richtung Kinozilium) nimmt die Aktionspotenzialfrequenz bis auf das Doppelte zu, bei Hyperpolarisation (Bewegung in Richtung Stereozilien) bis gegen null ab. Die Aktionspotenzialfrequenz enthält also Informationen über Intensität und Richtung der Beschleunigung. Erregung der Rezeptoren in den Bogengängen. Bei Dreh-

bewegungen des Kopfes bleibt die Endolymphe zunächst aufgrund ihrer Trägheit zurück und es entsteht eine Relativbewegung zwischen Endolymphe und der knöchernen Hülle der Bogengänge. Durch diese Relativbewegung de-

formieren Kräfte auf die Cupulae der Bogengänge. Richtung und Intensität der Scherkräfte hängen davon ab, in welchem Ausmaß Richtung der Drehbewegung und Richtung des jeweiligen Bogengangs übereinstimmen. Bei anhaltender Drehbewegung mit konstanter Geschwindigkeit wird die Endolymphe allmählich beschleunigt und erreicht schließlich die gleiche Geschwindigkeit wie die knöcherne Hülle. Die Relativbewegung verschwindet und die Erregung der Haarzellen kehrt auf den Ruhewert zurück. Bei plötzlicher Unterbrechung der Drehbewegung dreht sich die Endolymphe zunächst weiter. Folge ist eine umgekehrte Relativbewegung und Beeinflussung der Haarzellen. Die Bogengänge registrieren somit nicht die Drehbewegung, sondern die Drehbeschleunigung. Erregung in Sacculus und Utriculus. Durch die Einlagerung

der Ca2+-Salze (7 Kap. 18.6.1) sind die Otolithen schwerer als umgebende Endolymphe. Die Otholithenmembran des Sacculus steht bei aufrechtem Kopf senkrecht und wird durch die Schwerkraft nach unten gezogen. Die dabei entstehende Scherkraft erregt die Rezeptoren. Die Otholithenmembran des Utriculus liegt bei aufrechtem Kopf waagerecht, unterliegt demnach bei dieser Kopfstellung keiner Scherkraft. Erst bei Neigen des Kopfes entsteht eine Scherkraft und erregt die Rezeptoren. Die Kombination der Afferenzen aus Sacculus und Utriculus erlaubt die Bestimmung jeder Stellung des Kopfes in Bezug zur Schwerkraft. Efferenzen. Durch efferente Nervenendigungen wird die

Empfindlichkeit der Rezeptoren bzw. die Übertragung auf die Nervenendigungen beeinflusst. Je nach Typ der Rezeptoren sind die Efferenzen mit der Nervenendigung (Typ I) oder dem Rezeptor selbst (Typ II) synaptisch verbunden.

18.6.3

Verschaltungen des Gleichgewichtssinns

! Afferenzen aus Gleichgewichtsorganen und Propriozeptoren und visuelle Informationen müssen zur Gleichgewichtserhaltung verrechnet werden

Neuronale Verbindungen der Gleichgewichtsorgane. Die afferenten Nervenfasern aus den Gleichgewichtsorganen erreichen über die Pars vestibularis des Nervus vestibulocochlearis (VIII) die vier Vestibulariskerne (Nucleus superior, inferior, medialis und lateralis). Diese Kerne erhalten nicht nur Informationen aus den Haarzellen des Gleichge-

18

424

18


wichtsorgans, sondern auch Afferenzen aus den Muskelspindeln v. a. der Haltemuskulatur sowie der Gelenke etc. Damit erhalten sie Informationen u. a. über die Stellung des Kopfes zum Körper. Axone von Neuronen der Vestibulariskerne projizieren zu verschiedenen Strukturen, die der Wahrnehmung und Erhaltung des Gleichgewichtes dienen: 4 zu γ-Motoneuronen und α-Motoneuronen v. a. der Haltemuskulatur (Tractus vestibulospinalis) für die reflektorische Gleichgewichtserhaltung 4 zur Formatio reticularis zur Kontrolle der Stützmotorik 4 zum Kleinhirn (Vestibulocerebellum) zur vestibulären Informationsverarbeitung (7 Kap. 15.7.2) 4 zu den Augenmuskelkernen (oculomotorius, trochlearis, abducens) für die Kontrolle der Augenbewegungen (Nystagmus, 7 Kap. 17.1.8) 4 über basale Thalamuskerne zum insulären Kortex und auch zum Gyrus postcentralis zur bewussten Wahrnehmung des Gleichgewichts 4 zum Hypothalamus zur Beeinflussung vegetativer Funktionen durch das Gleichgewicht Bedeutung extravestibulärer Afferenzen. Für die Erhal-

tung des Gleichgewichts ist die Information aus den Gleichgewichtsorganen zwar bedeutsam, jedoch keineswegs hinreichend. Bei Nicken mit dem Kopf werden die Gleichgewichtsorgane gleichermaßen aktiviert, wie bei Fallen des Körpers nach vorne. Die richtige Einschätzung der Afferenzen aus den Gleichgewichtsorganen in Hinblick auf die Gleichgewichtserhaltung erfordert weitere Informationen, wie die Stellung und Spannung der Muskulatur (v. a. der Nacken-, Rumpf und Beinmuskulatur), sowie das Netzhautbild in Relation zur Augenmuskeltätigkeit. Nur die korrekte Einrechnung der verschiedenen Informationen vermittelt das Gleichgewichtsgefühl.

18.6.4

Störungen des Gleichgewichtssinns

! Gleichgewichtsstörungen treten bei Schädigungen des Gleichgewichtsorganes oder des Kleinhirns auf

Schädigung der Bogengänge und Maculaorgane. Die

Haarzellen der Bogengänge können durch vielfältige Ursachen geschädigt werden, wie etwa Ischämie oder Innenohrinfektionen. Bei einseitigem Ausfall der Gleichge-

wichtsorgane sind die Afferenzen aus den Gleichgewichtsorganen asymmetrisch und es treten Schwindelanfälle auf. In der Folge entsteht ein Nystagmus (mit schneller Komponente zur gesunden Seite, 7 Kap. 17.1.8) und damit wandern umgebende Objekte auf der Netzhaut (der Raum dreht sich). Verbindungen zum Hypothalamus lösen über Beeinflussung des vegetativen Nervensystems Übelkeit und Erbrechen aus. Die Störungen werden bei Ausfall eines Gleichgewichtsorgans jedoch in der Regel zentral kompensiert. Kalorische Reizung. Eine Täuschung der Bogengänge tritt bei plötzlicher einseitiger Abkühlung oder Erwärmung auf. Wird etwa durch Eindringen von kaltem Wasser in den Gehörgang die Endolymphe teilweise abgekühlt, dann ändern sich Volumen und Dichte der Flüssigkeit und es werden so Endolymphbewegungen ausgelöst. Taucher können bei Riss des Trommelfells auf diese Weise völlig ihre Orientierung verlieren und letztlich ertrinken. Schädigung des Kleinhirns. Wie an anderer Stelle ausgeführt wird (7 Kap. 15.7.3), zieht eine Schädigung des Kleinhirns auch die Gleichgewichtserhaltung in Mitleidenschaft. Folge ist die typische Standunsicherheit bei zerebellarer Ataxie. Kinetosen. Bei den Kinetosen (z. B. Seekrankheit) liegt eine

Diskrepanz zwischen der Erregung des Gleichgewichtsorgans und der scheinbar unbewegten Umgebung vor (das Innere eines schlingernden Schiffes). Diese Diskrepanz führt wie Fehlinformationen aus dem Gleichgewichtsorgan zu Schwindel, Übelkeit und Erbrechen.

18.6.5

Prüfung des Gleichgewichtssinns

! Das Gleichgewichtsorgan kann durch Drehen oder durch Abkühlen getestet werden

Nystagmus. Der Nystagmus ist eine Augenbewegung, die

der Erzeugung von stabilen Bildern auf der Netzhaut dient (7 Kap. 17.1.8). Beim Drehen des Kopfes löst die Aktivierung der Bogengänge entsprechende Augenbewegungen aus (vestibulärer Nystagmus). Die Informationen werden von Neuronen in Nucleus vestibularis und Kleinhirn verrechnet. Über die Nervi oculomotorius, trochlearis und abducens beeinflussen diese wiederum die Augenmuskeln (7 Kap. 17.1.8). Bei der Testung des Drehnystagmus setzt

425 18.6 · Gleichgewichtssinn

der Arzt dem Probanden eine stark vergrößernde konvexe Brille auf (Frenzelbrille), damit der Proband keine Objekte mehr fixieren, der Arzt aber die Augenbewegungen des Patienten beobachten kann. Der Patient wird auf einem Drehstuhl gedreht und die Drehung dann abrupt gestoppt. Durch die Trägheit der Endolymphe werden die Rezeptoren der Bogengänge erregt und es entsteht ein postrotatorischer Nystagmus entgegen der ursprünglichen Drehrichtung.

Kalorischer Nystagmus. Die Wirkung einer Temperaturänderung auf die Endolymphe (7 Kap. 18.6.4) kann diagnostisch genutzt werden. Beim liegenden Patienten wird der Kopf um 30° gehoben, um den horizontalen Bogengang in eine vertikale Lage zu bringen. Dann wird der äußere Gehörgang einseitig mit warmem (44 °C) oder kaltem (30 °C) Wasser gespült und damit die Bogengänge erwärmt bzw. abgekühlt. Durch die Reizung des Gleichgewichtsorgans tritt Nystagmus auf.

