Humanbiologie kompakt (Bachelor)

Humanbiologie kompakt

Wolfgang Clauss, Cornelia Clauss

Humanbiologie kompakt

Autor Prof. Dr. Wolfgang Clauss Institut für Tierphysiologie Justus-Liebig-Universität Wartweg 95 35392 Giessen

Wichtiger Hinweis für den Benutzer Der Verlag, der Herausgeber und die Autoren haben alle Sorgfalt walten lassen, um vollständige und akkurate Informationen in diesem Buch zu publizieren. Der Verlag übernimmt weder Garantie noch die juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für die Nutzung dieser Informationen, für deren Wirtschaftlichkeit oder fehlerfreie Funktion für einen bestimmten Zweck. Der Verlag übernimmt keine Gewähr dafür, dass die beschriebenen Verfahren, Programme usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag hat sich bemüht, sämtliche Rechteinhaber von Abbildungen zu ermitteln. Sollte dem Verlag gegenüber dennoch der Nachweis der Rechtsinhaberschaft geführt werden, wird das branchenübliche Honorar gezahlt.

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.

Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de

© Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2009 Spektrum Akademischer Verlag ist ein Imprint von Springer 09 10 11 12 13

5 4 3 2 1

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Planung und Lektorat: Frank Wigger, Martina Mechler Redaktion: Birgit Jarosch Index: Bärbel Häcker Satz: klartext, Heidelberg Umschlaggestaltung: wsp design Werbeagentur GmbH, Heidelberg Titelfotografie: © Fotolia Zeichnungen: Cornelia Clauss

ISBN 978-3-8274-1899-9

In Erinnerung an Helene Groth und Marie Sigloch, die beide ihrer Zeit weit voraus stets die Freiheit und Unabhängigkeit des Denkens liebten.

Vorwort

Als interdisziplinäres naturwissenschaftliches Fachgebiet gehört die Humanbiologie sowohl zu den Biowissenschaften als auch zur Medizin. Sie befasst sich nicht nur mit der Entstehung des Menschen und den biologischen Funktionen seines Körpers, sondern auch mit den biologischen Grundlagen der Gesundheit und der Erkrankungen des Menschen. Darüber hinaus spielen die Beziehung des Menschen zu seiner Umwelt und die biologischen Auswirkungen der von ihm geschaffenen Technologie eine Rolle. Mit dem Einzug der molekularen Wissenschaften hat sich dabei der Inhalt der früher eher an der klassischen Anthropologie ausgerichteten Humanbiologie stark gewandelt; sie entwickelt sich heute zu einer auf den Menschen bezogenen molekularen Biowissenschaft, die sich nicht zuletzt mit der Erklärung, Prävention und Therapie von Krankheiten befasst. Im deutschsprachigen Raum wird die Humanbiologie nicht nur in neuen, eigenständigen Studiengängen angeboten, die unter Bezeichnungen wie Molekulare Bio-Medizin, Molecular Life Science o. Ä. firmieren, sondern auch als Modul im Grundcurriculum der Bachelor- und Master-Studiengänge in der Biologie. Auch in den Lehramtsstudiengängen der Universitäten und Pädagogischen Hochschulen sowie in Studiengängen der Medizintechnik, der Gesundheitsbildung und des Wissenschaftsjournalismus finden sich humanbiologische Module und Lehrinhalte.

Kurze kompakte Lehrbücher sind heute besonders notwendig – aber auch schwer zu schreiben. Dies gilt besonders für die Humanbiologie, die als interdisziplinäres Fach mehrere Gebiete umfasst. Deshalb wollen Autoren und Verlag den oben genannten Zielgruppen dieses Fachgebiet in einer neuen, komprimierten Form präsentieren, die neben den aktuellen molekularen Inhalten auch ein modernes didaktisches Konzept verfolgt. Die wichtigen Kapitel der Humanbiologie sind unter Einbeziehung von verwandten Themen so kompakt dargestellt, dass sie einen klaren Leitfaden durch die Lerninhalte der schwierigen interdisziplinären Gebiete bilden. Dabei haben wir den Text jedes Kapitels auf die wesentlichen Inhalte ausgerichtet und sämtliche Grafiken unter didaktischen Gesichtspunkten neu erstellt. Es zählt zu unseren wesentlichen Anliegen, eine Informationsüberfrachtung zu vermeiden und zu einer besseren Studierbarkeit des Faches Humanbiologie beizutragen. So helfen die klare Formulierung der Lernziele am Kapitelanfang und die Beispielfragen am Kapitelende bei der Kontrolle des Lernerfolgs und bei der Vorbereitung einer Prüfung oder Abschlussklausur. In die Erstellung dieses Buches sind auch die an der Justus-Liebig-Universität Giessen gewonnenen Erfahrungen des nunmehr schon mehrjährigen Bachelor-Master-Systems eingeflossen, das derzeit bereits in eine Reakkreditierungsphase geht und in dem verschiedene

Vorwort

Module, darunter auch die Humanbiologie, in Zukunft weiter ausgebaut werden. Dankenswerterweise haben sich verschiedene interne und externe Fachkollegen mit wertvollen und kompetenten Hinweisen und Korrekturvorschlägen an den einzelnen Kapiteln beteiligt. Besonders dankbar sind wir Prof. Dr. med. Reinhard Bretzel (Universitätsklinikum Giessen-Marburg), Prof. Dr. Silke Traub (Pädagogische Hochschule Karlsruhe), Frau Prof. Dr. Gertrud Rehner (Giessen) und auch den Kollegen aus dem FB Biologie/Chemie der JustusLiebig-Universität Giessen, Prof. Dr. Reinhard Lakes-Harlan, Prof. Dr. Michael Martin, Dr. Hubertus Hipke, Dr. Martin Fronius und Dr. Dieter Selzer. Bei Prof. Dr. Adriaan Dorresteijn und Frau Privatdozentin Dr. Ellen Kauschke bedanken wir uns besonders für die Anregungen, die wir aus ihren Vorlesungen zur Humanbiologie erhalten haben.

VII

Wir bedanken uns bei dem Team des Spektrum-Verlags, insbesondere Herrn Frank Wigger und Frau Martina Mechler, für die hervorragende Betreuung dieses Projektes. Besonderen Dank gilt auch unserer Lektorin Frau Dr. Birgit Jarosch, die nicht nur sämtliche Kapitel schnell und kompetent redigiert hat, sondern darüber hinaus auch viele wertvolle und wichtige Hinweise und Ergänzungen beisteuerte. Zum Erstellen dieses Buches haben sich die beiden Autoren wiederum die wissenschaftliche und grafische Arbeit geteilt.

Giessen, im Juli 2009 Wolfgang Clauss Cornelia Clauss

Inhaltsverzeichnis

1

2

3

Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik . . . . . . . . . . .

4

Nervengewebe und Nervensystem . . . . . . . .

95

1

Aufgaben des Nervensystems . . . . . .

96

Entwicklung der Säugetiere . . . . . . .

2

Primaten und Stammesverwandtschaften . . . . . . . . . . . . .

Aufbau und Funktion des Nervengewebes . . . . . . . . . . . . . .

97

2

Aufbau des Nervensystems . . . . . . . .

115

Entwicklung des Menschen (Homo sapiens) . . . . . . . . . . . . . . .

6

Entwicklung des menschlichen Genoms .

14

Aufgaben der Muskulatur . . . . . . . . .

136

Neandertaler (Homo neanderthalensis) .

17

Evolution der Sprache . . . . . . . . . . .

19

Bau und Funktion der Skelettmuskulatur . . . . . . . . . . . . .

136

Evolution des Geruchssinns . . . . . . . .

22

Bau und Funktion der Herzmuskulatur . . . . . . . . . . . . . .

147

Evolution von Verhaltensmerkmalen. . .

23

Glatte Muskulatur . . . . . . . . . . . . .

148

Entwicklung der Zivilisation . . . . . . .

25

Geistige und kulturelle Evolution . . . .

29

Heutige Menschheit . . . . . . . . . . . .

32

Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens . . . .

35

Biomoleküle . . . . . . . . . . . . . . . .

36

Aufbau der Zelle . . . . . . . . . . . . . .

41

Halte- und Bewegungsapparat . . . . . . . .

63

Aufbau und Funktion der Knochen . . . .

64

Gelenke . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur . . . .

72

5

6

7

Funktion der Muskulatur . . . 135

Sinnesorgane und Sensibilität . . . . . . . . . . . 153 Allgemeine Sinnesphysiologie . . . . . .

154

Mechanorezeption . . . . . . . . . . . . .

159

Schmerzsinn (Nozizeption) . . . . . . . .

168

Geruchs- und Geschmackssinn . . . . . .

170

Lichtsinn . . . . . . . . . . . . . . . . . .

174

Thermorezeption . . . . . . . . . . . . . .

180

Hormonsystem des Menschen . . . . . . . . . . . . 185 Aufgabe der Hormone . . . . . . . . . . .

186

Einteilung und Funktion der Hormone . .

186

Inhaltsverzeichnis

8

9

Hormone von Hypothalamus und Hypophyse . . . . . . . . . . . . . . . . .

194

Hormone der Epiphyse . . . . . . . . . .

196

Schilddrüsenhormone . . . . . . . . . . .

197

Hormone der Nebenschilddrüse . . . . .

201

Nebennierenhormone . . . . . . . . . . .

201

Andere endokrin aktive Gewebe . . . . .

206

Haut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Aufgaben der Haut . . . . . . . . . . . .

211

Aufbau der menschlichen Haut . . . . . .

212

Hautanhangsgebilde. . . . . . . . . . . .

214

Hauterkrankungen . . . . . . . . . . . . .

218

Therapie der Hauterkrankungen . . . . .

218

Funktion von Blut und Immunsystem. . . . . . . . . 221 Aufgaben und Zusammensetzung des Blutes. . . . . . . . . . . . . . . . . .

221

Erythrocyten (rote Blutkörperchen) . . .

223

Leukocyten . . . . . . . . . . . . . . . . .

228

Thrombocyten und Hämostase . . . . . .

237

Blutplasma . . . . . . . . . . . . . . . . .

240

10 Herz-Kreislaufund Gefäßsystem . . . . . . . . . 243

IX

Gasdiffusion über die Alveolarwand . . .

287

Gastransport im menschlichen Organismus . . . . . . . . . . . . . . . . .

288

Regulation des Gasaustausches und der Atmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

293

12 Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung . . . . . . . . . . . 301 Nahrungsquellen . . . . . . . . . . . . . .

301

Verdauungsenzyme . . . . . . . . . . . .

302

Aufgabe des Verdauungssystems. . . . .

304

Regulation der Nahrungsaufnahme . . .

305

Verhalten beim Verzehr und dessen Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . .

305

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals . . . . . . . . . . . . .

307

13 Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt . . . . . 327 Funktion des Ausscheidungssystems . .

328

Homöostase und Osmoregulation . . . .

328

Anatomie des Ausscheidungssystems . .

330

Funktion der Niere . . . . . . . . . . . . .

334

Nierenfunktionsuntersuchungen . . . . .

343

Erkrankungen der Niere . . . . . . . . . .

344

14 Reproduktion und Ontogenese . . . . . . . . . . 347

Aufgaben des Herz-Kreislauf-Systems . .

243

Herz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

244

Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . .

258

Anatomie und Funktion der Geschlechtsorgane. . . . . . . . . . . . .

348

Regulation des Kreislaufsystems . . . . .

266

Männliche und weibliche Sexualität . . .

357

11 Atmung . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

Schwangerschaft, Entwicklung und Geburt . . . . . . . . . . . . . . . . .

361

Aufgaben der Atmung . . . . . . . . . . .

276

Atmungssystem des Menschen . . . . . .

276

15 Humangenetik . . . . . . . . . . . 369

Atembewegungen des Brustkorbs und der Lunge . . . . . . . . . . . . . . .

281

Aufgaben und Entwicklung der Humangenetik . . . . . . . . . . . . . . .

370

Gasaustausch . . . . . . . . . . . . . . .

286

Allgemeine Genetik . . . . . . . . . . . .

370

X

Inhaltsverzeichnis

Molekulare Genetik . . . . . . . . . . . .

377

Populationsgenetik . . . . . . . . . . . .

391

16 Gesundheit und Krankheit . . 393

17 Humanökologie und Humanethologie . . . . . . 425 Populationsdynamik und Lebensräume .

426

Humanökologie . . . . . . . . . . . . . .

429 434

Allgemeine Aspekte von Gesundheit und Krankheit . . . . . . . . . . . . . . .

393

Humanethologie . . . . . . . . . . . . . .

Faktoren für die Entstehung von Krankheiten. . . . . . . . . . . . . . . . .

395

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . 437

Die zehn häufigsten letalen Erkrankungen in Deutschland . . . . . .

405

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

Verlauf von Krankheiten . . . . . . . . .

422

Sterben und Tod . . . . . . . . . . . . . .

423

Kapitel 1

Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über die Entwicklung der Primaten und des Menschen, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Entwicklung der Primaten aus den Säugetieren, die Vorläufer- und Zwischenstadien. Entwicklung des Menschen aus den Primaten, die Rolle der genetischen Voraussetzungen und der Zeitraum, in dem die Hominidenevolution erfolgte. Die Frage, ob der Neandertaler ein direkter Vorläufer des Menschen ist, und seine geographische Verbreitung. Paläogenetische Hinweise, die es zur Entwicklung der Sprache und des Geruchssinnes gibt. Faktoren, die bei der Entwicklung der Zivilisation eine Rolle spielten, und die Entwicklung des Sozialverhaltens. Bedeutung der geistigen und kulturellen Evolution und die Rolle von Erkenntnis und Weltanschauung. Die Art und Weise, wie sich die heutige Menschheit darstellt, und die für sie prognostizierte Entwicklung.

2

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Entwicklung der Säugetiere Der Mensch gehört zu den Säugetieren, die sich vor mehr als 300 Mio. Jahren aus der Gruppe der Reptilien entwickelten. Die ersten behaarten Säugetierformen entstanden etwa vor 200 Mio. Jahren. Sie hatten einen kleinen Körperbau, waren bereits homoiotherm und hatten entwickelte Milchdrüsen, mit denen sie ihre Jungtiere ernähren konnten. Diese ersten Säugetiere werden auch als Insektivoren bezeichnet, da sie sich vorwiegend von Insekten ernährten, die sie bei ihrer Jagd in der Dämmerung erlegten. Im Laufe der Zeit entwickelten sich die verschiedenen Hauptgruppen der Säugetiere, von denen eine Gruppe, die Primaten, als Vorläufer der Menschen gilt.

Primaten und Stammesverwandtschaften Über die Entwicklung der Primaten und des Menschen sind sich die Wissenschaftler im Detail noch uneinig. Es gibt viele Hypothesen, und ständig legen neue Funde andere Interpretationen nahe. In den folgenden Abschnitten wird die Stammesgeschichte der Primaten und des Menschen anhand des augenblicklichen Wissenstands interpretiert. Tabelle 1.1 gibt zunächst einen Überblick über die Erdzeitalter. Als Ursprung der Primaten wird nach neuesten genetischen Untersuchungen die in der Kreidezeit vor ca. 88 Mio. Jahren entstandene Gruppe der Euarchonta angesehen. Sie umfasst neben den Spitzhörnchen (Scandentia) auch die Primatomorpha, zu denen die Riesengleiter (Dermoptera) und die ausgestorbene Ordnung der Plesiadapiformes gehörten. Die Plesiadapiformes, den heutigen Spitzhörnchen ähnliche Tiere, wurden früher oft als die ältesten und ursprünglichsten Primaten angesehen. Vertreter dieser Tiergruppe hatten etwa die Größe eines Eichhörnchens, waren im Paleozän vor ca. 65–55 Mio. Jahren in Nordamerika und Europa weit verbreitet und vermutlich schon gut an ein mobiles Leben in Bäumen angepasst. Die Plesiadapiformes weisen allerdings weisen hinsichtlich des Schädelbaus und des Gebisses auch einige Ähnlichkeiten mit Nagetieren auf, sodass neuere Forschungen sie eher als Schwestergruppe der Primaten einordnen. Ihre seitlich liegenden Augen ermöglichten mit großer Sicherheit kein gutes räumliches Sehvermögen, das bei Primaten jedoch vorhanden ist. Die erste allgemein als Urgruppe der Stammesentwicklung akzeptierte Primatengruppe wird daher erst im Eozän (vor ca. 55–34 Mio. Jahren) angesiedelt. Dafür sprechen Fossilfunde, die eine stark verkürzte Schnauze aufweisen und damit auf ein Zusammenrücken der Augen mit binokularem Sehen hinweisen. Die weitere Entwicklung der Simiiformes, der höheren Affen, fand vermutlich in Asien oder Nordafrika statt. Abbildung 1.1 gibt einen Überblick über das System der Primaten. Früher unterteilte die Systematik die Primaten in Halbaffen (Prosimiae) und Affen (Simiae). Die neuere Systematik verwendet diese Begriffe nicht mehr, sondern unterscheidet zwischen den Feuchtnasenaffen (Strepsirrhini), die früher als Halbaffen bezeichnet wurden, und den Trockennasenaffen (Haplorrhini), zu denen die höheren Affen (Simiiformes), die Menschenartigen (Hominoidea) und letztlich auch der Mensch (Homo sapiens) gehören.

Primaten und Stammesverwandtschaften

Tabelle 1.1

Übersicht über die Erdzeitalter.

Erdzeitalter

Käno-(Neo-) zoikum

Beginn vor Mio Jahren Quartär

Neogen

Tertiär

Pliozän Miozän Paläogen

Mesozoikum

Paläozoikum

Holozän Pleistozän

1,8 65

Dauer in Mio. Jahren 1,8 63,2

Oligozän Eozän Paleozän

Kreide

Oberkreide Unterkreide

146

81

Jura

Malm (Weißer Jura) Dogger (Brauner Jura) Lias (Schwarzer Jura)

200

54

Trias

Keuper Muschelkalk Buntsandstein

251

51

Perm

Zechstein Rotliegend

299

48

Karbon

Oberkarbon Unterkarbon

359

60

Devon

Oberdevon Mitteldevon Unterdevon

416

57

Silur

Obersilur Untersilur

444

28

Ordovizium

Oberordovizium Mittelordovizium Unterordovizium

488

44

Kambrium

Oberkambrium Mittelkambrium Unterkambrium

542

54

Fossilien der frühen Primaten findet man in vielen Gebieten der Erde. Zu dieser Zeit war das Klima auf der Erde durch den hohen CO2-Gehalt der Atmosphäre sehr warm, sodass sich der Lebensraum der Primaten, die tropischen Regenwälder, bis weit in die hohen Breiten ausdehnte. Erst nachdem diese milde Klimaperiode vor rund 40 Mio. Jahren langsam zu Ende gegangen war, wurden die Verbreitungsgebiete vieler Primaten auf die äquatorialen Zonen beschränkt. So entstand vor ungefähr 25 Mio. Jahren in Afrika eine neue Abstammungslinie aus Kleinaffen, die Baumbe-

3

4

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Plesiadapiformes

(fossile Formen, fraglich als Primatenursprung) Lorisiformes (in Afrika und Südasien) Loris, Galagos (Buschbabies), Potto (Bärenmaki)

Strepsirrhini Feuchtnasenaffen

Familie Pliopithecidae Familie Oreopithecidae Familie Hylobatidae (Gibbons) Familie Proconsulidae Familie Hominidae

Chiromyiformes (in Madagaskar) Daubentonia (Fingertier) Lemuriformes (in Madagaskar) Lemuren u.a. (Indris, Katzenmaki, Wieselmaki)

Hominoidea Catarrhini (Altweltaffen)

Simiiformes (Anthropoidea) in alter und neuer Welt

Haplorrhini

Trockennasenaffen

Unterfamilie Sivapithecinae Unterfamilie Ponginae (Orang-Utan) Unterfamilie Dryopithecinae Unterfamilie Homininae (Gorillas, Schimpansen, Australopithecinae, Ramapithcinae, Menschen)

Cercopithecoidea Meerkatzen, Makaken, Paviane, Languren u.a.

Platyrrhini (Neuweltaffen) Kapuzineraffen, Krallenaffen, Nachtaffen

Tarsiiformes (in Südostasien) Tarsius (Gespenstmaki)

1.1

Übersicht über das System der Primaten. (Verändert nach Welsch 2007.)

wohner waren und sich ursprünglich auf allen vier Extremitäten auf Ästen fortbewegten (䉴 Abb. 1.2). Um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, nutzten die Tiere einen langen Schwanz. Diese frühen Menschenaffen richteten sich in ihrer Bewegungsweise mit der Zeit auf und hangelten sich mit den Händen an den Ästen entlang. So entstand allmählich eine senkrechte Haltung des Rückens, der Schwanz verlor für die Balance an Bedeutung und bildete sich im Lauf der Zeit zurück. Von diesen ersten Menschenaffen existierten vermutlich viele verschiedene Formen, die sich über den Nahen Osten nach Europa und Asien ausbreiteten. Nach und nach spalteten sich

1.2 Vermutliche Urform der Menschenaffen. (Verändert nach Welsch 2007.)

Primaten und Stammesverwandtschaften

a Orang Utan (Pongo)

b Gorilla (Gorilla Gorilla)

5

c Schimpanse (Pan)

1.3 Drei der heute lebenden Menschenaffen: a) Orang-Utan (Pongo). b) Gorilla (Gorilla Gorilla). c) Schimpanse (Pan troglodytes).

die Abstammungslinien verschiedener, noch heute erhaltener Menschenaffen ab. So entstanden vermutlich vor ca. 18 Mio. Jahren in Asien die Gibbons und vor etwa 12– 15 Mio. Jahren die Orang-Utans (Pongo), die erstmals erheblich an Größe zunahmen (䉴 Abb. 1.3a). Bisher nahm man an, dass sich vor ca. 7–9 Mio. Jahren die Gorillas von dieser Abstammungslinie abtrennten. Nachdem aber vor kurzem in Äthiopien das mit ca. 10 Mio. Jahren älteste Fossil eines Gorillas (Chororapithecus abyssinicus) gefunden wurde, könnten sich die Gorillas (䉴 Abb. 1.3b) schon erheblich früher, also vor ca. 10–11 Mio. Jahren, abgetrennt haben. Nach den bisherigen Funden geht man davon aus, dass sich die beiden Affenarten, Schimpanse und Bonobo (beides Arten der Gattung Pan), vor etwa 5–7 Mio. Jahren von unserer Abstammungslinie abspalteten (䉴 Abb. 1.3c; Tab. 1.2). Nach den bisherigen Funden ist es wahrscheinlich, dass Afrika der Ort der Entwicklung sowohl des Menschen als auch der heute lebenden Menschenaffen ist. Es muss betont werden, dass die Schimpansen und Bonobos keineswegs unsere direkten Vorfahren sind, sondern dass sie sich vom Ausgangspunkt unseres gemeinsamen Vorfahren parallel zur Abstammungslinie des Menschen eigenständig entwickelt haben (䉴 Abb. 1.4). Dies zeigen vergleichende DNA-Analysen zwischen Schimpansen, Bonobos und Menschen. Im Genom der Schimpansen finden sich DNA-Sequenzen, die man weder Primaten entwickelten sich im Eozän vor beim Menschen noch bei anderen Affenarten findet. Außer- Die ca. 55 Mio. Jahren vermutlich aus spitzhörndem haben Schimpansen und Bonobos neue Merkmale ent- chenähnlichen Tieren. Die weiteren Entwickwickelt, die beim Menschen nicht vorhanden sind. Leider lungsschritte verliefen über die höheren gibt es aus der Zeitspanne der Aufspaltung keine Fossil- Affen (Simiiformes) zu den Menschenartigen (Hominoidea), zu denen auch die Menschenfunde von Schimpansen oder gar unseres gemeinsamen affen gehören. Die Entwicklungslinie des Vorfahren. Auch sind nur wenige Fossilien von Menschen- Menschen (Homo) hat sich vermutlich erst affen aus der Zeitspanne von vor 7–13 Mio. Jahre in Afrika vor ca. 6 Mio. Jahren, ebenso wie die seiner nächsten Verwandten, den Schimpansen gefunden worden, sodass der Übergang der Menschenaffen und Bonobos, von einem gemeinsamen Vorzu den menschenähnlichen Hominiden bis heute nicht voll- fahren abgespalten. ständig geklärt ist.

ä

6

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Tabelle 1.2

Evolution der Primaten.

Epoche

Quartär

Tertiär

Beginn vor Mio. Jahren

Geologie und Klima

Hominidenevolution

Holozän

0,01

Pleistozän

1,6

Eiszeiten und Zwischeneiszeiten

Homo sapiens Homo erectus

Pliozän

5

das Klima in Ostafrika wird trockener, alpine Hebungen, Eiskappenbildung am Nordpol, Mittelmeer trocknet vorübergehend aus

Homo habilis Australopithecus

Abkühlung des Klimas, Eiskappenbildung am Südpol

Abtrennung von Gorilla und Schimpanse

mittleres 17

Landbrücke zwischen Afrika und Asien

Abtrennung der Orang-Utan-Linie

unteres

22

Grabenbrüche in Ostafrika beginnen

Abtrennung der Gibbon-Linie

34

Klima wird saisonaler, trockener, kühler

HominoideaCercopithecoidea

Alpenbildung beginnt

Altwelt-NeuweltAffen

heiß-tropisches Klima

erste moderne Primaten, archaische Primaten

Miozän

Oligozän

oberes

11

Eozän

57

Paläozän

65

Plesiadapiformes

Entwicklung des Menschen (Homo sapiens) Die Entstehung des Menschen ist durch Fossilfunde so weit belegt, dass aus ihnen eine wahrscheinliche Entwicklungsgeschichte erstellt werden konnte (䉴 Abb. 1.5). Obwohl diese in den hauptsächlichen Entwicklungsstufen feststeht, gibt es auch Lücken und alternative Interpretationsmöglichkeiten. Da die Funde der einzelnen Fossilien natürlich nicht in der chronologischen Abfolge der Entwicklung erfolgten, wurde die Hypothesen über die Entwicklungsgeschichte des Menschen immer wieder teilweise

Entwicklung des Menschen (Homo sapiens)

Catarrhini (Altweltaffen) Hominoidea Hominidae

Homo

Pan

Gorilla

Pongo

( Gibbons )

Hylobatidae

(Hundsaffen)

Cercopithecidae

Homininae

1.4 Phylogenie der Altweltaffen und parallele Entwicklung von Schimpanse und Mensch. (Verändert nach Wehner und Gehring 2007.)

geändert, neuere Funde bestätigten aber auch Entwicklungsabschnitte, die heute daher als völlig gesichert gelten. Im Folgenden wird diese Entwicklungsgeschichte anhand der Zeitachse über Millionen Jahre geschildert; Reihenfolge und Ort der Fossilienfunde sind in Tabelle 1.3 aufgeführt, die Fundstellen der fossilen Hominiden sind in Abbildung 1.6 gezeigt. Als Hominiden wird hier die zum Menschen führende Abstammungslinie bezeichnet. Die Entwicklungsreihe beginnt vor ca. 5–7 Mio. Jahren, als sich die Entwicklungslinie des Menschen und die Linie der Schimpansen und Bonobos von einem gemeinsamen Vorfahren abspalteten (䉴 Abb. 1.5). Die Fossilien dieser Gruppe (Sahelanthropus, Orrorin und Ardipithecus) wurden erst später nach anderen Funden ab 1992 in Afrika entdeckt, zunächst in Äthiopien Ardipithecus ramidus, dessen Alter auf etwa 4,4 Mio. Jahre geschätzt wurde, später Orrorin tugenensis, von dem nur ein Oberschenkelknochen erhalten ist, und dann der 6–7 Mio. Jahre alte Sahelanthropus tchadensis, von dem ein Schädel gefunden wurde. Dies ist bis jetzt der älteste Fossilfund eines Hominiden, und sein Schädel hat eine Form, die dem eines Schimpansen ähnelt. Die Experten sind sich deshalb noch uneinig, ob es sich bei Sahelanthropus tchadensis um den bisher ältesten gefundenen Hominiden nach Abspaltung von der Pan-Linie handelt, oder ob er noch vor diese Trennung einzuordnen ist. Diese drei Funde sind in Abbildung 1.5 als früheste Hominidengruppe zusammengefasst. Es ist jedoch unklar, ob sich die Abspaltung vom Schimpansen in einer Linie eines Evolutionsstammbaums vollzog oder ob es zu dieser Zeit noch mehrere parallele Hominidenformen gab, deren Fossilien bis heute noch nicht entdeckt wurden. Von dieser ältesten Hominidengruppe führt eine Linie zu einer Hominidengruppe, deren Vertreter in einer Zeitspanne von 4,5–2,3 Mio. Jahren datieren. Es handelt sich dabei um die Australopithecinen, die in Afrika lebten und eine sehr formenreiche Gruppe bildeten. Von ihnen sind viele, meist gut erhaltene Skelettfunde bekannt, die beweisen, dass sie bereits zu einem aufrechten, bipeden Gang fähig waren, auch wenn

7

8

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

H. sapiens

0

Millionen Jahre vor heute

H. floresiensis

H. neanderthalensis H. heidelbergensis

H. erectus

1

H. ergaster P. boisei

P. robustus H. habilis

P. aethiopicus

2

A. garhi A. africanus

3

A. afarensis

A. anamensis

?

4

Kenyanthropus plathyops

Ardipithecus ramidus 5

Orrorin 6 tugenensis Sahelanthropus tchadensis 7

1.5 Wahrscheinliche Entwicklungslinie der Hominiden bis zum Menschen. (Verändert nach Zimmer 2006.)

Entwicklung des Menschen (Homo sapiens)

Tabelle 1.3

Einige typische Vertreter der Hominoidea.

Name Proconsul

Alter (Mio. Jahre) 20

Verbreitung

Beschreibung

Afrika

Vierbeiner

Dryopithecinae

17–9

Europa, Asien

Urwaldbewohner

Ramapithecinae

15–7

Afrika, Europa, Asien

Bezüge zum Orang-Utan

Sahelanthropus tchadensis

6,5

Afrika

Schädel steht anatomisch zwischen dem von Australopithecus und dem des Schimpansen

Orrorin tugenensis

6

Afrika

Bezug zu Hominiden ungeklärt, möglicher aufrechter Gang

Ardipithecus (Australopithecus) ramidus

4,4

Afrika

wahrscheinlich zweibeiniger Waldbewohner

4

Afrika

Hinweise auf ursprünglichen Schädel, aufrechter Gang

A. afarensis

4–3

Afrika

„Lucy“, Schädel zwischen dem des Menschenaffen und dem des Menschen, aufrechter Gang

A. africanus

3–2

Afrika

Ein „Generalist“, weniger spezialisiert als A. robustus

2,5–1,5

Afrika

größer und kräftiger gebaut als A. africanus, mächtige Backenzähne

Habilinen: Homo habilis Homo rudolfensis

2,5–1

Afrika

Zunahme des Gehirnvolumens, Werkzeuggebrauch

Homo erectus H. heidelbergensis H. ergaster

1,5–0,2

Asien Europa Afrika

weite Verbreitung mit regionaler Variabilität, altpaläolithische Kultur

Europa, Vorderasien

Werkzeug und Bestattungskultur (Moustérien)

weltweit

moderner Mensch

Australopithecus anamensis

(A. robustus) Paranthropus robustus

Homo neanderthalensis Homo sapiens

0,1–0,027 Seit 0,7–0,2

9

10

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Torros Menalla

Bahr el Ghazal

Hadar Aramis Koobi Fora

Omo

Kanapoi Laetoli

Fundstellen in Afrika

Olduvai Uraha Malema

Sahelanthropus Ardipithecus Australopithecus Homo

Komdraai Sterkfontein Swartkrans Taung

1.6

Fundstellen der fossilen Hominiden.

sie sich in ihrem, durch weite Grasflächen aufgelockerten Waldbiotop zeitweilig noch vierbeinig fortbewegten. Auffällig ist ihre große Schädelkapazität (400–530 cm3; 䉴 Abb. 1.7), die nahe legt, dass ihr Gehirnvolumen bezogen auf die Körpergröße viel größer war als das der heutigen Menschenaffen. Allerdings war es sicherlich auch kleiner als das der sich später aus ihnen entwickelnden Homo-Vertreter. Funde von Australopithecinen sind aus Äthiopien, Süd- und Ostafrika sowie aus dem Tschad bekannt. Australopithecinen waren von relativ graziler Gestalt mit einer Körpergröße bis etwa 140 cm und ernährten sich vorwiegend von Früchten und Blättern. Als früheste Form wird Australopithecus anamensis angesehen, gefolgt von A. afarensis, dessen erster Fossilfund als „Lucy“ bezeichnet wurde und besondere Berühmtheit erlangte. Spätere Formen waren A. africanus und A. garhi. Aus den bisherigen Funden dieser grazilen Australopithecinen lässt sich schließen, dass sie vor ca. 2 Mio. Jahren in Afrika ausstarben und sich aus ihnen sowohl die robusten Autralopithecinen-Formen entwickelten, die auch als Paranthropus bezeichnet werden, als auch die Formen der Homo-Gruppe (䉴 Abb. 1.5). Aus dieser Zeitspanne ist nach einem erst 1999 im Norden Kenias gefundenen Schädel auch eine Form benannt, die aufgrund der Form als Kenyanthropus platyops (der flachgesichtige Mensch) benannt wurde. Seine Einordnung ist umstritten, da er sowohl die ursprünglichen Merkmale der Australopithecinen aufweist, z. B. ein kleines, nur ca. 550 cm3 großes Schädelvolumen, als auch wesentlich fortschrittlichere

Entwicklung des Menschen (Homo sapiens)

Australopithecus afarensis

Homo habilis

Homo erectus

600 – 800 cm³

750 – 1 250 cm ³

Homo floresiensis

Homo neanderthalensis

Homo sapiens

400 – 500 cm³

390 - 420 cm ³

1.7

1 200 – 1 750 cm³

1 200 – 1 700 cm³

Schädelformen und Gehirnvolumina einiger Hominiden.

Merkmale, die dem Jochbein und den Wangenknochen von H. rudolfensis ähneln. Der Kenyanthropus trat zeitgleich mit A. afarensis vor 3,5–3,2 Mio. Jahren auf . Ob er eine eigenständige Gattung war oder eine Variante von A. afarensis oder A. anamensis, ist bis jetzt ungeklärt. Auch die Gruppe des Paranthropus zählt eigentlich zu den Australopithecinen, da sie aufgrund der Skelettfunde sehr ähnlich, allerdings viel robuster ist. Sie wird aber oft auch als eigene Gattung angesehen und ist deshalb in Abbildung 1.5 in einem eigenen Feld dargestellt. Zu dieser Gruppe gehören P. aethiopicus, P. boisei und P. robustus. Die Bezeichnung des letzteren zeigt, dass diese Formen größer und robuster als die grazilen Formen der Australopithecinen waren. Sie hatten eine Körpergröße bis 155 cm und einen kräftigen Kauapparat mit massiven Backenzähnen. Aus den bisherigen Funden schließt man, dass sie die letzten Australopithecinen waren und vor etwa 1 Mio. Jahre in Afrika ausstarben. Die Vertreter der Homo-Gruppe im letzten Feld der Abbildung 1.5 entwickelten sich also vermutlich direkt aus den grazilen Vertretern der AustralopithecinenGruppe. Insofern ist also Lucy durchaus als eine wahrscheinliche ursprüngliche Vorläuferin des modernen Menschen vor ca. 3–5 Mio. Jahren zu sehen. Mit dem Ende des Pliozäns vor ca. 2,5 Mio. Jahren erschienen in Afrika die ersten Vertreter der Homo-Gruppe. Als eine frühe Form wird H. habilis angesehen, der mit einer Schädelkapazität von 600–800 cm3 ein deutlich größeres Gehirnvolumen hatte als die Aus-

11

12

ä

ä

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

tralopithecinen (䉴 Abb. 1.7). Die frühen afrikanischen Homo-Formen, zu denen neben H. habilis auch H. rudolfensis und H. ergaster gehören, werden oft zusammenfassend als Homo erectus bezeichnet. Grund dafür ist eine schwierige Abgrenzung der einzelnen Funde, die zwar mit eigenen Artnamen belegt wurden, deren Überlappung aber aufgrund des eingeschränkten Fundmaterials schwierig zu beurteilen ist. Nach heutigem Wissen begann die MenschSpätere Vertreter der Homo-Gruppe fanden sich in Europa werdung in Ostafrika. Durch genetische Mutationen und Rekombinationen sowie (H. antecessor, H. heidelbergensis) und in Asien (H. erecdurch natürliche Selektion entstanden aus tus wird als Peking- und Java-Mensch bezeichnet). Diese schimpansenähnlichen Vorfahren in mehrespäteren H. erectus-Vertreter haben alle eine wesentlich ren, teilweisen parallelen Entwicklungsgrößere Schädelkapazität von bis zu 1 300 cm3 (䉴 Abb. schritten neue Entwicklungslinien. Aus einer dieser Linien ging schließlich der moderne 1.7). Die zeitliche Rekonstruktion der Funde ergab ein Mensch (Homo sapiens) hervor. Szenario, das als Out-of-Africa-I-Hypothese bezeichnet wird. Nach dieser Hypothese besiedelten die Formen des H. erectus ausgehend von Afrika vor ca. 2 Mio. Jahren, also am Übergang vom Pliozän zum Pleistozän, den eurasiDie Out-of-Africa-I-Hypothese vermutet eine schen Raum. Neben ihrer großen Schädelkapazität, die auf Besiedlung des eurasischen Raumes durch den H. erectus vor ca. 2 Mio. Jahren ausgeein deutlich größeres Gehirnvolumen schließen lässt, ist hend von Afrika. für die H. erectus-Formen auch der Gebrauch von Werkzeugen eindeutig belegt. Vor der Entwicklung zum H. sapiens sind in diesem Zeitraum allerdings noch zwei bemerkenswerte Fossilfunde belegt, die auf eine wahrscheinliche Abspaltung von Homo-Entwicklungslinien deuten, welche sich nicht fortgesetzt haben, sondern ausstarben. Das ist zum einen der erst 2004 auf der indonesischen Insel Flores gefundene kleinwüchsige Hominide H. floresiensis. Diese Homo-Form hatte eine Körpergröße von nur ca. 1 m und eine sehr geringe Schädelkapazität von bis ca. 420 cm3 (䉴 Abb. 1.7). Es ist bis heute ungeklärt, ob es sich dabei um einen kleinwüchsigen Vertreter von H. erectus handelt, der auf dieser isolierten Insel bis vor ca. 18 000 Jahren lebte, oder ob es sich bei ihm um einen Vertreter des modernen Menschen, H. sapiens, handelt, der dann allerdings kleinwüchsig und mikrocephal gewesen wäre. Die zweite Abspaltung einer ausgestorbenen Linie (H. neanderthalensis) erfolgte etwa zeitgleich mit der Entstehung des modernen Menschen (䉴 Abb. 1.5). H. neanderthalensis entstand wahrscheinlich erst in Asien und wanderte dann über den Nahen Osten nach Europa ein, wo er als eigenständige Art sympatrisch neben dem inzwischen aus Afrika eingewanderten H. sapiens lebte. Er wurde nach dem Fossilfund im Neandertal bei Düsseldorf benannt und lebte bis vor ca. 25 000 Jahren, bis er gegen Ende der Eiszeit ausstarb. Entgegen früherer Ansichten ist er kein direkter Vorfahre des modernen Menschen, was DNA-Analysen inzwischen eindeutig belegen (s. später in diesem Kapitel). Die Entwicklung des modernen Menschen, H. sapiens, setzte wahrscheinlich in einem Zeitraum vor 0,7–0,2 Mio. Jahren in Afrika an den Stellen der berühmten früheren Funde ein. In dieser Zeit erfuhr H. erectus dort eine starke Formenradiation und damit eine erhebliche Veränderung seines Genoms (s. S. 16). Dies führte zur Entstehung des H. sapiens mit deutlich veränderten Schädel- und Skelettmerkmalen. Seine Schädelkapazität erhöhte sich auf bis zu 1 700 cm3 und lag damit deutlich über der von H. erectus, war allerdings etwas kleiner als die von H.

Entwicklung des Menschen (Homo sapiens)

Besiedlung Europas und Sibiriens vor 40 000 Jahren

13

Einwanderung nach Amerika vor etwa 20 000 Jahren

Besiedlung der Levante vor 130 000 bis 80 000 Jahren

Ausbreitung in Afrika vor 150 000 Jahren

Besiedlung Australiens und Ostasiens vor 50 000 Jahren

1.8 Hominidenwanderung nach der Out-of-Africa-II-Hypothese. (Verändert nach Wehner und Gehring 2007.)

neanderthalensis (䉴 Abb. 1.7). In einer zweiten Auswanderungswelle (Out-of-Africa-II-Hypothese) wanderte H. sa- Die Out-of-Africa-II-Hypothese besagt, dass modernen Menschen von einer afrikanipiens über den Nahen Osten nach Europa und Asien ein, alle schen Form des H. erectus abstammen, die von wo er sich schnell weiter nach Australien und Ameri- sich vor etwa 200 000 Jahren ausbreitete. ka ausbreitete (䉴 Abb. 1.8). Dieser Out-of-Africa-II-Hypothese steht allerdings eine andere Sichtweise, die Multiregional-Hypothese, gegenüber. Diese geht davon aus, dass H. sapiens nicht nur in Afrika entstanden ist, sondern sich ausgehend von verschiedenen regionalen H. erectus-Arten jeweils getrennt entwickelt hat (䉴 Abb. 1.9). Es hätte dann auf der Erde an verschiedenen Stellen separate Die Multiregional-Hypothese besagt im Populationen von H. sapiens gegeben, die sich später all- Gegensatz zur Out-of-Africa-II-Hypothese, mählich vermischten. Allerdings sprechen moderne mole- dass der H. sapiens unabhängig an verschiekulargenetische Analysen gegen die Multiregional-Hypo- denen Stellen auf der Erde in jeweils getrennten Populationen mehrmals und these, sodass wahrscheinlich alle modernen Menschen von etwa gleichzeitig aus dem H. erectus enteiner frühen afrikanischen Form des H. sapiens abstammen standen ist. (Eva-Hypothese). Im Vergleich zum wahrscheinlich nächsten lebenden Verwandten des Menschen, dem Schimpansen, hat sich eine wesentliche Evolution und damit Veränderung des Skeletts und des Körperbaus ergeben. In Abbildung 1.10 sind dafür einige Beispiele dargestellt, die eine Voraussetzung für die völlig andere Lebensweise des Menschen sind. Neben der Vergrößerung des Gehirnvolumens veränderten sich der Kiefer und die Zahnstellung, wodurch eine andere Nahrungsaufnahme möglich wurde. Durch die Veränderung des Beckens verlagerte sich der Körperschwerpunkt (䉴 Abb. 1.11), die Voraussetzung für den Übergang zum dauerhaft aufrechten Gang.

ä

ä

14

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Multiregional-Hypothese

Replacement-Theorie

H. sapiens

H. sapiens

H. neanderthalensis H. rhodesiensis

H. heidelbergensis H. antecessor H. erectus

H. ergaster (H. erectus )

H. ergaster

1.9 Verschiedene Theorien zur Entstehung des Menschen. Nach der Multiregional-Hypothese hat sich H. sapiens aus regional unterschiedlichen H. erectus-Formen in separaten Populationen entwickelt, die sich später vermischt haben. Die Replacement-Theorie wird von molekularbiologischen Befunden gestützt und besagt, dass alle modernen Menschen aus einer frühen afrikanischen Form hervorgehen (Out-of-Africa). (Verändert nach Welsch 2007.)

Entwicklung des menschlichen Genoms Genauere Vorstellungen über den Zeitablauf und den Ort der menschlichen Entwicklung bestehen bisher nur für das letzte Stadium seit etwa 160 000 Jahren. Dabei wurden die Erkenntnisse aus fossilen Hominidenfunden mit genetischen Analysen kombiniert und daraus eine neue Theorie entwickelt, die allerdings ebenfalls noch umstritten ist. Bisherige Theorien der Hominidenentwicklung gingen seit Darwin davon aus, dass die Entstehung des Menschen ihre Wurzel bei den Primaten Afrikas hat. Allerdings waren die meisten Paläoanthropologen bis zum Ende des 20. Jahrhunderts der Ansicht, dass die Hominiden Afrika bereits vor langer Zeit verlassen und sich nach Europa und Asien ausgebreitet hatten. Diese geographisch weit verbreiteten Hominidengruppen sollten einer Art angehören, die durch allmähliche Weiterentwicklung den modernen Homo sapiens hervorgebracht hat. Diese durch Fossilien und Werkzeugfunde belegte Theorie war bis zur Entwicklung von molekulargenetischen Analysen eine sehr plausible Interpretation der Funde. Nachdem mithilfe der modernen Methoden der Molekulargenetik eine genauere Analyse der menschlichen DNA und auch von fossilem Material möglich wurde, entwickelten Molekulargenetiker um 1980 eine andere Betrachtungsweise, die Eva-Hypothese, die besagt, dass sich alle heute lebenden Menschen von einer vor etwa 160 000

Entwicklung des menschlichen Genoms

Mensch

Schimpanse

Schädel

Gebiss

Becken

1.10 Veränderung einiger Skelettmerkmale im Vergleich zwischen Mensch und Schimpanse. (Verändert nach Bauer 2006.)

Fuß

Mensch

Schimpanse

Wirbelsäule Wirbelsäule

Schwerpunkt Schwerpunkt

1.11 Körperhaltung und Gangvergleich zwischen Mensch und Schimpanse. (Verändert nach Bauer 2006.)

15

16

ä

ä

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Jahren in Afrika lebenden Hominidengruppe ableiten. Für die paläogenetische Analyse wurde das mitochondriale Genom (mt-DNA) einer repräsentativen Gruppe von Menschen aus unterschiedlichen ethnischen Gruppen in Afrika, Europa und Asien untersucht. Die mt-DNA wird im Gegensatz zum Genom des Zellkerns nur über die mütterliche Linie weitervererbt, sodass alle männlichen und weiblichen Nachkommen einer Mutter dieselbe identische mt-DNA besitzen. Dadurch lässt sich die von Generation zu Generation mögliche Durchmischung der väterlichen und mütterlichen Gene auf den Chromosomen des Zellkerns ausblenden, und die Zahl der möglichen Variationen ist drastisch reduziert. Ziel der Untersuchungen war es, einen Stammbaum aller heute lebenden Menschen zu erstellen. Das mitochondriale Genom des Menschen besteht aus 37 Genen, die in ihrer Basensequenz nur durch zufällige Mutationen und nicht durch Neukombination bei der geschlechtlichen Fortpflanzung verändert werden. Deshalb kann man eine mütterliche Abstammungslinie Durch Analysen des mitochondrialen Genoms wurde die „Eva-Hypothese“ aufgemithilfe dieser Mutationen leicht zurückverfolgen und stellt. Sie besagt, dass alle heutigen Menvon anderen, sich vor der Mutation verzweigenden Linien schen von einer ursprünglichen Frau („Eva“) abgrenzen und unterscheiden. Da einige spezielle Ababstammen, die vor etwa 200 000 Jahren in Afrika gelebt hat. Die molekulargenetischen schnitte der mt-DNA in regelmäßigen Zeitabschnitten und proteinbiochemischen Analysen lassen mutieren, ist es sogar möglich, mit dieser DNA-Analyse nicht nur Rückschlüsse auf die Verzweigung eine Aussage über den zeitlichen Ablauf der Entwicklung des Hominidenstammbaums und den Verzu treffen. Es steht also für paläoanthropologische Schlusswandtschaftsgrad verschiedener Arten zu, sondern auch Aussagen über den zeitlichen folgerungen eine Art molekulare Uhr zur Verfügung. MitAblauf der Hominidenevolution. hilfe dieser Analysen (DNA-Hybridisierung) gelangten Allan Wilson und Mitarbeiter von der University of California, Berkeley, zu der Schlussfolgerung, dass alle heutigen Menschen ihre mt-DNA von einer Frau geerbt haben, die vor etwa 200 000 Jahren in Afrika gelebt hat. Nach dieser „Eva der Mitochondrien“ wurde diese Schlussfolgerung auch als Eva-Hypothese bezeichnet. Diese provokative Eva-Hypothese war von Beginn an heftig umstritten und stand im klaren Gegensatz zu der aus den bisherigen Fossilfunden entwickelten Theorie der Paläoanthropologen. Denn folgt man der Eva-Hypothese stringent, bedeutete dies, dass alle vor 200 000 Jahren außerhalb Afrikas datierten Hominidenfossilien, z. B. H. erectus oder H. heidelbergensis, nichts zum Genom des heutigen Menschen beigetragen haben. Diese in Europa und Asien damals vorhandenen Populationen von H. erectus wären also ebenso wie der in Asien gefundene Peking- und Java-Mensch Hominidenentwicklungen gewesen, die in eine evolutionäre Sackgasse führten und nichts zur biologischen Evolution des Jetztmenschen beitrugen. Die molekulare Verwandtschaft von Primaten lässt sich neben der DNA-Analyse auch über einen Vergleich verschiedener Blutproteine mithilfe von immunologischen Methoden beurteilen. Da sich die Proteinformen ebenfalls im Laufe einer langen Evolution entwickelt haben, gibt es bei ihnen, ähnlich wie bei den Fossilien, Vorläuferformen, die eine ähnliche, strukturell aber vielfach etwas einfachere Struktur aufweisen. Und da die Proteine durch die zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Gene gebildet werden, lässt sich durch den immunologischen Vergleich auch auf den Verwandtschaftsgrad der unterschiedlichen Arten schließen. Das mitochondriale Genom wird nur über die mütterliche Linie weitervererbt.

Neandertaler (Homo neanderthalensis)

Diese immunologische Analyse wird über eine Kreuzreaktion durchgeführt, bei der die Stärke einer Immunreaktion auf einen vorher für eine bestimmte Tierart hergestellten Antikörper (z. B. gegen Serumalbumin) als Maß für den Verwandtschaftsgrad herangezogen wird. Da die Evolution der Proteine mit einer über die Zeit gleichmäßigen Geschwindigkeit abläuft, ist der Unterschied in der Aminosäuresequenz eines bestimmten Proteins (z. B. Albumin) proportional zu der seit der Auftrennung der Entwicklungslinien vergangenen Zeit. Ordnet man nun die Proteinvarianten bestimmten radiometrisch datierten Fossilfunden zu, kann man die Evolutionsgeschwindigkeit zeitlich kalibrieren und Aussagen über den Zeitpunkt der Auftrennung von Entwicklungslinien treffen. Mit solchen Untersuchungen ließ sich z. B. nachweisen, dass sich die Abstammungslinien von Menschenaffen und Menschen erst vor etwa 5–7 Mio. Jahren getrennt haben könnten. Neben Albumin wurden für solche Untersuchungen hauptsächlich die Blutproteine Hämoglobin, Cytochrom c und Transferrin verwendet. Im Vergleich zur Methode der DNA-Hybridisierung hat die immunologische Methode jedoch den Nachteil, dass nicht das gesamte Erbgut, sondern nur ein kleiner Ausschnitt davon verglichen wird.

Neandertaler (Homo neanderthalensis) Die Einordnung und Verwandtschaftsbezeichnung des Neandertalers relativ zum modernen Menschen änderte sich im Verlauf des letzten Jahrhunderts zweimal. Zunächst wurde der Neandertaler als eine eigene eher primitive Art neben dem H. sapiens angesehen, eine Auffassung, die sich bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts hielt. Anschließend wurde er enger zum H. sapiens gerückt und lange als dessen Unterart eingeordnet. Neuere Erkenntnisse, die vor allem auf der Analyse von DNASequenzen beruhen, aber auch morphologische und kulturelle Befunde berücksichtigen, stellen den H. neanderthalensis heute wieder als eine völlig eigenständige Art dar, die einige Zeit parallel zum H. sapiens gelebt hat und von diesem wahrscheinlich verdrängt wurde. Fossilfunde deuten allerdings auf eine Vorläuferart, den Präneandertaler, hin, der zeitlich vor den Neandertaler gestellt werden muss. Funde seines Skeletts datieren in Europa bis etwa 250 000 Jahre zurück. Ihre Ähnlichkeit mit dem Skelett des H. heidelbergensis deutet auf einen Übergang dieser beiden Homo-Arten hin, sodass sich der Neandertaler letztlich wohl vom H. heidelbergensis ableitet. Allerdings bleibt der Zeitpunkt des Übergangs umstritten; er wird in einen Zeitraum von 250 000–120 000 Jahren angesiedelt. Nach neueren molekularbiologischen Befunden (siehe unten) könnten frühe Neandertaler auch schon vor über 600 000 Jahren aufgetreten sein. Zu den frühen Neandertalern gehört der ca. 250 000 Jahre alte Schädelfund aus Steinheim an der Murr. Seine Schädelkapazität war mit ca. 1 150 cm3 relativ klein, und der Schädel ist charakterisiert durch eine steile Stirn und ein abgerundetes Hinterhaupt. In Deutschland wurden weitere Präneandertaler bei Weimar und im Rheingraben nördlich von Mannheim gefunden. Solche Funde erstrecken sich jedoch über ganz Europa von Italien, Frankreich, Kroatien bis nach Israel.

17

18

ä

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Die eigentlichen Neandertaler waren ebenfalls in ganz Europa verbreitet, aber auch im Nahen Osten bis zum Kaukasus und Zentralasien (Usbekistan). Zahlreiche Funde belegen, dass der klassische Neandertaler eine untersetzte, kräftige Gestalt mit kurzen Extremitäten hatte. Sein eher flacher Schädel weist deutliche Wülste über den Augen auf und hatte mit 1 400–1 500 cm3 eine geringfügig größere Kapazität als der moderne H. sapiens. Der kräftige Gesichtsschädel weist auf eine intensive Belastung von Kiefer und Zähnen hin, die außer zur Nahrungsaufnahme vermutlich auch als Werkzeuge eingesetzt wurden. Verschiedentlich weisen die Funde Verletzungen und arthritische Veränderungen auf. Dies könnte bedeuten, dass die Neandertaler nicht sehr alt wurden, vielleicht nur etwa 30–40 Jahre, und dass ihre Population insgesamt nicht sehr groß war; Experten schätzen, dass höchstens einige 10 000 Neandertaler gleichzeitig lebten. Offensichtlich waren sie gut an ein kaltes Klima angepasst, da sie während der letzen Eiszeit lebten, weshalb sie vermutlich auch Kleidung trugen. Offensichtlich sind einige der Populationen diesen zunehmend kalten und schwierigen Umweltbedingungen ausgewichen; darauf deuten die Funde im Mittelmeergebiet hin. Neandertaler lebten in Gruppen, die gemeinsam Jagd auf Großwild (Mammut, Elch) machten. Im Verlauf ihrer Ausbreitung gelang es den Neandertalern, in der Zeitspanne zwischen 200 000–40 000 Jahren eine fortgeschrittene Werkzeugkultur zu entwickeln. Sie wird nach einem Fund in Südfrankreich als Moustérien-Kultur bezeichnet (䉴 Abb. 1.14). Typische Werkzeugfunde sind aus Stein (Steinspitzen, Schaber und einfache Messer), an weiteren Fundstellen wurden aber auch Schmuckstücke aus Elfenbein und durchbohrten Tierzähnen gefunden. Obwohl es auch nomadisch lebende Neandertaler gab, waren die meisten Gruppen wahrscheinlich sesshaft und lebten in den Eingangsbereichen von Höhlen. Dafür gibt es zahlreiche Belege durch Fundstellen in Südwestfrankreich. Diese Funde zeigen, dass Neandertaler vermutlich schon eine hoch entwickelte und komplexe Sozialstruktur hatten, zu deren Bestandteil auch Kranken- und Verwundetenpflege gehörte und die ihren besonderen Ausdruck in einer rituellen Bestattungskultur hatte. In verschiedenen Fundstellen fanden sich nicht nur Skelette, sondern diese waren oft in bestimmte Himmelsrichtungen, z. B. von Ost nach West, ausgerichtet. Außerdem fanden sich als Grabbeigaben speziell geformte und in Herzhöhe positionierte Steine sowie Pollenkörner, die rezenten Blütenpflanzen zugeordnet werden konnten. Dies könnte dafür sprechen, dass bei rituellen Bestattungen auch Blüten auf die Toten gestreut wurden. Solche rituellen Begräbniskulturen könnten den Neandertaler hatten eine rituelle BestatNeandertalern eine Entwicklungsstufe zusprechen, die tungskultur. Deshalb könnte ihnen die bereits die Erkenntnis von der Begrenztheit ihrer Existenz Begrenztheit der menschlichen Existenz schon bewusst gewesen sein. und womöglich bereits Vorstellungen über ein Jenseits dieser Existenz beinhaltete. Im Jahr 2006 gelang es zwei Forschergruppen, 65 000 Basenpaare der nucleären DNA (Zellkern-DNA) eines Neandertalers zu analysieren. Beide Gruppen untersuchten Material, das von Neandertalerknochen aus Kroatien stammte, deren Ursprung auf 38 000 Jahre zurückdatiert wurde. Die Forschergruppen kamen allerdings bezüglich der Abspaltung der Neandertaler von der H. sapiens-Linie zu unterschiedlichen Ergebnissen und datierten sie auf 706 000 bzw. 516 000 Jahre zurück. Auch schloss eine Gruppe auf eine Durchmischung und Kreuzung des Neandertalers mit dem H. sapiens, da die DNA-Sequenz zu etwa 80% der menschlichen DNA ähnelt. Im Jahr

Evolution der Sprache

19

2007 erschien eine weitere DNA-Analyse der Neandertaler. Diese Untersuchung weist darauf hin, dass die Homologie von 80% vermutlich auf eine Verunreinigung der Neandertalerprobe mit menschlicher DNA zurückzuführen ist. Demnach wäre also eine späte Abspaltung (vor 516 000 Jahren) wahrscheinlich, und es hätte auch keine Kreuzung und Durchmischung stattgefunden. Dieses Beispiel zeigt, wie vorsichtig man mit paläogenetischen Schlussfolgerungen sein muss, insbesondere, wenn sie nur auf wenigen Analysen fossiler DNA beruhen. Die Funde aus dem östlichen Mittelmeergebiet (Israel und Irak) sprechen dafür, dass H. neanderthalensis und H. sapiens, der dort vor ca. 100 000 Jahren aus Afrika kommend auftauchte, in dieser Region wohl über 50 000 Jahre getrennt nebeneinander gelebt und dabei jeweils ihren eigenen Genpool bewahrt haben. Die Funde deuten darauf hin, dass H. neanderthalensis und H. sapiens getrennte Arten waren, die sich nicht vermischt haben. In Europa tauchte H. sapiens erst vor ca. 40 000 Jahren auf, wo er auf den bereits vorhandenen H. neanderthalensis traf. Dessen Spuren lassen sich dann aber nur noch für ca. 10 000 Jahre nachweisen, für einen späteren Zeitraum gibt es keine Hinweise auf den Neandertaler. Die letzten Funde in der Region bei Gibraltar werden auf ca. 27 000 Jahre datiert. Das abrupte Verschwinden der Neandertaler bleibt weiterhin rätselhaft, und es ist nicht geklärt, ob sie vom überlegenen H. sapiens in kriegerischen Auseinandersetzungen ausgerottet wurden oder vielleicht an Krankheitserregern zugrunde gingen, die Nach neuesten molekulargenetischen AnalyH. sapiens auf seiner langen Wanderung aus Afrika mit sich sen war der Neandertaler kein direkter Vordes H. sapiens, sondern lebte teilweise brachte. Möglich ist auch ein langsames Aussterben aus fahre parallel zu diesem und wurde wahrscheinsozialen Gründen, weil Neandertaler mit den Fähigkeiten lich von ihm ausgerottet oder verdrängt. moderner Menschen und ihrer Kultur nicht konkurrieren konnten.

Evolution der Sprache Im Jahre 2001 wurde an der Universität Oxford ein Gen entdeckt, das erstmals in enge Beziehung zur Sprachentwicklung des Menschen gesetzt werden konnte. Ausgangspunkt war die molekulargenetische Untersuchung einer britischen Familie pakistanischer Herkunft (KE-Familie). Von ihren über vier Generationen vorhandenen 37 Mitgliedern traten bei 15 Personen erhebliche Sprachstörungen auf (䉴 Abb. 1.12b). Ursache für diese Störungen waren motorische Koordinationsprobleme bei der Bewegung der Lippen und der Zunge. Durch Vergleiche mit dem Genom normal sprechender Personen konnte bei den betroffenen Personen auf Chromosom 7 eine Genmutation lokalisiert werden (䉴 Abb. 1.12c). Sie betraf ein Gen, das als FOXP2 bezeichnet wurde und einen Transkriptionsfaktor codiert. Solche Faktoren binden über eine Forkhead-Box (䉴 Abb. 1.13) an die DNA und wirken aktivierend oder hemmend auf die Transkription und damit letztendlich auch auf die Proteinsynthese. Aus diesen Untersuchungen schloss man, dass FOXP2 ein notwendiges Gen für die menschliche Sprachfähigkeit sei. Interessant war die Frage, wie sich dieses Gen im Laufe der Hominidenentwicklung verändert hat und ob es auch bei anderen Arten im Tierreich vorkommt. Tatsächlich

ä

20

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

b Stammbaum der KE-Familie

a Sprachregionen motorische Region

WernickeAreal

BrocaAreal

Sprachproduktion

Sprachwahrnehmung

Frauen

Frauen mit Sprachstörung

Männer

Männer mit Sprachstörung

c Chromosom 7

FOXP2-Gen 1.12 Genetische Grundlagen der Sprachfähigkeit. a) Sprachregionen im Gehirn. b) Stammbaum der KE-Familie, der zur Entdeckung des FOXP2-Gens führte. c) Lokalisierung des FOXP2-Gens auf Chromosom 7.

ä

wurde das FOXP2-Gen auch bei Vögeln und Säugetieren einschließlich Affen gefunden. Vor allem bei Primaten wurde seine molekulare Struktur näher untersucht, um Aussagen über die Entwicklung der menschlichen Sprache zu treffen. Die Untersuchungen ergaben, dass FOXP2 ein stark konserviertes Gen ist, dessen Produkt aus 715 Aminosäuren besteht. Das Genprodukt des Menschen unterscheidet sich gegenüber dem Produkt des homologen Gens anderer Säugetiere, z. B. der Maus, nur in drei Aminosäuren, verglichen mit anderen Primaten (Schimpansen) sogar nur in zwei. Da die Fähigkeit der menschlichen Sprache von den für koordinierte Bewegungen des Kehlkopfes und des Mundraums zuständigen Muskelgruppen abhängt, vermutete man, dass diese kleinen Sequenzunterschiede des FOXP2-Gens zwischen Primaten und Menschen beim Menschen für die Entwicklung der Feinmotorik und damit für die Sprachfähigkeit verantwortlich sind. Allerdings ist zu vermuten, dass diese auf die molekulargenetische Ebene bezogene Schlussfolgerung nur einen Teil eines multifunktionellen Geschehens abdeckt, denn Sprachfähigkeit ist nicht gleich Sprache. Zur Entwicklung der Sprache gehören neben neurologischen Sprachzentren im Gehirn

Die Fähigkeit zu sprechen setzt bestimmte Gene voraus, von denen eines (FOXP2) bereits näher charakterisiert wurde. Es kommt nicht nur bei Primaten, sondern auch bei anderen Säugetieren und Vögeln vor. Die menschliche Sprachfähigkeit ist eine multifaktorielle Funktion, die neben besonderen neurophysiologischen Voraussetzungen auch die anatomisch und muskulär wichtigen Organe zur Artikulation benötigt.

Evolution der Sprache

1.13 Molekulare Struktur des FOXP2-Proteins.

(䉴 Abb. 1.12a) sicher auch kulturelle Einflüsse und Entwicklungen sowie psycholinguistische Faktoren. Die Sprachzentren im Gehirn sind in der linken Hemisphäre lokalisiert. Dabei vermittelt das Wernicke-Areal das Sprachverständnis. Es assoziiert die Wortstruktur mit der Bedeutung vorher gespeicherter Information. Eine Störung dieses Areals verursacht eine sensorische Aphasie, in der das Gesprochene zwar grammatikalisch korrekt und flüssig produziert wird, der Sprachinhalt aber nicht verstanden wird. Das Broca-Areal ist dagegen für die Organisation und Produktion der Sprache zuständig. Eine Störung dieses Areals verursacht eine motorische Aphasie, bei der Gesprochenes zwar verstanden wird, die Sprache aber nicht flüssig und auch nicht korrekt ist. Die motorische Region setzt die von den vorherigen Arealen erzeugten Sprachimpulse in Bewegungen der Lippen und des Kehlkopfapparates um. Obwohl die Begriffe Wernicke- und Broca-Areal in neurologischen Lehrbüchern verwendet werden, beschreiben sie doch keine scharf abgegrenzten Strukturen; es sind Bereiche, in denen das Sprachvermögen hauptsächlich lokalisiert ist und die ihre Funktion zusammen mit weiteren Gehirnarealen ausüben. Die moderne Hirnforschung hat inzwischen die neurobiologischen Abläufe der Sprache weiter präzisiert und dazu verschiedene Modelle entwickelt, die aber noch kontrovers diskutiert werden. Linguisten, Psychologen und Kognitionsforscher untersuchen die Fähigkeit des menschlichen Sprechens seit langem. Da es in den etwa 6 000 bekannten menschlichen Sprachen universell vergleichbare Strukturen in Syntax und Grammatik gibt, vermuten manche Sprachforscher ein vorgeformtes Sprachprogramm im Gehirn von Neugeborenen. Für eine solche Annahme sprechen auch experimentelle Befunde aus der Lautäußerungsforschung an Vögeln. Sie besitzen nämlich ebenfalls das FOXP2-Gen und spulen eine genau definierte Reihenfolge von Tönen in ihren artcharakteristischen Lautäußerungen ab. Im Gegensatz zu diesen „biologischen“ Erklärungen des Sprachvermögens stehen streng behavioristische Ansätze von Soziologen,

21

22

ä

ä

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

die der Ansicht sind, dass soziale Lernprozesse zwischen Neugeborenen und den Eltern sowie der Umwelt verantwortlich für das Lernen von Sprachen seien. Neuere Untersuchungen zeigen aber, dass die Sprachentwicklung bei Kindern bereits von Beginn an gewissen Regeln folgt, die nicht nur eine willkürliche Aneinanderreihung von Silben erbringt, sondern bereits grammatikalische Elemente wie Relativsätze und Passivkonstruktionen einschließt. Dies würde auf ein biologisch vorgeformtes Zusammenwirken von speziellen neuronalen Netzen und genetischen Faktoren hindeuten. Es ist also möglich, dass FOXP2 als Sprache ist eine kulturelle Eigenschaft, die Transkriptionsfaktor eine Vielzahl von anderen, noch auf einer speziellen anatomischen und neunicht entdeckten Genen beeinflusst, die für die Entstehung ronalen Grundlage beruht. Auch soziale komplizierter neuromotorischer Systeme verantwortlich Lernprozesse sind für das Erlernen einer sind. Sprache ist also eine äußerst komplexe Fähigkeit, Sprache wichtig. und ihre Evolution ist in ersten Ansätzen geklärt. Die meisten europäischen Sprachen haben sich im Verlauf der letzten 6 000 Jahre ausgehend von den Sprachen des indoeuropäischen Raumes entwickelt. Populationsgenetiker konnten zeigen, dass der paläogenetische Stammbaum mit dem linguistischen Stammbaum der Sprachentwicklung erstaunlich gut übereinstimmt. So könnte z. B. die außergewöhnliche Sprache der Basken in Westeuropa auf die vor 40 000 Jahren erfolgte Einwanderung des Cro-Magnon-Menschen zurückgeführt werden. Molekulargenetische Analysen ergaben, dass die für den Menschen charakteristischen Mutationen im FOXP2-Gen erst vor ca. 40 000 Jahren aufgetreten sind. Dies würde bedeuten, dass die Sprechfähigkeit und Sprache erst zum Zeitpunkt der Ausbreitung des H. sapiens auf der gesamten Erde entstanden ist, auch wenn das FOXP2Gen bei Menschenaffen und anderen Tieren vorhanden ist. Deshalb stellt sich auch die Frage, ob der Neandertaler bereits ein Sprachvermögen besaß. Zu dieser Fragestellung gibt es einen interessanten Fossilfund. In Kebara (Israel) wurde 1983 ein Neandertalergrab mit dem Skelett eines Mannes gefunden. Interessanterweise war das Zungenbein, eine kleine hufeisenförmige Struktur, vollständig erhalten. Das Zungenbein befindet sich über dem Kehlkopf etwa in der Höhe des dritten Halswirbels. Es bildet die Basis und den Ansatz für Bänder und Muskeln, die der Zunge ihre Beweglichkeit und Verformbarkeit als Artikulationsorgan ermöglichen. Da sich das fossile Zungenbein von Kebara anatomisch praktisch nicht von dem des modernen Menschen unterscheidet, könnte der Neandertaler also auch bereits eine Sprachfähigkeit besessen Fossile Funde lassen vermuten, dass der haben. Zudem sprechen auch auf Computeranalysen Neandertaler bereits eine Sprachfähigkeit basierende Rekonstruktionen des Atem- und Stimmtrakbesaß. tes des Neandertalers für eine solche Sprachfähigkeit.

Evolution des Geruchssinns Obwohl sich Mensch und Schimpanse genetisch nur in ca. 1,2% der Gene unterscheiden, nutzen beide Arten die 99% der identischen Gene offensichtlich in stark unterschiedlicher Weise. Das An- und Abschalten von Genen, das in den Geweben zu verschiedenen Formen und Mengen von mRNA führt, ist ein geeignetes Kriterium, um

Evolution von Verhaltensmerkmalen

23

die Aktivität und das Expressionsmuster von Genen unter evolutionären Aspekten zu vergleichen. Im kognitiven Bereich sind diese Unterschiede zwischen Schimpansen und Mensch besonders stark ausgeprägt. Der Mensch ist im Verlauf der Evolution offensichtlich dazu übergegangen, seine Gene, vor allem im Gehirn, anders zu nutzen. Neben der Evolution der Sprache ist vor allem die Analyse des Geruchssinns und seiner Evolution von besonde- Im Vergleich zum Schimpansen sind beim rem Interesse. Im Verlauf der Evolution des Menschen wur- modernen Menschen etwa 67% der usprünglich etwa 1 000 Geruchsgene inaktiden viele Gene, die für den Geruchssinn zuständig sind, viert und damit funktionslos. Beim Meninaktiviert und damit funktionslos. So sind beim Menschen schen nahm das Riechvermögen im Laufe nur ca. 67% der beim Schimpansen vorhandenen Geruchs- der Evolution zugunsten des Sehvermögens gene funktionell aktiv. Dabei ist der Geruchssinn phyloge- ab. netisch ein sehr alter Sinn, dem bei Mensch und Tier überragende Bedeutung zukommt. Im Laufe der Evolution hatte der Geruchssinn zunächst die Aufgabe, Nahrung und einen geeigneten Sexualpartner zu finden. Diese Mechanismen dienten vorwiegend der Arterhaltung. Erst mit dem Übergang des Menschen zum aufrechten Gang nahm das Riechvermögen zugunsten des Sehvermögens ab. In der genetischen Analyse der Riechforschung gelang amerikanischen Forschern 1991 ein Durchbruch. Sie fanden im Rattengenom eine riesige Genfamilie von über 1 000 Genen, die fast überwiegend in den Sinneshärchen der Riechzellen exprimiert werden. Auch im menschlichen Genom gibt es unzählige Geruchsgene, die, weil sie Rezeptoren codieren, korrekter als Riechrezeptorgene bezeichnet werden. Sie sind mit Ausnahme der Chromosomen 20 und Y auf allen anderen Chromosomen in Clustern lokalisiert. Vollständig wurde ihr Cluster auf dem Chromosom 17 isoliert, und 1999 gelang es einer deutschen Forschergruppe, ein spezielles Riechrezeptorgen aus dieser Genfamilie zu klonieren und funktionell zu untersuchen. Ein Gencluster kann bis zu 80 Riechrezeptorgene enthalten, und die Genfamilie ist mit einem Anteil von 1% die größte Genfamilie des menschlichen Genoms. Der Gencluster auf Chromosom 17 enthält insgesamt 18 molekular sehr ähnliche Riechrezeptorgene, von denen sie- Die Geruchsgene (Riechrezeptorgene) sind ben nichtfunktionelle Pseudogene sind. Dies unterstreicht in Clustern auf fast allen Chromosomen lokalisiert und stellen mit 1% des Genoms die einleitende Bemerkung von der Stilllegung vieler olfak- die größte menschliche Genfamilie dar. torischer Gene im Verlauf eines relativ kurzen Zeitabschnitts der Evolution. Von den ca. 1 000 ursprünglich bei Säugetieren funktionsfähigen olfaktorischen Genen werden beim Menschen nach heutigem Wissen nur 347 Gene olfaktorisch genutzt. Weitere Informationen zum molekularen Aufbau dieser olfaktorischen Rezeptorgene finden Sie in Kapitel 3.

Evolution von Verhaltensmerkmalen Evolutive Faktoren Die Entwicklung von Verhaltensmustern ist sowohl bei Tieren als auch beim Menschen ein komplementäres Zusammenwirken von genetischen und umweltbedingten

ä

ä

24

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Faktoren. Dabei liefern die Gene ein Grundlagenprogramm, das sich im Laufe der evolutionären Entwicklung einer Organismengruppe auf die jeweilig bestehende Umweltsituation abstimmt. Dieser genetische (evolutive) Faktor wird durch die Umwelteinflüsse im Laufe eines Lebens in verschiedenster Weise realisiert und modifiziert. Die Umwelt führt über individuelle Faktoren also zu einer Feinanpassung einer genetisch ererbten Verhaltensgrundlage.

Entwicklungsprogramme

ä

Die Verhaltensentwicklung eines Individuums lässt sich über unterschiedliche Entwicklungsprogramme realisieren, die entweder starr festgelegt (geschlossen) oder extrem flexibel (offen) sind. Beispiele für geschlossene Entwicklungsprogramme sind die Lautäußerungen von Grillen und Heuschrecken, die einen relativ artkonstanten eigenen Gesang entwickeln, auch wenn sie isoliert von Artgenossen aufwachsen. Solche starren Programme sind auch von Wirbeltieren bekannt, beispielsweise von Schwimm- und Flugbewegungen bei Amphibien bzw. Vögeln. In viele Verhaltensprogramme werden frühontogenetische Erfahrungen mit einbezogen. Dabei handelt es sich um selektives Lernen während einer sensiblen Phase. Länge und Zeitpunkt dieser Phase sind dabei abhängig von der Lebensdauer des Individuums. So findet bei Tieren mit kürzerer Lebensdauer, z. B. Vögeln, die selektive Gesangsentwicklung in der sensiblen Phase 10–50 Tage nach dem Schlüpfen statt. Erst nach weiteren 100 Tagen haben sie diese Entwicklung, die über einen noch unvollkommenen Juvenilgesang führt, abgeschlossen und präsentieren den Normalgesang. Die Mechanismen dieser selektiven Lernvorgänge können an Vögeln besonders gut untersucht werden, da sie eine sehr rasche Individualentwicklung haben, die bereits nach ca. 1% der Gesamtlebensdauer abgeschlossen Bei der Entwicklung von Verhaltensmustern ist. Bei höheren Primaten erfolgt die Individualentwickwirken genetische und umweltbedingte lung viel langsamer. Bis zum Erreichen des Adultstadiums Faktoren zusammen. Deshalb können Entvergehen hier ca. 30% der Gesamtlebensdauer. In dieser wicklungsprogramme genetisch starr festgelegt (geschlossene Programme) oder Zeit laufen vielfältige Lernprogramme für Verhaltensweidurch selektives Lernen während einer sensen ab, die in verschiedenen zeitlichen Fenstern sensibel siblen Phase der Lebenszeit extrem flexibel auf die dann zu diesem Zeitpunkt vorhandenen neuronasein (offene Programme). len Entwicklungsstufen aufbauen.

Sozialverhalten Eine der wichtigsten Verhaltensweisen, die in dieser Zeit erlernt werden, ist das Sozialverhalten. Ähnlich wie viele Tiere bilden auch Primaten und Menschen Gruppen (soziale Verbände), in denen sie ihre Lebensweisen bedeutend optimieren können. Neben solchen Vorteilen, die durch soziale Kooperation z. B. bei der gemeinsamen Jagd entstehen können, ergeben sich aber auch soziale Nachteile, die sich durch Konflikte äußern und bei Tieren nicht selten zu massivem Stress führen. Letztendlich lassen sich alle höheren sozialen Verhaltensweisen auf Verwandtenselektion, d. h. familiäre Brutpflege, zurückführen.

Entwicklung der Zivilisation

25

Die Mitglieder eines solchen verwandtschaftlichen Sozialverbandes entwickeln oft ausgeprägte altruistische Verhaltensweisen. Dies sind Handlungen, die zwar eigentlich zum Nachteil des Individuums gereichen, für die anderen Mitglieder der Gruppe aber von großem Vorteil sind. Auf diese Weise erbringen die Eltern auf ihre Kosten den energetischen Aufwand für die Brutpflege der Jungen, ohne dass sie selbst etwas davon haben. Sie sichern damit aber das Weiterbestehen ihres familiären Sozialverbandes und die Übertragung ihres eigenen Genpools auf die Nachkommen. Der Beitrag, den ein einzelnes Individuum für seine Nachkommen leistet, wird als direkte genetische Eignung (Fitness) bezeichnet, und der Teil, den das Individuum durch Altruismus zum Fortpflanzungserfolg seiner Verwandten beisteuert, als indirekte genetische Eignung. Jedes Individuum trägt diese beiden Komponenten zum erfolgreichen Fortbestehen des Sozialverbandes bei. Man fasst sie unter dem Begriff Gesamteignung (inclusive fitness) zusammen. Ökonomisch sinnvolle Verhaltensweisen erschließen den Tieren neue ökologische Nischen und bilden deshalb eine wichtige Komponente bei dem stammesgeschichtlichen Verlauf der Evolution. Diesen Verhaltensweisen liegen genetische Faktoren zugrunde, die als Wirkungskaskade (pleiotrope Genwirkung) in die physiologischen Abläufe eines Organismus einwirken. Primaten zeigen besonders stark ausgeprägte soziale Interaktionen, die durch eine offene Sozialstruktur geprägt und Menschen können ihre Lebenssind. Dies ermöglicht eine außergewöhnlich große Fähig- Primaten bedingungen durch Bildung von sozialen keit zur Adaptation an die vorhandenen ökologischen Gruppen wesentlich verbessern. Dabei entBedingungen und eine enorme Flexibilität bei deren Verän- wickelt sich ein Sozialverhalten, das für Indiderung, die zu ständig neuen Anpassungen des Sozialver- viduen Vor- und Nachteile bedeuten kann, der Population insgesamt aber Vorteile haltens führt. Dies schließt auch die erfolgreiche Bewälti- bringt. gung von neu entstehenden sozialen Konflikten ein.