In Kürze

Gleichgewichtssinn Bau der Gleichgewichtsorgane 4 Perilymphe extrazelluläre Zusammensetzung; Ductus perilymphaticus o Subarachnoidalraum 4 Endolymphe niedrige Na+-, hohe K+-Konzentrationen, Resorption im endolymphatischen Sack am Ende des endolymphatischen Gangs 4 Otholithenmembranen Sacculus und Utriculus mit Ca2+-Salzen beschwert (oLinearbeschleunigungen. Schwerkraft) 4 Ca2+-salzfreie Cupulae der Bogengänge gleiche Dichte wie Endolymphe (o Deformation durch Flüssigkeitsbewegungen [Drehbeschleunigung] im Endolymphschlauch, nicht Schwerkraft); In gallertige Masse ragen Zilien der Haarzellen (1 langes Kinozilium, mehrere kürzere Stereozilien) Reizaufnahme und Erregung im Gleichgewichtsorgan 4 Scherkräfte auf gallertige Massen o Abknicken Zilien o Dehnung [Stauchung] tip links o mechanosensitive Kanäle n[p] o K+-Einstrom n[p] aus K+-reicher Endolymphe in Haarzelle o Depolarisation o Glutamatausschüttung n[p] o Nervenendigungen (großflächig Typ I, kleinflächig Typ II) o Aktionspotenziale 4 Efferenzen Synapsen mit Nervenendigung (Typ I), Haarzellen (Typ II) o Empfindlichkeit Verschaltungen des Gleichgewichtssinns 4 Afferenzen aus Gleichgewichtsorganen o Pars vestibularis Nervus vestibulocochlearis (VIII), Vestibulariskerne (Nucleus superior, inferior, medialis und lateralis) [Integration Afferenzen aus Gleichgewichtsorgan, Muskelspindeln Haltemuskulatur, Gelenke] o Tractus vestibulospinalis [γ-Motoneurone, α-Motoneurone], Formatio reticularis [Kontrolle der Stützmotorik], Ves-

tibulocerebellum [vestibuläre Informationsverarbeitung], Augenmuskelkerne oculomotorius, trochlearis, abducens [Augenbewegungen], basale Thalamuskerne (o insulärer Kortex, Gyrus postcentralis [bewusste Wahrnehmung]), Hypothalamus [vegetative Funktionen] 4 Gleichgewichtserhaltung erfordert Informationen aus Gleichgewichtsorganen, Stellung und Spannung der Muskulatur (v. a. der Nacken-, Rumpf und Beinmuskulatur), Netzhautbild in Relation zur Augenmuskeltätigkeit. Nur korrekte Verrechnung der Informationen vermittelt Gleichgewichtsgefühl Störungen des Gleichgewichtssinns 4 Ischämie, Innenohrinfektionen, plötzliche Abkühlung oder Erwärmung o vorübergehend Schwindelanfälle, Nystagmus (schnelle Komponente zu gesunder Seite), Übelkeit, Erbrechen 4 Schädigung Kleinhirn o Gleichgewichtserhaltung p o Standunsicherheit, zerebellare Ataxie 4 Kinetosen o Diskrepanz zwischen Erregung Gleichgewichtsorgan und scheinbar unbewegter Umgebung o Schwindel, Übelkeit, Erbrechen Prüfung des Gleichgewichtssinns 4 Aufsetzen stark vergrößernder konvexer Brille (Frenzelbrille) o Drehen auf Drehstuhl o abruptes Stoppen (Drehbeschleunigung in andere Richtung) o postrotatorischer Nystagmus (entgegen der ursprünglichen Drehrichtung) 4 Heben des Kopfes um 30° beim liegenden Patienten (horizontaler Bogengang in vertikaler Lage) o Spülung Gehörgang mit warmem (44°C) oder kaltem (30 °C) Wasser o kalorischer Nystagmus

18

19

19 Chemische Sinne 19.1

Grundlagen chemischer Sinne

19.1.1 19.1.2

Einteilung, morphologische Grundlagen und sensorische Funktionen Schutzreflexe, viszerale und sekretorische Reflexe – 429

– 428

19.2

Geschmack

19.2.1 19.2.2 19.2.3 19.2.4

Geschmacksqualitäten und Psychophysiologie des Geschmacks Sensoren – 430 Zentrale Projektionen – 430 Störungen der Geschmacksempfindung – 431

19.3

Geruch

19.3.1 19.3.2 19.3.3 19.3.4 19.3.5

Sinnesmodalitäten, Qualitäten und Psychophysiologie des Geruchs Transduktionsprozesse – 432 Bahnen und zentralnervöse Verarbeitung – 432 Assoziationsregionen für den Geruchssinn – 432 Störungen der Geruchswahrnehmung – 432

– 428

– 430 – 430

– 432 – 432

428

Kapitel 19 · Chemische Sinne

> > Einleitung

19

Der Geschmack dient in erster Linie der Prüfung zugeführter Nahrung. Der Geruch dient der Wahrnehmung von Nahrung, Feinden, Verwandten und möglichen Paarungspartnern.

19.1

Grundlagen chemischer Sinne

19.1.1

Einteilung, morphologische Grundlagen und sensorische Funktionen

den genannten Bereichen Rezeptoren für alle Geschmacksmodalitäten. Die Rezeptoren haben eine Lebensdauer von etwa 10–15 Tagen und werden ständig aus Basalzellen nachgebildet. Geruch. Duftstoffe werden von bipolaren Sinneszellen in der Riechschleimhaut am Dach der Nasenhöhle erkannt (. Abb. 19.2). Die Sinneszellen haben nur eine Lebensdauer von etwa einem Monat und werden ständig aus Stützund Basalzellen des Riechepithels nachgebildet. Trigeminaler Sinn. Geschmacks- und Geruchsempfin-

! Geschmacksrezeptoren der Zunge, Geruchsrezeptoren am Dach der Nasenhöhle und Nervenendigungen des Nervus trigeminus erkennen Substanzen in Atemluft und Nahrung

Geschmackrezeptoren. Etwa 10–50 Sinneszellen bilden

zusammen die Geschmacksknospen (. Abb. 19.1). Etwa 3–4 solcher Geschmacksknospen sitzen auf der Spitze von etwa 200–400 Pilzpapillen (überall), etwa 50 sitzen an der Seitenwand von etwa 15–20 Blätterpapillen (Seitenrand der Zunge) und über 100 in den randständigen Einfaltungen der 7–12 Wallpapillen (Zungengrund). Man ging früher davon aus, dass Rezeptoren für süß an der Zungenspitze, für sauer und salzig am Zungenrand und für bitter am Zungengrund lokalisiert sind. Allerdings findet man in

dungen können auch über Reizung von Nervenendigungen des Nervus trigeminus ausgelöst werden. Er vermittelt die Qualitäten scharf, stechend, beißend. Massive Reizung dieser Fasern stimuliert Speichel- und Tränensekretion und kann Schutzreflexe auslösen (Niesen, Husten, Würgen, Erbrechen). Empfindlichkeit. Bei einer Absolutschwelle für einige Duft-

stoffe von 107 Molekülen/ml Luft ist der Geruchssinn wesentlich empfindlicher als der Geschmackssinn (1016 Moleküle/ml). Beim Geschmack ist die Schwelle für einige Bitterstoffe besonders niedrig. Adaptation. Sowohl in Geschmacks- als auch in Geruchs-

rezeptoren sinkt die Aktivität bei gleich bleibender Stoff-

. Abb. 19.1. Geschmacksrezeptoren und Weiterleitung der gustatorischen Information (nach Hatt aus Schmidt et al.)

429 19.1 · Grundlagen chemischer Sinne

schmackstoff. So wird nach Süßadaptation normales Wasser kurzfristig als bitter empfunden. Kennsubstanzen. Geschmack kann diagnostisch durch bestimmte Geschmacksstoffe getestet werden (bitter: Chinin, Nikotin; sauer: Salzsäure, Zitronensäure; süß: Glukose, Saccharose, Saccharin; salzig: NaCl, CaCl2). Gleichermaßen werden zur Testung des Geruchssinns bestimmte Duftstoffe eingesetzt (blumig: d-1-ß-Phenyläthylmethylcarbinol; ätherisch: 1,2-Dichloräthan; moschusartig: 1,5-Hydroxypantadecansäurelacton; kampferartig: 1,8-Cineol; faulig: Dimethylsulfid; schweißig: Isovaleriansäure; stechend: Ameisensäure).

19.1.2

Schutzreflexe, viszerale und sekretorische Reflexe

! Geschmacks- und Geruchsempfindungen lösen Reflexe aus . Abb. 19.2. Geruchsrezeptoren und ihre Afferenzen zum Bulbus olfactorius (nach Hatt aus Schmidt et al.)

konzentration. Diese Adaptation setzt in wenigen Sekunden ein und hält bei Bitterstoffen bis zu Stunden an. Interaktionen. Die Adaptation für einen Geschmacksstoff

beeinflusst die Wahrnehmung für einen anderen Ge-

Gustofazialer Reflex. Geschmacksempfindungen (süß,

sauer, bitter) beeinflussen reflektorisch die Mimik. Dieser gustofaziale Reflex ist bereits bei Neugeborenen auslösbar. Stimulation der Sekretion. Geruchs- und Geschmacks-

empfindungen stimulieren die Sekretion im Rachenraum, die Speichelsekretion und die Sekretion von Magensaft (zephalische Phase, 7 Kap. 7.3.3).

In Kürze

Grundlagen chemischer Sinne Einteilung, morphologische Grundlagen und sensorische Funktionen 4 Geschmackrezeptoren: 10–50 Sinneszellen o Geschmacksknospen o 3–4 Geschmacksknospen auf ≈200–400 Pilzpapillen (überall), 50 an Seitenwand von ≈15–20 Blätterpapillen (Seitenrand der Zunge), über 100 in randständigen Einfaltungen ≈7–12 Wallpapillen (Zungengrund). Lebensdauer ≈10–15 Tage, aus Basalzellen nachgebildet 4 Geruch: Bipolare Sinneszellen in Riechschleimhaut Dach Nasenhöhle, Lebensdauer ≈1 Monat, aus Basalzellen nachgebildet 6

4 Trigeminaler Sinn: Nervenendigungen (scharf/stechend/beissend) o massive Reizung o Speichel- und Tränensekretion, Schutzreflexe (Niesen, Husten, Würgen, Erbrechen) 4 Empfindlichkeit: Geruch ≥107 Moleküle/ml Luft, Geschmack ≥1016 Moleküle/ml (Bitterstoffe) 4 Bleibende Stoffkonzentration o Adaptation (binnen Sekunden, z. T. Stunden anhaltend); beeinflusst Qualität der Wahrnehmung anderer Geschmackstoffe (Interaktionen) 4 Kennsubstanzen: Geschmack o bitter: Chinin, Nikotin; sauer: Salzsäure, Zitronensäure; süß: Glukose, Saccharose, Saccharin; salzig: NaCl, CaCl2; Geruch o blumig:

19

430


d-1-β-Phenyläthylmethylcarbinol; ätherisch: 1,2-Dichloräthan; moschusartig: 1,5-Hydroxypantadecansäurelacton; kampferartig: 1,8-Cineol; faulig: Dimethylsulfid; schweißig: Isovaleriansäure; stechend: Ameisensäure)

Schutzreflexe, viszerale und sekretorische Reflexe 4 Gustofazialer Reflex: Geschmacksempfindungen (süß, sauer, bitter) o Mimik 4 Geruch, Geschmack o Sekretion Rachenraum, Speichel, Magensaft (zephalische Phase)

19.2

Geschmack

19.2.1

Geschmacksqualitäten und Psychophysiologie des Geschmacks

K+-Kanälen zur Depolarisation. Ferner aktivieren Süßstoffe eine Phospholipase C mit folgender Bildung von 1,4,5-Inositoltrisphosphat (wie Bitterstoffe).

19

Bitter. Bittere Stoffe aktivieren wiederum über einen Re! Geschmacksrezeptoren vermitteln die Qualitäten süß, sauer, salzig und bitter, Nervenendigungen des Trigeminus die Qualität scharf

Geschmacksqualitäten. Geschmacksrezeptoren (. Abb. 19.1) v. a. am Zungengrund und -rand, aber auch am Gaumen und im Rachen vermitteln die Modalitäten süß, sauer, salzig und bitter. Darüber hinaus könnte es Rezeptoren für metallischen Geschmack und Glutamat (Umami-Geschmack) geben. Über Nervenendigungen des Nervus trigeminus wird die Qualität stechend/scharf/beißend wahrgenommen. Bei zunehmender Konzentration an Geschmacksstoffen entstehen zunächst eine unspezifische Geschmacksempfindung und erst dann die spezifische Wahrnehmung der Geschmacksmodalität. Bei hohen Konzentrationen kann sich die Geschmacksmodalität ändern.

19.2.2

Sensoren

! Die Qualitäten sauer, salzig, süß und bitter lösen unterschiedliche Transduktionsmechanismen aus

Sauer. Rezeptorzellen für sauer werden v. a. durch Öffnung

von Kationenkanälen (ASIC = acid sensing ion channels) depolarisiert. Salzig. Salziger Geschmack wird v. a. über amiloridhemm-

bare Na+-Kanäle vermittelt, durch die Kationen eines Salzes einströmen und damit die Zellmembran depolarisieren. Süß. Süß wahrgenommene Moleküle werden an Rezeptoren gebunden, die über ein G-Protein (Gustducin) die Adenylatzyklase aktivieren. cAMP führt über Hemmung von

zeptor und ein G-Protein eine Phospholipase C. Die Bildung von 1,4,5-Inositoltrisphosphat führt dann zur zellulären Freisetzung von Ca2+ und zur Aktivierung von Ca2+-permeablen Kationenkanälen. Bittergeschmack wird durch mindestens 30 unterschiedliche Rezeptoren vermittelt.

19.2.3

Zentrale Projektionen

! Afferenzen der Geschmacksrezeptoren gelangen über den Nucleus solitarius u. a. zur Geschmacksrinde

Weiterleitung des Geschmackssinnes. Die Rezeptoren

des Geschmackssinnes schütten bei Reizung Transmitter aus (sekundäre Sinnezellen, 7 Kap. 16.1.2), die afferente Nervenendigungen depolarisieren und auf diese Weise die Frequenz der Aktionspotenziale steigern. Die Afferenzen aus der Zunge werden über Aδ- und C-Fasern der Nerven facialis (VII, vorwiegend Pilzpapillen) und glossopharyngeus (IX, Wall- und Blätterpapillen), die Afferenzen aus Gaumen und Rachen über die Nerven trigeminus (V) und vagus (X) zum Nucleus solitarius weitergeleitet. Durch Konvergenz der Afferenzen ist die Zahl der 2. Neurone im Nucleus solitarius deutlich geringer als die Zahl der ersten Neurone. Zentrale Verschaltung. Nach Umschaltung gelangen Afferenzen einerseits zum Hypothalamus und limbischen System und andererseits über den Lemniscus medialis und den Nucleus ventralis posteriomedialis des Thalamus (3. Neuron) zur primären Geschmacksrinde im Bereich der Insel und zum Gyrus postcentralis.

431 19.2 · Geschmack

19.2.4

Störungen der Geschmacksempfindung

! Geschmacksempfindung ist bei Schädigung der Rezeptoren, Unterbrechung der Weiterleitung oder gestörter zentraler Verarbeitung beeinträchtigt

Ursachen von Geschmacksstörungen. Die Geschmacksrezeptoren können genetisch defekt sowie durch Bestrahlung und einige Pharmaka (z. B. Lokalanästhetika, Kokain, Penicillamin, Streptomycin) in ihrer Empfindlichkeit herabgesetzt oder ganz ausgeschaltet werden. Bei Diabetes mellitus ist die Süßempfindung, bei Aldosteronmangel die Salzigempfindung herabgesetzt.

Die Weiterleitung in den Nerven kann durch Traumen, Tumore oder Entzündungen unterbrochen werden. Die Chorda tympani des N. facialis ist z. B. bei Schädelfrakturen, Entzündungen, Verletzungen und Operationen am Ohr gefährdet, der N. glossopharyngeus bei Tonsillektomie. Die zentrale Weiterleitung und Verarbeitung kann durch Tumore, Ischämie oder Epilepsie gestört sein. Auswirkungen. Folgen von Geschmacksstörungen sind

verminderter (Hypoguesie) oder fehlender (Aguesie) Geschmackssinn. Darüber hinaus kann die Geschmacksempfindlichkeit gesteigert sein (Hyperguesie) und es können inadäquate (Paraguesie) oder unangenehme (Dysguesie) Geschmacksempfindungen auftreten.

In Kürze

Geschmack Geschmacksqualitäten und Psychophysiologie des Geschmacks 4 Geschmacksqualitäten: süß, sauer, salzig und bitter, metallischer Geschmack, Glutamat (Umami) 4 Zunehmende Konzentrationen o unspezifische Geschmacksempfindung o spezifische Wahrnehmung o Änderung Geschmacksmodalität Sensoren 4 Sauer: Depolarisation durch Öffnung von Kationenkanälen (ASIC = acid sensing ion channels) 4 Salzig: Depolarisation durch amiloridhemmbare Na+Kanäle (ENaC = epithelial Na+ channels) 4 Süß: G-Protein (Gustducin) n o Adenylatzyklase n o cAMP n o K+-Kanäle p o Depolarisation. 4 Bitter: (30 unterschiedliche Rezeptoren) o G-Protein n o Phospholipase C n o 1,4,5-Inositoltrisphosphat n o Ca2+-Freisetzung n, Ca2+-Kanäle n.

Zentrale Projektionen 4 Weiterleitung: Sekundäre Sinneszellen o Transmitter o Nervenendigungen o Aδ- und C-Fasern N. facialis (VII) [Pilzpapillen Zunge], glossopharyngeus (IX) [Wall- und Blätterpapillen Zunge], N. trigeminus (V), vagus (X) [Gaumen, Rachen] o Nucleus solitarius (2. Neuron) (o Hypothalamus, limbisches System) o Lemniscus medialis o Nucleus ventralis posteriomedialis Thalamus (3. Neuron) o primäre Geschmacksrinde (Insel), Gyrus postcentralis Störungen der Geschmacksempfindung 4 Genetische Defekte, Bestrahlung, Pharmaka (Lokalanästhetika, Kokain, Penicillamin, Streptomycin) o Geschmacksrezeptorempfindlichkeit p; Diabetes mellitus o Süßempfindung p, Aldosteronmangel o Salzigempfindung p 4 Trauma, Tumor, Entzündung, Verletzung, Operation o Weiterleitung p (Tumor, Ischämie, Epilepsie o zentrale Weiterleitung, Verarbeitung p) o Hypoguesie, Aguesie, Hyperguesie, Paraguesie, Dysguesie

19

432


19.3

Geruch

19.3.1

Sinnesmodalitäten, Qualitäten und Psychophysiologie des Geruchs

19

! Der Körper verfügt über Hunderte unterschiedlicher Rezeptoren mit höchster Affinität für Duftstoffe

Geruchsrezeptoren. Die mehr als 300 Geruchsrezeptoren

vermitteln etwa 10.000 unterscheidbare Düfte der Duftklassen blumig, ätherisch, moschusartig, kampferartig, schweißig, faulig, minzeartig und stechend. Sie sind primäre Sinneszellen (7 Kap. 16.1.2). Neben den eigentlichen Geruchsrezeptoren können auch freie Nervenendigungen des Nervus trigeminus durch Geruchsstoffe (u. a. stechend) erregt werden. Geruchsschwellen. Bei steigender Konzentration von Duftstoffen wird zunächst die Wahrnehmungsschwelle erreicht und dann die Erkennungsschwelle. Die Unterschiedsschwelle beschreibt die Konzentrationsunterschiede, die benötigt werden, um zwei Konzentrationen des gleichen Duftstoffes als unterschiedlich zu erkennen. Hedonik. Düfte werden als angenehm oder unangenehm

empfunden. Dabei spielen genetische Festlegung und Prägung durch Erfahrung bzw. Erziehung eine Rolle. Körpergeruch. Der Körpergeruch ist genetisch determiniert und mit dem Major Histocompatibility Complex (MHC, 7 Kap. 2.5.3) assoziiert. Über den Geruch können daher Verwandte identifiziert werden. Neugeborene erkennen beispielsweise die Brüste ihrer Mütter am Geruch.

19.3.2

Transduktionsprozesse

! Geruchsrezeptoren aktivieren über G-Proteine, Adenylatzyklase und cAMP Ca2+-permeable Kationenkanäle

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Duftstoffe binden an jeweils spezifische Rezeptoren. Der Mensch exprimiert mehr als 300 unterschiedliche Geruchsrezeptoren. Sie lösen unter Vermittlung eines G-Proteins (Golf ) eine Signalkaskade aus. Die Rezeptoren aktivieren eine Adenylatzyklase, das gebildete cAMP aktiviert dann unspezifische Kationenkanäle (CNG-Kanäle). Dadurch wird die Membran depolarisiert und Ca2+ strömt ein.

19.3.3

Bahnen und zentralnervöse Verarbeitung

! Afferenzen aus Geruchsrezeptoren gelangen über den Bulbus olfactorius zu weiten Anteilen des Gehirns

Afferenzen zum Bulbus olfactorius. Die Axone der Riech-

zellen gelangen über Öffnungen der Lamina cribrosa zu Mitralzellen des Bulbus olfactorius. Dabei konvergieren viele Rezeptoren auf eine Mitralzelle. Interneurone hemmen benachbarte Mitralzellen und erzielen damit eine Kontrastverschärfung. Körnerzellen dienen der rekurrenten Hemmung. Vom Bulbus olfactorius gelangt die Empfindung über den Tractus olfactorius zum primären olfaktorischen Kortex, zum Cortex praepiriformis, zum Hypothalamus, zur Formatio reticularis, zu den Corpora amygdala, zum Hippokampus sowie über den Thalamus zur Großhirnrinde (Frontallappen und Insel).

19.3.4

Assoziationsregionen für den Geruchssinn

! Wegen enger Beziehungen des Geruchsinns zum limbischen System beeinflussen Duftstoffe besonders stark Sympathie und Antipathie

Verbindungen zum limbischen System. Der Bulbus olfac-

torius hat vielfältige Verbindungen zum Hypothalamus und Anteilen des limbischen Systems (v. a. Corpora amygdala, Hippokampus). Emotionale Bedeutung des Geruchsinnes. Die enge Beziehung des Geruchsinnes zum limbischen System ist Ursache für die starke emotionale Bedeutung von Duftstoffen. Sympathie und Antipathie entstehen nicht selten durch Gerüche (»man kann jemanden nicht riechen«), auch sexuelle Anziehung und Abstoßung werden nicht zuletzt durch Duftstoffe entschieden.