Entwicklung der Zivilisation Durch die im Laufe der Primatenentwicklung stetig fortschreitende Vergrößerung des Gehirnvolumens (䉴 Abb. 1.7) ergaben sich neue Möglichkeiten der Habitatnutzung. Die zunächst vorliegende affenartige Fortbewegung im Geäst der Bäume wurde zunehmend durch die aufrechte bipede Bewegung abgelöst. Sie machte das Eindringen in neue Ökosysteme möglich, die aus aufgelockerten Landschaftsstrukturen mit weiten Grasflächen bestanden. Bei der Gehirnentwicklung vergrößerten sich nicht nur bestimmte Gehirnareale, sondern auch ihr charakteristisches Genexpressionsmuster wurde stark amplifiziert. Dies betrifft besonders die regulatorischen DNA-Sequenzen, die sich bei Schimpanse und Mensch stark unterscheiden. Man bezeichnet die Sequenzen deshalb als human accelerating regions (HAR) und vermutet, dass diese starke Genduplikation einen entscheidenden Beitrag zur Menschwerdung lieferte. Zusammen mit der interindividuellen Entwicklung des Sozialverhaltens veränderte diese Gehirnentwicklung auch die Jugendentwicklung der Primaten. Die Säuglingsund Jugendphase wurde stark verlängert und führte zu einer langen Sozialisierungsund Lernphase der Nachkommen. Auch die Altersphase verlängerte sich, und diese

ä

26

Tabelle 1.4

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Epochen der Steinzeit mit den Entwicklungsstufen des Menschen und der Werkzeugkultur.

Jahre

Epoche

2,4 –1,5 Mio.

Paläolithikum (Altsteinzeit)

1,4 Mio. – 200 000

frühes Paläolithikum

Kulturstufe

Entwicklungsstufe

Oldovan

H. habilis

Acheuléen

H. ergaster, H. antecessor, H. heidelbergensis

200 000 – 40 000

mittleres Paläolithikum Moustérien

40 000 – 32 000

spätes Paläolithikum

Châtelperronien

37 000 – 28 000

Aurignacien

28 000 – 22 000

Gravettien

21 000 – 19 000

Solutréen

18 000 – 12 000

Magdalénien

11 000 – 6 500 in Europa

Mesolithikum

in Asien ab 11 000, Neolithikum in Europa ab 6 500

später H. neanderthalensis

Jäger und Sammler

mittlere Steinzeit Jungsteinzeit

H. neanderthalensis

Kupferzeit ab 9 000 Ackerbau und Viehzucht Bronzezeit ab 6 000 Eisenzeit ab 3 200

ä

insgesamt verlängerte Lebensdauer ermöglichte eine gezielte Weitergabe von Informationen an die nächste Generation. Dies erfolgte zunächst sicher durch Gestik und Beobachtung und erst nach der Sprach- und Schriftentwicklung auf verbalem und visuellem Weg. Auf diese Weise ergab sich mit der Zunahme des Gehirnvolumens auch eine kulturelle Entwicklung, die in immer rascheren Schritten voran ging. Dafür gibt es klare Belege aus fossilen Funden, die aus dem Paläolithikum (Altsteinzeit) stammen. Diese Epoche begann vor ca. 2,4 Mio. Jahren und endete vor 12 000 Jahren (䉴 Tab. 1.4).

Im Laufe der Evolution der Primaten zum Menschen nahm das Gehirnvolumen durch die Vergrößerung bestimmter Gehirnareale stark zu. Begleitet wurde diese Entwicklung von einer vermehrten Expression bestimmter regulatorischer Gensequenzen, die man als human accelerating regions (HAR) bezeichnet.

Werkzeugkultur Als älteste Kulturstufe wird das sogenannte Oldovan angesehen. Es erstreckt sich über einen Zeitraum von 2,4–1,5 Mio. Jahren und ist nach der Fundstelle der OlduvaiSchlucht in Tansania benannt. Die aus diesem Zeitraum stammenden einfachen, einseitig abgeschlagenen Steinwerkzeuge (䉴 Abb. 1.14a) werden Australopithecus garhi und Homo habilis zugeordnet. Die nächste Kulturstufe wird als Acheuléen bezeichnet und erstreckt sich über einen sehr langen Zeitraum von 1,5 Mio. – ca. 200 000 Jahre. Die Werkzeugfunde aus dieser Zeit sind beidseitig bearbeitet und sind vorwiegend

Entwicklung der Zivilisation

27

scharfe Faustkeile, die in Afrika und Europa gefunden wurden und H. erectus zugeordnet werden (䉴 Abb. 1.14b). Als nächste Kulturstufe folgt das Moustérien, die Zeitspanne des Neandertalers, die von 200 000–40 000 Jahre reicht. Wie schon erwähnt, finden sich hier Pfeilspitzen und Schaber verschiedener Größe und Form (䉴 Abb. 1.14c,d). Die nächsten Kulturstufen lösen sich in rascher Folge ab und liegen in dem als oberes Paläolithikum bezeichneten Zeitraum von 40 000–12 000 Jahre. Zunächst gab es eine als Châtelperronien bezeichnete Übergangsphase, in der sich die kulturellen Einflüsse von H. neanderthalensis und H. sapiens vermischen. In der als Aurignacien bezeichneten Kulturstufe erscheint H. sapiens in Europa. Die Werkzeugtechnik verfeinerte sich und wird durch Schmuckgegenstände und flötenartige Musikinstrumente ergänzt. Kurz aufeinander folgen Kulturstufen, die als Gravettien, Solutréen und Magdalénien bezeichnet werden. Das Gravettien (28 000–22 000) ist nach einer Fundstelle in Südwestfrankreich (Dordogne) benannt und durch Feuersteingeräte wie die Gravettspitze charakterisiert, eine längsseitig scharfe Steinspitze, die auf einem Schaft montiert wurde und vermutlich als Harpune diente. Aus dieser Zeit kennt man aber auch weibliche Statuetten aus Elfenbein. Das Solutréen (21 000– 19 000) ist nach einer Fundstelle eines fossilen Korallenriffs in Burgund benannt. Fundstellen gibt es aber auch im Tal der Ardèche in Frankreich, in Portugal, Spanien, Ungarn und der Slowakei. Charakteristisch für die Werkzeugkultur dieser Stufe sind flächenretuschierte Blattspitzen aus Feuerstein, die durch Abschlagen dünner Lamellen hergestellt wurden. In dieser Zeit wurde vermutlich auch die Nadel mit Öhr erfunden, die die Anfertigung von genähter Fellkleidung möglich machte. Es finden sich auch Lochstäbe, bemalte Knochen und Felszeichnungen von Tieren. Die letzte Kulturstufe des oberen Paläolithikums wird als Magdalénien bezeichnet. Sie erstreckt sich überlappend mit dem Solutréen von etwa 18 000–12 000 Jahre und ist nach einer Fundstelle in einer Höhle der Dordogne benannt. Charakteristische Werkzeuge aus dieser Zeit sind kleine Steinklingen aus Feuerstein oder Quarz (Mikrolithen), die durch seitliche Einkerbungen und gezieltes Brechen hergestellt wurden, aber auch Schaber (䉴 Abb. 1.14e). Die Menschen dieser Zeit lebten bereits in Zelten und benutzten das rote Eisenoxid Hämatit zum Färben der Kleidung sowie zur Körperbemalung. Aus Die Entwicklung der menschlichen Kultur dieser Zeit stammen auch die bekannten Höhlenmalereien erfolgte in einzelnen Schritten im Paläolithikum ab dem Oldovan vor ca. 2,4 Mio. Jahren. von Lascaux. einzelnen Kulturstufen sind dabei durch Der Altsteinzeit (Paläolithikum) folgt über eine nur Die charakteristische Werkzeugfunde abzugrenkurze Übergangszeit (Mesolithikum) die Jungsteinzeit zen. Ab dem Erscheinen des H. sapiens vor (Neolithikum), die im Orient bereits unmittelbar nach der etwa 40 000 Jahren tauchen neben diesen Eiszeit vor ca. 12 500 Jahren einsetzte, in Europa aber erst reinen Gebrauchsgegenständen auch Kunstgegenstände wie Statuen und Schmuck und vor ca. 6 500 Jahren begann. Sie ist geprägt von Sesshaftig- die Malerei auf. keit, Landbau und der Domestikation von Tieren.

Haus- und Nutztiere Unter Domestizierung versteht man eine durch den Menschen durchgeführte genetische Isolation von Wildtieren oder Wildpflanzen über einen Zeitraum von mehreren Generationen. Diese wurden über Generationen hinweg isoliert von der Wild-

ä

28

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

a Handaxt (Oldovan)

b Handaxt (Acheuléen)

c Speerspitze (Moustérien)

d Pfeilspitze (Moustérien)

e Schaber (Magdalénien) 1.14 Typische Steinwerkzeuge aus verschiedenen Epochen und Kulturen. Die ältesten bekannten Steinwerkzeuge stammen aus dem Paläolithikum (Altsteinzeit) vor ca. 2,4 Mio. Jahren. (Verändert nach Storch, Welsch und Wink 2007.)

f Blattspitze (Jungpaläolithikum)

form gehalten (Isolation) und so gezüchtet, dass die gewünschten Eigenschaften sich immer stärker ausbildeten. Auf diese Weise änderten sich die genetischen Eigenschaften, und es entstanden Haus- und Nutztiere wie auch Nutzpflanzen. Die ersten Haustiere waren die aus Wölfen domestizierten Hunde, die als Jagdhelfer und Hütehunde abgerichtet wurden. Vermutlich haben sich Hund und Wolf als Arten bereits vor ca. 125 000 Jahren getrennt, die Domestizierung des Hundes erfolgte aber im Magdalénien vor ca. 14 000 Jahren. Katzen wurden vor ca. 3 500 Jahren in Ägypten domestiziert. Beispiele der Domestizierung von Nutztieren sind Schaf und Ziege (vor ca. 10 000 Jahren in Westasien), Rind und Schwein (vor ca. 8 000–9 000 Jahren in Südosteuropa und Vorderasien, China), Pferd (vor 5 000 Jahren in Südosteuropa), Huhn (vor ca. 2 500 Jahren in Vorderasien) und Kaninchen (vor 1 500 Jahren in Frankreich). Mit der Domestizierung geht eine starke Merkmalsänderung einher. Insbesondere nimmt das Gehirnvolumen ab, Verhaltensweisen ändern sich (verminderte Aggressivität), Fell und Haarfarbe verändern sich, und es kommt zur Ausbildung von Rassen mit stark unterschiedlichem Körperbau.

Geistige und kulturelle Evolution

29

Nutz- und Heilpflanzen Zu Beginn der Jungsteinzeit vor etwa 10 000 Jahren begann der Mensch mit dem Ackerbau und züchtete aus wild wachsenden Pflanzen gezielt spezielle Arten. Diese Kulturpflanzen wurden als Nahrung für den Menschen, als Viehfutter und auch als Zier- und Heilpflanzen verwendet. Und schon vor der Erfindung des Ackerbaus wurden Wildpflanzen gesammelt und genutzt, indem man Ableger oder Samen gezielt verteilte. Diese Verbreitung natürlicher Pflanzenarten wird jedoch noch nicht als Kultivierung angesehen. Die frühesten Nutzpflanzen waren verschiedene Getreidearten (z. B. Gerste, Roggen), die in Vorderasien (Türkei und Mesopotamien) vor 11 000–10 000 Jahren angebaut wurden. In Europa setzte der Ackerbau erst in der Periode vor 7 000–4 000 Jahren ein, in Japan sogar erst vor etwa 2 300 Jahren. Diese Unterschiede dokumentieren die geographisch unterschiedliche Entwicklung vom Jäger- und Sammler-Stadium der Mittelsteinzeit (Mesolithikum) zum sesshaften Ackerbau der Jungsteinzeit (Neolithikum). Neben den bereits erwähnten Getreidearten gehörten auch Erbsen und Linsen zu den frühesten Nutzpflanzen im Mittelmeerraum. In China, wo vermutlich der Ackerbau eigenständig entstanden ist, wurden vor ca. 12 500 Jahren Reis, Hirse und Sojabohnen angebaut. Später entstand auch in Mittelamerika eine Ackerbauregion, in der Mais, Bohnen, Kürbisse und Kartoffeln kultiviert wurden. Der Anbau und die Anwendung von Pflanzen mit der Absicht, Krankheiten zu heilen, sind bereits aus frühen Kulturen dokumentiert. Vor allem aus dem orientalischen Raum und aus China existieren schriftliche Belege. Die ältesten Aufzeichnungen einer solchen medizinischen Anwendung sind auf Papyrus aus der altägyptischen Zeit Vor etwa 10 000–15 000 Jahren begann der Wildtiere und Wildpflanzen zu vor ca. 3 600 Jahren dokumentiert. Frühere Anwendungen Mensch, domestizieren. Sie wurden als Nutz- und können aber bereits in der Jungsteinzeit (Neolithikum) ver- Haustiere bzw. Nutz- und Heilpflanzen vermutet werden, da die ca. 5 300 Jahre alte Gletschermumie wendet. Mit der Domestizierung geht neben „Ötzi“ Birkenporlinge bei sich führte. Diesen Pilzgewächsen einer Änderung des Genoms auch eine starke Veränderung der Merkmale eines Organiswird eine antibiotische Wirkung zugeschrieben, sie können mus einher. in Scheiben geschnitten als Wundauflage dienen.

Geistige und kulturelle Evolution Innerhalb der Philosophie werden Lebewesen und insbesondere der Mensch als Träger genetisch gespeicherter Informationen betrachtet. Während der Evolution sammelte sich immer mehr Information in den Lebewesen an, sodass sich immer komplexere biologische Systeme ausbildeten, in denen die Information auf neuronaler Grundlage gespeichert wurde. Der Mensch ist allerdings als einziges Lebewesen in der Lage, die neuronal im Gehirn gespeicherten Informationen auch außerhalb seines Körpers in Form von Schrift in Büchern und auf Datenträgern zu speichern und damit an andere Menschen weiterzugeben. Insofern ergibt sich aus einer biologisch neuronalen Evolution eine geistige und damit auch kulturelle Evolution. Ein beeindruckendes Beispiel dafür ist ein Knochenfund 1960 in Zentralafrika, der ca. 20 000

ä

30

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Jahre alt ist. Dieser ca. 10 cm lange Ishango-Knochen stellt wahrscheinlich das früheste Zeugnis der Entwicklung der Mathematik dar. Auf ihm sind mehrere Abfolgen von Kerben eingeritzt, von denen eine die Primzahlen zwischen 10 und 20 darstellt (11, 13, 17, 19). Es ist jedoch nicht geklärt, ob es sich dabei wirklich um die Ursprünge des Zahlensystems handelt, um einen Rechenstab oder einen Mondkalender.

Intellekt, Lernen und Erinnerung

ä

Als Intellekt wird die Fähigkeit zum Denken bezeichnet, durch das ein Individuum Erkenntnisse erlangen kann. Insofern wird dieser Begriff synonym mit dem Begriff Verstand verwendet. Unter Lernen versteht man das bewusste und unbewusste Erwerben von Fähigkeiten, die im körperlichen, geistigen und sozialen Bereich liegen können. Die Fähigkeiten können individuell oder kollektiv erworben werden und führen zu einer stabilen Veränderung und Weiterentwicklung des Denkens und Fühlens und damit auch des Verhaltens. Lernprozesse laufen sowohl bei Tieren als auch beim Menschen ab und stellen eine Grundvoraussetzung für die Fähigkeit dar, sich an die augenblicklichen und sich zukünftig verändernden Lebensbedingungen anzupassen. Durch Erinnerung kann Wissen wiederverwendet werden, und dies ist beim Menschen eine Voraussetzung für Bildung, die ein reflektiertes Verhältnis zu sich, den anderen Individuen und zur Umwelt darstellt. Beim erwachsenen Menschen reicht das Erinnerungsvermögen bis in das dritte oder vierte Lebensjahr zurück. Ab diesem Zeitpunkt entwickelt der Mensch seine Persönlichkeit und sein Bewusstsein. Während so der Mensch im Laufe seines Lebens ein riesiges Depot von Erinnerungen und Gedanken anlegt und dies auch durch Wort und Schrift an andere Menschen weitergibt, leben Tiere fast nur in der Neber der reinen biologischen Evolution Gegenwart. Sie können zwar früher gesehene Personen, der Zellen und Organe erfolgte auch eine geistig-kulturelle Evolution des Menschen. Gegenstände oder Orte wiedererkennen, das ErinnerungsBeide gehen miteinander einher und bedinvermögen für Handlungen ist aber im Allgemeinen, selbst gen sich vermutlich gegenseitig. bei Primaten, sehr kurz.

Eigene Erkenntnis und Weltanschauungen Die im vorhergehenden Abschnitt behandelten geistigen Fähigkeiten des Menschen wie Lernen, logisches Denken, Sprache, Ausbildung von Kultur und Tradition beruhen offensichtlich auf der hohen neuronalen Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns. Da sich dessen biologische Evolution (Gehirnvolumen und Arealvergrößerung) genau nachvollziehen lässt, ist man in den letzten Jahrzehnten zu der Annahme gelangt, dass sich parallel zur biologischen Entwicklung des Gehirns auch eine Evolution des geistigen Vermögens des Menschen ergeben hat. Aus diesen Überlegungen wurde die evolutionäre Erkenntnistheorie entwickelt, die versucht, die naturwissenschaftlichen und die geistigen Grundbedingungen des Erkenntnisapparats zu vereinheitlichen und zu verstehen. Die zentrale Annahme dieser Theorie ist, dass unser ganzes geistiges und seelisches Erleben, also unsere Erkenntnisfähigkeit, ebenfalls ein Ergebnis der Evolution des Menschen ist. Diese Annahme war in Grundzügen auch

Geistige und kulturelle Evolution

31

schon in der Antike vorhanden, ist aber seit Darwin besonders von Zoologen und Verhaltensbiologen wie Konrad Lorenz weiterentwickelt worden. Sie bildet heute die Grundlage der modernen Soziobiologie. Eine wichtige Überlegung dieser Theorie ist, wie viel Erkenntnisvermögen dem Menschen bei seiner Geburt mitgegeben wird, wie viel also von den sogenannten höheren geistigen Eigenschaften angeboren sind und welche Anteile erst im Laufe eines Individuallebens entwickelt werden. Die Beantwortung solcher Fragen erfordert eine experimentelle Korrelation zwischen den neuronalen Funktionen des Nervensystems und den oft sehr komplexen geistigen Abläufen. Inwiefern eine Korrelation vorliegt, kann aufgrund der komplexen neurophysiologischen Vorgänge des Gehirns noch nicht beurteilt werden; beweiskräftige Aussagen über die Korrelation zwischen der physischen und der psychischen Identität lassen sich bislang nicht treffen. Wichtig für das Überleben des Menschen ist auch die Fähigkeit zur Erkenntnis seiner Umwelt. Insofern müssen die Wahrnehmungsstrukturen des Menschen zur Umwelt passen und ein reales Abbild von ihr liefern. Die evolutionäre Erkenntnistheorie steht aber in vielen theoretischen Annahmen auch in klarem Gegensatz zu spirituell und religiös geprägten Auffassungen von der Entstehung des Bewusstseins, der Erkenntnisfähigkeit und der Herkunft des Menschen. Solche philosophisch und theologisch geprägten Weltanschauungen, wie sie z. B. in den christlichen oder fernöstlichen Lehren vertreten werden, stellen zweifellos kulturelle Höhepunkte im Leben verschiedener Bevölkerungsgruppen dar und bilden oft eine unverzichtbare Basis für deren sinnhafte Existenz. Gerade weil sich weder für die streng naturwissenschaftliche evolutionäre Erkenntnistheorie noch für die philosophisch und religiös geprägten Lebensauffassungen Beweise finden, befindet sich der Die Korrelation zwischen Körper und Geist ist moderne, denkende Mensch in einem Spannungsfeld zwi- zwar beobachtbar, kann aber mit den bisher vorhandenen natur- und geisteswissenschaftschen rationaler Naturwissenschaft, spiritueller Philoso- lichen Methoden nicht hinreichend erklärt phie, Religion und Offenbarungsglauben. Diese unlösbare werden. Die evolutionäre Erkenntnistheorie Differenz führt bei vielen Menschen zu einer Unsicherheit, versucht die interaktive Entwicklung dieser zu erklären. Sie steht aber vieldie vermutlich erst in ferner Zukunft, wenn überhaupt, Phänomene fach im Gegensatz zu den philosophisch und durch neue Entdeckungen und Erkenntnisse beantwortet theologisch geprägten Weltanschauungen. werden kann.

Moral Sowohl bei Tieren als auch beim Menschen gibt es viele instinktive Antriebe und Hemmungen, die zu einer altruistischen oder beim Menschen rational-verantwortlichen Verhaltensweise der Individuen führen. Beim Menschen nennt man dies Moral, bei Tieren moralanaloges Verhalten. Im Abschnitt über die Evolution von Verhaltensmerkmalen wurde bereits über die Erbprogramme der Gene gesprochen, die letztendlich das Weiterbestehen einer Art vor das Schicksal eines Individuums stellen. Individuen stellen sozusagen nur die Träger der Gene dar, die in konkurrierenden Erbprogrammen zu erfolgreich aufgezogenen Nachkommen führen. Die Natur produziert also offensichtlich nur eine Scheinmoral, die stets dem genetischen Eigennutz untergeordnet ist. Diese soziobiologische Ansicht der weitgehend genetischen Pro-

ä

32

ä

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

grammierung steht im Gegensatz zum Behaviorismus, der davon ausgeht, dass der Mensch mit der Geburt bei Null anfängt und alles, auch das moralische Verhalten, im Laufe des Lebens erlernt wird. Auch diese Fragen können letztendlich nicht beantwortet werden, sicher ist aber, dass sich für den Menschen im Laufe seiner Individualund Populationsentwicklung eine verantwortliche moralische Ethik herausbildet, deren Befolgung heutzutage immer wieder mit dem Hinweis auf die Menschenrechte eingefordert wird. Neuerdings gibt es allerdings auch extreme neurobiologische Ansichten, die aus modernen Forschungsansätzen und Untersuchungen des menschlichen Gehirns mit bildgebenden Verfahren resultieren. Diese Experimente versuchen den zeitlichen Ablauf zwischen Erkenntnis, Denken und Handeln zu rekonstruieren. Aufgrund solcher Befunde glauben manche Neurobiologen, dass der freie Wille des Menschen eine Illusion sei und dass es das Gehirn selbst sei, aus dem alle Impulse, also neben realen Handlungen auch die moralischen Entscheidungen und selbst das Gewissen, hervorgehen. Für solche Interpretationen gibt es zwar einige neurophysiologische Belege, Kritiker wenden aber ein, dass der Beobachter selbst schon Teil des Untersuchungssystems ist und deshalb keine eindeutigen zeitlichen Schlussfolgerungen gezogen werden können. Jedenfalls Instinktive Triebe und Hemmungen führen würde ein solches, rein neurologisch determiniertes beim Menschen zur Bildung einer Moral, bei Tieren zu einem moralanalogen VerhalVerhalten erheblich soziale Probleme aufwerfen, da dann ten. Neuerdings wird unter Experten ernstunmittelbar die Frage aufkäme, ob wir überhaupt für haft diskutiert, ob der freie Wille eines unsere Handlungen verantwortlich sind und auch im Menschen nur eine Illusion ist. juristischen Sinne haftbar gemacht werden können.

Heutige Menschheit Bevölkerungszahl und Entwicklung Seit dem Aussterben des Neandertalers vor ca. 25 000 Jahren ist der moderne Mensch (Homo sapiens sapiens) die einzige überlebende Menschenart auf der Erde. Mitte 2008 lebten ca. 6,7 Mrd. Menschen auf der Erde und diese Zahl wächst derzeit um ca. 1,2% pro Jahr. Das bedeutet, dass täglich etwa 213 000 Menschen geboren werden, jährlich also etwa 130 Mio., während jährlich etwa 52 Mio. Menschen sterben. Obwohl sich die Weltbevölkerung in den letzten Jahrzehnten explosionsartig vermehrt hat, haben Prognosen die tatsächliche Bevölkerungsentwicklung meistens überschätzt. Sie hängt im Wesentlichen von der deutlich gestiegenen Lebenserwartung und der Kindersterblichkeit ab. Heutige Prognosen der UNO erwarten für das Jahr 2050 etwa 9,2 Mrd. Menschen auf der Erde.

Vielfalt der heutigen Menschheit Die Menschen auf der Erde zeichnen sich durch eine unglaubliche Vielfalt und Variabilität aus. Das betrifft nicht nur Körperbau und Aussehen, sondern auch Sprachen

Heutige Menschheit

und Kulturen, Religionen und andere soziokulturelle Eigenschaften. Dabei tritt diese Vielfalt nicht nur zwischen verschiedenen Regionen oder kulturellen Lebensweisen, also bei Populationen auf, sondern auch innerhalb von Populationen und Gruppen auf persönlicher, individueller Ebene. So finden wir in jeder Stadt oder Straße, auch in jeder Familie Personen mit unterschiedlichen Begabungen, Geschicklichkeiten, persönlichen Interessen und Aussehen. Diese Variabilitäten sind Ausdruck der genetischen Vielfalt, haben ihre Ursache aber auch in Umwelteinflüssen und sozialen und ökonomischen Lebensbedingungen. Die heutige Menschheit lässt sich in verschiedene Ethnien einteilen: die Schwarzafrikaner (Negriden), die Pygmäen Zentralafrikas, die Khoisan Südafrikas, die Kaukasier Europas, die Asiaten (Mongoliden) und die Ureinwohner Australiens (Australiden). Jede dieser Ethnien hat weitere Untergruppen, die sich teilweise auch überlappen und vermischt haben. In Afrika ist die Gruppe der Schwarzafrikaner (Negriden) die größte und vorherrschende Bevölkerungsgruppe. Ihre Verbreitung erstreckt sich von dem Südrand der Sahara bis zum Kap. Schwarzafrikaner weisen eine besonders große genetische Vielfalt auf, die sich in klar abgetrennten Untergruppen und verschiedenen Sprachen ausdrückt. Pygmäen stellen eine kleine Gruppe von ca. 200 000 Individuen dar, die in den waldreichen Regionen Zentralafrikas leben und sich durch kulturellen Austausch mit Schwarzafrikanern allmählich mit diesen vermischen. Khoisan leben heutzutage in verschiedenen Regionen Südwestafrikas (Namibia, Botswana, Südafrika). Sie unterteilen sich in die Buschmänner (San) und die Hottentotten (Khoi). San sind im Unterschied zu den Khoi sehr kleinwüchsige Menschen. Die äußerlichen Merkmale beider Untergruppen sind aber sehr ähnlich. Khoisan haben eine gelblich-braune Haut, einen büschelartigen Haarwuchs und bei Frauen eine starke Fetteinlagerung im Gesäß. Auffallend ist auch ihre gemeinsame Sprache, bei der anstelle von Konsonanten klickartige Laute gesprochen werden. Durch diese individuellen Unterschiede lassen sich die Khoisan deutlich von der übrigen schwarzafrikanischen Bevölkerung abgrenzen. Die Kaukasier (weiße Bevölkerung) werden auch als Europiden bezeichnet. Sie besiedelten ursprünglich den vorderen und mittleren Osten bis nach Zentralasien (Kaukasus) und Indien. Zu dieser Bevölkerungsgruppe gehören vorwiegend hellhäutig bis leicht dunkelhäutige Menschen mit überwiegend starker Körperbehaarung, vor allem mit langem Kopfhaar. Typisch für Kaukasier sind ihre Gesichtszüge mit schmalen Lippen, schmaler Nase und typischer Augenstellung. Als klassisches molekulares Merkmal dient auch ihre Blutgruppenzugehörigkeit, bei der Blutgruppe A und Rhesus negativ dominieren. Aufgrund der mitochondrialen Genotypisierung geht man heute davon aus, dass die Wurzeln der Kaukasier in Südasien liegen. Die Mongoliden sind die Bewohner Ost- und Südasiens, die sich vor ca. 13 000 Jahren über die Beringstraße auch nach Amerika und über Taiwan, die Philippinen, die indonesische Inselkette dann bis in den Südpazifik, Neuseeland und die Osterinseln ausgebreitet haben. Auch Mongolide unterteilen sich in unterschiedlichen Gruppen. Während die Bewohner Asiens durch ihre typischen Gesichtszüge mit gelblicher Haut, flacher Nase, fehlenden Augenwülsten, glattem Kopfhaar, spärlicher Körperbehaarung und geringer Körpergröße gekennzeichnet sind, hat die Gruppe der Austronesier einen kräftigen, gedrungenen Körperbau mit bräunlicher Haut und krausem Kopfhaar. Sie hat den pazifischen Raum besiedelt.

33

34

ä

? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

1. Stammesgeschichte des Menschen und Paläogenetik

Die heutige Menscheit besteht aus sechs Ethnien, die sich geographisch in verschiedene Untergruppen aufteilen. Laut Prognose wird die Erdbevölkerung weiterhin rapide zunehmen und von heute etwa 6,7 Mrd. bis zum Jahr 2050 auf etwa 10 Mrd. Menschen anwachsen.

Die australischen Ureinwohner erreichten vor ca. 40 000 Jahren Australien über eine Landbrücke von Neuguinea aus. Sie sind durch eine dunkelbraune Haut, einen kräftigen Körperbau und krauses Kopfhaar gekennzeichnet. Von ihnen existieren Felszeichnungen, und es wird eine Bestattungskultur durch Feuer vermutet.

Klausurfragen Beschreiben Sie die zeitliche Entwicklung der Primaten aus den Altweltaffen. Welche Eigenschaften sind vermutlich ursächlich für die Menschwerdung? Über welche Stufen und Zeiträume erstreckt sich die Hominidenentwicklung? Welche Stellung haben die Neandertaler im Stammbaum des Menschen? Welche Faktoren sind für die Entwicklung der Sprache maßgebend? Welche Unterschiede bestehen zwischen Schimpanse und Mensch bezüglich der Riechrezeptorgene? Welche Kulturstufen hat die Menschheit durchlaufen, und wie werden sie charakterisiert? Ab welcher Zeit hat der Mensch Tiere und Pflanzen domestiziert? Was ist Intellekt, Erkenntnis und Bewusstsein? Welche Ethnien gibt es auf der Erde, und durch welche Eigenschaften sind sie charakterisiert?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 2

Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über die grundlegenden Funktionen von Zellen und ihren Organellen, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Struktur und Funktion der wichtigsten Biomoleküle. Aufbau einer menschlichen Zelle, ihre strukturellen und funktionellen Einheiten. Aufbau der verschiedenen Zellorganellen und Kompartimente. Funktionen von Zell-Zell-Verbindungen. Aufbau der Zellmembranen, Funktion und Eigenschaften ihrer einzelnen Bestandteile. Transportmechanismen für Substanzen durch Zellmembranen.

36

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

Biomoleküle Die in der belebten Natur vorkommenden Biomoleküle lassen sich funktionell in vier verschiedene Gruppen einteilen: Lipide, Kohlenhydrate, Proteine und Nucleinsäuren.

Lipide

ä

Im Organismus dienen Fette als Baustoffe der Zellmembranen sowie als Energieträger und Energiespeicher. Auch wichtige Signalstoffe und Hormone setzen sich aus fettähnlichen Substanzen (Lipoiden) zusammen. Fette bestehen aus Alkohol (Glycerin) und Fettsäuren. In der Natur kommen Fette meist als Triglyceride vor, bei denen alle drei OH-Gruppen des Glycerins mit jeweils einer Carboxylgruppe einer Fettsäure unter Wasserabspaltung eine kovalente Bindung eingeht, die man als Ester bezeichnet (䉴 Abb. 2.1). In tierischen und pflanzlichen Fetten findet man meistens Fettsäuren mit 16 oder 18 Kohlenstoffatomen wie Palmitinsäure (C16H32O2). Gesättigte Fettsäuren haben eine gestreckte Form, da zwischen den Kohlenstoffatomen nur einfache Bindungen vorkommen. Ungesättigte Fettsäuren besitzen dagegen eine oder mehrere Doppelbindungen und sind deshalb an diesen Stellen abgeknickt und bei Raumtemperatur oft von öliger Konsistenz wie die Ölsäure (C18H34O2). Nichtessenzielle Fettsäuren können vom Organismus selbst synthetisiert werden, während essenzielle Fettsäuren wie Linolsäure mit der Nahrung aufgenommen werden müssen. Sie stellen oft wichtige Ausgangsprodukte für die Synthese von Signalstoffen (z. B. Prostaglandinen und Leukotrienen) dar. Fette sind hydrophob und werden in den großen Vakuolen der Fettzellen (Adipocyten) als Neutralfette gespeiLipide haben als Membranbausteine eine chert. Sie sind hoch effektive Energielieferanten des Orgastrukturelle Funktion und dienen auch als Energieträger und -speicher (funktionelle nismus, weil bei ihrer Verbrennung etwa doppelt soviel Funktion). Sie entstehen durch Veresterung Energie gewonnen wird, als bei der Nutzung von Proteinen (Wasserabspaltung) eines dreiwertigen oder Kohlenhydraten. Werden die Fettsäuren im FettmoAlkohols (z. B. Glycerin) mit Fettsäuren. lekül teilweise durch andere Moleküle ersetzt, bilden sich H

H

O

HOOC R 1

H C O C O

H C OH + HOOC R 2

H C O C O

H C OH

H C OH

HOOC R 3

H

Glycerin + Fettsäuren

3 H 2O

H C O C H Triglycerid (Fett)

2.1 Bildung von Fetten. Fette (Triglyceride) bestehen aus einem dreiwertigen Alkohol (Glycerin), der mit drei Fettsäuren verestert ist. Bei der Veresterung wird für jede Bindung ein Molekül Wasser abgespalten. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

Biomoleküle

37

fettähnliche Substanzen (Lipoide), zu denen Verbindungen wie Vitamine, Carotinoide, Steroidhormone und Gallensäuren gehören, die im Körper wichtige Funktionen haben.

Kohlenhydrate In der Natur sind Kohlenhydrate die häufigsten Moleküle. Ihre Polymere kommen als Stärke und Cellulose in Pflanzen vor und bilden eine wichtige Nahrungsquelle für tierische Organismen. Dazu müssen sie jedoch durch Enzyme in ihre monomolekulare Form (z. B. Glucose) gespalten werden. Monosaccharide stellen die einfachsten Zuckerverbindungen dar. Sie bestehen aus einer Kohlenstoffkette mit der Formel Cn(H2O)n und kommen in Organismen hauptsächlich als Pentosen (fünf Kohlenstoffatome) oder Hexosen (sechs Kohlenstoffatome) vor. In wässriger Lösung bilden Monosaccharide stabile ringförmige Verbindungen (䉴 Abb. 2.2). Sie können Kohlenhydrate sind hoch molekulare Ketten sich mit anderen Monosacchariden über eine O-glykosidi- von Monosacchariden (z. B. Glucose) und diesche Verbindung zu Di-, Oligo- oder Polysacchariden ver- nen als Energielieferanten. Der Mensch kann Stärke nutzen, da er deren α-glykosidibinden (䉴 Abb. 2.3). Solche hoch molekularen Ketten kön- nur sche Bindung mithilfe des Enzyms Amylase nen verzweigt sein und kommen in der Natur als pflanzliche spalten kann. Reservestoffe (Stärke) oder pflanzliche Baustoffe (Cellulose) a Stärke (Amylose) CH 2OH O

H

OH

H

H

OH

H

H O

CH 2OH O H OH

H

H

OH

H

H O

CH 2OH O H OH

H

H

OH

H

b Cellulose CH 2OH

CH 2OH

O

O

H OH

H

H

OH

H O H

CH 2OH H

H OH

H

H

OH

O H

O H OH

H

H

OH

O H

2.2 Struktur von Polysacchariden. Polysaccharide sind Verbindungen vieler einzelner Monomere von Monosacchariden. Sie werden jeweils über eine glykosidische Bindung miteinander verbunden. a) Stärke ist ein pflanzlicher Speicherstoff mit α-glykosidischen Bindungen, die über das Verdauungsenzym Amylase gespalten werden können. b) Cellulose ist ein pflanzlicher Baustoff mit β-glykosidischen Bindungen. Diese können nur über das mikrobielle Enzym Cellulase gespalten werden. Beide Strukturen sind wichtige energiereiche Nahrungsstoffe. (Verändert nach Clauss und Clauss 2007.)

ä

38

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

CH 2 OH

6

5

O 1

4

OH 2.3 Chemische Struktur eines Monosaccharids am Beispiel von Glucose. Die C-Atome sind in ihrer chemisch gebräuchlichen Reihenfolge nummeriert. (Verändert nach Clauss und Clauss 2007.)

HO

2

OH

3

OH Monosaccharid (Glucose)

vor. Während die α-glykosidische Bindung der Stärke (Amylose) durch das Verdauungsenzym Amylase gespalten werden kann, benötigt man zur Spaltung der β-glykosidischen Bindung der Cellulose das mikrobielle Enzym Cellulase. Es kommt nativ beim Menschen nicht vor, sondern nur bei wenigen wirbellosen Tieren oder bei Symbionten im Verdauungstrakt von Wiederkäuern.

Proteine Proteine dienen als Baustoffe der Zellen, wie die integralen Proteine der Zellmembran oder die verschiedenen Elemente des Cytoskeletts (Actin, Tubulin), aber auch als Funktionsstoffe (Hormone, Enzyme, Abwehrstoffe). Proteine sind die häufigsten Makromoleküle in einer Zelle. Sie bestehen aus Ketten einzelner Aminosäuren, die über eine Peptidbindung miteinander verknüpft sind (䉴 Abb. 2.4). Die in eukaryotischen Organismen vorkommenden 20 Aminosäuren können beliebig miteinander kombiniert werden, sodass die Aminosäuresequenz sehr variabel ist. Es entstehen unterschiedlich lange Peptidketten, die durch ihre räumliche Anordnung ihre charakteristische Funktion als Protein erhalten. Solche räumlichen Strukturen sind z. B. die α-Helix oder das β-Faltblatt. Bei Einwirkung von Hitze denaturieren die Proteine, sie verändern ihre räumliche Struktur und werden funktionslos. Spezielle veränderte Proteine (Prionen) sind hoch infektiös und verursachen im Organismus die letale Creutzfeld-Jacob-Erkrankung (䉴 Abb. 2.5). Aminosäuren bestehen in ihrer einfachsten Form aus einem zentralen Kohlenstoffatom (䉴 Abb. 2.4), an dem eine Aminogruppe und eine Carboxylgruppe hängen. Eine weitere Seitenkette stellt einen variablen Rest dar, der je nach Zusammensetzung die eigentliche Spezifität der Aminosäure bestimmt. So können sich durch weitere Kohlenstoffatome auch längere Ketten bilden. Die einzelnen Aminosäuren sind über eine Peptidbindung miteinander verbunden, die in einer Kondensationsreaktion zwischen der Aminogruppe (-NH2) und der Carboxylgruppe (-COOH) unter Wasserabspaltung entsteht. Durch Aneinanderreihung mehrerer Aminosäuren bilden sich Di-. Tri-, Oligo- und Polypeptide, deren zunächst lineare Primärstruktur durch Wasserstoffbrücken eine zweidimensionale Sekundärstruktur ausbildet. Diese geht letzt-

Biomoleküle

39

a Aminosäurestruktur Aminogruppe

Aminosäurerest z. B. NH2

H-

Glycin

R

CH 3 -

Alanin

H

HOCH 2 -

Serin

C

COOH Carboxylgruppe

b Peptidbindung H

H N H

C R

+

C OH

R

H

O

N H

C H

O C OH

- H2 O

H N H

H

O

C

C N C C

R

R

H

H

O OH

2.4 Grundstrukturen zum Aufbau der Proteine. a) Aminosäurestruktur. Die Grundstruktur einer Aminosäure wird durch einen variablen Rest ergänzt. Charakteristisch für Aminosäuren sind die Aminogruppe und die Carboxylgruppe. b) Durch die Aneinanderreihung von Aminosäuren über Peptidbindungen entsteht die Grundstruktur eines Proteins, ein Peptid. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

lich z. B. durch die Ausbildung von kovalenten Disulfidbrücken in eine dreidimensionale Tertiärstruktur über, woran Chaperone als Faltungsproteine beteiligt sind. Quartärstrukturen bilden sich durch Zusammenlagerung mehrerer Polypeptide mit Tertiärstruktur (z. B. Hämoglobin).

normales Prion

infektiöses Prion

Proteine bestehen aus Aminosäuren, die über eine Peptidbindung miteinander verbunden sind. Aminosäuren haben eine Carboxylgruppe (–COOH), eine Aminogruppe (–NH2) und einen variablen Rest.

beide Prionen sind infektiös

2.5 Dreidimensionale Struktur der Proteine am Beispiel der Prionen. Prionen sind Eiweiße, die im Körper in einer normalen (α-Helix), aber auch in einer veränderten, krankheitsverursachenden Struktur (β-Faltblatt) vorliegen können. Diese ist höchst infektiös und wandelt normale Formen bei Kontakt in pathogene Strukturen um. Der genaue Mechanismus ist dabei noch ungeklärt. Prionen sind wahrscheinlich Auslöser der letalen Creutzfeld-JakobErkrankung des Menschen. (Verändert nach Munk 2002.)

ä

40

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

Nucleinsäuren Für die Speicherung und Verarbeitung der genetischen Information besitzen alle Organismen Nucleinsäuren, die Ribonucleinsäure (RNA), die eine Zwischenstufe bei der Verarbeitung der in der DNA gespeicherten genetischen Information darstellt, und die Desoxyribonucleinsäure (DNA). Die gesamte DNA einer Zelle bezeichnet man als Genom, und sie ist in mehreren linearen Chromosomen organisiert. Die DNA liegt als Doppelstrang in einer rechtsgängigen Helix vor. Um die DNA in dem beengten Raum des Zellkerns unterzubringen, ist sie um Proteine (Histone) gewunden (kondensiert). Die funktionellen Abschnitte des Genoms, die jeweils ein Protein codieren, werden als Gen bezeichnet. Im Gegensatz zu der linearen Anordnung der DNA in eukaryotischen Zellen besitzen Bakterien und teilweise auch Viren eine ringförmige DNA. Mitochondrien haben eine eigene DNA, die ebenfalls ringförmig ist. Aufbau und Funktion der DNA werden ausführlich in Kapitel 5 besprochen. Die Nucleinsäuren bestehen aus einzelnen Bausteinen, den Nucleotiden, die als Monomere aneinandergereiht sind und so ein Polynucleotid bilden. Jedes einzelne Nucleotid besteht aus einem Zuckermolekül (Pentose), das über die N-glykosidische Bindung mit einer Base verbunden ist (䉴 Abb. 2.6a). Bei der RNA handelt es sich bei dem Zuckermolekül um eine Ribose (䉴 Abb. 2.6 c), bei der DNA um eine Desoxyribose (䉴 Abb. 2.6d). Die einzelnen Zuckermoleküle sind miteinander über eine Phosphatgruppe verbunden. Die Abfolge von Zucker- und Phosphatmolekülen bildet das Rückgrat der Struktur, während die Basen, die ebenfalls an das Zuckermolekül gebunden sind, die „Buchstaben“ des genetischen Codes darstellen und variieren. Als Nucleosid wird die Verbindung des Zuckermoleküls mit der Base bezeichnet (䉴 Abb. 2.6b). Die Basen teilen sich in die Purin- und in die etwas größeren Pyrimidinbasen ein. Es gibt fünf Basen, von denen Cytosin, Thymin und Uracil Pyrimidinbasen sind, Adenin und Guanin dagegen Purinbasen. Thymin ist nur Bestandteil der DNA und wird in der RNA durch Uracil ersetzt, das seinerseits in der DNA fehlt. Die Basen ragen seitlich aus dem Pentosephosphatrückgrat heraus. Jeweils zwei zueinander komplementäre DNA-Einzelstränge lagern sich durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen aneinander und bilden einen DNA-Doppelstrang. Dabei ist die Purinbase

2.6 Nucleinsäuren und Pentosen. a) Nucleoside sind die Bausteine der Nucleotide (b) und damit der Erbsubstanz (DNA). Sie bestehen aus einem C5-Zucker (Pentose), der über eine N-glykosidische Bindung mit einer Base (Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin oder Uracil) verbunden ist. c) Bei der Ribonucleinsäure (RNA) dient als Pentose eine D-Ribose. d) Bei der Desoxyribonucleinsäure (DNA) dient als Pentose eine 2-Desoxyribose. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

a Nucleotid

b Nucleosid Base

Base N

O Phosphat

Pentose

O

H

H

H

H

OH

OH

Pentose

d 2-Desoxyribose

c D-Ribose HOCH2

N

O

N-glykosidische Bindung

OH

O

HOCH2 H

H

H

H

OH

H

OH

Aufbau der Zelle

mit einer Pyrimidinbase verbunden – Adenin paart immer mit Thymin bzw. Guanin immer mit Cytosin. In ihrer Abfolge in einem Strang bilden die Basen Dreiergruppen (Tripletts), wobei jeweils ein Triplett eine spezifische Aminosäure codiert (genetischer Code). Zum Ablesen der genetischen Information wird der Doppelstrang mithilfe von Enzymen getrennt und ein DNA-Strang dient als Matrize für die Synthese der mRNA (Transkription). Dieser Vorgang wird in Kapitel 5 näher beschrieben. Die RNA ist im Gegensatz zur DNA einzelsträngig. Es gibt vier verschiedene RNAFormen mit unterschiedlicher Struktur, die verschiedene Aufgaben haben. Während die Messenger-RNA (mRNA) die genetische Information vom Gen zum Ort der Proteinsynthese aus dem Zellkern in das Cytoplasma zu den Ribosomen bringt, fungiert die ribosomale RNA (rRNA) als funktioneller Bestandteil der Ribosomen. Auch sie wird im Zellkern, und zwar im Nucleolus (Kernkörperchen), gebildet. Bei der Proteinsynthese transportiert die kleeblattförmige Transfer-RNA (tRNA) die einzelnen Aminosäuren zu den Ribosomen. Schließlich findet sich die mitochondriale RNA ausschließlich in den Mitochondrien, wo sie an der Synthese der mitochondrialen Proteine beteiligt ist.

Aufbau der Zelle Als kleinste selbständig lebens- und funktionsfähige Einheit eines Organismus können sich die Zellen aus ihrem eigenen Material vermehren und organisieren sich in den mehrzelligen Organismen zu Geweben und Organen. Im Zellverband übernehmen sie unterschiedliche Aufgaben, für die sie in Aufbau und Funktion spezialisiert sind. Alle Zellen sind in unterschiedliche Funktionsräume (Kompartimente) unterteilt, die von subzellulären Membranen umgeben sind und als Organellen bezeichnet werden.

Polare und apolare Zellen Alle menschlichen und tierischen Zellen gehören zu den eukaryotischen Zellen, d. h. sie besitzen einen Zellkern. Abbildung 2.7 zeigt eine schematische Übersicht einer menschlichen Zelle, in der alle typischen Merkmale und Organellen dargestellt sind. Während apolare Zellen, z. B. die Erythrocyten, eine an allen Seiten uniforme Zellmembran besitzen, sind polare Zellen, wie in Abbildung 2.7 gezeigt, in Form und Anordnung der Zellmembran an verschiedenen Seiten unterschiedlich aufgebaut. Das Beispiel zeigt eine Epithelzelle, deren apikale Membran mit vielen Mikrovilli dem Lumen eines Organs, z. B. dem Darminneren, zugewandt ist. Seitlich und zur Blutseite befindet sich die basolaterale Membran, die sich in Form und Zusammensetzung wesentlich von der apikalen Membran unterscheidet. Polare Zellen sind im Organismus weitaus häufiger vorhanden als apolare. In Epithelien haben sie sich als regulierte Barriere auf den kontrollierten Stoffaustausch zwischen Körperkompartimenten spezialisiert, wie in der Mucosaschicht des Darms, die Nährstoffe aus dem Darmlumen in das Blut resorbiert, aber auch Stoffe in umgekehrter Richtung aus dem

41

42

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

Cilie Golgi-Apparat tight junction

apikale Zellmembran

Mikrovilli

Cytoskelett Gürteldesmosom

Centriol

Zellkern Mitochondrium

Vesikel

glattes endoplasmatisches Reticulum

Peroxisom

Endocytose basolaterale Zellmembran

Plattendesmosom

raues endoplasmatisches Reticulum

2.7 Aufbau einer Zelle und ihrer Organellen am Beispiel einer polarisierten Epithelzelle. (Verändert nach Clauss und Clauss 2007.)

ä

Zellen sind die kleinsten selbständig funktionsfähigen Einheiten des Organismus. Sie haben sich in Form und Aufgaben spezialisiert, bilden Gewebe, können sich vermehren und enthalten Organellen.

Körper zur Ausscheidung in den Darm abgibt. Andere polare Zellen sind z. B. Neurone, die oft eine lang gestreckte, komplexe Form haben (䉴 Abb. 4.1) und die Information von den Dendriten über Soma und Axon zu den Synapsen weiterleiten. Im menschlichen Körper können diese Nervenzellen oft über 1 m lang werden.

Organellen und Kompartimente Innerhalb der Zellen befindet sich das Cytosol, ein wässriges Medium, das die einzelnen Organellen enthält.

Cytosol Neben Wasser als dem hauptsächlichen Bestandteil enthält das Cytosol auch Proteine, Kohlenhydrate, Lipide und Nucleinsäuren. Im Cytosol befinden sich auch Ionen (Na+,

Aufbau der Zelle

K+, Ca2+, Mg2+, HCO3– , PO42 – , Cl– u. a.), deren Konzentration durch Transportmoleküle in der Zellmembran so reguliert wird, dass sie konstant ist (zelluläre Homöostase). Durch die Proteine erhält das Cytosol eine kolloidartige Eigenschaft, die ihm, je nach Konzentration, verschiedene Viskositätszustände verleiht. Sind die Proteine frei im wässrigen Milieu verteilt, ist die Zelle sehr beweglich und formbar. Man spricht dann vom flüssigen Solzustand. Sind die Proteine dagegen durch Seitenketten miteinander vernetzt, so wird das Cytosol zähflüssiger und befindet sich im Gelzustand. Durch die Einflüsse von Temperatur, pH-Wert, Ionenkonzentration oder intrazelluläre Signalstoffe können diese beiden Zustände ineinander übergehen. Steigt die Körpertemperatur über 41 °C, so beginnen die Proteine zu denaturieren und verklumpen; die Zelle wird irreversibel geschädigt und stirbt ab. Im Cytosol befinden sich die Zellorganellen, die von eigenen Membranen umgeben sind. Auch in den Zellorganellen ist ein wässriges Milieu vorhanden, das alle oben genannten Stoffe des Cytosols enthalten kann, und auch hier werden die Konzentrationen reguliert und eine Homöostase wird aufrechterhalten. Die einfachsten Zellorganellen werden als Vesikel bezeichnet. Es sind kleine, kugelige Kompartimente, die von einer einfachen Membran umgeben sind. Oft entstehen sie durch Abschnürung von anderen Organellen (Golgi-Apparat, endoplasmatisches Reticulum).

Cytoskelett Das Cytoskelett funktioniert als bewegliches, inneres Gerüst, das die äußerst flexible Membran der menschlichen Zellen formgebend stabilisiert. Im Zellinneren ist es neben strukturbildenden Elementen auch für den gerichteten intrazellulären Transport zuständig. Das Cytoskelett besteht aus einzelnen Filamenten, die in speziellen Strukturen der Zellmembran verankert sind. Sie durchziehen die gesamte Zelle in allen Richtungen und unterteilen sich in drei Filamenttypen. Actinfilamente (䉴 Abb. 2.8a) sind in allen eukaryotischen Zellen vorhanden und bilden sich durch dynamische Polymerisierung von einzelnen G-Actin-Molekülen zu langen fadenförmigen Strukturen (F-Actin), von denen jeweils zwei zu einer Helix verdrillt sind. Sie sind durch akzessorische Proteine (Fimbrin, Vinculin und Ankyrin) vernetzt und in der Zellmembran verankert (䉴 Abb. 2.8d). Zusammen mit Myosin bilden sie in Muskelzellen eine kontraktile Einheit (䉴 Kap. 5). Die Filamente sind auch an der Zellteilung beteiligt und für die Formgebung bei Entwicklungsvorgängen von Geweben und Organen verantwortlich. Intermediärfilamente (IF-Filamente) sind vernetzte Polypeptide, die in der Zelle ein dreidimensionales inneres Gerüst bilden. Man unterscheidet fünf Typen, deren Vorkommen für bestimmte Zelltypen charakteristisch ist. In Deckgeweben wie der Epidermis, die auch mechanisch stark belastet sind, findet man hauptsächlich Keratinfilamente. Sie bilden lange dreifach verdrillte helicale Strukturen (䉴 Abb. 2.8b), die durch ihren Aufbau mechanisch stark belastbar sind. Keratine sind charakteristisch für Epithelzellen und kommen deshalb auch in Geweben vor, die innere Oberflächen bilden (Darmepithel). Sie sind über Plattendesmosomen in der Zellmembran verankert und stabilisieren Zellen auch bei Volumenänderungen. Deshalb werden sie oft auch als Tonofilamente bezeichnet. Charakteristisch sind sie auch für verhornte Gewebe wie Nägel und Haare. Desminfilamente sind zusätzliche, mechanisch stabi-

43

44

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

d Vernetzung des Actins

a Actinfilamente

Querbrücken

G-Actin b Intermediärfilamente

Actinfilament e Geißelquerschnitt Dyneinarme c Mikrotubuli radiale Speichen

α-Tubulin

β-Tubulin

Mikrotubuli

2.8 Elemente des Cytoskeletts. a) Actinfilamente bestehen aus globulären Actinmolekülen (G-Actin), die polymerisieren und zu einer Doppelhelix verdrillt sind. b) Intermediärfilamente sorgen für die Stabilität der Zelle. c) Mikrotubuli bestehen aus zwei Arten von spiralförmig angeordneten Tubulinmolekülen, von denen 13 ringförmig im Kreis angeordnet sind. d) Actinfilamente sind durch Querbrücken vernetzt. e) Querschnitt durch eine Geißel. Sie besteht aus neun ringförmig angeordneten Doppelmikrotubuli, die über bewegliche Dyneinmoleküle miteinander verbunden sind. In der Mitte befindet sich eine zentrale Struktur mit zwei Mikrotubuli. Die Festigkeit wird durch radiale Speichen gewährleistet. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

lisierende Strukturen z. B. in den Z-Scheiben der Muskelzellen. Vimentin findet sich hauptsächlich in Bindegewebszellen (Fibroblasten). Diese mechanisch stark belastbaren Zellen sind aufgrund der Elastizität ihres inneren Vimentinnetzwerks äußerst verformbar. In Nervenzellen finden sich drei verschiedene Arten von Neurofilamenten, die den oft langen Axonen dieser Zellen einen besonderen Halt geben. Durch die hohe Gewebespezifität aller Intermediärfilamente eignen sie sich hervorragend als Marker für die Zelltypisierung. Dadurch haben sie speziell in der Tumordiagnostik eine besondere Bedeutung. Auch Mikrotubuli sind in allen eukaryotischen Zellen vorhanden. Sie bestehen aus Polymeren von α- und β-Tubulin, die spiralig angeordnet eine Mikroröhre bilden (䉴 Abb. 2.8c). Diese Mikroröhren haben einen Durchmesser von etwa 25 nm und bestehen aus 13 ringförmig angeordneten Tubulindimeren. Mikrotubuli sind in einem ständigen dynamischen Auf- und Abbau begriffen. Sie bilden eine polare Struktur mit einem Plusende, an das laufend neue Tubulindimere angelagert werden, und einem Minusende, an dem die Tubulindimere abgebaut werden. Durch Koordination dieser Polymerisierungs- und Depolymerisierungsvorgänge kann die Mikro-

Aufbau der Zelle

45

röhre entweder wachsen und sich verlängern oder sich wieder verkürzen. Anlagerung und Abbau der Tubulinmoleküle können sich auch in einem dynamischen Gleichgewicht befinden, sodass die Röhre scheinbar gleich lang bleibt, in Wirklichkeit aber allmählich durch neue Tubulinmoleküle ersetzt wird. Dies wird als „Tretmühlenmechanismus“ bezeichnet. Bei diesen Vorgängen greifen verschiedene Zellgifte hemmend ein. So blockiert Colchicin, ein Gift der Herbstzeitlosen, die Polymerisierung genauso wie das ähnliche aber synthetisch hergestellte Colcemid. Taxol, ein pflanzliches Gift aus der Eibe, hemmt dagegen die Depolymerisierung, sodass die Mikrotubuli in ihrem Maximalzustand stabilisiert, in ihrer Funktion aber ebenfalls blockiert werden. Mikrotubuli sorgen für den intrazellulären Transport von Substanzen, Vesikeln und Partikeln. Sie bilden spezielle Strukturen wie den Kernspindelapparat, der bei der Kernteilung die duplizierten Chromosomen auseinanderzieht. Mikrotubuli entstehen aus Organisationszentren, die man als Centrosom bezeichnet. In diesen Gebieten der Zelle liegen die Centriolen (䉴 Abb. 2.7), die aus zwei senkrecht zueinander orientierten, kurzen, zylinderförmigen Strukturen bestehen. In diesen sind neun dreifache Mikrotubuli kreisförmig angeordnet. Vor der Kernteilung werden die Centriolen dupliziert. Sie bilden strahlenförmige Mikrotubulistrukturen aus. Ein Centriolenpaar wandert auf die entgegengesetzte Seite des Zellkerns, und von beiden Centriolen wachsen Mikrotubuli aus, die zwischen den Chromosomenhälften angreifen. Durch Depolymerisierung werden die Kernspindeln wieder verkürzt und die Chromosomen auseinandergezogen. Wird dieser Vorgang durch Colchicin oder Taxol gehemmt, so wird die Zellteilung unterbunden. Deshalb setzt man diese Stoffe, u. a. auch Vinblastin, als Cytostatika bei der Tumorsuppression ein. Mikrotubuli durchziehen die gesamte Zelle und dienen als Leitstrukturen für die Bewegung von molekularen Motoren, die wiederum Vesikel mit Inhaltsstoffen transportieren. Diese Vorgänge werden im nächsten Abschnitt behandelt. Mikrotubuli bilden auch die innere Bewegungsstruktur von Cilien und Geißeln. Dazu ordnen sich neun paarige Mikrotubuli im Kreis um zwei zentrale Mikrotubuli an. Diese bei eukaryotischen Zellen dominierende Anordnung bezeichnet man allgemein als (9+2)-Formel. Abbildung 2.8e zeigt einen Querschnitt durch eine Geißel. Die neun äußeren Doppelstrukturen sind durch radiale Speichen mit den zwei inneren Mikrotubuli verbunden. Zwischen den neun äußeren Doppelmikrotubuli befinden sich Motorproteine, die Dyneinarme, die an der benachbarten Doppelstruktur angreifen. Das Hin- und Hergleiten zwischen den äußeren Doppelmikrotubulistrukturen bewirkt eine seitliche Bewegung der gesamten Struktur. Cilien und Geißeln sind extrazelluläre Strukturen, die in der Zellmembran über Basalkörper verankert sind (䉴 Abb. 2.7). Diese Basalkörper entsprechen in ihrem Aufbau den Cytoskelett besteht aus drei strukturellen Centriolen (9 × 3) und sind ebenfalls Organisationszentrum Das Elementen, den Actinfilamenten, den Interfür den Aufbau der Geißelmikrotubuli. Bei vielen Zellen mediärfilamenten und den Mikrotubuli. Sie dienen Cilien und Geißeln auch zur Fortbewegung (Zell- dienen nicht nur zur strukturellen Stabilisiemotilität). In Säugetieren sind Epithelzellen verschiedener rung der Zelle, sondern spielen auch eine wichtige Rolle bei intrazellulären BeweGewebe mit Geißeln versehen; z. B. entfernt deren kontinu- gungsvorgängen sowie bei Gestaltungs- und ierliche Bewegung in den Bronchien Fremdkörper aus den Verformungsprozessen in Zellen. Atemwegen.

ä

46

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

Abschließend sei erwähnt, dass Geißeln von Prokaryoten (Bakterien) vollkommen anders aufgebaut sind und aus dem Protein Flagellin bestehen.

Molekulare Motoren und Vesikeltransport

ä

Das Motorprotein Myosin gleitet entlang der Actinfilamente und verursacht so die Bewegungsvorgänge in Muskelzellen. Ähnliche Interaktionen finden bei Geißelbewegungen zwischen Dynein und Mikrotubuli statt. Diese Beispiele beziehen sich jedoch auf die Funktion von Motorproteinen in spezialisierten Strukturen (Muskelzellen, Geißeln). In den letzten Jahren wurden jedoch weitere Motorproteine entdeckt, die ubiquitär in allen Zellarten vorkommen. Sie fungieren als molekulare Motoren für den Transport von Substanzen, die sich in Vesikeln befinden. Motorproteine besitzen dazu eine besondere Struktur mit verschiedenen Bindungsstellen. Eine Bindungsstelle ist für die Ankopplung der Vesikel notwendig, die andere für das Entlanggleiten an einer filamentösen Struktur. Man teilt die Motorproteine in zwei Klassen ein. Myosinartige Motorproteine bewegen sich entlang von Actinfilamenten und zwar nicht nur in Muskelzellen. Dynein und Kinesin sind Motorproteine, die sich entlang von Mikrotubuli bewegen (䉴 Abb. 2.9), und zwar Dynein zum Minusende und Kinesin zum Plusende. Für diese Bewegungen haben Dynein und Kinesin zwei Bindungsstellen, die das Molekül in einer schreitenden Bewegung unter ATP-Verbrauch am Mikrotubulus entlangführen. Da von Myosin, Dynein und Kinesin verschiedene, molekular unterschiedliche Varianten Molekulare Motoren dienen dem intrazellulären Transport von Vesikeln entlang den gefunden wurden, spricht man von einer Familie von Strukturen des Cytoskeletts. Dabei verbrauMotorproteinen, die einen zielgerichteten Verkehr und chen sie Energie in Form von ATP. Transport innerhalb der Zelle ermöglichen.

Transportvesikel Dynein

-

2.9

Motorproteine und Vesikeltransport. Die Motorproteine Dynein und Kinesin gleiten unter ATP-Verbrauch entlang von Mikrotubuli. Dabei bewegt sich Dynein zum Minusende und Kinesin zum Plusende der Mikrotubuli. An einer weiteren Bindungsstelle können Transportvesikel an die Motorproteine andocken. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

Transportvesikel α - Tubulin β - Tubulin

Kinesin

Mikrotubuli

+

Mikrotubuli

Aufbau der Zelle

47

Zellkern Alle eukaryotischen Zellen, also auch die des Menschen, besitzen einen echten Zellkern (Nucleus). Er besteht aus einer Doppelmembran, die von Öffnungen (Kernporen) durchbrochen ist (䉴 Abb. 2.10). Die Kernporen bestehen aus ringförmig angeordneten Proteinen, die einen Kernporenkomplex bilden, der geöffnet oder auch verschlossen werden kann. Die innere Membran grenzt an die Kernlamina, einer 20– 100 nm dicken, formstabilisierenden Schicht aus Lamininfilamenten. Zwischen den beiden Schichten der Doppelmembran befindet sich der perinucleäre Raum. Er geht an verschiedenen Stellen der äußeren Membran in das endoplasmatische Reticulum über (䉴 Abb. 2.7). Im Zellkern befinden sich die Erbsubstanz, das Chromatin, und das Kernkörperchen, der Nucleolus. Das Chromatin wird in das genetisch aktive Euchromatin und das genetisch inaktive Heterochromatin unterteilt. Im Nucleolus werden die Untereinheiten der Ribosomen zusammengesetzt, die dann in das Cytoplasma auswandern. Die Substanz im Inneren des Zellkerns wird als Karyoplasma oder auch als Nucleoplasma bezeichnet. Im Stadium zwischen den Zellteilungen ist im Inneren des Zellkerns nur das Der Zellkern ist von einer Doppelmembran diffuse Karyoplasma zu sehen. Chromosomen als konden- mit Kernporen umgeben. Im Zellkern befinsierte Formen der Erbsubstanz sind nur im Stadium der det sich die Erbsubstanz (Chromatin), die bei der Kernteilung zu Chromosomen kondenZellteilung erkennbar. Diese Strukturen sowie der genaue siert. Aufbau der Erbsubstanz werden in Kapitel 5 besprochen.

Kernlamina raues endoplasmatisches Reticulum

Nucleolus perinucleärer Spalt

Ribosomen

Kernporenkomplex Euchromatin Heterochromatin

äußere innere Kernmembran

Kernhülle

2.10 Aufbau des Zellkerns. Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umgeben, an deren innere Schicht die Kernlamina grenzt. In der Doppelmembran befinden sich Kernporen, die aus einem Proteinkomplex bestehen. Der perinucleäre Raum befindet sich zwischen der äußeren und der inneren Kernmembran und geht an verschiedenen Stellen in das endoplasmatische Reticulum über. Im Kern befindet sich das Nucleoplasma, das die Erbsubstanz enthält. Es unterteilt sich in das genetisch aktive Euchromatin und das genetisch inaktive Heterochromatin. Ebenfalls im Kern befindet sich der Nucleolus, in dem die Ribosomen gebildet werden. (Verändert nach Munk 2002.)

ä

48

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

Ribosomen und Polysomen

ä

Die partikelförmigen Ribosomen dienen der Proteinsynthese. Jede eukaryotische Zelle besitzt mehr als 1 Mio. Ribosomen. Sie kommen entweder frei im Cytosol vor oder sind an das endoplasmatische Reticulum gebunden. Eine Spezialform der Ribosomen findet sich in den Mitochondrien. Ribosomen bestehen aus zwei verschieden großen Untereinheiten, die im Nucleolus des Zellkerns synthetisiert werden und dann durch die Kernporen in das Cytosol auswandern. Dort verbleiben sie entweder als freie cytosolische Ribosomen und dienen der Synthese von cytosolischen Proteinen, oder sie werden zeitweise an die Außenseite des endoplasmatischen Reticulums gebunden (raues endoplasmatisches Reticulum). Die ribosomalen Untereinheiten von Prokaryoten und Eukaryoten sind unterschiedlich groß (䉴 Abb. 2.11). Sie werden nach der Sedimentationsgeschwindigkeit (S) beim Zentrifugieren bezeichnet. Ribosomen von Eukaryoten (䉴 Abb. 2.11a) bestehen aus 60S- und 40S-Untereinheiten, während Ribosomen von Prokaryoten (䉴 Abb. 2.11ba) aus 50S- und 30S-Untereinheiten bestehen. Die ribosomalen Untereinheiten bestehen aus ribosomaler RNA (rRNA) und verschiedenen Proteinen. Lagern sich eine große und eine kleine Untereinheit zusammen, dann entsteht ein Komplex, der der Proteinsynthese (Translation) dient. Bei diesem Prozess gleitet die mRNA zwischen den beiden Untereinheiten hindurch und wird abgelesen (䉴 Kap. 5). Nach Beendigung der Translation trennen sich die Untereinheiten wieder voneinander. Oft lagern sich an der RNA nacheinander viele Ribosomen an Ribosomen und Polysomen dienen der Proteinsynthese. Ribosomen befinden sich entund beginnen mit der Translation, wobei gleichzeitig mehweder frei im Cytoplasma oder sind an das rere Kopien desselben Produkts gebildet werden, und der endoplasmatische Reticulum gebunden Vorgang wird effizienter. In dieser Anordnung werden die (raues endoplasmatisches Reticulum). Ribosomen als Polysomen bezeichnet. b Ribosomen von Prokaryoten

a Ribosomen von Eukaryoten

50S

60S 40S 30S

80S

70S

mRNA 2.11 Ribosomen von Eukaryoten und Prokaryoten. a) Eukaryotische Ribosomen (80S) bestehen aus einer kleinen 40S- und einer großen 60S-Untereinheit. b) Prokaryotische Ribosomen (70S) sind kleiner. Sie bestehen aus einer kleinen 30S- und einer großen 50S-Untereinheit. Die Einheit „S“ bezieht sich auf die Sedimentationsgeschwindigkeit bei der Auftrennung durch Zentrifugation. Zur Proteinsynthese treten die Untereinheiten zusammen, zwischen ihnen wird die mRNA hindurchgeführt. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

Aufbau der Zelle

49

Endoplasmatisches Reticulum Das endoplasmatische Reticulum (ER) bildet in der Zelle ein weit verzweigtes System aus Gängen und Kammern. Es besteht aus einer einfachen Membran, die in die äußere Schicht der Doppelmembran des Zellkerns übergeht. Das ER hat eine zentrale Funktion für den Zellstoffwechsel. Es dient unter anderem als Syntheseort für Komponenten der Zellmembran (Lipide, Kohlenhydrate und Proteine) sowie in hormonproduzierenden Zellen z. B. für die Synthese von Steroidhormonen. In seinem Lumen erfolgt außerdem die Entgiftung und Spaltung von zellfremden schädlichen Substanzen (Xenobiotika). Funktionell steht es zwischen dem Zellkern und dem Golgi-Apparat. Man unterscheidet das glatte ER und das raue ER. Das raue ER ist an der Außenseite der Membran mit Ribosomen besetzt (䉴 Abb. 2.7), und es ist der Ort der Proteinsynthese (Translation). Die mRNA gleitet durch die Ribosomen und das entstehende Polypeptid wird direkt in das ER-Lumen geleitet, wo es mithilfe von Chaperonen gefaltet und dann glykosy- Das endoplasmatische Reticulum ist ein liert wird. Im glatten ER werden Produkte entgiftet. Aus den Gangsystem, das Verbindung zum Zellkern vom ER abgeschnürten Vesikeln und Membranabschnitten hat. Es unterteilt sich in eine glatte (ohne Ribosomen) und eine raue (mit Ribosomen) werden viele andere Zellorganellen gebildet, so z. B. Endo- Form. somen, Golgi-Apparat und Lysosomen.

ä

Golgi-Apparat Der Golgi-Apparat (䉴 Abb. 2.7) ist eine Ansammlung von tellerförmigen Zisternen, die übereinander geschichtet sind, und er stellt eine Verteiler- und Adressierstelle innerhalb der Zelle dar. Er modifiziert die Produkte des endoplasmatischen Reticulums, verpackt sie in Vesikel und versendet sie dann an verschiedene Zielorte. Der Golgi-Apparat ist polar aufgebaut. Seine cis-Seite ist dem endoplasmatischen Reticulum zugewandt und empfängt die Vesikel, die von dort kommen und ihren Inhalt durch Membranfusion in den Golgi-Apparat abgeben. Im Golgi-Apparat durchwandern die Produkte mehrere Kompartimente und werden nach Modifikation dann an der gegenüberliegenden trans-Seite über die Abschnürung von Vesikeln wieder abgegeben. Diese Vesikel enthalten an der Außenseite eine Adressierung durch einen Glykosylphosphatidylinositol- Der Golgi-Apparat dient als Verteilerstation (GPI-)Anker, der eine charakteristische Erkennung und für die im ER synthetisierten Moleküle. In seidamit eine Sortierung ermöglicht, und werden dann von nem Inneren werden die Produkte abschlieden Motorproteinen über das Cytoskelett zu ihrem Bestim- ßend bearbeitet (z.B. weiter glykosyliert), anschließend in Vesikel verpackt und diese mungsort in der Zelle oder der Zellmembran gebracht oder für den intrazellulären Transport adressiert. durch Exocytose abgegeben.

Mitochondrien Mitochondrien sind längliche Zellorganellen mit einer Doppelmembran, die in der Zelle der Energieproduktion dienen (䉴 Abb. 2.12). Sie stellen das energiereiche Molekül Adenosinstriphosphat (ATP) her. Mitochondrien können nicht wie alle anderen Organellen von der Zelle aufgebaut werden, sondern entstehen durch Teilung aus sich selbst. Man geht deshalb davon aus, dass sie Endosymbionten prokaryoti-

ä

50

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

schen Ursprungs sind, die vor Millionen von Jahren die eukaryotischen Zellen besiedelt haben. Diese Endosymbiontentheorie wird auch dadurch gestützt, dass Mitochondrien ein eigenes Genom enthalten, das ähnlich dem von Prokaryoten aus einer ringförmigen DNA von begrenzter Länge (< 20 Kilobasenpaare) besteht. Auch enthalten Mitochondrien eigene Ribosomen, die ähnlich wie die von Prokaryoten vom 70S-Typ sind. Antibiotika, die die Proteinsynthese von Prokaryoten hemmen (Tetracycline), unterbinden deshalb auch die mitochondriale Proteinsynthese. Dagegen wirken Antibiotika, die die cytosolische Proteinsynthese hemmen (z. B. Chloramphenicol), nicht auf die der Mitochondrien. Schließlich spricht auch die Doppelmembran der Mitochondrien für die Endosymbiontentheorie. Eine Besonderheit bei der Biogenese von Mitochondrien ist die ausschließliche Vererbung über die mütterliche Linie. Da sich die Mitochondrien als Energiequelle für die Geißelbewegung der Spermienzelle am Basalstück der Spermiengeißel befinden, werden sie bei der Befruchtung der Eizelle nicht in diese übernommen. Die Spermienzelle wirft die Geißel nebst Basis mit den Mitochondrien ab, und nur der Kopf der Spermienzelle mit der männlichen Erbinformation (DNA) dringt in die Eizelle ein, die ausschließlich Mitochondrien der Mutter enthält. Bei den nun folgenden Teilungen der befruchteten Eizelle und der Bildung des Embryos werden deshalb ausschließlich die mütterlichen Mitochondrien weiter vermehrt.

Intermembranraum ringförmige DNA Pyruvat

Fettsäuren

Acetyl-CoA 70S-Ribosomen Citratzyklus

CO2

Matrix + e– n H ADP + P i NADH 1/2 O2 H O

ATP

2

+

nH Atmungskette

+

nH innere Mitochondrienmembran

ATP-Synthase-Komplex äußere Mitochondrienmembran

2.12 Mitochondrien und ihr Energiestoffwechsel. Über spezifische Transportsysteme werden Pyruvat und Fettsäuren in die Matrix transportiert. Hier findet im Citratzyklus die oxidative Decarboxylierung statt. Es entstehen die energiereichen reduzierten Coenzyme (NADH und FADH2), deren Elektronen auf eine Reihe von Elektronencarriern übertragen werden. Diese Atmungskette ist in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Hier werden die Elektronen über drei Proteinkomplexe auf atmosphärischen Sauerstoff übertragen. Gleichzeitig werden Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum transportiert. Sie bilden einen Protonengradienten über die innere Membran. Entlang dieses Gradienten strömen Protonen durch den ATP-Synthase-Komplex und treiben diesen an. Er setzt ADP mit Phosphat zu ATP um. (Verändert nach Munk 2002.)

Aufbau der Zelle

51

Durch die Doppelmembran bestehen Mitochondrien aus vier Kompartimenten: äußere Membran, Intermembranraum, innere Membran und Innenraum (Matrix). Jeder dieser Räume weist eine andere Zusammensetzung auf, und erst ihr Zusammenwirken ermöglicht die Funktion der Mitochondrien bei der Energieproduktion. Während die äußere Membran glatt ist und die Mitochondrien oval umschließt, ist die Oberfläche der inneren Membran durch viele lamellenförmige Falten (Christae) stark vergrößert (䉴 Abb. 2.7). Diese Form der Christae ist für die meisten Zelltypen charakteristisch, kann aber in speziellen hormonproduzierenden Zellen der Nebenniere auch schlauchförmig sein (Tubulustyp). In der Matrix der Mitochondrien finden die wichtigsten Stoffwechselprozesse statt (Citratzyklus, Fettsäureoxidation und Biosynthese der Aminosäuren). In diesem Raum liegen auch mehrere Kopien der ringförmigen mitochondrialen DNA (䉴 Abb. 2.12), die mitochondrialen Ribosomen, ribosomale RNA sowie Transfer-RNA. Außerdem befinden sich hier alle Enzyme, die für das Stoffwechselgeschehen und die mitochondriale Proteinsynthese notwendig sind. Obwohl die Mitochondrien ihre eigenen Proteine herstellen, wird dieser Vorgang vom Zellkern kontrolliert und gesteuert. Die mitochondriale Genaktivität ist deshalb semiautonom und fügt sich in die Gesamtsituation der Zelle ein. In der inneren Membran sind verschiedene Transmembranproteine lokalisiert, die durch die enorme Oberflächenvergrößerung der Christae in unzähligen Kopien vorliegen. Besonders hervorzuheben ist der ATP-Synthase-Komplex, der durch den Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung ATP herstellt. Dieser Komplex wird durch Protonen getrieben, die durch membranständige Protonenpumpen ständig aus der Matrix in den Intermembranraum gepumpt werden und so einen Protonengradienten über die innere Membran bilden. Die Protonen folgen dem elektrochemischen Potenzial und strömen durch den Komplex zurück in die Matrix, wobei ATP gebildet wird. Wird dieser Gradient entkoppelt, so wird die ATP-Produktion unterbrochen, und es wird hauptsächlich Wärme produziert. Die Mitochondrien sind deshalb neben der ATP-Produktion auch hauptsächlich an der Wärmeproduktion der Organismen beteiligt. Bei homoiothermen Organismen, die im neonatalen Zustand eine besonders starke Wärmeproduktion benötigen, ist häufig ein besonders mitochondrienreiches Gewebe, das braune Fettgewebe, vorhanden, das im adulten Organismus zurückgebildet wird. Die Regulation der Wärmeproduktion an der inneren Mitochondrienmembran ist bei Winterschläfern besonders wichtig. Die innere Mitochondrienmembran wird durch das Phospholipid Cardiolipin undurchlässig für Ionen, sodass Mitochondrien sind die Energielieferanten Transfervorgänge über diese Membran ausschließlich über der Zelle. Neben der ATP-Produktion stellen sie auch Wärme zur Aufrechterhaltung der Carrierproteine erfolgen müssen. Die äußere Mitochon- Körpertemperatur her. Sie besitzen eine Dopdrienmembran weist große durchlässige Poren auf und ist pelmembran und eine eigene ringförmige deshalb für Makromoleküle gut passierbar. Jede Körperzelle DNA, die zusammen mit ihren speziellen eine zwar durch den Zellkern hat mehrere Hundert Mitochondrien, deren Zahl in sehr Ribosomen gesteuerte aber trotzdem eigenständige Prostoffwechselaktiven Zellen (Leber, Muskulatur) viel höher teinsynthese ermöglicht. Nach der Endosymbiontentheorie sind Mitochondrien ehemaist, als z. B. in Nervenzellen. lige Prokaryoten, die eine eukaryotische Zelle besiedelt haben.