19.3.5

Störungen der Geruchswahrnehmung

! Geruchsempfindung ist bei Zirkulationsstörungen, Schädigung der Rezeptoren, Abriss der Fila olfactoria oder gestörter zentraler Verarbeitung beeinträchtigt

433 19.3 · Geruch

Ursachen von Geruchstörungen. Der Geruchssinn wird durch Zirkulationsstörungen außer Gefecht gesetzt, wie bei infektiösem oder allergischem Schnupfen, Nasenmissbildungen, Fremdkörpern, Tumoren, Hämatomen oder Abszessen (konduktive Hyposmie). Die Rezeptoren können genetisch defekt sein oder durch einige Pharmaka (z. B. Kokain, Morphin) und Toxine (z. B. Zementstaub, Blei, Cadmium, Zyanid, Chlorverbindungen) zerstört werden. Die Empfindlichkeit der Sinneszellen wird durch Östrogene (z. B. Schwangerschaft) gesteigert und nimmt im Alter ab.

Die Axone der Sinneszellen können bei Frakturen im Bereich der Lamina cribrosa abgerissen werden. Neurodegenerative Erkrankungen (Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson), Entzündungen, Tumore, Alkohol, Epilepsie und Schizophrenie beeinträchtigen die zentrale Verarbeitung der Geruchsempfindungen. Auswirkungen. Folgen der Störungen sind verminderter (Hyposmie) oder fehlender (Anosmie) Geruchssinn, gesteigerte (Hyperosmie), inadäquate (Parosmie) oder unangenehme (Kakosmie) Geruchsempfindung.

In Kürze

Geruch Sinnesmodalitäten, Qualitäten und Psychophysiologie des Geruchs 4 >10.000 unterscheidbare Düfte der Duftklassen blumig, ätherisch, moschusartig, kampferartig, schweißig, faulig, minzeartig, stechend 4 Geruchsschwellen: Wahrnehmungsschwelle o Erkennungsschwelle o Unterschiedsschwelle 4 Hedonik: Düfte angenehm oder unangenehm (genetische Festlegung, Prägung, Erfahrung, Erziehung) 4 Körpergeruch: Genetisch determiniert, Major Histocompatibility Complex (MHC) assoziiert Transduktionsprozesse 4 >300 unterschiedliche Geruchsrezeptoren o G-Protein (Golf ) o Adenylatzyklase n o cAMP n o unspezifische Kationenkanäle (CNG-Kanäle) o Depolarisation o Ca2+-Einstrom n Bahnen und zentralnervöse Verarbeitung 4 Primäre Sinneszellen o Afferenzen o Mitralzellen Bulbus olfactorius (Konvergenz, rekurrente Hem-

mung) o Tractus olfactorius o primärer olfaktorischen Kortex, Cortex praepiriformis, Hypothalamus, Formatio reticularis, Corpora amygdala, Hippokampus, Thalamus (o Frontallappen, Insel) Assoziationsregionen für den Geruchssinn 4 Bulbus olfactorius o Hypothalamus, limbisches Systems (v. a. Corpora amygdala, Hippokampus) o Sympathie, Antipathie, sexuelle Anziehung, Abstoßung Störungen der Geruchswahrnehmung 4 Schnupfen, Nasenmissbildungen, Fremdkörper, Tumore, Hämatome, Abszesse o Zirkulation p o konduktive Hyposmie; Genetische Defekte, Pharmaka (Kokain, Morphin), Toxine, Alter o Rezeptoren p (Östrogene o Rezeptoren n); Frakturen Lamina cribrosa o Abriss der Axone; Neurodegenerative Erkrankungen (Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson), Entzündungen, Tumore, Alkohol, Epilepsie, Schizophrenie o zentrale Verarbeitung o Hyposmie, Anosmie, Hyperosmie, Parosmie, Kakosmie

19

20

20 Integrative Leistungen des Zentralnervensystems 20.1

Allgemeine Physiologie und funktionelle Anatomie der Großhirnrinde – 436

20.1.1 20.1.2 20.1.3 20.1.4

Organisation der Großhirnrinde – 436 Kortikale Felder – 437 Kortikale Asymmetrie, Händigkeit und Sprachfunktion – 438 Elektrophysiologische Analyse der Hirnrindenaktivität – 438

20.2

Integrative Funktionen durch Interaktionen zwischen Hirnrinde und subkortikalen Hirnregionen – 442

20.2.1 20.2.2 20.2.3 20.2.4

Zirkadiane Periodik – 442 Bewusstsein – 445 Plastizität, Gedächtnis und Lernen – 446 Triebverhalten, Motivationen und Emotionen – 448

436

Kapitel 20 · Integrative Leistungen des Zentralnervensystems

> > Einleitung

20

Unter integrativen Leistungen des Nervensystems fasst man Bewusstsein, Wachen-Schlafen, Gedächtnis, Sprache, Erkennen, Denken, Motivation und Emotionen zusammen. Alle genannten integrativen Funktionen des Nervensystems erfordern die Kooperation mehrerer Areale der Großhirnrinde und verschiedener subkortikaler Strukturen, die direkt oder über den Thalamus miteinander kommunizieren.

20.1

Allgemeine Physiologie und funktionelle Anatomie der Großhirnrinde

20.1.1

Organisation der Großhirnrinde

!Die Großhirnrinde ist in Schichten angeordnet, die durch Anhäufung unterschiedlicher Neurone und Fasern charakterisiert sind. Der Thalamus ist das Tor zur Großhirnrinde

Zellen der Großhirnrinde. Die wichtigsten Zelltypen der

Großhirnrinde (. Abb. 20.1) sind die Pyramidenzellen, deren Axone das jeweilige Rindenareal verlassen, die Sternzellen, die als hemmende oder stimulierende Interneurone die Erregbarkeit der Pyramidenzellen modulieren, sowie die hemmend wirkenden Korbzellen. Die Pyramidenzellen verwenden wahrscheinlich den exzitatorischen Transmitter Glutamat, die Sternzellen Neuropeptide (z. B. VIP) und die Korbzellen den hemmenden Transmitter GABA. Projektionen. Die Axone der Pyramidenzellen ziehen 4 als Assoziationsfasern zu anderen Kortexarealen der

gleichen Hemisphäre 4 als Kommissurenfasern zur anderen Hemisphäre

oder 4 als Projektionsfasern zu Thalamus, Basalganglien,

Hirnstamm und Rückenmark Verschaltungen. Die kleinen bis mittleren Pyramidenzel-

len der äußeren Pyramidenzellschicht (III) geben Assoziations- und Kommissurenfasern ab, die kleinen Pyramidenzellen der Spindelzellschicht (VI) die kortikothalamischen Projektionsfasern, sowie die großen Pyramidenzellen (Betz-Riesenzellen) die Projektionsfasern zu subthalamischen Strukturen, wie Hirnstamm und Rückenmark (7 Kap. 15.3.2). Die Dendriten der Pyramidenzellen verlau-

. Abb. 20.1. Die Schichten der Großhirnrinde. Stark vereinfachtes Schema der Anordnung und Verschaltung der wichtigsten Neurone der Großhirnrinde (nach Birbaumer und Schmidt aus Schmidt et al.): I Molekularschicht (vorwiegend Fasern) II Äußere Körnerschicht (kleine Neurone, wie z. B. Korbzellen) III Äußere Pyramidenschicht (mittlere und kleine Pyramidenzellen) IV Innere Körnerschicht (Sternzellen und tangentiale Fasern) V Innere Pyramidenschicht (große Pyramidenzellen) VI Spindelzellschicht (kleine Pyramidenzellen und nicht gezeigte kleine, spindelförmige Interneurone)

fen senkrecht zur Rindenoberfläche bis zur Molekularschicht und empfangen auf ihrer gesamten Länge Afferenzen aus Assoziations- und Kommissurenfasern sowie aus spezifischen und unspezifischen thalamokortikalen Bahnen. Darüber hinaus beeinflussen über diese Dendriten kortikale Interneurone, wie Sternzellen, Korbzellen (. Abb. 20.1) oder Armleuchterzellen die Erregbarkeit der Pyramidenzellen. Durch diese vertikale Anordnung der Dendriten ist die Großhirnrinde in funktionelle Säulen (Kolumnen oder Module) eingeteilt, d. h. die verschiedenen Schichten eines Rindenareals bilden eine funktionelle Einheit. Morphologische und funktionelle Topographie der Großhirnrinde. Die Struktur der Großhirnrinde ist nicht überall

gleich.

437 20.1 · Allgemeine Physiologie und funktionelle Anatomie der Großhirnrinde

4 Wenn alle Schichten mehr oder weniger ausgeprägt

vorhanden sind, spricht man vom homotypen Kortex (Typ 2 bis 4) 4 Wenn einzelne Schichten sehr schwach ausgeprägt sind, spricht man vom heterotypen Kortex 4 Der agranuläre Kortex (Typ I, weitgehendes Fehlen der Schichten II und IV, Überwiegen der Schicht V) wird dort angetroffen, wo vorwiegend subthalamische Projektionsfasern abgegeben werden (primärer Motorkortex) 4 Der granuläre Kortex (vorwiegend Schicht II und IV, kaum Schicht III und V) hat hingegen kaum subthalamische Verbindungen Der Thalamus als Tor zur Großhirnrinde. Die Großhirnrin-

de erhält ihre Afferenzen aus subkortikalen Arealen fast ausschließlich über die Kerne des Thalamus (7 Kap. 16.1.3). Die Projektionskerne im Thalamus sind Umschaltstellen für alle Afferenzen, die von den jeweiligen Sinnesorganen zu den entsprechenden primären Rindenfeldern weitergeleitet werden (. Tab. 16.2). Diese Kerne im Thalamus weisen wie die entsprechenden Rindenfelder eine strenge somatotopische Gliederung auf. Darüber hinaus kommunizieren verschiedene Rindenareale miteinander über thalamische Kerne mit Assoziationsfunktionen. Die verschiedenen Thalamuskerne projizieren zu jeweils spezifischen Rindenfeldern (. Tab. 16.2, . Abb. 16.4). Schließlich projizieren unspezifische Kerne des Thalamus (u. a. Centrum medianum, intralaminare Thalamuskerne) in viele verschiedene Rindenfelder. Sie spielen für integrative Funktionen, wie z. B. Vigilanz, Bewusstsein, Gedächtnis und Emotionen eine wesentliche Rolle.