ä

52

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

Lysosomen, Peroxisomen und Vesikel

ä

Vesikel sind kleine, kugelige, von einer Membran umgebene Kompartimente. Sie werden oft von Organellen (raues endoplasmatisches Reticulum, Golgi-Apparat) durch Abschürung gebildet. Vesikel dienen zur Speicherung von Stoffen und als Transportvehikel, indem sie an Motorproteine binden und von diesen durch die Zelle bewegt werden (s. Abschnitt Cytoskelett). Eine besondere Form der Vesikel stellen die Lysosomen und Peroxisomen dar. In ihnen finden spezielle Abbaureaktionen statt, die der Entgiftung und Entsorgung von schädlichen Produkten dienen. Lysosomen sind von einer einfachen Membran umgeben und enthalten verschiedene saure Hydrolasen, die bei einem pH-Optimum von 5 Proteine, Fette, Kohlenhydrate aber auch Nucleinsäuren und aggressive Phosphor- und Schwefelverbindungen spalten und abbauen können. Zur Aufrechterhaltung des sauren pH nehmen sie dabei über spezielle membrangebundene Transportsysteme Protonen auf (Protonenpumpen). Lysosomen werden durch Abschnürung vom Golgi-Apparat gebildet (primäre Lysosomen) und enthalten dann bereits die entsprechenden Enzyme (Hydrolasen). Wenn sie mit den abzubauenden Stoffen oder Partikeln (z. B. auch Mitochondrien) verschmelzen, werden sie als sekundäre Lysosomen bezeichnet. Für die Lebensdauer einer Zelle ist die funktionelle Integrität der lysosomalen Membran von großer Bedeutung. Sind die Membranen durch Infektionen und Entzündungsprozesse instabil, dann gelangen die spaltenden Enzyme in das Cytosol der Zelle und bauen die Zelle ab. Es kommt so zur Autolyse der Zelle. Peroxisomen sind ähnlich wie Lysosomen Vesikel, die aggressive Verbindungen abbauen. Im Gegensatz zu den Lysosomen sind sie jedoch von einer doppelten Membran umgeben und entstehen nicht aus dem Golgi-Apparat. Die doppelte Membran und die Membranzusammensetzung haben zu der Hypothese geführt, dass Peroxisomen, ähnlich wie Mitochondrien, autonome Zellorganellen sind, die aus eingedrungenen Prokaryoten entstanden sind und sich durch Teilung vermehren. Peroxisomen enthalten hoch wirksame Enzyme (Katalasen und Oxidasen), die Substrate (Aminosäuren, Fettsäuren, Purine) mit Lysosomen und Peroxisomen sind Kompartimente für den Abbau und die Entgiftung molekularem Sauerstoff oxidieren. Dabei entstehen die der Zelle mithilfe von hoch wirksamen hoch aggressiven Wasserstoffperoxide, die mithilfe von Enzymen. Katalasen zu Wasser reduziert werden.

Extrazelluläre Matrix Menschliche wie auch tierische Zellen sind in eine Grundsubstanz eingebettet, die ihnen neben einer mechanischen Festigkeit auch eine Orientierung für Wachstum und Differenzierung bietet. Diese Grundsubstanz wird als extrazelluläre Matrix bezeichnet und besteht hauptsächlich aus vernetzten Proteinen mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften. Sie sind in ein wässriges Gel aus Polysacchariden (Sialomucine, Hyaluronsäure) und Proteoglykanen eingebettet. Den überwiegenden Anteil der Matrixproteine stellen Kollagene, von denen es verschiedene, auch tierartlich spezifische Typen gibt. Ihre Polypeptidkette weist eine schraubenförmige Struktur auf und wird mit anderen Ketten zu einer Tripelhelix verdrillt. Im extrazellulären Raum polymerisieren diese Tripelhelices zu langen festen Kollagenfasern. Ein weite-

Aufbau der Zelle

53

Sialomucine

Integrine α

Proteoglykane

IgSF Selektine

β

Cadherine

2.13 Einige Vertreter der Zelladhäsionsproteine. Sialomucine enthalten eine Vielzahl von sialinsäurehaltigen Kohlenhydratketten. Integrine bestehen aus zwei unterschiedlichen Untereinheiten. IgSF sind modular aufgebaute Filamente aus der Immunglobulinsuperfamilie und enthalten zahlreiche N-glykosidisch gebundene Kohlenhydratseitenketten (Y). Auch Cadherine und Selektine sind modular aufgebaut und tragen Kohlenhydratseitenketten. Proteoglykane enthalten lange Ketten von Glucosaminoglykanen (o). (Verändert nach Ganten und Ruckpaul 2008.)

res Protein, Elastin, hat durch seine geknäuelte Struktur hoch elastische Eigenschaften. Zur Zelladhäsion und Zellerkennung tragen spezielle Zelladhäsionsproteine wie Fibronectin, Cadherin und Selektin bei (䉴 Abb. 2.13). Dies sind meist Glykoproteine, die lange Fasern bilden und mit ihren spezifischen Domänen auch spezifische Bindungen in der extrazellulären Matrix oder auch an Rezeptoren in der Zellmembran eingehen können. Fibrin ist ein extrazelluläres Faserprotein, das spezifisch bei der Blutgerinnung entsteht und für einen Wundverschluss sorgt. Integrine sind Proteine, welche die extrazelluläre Matrix mit Actinfilamenten des Cytoskeletts verbinden. Laminin wird speziell von Epi- Alle Gewebezellen sind in eine extrazelluläre thelzellen sezerniert und bildet zusammen mit Kollagenen Matrix eingebettet, die als Grundsubstanz eine mechanische Festigkeit und Orientiedie Basallamina, eine Grundstruktur auf der sich Epithel- rung für die Zelldifferenzierung bietet. zellen befinden und sich differenzieren.

Zell-Zell-Verbindungen Bei Mehrzellern sind die einzelnen Zellen über besondere Strukturen verbunden und bilden so Gewebe. Solche Verbindungsstrukturen dienen einerseits der Stabilität anderseits aber auch der Kommunikation zwischen den Zellen. Es gibt drei verschiedene Arten dieser Zell-Zell-Verbindungen. Desmosomen sind Haftkontakte, die Zellen an mehreren Stellen verbinden und den Zusammenhalt von Geweben gewährleisten. Es gibt mehrere Arten von Desmo-

ä

54

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

somen, die durch ihre unterschiedliche Bauweise auch unterschiedliche Funktionen wahrnehmen. Plattendesmosomen besitzen eine scheibenförmige Struktur, die sich über extrazelluläre Filamente wie ein Druckknopf mit einer gleichartigen Struktur der Nachbarzelle verbindet (䉴 Abb. 2.7). An ihrem Inneren setzen die Intermediärfilamente der Zelle an. Gürteldesmosomen befinden sich auf der apikalen Seite der Epithelzellen und sind neben Haft- und Festigkeitsfunktionen entscheidend für Gestaltungsbewegungen der Gewebe in ihrer Entwicklungsphase. Durch Kontraktion können diese Strukturen Zellverbände gürtelartig einschnüren und so z. B. die Absenkung der Neuralrinne bei der Bildung des Nervensystems bewirken. Zwischen Epithelzellen kommen neben den Desmosomen auch tight junctions vor. Es sind Verschlusskontakte, die Epithelzellen an ihrer apikalen Seite verbinden und den Durchtritt von Flüssigkeit und Substanzen zwischen den Zellen kontrollieren (parazellulärer Weg). Tight junctions bestehen aus speziellen Verschlussproteinen (Occludine, Claudine), die die Zellmembranen der Epithelzellen an dieser Stelle ganz eng zu strands zusammenheften (䉴 Abb. 2.7). Da die Verschlussproteine fest miteinander gekoppelt in den Membranlamellen zweier Zellen sitzen, bilden sie auf diese Weise auch eine natürliche Barriere für die laterale Diffusion von Membranproteinen. Auf diese Weise werden apikale und basolaterale Membranbereiche voneinander getrennt und weisen jeweils ihre eigene charakteristische Zusammensetzung von Membranproteinen auf. So findet man in Epithelzellen bestimmte Ionenkanäle wie epitheliale Natriumkanäle (ENaC) nur in der apikalen Membran, während die Na+/K+-ATPase immer nur in der basolateralen Membran vorkommt. Dissoziieren Epithelzellen durch Enzyme und Calciumentzug in einer Zellkultur, so entkoppeln sich die Occludine und werden lateral beweglich. Die Zellen verlieren ihre Form und Polarität, und auch die Zusammensetzung der apikalen und basolateralen Membranen ändert sich durch Vermischung der Membranproteine. Gap junctions sind Kommunikationskontakte zwischen einzelnen Zellen. Sie bestehen aus zwei Hälften (Connexone), die jeweils in den Membranen benachbarter Zellen lokalisiert sind (䉴 Abb. 2.14). Jedes Connexon besteht aus sechs identischen

entkoppelt

gekoppelt Transport/Austausch möglich

Transport/Austausch nicht möglich Connexon Zellmembran Zellmembran der Nachbarzelle

Connexon

2.14 Funktion der gap junctions. Die gap junctions bestehen aus zwei Connexonen, die, wenn sie miteinander gekoppelt sind, Signalmoleküle passieren lassen und Zellen auch elektrisch verbinden. (Verändert nach Clauss und Clauss 2007.)

Aufbau der Zelle

55

Proteinen (Connexine), die gemeinsam den Tunnel bilden. Beim Andocken dieser Hälften aneinander bildet sich ein großlumiger Tunnel, der große Moleküle bis zu einer Molekülmasse von 1 500 Da, z. B. chemische Signalstoffe wie cAMP, durchlässt. Durch seine flüssigkeitsgefüllte Verbindung koppelt dieser Tunnel aber auch das Cytosol benachbarter Zellen elektrisch, sodass elektrische Signale sehr schnell und in beide Richtungen von Zelle zu Zelle weitergegeben werden können (elektrische Synapse). Connexone sind in der Zellmembran lateral beweglich und müssen sich miteinander verbinden, um eine leitende Verbindung zu schaffen. Sie können sich aber auch entkoppeln, z. B. wenn Zellen unterscheiden sich in in Kultur dissoziieren. Dann schließen sich die Hälften und Zell-Zell-Verbindungen Desmosomen (Haftkontakte), tight junctions verhindern ein Auslaufen des Cytosols. Die Durchlässigkeit (Verschlusskontakte) und gap junctions von gap junctions wird durch Ca2+ reguliert. Sie kommen (Kommunikationskontakte). Sie dienen der besonders häufig zwischen den Herzmuskelzellen und zwi- Stabilisierung von Geweben, der Kommunikation zwischen den Zellen und der Abdichschen glatten Muskelzellen (䉴 Kap. 5, 10 und 䉴 Abb. 5.11) tung von Kompartimenten. vor.

Aufbau der Zellmembranen Die Membranen der menschlichen Zellen sind stark verformbar und bestehen aus einer Lipiddoppelschicht, in die Proteine eingelagert sind (䉴 Abb. 2.15). Dieser Aufbau wird auch als Fluid-Mosaik-Modell bezeichnet, da alle Komponenten der Zellmembran sehr beweglich sind. In Abbildung 2.15 ist zu erkennen, dass sich die Moleküle in den beiden Lipidschichten so anordnen, dass ihr polarer, hydrophiler Kopf extrazelluläre Seite Glykoprotein

Lipiddoppelschicht peripheres Membranprotein

Ionenkanal integrales Membranprotein

intrazelluläre Seite

2.15 Fluid-Mosaik-Modell der Zellmembran. Integrale Membranproteine durchspannen die Membran und bilden z.B. Ionenkanäle oder Rezeptoren. Andere Proteine ragen nur auf der intra- oder extrazellulären Seite in die Membran hinein. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

ä

56

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

nach außen zeigt. Die apolaren, hydrophoben Schwänze der Lipidmoleküle orientieren sich dagegen in das Innere der Membran. Die in diese Lipiddoppelschicht eingelagerten integralen Proteine lassen sich in verschiedene Funktionsklassen unterteilen. Es gibt Transmembranproteine, die die Membran vollständig durchspannen und z. B. als Tunnelproteine (Ionenkanäle) für den Transport von Substanzen in oder aus der Zelle sorgen (䉴 Abb. 2.17). Membranproteine können auch nur in einer Lamelle der Lipiddoppelschicht liegen und als Rezeptoren oder Enzyme wirken. Membranassoziierte Proteine sind oft an die integralen Proteine angelagert und können ebenfalls Enzym- oder Signalfunktionen übernehmen, wie es bei den G-Proteinen der Fall ist. An der Außenseite der Zelle sind die Membranproteine oft mit Zuckerketten verknüpft (Glykosylierung). Diese Zuckermoleküle geben jeder Zelle ein charakteristisches Oberflächenprofil und dienen der Erkennung, z. B. zum Schutz vor körpereigenen Abwehrmechanismen. Zusammen mit anderen Substanzen wie Kollagenen bilden sie die Glykokalyx, einen hauchdünnen Überzug jeder Zelle.

Chemische Zusammensetzung der Lipiddoppelschicht Die Lipiddoppelschicht wird auch als Bilayer bezeichnet. Sie besteht aus Phospholipiden, z. B. aus Phosphatidylcholin, das auch als Lecithin bezeichnet wird (䉴 Abb. 2.16). b typisches Phospholipid (Phosphatidylcholin)

a Aufbau der Lipiddoppelschicht

CH3

Gangliosid H3C

(-)

N+

Cholin CH3

Gal

O

NANA

Galactocerebrosid

GalNAc

O Phosphatidylcholin

(-) Gal

extrazellulär

NANA Glc OH

Gal OH

Gal OH

Rotation

P O

Phosphat

O O O =O =O

Glycerin hydrophile Kopfgruppe

5 nm

Diacylglycerin

OH intrazellulär

Cholesterin

OH

laterale Diffusion

Phosphatidylethanolamin

Palmitinsäure

Ölsäure

2.16 Molekularer Aufbau der Lipiddoppelschicht. a) Schematische Anordnung der Lipidund Lipoidmoleküle und des Cholesterins am Beispiel einer Nervenzellmembran. b) Anordnung eines typischen Phospholipids. Gal, Galactose; NANA, N-Acetylneuraminsäure; GalNAc, N-Acetylgalactosamin; Glc, Glucose. (Verändert nach Müller und Frings 2007.)

Aufbau der Zelle

57

Weitere Bestandteile sind Glykolipide (z. B. Ceramide) und Cholesterin. Dessen Anteil in der Membran ist zellspezifisch und beträgt bei Erythrocyten ca. 22%, während die intrazellulären Membranen der Organellen nur ca. 5% Cholesterin enthalten. Der Cholesterinanteil einer Membran bestimmt auch im Wesentlichen ihre Fluidität.

Fluid-Mosaik-Modell Aufgrund ihrer Molekularbewegung sind alle Lipide der Zellmembran in einer ständigen dynamischen Umordnung begriffen. Die Lipidmoleküle rotieren um sich selbst, tauschen in einer Lamelle sehr häufig lateral den Platz miteinander und können sogar von einer Lamelle in die andere wechseln (Flip-Flop-Bewegung), was jedoch sehr selten ist. Die Lipiddoppelschicht der Zellmembran ist durch ihre Hydrophobizität nur für Gase und kleine nichtionisierte Moleküle sowie für lipidlösliche Stoffe permeabel. Dagegen ist sie für Wasser, alle anorganischen Ionen und lipidunlöslichen Stoffe undurchlässig. Für diese sind in der Zellmembran verschiedene Transportsysteme vorhanden, die allesamt in den integralen Membranproteinen realisiert sind. Abbildung 2.15 zeigt, dass die integralen Membranproteine in der Lipiddoppelschicht verteilt sind. Sie können an speziellen Proteinen des Cytoskeletts wie Ankyrin verankert sein oder sich lateral in der Doppelschicht hin und her bewegen. Integrale Membranproteine sind meist durch ihre Struktur fest in der Zellmembran verankert; die apolaren Anteile des Proteins, die als Transmembrandomänen bezeichnet werden, durchspannen die Lipiddoppelschicht mehrfach (䉴 Abb. 2.17a) und haben deshalb oft ähnliche Aminosäuresequenzen. Diese Membrandomänen werden durch hydrophile Schleifen, die als extrazelluläre oder cytoplasmatische Domänen bezeichnet werden, voneinander getrennt. Ein integrales Membranprotein besteht daher aus einer langen Peptid- Die Zellmembran besteht aus einer Lipiddopkette, die eine komplizierte dreidimensionale Struktur pelschicht mit assoziierten und integralen besitzt. Im Fall von Ionenkanälen lagern sich die Trans- Proteinen, die sich lateral in der Membran membrandomänen oft kreisförmig zusammen und bilden bewegen können (Fluid-Mosaik-Modell). Die integralen Proteine durchspannen die Lipideinen Tunnel, durch den die Ionen die Zellmembran passie- doppelschicht oft in mehreren Schleifen. ren können (䉴 Abb. 2.17b).

Transport durch Membranen Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und durch ihren Aufbau bildet die Zellmembran eine Barriere zwischen dem Extra- und Intrazellulärraum. Sie ermöglicht die Kompartimentierung biologischer Materie und damit die Entstehung des Lebens. Leben bedeutet aber immer auch eine ungleiche Verteilung von Substanzen innerhalb und außerhalb von Kompartimenten. Dieses Ungleichgewicht wird reguliert und im Sinne einer Homöostase (zelluläres Fließgleichgewicht) aufrechterhalten. Deshalb hat die Zellmembran auch die wichtige Funktion eines kontrollierten, vektoriellen Stoffaustausches von außen nach innen und umgekehrt. Zu diesem Zweck sind in der Zellmembran spezielle Transportsysteme enthalten.

ä

58

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

a molekularer Aufbau extrazelluläre Schleife

b anionenselektiver Kanal Transmembrandomäne

integrales Protein

Kanalpore +

Zellmembran

extrazellulär

-

extrazellulär

+

+

+ +

+

-

+

intrazellulär

+ -

H2 N

intrazelluläre Schleife

COOH

Lipiddoppelschicht

intrazellulär

Wandladung

2.17 Schematischer Aufbau eines integralen Membranproteins am Beispiel eines Ionenkanals. a) Molekularer Aufbau. Das Protein durchspannt die Membran mehrfach, wobei die apolaren Domänen des Proteins in der Lipiddoppelschicht liegen und die hydrophilen, trennenden Schleifen in den Intra- oder Extrazellulärraum ragen. Bei Ionenkanälen lagern sich die Transmembrandomänen oft kreisförmig zusammen und bilden einen Tunnel, durch den Ionen die Zellmembran passieren können. b) Funktionelle Eigenschaften eines Ionenkanals (Selektivität). Der Kanal ist aufgrund seiner Wandladungen nur für Anionen permeabel. (b verändert nach Eckert 2002.)

ä

Aktiver und passiver Transport Generell unterteilt man die Transportvorgänge über Zellmembranen in aktive und passive Mechanismen. Während passive Transportvorgänge durch Diffusion entlang eines elektrochemischen Gradienten ablaufen, wird für aktive Transportvorgänge Energie in Form von ATP benötigt. Aktive Transportvorgänge können deshalb auch „bergauf“, d. h. gegen einen Konzentrationsgradienten stattfinden. Sie werden in späteren Kapiteln ausführlich beschrieben. Für passive Transportvorgänge muss die Zellmembran eine gewisse Durchlässigkeit (Permeabilität) aufweisen. Sie kann für die lipidlöslichen Stoffe, die Atemgase und Nichtelektrolyte nichtselektiv sein. Als Ort der nichtselektiven Permeabilität wird die Lipiddoppelschicht angesehen (䉴 Abb. 2.18a). Um eine selektive Permeabilität zu gewährleisten kommen dagegen nur integrale Membranproteine infrage, die für manche Ionen Der Transport durch die Zellmembran aber auch nichtselektiv sein können. Dies soll im Folgenerfolgt über passive (Diffusion) und aktive den am Beispiel von Ionenkanälen und Carriern erläutert Mechanismen (unter Energieverbrauch). werden. Transport durch Ionenkanäle Abbildung 2.17b zeigt ein Schema eines in die Zellmembran eingelassenen integralen Proteins, das durch seinen Tunnel als Ionenkanal fungiert. Der Transport eines geladenen Teilchens, in diesem Falle eines negativen Ions wie Cl–, erfolgt

Aufbau der Zelle

a Lipophilie

c Endocytose

b Ionenkanal

Partikel

e Antiport

d Symport extrazelluläre Flüssigkeit

Cytosol

f Uniport

+

3 Na

+

Na

2+

Ca Aminosäure Membran

Glucose Membran

Membran

2.18 Schema verschiedener Transportmöglichkeiten durch die Zellmembran. a) Diffusion lipidlöslicher Substanzen durch die Lipiddoppelschicht. b) Diffusion wasserlöslicher Substanzen durch ein integrales Membranprotein (Ionenkanal). c) Endo- oder Exocytose von größeren Partikeln. d) Gekoppelter Transport (Symport). e) Gekoppelter Transport (Antiport). f) Carriertransport (Uniport). (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

grundsätzlich entlang eines elektrochemischen Gradienten. Dazu muss das betreffende Ion z. B. auf der Außenseite des Kanals im Überschuss vorhanden sein und im Zellinneren in geringerer Konzentration. Für Cl–-Ionen ist dies im Allgemeinen auch der Fall, die Chloridkonzentration im Extrazellulärraum beträgt beim Menschen über 100 mmol l– 1, im Intrazellulärraum liegt sie dagegen in einem Bereich von nur ca. 5–30 mmol l– 1. Allerdings ist die Zelle innen negativ geladen, sodass der für den Einwärtsstrom von Chlorid günstige chemische Gradient von einem entgegengesetzten elektrischen Gradienten teilweise aufgehoben wird. Letztendlich entscheidet also die Bilanz des elektrochemischen Gradienten, ob eine Triebkraft für das betreffende Ion besteht, damit es in die Zelle diffundieren kann. Die Selektivität des Ionenkanals ergibt sich aus den elektrischen Ladungen der Aminosäuren in der inneren Tunnelwand. Abbildung 2.17 zeigt, dass verschiedene positiv geladene Wandbezirke durch ihr elektrisches Feld mit dem Feld von positiv geladenen Ionen (z. B. Na+) kollidieren. Diese können somit die Engstellen im Tunnel nicht passieren, während ein negativ geladenes Teilchen durch die Anziehungskraft der positiven Wandbezirke sogar schneller durch den Kanal transportiert wird. In diesem Fall handelt es sich also um einen anionenselektiven Ionenkanal. Die Durchlässigkeit von Ionenkanälen ist um ein Vielfaches höher als bei anderen Transportsystemen. Sie beträgt etwa 107 Ionen pro Sekunde.

59

60

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

Transport durch Carrier Für viele Ionen, aber auch für höhermolekulare Substanzen wie Glucose und Aminosäuren gibt es spezialisierte Transportsysteme, die als Transporter oder auch Carrier bezeichnet werden. Sie können Substanzen gekoppelt in eine Richtung transportieren (Symport; 䉴 Abb. 2.18d) und werden auch Cotransporter genannt. Meist energetisiert die eine transportierte Substanz den Transport der anderen. Im Beispiel von Abbildung 2.18d strömen Na+-Ionen passiv, nur durch den elektrochemischen Gradienten getrieben, durch den Carrier in die Zelle und liefern dabei im Carriermolekül die Energie, um gleichzeitig Aminosäuren in die Zelle zu befördern. Werden Substanzen von einem Carrier gleichzeitig, aber in entgegengesetzter Richtung transportiert (Antiport), so spricht man auch von einem Exchanger (䉴 Abb. 2.18e). Wird nur eine Substanz von einem Carrier transportiert, so bezeichnet man dies als Uniport (䉴 Abb. 2.18f). Da die zu transportierende Substanz mit dem Carrier eine Bindung eingeht, erreicht der Transport bei Erhöhung der Substanzkonzentration ab einem bestimmten Punkt eine Sättigung. Dann sind alle Carrier besetzt und die Transportrate ist maximal. Diese Eigenschaft lässt sich durch eine Transportkinetik beschreiben, die formal ähnlich wie eine Enzymkinetik behandelt wird (Michaelis-Menten-Kinetik). Die Transportrate V ist bei einer reinen Diffusion linear von der Substratkonzentration C abhängig und ergibt bei einer Auftragung der Transportrate gegen die Konzentration eine Gerade. Verläuft der Transport dagegen über einen Carrier und „bergab“ in Richtung des Konzentrationsgradienten, so spricht man von einer erleichterten Diffusion. Erleichterte Diffusionsvorgänge gibt es bei allen Varianten von Carriern, also bei Uniportern, Symportern und Antiportern.

ä

ATP-getriebene Transporter (aktiver Transport) Beim aktiven Transport erfolgt die Substanzverschiebung bergauf gegen einen Gradienten. Für diesen Transport wird Energie in Form von ATP benötigt. Findet die ATP-Umsetzung direkt im Transportmolekül statt, handelt es sich um einen primär aktiven Transport. Die Funktionsweisen solcher Transportmoleküle sind am besten bei der Na+/K+-Pumpe untersucht, die bei allen eukaryotischen Zellen vorkommt und 3 Na+-Ionen im Austausch gegen 2 K+-Ionen aus der Zelle befördert. Auf diese Weise wird die intrazelluläre Na+-Konzentration auf einem niedrigen Wert von ca. 10 mmol l– 1 gehalten, während die intrazelluläre K+-Konzentration hoch ist und etwa bei 100 mmol l– 1 liegt. Dieses Transportproteine unterscheidet man in ubiquitäre Transportsystem wird auch als Na+/K+-ATPase Kanäle, Carrier und Pumpen. Sie sind als bezeichnet. Weitere primär aktive Transportsysteme sind integrale Membranproteine in die Lipiddie Ca2+-ATPase und die für die Protonensekretion im doppelschicht eingebettet. Magen wichtige H+/K+-ATPase. Ein sekundär aktiver Transport nutzt den durch den primär aktiven Transport aufgebauten Konzentrationsgradienten als Triebkraft für den carriervermittelten Transport. Wichtiges Beispiel für einen sekundär aktiven Transport ist der Na+gekoppelte Glucosesymport, der in Kapitel 3 ausführlich beschrieben wird. Dieser als SGLT-1 bezeichnete Transporter befindet sich in der apikalen Membran von Epithelzellen des Dünndarms oder auch im proximalen Tubulus der Niere. Eine weitere Variante dieses sekundär aktiven Transports ist der Na+-gekoppelte Transport von Ami-

Aufbau der Zelle

nosäuren, der in denselben Epithelien realisiert ist. Diese sekundären Transporter werden durch den primär aktiven Transport der Na+/K+-ATPase energetisiert und sind in ihrer Kinetik ebenso wie die Pumpen zu sättigen.

Exo- und Endocytose Für größere Partikel und Moleküle, die nicht lipophil direkt durch die Zellmembran gelangen und für die es auch kein geeignetes Transportsystem gibt, hat die Zelle spezielle Mechanismen entwickelt, die vesikelartige Strukturen aus der Zelle ausschleusen (Exocytose) oder einschleusen (Endocytose) können. Bei der Endocytose (䉴 Abb. 2.19c) bildet sich in der Zellmembran eine Einbuchtung, die sich weiter einsenkt und den extrazellulären Inhalt schließlich in ein Vesikel einschließt. Dabei wird die Vesikelmembran aus der Lipiddoppelschicht der Zellmembran gebildet und ist deshalb umgekehrt orientiert. Die ehemals äußere Membranlamelle bildet jetzt die innere Lamelle des Vesikels. Das Vesikelinnere stellt also quasi einen extrazellulären Raum dar. Solche Vorgänge laufen an jeder Zelle ständig ab. Werden feste Stoffe aufgenommen, bezeichnet man diese Mechanismen als Phagocytose, die Aufnahme von flüssigen Stoffen nennt man Pinocytose.

Partikel Rezeptor

Erkennungsregion coated pit

Rezeptorrecycling

Clathrin

Clathrinrecycling

coated vesicle

frühes Endosom

spätes Endosom

Transportvesikel

2.19 Schematischer Ablauf einer Endocytose. Ein Partikel außerhalb einer Zelle besitzt eine Erkennungsregion. Sie wird von Rezeptoren in der Zellmembran erkannt und führt zu einer grubenartigen Einsenkung. Diese wird mit Clathrinmolekülen beschichtet und als coated pit bezeichnet. Die beschichtete Grube senkt sich weiter ein und wird als coated vesicle in das Cytoplasma aufgenommen. Die einzelnen Clathrinmoleküle lösen sich ab und werden durch ein Clathrinrecycling wieder an spezifische Stellen der Innenseite der Zellmembran gebracht. Es bildet sich ein frühes Endosom, das in ein spätes Endosom übergeht. Hier werden die Rezeptoren sortiert, in bestimmte Bereiche der Vesikelmembran verlagert, dann über Abknospung eines kleinen Vesikels in einem Rezeptorrecycling zur Zellmembran zurückgebracht und dort wieder in der richtigen Position internalisiert. Das Partikel, dessen Erkennungsregion inzwischen entfernt wurde, wird über Transportvesikel in das Stoffwechselgeschehen der Zelle eingeschleust. (Verändert nach Clauss und Clauss 2007.)

61

62

ä

? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

2. Chemische und molekulare Grundlagen des Lebens

Bei der rezeptorvermittelten Endocytose werden Stoffe wie Eisen, Cholesterin oder Insulin durch spezielle Rezeptoren in der Zellmembran erkannt (䉴 Abb. 2.19). Diese lösen eine Signalkaskade aus, die zur Einsenkung der Vesikel führt. Die Vesikel sind von einer netzartigen, stabilisierenden Struktur des Proteins Clathrin überzogen und fusionieren zur weiteren Verarbeitung mit anderen Zellstrukturen (Endosomen). Clathrin und die Rezeptoren werden zurück in die Zellmembran überführt, wo sie in speziellen Strukturen, den coated pits, für einen neuen Einsenkungszyklus bereit stehen. Die Exocytose läuft nach dem umgekehrten Prinzip der in Abbildung 2.19 dargestellten Endocytose ab. Ein Vesikel fusioniert mit der Zellmembran und bildet eine Fusionspore, durch die der Vesikelinhalt in den extrazellulären Raum abgegeben wird. Bei der Fusion spielen spezielle Proteine eine Rolle, die sowohl in der Vesikelals auch in der Zellmembran lokalisiert sind. Sie erkennen sich und bilden unter ATPVerbrauch einen Fusionskomplex. Bei diesen Vorgängen spielt auch die intrazelluläre Ca2+-Konzentration eine entscheidende Rolle (Ca2+-vermittelte Exocytose). Da diese Exo- und Endocytose sorgen für den Transport von größeren Partikeln über die ZellVorgänge am besten beim Ausschütten der Transmitter in membran. Dabei spielen sich in der Zellder synaptischen Nervenendigung untersucht sind, wermembran komplexe Fusionsvorgänge ab. den sie in Kapitel 3 im Detail besprochen.

Klausurfragen Beschreiben Sie den Aufbau einer biologischen Membran. Worin unterscheiden sich aktive und passive Transportmechanismen? Beschreiben Sie die Vorgänge bei einer Exo- und einer Endocytose. Wie ist ein Ionenkanal aufgebaut, und welche charakteristischen Eigenschaften hat er? Wie funktioniert ein ATP-getriebener Transporter? Beschreiben Sie den Aufbau eines Proteins? Was ist der Unterschied zwischen einem Nucleotid und einem Nucleosid? Welche Elemente des Cytoskeletts gibt es? Beschreiben Sie den Aufbau und die Aufgabe der Mitochondrien. Wie ist der strukturelle Aufbau eines Kohlenhydrats?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 3

Halte- und Bewegungsapparat

Lernziele

■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über die grundsätzlichen Strukturelemente des menschlichen Körpers wie Knochen, Muskeln, Bänder und Sehnen, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Bildung, Wachstum und Struktur der Knochensubstanz. Knochenstoffwechsel und seine hormonelle Regulation. Aufbau der Gelenke und verschiedene Gelenktypen. Skelettsystem und die wichtigsten Muskelgruppen.

Wachstum des menschlichen Körpers Der Halte- und Bewegungsapparat des Menschen besteht aus Knochen (Skelett), Gelenken, Muskeln und Sehnen. Diese Bau- und Funktionselemente haben in der Jugend, im Erwachsenalter und im Alter einen unterschiedlichen Aufbau. Der menschliche Körper entwickelt sich in einer etwa 20 Jahre dauernden Wachstumsphase, die in verschiedenen Abschnitten verläuft. Das stärkste Körperwachstum findet im ersten Halbjahr statt, in dem der neugeborene Mensch etwa 16 cm wächst. Danach wachsen Menschen langsamer, ab dem zweiten Lebensjahr mit etwa 6–7 cm

64

ä

3. Halte- und Bewegungsapparat

pro Jahr. Das Wachstum des Menschen hält geschlechtspezifisch unterschiedlich lange an. Weibliche Personen haben ihre volle Körpergröße bereits mit etwa 16 Jahren erreicht, bei männlichen Personen hält das Wachstum etwa 3 Jahre länger an und ist mit etwa 19 Jahren beendet. Durch diese verlängerte Wachstumsphase sind Männer im Durchschnitt etwas größer als Frauen. Für die Wachstumsprozesse ist eine kontinuierliche energiereiche Ernährung mit Nahrungsstoffen (Fett, Der Halte- und Bewegungsapparat des Kohlenhydrate und Proteine) sowie mit NahrungsergänMenschen enthält etwa 200 Knochen, zungsstoffen wie Mineralsalzen, Spurenelementen und Muskeln und Sehnen, die sich unter hormoneller Regulation über eine etwa Vitaminen notwendig. Die Wachstumsprozesse werden 20 Jahre dauernde Wachstumsphase enthauptsächlich über das endokrine System der Hormone wickeln. Diese ist bei Männern um etwa gesteuert (䉴 Kap. 7) und über das Nervensystem koordidrei Jahre länger als bei Frauen. niert und kontrolliert.

Aufbau und Funktion der Knochen Der menschliche Körper enthält über 200 einzelne Knochen, die für die Stabilität und die Beweglichkeit des Organismus sorgen. Die Knochen unterscheiden sich in ihrem Aufbau und ihrer Funktion und verändern sich während der Wachstums- und der Altersphase.

Knochentypen Die menschlichen Knochen werden anhand ihrer Form und ihrer Funktion in folgende fünf Gruppen eingeteilt. Am meisten fallen die Röhrenknochen auf, zu denen der Oberschenkelknochen (Femur) und der Oberarmknochen (Humerus) zählt (䉴 Abb. 3.1). Sie bestehen aus einem länglichen, röhrenförmigen Schaft, dessen Enden verdickt sind. Die äußere Knochenstruktur (Compacta) ist sehr dicht und fest. Dagegen zeigt sich die innere Struktur (Spongiosa) aufgelockert und enthält das Knochenmark. Platte Knochen sind flach und haben zwei kompakte Außenschichten, zwischen denen sich eine sehr schmale, spongiöse Innenschicht befindet. Zu diesem Knochentyp gehören Rippen, Brustbein, Schulterblätter und die dünnen Knochen des Hirnschädels. Kurze Knochen haben eine sehr dünne Außenschicht, die übergangslos in die spongiöse Innenschicht übergeht. Zu ihnen gehören die quaderförmigen Handwurzelknochen. Manche Sehnen sind besonderen Belastungen ausgesetzt wie die Sehnen im Handgelenk. In solche Sehnen sind oft kleine Knochen, die Sesambeine, eingebettet, die den Sehnenverlauf stabilisieren. Zu diesen Strukturen gehört auch die Kniescheibe. Irreguläre Knochen sind unregelmäßig geformt. Zu ihnen gehören viele Knochen des Gesichtsschädels und auch die Wirbel. An manchen Knochen befinden sich spezielle Strukturen, in denen Muskeln oder Sehnen verlaufen können. Sie werden als Einsenkungen (Incisura) bezeichnet. Verlaufen Leitungsbahnen wie Nerven und Blutgefäße durch Knochen, werden ihre Durchtrittsstellen als Löcher (Foramen) bezeichnet. Ein Beispiel ist das große

Aufbau und Funktion der Knochen

a Längsschnitt eines Röhrenknochens

b Aufbau der Knochenmarkshöhle

Epiphyse Spongiosa

Metaphyse Compacta Knochenmarkhöhle Blutgefäßversorgung

Diaphyse Blutgefäße

Metaphyse

Periost

c Verlauf der Knochenbälkchen

Epiphyse Knochenmarkhöhle

3.1 Aufbau eines Röhrenknochens. a) Längsschnitt mit den einzelnen Abschnitten und dem Verlauf der Blutgefäße. b) Aufbau der Knochenmarkshöhle mit den einzelnen Schichten. c) Struktur und Verlauf der Knochenbälkchen. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Hinterhauptsloch, durch das das Rückenmark in den Schädel eintritt. Ein längerer knöcherner Gang wie beim knöchernen Ohr wird als Meatus bezeichnet. Einige Knochen sind pneumatisiert, d. h. sie enthalten luftgefüllte Hohlräume, um ihr Gewicht zu reduzieren. Beispiele sind Knochen des Gesichtsschädels, die die Nasennebenhöhlen enthalten.

Aufbau des Knochens Der Aufbau eines Röhrenknochens ist in Abbildung 3.1a dargestellt. Der Knochenschaft wird als Diaphyse bezeichnet, die Enden des Knochens als Epiphyse. Dazwischen befindet sich die Längenwachstumszone, die sogenannte Metaphyse. Während beide Epiphysen als Kontaktstellen zu benachbarten Knochen fungieren und deshalb auf ihrer Oberfläche mit einer dünnen Schicht aus Knorpelgewebe bedeckt sind, ist der Rest des Knochens von einer sehr schmerzempfindlichen Knochenhaut (Periost) umgeben. Sie enthält Nerven und Blutgefäße, die für die Ernährung des Knochens zuständig sind. Außerdem setzen am Periost die Bänder und Sehnen über dichte, belastbare Verwachsungen an. Die Außenschicht des Knochens (Kortikalis) wird im Bereich der Diaphyse auch als Compacta bezeichnet und besitzt eine sehr dichte Knochenstruktur. Dagegen besteht der größte Anteil des Knochens im Inneren der Spongiosa aus feinen Knochenbälkchen (Trabekel), die entsprechend der Belastung des Knochens angeordnet sind, sodass sie stets längs zu den einwirkenden Kräften verlaufen. Sie sind miteinander verstrebt und weisen daher eine hohe Biegesteifigkeit auf. Die funktionellen Anforderungen beeinflussen auch die Anzahl der Knochenbälkchen, sodass die Kno-

65

66

ä

3. Halte- und Bewegungsapparat

chen trotz ihrer hohen Festigkeit ein möglichst geringes Gewicht haben. So wiegt das gesamte menschliche Skelett nur etwa 7 kg. Durch die Hohlraumstruktur entsteht im Innenraum der Knochen Platz für das rote Knochenmark. Dieses fungiert als blutbildendes Organ und ist in den meisten Knochen vorhanden. Ab dem Erwachsenenalter wird das rote Knochenmark in vielen Knochen mit fortschreitendem Alter in Fettmark umgewandelt. (Näheres zur Funktion des roten Knochenmarks und der Blutbildung in Kapitel 9.) Die Ernährung des Knochens wird durch winzige Blutgefäße gewährleistet, die aus dem Periost in den Knochen Es gibt fünf verschiedene Knochentypen mit einsprossen (䉴 Abb. 3.1b). Außerdem durchqueren auch sehr unterschiedlicher Struktur. Sie sind im größere Arterien die Kortikalis und führen in den KnoKörper entsprechend ihrer Funktion im knöchernen Skelett angeordnet. Im Inneren der chenmarksaum, wo sie sich zu einem feinen Gefäßnetz Röhrenknochen befindet sich das Knochenerweitern. Auch in die Compacta reichen Versorgungsmark, das eine blutbildende Funktion hat. gefäße.

Knochenwachstum und -entwicklung Der Auf- und Abbau der Knochensubstanz befindet sich, abhängig vom Lebensalter, in einem dynamischen Gleichgewicht und wird hormonell gesteuert.

Knochenzelltypen Für Bildung, Erhalt und Abbau der Knochensubstanz sind drei unterschiedliche Typen von Knochenzellen verantwortlich. Die Grundsubstanz der Knochen (Knochenmatrix) wird von den Osteoblasten gebildet. Diese Zellen sezernieren über ihre Membran Calciumphosphate und Calciumcarbonate, die als schlecht lösliche Substanzen im extrazellulären Raum entlang der extrazellulären Matrix (Kollagenfasern) vorwiegend als Hydroxylapatit (Ca5(PO4)3OH) auskristallisieren. Auf diese Weise werden die Osteoblasten mit der Zeit von einer unlöslichen Masse umgeben, sodass sie sich nicht mehr teilen können. Sie bilden sich zu Osteocyten um, die als verhärtetes Gewebe dann die Knochenstruktur bilden. Der menschliche Organismus enthält etwa 1 kg Calcium, vor allem in seiner Knochensubstanz. Diese Verknöcherung (Ossifikation), die auch bei der Heilung von Knochenbrüchen stattfindet, kann sich über Wochen und Monate hinziehen. Während der Entwicklung des Neugeborenen über das Kleinkind bis zum Erwachsenen ist die Ossifikation sogar erst nach vielen Jahren abgeschlossen. Deshalb besitzen Jugendliche im Vergleich zu Erwachsenen ein weicheres, flexibleres Skelett. Für den Abbau der Knochensubstanz sind die Osteoklasten zuständig. Dieser Knochenzelltyp kann in Umbau-, Wachstums- oder auch Heilungsphasen die Knochensubstanz wieder auflösen, wenn dies erforderlich ist. Normalerweise stehen die Osteoblasten und Osteoklasten in einem dynamischen Gleichgewicht. So gibt die Knochensubstanz ständig Knochenmineralien in das Blut ab, die dann an anderer Stelle wieder vom Knochen aufgenommen werden können. Auf diese Weise können bei erhöhter Anforderung wie bei Heilungsprozessen neue Knochenbälkchen aufgebaut werden oder in der Schwangerschaft das Skelett des Fötus entstehen.

Aufbau und Funktion der Knochen

Hormonelle Regulation des Knochenstoffwechsels Das Gleichgewicht zwischen Knochenauf- und -abbau wird durch drei Hormone gesteuert, die den Calciumphosphathaushalt regulieren. Dazu sezernieren die Epithelkörperchen der Nebenschilddrüse das Peptidhormon Parathyrin, das man auch als Parathormon (PTH) bezeichnet. Dadurch wird Calcium rasch mobilisiert und aus den kristallinen Strukturen in das Blut abgegeben. Als zweites Hormon wirkt Calcitriol (D-Hormon), das von Leber und Niere aus Vitamin D3 hergestellt wird. Dieses entsteht wiederum durch UV-Bestrahlung in der Haut aus dem Provitamin 7-Dehydrocholesterin. Calcitriol fördert die Calcium- und Phosphatresorption im Darmepithel und in der Niere, was zu einem Aufbau der Knochenmatrix führt. Als drittes Hormon wirkt das Peptidhormon Calcitonin, das in den C-Zellen der Schilddrüse und des Thymus gebildet wird. Es wirkt als Gegenspieler des Parathyrins und fördert ebenfalls eine Einlagerung von Calcium in die Knochensubstanz. Calcitonin wird auch therapeutisch eingesetzt, um die Osteoklastentätigkeit zu hemmen und das Skelett stärker zu kalzifizieren (䉴 Abb. 3.2). Der Vorgang der Verknöcherung (Ossifikation) kann über zwei verschiedene Mechanismen ablaufen. Einige Knochen, z. B. die Gesichtsknochen des Schädels und

2–

HPO 4 Ca2+ im Blut sinkt

2+

Ca steigt

Hyperkalzämie Parathyrin HPO4

Calcitonin

+ Nebenschilddrüse Epithelkörper

Schilddrüse C-Zellen

2+

Ca steigt

Calcitriol

+

Niere

Hypokalzämie 2+

2+

Ca steigt

Ca -Resorption im Darm HPO2– 4 3.2 Regulation des Knochenstoffwechsels durch Organe und die von Ihnen abgegebenen Hormone. (Verändert nach Klinke, Pape und Silbernagl 2005.)

67

68

ä

3. Halte- und Bewegungsapparat

das Schlüsselbein, verknöchern auf direktem Weg durch die sogenannte dermale Ossifikation. Bei diesem Vorgang akkumulieren viele Osteoblasten im embryonalen Bindegewebe und bilden durch fortwährende Verkalkung die Knochenmatrix in Form der Knochenbälkchen (䉴 Abb. 3.1c). Diese verschmelzen dann und bilden die netzartige Struktur der Deckknochen. Analog zu ihrer Bildungsweise werden solche Knochen auch als Bindegewebsknochen bezeichnet. Der andere Mechanismus der Verknöcherung läuft über knorpelige Zwischenstufen und wird deshalb als chondrale Ossifikation bezeichnet. Dabei entstehen aus den embryonalen Bindegewebssträngen zunächst hyaline Knorpelstrukturen, die dann erst in einem zweiten Entwicklungsschritt verknöchern. Dabei kann die Verknöcherung entweder im Knorpelinneren beginnen (enchondrale Ossifikation) oder von der äußeren Knorpelhaut ausgehen (perichondrale Ossifikation). Die beiden Enden der Röhrenknochen werden als Epiphyse bezeichnet. In diesem Bereich verbleibt auf der Gelenkfläche ein Knorpelrest als hoch belastbarer, hyaliner Für die Bildung, den Erhalt und den Gelenkknorpel. Weiter in Richtung Diaphyse des RöhrenAbbau der Knochenmasse sind drei verschiedene Arten von Knochenzellen verknochens verbleibt eine knorpelige Wachstumszone, die antwortlich: Osteoblasten, Osteocyten und als Epiphysenfuge bezeichnet wird. Solange dieser Bereich Osteoklasten. Entscheidend für die Knonoch nicht vollständig verknöchert ist, geht von ihm das chensubstanz sind Mineralstoffe (hauptsächlich Calcium), deren Verwendung im Längenwachstum des Röhrenknochens aus. Wird die EpiKnochenstoffwechsel durch die drei Horphysenfuge im Entwicklungsalter durch einen Knochenmone Calcitriol, Calcitonin und Parathyrin bruch beschädigt, ist das Knochenwachstum gestört, und reguliert wird. es kann zu unterschiedlichen Knochenlängen kommen.

Funktion des Wachstumshormons Die Geschwindigkeit des Knochenwachstums wird vor allem durch das im Hypophysenvorderlappen gebildete Wachstumshormon (somatotrophes Hormon, STH), das man auch als human growth hormone (HGH) bezeichnet, bestimmt. Dieses Peptidhormon fördert neben dem Knochenaufbau auch das Wachstum aller anderen Körperzellen und stimuliert ebenfalls den Abbau von Fetten und Glykogen. Im Zusammenhang mit dem Knochenwachstum wird es vor allem im Entwicklungsalter des Menschen vermehrt gebildet und etwa bis zum Ende der Pubertät ausgeschüttet. Es bewirkt die Bildung von neuen Knorpelzellen an der zur Epiphyse gerichteten Oberfläche der Epiphysenfuge. Gleichzeitig werden diese auf der zur Diaphyse zeigenden Seite durch Knochenzellen ersetzt. Auf diese Weise wächst der knöcherne Anteil der Diaphyse stetig, während die Epiphysenfuge erhalten bleibt. Mit dem Einsetzen der Pubertät werden die Sexualhormone Östrogen bzw. Testosteron gebildet und ausgeschüttet, und es kommt zu einem beschleunigten Wachstumsschub. Am Ende dieser pubertären Wachstumsphase führen die Sexualhormone zu einer verringerten Konzentration an Wachstumshormon, sodass die Knorpelzellen in der Epiphyse ihre Teilungen einstellen und ebenfalls verknöchern. Auf diese Weise wird die Epiphysenfuge geschlossen und bleibt als Epiphysenlinie zurück. Damit ist das Längenwachstum des Knochens vollständig und irreversibel abgeschlossen.

Aufbau und Funktion der Knochen

69

Minderwuchs, Gigantismus und Akromegalie Herrscht im Entwicklungsalter des Menschen ein Mangel an Wachstumshormonen, führt dies zum Minderwuchs. Dabei bleiben die Proportionen des Körpers erhalten, sodass man auch vom proportionierten Zwergwuchs spricht. Wird im Entwicklungsalter zuviel Wachstumshormon gebildet, ist die Folge proportionierter Riesenwuchs (Gigantismus) mit Körpergrößen weit über 2 m. Solche Vorgänge können auch durch die Bildung eines gutartigen Hypophysentumors ausgelöst werden, bei dem sich die Zellen, die das Wachstumshormon produzieren, vermehren. Geschieht dies im Erwachsenenalter, wenn die Epiphysenfugen bereits geschlossen sind, kann kein Längenwachstum des Röhrenknochens mehr stattfinden. Stattdessen vergrößern sich Gesichtsknochen, Hände und Fußknochen durch den Einfluss des Wachstumshormons überproportional (Akromegalie).

Altersbestimmung Weichen Körpergröße und -proportionen im Kindesalter vom Normbereich ab, stellt sich die Frage, ob dieser Riesen- oder Minderwuchs therapeutisch behandelt werden sollte. Zur Entscheidungsfindung dient neben einer Bestimmung der Wachstumshormonspiegels im Blut auch oft eine röntgenologische Altersbestimmung. Mithilfe dieser Methode wird an verLängenwachstum der Röhrenknochen schiedenen Knochen untersucht, ob und welche Epiphysen- Das findet an der Epiphysenfuge statt. Die Gefugen noch offen sind. Da sich die Epiphysenfugen der schwindigkeit des Knochenwachstums wird verschiedenen Knochen in einer genetisch festgelegten Rei- durch das somatotrope Hormon und die henfolge schließen, kann man aus solchen Untersuchungen Sexualhormone Östrogen und Testosteron reguliert. Bei Störungen treten durch Fehldas röntgenologische Skelettalter berechnen und ziemlich regulationen Minder- oder Riesenwuchs auf. genau auf die Endgröße des Skeletts schließen.

Weitere Funktionen des Knochens Neben der Stabilität des Körpers schützt das Skelett die inneren Organe auch vor Verletzungen. Außerdem dient der Knochen als Mineralspeicher des Körpers, vor allem für Calcium und Phosphate. Diese werden normalerweise in ausreichender Menge über die Nahrung zugeführt. Besonders die Calciumzufuhr ist in verschiedenen Lebensabschnitten (Wachstum, Schwangerschaft und Stillzeit, Alter) wichtig. Ein Calciummangel kann zusammen mit anderen Faktoren zur Osteoporose führen. Wie bereits besprochen und in Abbildung 3.2 dargestellt, wird der Calcium- und Phosphathaushalt des Körpers hormonell reguliert. Beim Erwachsenen wird der Knochenerhalt auch durch die Sexualhormone Östrogen und Testosteron kontrolliert. Außerdem sind verschiedene Vitamine von wichtiger Bedeutung für den Knochenstoffwechsel, so z. B. die Vitamine A, B12 und C für die Regulation der Knochenzellaktivität und Vitamin D für die Ca2+-Resorption aus dem Verdauungstrakt. Ein VitaminD-Mangel führt bei Kindern zu schweren Knochenmissbildungen (Rachitis). Eine weitere wichtige Nebenfunktion vieler Knochen ist die Bildung von Blut- und Immunzellen (Hämatopoese). Diese Funktion wird später in einem gesonderten Abschnitt behandelt.

ä

70

3. Halte- und Bewegungsapparat

Bänder und Sehnen Viele Knochen sind über belastbare Bindegewebsstränge miteinander verbunden, die man als Band (Ligamentum) bezeichnet. Bänder sind mit der Knochenoberfläche über speziell geformte Anhaftungsstrukturen, die als Aufrauungen (Tuberositas), Knochenausläufer (Dornfortsätze), Knochenleisten (Cristae) oder Knochenvorsprünge (Kondylus) bezeichnet werden, verbunden. An ihnen setzen auch die Verbindungen zur Muskulatur an, die Sehnen.

Gelenke Die bindegewebigen Verbindungen, die eine Beweglichkeit der Knochen zueinander ermöglichen, sind die Gelenke. Sie werden in drei Gruppen eingeteilt. Freie Gelenke mit einer großen Beweglichkeit werden als Diarthrosen bezeichnet. Zu dieser Gruppe gehören die meisten Gelenke. Straffe Gelenke wie das Iliosakralgelenk zwischen Darm- und Kreuzbein haben eine geringe Beweglichkeit und werden Amphiarthrosen genannt. Unbewegliche Gelenke dienen dem dauerhaften Zusammenhalt von Knochen und besitzen keinen Gelenkspalt. Sie werden als Synarthrosen bezeichnet und in 3 Untergruppen aufgeteilt. Synarthrosen sind z. B. die Verbindungen der Schädelknochen, auch Syndesmosen genannt. Sie bestehen aus verzahnten, mit Bindegewebe gefüllten Nähten. Synchondrosen sind knorpelige Verbindungen z. B. zwischen dem Brustbein und den Rippen. Synostosen sind zusammengelagerte und verknöcherte Strukturen; so besteht z. B. das Kreuzbein ursprünglich aus fünf einzelnen Wirbelsegmenten.

Aufbau der Gelenkkapsel und der Bänder Der generelle Aufbau eines Gelenks ist in Abbildung 3.3 dargestellt. Es handelt sich um eine Diarthrose, also ein frei bewegliches Gelenk, das auch als Kugelgelenk bezeichnet wird. Grundsätzlich ist die Mobilität eines Gelenks umso größer, je lockerer die Gelenkverbindung ist. Um eine Auskugelung (Luxation) des Gelenks zu verhindern, ist es von einer Gelenkkapsel umgeben. Diese besteht aus zwei Schichten, der äußeren Membrana fibrosa und der inneren Membrana synovialis, die Nerven, elastische Fasern und Gefäße enthält und auch die Gelenkflüssigkeit (Synovialflüssigkeit) in den Gelenkspalt absondert. Die Gelenkflächen sind mit einem glatten hyalinen Knorpel überzogen. Die Gelenkflüssigkeit dient neben dem „Schmieren“ des Gelenks auch der Ernährung des gefäßlosen Knorpels. Am Rand der Gelenkhöhle befinden sich oft Schleimbeutel. Dabei handelt es sich um von der Synovialmembran umgebene Polster, die ein schleimiges Sekret enthalten. Sie dienen als Polster für Gelenkbewegungen an besonders druckbelasteten Stellen. Oft liegen in den Gelenkhöhlen auch Zwischenknorpel, die den Druck gleichmäßig auf die Gelenkflächen verteilen. Bekanntes Beispiel sind die ringförmigen Menisken im Knie (䉴 Abb. 3.19).

Gelenke

71

Membrana fibrosa

Membrana synovialis

Gelenkknorpel Gelenkspalt Gelenkkapsel Epiphysenlinie Compacta Spongiosa Periost (Knochenhaut)

3.3 Aufbau eines Gelenks mit den einzelnen Bereichen.

Gelenkformen Die Beweglichkeit eines Gelenks wird durch die Form der gegenüberstehenden Gelenkflächen bestimmt. Es lassen sich sechs verschiedene Gelenkformen definieren (䉴 Abb. 3.4). Beim Zapfengelenk dreht sich eine konvexe, zylindrisch geformte Gelenkfläche innerhalb einer konkaven Fläche des anderen Knochens. Es sind nur Drehbewegungen in einer Ebene möglich. Ein Beispiel dafür ist das am Ellbogengelenk seitlich angeordnete Radioulnargelenk (䉴 Abb. 3.4a). Beim Eigelenk findet man ellipsenförmige Gelenkflächen vor, die sich in konvexer und konkaver Form gegenüberstehen. Die Beweglichkeit dieser Gelenkform ist weitaus größer und erlaubt sowohl BeugeStreck- als auch Seit-Seit-Bewegungen, die in zwei Bewegungsebenen erfolgen können. Beispiel dafür ist das proximale Handgelenk (䉴 Abb. 3.4b). Das Sattelgelenk erlaubt eine Bewegung in zwei Ebenen, vor und zurück sowie seitlich. Dazu haben die Gelenkflächen die Form eines Sattels, auf dem ein Reiter sitzt. Ein Beispiel ist das Daumenwurzelgelenk (䉴 Abb. 3.4c). Beim Kugelgelenk sitzt ein kugeliger Gelenkkopf in einer Gelenkpfanne. Diese Gelenkform bietet die meisten Bewegungsmöglichkeiten in allen drei Ebenen, wie beim Schulter- und das Hüftgelenk deutlich wird (䉴 Abb. 3.4d). Beim Scharniergelenk wird eine konvexe, rollenförmige Gelenkfläche von einer nach innen gewölbten konkaven Gelenkfläche umschlossen. Es gibt nur eine einzige Bewegungsebene, ähnlich einem Gelenk bewegen sich die zwei einem Türscharnier. Solche Gelenkformen findet man im In Knochen relativ zueinander. Die verschieEllenbogengelenk zwischen Humerus und Ulna sowie in denen Gelenkformen haben eine unterallen Finger- und Zehengelenken. Bei einer weiteren Form, schiedliche Beweglichkeit. Die Gelenkdem Gleitgelenk, handelt es sich um flache Gelenkflächen, flächen werden durch zusätzliche Knorpelund Sehnenstrukturen sowie Schleimbeutel die eine geringe Gleitbewegung von Knochenverbindungen in Position gehalten. ermöglichen wie bei Zwischenwirbelgelenken oder Hand-

ä

72

3. Halte- und Bewegungsapparat

a Zapfengelenk

b Eigelenk

c Sattelgelenk

d Kugelgelenk

e Scharniergelenk

Radioulnargelenk

proximales Handgelenk

Daumenwurzelgelenk

Hüftgelenk

Ellbogengelenk

3.4 Einteilung der Gelenke nach ihren typischen Gelenkformen. a) Zapfengelenk (z. B. das Radioulnargelenk). b) Eigelenk (z. B. das proximale Handgelenk). c) Sattelgelenk (z. B. das Daumenwurzelgelenk). d) Kugelgelenk (z. B. das Hüftgelenk). e) Scharniergelenk (z. B. das Ellbogengelenk). (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

und Fußwurzelgelenken. Rotations- oder Beugebewegungen sind mit Gleitgelenken nicht möglich.

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halteund Bewegungsmuskulatur Das Skelettsystem des Menschen (䉴 Abb. 3.5) besteht aus mehr als 200 Knochen, von denen einige während ihres Wachstums miteinander verschmelzen. Man unterteilt das menschliche Skelett in folgende Knochengruppen: Schädel (Cranium), Wirbelsäule (Columna vertebralis), Brustkorb (Thorax), Schultergürtel, Beckengürtel, die oberen Extremitäten (Arme) und die unteren Extremitäten (Beine). Kopf, Hals und Rumpf werden zum Körperstamm zusammengefasst, der Rumpf wird in Brust, Bauch (Abdomen) und Becken (Pelvis) unterteilt. Das Becken von Mann und Frau unterscheidet sich in Form und Größe. Außerdem besitzen Männer längere und schwerere Knochen.

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur

Os frontale Os parietale Os temporale Os zygomaticum Maxilla Mandibula 7. Halswirbel

1. Rippe Clavicula Scapula

1. Brustwirbel

Humerus

Sternum 12. Rippe Radius Ulna

Os ilium Os pubis Os ischii

Os sacrum Os coccygis Carpus Metacarpus Phalanges Femur Patella

Tibia Fibula Tarsus Metatarsus Phalanges

3.5

Übersicht über das Skelett.

Schädel und seine Knochen Der gelenkig auf der Wirbelsäule sitzende Schädel unterteilt sich in zwei Knochengruppen: Hirnschädel und Gesichtsschädel (䉴 Tab. 3.1). Die einzelnen Schädelknochen, ihre Position und Bezeichnung sind in den Abbildungen 3.6 bis 3.8 dargestellt.

Hirnschädel Der Hirnschädel (Neurocranium) besteht aus dem Stirnbein (Os frontale), das die Stirn, das Dach der Augenhöhlen und die vordere Schädelgrube bildet (䉴 Abb. 3.6). In seinem mittleren Teil befinden sich die Stirnhöhlen. Den größten Teil des Schädels bilden die paarig angelegten seitlichen Scheitelbeine (Os parietale). In der seitlichen Mitte liegen die ebenfalls paarigen Schläfenbeine (Ossa temporalia), die sowohl die seitlichen Wände des Hirnschädels bilden als auch einen Teil der Schädelbasis. In seinem vorderen Teil befindet sich die Pfanne des Kiefergelenks (Fossa mandibularis; 䉴 Abb. 3.7). Nach innen hat das Schläfenbein einen Vorsprung, der Felsenbein genannt wird. In ihm befinden sich die Gänge des Hör- und Gleichgewichtsorgans (䉴 Kap. 6). Den hinteren Teil des Schädels bildet das Hinterhauptsbein (Os occipitale) mit dem Hinterhauptsloch (Foramen magnum) in der Mitte (䉴 Abb. 3.8). Durch diese Öffnung führen das verlängerte Mark sowie die Vertebralnerven und Arterien in die Wirbelsäule. Außerdem liegen hier die beiden ovalen Vorsprünge (Condylus

73

74

3. Halte- und Bewegungsapparat

Tabelle 3.1

Knochen des Schädels. Schädelknochen

Anlage

Funktion

Hirnschädel (Neurocranium)

Stirnbein (Os frontale) Scheitelbein (Os parietale) Schläfenbein (Os temporale) Hinterhauptsbein (Os occipitale) Keilbein (Os sphenoidale) Siebbein (Os ethmoidale)

einzeln paarig paarig einzeln einzeln einzeln

acht Knochen des Hirnschädels umschließen die längsovale Schädelhöhle und das Gehirn

Gesichtsschädel (Viscerocranium)

Nasenbein (Os nasale) Oberkiefer (Maxilla) Jochbein (Os zygomaticum) Unterkiefer (Mandibula) Tränenbein (Os lacrimale) Gaumenbein (Os palatinum) untere Nasenmuschel (Concha nasalis inferior) Pflugscharbein (Vomer) Zungenbein (Os hyoideum)

einzeln einzeln einzeln einzeln einzeln einzeln einzeln einzeln einzeln

Stirnbein (Os frontale)

Scheitelbein (Os parietale) Keilbein (Os sphenoidale) Schläfenbein (Os temporale) mittlere Nasenmuschel (Concha nasalis media) untere Nasenmuschel (Concha nasalis inferior) Pflugscharbein (Vomer) Alveolarfortsätze Unterkiefer (Mandibula) 3.6

Nasenbein (Os nasale) Facies orbitalis des Keilbeins (Os sphenoidale) Tränenbein (Os lacrimale) Lamina perpendicularis des Siebbeins Jochbein (Os zygomaticum) Jochfortsatz (Processus zygomaticus) Foramen infraorbitale Foramen mentale

Frontalansicht des Schädels. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur

Scheitelbein (Os parietale)

Kranznaht (Sutura coronalis) Stirnbein (Os frontale)

Lambdanaht (Sutura lambdoidea)

Großer Keilbeinflügel (Os sphenoidale, Ala major)

Schuppennaht (Sutura squamosa)

Siebbein (Os ethmoidale) Nasenbein (Os nasale)

Schläfenbein (Os temporale) Hinterhauptsbein (Os occipitale)

Tränenbein (Os lacrimale)

äußerer Gehörgang

Jochbein (Os zygomaticum) Oberkiefer (Maxilla) Unterkiefer (Mandibula) Foramen mentale 3.7

Warzenfortsatz (Processus mastoideus)

Griffelfortsatz (Processus styloideus) Kiefergelenkpfanne (Fossa mandibularis) Jochbogen (Arcus zygomaticus)

Seitliche Ansicht des Schädels. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

occipitalis), die mit dem ersten Halswirbel (Atlas) die Gelenkfläche bilden. Die Nackenmuskulatur setzt am äußeren Hinterhauptshöcker (Protuberantia occipitalis externa) an. In der Mitte der Schädelbasis liegt das Keilbein (Os sphenoidale), das an alle anderen Knochen des Hirnschädels grenzt. Durch seine Form mit zwei seitlichen Flügeln erinnert es an eine Fledermaus. Im Keilbein befindet sich auch die Keilbeinhöhle (Sinus sphenoidales), die mit der Nasenhöhle verbunden ist, wie auch eine Vertiefung, der Türkensattel, und davor die kleinen Keilbeinflügel. Hier verlaufen die Sehnerven und die Augenarterien durch die Sehnervenkanäle. Zwischen den Augenhöhlen liegt das Siebbein (Os ethmoidale), das auch die zellenartig angelegte Siebbeinhöhle (Sinus ethmoidales) enthält. Das Siebbein bildet das Dach und die Abgrenzung der Nasenhöhle zur Schädelgrube. Durch die Siebbeinplatte zieht der Riechnerv (Nervus olfactorius) vom Nasenepithel in das Riechhirn.

Schädelbasis Die Schädelbasis wird durch die verschiedenen Knochen des Hirnschädels gebildet. Sie bilden keine einheitliche Fläche, sondern verschiedene Gruben, in denen einzelne Gehirnteile ruhen. So befinden sich z. B. in der vorderen Schädelgrube das Riechhirn und die Stirnlappen, in der mittleren Schädelgrube die Hypophyse in einer speziellen, gut geschützten Vertiefung (Fovea hypophysalis), und in der hinteren Schädelgrube das Kleinhirn. Kommt es durch einen Unfall zum Schädelbasisbruch, zerreißen oft Gefäße, und es kommt zu Blutungen in Nase und Innenohr. Reißen dabei auch die Hirnhäute, dann

75

76

3. Halte- und Bewegungsapparat

Jochbein (Os zygomaticum)

Gaumenfortsatz des Oberkieferknochens (Maxilla) Gaumenbein (Os palatinum) Siebbein (Os ethmoidale) Pflugscharbein (Vomer) Kiefergelenkpfanne (Fossa mandibularis)

Jochbogen des Schläfenbeins Keilbein Griffelfortsatz (Processus styloideus) Warzenfortsatz (Processus mastoideus)

Foramen ovale

äußerer Gehörgang (Meatus acusticus externus) Foramen jugulare

Carotis-Kanal (Canalis caroticus) Scheitelbein (Os parietale) großes Hinterhauptsloch (Foramen magnum)

Hinterhauptsbein (Os occipitale)

Condylus occipitalis (Gelenkfläche für 1. Halswirbel)

3.8 Ansicht der Schädelbasis. Die Gelenkflächen des Kiefergelenks und des Halswirbelgelenks sind blau dargestellt. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

ä

kann Liquor durch die Nase nach außen fließen. Solch schwere Schädelbasisbrüche verlaufen oft tödlich. Beim Fötus und heranwachsenden Säugling sind die Schädelknochen noch nicht fest verwachsen, sondern durch bindegewebsartige Schädelnähte verbunden. Sie ermöglichen eine Ausdehnung des Schädelvolumens während des Gehirnwachstums. Außerdem bestehen bei der Der Schädel besteht aus zwei hauptsächGeburt einige Lücken zwischen den Knochenplatten. Diese lichen Knochengruppen, dem Hirnschädel Fontanellen schließen sich in den ersten Lebensmonaten, und dem Gesichtsschädel. Einige Schädeldie rautenförmige Stirnfontanelle bleibt allerdings bis zum knochen enthalten Höhlen, andere sind sehr massiv. Die Schädelknochen sind in der zweiten Lebensjahr offen und bietet dem Arzt die MöglichWachstumsphase noch nicht fest verwachkeit, den Zustand des Flüssighaushalts zu diagnostizieren. sen, sondern über Nähte mit bindegeweSo ist die Stirnfontanelle bei Flüssigkeitsverlust durch bigen Strukturen verbunden. Infektionen mit Erbrechen und Durchfall eingefallen.

Gesichtsschädel Zum Gesichtsschädel gehören die paarigen Tränenbeine (Ossa lacrimalia), die an der Innseite der Augenhöhle liegen und außerordentlich dünn sind (䉴 Abb. 3.6). Die Mitte des Gesichtsschädels wird durch den Oberkieferknochen (Maxilla) gebildet, der die paarigen Kieferhöhlen (Sinus maxillares) umschließt. Sie haben eine Verbindung zur jeweiligen Nasenhöhle. Am unteren Rand des Oberkieferknochens befindet sich die obere Zahnreihe mit den einzelnen Zahntypen (䉴 Abb. 3.9) im Zahnfortsatz

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur

Schneidezahn

Eckzahn

Backenzahn

Mahlzahn

3.9 Verschiedene Zahntypen. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

(Processus alveolaris). Seitlich oben befindet sich der Jochfortsatz (Processus zygomaticus), der zusammen mit dem Jochbein (Os zygomaticum) die Wange bildet. Der Gaumenfortsatz (Processus palatinus) bildet zusammen mit dem Gaumenbein (Os palatinum) den harten Gaumen (Palatum durum). Der Nasenrücken wird durch das paarige Nasenbein (Os nasale) gebildet. Die Nasenscheidewand wie auch der untere Teil des Nasenrückens bestehen hauptsächlich aus Knorpel (Cartilago nasi). An der Nasenscheidewand sind auch das Siebbein und das Pflugscharbein (Vomer) beteiligt. Die inneren Nasenmuscheln sind so geformt, dass sie die Nasenschleimhautoberfläche vergrößern. Die vier paarig angelegten Nasennebenhöhlen sind ebenfalls mit Epithelgewebe ausgekleidet und dienen als Resonanzraum für den sprachlichen Klang. Außerdem vermindern sie das Gewicht der jeweiligen Schädelknochen. Sie werden als Stirnhöhle (Sinus frontale), Kieferhöhle (Sinus maxillaris), Siebbeinhöhle und Keilbeinhöhle (Sinus sphenoidales) bezeichnet. Der Unterkieferknochen (Mandibula) ist der einzige frei bewegliche Knochen des Gesichtsschädels. Er ist beidseitig über das Kiefergelenk mit der Gelenkpfanne (Fossa mandibularis) des Schläfenbeins verbunden. An seinem oberen Rand nimmt der Zahnfortsatz (Pars alveolaris) die untere Zahnreihe auf. Im unteren Teil besitzt der Unterkieferknochen zwei seitliche Löcher (Foramina mentalia), aus denen die Äste des Unterkiefernervs (N. mentalia) austreten. Im Halsbereich zwischen dem Unterkiefer und dem Kehlkopf (Larynx) befindet sich das Zungenbein (Os hyoideum; 䉴 Abb. 3.10). Es ist über verschiedene Muskeln mit dem Kehlkopf, dem Mundboden und dem Brustbein verbunden und unterstützt als bewegliche Struktur die Zungenbewegungen und das Kauen.

77

78

3. Halte- und Bewegungsapparat

Kehldeckel (Epiglottis)

Zungenbein

Schildknorpel Stimmbänder

Stellknorpel

Ringknorpel

3.10 Aufbau des Kehlkopfs mit dem Zungenbein. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Luftröhre

Schädelmuskulatur

ä

Neben den vier verschiedenen Zungenbeinmuskeln befinden sich im vorderen unteren Schädelbereich die drei hauptsächlichen Gruppen der Kaumuskulatur. Es sind dies der eigentliche Kaumuskel (M. masseter), die inneren und äußeren Flügelmuskeln (M. pterygoideus medialis und lateralis) sowie der Schläfenmuskel (M. temporalis). Sie sind nicht nur am Beißen und Kauen beteiligt, sondern unterstützen auch die Lautbildung und das Sprechen. Weitere, sogenannte akzessorische Kaumuskeln der Wangen, Lippen, Zunge und des Mundbodens sind ebenfalls am Kauvorgang beteiligt. Eine weitere Muskelgruppe des Schädels wird als mimische Muskulatur (Gesichtsmuskeln) bezeichnet. Diese Muskeln ermöglichen durch ihren direkten Ansatz an der Gesichtshaut eine ausdrucksZur Schädelmuskulatur gehören verschievolle Feinmotorik und die Darstellung von Gefühlsregundene Muskelgruppen, die nicht nur die gen im Gesicht. Zu ihnen gehört der Stirnmuskel (M. occiPosition des Schädels und seine Beweglichkeit gewährleisten, sondern über die pitofrontalis), der Augenringmuskel (M. obicularis oculi), Kaumuskuklatur und die mimische Muskuder Ringmuskel des Mundes (M. obicularis ori), der Jochlatur auch Funktionen bei der Nahrungsbeinmuskel (M. zygomaticus), der Wangenmuskel (M. aufnahme und der Kommunikation übernehmen. buccinator), der Lachmuskel (M. risorius) sowie der Halshautmuskel (Platysma). Schließlich wird der Kopf durch die tiefen Nackenmuskeln in seiner Position gehalten. Sie verlaufen seitlich zwischen den beiden obersten Halswirbeln und dem Hinterhauptsbein und gliedern sich in je vier Muskelgruppen (M. rectus capitis posterior major, M. rectus capitis posterior minor, M. obliquus capitis superior und M.

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur

79

obliquus capitis inferior). Sie ermöglichen auch die Dreh- und Neigebewegungen des Kopfes. Als Verbindung zwischen Kopf und Schultergürtel gehört der Hals bereits zum Körperstamm, zu dem auch die Wirbelsäule mit ihren verschiedenen Abschnitten, der knöcherne Thorax sowie die Rücken-, Bauch und Atemmuskulatur gehören.

Hals Der Hals enthält als knöcherne Elemente das schon erwähnte Zungenbein sowie die sieben Halswirbel und außerdem den beweglichen knorpeligen Kehlkopf. Während die Halswirbel 3–7 eine normale Wirbelform haben, weisen die ersten beiden Halswirbel, bedingt durch ihre Funktion, einen speziellen Aufbau auf. Der erste Halswirbel (Atlas) bildet einen knöchernen Ring, auf dessen zwei Gelenkflächen der knöcherne Schädel sitzt. Der zweite Hals- Zum Hals gehört neben den sieben Halswirwirbel (Axis) besitzt einen Knochenzapfen, der in den Ring beln auch der bewegliche Kehlkopf. des Atlas ragt und Drehbewegungen ermöglicht. In der Mitte des Halses verlaufen die Leitungsbahnen von Speise- und Luftröhre. Sie trennen die Halsmuskulatur in einen vorderen und einen hinteren Teil. Zu den vorderen Halsmuskeln gehören die schon erwähnten Zungenbeinmuskeln der Rectus-Gruppe, das Platysma sowie der Kopfwender (M. sternocleidomastoideus). Zu den hinteren Halsmuskeln gehören die drei Treppenmuskeln (Mn. scaleni), die bei der Beugung und Drehung der Halswirbelsäule mitwirken. Sie unterstützen außerdem die Atembewegungen, indem sie vom letzten Halswirbel zeltförmig über die ersten zwei Rippen des knöchernen Thorax ziehen. Schließlich gehören auch die tiefen Halsmuskeln zu dieser hinteren Halsmuskelgruppe und sind ebenfalls an der Beugung und Drehung des Kopfes beteiligt.

Wirbelsäule Die Längsachse des Skeletts wird durch die Wirbelsäule (Columna vertebralis) gebildet (䉴 Abb. 3.11a). Sie besteht aus 24 Wirbeln (Vertebrae), sowie dem Kreuzbein und dem Steißbein. Zwischen den Wirbeln liegen die bindegewebigen Bandscheiben, die die Wirbelsäule zusammen mit vielen Bändern stabilisieren und ihre große Beweglichkeit ermöglichen.

Aufbau der Wirbel Vom dritten Halswirbel bis zum letzten Lendenwirbel haben alle einen einheitlichen Aufbau. Sie unterscheiden sich allerdings entsprechend ihren Funktionen in Größe und Form (䉴 Abb. 3.11b–d). Vorne befindet sich der Wirbelkörper (Corpus vertebrae), dessen dicke runde Knochenscheibe die eigentlich tragende Struktur des Wirbels bildet. An seiner hinteren Fläche steht der Wirbelbogen (Arcus vertebrae) an, der das Wirbelloch (Foramen vertebrae) umgibt. Die Wirbellöcher aller Wirbel bilden zusammen den Wirbelkanal (Spinalkanal), in dem das Rückenmark liegt. Der Wir-

ä

80

3. Halte- und Bewegungsapparat

a Wirbelsäule seitlich Halswirbelsäule C 1–7

b Halswirbel Wirbelkörper

Foramen transversarium

Querfortsatz

oberer Gelenkfortsatz

Wirbelbogen Wirbelloch Dornfortsatz Brustwirbelsäule Th 1–12

c Brustwirbel Wirbelkörper Articulatio capitis costae Querfortsatz

Articulatio costo transversaria

Dornfortsatz Lendenwirbelsäule L 1–5

Wirbelloch

Processus transversus

d Lendenwirbel Wirbelkörper oberer Gelenkfortsatz

Kreuzbein

Steißbein

Rippenfortsatz

Wirbelloch

Processus accessorius Dornfortsatz

3.11 Zusammenfassende Darstellung der Wirbelsäule und der verschiedenen Wirbeltypen. a) Seitliche Ansicht der Wirbelsäule mit ihren verschiedenen Abschnitten. b) Aufbau eines Halswirbels. c) Aufbau eines Brustwirbels. d) Aufbau eines Lendenwirbels. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

belbogen enthält drei Knochenfortsätze, an denen die Rückenmuskeln ansetzen. Nach hinten zeigt der Dornfortsatz (Processus spinosus), seitlich entspringen die beiden Querfortsätze (Processus transversus). Nahe der Querfortsätze entspringen dem Wirbelbogen die oberen und unteren Gelenkfortsätze (Processus articularis superior und inferior). Durch die seitlichen Zwischenwirbellöcher (Foramen intervertebralis) ziehen die Spinalnerven aus dem Wirbelkanal in den Körper.

Abschnitte der Wirbelsäule Die Wirbelsäule besteht aus fünf Abschnitten (䉴 Abb. 3.11a). Die Halswirbelsäule (HWS) besteht aus den sieben Halswirbeln (C1–7). Durch die besondere Form und Funktion der ersten beiden Halswirbel Atlas und Axis ist die Halswirbelsäule der flexibelste Abschnitt der gesamten Wirbelsäule. Die oberen Halswirbel haben im Vergleich zum Wirbelloch einen kleinen Wirbelkörper (䉴 Abb. 3.11b) und als einzige Wirbel ein seitliches Loch (Foramen transversarium), durch das die rückenmark- und hirnversorgenden Gefäße verlaufen. Die Brustwirbelsäule (BWS) besteht aus den zwölf Brustwirbeln (Th1–12), an denen über Gelenke die Rippen befestigt sind. Da die hauptsächliche Funktion in der mechanischen Stabilisierung des Thorax besteht, sind die Brustwirbel wesentlich größer als die Halswirbel (䉴 Abb. 3.11c). Die Len-

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur

81

denwirbelsäule (LWS) besteht aus fünf Lendenwirbeln (L1–5), wobei der fünfte Lendenwirbel einen keilförmigen Wirbelkörper aufweist und mit dem darunter liegenden ersten Kreuzbeinwirbel den Promontorium genannten Übergang bildet. Die Lendenwirbel sind die größten Wirbel, mit einem massiven Wirbelkörper und ein im Vergleich zu den anderen Wirbeltypen sehr kleinen, dreieckigen Wirbelloch. Die Lendenwirbel besitzen noch einen Rippenfortsatz (䉴 Abb. 3.11d), obwohl sie nicht mit den Rippen verbunden sind. Zwischen den geraden Dornfortsätzen ist unter Vorbeugen des Oberkörpers eine Punktion des Spinalkanals (Lumbalpunktion) möglich. Die Querfortsätze sind verkürzt und nur noch als kleine Processus accessori ausgebildet (䉴 Abb. 3.11d). Unterhalb der Lendenwirbelsäule befindet sich das Kreuzbein (Os sacrum), das aus fünf verschmolzenen Sakralwirbeln besteht und einen kompakten dreieckigen Knochen bildet. Es stellt den hinteren mittleren Teil des Beckens dar und ist über das nahezu unbewegliche Iliosakralgelenk mit den Hüftknochen verbunden. In der Mitte des Kreuzbeins befindet sich der Sakralkanal, der eine Fortsetzung des Wirbelkanals darstellt und durch den die vorderen und hinteren Sakralnerven verlaufen. Diese treten durch vier Die Wirbelsäule besteht aus fünf Abschnitten paarige Kreuzbeinlöcher segmental aus. Mit der Lendenwir- mit einer unterschiedlichen Zahl von Wirbeln. belsäule ist das Kreuzbein durch das Lumbosakralgelenk Die Wirbel sind zwar in Form und Größe verbunden, mit dem darunter liegenden Steißbein (Os coc- unterschiedlich aufgebaut, besitzen jedoch gemeinsame Grundstruktur. Zwischen cygis) durch ein fast unbewegliches Gelenk. Das Steißbein eine den Wirbeln liegen die Bandscheiben. besteht aus vier verschmolzenen, verkümmerten Wirbeln.

ä

Bandscheiben Die Bandscheiben (Disci intervertebrales) bilden eine elastische Verbindung zwischen den einzelnen Wirbelkörpern (䉴 Abb. 3.12). Sie bestehen aus zwei bindegewebigen Zonen, dem festen Außenring (Annulus fibrosus) und dem elastischen Gallertkern (Nucleus pulposus), der von dem Außenring umschlossen und in Position gehalten wird. Die etwa 5 mm dicken Bandscheiben können Stauchungen der Wirbelsäule abfangen und sich entsprechend der Bewegung mit verformen. Durch zu große Belastungen kann sich allerdings der Gallertkern durch den Außenring vorwölben oder sogar ganz ausgepresst werden. Dieser sogenannte Bandscheibenvorfall tritt meist dorsal auf, wenn bei nach vorne gebeugter Haltung die Belastung wie beim Heben schwerer Gegenstände zu groß ist. Zwischen L4 und L5 sowie zwischen L5 und S1 geschieht dies am häufigsten. Da die ausgetretene Bandscheibe auf die dorsolateralen Nervenwurzeln drückt, sind die Schmerzen meist stark, und es kommt zu Lähmungserscheinungen.

Haltung der Wirbelsäule Die Wirbelsäule hat eine normale physiologische Krümmung (䉴 Abb. 3.11a), die aber durch gestörte Wachstumsvorgänge verändert werden kann. Seitliche Krümmungen bezeichnet man als Skoliosen, Krümmungen nach vorn oder hinten nennt man Kyphosen oder Lordosen. Fehlerhafte Haltungen der Wirbelsäule können starke Schmerzen

Die Wirbelsäule weist eine charakteristische S-förmige Krümmung auf, die aber oft pathologische Veränderungen zur Seite, nach vorne oder hinten zeigt.

ä

82

3. Halte- und Bewegungsapparat

b Beugung

a Überstreckung

Wirbelkörper

Querfortsatz

Bandscheibe (Discus intervertebralis)

Zwischenwirbelloch Nucleus pulposus

Dornfortsatz

3.12 Bandscheiben und Krümmung der Wirbelsäule. a) Überstreckung nach hinten. b) Krümmung nach vorne. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

M. trapezius

M. sternocleidomastoideus M. deltoideus M. pectoralis major M. triceps brachii M. latissimus dorsi M. rectus abdominis M. tensor fasciae latae M. pectineus M. adductor magnus M. gracilis M. quadriceps femoris Unter der Sehne: Kniescheibe (Patella)

3.13

Übersicht der Muskulatur von vorn. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

M. gastrocnemius M. soleus M. flexor digitorum longus Achillessehne

M. biceps brachii M. serratus anterior M. obliquus externus abdominis M. brachioradialis M. flexor carpi radialis M. extensor carpi radialis longus M. palmaris longus M. sartorius M. peronaeus (fibularis) longus M. tibialis anterior

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur

M. sternocleidomastoideus

M. trapezius M. deltoideus M. brachialis

M. infraspinatus

M. teres major M. triceps brachii

M. biceps brachii M. latissimus dorsi M. brachioradialis M. glutaeus medius M. flexor carpi ulnaris M. extensor carpi ulnaris M. extensor digitorum M. gracilis M. semimembranosus M. sartorius

M. flexor carpi ulnaris M. extensor carpi ulnaris M. palmaris longus M. glutaeus maximus M. biceps femoris M. semitendinosus

M. gastrocnemius M. soleus M. peronaeus (fibularis) longus Achillessehne

3.14 Übersicht der Muskulatur von hinten. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

verursachen und werden durch gymnastische Übungen in einer Rückenschule oder in schweren Fällen durch eine Operation therapiert. Entscheidend für die Haltung der erwachsenen Wirbelsäule ist die autochthone Rückenmuskulatur, die in überlappenden Muskelsträngen entlang der Wirbelsäule zieht. Für die aufrechte Haltung des Körpers sorgt der Rumpfaufrichter (M. erector spinae), während das Vorbeugen der Wirbelsäule durch die vordere Bauchwandmuskulatur erfolgt. Die autochthone Rückenmuskulatur teilt sich in zwei Gruppen ein, die aus jeweils fünf einzelnen Muskelgruppen gebildet werden. Sie ziehen entweder längs der gesamten Wirbelsäule oder verbinden die einzelnen Wirbel über die Querund die Dornfortsätze miteinander. Auch zwischen den Rippen verlaufen Muskelgruppen. Insgesamt handelt es sich bei der Rückenmuskulatur um die mächtigste Muskelgruppe des Körpers. Die wesentlichen Muskelgruppen des menschlichen Körpers sind in Abbildung 3.13 und 3.14 dargestellt.

Knöcherner Thorax Der Brustkorb (䉴 Abb. 3.15) wird als knöcherner Thorax bezeichnet. Er besteht aus der Brustwirbelsäule, den Rippen (Costae) und dem Brustbein (Sternum) und umfängt die Brusthöhle mit Herz und Lunge sowie den oberen Teil der Bauchhöhle. Die zwölf Rippen bestehen jeweils aus einem dorsalen knöchernen und einem ventralen knorpeligen Abschnitt. Die ersten zehn Rippen sind über jeweils zwei Gelenke mit dem Wirbelkörper und dem Querfortsatz verbunden, die elfte und zwölfte Rippe

83

84

3. Halte- und Bewegungsapparat

Manubrium sterni

Rippenknorpel

1.–7. Rippe (Costae verae) Corpus sterni

8.–10. Rippe

3.15 Brustkorb und Rippen. Die elfte und zwölfte Rippe sind nicht eingezeichnet.

ä

Processus xiphoideus

Rippenbogen (Arcus costalis)

besitzen jeweils nur eine gelenkige Verbindung zu ihrem Wirbelkörper. Als echte Rippen (Costae verae) werden die ersten sieben Rippen bezeichnet, die eine gelenkige Verbindung zum Brustbein aufweisen. Die verbleibenden fünf Rippen sind sogenannte falsche Rippen (Costae spuriae). Die achte bis zehnte Rippe hat nur einen indirekten Kontakt zum Brustbein, die elfte und zwölfte Rippe enden frei. Als Rippenbogen (Arcus costalis) werden Knochenstege bezeichnet, die die Rippenknorpel acht bis zehn mit dem Brustbein verbinden. Zwischen den Rippen liegt der Intercostalraum, der von den schräg verlaufenden, äußeren und inneren Intercostalmuskeln überspannt wird. Diese dienen bei der Atmung zum Heben und Senken des Brustkorbs, ein Vorgang, der durch Der knöcherne Thorax schützt durch seine die gelenkige Beweglichkeit des Brustkorbs ermöglicht korbartige Struktur Herz und Lunge. Seine wird (䉴 Kap. 11). Das Brustbein (Sternum) besteht aus gelenkige Beweglichkeit spielt eine wichdrei knöchernen Teilen. Am obersten Bereich setzen die tige Rolle bei der Atmung. vorderen Hals- und Zungenbeinmuskeln an.

Vordere Bauchwandmuskulatur Die Bauchwand besteht aus mehreren Muskelschichten und Muskelgruppen, die die Eingeweidehöhle nach vorne und zur Seite abschließen. Dazu gehört der gerade Bauchmuskel (M. rectus abdominis; 䉴 Abb. 3.13), der an der Oberfläche senkrecht vom Brustbein abwärts bis zum Schambein (Os pubis) verläuft. Seitlich davon verlaufen die beiden schrägen Bauchmuskeln (M. obliquus externus abdominis und M. obliquus internus abdominis). Die innerste Schicht der Bauchwand wird von queren Bauchmuskeln (M. transversus abdominis) gebildet. Die verschiedenen Muskelgruppen sind über Sehnenplatten verbunden, die in der vorderen Körpermitte die weiße

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur

Linie (Linea alba) bilden. Die Bauchmuskeln sind an Rumpfbewegung und Rumpfdrehung beteiligt. Werden sie willkürlich zusammengepresst, kann die Darm- und Blasenentleerung forciert und bei Geburten das Auspressen des Kindes unterstützt werden (Bauchpresse).

85

Die in mehreren Gruppen und Schichten verlaufende Bauchmuskulatur schützt die Eingeweidehöhle nach vorne und unterstützt Darmentleerung und Geburt.

ä

Leistenkanal Der Leistenkanal (Canalis inguinalis) stellt eine ca. 5 cm lange Verbindung zwischen Bauchhöhle und dem äußeren Schambereich dar. In dieser röhrenförmigen Verbindung, die zwischen den Bauchmuskeln hindurch zieht, verläuft beim Mann der Samenstrang. Vor der Geburt verlagern sich die Hoden aus der Bauchhöhle in den Hodensack. Der Leistenkanal ist auch bei der Frau vorhanden, enthält aber nur Bindeund Fettgewebe. An dieser Stelle kann es zu pathologischen Ausstülpungen des Bauchfells kommen, die als Leistenbruch (Leistenhernie) bezeichnet werden. Diese Ausstülpungen können Bauchorgane oder Darmschlingen enthalten und müssen deshalb operativ korrigiert werden (Herniotomie).

Extremitäten Im Verlauf der Evolution der höheren Wirbeltiere und besonders des Menschen haben sich Form und Funktion der Extremitäten stark verändert. Durch den aufrechten Gang wurde die obere Extremität von einem Gang- und Stützorgan zu einem Tast- und Greiforgan umgestaltet. Die untere Extremität, die durch die aufrechte Körperhaltung nun allein das gesamte Körpergewicht aufnehmen musste, wurde in der Ausbildung von Knochen und Gelenken kräftiger und auf höhere Lasten ausgelegt.

Schultergürtel und Arme Die Knochen der oberen Extremitäten sind über den Schultergürtel mit dem Körperstamm verbunden. Der Schultergürtel wird auf jeder Seite vom Schlüsselbein (Clavicula) und dem Schulterblatt (Scapula) gebildet. Der dünne Schlüsselbeinknochen ist medial gelenkig mit dem Brustbein und lateral mit dem Schulterblatt verbunden. Dieser dreieckige Knochen endet in der oberen äußeren Ecke in der Schultergelenkpfanne (Cavitas glenoidales), die mit dem Kopf des Oberarmknochens ein Kugelgelenk bildet. An der Rückseite des Schulterblatts verläuft die Schulterblattgräte (Spinae scapulae), an deren freiem Ende die Schulterblatthöhe (Acromion) des Schlüsselbeins ansetzt. Da die Schultergelenkpfanne sehr flach ist und nicht den ganzen Kopf des Oberarmknochens aufnehmen kann, ist das Schultergelenk relativ instabil und wird deshalb von kräfti- Die oberen Extremitäten sind durch den gen Muskeln stabilisiert. Dennoch kann es durch Gewalt- Schultergürtel und sein Gelenk in alle Richtungen beweglich. Das Schultergelenk kann einwirkung ausgekugelt werden. Diese Schultergelenkluxa- sehr leicht ausgekugelt werden. tion wird meist in Kurznarkose wieder eingerenkt. Eine

ä

86

ä

3. Halte- und Bewegungsapparat

Operation, bei der dann die Bänder operativ gestrafft werden, ist nur bei häufig auftretenden, sogenannten habituellen Luxationen notwendig. Die Muskulatur des Schultergürtels erlaubt eine gleitende Bewegung des Schulterblatts über die hintere Brustwand. Daran ist besonders der zur hinteren Schultergürtelmuskulatur gehörende Trapezmuskel (M. trapezius) beteiligt (䉴 Abb. 3.14). Weitere Muskeln auf der Hinterseite sind der Schulterblattheber (M. levator scapulae) und der Rautenmuskel (M. rhomboideus). Zur vorderen Muskulatur gehören der kleine Brustmuskel (M. pectoralis minor), der vordere Sägezahnmuskel (M. serratus anterior) und der Unterschlüsselbeinmuskel (M. subclavius). Die obere Extremität (Arm) wird aus mehr als 24 Knochen gebildet (䉴 Abb. 3.16a). Der Oberarmknochen (Humerus) bildet oben mit seinem Kopf (Caput humeri) das Schultergelenk. An zwei weiteren Knochenhöckern (Tuberculum majus und minus) setzt die Oberarmmuskulatur an. Der röhrenförmige Schaft verbreitert sich nach unten in die inneren und Der Arm wird aus mehr als 24 Knochen äußeren Oberarmknochen (Epicondylus medialis und gebildet, die über komplizierte Gelenke lateralis). Dazwischen liegen die oberen Flächen des Ellenund Muskelgruppen bewegt werden. bogengelenks, die als Rolle (Trochlea humeri) und Köpf-

b Rechtes Bein

a Rechter Arm

Os ilium

Proc. coracoideus Acromion

Crista iliaca

Caput humeri Tuberculum majus

Spina iliaca anterior superior Spina iliaca anterior inferior

Tuberculum minus

Collum femoris Trochanter major Trochanter minor

Humerus

Fossa coronoidea Epicondylus lateralis Capitulum humeri Caput radii Tuberositas radii

Trochlea humeri Proc. coronoideus

Patella

Tuberositas ulnae Ulna

Fibula Os scaphoideum Os capitatum Os trapezoideum Os trapezium

Symphyse

Femur

Caput fibulae Radius

Caput femoris

Tuberositas tibiae

Tibia

Os lunatum Os triquetrum Os pisiforme Os hamatum

Malleolus medialis Malleolus lateralis Tarsus Metatarsus Ossa digitorum pedis

Talus Calcaneus Os naviculare Os cuboideum Os cuneiforme I–III

3.16 Knochen des rechten Armes und des rechten Beines. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur

chen (Capitulum humeri) bezeichnet werden. Auf der Hinterseite des Oberarmknochens befindet sich eine Grube (Fossa coronoidea), die bei Beugung den Kronenfortsatz der Elle aufnimmt. Vom Körperstamm aus ziehen zwei Muskeln über das Schultergelenk zum Oberarm, der M. pectoralis major und der M. pectoralis minor. Der M. pectoralis major bedeckt den vorderen Thoraxbereich und führt den Oberarm nach vorne und an den Körper. Er macht den Hauptanteil der bei Männern typisch ausgeprägten Brustmuskulatur aus. Der M. latissimus dorsi, der den Oberarm nach hinten und unten zieht, entspringt im unteren Rückenbereich und zieht sich über die gesamte Schulter. Der Deltamuskel (M. deltoideus) ist der größte Oberarmmuskel. Er entspringt an Schulterblatt und Schlüsselbein und zieht zur Außenseite des Oberarms. Er ist der wichtigste Oberarmmuskel und kann alle Bewegungsrichtungen, besonders die Armhebung, durchführen (䉴 Abb. 3.13 und 3.14). Das Ellenbogengelenk (Articulatio cubitis) liegt zwischen dem Oberarmknochen (Humerus), Elle (Ulna) und Speiche (Radius). Es setzt sich aus drei Teilgelenken zusammen, die sich in einer gemeinsamen Gelenkkapsel befinden: dem Humeroulnargelenk, dem Humeroradialgelenk und dem oberen Radioulnargelenk. Insgesamt sind durch diese komplizierte Anordnung sowohl Beugung als auch Streckung und Drehung des Unterarms nach innen (Pronation) und außen (Supination) möglich. Es handelt sich deshalb um ein Drehscharniergelenk (䉴 Abb. 3.4). Für Beugung, Streckung und Drehung des Unterarms sind Muskelgruppen zuständig, die oberhalb des Schultergelenks entspringen und über den Oberarm zum Unterarm ziehen. An der Vorderseite des Oberarms zieht der zweiköpfige Armmuskel Bizeps (M. biceps brachii), der den Unterarm beugt und auch nach außen dreht (Supination). Weitere Armbeuger sind der M. brachialis und der M. brachioradialis. An der hinteren Seite des Oberarms verläuft der dreiköpfige Armmuskel Trizeps (M. triceps brachii), der an der hinteren Seite der Elle ansetzt und den Unterarm im Ellbogenbereich streckt (䉴 Abb. 3.13 und 3.14). Der Unterarm wird durch zwei Knochen gebildet, Elle (Ulna) und Speiche (Radius), die sich vom Ellbogengelenk bis zur Handwurzel erstrecken. Das obere Ende der Elle besitzt eine halbrunde, eingesenkte Gelenkpfanne, die von einem Fortsatz (Proc. coronoideus) begrenzt wird. Die Pfanne nimmt die Rolle (Trochlea humeri) des Oberarms auf. Ein zusätzlicher Fortsatz nach hinten ist die Ellbogenspitze (Olecranon). Eine weitere Gelenkfläche nimmt das Radiusköpfchen (Caput radii) der Speiche auf. Am unteren Ende der Elle bildet das Ellenköpfchen (Caput ulnae) eine Gelenkfläche zur Handwurzel. Hier befindet sich ein Fortsatz, der Processus styloideus ulnae (䉴 Abb. 3.16a). Seitlich zur Elle liegt die Speiche (Radius), die oben das kleine Speichenköpfchen besitzt und am unteren Ende stark verdickt ist und die Gelenkfläche zur Handwurzel bildet. Hier findet sich auch der Processus styloideus radii, ein lateraler Knochenfortsatz. Elle und Speiche sind am unteren Ende durch das untere Radioulnargelenk verbunden. Es dient als Radgelenk bei der Einwärts- (Pronation) und Auswärtsdrehung (Supination) des Unterarms. Diese Bewegungen werden durch den runden Einwärtsdreher (M. pronator teres) und den viereckigen Einwärtsdreher (M. pronator quadratus) ermöglicht, die vom Epicondylus des Oberarms entlang der Elle und um die Speiche herum verlaufen. Die Supination erfolgt durch den Auswärtsdreher (M.

87

88

3. Halte- und Bewegungsapparat

Fingermittelgelenk Fingergrundgelenk

Fingerglieder

Fingerendgelenk

Mittelhandknochen

3.17 Aufbau der Hand. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

ä

Hakenbein (Os hamatum) Kopfbein (Os capitatum) Erbsenbein (Os pisiforme) Dreiecksbein (Os triquetrum) Mondbein ( Os lunatum)

kleines Vieleckbein (Os trapezoideum) großes Vieleckbein (Os trapezium) Kahnbein (Os scaphoideum)

Elle Speiche Processus Processus (Ulna) (Radius) styloideus radii styloideus ulnae

supinator) und den M. biceps brachii. Weitere am Unterarm ansetzende Muskelgruppen fungieren als Hand- und Fingerbeuger sowie als Hand- und Fingerstrecker. Die Hand (䉴 Abb. 3.17) besteht aus Handwurzel-, Mittelhand- und Fingerknochen. Acht Handwurzelknochen (Ossa carpi) bilden die Handwurzel (Carpus) und sind in zwei Reihen angeordnet, die mit Bändern fest verbunden sind. Im Einzelnen sind dies in der ersten Reihe das Kahnbein (Os scaphoideum), das Mondbein (Os lunatum), das Dreiecksbein (Os triquetrum) und das Erbsenbein (Os pisiforme). In der zweiten Reihe stehen das große Vieleckbein (Os trapezium), das kleine Vieleckbein (Os trapezoideum), das Kopfbein (Os capitatum) und das Hakenbein (Os hamatum). Die fünf röhrenförmigen Mittelhandknochen sind über ihre Gelenkflächen verbunden. Dabei ist der erste, zum Daumen führende Mittelhandknochen über ein Sattelgelenk, das Daumenwurzelgelenk, mit dem großen Vieleckbein der Handwurzel verbunden. Über dieses Die Hand ist aus drei Knochengruppen Gelenk wird der Daumen in Opposition zu den Fingern in aufgebaut: Handwurzel, Mittelhand und Greifposition gebracht. Die anderen Gelenke sind über Finger. starke Bänder unbeweglich fixiert. Die Fingerknochen bestehen mit Ausnahme des zweigliedrigen Daumens immer aus drei Gliedern (Phalangen), die man als Grund-, Mittel- und Endphalanx bezeichnet. Die dazwischenliegenden Gelenke werden Fingergrundgelenk (Metacarpophalangealgelenke), Fingermittelgelenke und Fingerendgelenke (proximale und distale Interphalangealgelenke) genannt. Alle Beuge- und Streckmuskeln der Finger entspringen dem distalen Oberarm bzw. dem Unterarm, wobei diese den eigentlichen Muskelkörper tragen und die Finger über lange, dünne Sehnen bewegt werden. Die Sehnen verlaufen in Führungskanälen, die durch verschiedene Bänder und die Anordnung der Handwurzelknochen gebildet werden. So verlaufen die Beugesehnen

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur

zusammen mit dem wichtigsten Handnerv (N. medianus) im Karpaltunnel. Obwohl die Sehnen von bindegewebigen Sehnenscheiden umgeben sind, die durch einen inneren Flüssigkeitsfilm das Gleiten ermöglichen, können sie sich durch Überbeanspruchung entzünden und eine Sehnenscheidenentzündung (Tendovaginitis) hervorrufen. Durch Schwellungen im Karpaltunnel kann es deshalb zu einer Druckschädigung der Handnerven und einer Handlähmung kommen, die durch eine operative Entlastung der Nerven behoben werden muss. Neben diesem im Unterarm lokalisierten Fingerbeuger (M. flexor digitorum) und Fingerstrecker (M. extensor digitorum) findet sich noch eine Reihe weiterer Beuge- und Streckmuskeln wie der Daumenabspreizer (M. abductor pollicis longus). Auf der Hand selbst verlaufen die kurzen Handmuskeln, die neben Beugung und Streckung auch die Spreizung der Finger ermöglichen.

Becken und Beine Das knöcherne Becken (Pelvis) ist in Abbildung 3.18 dargestellt. Es besteht aus drei ringförmig verbundenen Knochen, dem Kreuzbein (Os sacrum) und den beiden Hüftbeinen (Ossa coxae), die ringförmig nach vorne über die Schambeinfuge (Symphyse) geschlossen sind. Die Hüftbeine bestehen jeweils wieder aus drei miteinander verschmolzenen Knochen, dem Darmbein (Os ilium), dem Sitzbein (Os ischii) und dem Schambein (Os pubis). Das Darmbein bildet die große Darmbeinschaufel, die die unteren Bauchorgane von hinten umgibt und deren oberer Rand, der Darmbeinkamm (Crista iliaca), gut von außen zu tasten ist. An dieser gut zugänglichen Stelle wird üblicherweise die Knochenmarkpunktion durchgeführt, da das Darmbein blutbildendes rotes Knochenmark enthält. Das Darmbein hat vier Knochenvorsprünge, jeweils zwei nach hinten und zwei nach vorne. Sie werden als Darmbeinstachel (Spina iliaca) bezeichnet. Das Sitzbein (Os ischii) ist ein bogenförmiger Knochen, der jeweils unterhalb des Darmbeins liegt und mit dem Sitzbeinhöcker (Tuber ischiadi-

Os ilium

Os sacrum

Promontorium Crista iliaca Spina iliaca anterior superior

Spina iliaca anterior superior

Spina iliaca anterior inferior

Articulatio sacroiliaca

Os pubis

Linea terminalis

Caput femoris Symphyse

Foramen obturatum

Collum femoris

Trochanter major

Femur

Trochanter minor Os ischii

3.18

Tuber ischiadicum

Aufbau des Beckens. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

89

90

ä

ä

3. Halte- und Bewegungsapparat

cum) den tiefsten Knochenabschnitt des Beckens bildet, der beim Sitzen spürbar wird. Darüber und nach vorne gelagert befindet sich das Schambein (Os pubis), das in der vorderen Körpermitte einen knorpeligen Spalt, die Schambeinfuge hat. Oberhalb dieser Fuge befindet sich der von außen gut tastbare Schambeinhöcker (Tuberculum pubicum). Das Becken ist sowohl in seiner knöchernen Form als auch in der Ausprägung der Beckenmuskeln geschlechtsspezifisch unterschiedlich ausgebildet. Das weibliche Becken ist leichter und flacher, der Beckeneingang ist rundlich-oval und größer und der weibliche Beckenausgang viel weiter. Schambein und Kreuzbein sind bei der Frau so geformt, dass der Geburtskanal entsteht und der Geburtsvorgang überhaupt erst möglich wird. Die Muskeln und Bänder des Beckenbodens halten durch einen erhöhten Grundtonus die Eingeweide. Außerdem sind sie an den Bewegungen des Afters, des Damms und der Schwellkörper von Penis und Klitoris beteiligt. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um sechs Muskelgruppen: Afterhebermuskel (M. levator ani), tiefer querer Dammmuskel (M. transversus perinei profundus), oberflächlicher querer Dammmuskel (M. transversus perninei superficialis), Harnröhrenschwellkörpermuskel (M. bulbospongiosus), äußerer Afterschließmuskel (M. sphincter ani externus) und Sitzbeinschwellkörpermuskel (M. ischiocavernosus). Wenn bei einem Geburtsvorgang die Muskulatur Die Becken von Mann und Frau unterscheiden sich in ihrem Aufbau stark. Sowohl das des Beckenbodens stark überdehnt wird, kann es zu einer knöcherne Becken als auch die Muskulatur dauernden Beckenbodenschwäche kommen, die sich in sind für die geschlechtsspezifischen AufgaHarninkontinenz und Gebärmutterprolaps manifestieben unterschiedlich angelegt. ren kann. Abbildung 3.18 zeigt, dass Teile aller drei Beckenknochen die Hüftgelenkspfanne (Acetabulum) bilden, die zusammen mit dem Kopf des Oberschenkels das Hüftgelenk entstehen lässt. Aus der Hüftregion ziehen die meisten Muskeln über dieses Kugelgelenk zum Oberschenkel und ermöglichen die große Beweglichkeit des Gelenks (䉴 Abb. 3.13 und 3.14). Die Beuger des Hüftgelenks verlaufen an der vorderen Seite und werden als Darmbeinlendenmuskel (M. iliopsoas) und gerader Schenkelmuskel (M. rectus femoris) bezeichnet. Letzterer ist ein Teil des großen vierköpfigen Oberschenkelmuskels (M. quadriceps femoris), dessen andere drei Teile zum Unterschenkel ziehen und das Kniegelenk strecken. Die Streckmuskeln des Hüftgelenks verlaufen auf der Hinterseite des Körpers und werden als großer Gesäßmuskel (M. glutaeus maximus), als zweiköpfiger Oberschenkelmuskel (M. biceps femoris), als Halbsehnenmuskel (M. semitendinosus) und als Plattensehnenmuskel (M. semimembranosus) bezeichnet. Da die drei letztgenannten weiter zum Unterschenkel verlaufen, fungieren sie gleichzeitig auch als Kniebeuger. Weitere Muskelgruppen können das Bein in der Hüfte abspreizen (Abduktoren) oder wieder heranziehen (Adduktoren). Abduktoren sind der mittlere und kleine Gesäßmuskel (M. glutaeus medius und minimus), Adduktoren sind die drei verschiedenen Oberschenkelanzieher (M. adductor longus, brevis und magnus), sowie der Schlankmuskel (M. graciDas Hüftgelenk ermöglicht als Kugelgelenk eine große Beweglichkeit des Beines und ist lis) und der Kammmuskel (M. pectineus). Sind diese durch mächtige Muskelgruppen stabilisiert. Muskeln geschädigt, ist die seitliche Führung beim Gehen Diese haben ihren Ursprung oberhalb des nicht mehr gewährleistet und es kommt zum WatschelGelenks im Hüftbereich. gang.

91

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur

Der schwerste und längste Knochen des Körpers ist der Oberschenkelknochen (Femur; 䉴 Abb. 3.1 und 3.16b). An seinem oberen Ende bildet der Oberschenkelkopf (Caput femoris) mit dem Acetabulum des Beckens das Hüftgelenk. Der Oberschenkelkopf ist über den Schenkelhals (Collum femoris) mit dem Oberschenkelschaft (Corpus femoris) verbunden. An dieser Übergangsstelle befinden sich außen und innen zwei Verwölbungen, der große und der kleine Rollhügel (Trochanter major und minor), die als Ansatzpunkte für die Hüftmuskulatur dienen. Nach unten bildet der Oberschenkel mit dem Schienbein (Tibia) das Kniegelenk. Werden die Knochenstrukturen im Alter osteoporotisch (dünn und brüchig), so ist der Schenkelhals eine besonders gefährdete Struktur und bricht bei abrupten Belastungen. Die bei älteren Menschen häufige Schenkelhalsfraktur wird operativ durch eine Endoprothese behandelt, d. h. es werden ein künstlicher Oberschenkelkopf und gegebenenfalls eine künstliche Hüftpfanne eingesetzt. Wegen der begrenzten Haltbarkeit dieser Prothesen wird bei jüngeren Patienten nicht mit einer Endoprothese therapiert, sondern es wird eine Osteosynthese durchgeführt. Das Kniegelenk (䉴 Abb. 3.19) wird von den Gelenkflächen des Oberschenkels und des Schienbeins gebildet und ermöglicht durch seine Anordnung und Führung durch spezielle Bänder hauptsächlich Beuge- und Streckbewegungen. Innen- und Außenrotationsbewegungen sind nur in geringem Maße möglich. Zwischen den Gelenkflächen liegen zwei Knorpelstrukturen, der Innenmeniskus (Meniscus medialis) und der Außenmeniskus (Meniscus lateralis). Sie bilden durch ihre Elastizität eine flexible Gelenkpfanne für den Oberschenkelknochen, sodass die enormen Druckkräfte des Körpergewichts entsprechend der Gelenkstellung optimal aufgefangen werden können. Median und lateral wird das Kniegelenk durch das Innenband (Ligamentum collaterale mediale) und das Außenband (Ligamentum collaterale laterale) stabilisiert, nach vorne und hinten wird das Kniegelenk durch das vordere und das hintere Kreuzband (Ligamentum cruciatum anterius und posterius) geführt. Diese starken

a Seitenansicht

b Ventralansicht M. quadriceps femoris Facies patellaris

Femur

2. Schleimbeutel Epiphysenlinie

Condylus lat. 1. Schleimbeutel Patella

Condylus femoris

Lig. patellae

Tibia

Lig. cruciatum ant. Meniscus lat. Lig. collaterale lat.

Meniscus Condylus tibiae

Corpus adiposum Caput fibulae infrapatellare 3. Scheimbeutel Fibula

3.19

Condylus med.

Kniegelenk. (Verändert nach Thews, Mutschler und Vaupel 2007.)

Lig. cruciatum post. Meniscus med. Lig. collaterale med. Lig. transversum genus Tibia

92

ä

3. Halte- und Bewegungsapparat

überkreuzenden Bänder verhindern eine Verschiebung der Gelenkteile nach vorne oder hinten. Bei hohen Belastungen, z. B. beim Sport, entstehen häufig Risse der Menisken oder der Bänder, die meist operativ behandelt werden müssen. Über die Vorderseite des Kniegelenks zieht die Sehne des M. quadriceps femoralis, die man als Patellarsehne bezeichnet. In sie ist die Kniescheibe (Patella) eingelagert, die das Gelenk nach vorne abdeckt und schützt. An den Reibungsstellen der Sehnen befinden sich oberhalb und unterhalb des Knies Schleimbeutel (Bursae). Ein spezieller, nur zum Kniegelenk gehörender Muskel (M. propliteus) unterDas menschliche Kniegelenk hat einen sehr komplizierten Aufbau und wird über verstützt Rotationsbewegungen und verhindert ein Einschiedene Bänder und Knorpelstrukturen klemmen der Menisken; ansonsten wird das Kniegelenk (Menisken) stabilisiert, da es das ganze durch die darüber verlaufende Muskulatur des OberKörpergewicht aufnehmen muss. und Unterschenkels stabilisiert. Der Unterschenkel besteht aus zwei Knochen, dem kräftigen Schienbein (Tibia) und dem Wadenbein (Fibula). Das obere Ende des Schienbeins bezeichnet man als Schienbeinkopf (Caput tibiae). An seiner Vorderseite befindet sich eine raue Stelle (Tuberositas tibiae), an der die Patellarsehne ansetzt. Das untere Schienbeinende hat an der Innenseite einen Knochenzapfen (Malleolus medialis), der den Innenknöchel bildet. Das Wadenbein (Fibula) ist dünner als das Schienbein und bildet oben mit dem Wadenbeinkopf (Caput fibulae) eine Gelenkverbindung zum Schienbein. Am unteren Ende ist es außen verbreitert und bildet den Außenknöchel (Malleolus lateralis). Zwischen Schien- und Wadenbein befindet sich auf ganzer Länge ein straffes Band (Membrana interossea), das den Spalt zwischen beiden Knochen überbrückt. Die unteren Enden von Schien- und Wadenbein bilden die sogenannte Malleolengabel, die mit dem Sprungbein (Talus) das obere Sprunggelenk bildet. Die Muskulatur des Unterschenkels wird von bindegewebigen Trennwänden in vier Stränge, die Muskellogen, unterteilt. Alle Unterschenkelmuskeln entspringen dem Unterschenkel und ermöglichen über das Sprung- und die Zehengelenke Beuge- und Streckbewegungen des Fußes. Sie werden auch als lange Fußmuskeln bezeichnet. In den Abbildungen 3.13 und 3.14 ist die Unterschenkelmuskulatur von vorne und von hinten dargestellt. Die Beugemuskeln ziehen den Fuß und die Zehen nach unten, was als Plantarflexion bezeichnet wird. Zu dieser Muskelgruppe gehört der große dreiköpfige Unterschenkelmuskel (M. triceps surae), der dorsal liegt und sich aus dem zweiköpfigen Zwillingsmuskel (M. gastrocnemius) und dem Schollenmuskel (M. soleus) zusammensetzt. Diese Muskelgruppe setzt nach unten über die Achillessehne am Fersenhöcker an. Ein weiterer Beugemuskel des oberen Sprunggelenks ist der hintere Schienbeinmuskel (M. tibialis posterior), der zusammen mit dem langen Großzehenbeuger (M. flexor hallucis longus) und dem langen Zehenbeuger (M. flexor digitorum longus) etwa in der hinteren Mitte nach unten verläuft und deren Sehnen teilweise bis in die Endphalangen der Zehen reichen. Laterale Muskelgruppen sind der M. peronaeus (fibularis) longus und der M. peronaeus (fibularis) brevis, die eine Pronation des Fußgelenks verursachen können, indem sie die seitliche Fußkante nach oben ziehen. Die Fußstrecker (Extensoren) ziehen den Fuß und die Zehen nach oben. Sie liegen in der vorderen Muskelloge und ziehen von der Vorderseite des Unterschenkels mit Sehnen über das Sprunggelenk bis über den Fußrücken. Dazu gehören der M. tibialis ante-

Skelettsystem sowie hauptsächliche Halte- und Bewegungsmuskulatur

b Hohlfuß a Skelett des Fußes

Endphalanx Mittelphalanx Grundphalanx Metatarsus

c normaler Fuß

Os cuboideum

Os cuneiforme mediale Os cuneiforme intermedium Os cuneiforme laterale Os naviculare

Facies articularis malleoli

Caput tali Collum tali Trochlea tali

Talus

Sehnenrinne

Tuberositas ossis metatarsalis V

d Plattfuß

Calcaneus

3.20 Aufbau und Fehlstellungen des Fußes. a) Skelett des Fußes. b) Hohlfuß. c) Normaler Fuß. d) Plattfuß. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

rior (䉴 Abb. 3.13), der lange Zehenstrecker (M. extensor digitorum longus) und der lange Großzehenstrecker (M. extensor hallucis longus). Der Fuß (Pes) besteht aus drei Abschnitten: der Fußwurzel, dem Mittelfuß und den Zehen. Da er die am meisten belastete Körperstruktur ist, ist er durch eine besonders kompakte Bauweise der Knochen, Bänder und Muskeln charakterisiert. Abbildung 3.20 zeigt das Fußskelett im Detail. Die Fußwurzel (Tarsus) besteht aus den sieben Fußwurzelknochen: Fersenbein (Calcaneus), Sprungbein (Talus), Kahnbein (Os naviculare), den drei Keilbeinen (Ossa cuneiformia) und dem Würfelbein (Os cuboideum). Während das Fersenbein unten liegt und nach dorsal zieht, liegt ihm das Sprungbein auf, das mit den Gelenkflächen des Schien- und Wadenbeins das obere Sprunggelenk bildet. Dieses Gelenk ist nur von einer dünnen Kapsel umgeben und läuft bei plötzlichen Gewichtsverlage-

93

94

ä

? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

3. Halte- und Bewegungsapparat

rungen Gefahr, umzuknicken, wodurch Bänder gedehnt werden oder sogar reißen können. Das obere Fußgelenk dient der Beugung und Streckung des Fußes. Das untere Fußgelenk wird vom Fersenbein, dem Sprungbein und dem Kahnbein gebildet. Es dient der Supination und Knöchel und Fuß sind komplizierte und Pronation des Fußes. Der Mittelfuß (Metatarsus) besteht empfindliche Strukturen, die bei Bewegungen enorm belastet werden. Sie können aus den fünf röhrenartigen Mittelfußknochen (Ossa metasich bei Überlastung dauerhaft verformen tarsalia), die an beiden Enden jeweils verdickt sind, um die (z. B. Plattfuß). Gelenkflächen zu bilden. Auch die Zehen (Phalangen) sind Röhrenknochen, wobei die Großzehe (Hallux) aus zwei Knochen besteht, die vier anderen Zehen (Digiti pedis) aus jeweils drei Knochen. Im Vergleich zu den Fingergelenken sind die Zehengelenke weitaus weniger beweglich. Das gesamte Fußskelett bildet in seiner Einheit aus Knochen, Muskeln und Bändern eine gewölbeartige Struktur, sodass ein Abdruck eines normal geformten Fußes einen typischen bogenförmigen Verlauf zeigt (䉴 Abb. 3.20c). Verändert sich das Fußgewölbe durch hohe Belastungen, kann sich ein Plattfuß entwickeln (䉴 Abb. 3.20d), bei dem beim Gehen die gesamte Fußsohle auf dem Boden aufliegt und die natürliche Elastizität des Fußes zum Abfedern von Belastungsextremen nicht mehr gegeben ist. Das Gegenteil eines Plattfußes ist der Hohlfuß (䉴 Abb. 3.20b), bei dem das Fußgewölbe durch die Schädigung von Nerven und damit den Ausfall von Fußmuskelgruppen deutlich überhöht ist. Infolge der Verkleinerung der Auflagefläche entstehen schmerzhafte Schwielen. Weitere Fußanomalien sind der Spreizfuß und der angeborene Klumpfuß.

Klausurfragen Beschreiben Sie den typischen Aufbau eines Knochens. Welche Faktoren sind am Auf- und Abbau von Knochensubstanz beteiligt? Welche Gelenkformen gibt es, und wo sind sie im Körper lokalisiert? Benennen Sie die hauptsächlichen Knochen des Gesichtsschädels. Aus welchen Abschnitten besteht die Wirbelsäule? Welche Knochen gehören zum Schultergürtel? Benennen Sie die hautsächlichen Gruppen der Bauchmuskulatur. Beschreiben Sie den Aufbau und die Knochen des Beckens. Beschreiben Sie den Aufbau und die Knochen der Hand. Aus welchen Knochen besteht der Fuß?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 4

Nervengewebe und Nervensystem

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über die Neuroanatomie und die Neurophysiologie, die Teilgebiete der Physiologie und Medizin, die sich mit dem Bau und der Funktion des Nervensystems befassen, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Aufbau und Funktion einer Nervenzelle. Anatomischer Aufbau, funktionelle Struktur und Arbeitsweise des Nervensystems. Unterschiedliche Neuronentypen und verschiedenen Regelkreise im Nervensystem. Zusammenspiel von zentralem und vegetativem Nervensystem. Einige Störungen der Nervenfunktion. Verschiedene neurosekretorische Zellen mit ihren hormonartigen Neuropeptiden und deren Wirkungsweisen.

96

4. Nervengewebe und Nervensystem

Aufgaben des Nervensystems Das Nervensystem mit seinen Nervenzellen (den Neuronen) dient der Aufnahme,Verarbeitung und Weiterleitung von Information im Körper. Dazu haben sich neuronale Bereiche verschiedener Komplexität entwickelt (Gehirn, peripheres Nervensystem, vegetatives Nervensystem), die unterschiedliche Typen von Nervenzellen enthalten.

Komplexität von neuronalen Systemen

ä

Das Nervensystem hat sich im Laufe der Evolution aus einfachen Nervennetzen entwickelt, die zunehmend komplexer und zentralisierter wurden. Dabei wurden Nervenzellen zu funktionellen Gruppen (Ganglien) angeordnet und einzelne Neurone zu Leitungsbahnen zusammengeführt. Die Bildung des Gehirns (Cephalisation) erfolgte durch kurze Verbindungen vieler Ganglien (Kommissuren). Neben dem zentralen Nervensystem (Gehirn und Rückenmark) und dem peripheren Nervensystem entwickelte Das Nervensystem besteht aus verschiedesich auch ein vegetatives (autonomes) Nervensystem nen funktionellen Bereichen (zentrales, peripheres und vegetatives Nervensystem). zur Versorgung der inneren Organe. Außer aus NeuroEs ist aus Gliazellen und Nervenzellen (Neunen ist das Nervensystem auch aus Gliazellen aufgebaut, ronen) aufgebaut, die sich zu Ganglien und die zur Versorgung beitragen, aber auch wichtige ZusatzLeitungsbahnen organisiert haben. funktionen übernehmen.

Neuronentypen Neurone unterscheiden sich durch viele unterschiedliche Formen von den übrigen Körperzellen. Über die Synapsen sind sie außerdem zu größeren funktionellen Einheiten verbunden. Man unterscheidet Nervenzelltypen danach, ob ein Axon vorhanden ist oder nicht. Ein Axon ist die vom Zellkörper (Soma) ausgehende Fortleitungsstruktur der Nervenzellen, die nicht bei allen Neuronen vorhanden ist. Abbildung 4.1 zeigt drei Formen von Nervenzellen. Grundsätzlich empfangen die Neurone ihre Information durch Reize an den Dendriten des Somas. Die Information wird im Soma verarbeitet und über das Axon zu den Synapsen geleitet. Die in Abbildung 4.1a gezeigte motorische Nervenzelle (Motoneuron) leitet bei Wirbeltieren die Information vom Rückenmark zur Muskulatur. Sie kann deshalb ein sehr langes Axon von über 1 m Länge aufweisen. In Abbildung 4.1b ist ein Pyramidenneuron aus der Hirnrinde (Cortex) gezeigt. Es nimmt Impulse aus verschiedenen Rindenschichten auf und verteilt sie in andere Schichten. Deshalb sind Axon und Dendritenbaum relativ kurz und stark verzweigt. Ein besonders anschauliches Beispiel zeigt Abbildung 4.1c. Die Purkinje-Zelle aus dem Kleinhirn hat bei der Bewegungssteuerung die Funktion der Feinkoordination vieler anderer Nervenzellen. Entsprechend stark verzweigt ist ihr Dendritenbaum. Dieses Neuron verarbeitet viele eingehende Informationen, bündelt sie und leitet sie dann gezielt über das kurze Axon weiter. Außer den Neuronen findet man im Nervensystem auch Gliazellen, die sich in verschiedene Typen einteilen. Astrocyten sind Versorgungszellen, die Neurone umhüllen und Stoffe mit ihnen

Aufbau und Funktion des Nervengewebes

b Pyramidenneuron

a Motoneuron

97

c Purkinje-Neuron

Dendriten Dendriten Dendriten Soma

RanvierSchnürring

Soma

Myelinscheide

Soma

Axon

Axon 4.1 Verschiedene Typen von Nervenzellen. a) Motoneuron. b) Pyramidenneuron aus dem Cortex des Großhirns. c) Purkinje-Neuron aus dem Kleinhirn. (Verändert nach Penzlin 2005.)

austauschen. Sie sind auch an der Blut/Hirn-Schranke beteiligt, einer funktionellen Abgrenzung des Gehirns vom Blutgefäßsystem. Schwann-Zellen und Oligodendrocyten umhüllen ebenfalls die Neurone und bilden um Axone des peripheren Nervensystems die isolierende Myelinscheide (Schwann-Scheide), die eine besondere Funktion bei der Weiterleitung des Aktionspotenzials (AP) hat (䉴 Abb. 4.1a). Solche Neurone werden auch als markhaltige Neurone bezeichnet, im Gegensatz zu den nichtmyelinisierten marklosen Nervenzellen. Gliazellen können den Effekt von Transmit- Neurone haben je nach Funktion eine untertersubstanzen modulieren, sind aber nicht an der Informa- schiedliche Form. Es gibt marklose und markhaltige Nervenzellen. Gliazellen sind Versortionsübertragung beteiligt. Sie können Defekte im Nerven- gungs- und Isolationszellen. system durch Wucherungen ausfüllen.

Aufbau und Funktion des Nervengewebes Trotz ihrer unterschiedlichen Form funktionieren Neurone nach einem einheitlichen Prinzip, das auf der Spezifität ihrer funktionellen Membranbereiche beruht.

Funktioneller Aufbau eines Neurons Die aus allen Dendriten eingehenden Signale werden im Soma integriert und zum Axonhügel weitergeleitet (䉴 Abb. 4.2). Dort entstehen aus dieser zusammengefassten Information Aktionspotenziale (APs), deren Frequenz die Information codiert. Die

ä

98

4. Nervengewebe und Nervensystem

Dendriten Soma

Synapsenregion

Nucleus Axon

Axonhügel

RanvierSchnürring

Myelinscheide

Integration der ankommenden Signale

Entstehung des Aktionspotenzials

Fortleitung des Aktionspotenzials

Transmitterfreisetzung

4.2 Aufbau und Funktion eines Neurons. Dargestellt sind die verschiedenen funktionellen Bereiche eines Neurons.

AP-Serie wird über das Axon weitergeleitet und führt in der Synapsenregion zur Freisetzung von Transmittersubstanzen (Überträgerstoffe), die wiederum auf Dendriten eines folgenden Neurons oder auf andere Effektorzellen wirken. Der Informationsfluss geht nur in Richtung von Dendriten zur Synapse.

Ruhepotenzial einer Nervenzelle Das Ruhepotenzial des nichterregten Neurons wird durch die Auswärtsdiffusion von K+-Ionen verursacht. In der Zellmembran befinden sich verschiedene Ionenkanäle (Na+, K+, Cl–) und eine Na+/K+-ATPase, die die intrazelluläre Ionenkonzentration konstant und damit die Ionengradienten zwischen extra- und intrazellulärem Raum stabil hält. Dieses Ruhepotenzial und die Ionenkanäle lassen sich mit elektrophysiologischen Methoden (intrazellulären Mikroelektroden, Patch-Clamp-Technik) ableiten und analysieren.

Entstehung des Aktionspotenzials und seine verschiedenen Formen Ein Aktionspotenzial bildet sich im Verlauf von 1–2 ms (䉴 Abb. 4.3a). Nach einer Reizung des Neurons kommt es, ausgehend vom Ruhepotenzial (VRP) von etwa –70 mV, zunächst zu einer langsamen Depolarisation bis zu einem Schwellenwert (VS). Wird dieser überschritten, beginnt eine plötzliche starke Depolarisation über die Nulllinie bis zu einen Wert von etwa +30 mV, sodass fast das Na+-Gleichgewichtspotenzial (VNa), das bei etwa +60 mV liegt, erreicht wird. Der Vorgang spielt sich innerhalb von etwa einer Millisekunde ab. Danach folgt eine fast ebenso schnelle Repolarisation, in der das Potenzial in den negativen Bereich zurückkehrt. Es unterschreitet sogar das

Aufbau und Funktion des Nervengewebes

99

Membranpotenzial Vm

a Aktionspotenzial VNa 0 VS VRP VK

Reiz

Leitfähigkeit

0

2 Zeit [ms]

4

b Ionenleitfähigkeiten g Na gK

0

2 Zeit [ms]

4

4.3 Elektrische Ableitung eines Aktionspotenzials. a) Bildung des Aktionspotenzials. b) Darstellung der dynamischen Veränderungen der Ionenleitfähigkeiten. VNa, Gleichgewichtspotenzial für Na+; VS, Schwellenpotenzial; VRP, Ruhepotenzial; VK, Gleichgewichtspotenzial für K; gNa, Na+-Leitfähigkeit; gK, K+-Leitfähigkeit. (Verändert nach Eckert 2002.)

Ruhepotenzial VRP und erreicht ungefähr das Gleichgewichtspotenzial von K+ (VK), das etwa bei –90 mV liegt. Das Aktionspotenzial von Nervenzellen dauca. 1–2 ms und verläuft über eine schnelle Diesen Vorgang bezeichnet man als Hyperpolarisation. ert Depolarisation, eine anschließende RepolariErst danach stellt sich innerhalb von 1–2 ms wieder das sation und eine Hyperpolarisation. Ruhepotenzial (VRP) ein. Die britischen Forscher Hodgkin und Huxley konnten die Mechanismen dieser schnellen Potenzialänderungen aufklären. Durch die elektrophysiologische Messung von Strom und Potenzial konnten sie über das Ohmsche Gesetz den Membranwiderstand und damit die Membranleitfähigkeit berechnen. Indem sie das permeable Na+ durch das impermeable Cholin ersetzten, war es ihnen möglich, die Leitfähigkeiten der hauptsächlichen Ionen Na+ und K+ zu bestimmen (䉴 Abb. 4.3b). Sie erkannten, dass die Depolarisationsphase des APs von einem Anstieg der Na+-Leitfähigkeit herrührt, während die Repolarisation durch einen Anstieg der K+-Leitfähigkeit verursacht wird. Hodgkin und Huxley konnten diese experimentellen Messungen durch theoretische Berechnungen mit der von ihnen entwickelten Goldman-HodgkinKatz-(GHK-)Gleichung absichern. Obwohl es damals noch nicht möglich war Ionenkanäle direkt zu messen, wurden sie von Hodgkin und Huxley und anderen Forschern daraufhin postuliert. Die durch einen Reiz ausgelösten Membranströme über die Zellmembran konnten nun elektrophysiologisch quantitativ in hoher Auflösung erfasst werden. Durch Messung der Gesamtströme wurde ersichtlich, dass es im Verlauf der ersten Millisekunde zunächst zu einem starken Einwärtsstrom kommt und dann im weiteren Verlauf zu einem Auswärtsstrom positiver Ladungen. Dies führte zu dem Postulat, dass sich in der Depolarisationsphase ab einem Schwellenwert schlagartig alle aktivierbaren Na+-

ä

100

4. Nervengewebe und Nervensystem

4.4 Form der Aktionspotenziale (APs) an verschiedenen erregbaren Zellen. Während ein AP einer Nervenzelle nur ca. 1 ms dauert, hat das AP einer Skelettmuskelzelle eine ca. 10 ms dauernde flache Schulter. Das AP einer Herzmuskelzelle hat ein durch einen Ca2+-Einstrom verursachtes Plateau und dauert deshalb etwa 250 ms.

ä

Membranpotenzial [mV ]

+20

0

–90 1 ms Nervenzelle

10 ms

250 ms

Skelettmuskelzelle

Herzmuskelzelle

Kanäle in der Nervenzellmembran öffnen, und Na+ entlang des Gradienten in der Zelle strömt. Die Na+-Kanäle werden mit zunehmender Umpolung allmählich wieder inaktiviert und schließen sich, sodass das Gleichgewichtspotenzial von Na+ nicht erreicht wird. In dieser Die Depolarisation wird durch einen Na+Phase öffnen sich K+-Kanäle, und es beginnt ein K+-AusEinstrom und die Repolarisation durch strom, der zur Repolarisation führt. Die Zellhomöostase einen K+-Ausstrom verursacht. Dabei verist dabei nicht gefährdet, da die andauernd aktive Na+/K+ändern sich die Membranleitfähigkeiten für diese Ionen. ATPase das eingedrungene Na+ wieder nach außen befördert und den K+-Verlust ebenfalls ausgleicht. Die Aktionspotenziale aller erregbaren Zellen entstehen auf diese Weise. Sie unterscheiden sich allerdings in ihrem Verlauf und in ihrer Form zelltypisch voneinander. Alle APs erreichen nach der Depolarisation einen maximalen positiven Wert. Sie haben also an einer Zelle alle die gleich hohen Amplituden und können nicht abgestuft generiert werden. Dieses Phänomen bezeichnet man auch als „Alles-oderNichts-Gesetz“. Dagegen sind Form und Dauer der APs variabel. Abbildung 4.4 zeigt, dass APs eines Nervs etwa 1–2 ms dauern, während APs von Muskelzellen eine etwas längere Repolarisationsphase haben und etwa 10 ms dauern. Die längsten APs entstehen in Herzmuskelzellen und dauern etwa 250 ms. Dies erfüllt am Herz den besonderen Zweck, dass dieser Muskel nicht tetanisierbar ist (䉴 Kap. 10).

Unter- und überschwellige Reize

ä

Die gerade beschriebene Bildung eines APs stellt eine aktive Antwort der Membran auf einen Reiz dar, der den bei etwa –50 mV liegenden Schwellenwert übertrifft. Nur bei einem solchen überschwelligen Reiz wird die Öffnung aller aktivierbaren Na+Kanäle eingeleitet. Bleibt der Reiz jedoch unterhalb der Schwelle, entsteht in der Membran des Neurons nur eine passive lokale Antwort, die wieder abklingt und nicht zu einem AP führt. Bei Ein Aktionspotenzial verläuft nach dem „Alles-oder-Nichts-Gesetz“ und hat zelltyeinem solchen unterschwelligen Reiz kommt es zu einem pisch immer dieselbe Amplitude. Es bildet Elektrotonus, der zwar die benachbarten Membransich erst nach Überschreiten eines Schwelbezirke erregt, aber nicht ausreicht, um dort ein AP zu lenwertes. erzeugen.

Aufbau und Funktion des Nervengewebes

101

Absolute und relative Refraktärphase Nachdem das AP seine Spitze erreicht hat und in die Repolarisationsphase übergegangen ist, tritt es in die Refraktärphase ein, in der das Neuron nicht wieder erregt werden kann und kein neues AP gebildet wird. Dies hängt damit zusammen, dass die spannungsabhängigen Na+-Kanäle nacheinander drei verschiedene Kanalzustände durchlaufen (䉴 Abb. 4.5). In der Refraktärphase werden sie inaktiviert und sind zunächst für etwa 2 ms nicht mehr erregbar, ein Zustand, der fast bis zu dem Erreichen des Ruhepotenzials anhält. Das Neuron befindet sich in der absoluten Refraktärphase. Erst am Ende der Repolarisationsphase haben sich einige Na+-Kanäle wieder in den geschlossen aktivierbaren Zustand begeben (䉴 Abb. 4.5). Diese wenigen Na+-Kanäle können durch einen weiteren Reiz aktiviert werden, Nach dem Aktionspotenzial befindet sich der erzeugen aber nur ein kleineres AP mit einer langsamen Membranbereich in einer Refraktärphase, sodass zunächst kein neues Aktionspotenzial Anstiegssteilheit. In dieser Phase befindet sich das Neuron gebildet werden kann. in der relativen Refraktärphase.

Molekularer Aufbau des spannungsabhängigen Na+-Kanals Der spannungsabhängige Na+-Kanal besteht aus einem Polypeptid aus etwa 1 800 Aminosäuren. Es durchzieht die Zellmembran in mehreren Schleifen (䉴 Abb. 4.6a) und besteht aus vier homologen Untereinheiten (U1–4) mit je sechs Segmenten (S1– 6), die jeweils α-Helix-Strukturen bilden. Das Kanalprotein hat einen Durchmesser von etwa 8 nm, und die ringförmig angeordneten Segmente umschließen einen wassergefüllten Kanal mit einem Durchmesser von ca. 5 nm. Der Kanal entspricht damit in etwa dem Durchmesser eines hydratisierten Na+-Ions, das den Kanal daher gerade passieren kann. Im oberen Teil des Kanals befindet sich ein Selektivitätsfilter (䉴 Abb. 4.6b), der für die hohe Na+-Selektivität verantwortlich ist. Weiter innen befindet sich ein durch einen Spannungssensor kontrolliertes Tor (m-gate), das den Kanal völlig

depolarisiert

Kanal geschlossen, aktivierbar

Kanal offen, aktiviert

?

de po

rt

ier

ris

ola

e isi

rep

lar

lar

po

isi

de

er

t

repolarisiert

t Kanal geschlossen, inaktiviert

4.5 Spannungsabhängigkeit des Na+-Kanal-Zyklus. Darstellung der drei verschiedenen Kanalzustände und ihrer möglichen Übergänge. (Verändert nach Penzlin 2005.)

ä

102

4. Nervengewebe und Nervensystem

+

a molekularer Aufbau des spannungsaktivierten Na -Kanals U1

U3

U2

U4

außen

1 2 3 4 5

6

1 2 3 4 5

6

1 2 3 4 5

+

+ P

6

1 2 3 4 5

+ P

6

+ P

P

innen COO +

N H3

b Modell

SelektivitätsTTX filter außen

Spannungssensor

innen m-gate h-gate 4.6 Molekularer Aufbau des spannungsaktivierten Na+-Kanals. a) Anordnung der Untereinheiten U1–4 mit den Membrandomänen S1–6. Im S4-Segment ist der Spannungssensor des Na+-Kanals lokalisiert (+). b) Kanalmodell mit Spannungssensor, Selektivitätsfilter und den beiden Toren. TTX, Tetrodotoxin. (Verändert nach Penzlin 2005.)

verschließen und damit den Einstrom von Na+-Ionen blockieren kann. An der Innenseite der Kanalöffnung zum Cytosol hin liegt ein zweites Tor, das Inaktivierungstor oder auch h-gate. Es wird erst geschlossen, wenn der Na+-Kanal vorher voll geöffnet war. Abhängig von dem anliegenden Membranpotenzial bewegt sich nun der Na+-Kanal zwischen diesen drei Zuständen (䉴 Abb. 4.5). Je näher sich das Membranpotenzial am Ruhepotenzial befindet, umso mehr ist der Kanal in seinem geschlossenen aber aktivierbaren Zustand. Nachdem ein Reiz das Membranpotenzial über die Schwelle in Richtung Null depolarisiert hat, wird der Kanal aktiviert und geöffnet. Anschließend wird er inaktiviert und geht schließlich wieder in den ursprünglichen Zustand über. Verschiedene Neurotoxine wie Tetrodotoxin (TTX), ein Gift aus den Eingeweiden des japanischen Kugelfisches, blockieren den Na+-Kanal irreversibel. TTX bindet wie Saxitoxin (STX) an eine Festladung in der äußeren Kanalöffnung und blockiert den Na+-Einstrom völlig. Andere Lokalanästhetika oder Gifte wie Lidocain oder Batrachotoxin blockieren ebenfalls entweder die Kanalpore oder auch den Spannungssensor. Das Inaktivationstor an der inneren Kanalpore kann durch das proteolytische Enzym Pronase gehemmt werden. Dabei wird die Inaktivierung wahrscheinlich

Aufbau und Funktion des Nervengewebes

103

durch ein Abspalten des inneren Molekülbereichs, der das Der spannungsabhängige Na+-Kanal ist ein Tor bildet, vollständig verhindert. kompliziert aufgebautes Molekül, das von Der Spannungssensor des Na+-Kanals ist in den S4-Seg- einigen Neurotoxinen und Lokalanästhetika menten des Kanalproteins lokalisiert. Die bei einem Reiz blockiert wird. Er kann durch zwei Tore verentstehende Veränderung des Membranpotenzials verur- schlossen werden, die sich nach einem Dreizustandsmodell öffnen und schließen. sacht dort eine Verschiebung von positiven Festladungen, die zu einer Rotationsbewegung des S4-Segments führt. Infolge dieser Mikrobewegungen verändert sich auch die Konformation der umgebenden Segmente, und die Kanalpore weitet sich unterhalb des Selektivitätsfilters. Diese Kanalregion, die als m-gate bezeichnet wird, öffnet sich. Bei der Bewegung der S4-Segmente erzeugt die Ladungsverschiebung einen winzigen Strom, den gatingStrom. Die Mechanismen der Kanalöffnung sind durch den unterschiedlichen molekularen Aufbau bei den verschiedenen Typen von Ionenkanälen sehr unterschiedlich.

ä

Verschiedene Typen von K+-Kanälen in Nervenzellen In der Membran von Nervenzellen gibt es verschiedene Arten von K+-Kanälen, die +unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen. Während das Ruhepotenzial von den KIR Kanälen verursacht wird, öffnen sich während der Repolarisation spannungsaktivierte K+-Kanäle vom KV+ -Typ, deren Aktivierung im Vergleich zu den Na+-Kanälen nicht plötzlich, sondern allmählich und streng potenzialabhängig verläuft. Die Kanäle werden schon während der Umpolarisation im Bereich der Spitze des APs aktiviert und dann allmählich deaktiviert, bis sie beim Erreichen des Ruhepotenzials wieder ganz geschlossen sind. Erst dann werden die KIR-Kanäle aktiviert und verursachen die für das Ruhepotenzial verantwortliche K+-Leitfähigkeit. Sowohl vom KV-Typ als auch vom KIR-Typ gibt es Subtypen, Nervendie in Organen unterschiedlich exprimiert sind. Außerdem An den elektrischen Vorgängen in zellen sind mehrere Typen von K+-Kanälen gibt es auch Ca2+- aktivierte K+-Kanäle, die ebenfalls an beteiligt, die in verschiedenen Organen Repolarisationsvorgängen und Schrittmacherfunktionen, unterschiedlich häufig vorkommen. z. B. in Herzmuskelzellen, beteiligt sind.

Weiterleitung des Aktionspotenzials am Axon Erreichen die im Soma des Neurons integrierten Signale den Axonhügel, werden APs erzeugt, die das Axon entlang weiter zur synaptischen Region geleitet werden. Für die Auslösung und Weiterleitung des APs ist das elektrotonische Verhalten der Zelle von großer Bedeutung.

Elektrotonus Die im Soma des Neurons integrierten Signale erzeugen einen graduierten Reiz, der erst beim Erreichen der Schwelle eine aktive Membranantwort und eine AP-Folge auslöst. Unterschwellige Reize erzeugen ein elektrotonisches Potenzial, das auch als Elektrotonus bezeichnet wird. Bei dieser passiven Antwort der Membran wird noch

ä

104

ä

4. Nervengewebe und Nervensystem

kein AP gebildet. Die einströmenden positiven Ladungen laden die Membrankapazität auf und das Membranpotenzial depolarisiert. Nur durch die Integration von vielen an den Dendriten eingehenden unterschwelligen Signalen wird am Axonhügel die Schwelle erreicht und ein AP ausgelöst. Das Soma des Neurons hat also eine wichtige integrative Funktion und bildet aus dem Elektrotonus der vielen einzelnen ankommenden unterschwelligen Reize eine graduierte Antwort. Da die Amplitude des elektrotonischen Potenzials mit zunehmender Entfernung abnimmt, hängt das Erreichen des Schwellenwerts an einem Membranbereich für die Auslösung eines APs nicht nur von der Reizamplitude, sondern auch von der Entfernung zum Ort des Reizes, also von der Membranfläche ab. Dies ist besonders wichtig für die elektrischen Verhältnisse am Axon lang gestreckter Neurone, da für die Weiterleitung des APs im Axon Längswiderstand, Membranwiderstand und Axondurchmesser die entscheidenden Faktoren sind. Allerdings erfolgt die Weiterleitung, abhängig von der Das elektrotonische Verhalten der NervenIsolierung des Axons durch Schwann-Zellen, über unterzelle ist wichtig für die Integration des Sigschiedliche Mechanismen. Es gibt dadurch zwei Neuronals und die Weiterleitung des APs entlang nengruppen: die marklosen und markhaltigen Nervendes Axons. zellen.

Myelinisierte und nichtmyelinisierte Nervenzellen Am Axon sind Neurone durch Schwann-Zellen unterschiedlicher Form isoliert. (䉴 Abb. 4.7). Bei den nichtmyelinisierten Neuronen der wirbellosen Tiere wird das Axon nicht von einer Markscheide (Myelinscheide) umhüllt. Bei Wirbeltieren und beim Menschen gibt es solche Neurone meist nur im vegetativen Nervensystem. Wirbeltierneurone sind meist myelinisiert und werden deshalb als markhaltige Nervenfasern bezeichnet (䉴 Abb. 4.7a). Dabei werden oft mehrere Axone von einer Gliazelle umhüllt (䉴 Abb. 4.7b). Die Myelinscheide legt sich in mehreren Lagen um das Axon (䉴 Abb. 4.7c) und isoliert es dadurch sehr stark. Diese Isolierung ist an einigen Stellen regelmäßig durch die Ranvier-Schnürringe unterbrochen (䉴 Abb. 4.7d). Durch den unterschiedlichen Aufbau dieser Isolierungen ist die axonale Erregungsfortleitung der APs für marklose und markhaltige Neurone vollkommen unterschiedlich.

Kontinuierliche Erregungsleitung an nichtmyelinisierten Axonen Der Mechanismus der Erregungsfortleitung an marklosen Nervenfasern ist in Abbildung 4.8a dargestellt. Auch bei dieser Fortleitungsart werden ständig neue APs gebildet. Entsteht ein AP am Axonhügel, dann ist dieser Membranbezirk umgepolt, und es kommt zu elektrotonischen Ausgleichsströmen mit den benachbarten Membranbezirken. Noch nicht erregte Nachbarbezirke werden depolarisiert, sodass sich auch dort APs bilden können. Auf diese Weise wird die Erregung durch ständige Neubildung von APs kontinuierlich weitergeleitet. Hinter der depolarisierten Zone folgt die Repolarisation, sodass die Na+-Kanäle in diesem Bereich inaktiviert sind und erst nach der Refraktärphase wieder erregt werden können. Auf diese Weise wird die Frequenz der APs auf etwa maximal 1 000 pro Sekunde beschränkt. Die Refraktärphase bewirkt damit auch eine gerichtete Erregungsleitung. Im Prinzip könnte die Erregung zwar

Aufbau und Funktion des Nervengewebes

b

a SchwannZelle Nucleus Nucleus Axon

Axon d

c Nucleus SchwannZelle

SchwannZelle

RanvierSchnürring

Axon

Axon

Axon SchwannZelle

Myelinscheide

4.7 Verschiedene Typen von Myelinisolierungen im Nervensystem. a) Isolierung eines Axons durch eine Schwann-Zelle. b) Isolierung mehrerer Axone durch eine einzelne Schwann-Zelle. c) Eine mehrlagige Myelinscheide umhüllt das Axon. d) Längsschnitt durch einen RanvierSchnürring mit Anordnung der Schwann-Zelle und der Myelinscheide. (Verändert nach Penzlin 2005).

a nichtmyelinisiertes Neuron Stromschleifen

+ + + + + 3 + + + - - - -1- - - - - + + + - - - - - 3 - - - + + + +1+ + + + + - - -

2 + + + 2 - - Richtung der Fortleitung

- - - - - - - - - + + + + + + + + + - - - + + + + + + + + + - - - - - - - - - + + + +

Repolarisation, Na+-Kanäle inaktiviert

Depolarisation, Aktionspotenzial

- - + + +

Elektrotonus, Na+-Kanäle aktivierbar

b myelinisiertes Neuron K+ 1 Reizort

RanvierSchnürring

Na+ 2

3

++ - -

- ++

++ - -

Myelin

- ++

++ - -

- ++

Axon

1

K+

2

Na+

3

4.8 Mechanismen der Erregungsleitung. Die Pfeile bedeuten Stromschleifen, die Zahlen geben die verschiedenen Phasen an. a) Vorausgreifende Stromschleifen depolarisieren eine marklose Nervenfaser. Die Erregungsleitung ist kontinuierlich. 1, gerade depolarisiert; 2, demnächst depolarisiert; 3, bereits repolarisiert. b) Saltatorische Erregungsleitung an einer markhaltigen Nervenfaser. Die Erregung springt von Schnürring zu Schnürring. 1, gerade repolarisiert; 2, gerade depolarisiert; 3, demnächst depolarisiert. (Verändert nach Engelhardt und Breves 2005.)

105

106

4. Nervengewebe und Nervensystem

auch in die andere Richtung fließen, dazu müsste die initiale Reizung aber von der anderen Seite ausgehen. Die Erregungsleitung in nichtmyelinisierten Neuronen ist wesentlicher langsamer als in myelinisierten und zur schnellen Weiterleitung nicht geeignet.

Saltatorische Erregungsleitung an myelinisierten Axonen

ä

An myelinisierten Axonen werden die APs durch die saltatorische Erregungsleitung schnell weitergeleitet. Da diese Axone durch die dicke Myelinschicht stark isoliert sind (䉴 Abb. 4.8 c), können APs nur an den Ranvier-Schnürringen entstehen, die in regelmäßigem Abstand die Isolierschicht unterbrechen. An diesen Stellen weist die axonale Membran eine besonders hohe Dichte von spannungsabhängigen Na+-Kanälen auf. Wird ein solcher Ranvier-Membranbezirk gereizt, findet eine normale AP-Bildung mit einer Depolarisation und Umpolung der Zellmembran statt (䉴 Abb. 4.8b). Dadurch entsteht eine elektrotonische Stromschleife zum nächsten Ranvier-Schnürring, die diesen dann depolarisiert und zu vollen AP-Bildung anregt. Auf diese Weise springt die Erregung verlustMarklose Nervenzellen haben keine Myelinfrei von Schnürring zu Schnürring und überwindet die isolierung. Sie leiten das Aktionspotenzial Entfernung schneller als bei einer kontinuierlichen Weiterkontinuierlich und relativ langsam. Markhaltige Nervenzellen leiten das Aktionsleitung. Auch bei dieser Form der Erregungsleitung ist potenzial durch ihre regelmäßig unterdie Richtung vorgegeben, da die bereits depolarisierten brochene Myelinisolierung saltatorisch Schnürringe repolarisieren und deshalb in der Refraktärund damit schneller. phase nicht erregbar sind.

Codierung der Information

ä

Der im Soma integrierte Informationseingang aus den vielen Dendriten ruft ein graduiertes Potenzial hervor, dessen Amplitude im Axonhügel in eine Frequenzcodierung umgesetzt wird. Die Information wird über die Anzahl der APs pro Sekunde verschlüsselt über das Axon in die synaptische Region weitergeleitet. Dort wird die AP-Frequenz wieder in ein Amplitudensignal übersetzt, indem es die Menge des aus der Präsynapse freigesetzten Im Nervensystem wird die Information der Potenzialamplitude in die Frequenz von Transmitters (Überträgerstoff) bestimmt. Je höher die APAktionspotenzialen und dann in die TransFrequenz ist, desto mehr Transmitter werden in der Symittermenge übertragen. napse durch Exocytose freigesetzt.

Mechanismen der synaptischen Signalübertragung Um Signale von einem Neuron auf eine folgende Zelle zu übertragen, besitzen Neurone eine Synapsenregion. Die Übertragung erfolgt durch elektrische oder chemische Synapsen. Elektrische Synapsen stellen Sonderfälle dar (䉴 Abb. 4.9a). Bei ihnen wird das Signal direkt elektrotonisch von einer Zelle auf die nächste übertragen. Deshalb können elektrische Synapsen auch in beide Richtungen leiten. Die überwiegende Zahl der Verbindungen im Nervensystem sind jedoch chemische Synapsen (䉴 Abb. 4.9b). Bei ihnen wird das Signal auf chemischem Wege über Transmitter weitergeleitet.

Aufbau und Funktion des Nervengewebes

107

a elektrische Synapse elektrisches Signal

elektrisches Signal

elektrisches Signal

postsynaptisches Neuron

präsynaptisches Neuron

gap junctions

b chemische Synapse elektrisches Signal

chemisches Signal

präsynaptisches Neuron

elektrisches Signal

postsynaptisches Neuron

Neurotransmitter

4.9 Vergleich von elektrischen und chemischen Synapsen. a) Elektrische Synapse. Rezeptor b) Chemische Synapse. (Verändert nach Moyes und Schulte 2007.)

Transmitter werden von der präsynaptischen Membran ausgeschüttet, diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Dies legt auch die Übertragungsrichtung fest, sodass Synapsen auch als gleichrichtende Schaltelemente in neuronalen Netzen zu betrachten sind.

Elektrische Synapsen leiten auf elektrotonischem Weg in beide Richtungen. Chemische Synapsen haben dagegen eine gleichrichtende Funktion, indem sie Transmitter verwenden und Signale nur in eine Richtung weiterleiten.

Freisetzung der Transmitter In der präsynaptischen Membran erfolgt die Transmitterausschüttung durch Exocytose. Dazu ist eine Reihe von Signalvorgängen notwendig (䉴 Abb. 4.10). Nach der Ankunft der APs im Membranbereich der Synapse werden durch die Umpolung der

ä

108

ä

4. Nervengewebe und Nervensystem

Zellmembran spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle geöffnet, die einen Ca2+-Einstrom in die Zelle generieren. Die Höhe des Ca2+-Einstroms ist dabei abhängig von der AP-Frequenz. Durch die Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration lagern sich transmittergefüllte Vesikel an die präsynaptische Membran und fusionieren mit ihr. Bei dieser Vesikelfusion docken die Vesikel mit eigenen Anhaftungsproteinen an Rezeptorproteine der Zellmembran, und es bildet sich eine Fusionspore, durch die der Transmitter in den synaptischen Spalt entlassen wird. Der Mechanismus dieser Vesikelfusion wird als SNARE-Mechanismus bezeichnet. Die Umsetzung von elektrischen Signalen über biochemische Reaktionen führt zu einer geringen Verzögerung von ca. 0,2 ms bis zur TransDie synaptische Exocytose von Transmittern mitterfreisetzung. Verschiedene Neurotoxine wie Tetanusläuft über eine Signalkaskade unter Beteiliund Botulinumtoxin blockieren die Transmitterfreisetgung von Ca2+-Ionen und wird als SNAREzung, andere Neurotoxine können die VesikelausschütMechanismus bezeichnet. tung auch steigern und die Freisetzung verstärken.

Postsynapse Präsynapse

Rezeptor 5

AP-Bildung

4 6

1

+ + ++ - ---

Na+ spannungsaktivierter Na+ -Kanal

spannungsaktivierter 2+ Ca -Kanal

Na

Exocytose 3 4

2

AP

G-Proteingesteuerter Kanal +

7 2+

Ca

(muscarinerger Kanal)

ligandengesteuerter Na+ -Kanal Na+

8

(nicotinerger Kanal)

++++ 9 Na+

AP-Bildung

spannungsaktivierter Na+ -Kanal 4.10 Signalübertragung an einer Synapse. Gezeigt ist die Ausschüttung von ACh und seine Wirkung auf zwei mögliche Rezeptortypen in der postsynaptischen Membran, einen G-Protein-gesteuerten und einen ligandengesteuerten Na+-Kanal. Zunächst schnürt sich ein transmittergefülltes Vesikel vom Golgi-Apparat ab (1) und wird zur präsynaptischen Membran transportiert (2). Ein Ca2+-Stimulus leitet die Exocytose ein (3) und ACh wird in den synaptischen Spalt ausgeschüttet (4). Es kann zum einen von einem Rezeptor in der postsynaptischen Membran gebunden werden (5), der über ein G-Protein einen Na+-Kanal aktiviert (6). Zum anderen kann ACh mit einem ligandengesteuerten Na+-Kanal interagieren (7) und über die elektrotonische Wirkung des EPSPs auf Na+-Kanäle (8) ein neues Aktionspotenzial generieren (9).