20.1.2

Kortikale Felder

! Die Hirnrinde lässt sich zytoarchitektonisch und funktionell in unterschiedliche Rindenareale aufteilen

Topographische Gliederung des Kortex. Die zytoarchi-

tektonisch unterschiedliche Struktur der Rindenareale erlaubt eine topographische Gliederung der Großhirnrinde (. Abb. 20.2). Diese Einteilung hat durchaus auch eine gewisse funktionelle Relevanz, da die unterschiedliche Ausprägung der verschiedenen Zelltypen eine Aussage über die Kommunikation des betroffenen Rindenareals mit anderen kortikalen oder subkortikalen Strukturen zulässt. Die funktionelle Einteilung der Großhirnrinde ist freilich keineswegs so scharf möglich, wie die topographische Einteilung vermuten ließe. Tatsächlich lassen sich einige spezialisierte Rindenareale einigermaßen genau definieren, wie die primären akustischen, optischen, sensorischen und motorischen Rindenareale (. Abb. 20.2). Sie dienen in erster Linie der spezifischen Sinnesverarbeitung (7 Kap. 16, 7 Kap. 17, 7 Kap. 18, 7 Kap. 19) bzw. der Durchführung von Zielmotorik (7 Kap. 15). Weit weniger abgegrenzt sind die assoziativen Rindenareale, die nicht primär motorischen oder sensorischen Leistungen dienen, sondern für integrative Leistungen, wie etwa Erkennen, Sprache und Gedächtnis verantwortlich sind. Eine streng räumliche Einteilung der Großhirnrinde wird der Realität genauso wenig gerecht wie die Auffassung, dass definierte integrative Leistungen nur durch die Gesamtheit der Großhirnrinde erbracht werden können (holistische Betrachtungsweise).

. Abb. 20.2. Zytoarchitektonische Felder der Großhirnrinde nach Brodmann (links) und Funktionen verschiedener Rindenareale (rechts) (nach Birbaumer und Schmidt aus Schmidt et al.)

20

438


20.1.3

20

Kortikale Asymmetrie, Händigkeit und Sprachfunktion

! Die Durchführung komplexer Leistungen erfordert die Beteiligung verschiedener Hirnareale. Dabei erfüllen linke und rechte Hemisphäre teilweise unterschiedliche Aufgaben

wusst. Normalerweise sind die Informationen aus der Umwelt beiden Gehirnhälften zugänglich (Abbildung eines Objektes in beiden Gesichtsfeldern durch Bewegung der Augen) und die Patienten sind im täglichen Leben erstaunlich unauffällig. Zusammenwirken von Hirnrindenfeldern bei der Sprachbildung. Wie an anderer Stelle ausgeführt wird (7 Kap.

Kortikale Asymmetrie. Die beiden Hemisphären weisen in

18.5.2), werden bei der Durchführung komplexer Leistun-

der Regel unterschiedliche Begabungen auf. Bei Rechtshändern ist meist die linke Hemisphäre sprachdominant. Sie ist beim Verständnis von Sprachinhalten, beim Lesen und Schreiben, sowie bei der Wort- und Satzbildung der rechten Hemisphäre überlegen (7 Kap. 18.5.2). Sie ist ferner beim Rechnen und beim Durchführen komplexer Willkürbewegungen (z. B. Schuhbändel schnüren) besser als die rechte Hemisphäre. In der rechten (subdominanten) Hemisphäre sind das Erkennen komplexer geometrischer Muster (z. B. Gesichter), räumliches Vorstellungsvermögen und räumliche Orientierungsfähigkeit besser ausgeprägt. Die rechte Hemisphäre erkennt und bildet die Sprachmelodie und damit die emotionale Bedeutung von Gesprochenem (7 Kap. 18.5.2). Sie ist musikalischer als die dominante Hemisphäre. Die dominante Hemisphäre speichert vorwiegend verbales Gedächtnis, die subdominante Hemisphäre nichtverbale Information.

gen, wie Sprache, mehrere Hirnareale beteiligt, die miteinander kommunizieren. Die Sprache muss beispielsweise gleichzeitig den richtigen Text und die angemessene Sprachmelodie aufweisen, wozu unterschiedliche Hirnareale erforderlich sind. Die Beteiligung der Hirnareale ist an der gesteigerten Durchblutung und Stoffwechselaktivität erkennbar, die mit bildgebenden Verfahren, wie PositronenEmissions-Tomographie (PET) und funktioneller Kernspin-Resonanz (functional magnetic resonance imaging, fRMI) am lebenden, wachen Probanden verfolgt werden können.

Bedeutung des Corpus callosum. Die Bildung eines ein-

heitlichen Bewusstseins erfordert die Zusammenarbeit der beiden Großhirnhälften. Dies geschieht über die mächtigen Kommissurenfasern durch den Balken (Corpus callosum) und die Commissura anterior. Durchtrennung dieser Kommissurenfasern (ein neurochirurgischer Eingriff, der bei sonst unbeherrschbarer Epilepsie durchgeführt wurde) unterbindet diese Kommunikation und jede der beiden Großhirnhälften ist nun ihrem eigenen Bewusstsein überlassen. In aller Regel ist dabei nur die dominante linke Hirnhälfte zur Sprache befähigt. Objekte, welche in die rechte Hand gelegt werden, können vom Patienten benannt werden, da sie in die sprechende linke Hemisphäre projiziert werden. Ebenfalls werden Objekte, die in das rechte Gesichtsfeld projiziert werden, erkannt und benannt. Die rechte Hirnhälfte erkennt Objekte im linken Gesichtsfeld oder in der linken Hand, sie kann z. B. die entsprechenden dazugehörenden Objekte mit der linken Hand aussuchen (z. B. den Deckel zum Topf). Sie ist aber nicht in der Lage, diese zu benennen. Linke Hirnhälfte und rechte Hirnhälfte sind sich also jeweils der ihnen zugespielten Information anders be-

20.1.4

Elektrophysiologische Analyse der Hirnrindenaktivität

! Die Neurone der Großhirnrinde erzeugen bei Änderungen ihres Membranpotenzials wechselnde elektrische Felder an der Schädeloberfläche, die mit Elektroden abgegriffen werden können

Elektroenzephalogramm. Das Elektroenzephalogramm

(EEG) kann wertvolle Hinweise auf die Funktion der Neurone liefern und hat damit in der Klinik große Bedeutung gewonnen (. Abb. 20.3). Am eröffneten Schädel kann das Potenzial an der Rindenoberfläche direkt abgegriffen werden. Die Ausschläge in diesem Elektrokortikogramm (ECoG) sind wesentlich größer. Die Entstehung des EEG. Wie das Elektrokardiogramm (EKG, 7 Kap. 3.1.4) ist das EEG eine Funktion der summierten Aktivität von denjenigen Zellen, welche im Bereich der ableitenden Elektrode einen gleichgerichteten Dipol erzeugen. Im EEG erzeugen die senkrecht zur Rindenoberfläche stehenden Dipole den größten Ausschlag. Die Potenzialänderungen an der Rindenoberfläche entstehen im Wesentlichen durch postsynaptische Potenziale von Pyramidenzellen (. Abb. 20.4). Die postsynaptischen Potenziale weisen zwar eine geringere Amplitude auf als die Aktions-


. Abb. 20.3. Positionierung der Ableitelektroden (links) und einige typische Kurvenverläufe des EEG (rechts). Die Potenzialdifferenz wird zwischen einer Elektrode an der Schädeloberfläche und einer indifferenten Elektrode (z. B. Ohrläppchen) oder einer anderen Elektrode

auf der Schädeloberfläche (z. B. die entsprechende Elektrode auf der anderen Schädelseite) gemessen (nach Birbaumer und Schmidt aus Schmidt et al.)

potenziale, dauern jedoch wesentlich länger als die Aktionspotenziale und damit wird das gleichzeitige Auftreten von postsynaptischen Potenzialen in benachbarten Zellen wesentlich wahrscheinlicher. Potenzialänderungen in den Pyramidenzellen wirken sich ferner wesentlich stärker auf das Oberflächenpotenzial der Hirnrinde aus als Potenzialänderungen in anderen Zellen, da die Pyramidenzellen senkrecht zur Rindenoberfläche orientiert sind und damit bei lokaler Reizung viel leichter einen zur Oberfläche gerichteten Dipol erzeugen, als andere Zellen der Hirnrinde (. Abb. 20.4). Da alle Pyramidenzellen parallel zueinander orientiert sind, summiert sich das Potenzial benachbarter Pyramidenzellen. Ausschläge im EEG sind nur dann zu erwarten, wenn im Bereich der Ableitelektrode viele Pyramidenzellen gleichzeitig ein postsynaptisches Potenzial bilden, wenn also eine Synchronisierung der Erregung auftritt. Tatsächlich werden die Pyramidenzellen von Neuronen des Thalamus rhythmisch erregt. Die Schwankungen des Oberflächenpotenzials überlagern das kortikale Gleichspannungspotenzial, das bei relativer Depolarisation der Dendriten gegenüber dem Zellkörper von Pyramidenzellen

an der Oberfläche negativ wird. Im Schlaf nimmt das Gleichspannungspotenzial ab, bei gesteigerter Rindenaktivität sowie bei manchen Schädigungen der Neurone z. B. durch Sauerstoffmangel nimmt das Gleichspannungspotenzial zu. Ereigniskorrelierte Potenziale. Die Erregung von Neuronen z. B. des somatosensorischen Kortex nach Reizung eines Hautrezeptors sollte zeitkorrelierte Potenzialänderungen im EEG bewirken. Nun geht ein solches Einzelereignis in der Summe der Aktivitäten der Großhirnrinde unter. Reizt man freilich mehrfach identisch und summiert die entsprechenden EEG-Ableitungen, dann addieren sich die jeweils durch den Reiz ausgelösten identischen Potenzialänderungen im EEG, während die anderen, mit dem Reiz nicht korrelierten Aktivitäten sich nicht addieren. Auf diese Weise kristallisiert sich allmählich das durch den Reiz ausgelöste Potenzial (z. B. somatosensorisches evoziertes Potenzial) heraus. In gleicher Weise lässt sich ein akustisches evoziertes Potenzial (durch einen Ton) oder ein optisches evoziertes Potenzial (durch einen Lichtblitz) auslösen. Ereigniskorre-

20

440


nach psychologischen Aktivitäten, wie Denk- und Aufmerksamkeitsprozessen, auf.