Aufbau und Funktion des Nervengewebes

109

Exzitatorische und inhibitorische postsynaptische Potenziale Die Transmittermoleküle binden und aktivieren nach der Diffusion durch den synaptischen Spalt spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Dabei gibt es für die verschiedenen Überträgersubstanzen jeweils spezifische Rezeptortypen. Früher galt die Hypothese, dass ein Neuron jeweils nur einen Typ von Transmitter ausschüttet (Dale-Prinzip). Neuerdings geht man jedoch von zusätzlichen Cotransmittern aus, nachdem man entdeckt hat, dass auch das gasförmige Stickstoffmonoxid (NO) von Neuronen abgegeben wird und ebenfalls als Transmitter wirkt.

Rezeptoraktivierung und Rezeptortypen Für die synaptische Übertragung durch Acetylcholin (ACh) gibt es zwei Rezeptortypen (䉴 Abb. 4.10). Die ACh-Moleküle können direkt an den nicotinergen AChRezeptor binden, der gleichzeitig ein Kationenkanal mit hoher Selektivität für Na+ ist. Zur Aktivierung dieses Kanals ist die Bindung von zwei ACh-Molekülen notwendig. Die zweite Möglichkeit der ACh-Wirkung zielt auf muscarinische Rezeptoren, die vorwiegend im vegetativen Nervensystem in den postganglionären Synapsen des Parasympathikus vorkommen. Der Transmitter bindet an einen muscarinischen Rezeptor, der über G-Proteine auf den Ionenkanal in der postsynaptischen Membran wirkt. Auf diese Weise kann ein Transmitter wie ACh über verschiedene Rezeptortypen unterschiedliche Wirkungen auf die Zellen im Organismus haben. Weitere Beispiele von Rezeptortypen sind die α- und β-Rezeptoren der Catecholamine (Adrenalin und Noradrenalin), die ebenfalls im vegetativen Nervensystem vorkommen. Da die Überträgerstoffe in Vesikeln von nahezu einheitlicher Größe gespeichert und abgegeben werden, wird pro exocytiertem Vesikel in etwa immer die gleiche Menge an Transmitter abgegeben. Transmitter und Cotransmitter werden, in Man bezeichnet diese Abgabe in Portionen in Analogie zur Vesikeln portioniert, als sogenannte Quanten Physik als Quanten. Ein Quant ist also die kleinstmögliche abgegeben. An der postsynaptischen Membefinden sich für einen Transmitter oft abgegebene Menge und umfasst etwa 6 000–8 000 Trans- bran mehrere Rezeptortypen. mittermoleküle. Die Überträgerstoffe häufen sich mit der Zeit im synaptischen Spalt an und müssen möglichst schnell abgebaut werden, um eine Übererregung der Synapse zu vermeiden. Der Abbau geschieht durch spezielle Enzyme, im Falle von ACh durch die Acetylcholinesterase. Sie spaltet ACh in einen Acetylrest und Cholin, das durch spezielle Transportsysteme wieder in das präsynaptische Neuron aufgenommen und zur Neusynthese von ACh verwendet wird. Im zentralen Nervensystem, z. B. im Gehirn, können die Transmitter auch von den Gliazellen aufgenommen werden. Die Bezeichnung von Synapsen erfolgt nach dem abgegebenen Transmitter, also z. B. ACh-Synapse. Aber fast alle Neurone setzen neben dem hauptsächlichen Transmitter noch andere Stoffe frei, z. B. ATP, Hormone wie Oxytocin oder auch Stickstoffmonoxid (NO). Diese Cotransmitter dienen der Modulation der synaptischen Vorgänge. Einige Synapsen setzen sogar gleichzeitig mehrere klassische Transmitter wie Glycin und Glutamat frei. Die Bindung der Transmitter an die Rezeptoren löst Ionenströme aus, die das Ruhepotenzial graduell verändern. Diese Potenzialänderungen werden als postsynap-

ä

110

tische Potenziale bezeichnet. Je nach Synapsentyp können exzitatorische postsynaptische Potenziale (EPSP) oder inhibitorische postsynaptische Potenziale (IPSP) ausgelöst werden. EPSPs werden z. B. durch den stimulierenden Neurotransmitter ACh ausgelöst, IPSPs durch den hemmenden Neurotransmitter γ-Aminobuttersäure (GABA). Diese in der unmittelbaren postsynaptischen Region erzeugten EPSPs und IPSPs wirken sich dann über elektrotonische Stromschleifen auf die übrige Zelle aus und können im Falle von EPSPs dann wieder AP-Frequenzen erzeugen. Durch den Einstrom von Na+ in die postsynaptische Zelle werden hauptsächlich EPSPs ausgelöst. Die Zelle wird depolarisiert und die Schwelle zur Auslösung von APs erreicht (䉴 Abb. 4.11a). IPSPs werden entweder durch K+-Ausstrom oder auch häufig durch Cl–-Einstrom erzeugt. Auf die Cl–-Kanäle wirkt z. B. GABA aktivierend. Dies führt zu einer Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran. Da sich das Membranpotenzial noch weiter von Je nach Art des Transmitters, fördernd oder der Schwelle entfernt, ist die Zelle nicht erregbar und es hemmend, werden an der postsynaptischen Membran exzitatorische (EPSPs) oder inhibikönnen keine APs gebildet werden (䉴 Abb. 4.11b). Wird torische Potenziale (IPSPs) ausgelöst, die eine Synapse gleichzeitig von einem erregenden und einem eine graduelle Antwort darstellen. hemmenden Neuron gereizt, wird die Information ver-

a

EPSP

+40

erregende Synapse

AP-Bildung

0

hemmende Synapse

–40

Schwelle

–80 + + K -Ausstrom Na -Einstrom

b

Reiz

0

-RP

EPSP

1

2

3 Zeit [ms]

4

5

6

+40

IPSP

erregende Synapse

hemmende Synapse

K

c

postsynaptisches Potenzial [mV]

ä

4. Nervengewebe und Nervensystem

+

Cl

–

EPSP und IPSP gleichzeitig

erregende Synapse

hemmende Synapse

0 IPSP

–40

Reiz

-RP

–80 0

1

3 2 Zeit [ms]

4

5

0 EPSP –40 Reiz

-RP

–80 +

+

K Na

K

+

Cl

6

IPSP

– 0

1

3 2 Zeit [ms]

4

5

6

4.11 Exzitatorische (EPSP) und inhibitorische (IPSP) postsynaptische Potenziale. a) Ein EPSP wird überwiegend durch Na+-Einstrom aber auch durch einen geringen K+-Ausstrom ausgelöst. Erreicht das EPSP einen Schwellenwert, entsteht ein Aktionspotenzial (rechts). b) Ein IPSP wird an einer hemmenden Synapse durch K+-Ausstrom oder durch Cl–-Einstrom erzeugt. c) Werden EPSP und IPSP gleichzeitig gebildet, können sie sich gegenseitig aufheben (rechts).

Aufbau und Funktion des Nervengewebes

rechnet und ein integrales Potenzial gebildet, das keine Erregung zur Folge hat (䉴 Abb. 4.11b). Postsynaptische Potenziale sind also graduelle integrale Reaktionen auf die ausgeschüttete Transmittermenge, die nicht nach dem Alles-oder-NichtsGesetz verlaufen.

Einteilung der Neurotransmitter Nach ihren Wirkungen lassen sich die Überträgerstoffe in exzitatorische Transmitter (z. B. Acetylcholin, Glutamat, Noradrenalin) oder inhibitorische Transmitter (z. B. γ-Aminobuttersäure) einteilen. Im Organismus gibt es jedoch viel mehr Überträgerstoffe, von denen einige in Tabelle 4.1 aufgeführt sind. Neben dieser Einteilung nach funktionellen Aspekten lassen sich Transmitter auch nach ihrer chemischen Struktur unterteilen. Danach unterscheidet man cholinerge Transmitter (ACh), aminerge Transmitter (Noradrenalin, Dopamin, Serotonin, GABA, Glutamat) und Neuropeptide (ADH, Oxytocin, Endorphine, Gastrin, Angiotensin, Prolaktin, Enkephaline).

Tabelle 4.1 Einteilung der Neurotransmitter. ionotrop, ligandengesteuert; metabotrop, GProtein-vermittelte Wirkung über Second Messenger. Transmittergruppe

Transmitter

Rezeptorsubtypen

Rezeptorart

Second Messenger

Acetylcholin

Acetylcholin

nicotinerg muscarinerg

ionotrop metabotrop

– IP3 /DAG

Catecholamine

Adrenalin Noradrenalin Serotonin (5-Hydroxytryptamin) Dopamin

α1–2 β1–3 5-HT1–7

metabotrop metabotrop ionotrop (HT3), sonst metabotrop metabotrop

cAMP, IP3 cAMP, IP3 cAMP, IP3

GABA (γ-Aminobuttersäure)

GABAA GABAB GABAC – AMPA, Kainat, NMDA

ionotrop metabotrop ionotrop ionotrop ionotrop

– cAMP – – –

metabotrop

cAMP

Aminosäuren

Glycin Glutamat

Peptide

Enkephaline Opiodpeptide Substanz P

D1, D2, D5

Morphinrezeptoren μ, δ, κ

cAMP

111

112

4. Nervengewebe und Nervensystem

Verarbeitung der postsynaptischen Potenziale (PSP)

ä

Wie in Abbildung 4.11 gezeigt, hängt die Höhe der graduierten Antwort der postsynaptischen Membran von der Qualität (hemmend oder fördernd) der eingehenden Transmitter ab. Daneben spielen aber auch noch andere Faktoren eine Rolle. Bei der zeitlichen Integration von PSPs kann es zu einer Summation der eingehenden Impulse kommen. Gehen zwei Impulse kurz nacheinander ein, bleiben beide unterschwellig und lösen kein AP aus. Ein kurz danach eingehender dritter Impuls summiert dagegen das EPSP und erzeugt ein AP. Bei der räumlichen Summation können die PSPs von zwei oder mehreren Synapsen in einem benachbarten Dendritenbereich integriert werden. Dabei kann es durch das Zusammentreffen von zwei exzitatorischen Synapsen zur Summation von zwei EPSPs kommen, die dann zusammen den Schwellenwert überschreiten und ein AP auslösen. Es können aber auch EPSPs und IPSPs verrechnet werden, sodass kein AP generiert wird. Ein Transmitter kann, je nach Vorkommen der postsynaptischen Rezeptortypen, schnelle oder langsame postsynaptische Potenziale auslösen. Der exzitatorische Transmitter Glutamat wirkt z. B. auf drei mögliche Rezeptortypen (metabotrope Rezeptoren), die in zwei funktionelle Gruppen eingeteilt werden. Dies sind die NMDA-Rezeptoren (N-Methyl-D-aspartat) und die non-NMDA-Rezeptoren AMPA und Kainat/Quisqualat. Sind alle drei Rezeptortypen in einer Synapse vorhanden, dann erregt Glutamat zunächst die non-NMDA-Rezeptoren, und es kommt durch eine Depolarisation zu einem schnellen EPSP. Erst durch diese Depolarisation werden dann die NMDA-Rezeptoren aktiviert, die einen zusätzlichen Ca2+-Einstrom hervorrufen (䉴 Abb. 4.12), nachdem die depolarisierende Wirkung den extrazellulären Mg2+-Block dieser Kanäle aufgehoben hat. Damit kommt es zu einer zusätzlichen langsamen Komponente des EPSP, das auch bei den Mechanismen der Gedächtnisbildung eine wichtige Rolle spielt. Als Cotransmitter an NMDA-Kanälen ist dazu auch noch die Aminosäure Glycin notwendig. Glycin wirkt auch als Transmitter auf Cl–-Kanäle und induziert einen Cl–-Einstrom, der postsynaptisch zu einem IPSP und zu einer Hemmung führt. Postsynaptische Potenziale (PSPs) werden Neben der zeitlichen und räumlichen Integration spielen zeitlich und räumlich integriert. Erst wenn ihre graduelle Höhe die Schwelle überalso auch die funktionelle Bestückung der postsynaptischreitet, wird elektrotonisch ein Aktionsschen Membran mit verschiedenen Rezeptortypen und potenzial ausgelöst. ionale Cofaktoren eine wichtige Rolle.

Präsynaptische Modulation, Divergenz und Konvergenz Die übertragene Information kann aber auch schon auf der präsynaptischen Ebene moduliert werden. Hier kann das Signal verstärkt oder gehemmt werden. Eine präsynaptische Signalverstärkung kommt hauptsächlich durch eine Steigerung des Ca2+-Einstroms zustande. Dies kann z. B. durch das Schließen von präsynaptischen K+-Kanälen erreicht werden, weil dadurch das ankommende AP und die zur Öffnung der Ca2+-Kanäle notwendige Depolarisation länger anhalten. Eine präsynaptische Hemmung von Signalen kann durch eine in der präsynaptischen Membran zusätzlich vorhandene Synapse erfolgen. Hat diese einen hemmenden Einfluss, so wird die Transmitterausschüttung verringert. Dies führt bei einer exzitatorischen Synapse zur

113

Aufbau und Funktion des Nervengewebes

Induktion der LTP

normale Übertragung Nervenendigung

AP-Serie

AP

retrograder Botenstoff NO ? Glu Glu + Na

Glu Glu Glu Glu Glu Glu

Glu 2+ Glu Mg

Glu + Na

+ Na

Ca

2+ 2+ Mg

NMDARezeptor

A/KRezeptor K

+ K 2+

+

K

+

Ca

Dornfortsatz

Enzyminduktionen

Dendrit

4.12 Langzeitpotenzierung (LTP) und Mechanismen der Gedächtnisbildung. Auf der linken Seite ist eine normale synaptische Übertragung durch Glutamat dargestellt. Glutamat (Glu) aktiviert den A/K-Rezeptor, während der NMDA-Rezeptor noch durch extrazelluläres Mg2+ blockiert bleibt. Auf der rechten Seite ist eine Induktion der Langzeitpotenzierung (LTP) dargestellt. Durch wiederholte Reizung des A/K-Rezeptors erhöht sich die intrazelluläre Ca2+Konzentration, worauf über Enzyminduktion das gasförmige NO gebildet wird. Es dient als retrograder Botenstoff und führt zur Ausschüttung von noch mehr Glutamat. Dies löst schließlich den Mg2+-Block am NMDA-Rezeptor, sodass dieser auch als offener Ionenkanal für den Einstrom von Na+- und Ca2+-Ionen dienen kann. (Verändert nach Schmidt, Lang und Thews 2005.)

Hemmung, bei einer inhibitorischen Synapse aber zur Verstärkung der Signalübertragung. Durch die räumliche Anordnung von Nervenzellen und ihrer synaptischen Verschaltungen können sich Signale weiträumig verbreiten (Divergenz) oder auch umgekehrt von Auch im präsynaptischen Bereich können die moduliert werden. In Nervennetzen vielen erregten Neuronen auf einige wenige Nervenzellen Signale verbreiten sich die Signale divergent oder fokussiert werden (Konvergenz). Dieses Verschaltungsprin- konvergent. zip ist weit verbreitet, vor allem in der Sinnesphysiologie.

Mechanismen der Gedächtnisbildung Durch mehrfach und ständig wiederholte Reizung wird eine Synapse zu einer besonderen Eigenschaft stimuliert, der Kurz- oder Langzeitspeicherung von Information.

ä

114

ä

4. Nervengewebe und Nervensystem

Diese beiden Mechanismen werden als posttetanische Potenzierung und Langzeitpotenzierung (LTP) bezeichnet. Eine Kurzzeitspeicherung der Signalverschaltung erfolgt bereits nach einer tetanischen Stimulation der Synapse. Hierbei gehen die APs in so schneller Folge ein, dass sich das EPSP durch ständige Transmitterausschüttung immer mehr erhöht. Dieser Effekt wird schon in der präsynaptischen Zelle hervorgerufen, da die hoch frequenten APs eine dauerhaft erhöhte intrazelluläre Ca2+-Konzentration hervorrufen. Sie bewirkt eine ständige Transmitterausschüttung, die einige Minuten anhalten kann. Bei der Langzeitpotenzierung (䉴 Abb. 4.12) spielen dagegen prä- und postsynaptische Mechanismen in Form einer Rückkopplung zusammen. Diese Mechanismen sind in den bereits erwähnten Synapsen mit parallelen non-NMDA-Rezeptoren (A/KRezeptor) und Mg2+-blockierbaren NMDA-Rezeptoren ausgeprägt. Dazu wird im Vergleich zur normalen Übertragung (䉴 Abb. 4.12, links), bei der nur der A/K-Rezeptor durch Glutamat erregt wird, nach ständiger Reizung die Ca2+-Konzentration in der postsynaptischen Zelle erhöht. Dies führt zu einer enzymatisch verursachten Freisetzung von Stickstoffmonoxid (NO) aus der Zelle. Diese gasförmige Substanz wirkt als retrograder Botenstoff auf die präsynaptische Zelle zurück und verstärkt dort die Glutamatausschüttung. Infolgedessen wird die Mg2+-Blockierung des NMDA-Kanals aufgehoben und Ca2+ strömt verstärkt in die postsynaptische Zelle. Dadurch wird weiteres NO freigesetzt, das wieAn den Vorgängen des Lernens und der der auf die Präsynapse wirkt usw. Auf diese Weise kommt Gedächtnisbildung sind posttetanische es zu einem zyklischen Informationsfluss in der Synapse, Potenzierung und Langzeitpotenzierung die ständig erregt bleibt. Die postsynaptische Nervenzelle (LTP) beteiligt. Mithilfe dieser synaptischen Mechanismen kann die Erregung für einige bleibt somit über Stunden oder Tage erregt, ein MechaZeit in einem Neuronennetz gespeichert nismus, dem man eine wichtige Rolle beim Lernen und werden. bei der Gedächtnisbildung im Gehirn zuschreibt.

Ausschüttung von Neurohormonen

ä

Im Nervensystem können neurosekretorische Zellen Stoffe synthetisieren, die sie als Neuropeptide oder Neurohormone in den Blutkreislauf abgeben. Die Sekretion dieser Hormone erfolgt bei diesen Zellen in Form von Vesikeln, die mit bis zu 400 nm Durchmesser allerdings wesentlich größer sind als synaptische Vesikel, die nur etwa maximal 60 nm Durchmesser erreichen. Außerdem werden Neurohormone im Soma der neurosekretorischen Zellen gebildet und nicht in der synaptischen Region. In dieser Region werden sie allerdings oft zusammen mit anderen Transmittern durch Exocytose abgegeben. Um in die Synapsenregion zu gelangen, werden die Neurohormone über axonale Transportsysteme vom Soma zur Synapse transportiert. Dabei werden die Vesikel von Elementen des Cytoskeletts (Motorproteine) transportiert. Oft enden die Axone neurosekretoNeurosekretorische Zellen bilden Neurorischer Zellen in einem Neurohaemalorgan, wo die Neupeptide und Neurohormone, die lokal im rohormone in einen stark kapillarisierten interstitiellen Gewebe wirken oder über den Blutkreislauf Raum abgegeben werden, von wo sie zu den Zielorganen im Organismus zirkulieren. gelangen. Ein wichtiges Beispiel für einen solchen neuro-

Aufbau des Nervensystems

Tabelle 4.2

115

Einige Neuropeptide und Neurohormone.

Substanz

Wirkungsort

Wirkungsweise

antidiuretisches Hormon Epithelzellen von Niere und (ADH, Vasopressin) Darm

erhöht die Wasserresorption

Oxytocin

glatte Muskulatur

löst Wehen und Milchejektion aus

Angiotensin II

glatte Muskulatur der Gefäße

erhöht Blutdruck

Somatostatin

Gewebshormon, Pankreas

hemmt die Insulin- und Glucagonausschüttung

vasoaktives intestinales Peptid (VIP)

Darm, glatte Muskulatur

hemmt Motorik und Magensekretion, erweitert Blutgefäße

Neuropeptid Y (NPY)

Gehirn, peripheres NS, glatte Muskulatur

steuert Hunger, Angst, Blutgefäße, Darmmotorik

sekretorischen Bereich im Nervensystem ist das Hypothalamus-Hypophysen-System im Gehirn, das in Kapitel 7 besprochen wird. Tabelle 4.2 führt einige Neurohormone und Neuropeptide auf. Andere im Gehirn abgegebene Neuropeptide sind Enkephaline und Endorphine. Letztere werden auch als körpereigene Opioide bezeichnet.

Aufbau des Nervensystems Zentrales Nervensystem Das zentrale Nervensystem (ZNS) umfasst das Gehirn und das Rückenmark, die beide im Verlauf der Embryogenese aus dem Neuralrohr entstehen. Es steuert und koordiniert über das periphere Nervensystem und in Zusammenarbeit mit dem vegetativen Nervensystem die Funktion der Organe. Im ZNS befinden sich bei Säugetieren etwa 10 Mrd. Neurone, die in einem komplexen Netzwerk interagieren.

Aufbau und Funktion des Gehirns In Abbildung 4.13 ist das menschliche Gehirn in seinem Aufbau mit einigen seiner Areale dargestellt. Zum Gehirn gehört das Großhirn (Neocortex), das Kleinhirn (Cerebellum), das Mittelhirn (Mesencephalon), der Thalamus, das limbische System, die Basalganglien und die Medulla oblongata als Übergang zum Rückenmark. Nicht alle diese Gehirnteile sind in der Abbildung (Seitenansicht) zu sehen, da

Zum zentralen Nervensystem (ZNS) gehören Gehirn und Rückenmark. Das ZNS steuert über das periphere Nervensystem und in Zusammenarbeit mit dem vegetativen Nervensystem die Funktion aller Organe.

ä

116

4. Nervengewebe und Nervensystem

Sulcus centralis somatosomatosensorischer motorischer Cortex Cortex prämotorischer Cortex

accessorischer somatosensorischer Cortex

P

F

primärer visueller Cortex

BrocaAreal

O T

4.13 Aufbau des menschlichen Gehirns. Darstellung verschiedener Cortexareale. F, Lobus frontalis; P, Lobus parietalis; O, Lobus occipitalis; T, Lobus temporalis. (Verändert nach Penzlin 2005.)

Bulbus olfactorius Cerebellum WernickeAreal Stammhirn

einige von ihnen im Inneren des Gehirns liegen. Im Folgenden werden die wesentlichen Funktionen dieser Gehirnteile kurz beschrieben.

ä

Aufbau des Großhirns Das Großhirn überlagert als größter Gehirnteil die anderen Gehirnabschnitte und überdeckt Mittelhirn und Zwischenhirn. Es ist zuständig für die höheren Gehirnfunktionen und besteht aus der Großhirnrinde (graue Substanz), den Leitungsbahnen (weiße Substanz) und den Großhirnkernen (tief liegende graue Substanz). Die Großhirnrinde besteht aus einer etwa 4 mm dicken Schicht aus Neuronen an der äußeren Oberfläche des Großhirns. Sie ist in Furchen (Sulci) und aufgefaltete Hirnwindungen (Gyri) strukturiert, um die Hirnoberfläche zu vergrößern. Das Großhirn ist in der Mitte durch die Längsfurche (Fissura longitudinalis) in die rechte und linke Gehirnhälfte (Hemisphäre) unterteilt. In der Tiefe verbindet der Balken (Corpus callosum) die beiden Hemisphären mit einem quer verlaufenden Fasersystem. Weitere Fissuren unterteilen das Großhirn in vier Großhirnlappen (Lobi). Das sind die Zentralfurche (SulDas Großhirn liegt über den anderen cus centralis), die den Stirnlappen (Lobus frontalis) vom Gehirnteilen, und seine Oberfläche durchScheitellappen (Lobus parietalis) abgrenzt. Seitlich verziehen viele Furchen und Windungen. läuft eine Furche (Sulcus lateralis), die den SchläfenDadurch erhöht sich die Menge der grauen Substanz der Hirnrinde und die Anzahl der lappen (Lobus temporalis) vom Scheitellappen trennt. Neuronen enorm. In der darunterliegenden Schließlich wird der Hinterhauptlappen (Lobus occipitaweißen Substanz verlaufen die Leitungslis) durch die Scheitelhinterhauptfurche (Sulcus pariebahnen. tooccipitalis) nach vorne abgegrenzt. Die graue Substanz der Großhirnrinde beinhaltet etwa 70% aller Neurone des Gehirns, die in sechs Schichten übereinander angeordnet sind. Funktionell sind Neurone mit gemeinsamen Aufgaben in Rindenfeldern zusammengefasst (䉴 Abb. 4.13). Man unterscheidet die motorischen Rindenfelder, deren Neurone die Skelettmuskeln des Körpers ansteuern, die sensorischen Rindenfelder, deren Neurone die ein-

Aufbau des Nervensystems

117

Mantelkante Großhirn

Balken

Thalamus

Zwischenhirn

3. Ventrikel Zirbeldrüse (Epiphyse)

Sulcus

Mittelhirn Aquädukt

Gyrus Adhaesio Sehnerv Hypointerthalamica physenstiel

Kleinhirn 4. Ventrikel Hypophyse Brücke

verlängertes Mark (Medulla oblongata)

4.14 Saggitalschnitt durch das menschliche Gehirn. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

gehenden Sinneseindrücke verarbeiten, und die Assoziationsfelder, deren Neurone die Signale der verschiedenen Felder bündeln und zu Reaktionen zusammenfassen. Die weiße Substanz des Großhirns wird durch drei Arten von Nervenfaserbündeln dargestellt. Kommissurenbahnen wie der Balken (䉴 Abb. 4.14) verbinden die beiden Hemisphären. Bei Durchtrennung des Balkens werden Sinneseindrücke falsch interpretiert (Split-Brain-Patienten; Funktionell ist das Großhirn in Rinden- und 䉴 Abb. 4.15). Assoziationsbahnen verbinden Rindenfelder innerhalb einer Hemisphäre, und Projektionsbahnen ver- Assoziationsfelder aufgeteilt, die über Kommissuren, Assoziationsbahnen und Projekbinden das Großhirn mit anderen Gehirnteilen und dem tionsbahnen verbunden sind. Rückenmark. Motorischer Cortex und Pyramidenbahnsystem Die motorischen Rindenfelder werden in primäre Rindenfelder und sekundäre Rindenfelder eingeteilt. Während in den primären Rindenfeldern die Neurone direkt mit den einzelnen Muskeln der Peripherie verbunden sind, werden in den sekundären Rindenfeldern Muster gespeichert, die zum Ausführen komplexer Handlungen wie dem Schreiben notwendig sind. Sie sind deshalb über Assoziationsfasern verbunden. Der primäre motorische Cortex (䉴 Abb. 4.16b) ist in der vorderen Zentralwindung (Gyrus praecentralis) lokalisiert, die sich vor der Zentralfurche (Sulcus centralis) befindet (䉴 Abb. 4.13). Dort hat jede einzelne Muskelgruppe ihren Bereich, der allerdings in seiner Ausdehnung sehr unterschiedlich ist. Die Ausdehnung entspricht

ä

118

4. Nervengewebe und Nervensystem

rechtes Gesichtsfeld: männliches Gesicht

linkes Gesichtsfeld: weibliches Gesicht

4.15 Optische Signalverarbeitung bei einem Split-Brain-Patienten. Dem Patienten wird eine aus zwei Fotos zusammengesetzte chimäre Person gezeigt. Entsprechend der afferenten Projektion des optischen Signals mit teilweiser Kreuzung der Bahnen im Chiasma opticum sieht die linke Hemisphäre das Gesicht eines Mannes und die rechte Hemisphäre das Gesicht einer Frau, jeweils als Vollbild. Auf Nachfrage dominiert die linke Hemisphäre in der verbalen Äußerung und benennt einen Mann. (Verändert nach Klinke, Pape und Silbernagl 2005.)

Mann

linke Hemisphäre

a sensorischer Cortex (Gyrus postcentralis) Ellenbogen Schulter Kopf Vorderarm Nacken Handgelenk Hüfte Finger Beine Füße Augen Zehen Nase Genitalien Gesicht Lippen

rechte Hemisphäre

b motorischer Cortex (Gyrus praecentralis) Schulter Hüfte Handgelenk Rumpf Hand Ellbogen Knie

kleiner Finger Mittelfinger Zeigefinger Daumen Nacken Augenbraue Augenlid und Augapfel Gesicht Lippen

Fußgelenk Zehen

Zähne, Gaumen Kiefer

Kiefer Zunge

Zunge Kehlkopf Intraabdominal

Schlucken

Kortikobulbärtrakt Medulla oblongata

Hinterstrangbahn

Thalamus

Vorderstrangbahn

Kleinhirn lateraler Kortikospinaltrakt Rückenmarkskleinhirnbahn

ventromedialer Kortikospinaltrakt

4.16 Primärer sensorischer und motorischer Cortex. Die Körperregionen sind nicht gleichmäßig in den Rindenarealen abgebildet, sondern entsprechend der Dichte der Rezeptoren bzw. der feinmotorischen Fähigkeit. Die Kortikospinalbahnen ziehen von der Rinde zum Rückenmark. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Aufbau des Nervensystems

Großhirn

primäres motorisches Rindenfeld Schweifkern

Balken

(Nucleus caudatus)

Thalamus

Mittelhirn

119

innere Kapsel (Capsula interna) Globus Schalenkern pallidus (Putamen) Linsenkern (Nucleus lentiformis)

Substantia nigra Hirnschenkel (Crus cerebri)

Rückenmark

Pyramidenkreuzung im verlängerten Mark (Medulla oblongata)

Pyramidenseitenstrangbahn (Tractus corticospinalis lateralis)

4.17 Verlauf der Pyramidenbahnen. Die Pyramidenbahn verläuft vom motorischen Cortex abwärts durch die Capsula interna weiter durch das Stammhirn in die Medulla oblongata. Dort kreuzen 80% der Fasern zur Gegenseite. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

dem Ausmaß in dem die betreffenden Muskelgruppen zur Feinmotorik beitragen. So sind die Handmuskeln des abgebildeten Homunkulus besonders groß dargestellt (䉴 Abb. 4.16b). Vom primären Motorcortex ziehen die Pyramidenbahnen (䉴 Abb. 4.17) über die innere Kapsel (Capsula interna) zu den motorischen Kernen (Fibrae corticonucleares) und zum Rückenmark (Fibrae corticospinales). Im verlängerten Mark (Medulla oblongata) kreuzt die Mehrzahl der Pyramidenbahnen auf die andere Seite und verläuft als Pyramidenseitenstrangbahn (Tractus corticospinalis lateralis) im Rückenmark zur motorischen Peripherie. Das pyramidale Leitungssystem steuert die bewussten Muskelbewegungen. Die unbewussten Muskelbewegungen werden dagegen über die extrapyramidalen Bahnen gesteuert. Die Fasern dieses Leitungssystems verlaufen ebenfalls vom Gehirn zum Rückenmark, allerdings außerhalb der Pyramidenbahnen. Die Neurone dieses Leitungssystems liegen im Stammhirn und in den Basalganglien des Großhirns. Sie verbinden Großhirnareale mit dem Kleinhirn, dem optischen System und dem Gleichgewichtssinn. Die Funktion des extrapyramidalen Systems läuft parallel zu den pyramidalen Funktionen, steuert den Der motorische Cortex steuert WillkürbeweMuskeltonus und moduliert die Willkürbewegungen. über die Pyramidenbahnen. UnwillIn den sekundären motorischen Rindenfeldern sind gungen kürliche Muskelbewegungen werden dagekomplizierte Bewegungsabläufe gespeichert, z. B. für Spra- gen über extrapyramidale Bahnen gesteuert. che in dem Broca-Areal (䉴 Kap. 1; 䉴 Abb. 4.13). Somatosensorischer Cortex Hinter dem Sulcus centralis befindet sich der Gyrus postcentralis (䉴 Abb. 4.13), der als somatosensorischer Cortex bezeichnet wird (䉴 Abb. 4.16a). In den Arealen die-

ä

120

ä

4. Nervengewebe und Nervensystem

ses primären sensorischen Rindenfeldes werden die Sinneseindrücke aus der Körperperipherie verarbeitet. Die Areale werden von Neuronen versorgt, die nicht ganz bis zum Rückenmark ziehen, sondern vorher umgeschaltet werden. Sie treffen auf die Hinterstrangbahnen (Fasciculus cuneatus und graciles), die Druck, Tiefensensibilität, Vibration und Tastempfindungen vermitteln. Die Umschaltung erfolgt dabei in der Medulla oblongata, in den Kernen Nucleus gracilis und Nucleus cuneatus. Das Hinterstrangbahnsystem wird auch als lemniscales System bezeichnet. Weitere Verschaltungen, die grobe Tast- und Druckempfindungen vermitteln, ziehen zur Vorderstrangbahn (Tractus spinothalamicus anterior). Zusammen mit dem seitlichen Strang (Tractus spinothalmicus lateralis), der Schmerz und Temperatur vermittelt, werden diese Bahnen im Thalamus umgeschaltet. Sie werden auch als extralemniscales System bezeichnet. Weitere neuronale Verbindungen kommen aus den Trigeminusganglien, die die Kopf- und Gesichtsregion versorgen. Der Homunkulus in Abbildung 4.16a zeigt, dass auch Der somatosensorische Cortex verarbeitet Sinneseindrücke aus der Körperperipherie. für den somatosensorischen Bereich die einzelnen KörperIn seinen Arealen sind die Körperregionen regionen in speziellen Regionen repräsentiert sind, deren proportional zur Rezeptordichte repräsenGröße von der Rezeptordichte, d. h. der Empfindlichkeit tiert. der Körperareale, abhängt. Basalganglien Tief in Groß- und Zwischenhirn liegen Stammganglien (Basalganglien), die als oberste Steuerungseinheit des extrapyramidalen Systems fungieren (䉴 Abb. 4.18). Zu ihnen gehört der Streifenkörper (Corpus striatum), der auf der Ebene der inneren Kapsel durch die Pyramidenbahnen in zwei Kerngebiete aufgeteilt wird, den Schweifkern (Nucleus caudatus) und den Schalenkern (Putamen). Weitere Basalganglien sind der Mandelkern (Corpus amygdaloideum) und der blasse Kern (Globus palli-

graue Substanz weiße Substanz

4.18 Lage der Basalganglien im Gehirn. Schweif- und Schalenkern werden als Streifenkörper zusammengefasst. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Thalamus Balken (Corpus callosum)

Mandelkern (Corpus amygdaloideum)

Pyramidenbahn

Hypothalamus

Schweifkern (Nucleus caudatus)

Schalenkern (Putamen)

Globus pallidus

Aufbau des Nervensystems

121

dus). Funktionsausfälle der Basalganglien führen zu Störungen der Bewegungsabläufe und unwillkürlichen Muskelbewegungen wie beim Parkinson-Syndrom. Limbisches System Das limbische System ist für Gefühlsregungen (Wut, Freude, Trauer, Erregung) verantwortlich. Es umfasst als funktionelle Einheit Strukturen aus mehreren Gehirnteilen (䉴 Abb. 4.19). Dazu gehören der Mandelkern (Corpus amygdaloideum), der Hippocampus (Ammonshorn) sowie verschiedene Bereiche des Hypothalamus, z. B. die Mammillarkörper (Corpora mammilaria), und eine gewölbte Faserbahn (Fornix). Das limbische System spielt eine wichtige Rolle für das Gedächtnis und beein- Im limbischen System werden Gefühle verflusst über den Hypothalamus auch Organfunktionen und arbeitet sowie neuronale Signale in das Gedächtnis geleitet. Es steht auch in enger endokrine Regulationen. Es hat auch eine Verbindung zum Verbindung zum endokrinen System. Riechhirn (䉴 Abb. 4.19). Zwischenhirn Zwischen dem Großhirn und dem Stammhirn befindet sich als Schaltstelle das Zwischenhirn (Diencephalon). Es besteht aus dem Thalamus, dem Hypothalamus und der Hypophyse. Weitere Bereiche des Zwischenhirns sind die Epiphyse (Zirbeldrüse) und Randgebiete des Thalamus. Der Thalamus besteht aus vielen Neuronenkernen, von denen besonders der vordere Thalamuskern groß ausgebildet ist (䉴 Abb. 4.19). Über den Thalamus laufen alle sensorischen Signale aus dem Körper und der Außenwelt, bevor sie über weitere Bahnen in das Großhirn oder das limbische System geleitet werden. Dabei wirkt der Thalamus als Filter und lässt nur wichtige Signale in das Großhirn und das Bewusstsein passieren. Die anatomische Lage von Hypothala-

vorderer Balken Thalamuskern (Corpus callosum)

Schweifkern (Nucleus caudatus) Fornix

Mammillarkörper Hippocampus (Ammonshorn)

Riechkolben Hypophyse

Stammhirn

Tractus olfactorius Mandelkern Hypothalamus

4.19 Das limbische System. Die Strukturen des limbischen Systems umgeben den Balken und das Stammhirn. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

ä

122

4. Nervengewebe und Nervensystem

mus und Hypophyse sind in Abbildung 4.14 dargestellt. Ihre Funktion wird in Kapitel 7 (Endokrinologie) besprochen.

ä

Stammhirn Der anatomisch unterste Gehirnteil ist das Stammhirn, das aus dem Mittelhirn, der Brücke und dem verlängerten Mark besteht (䉴 Abb. 4.14). Das Stammhirn enthält hauptsächlich Leitungsbahnen (weiße Substanz), in die aber auch einige Neuronengruppen (graue Substanz) eingelagert sind. Das Mittelhirn (Mesencephalon) ist ein kleiner Bereich zwischen Brücke und Zwischenhirn. Es besteht aus dem Mittelhirndach (Tectum mesencephali), das die Vierhügelregion (Tectum optici) enthält, die als Reflexzentrum für optische und akustische Reize dient. Im hinteren Teil liegt die Mittelhirnhaube (Tegmentum mesencephali), aus der zwei Hirnnerven entspringen. Außerdem liegen hier auch die Kerngebiete des extrapyramidalen Systems, die als schwarzer Kern (Substantia nigra) und roter Kern (Nucleus ruber) bezeichnet werden und Schaltzentrum für unwillkürliche reflexartige Bewegungen sind. Ihre Funktion ist beim Parkinson-Syndrom gestört. Im verlängerten Mark (Medulla oblongata) verlaufen die Leitungsbahnen vom Gehirn zum Rückenmark (䉴 Abb. 4.14). Hier kreuzen die Pyramidenbahnen, die von den Hemisphären kommen, auf die jeweils andere Körperseite. Außerdem enthält die Medulla oblongata verschiedene wichtige Regulationszentren wie das Atemzentrum, das Herz-Kreislauf-Zentrum sowie Kerngebiete verschiedener Hirnnerven. Diese Zentren steuern die vegetativen Vitalfunktionen des Körpers, sogar noch bei Ausfall des Großhirns (apallisches Syndrom), bei dem die Patienten ohne höhere Gehirnfunktion im Koma weiterleben. Netzartige Neuronenverbände des Stammhirns und des Zwischenhirns steuern das Bewusstsein, den Schlaf-Wach-Rhythmus und den Biorhythmus. Diese übergreifenden funktionellen Neuronenverbände werden als Formatio reticularis bezeichnet. Sie steuern die Bewusstseinslage, die von tiefem Schlaf über normale bis zur gespannten Aufmerksamkeit variieren kann. Bewusstseinsstörungen können durch Alkohol, Drogen und Medikamente verursacht werden und von leichter Benommenheit bis zu völliger Bewusstlosigkeit (Koma) reichen. Bewusstseinsstörungen können aber auch Bewusstseinsveränderungen sein, bei denen die Patienten ihr Bewusstsein anders erleben wie bei Halluzinationen (Trugbildern) oder im Delirium. Eine normale, zeitweilige Bewusstlosigkeit ist der Schlaf, der zur Regeneration der Körperfunktionen wichtig ist. Man unterscheidet verschiedene Stadien, die während des Schlafs im Laufe der Nacht durchlaufen werden. In einigen Schlafphasen bewegen sich die Augäpfel sehr schnell. Diese Phasen werden als REM (rapid eye movements) bezeichnet. Sie wechseln sich etwa stündlich mit non-REM-Schlaf-Phasen ab. Der Tag-Nacht-Rhythmus von Wachen und Schlafen wird von einer zentralen inneren Uhr in den Kerngebieten des Thalamus reguliert und durch externe Zeitgeber (Licht) zu einem circadianen Rhythmus (24-Stunden-Rhythmus) synchronisiert. Entsprechend diesem Bereiche des Zwischenhirns und des Stammhirns steuern Bewusstsein, Schlaf und BioRhythmus werden viele Körperfunktionen (Hormonprorhythmen. Die Kerngebiete des Mittelhirns duktion, Blutdruck, Körpertemperatur) ebenfalls rhythsteuern Bewegungsreflexe und sind beim misch verändert. Parkinson-Syndrom gestört.

Aufbau des Nervensystems

123

Kleinhirn Unterhalb des Hinterhauptlappens des Großhirns liegt das Kleinhirn (Cerebellum) in der hinteren Schädelgrube (䉴 Abb. 4.14). Es besteht aus einem Mittelteil und zwei Hemisphären, und seine Oberfläche zeigt viele feine Windungen und Furchen. Die Kleinhirnrinde besteht aus grauer Substanz und ist nur ca. 1 mm dick. Im Inneren des Kleinhirns befinden sich die Fasern der weißen Substanz, in die beidseits je vier Kleinhirnkerne eingebettet sind. Das Kleinhirn ist ein Kontrollorgan der Willkürmotorik. Es erhält Afferenzen aus dem Rückenmark und dem Cortex, und seine Efferenzen gehen über den Thalamus zum Cortex, zum Mittelhirn und zur Medulla oblongata. Besonders eng arbeitet es mit dem Das Kleinhirn ist ein Kontrollorgan der Willmotorischen Cortex zusammen, um komplizierte Bewe- kürmotorik. gungsabläufe zu koordinieren. Hirnnerven Zu den Hirnnerven gehören alle Nervenstränge, die oberhalb des Rückenmarks aus dem ZNS austreten. Definitionsgemäß gehören sie daher zum peripheren Nervensystem (s. Abb. 4.24). Es gibt zwölf Paare von Hirnnerven, die den Kopf- und Halsbereich, die Sinnesorgane des Kopfes und die inneren Organe versorgen. Sie werden entsprechend ihrer Austrittstelle von oben nach unten mit römischen Ziffern nummeriert. Ihr Ziel und ihre Funktion zeigt Tabelle 4.3. Liquorräume, Hirnhäute und Blutversorgung des Gehirns Gehirn und Rückenmark werden von den Schädelknochen und den Wirbelkörpern geschützt. Außerdem sind sie von drei bindegewebigen Hirnhäuten (Meningen) umgeben. Dicht am Knochen liegt die Dura mater (harte Hirnhaut). Zwischen ihr und der Arachnoidea (Spinnwebhaut) befindet sich im Rückenmark der Epiduralraum, der Fett und Bindegewebe als Polster enthält, im Gehirn liegt zwischen den beiden Hirnhäuten der Subduralraum. Zum Gehirn und Rückenmark hin liegt die blutgefäßreiche Pia mater (zarte innere Hirnhaut) und dazwischen der mit Liquor gefüllte Subarachnoidalraum (䉴 Abb. 4.20). Die Gehirnflüssigkeit (Liquor cerebrospinalis) ist eine klare, farblose Flüssigkeit, deren geringes Volumen (150 ml) außer Ionen auch geringe Mengen an Glucose, Proteinen und weißen Blutkörperchen enthält. Der Liquor befindet sich in den Hohlräumen des Gehirns, die aus vier Ventrikeln bestehen (䉴 Abb. 4.21). Es gibt zwei lange bogenförmige Seitenventrikel (erster und zweiter Ventrikel), den kleineren dritten Ventrikel im Zwischenhirn und den vierten Ventrikel im Mittelhirn, der in den Rückenmarkkanal übergeht und auch eine Verbindung (Foramen Magendii) zum Subarachnoidalraum hat. Alle vier Ventrikel sind miteinander verbunden. Liquor wird durch ein Kapillargeflecht (Plexus choroideus) in den Ventrikeln gebildet und von den Zotten der Arachnoidalhaut in das Venensystem abgeleitet (䉴 Abb. 4.20). Der Liquorraum dient als Schutz vor mechanischen Beschädigungen, fungiert aber auch als Austauschsystem zwischen Blut und Nervensystem und schützt das Nervensystem durch eine funktionelle Barriere (Blut/Hirn-Schranke) vor schädigenden Stoffen. Bei Erkrankungen des Nervensystems kann der Liquor im Bereich der Lendenwirbel durch Lumbalpunktion auf seine chemische Zusammensetzung untersucht werden. Besteht zwischen Liquorbildung und Abfluss ein Ungleichgewicht, kann sich der

ä

124

4. Nervengewebe und Nervensystem

Tabelle 4.3

Die Gehirnnerven.

Nr.

Bezeichnung

Funktion

Ort

I

N. olfactorius

sensibel, vom Riechepithel kommend

Telencephalon

II

N. opticus

sensibel, von Retina kommend

Diencephalon

III

N. occulomotoris

motorisch, zur Augenmuskulatur

Mesencephalon

IV

N. trochlearis

motorisch, Augenmuskulatur

Mesencephalon

V

N. trigeminus

motorisch und sensibel, aus Gesichtsregion

Medulla oblongata

VI

N. abducens

motorisch, Augenmuskulatur

Medulla oblongata

VII

N. facialis

motorisch und sensibel, zur Gesichtsmuskulatur

Medulla oblongata

VIII

N. statoacusticus

sensibel, Gleichgewichts- und Hörnerv

Medulla oblongata

IX

N. glossopharyngeus

motorisch und sensibel, Zungenund Geschmacksnerv

Medulla oblongata

X

N. vagus

motorisch und sensibel, Schlund und innere Organe

Medulla oblongata

XI

N. accessorius

motorisch, Hals-, Rücken-, Schlundmuskulatur

Medulla oblongata

XII

N. hypoglossus

motorisch, Zungenmuskelnerv

Medulla oblongata

Sinus sagittalis superior

Seitenventrikel Plexus choroideus

Arachnoidalzotten Balken Vene

3. Ventrikel Kleinhirn Aquädukt

Plexus choroideus des 4. Ventikels

Hypophyse Brücke Foramen Magendii

4.20

Aufbau der Liquorräume im Gehirn. Liquor wird im Plexus choroideus gebildet und über die Arachnoidalzotten wieder resorbiert. Er umspült das gesamte Gehirn und Rückenmark. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

4. Ventrikel Kleinhirnzisterne

Rückenmark

Subarachnoidalraum des Rückenmarks Zentralkanal

Aufbau des Nervensystems

125

1. und 2. Ventrikel (Seitenventrikel) 3. Ventrikel Adhaesio interthalamica

Aquädukt

Zwischenkammerloch 4. Ventrikel Zentralkanal

seitliche Öffnung des 4. Ventrikels (Foramen Luschkae) mittlere Öffnung des 4. Ventrikels (Foramen Magendii)

4.21 Die Ventrikelräume im Gehirn. Das Gehirn hat vier Ventrikel, die miteinander in Verbindung stehen. Über die beiden Foramen gelangt Liquor in den Subarachnoidalraum. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Liquor stauen und sich ein Wasserkopf (Hydrocephalus) bilden. Ein stark erhöhter Druck im knöchernen Schädelraum (Stauungsödem) führt ohne Behandlung zu Koma und Tod. Die Blutversorgung des Gehirns erfolgt hauptsächlich über die paarigen inneren Halsschlagadern (Arteria carotis interna). Sie teilen sich in die vordere und mittlere Gehirnarterie (A. cerebri anterior vier Liquorräume des Gehirns und der und media). Die Hirnbasis und die hinteren Gehirnteile wer- Die Subarachnoidalraum enthalten die Gehirnden durch die Wirbelschlagadern (Arteriae vertebralis) ver- flüssigkeit. Sie wird ständig neu gebildet und sorgt, die durch das Hinterhauptloch in den Schädelraum das überschüssige Volumen in das Blut abgeeintreten. Durchblutungsstörungen dieser Gefäße durch leitet. Die Gehirnflüssigkeit dient als funktionelle Barriere und schützt das Gehirn vor Verengung oder Verschluss führen zum Schlaganfall (cere- mechanischer Beschädigung. brovaskulärer Insult), eine der häufigsten Erkrankungen.

Aufbau und Funktion des Rückenmarks Das Rückenmark (Medulla spinalis) liegt im Wirbelkanal der Wirbelsäule und ist ein kräftiger Nervenleitungsstrang, der aber auch als Schaltzentrum (Reflexe) dient und das Gehirn mit den Spinalnerven verbindet. Diese entspringen seitlich aus 31 Paaren von Nervenwurzeln (s. Abb. 4.24) und gliedern das Rückenmark in 31 Segmente. Aus jedem Segment entspringt links und rechts eine vordere und hintere Nervenwurzel, die dann nach wenigen Millimetern zum Spinalnerv zusammentreten (䉴 Abb. 4.22). Die Spinalnerven verlassen den Wirbelkanal seitlich durch die Zwischenwirbellöcher. Das Rückenmark empfängt die segmental über die dorsalen Nervenwurzeln (Hinterhörner) einlaufenden sensorischen Reize und leitet sie, nach Umschaltung über Interneurone, über die afferenten Bahnen zum ZNS (䉴 Abb. 4.23). Efferente Bahnen verlassen die Rückenmarksegmente über die motorischen Bahnen und die Vorderhörner. Bei monosynaptischen Reflexen (z. B. Kniesehnenreflex) werden die sensorischen

ä

126

4. Nervengewebe und Nervensystem

Rückenmark Spinalwurzeln

Spinalganglion Spinalnerv Wirbelkörper 4.22 Querschnitt durch das Rückenmark. Die beiden Spinalwurzeln vereinigen sich im Spinalganglion zum Spinalnerven. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

zum Cerebellum

zum Thalamus

zur Medulla oblongata

zum Cerebellum Tractus spinocerebellaris dorsalis

Tractus spinobulbaris Tractus spinocerebellaris ventralis

von peripheren Rezeptoren

dorsal Hinterhorn

Spinalganglion

graue Substanz

ventral Tractus spinothalamicus

Vorderhorn

weiße Substanz

Motoneuron

4.23 Die Segmente des Rückenmarks. Sie sind in zwei Bereiche unterteilt. Die innere graue Substanz enthält die Zellkörper der Neurone und Interneurone. Die äußere weiße Substanz enthält die Axone der vertikalen auf- und absteigenden Leitungsbahnen. (Verändert nach Penzlin 2005.)

Aufbau des Nervensystems

127

Reize direkt ohne Interneuronen auf die motorischen Neurone übertragen. Polysynaptische Reflexe durchlaufen mehrere zwischengeschaltete Interneurone oder werden sogar auf andere Rückenmarksegmente übertragen. Das Rückenmark wird in die schmetterlingsförmige graue Substanz und die sie umgebende weiße Substanz Das Rückenmark ist segmental aufgebaut eingeteilt. In der grauen Substanz liegen die Zellkörper der und unterteilt sich in die graue Substanz mit Neurone und Interneurone, während in der weißen Sub- den Neuronen und Interneuronen und in die weiße Substanz mit den auf- und absteigenstanz die vertikalen auf- und absteigenden Leitungsbahnen den Leitungsbahnen. liegen.

Peripheres Nervensystem Zum peripheren Nervensystem gehören die Hirnnerven und die Spinalnerven mit ihren Verzweigungen (䉴 Abb. 4.24). Jeder Spinalnerv teilt sich in vordere und hintere Äste auf, die die entsprechenden Körperregionen versorgen. Abgesehen von den Zwischenrippennerven (Nn. intercostales) bilden die übrigen vorderen Äste zunächst einen Spinalnervenplexus (䉴 Abb. 4.23), bevor sie sich weiter in die peripheren Nerven aufteilen.

Vegetatives Nervensystem

Großhirn Kleinhirn

Halsgeflecht (Plexus cervicalis)

Hirnnerven

Gehirn

Das vegetative Nervensystem ist für die Steuerung des Stoffwechselgeschehens verantwortlich und reguliert deshalb alle inneren Organe. Da es nicht willkürlich beeinflusst werden kann, wird es auch als autonomes Nervensystem bezeichnet. Es ist in

Zwischenrippennerven (Nn. intercostales)

Cauda equina

Schenkelnerv (N. femoralis)

Lendengeflecht (Plexus lumbalis) Kreuzgeflecht (Plexus sacralis) Ischiasnerv (N. ischiadicus)

periphere Nerven

Rückenmark

Armgeflecht (Plexus brachialis)

4.24 Das periphere Nervensystem. Außer Großhirn, Kleinhirn und Rückenmark gehören alle anderen Strukturen zum peripheren Nervensystem. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

ä

128

Das vegetative Nervensystem wird auch als autonomes Nervensystem bezeichnet. Es reguliert die inneren Organe und arbeitet dabei eng mit dem zentralen Nervensystem und dem Hormonsystem zusammen.

seinen Funktionen aber eng an das zentrale Nervensystem gekoppelt, mit dem es teilweise eng verzahnte Strukturen aufweist. Auch mit dem endokrinen System arbeitet es eng zusammen, da viele der hormonproduzierenden Zellen und Organe unter Kontrolle des vegetativen Nervensystems stehen.

Aufbau und Untergliederung des vegetativen Nervensystems Die zwei Bereiche des vegetativen Nervensystems werden als Sympathikus und Parasympathikus bezeichnet. Beide entspringen dem Rückenmark oder der Medulla oblongata des Gehirns und ziehen dann an die verschiedenen inneren Organe (䉴 Abb. 4.25). Ein weiterer eigenständiger Bereich des vegetativen Nervensystems ist das enterische Nervensystem des Darms, das ebenfalls weitgehend autonom funktioniert. In die Peripherie des vegetativen Nervensystems sind Ganglien integriert, die als Umschaltstellen zwischen den zentral entspringenden präganglionären Nervenfasern

Sympathikus

Parasympathikus

Auge

Auge III

Speichel- und Tränendrüsen

α

VII IX

Herz

Medulla oblongata Herz

Harnblase Genitalien

α β

Grenzstrang

Blutgefäße

α β

Leber u. Pankreas

α β

cholinerg

Sacral S2 – S4

Colon

Thoracolumbal Th1– L3

Harnleiter

glatte Muskulatur

β

Bronchien MagenDarm

Drüsen

α

β

X

N. vagus

ä

4. Nervengewebe und Nervensystem

α

Genitalien

Schweißdrüsen

cholinerg

β

Nebennierenmark Harnblase

4.25 Aufbau des vegetativen Nervensystems. Das vegetative Nervensystem untergliedert sich in den Parasympathikus (linke Seite) und den Sympathikus (rechte Seite). III, VII, IX, X, Gehirnnerven; α und β, Rezeptoren des Sympathikus. (Verändert nach Silbernagel und Despopoulos 2007.)

Aufbau des Nervensystems

129

und den in die Organe führenden postganglionären Nervenfasern dienen. Dabei ist die Position dieser Ganglien und die Länge der prä- und postganglionären Fasern bei Sympathikus und Parasympathikus unterschiedlich, und beide funktionelle Bereiche verwenden auch weitgehend andere Transmitter. Der Aufbau des vegetativen Nervensystems ist in Abbildung 4.25 schematisch für den Sympathikus und den Parasympathikus dargestellt. Die präganglionären Fasern des Sympathikus entspringen dem mittleren Bereich des Rückenmarks. Die Zellkörper dieser präganglionären Neurone liegen in den Seitenhörnern der thoracolumbalen Segmente Th1–L3. Die Neurone sind verhältnismäßig kurz und ziehen nur bis zum Grenzstrang, in dem sich die ebenfalls segmental angeordneten einzelnen Ganglien befinden. Von hier aus ziehen die wesentlich längeren postganglionären Neurone des Sympathikus weiter zu den Endorganen. Die im Grenzstrang beidseitig des Rückenmarks paravertebral angeordneten Ganglien stehen auch untereinander über Neurone in Verbindung. Neben diesen paarigen Grenzstrangganglien gibt es noch einige unpaarig angelegte sympathische Ganglien (G. coeliacum, G. mesentericum), die außerhalb des Grenzstrangs liegen und deren postganglionäre Neurone Teile des Magen-Darm-Kanals versorgen. Der Sympathikus innerviert vor allem Gefäße, Herzmuskulatur sowie Stoffwechselorgane und Drüsen. Der Parasympathikus hat dagegen einen völlig anderen Aufbau (䉴 Abb. 4.25, links). Seine präganglionären Neurone sind viel länger und entspringen entweder als Gehirnnerven dem Stammhirn, der Medulla oblongata oder den Segmenten S2–S4 des Sakralmarks. Die Ganglien des Parasympathikus sitzen nahe an den Erfolgsorganen oder sind vielfach sogar in diese integriert. Auch weisen sie im Gegensatz zu den sympathischen Ganglien im Grenzstrang keine zusätzlichen Verbindungen untereinander auf. Die Blutgefäße werden, von wenigen Ausnahmen (z. B. Genitalarterien) abgesehen, nicht vom Parasympathikus versorgt. Der Parasympathikus innerviert vor allem die glatte Muskulatur aller inneren Organe sowie lokalisierte Bereiche des Herzens (Sinusknoten) und des Auges (Tränendrüsen, Pupillen). Sympathikus und Parasympathikus verwenden an den postganglionären Synapsen zu den Erfolgsorganen völlig unterschiedliche Transmitter, dagegen ist ihr Übertragungsmechanismus an den präganglionären Synapsen sehr ähnlich. Sowohl Parasympathikus, als auch Sympathikus (䉴 Abb. 4.26) benutzen an diesen Synapsen Acetylcholin als Transmitter und haben an den Dendriten der Folgeneurone dafür nicotinerge Rezeptoren von dem gleichen Typ, den man auch in den Synapsen der motorischen Endplatte im peripheren Nervensystem findet. Auch ähnelt der Aufbau dieser präganglionären Synapsen dem einer klassischen neuronalen Synapse mit ausgeprägter Das vegetative Nervensystem untergliedert in den Sympathikus und den Parasympaprä- und postsynaptischer Membran und engem synapti- sich thikus, die jeweils aus einer zweigliedrigen schen Spalt. Im Gegensatz dazu sind die postganglionären Funktionskette von Neuronen bestehen. Die Übertragungsstellen meist keine Synapsen, sondern soge- Lokalisation der ganglionären Umschaltstelnannte Varikositäten, aus denen die Transmitter in den len unterscheidet sich wesentlich, die verwendeten Transmitter (Acetylcholin) und die Extrazellulärraum freigesetzt werden, von dem aus sie die Rezeptoren (nicotinerg) sind jedoch gleich. Zellen der Erfolgsorgane lokal erregen.

ä

130

4. Nervengewebe und Nervensystem

Parasympathikus

Sympathikus

präganglionäre Neurone Acetylcholin nicotinerge Rezeptoren 4.26 Synaptische Übertragung im vegetativen Nervensystem. Das vegetative Nervensystem besteht funktionell aus einer zweigliedrigen Kette von Neuronen, deren ganglionäre Umschaltstellen aber sehr unterschiedlich lokalisiert sind. (Verändert nach Engelhardt und Breves 2005.)

postganglionäre Neurone

Acetylcholin muscarinerge Rezeptoren

Acetylcholin nicotinerge Rezeptoren

Noradrenalin α- und βRezeptoren

Effektoren z.B. glatte Muskelzellen

Funktionen des Sympathikus Eine Aktivierung des Sympathikus führt generell zu einer raschen Aktivierung des Stoffwechsels. Energiereserven werden durch die Aktivierung der Glykolyse bereitgestellt. Durch Gefäßkontraktion erhöht sich der Blutdruck und die Herzfrequenz wird gesteigert (䉴 Tab. 4.4), wodurch Fluchtreaktionen des Organismus möglich werden. Gleichzeitig wird die Durchblutung der Haut und des Magen-Darm-Kanals gedrosselt, da diese Organsysteme ein hohes Blutvolumen aufnehmen, für schnelle Fluchtreaktionen aber nicht gebraucht werden. Der Sympathikus wird aber nicht erst zu diesen Reaktionen aktiviert, sondern ist ständig auf einem niedrigen Niveau tätig. Man spricht dabei von dem Sympathikotonus, der durch eine niederfrequente Spontanaktivität der sympathischen Neurone hervorgerufen wird. Generell gilt, dass der Sympathikus Gegenspieler des Parasympathikus ist und antagonistisch wirkt. Postganglionäre Transmitter des Sympathikus Die postganglionären Neurone des Sympathikus setzen als hauptsächlichen Transmitter Noradrenalin frei. Adrenalin wird beim Menschen hauptsächlich als Hormon vom Nebennierenmark ausgeschüttet und gelangt über das Blut zu den Zielgeweben. Beim Menschen kommt Adrenalin als neuronaler Transmitter nur im zentralen Nervensystem vor. Noradrenalin und Adrenalin gehören zu den sogenannten Catecholaminen und werden über den Neurotransmitter Dopamin synthetisiert. Sie wirken auf spezielle Rezeptoren, die sich in zwei Hauptgruppen, α- und β-Rezeptoren, unterteilen lassen. In beiden Gruppen gibt es Subtypen, die α1- und α2-Rezeptoren sowie die β1-, β2- und β3-Rezeptoren. Sie sind in den Geweben der Zielorgane unterschiedlich verteilt (䉴 Tab. 4.4). Catecholamine wirken unterschiedlich stark auf diese Rezeptorsubtypen. Die Wirkung von Adrenalin und Noradrenalin auf die α1- und β3-Rezeptoren ist etwa ähnlich stark, während Adre-

Aufbau des Nervensystems

131

Tabelle 4.4 Wirkung von Sympathikus und Parasympathikus auf verschiedene Organfunktionen und den Stoffwechsel. M1–M3, Rezeptorsubtypen für Acetylcholin; α1,2 und β1,2, Rezeptorsubtypen für Adrenalin und Noradrenalin. (Verändert nach Engelhardt und Breves 2005.) Organsystem

Gewebe

Sympathikus

Parasympathikus

Stoffwechsel

Leber Fettzellen

Glykogenolyse ↑ (β2) Lipolyse ↑ (β2,3)

– –

Herz

Myokard

Frequenz und Kontraktionskraft ↑ (β1)

Frequenz ↓ (M2)

Kreislauf

Arterienwand

–

Genitalarterien

Vasokonstriktion ↑ (α1), Vasodilatation ↑ (β2) –

Venenwand

Vasokonstriktion ↑ (α1)

Vasodilatation ↑ (NO, VIP) –

Magen-Darm

Darmwand Sphincteren

Motorik ↓ (α2, β2) Kontraktion ↑ (α1)

Motorik ↑ (M3) Erschlaffung ↑

Bronchien

glatte Muskulatur

Erschlaffung ↑ (β2)

Kontraktion ↑ (M3)

mucöse Sekretion ↑ (α1)

seröse Sekretion ↑ (M3)

Speicheldrüsen Epithelzellen

Auge

Tränendrüsen – M. sphincter pupillae – M. dilatator pupillae Kontraktion ↑ (α1)

Sekretion ↑ (M3) Kontraktion ↑ (M3) –

nalin stärker auf die α2- und β2-Rezeptoren wirkt und Noradrenalin stärker auf die β1-Rezeptoren. In fast allen Zielorganen des vegetativen Nervensystems kommen α1-Rezeptoren vor. α2-Rezeptoren findet man sowohl in den Zielorganen des vegetativen Nervensystems als auch in Synapsen des ZNS. Außerdem findet man sie in den präsynaptischen vegetativen Neuronen, wo sie als zusätzliche regulatorische Rezeptoren (Autorezeptoren) an der synaptischen Übertragung beteiligt sind. β1-Rezeptoren kommen hauptsächlich in der Herzmuskulatur vor. β2-Rezeptoren findet man in der Leber und in den Bronchien, β3-Rezeptoren im braunen Fettgewebe. Weil α- und β-Rezeptoren meist antagonistisch wirken, hängt die Reaktion eines Organs auf eine sympathische Reizung hauptsächlich von der Anzahl und der Zusammensetzung der verschiedenen Rezeptoren ab. Bei der Inaktivierung der adrenergen Transmitter spielt vor allem deren Der Sympathikus aktiviert die KörperfunktioWiederaufnahme in die Neurone eine entscheidende Rolle, nen. Er verwendet als postganglionäre Transda die abbauenden Enzyme Monoaminooxidase (MAO) mitter Adrenalin und Noradrenalin, die auf verschiedene Subtypen von α- und β-Rezepund Catechol-O-Methyltransferase (COMT) nur intrazel- toren wirken. lulär vorhanden sind.

ä

132

4. Nervengewebe und Nervensystem

Funktionen des Parasympathikus Bei körperlicher Ruhe ist vor allem der Parasympathikus aktiv und regelt die Erholung der Körperfunktionen. Auch seine Neurone haben eine spontane Entladungsfrequenz (Parasympathikotonus), die bei Bedarf erhöht wird. Die parasympathische Wirkung ist antagonistisch zum Sympathikus, d. h. sie erniedrigt die Herzfrequenz, erhöht aber am Magen-Darm-Kanal die motorische Aktivität, fördert die Entleerung der Blase und bewirkt am Auge eine Tränensekretion und eine Pupillenverengung (䉴 Tab. 4.4). Die Innervierung der Blutgefäße ist, von wenigen Ausnahmen (Genitalorgane) abgesehen, nicht parasympathisch.

ä

Postganglionäre Transmitter des Parasympathikus In den parasympathischen Neuronen erfolgt die Signalübertragung prä- und postganglionär durch Acetylcholin (ACh). In den präganglionären Synapsen sind nur nicotinerge Rezeptoren vorhanden, in den postganglionären Synapsen dagegen die muscarinergen Rezeptoren vom Subtyp M1–M3 (䉴 Tab. 4.4). Acetylcholin wird in den Neuronen mithilfe des Enzyms Cholinacetyltransferase aus Acetat und Coenzym A synthetisiert und nach der Sekretion durch die Cholinesterase abgebaut. In allen Zielorganen des Parasympathikus findet man muscarinerge Rezeptoren, vor allem M3-Rezeptoren (䉴 Abb. 4.4). Eine Ausnahme bilden die M2-Rezeptoren im Bereich des Sinusknotens des HerBei körperlicher Ruhe ist vor allem der Parasympathikus aktiv. Sein postganglionärer zens, die eine frequenzverlangsamende Wirkung vermitTransmitter Acetylcholin wirkt auf muscariteln. M1-Rezeptoren findet man vorwiegend im enterinerge Rezeptoren. schen aber auch im zentralen Nervensystem.

Cotransmitter im vegetativen Nervensystem Auch von den Neuronen des vegetativen Nervensystems werden zahlreiche Cotransmitter wie Stickstoffmonoxid (NO), ATP und verschiedene Neuropeptide freigesetzt. Zu ihnen gehört das vasoaktive intestinale Polypeptid (VIP), das besonders in den postganglionären Neuronen des Parasympathikus zusammen mit Acetylcholin ausgeschüttet wird. In den postganglionären Synapsen des Sympathikus findet man gemeinsam mit Noradrenalin den Cotransmitter Neuropeptid Y (NPY).

Vegetative Kontrolle des enterischen Nervensystems Das enterische Nervensystem besteht aus den intramuralen Ganglien und Neuronen des Magen-Darm-Kanals und reguliert die Motilität und Sekretion. Es wird auch als intrinsisches Nervensystem bezeichnet, hat jedoch eine extrinsische Innervierung durch das vegetative Nervensystem. Dabei erfolgt die parasympathische Innervierung im proximalen Verdauungssystem vom Ösophagus bis zum proximalen Dickdarm durch den Vagus, distales Colon und Rektum werden durch das Sakralmark versorgt. Die sympathische Innervierung erfolgt über die Ganglien des Grenzstranges. Während der Sympathikus die intestinale Aktivität hemmt, steigert der Parasympathikus Darmmotorik und Sekretion.

Aufbau des Nervensystems

133

Einfluss des Rückenmarks und der Medulla oblongata Eine Vielzahl somatischer und visceraler Afferenzen modulieren die tonische Grundaktivität des vegetativen Nervensystems. Dabei werden die präganglionären Neurone durch absteigende Bahnen aus dem Gehirn und dem verlängerten Mark (Medulla oblongata) kontrolliert. Auch segmentale Afferenzen können direkt in Rückenmarksegmenten verschaltet werden und spinale Reflexe auslösen. Auch sie stehen durch die absteigenden Bahnen des Rückenmarks unter supraspinaler Kontrolle. Zu diesen spinalen Reflexen gehört die Darmentleerung, die über eine reflektorische Verschaltung und durch Zusammenwirken von sympathischen und parasympathischen Neuronen kontrolliert wird (Defäkationsreflex). Ähnliche Mechanismen regulieren die reflektorische Steuerung der Genitalorgane und die Entleerung der Harnblase (Miktionsreflex). Im Dorsalhorn des Rückenmarks münden die visceralen Afferenzen des vegetativen Nervensystems und liegen dort in enger räumlicher Nachbarschaft zu Afferenzen aus der Haut(䉴 Abb. 4.27). Dadurch können sich Interaktionen der neuronalen Informationsverarbeitung ergeben, die zu übertragenen Schmerzwahrnehmungen führen, bei denen Schmerzempfindungen aus den inneren Organen auf Hautareale übertragen werden, die man als Head-Zonen bezeichnet. Die übergeordnete Steuerung des vegetativen Nervensystems erfolgt über spezielle Kerngebiete der Medulla oblon- Die tonische Grundaktivität des vegetativen gata. Dabei wird die Aktivität des Sympathikus durch die Nervensystems steht unter supraspinaler Konventrolaterale Medulla gesteuert und die des Parasympa- trolle. Spinale Reflexe sind für die Steuerung endogener Organfunktionen (Darm- und thikus durch die mehr dorsal in der Medulla liegenden Neu- Blasenentleerung) verantwortlich. rone, die auch Ausgangspunkt des N. vagus sind.

Beziehungen zum endokrinen System Bei den Transmittern des Sympathikus vermischen sich die Funktionen von lokalisierten synaptischen Wirkungen mit denen von allgemein über das Blutgefäßsystem auf alle Gewebe zielenden hormonellen Wirkungen. Dies gilt besonders für Adrenalin, das sowohl als Transmitter in zentralen Synapsen als auch als Hormon aus dem

viscerale Afferenzen

Dorsalhorn des Rückenmarks

Eingeweide

Hautafferenzen Haut

4.27 Viscerale Afferenzen. Im Dorsalhorn des Rückenmarks sind viscerale Afferenzen eng mit Hautafferenzen benachbart. Dadurch kommt es zu übertragenen Empfindungen und HeadZonen. (Verändert nach Engelhardt und Breves 2005.)

ä

134

ä

?

4. Nervengewebe und Nervensystem

Mark der Nebenniere ausgeschüttet wird (䉴 Kap. 7). Der sympathische Teil des vegetativen Nervensystems ist daher eng mit der Funktion des Nebennierenmarks gekoppelt. Aber auch zum Hypothalamus, der als wichtiges Zentrum für die Regulation der Körperhomöostase Einfluss auf viele vegetative Funktionen nimmt, gibt es enge neurovegetative Beziehungen. Dies betrifft sowohl die Regulation des Energie- und Wasserhaushalts und der Körpertemperatur als auch die Steuerung von Abwehrreaktionen und emotionalen Verhaltensweisen wie das Sexualverhalten. An all diesen Regelkreisen sind Elemente des Sympathikus und des Das vegetative Nervensystem hat über die Parasympathikus beteiligt, die durch die elektrischen AktiNebenniere und den Hypothalamus enge vitätsmuster hypothalamischer Neurone in bestimmten funktionelle Beziehungen zum endokrinen abgegrenzten Bereichen, z. B. im ventromedialen HypoSystem. thalamus, erregt werden.

Klausurfragen

1. In welche anatomischen und funktionellen Bereiche gliedert sich das vegetative Nervensystem? 2. Welche Organfunktionen haben Sympathikus und Parasympathikus? 3. Welche präganglionären Transmitter verwenden Sympathikus und Parasympathikus, und welche Rezeptortypen sind dort lokalisiert? 4. Welche postganglionären Transmitter verwendet der Sympathikus, und welche Rezeptortypen sind in den Erfolgsorganen vorhanden? 5. Beschreiben Sie zwei wichtige spinale Reflexe beim Menschen. 6. Beschreiben Sie die Bildung eines Aktionspotenzials an einer Nervenzelle. 7. Welche Zustände kann der spannungsaktivierte Na+-Kanal einnehmen? 8. Worin unterscheidet sich eine saltatorische Erregungsleitung von einer kontinuierlichen, und was ist eine markhaltige Nervenfaser? 9. Wie entsteht ein EPSP, und worin unterscheidet es sich von einem IPSP? 10. Erklären Sie den Mechanismus der Langzeitpotenzierung (LTP).

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 5

Funktion der Muskulatur

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über die verschiedenen Typen von Muskelzellen und ihre grundlegenden Funktionen bei der Muskelkontraktion, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Aufbau und Funktion der verschiedenen Muskelzelltypen. Unterschiedliche Funktionsweisen und Aufgaben der drei Muskelarten. Zusammenhang zwischen elektrischer Erregung und mechanischer Kontraktion. Molekularer Ablauf der Signalübertragung in einer Muskelzelle. Funktionsweise der Motorproteine und des kontraktilen Apparats. Verschiedene Muskelfasertypen. Zusammenhang zwischen Sauerstoffversorgung und Ermüdung der verschiedenen Muskeltypen. Zusammenhang zwischen Arbeit, Training und Muskelvergrößerung.

136

5. Funktion der Muskulatur

Aufgaben der Muskulatur Der Mensch muss, wie alle Organismen, zur Fortbewegung chemische Energie in mechanische Energie umwandeln. Diese wirkt auf spezielle Proteine, die zum Cytoskelett und zu den Motorproteinen der Zelle gehören (䉴 Kap. 2). Neben den intrazellulären Bewegungen werden damit auch alle extrazellulären Bewegungen, z. B. Herzschlag oder Bizepskontraktion, ermöglicht. Besonders die Proteine Actin und Myosin spielen dabei in spezialisierten Muskelzellen eine zentrale Rolle. In diesem Kapitel werden Aufbau und Funktion verschiedener Muskeltypen und ihre neuronale Steuerung behandelt. Beim Mensch teilt man die Muskulatur wie bei allen höheren Tieren in drei Typen ein (䉴 Abb. 5.1): die quergestreifte Muskulatur, die man auch als Skelettmuskulatur bezeichnet, die glatte Muskulatur oder auch Eingeweidemuskulatur und die Herzmuskulatur, die eine abgewandelte Spezialform der quergestreiften Muskulatur darstellt.

Bau und Funktion der Skelettmuskulatur Die Skelettmuskulatur wird auch als quergestreifte Muskulatur bezeichnet, da die Anordnung der einzelnen Elemente des kontraktilen Apparats auf dem mikroskopischen Bild der Muskelfasern ein Bandenmuster ergibt. Der kontraktile Apparat wird im Folgenden behandelt.

a Skelettmuskulatur

c glatte Muskulatur

b Herzmuskulatur

gap junction

Nerv

motorische Endplatte

Glanzstreifen

Muskelfaser

5.1 Vergleich der verschiedenen Muskeltypen. a) Schema der quergestreiften Skelettmuskulatur und ihrer Innervierung über motorische Endplatten. b) Die Herzmuskulatur bildet einen Zellverband, dessen Zellen über besondere Strukturen (Glanzstreifen) verbunden sind. c) Die glatte Muskulatur besteht aus spindelförmigen Zellen, die über gap junctions elektrisch leitend verbunden sind. (Verändert nach Schmidt-Nielsen 1999.)

Bau und Funktion der Skelettmuskulatur

Aufbau der quergestreiften Muskulatur Die kontraktilen Einheiten, die aus parallel angeordneten Actin- und Myosinfilamenten bestehen, bilden die strukturelle Grundlage der Muskelbewegungen. Ein Actinfilament besteht aus einem schraubenartig verdrillten Doppelstrang des FActins (䉴 Kap. 2), in dessen Furche ein weiterer Proteinstrang, das Tropomyosin, liegt. In regelmäßigen Abständen von 6 nm ist ein weiteres kugelförmiges Protein, das Troponin, angelagert (䉴 Abb. 5.2). Die Myosinfilamente bestehen aus einem Myosinstab, an dessen Ende der Myosinkopf gelenkig angelagert ist. Actin- und Myosinfilamente sind so angeordnet, dass die bündelförmig zusammengelagerten Myosinfilamente mit den nach außen gerichteten Myosinköpfen zwischen die Actinfilamente gleiten können. Dadurch verkürzt sich das kontraktile Element nach dem sogenannten Gleitfilamentmechanismus. Der Feinaufbau eines quergestreiften Muskels mit der komplexen Anordnung der Filamente ist in Abbildung 5.3 dargestellt. Die kontraktilen Einheiten werden als Sarkomer bezeichnet und sind durch die Z-Scheiben begrenzt. An diesen formgebenden Strukturen sind die Actinfilamente befestigt. Um die Myosinfilamente sind jeweils sechs Actinfilamente angeordnet. Elektronenoptisch sind die Myosinfilamente wesentlich dicker als die Actinfilamente. Sind viele Hundert der etwa 2 μm langen Sarkomere nacheinander angeordnet, spricht man von Myofibrillen. Mehrere Myofibrillen sind parallel zu den etwa bis 80 μm dicken Muskelfasern zusammengefasst. Diese bilden die eigentlichen vielkernigen Muskelzellen, die durch Fusion von einkernigen Vorläuferzellen, den Myoblasten, entstanden sind. Skelettmuskelfasern sind nicht mehr teilungsfähig. Die Muskelfasern gruppieren sich zu Muskelfaserbündeln, von denen viele parallel angeordnet schließlich den Skelettmuskel bilden (䉴 Abb. 5.4). Die einzelnen Muskelfasern werden durch das bindegewebige Endomysium voneinander getrennt. Um die Muskelfaserbündel befindet sich das Perimysium, eine tief in den Skelettmuskel reichende Bindegewebsschicht. Die Muskelfaszie bildet schließlich die Außenhülle des Muskels. Unter dem Mikroskop zeigt eine Skelettmuskelfibrille die charakteristische Querstreifung der Myofibrillen (䉴 Abb. 5.3). Im polarisierten Licht erscheinen die dicken kontraktiles Element Tropomyosin

Actinfilament Myosinfilamente

Myosinkopf Actinfilament Troponin Tropomyosin

5.2 Aufbau des kontraktilen Apparats.

137

138

5. Funktion der Muskulatur

Muskel Fasern

Myofibrille Sarkomer

dünnes Filament (Actin) dickes Filament (Myosin) Z-Scheibe Kontraktion

5.3

Aufbau des quergestreiften Muskels. (Verändert nach Schmidt-Nielsen 1999.)

Myosinfilamente als doppelbrechende (anisotrope) A-Banden (䉴 Abb. 5.5). Die myosinfreien Zonen eines Sarkomers erscheinen hell (isotrop) und werden als I-Bande bezeichnet. Während der Überlappungsbereich von Actin und Myosin am dunkelsten erscheint, ist die actinfreie Mittelzone etwas heller (H-Bande). In der Mitte liegt die M-Linie, die ebenso wie die Z-Scheiben ein Proteingerüst ist und der Stabilisierung der parallelen Anordnung dient. Abbildung 5.5 zeigt, dass noch ein weiteres filamen-

Gefäßnervenbündel

quergestreifte Muskelfaser mit Myofibrillen

Muskelfaserbündel

Perimysium int.

Endomysium

Perimysium ext. Muskelfaszie

Sehne

5.4

Querschnitt und Aufbau eines Skelettmuskels.

Bau und Funktion der Skelettmuskulatur

139

Z-Scheibe

I-Band Actinfilament

Myosinfilament

H-Zone

A-Band

5.5 Der Gleitfilamentmechanismus an einem Sarkomer. (Verändert nach Penzlin 2005.)

Titin

töses Protein, das Titin, im Sarkomer liegt. Es verbindet die Myosinfilamente mit den Z-Scheiben und sorgt durch seinen kontraktilen Bereich dafür, dass die Myosinfilamente stets in der Mitte des Sarkomers ausgerichtet bleiben. Nach der Gleitfilamenttheorie ergibt sich die Verkürzung des Muskels durch eine Verkürzung der einzelnen Sarkomere (䉴 Abb. 5.5). Dabei schieben sich die Actinfilamente, befördert durch die InterDurch die Anordnung der kontraktilen aktion mit den Myosinköpfen, über die Myosinfilamente, Elemente (Sarkomere) und der Myofibrillen und die Z-Scheiben rücken näher zusammen. Der moleku- erscheint ein Skelettmuskel quergestreift. lare Mechanismus dieser Actin/Myosin-Interaktion wird Die Sarkomere verkürzen sich durch das Ineinandergleiten von Actin- und Myosinspäter näher besprochen. Zunächst soll die Überleitung der filamenten. Erregung von den Motoneuronen auf die Muskelfaser behandelt werden.

Motorische Endplatte und elektromechanische Kopplung Die Nervenfasern der Motoneurone ziehen an die einzelnen Muskelfasern und enden dort in einer motorischen Endplatte (䉴 Abb. 5.1a). Die ankommenden Aktionspotenziale führen an dieser Synapse, die tief in das Sarkolemm (Faserhülle) einlagert ist (䉴 Abb. 5.6), zur Ausschüttung von Acetylcholin (ACh). Dieser Transmitter wirkt auf die nicotinergen Rezeptoren der postsynaptischen Membran, die ein EPSP bilden, das, nachdem die Schwelle erreicht ist, zu einer Folge von Muskelaktionspotenzialen führt. Diese verlaufen entlang des Sarkolemms, werden tief in die transversalen Tubuli

Motoneuron

APs ACh

nicotinerger Rezeptor

+ + - -

- + +

Depolarisation und Bildung von APs EPSP-Bildung

Weiterleitung des APs + +

- -

Sarkolemm

- -

motorische Endplatte

+ +

transversaler Tubulus

5.6 Funktion der motorischen Endplatte. Durch die ankommenden Aktionspotenziale wird an der Synapse Acetylcholin (ACh) ausgeschüttet, das an einen nicotinergen Rezeptor der postsynaptischen Membran bindet. Diese Membran generiert ein EPSP, das ab einer gewissen Schwelle zu einer Folge von APs führt. Die APs verlaufen entlang des Sarkolemms und werden in die T-Tubuli geleitet.

ä

140

5. Funktion der Muskulatur

a T-Tubulus-System

Aktionspotenzial sarkoplasmatisches Reticulum

transversaler Tubulus

2

1

3

terminale Zisterne

2+

b Ablauf der Ca -Freisetzung 1 + + +

-

2 Aktionspotenzial -

+ + +

Ca 2+ Ca 2+

Ca 2+ + + +

Dihydropyridinrezeptor

Ryanodinrezeptor

-

3 + + +

+ + +

Wand des T-Tubulus

Ca 2+ + + +

Ca 2+ sarkoplasmatisches Reticulum

-

ATP

Ca 2+

5.7 Elektromechanische Kopplung. a) Leitung eines Muskelaktionspotenzials über das TTubulus-System und Kopplung des elektrischen Signals über die Rezeptoren zur Ca2+-Ausschüttung aus den terminalen Zisternen des sarkoplasmatischen Reticulums. b) Mechanismus der Freisetzung von Ca2+-Ionen. Im Ausgangszustand befinden sich die Ca2+-Ionen im Lumen des sarkoplasmatischen Reticulums (1). Wird die Membran der T-Tubuli depolarisiert (2), verändert sich die Konformation des DHPR-Rezeptors. Dadurch öffnet sich der Ryanodinrezeptor, und Ca2+-Ionen strömen aus dem sarkoplasmatischen Reticulum in das Cytosol der Muskelzelle. Die Ca2+-Ionen werden unter Energierverbrauch wieder in das sarkoplasmatische Reticulum zurücktransportiert (3).

ä

(T-Tubuli) weitergeleitet und erregen dort die Dihydropyridinrezeptoren (DHPR). Diese spannungssensitiven Rezeptoren bestehen aus modifizierten Ca2+-Kanal-Proteinen und stehen in direktem mechanischen Kontakt zu einem Ca2+-Kanal (Ryanodinrezeptor), der sich in der Die neuronale Erregung wird über die Membran des sarkoplasmatischen Reticulums befindet motorische Endplatte auf den quergestreif(䉴 Abb. 5.7a). Bei diesem sarkoplasmatischen Reticulum ten Muskel übergeleitet. Dort bilden sich handelt es sich um eine Spezialform des endoplasmatiMuskelaktionspotenziale, die über das TTubulus-System tief in die Muskelfaser einschen Reticulums in Muskelfasern. Seine Enden werden als dringen und dort über einen rezeptorgeterminale Zisternen bezeichnet und liegen unmittelbar 2+ koppelten Vorgang Ca -Ionen aus dem benachbart zu den T-Tubuli. Das sarkoplasmatische Retisarkoplasmatischen Reticulum freisetzen. Diese verursachen über eine Bindung an culum dient als Speicher für Ca2+-Ionen, die jetzt durch Troponin C die Verschiebung des Tropomyodie Interaktion der DHPR-Rezeptoren mit den Ryanodinsins, sodass die Querbrückenaktivität eingerezeptoren freigesetzt werden. Abbildung 5.7b zeigt den leitet werden kann. Ablauf dieses Vorgangs.

Bau und Funktion der Skelettmuskulatur

Die eintreffenden APs bewirken in der Wand des T-Tubulus eine Konformationsänderung des spannungssensitiven DHPR-Rezeptors und dadurch eine Öffnung des Ryanodinrezeptors, sodass in wenigen Millisekunden Ca2+-Ionen aus dem sarkoplasmatischen Reticulum in das Cytosol der Muskelzelle ausströmt. Dort binden die Ca2+-Ionen an Troponin C, das an den Actinfilamenten sitzt. Daraufhin wird in mehreren Schritten die Interaktion von Actin und Myosin gestartet, ein Vorgang, der auch als Querbrückenaktivität bezeichnet wird. Die Filamente gleiten ineinander und die Sarkomere verkürzen sich. Dieser Vorgang wird elektromechanische Kopplung genannt.

Biochemischer Mechanismus der Muskelkontraktion Die Muskelkontraktion resultiert aus der Verkürzung jedes der vielen hintereinander angeordneten Sarkomere. Nach dem Gleitfilamentmechanismus schieben sich dabei die Actinfilamente über den Myosinfilamenten in Richtung der M-Linie zusammen. Die Filamente behalten ihre ursprüngliche Länge, sodass die Breite der A-Bande gleich bleibt, während I-Bande und H-Zone schmaler werden. Damit sich die Filamente ineinander schieben ist eine zyklische Interaktion der Myosinköpfe mit Bindungsstellen am Actin notwendig. In Ruhestellung sind diese Bindungsstellen am Actin durch das längs darüber liegende Tropomyosin blockiert. Auch ist die Ca2+-Konzentration im Sarkoplasma niedrig (10– 7 mol l– 1). Erst wenn Ca2+ aus dem sarkoplasmatischen Reticulum freigesetzt wird und auf eine Konzentration von etwa 10– 5 mol l– 1 ansteigt, löst sich diese Blockierung. Dazu bindet Ca2+ an das Troponin, das auch drei Untereinheiten besteht. Diese werden dadurch seitlich bewegt und ziehen das Tropomyosinfilament mit sich, sodass es in dem Spalt zwischen den beiden Actinfilamenten geschoben wird. Dadurch werden die Bindungsstellen für die Myosinköpfe am Actin freigelegt, und der Querbrückenzyklus kann beginnen (䉴 Abb. 5.8). In diesem Stadium ist in jedem Myosinkopf ein Molekül ATP als Mg2+/ATP-Komplex gebunden. ATP wird als Weichmacher bezeichnet, weil sich der Myosinkopf von seiner Bindungsstelle am Actin löst, wenn ATP an diesen Kopf bindet. Ist kein ATP in der Muskelzelle vorhanden, löst sich diese Bindung nicht, und die Actin- und Myosinfilamente bleiben starr verbunden. Dieser Vorgang bewirkt auch die Totenstarre, die sich erst wieder löst, wenn proteolytische Enzyme die Struktur der Muskelzelle auflösen. Im nächsten Schritt des Querbrückenzyklus wird das ATP im Myosinkopf in ADP und Phosphat (Pi) gespalten. Diese Produkte bleiben zunächst noch an den Myosinkopf gebunden und belassen die Myosinköpfe nach vorne geklappt, sodass sie nun senkrecht über den neuen Bindungsstellen des Actins stehen. Die Bindung des Myosinkopfs an das Actin verstärkt sich allmählich. Erst bei Abspaltung des Phosphats setzt der Kraftschlag ein, bei dem sich der Myosinkopf in zwei Schritten zunächst um 45 °, dann noch mal etwa bis 50 ° abknickt. Dabei verschiebt er das Actinfilament in Richtung der M-Linie. Die Myosinköpfe schlagen dabei nicht synchron. Erst wenn sich das ADP abgelöst hat, kann die Anlagerung von ATP den Myosinkopf von der Bindungsstelle lösen und der Querbrückenzyklus kann von neuem beginnen, solange die intrazelluläre Ca2+-Konzentration noch hoch ist und das Tropomyosin

141

142

5. Funktion der Muskulatur

1 Myosin

ATP

Actin

5

Troponin

Tropomyosin

2

ATP

Pi Ca2+ ADP mit Ca 2+am Troponin ist sofort ein erneuter Zyklus möglich

4

Pi

3

ADP

ADP

5.8 Ablauf des Querbrückenzyklus. In Ruhestellung ohne gebundenes Ca2+ am Troponin blockiert Tropomyosin am Actin die Bindungsstelle für den Myosinkopf (1). Wird Ca2+ aus dem sarkoplasmatischen Reticulum freigesetzt und bindet es an Troponin, werden die Bindungsstellen für die Myosinköpfe am Actin frei. ATP wird im Myosinkopf in ADP und Phosphat (Pi) gespalten (2). Wird das Phosphat abgespalten, winkeln sich die Myosinköpfe um 45° ab (3). Wird auch das ADP vom Myosin abgespalten, winkeln sich die Myosinköpfe um 50° ab (4). Die Myosinköpfe lösen sich erst von der Bindungsstelle, wenn sich ATP an den Kopf anlagert (5). (Verändert nach Silbernagl und Despopoulos 2001.)

ä

Im Querbrückenzyklus werden die Filamente ineinander geschoben. Solange die Ca2+-Konzentration im Sarkoplasma hoch bleibt, können bis zu 100 Querbrückenschläge pro Sekunde stattfinden.

noch in der Furche zwischen den Actinfilamenten gehalten wird. In diesem Zustand können bis zu 100 Querbrückenschläge pro Sekunde ablaufen, sodass die Filamente kontinuierlich ineinander gleiten. Der limitierende Faktor bei diesem Querbrückenzyklus ist die Spaltungsgeschwindigkeit von ATP durch die ATPase des Myosinkopfes.

Energiestoffwechsel des Muskels Für den Stoffwechsel des Menschen wird Energie in Form von ATP benötigt, das über den Primärstoffwechsel aus Glucose und Sauerstoff gebildet wird (䉴 Abb. 5.9a). Der vorhandene ATP-Vorrat reicht allerdings nur für kurzzeitige Muskelarbeit aus. Danach wird ATP aus dem Speichermolekül Kreatinphosphat gebildet, das den Muskel noch etwas länger mit Energie versorgen kann. Bei länger andauernder Muskelarbeit ist auch der Kreatinphosphatspeicher erschöpft, und ATP muss aus Glucose neu gebildet werden. Steht ausreichend Sauerstoff zur Verfügung, wird ATP mit hoher

143

Bau und Funktion der Skelettmuskulatur

b Sauerstoffschuld

a Muskelstoffwechsel “Speicher” Glykogen

geringe ATPAusbeute bei O2 -Mangel Umwandlung von Pyruvat zu

Glykolyse

Pyruvat

Sauerstoffverbrauch

Glucose

O2 -Schuld

steady state

Tilgung der O2 Schuld

Lactat bei ausreichender O2 -Verfügbarkeit O2

AcetylCoenzym A Citratzyklus

Ruhe

Arbeit

Erholung

CO2 0 hohe ATPAusbeute

2

4

6 Zeit (min)

8

5.9 Energiestoffwechsel des Muskels. a) Muskelstoffwechsel. b) Sauerstoffschuld. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Ausbeute in der Glykolyse mit anschließendem Citratzyklus und Atmungskette in den Mitochondrien gebildet (aerober Weg). Herrscht dagegen Sauerstoffmangel, dann wird ATP ausschließlich über die Glykolyse gewonnen, an die sich die Milchsäuregärung anschließt (anaerober Weg). Nachteil ist, dass die ATP-Ausbeute sehr gering ist und als Nebenprodukt Milchsäure (Lactat) entsteht. Erhöht sich die Durchblutung des Muskels wenn er Arbeit verrichtet, wird der Muskelfaser verstärkt Sauerstoff zugeführt und dieser im Myoglobin gespeichert. Wird dieser Sauerstoff während einer Dauerleistung verbraucht, kann der Muskel in eine Sauerstoffschuld kommen. Diese entsteht, bevor der Muskel in den steady state-Zustand kommt. Auch nach Ende der Belastung wird vermehrt Sauerstoff benötigt, um Milchsäure abzubauen und ATP- und Kreatinphosphatspeicher aufzufüllen (䉴 Abb. 5.9b).

Regulation der Muskelkontraktion Der Querbrückenzyklus kann so lange ablaufen, wie die intrazelluläre Ca2+-Konzentration hoch bleibt. In einem solchen Fall kontrahiert das Sarkomer maximal. Da Muskeln aber nicht immer vollständig kontrahieren, sondern je nach Bedarf fein

10

12

144

ä

5. Funktion der Muskulatur

abgestuft reagieren müssen, gibt es Regulationsmechanismen, die das Ausmaß und die Kraft der Kontraktion dosieren. Diese Mechanismen sind auf verschiedenen Ebenen angesiedelt. Auf der systemischen Ebene wird durch die Motoneurone das Ausmaß der Rekrutierung von motorischen Einheiten bestimmt. Darunter versteht man die Anzahl von Myofibrillen mit ihren Sarkomeren, die durch ein einziges verästeltes Motoneuron mit seinen motorischen Endplatten erregt werden. Die Kontraktion wird stärker, wenn mehr motorische Einheiten erregt werden. Je mehr Sarkomere hintereinander angeordnet sind, umso größer kann dann der Verkürzungsweg sein. Und je mehr Sarkomere parallel zueinander angeordnet sind, desto größer kann auch die Kontraktionskraft werden. Es gibt also durch das Ausmaß der erregten motorischen Einheiten Verstärkungsfaktoren für die Längenänderung eines Muskels und für seine Kraftentwicklung. Auf zellulärer Ebene wird das Ausmaß der Sarkomerverkürzung durch die Informationskette von der AP-Frequenz über die Ca2+-Freisetzung in das Sarkoplasma reguliert. Auch energetische Faktoren spielen eine wichtige Rolle. Im Sarkoplasma muss stets genügend Mg2+-ATP zur Verfügung stehen und auch die Aktivität der Enzyme (ATPasen) stets gewährleistet sein. Neben der synaptischen Signalverzögerung an der motorischen Endplatte entsteht eine weitere Latenzzeit von etwa 2 ms zwischen der APBildung in der Muskelfaser und der Kontraktion und Krafterzeugung des Muskels. Sie wird durch die Zeit für Durch die Rekrutierung motorischer Einheiten wird das Ausmaß der Muskelkontrakdie Weiterleitung des muskulären APs bis tief in die Ttion reguliert. Auch die Dauer der sarkoTubuli, die Ca2+-Freisetzung, die Troponinbindung und plasmatischen Ca2+-Erhöhung spielt eine Tropomyosinverschiebung und schließlich die Actin/Myowichtige Rolle. sin-Bindung verursacht.

Mechanik der quergestreiften Muskulatur Muskeln funktionieren mechanisch als kontraktiles Element, das zusätzlich ein parallelelastisches und ein serienelastisches Element besitzt (䉴 Abb. 5.10b). Die parallelelastischen Anteile setzen sich aus den Zellmembranen der Muskelfasern und dem Bindegewebe zusammen. Das serienelastische Element besteht aus den Myosinquerbrücken, den Z-Scheiben sowie aus den Sehnen und ihren bindegewebigen Anheftungen am Knochen. Bei einer Muskelaktivierung wird zwar das kontraktile Element verkürzt, doch muss erst das serienelastische Element gedehnt werden, bevor sich eine Bewegung ergibt. Diese beiden Vorgänge werden als isometrische Kontraktion bezeichnet, da sie noch keine Längenänderung des Muskels bewirken. Erst wenn die Spannung der serienelastischen Komponente das angehängte Gewicht übertrifft, beginnt sich der Muskel zu verkürzen und geht in eine isotonische Kontraktion über. Reine isometrische Kontraktionen entstehen nur bei speziellen isometrischen Übungen zum Muskeltraining. Die Beziehung zwischen Muskelkraft und Muskellänge ist in Abbildung 5.10a dargestellt. Ausgehend von einer unterschiedlichen Vorbelastung (z. B. Punkt A auf der Ruhedehnungskurve) ergeben maximale isotonische Zuckungen (waagerechte Pfeile) die Hüllkurve der isotonischen Maxima. Dagegen ergeben maximale isometrische Zuckungen (senkrechte Pfeile) die Hüllkurve der isometrischen Maxima. Die gestri-

Bau und Funktion der Skelettmuskulatur

145

b mechanisches Analogmodell

a Kraft/Längen-Beziehung absolute Muskelkraft 4

Kraft [N ]

3

2

1

serienelastisches Element

isometrische Maxima

isotonische Maxima

A

Ruhedehnungskurve

parallelelastisches Element

kontraktiles Element

0 –6 –4 –2 0 +2 + 4 + 6 + 8 Längenänderung [mm]

+10

5.10 Mechanische Eigenschaften des Muskels. a) Kraft/Längen-Beziehung. Ausgehend von einer Vorbelastung (Punkt A auf der Ruhedehnungskurve) ergeben maximale isotonische Zuckungen (waagerechte Pfeile) die isotonischen Maxima. Maximale isometrische Zuckungen (senkrechte Pfeile) ergeben die isometrischen Maxima. Die gestrichelte Linie bezeichnet eine von A ausgehende Unterstützungszuckung. Sie ergibt sich durch eine isometrische Anspannung mit anschließender isotonischer Verkürzung. b) Analogmodell eines Muskels. (a verändert nach Penzlin 2005, b verändert nach Schmidt, Lang und Thews 2005.)

chelte Linie bezeichnet eine von A ausgehende Unterstützungszuckung. Sie ergibt sich durch eine isometrische Anspannung mit anschließender isotonischer Verkürzung. Während ein erschlaffter Muskel sich relativ gut dehnen lässt, ist dies bei einem gereizten Muskel nicht der Fall. Durch die Bildung des Actin/Myosin-Komplexes nimmt die Lasttragekapazität eines Muskels enorm zu. Der Muskel befindet sich dann im sogenannten aktiven Zustand. Ob es zu einer Einzelzuckung des Muskels kommt oder ob durch eine mehrfache Reizung andauernde Zuckungen ausgelöst werden, hängt allerdings entscheidend von der Art des Reizes ab. Eine Einzelzuckung verursacht wenig Muskelspannung, da Ca2+-Ionen schnell wieder aus dem Sarkoplasma entfernt wird, die Myosinköpfe nur wenige Zyklen durchführen und die Filamente nur etwas ineinander gleiten. Dadurch wird auch das serienelastische Element nicht voll angespannt. Folgt jedoch nach einem Muskel-AP rechtzeitig ein zweites AP, bevor die Zwischen Muskelkraft und Muskellänge Ca2+-Konzentration wieder abfällt, wird der aktive Zustand besteht eine feste Beziehung, die sich durch verlängert, bis die Dehnung der serienelastischen Elemente die Ruhedehnungskurve und die isometrischen und isotonische Maxima beschreiben maximal ist. Dann ist auch das kontraktile Element so stark lässt. verkürzt, dass die Filamente nicht weiter ineinander gleiten

ä

146

5. Funktion der Muskulatur

können, sondern sich auf der Stelle bewegen. In diesem Zustand ist die maximale Verkürzung eines Muskels erreicht, und er befindet sich im Tetanus.

Fasertypen der quergestreiften Muskulatur

ä

Die Muskelfasern der Wirbeltiere werden in verschiedene phasische und tonische Fasertypen eingeteilt. Tonische Muskelfasern sind für die Aufrechterhaltung des Körpertonus verantwortlich. Sie verkürzen sich sehr langsam und erzeugen lang anhaltende Kontraktionen. Ihr Querbrückenzyklus ist mit einer langsam ablaufenden Actin/Myosin-Bindung und einem extrem langsamen Umsatz der Myosin-ATPase an diese Aufgabe angepasst. Durch die lange aufrechterhaltene Querbrückenbindung sind keine schnellen Muskelzuckungen möglich, dagegen werden isometrische Aufgaben sehr wirkungsvoll erledigt. Tonische Skelettmuskelfasern findet man in den Muskelspindeln und in der äußeren Augenmuskulatur. Sie sind in durch viele Synapsen innerviert, die nach einer Reizung eine langsame, graduell ansteigende Depolarisation erzeugen, welche die Kontraktion über die Menge der Ca2+-Freisetzung reguliert. So wird der Körpertonus über die ständige asynchrone Rekrutierung von motorischen Einheiten reguliert, sodass keine Einzelzuckungen sichtbar werden. Die phasischen Muskelfasern bezeichnet man auch als Zuckungsfasern. Die langsam zuckende Typ-I-Faser ist ebenfalls auf Dauerleistung angelegt. Typische Aufgabe dieser Muskulatur ist die Haltearbeit der Beinmuskulatur beim Stehen. Durch viele Fettvakuolen und Mitochondrien ermüden diese Fasern nur langsam. Meist sind sie nur von einer motorischen Endplatte innerviert. Durch ihren hohen Gehalt an Myoglobin erscheinen sie rötlich und stellen den größten Anteil der roten Muskulatur. Die schnell zuckenden Typ-II-Fasern werden weiter in die Untergruppen IIa und IIb unterteilt. Typ-IIa-Fasern enthalten ebenfalls viele Mitochondrien und haben einen hohen oxidativen Stoffwechsel mit schneller ATP-Bereitstellung. Sie sind auf schnelle und ausdauernde Bewegungen spezialisiert. Typ-IIb-Fasern besitzen nur wenige Mitochondrien und gewinnen deshalb ihr ATP überwiegend in der anaeroben Glykolyse. Sie ermüden Die Skelettmuskulatur besteht aus verschiedeshalb auch schnell. Spezialisiert sind sie auf schnelle denen Muskelfasertypen, die tonisches und phasisches Verhalten aufweisen. Man unterMuskelkontraktionen. Sie haben einen besonders schnelscheidet zwischen roter und weißer Muslen Ca2+-Umsatz und erschlaffen nach einer Kontraktion kulatur und zwischen Einzelzuckung und auch schnell wieder. Dieser Fasertyp kommt hauptsächlich Tetanus. in der weißen Muskulatur vor.

Anpassung und Training Die Skelettmuskulatur ist funktionell an die zu bewegenden Massen angepasst. So sind z. B. die Muskeln der Extremitäten so spezialisiert, dass bei ihrer Beugung und Streckung ein möglichst weiter Bereich kraftvoll genutzt werden kann. Dazu ist ein optimales Längen/Spannungs-Verhältnis wichtig. Aus diesem Grund sind in diesen Extensormuskeln die Längen der Muskelfilamente und die Anzahl der Sarkomere pro Muskelfaser so optimiert, dass die Actin- und Myosinfilamente optimal überlappen.

Bau und Funktion der Herzmuskulatur

147

Durch diese mechanische Anpassung wird eine maximale Verkürzungsgeschwindigkeit bei der Kontraktion erreicht. Die Effektivität der Muskulatur kann aber auch durch Training verbessert werden. Dabei wird zum einen über motorisches Lernen, d. h. der wiederholten Durchführung einer Bewegung, die neuromuskuläre Koordination verbessert. Durch Ausdauertraining, d. h. submaximale, lang andauernde Muskelbelastung, wird vor allem die Mitochondriendichte und damit die oxidative Kapazität in langsam zuckenden Muskelfasern von Skelettmuskulatur und Herzmuskulatur erhöht. Krafttraining führt zu einer Muskelvergrößerung, indem nur kurz dauernde, dafür aber maximale Muskelverkürzungen die glykolytische Kapazität in den rasch zuckenden Muskelfasern erhöhen. Muskelkater entsteht infolge einer ungewohnten Überbeanspruchung der Muskulatur und wird durch mikroskopisch kleine Verletzungen in den Muskelfasern verursacht. Sie führen zu einer temporären Schwellung und Entzündung. Die Ermüdung Training verbessert die neuromuskuläre Koordination und vergrößert die Muskelmasse. der Muskulatur nach Belastung beruht auf dem Verbrauch Muskelkater wird durch Mikrotraumen hervon energiereichen Stoffwechselprodukten und der An- vorgerufen und Muskelermüdung entsteht häufung von Abbauprodukten wie Milchsäure in der Mus- durch Stoffwechselprodukte (Milchsäure). kulatur.

Pathologische Muskelkontraktionen Die unwillkürliche Kontraktion einer Muskelgruppe z. B. während eines epileptischen Anfalls wird als Spasmus bezeichnet. Bei Parkinson-Patienten treten rhythmische, unwillkürliche Kontraktionen antagonistischer Muskelgruppen auf. Dies wird als Tremor bezeichnet. Beim Faszikulieren zucken Muskelfaserbündel unter der Haut. Es wird durch Fehlfunktionen der Motoneurone ausgelöst. Eine stereotype, sich arhythmisch wiederholende Bewegung z. B. in der Gesichtsregion nennt man Tick. Sie tritt meist bei nervösen Erkrankungen auf.

Bau und Funktion der Herzmuskulatur Die Herzmuskulatur hat zwar große Ähnlichkeit mit der Skelettmuskulatur, sie unterscheidet sich aber auch in einigen wichtigen Eigenschaften wie in ihrer Innervierung (䉴 Kap. 10). Der kontraktile Mechanismus der Herzmuskelzelle ist, ähnlich wie in der quergestreiften Muskulatur, aus sich überlappenden Actin- und Myosinfilamenten aufgebaut. Allerdings enthält die Myocyte (Herzmuskelzelle) nur einen Zellkern. Myocyten grenzen sich durch die Glanzstreifen (Interkalarscheiben) gegeneinander ab. Untereinander sind die Zellen aber durch elektrisch leitende Verbindungen (gap junctions) gekoppelt. Innerviert werden Myocyten über diffus verteilte Endigungen des vegetativen Nervensystems. Dabei erzeugen diese Neurone keine postsynaptischen Potenziale, sondern modulieren mit ihren ausgeschütteten Transmittern nur

ä

148

ä

5. Funktion der Muskulatur

die spontane myogene Eigenaktivität der Herzmuskelzellen. Diese bildet sich in spezifischen Schrittmacherzentren. Eine tetanische Kontraktion der Herzmuskelzelle wird durch das lange Plateau ihres Aktionspotenzials verhindert. Dieses Plateau entsteht durch einen Ca2+-Einstrom in das Cytoplasma, der sowohl aus dem extrazellulären Raum als auch aus dem sarkoplasmatischen Reticulum stammt. Auch beim Herzmuskel löst eine elektromechanische Kopplung über Die Myocyten der Herzmuskulatur werden Ryanodinrezeptoren den Querbrückenzyklus aus. Dabei durch die Glanzstreifen getrennt, in denen hängt das Ausmaß der erzeugten Muskelspannung von der sich gap junctions zur elektrotonischen Höhe der sarkoplasmatischen Ca2+-Konzentration ab. Sie Kopplung befinden. Der kontraktile Apparat ist ähnlich wie in der quergestreiften kann neben dem AP auch durch die Transmitter des vegeMuskulatur aufgebaut, durch das lange Platativen Nervensystems über α- und β-Rezeptoren beeinteau des Aktionspotenzials sind Myocyten flusst werden. Die Kontraktion der Herzmuskulatur ist jedoch nicht tetanisierbar. auch stark temperaturabhängig.

Glatte Muskulatur

ä

Viele innere Organe wie Magen, Darm, Bronchien, Blase und Uterus haben eine Muskulatur, die aus mehreren Lagen von spindelförmigen glatten Muskelzellen aufgebaut ist (䉴 Abb. 5.11). Auch diese Zellen enthalten einen kontraktilen Apparat aus überlappenden Actin- und Myosinfilamenten, die allerdings nicht in den für die Skelettmuskulatur typischen Sarkomeren angeordnet sind, sondern vielfach durcheinander verlaufen. Der kontraktile Apparat ist dabei etwa in Längsrichtung der spindelförmigen Zellen angeordnet. Dabei sind die Myosinfilamente mit scheibenförmigen Anheftungsplatten in der Zellmembran verankert (䉴 Abb. 5.11c). Diese verbinden auch die Zellen untereinander. Glatten Muskelzellen fehlt auch das ausgeprägte tubuläre System der Skelettmuskelzellen mit den Ca2+-Speichern. Ca2+-Ionen strömen deshalb überwiegend aus dem extrazellulären Raum über membranständige Ca2+Kanäle ein. Das Ruhepotenzial der glatten Muskelzellen ist nicht Die glatte Muskulatur der inneren Organe stabil, sondern oszilliert rhythmisch mit einer sehr niedribesteht aus spindelförmigen Zellen. Ihr gen Frequenz und einer Amplitude von etwa 20 mV. Diekontraktiler Apparat ist nicht in Sarkomeser Rhythmus wird z. B. beim Darm als basaler elektriren gebündelt, sondern unregelmäßig in scher Rhythmus (BER) bezeichnet. Da die glatten den Zellen verteilt. Ihr Ruhepotenzial oszilliert, und sie bilden ihre Aktionspotenziale Muskelzellen oft über gap junctions miteinander verbundurch Ca2+-Einstrom aus dem Extrazellulärden sind (䉴 Abb. 5.11a), können sich elektrische Erregunraum. gen von einer Zelle auf die nächste übertragen. Glatte Muskelzellen werden funktionell in zwei Typen eingeteilt, den single unitTyp und den multi unit-Typ. Beim single unit-Typ (䉴 Abb. 5.11a) breitet sich eine Erregung durch die gap junctions über den ganzen Zellverband aus. Dies ist z. B. bei der glatten Muskulatur von Magen, Darm, Blase und auch den Blutgefäßen der Fall. Die Erregung entsteht dabei innerhalb der glatten Muskulatur durch Schrittmacherzellen, deren Rhythmus die anderen Zellen elektrisch gekoppelt erregt, sodass sie im gleichen Takt arbeiten und sich die Kontraktion wie eine Welle ausbreitet. Neuronale

Glatte Muskulatur

a single unit-Erregung

b multi unit-Erregung vegetativer Nerv

gap junction glatte Muskelzelle

c nichtkontrahierte glatte Muskelzelle Actin/MyosinFilamente

Intermediärfilamente

Membranverankerung

lokal erregte nichterregte Muskelzelle Muskelzelle

d kontrahierte glatte Muskelzelle kontrahierte Actin/MyosinFilamente

5.11 Aufbau und Funktion der glatten Muskulatur. (Verändert nach Silbernagl und Despopoulos 2001.)

Einflüsse können bei diesen Muskeltypen nur die Geschwindigkeit und die Kontraktionsstärke modulieren, weshalb diese Kontraktionsformen als myogener Tonus bezeichnet werden. Die glatten Muskelzellen vom multi unit-Typ (䉴 Abb. 5.11b) werden dagegen lokal von Neuronen des vegetativen Nervensystems erregt, die ihre Transmitter über Varikositäten abgeben. Dies sind keine Synapsen im eigentlichen Sinne, sondern Strukturen, aus denen die Transmitter in den Extrazellulärraum diffundieren und nur einzelne glatte Muskelzellen durch Diffusion erreichen, die dann erregt werden und kontrahieren. Zu dieser Muskelart gehören die Zellen der Samenleiter, der Arteriolen, der Iris und auch der Muskulatur an den Haarwurzeln. Da die Zellen des multi unitTyps nicht über gap junctions verbunden sind, bleibt die Erregung lokal begrenzt (䉴 Abb. 5.11b). Man spricht dann auch von einem neurogenen Tonus. Die glatte Muskulatur kann mit Ausnahme der Harnblase nicht willkürlich bewegt werden, sondern wird durch das vegetative Nervensystem gesteuert. Dabei spielen neben den üblichen Transmittern wie Acetylcholin und Noradrenalin auch Hormone eine wichtige Rolle wie das wehenauslösende Hormon Oxytocin oder die auch im Uterus wirksamen Hormone Östrogen und Progesteron. Auf die Gefäßmuskulatur wirken Histamin, Angiotensin II, Bradykinin und Serotonin (䉴 Kap. 10). Alle diese Substanzen steigern den Tonus der glatten Muskulatur, indem sie die intrazelluläre Ca2+-Konzentration erhöhen. Glatte Muskelzellen depolarisieren und bilden Aktionspotenziale, wenn das oszillierende Ruhepotenzial einen Schwellenwert überschreitet. Solche graduellen Depolarisationen unterhalb der Schwelle können durch einen transmitterund hormoninduzierten Ca2+-Einstrom befördert werden. Wird die Schwelle erreicht, öffnen sich schlagartig zusätzliche Ca2+-Kanäle, und die Depolarisation läuft nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip ab und generiert eine Serie von Aktionspotenzialen.

149

150

5. Funktion der Muskulatur

Caldesmon (CDM)

Calmodulin (CM)

Actin Myosin ATP

ATP ADP

2+

Ca

CM

Pi

CDM

Phosphorylierung der leichten Myosinkettten

Deblockade des Actins

MLKK ADP Pi

2+

Ca

CM

Pi

CDM

Pi Actomyosin 5.12 Kontraktiler Apparat der glatten Muskelzelle. (Verändert nach Klinke und Silbernagl 2005.)

ä

Da sich in glatten Muskelzellen kein Troponin befindet, bindet das erhöhte intrazelluläre Ca2+ an Calmodulin (䉴 Abb. 5.12). Der entstandene Ca2+/CalmodulinKomplex bindet an ein weiters Regulatorprotein, das Caldesmon. Es reguliert die Kontraktion durch Bindung an Actin. Der Ca2+/Calmodulin-Komplex aktiviert aber auch die Myosinleichtkettenkinase (MLKK), die einen Teil des Myosinkopfs phosphoryliert und damit zur Bindung an Actin aktiviert. Das führt dann zur Kontraktion der spindelförmigen glatten Muskelzelle (䉴 Abb. 5.11d). Die glatte Muskulatur ist aber auch sehr mechanosensitiv. Die Dehnung eines glatten Muskels führt zu einer Depolarisation und einer anschließenden Kontraktion. Dies lässt sich z. B. bei der Autoregulation des Gefäßquerschnitts in den NierenarteDie glatte Muskulatur unterteilt sich funktionell in den single unit-Typ und den multi riolen beobachten (䉴 Kap. 13). Wird ein glatter Muskel unit-Typ. Die single unit-Zellen sind über dagegen langsam gedehnt, so nimmt seine Kraft allmähgap junctions gekoppelt und bilden ihre lich ab, und er passt sich an die neue Situation an. Erregungswellen in einem Schrittmacherzentrum. Die multi unit-Zellen sind nicht Diese Eigenschaft der Plastizität spielt eine wichtige Rolle, gekoppelt und werden lokal durch Transz. B. beim Geburtsvorgang. Tabelle 5.1 gibt eine Übersicht mitter des vegetativen Nervensystems über die funktionalen Unterschiede der drei Arten von erregt. Muskulatur.

Glatte Muskulatur

Tabelle 5.1

151

Funktionelle Unterschiede der drei Muskelarten. glatter Muskel

Herzmuskel

Skelettmuskel

motorische Endplatte

keine

keine

ja

Fasern

kurz (max. 0,4 mm), verzweigt

spiralförmig, verzweigt

lang (max. 15 cm), unverzweigt

Mitochondrien

wenige

viele

viele (abhängig vom Muskeltyp)

Zellkerne je Faser

1

1

viele

Schrittmacher

spontan aktiv

schnell

nein (Nervenreiz nötig)

elektrische Reizung Ausmaß der Muskelkontraktion

?

Klausurfragen

1. Beschreiben Sie den kontraktilen Apparat einer glatten Muskelzelle. 2. Warum ist der Herzmuskel nicht tetanisierbar? 3. Welcher Unterschied besteht zwischen einem single unit-Typ und einem multi unit-Typ, und bei welcher Muskulatur kommen diese Begriffe vor? 4. Welche Funktion haben Varikositäten? 5. Wie entsteht das Aktionspotenzial einer glatten Muskelzelle? 6. Erklären Sie die Funktion von Troponin und Tropomyosin. 7. Welche unterschiedlichen Typen von Muskulatur gibt es? 8. Erläutern Sie den Ablauf der elektromechanischen Kopplung. 9. Welche Fasertypen gibt es in der quergestreiften Muskulatur? 10. Was ist eine Ruhedehnungskurve, und wie erhält man die isotonischen und isometrischen Maxima?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 6

Sinnesorgane und Sensibilität

Lernziele

■ ■ ■

■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über die physiologischen Mechanismen von Reizaufnahme, Reizverarbeitung und der systemischen Reizprozessierung, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Einfluss der Wahrnehmungspsychologie auf die Interpretation eines Reizes. Umsetzung und Codierung von Qualität und Quantität eines Reizes. Sinnesorgane, die für die Umsetzung von mechanischen Signalen bei Berührung der Haut, für den Gleichgewichtssinn und das Hören verantwortlich sind. Entstehung und Verarbeitung von Schmerz und Möglichkeiten für seine Bekämpfung. Entstehung von Geschmacks- und Geruchsempfindungen. Verarbeitung der optischen Eindrücke durch das Auge. Wahrnehmung von Temperatur und Regulation unserer Körpertemperatur.

154

6. Sinnesorgane und Sensibilität

Allgemeine Sinnesphysiologie Die Sinnesphysiologie beschäftigt sich mit den auf einen Organismus einwirkenden Reizen, die dieser mithilfe geeigneter Sinnesorgane aufnehmen kann. Daran schließt sich die Reizverarbeitung im peripheren und zentralen Nervensystem an. Bevor wir uns mit den einzelnen Sinnen eines Organismus beschäftigen, werden wir zunächst einige allgemeine Begriffe und Charakteristika der Sinnesphysiologie erklären, die auf alle im Folgenden behandelten Sinne und Sinnesorgane zutreffen.

Einteilung der Sinne

ä

Die Sinne werden nach den adäquaten Reizen eingeteilt, für die sie jeweils selektiv sind. So unterscheidet man das Sehen, das Gehör, den Geschmack, das Riechen, den mechanischen Sinn und den Temperatursinn. Dabei ist die Aufzählung dieser Sinne oft unpräzise, da z. B. der mechanische Sinn noch in Tastsinn und Gleichgewichtssinn und Gehörsinn unterteilt Die Einteilung der Sinne erfolgt nach ihren wird. So ist die klassische Interpretation der fünf Sinne, adäquaten Reizen. die ein Mensch normalerweise hat, heutzutage überholt.

Sinneswahrnehmung und Psychologie

ä

Auf den Menschen wirken aus seiner Umgebung ständig vielfältige Reize ein, von denen er einige mithilfe geeigneter Sinnesorgane wahrnehmen kann. Die objektive Sinnesphysiologie beschäftigt sich mit der durch Experimente messbaren Signalkette, die angefangen vom Reiz, über die Erregung der Sinneszellen, die Weiterleitung durch afferente sensorische Neurone bis zur Verarbeitung in sensorischen Zentren des zentralen Nervensystems (Gehirn) reicht. Diese Vorgänge können objektiv beobachtet und analysiert werden. Die Wahrnehmungspsychologie beschäftigt sich dagegen mit einer nicht objektiv erfassbaren Dimension der Vorgänge, nämlich den subjektiven Wahrnehmungen, die jedes Individuum mit Sinneseindrücken verbindet und unterschiedlich erfährt. Menschen können diese subjektiven Wahrnehmungen kommunizieren, wodurch deutlich wurde, dass Sinneseindrücke immer mit erfahrungsgeprägten Wahrnehmungen der Psyche verbunden Die Sinnesphysiologie unterteilt sich in die werden. Ein typisches Beispiel dafür ist die Betrachtung objektive Sinnesphysiologie und die Wahrvon Vexierbildern (䉴 Abb. 6.1a), die deutlich macht, dass nehmungspsychologie. Sie versucht eine analytische Kausalität zwischen einer reizunterschiedliche Betrachter ein Bild mit zwei möglichen bedingten Erregung eines Sinnessystems Bildinterpretationen auch unterschiedlich wahrnehmen und der dadurch entstehenden Empfindung und oft bei längerer Betrachtung von einer Interpretation herzustellen. zur anderen wechseln.

Allgemeine Sinnesphysiologie

a Vexierbild

b neurosensorische Zelle

c primäre Sinneszelle

d sekundäre Sinneszelle

Nervenzelle sekundäre Synapse Sinneszelle

AP-Bildung

6.1 Sinneszellen und Wahrnehmungspsychologie. a) Vexierbild zur Erläuterung der Wahrnehmungspsychologie. Sinneseindrücke werden immer mit erfahrungspsychologischen geprägten Wahrnehmungen verbunden. Vexierbilder zeigen, dass ein Bild mit zwei möglichen Bildinterpretationen auch unterschiedlich wahrgenommen werden kann. Die Wahrnehmung eines Betrachters bleibt dabei oft nicht konstant, sondern wechselt im Verlauf einer längeren Betrachtung von einer Interpretation zur anderen und zurück. b–d) Funktionelle Grundtypen der Sinneszellen. (b–d Verändert nach Müller und Frings 2007.)

Sinnesmodalitäten und -qualitäten Empfindungen wie Hören, Sehen, Riechen und Schmecken sind Sinnesmodalitäten. Sie werden nicht durch den Reiz per se bestimmt, sondern durch das gereizte Sinnesorgan. Jedes Sinnesorgan hat seinen eigenen adäquaten Reiz. Sehzellen werden normalerweise durch ihren adäquaten Reiz „Licht“ erregt und erzeugen eine optische Empfindung. Reizt man diese Zellen durch einen elektrischen Reiz, so erzeugen sie dieselbe Sinnesmodalität einer optischen Empfindung und nicht etwa die einer elektrischen Empfindung. Dieses Konzept der Sinnesmodalität wird als Gesetz der spezifischen Sinnesenergien bezeichnet. Innerhalb einer Sinnesmodalität gibt es verschiedene Qualitäten. Beim optischen Sinn wären dies die einzelnen Farben. Während sich verschiedene Sinnesmodalitäten quantitativ nicht miteinander vergleichen lassen, ist ein Vergleich der Sinnesqualitäten möglich. So lässt sich durch die Veränderung einer Tonfrequenz eine Schwelle ermitteln, ab der ein anderer Ton wahrgenommen wird.

Sinneszellen und Sensoren Sinnesorgane beinhalten Sinneszellen (Sensoren), die selektiv auf einen adäquaten Reiz optimal reagieren. Sie sind so angepasst, dass der Reiz für eine Erregung nur eine minimale Energie haben muss. Sinneszellen reagieren aber oft auch auf

155

156

6. Sinnesorgane und Sensibilität

a Riechzelle

b Dehnungsrezeptor

c Hautsinneszelle

d Hörzelle

Dendritenzone (rezeptive Region)

Neuritenzone

Telodendritenzone (präsynaptische Region)

6.2 Verschiedene Typen von Sinneszellen. a) Riechzelle. b) Dehnungsrezeptor. c) Hautsinneszelle. d) Hörzelle. (Verändert nach Penzlin 2005.)

inadäquate Reize. So führt z. B. ein Druck auf die Augen zu unspezifischen Lichtempfindungen. Sinneszellen sind in ihrem Aufbau und in ihrer Position im Sinnesorgan so angelegt, dass sie die jeweilige Sinnesmodalität am besten aufnehmen können. Abbildung 6.2 zeigt verschiedene Typen von Sinneszellen. Allgemein gilt, dass die Reize in der Dendritenzone aufgenommen und gewandelt und dann in der Neuritenzone weitergeleitet und von der Synapsenregion auf ein nachfolgendes Neuron übertragen werden. Die spezifische Reizempfindlichkeit eines Sinnesorgans kann auch durch spezielle Membraneigenschaften und intrazelluläre Signalwege erzeugt werden.

Transduktion und Transformation Zur Aufnahme von Sinnesreizen sind die Sinneszellen oder auch freien Nervenendigungen spezialisiert. Man unterscheidet zwischen neurosensorischen Zellen, primären und sekundären Sinneszellen (䉴 Abb. 6.1b–d). Der Aufbau eines druckrezeptiven Sinnesorgans der Haut, eines Pacini-Körperchens, ist in Abbildung 6.3a dargestellt. Hier endet ein myelinisiertes Neuron in einem druckempfindlichen Körperchen aus mehreren lamellenartig angeordneten Membranen. Bei Druck verformen sich die Lamellen, und die Ionenkanäle dieser Membranen verändern ihre Leitfähigkeit, sodass im Sensorbereich der freien Nervenendigung ein Rezeptorpotenzial entsteht. Dieses Potenzial wird auch als Generatorpotenzial bezeichnet und der ganze Prozess als Transduktion. Entsprechend seiner Amplitude wird die Aktionspotenzialfrequenz des ableitenden Neurons moduliert (䉴 Abb. 6.3b). Der Zusammenhang zwischen Reizstärke, Amplitude und dem Verlauf des Rezeptorpotenzials ist für jede

Allgemeine Sinnesphysiologie

b Erregungstransduktion

a Druckrezeptor

Druck

Druck

RanvierSchnürring

Rezeptorpotenzial

Sensor Myelinscheide

APBildung

157

Rezeptorpotenzial

Aktionspotenzial Zeit

c Muskelspindel Afferenzen Efferenzen

sensorische Ia-Faser

motorische γ-Faser

d mechanosensitiver Ionenkanal Efferenzen motorische γ-Faser

extrazelluläre Verbindung

extrazellulärer Anker mechanosensitiver Ionenkanal (ENaC oder TRP) Zellmembran

kontraktile Elemente

Kapsel Sensorbereich

intrazelluläre Verbindung Cytoskelett

6.3 Erregungstransduktion und Transformation von Reizen. a) Aufbau eines Druckrezeptors. b) Transduktion und Adaptation der Erregung. c) Aufbau einer Muskelspindel. d) Mechanosensitiver Ionenkanal. Die Krafteinwirkung auf einen extrazellulären Anker wird über eine Verbindung direkt auf den Kanal übertragen und verändert dessen Durchlässigkeit. Es gibt zwei verschiedene mechanosensitive Proteinfamilien, die epithelialen Na+Kanäle (ENaC) und die Familie der TRP-(transient receptor potential-)Kanäle. (Verändert nach Penzlin 2005.)

Sensorart spezifisch. Dabei überträgt sich die Energie des Reizes nicht auf die biologische Sensorstruktur, sondern moduliert nur deren Energieverteilung, sie ändert z. B. das Membranpotenzial. Daraus ergibt sich meistens eine verstärkende Wirkung des Sensors. Abbildung 6.3c zeigt die funktionelle Anordnung solcher Mechanorezeptoren am Beispiel einer Muskelspindel der quergestreiften Muskulatur. Sie misst laufend den Kontraktionszustand eines Muskels. Die sensorischen Bahnen werden funktionell als Afferenzen bezeichnet, da sie das Signal einem Verarbeitungszentrum zuführen, das dann über Efferenzen (motorische Fasern) die Länge der Muskelspindel verändern kann. Als Transformation bezeichnet man die Übersetzung des lokalen Rezeptorpotenzials in eine modulierte Serie von Aktionspotenzialen. Dabei wirkt das graduierte Rezeptorpotenzial elektrotonisch auf Membranbereiche der Sinneszelle, die über spannungsabhängige Na+-Kanäle Sinneszellen erstellen aus dem Reiz ein Aktionspotenziale auslösen. Die Reizintensität wird also erst Rezeptorpotenzial (Transduktion), das anschließend in eine Serie von Aktionspotenüber die Amplitude des Rezeptorpotenzials und dann über zialen übersetzt wird (Transformation). die Frequenz der Aktionspotenziale codiert.

ä

158

6. Sinnesorgane und Sensibilität

Reiz- und Erregungsverhalten

ä

Die Kennlinie eines Sensors beschreibt die Beziehung zwischen der Reizintensität und der Amplitude des Rezeptorpotenzials bzw. der AP-Frequenz. Sie ist meist logarithmisch. Der Vorteil eines logarithmisch arbeitenden Sensors ist, dass er einen größeren Intensitätsbereich abdeckt. Ein linearer Sensor hat aber dafür eine konstante Unterschiedsempfindlichkeit über den ganzen Messbereich. Das zeitliche Verhalten eines Reizes ist eine weitere wichtige Kenngröße. Eine plötzliche Änderung der Reizintensität bezeichnet man als Sprungreiz. Die Reaktion des Rezeptors hängt von seinem Regelverhalten ab. Phasisch-tonische Rezeptoren reagieren mit einer transienten überschießenden Erregung und adaptieren dann an ein erhöhtes Niveau der AP-Frequenz. Man bezeichnet diesen Reglertyp auch als Proportional-Differential-(PD-)Regler. Rein phasische Rezeptoren werden als Differential-(D-)Regler bezeichnet und generieren nur eine kurzzeitige modulierte APFrequenz. Rein tonische Rezeptoren werden als Proportional-(P-)Regler bezeichnet. Sie besitzen nur eine Absolutempfindlichkeit und ändern ihre AP-Frequenz auf ein neues Niveau. Die absolute Empfindlichkeit eines Sinnessystems bei adäquater Reizung wird durch die Reizschwelle des Sensors bestimmt. Trotz Abschwächung der Reize durch vorgeschaltete Strukturen wie die Hautoberfläche ist die Sensitivität der Rezeptoren erstaunlich hoch. Beim Lichtsinn genügt die Absorption eines einzelnen Lichtquants, um ein Stäbchen zu erregen. Die Reizschwelle der meisten Sinnessysteme befindet sich deshalb bereits im Bereich der maximal möglichen physikalischen und chemischen Auflösung eines Reizes. Damit nicht ständig eine hohe AP-Frequenz aufrechterhalten werden muss, können sich Sinnessysteme an lang andauernde Reize adaptieren. Dies kann bereits auf der Ebene des Sensors erfolgen oder auch im peripheren oder im zentralen Bereich durch Rückkopplung und Die Reizschwelle einer einzelnen SinnesHemmung. Adaption schützt vor ständiger Reizüberfluzelle liegt meist bei der maximal möglichen chemischen oder physikalischen Auflösung tung, bedeutet aber auch eine nachlassende Empfindlicheines Reizes. Dabei bestimmt die meist keit des jeweiligen Informationskanals. Mit Ausnahme der logarithmische Kennlinie eines Rezeptors Schmerzempfindlichkeit können sich alle Sinnessysteme seinen Empfindlichkeitsbereich. adaptieren.

Reizverarbeitung in neuronalen Netzwerken Nachdem ein Reiz in eine AP-Frequenz codiert wurde, ist er den im Nervensystem üblichen Leitungsprozessen an Axonen und Synapsen unterworfen (䉴 Abb. 6.4). Neben den neuronalen Verschaltungen, der Divergenz und der Konvergenz, spielen an den Synapsen sämtliche Möglichkeiten der räumlichen und zeitlichen Bahnung eine Rolle. Bei der flächigen Anordnung von Sinneszellen in Sinnesepithelien werden die Zellen durch nachgeordnete Inter- und Folgeneuronen in rezeptive Felder verschaltet, um die Reizintensität fokal abzubilden. Durch Konvergenz werden viele Sinneszellen auf wenige Folgeneurone verschaltet. Solche peripheren rezeptiven Felder findet man

Mechanorezeption

Reiz

graduiertes Rezeptorpotenzial

Soma Rezeptorendigung

AP-Frequenz (Alles oder Nichts)

afferente Faser

159

Transmitter graduiertes APEPSP Frequenz

Synapse Nervenzelle

6.4 Reizverarbeitung in neuronalen Netzwerken. Die Information eines von einer Sinneszelle aufgenommenen Reizes wird über ein Rezeptorpotenzial in eine Aktionspotenzialfrequenz codiert. Diese wird über die Mechanismen der axonalen Erregungsleitung und synaptischen Übertragung auf Folgeneurone weitergegeben.

z. B. in der Retina des Auges oder in Hautarealen der Körperoberfläche, die über eine bestimmte Anzahl von Tastrezeptoren verfügen. Je größer ein solches rezeptives Feld ist, desto geringer ist aber sein räumliches Auflösungsvermögen. Eine punktuelle Lokalisierung von Reizen kann durch Überlappung solcher rezeptiver Felder erfolgen. Die neuronale Verschaltung durch laterale Inhibition erhöht die Kontrastschärfe von Reizen (䉴 Abb. 6.5). Damit können z. B. im Auge die Grenzen zwischen Hell und Sinnesepithelien organisieren sich in rezeptiDunkel genau abgebildet werden. Die laterale Inhibition ven Feldern, deren Rezeptordichte das räumvon benachbarten Rezeptorverschaltungen führt zu einer liche Auflösungsvermögen bestimmt. Dabei man oft die neuronalen VerschaltungsKontrasterhöhung der Trennlinie, sodass die unmittelbar findet möglichkeiten der Konvergenz und der lateangrenzende helle Fläche noch heller erscheint und die ralen Inhibition. dunkle Fläche noch dunkler.

Mechanorezeption Bei der Mechanorezeption werden Druck- und Bewegungsreize registriert und verarbeitet. Dies betrifft nicht nur den Tastsinn auf der Körperoberfläche, sondern auch Sinnesreize aus dem Körperinneren. So erfassen die kompliziert aufgebauten Sinnesorgane des Gehörs die mechanischen Schwingungen des Schalls und Mechanorezeptoren die Darmbewegungen.

ä

160

6. Sinnesorgane und Sensibilität

starker Reiz (hell)

schwacher Reiz (dunkel)

Rezeptorenschicht relative Erregungsgröße

10

10

10

5

5

5

Verschaltungen Synapse laterale Inhibition

–2

–2

–2

–1

–2

–1

–2

–1

–1

–1

–1

Folgeneuron

6

6

7

2

3

3

resultierendes Erregungsmuster 6.5 Laterale Inhibition. Durch die neuronale Verschaltung mit inhibitorischen Kollateralfasern (blau) wird die ursprünglich relative Erregungsgröße (10 bzw. 5) am Folgeneuron mittels hemmender Transmitter um den jeweils mit –2 und –1 bezeichneten Erregungsbetrag verringert. Das postsynaptische Potenzial ist am Folgeneuron daher entsprechend geringer (untere Zahlenreihe). Dadurch wird ein scharfer Hell/Dunkel-Kontrast erzeugt. (Verändert nach Penzlin 2005.)

Mechanorezeptoren Da Mechanorezeptoren eine sehr schnelle Reaktionszeit haben und bereits innerhalb weniger Millisekunden reagieren, läuft ihr Mechanismus nicht über biochemische Signalkaskaden, sondern sie wirken direkt mechanisch auf Ionenkanäle ein, die dann das Rezeptorpotenzial erzeugen. Es gibt zwei hauptsächliche Gruppen von Ionenkanälen, die direkt mechanosensitiv sind. Das sind zum einen epitheliale Na+-Kanäle (ENaC), die eigentlich für die Na+-Resorption zuständig sind (䉴 Kap. 13) und zum anderen die Familie der TRP-(transient receptor potential-)Kanäle. Diese Kanäle wurden in Mechanorezeptoren der Haut und in den Haarzellen des Ohrs gefunden. Offensichtlich stellt diese Kanalgruppe eine ubiquitäre Familie von mechanosensitiven Proteinen dar. Die Funktionsweise eines solchen Kanals ist in Abbildung 6.3d dargestellt. Mechanische Reize wirken auf einen extrazellulären Anker, der den Ionenkanal öffnet. Dadurch ändert sich das Membranpotenzial vorübergehend und führt schließlich durch die gleichzeitige Konformationsänderung vieler solcher Kanäle zu einem Rezeptorpotenzial. Intrazellulär ist der Kanal am Cytoskelett verankert. Mechanorezeptoren sind in verschiedenen Organisationsformen in die Haut eingelagert (䉴 Abb. 6.6). Sie sind polar aufgebaut und besitzen auf ihrer apikalen Seite

Mechanorezeption

161

b unbehaarte Haut

a behaarte Haut

Hornhaut

Epidermis Corium Subcutis c Mechanosensoren der Haut

Tastscheibe Meissner- PaciniKörperchen Körperchen

RuffiniKörperchen

MerkelZelle

Haarfollikelsensor

6.6 Mechanosensoren in der Haut. Anordnung der Mechanosensoren in der behaarten (a) und unbehaarten (b) Haut. c) Übersicht über die verschiedenen Typen von Mechanosensoren. (Verändert nach Schmidt, Lang und Thews 2005).

Cilien, die teilweise von Mikrovilli umgeben sind. Man unterscheidet zwischen den Stereocilien, die für die Trans- Mechanorezeptoren gehören zu den Proteinder ENaC- und der TRP-Kanäle. Sie duktionsprozesse verantwortlich sind, und den Kinocilien. familien funktionieren durch direkte Einwirkung einer Eine einzelne epitheliale Rezeptorzelle kann bis zu 200 Ste- Scherkraft auf die Kanalstruktur. reocilien enthalten, hat aber oft nur ein Kinocilium oder gar keines wie die Hörzellen. Diese Haarsinneszellen perzipieren nicht nur Berührungsreize, sondern auch Wasserströmungen und Druckveränderungen, z. B. beim Schwimmen und Tauchen. Druck- und berührungssensitive Mechanorezeptoren lassen sich in drei Gruppen unterteilen. Tastrezeptoren befinden sich auf der Körperoberfläche und perzipieren Berührung, Druck und Vibrationen. Propriozeptoren befinden sich im Körperinneren und melden die Stellung der Gelenke und Extremitäten. Barorezeptoren reagieren Sinneszellen nehmen mechanische Reize durch apikale Cilien wahr, die durch Scherauf Druckveränderungen im Kreislauf, im Magen-Darm- kräfte ausgelenkt werden. Kanal und in den ableitenden Harnwegen.

Tastsinn Beim Menschen finden sich vielfältige Tastrezeptoren, die entweder als freie Nervenendigungen zwischen den Epidermiszellen liegen oder als marklose Nervenendigungen von speziell organisierten Hüllzellen umgeben sind. Sie bilden in tieferen Hautschichten verschiedene tastempfindliche Körperchen (䉴 Abb. 6.6). In der unbehaarten Haut findet man die Meissner-Körperchen, die ebenso wie die Ruffini-Körperchen bei Primaten in den höchstempfindlichen Regionen wie Fingerbeeren und

ä

ä

162

6. Sinnesorgane und Sensibilität

Lippen vorkommen. Die mit einer lamellenartigen Struktur versehenen Pacini-Körperchen findet man in der Fingerkuppe, Tastscheiben und Merkel-Zellen finden sich hauptsächlich in der flächigen Haut. Die Berührung oder das Abbiegen eines Haares wird von Haarfollikelsensoren in den Haarbälgen perzipiert.

Gleichgewichtssinn Organismen haben zur räumlichen Orientierung mechanorezeptive Sinnesorgane entwickelt, mit denen sie ihre Lage relativ zur Schwerkraft der Erde bestimmen können. Beim Menschen übernimmt das Gleichgewichtssinnesorgan diese Aufgabe. Dabei handelt es sich um eine mit Flüssigkeit gefüllte Blase (Statocyste), an deren Grund sich ein Sinneszellepithel mit nach oben ragenden Kinocilien befindet. Auf ihnen liegen ein oder mehrere Partikel (Statolithen), deren statischer Druck oder relative Umlagerung bei Bewegungen die Auslenkung der Kinocilien verändert und damit das Signal der Sinneszellen bestimmt (䉴 Abb. 6.7). Die einzelnen Partikel sind mit Filamenten an die Kinocilien geheftet. Die auf die Kinocilien einwirkenden adäquaten Reize bezeichnet man als Scherkräfte. Die sekundären Sinneszellen werden durch afferente und efferente Neurone innerviert. Werden die Kinocilien in eine Richtung ausgelenkt (in Abbildung 6.7 links), ergibt sich eine Depolarisation des Ruhepotenzials, eine Auslenkung in die andere Richtung (in Abbildung 6.7 rechts) ruft dagegen eine Hyperpolarisation hervor. Entsprechend diesem Rezeptorpotenzial wird die AP-Frequenz des ableitenden afferenten Neurons moduliert. Die Empfindlichkeit des Systems wird durch das zusätzliche efferente Neuron verändert.

Stereovilli

Kinocilium Depolarisation Ruhepotenzial Rezeptorpotenzial

Aktionspotenzial afferent efferent

Hyperpolarisation

Ruhe- erhöhte Impulsfrequenz entladungen Erregung

erniedrigte Impulsfrequenz Hemmung

6.7 Funktion der Haarzellen. Sekundäre mechanosensitive Sinneszellen werden oft durch zwei Neurone innerviert. Die Auslenkung der Kinocilien bestimmt die Veränderung des Rezeptorpotenzials und damit die Frequenz der Aktionspotenziale. (Verändert nach Penzlin 2005.)

163

Mechanorezeption

Das Gleichgewichtsorgan des Menschen befindet sich im Labyrinth (Vestibularorgan). Es ist zusammen mit dem Gehörorgan im Schädelknochen eingelagert und besteht aus einem flüssigkeitsgefüllten Gangsystem (䉴 Abb. 6.8). In diesem knöchernen Labyrinth ist das häutige Labyrinth eingelagert, das mit Endolymphe gefüllt ist. Zwischen der Wand des häutigen Labyrinths und dem Knochen befindet sich die Perilymphe. Das Vestibularorgan (Bogengänge) und das Gehörorgan (Schnecke) sind miteinander verbunden (䉴 Abb. 6.8a), sodass sich die Innenräume mit der Perilymphe und der Endolymphe über beide Organe erstrecken. Das menschliche Gleichgewichtsorgan ist beidseitig angelegt und besteht aus den drei Bogengangorganen und den zwei Maculaorganen. Die drei Bogengänge des Vestibularorgans sind senkrecht zueinander angeordnet, sodass sie alle drei Richtungen des Raumes vertreten (䉴 Abb. 6.8a). Die Haarsinneszellen befinden sich in den ampullenförmigen Erweiterungen der Bogengänge, und ihre Cilien ragen in die gallertartige Masse der Cupula (䉴 Abb. 6.8b). Jede Haarsinneszelle besitzt mehrere Stereocilien, die miteinander mit einem feinen Filament verbunden sind (tip link), sowie eine einzelne Kinocilie. Mit den drei Bogengangorganen kann der Organismus eine Drehbeschleunigung (Winkelbeschleunigung) wahrnehmen. Bei einer Drehung des Kopfes in eine dieser drei Richtungen bleibt die im jeweiligen ringförmigen Bogengangkanal vorhandene Endolymphe aufgrund ihrer Trägheit hinter der Bewegung zurück und lenkt die an der Spitze bewegliche Cupula wie eine abknickende Membran zur Seite aus. Damit werden auch die Cilien, wie in Abbildung 6.7 gezeigt, in die eine oder andere Richtung abgeknickt, und die basale AP-Frequenz des N. vestibularis wird moduliert. Auf diese Weise wird jede dreidimensionale Bewegung des Kopfes wahrgenommen. Zwischen den Bogengängen und der Schnecke liegen im Labyrinthraum noch weitere Felder mit Haarsinneszellen. Sie werden als die zwei Maculaorgane bezeichnet (Macula utriculi und Macula sacculi). Diese Sinnesfelder liegen in blasenartigen knö-

a Labyrinth

c Macula

b Bogengang

Endolymphe

Bogengang

Bogengang Gelmatrix

Macula des Utriculus

Otolith

Ampulle Macula des Sacculus

Schnecke

Stereocilien afferentes Neuron

Cupula Haarsinneszellen Ampulle

Unterstützungszellen

Haarsinneszellen

6.8 Gleichgewichtsorgan des Menschen. a) Schematische Darstellung des Labyrinths mit den drei Bogengängen, den Maculae und der Schnecke. b) Vergrößerte Darstellung eines Bogengangs mit dem Aufbau einer Ampulle. c) Aufbau einer Macula. (Verändert nach Moyes und Schulte 2007.)

164

ä

6. Sinnesorgane und Sensibilität

chernen Kammern und dienen als Statolithenorgane. Auf den Sinneszellen dieser Epithelien befindet sich ebenfalls eine gallertige Masse, in die die Cilien der Haarsinneszellen ragen. Auf dieser Gallertmasse liegen kleine mineralisierte Partikel aus Calciumcarbonat, die als Otolithe (Ohrensteine) bezeichnet werden. Die Maculaorgane erfassen die Position des Kopfes relativ zur Schwerkraft. Da das Sinnesepithel der Macula sacculi senkrecht steht, werden bei normaler Körperhaltung ihre Cilien durch die Otolithen nach unten abgelenkt, und es wird ein moduliertes Signal erzeugt. Das Sinnesepithel der Macula utriculi ist dagegen unter diesen Bedingungen waagerecht positioniert und erzeugt kein Signal. Durch diese unterschiedliche Anordnung der beiden Epithelien führen Lageänderungen des Kopfes zu entsprechenden Lageänderungen der Otolithen in beiden Organen und damit zu einer kombinierten Modulation der tonischen Aktivität der Haarsinneszellen in den zwei Organen. Die Signale Das menschliche Gleichgewichtsorgan dieser Sinnesorgane werden im Stammhirn und im Cerebesteht aus fünf Sinnesepithelien, drei Bogengang- und zwei Maculaorganen. bellum mit den anderen mechanosensitiven Signalen des Sie erfassen die Drehbeschleunigung und Körpers (Winkelbeschleunigung, Stellung der Extremitädie relative Körperlage des Organismus im ten) verschaltet, um einen Gesamteindruck der Körperlage dreidimensionalen Raum. zu erzeugen.

Gehörsinn Schall wird durch rhythmische Verdichtungen der Moleküle eines schalleitenden Mediums (z. B. Luft oder Wasser) erzeugt und in eine lineare Richtung abgestrahlt. Schallsignale dienen nicht nur zur Kommunikation zwischen Organismen, sondern werden auch bei deren Eigenbewegung erzeugt und ermöglichen so zusammen mit den Umweltgeräuschen auch eine Orientierung. Sie sind charakterisiert durch ihre Frequenz (Schalldruckschwankungen pro Sekunde), den Schalldruck (Amplitudendifferenz), die Schallschnelle und die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Menschen können wie viele Tiere Schallsignale nicht nur empfangen, sondern auch durch spezielle Schallorgane (Stimmbänder) erzeugen. Schallwellen werden aus großer Entfernung wahrgenommen, da Luftschall eine geringe akustische Impedanz hat, deshalb weich schwingt und sich über weite Distanzen ausbreiten kann. Allerdings muss der Luftschall dann durch besondere mechanische Hebelsysteme im Mittelohr an die härtere Schallimpedanz der Endolymphe angepasst werden. Die Schallwellen werden beim Menschen über ein Trommelfell (Tympanum) aufgenommen. Da die Gehörorgane paarig angelegt sind, wird bereits über die Trommelfelle die Druckdifferenz des Schalls erfasst und damit das Richtungshören möglich. Der Aufbau und die Funktion des Gehörorgans der Säugetiere wird in Abbildung 6.9 gezeigt. Die Schallsignale werden zunächst von einem speziell angepassten Außenohr (Ohrmuschel und Gehörgang) aufgenommen. An dessen Ende ist das Trommelfell lokalisiert (䉴 Abb. 6.9a). Das Außenohr wirkt durch seine besonders angepasste Anatomie bereits als Richtungsorgan. Der Schall wird durch den Gehörgang bis zum Trommelfell geleitet, das das äußere Ohr vom Mittelohr durch eine trennende Membran völlig abschließt. Die Membran wird durch die Schallwellen in Schwingungen versetzt, deren Amplitude durch die am Mittelohr vorhandenen drei Gehörknöchel-

165

Mechanorezeption

a Aufbau des Säugetierohrs Stapes ovales Fenster Malleus Gehörgang basal Tympanum Mittelohr

1

Scala vestibuli Basilarmembran

apikal Scala tympani Helicotrema rundes Fenster Eustachische Röhre

relative Amplitude

Incus

b Wanderwelle

b a 0

–1 20 basal

22

24

26

28

30

Entfernung vom Steigbügel [mm]

6.9 Gehörorgan des Menschen. a) Schematischer Aufbau des Säugetierohrs. Die weißen Pfeile veranschaulichen die Bewegungen der Endolymphe. b) Einwirkung der Wanderwelle auf die Basilarmembran. a und b bezeichnen eine sich fortbewegende Wanderwelle. Die gestrichelte Linie stellt die Hüllkurve aller ablaufenden Wanderwellen dar. (Verändert nach Heldmaier und Neuweiler 2003.)

chen Hammer, Amboss, Steigbügel auf das ovale Fenster des Innenohrs übertragen wird. Dabei verstärkt die Hebelmechanik des Mittelohrs den Schalldruck etwa 80fach. Da die Gehörknöchelchen auch durch Muskeln verbunden sind, kann die Weiterleitung durch deren Kontraktion erheblich gedämpft werden. Durch die Eustachische Röhre ist das Mittelohr mit dem Rachenraum verbunden, sodass ein Druckausgleich zur Umgebung erfolgen kann. Bei einer Erkältung wird dies durch die Schleimhautanschwellung verhindert, wodurch die Hörfähigkeit vorübergehend verringert ist. Das Innenohr besteht aus der knöchernen Schnecke (Cochlea), die drei durch häutige Schichten umgebene Kanäle enthält. Bei Säugetieren ist die Schnecke in ca. zweieinhalb Windungen spiralig angeordnet, während sie bei Amphibien und Vögeln eine fast lineare Form hat. In Abbildung 6.9a ist der Verlauf des oberen Kanals (Scala vestibuli) und des unteren Kanals (Scala tympani) dargestellt. Beide Kanäle sind an der Spitze, dem Helicotrema, verbunden und mit Perilymphe gefüllt. Zwischen beiden Kanälen liegt die Basilarmembran, die durch die Schallwellen in Schwingungen versetzt wird. Der Schall wird vom Steigbügel über das ovale Fenster auf die Perilymphe der Scala vestibuli übertragen. Die Schallwellen laufen über das Helicotrema und die Scala tympani im unteren Kanal zurück zum runden Fenster, das sich in Ausgleichsbewegungen zum ovalen Fenster bewegt, um den Druck in der Schnecke konstant zu halten. Die Basilarmembran ist am Anfang (basal) am schmalsten, nimmt aber in ihrer Breite zum Helicotrema hin kontinuierlich zu. Durch die Schallwellen wird sie in Schwingungen versetzt, wobei ihr Resonanzverhalten zwischen den Frequenzen diskriminiert, sodass die maximale Auslenkung in einer bestimmten Entfernung vom ovalen Fenster frequenzspezifisch erfolgt. Diese Frequenzunterscheidung im Innenohr wird als „Wanderwellentheorie“ bezeichnet (䉴 Abb. 6.9b). Die Amplituden der durch die Perilymphe laufenden Schallwellen wandern entlang der Basilarmembran

apikal

166

6. Sinnesorgane und Sensibilität

b Querschnitt durch das Corti-Organ

a Querschnitt durch die Cochlea Scala Stria media vascularis

Scala vestibuli Reißner-Membran

Reißner-Membran Tektorialmembran

Tektorialmembran

Ganglionspirale Stereocilien

innere Basilaräußere membran Haarzellen Fasern des Hörnervs

Stützzellen Basilarmembran

äußere innere Haarzellen

afferente Nervenfasern

Scala tympani 6.10 Aufbau und Funktion der Cochlea. a) Querschnitt durch die Cochlea (Schnecke). b) Querschnitt durch das Corti-Organ. (Verändert nach Klinke, Pape und Silbernagl 2005.)

ä

und erreichen an einem bestimmten Punkt, der von der Breite der Basilarmembran und ihren elastischen Eigenschaften abhängt, ihr Maximum. An diesem Punkt wird dann das eigentliche Sinnesorgan, das Corti-Organ, erregt, das entlang der gesamten Schnecke in die Basilarmembran eingelagert ist. In Abbildung 6.10a ist dies in einem Querschnitt durch die Cochlea gezeigt. In der Abbildung ist auch zu erkennen, dass es in der Cochlea noch einen dritten Gang gibt, die Scala media, die von der Scala vestibuli durch die Reißner-Membran getrennt wird. In der Scala media befindet sich die Endolymphe, die sich in ihrer Ionenkonzentration wesentlich von der Perilymphe unterscheidet. Während die Perilymphe etwa die Zusammensetzung der Extrazellularflüssigkeit hat (145 mmol l– 1 Na+, 5 mmol l– 1 K+), enthält die Endolymphe eine sehr hohe K+-Konzentration von 145 mmol l– 1. Die Endolymphe wird von einem speziellen Epithelbereich der Scala media produziert, der Stria vascularis. In der Ausschnittsvergrößerung des Querschnitts durch die Cochlea (䉴 Abb. 6.10b) ist zu erkennen, dass sich am Boden der Scala media ein Sinnesepithel befindet, dessen Cilien nach oben in eine wulstförmige Ausstülpung der Basilarmembran, genannt Tektorialmembran, reichen. Die gesamte Anordnung wird als Corti-Organ bezeichnet und zieht sich entlang Das menschliche Gehörorgan besteht aus der ganzen Schnecke von basal bis apikal zum Helicodem äußeren Gehörgang, dem Mittelohr trema. Das Corti-Organ ist der eigentliche Ort der Reizmit den drei Gehörknöchelchen und dem aufnahme in der Cochlea. Die Sinneszellen sind in zwei Innenohr mit der Schnecke. In der Schnecke werden die Schallwellen über die flüssigGruppen als drei Reihen äußerer und eine Reihe innerer keitsgefüllten Kanäle zu den Sinneszellen Haarsinneszellen zwischen den Stützzellen angeordnet. des Corti-Organs geleitet, deren Cilien sie Nur die äußeren Haarzellen besitzen die Stereocilien, die durch Scherkraft seitlich verschieben. nach oben in die Tektorialmembran ragen.

Mechanorezeption

167

Die durch die Wanderwellen hervorgerufenen Ausbuchtungen der Basilarmembran verursachen eine Scherbewegung zwischen der Tektorial- und der Basilarmembran. Dadurch werden auch die Stereocilien zur Seite bewegt und eine mechanoelektrische Transduktion eingeleitet. Die äußeren Haarzellen werden allerdings von nur ca. 10% der afferenten Neurone des Hörnervs versorgt. Der überwiegende Teil dieser Neurone führt an die inneren Haarzellen, die aber keinen Kontakt zur Tektorialmembran haben. Allerdings befindet sich zwischen Tektorial- und Basilarmembran ein mit Endolymphe gefüllter Spalt. Es wird vermutet, dass auch diese Flüssigkeit bei der Scherbewegung seitlich bewegt wird und dann die Cilien der inneren Haarzellen seitlich auslenkt. Über diese hydrodynamische Kopplung verläuft vermutlich der hauptsächliche Transduktionsprozess beim Gehörsinn. Für die Transduktion an den äußeren Haarzellen spielt die unterschiedliche Ionenzusammensetzung in den verschiedenen Gängen der Schnecke eine entscheidende Rolle. Durch sie werden ganz besondere endocochleäre Potenzialverhältnisse erzeugt (䉴 Abb. 6.11a). Die äußeren und inneren Haarzellen weisen ein Ruhepotenzial von etwa –70 mV auf. Durch das Abbiegen der Cilien wird es moduliert, und ein Rezeptorpotenzial entsteht. Dabei gibt es jedoch in der Cochlea die Besonderheit, dass die Endolymphe in der Scala media mit ihrer hohen K+-Konzentration gegenüber den anderen Flüssigkeitsräumen ein positives Potenzial von etwa +85 mV erzeugt (䉴 Abb. 6.11a). Es wird als endocochleäres Potenzial bezeichnet. Da die Cilien und die apikale Membran der Haarzellen in diesen positiv geladenen Endolymphraum ragen, ergibt sich über die Zellmembran dieser Haarzellen insgesamt eine Potenzialdifferenz von +155 mV. Das Ruhepotenzial dieser Zellen (–70 mV) addiert sich also zum endocochleären Potenzial (+85 mV) und führt zu einem extrem hohen Potenzialgradienten, der als treibende Kraft für einen K+-Einstrom zur Verfügung steht. Dieser Transduktionsprozess ist in Abbildung 6.11b im Detail dargestellt. Da die Stereocilien miteinander durch feine Filamente (tip link) verbunden sind, führt ein laterales Abscheren der Cilien zu einer Zugkraft, durch die sich K+-Kanäle in der Cilienmembran öffnen (䉴 Abb. 6.11b). Es erfolgt ein K+-Einstrom, der die Haarsinneszelle depolarisiert und über die Freisetzung von intrazellulärem Ca2+-Ionen zur Ausschüttung eines afferenten Transmitters, vermutlich Glutamat, führt. Der Transmitter stimuliert über eine Synapse das afferente Neuron, das über die Hörbahn in das Gehirn führt. Etwas verzögert öffnen sich dann andere K+-Kanäle der Haarzelle, die eine Repolarisation des Rezeptorpotenzials bewirken. Es wurde auch beobachtet, dass sich die äußeren Haarzellen bei diesem ständig ablaufenden Depolarisationszyklus rhythmisch kontrahieren und somit ihre Länge ändern. Diesem Effekt schreibt man die frequenzselektierende Verstärkerfunktion der äußeren Haarzellen zu, die die frequenzspezifische Hörfähigkeit erheblich verbessert. Die Transduktion des Schallsignals erfolgt Die K+-Kanäle und tight junctions können durch geneti- an den äußeren und inneren Haarzellen. stellt das endocochleäre Potenzial sche Defekte mutiert sein, was zu Schwerhörigkeit und Dabei besondere elektrochemische Bedingungen Taubheit führt. Manche entwässernde Medikamente (Schlei- her, die eine Depolarisation und damit einen fendiuretika; 䉴 Kap. 13) rufen eine gestörte Endolymph- K+-Einstrom in die Haarzellen begünstigen. bildung an der Stria vascularis und damit ein verringertes Die frequenzspezifische Hörfähigkeit wird vermutlich durch die inneren Haarzellen verendocochleäres Potenzial hervor, wodurch eine Schwerhö- mittelt. rigkeit entstehen kann.