20

. Abb. 20.4. Die Entstehung des EEG. Während eines exzitatorischen postsynaptischen Potenzials strömt Natrium in die Zelle ein und hinterlässt ein lokal negatives extrazelluläres Potenzial (A). Die Depolarisation fördert einen Kaliumausstrom entlang der übrigen Zellmembran, welcher zu einem lokal positiven extrazellulären Potenzial führt. Bei einem postsynaptischen Potenzial am Ende eines Dendriten ist der Extrazellulärraum im Bereich der Synapse relativ negativ, am anderen Ende des Dendriten relativ positiv (um die Übersicht zu wahren, ist der Kaliumausstrom nicht entlang der gesamten Länge des Dendriten eingezeichnet). Dadurch wird ein Dipol erzeugt, der an der Oberfläche eine Negativierung hervorruft. Kommissurenfasern aus der anderen Kortexhemisphäre bilden vor allem oberflächliche erregende Synapsen (. Abb. 20.1). Erregung über diese Fasern führt demnach zu einer Negativierung der Oberflächenelektrode (B). Umgekehrt führt die Aktivierung spezifischer thalamokortikaler Fasern eher zu einer Positivierung der Rindenoberfläche (C), da sie in der Nähe des Zellkörpers angreifen, also in der Tiefe der Großhirnrinde. Hemmung im Bereich der Zellkörper führt umgekehrt zu einer Negativierung der Oberfläche (D)

lierte Potenziale lassen sich auch bei Planung und Durchführung von Bewegungen nachweisen: Lässt man einen Probanten die gleiche einfache Bewegung mehrmals durchführen, dann ergibt die bewegungskorrelierte Summierung der EEG-Aufzeichnungen etwa 800 ms vor der Bewegung das Bereitschaftspotenzial, das durch die Planung der Bewegung in assoziativen Rindenfeldern hervorgerufen wird. Etwa 90 ms vor der Bewegung kommt es zur prämotorischen Positivierung und unmittelbar danach zum Motorpotenzial über dem Motorkortex. Ereigniskorrelierte Potenziale treten schließlich vor, während und

EEG-Diagnostik. Ein diagnostisch bedeutsames Kriterium bei der Analyse des EEG ist die Frequenz der aufgezeichneten Wellen (. Abb. 20.3). Beim Erwachsenen sind im Wachzustand bei offenen Augen vorwiegend β-Wellen (14–30 Hz) und bei Lern- und Aufmerksamkeitprozessen γ-Wellen (30–100 Hz) nachweisbar. Bei geschlossenen Augen und in Ruhe werden die langsameren α-Wellen gemessen (8–13 Hz). Beim Säugling und Kleinkind sind die Frequenzen geringer und es überwiegen θ-Wellen (4–7 Hz) und δ-Wellen (0,5–3,5 Hz). θ-Wellen können allerdings auch beim Erwachsenen bei gespannter Aufmerksamkeit auftreten. δ-Wellen kommen beim gesunden Erwachsenen im Wachzustand nicht vor. Charakteristische Veränderungen, v. a. Frequenzabnahmen erfährt das EEG im Schlaf (7 Kap. 20.3). Darüber hinaus können Schädigungen des Gehirns zu einer Verlangsamung der EEG-Wellen führen. Bei Tumoren kann es andererseits zur Asymmetrie der EEG-Kurvenverläufe kommen. Besondere Bedeutung erlangt das EEG bei der Diagnostik von Epilepsien, die durch massive synchronisierte Erregung von Kortexneuronen charakterisiert sind (7 Kap. 20.4). Dabei kommt es häufig zu hohen Ausschlägen in Form von Krampfzacken (spikes) oder von spikes and waves (. Abb. 20.3). Schließlich schwindet bei Untergang der Großhirnrinde (Hirntod) jede elektrische Aktivität und es kommt zum NullLinien-EEG. Magnetenzephalographie. Jede Änderung eines elektrischen Stromes erzeugt ein zur Stromrichtung senkrechtes Magnetfeld. In der Magnetenzephalographie werden die magnetischen Felder erfasst, die durch wechselnde Ströme im Gehirn erzeugt werden. Die Magnetfelder sind mit weniger als 10-12 Tesla ausgesprochen schwach (zum Vergleich: Kompassnadel ca. 10-2 Tesla, Erdmagnetfeld bis zu 7 · 10-5 Tesla), und ihre Messung erfordert den Einsatz hochempfindlicher Detektoren (superconducting quantum interference device, SQUID). Da die Magnetfelder senkrecht zur Stromrichtung stehen, werden im Gegensatz zum EEG vor allem Ströme erfasst, die horizontal zur Schädeloberfläche verlaufen. Somit ergänzen sich MEG und EEG in der Analyse von elektrischen Aktivitäten des Gehirns.


In Kürze

Allgemeine Physiologie und funktionelle Anatomie der Großhirnrinde Organisation der Großhirnrinde 4 Zellen: Pyramidenzellen (bilden Assoziationsfasern zu anderen Kortexarealen gleicher Hemisphäre, Kommissurenfasern zu anderer Hemisphäre, Projektionsfasern zu Thalamus, Basalganglien, Hirnstamm, Rückenmark (Transmitter Glutamat), Sternzellen (hemmende, stimulierende Interneurone, Neuropeptide), Korbzellen (hemmende Interneurone, GABA) 4 Efferenzen: kleine/mittlere Pyramidenzellen [äußere Pyramidenzellschicht (II)] o Assoziations-, Kommissurenfasern; kleine Pyramidenzellen [Spindelzellschicht (VI)] o kortikothalamische Projektionsfasern; große Pyramidenzellen [Betz-Riesenzellen] o Projektionsfasern zu subthalamischen Strukturen 4 Afferenzen: Assoziations-, Kommissurenfasern, spezifische + unspezifische thalamokortikale Bahnen, Sternzellen, Korbzellen, Armleuchterzellen o Dendriten Pyramidenzellen [senkrecht zu Rindenoberfläche bis zu Molekularschicht]; Vertikale Anordnung der Dendriten o funktionelle Säulen (Kolumnen oder Module) 4 Homotyper Kortex (Typ 2 bis 4) = alle Schichten vorhanden; Heterotyper Kortex: einzelne Schichten schwach ausgeprägt; Agranulärer Kortex (Typ I) = weitgehendes Fehlen der Schichten II und IV, Überwiegen der Schicht V [vorwiegend subthalamische Projektionsfasern, z. B. primärer Motorkortex]; Granulärer Kortex = vorwiegend Schicht II und IV, kaum Schicht III und V [kaum subthalamische Verbindungen] 4 Afferenzen aus subkortikalen Arealen fast ausschließlich über Thalamus. Projektionskerne im Thalamus = Umschaltung zwischen Afferenzen aus Sinnesorganen und entsprechenden primären Rindenfeldern (streng somatotopisch gegliedert); Kerne mit Assoziationsfunktionen = Kommunikation verschiedener Rindenareale miteinander; unspezifische Kerne (u. a. Centrum medianum, intralaminare Thalamuskerne) projizieren in viele verschiedene Rindenfelder [Vigilanz, Bewusstsein, Gedächtnis, Emotionen] Kortikale Felder 4 Zytoarchitektonisch unterschiedliche Strukturen korrelieren mit unterschiedlichen Funktionen von 6

Rindenarealen; Primäre akustische, optische, sensorische [spezifische Sinnesverarbeitung], primär motorische Rindenareale [Durchführung Zielmotorik], assoziative Rindenareale [Erkennen, Sprache, Gedächtnis] Kortikale Asymmetrie, Händigkeit und Sprachfunktion 4 Kortikale Asymmetrie: Rechtshänder o meist Sprachdominanz linke Hemisphäre o Verständnis Sprachinhalte, Lesen, Schreiben, Wort-, Satzbildung, Rechnen, komplexe Willkürbewegungen, Speicherung verbales Gedächtnis. Rechte (subdominante) Hemisphäre: o Erkennen komplexer geometrischer Muster, räumliches Vorstellungsvermögen, räumliche Orientierungsfähigkeit, Sprachmelodie, emotionale Bedeutung von Gesprochenem, Musikalität. Speichern nichtverbaler Informationen. Geistige Leistungen erfordern Kooperation beider Hirnhälften (richtiger Text und richtige Melodie von Sprache). Beteiligung von Hirnarealen erkennbar mit bildgebenden Verfahren, wie Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und funktionelle Kernspin-Resonanz (functional Magnetic Resonance Imaging, fRMI) am lebenden, wachen Probanden 4 Corpus callosum = mächtige Kommissurenfasern (gemeinsam mit Commissura anterior); Durchtrennung unterbindet Kommunikation der beiden Großhirnhälften, die getrenntes Bewusstsein entwickeln. Meist nur linke Hirnhälfte zur Sprache befähigt Elektrophysiologische Analyse der Hirnrindenaktivität 4 EEG = summierte Aktivität von Zellen, die in Nähe der Elektroden gleichgerichtete Dipole erzeugen. Senkrecht zur Rindenoberfläche stehende Dipole erzeugen größten Ausschlag: Postsynaptische Potenziale von Pyramidenzellen: Postsynaptischen Potenziale dauern länger als Aktionspotenziale o Summation wahrscheinlicher. Pyramidenzellen senkrecht zur Rindenoberfläche orientiert o zur Oberfläche gerichteter Dipol; Synchronisierung durch gleichzeitige thalamische Aktivierung. Kortikales Gleichspannungspotenzial = Depolarisation Dendriten (nimmt im Schlaf ab, bei Rindenaktivität zu) 4 Summierung von Potentialänderungen nach mehrfach wiederholtem Ereignis (Lichtblitz, Bewegung)

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442

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o Ereigniskorreliertes Potenzial. ([somatosensorisch] evoziertes Potenzial, [motorisches] Bereitschaftspotenzial, Motorpotenzial) 4 EEG-Analyse. Geschlossene Augen, Ruhe o α-Wellen (8–13 Hz); Wachzustand offene Augen o β-Wellen (14–30 Hz); Lern-, Aufmerksamkeitprozesse o γ-Wellen (30–100 Hz); gespannter Aufmerksamkeit θ-Wellen (4–7 Hz); Säugling und Kleinkind θWellen (4–7 Hz) und δ-Wellen (0,5–3,5 Hz). Schlaf,

20.2

Integrative Funktionen durch Interaktionen zwischen Hirnrinde und subkortikalen Hirnregionen

20.2.1

Zirkadiane Periodik

Schädigung Gehirn o Frequenzabnahme; Tumore o Asymmetrie, Epilepsie o Synchronisierung o Krampfzacken (spikes), spikes and waves; Hirntod o Null-Linien-EEG 4 Magnetenzephalographie o zur Stromrichtung senkrechtes Magnetfeld ( 50 % δ-Wellen) erreicht, in denen die Weckschwelle hoch ist, d. h. der Schläfer schwer geweckt werden kann. Schlafstadium 3 und 4 werden auch als slow wave sleep (SWS) bezeichnet

. Abb. 20.6. Die Schlafphasen. Oben: Während des Schlafens durchläuft das Gehirn Perioden mit unterschiedlichen Schlafphasen. Zuerst tritt zunehmend tiefer NREM-Schlaf auf, mit entsprechend abnehmender Frequenz der EEG-Wellen. Dann nimmt die EEG-Frequenz periodisch zu und es treten Phasen mit REM-Schlaf auf (rot). Dieser Zyklus wird mehrfach durchlaufen, wobei die NREM-Tiefschlafphasen flacher werden. Unten: Tägliche Dauer von Gesamt-, NREM- und REMSchlaf in Abhängigkeit vom Lebensalter