ä

168

6. Sinnesorgane und Sensibilität

a endocochleäre Potenzialverhältnisse

b Transduktion in der Haarzelle

[Na ]

Scala vestibuli

[ K+ ]

+85 mV

–70 mV 0 mV

medial tip link öffnet Kanal

lateral Stereocilium (Sinneshärchen) Deflektion

Schallsignal

+

hohe [K ] + 85mV + niedrige [K ] 0 mV

Endolymphe Perilymphe

Scala +155 mV media [K+ ] [Na+]

Haarzelle [Na+]

Scala tympani

+

Scala media

0 mV

Depolarisation öffnet Kanal

K

+

(Repolarisation) Zellkern

?

Cytoplasma der Haarzelle

[Ca2+]

[ K+ ]

Scala tympani

afferenter Transmitter Hörnervenfaser [Gehirn]

6.11 Transduktion in der Haarzelle. a) Potenzialverhältnisse in den Flüssigkeitsräumen der Cochlea. b) Mechanismus der Transduktion in einer Haarzelle. (Verändert nach Schmidt, Lang und Thews 2005.)

Schmerzsinn (Nozizeption) Durch Schmerzempfindungen wird der Organismus vor Verletzungen und Schädigungen bewahrt. Sie führen deshalb über unmittelbare Reflexe zu schnellen Fluchtund Abwehrreaktionen. Ein akutes Schmerzempfinden tritt oft erst nach einer Latenzzeit auf, die viele Minuten betragen kann. Man spricht dann von einer temporären Analgesie. Akute Schmerzen sind biologisch sinnvoll, um die Heilung zu fördern. Chronische Schmerzen sind dagegen nutzlos, da sie zu einer dauerhaften Aktivitätshemmung führen. Die schädigenden Reize werden von Nozizeptoren aufgenommen und im zentralen Nervensystem verarbeitet (䉴 Abb. 6.12). Schmerzempfindungen deaktivieren den Organismus und fördern so die Heilung.

Schmerzentstehung Nozizeptoren sind freie Nervenendigungen, die in den verschiedenen Körpergeweben in unterschiedlicher Anzahl vorkommen. Nur die aktiven Nozizeptoren sprechen sofort auf den schädigenden Reiz an, die meisten Nozizeptoren sind zunächst jedoch inaktiv und werden erst bei Bedarf durch lokal freigesetzte Stoffe aktiviert. Diese werden von entzündeten Gewebebereichen gebildet und abgegeben, sodass sich ein initiales Schmerzempfinden mit der Zeit noch erheblich verstärken kann. Diese Sensibi-

Schmerzsinn (Nozizeption)

Thalamus

169

Großhirnrinde (bewusste Schmerzwahrnehmung)

auf- und absteigende Nerven

Vorderseitenstrangbahn im Rückenmark Schmerzareal

Schmerzareal

segmentale Verschaltung im Rückenmark

6.12 Schmerzleitung und Schmerzwahrnehmung im Nervensystem. Die absteigenden Bahnen können das Schmerzsignal auf der Ebene des Rückenmarks hemmen.

lisierung der Nozizeptoren wird vor allem durch Prostaglandine und Leukotriene hervorgerufen. Nozizeptoren setzen bei ihrer Reizung auch selbst vasodilatatorische Substanzen wie Substanz P frei, die stark durchblutungsfördernd wirken. Dadurch werden viele Blutzellen in das verletzte Gewebe transportiert, die zusätzliche Substanzen wie Histamin, Bradykinin und Serotonin ausschütten. Durch die intensiven Prozesse der Wundheilung (Zellproliferation, Immunreaktionen) ist ein entzündetes Gewebe immer stark gerötet. Die Nozizeptoren der menschlichen Haut sind myelinisierte Neurone (hoch schwellige Nozizeptoren), die am Ende eine fenestrierte Schwann-Scheide aufweisen (Varikosität), sodass die Axonmembran an dieser Stelle frei liegt. Sie werden nur durch starke mechanische SchmerzSchmerzsinn (Nozizeption) wird durch im reize wie Nadelstiche erregt. Polymodale Nozizeptoren rea- Der Gewebe freiliegende spezielle Nervenendigieren dagegen auf ein breites Reizspektrum, von Stichen, gungen (Nozizeptoren) vermittelt. Ihre Empüber thermische Reize bis zu chemischen Reizen (z. B. findlichkeit wird durch lokal gebildete EntSäure). Die Erregung verläuft über unspezifische Katio- zündungsstoffe (z.B. Prostaglandine) moduliert. Es gibt akute und chronische nenkanäle, die sowohl auf Liganden als auch auf hohe Tem- Schmerzen. peratur (Hitze) reagieren. Von den Rezeptoren gelangt das Schmerzsignal über die peripheren oder vegetativen Nerven in das Rückenmark (䉴 Abb. 6.12). Dort werden Glutamat und Substanz P ausgeschüttet, die eine schmerzverstärkende Wirkung haben. Dann wird die Schmerzerregung über die Vorderseitenstrangbahn in den Thalamus geleitet und von dort aus weiter in die sensorischen Felder der Großhirnrinde, wo die bewusste Schmerzwahrnehmung erfolgt. Das absteigende schmerzhemmende System kann über Serotonin in Bereichen des Mittelhirns (Nucleus raphe) und des Rückenmarks endogene Opiate (β-Endorphin) und Enkephaline ausschütten, welche die schmerzleitenden Synapsen hemmen und so den Schmerz unterdrücken oder abmildern. Auch psychische Einflüsse können Schmerzen verstärken oder vermindern.

Schmerzcharakteristika Abhängig vom Entstehungsort werden Schmerzen in verschiedene Gruppen eingeteilt. Unter somatischen Schmerzen versteht man Schmerzen, die in der Haut, im

ä

170

6. Sinnesorgane und Sensibilität

Bindegewebe oder im Bewegungsapparat entstehen. Man unterscheidet dabei den Oberflächenschmerz der Haut vom Tiefenschmerz der Muskeln und Gelenke. Der viscerale Schmerz rührt aus den Eingeweiden und hat als Ursache entzündliche Prozesse und starke Kontraktionen der glatten Muskulatur (Koliken). Neurogene Schmerzen haben ihre Ursache in Nervenentzündungen, z. B. Trigeminusneuralgie oder Phantomschmerzen nach Amputationen. Das Nervensystem leitet die nozizeptiven Reize nicht nur weiter, sondern verarbeitet und moduliert sie auch. So können Schmerzempfindungen erheblich verstärkt und größere Hautoberflächen einbezogen werden (Hyperalgesie). Im Allgemeinen werden Schmerzen aus peripheren Geweben (Oberflächenschmerz) deutlich abgegrenzter wahrgenommen als z. B. Eingeweideschmerzen (Tiefenschmerz), die oft nur eine dumpfe unbestimmte Empfindung hervorrufen. Da die ableitenden Schmerzneurone im Hinterhorn des Rückenmarks eng zusammen liegen (䉴 Kap. 4) können sich viscerale- und Oberflächenafferenzen vermischen und übertragene Schmerzen erzeugen. Solche Schmerzen strahlen oft in andere Körperregionen aus oder manifestieren sich an der Körperoberfläche in den sogenannten Head-Zonen. Akute Schmerzen sind nur von begrenzter Dauer, z. B. nach einer Zahnextraktion, und man erträgt sie im Allgemeinen besser. Chronische Schmerzen treten als Dauerschmerzen, z. B. bei Tumoren, auf und sind nur schwer zu ertragen.

Schmerzbehandlung

ä

Werden Schmerzen nicht rechtzeitig behandelt, können sie sich durch die Verarbeitung im zentralen Nervensystem verselbständigen und dann oft noch nach Ende der Reizeinwirkung und nach der Heilung fortbestehen. Schmerzen lassen sich mit einem Analgetikum, einem schmerzdämpfenden Medikament, behandeln. Analgetika sind die in Deutschland am häufigsten verordnete Medikamentengruppe und sollten nur unter strenger Überwachung Das körpereigene Morphinsystem moduliert verabreicht werden, da ein unkontrollierter lange andauund unterdrückt über absteigende Bahnen die Schmerzsignale im Mittelhirn und ernder Gebrauch schwere Magenblutungen und NierenRückenmark. Die Schmerzempfindung ist schädigungen hervorrufen kann. Tabelle 6.1 gibt eine sehr stark von psychischen Einflüssen Übersicht über die in Deutschland gebräuchlichen Anabhängig. algetika.

Geruchs- und Geschmackssinn Bei diesen Sinnesmodalitäten wirken chemische Reize auf Chemosensoren, deren Transduktionsmechanismen noch nicht vollständig geklärt sind. Abhängig davon, ob die betreffenden Moleküle frei in der Luft vorliegen oder in Flüssigkeit gelöst sind, unterscheidet man zwischen Geruchssinn und Geschmackssinn.

Geruchs- und Geschmackssinn

Tabelle 6.1 telgesetz).

Vergleich der in Deutschland gängigen Schmerzmittel (BtMG, Betäubungsmit-

Eigenschaften

Substanzgruppe

Präparat

Wirkung

schwach bis mittelstark

Paracetamol

Ben-u-ron

gegen Fieber, Zahn- und Kopfschmerzen, gut magenverträglich

ASS

Aspirin

schmerzlindernd, fiebersenkend und entzündungshemmend, schlecht magenverträglich

nichtsteroidale Antiphlogistika

Voltaren

entzündungshemmend, hemmt COX-1 und COX-2 entzündungshemmend, hemmt nur COX-2

Arcoxia, Celebrex

stark

Metamizol

Novalgin

wirkt zuverlässig gegen viscerale Schmerzen

schwache Opioide

Tramal

für mittel- bis starke Schmerzen, 0,1-fache Wirksamkeit verglichen mit Morphin fällt nicht unter das BtMG

starke Opioide

MST

Morphiumpräparat für stärkste Schmerzen fällt unter das BtMG

Geschmackssinn Beim Geschmack werden Moleküle erfasst, die sich in Flüssigkeit gelöst im Mundraum befinden.

Geschmacksrezeptoren Chemosensoren sind Epithelzellen, die in Geschmacksknospen organisiert sind (䉴 Abb. 6.13). Diese sind wiederum in größere Oberflächenstrukturen, den Geschmackspapillen, lokalisiert. Abbildung 13a zeigt dies am Beispiel der menschlichen Zunge. Die Geschmacksqualitäten salzig, bitter, süß und sauer sind in jeweils eigenen Papillen lokalisiert, die eine gewisse präferenzielle Verteilung auf der Zunge haben, sich aber auch teilweise überlappen. So werden die Geschmacksqualitäten süß und salzig vorwiegend an der Zungenspitze, bitter jedoch an der Zungenbasis und sauer auf den seitlichen Bereichen der Zunge wahrgenommen. Geschmackszellen sind sekundäre Sinneszellen, die ihr Signal über eine Synapse an die ableitenden Nerven weitergeben (䉴 Abb. 6.13b). Sie liegen zwischen Stützzellen und besitzen an ihrem Vorderende viele Mikrovilli, die über eine Pore Kontakt mit der wässrigen Umgebung auf der Zunge haben. In der Membran der Mikrovilli befinden sich spezielle Rezeptorproteine und Ionenkanäle, die auf die betreffenden chemischen Stimuli reagieren. Dabei ist an der Perzeption des Salzgeschmacks hauptsächlich der Na+-leitende epitheliale Na+-Kanal (ENaC) beteiligt, während der Sauergeschmack hauptsächlich

171

172

6. Sinnesorgane und Sensibilität

Porus

a Geschmacksknospe

Mikrovillus

c Zunge Geschmackspapille

Epithel

Stützzelle

Sinneszelle

salzig

bitter

süß

sauer

afferentes Neuron Geschmacksknospe

b Geschmackspapillen

Spüldrüse Pilzpapille

Blätterpapille

Wallpapille

6.13 Geschmackssinnesorgane. Die Chemosensoren des Menschen sind in Geschmacksknospen (a) organisiert. Diese sind in den Geschmackspapillen (b) lokalisiert. c) Verteilung der Geschmackspapillen auf der Zunge des Menschen. (Verändert nach Schmidt, Lang und Thews 2005.)

ä

durch K+-Kanäle erfasst wird. Für den Süß- und Bittergeschmack sind metabotrope Rezeptoren verantwortlich, die über G-Proteine eine intrazelluläre Signalkaskade auslösen. Alle diese Reize führen schließlich zur Depolarisation der Sinnesepithelzelle und zur Ausschüttung von spezifischen Neurotransmittern. Entsprechend ihrer Membranzusammensetzung reagieren die Rezeptoren und Ionenkanäle der Sinnesepithelzellen spezifisch auf bestimmte Geschmacksqualitäten, es gibt teilweise aber auch Überlappungen. So wird der Salzgeschmack hauptsächlich durch chlorid-, nitrat- und sulfathaltige Lösungen ausgelöst (z. B. NaCl). Der Süßgeschmack wird durch Zuckerverbindungen, Alkohole, manche Aminosäuren und durch Süßstoffe (Saccharin) verursacht. Der Sauergeschmack ergibt sich durch dissoziierte Säureverbindungen (z. B. H+) und der Bittergeschmack durch pflanzliche Alkaloide und andere Aminoverbindungen. Eine fünfte Geschmacksqualität, der Umami-Geschmack, entsteht durch die Würzung mit Na+-Glutamat und beschreibt einen köstlichen FleischDer Geschmackssinn umfasst fünf verschiegeschmack. Die Geschmackspapillen der Zunge werden dene Geschmacksqualitäten, die in spezialiin Pilzpapillen (Papillae fungiformis), Blätterpapillen sierten Geschmackspapillen auf der Zunge (Papillae folitae) und Wallpapillen (Papillae circumvallaerfasst werden. tae) eingeteilt (䉴 Abb. 6.13c).

Geruchs- und Geschmackssinn

173

Signalverarbeitung der Geschmacksempfindungen Die Signale der Geschmacksrezeptoren werden über die Hirnnerven VII und IX in den Geschmackskern (Nukleus tractus solitarii) der Medulla oblongata geleitet. Von dort aus gelangen sie über den Thalamus in das primäre sensorische Feld der Großhirnrinde, das in der hinteren Zentralwindung liegt.

Geruchssinn Über den Geruchssinn können wir Duftstoffe der Umgebung über weite Entfernungen wahrnehmen und damit unser Verhalten bezüglich der Nahrungsaufnahme oder der Begegnung möglicher Gefahren entsprechend ausrichten.

Anlage der Riechfelder Die Chemorezeptoren des Geruchsinns liegen in den Riechfeldern der beiden Nasengänge im oberen Bereich des Nasenseptums vor der Siebbeinplatte. Das Riechepithel besteht aus Stütz-, Basal- und den Geruchszellen. Auf der apikalen Oberfläche dieser primären Sinneszellen befinden sich Cilien, die in Richtung des Luftraums der Nasenhöhle reichen. Dabei kleidet das Riechepithel nur einen geringen Teil der Oberfläche aus, die anderen Flächen Geruchsrezeptoren sind primäre Sinnesepiwerden zum Anfeuchten und Aufwärmen der Atemluft thelzellen, die in ihrer apikalen Membran Mikrovilli oder Cilien mit spezifischen Duftbenutzt. Auf dem Riechepithel befindet sich eine dünne stoffrezeptoren enthalten. Schleimschicht (Mucus), in der sich die Cilien befinden.

ä

Mechanismus des Riechens Die Duftstoffe gelangen über die Atemluft in die Nasenhöhle, lösen sich im Mucus und kommen in Kontakt mit der Cilienmembran, in der sich viele Tausend spezialisierte Duftstoffrezeptoren befinden. Bindet ein Duftstoffmolekül an einen zugehörigen Rezeptor, wird ein Transduktionsprozess eingeleitet, der über die Aktivierung von G-Proteinen und die Synthese von cAMP verläuft (䉴 Abb. 6.14). cAMP verursacht dann die Öffnung unspezifischer Kationenkanäle, sodass sich durch den Ca2+Einstrom Cl–-Kanäle öffnen. Erst durch einen Cl–-Ausstrom kommt es zur Depolarisation der Rezeptorzelle und infolge dieses Rezeptorpotenzials zu einer Serie von Aktionspotenzialen. Diese werden direkt zum Riechkolben (Bulbus olfactorius) weitergeleitet. Da Riechzellen epithelialer Natur sind, haben sie eine begrenzte Lebensdauer und werden nach einigen Die Transduktion des Geruchsinns erfolgt Wochen durch neue Zellen ersetzt. G-Proteine und cAMP. Dadurch wird ein Im Gegensatz zu Tieren mit starkem Geruchsvermögen über Ca2+-Einstrom ausgelöst, der Cl–-Kanäle akti(Makrosmaten), z. B. dem Hund, gehört der Mensch zu den viert. Das Rezeptorpotenzial wird durch Mikrosmaten und besitzt vergleichsweise wenig Riechsin- einen Cl–-Ausstrom generiert. Makrosmaten neszellen und eine geringe Epithelfläche. Bei Wirbeltieren und Mikrosmaten unterscheiden sich durch die Anzahl der Riechzellen und die Obergibt es Pheromone, die entweder mit dem Urin abgegeben flächengröße des Riechepithels. oder durch Präputial- und Analdrüsen abgesondert werden.

ä

174

6. Sinnesorgane und Sensibilität

Duftreiz Ca 2+

Cl–-Ausstrom

unspezifischer Kationenkanal

Cl–-Kanal

+

Rezeptor G-Protein

ATP

cAMP

[Ca2+]

Cl–

Adenylatcyclase 6.14 Transduktion beim Geruchsinn. Der Duftreiz bindet an einen extrazellulären Rezeptor und löst über eine intrazelluläre Signalkaskade einen Ca2+-Einstrom aus, der über Cl–-Kanäle ein Rezeptorpotenzial generiert. (Verändert nach Schmidt, Lang und Thews 2005.)

Bekannt ist das vom Eber abgegebene Androstenol, das ein Abbauprodukt des Testosterons ist und beim Mensch auch im Achselschweiß vorkommt.

Signalverarbeitung im olfaktorischen System Die Axone der primären Riechsinneszellen ziehen als N. olfactorius durch die Siebbeinplatte zum Bulbus olfactorius, den Riechkolben, die beidseits in der vorderen Schädelgrube unter dem Großhirn liegen. Dort werden sie auf die Neurone des Tractus olfactorius umgeschaltet, die beidseits zu den Riecharealen des Großhirns ziehen. Das entwicklungsgeschichtlich sehr alte Riechhirn ist eng mit dem limbischen System verknüpft.

Lichtsinn Beim Menschen und bei den meisten Tieren spielt der Lichtsinn unter den vorhandenen Sinnessystemen eine dominierende Rolle. Im Laufe der Evolution wurden im Tierreich verschiedene Augentypen entwickelt. Im Folgenden werden wir die Funktionsweise des Lichtsinns und den Aufbau des menschlichen Auges behandeln.

Elektromagnetisches Spektrum Sinnesorgane nehmen Licht in Form von elektromagnetischen Wellen wahr. Der vom Menschen wahrnehmbare Wellenlängenbereich liegt bei etwa 390–760 nm. Andere Organismen haben oft ein bis in den kurzwelligen UV-Bereich (Ultraviolett) oder auch in den langwelligen UR-Bereich (Ultrarot) erweitertes Spektrum. Generell erstreckt sich das Spektrum der auf Organismen einwirkenden elektromagnetischen

Lichtsinn

175

Wellen (10-16–108 nm) von der ultrawelligen Höhenstrahlung über Gammastrahlung, Röntgen-Strahlung, Infrarotstrahlung, Radiowellen bis zu den Frequenzen aus dem elektrischen Netz von Nieder- und Hochspannungsleitungen.

Aufbau der Lichtsinneszellen Lichtsinneszellen gehören zu den primären Sinneszellen mit einer ausgeprägten Zellpolarität. Im apikalen Zellbereich befinden sich lichtabsorbierende Sehpigmente, die den Lichtreiz in eine elektrische Antwort (Rezeptorpotenzial) umsetzen. Abhängig von der Größe des Rezeptorpotenzials wird über das ableitende Axon eine Folge von Aktionspotenzialen erzeugt. Zwischen den Lichtsinneszellen sind vielfach Pigmentzellen eingelagert, die durch seit- Die primären Lichtsinneszellen enthalten liche Abschirmung das Richtungssehen verbessern. Vor den lichtabsorbierende Sehpigmente und sind in Lichtsinneszellen ist ein abbildender Apparat (dioptrischer einen komplexen optischen Apparat integriert, der ein Richtungs- und Formensehen Apparat) mit Öffnungen und Linsen ausgebildet, der das ermöglicht. Formensehen ermöglicht.

Aufbau des menschlichen Auges Menschen besitzen Linsenaugen, die mit einem dioptrischen Apparat ausgerüstet sind. Die Abbildung des optischen Sinneseindrucks hängt davon ab, ob sich das Auge in Luft oder im Wasser befindet, da die Brechungseigenschaften des Lichts in diesen Medien unterschiedlich sind. Linsenaugen weisen immer Fehler in der optischen Brechung auf, bei der die Lichtwellen an den Rändern der Linse anders gebrochen werden als in der Linsenmitte. Dies führt zu einer Unschärfe im Bild (sphärische Aberation) und Farbsäumen an der Bildkanten (chromatische Aberration). Die dadurch auftretenden Unschärfen und Farbveränderungen werden durch die neuronale Verarbeitung im Gehirn weitgehend ausgeglichen. Das menschliche Auge (䉴 Abb. 6.15) unterteilt sich funktionell in den dioptrischen Apparat (physikalisch-optischer Teil) und in den Rezeptorbereich der Netzhaut (Rezeptorteil), in dem die Transduktion der Reize erfolgt. Der dioptrische Apparat des Auges bildet auf der Netzhaut (Retina) ein umgekehrtes und verkleinertes Bild ab. Um eine scharfe Abbildung auf der Retina zu erreichen, werden alle durchwanderten Flächen und Medien des dioptrischen Apparats genau aufeinander abgestimmt. Es gilt die Brechungseigenschaften mehrerer Übergangsflächen und Medien wie Luftund Kammerwasser auszugleichen. Der dioptrische Apparat des Auges besteht aus der durchsichtigen Hornhaut (Cornea), den mit Kammerwasser gefüllten vorderen und hinteren Augenkammern, der die Pupille bildenden Iris, der Linse und dem Glaskörper, einer gelartigen Struktur, die den größten Teil des Raums im Augapfel ausfüllt (䉴 Abb. 6.15). Der Rezeptorteil des Auges besteht aus der Retina, deren ableitende Nerven durch den N. opticus in das Gehirn führen. In der Retina liegt eine kleine Grube, die Fovea centralis, die etwa im Schnittpunkt der optischen Achse des Auges liegt und den Ort des schärfsten Sehens darstellt. Das Auge wird von der Lederhaut (Sclera) umgeben, und zwischen ihr und der Retina liegt die Aderhaut (Choreoidea),

ä

176

6. Sinnesorgane und Sensibilität

hintere Augenkammer

Sclera (Lederhaut)

Cornea Linse Glaskörper Pupille

Fovea centralis

optische Achse Sehachse

Nervus opticus Retina (Netzhaut)

Iris vordere Augenkammer Zonulafasern

dioptrischer Apparat

Ciliarkörper

Choreoidea (Aderhaut)

rezeptiver Bereich

6.15 Aufbau des Auges. Das Auge wird in einen vorderen dioptrischen Apparat und einen hinteren rezeptiven Bereich (Netzhaut) eingeteilt. Die Fovea centralis ist der Ort des schärfsten Sehens. (Verändert nach Engelhardt und Breves 2005.)

die mit vielen kleinen Blutgefäßen der Versorgung der empfindlichen Rezeptorzellen und Neurone der Netzhaut dient. Die Linse wird über die Zonulafasern vom Ciliarkörper gehalten, und ihre Brechkraft kann durch Kontraktion des ringförmigen Ziliarmuskels verändert werden. Das Kammerwasser wird vom Ciliarkörper kontinuierlich in die vordere Augenkammer sezerniert und fließt durch einen Kanal so reguliert ab, dass der Augendruck konstant bleibt. Es versorgt die nichtvaskularisierten Teile des Auges wie Linse, Cornea und Glaskörper und entspricht in seiner Zusammensetzung dem Blutplasma. Wird die Produktion oder der Abfluss des Kammerwassers pathophysiologisch verändert, kann sich der Augendruck erhöhen, und es entsteht ein grüner Star (Glaukom), der mit Diuretika behandelt werden muss, um einer Erblindung vorzubeugen. Die Tränenflüssigkeit benetzt auch äußere Oberfläche der Cornea, die so vor Austrocknung geschützt wird.

Akkomodation Eine regulatorische Änderung der Linsenkrümmung und damit der Brechkraft des dioptrischen Apparats bezeichnet man als Akkomodation. Die elastische Linse kugelt sich von selbst ab, wenn sie nicht über die Zonulafasern vom Ciliarmuskel straff gehalten wird. Eine Kontraktion des Ciliarmuskels verstärkt auf diese Weise die Linsenkrümmung und die Brechkraft nimmt zu. Die Innervierung des Ciliarmuskels ist hauptsächlich parasympathisch (䉴 Tab. 4.3), zu einem geringen Teil auch sympa-

Lichtsinn

177

thisch. Beide Systeme regeln die Kontraktion des Ciliarmuskels so, dass die Linse in Ruhe normalerweise auf Nahsicht eingestellt ist. Refraktionsanomalien sind Brechungsfehler des dioptrischen Apparats, die Abweichungen von der Normalsichtigkeit (Emmetrophie) hervorrufen. Sie lassen sich durch Brillen oder Operationen korrigieren. Unter Astigmatismus versteht man lokale Brechkraftunterschiede der Linse, die von ihrer idealen Rotationssymmetrie abweicht. Ist der Augapfel zu lang, Der dioptrische Apparat fokussiert die Lichtso liegt die Bildebene vor der Fovea, und es besteht eine strahlen auf der Netzhaut und ermöglicht Kurzsichtigkeit (Myopie), ist er zu kurz, kann das Bild eine scharfe Abbildung. Durch Akkomodation werden sowohl Sehschärfe als auch ebenfalls nicht scharf auf der Netzhaut fokussiert werden, Schärfentiefe reguliert. und es besteht eine Weitsichtigkeit (Hypermetropie).

Sehschärfe und Auflösungsvermögen Die Regulation des Pupillendurchmessers erlaubt eine Anpassung der Schärfentiefe, d. h. des Bereichs vor und hinter dem Brennpunkt, in dem Gegenstände noch scharf abgebildet werden. Die Pupille reguliert die in das Auge einfallende Lichtmenge. Um die Retina vor schädlicher Blendwirkung zu schützen, wird die Pupillenöffnung reflektorisch über den Sehnerv und das Mittelhirn geregelt. Die Pupillenweite wird ebenfalls über das vegetative Nervensystem reguliert (䉴 Kap. 4). Um Augen zu untersuchen, wird Atropin in den Bindehautsack appliziert. Daraufhin erweitern sich die Pupillen für längere Zeit. Die Sehschärfe wird durch Nah- oder Fernakkomodation der Linsenform reguliert. Durch Augen-, Kopf- und Körperbewegungen wird eine kontinuierliche visuelle Wahrnehmung gewährleistet. Sie entsteht aus dem Zusammenwirken von sensorischen und motorischen Vorgängen des Auges und wird vom zentralen Nervensystem gesteuert. Dadurch wird auch räumliches Sehen und Bewegungssehen möglich. Für die Bewegungen des menschlichen Auges sind sechs verschiedene Augenmuskeln ausgebildet, die über verschiedene Hirnnerven angesteuert werden. Eine binokulare Koordination gewährleistet eine parallele Abbildung auf der Retina von beiden Augen. Augenfolgebewegungen, z. B. beim Lesen, laufen in kleinen ruckartigen Schritten (Sakkaden) ab. Ruckartige Augenbewegungen (Nystagmus) werden durch Beeinflussung des Gleichgewichtsorgans verursacht.

Aufbau der Netzhaut Die Netzhaut ist ein kompliziertes neuronales Netzwerk, das während der Embryonalentwicklung durch Ausstülpung des Zwischenhirns entsteht. Sie enthält zwei Typen von lichtsensorischen Zellen (Photorezeptoren), die sich zwischen den Pigmentzellen befinden. Die Netzhaut ist in verschiedenen Schichten aufgebaut, die invers angeordnet sind. So muss das durch den Glaskörper eintreffende Licht zunächst die ableitenden Neurone und Ganglienzellen und die zwischengeschalteten Bipolarneurone durchdringen, bis es auf die vor der Aderhaut liegenden Photorezeptoren trifft (䉴 Abb. 6.16). Dort wird das Licht über die Konformationsände-

ä

178

6. Sinnesorgane und Sensibilität

a hell

b dunkel Pigmentzellen

Umwandlung von Retinal Spaltung von Rhodopsin Hemmung von cGMP

Außenglied mit Rhodopsin Kationenkanal offen

Kationenkanal geschlossen Photorezeptor Hyperpolarisation

Ioneneinstrom und Depolarisation

keine Transmitter

Ausschüttung von Transmittern Bipolarzelle

Bipolarzelle inaktiv

Ganglienzelle

Hemmung der Ganglienzelle aufgehoben

Bipolarzelle aktiviert

Hemmung der Ganglienzelle

zum Gehirn AP an das Gehirn

kein AP an das Gehirn Licht

6.16 Aufbau der Netzhaut. Die Netzhaut besteht funktionell aus einer dreigliedrigen Neuronenkette (Rezeptorzelle, bipolares Neuron, Ganglienzelle). a) Interaktionen dieser Kette bei Lichteinwirkung. b) Interaktionen dieser Kette bei Dunkelheit. (Verändert nach Engelhardt und Breves 2005.)

ä

rung des Sehpigments (Rhodopsin) und intrazelluläre Signalketten in Rezeptorpotenziale umgesetzt, die im komplexen Netzwerk verarbeitet und weitergeleitet werden. Diese Vorgänge werden in der Netzhaut durch drei aufeinander folgende Neuronentypen (Photorezeptoren, Bipolarzellen, Ganglienzellen) abgewickelt. Zwischen diesen Zellen gibt es auch Verschaltungen durch Horizontalzellen und amakrine Zellen, die die komplexen Verarbeitungen bei der lateralen Inhibition übernehmen (䉴 Abb. 6.5). Die beiden Zelltypen von Photorezeptoren sind auf der Netzhaut in unterschiedlicher Dichte verteilt. Diese Dichte bestimmt das räumliche Auflösungsvermögen des Auges. Die Stäbchen sind hoch empfindliche Sensoren, die aber nur für das HellDunkel-Sehen (skotopisches Sehen) verantwortlich sind. Farbe wird dagegen mit den weniger lichtempfindlichen Zapfen wahrgenommen (photopisches Sehen). In der Fovea, der Stelle des schärfsten Sehens, findet man beim Menschen hauptsächlich Zapfen, an der Peripherie der Netzhaut hauptsächlich Stäbchen. Das Außenglied der Rezeptorzellen weist eine Die verschiedenen Neuronenschichten der Netzhaut sind invers angeordnet. Die starke Oberflächenvergrößerung auf (䉴 Abb. 6.16). Die Rezeptorzellen für das photopische Sehen Vergrößerung wird bei Stäbchen durch unzählige Memwerden als Stäbchen, die für das skotopibranscheiben, bei Zapfen durch Membraneinfaltungen sche Sehen als Zapfen bezeichnet. hervorgerufen. In die Zellmembran dieser Außenglieder

Lichtsinn

179

sind die Sehpigmente als integrale Membranproteine eingelassen. Das Außenglied ist mit dem Soma der Rezeptorzelle über eine dünne ciliäre Verbindung verbunden.

Sehpigmente und Transduktion In den Stäbchen befindet sich das Sehpigment Rhodopsin. Dieser rote Farbstoff absorbiert besonders grünes und blaues Licht und besteht aus dem Glykoprotein Opsin und der chromophoren Gruppe 11-cis-Retinal. Diese Gruppe kann aufgrund ihrer chemischen Struktur Licht absorbieren und verändert sich dann in das Stereoisomer all-trans-Retinal. Dadurch dissoziiert die chromophore Gruppe vom Opsin, das dadurch ebenfalls seine Struktur verändert und enzymatisch aktiv wird. Es aktiviert das GTP-bindende Protein Transducin, das wiederum eine Phosphodiesterase aktiviert, die in der Zelle cGMP abbaut. Durch die Verringerung der Konzentration dieses intrazellulären Signalstoffs schließen sich die cGMP aktivierten Kationenkanäle, und es kommt zu einer Hyperpolarisation der Zelle (䉴 Abb. 6.17a). Das Rezeptorpotenzial verläuft bei Vertebraten über eine Hyperpolarisation, die den Einstrom von Na+ in die Zelle verringert. Die Transduktion erfolgt durch einen lichtDie Rezeptorzellen haben also in Dunkelheit einen hohen induzierten biochemischen Umbau der SehNa+-Einstrom (Dunkelstrom), der erst bei Lichteinwirkung pigmente. Durch die Transduktion schließen sich Kationenkanäle und es entsteht ein gehemmt wird (䉴 Abb. 6.17b). Ähnliche Effekte lassen sich hyperpolarisierendes Rezeptorpotenzial. durch die direkte Einwirkung von cGMP erzielen. In den Licht

Membran Rhodopsin

a Regulation des Dunkelstroms

cGMP Transducin

PDE 5’-GMP

DunkelstromNa+-Kanal

b Veränderung des Dunkelstroms

Strom [pA]

0,8 mol l

Strom [pA]

0 –10 Blitz 0

5

10 Zeit [s]

15

–1

cGMP

0 –200

0

40 20 Zeit [s]

6.17 Transduktion und Regulation des Dunkelstroms. a) Signalkette vom Sehpigment (Rhodopsin) bis zum cGMP-gesteuerten Kationenkanal. b) Veränderung des Dunkelstroms nach Einwirkung eines Lichtblitzes oder nach Gabe von cGMP. (Verändert nach Eckert 2002.)

ä

180

6. Sinnesorgane und Sensibilität

Zapfen dienen Isoformen der oben genannten Komponenten als Sehpigmente, und es laufen ähnliche biochemische und elektrische Vorgänge ab.

Farbensehen Beim Menschen wird das Farbensehen durch drei verschiedene Zapfentypen ermöglicht, die jeweils unterschiedliche Opsinmoleküle mit den Absorptionsmaxima für Rot, Grün und Blau enthalten. Da diese genetisch festgelegt sind, gibt es auch erbliche Varianten der Farbenblindheit, z. B. bei der Rot-Grün-Unterscheidung. Die eigentliche Farbwahrnehmung entsteht durch die neuronale Verarbeitung der Absorptionsmaxima und Erregungen in verschiedenen rezeptiven Feldern, die miteinander verglichen werden. Diese integralen Prozesse laufen im Gehirn ab. Das trichromatische Farbempfinden (Rot-Grün-Blau) ist außer beim Menschen vermutlich nur noch bei einigen Primaten vorhanden. Fast alle Säugetiere sind dagegen Dichromaten und haben nur zwei Zapfentypen in der Netzhaut.

Signalverarbeitung im visuellen System

ä

Die Sehnerven der beiden Augen des Menschen vereinigen und überkreuzen sich an der Schädelbasis zum Chiasma opticum (䉴 Abb. 6.18) und ziehen dann über den Thalamus weiter zur Verschaltung im Corpus geniculatum laterale. Von dort aus ziehen sie in den visuellen Cortex. Schon vorher zweigen Bahnen zum Hypothalamus ab, wo über den Hell-Dunkel-Wechsel die innere Uhr und viele hormonelle Regelungsmechanismen gesteuert werden (䉴 Kap 4 und 7). Während die erste Verarbeitung der optischen Information über die Vergleiche der rezeptiven Felder bereits in den retinalen Ganglienzellen erfolgt, wird erst im visuellen Cortex aus den Informationen der beiden Netzhäute ein dreidimensionales Bild errechnet. Im primären visuellen Cortex gibt es für jeden Bereich der Netzhaut eine Gruppe corticaler Zellen, die eine genaue räumliche Entsprechung zur Netzhaut abbilden. Sie verarbeiten die Information und bilden eine Orientierungssäule ab, die dann im visuellen Cortex mit dem Inhalt von visuellen Assoziationsfeldern verglichen wird. Dadurch werden Die optische Signalverarbeitung erfolgt nicht nur Formen und Linien, sondern auch komplexe erst, nachdem die Information über mehMuster wie Gesichtszüge erkannt und zugeordnet. Diese rere Umschaltstationen in den visuellen visuellen Hirnregionen liegen im Bereich des HinterCortex im Hinterhauptbereich gelangt ist. hauptlappens (䉴 Abb. 6.18).

Thermorezeption Für die Körperfunktion der homoiothermen Organismen ist eine Temperaturrezeption zwingend notwendig, um die komplexen stoffwechselphysiologischen Abläufe auf die Bedürfnisse des Körpers abzustimmen.

Thermorezeption

Blickfeld binokulare Zone

linkes Blickfeld

rechtes Blickfeld

N. opticus

Chiasma opticum

Nucleus geniculatis lateralis

visueller Cortex 6.18 Optische Signalverarbeitung. Das optische Signal wird aus beiden Gesichtsfeldern, die sich teilweise überlappen, über den Nervus opticus in das Gehirn geleitet. Dort kreuzen sich die Bahnen teilweise und werden in den Hemisphären über den jeweiligen Corpus geniculatus laterale in den visuellen Cortex geleitet. (Verändert nach Moyes und Schulte 2007.)

Thermorezeptoren Im Organismus werden Temperaturen sowohl auf der Körperoberfläche als auch im Körperinneren gemessen. Als Sensoren dienen vermutlich nichtmyelinisierte Endigungen von Nervenfasern; sie lassen sich in Kaltrezeptoren und Warmrezeptoren unterteilen, die ihre stationäre Impulsfrequenz bei Temperaturreizen modulieren. Zentrale Thermorezeptoren erfassen die Temperatur im Körperkern (䉴 Abb. 6.19).

181

182

6. Sinnesorgane und Sensibilität

Organismus

Regler

Regelstrecke

andere Faktoren

Körperschale innere Störgrößen

Hautdurchblutung Schwitzen Hecheln

Wärme- S teu abgabe e

Soll-Wert

rsi

gn

ale

Verhalten Körperkern

Kältezittern zitterfreie Wärmebildung

Wärmersi teue produktion S

e gnal

Regelabweichung Ist-Wert

Messfühler für Kerntemperatur Messfühler für Hauttemperatur 6.19 Mechanismen der Temperaturregulation. Im Körperkern eines homoiothermen Organismus wird der Ist-Wert gemessen und über afferente Nerven in das Regelzentrum im Hypothalamus geleitet. Dort wird er mit dem Soll-Wert verglichen und die Regelabweichung über die Regelstrecke und die Effektoren ausgeglichen. (Verändert nach Penzlin 2005.)

Sie liegen vorwiegend im Hypothalamus und im Wirbelkanal des Rückenmarks in verschiedenen Rezeptorfeldern. Weitere zentrale Thermorezeptoren von geringerer Bedeutung liegen vermutlich im Magenbereich und in der Bauchhöhle. Periphere Thermorezeptoren finden sich besonders in der Haut von Körperregionen, über die viel Wärme abgegeben wird. Es handelt sich dabei um den Nasen-Mund-Bereich, die Ohren und die Hoden. Thermorezeptoren funktionieren nach dem PD-Regelschema (Proportional-Differential-Regelung), d. h. ihre Impulsfrequenz ändert sich proportional zur Temperaturveränderung.

Temperaturregulation Die Mechanismen der Temperaturregulation sind bisher noch nicht vollständig geklärt. Man geht von mehreren miteinander vernetzen Regelkreisen aus, deren Zentrum im Hypothalamus liegt. Dazu kommen zentrale und periphere Thermorezeptoren und spezielle neuronale Verschaltungen. Die perzipierten Temperaturwerte werden über afferente Bahnen in den Hypothalamus geleitet, wo sie im Regelzentrum als Ist-Wert mit einem vorgegebenen Soll-Wert verglichen werden (䉴 Abb. 6.19). Differieren diese beiden Werte, wird die Körpertemperatur über Wärmebildung oder -abgabe entsprechend proportional nachgeregelt. Die dabei angesprochenen Mechanismen und die verursachten Veränderungen des Stoffwechsels und der Durchblutung bezeichnet man als Stellglieder. Auch Verhaltensänderungen werden über diesen Mechanismus ausgelöst. Die neuronale Verbindung zu diesen Stellgliedern wird über die Regelstrecke hergestellt.

Thermorezeption

183

Im vorderen Hypothalamusbereich vermutet man ein Wärmeabgabezentrum und im hinteren ein Wärmebildungszentrum. Beide Zentren hemmen sich jeweils in ihrer neuronalen Aktivität. Das Wärmeabgabezentrum wird durch Wärmerezeptoren des Rückenmarkkanals und des Hypothalamus angesteuert. Überschreitet der Ist- den Soll-Wert, werden über die Regelstrecke die Wärmeabgabemechanismen aktiviert, die Gefäße erweitern sich und Zentrale und periphere Thermorezeptoren Schweiß wird sekretiert. Umgekehrt wird das Wärmebil- perzipieren „warm“ und „kalt“ und leiten dungszentrum im hinteren Hypothalamus hauptsächlich den Ist-Wert in das Temperaturregulationsvon den Kälterezeptoren der Haut angesteuert. Kühlt sich zentrum im Hypothalamus weiter, wo er mit dem dort generierten Soll-Wert verglichen die Haut zu stark ab, steigt zunächst der Muskeltonus ge- wird. folgt von Kältezittern.

?

Klausurfragen

1. Erklären Sie den Unterschied zwischen objektiver Sinnesphysiologie und Wahrnehmungspsychologie. 2. Was ist eine Reiztransduktion, und wie unterscheidet sie sich von einer Transformation? 3. Welche Typen von Regelcharakteristika gibt es bei Sinnesrezeptoren? 4. Erläutern Sie die Funktion des Gehörorgans beim Menschen. Wie werden die Schallwellen in elektrische Signale umgesetzt? 5. Welche Geschmacksqualitäten gibt es? 6. Welche Typen von Sinneszellen befinden sich in der Netzhaut, und welche Funktion haben sie? 7. Was ist ein dioptrischer Apparat, und welche Funktion hat er? 8. Wie entsteht das Rezeptorpotenzial in den Photorezeptoren der Wirbeltiere? 9. Welche Typen von Thermorezeptoren gibt es, und wozu werden sie benutzt? 10. Wie verläuft die optische Signalverarbeitung im zentralen Nervensystem?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

ä

Kapitel 7

Hormonsystem des Menschen

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über die Endokrinologie, das Teilgebiet der Biomedizin, welches sich mit der Bildung und der Funktion der Hormone befasst, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Unterschied zwischen neuronaler und hormoneller Steuerung. Chemische Struktur und Bildungsort der menschlichen Hormone. Unterschiedliche Wirkungsweisen und Regelkreise der Hormone. Hierarchie der Hormonausschüttung. Störungen der Hormonausschüttung und therapeutische Anwendung von Hormonen. Verschiedene Hormondrüsen mit ihren Hormonen und deren Wirkungsweisen.

186

7. Hormonsystem des Menschen

Aufgabe der Hormone

ä

Die Kommunikation zwischen Zellen und Organen wird neben dem Nervensystem auch durch das Hormonsystem ermöglicht. In verschiedenen Organen des Körpers werden Hormone produziert, die als Boten- und Signalstoffe (primäre Messenger) über das Blut im Körper verteilt werden (endokrine Wirkung). Neben dieser Fernwirkung können Hormone aber auch eine Nahwirkung durch Diffusion zu benachbarten Zellen entfalten (parakrine Wirkung) oder auch auf die hormonproduzierenden Zellen selbst wirken (autokrine Wirkung). Im Unterschied zu den schnellen Nervensignalen, die durch die Leitungsbahnen und Synapsen gezielt nur auf bestimmte Zellen wirken, werden Hormone über das Blut gleichmäßig im Körper verteilt und können so potenziell auf alle Zellen wirken. Ihre Zellspezifität wird durch spezifische Rezeptoren auf den Zielzellen erreicht. Im Vergleich zum Nervensystem arbeitet das Hormonsystem außerdem langsam, die Wirkung von Hormonen kann Im Gegensatz zu den schnellen, über spesich von Minuten über Stunden bis zu Monaten erstrezielle Leitungsbahnen weitergeleiteten Nercken. Einige Hormone werden gleichzeitig auch als Transvensignalen wirken Hormone langsam und werden über das Blut im ganzen Körper mitter im Nervensystem eingesetzt wie Serotonin oder verteilt. Ihre gezielte gewebespezifische Noradrenalin. Auch Nervenzellen können Hormone, Wirkung entfalten sie über spezifische zelsogenannte Neurohormone, produzieren, wie das antidiluläre Rezeptoren auf den Zielzellen. uretische Hormon (ADH).

Einteilung und Funktion der Hormone Hormone werden nach ihrer chemischen Struktur, ihrem Bildungsort oder ihrem Wirkungsmechanismus eingeteilt.

Chemische Struktur der Hormone

ä

Hormone lassen sich entsprechend der Ausgangsstoffe ihrer Synthese in vier Gruppen einteilen (䉴 Tab. 7.1). Die fettlöslichen Steroidhormone (Steroide) werden aus Cholesterin synthetisiert. Zu ihnen gehören neben den Corticosteroiden aus der Nebenniere auch die Sexualhormone aus den weiblichen und männlichen Geschlechtsorganen. Peptidhormone bestehen aus langen Aminosäureketten und sind meist wasserlöslich. Sie stellen eine große Hormongruppe dar und werden in verschiedenen Organen gebildet. Zu den Aminosäurederivaten gehören die Schilddrüsenhormone und die Catecholamine aus der Nebenniere. Arachidonsäurederivate sind Hormone, die überall im Körper vorkommen und gebildet werden. Diese unterschiedlichen biochemischen Eigenschaften bestimmen auch die Art der therapeutischen AnwenHormone werden nach ihrer chemischen dung. Da Steroidhormone und Aminosäurederivate nicht Struktur, ihrem Bildungsort oder ihrem von der Magensäure abgebaut werden, können sie oral in Wirkungsmechanismus eingeteilt. Tablettenform verabreicht werden. Dies ist bei Peptidhor-

Einteilung und Funktion der Hormone

Tabelle 7.1

Einteilung der Hormone nach ihrer chemischen Struktur.

Klasse

Hormon

Hauptbildungsort

Steroidhormone

Aldosteron, Corticosteron Testosteron Östrogene, Progesteron

Nebennierenrinde Hoden Eierstöcke

Peptidhormone

Oxytocin, antidiuretisches Hormon Releasing- oder Inhibiting-Hormon (RH bzw. IH) Insulin Wachstumshormon, Prolaktin, TSH, ACTH, FSH, LH Calcitonin Parathormon (PTH)

Hypothalamus

Thyroxin und Triiodthyronin Adrenalin, Noradrenalin (auch als Catecholamine bezeichnet)

Schilddrüse Nebennierenmark

Aminosäurederivate

Arachidonsäurederivate Prostaglandine, Thromboxan

Bauchspeicheldrüse Hypophysenvorderlappen Schilddrüse Nebenschilddrüse

überall im Körper

monen wie Insulin nicht möglich. Sie werden deshalb parenteral, also durch Injektion, verabreicht.

Bildungsorte der Hormone Als glanduläre Hormone bezeichnet man Drüsenhormone, die von speziellen endokrinen Drüsen gebildet werden. Die Zellen dieser Drüsen produzieren Hormone, die durch Exocytose in das Interstitium gelangen und von dort in die Blutkapillaren. Abbildung 7.1 zeigt die klassischen endokrinen Drüsen des Menschen. Außerdem werden Hormone in vielen anderen nicht unbedingt endokrin spezialisierten Geweben gebildet. Zu diesen sogenannten Gewebshormonen gehören die Prostaglandine und Cytokine aber auch das in der Lunge gebildete Erythropoetin. Auch die hormonbildenden Gewebe wie Herzvorhöfe, Lunge, Plazenta und Leber sind in Abbildung 7.1 dargestellt.

Transport von Hormonen im Blut Die meisten Hormone sind während des Transports im Blut an spezielle Transportproteine gebunden. Dies gilt für alle fettlöslichen und die meisten der wasserlöslichen Hormone. So ist Cortison an das Transportprotein Transcortin und die Schilddrüsenhormone an das thyroxinbindende Globulin gebunden. Die Dauer der Bindung zwischen Hormon und Transportprotein wird von einer klassischen Bindungskinetik bestimmt und führt zu einer für jeden Hormontyp charakteristischen Halbwertszeit

187

188

7. Hormonsystem des Menschen

7.1 Lokalisation der Hormonproduktion im menschlichen Organismus. Die glandotropen Hormone werden in den endokrinen Drüsen gebildet (linke Seite), während die Gewebshormone in den unterschiedlichsten Körpergeweben produziert werden (rechte Seite). Die Plazenta kann fast alle Körperhormone bilden und nimmt besonders während der Schwangerschaft eine besondere Rolle ein, da sie dann zusätzliche Hormone produziert. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

endokrine Drüsen

endokrine Gewebe

Hypophyse

ZNS Hypothalamus Epiphyse u.a.

Schilddrüse

C-Zellen der Schilddrüse

Nebenschilddrüse

Thymus Herzvorhöfe Lungenepithel

Nebenniere Pankreas Eierstöcke Hoden

Leber Niere Magen-DarmTrakt Plazenta in der Schwangerschaft Fettgewebe

im Blut. Diese beträgt z. B. für Corticotropin (ACTH) nur 10 Minuten, für Thyroxin dagegen etwa 7 Tage. In dieser Zeit können die Hormone das Blut in der Peripherie nicht verlassen und zirkulieren im Kreislauf. Die Bandbreite der Halbwertszeiten von Minuten über Stunden bis zu mehreren Tagen ist groß und spiegelt sich in der Ansprechzeit der Zielgewebe, d. h. der Zeit, die vergeht, bis die Hormonwirkung einsetzt, wider.

Wirkungsweise der Hormone Jede Zielzelle muss spezifische Hormonrezeptoren besitzen, um auf ein Hormonsignal reagieren zu können. Diese Rezeptoren können in der Zellmembran oder auch im Zellinneren lokalisiert sein und lösen über intrazelluläre Signalwege spezifische Zellantworten aus.

Hormonrezeptoren

ä

Eine Zelle kann für ein spezielles Hormon verschiedene Rezeptortypen tragen, sodass ein Hormon unterschiedliche, oft gegensätzliche Zellantworten auslösen kann. So kann Adrenalin über α-Rezeptoren auf Endothelzellen eine Gefäßverengung, über β-Rezeptoren aber eine GefäßHormonrezeptoren unterteilen sich in vererweiterung auslösen. Jede Zelle kann aber gänzlich unterschiedene Rezeptortypen und -subtypen. Jede Zelle kann viele unterschiedliche schiedliche Hormonrezeptoren besitzen und Ziel gleichRezeptortypen besitzen und so auf verzeitig wirkender Hormone sein. Hormonrezeptoren schiedene Hormone gleichzeitig und unterkönnen in der Zellmembran oder auch intrazellulär lokaschiedlich reagieren. lisiert sein.

Einteilung und Funktion der Hormone

Hormon = primärer Messenger Rezeptor

Gs

+

AC

_

stimulierendes G-Protein Adenylatcyclase ATP

Gi

inhibitorisches G-Protein cAMP = Second Messenger

Proteinkinase A Phosphorylierung

7.2 Signalkette einer rezeptorvermittelten Hormonantwort. cAMP, zyklisches Adenosinmonophosphat; ATP, Adenosintriphosphat.

Hormonrezeptoren in der Zellmembran Wasserlösliche Hormone wie Peptidhormone oder Aminosäurederivate können aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften nicht in die Zelle eindringen und benötigen deshalb extrazelluläre Rezeptoren in der Zellmembran. Die Hormone (primäre Messenger) binden von außen an diese Rezeptoren, die daraufhin ihre Struktur ändern und in der Zelle eine Signalkette aktivieren, die durch zelluläre Signalmoleküle (Second Messenger) weitergeleitet wird. Es gibt verschiedene intrazelluläre Signalwege. Der am weitesten verbreitete, der cAMP-Signalweg, ist in Abbildung 7.2 dargestellt. Über ihn verläuft z. B. die vom antidiuretischen Hormon (ADH) ausgehende Signalübertragung. ADH bindet an einen extrazellulären Rezeptor (V2-Rezeptor), der aktiviert wird und das Signal über hemmende oder stimulierende Proteine (G-Proteine) zu einem membranständigen Enzym, die Adenylatcyclase (AC), weiterleitet. Dieses Enzym wandelt ATP in cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) um, das als Second Messenger in der Zelle wirkt und über Proteinkinase A ein Zielprotein phosphoryliert. Intrazelluläre Hormonrezeptoren Lipidlösliche Hormone wie die Steroidhormone oder auch die Schilddrüsenhormone können durch die Zellmembran in das Cytosol diffundieren. Dort befinden sich die Rezeptoren für die Steroidhormone, während die Rezeptoren für die Schilddrüsenhormone im Zellkern lokalisiert sind. Auch die cytosolischen Steroidrezeptoren werden nach Bindung der Steroidhormone in den Zellkern gebracht. Dort binden die aktivierten Hormon/Rezeptor-Komplexe an die DNA und aktivieren spezielle Gene, woraufhin spezielle hormoninduzierte Proteine synthetisiert werden. Im Falle

189

190

7. Hormonsystem des Menschen

des Mineralocorticoids Aldosteron spricht man z. B. von aldosteroninduzierten Proteinen (AIPs).

Regelkreise Die Ausschüttung der Hormone aus ihren Produktionsstätten wird durch einen oder mehrere Regelkreise kontrolliert. Negative Rückkopplung Bei der negativen Rückkopplung handelt es sich um eine Signalverarbeitung, bei der die Hormone ihre eigene Ausschüttung negativ regulieren. Dies kann durch direkte Wirkung auf die hormonproduzierenden Zellen geschehen oder über Faktoren, die ihrerseits die Hormonausschüttung regulieren. Abbildung 7.3 zeigt dies am Beispiel eines einfachen Regelkreises. Steigt die Glucosekonzentration im Blut nach einer Mahlzeit an, schütten die Langerhans-Zellen in der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) Insulin aus. Das Insulin wirkt auf alle Körperzellen, führt zu einer Glucoseaufnahme und senkt dadurch den Glucosespiegel im Blut. Infolgedessen wird weniger Insulin ausgeschüttet bis der Blutzuckerspiegel durch eine erneute Nahrungsaufnahme oder andere regulative Einflüsse wieder ansteigt. Ein hormoneller Regelkreis reagiert also in zwei Richtungen. In diesem Beispiel führt ein Anstieg der extrazellulären Glucosekonzentration zu einer Zunahme der Insulinausschüttung, nimmt die extrazelluläre Glucosekonzentration jedoch ab, wird auch die Insulinausschüttung reduziert. Modulation der Empfindlichkeit Hormonelle Regelkreise können neben ihrer eigenen Autoregulation aber auch noch durch andere Einflüsse modifiziert werden. So kann die Empfindlichkeit der endokrinen Drüsen durch andere Hormone beeinflusst werden. Damit kann die Aus-

Nahrungsaufnahme

Glucosekonzentration im Blut nimmt ab Hypoglykämie

Rezeptoren auf Zielzellen binden Insulin, Zielzellen nehmen Glucose auf

Glucosekonzentration im Blut steigt an Hyperglykämie

- Hemmung + Stimulation

7.3

Regulation des Blutglucosespiegels durch Insulin.

Insulinproduktion durch B-Zellen im Pankreas

Einteilung und Funktion der Hormone

schüttung zusätzlich stimuliert oder gehemmt werden. In unserem Beispiel des Insulinregelkreises wird die Empfindlichkeit der Ausschüttung z. B. durch verschiedene Aminosäuren stimuliert, durch das Stresshormon Adrenalin aber gehemmt.

191

Hormonelle Regelkreise arbeiten nach dem Prinzip der negativen Rückkopplung. Dabei beeinflusst die Menge des ausgeschütteten Hormons neben der eigentlichen Hormonwirkung auch seine eigene Neuproduktion.

ä

Größe und Wachstum der Hormondrüsen Die Größe und das Wachstum der Hormondrüsen werden ständig den Erfordernissen des Körpers angepasst. Dabei spielen Zellteilung (Proliferation) oder Zelltod (Apoptose) eine wichtige Rolle. Eine dauerhaft gesteigerte Hormonausschüttung führt zu einer Vergrößerung der Hormondrüse (Hyperplasie), bei der Zahl und Größe der hormonproduzierenden Zellen zunehmen. Bei einer dauerhaft unterdrückten Hormonausschüttung verkleinert sich dagegen die Hormondrüse (Aplasie), die hormonproduzierenden Zellen schrumpfen (Atrophie) und sterben schließlich ab.

Hierarchie der Hormonsekretion Um die verschiedenen hormonellen Regelkreise, die sich gegenseitig beeinflussen, zu koordinieren, unterliegt die Hormonsekretion einer gewissen Hierarchie, d. h. bestimmte Hormondrüsen sind anderen hormonausschüttenden Drüsen und Geweben übergeordnet. Bei vielen hormonellen Regelkreisen ist der Hypothalamus der oberste Regulator. Durch seine Lage zentral im Gehirn befindet er sich an der Schaltstelle des Informationsflusses zwischen Außenwelt und dem Körperinneren. Durch die Abgabe von Releasing- und Inhibiting-Hormonen beeinflusst der Hypothalamus einen eng benachbarten zweiten Regulator, die Hypophyse (䉴 Abb. 7.4). Sie ist in zwei Bereiche unterteilt, den Hypophysenhinterlappen und den Hypophysenvorderlappen. Letzterer fungiert in der Hierarchie als nächste Regulationsebene, indem er die glandotropen Hormone sezerniert, die auf die untergeordneten Hormondrüsen einwirken. Die untergeordneten Hormondrüsen wie Nebennieren, Schilddrüse, Hoden, Eierstöcke bilden die unterste Ebene der Hierarchie. Sie sezernieren die peripheren Hormone und wirken mit diesen auf die jeweiligen Zielzellen ein. Nicht alle peripheren Hormondrüsen unterliegen dieser dreigliedrigen Hierarchieebene. So wirken einige Hormone Die Hierarchie der Hormonsekretion stellt Hormondrüsen unter eine übergeordder Hypophyse (antidiuretisches Hormon, Oxytocin, Wachs- einige nete Kontrolle. Aber nicht alle Hormondrütumshormon, Prolaktin und das melanocytenstimulierende sen sind in dieses Schema aus drei FunktionsHormon) direkt auf die Zielzellen und überspringen somit ebenen eingebunden. Die Hormone des eine Hierarchieebene (䉴 Abb. 7.5). Auch andere Hormon- Verdauungstrakts und der Bauchspeicheldrüse funktionieren weitgehend unabhängig drüsen wie die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) funktionie- auf lokaler Ebene. ren zum größten Teil unabhängig von Hypothalamus und Hypophyse.

ä

192

7. Hormonsystem des Menschen

höhere Zentren des ZNS (z.B. limbisches System) Releasing-Hormon (RH) glandotropes Hormon peripheres Hormon Rückmeldung auf verschiedenen Ebenen

Stoffwechseleffekte auf verschiedene Gewebe Rezeptoren messen Stoffwechseleffekte

7.4 Hierarchie der Hormonregulation. Die Steuerung der Hormonsekretion erfolgt durch mehrere Regelkreise, die hierarchisch ineinander greifen. Oberstes Regelzentrum ist der Hypothalamus. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Hypothalamus

CRH

TRH

PRL-RH GH-RH GH-IH PRL-IH

Gn-RH

Hypophyse

ACTH

TSH

FSH LH Frau Frau Mann

Hormondrüse

Nebennierenrinde

Cortisol

Schilddrüse

T3,T4

Eierstöcke

Östrogen

-

Prolaktin Wachstumshormon

Hoden

Testosteron

Eierstöcke

Progesteron

Zielzellen in den verschiedenen Organen 7.5 Die Regulationsketten der verschiedenen Hormone sind in Achsen angeordnet, die mit und ohne zwischengeschaltete Ebenen funktionieren. ACTH, adrenocorticotropes Hormon; CRH, Corticotropin-Releasing-Hormon; TRH, Thyreotropin-Releasing-Hormon; TSH, thyreoideastimulierendes Hormon; T3, Triiodothyronin; T4, Thyroxin; Gn-RH, Releasing-Hormon der glandotropen Sexualhormone; FSH, follikelstimulierendes Hormon; LH, luteinisierendes Hormon; PRL-RH, Prolaktin-Releasing-Hormon; PRL-IH, Prolaktin-Inhibiting-Hormon; GH-RH, Growth-Hormon-Releasing-Hormon; GH-IH, Growth-Hormon-Inhibiting-Hormon, Somatostatin). (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Einteilung und Funktion der Hormone

193

Störungen der Hormonausschüttung (Tumorendokrinologie) Störungen der Hormonausschüttung werden in mehrere Gruppen eingeteilt. Von einem primären Hormonüberschuss spricht man, wenn die hormonproduzierenden Zellen zu stark proliferieren und sich eine Hyperplasie der Hormondrüse entwickelt. Geschieht dies durch unkontrollierte Zellteilung, so bilden sich Tumoren (Adenome). Überschüssige Hormone können aber auch durch umdifferenzierte Zellen anderer Gewebe gebildet werden wie beim Bronchialkarzinom. Man bezeichnet dies als ektope Hormonproduktion. Von einem sekundären Hormonüberschuss spricht man, wenn die Hormonproduktion durch gestörte Interaktion mit anderen Hormonregelkreisen erhöht wird, wie es bei der Synthese des Hormons Aldosteron nach einem Blutverlust der Fall ist. Ein tertiärer Hormonüberschuss liegt vor, wenn eine Hormondrüse ohne Tumorwachstum durch lang anhaltende Stimulation zu viel Hormon produziert. Schädigungen der Hormondrüsen können aber auch zu einem Hormonmangel führen. Durch fehlende regelmäßige Stimulation einer Hormondrüse wird eine Aplasie ausgelöst. Solche Schädigungen Störungen der Hormonausschüttung können können als Folge von Infektionen, mechanischer Beschädi- neben schwerwiegenden, oft lebensbedrohgung, Autoimmunerkrankungen, Vergiftungen oder Durch- lichen Funktionsstörungen auch mit einer krankhaften Vergrößerung oder Verkleineblutungsstörungen auftreten. Liegt ein Tumor vor, müssen rung der Hormondrüsen einhergehen. Hormondrüsen oft vollständig entfernt werden.

Abbau von Hormonen Hormone werden größtenteils in der Leber durch Aufspaltung abgebaut und die entstehenden Produkte dann über die Niere ausgeschieden. Durch Bestimmung dieser Abbauprodukte im Urin lassen sich häufig Rückschlüsse auf den Hormonspiegel im Blut ziehen. So spiegelt die Konzentration von Vanillinmandelsäure im 24-StundenSammelurin zuverlässig die in diesem Zeitraum vorliegende Blutkonzentration an Adrenalin und Noradrenalin wider und kann damit zur Diagnostik der Ursachen von Bluthochdruck eingesetzt werden.

Therapeutische Anwendung von Hormonen und Antihormonen Heutzutage lassen sich viele körpereigene Hormone synthetisch herstellen und im Krankheitsfall verabreichen, z. B. Insulin bei Diabetes. Hormone werden aber auch bei normalen Wachstums- oder Altersveränderungen der Hormondrüsen eingesetzt wie bei der Hormonersatztherapie bei Frauen in und nach den Wechseljahren oder bei altersbedingter Unterfunktion der Schilddrüse. Einige Hormone werden auch als Medikamente verwendet. Am häufigsten werden Glucocorticoide verabreicht, die das Immunsystem hemmen und deshalb zur Immunsuppression oder bei rheumatischen Entzündungen gegeben werden. Hormone wie Erythropoetin oder Androgene werden auch illegal als Dopingmittel eingesetzt und führen zwar meist zu einer gewünschten Leistungssteigerung, durch die gleichzeitig auftretenden unerwünsch-

ä

194

ä

7. Hormonsystem des Menschen

ten Nebenwirkungen stellen sie jedoch eine erhebliche Gefahr für den menschlichen Körper dar. Ein neuartiger Modetrend, bei dem oft Hormone zur Anwendung kommen, stellt die Anti-Aging-Medizin dar. Hierbei werden neben operativen Korrekturen auch oft Hormone verabreicht, um Fettpolster schrumpfen zu lassen und das körperliche und seelische Befinden im Alter zu Hormone werden auch als Therapeutika eingesetzt, können aber bei Missbrauch, z. B. verbessern. Angesichts der unkontrollierbaren NebenwirDoping, schwerwiegende Nebenwirkungen kung stellen auch solche Hormonanwendungen eine und dauerhafte Schädigungen verursachen. nichtakzeptable Form der Hormontherapie dar.

Hormone von Hypothalamus und Hypophyse Wie bereits beschrieben, bilden Hypothalamus und Hypophyse, die in den unteren Abschnitten des Zwischenhirns liegen, als übergeordnete Hormondrüsen des Körpers eine funktionelle Einheit.

Hypothalamus Der Hypothalamus ist die zentrale Schaltstelle zur Regulation des inneren Milieus und gleichzeitig die oberste Instanz der Hormonregulation des menschlichen Körpers. Er stellt durch seine zentrale Lage im Gehirn auch eine der wichtigsten Verbindungsstellen zwischen Nervensystem und Hormonsystem dar. Hier werden neuronale Reize aus höheren ZNS-Arealen in hormonelle Regulationen umgesetzt. Der Hypothalamus ist mit der Hypophyse durch den Hypophysenstiel verbunden (䉴 Abb. 7.6). Über diesem Stiel sind die beiden Hormondrüsen durch ein Blutgefäßsystem mit zwei Kapillargebieten verbunden, dem hypophysären Portalkreislauf. Aus der Vorderseite des Hypothalamus werden die Releasing-Hormone (RH, Liberine) und die Inhibiting-Hormone (IH, Statine) in das Kapillargebiet freigesetzt. Diese Hormone werden über das Gefäßnetz in den Hypophysenvorderlappen (Adenohypophyse) abgegeben, wo sie die Ausschüttung der Hypophysenvorderlappenhormone entweder stimulieren (RH) oder inhibieren (IH). Zu den ReleasingHormonen gehören das Thyreotropin-Releasing-Hormon (TRH), welches die Ausschüttung des thyreoideastimulierenden Hormons (TSH) stimuliert, das Corticotropin-Releasing-Hormon (CRH), welches die Ausschüttung des adrenocorticotropen Hormons (ACTH) stimuliert, das Releasing-Hormon der glandotropen Sexualhormone (Gn-RH), welches die Ausschüttung der glandotropen Sexualhormone FSH und LH stimuliert, das Growth-Hormon-Releasing-Hormon (GH-RH), welches die Ausschüttung des Wachstumshormons stimuliert, und das ProlaktinReleasing-Hormon (PRL-RH), welches die Ausschüttung von Prolaktin stimuliert. Zu den Inhibiting-Hormonen gehören das Growth-Hormon-Inhibiting-Hormon (GH-IH), welches die Ausschüttung des Wachstumshormons hemmt und das Prolaktin-Inhibiting-Hormon (PRL-IH), welches die Prolaktinausschüttung hemmt.

Hormone von Hypothalamus und Hypophyse

Nuclei paraventriculares

195

Nuclei supraoptici

Hypothalamus hypophyseotrope Zone

Liberine Statine

ADH Oxytocin Hypophysenstiel

hypophysärer Portalkreislauf

Adenohypophyse

Neurohypophyse

7.6 Aufbau des Hypothalamus-Hypophysen-Systems. Aus der hypophyseotropen Zone des Hypothalamus werden die Releasing-Hormone (Liberine) und die Inhibiting-Hormone (Statine) in den Portalkreislauf der Hypophyse abgegeben. Sie bewirken im Hypophysenvorderlappen (Adenohypophyse) die Ausschüttung der glandotropen Hormone ACTH, TSH, FSH, LH, des Wachstumshormons, MSH und Prolaktin. In den Kerngebieten des Hypothalamus (Nuclei paraventriculares und supraoptici) werden die Hypophysenhinterlappenhormone ADH (antidiuretisches Hormon) und Oxytocin gebildet. Sie wandern über neuronale Axone durch den Hypophysenstiel in den Hypophysenhinterlappen (Neurohypophyse) und werden dort in das Kapillarnetz abgegeben.

Die Steuerung der Hormonsekretion des Hypophysenvorderlappens (Adenohypophyse) durch diese Releasing- oder Inhibiting-Hormone erfolgt dabei rhythmisch oder pulsatil, d. h. durch kurze intermittierende Hormonabgaben. Die Ursache dafür liegt im Hypothalamus, der eine innere Uhr mit verschiedenen endogenen Rhythmen enthält. Diese Rhythmen können in ihrer Periodenlänge sehr unterschiedlich sein. Ultrakurze pulsatile Rhythmen findet man für Gn-RH mit ca. vier Abgaben pro Minute. Circadiane Rhythmen findet man für CRH und noch längere Rhythmen über Tage oder Monate findet man für die Steuerung des Menstruationszyklus oder in der Schwangerschaft. Neben dieser hypophyseotropen Zone, die die Hormonsekretion durch den Hypophysenvorderlappen kontrolliert, findet man weitere Kerngebiete des Hypothalamus, die die Hormonsekretion des Hypophysenhinterlappens (Neurohypophyse) steuern. Es sind dies die Nuclei supraoptici und die Nuclei paraventriculares. Sie bilden die Das Hypothalamus-Hypophysen-System stellt Hypothalamushormone Oxytocin und Vasopressin (anti- das höchste hormonelle Kontrollorgan im Körper dar. Es fungiert auch als funktionelle diuretisches Hormon, ADH). Die Hormone werden über Brücke zum Nervensystem. die Axone von Nervenzellen in den Hypophysenhinterlap-

ä

196

7. Hormonsystem des Menschen

pen transportiert, dort gespeichert und bei Bedarf abgegeben. Deshalb werden diese Neurohormone oft auch als Hypophysenhinterlappenhormone bezeichnet. Bei Schädigung des Hypothalamus oder der Hypophyse können schwere Störungen des Hormonhaushaltes auftreten. So kann der Hypophysenstiel bei einem Schädelbasisbruch beschädigt werden oder auch komplett abreißen und dadurch zu wenig oder keine Releasing-Hormone und unter Umständen auch kein Oxytocin und Vasopressin in die Hypophyse gelangen. Sekundäre Folge kann sich schließlich ein Mangel an peripheren Hormonen einstellen, die deshalb substituiert werden müssen. Ohne diesen Ersatz führt ein Ausfall des Hypothalamus-Hypophysen-Systems zum Tod.

Hypophyse

ä

Aus dem Hypophysenvorderlappen (Adenohypophyse) werden verschiedene Hormongruppen sezerniert. Die glandotropen Hormone regulieren nachfolgende Hormondrüsen, andere Hormone wirken direkt auf die Zielzellen. Zu den glandotropen Hormonen gehören die Gonadotropine. Das luteinisierende Hormon (LH) und das follikelstimulierende Hormon (FSH) stimulieren die Aktivität der Keimdrüsen und regulieren die Sexualhormone Östrogen, Gestagen und Testosteron. Das thyreoideastimulierende Hormon (TSH) reguliert die Funktion der Schilddrüse und das adrenocorticotrope Hormon (ACTH) stimuliert die Ausschüttung der Glucocorticoide und der Mineralocorticoide aus der Nebenniere. Zu den Hormonen, die direkt auf die Zielzellen wirken, gehört das Wachstumshormon (Growth-Hormon, GH), das auch als Somatotropin bezeichnet wird. Wie in Kapitel 3 bereits erwähnt wurde, fördert es das Zellwachstum und die Zellvermehrung, stimuliert den Fett- und GlyDie Hypophyse ist funktionell in den kogenabbau und erhöht langfristig den BlutzuckerspieVorderlappen (Adenohypophyse) und den gel. Ein Mangel führt zu Klein- oder Minderwuchs, ein Hinterlappen (Neurohypophyse) unterteilt. Überschuss zu Akromegalie (Riesenwuchs). Prolaktin aktiviert die Milchproduktion in der Brustdrüse, beeinflusst die Immunabwehr, hemmt die Ausschüttung der Gonadotropine und hat eine große Bedeutung für die Reproduktion. Das melanocytenstimulierende Hormon (MSH) wird zusammen mit ACTH ausgeschüttet und beeinflusst über die Melanocyten die Hautpigmentierung.

Hormone der Epiphyse Oberhalb des Mittelhirns befindet sich im ZNS die Zirbeldrüse (Corpus pineale), die auch als Pinealorgan oder Epiphyse bezeichnet wird. Sie sezerniert das Hormon Melatonin, das aus dem Neurotransmitter Serotonin synthetisiert wird (䉴 Abb. 7.7) und dessen genaue Aufgabe noch nicht vollständig geklärt ist. Da die Epiphyse bei manchen Wirbeltieren lichtempfindlich ist, wird vermutet, dass auch die Epiphyse des Menschen Teil eines photoendokrinen Systems ist und über ihre Lichtempfindlich-

Schilddrüsenhormone

197

Zelle der Epiphyse sympathische Nervenendigung

Tryptophan

Serotonin

Rezeptor Adrenalin

NAT

N-Acetylserotonin

Adenylatcyclase

Melatonin

Kapillare

7.7 Synthese und Ausschüttung von Melatonin aus der Epiphyse (Pinealorgan). Eine endogene circadiane Rhythmik steuert im Zusammenspiel mit dem Tag/Nacht-Wechsel die NAT-Synthese. Das Lichtsignal gelangt vom Auge über sympathische Bahnen zur Epiphyse. Melatonin wird nur während der Dunkelphase synthetisiert und dann sofort in das Blut ausgeschüttet. NAT, N-Acetyltransferase. (Verändert nach Wehner und Gehring 2007.)

keit verschiedene circadiane Rhythmen im Körper steuert. Dafür spricht auch, dass die Melatoninausschüttung bei Dunkelheit aktiviert und bei Helligkeit gehemmt wird. Melatonin wurde zeitweilig als „Wunderdroge“ zur Wiederherstellung des Schlaf-Wach-Rhythmus bei Jetlag Die Epiphyse sezerniert das auch als Schlafnach Langstreckenflügen verwendet. Diese Anwendung ist hormon bekannte Melatonin und verbindet aber zweifelhaft, weil es in höherer Dosierung offensichtlich so die lichtempfindlichen neuralen Strukturen der inneren Uhr mit dem endokrinen kanzerogen ist. Ihm wird außerdem eine positive Wirkung System. auf das Immunsystem zugeschrieben.

Schilddrüsenhormone In der Halsregion liegt vor der Luftröhre in Höhe des Schildknorpels des Kehlkopfs die Schilddrüse (Glandula thyroidea). Das hufeisenförmige Organ ist etwa 25 g schwer. Seine Seitenlappen sind durch den Isthmus, eine Gewebebrücke, verbunden. An der Rückseite der Schilddrüse liegen vier kleine Knoten, die als Nebenschilddrüse bezeichnet werden. Beide Drüsen schütten verschiedene Hormone aus, die auf unterschiedliche hormonelle Regelkreise wirken.

Biosynthese der Schilddrüsenhormone Das Schilddrüsengewebe wird durch Bindegewebe in einzelne Lappen geteilt, von denen jeder aus vielen kleinen Bläschen, den Follikeln, besteht. Die Follikelwand wird von Epithelzellen gebildet, die sich ringförmig um einen Hohlraum gruppieren (䉴 Abb. 7.8). Die Follikelzellen produzieren die beiden iodhaltigen Schilddrüsenhor-

ä

198

7. Hormonsystem des Menschen

mone Thyroxin (Tetraiodthyronin, T4) und Triiodthyronin (T3), die Derivate der Aminosäure Tyrosin darstellen. Die einzelnen Syntheseschritte sind in Abbildung 7.8 dargestellt. Zunächst produziert der Golgi-Apparat der Follikelepithelzelle das Protein Thyreoglobulin. Thyreoglobulin wird durch Exocytose in das Follikellumen abgegeben. Gleichzeitig nehmen die Epithelzellen an ihrer basolateralen Seite über einen Na+-gekoppelten Cotransport Iodid (I–) auf. Iodid wird über einen apikalen Kanal ebenfalls in das Follikellumen sezerniert und dort zu Iod oxidiert. Daraufhin wird das Thyreoglobulin an den Tyrosinresten iodiert. Jeweils zwei dieser Reste verbinden sich, sodass im Thyreoglobulin Strukturen entstehen, die entweder vier (Thyroxin, T4) oder drei (Triiodthyronin, T3) Iodatome enthalten. Diese Struktur wird im Follikellumen solange in kolloidaler Form gespeichert, bis sie zur Sekretion benötigt wird. Dazu wird das iodierte Thyreoglobulin durch Endocytose in die Zelle aufgenommen und T3 und T4 enzymatisch vom Globulin abgespalten und in das Blut abgegeben. Dort werden die Moleküle an das thyroxinbindende Globulin (TBG) gebunden und zu den Zielzellen transportiert. T4 hat eine Halbwertszeit von sieben Tagen, T3 eine von einem Tag. Während T4 biologisch kaum wirksam ist, stellt T3 das eigentlich wirksame Schilddrüsenhormon dar. Es entsteht zu über 80% erst in den Zielzellen, indem Iod durch das Enzym 5’-Deiodase aus Thyroxin abgespalten wird.