Während einer Nacht werden die Schlafstadien mehrfach (normalerweise 3- bis 5-mal) durchlaufen (. Abb. 20.6). Mit zunehmender Schlafdauer wird der maximal erreichte SWS-Schlaf geringer und der Anteil der REM-Schlafphasen nimmt zu. Die ersten beiden Schlafzyklen bezeichnet man auch als Kernschlaf, die folgenden Schlafzyklen als Füllschlaf. Schlafdauer. Die Gesamtschlafdauer und der jeweilige An-

teil von REM- und NREM-Schlaf sind eine Funktion des Lebensalters. Beim Neugeborenen sind die Gesamtschlafdauer (ca. 16 h/Tag) und der Anteil an REM-Schlaf (ca. 50 %) sehr hoch, nimmt jedoch in den ersten Lebensjahren schnell ab. Der Erwachsene schläft etwa 7 h/Tag bei ca. 25 % Anteil REM-Schlaf. Im Alter wird der Schlaf nicht nur kürzer, sondern auch zunehmend flacher (. Abb. 20.6). Physiologische Bedeutung der Schlafphasen. Einiges

spricht dafür, dass v. a. der REM-Schlaf für die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten wichtig ist. Der REM-Schlaf

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444

20


scheint in den ersten beiden Lebensjahren eine wesentliche Rolle für die Entwicklung des Gehirns zu spielen (7 Kap. 20.2.3), da während des REM-Schlafs die (beim Ungeborenen und Neugeborenen noch spärlichen) Stimuli aus der Umwelt durch intrazerebrale Aktivität (Träume) ersetzt werden. Darüber hinaus werden jedoch Schwankungen der täglichen Schlafdauer toleriert, ohne dass zerebrale oder vegetative Störungen auftreten. Die mittlere Lebenserwartung ist von der mittleren Schlafdauer in weiten Grenzen (5 – 9 h/Tag) unabhängig, nimmt allerdings bei dauerhafter extremer Abnahme (< 5 h/ Tag) oder Zunahme (> 9 h/Tag) der Schlafdauer ab. Vorübergehender völliger Schlafentzug wird mehrere Tage ohne bedrohliche Störungen toleriert. Nach vorübergehendem Schlafentzug sind die betroffenen Schlafphasen länger und es wird damit das Defizit teilweise wieder kompensiert.

raphé senken ihre Entladungsrate kontinuierlich vom Wachen bis zum SWS-Schlaf und sind während des SWSSchlafes völlig inaktiv. Es wird vermutet, daß die serotoninergen Neurone in den Nuclei raphé den REM-Schlaf unterdrücken. Bei Mangel an Serotonin tritt vermehrt REMSchlaf auf und das Einschlafen (das NREM-Schlaf beinhaltet) ist erschwert. Die Nuclei raphé stehen in Verbindung zu dem Nucleus tractus solitarii und dem Nucleus suprachiasmaticus. Die Nuclei suprachiasmatici sind vor allem für die Anpassung des Wach-Schlaf-Rhythmus an den zirkadianen Rhythmus maßgebend. Auch Noradrenalin (Locus coeruleus) unterdrückt REM-Schlaf. Darüber wird Schlaf durch ein δ-sleep inducing peptide, ein schlafinduzierendes Muramylpeptid, Lipopolysaccharide, Prostaglandine, Interleukin-1, Interferon-α und tumor necrosis factor (TNF) induziert.

Träume treten sowohl im NREM-Schlaf als auch im REM-

! Schlaf kann quantitativ und qualitativ gestört sein

Schlaf auf, nach Wecken aus dem NREM-Schlaf werden freilich weniger häufig Träume berichtet als nach Wecken aus dem REM-Schlaf. Die Träume im NREM-Schlaf scheinen abstrakter und kognitiver zu sein, die Träume im REMSchlaf konkreter und emotionaler. Darüber hinaus werden die Träume mit zunehmender Schlafdauer surrealistischer und emotionaler. ! Schlaf wird durch Strukturen im Hirnstamm reguliert

Physiologische Mechanismen, welche den Schlaf regulieren. Die Strukturen und zellulären Mechanismen, die

NREM-Schlaf und den Übergang von NREM-Schlaf in REM-Schlaf bewirken, sind zum Teil noch umstritten. Cholinerge Strukturen der Formatio reticularis stimulieren jedenfalls über das aufsteigende retikuläre aktivierende System (ARAS) weite Anteile des Großhirns. Ein Nachlassen dieser Aktivierung bewirkt Schlaf und eine gesteigerte Aktivierung führt zum Aufwachen. Die aktivierende Formatio reticularis wird durch den Nucleus tractus solitarii gehemmt, der wiederum über Afferenzen aus dem Nervus vagus aktiviert wird. Über N. vagus, Nucleus tractus solitarius und Formatio reticularis senken Blutdrucksteigerungen, Dehnung des Magens und tiefe Atemzüge das kortikale Aktivierungsniveau. Die (cholinerge) tonische Aktivität der Formatio reticularis wird durch den posterioren Hypothalamus gesteigert, dessen Zerstörung (z. B. bei Encephalitis lethargica) zu SWS-Dauerschlaf führt. Für den Schlaf bedeutsam sind ferner Neurone in den dorsalen Nuclei raphé (Transmitter Serotonin). Neurone der dorsalen Nuclei

Schlafstörungen. Vermeintliche oder wirkliche »Schlaflo-

sigkeit« gehört zu den häufigsten Beschwerden. Oft wird die Schlaflosigkeit nur empfunden, und der Schlaf ist quantitativ und qualitativ im Normbereich (Pseudoinsomnia). 4 Schlaflosigkeit bzw. Schwierigkeiten beim Einschlafen können Folge von Hyperaktivität sein, wie sie bei Stress auftritt 4 Schwierigkeiten beim Einschlafen entstehen auch dann, wenn der gewählte Zeitpunkt des Schlafengehens nicht mit dem zirkadianen Rhythmus übereinstimmt, also z. B. der Versuch unternommen wird, im Aktivitätsgipfel beim Körpertemperaturmaximum einzuschlafen (z. B. bei Jet lag, Schichtarbeitern) 4 Das Absetzen von Schlafmitteln und ihr längerer Gebrauch führt häufig zu Schlaflosigkeit 4 Bei disponierten Personen (z. B. Fettleibigen und Rauchern) treten im Schlaf lange Atempausen auf, die zu jähem Erwachen führen und durchaus lebensbedrohlich sein können (Schlafapnoe) 4 Schließlich kann Schlaflosigkeit auch ohne nachweisbaren Grund auftreten (idiopathische Insomnia) Da mäßiger Schlafentzug (Füllschlafentzug) nur geringe Auswirkungen nach sich zieht, sind Schlafmittel bei Insomnia nur selten indiziert. Anhaltende Verhinderung von Kernschlaf und/oder REM-Schlaf löst freilich Halluzinationen aus und kann schließlich zum Tod führen. Nach vorübergehendem Schlafentzug wird in der Regel vorerst der SWS-Schlaf nachgeholt.

445 20.2 · Integrative Funktionen durch Interaktionen zwischen Hirnrinde und subkortikalen Hirnregionen

Hypersomnie. Sie kann vielfältige Ursachen haben, wie z. B. Einnahme von Schlafmitteln und Psychopharmaka oder Läsionen im Hypothalamus. Bei der Narkolepsie treten plötzliche Anfälle von REM-Schlaf aus dem Wachzustand auf. Ursache ist eine vererbte Enthemmung derjenigen Hirnstrukturen, die REM-Schlaf verursachen. Schlafassoziierte Störungen. Eine häufige Störung ist

Schnarchen, eine harmlose Erscheinung, wenn sie nicht mit Schlafapnoe einhergeht. Motorische Überaktivität im Schlaf kann sich in nächtlichem Zähneknirschen (Bruxismus), nächtlichem Kopfschlagen (Jactatio capitis) und unruhigen Beinen (restless leg syndrome) äußern. Alpträume mit Schlafparalyse (Unfähigkeit sich zu bewegen) treten im REM-Schlaf auf, Sprechen im Schlaf, Bettnässen und Schlafwandeln in tiefem NREM-Schlaf (SWS, Schlafstadien 3 und 4). Letztere sind möglicherweise Folge einer Dissoziation von schlafender Hirnrinde und wachen subkortikalen Strukturen.

20.2.2

Bewusstsein

! Aus der Vielzahl an Informationen, die unser Gehirn gleichzeitig aufnimmt, wird uns nur ein verschwindend kleiner Anteil bewusst

bestimmtes Gesicht führt z. B. zur Aktivierung von einer Vielzahl von Neuronen, die für sensorische Merkmale, Form und Bedeutung eines Gesichtes zuständig sind (7 Kap. 17.4.4). Die kollektive Aktivität dieser Neurone repräsentiert das Gesehene und wird ab einer bestimmten Erregungsstärke bewusst. Bei der Selektion von Bewusstseinsinhalten spielt der Nucleus reticularis thalami, der Frontalkortex und der Gyrus cinguli eine wichtige Rolle. Die Großhirnrinde kann allein kein Bewusstsein erzeugen, sondern benötigt die Aktivierung durch subkortikale Strukturen. Hier spielt das aufsteigende retikuläre aktivierende System eine Rolle, über das weite Anteile des Großhirns aktiviert werden. Bewusstsein erfordert offensichtlich ein Minimum an Aktivierung über dieses System. Sensorische Information kann, ohne dass sie bewusst wird, in der Großhirnrinde weiterverarbeitet werden. Besonders spektakulär sind dabei Patienten mit dem Phänomen des Blindsehens (blindsight), das nach Zerstörung der Sehrinde auftreten kann. Sie sind unfähig, bewusst zu sehen. Trotzdem sind sie in der Lage, bestimmte Objekte mit den Augen oder einem Zeigefinger zu verfolgen und sich zu orientieren, ohne dass ihnen das gesehene Objekt bewusst wird. Die Afferenzen aus der Retina gelangen dabei vermutlich direkt aus dem Corpus geniculatum laterale in die sekundäre Sehrinde. Bewusstlosigkeit. Bewusstlosigkeit tritt bei ausgedehnter

Voraussetzungen für Bewusstsein. Die weitaus überwie-

gende Zahl an Afferenzen, viele Gedächtnisinhalte und die meisten neuronalen Prozesse bleiben unbewusst. Wie im folgenden Kapitel dargestellt wird (7 Kap. 20.2.3), kann prozedurales Gedächtnis ohne bewusste Verarbeitung ablaufen. Die Bewusstseinsinhalte werden in den, für die entsprechenden sensorischen Eingänge und motorischen Ausgänge jeweils spezialisierten, assoziativen Rindenfeldern der Großhirnrinde gespeichert. Die Information kann wenige Sekunden bis Minuten im Kurzzeitgedächtnis gehalten, oder in das Langzeitgedächtnis überführt werden. In der Regel werden nur jene Inhalte bewusst, die den Kurzzeitspeicher aktivieren oder vom Langzeitgedächtnis in das Kurzzeitgedächtnis transportiert werden. Bewusstsein ist nicht an die Intaktheit des Langzeitgedächtnisses gebunden und Zerstörung des Hippokampus (7 Kap. 20.2.3) verhindert zwar die Überführung von neuen Informationen in das Langzeitgedächtnis, nicht aber ihr Bewusstwerden. Bewusstseinsinhalte werden nicht durch einzelne Neurone produziert, sondern durch neuronale Netzwerke: Ein

Schädigung der Großhirnrinde oder bei Ausfall der Aktivierung durch das ARAS auf. Ursachen können Blutungen, Ischämien, Tumore, Infektionen, Elektrolyt- (z. B. Hypercalciämie) und Stoffwechselstörungen (z. B. Hypo- und Hyperglykämie) sein, welche die Funktion der Neurone in Mitleidenschaft ziehen. Auch eine massive Aktivierung von Neuronen, wie sie bei Epilepsie auftreten kann, führt zum Bewusstseinsverlust. Epilepsie. Hochsynchrone, unkontrollierte Erregungen von

größeren Neuronengruppen können zu lokalisierter oder generalisierter Aktivierung motorischer, sensorischer, vegetativer, kognitiver oder emotionaler Funktionen führen. Folgen sind u. a. lokale oder generalisierte Krämpfe, Halluzinationen, Speichelfluss, Wutanfälle oder der Eindruck, als habe man die augenblickliche Situation schon einmal erlebt (déja vu). Ursache ist in einigen Fällen ein genetischer Defekt (z. B. von bestimmten K+-Kanälen), der die Erregungsbereitschaft der Neurone steigert oder die Fähigkeit der Gliazellen einschränkt, die extrazelluläre K+-Konzentration zu kontrollieren. Auch Schädigungen der Neurone und/

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oder Gliazellen u. a. bei mechanischen Traumata, Durchblutungsstörungen, Tumoren, Vergiftungen und Stoffwechselentgleisungen (v. a. Hypoglykämie, Hypomagnesiämie, Hypocalciämie) können Epilepsie auslösen. Schließlich begünstigen u. a. Hyperthermie und Schlafentzug das Auftreten von Epilepsie. Sind durch den epileptischen Anfall beide Hirnhälften betroffen, kommt es zur Bewusstlosigkeit.

20.2.3

Plastizität, Gedächtnis und Lernen

! Gedächtnisinhalte bestehen aus Spuren (Engrammen) im Gehirn, welche das künftige Verhalten beeinflussen. Durch Lernen wird das Gehirn ständig den äußeren und inneren Erfordernissen angepasst. Die Fähigkeit, Inhalte zu speichern, ist eine unverzichtbare Voraussetzung für planvolles Handeln und Anpassung an die Umwelt

Habituation und Sensitivierung. Eine einfache Form von Lernen ist die Habituation. Wird ein gleicher Reiz (z. B. ein Ton) mehrfach angeboten, so nimmt die Reaktion auf diesen Reiz (bzw. Zuwendung von Aufmerksamkeit) mit der Zeit ab. Die Geschwindigkeit, mit der Habituation einsetzt, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Habituation ist z. B. bei hoher Reizstärke, bei besonderer Unregelmäßigkeit des Reizes sowie bei gesteigerter Erregung der Versuchsperson verzögert. Bei unangenehmen Reizen kann es statt zur Habituation zur Sensitivierung kommen, also zur zunehmenden Reaktion auf den Reiz. Habituation und Sensitivierung sind eine Form von nichtassoziativem Lernen, da sie keine Assoziation mit einem anderen Reiz erfordern. Klassische Konditionierung. Im Gegensatz dazu steht das

assoziative Lernen durch Konditionierung, bei der die Assoziation von zwei Reizen oder von Verhalten und Konsequenz zum Lernerfolg führen. Die klassische Konditionierung (nach Pawlow) nutzt einen unbedingten Reflex, um einen bedingten Reflex zu bilden: Wird beispielsweise einem Hund ein Stück Fleisch angeboten, dann kommt es zu reflektorischer Speichelsekretion (unbedingter Reflex). Wird nun jedes Mal kurz vor dem Angebot von Fleisch (50% δ-Wellen) = slow wave sleep (SWS), Weckschwelle hoch 4 Während einer Nacht Schlafstadien normalerweise 3bis 5-mal durchlaufen, zunehmende Schlafdauer o Anteil SWS-Schlaf p, Anteil REM-Schlaf n; Die ersten beiden Schlafzyklen = Kernschlaf, folgende Schlafzyklen = Füllschlaf 4 Neugeborene Gesamtschlafdauer ≈16 h/Tag, REMSchlaf-Anteil ≈50%; Erwachsene Gesamtschlafdauer ≈7 h/Tag, REM-Schlaf-Anteil ≈25%; mit Alter Schlaf kürzer und flacher 6

4 REM-Schlaf o Konsolidierung von Gedächtnisinhalten; in ersten beiden Lebensjahren o Gehirnentwicklung; Schlafdauer 9 h/Tag o Lebenserwartung p 4 Träume im REM-Schlaf (konkreter und emotionaler) häufiger als im NREM-Schlaf (abstrakter, kognitiver); Zunehmende Schlafdauer o Träume surrealistischer, emotionaler 4 Posteriorer Hypothalamus o cholinerge Strukturen Formatio reticularis o aufsteigendes retikuläres aktivierendes System (ARAS) o Großhirn 4 ARAS p o Schlaf; ARAS n o Aufwachen 4 Blutdrucksteigerungen, Magendehnung, tiefe Atemzüge o Nervus vagus oNucleus tractus solitarii o ARAS p 4 SWS-Schlaf o Serotoninerge Neurone in Nuclei raphé p o REM-Schlaf n; Noradrenalin (Locus coeruleus) o REM-Schlaf p; δ-sleep inducing peptide, schlafinduzierendes Muramylpeptid, Lipopolysaccharide, Prostaglandine, Interleukin-1, Interferon-α, Tumor necrosis factor (TNF) o Schlaf 4 Encephalitis lethargica o Zerstörung posteriorer Hypothalamus o SWS-Dauerschlaf 4 Vermeintliche »Schlaflosigkeit« = Pseudoinsomnia 4 Hyperaktivität, Stress, Absetzen von Schlafmitteln, »falscher« zirkadianer Rhythmus (Jet lag, Schichtarbeiter) o »wirkliche« Schlaflosigkeit = Insomnia 4 Fettleibigkeit, Rauchen o Schlafapnoe o Hypoxie o plötzliches Erwachen 4 Schlaflosigkeit ohne erkennbarer Grund = idiopathische Insomnia 4 Anhaltende Verhinderung von Kernschlaf und/oder REM-Schlaf o Halluzinationen, Tod 4 Läsionen im Hypothalamus, Schlafmittel, Psychopharmaka o Hypersomnie 4 Narkolepsie = plötzliche Anfälle von REM-Schlaf aus dem Wachzustand 4 Schlafassoziierte Störungen: Schnarchen (nur bei gleichzeitiger Schlafapnoe gefährlich); schlafassoziierte Motorik o nächtliches Zähneknirschen (Bruxismus), nächtliches Kopfschlagen (Jactatio capitis) unruhige Beine (restless leg syndrome). Albträume mit Schlafparalyse (REM-Schlaf ); Sprechen im Schlaf, Bettnässen, Schlafwandeln (SWS, Schlafstadien 3 und 4)

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Bewusstsein 4 Bewusstsein = Inhalte, die Kurzzeitgedächtnisspeicher aktivieren oder von Langzeitgedächtnis in Kurzzeitgedächtnis transportiert werden; Leistung neuronaler Netzwerke, erfordert Aktivierung durch subkortikale Strukturen (ARAS) 4 Selektion Bewusstseinsinhalte durch Nucleus reticularis thalami, Frontalkortex, Gyrus cinguli 4 Afferenzen aus Retina o Corpus geniculatum laterale o sekundäre Sehrinde o Blindsehen, blindsight 4 Blutungen, Ischämien, Tumore, Infektionen, Epilepsie, Elektrolyt- (z. B. Hypercalciämie), Stoffwechselstörungen (z. B. Hyper-, Hypoglykämie) o Schädigung Großhirnrinde, Ausfall ARAS o Bewusstlosigkeit 4 Epilepsie: Genetische Defekte, Traumata, Durchblutungsstörungen, Tumoren, Vergiftungen, Stoffwechselentgleisungen (Hypoglykämie, Hypomagnesiämie, Hypocalciämie), Hyperthermie, Schlafentzug o hochsynchrone, unkontrollierte Erregungen größerer Neuronengruppen o Aktivierung motorischer, sensorischer, vegetativer, kognitiver oder emotionaler Funktionen o lokale oder generalisierte Krämpfe, Halluzinationen, Speichelfluss, Wutanfälle, déja vu Plastizität, Gedächtnis und Lernen 4 Nichtassoziatives Lernen: Habituation = Gewöhnung bei mehrfach angebotenem Reiz; Hohe Reizstärke, Unregelmäßigkeit, Erregung Versuchsperson n o Habituation p; Unangenehme Reize o Sensitivierung 4 Konditionierung = Lernerfolg durch Assoziation von zwei Reizen oder von Verhalten und Konsequenz. Klassische Konditionierung (Pawlow): Assoziation von unbedingtem Reflex mit bedingtem Reflex; Operante, instrumentelle Konditionierung. Verhalten o positive oder negative Konsequenz; mehrfach fehlende Assoziation bzw. Konsequenz o Extinktion 4 Plastizität: Anforderungen o Bildung neuer oder Aktivierung bisher nicht genutzter Synapsen o Anpassung Gehirn; Deprivation bei Kleinkind o irreversible Entwicklungsstörung 4 Bestimmte Entwicklungsphase o Bereitschaft für bestimmte Reize no dauerhafte Prägung 4 Wissensgedächtnis (kognitives Lernen) o Fakten, Ereignisse (deklaratives, explizites Gedächtnis): Inhalte o sensorisches Gedächtnis (große Speicher6

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4

kapazität,

Basiswissen Physiologie 2. Auflage (Springer-Lehrbuch)

Physiologie 4. Auflage

Basiswissen Chirurgie 2. Auflage (Springer-Lehrbuch)

Basiswissen Urologie, 5. Auflage

Basiswissen Neurologie, 5. Auflage

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Basiswissen Medizinische Statistik, 4. Auflage

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Basiswissen Medizinische Statistik 5. Auflage

Physiologie

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Basiswissen Psychiatrie und Psychotherapie 6. Auflage

Basiswissen Biochemie: Mit Pathobiochemie 7. Auflage

Allgemeine Chemie: Chemie-Basiswissen I, 10. Auflage

Basiswissen Psychiatrie und Psychotherapie, 7. Auflage

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Kurzlehrbuch Physiologie

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