T4

7

T3

Golgi-Apparat +

Follikelepithelzelle

1

Na

I-

6

TG 3

2

5 4

I + TG I + TG Follikellumen

7.8 Biosynthese der Schilddrüsenhormone Triiodthyronin (T3) und Thyroxin (T4). (1) Iodionen werden durch einen Na+-gekoppelten Transport aus dem Blut aufgenommen und durch einen Ionenkanal (2) in das Follikellumen sezerniert. Die Follikelepithelzellen synthetisieren im Golgi-Apparat das Protein Thyroglobulin (TG), das durch Exocytose (3) in das Follikellumen abgegeben wird. Dort wird das zu Iod oxidierte Iodid an das Tyrosin des Thyroglobulins gebunden. Jeweils zwei solcher Komplexe verbinden sich und werden wieder in die Follikelepithelzelle aufgenommen (5). Durch Spaltung bildet sich T4 und T3, die in das Blut abgegeben werden (6). Die Schilddrüse bildet hauptsächlich T4, das in der Peripherie zum wesentlich wirksameren T3 deiodiert wird (7). (Verändert nach Schmidt, Lang und Thews 2005.)

Schilddrüsenhormone

Die parafollikulären Zellen der Schilddrüse werden auch als C-Zellen bezeichnet. Sie bilden das Hormon Calcitonin, das den Knochenstoffwechsel reguliert, indem es den Einbau von Calcium und Phosphat in die Knochensubstanz fördert und die Aktivität der Osteoklasten hemmt (s. auch Abb. 3.2).

199

Die Biosynthese der Schilddrüsenhormone T3 und T4 findet in den Follikelepithelzellen und im Follikellumen statt. Voraussetzung ist eine ausreichende Iodaufnahme. Schilddrüsenhormone beinflüssen den Stoffwechsel, das Wachstum und die Reifung sowie das Nervensystem. Die parafollikulären C-Zellen bilden Calcitonin, das auch den Knochenstoffwechsel reguliert.

ä

Regelkreis der Schilddrüsenhormone Abbildung 7.9 zeigt das gesamte Regulationsschema der Schilddrüsenhormone, angefangen vom Hypothalamus, über die Hypophyse, die Schilddrüse bis in die Peripherie zu den Zielzellen. Vom Hypothalamus wird das Releasing-Hormon TRH in den Hypophysenvorderlappen (Adenohypophyse) abgegeben. Dieser stimuliert wiederum die Schilddrüse über das thyroideastimulierende Hormon TSH. Dieses bewirkt in der Der Regelkreis der Schilddrüsenhormone Schilddrüse eine vermehrte Bildung von T3 und T4 und sti- reicht vom Hypothalamus über die Hypophyse zur Schilddrüse und weiter zu den muliert ihre Freisetzung aus dem Kolloidspeicher des Folli- Zielzellen. kellumens und ihren Übertritt in das Blut.

Hypothalamus

TRH

Kälte Stress Cortisol

Dopamin

Adenohypophyse Cortisol

TSH Schilddrüse

Thyreostatika lod Bindungsproteine im Plasma

T3

T4 Peripherie

5 -Deiodase T3

5-Deiodase rT3

7.9 Regulation der Schilddrüsenfunktion. Im Hypothalamus wird nach Stimulation durch verschiedene Reize das ThyreotropinReleasing-Hormon (TRH) abgegeben. Es bewirkt die Ausschüttung von thyroideastimulierendem Hormon (TSH) aus der Adenohypophyse. Dieses stimuliert in der Schilddrüse die Produktion von Triiodthyronin (T3) und Thyroxin (T4). In der Peripherie wird T4 zu dem wesentlich wirksameren T3 deiodiert. Kälte und Stress fördern, Cortisol und Dopamin hemmen diesen Regulationsmechanismus. (Verändert nach Klinke, Pape und Silbernagl 2005.)

ä

200

7. Hormonsystem des Menschen

Wirkungen der Schilddrüsenhormone Thyroxin (T4) und hauptsächlich Triiodthyronin (T3) binden an spezielle Rezeptoren im Zellkern der Zielzellen und aktivieren über eine Genaktivierung ein breites Spektrum von Reaktionen. Generell stimulieren Schilddrüsenhormone den Stoffwechsel und wirken auf alle Organe des Körpers. Insbesondere werden Energieumsatz und Wärmeproduktion gesteigert, der Abbau von Fetten und Glykogen in die Wege geleitet, aber auch Wachstum und Reifung gefördert. Besonders auffällig ist die Wirkung auf das Nervensystem: so wird die Aktivität der Nervenzellen und der Muskelzellen erhöht, was zu einer übersteigerten Nervosität, Herzrasen und Muskelkrämpfen führen kann.

Schilddrüsenerkrankungen Sowohl der Überschuss als auch der Mangel an Schilddrüsenhormonen ruft erhebliche Störungen und Krankheitserscheinungen hervor. Außerdem kann die Schilddrüse unabhängig oder gleichzeitig mit diesen hormonellen Funktionsstörungen auch pathologisch vergrößert sein (Struma).

Schilddrüsenüberfunktion Bedingt durch Entzündungen des Schilddrüsengewebes (Thyreoiditis) oder einen gutartigen Schilddrüsentumor (Adenom) kann es zur Überproduktion von Schilddrüsenhormonen kommen (Hyperthyreose). Der Grundumsatz des Stoffwechsels erhöht sich, was zu Gewichtsabnahme, erhöhter Körpertemperatur sowie Unruhe und Schlaflosigkeit führt. Eine weitere häufige Ursache einer Überfunktion ist Morbus Basedow, eine Autoimmunkrankheit, bei der Autoantikörper gegen die TSHRezeptoren im Schilddrüsengewebe eine andauernde Hormonstimulation auslösen.

Schilddrüsenunterfunktion Eine Hypothyreose führt zu Gewichtszunahme, einer auffällig angeschwollenen Hautverdickung (Myxödem), sowie zu Müdigkeit und nachlassender geistigen Leistungsfähigkeit. Ursache ist immer ein Untergang von funktionsfähigem Schilddrüsengewebe, entweder als Spätfolge einer Thyreoiditis oder bei angeborenen Schilddrüsendefekten mit Entwicklungsstörungen, die die körperliche und geistige Entwicklung verlangsamen (Kretinismus).

Struma Ein Struma ist eine kropfartige Vergrößerung der Schilddrüse. Sie kann gleichmäßig (Struma diffusa) oder knotig (Struma nodosa) auftreten und ist meist durch eine mangelnde Iodaufnahme bedingt. Durch den Iodmangel kommt es zu einer verminderten Bildung von T3 und T4. Dadurch wird die TSH-Ausschüttung angeregt, wodurch sich die Follikel stark vermehren. Ein Struma kann auch durch maligne Ent-

Nebennierenhormone

artung der Follikelzellen entstehen, die zu tumorartigen Schilddrüsenknoten (Karzinomen) führen.

Hormone der Nebenschilddrüse

201

Schilddrüsenhormone steuern Wachstum und Reifung sowie den Stoffwechsel des Körpers. Eine Überproduktion führt zu Überreaktionen des Stoffwechsels und psychischen Störungen, eine Unterfunktion zu Müdigkeit und geistiger Verlangsamung. Durch Iodmangel kann es zu Kropfbildung kommen.

Die Nebenschilddrüsen werden auch als Epithelkörperchen bezeichnet und bestehen aus vier Knötchen an der Rückseite der Schilddrüse. Sie bilden das Parathormon (PTH), das im Zusammenspiel mit Calcitonin ebenfalls in die Regulation des Knochenstoffwechsels eingreift. PTH aktiviert die Osteoklasten und erhöht damit den Knochenabbau und den Calciumspiegel des Blutes. Außerdem vermindert es die Calciumausscheidung der Niere und erhöht die Calciumresorption im Darm (s. auch Abb. 3.2). Die häufigste Folge einer zu radikalen Schilddrüsenoperation, bei der versehentlich die Epithelkörperchen entfernt wurden, ist eine Unterfunktion der Nebenschilddrüse, die als Hypoparathyreoidismus bezeichnet wird. Infolge eines zu niedrigen Calciumspiegels im Blut kommt es dann zu einer Überfunktion des Nervensystems und der Muskulatur mit Krämpfen. Eine Überfunktion (Hyperparathyroidismus) kann durch gutartige Tumoren entsteNebenschilddrüse bildet das Parathorhen und führt zu erhöhten Calciumablagerungen in Kno- Die mon, das zusammen mit Calcitonin und Vitachen, Haut und Nieren mit der Folge von Nierensteinen und min D den Knochenstoffwechsel reguliert. Knochenschmerzen.

ä

ä

Nebennierenhormone Am oberen Pol der paarigen Nieren sind die beiden kleinen, nur etwa 5 g schweren Nebennieren lokalisiert (䉴 Abb. 7.10), bei denen man Nebennierenrinde und Nebennierenmark unterscheidet.

Hormone der Nebennierenrinde Die Zellen der Nebennierenrinde (Cortex) machen etwa 70% des gesamten Volumens der Nebenniere aus, die Bezeichnung Rinde ist daher ein wenig irreführend. Histologisch unterteilt sich die Nebennierenrinde in drei Zonen (䉴 Abb. 7.11), die jeweils unterschiedliche Hormone bilden. Die äußere Zona glomerulosa bildet das Mineralocorticoid Aldosteron, die mittlere Zona fasciculata die Glucocorticoide, z. B. Corti- Histologisch lassen sich bei der Nebenniere sol, und die innere Zona reticularis bildet geringe Mengen Rinde und Mark unterscheiden, die sich wiederum in verschiedene hormonbildende von Sexualhormonen, vorwiegend Androgene. Alle diese Schichten unterteilen. Hormone sind Steroidhormone, d. h. sie stammen che-

ä

202

7. Hormonsystem des Menschen

Nebenniere

Nierenarterie und Nierenvene 7.10 Anatomie der Nebenniere. Die Nebenniere sitzt der Niere auf. Im Querschnitt ist die Unterteilung in Rinde (blau) und Mark (grau) zu erkennen. Die Nebennierenrinde besteht aus drei Schichten (Zona glomerulosa, Zona fasciculata, Zone reticularis). (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

rechte Niere

Nebennieren mark

Harnleiter

Nebennierenrinde Zona glomerulosa Zona fasciculata Zona reticularis

Aorta

misch vom Cholesterin ab, sind lipidlöslich und können durch die Zellmembran in das Cytosol eindringen, wo ihre Rezeptoren lokalisiert sind.

Mineralocorticoide Aldosteron, das wichtigste Mineralocorticoid, reguliert den Wasser- und Salzhaushalt des Körpers, indem es die Resorption von Natrium fördert und die Abgabe von Kalium in der Niere stimuliert. Sein genauer Wirkungsmechanismus wird in Kapitel 13 beschrieben. Reguliert wird es durch das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System und bei Salzmangel, niedrigem Blutdruck oder geringem Blutvolumen ausgeschüttet. Nach seiner Ausschüttung bindet es im Blut mit einer Halbwertszeit von 20 min an Transportproteine. Seine zelluläre Wirkung wird über cytosolische Rezeptoren vermittelt, die bei der Bindung des Hormons eine Genaktivierung und damit die Synthese von funktionellen Proteinen (Na+/K+-ATPase) und Signalstoffen bewirken. Diese Proteine werden als aldosteroninduzierte Proteine (AIPs) bezeichnet. Aldosteron wirkt auch auf andere elektrolyttransportierende Gewebe wie den Darm, Schweiß- und Speicheldrüsen. In nichtepithelialen Geweben hat es zusätzlich Wirkungen. So fördert es im Herzen die Bildung von Bindegewebe, und es wirkt im Gehirn, wo es den Salzappetit steigert. Störungen der Aldosteronproduktion und -ausschüttung haben stets gravierende Folgen. Ein primärer Hyperaldosteronismus kann durch einen hormonproduzierenden Tumor ausgelöst werden und führt zu Morbus Cushing, ein Krankheitsbild, das durch Bluthochdruck, Fettsucht, Vollmondgesicht, Ödeme, Leistungsabfall, Impotenz und Steroiddiabetes gekennzeichnet ist. Vielfach treten diese Symptome auch als Folge einer lang andauernden Cortisontherapie auf. Ursache für Morbus Cushing können auch Störungen der CRH- und ACTH-Produktion sein. Häufiger jedoch tritt der sekundäre Hyperaldosteronismus auf, der Folge einer gesteigerten

Nebennierenhormone

Cortex

Zona glomerulosa

203

Aldosteron

Zona fasciculata Cortisol und Androgene

Zona reticularis

Medulla

Adrenalin und Noradrenalin

Cortex Medulla

7.11 Gewebeschichten der Nebenniere. Die Rinde (Cortex) besteht aus drei Schichten. In der Zona glomerulosa wird das Mineralocorticoid Aldosteron gebildet, in der Zona fasciculata hauptsächlich Corticosteroide und in der Zona reticularis Androgene. Das Nebennierenmark (Medulla) ist blau eingezeichnet. Hier werden die Catecholaminhormone Adrenalin und Noradrenalin gebildet.

Reninausschüttung ist. Häufige Ursache dafür ist eine verengte Nierenarterie (Stenose), die zu einer massiven Erhöhung des Blutdrucks führt. Das Mineralocorticoid Aldosteron wird in der Ein Aldosteronmangel (Hypoaldosteronismus) kann äußersten Rindenschicht gebildet und regudurch Gewebeschädigung, Enzymdefekte oder genetische liert den Wasser- und Elektrolythaushalt des Defekte des Mineralocorticoidrezeptors oder des epithelia- Körpers. Seine überschießende oder mangelhafte Produktion führt zu schweren Stofflen Natriumkanals (ENaC) auftreten. Letzteres Krankheits- wechselstörungen. bild wird als Pseudohypoaldosteronismus bezeichnet.

ä

204

7. Hormonsystem des Menschen

Glucocorticoide

ä

Der wichtigste Vertreter der Glucocorticoide beim Menschen ist das Cortisol. Es wird unter dem Einfluss von ACTH in der Zona fasciculata gebildet, und seine Ausschüttung erfolgt tagesrhythmisch mit einem Maximum in den frühen Morgenstunden. Da auch Stress seine Ausschüttung stimuliert, wird es oft auch als Stresshormon bezeichnet. Außer Cortisol werden in der mittleren Zone der Nebennierenrinde aber auch die Hormone Cortison und Corticosteron produziert. Glucocorticoide steigern Stoffwechselprozesse, in dem sie Energie in Form von Glucose bereitstellen (GluconeoGlucocorticoide, insbesonders Cortisol, werden tagesrhythmisch sezerniert. Sie steigern genese) und den Fett und Eiweißabbau stimulieren. Sie den Energieumsatz, hemmen Enzündungen hemmen Entzündungsvorgänge (antiallergischer Effekt), und supprimieren das Immunsystem. Bei hemmen die Lymphocyten (immunsuppressive Wirkung), Überproduktion oder lang anhaltender wirken antientzündlich auf die Wundheilung, verursachen intensiver Cortisontherapie (Prednisolon) entsteht Morbus Cushing. aber auch Knochenabbau (Osteoporose). Eine Überproduktion von Glucocorticoiden führt ebenfalls zum schon erwähnten Morbus Cushing. Die Erkrankung kann aber auch durch eine zu intensive Cortisontherapie entstehen und wird dann als iatrogenes CushingSyndrom bezeichnet. Neben den schon erwähnten Krankheitszeichen wird die ACTH-Ausschüttung durch negative Rückkopplung gehemmt. Dadurch wird die körpereigene Glucocorticoidproduktion blockiert, und bei einem abrupten Absetzen einer Cortisontherapie droht ein lebensgefährliches Versagen der Nebennierenfunktion. Deshalb muss eine lang dauernde Cortisontherapie über Wochen und Monate schrittweise abgesetzt werden.

Sexualhormone der Nebennierenrinde

ä

Sowohl bei Männern als auch bei Frauen werden in der Nebennierenrinde auch Sexualhormone oder deren Vorstufen produziert. Dies betrifft die männlichen Sexualhormone (Androgene) und die weiblichen Sexualhormone (Östrogene). Das wichtigste hier produzierte Androgen ist Dehydroepiandrosteron (DHEA), das als Hormonvorstufe erst in den jeweiligen Zielzellen in Testosteron oder Östrogene umgewandelt wird. Androgene und Östrogene werden sowohl bei Männern als auch bei Frauen gebildet, allerdings ist die jeweilige Menge geschlechtsspezifisch unterschiedlich. So produziert die Nebennierenrinde bei Männern größere Mengen von Androgenen aber auch geringe Mengen von Östrogenen. Bei Frauen ist es umgekehrt. Wenn sich dieses Verhältnis bei Frauen verändert und es zu einer Überproduktion von Testosteron kommt, führt das zur Vermännlichung (Virilisierung) mit verstärkter Körperbehaarung und Glatzenbildung im Alter. Die Androgene der Nebennierenrinde wirken stark anaDie Nebennierenrinde produziert auch bol und führen insbesondere in der Pubertät zu einem männliche und weibliche Sexualhormone, verstärkten Proteinaufbau. Androgene können zwar theravon denen besonders die Androgene stark anabol wirken und Muskulatur aufbauen. peutisch eingesetzt werden, der Missbrauch synthetischer Bei Missbrauch (anaboles Doping) kommt Anabolika schädigt den Körper jedoch dauerhaft (Leber, es zu einer Virilisierung und schweren bleiFruchtbarkeit) und steht als Hormondoping beim Leisbenden Leberschädigungen. tungssport unter strenger Überwachung.

Nebennierenhormone

205

Hormone des Nebennierenmarks Das Nebennierenmark (Medulla) entspricht hinsichtlich seiner Entwicklung einem sympathischen Anteil des vegetativen Nervensystems. Deshalb bilden seine Zellen Substanzen, die sowohl als Transmitter als auch als Hormone fungieren. Es sind dies die Catecholamine Adrenalin und Noradrenalin. Unter Normalbedingungen werden sie in einer niedrigen Konzentration fortwährend freigesetzt. Ihre hauptsächliche Wirkung zielt auf die Mobilisierung der Stoffwechselenergie unter besonderen Bedingungen, und deshalb wird ihre Ausschüttung unter Stressbedingungen maximal gesteigert. Situationen, die im Körper Stress auslösen, können sowohl psychischer Natur sein als auch auf besonderen physischen Ereignissen beruhen. Dazu gehören Infekte ebenso wie operative Eingriffe oder große körperliche Anstrengungen. Diese Bedingungen setzen im Körper eine zweistufige Stressreaktion in Gang (䉴 Abb. 7.12). Zunächst aktiviert Stress den Hypothalamus, der das Corticotropin-ReleasingHormon (CRH) ausschüttet. Dies führt in der Hypophyse zur Freisetzung von ACTH, das wiederum die Nebennierenrinde und die Ausschüttung von Glucocorticoiden stimuliert. In der zweiten Phase wird dann über das sympathische Nervensystem das Nebennierenmark stimuliert und eine massive Freisetzung der Catecholamine Adrenalin (zu ca. 80%) und Noradrenalin (zu ca. 20%) induziert. Der Blutspiegel dieser Hormone erhöht sich innerhalb von Minuten. Die Folge ist eine breite Wir- Das Nebennierenmark produziert die Catekung auf alle Organe, die die körperliche Leistungsfähigkeit cholamine Adrenalin und Noradrenalin. Sie werden unter Stress freigesetzt und ermögpositiv beeinflussen. Die Herzfrequenz wie auch die Mus- lichen dem Körper Abwehr- und Fluchtkelkontraktionskraft, die Atmung und die Glucosefreiset- reaktionen. Ihre Regulation erfolgt über das zung in der Leber werden gesteigert. Dem Körper wird Hypothalamus-Hypophysen-System und durch diese Maßnahmen eine Alarm- und Fluchtreaktion ACTH. möglich. Bei den Stressfaktoren unterscheidet man zwischen Distress (schlechtem Stress), der aus unbewältigten emotionalen Situationen entstehen kann, und Eustress (positiver Stress), der eine natürliche positive Aktivierung und Leistungssteigerung her-

CRH

Hypothalamus

ACTH

Hypophyse

Cortisol*

Nebennierenrinde

*und andere Glucocorticoide

Rückkopplung auf Hypophyse und Hypothalamus

7.12 Regulation der Ausschüttung von Glucocorticoiden aus der Nebennierenrinde. Aus dem Hypothalamus wird das CorticotropinReleasing-Hormon (CRH) ausgeschieden. Es veranlasst die Adenohypophyse zur Ausschüttung des adrenocorticotropen Hormons (ACTH). Dieses bewirkt in der Nebennierenrinde die Freisetzung von Corticosteroidhormonen wie Cortisol. Dieser Vorgang wird während einer Stressreaktionnoch intensiviert. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

ä

206

7. Hormonsystem des Menschen

vorruft und auch das Immunsystem stärkt. Eustress resultiert aus positiv bewältigten Situationen.

Andere endokrin aktive Gewebe Neben den bisher behandelten klassischen Hormondrüsen gibt es noch weitere hormonproduzierende Organe und Gewebe, die hier nur kurz behandelt werden.

Sexualhormone Die Sexualhormone werden hauptsächlich in den weiblichen (Eierstöcke) und den männlichen Geschlechtsorganen (Hoden) gebildet. Sie werden im Zusammenhang mit der Reproduktion und der Ontogenese des Menschen in Kapitel 14 behandelt.

Hormone des Pankreas

ä

Innerhalb der Bauchspeicheldrüse befinden sich hormonproduzierende Gewebebezirke, die als Langerhans-Inseln bezeichnet werden. Sie enthalten verschiedene Zelltypen, die unterschiedliche Hormone produzieren. Den größten Anteil der Zellmasse stellen die B-Zellen, die das Hormon Insulin ausschütten. Es reguliert im Zusammenspiel mit dem Hormon Glucagon, das in den A-Zellen produziert wird, den Blutzuckerspiegel. In den D-Zellen wird (ebenso wie im Hypothalamus) das Hormon Somatostatin hergestellt, das die Sekretion von Magensaft- und Bauchspeichelsekret sowie die Magenbewegung hemmt. Der Regelkreis des blutzuckersenkenden Hormons Insulin wurde schon in Abbildung 7.3 als allgemeines Beispiel einer Hormonregulation dargestellt. Die zellulären Vorgänge, die in den B-Zellen zur Insulinsekretion führen, sind in Abbildung 7.13 dargestellt. Die Plasmakonzentration von Glucose ist der wichtigste Auslöser der Insulinausschüttung. Glucose wird über einen Carriertransport in die Zelle aufgenommen und glykolytisch abgebaut. Das dabei entstehende ATP hemmt ATP-sensitive K+-Kanäle, die zur Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials notwendig sind. Diese Hemmung bewirkt eine Depolarisation der Zelle, wodurch sich spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen. Dadurch erhöht sich die intrazelluläre Ca2+ -Konzentration, was zu einer Stimulation der Insulinausschüttung führt. Das Insulin wird in den B-Zellen über Proteinsynthese gebildet und in intrazellulären Vesikeln verpackt, deren Inhalt dann durch die Ca2+-StimulaInsulin und sein Gegenspieler Glucagon tion exocytotisch abgeben werden. regulieren den Blutzuckerspiegel. Dabei Die Insulinausschüttung wird durch eine Reihe von spielen die Zellen der Langerhans-Inseln in der Bauchspeicheldrüse eine zentrale Rolle. anderen Faktoren moduliert. So sensibilisieren gastroinEin Insulinmangel oder eine eingeschränkte testinale Hormone wie Gastrin, Sekretin, Cholecystokinin Insulinwirkung führen zu Diabetes mellitus u. a. die Empfindlichkeit der B-Zellen für Glucose und (Typ I oder Typ II). bewirken dadurch eine gesteigerte Insulinsekretion. Eben-

Andere endokrin aktive Gewebe

α 2Rezeptor

M3Rezeptor

+

KKanal

Hyperpolarisation

IP3

Glucose

GLUT2 UniportCarrier Oxidation

orale Antidiabetika vom SH-Typ

ATP

ADP [ Ca2+] i

Zellkern

K

+

KATP -Kanal

Depolarisation

endoplasmatisches Reticulum Golgi

Ca

2+

-Kanal

Synthese Granula B-Zelle des Pankreas

Sekretion

Exocytose

Insulin 7.13 Zellulärer Mechanismus der Insulinsekretion. Der auslösende Reiz ist die Glucoseaufnahme in die B-Zellen und ATP wird synthetisiert, das K+-Kanäle hemmt. Dadurch wird die Zelle depolarisiert, was einen Ca2+-Einstrom auslöst. Es folgt die Exocytose von insulinhaltigen Vesikeln. Dieser Prozess wird durch den Parasympathicus stimuliert, der über muscarinerge M3-Rezeptoren und Inositoltrisphosphat eine intrazelluläre Ca2+-Erhöhung bewirkt. Der Sympathicus wirkt hemmend auf die Insulinsekretion, indem über α-Rezeptoren und GProteine K+-Kanäle aktiviert werden, die eine Hyperpolarisation der Zelle bewirken. Orale Antidiabetika vom Sulfonyl-Harnstoff-(SH-)Typ binden direkt an die ATP-sensitiven K+Kanäle, die daraufhin geschlossen werden. (Verändert nach Klinke, Pape und Silbernagl 2005.)

falls regulierend wirkt das vegetative Nervensystem. Während Acetylcholin die Inselsekretion über M3-Rezeptoren und Inositoltrisphosphat (IP3) stimuliert, hemmt der Sympathikus mit Noradrenalin über α-Rezeptoren die Insulinausschüttung, indem K+-Kanäle aktiviert werden und die Zelle hyperpolarisiert. Das in den benachbarten D-Zellen hergestellte Somatotropin hemmt die Insulinausschüttung ebenso wie Glucagon. Ein absoluter oder relativer Insulinmangel führt zur Zuckerkrankheit (Diabetes mellitus). Dabei ist ein absoluter Insulinmangel die Folge einer Autoimmunerkrankung, die zur Zerstörung der B-Zellen führt. Es entwickelt sich der Diabetes mellitus Typ I, bei dem die Patienten auf die Zufuhr von Insulin angewiesen sind. Viel häufiger tritt jedoch ein relativer Insulinmangel auf, der zum Diabetes mellitus Typ II führt. Hier ist im Körper ausreichend Insulin vorhanden, die Insulinkonzentration im Blut sogar oft erhöht. Die Krankheit entsteht durch die Unempfindlichkeit der Ziel-

207

208

7. Hormonsystem des Menschen

Tabelle 7.2

Weitere Hormone des Körpers.

Hormon

Bildungsort

Wirkung Stimulation

Hemmung

Gastrin

HG-Zellen der Magen- HCl (Magensaft), schleimhaut Gallensekretion, Pankreassekretion, Magenmotilität

Cholecystokinin

Dünndarmschleimhaut

Pankreassekretion, Magenmotilität Gallenblasenkontraktion, Darmmotilität

Sekretin

Dünndarmschleimhaut

Gallensekretion, Magenmotilität, Pankreassekretion (HCO3) Magensekretion

Somatostatin

Verdauungstrakt, Gallensekretion, D-Zellen im Pankreas, Pankreassekretion Inhibiting-Hormon des Hypothalamus

vasoaktives intes- enterische Neurone tinales Peptid

Magenmotilität, Magensekretion

Magenmotilität, Magensekretion

Renin

juxtaglomerulärer Apparat

Renin-AngiotensinAldosteron-System

Erythropoetin

Niere, Leber

Erythropoese

ANP (atriales natriuretisches Peptid)

myoendokrine Zellen Arteriolenquerder Herzvorhöfe schnitt, glomeruläre Filtration, Wasser u. Salzexkretion

Histamin

Mastzellen, ferner Neurotransmitter im Hypothalamus, Wirkung über H1oder H2-Rezeptoren

Magensekretion (H2), Herzfrequenz (H2), glatte Muskulatur (H1), Kapillarpermeabilität (H1)

Serotonin

Darmschleimhaut, Thrombocyten, Granulocyten, Neurotransmitter im ZNS

erweitert Blutgefäße in Skelettmuskulatur, Herzfrequenz, Schlagkraft

Prostaglandine

im ganzen Körper, mehrere Subtypen

Entzündungen, Schmerzen, Fieber

Leptin

Fettgewebe

Ghrelin

Magenschleimhaut

Appetit, Magenmotilität, Magensekretion

Insulin

B-Zellen des Pankreas

Glykogensynthese, Gluconeogenese, Glucoseaufnahme in Zel- Fettabbau len, Blutzuckersenkung, Fett- und Proteinaufbau

Glucagon

A-Zellen des Pankreas

Gluconeogenese, Glykogenabbau, Fett- und Proteinabbau

Renin, Angiotensin, Aldosteron, ADH

verengt Blutgefäße in Lunge, Niere, Tonus der Darmmuskulatur und Bronchien

Appetit, Energieumsatz

Andere endokrin aktive Gewebe

organe gegenüber dem Hormon. Häufig ist die Empfindlichkeit der Rezeptoren als Reaktion auf die dauerhaft erhöhte Insulinkonzentration reduziert, oder es treten genetische Defekte der Rezeptoren oder der zellulären Signaltransduktion auf. Therapeutisch kann man die Insulinausschüttung auch durch pharmakologische Hemmung des K+-Kanals erreichen. Dazu werden Sulfonylharnstoffe eingesetzt (䉴 Abb. 7.13), die als orale Antidiabetika bezeichnet werden. In einem neueren Therapieverfahren werden Inselzellen in geeignete Patienten transplantiert.

Hormone des Darmtrakts In den einzelnen Geweben der Darmabschnitte oder der akzessorischen Darmorgane (z. B. Leber, Gallenblase) wird eine Vielzahl von enterischen Hormonen gebildet, die in Tabelle 7.2 aufgeführt sind. Ihre Funktion wird in Kapitel 12 im Detail behandelt.

Hormone des Fettgewebes Das Fettgewebe dient nicht nur zur Energiespeicherung, sondern produziert einige Hormone, die den Energieumsatz, das Körpergewicht, die Blutgerinnung und den Leber Glc

Glykolyse

Glc

Glc

Pr

Pr

Fettgewebe

TG

As Glk Fs

Pr

KK

As Glk Fs

TG

As Glk Fs

Pr

Pr Glc Muskulatur

Glucagon

Pr Glykolyse

Glc

Catecholamine

Glc KK

As Glk Fs

TG

Lactat

Insulin

TG Pr

KK

Pr

Pr

TG Glykolyse

Cortisol

As Glk Fs

Pr Glykolyse

TG Glykolyse

Somatotropin

KK

As Glk Fs

Pr Glykolyse

TG Glykolyse

T3 , T4

7.14 Die Wirkung verschiedener Hormone auf den Energiestoffwechsel und den Umsatz von Substraten im Körper. As, Aminosäuren; Fs, freie Fettsäuren; Glc, Glucose; Glk, Glykogen; KK, Ketonkörper; Pr, Proteine; TG, Triglyceride. Die Pfeile bezeichnen einen gesteigerten, die unterbrochenen Pfeile einen verminderten Substratumsatz. (Verändert nach Schmidt, Lang und Thews 2005.)

209

210

7. Hormonsystem des Menschen

Gefäßtonus beeinflussen. Einige dieser Hormone sind in Tabelle 7.2 aufgeführt. Hervorzuheben ist das Sättigungshormon Leptin, das über das ZNS die Nahrungsaufnahme reguliert. Es steht im Gegensatz zu dem Hungerhormon Ghrelin, das in der Magenschleimhaut produziert wird. Leptin erhöht außerdem den peripheren Blutdruck und hemmt die Insulinsekretion im Pankreas. In Abbildung 7.14 ist die Wirkung verschiedener Hormone auf den Energiestoffwechsel und die Umsetzung der energieliefernden Substrate dargestellt. Sie zeigt, dass eine Vielzahl von Hormonen neben ihren eigentlichen organspezifischen Wirkungen auch einen starken Einfluss auf den Energieumsatz in Leber, Muskel und Fettgewebe haben.

?

Klausurfragen

1. Welche Arten von Hormonen gibt es, und nach welchen Kriterien werden sie eingeteilt? 2. In welchen Organen werden im Körper welche Hormone gebildet? 3. Welche generellen Unterschiede gibt es bezüglich der Interaktion von Hormonen mit ihren Rezeptoren und deren zellulärer Lokalisation? 4. Über welche Mechanismen werden Wachstum und Größe der Hormondrüsen reguliert? 5. Was versteht man unter der Hierarchie der Hormonausschüttung? 6. Welche Hormone werden im Hypothalamus-Hypophysen-System gebildet? 7. Was bewirken die Hormone der Epiphyse? 8. Erklären Sie den Ablauf der Biosynthese der Schilddrüsenhormone. 9. Welche Hormone werden in der Nebenschilddrüse gebildet, und welche Funktion haben sie? 10. Welche Hormone werden in den verschiedenen Gewebeschichten der Nebenniere gebildet, und welche Funktion haben sie?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 8

Haut

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über den Aufbau und die Funktion der menschlichen Haut sowie Hautkrankheiten und ihre Therapie, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Aufgaben der menschlichen Haut. Aufbau der einzelnen Hautschichten. Hautanhangsgebilde. Hautdrüsen. Auslöser von Hautkrankheiten und Behandlung von Dermatosen.

Aufgaben der Haut Die Haut besteht aus vielen verschiedenen Zellen und Gewebeschichten und ist ein Organ des Körpers. Mit einer Fläche von bis zu 2 m2 und einem Gewicht von mehreren Kilogramm ist sie das größte Organ des Körpers. Die Haut bildet eine Grenzschicht zur Außenwelt, schützt den Körper vor schädlichen Einwirkungen und ist deshalb ein Teil des Immunsystems. Mit ihren Sinnesrezeptoren fungiert sie auch als wichtiges Sinnesorgan. Durch ihre Funktion als Fettspeicher, ihre Rolle bei der Vitaminsynthese und ihren Pigmentstoffwechsel ist sie

212

ä

8. Haut

Die Haut ist Teil des Immunsystems, fungiert als Sinnesorgan und erbringt wichtige Stoffwechselleistungen. Außerdem ist sie an der Regulation der Körpertemperatur und des Wasserhaushaltes beteiligt.

auch ein unentbehrliches Stoffwechselorgan. Über die Abgabe von Schweiß reguliert die Haut auch die Körpertemperatur und den Wasserhaushalt.

Aufbau der menschlichen Haut Die menschliche Haut besteht aus drei Schichten, der äußeren Oberhaut (Epidermis), der Lederhaut (Corium) und der Unterhaut (Subcutis). Die beiden äußeren Schichten, Epidermis und Corium, werden auch zur Cutis zusammengefasst. Außerdem unterscheidet man Felderhaut und Leistenhaut. Bei der Felderhaut bilden die Bindegewebspapillen der Lederhaut Gruppen, sodass die Hautoberfläche optisch in Felder eingeteilt erscheint. In der Felderhaut befinden sich auch Haare sowie Schweiß- und Talgdrüsen. Die Leistenhaut hat dagegen kammartige Bindegewebspapillen, die die Hautoberfläche scheinbar in Leisten unterteilt. Sie findet sich an den Handflächen und Fußsohlen und besitzt keine Haare oder Talgdrüsen, sondern nur Schweißdrüsen.

Oberhaut (Epidermis) Die unmittelbar zur Außenwelt grenzende Oberhaut besteht aus mehreren Zellschichten und verschiedenen Zelltypen.

Hautschichten

ä

Die Oberhaut besteht aus Keratinocyten, die sich zu einem verhornten mehrschichtigen Plattenepithel anordnen. Sie enthält keine Blutgefäße und kann mehrere Millimeter dick sein. Die Keratinocyten produzieren das hornbildende Protein Keratin, das der Haut Schutz und Festigkeit bietet und wasserabweisend ist. Die Keratinocyten ordnen sich in fünf übereinander liegenden Schichten an (䉴 Abb. 8.1). Ganz außen liegt die Hornschicht (Stratum corneum), die aus flachen kernlosen Keratinocyten besteht, die sich ständig nach außen ablösen und von unten ersetzt werden. Zwischen ihnen liegt ein Fettfilm, der den Körper vor Verdunstung schützt. Die Glanzschicht (Stratum lucidum) darunter findet sich nur an den Fußsohlen und im Handteller. Sie besteht aus sehr flachen belastbaren Zellen. Die Körnerschicht (Stratum granulosum) besteht ebenfalls aus flachen Zellen, die Hyalin zur Hornbildung enthalten. Außerdem enthält diese Schicht ölartige Substanzen. Die Stachelzellschicht (Stratum spinosum) besteht aus pigmenthaltigen Zellen (Melanocyten) mit stacheligen Ausläufern, die Die menschliche Haut besteht aus der Oberhaut (Epidermis), der Lederhaut (Corium) diese Schicht gerüstartig stabilisieren. Ganz innen in der und der Unterhaut (Subcutis). Diese drei Oberhaut liegt die Basalzellschicht (Stratum basale), die Schichten sind jeweils noch in weitere Zellsehr teilungsfähig ist und ständig neue Zellen bildet, die schichten untergliedert. nach oben in die anderen Schichten einwandern. In der

Aufbau der menschlichen Haut

213

Hautlinien

Oberhaut (Epidermis) Stratum corneum Stratum lucidum Stratum granulosum + Stratum spinosum + Stratum basale Lederhaut (Corium) Stratum papillare Stratum reticulare

Schweißdrüsengänge kammförmige dermale Papillen Kapillarschlinge der Lederhautpapille

8.1 Aufbau der menschlichen Haut. Dargestellt ist ein Bereich der unbehaarten Haut (Leistenhaut). Epidermis und Corium unterteilen sich in mehrere Schichten. Die darunter liegende Subcutis ist nicht gezeigt. Die Hautlinien unterteilen die Hautoberfläche in Leisten, auf denen die Ausführungsgänge der Schweißdrüsen münden. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Basalzellschicht sitzen auch berührungsempfindliche Sinnesorgane (Merkel-Tastscheiben; 䉴 Kap. 6). Ebenso wie in der Stachelzellschicht finden sich hier Melanocyten, die das Hautpigment Melanin produzieren, das die Haut vor UV-Strahlung schützt und braun erscheinen lässt.

Verhornung der Haut Die in der Basalschicht neu gebildeten Zellen wandern im Zeitraum von etwa zwei Wochen durch alle Schichten der Oberhaut an die Außenfläche. Während dieser Zeit verhornen sie; Cytoplasma, Zellkern und Organellen sterben ab und werden durch das Protein Keratin ersetzt. An der Oberfläche schützen die verhornten Zellen die Haut, geben ihr Stabilität und machen sie wasserabweisend. Ist die Verhornung gestört, entsteht Schuppenflechte (Psoriasis), an der etwa 5% der Bevölkerung leiden. An Knien, Ellbogen aber auch an anderen Hautbezirken kommt es zu weißlich schuppenden, oft geröteten und entzündeten Hautveränderungen, die stark jucken. Ursache dafür ist eine Autoimmunerkrankung, die bisher nur symptomatisch durch Cortisonsalben, UV-Licht und hornauflösende Substanzen behandelt werden kann.

Hautfarbe Das von den Melanocyten der Epidermis gebildete Hautpigment Melanin bestimmt zusammen mit dem Pigment Carotin, das in Leder- und Unterhaut gebildet wird, die Farbe der Haut. Außerdem wird die Hautfarbe von der Durchblutung der Hautkapillaren beeinflusst, was sich in z. B. rosigen Wangen oder blassem Gesicht zeigen kann. Die Zahl der Melanocyten pro Hautfläche ist bei allen Menschen

Bei der Verhornung stirbt das Zellinnere ab und wird durch Keratin ersetzt. Ist dieser Prozess gestört, entsteht die Schuppenflechte. Die Hautfarbe wird durch die Pigmente Melanin und Carotin bestimmt.

ä

214

8. Haut

etwa gleich; eine schwarze, gelbe oder weiße Hautfarbe resultiert aus der von den Melanocyten produzierten Menge an Melanin. Bei Albinismus wird in der Haut kein Melanin gebildet und die Menschen haben eine blasse Haut und sind extrem lichtempfindlich. Diese erbliche Hautveränderung beruht auf einem Enzymdefekt in den Melanocyten. Das Pigment fehlt deshalb nicht nur in der Haut, sondern auch in den Haaren und in der Regenbogenhaut des Auges. Albinos erkranken aufgrund des fehlenden Lichtschutzes besonders oft an Hauttumoren.

Lederhaut Unter der Oberhaut liegt die bindegewebige Lederhaut (Corium), die der Haut Elastizität aber auch Reißfestigkeit gibt. Sie ist besonders dick an stark beanspruchten Hautflächen, z. B. an der Hand und auf den Fußsohlen. Die Lederhaut besteht aus zwei Schichten. Oben liegt die Papillarschicht (Stratum papillare), die aus feinem Bindegewebe besteht und mit dermalen Papillen in die Oberhaut reicht. In ihnen verlaufen die Hautkapillaren und sie enthalten auch Mechanosensoren (Meissner-Körperchen). Die dermalen Papillen führen durch ihre erhöhte Struktur auf der Oberhaut zu den Hautlinien (䉴 Abb. 8.1). Nach innen liegt die Geflechtschicht (Stratum reticulare), die aus festem Bindegewebe aufgebaut ist. Zwischen ihren kollagenen, elastischen Fasern sind Blutgefäße, Fettgewebe, Nerven, Haarfollikel und die Gänge von Talg- und Schweißdrüsen eingelagert.

Unterhaut Die unterste Hautschicht wird als Unterhaut (Subcutis) bezeichnet und grenzt an die Muskeln und Knochen. Sie besteht aus lockerem Bindegewebe und enthält die unteren Abschnitte der Haarbälge, die Schweißdrüsen sowie größere Blutgefäße und Nerven. In ihr liegen auch die Pacini-Tastkörperchen. Als Kälteschutz, mechanischer Puffer und Energiespeicher ist in die Unterhaut auch das subcutane Fettgewebe eingelagert, das geschlechts- und körperspezifisch unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Die Unterhaut ist eine bevorzugte Injektionsstelle für Substanzen, die nur langsam resorbiert werden sollen. So werden Insulin und der Gerinnungshemmer Heparin subcutan bevorzugt in dickere Bereiche der Unterhaut injiziert, die sich in der Nabelgegend oder an Oberschenkel und Oberarme befinden. Bei Allergien wendet man intracutane Injektionen an, bei intravenösen oder intramuskulären Injektionen wird die Haut dagegen vollständig durchstochen.

Hautanhangsgebilde Als Hautanhangsgebilde bezeichnet man Haare, Nägel und Hautdrüsen, also Strukturen, die den Oberhautbereich durchqueren und auf der Oberfläche nach außen münden.

Hautanhangsgebilde

215

Mark Rinde Epidermis Tastkörperchen

Dermis Schweißdrüsengang

Talgdrüse Haarbalgmuskel

Schweißdrüse

Hautnerv

Wurzelschaft Dermispapille

Blutgefäß

8.2 Aufbau der behaarten menschlichen Haut. Der Haarbalg wird durch die Dermispapille versorgt. Durch den Haarbalgmuskel kann das Haar aufgestellt werden. Im Haarbalg münden auch Talgdrüsen, während die Schweißdrüsen ihren eigenen Ausführungsgang haben. In diesem Hautbereich liegen auch Nerven und Tastkörperchen.

Haare Die Haare (Pili) schützen den Körper vor Sonneneinstrahlung, Kälte und mechanischer Belastung. Abhängig vom Lebensalter unterscheidet man zwischen Flaumhaaren (Lanugo) beim Fötus, Wollhaaren (Vellus) beim Kind und den Terminalhaaren beim Erwachsenen. Haare bestehen aus einem Haarschaft und einer Haarwurzel, die bis in die Unterhaut reicht. Der Aufbau eines Haares ist in Abbildung 8.2 dargestellt. Die Haarwurzeln werden vom Haarfollikel umgeben, der aus zwei epidermalen Zelllagen, dem externen und internen Wurzelblatt, besteht. Beide umgibt wiederum die bindegewebige Wurzelscheide des Haarbalgs. Um die Haarfollikel befinden sich sehr empfindliche Nerven, die auch leichte Haarbewegungen registrieren. Jedes Haar besitzt eine Talgdrüse, deren Ausführungsgang am Haarschaft mündet. Am Ende des Haares befindet sich der zwiebelförmige Bulbus, in dem die blutgefäßreiche Haarpapille mündet. Im Bulbus werden aus der Matrix ständig neue Haarzellen gebildet. Jeder Haarfollikel hat außerdem ein Bündel glatter Muskelzellen (M. arrector pili), bei dessen Kontraktion sich das Haar bei Kälte senkrecht aufrichtet (Gänsehaut). Die Haarfarbe wird vom Melanin in den verhornten Haarzellen bestimmt. Wird mit zunehmendem Alter weniger Melanin Nägel und Drüsen werden als Hautproduziert, ergrauen die Haare. Haare wachsen etwa Haare, anhangsbebilde bezeichnet. An jedem Haar 0,5 mm pro Tag, und ein Erwachsener verliert jeden Tag ca. befindet sich eine Talgdrüse. 100 Haare.

Nägel Nägel bestehen aus harten verhornten Zellen, die dicht gepackt die Nagelplatte bilden, die am Ende der Extremitäten das Greifen erleichtert und Verletzungen der Zehen- und Fingerenden vorbeugt. Die Nagelplatte schiebt sich aus dem Nagelbett

ä

216

8. Haut

a ekkrine Schweißdrüse

b Dekubitus

c Fingernagel (Längsschnitt)

d Fingernagel (Aufsicht)

Matrix Cuticula Nagelbett

Nagelplatte

Pore

Lunula Nagelfalz

gewundener Gang Fingerendglied

e Zahn (Querschnitt) gerader Gang Zahnbein (Dentin) Zahnmark (Pulpa)

geknäulter Gang

Zahnschmelz (Enamelum) Zahnfleisch (Gingiva) Haltefasern

geknäulte Schweißdrüse

Kieferknochen

Wurzelzement (Cementum)

8.3 Einige Hautanhangsgebilde. a) Aufbau einer ekkrinen Schweißdrüse. b) Problemstellen beim Dekubitus. c) Längsschnitt der Fingerkuppe. d) Aufsicht auf einen Fingernagel. e) Querschnitt durch einen Zahn.

(䉴 Abb. 8.3c) nach vorn und wächst pro Woche bis zu 1 mm. Dabei wandeln sich die Oberflächenzellen der Nagelmatrix in die verhornten, abgestorbenen Zellen des Nagels um. Die Nagelmatrix entspricht der Basalzellschicht der Haut. Unterhalb des Nagels liegt das Nagelbett, oberhalb, am Beginn des Nagels, das funktionslose Nagelhäutchen (Cuticula). Wegen des gut durchbluteten Nagelbetts erscheint der Nagel bis auf einen weißlichen Halbmond (Lunula) rosafarben (䉴 Abb. 8.3d). Eine blaue oder blässliche Nagelfarbe deutet auf kalte Extremitäten oder auf eine mangelhafte Sauerstoffversorgung des Organismus hin. An den Rändern des Nagels liegt der Nagelfalz, an dem Bakterien leicht in das Gewebe eindringen und eine Nagelbettentzündung (Panaritium) verursachen können.

Zähne Zähne entstehen aus einer Verdickung des Mundhöhlenepithels in der bogenförmigen Zahnleiste des Kiefers. Sie sind modifizierte Teile des Hautskeletts, die zu Hartgebilden mit basaler Knochenmasse heranwachsen (䉴 Abb. 8.3e).

Hautdrüsen Allgemein unterteilt man Drüsen in verschiedene Grundtypen. Bei holokrinen Drüsen wird der gesamte Zellinhalt in das Sekret umgewandelt und die Zelle zer-

Hautanhangsgebilde

fällt anschließend. Bei merokrinen Drüsen wird das Sekret aus der intakten Zelle ausgeschleust. Die Sekretion von großen Tropfen bezeichnet man als apokrine Sekretion, die Sekretion vieler kleiner wässriger Sekrettropfen als ekkrine Sekretion (䉴 Abb. 8.3a). Bei den Hautdrüsen des Menschen unterscheidet man Schweißdrüsen, Talgdrüsen und Duftdrüsen. Auch die Milchdrüse der weiblichen Brust gehört zu den Drüsen, wird aber in Kapitel 14 behandelt.

Schweißdrüsen Schweißdrüsen sind ekkrine Drüsen, die sich mit Ausnahme von Lippen, Teilen der Geschlechtsorgane und Trommelfell über die ganze Körperoberfläche verteilen. Ihre Ausführungsgänge (䉴 Abb. 8.2) münden unabhängig von den Haarbälgen in einer Hautpore an die Oberfläche. Ihre größte Dichte haben die Schweißdrüsen auf den Flächen der Fußsohle und Handteller. Der Schweiß besteht aus einer wässrigen Mischung von Elektrolyten, Harnsäuren, Harnstoff, Ammoniak, Aminosäuren, Zuckern und Milchsäure. Der niedrige pH-Wert von 4,5 reguliert den Säureschutzmantel der Haut, der bakterizid wirkt. Neben der Ausscheidung von Stoffwechselendprodukten reguliert der Schweiß über Verdunstung auch die Körpertemperatur.

Talgdrüsen Die Talgdrüsen münden in den Haarfollikeln (䉴 Abb. 8.2). Nur einige spezielle unbehaarte Hautbereiche wie Lippen, Penis, Schamlippen und Augenlider enthalten Talgdrüsen, die ohne Haarbalg an die Oberfläche münden. Keine Talgdrüsen gibt es an Fußsohle und Handteller. Talgdrüsen produzieren eine Mischung aus Fetten, Proteinen und Wasser, die das Haar vor Austrocknung schützt und die Haut geschmeidig macht. Im Gehörgang gibt es spezielle Talgdrüsen, die das Ohrenschmalz (Zerumen) produzieren. Es dient zur Reinigung des Gehörgangs, indem es Schmutzpartikel bindet und nach außen transportiert. Wird es zu fest, bildet sich ein Pfropf, der den Gehörgang verschließt und die Hörfähigkeit mindert. In der Pubertät wird durch die gesteigerte Produktion der Geschlechtshormone bei Mädchen und Jungen gleichermaßen die Produktion der Talgdrüsen angeregt. Die vermehrte Fettproduktion führt bei verstopften Ausführungsgängen zu Entzündungen im Bereich der Haarwurzeln, die zunächst zu Mitessern führen. Durch Bakterienbefall entstehen aus ihnen Pickel und Akne, die nach Abheilen Narben hinterlassen. Die Behandlung mit Vitaminen, Reinigungsmitteln, Hormonpräparaten und in schweren Fällen Antibiotika zieht sich über Wochen hin.

Duftdrüsen Die apokrinen Duftdrüsen finden sich im Genitalbereich, den Achselhöhlen und an den Brustwarzen. Ihr Duftsekret verursacht zusammen mit dem Schweiß den individuellen Körpergeruch. Die Regulation der Duftsekretion ist stark von psychischen Faktoren abhängig.

217

218

8. Haut

Hauterkrankungen

ä

Hauterkrankungen werden als Dermatosen bezeichnet. Sie können als eigenständiges Krankheitsbild z. B. bei Hautinfektionen auftreten oder auch als Begleitsymptomatik bei systemischen Erkrankungen des ganzen Körpers. Tabelle 8.1 gibt eine Übersicht über einige wichtige Hauterkrankungen, deren Ursache, Symptome und Behandlung. Bei der Entstehung von Hauterkrankungen spielen neben den eigentlichen Krankheitserregern auch viele andere Faktoren eine Rolle wie erbliche Disposition, Geschlechtsspezifität, Alter oder auch vorübergehende Episoden wie eine Schwangerschaft. Auch psychische Faktoren haben einen großen Einfluss auf die Haut. Wirkt z. B. bei langem Liegen ein andauernder Druck auf die Haut, werden die hautversorgenden Blutgefäße komprimiert, und es kommt zu Durchblutungsstörungen. Eine Sauerstoffmangelversorgung führt zu Hautrötungen und später zu massiven Hautinfekten, die bis auf die Muskeln und Knochen reichen können. Besonders bettlägerige Menschen sind von diesem Dekubitus (䉴 Abb. 8.3b) gefährdet und müssen deshalb regelmäßig umgelagert werden. Als Hauttumor werden alle von Hautzellen ausgehenden Wucherungen bezeichnet. Unter die gutartigen Hauttumoren fallen die Stielwarze (Fibrom), gutartige Leberflecke (Naevi), Gefäßveränderungen (Teleangiektasen und Angiome) sowie die Grützbeutel (Atherome). Zu den bösHauterkrankungen (Dermatosen) können artigen Hautumoren gehören Basaliome und Melanome. als eigenständiges Krankheitsbild oder auch Basaliome wachsen langsam und bilden keine Metastasen. als Ausdruck einer systemischen Erkrankung auftreten. Bei ihrer Entstehung spielen Sie lassen sich deshalb meist gut chirurgisch entfernen. neben infektiösen Erregern oft auch viele Dagegen ist der schwarze Hautkrebs (malignes Melaandere Faktoren wie Psyche und Ernährung nom), der durch entartete Melanocyten entsteht, ein oder UV-Strahlung eine Rolle. äußerst aggressiver Hauttumor, der wegen seiner massiven Metastasenbildung möglichst frühzeitig entfernt werden muss.Viele Hautveränderungen lassen sich durch Schutz vor zu starker Sonneneinwirkung (UV-Strahlung) vermeiden.

Therapie der Hauterkrankungen Die Therapie von Hauterkrankungen kann über eine Lokaltherapie von außen durch Gabe von Salben, Tinkturen, Cremes, Puder oder Pasten erfolgen, die geeignete Wirkstoffe enthalten. Gleichzeitig kann auch eine systemische Therapie erfolgen, indem Medikamente wie Cortison oral oder durch Injektion zugeführt werden und die Haut über die Blutzirkulation erreichen.

Therapie der Hauterkrankungen

Tabelle 8.1

Übersicht einiger Hautkrankheiten und deren Behandlung.

Krankheitsbezeichnung

Auslöser

Hautareal

Symptomatik Behandlung

Dermatitis

toxisch

Ammoniak aus Urin

Gesäß, Geschlechtsorgane, Leistengegend

Windeldermatitis

allergisch

z.B. Nickel

Nasenrücken, KontaktHände ekzem

Allergenkarenz, Cortisonsalbe

Gelenkbeugen, Gesicht, Hals, Nacken, Brust

fettende Salben, Cortison, UV-Licht, Klimakuren

Neurodermatitis (atopische AutoimmunDermatitis) erkrankung

Rötung, Nässen, Schuppen, chron. Juckreiz

Zinkoxidpaste mit Paraffinöl

bakterielle Erisypel Haut(Wundrose) infektionen

Streptokokken Gesicht, in Hautriss Zehenzwischenräume

flächige rote hoch dosierte Hautinfektion Antibiotika

Phlegmone

Staphylokok- Finger, Sehken, Strepto- nenscheide kokken

Entzündung in Gewebespalten

Antibiotika

Follikulitis

Staphylokokken

Furunkel, Abszess

Antibiotika

Impetigo

Staphylokok- Gesicht, Kopf Eiter- und ken, StreptoPustelkokken flechte

Antibiotika

Herpes

Herpes-Viren

Oberkörper

Gürtelrose

Aciclovir

Windpocken

Varicellazoster-Virus (VZV)

gesamter Körper

Fieber, rote meist nur aufbrechende symptoPusteln matisch, ggf. Aciclovir

Warzen

PapillomaVirus

spezielle Warzentypen befallen spezifische Körperbereiche

Hautauswüchse in verschiedenen Formen

Fadenpilze

feuchte Hautareale

scharf beAntimykotika grenzte, röt- (z.B. Clotrilich schupmazol) pende Herde, Juckreiz

virale Hautinfektionen

Pilzinfektionen (Dermatomykosen)

Sprosspilze (Hefen)

Haarbalg

Zytostatika, Immunisierung, chirurgische Entfernung

219

220

? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

8. Haut

Klausurfragen Aus welchen drei Schichten besteht die menschliche Haut? Aus wie vielen Schichten besteht die Oberhaut, und welche Zelltypen findet man in ihnen? Beschreiben Sie die Entwicklung einer Keratinose. Was sind Hautanhangsgebilde? Welche Drüsentypen findet man in der menschlichen Haut? Beschreiben Sie den Unterschied zwischen apokrin und ekkrin. Aus welchem Hautzelltyp entsteht ein Basaliom und aus welchem ein malignes Melanom? Wodurch bildet sich eine Gürtelrose, und wie kann man sie behandeln? Was ist eine Wundrose, und wodurch entsteht sie? Was ist der Unterschied zwischen holokrinen und merokrinen Drüsen?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 9

Funktion von Blut und Immunsystem

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über die Zusammensetzung des menschlichen Blutes und seine Aufgaben, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Verhältnis von korpuskulären und gelösten Bestandteilen des Blutes. Entwicklung der Blutzellen. Histologische und funktionelle Unterschiede der einzelnen Blutzellen. Blutgruppen des Menschen, ihre Vererbung und prozentuale Verteilung in Mitteleuropa. Mechanismen von Blutstillung und Blutgerinnung. Aufbau des Immunsystems und funktionelle Unterschiede der Lymphocyten. Zusammensetzung von Serum und Blutplasma.

Aufgaben und Zusammensetzung des Blutes Der Mensch benötigt wie alle mehrzelligen Organismen ein Transportsystem für Nahrungs- und Exkretionsstoffe, und er nutzt dafür das Kreislaufsystem mit Blut als

222

9. Funktion von Blut und Immunsystem

1

c Albumin Globuline β

α α1 2

0,5 B

A

γ

+

d 0 a

b

Hämatokrit = B A 9.1 Bestimmung des Hämatokrits und der Blutproteine. a) Zentrifugenröhrchen mit ungerinnbar gemachter Blutprobe. b) Röhrchen nach Zentrifugation. Der Hämatokrit berechnet sich aus dem Quotienten B/A. Der graue Anteil im Röhrchen kennzeichnet das Blutplasma. c) Western-Blot der Blutproteine, die sich nach Zentrifugation in der Grenzschicht über den geformten Bestandteilen befinden. A, Gesamtvolumen der Probe; B, geformte Blutbestandteile (überwiegend Erythrocyten). (Verändert nach Silbernagl und Despopoulos 2007.)

ä

Transportmedium. Das Blut strömt durch die feinen Kapillaren in alle Organe und Gewebe und transportiert neben den Nährstoffen auch die Atemgase O2 und CO2 sowie Signalstoffe (Hormone). Blut dient als Transport-, Speicher- und Kommunikationsmedium. Neben diesen Eigenschaften haben die Bestandteile des Blutes auch Abwehrfunktionen und stellen einen wichtigen Teil des Immunsystems dar. Schließlich verhindert das Blutgerinnungssystem einen Blutverlust bei Verletzungen der Gefäßwand. Das Blut besteht aus der wässrigen Phase (Blutplasma) mit den darin gelösten Stoffen, zu denen die Atemgase (O2, CO2), Elektrolyte, Blutproteine mit daran gebundenen Signal- oder AbwehrstofBlut hat vielfältige Aufgaben (Transport, fen gehören, und aus den Blutzellen, den Erythrocyten Speicherung, Kommunikation und Abwehr). (rote Blutkörperchen), Leukocyten und Lymphocyten Es besteht aus dem Blutplasma und verschiedenen spezialisierten Blutzellen. (weiße Blutkörperchen) und den Thrombocyten (Blutplättchen). Beim erwachsenen Menschen beträgt das Blutvolumen etwa 4,5 l (Männer) bzw. 3,6 l (Frauen) und entspricht damit etwa 6–8% der fettfreien Körpermasse. Dabei nimmt der Volumenanteil der Blutzellen nur etwa knapp die Hälfte des Gesamtvolumens ein. Er wird als Hämatokrit bezeichnet und liegt bei Frauen zwischen 0,37 und 0,47 und bei Männern zwischen 0,40 und 0,54 (䉴 Abb. 9.1). Für eine störungsfreie Zirkulation des Blutes ist dieser Normbereich wichtig, da sonst die Blutviskosität ansteigt und die Blutzellen den Strömungswiderstand massiv erhöhen. Das führt zu einer Mehrbelastung des Herzens und einer verminderten O2-Versorgung der Organe.

Erythrocyten (rote Blutkörperchen)

Erythrocyten (rote Blutkörperchen) Bildung, Form und Lebensdauer Erythrocyten stellen den größten Anteil (ca. 99%) der Blutzellen, beim Mann sind es etwa 5 Mio. Zellen pro μl und bei der Frau etwa 4,5 Mio. Die Zellen haben eine flache bikonkave Diskusform mit einem Durchmesser von ca. 6 μm und sind an den beiden Seiten leicht eingedellt, weil der Kern fehlt. Die Erythrocyten werden wie alle Blutzellen im hämatopoetischen Gewebe (Knochenmark) aus pluripotenten Stammzellen gebildet. Diese entwickeln sich über verschiedene Differenzierungsschritte zu hämopoetischen Vorläuferzellen, die sich unter dem Einfluss verschiedener Faktoren zu Blutzellen ausdifferenzieren. Im Falle der Erythrocyten verläuft dieser Weg über erythroide Vorläuferzellen (䉴 Abb. 9.2), die als Reticuloblasten bezeichnet werden. Sie entwickeln sich unter dem Einfluss des aus Leber und Niere stammenden Hormons Erythropoetin (䉴 Abb. 9.3). Dabei sind wichtige Cofaktoren das Vitamin B12 (Cobalamin), Folsäure und Eisen, das leicht verfügbar sein muss. Stehen diese Faktoren nicht in ausreichender Menge zur Verfügung, entwickelt sich eine Blutarmut (Anämie). Die Ursachen dafür können in anderen

Knochenmark und Lymphsystem Stammzelle Thymus erythroide Vorläuferzelle

T-Lymphocyten

B-Lymphocyten

myeloide Vorläuferzelle Megakaryocyt

lymphoides Gewebe

Erythrocyten eosinophile

Mastzellen Monocyten B-Zellen T-Zellen neutrophile dendritische Zellen Thrombocyten basophile Blutgefäß Granulocyten

Gewebemakrophagen

Mastzellen z.B. Langerhans-Zelle 9.2

Gewebe

Entwicklung der verschiedenen Blutzellen aus den Stammzellen des Knochenmarks.

223

224

9. Funktion von Blut und Immunsystem

O2 - Überschuss _ Niere

Knochenmark Überprüfung 90 %

Milz

+ Erythropoetin

O2 - Mangel

Leber

10 %

Lebensdauer 120 Tage

Bildung

Abbau

9.3 Bildung und Abbau der Erythrocyten. (Verändert nach Silbernagl und Despopoulos 2007.)

Organsystemen wie dem Magen-Darm-Kanal liegen. Dort ist ein in der Magenschleimhaut gebildeter intrinsic factor für die Resorption des Vitamin B12 zuständig. Im Blut haben Erythrocyten eine Lebensdauer von ca. 120 Tagen und legen in dieser Zeit eine Strecke von etwa 300 km zurück. Dabei sind sie ständig großen mechanischen Belastungen durch Reibung an den Kapillarwänden ausgesetzt. Sie werden deshalb bei jedem Durchgang in der Milz auf ihre funktionelle Integrität geprüft. Schadhafte Erythrocyten werden ausgesondert und im reticuloendothelialen System (RES), das aus Leber, Milz und Knochenmark besteht, abgebaut (䉴 Abb. 9.3). Pro Tag werden beim Erwachsenen etwa 1% der Erythrocyten ausgesondert bzw. neu gebildet. Das entspricht einer Neubildungsrate von ca. 3 Mio. Erythrocyten pro Sekunde. Ausdifferenzierte Erythrocyten des Menschen sind kernlos und enthalten im Inneren das sauerstoffbindende Molekül Hämoglobin. Sein Aufbau und seine Funktion werden in Kapitel 11 beschrieben. Die Erythrocytenmembran ist stark verformbar, was die Passage durch die engen Kapillaren erleichtert. Die Elastizität wird durch ein unter der Membran liegendes netzartiges Cytoskelett gewährleistet, in dem auch verschiedene Transmembranproteine verankert sind, die für den Austausch von Substanzen sorgen. So findet man in der Erythrocytenmembran Bande-3-Proteine (Cl–/ HCO –3 -Austauscher), Aquaporine (Wasserkanäle) und GLUT1 (Glucosetransporter). Die Erythrocytenzahl wird durch Geschlecht, Alter, Rasse sowie durch Ernährungsbedingungen und durch den O2-Gehalt der Atemluft beeinflusst. Ein Aufenthalt in größerer Höhe bewirkt eine langfristige Adaption, und die Erhöhung der Erythrocytenzahl und kann zum Höhentraining benutzt werden. Eine Erhöhung der Erythrocytenzahl wird als Erythrocytose, eine Erniedrigung als Erythrocytopenie bezeichnet.

Erythrocyten (rote Blutkörperchen)

225

Die Zahl der Erythrocyten in verdünnten Blutproben lässt sich mithilfe von Zählkammern bestimmen, die ein mikroskopisch kleines Volumenraster besitzen. Moderne automatisierte Zählverfahren arbeiten nach dem Durchflussprinzip, indem die Erythrocyten einzeln nacheinander durch feine Glaskapillaren fließen und dabei Das in den Erythrocyten enthaltene Hämoglobin bindet O bzw. CO2 und transportiert durch optische (Trübung) oder elektrische (Widerstands- die Atemgase. 2 messung) Verfahren erfasst werden.

Osmotische und mechanische Eigenschaften Tritt Hämoglobin durch die Erythrocytenmembran aus, spricht man von einer Hämolyse. Ursache hierfür können neben einer mechanischen Beanspruchung auch eine Temperaturveränderung, UV-Strahlung, chemische Substanzen (Säuren, Fettlösungsmittel, Detergenzien), Schlangengifte oder spezifische Antikörper sein. Verändert sich die Blutosmolarität, dann verändert sich das Volumen der Erythrocyten. In hypotoner Umgebung nehmen die Zellen Wasser auf, schwellen kugelrund an und platzen schließlich. Umgekehrt verlieren die Zellen in hypertoner Umgebung Wasser und schrumpfen. Die Überschreitung eines gewissen Toleranzbereiches (osmotische Resistenz) führt zur osmotischen Hämolyse und damit zum Absterben der Zellen. Die normale (isotone) Umgebung entspricht beim Menschen einer physiologischen Kochsalzlösung von 0,9%. Der Hämolysebeginn liegt bei etwa 0,44% NaCl und die vollständige Hämolyse bei etwa 0,31% NaCl. Der Bereich dazwischen wird als Resistenzbreite bezeichnet und ist für die klinische Diagnostik wichtig.

Blutsenkung In ungerinnbar gemachtem Plasma sinken die Blutzellen durch ihr Eigengewicht langsam ab und sedimentieren am Boden. Da Erythrocyten bei entzündlichen Erkrankungen schneller absinken, lässt sich diese Eigenschaft für einen einfachen diagnostischen Test nutzen, bei dem man die Blutsenkungsgeschwindigkeit misst. Sie beträgt beim gesunden Menschen 3–8 mm pro Stunde. Eine erhöhte Senkungsgeschwindigkeit der Zellen beruht auf veränderten Oberflächeneigenschaften der Membranproteine, wodurch sich die Zellen zu Agglomeraten zusammenlagern. Durch die relative Oberflächenverkleinerung sinken die Zellen schneller ab. Diese Fähigkeit der Erythrocyten zu Agglomeratbildung wird durch bestimmte Plasmaproteine wie γGlobuline noch verstärkt. Normalerweise wird die Senkungsgeschwindigkeit mit Blut durchgeführt, das mit Na+-Citrat ungerinnbar gemacht und in senkrechte Glasröhrchen gefüllt wurde. Dabei wird die Länge der erythrocytenfreien Plasmasäule in festen Zeitabständen abgelesen. Bei der Methode der Schrägsenkung, bei der die Glasröhrchen nicht senkrecht sondern schräg aufgestellt sind, bewegen sich die Agglomerate nur über eine kurze Distanz durch das Plasma und rutschen dann an der schrägen Wand des Röhrchens nach unten, wodurch sich ihre Senkungsgeschwindigkeit beträchtlich erhöht.

ä

226

9. Funktion von Blut und Immunsystem

Blutgruppensysteme Antikörper, die im Plasma vorkommen, können an die Oberflächenproteine (Antigene) der Erythrocyten binden. Folge ist eine Verklumpung (Agglutination) der Erythrocyten mit dramatischen, oft letalen Folgen. Normalerweise sind im Blut eines Individuums die spezifisch gegen die eigenen Oberflächenantigene gerichteten Antikörper nicht vorhanden. Man bezeichnet diese Variationen der Antigene und Antikörper beim Menschen als AB0-Blutgruppensystem (䉴 Abb. 9.4). Seine Benennung erfolgt nach den gruppenspezifischen Oberflächenantigenen A und B. Menschen der Blutgruppe A tragen auf der Oberfläche ihrer Erythrocyten das Antigen A, während sich im Plasma die Antikörper (Anti-B) gegen das in diesem Individuum nicht vorhandene Antigen B befinden. Umgekehrt tragen Menschen der Blutgruppe B auf ihren Erythrocyten das Antigen B und besitzen im Plasma die Antikörper gegen A. Bei der Blutgruppe AB sind beide Antigene vorhanden, im Plasma befinden sich aber keine Antikörper. Die Blutgruppe 0 weist keine Antigene auf den Erythrocyten auf, dafür aber beide Antikörper, Anti-A und Anti-B, im Plasma. Die Blutgruppeneigenschaften (Antigene) werden nach den Mendelschen Gesetzen vererbt, wobei die Antigene A und B dominant sind. Der Genotyp des Trägers der Blutgruppe A kann deshalb homozygot (AA) oder heterozygot (A0) sein. Die Antigene des AB0-Systems findet man nicht nur auf den Erythrocyten, sondern auch auf Leukocyten und Körperzellen. Deshalb ist neben der Blutgruppenunverträglichkeit bei Bluttransfusionen auch auf Gewebeverträglichkeit zu achten (z. B. bei Organtransplantationen), d. h. es wird stets nur Blut der gleichen Gruppe über-

Anti-ASerum

Anti-BSerum

Anti-AAnti-BSerum

Blutgruppe

Antikörper %-Häufigkeit in der kaukas. Genotyp Erythrocyten- im Antigen Plasma Bevölkerung

A

44

AA/A0

A

Anti-B

B

10

BB/B0

B

Anti-A

AB

4

AB

AB

keine

0

42

00

0

Anti-A Anti-B

9.4 Darstellung der verschiedenen Blutgruppen des Menschen mit ihren Eigenschaften. Die linke Säule zeigt die Blutgruppenbestimmung. (Verändert nach Klinke, Pape und Silbernagl 2005.)

Erythrocyten (rote Blutkörperchen)

tragen. Dabei spielen vor allem die im Spenderplasma vorhandenen Antikörper eine entscheidende Rolle, da sie in größerer Menge als die Antigene vorkommen. Antikörper der gleichen Tierart werden als Isoagglutinine bezeichnet, Antikörper von verschiedenen Tierarten als Heteroagglutinine. So agglutinieren Antikörper aus Kaninchenserum auch mit den Erythrocyten aus menschlichem Blut. In der Humanmedizin hat das AB0-System große klinische und praktische Bedeutung, z. B. bei Blutübertragungen und in der Transplantationsmedizin. Neben Agglutinationsreaktionen kommt es durch an die Erythrocyten bindende Antikörper auch zu einer starken Hämolyse. Das Blutgruppensystem hat aber auch enorme Bedeutung für die Genetik und die Forensik, weil es in der Abstammungsforschung und zur Aufklärung von Kriminalfällen verwendet werden kann. Die Blutgruppenbestimmung erfolgt auf Objektträgern, in dem man zu unbekannten Blutproben bekannte Testseren der Antikörper hinzufügt (䉴 Abb. 9.4). Nach wenigen Minuten ist eine eindeutige Agglutinationsreaktion zu erkennen, mit deren Hilfe man die Blutgruppe bestimmen kann. Neben dem AB0-System gibt es beim Menschen noch weitere Blutgruppensysteme, bei denen die Antikörper nicht präformiert sind. Das bekannteste und wichtigste dieser Systeme ist das Rhesus-System (Rh). Es wird auch als CDE-System bezeichnet und wurde bei Versuchen mit Erythrocyten von Rhesus-Affen entdeckt. Diese haben, ebenso wie die Erythrocyten mancher Menschen, zusätzliche Oberflächenantigene (C, D, E), gegen die sich im Plasma vorhandene Antikörper richten können. Dabei hat das Antigen D die stärkste antigene Wirkung. Menschen mit diesen D-Antigenen werden als Rhesus positiv (Rh+) bezeichnet. Sie machen in der europäischen Bevölkerung etwa 85% aus und besitzen keine Anti-Rh-Antikörper im Blut. Rhesusnegative Menschen besitzen bei Geburt weder Rhesus-Antigene noch Anti-Rh-Antikörper. Nach Kontakt mit Rhesus-Antigenen z. B. bei Bluttransfusionen oder Schwangerschaften können sie aber Anti-Rh-Antikörper bilden. Es gibt also zwei Gruppen von Rhesus-negativen Menschen, solche mit und solche ohne Anti-RhAntikörper. Da das Rhesus-Antigen dominant vererbt wird, sind insbesondere Schwangerschaften gefährdet, bei denen ein Rhesus-positiver Mann eine Rhesus-negative Partnerin hat (䉴 Abb. 9.5). Der Fötus ist in jedem Fall auch Rhesus-positiv, aber da die Mutter während der ersten Schwangerschaft normalerweise noch keine Anti-RhAntikörper hat, verläuft die erste Schwangerschaft meist ohne Komplikationen. Die Erythrocyten des Kindes können infolge ihrer Größe nicht die Plazentaschranke passieren und somit bei der Mutter keine Immunreaktion auslösen. Dies ändert sich erst beim Geburtsvorgang, wenn die Plazenta sich ablöst und das fötale und das mütterliche Blut in Kontakt kommen. Da die Mutter dann Anti-Rh-Antikörper bilden würde, wird diese Reaktion durch eine sofortige Immunsuppression medikamentös unterdrückt. Erfolgt dies nicht, so dringen während einer zweiten Schwangerschaft die Anti-Rh-Antikörper der Mutter über die Plazentaschranke in den Fötus ein und rufen neben Hämolyse schwerste Schädigungen des Embryos hervor.

227

228

9. Funktion von Blut und Immunsystem

Mann

Schwangerschaft erstes Kind

Schwangerschaft weitere Kinder

Geburt

Mutter hat noch keine Anti-Rh-Antikörper

ohne Blockierung wurden Anti-Rh-Antikörper gebildet, die den Fötus schädigen

Rh+-Erythrocyten können nicht über die Plazenta

keine Komplikationen

Blockierung der Immunisierung durch Anti-RhAntikörper

Rh+ auf Erythrocyten keine Anti-Rh-AK

9.5

Rh–- auf Erythrocyten keine Anti-Rh-AK

Rh+-Erythrocyten sensibilisieren die Mutter

– RhRh– aufauf Erythrocyten Erythrocyten Anti-Rh-AK bei Kontakt Kontakt Rh+- AK bei

Rh– auf Erythrocyten Anti-Rh-AK gebildet

Rhesus-Unverträglichkeit in der Schwangerschaft.

Leukocyten Bildung, Form und Lebensdauer Die weißen Blutkörperchen (Leukocyten) unterteilen sich in morphologisch und funktionell verschiedene Zelltypen. Abbildung 9.6 zeigt die häufigsten Zelltypen und ihr Vorkommen. Alle Leukocyten sind amöboid beweglich und kommen nicht nur im Blut, sondern vielfach auch im Gewebe vor. Sie verändern ständig ihre Form und haben die Fähigkeit zur Phagocytose von fremden Zellen wie Bakterien oder Zellbestandteilen. Wie die Erythrocyten entstehen auch die Leukocyten im Knochenmark aus pluripotenten Stammzellen, entwickeln sich aber über eine Reihe myeloider Vorläuferzellen (䉴 Abb. 9.2); sie werden innerhalb von 2–6 Tagen in einem Proliferations- und Reifungskompartiment gebildet. Im Blut (Funktionsspeicher) verweilen Leukocyten wenige Minuten bis etwa 30 Stunden. Ihre Zahl pro Volumeneinheit Blut ist sehr unterschiedlich (䉴 Abb. 9.6). Neubildung und Abbau der Leukocyten stehen

Leukocyten

229

in einem dynamischen Gleichgewicht, dessen Veränderung zu schweren Erkrankungen führen kann. Der Normwert für die Leukocytenzahl liegt bei 5 000–10 000 Zellen pro mm3 Blut. Wird diese Zahl leicht erhöht (20 000–40 000), spricht man von einer Leukocytose. Diese kann nach einer Mahlzeit normal sein (Verdauungsleukocytose). Ist die Leukocytenzahl jedoch drastisch erhöht (> 500 000), spricht man von einer Leukämie (Blutkrebs). Diese Erkrankung betrifft in Deutschland 10 von 100 000 Einwohnern und äußert sich durch eine überschießende Vermehrung unreifer Leukocytenformen bei gleichzeitigem Abbau der reifen Blutzellen, die auch aus den anderen Gruppen stammen können. Es folgen Anämie (Blutarmut), Müdigkeit, Blässe und eine erhöhte Infektanfälligkeit. Sinkt die Zahl der Leukocyten unter 4 000 pro mm3 Blut, spricht man von einer Leukopenie.

Granulocyten Granulocyten unterscheiden sich durch ihre auffälligen intrazellulären Granula von den anderen Leukocyten. Diese Granula lassen sich zu diagnostischen Zwecken färben und zeigen je nach Färbemethode eine unterschiedliche Farbreaktion, nach der sie benannt wurden.

Neutrophile Granulocyten Neutrophile Granulocyten lassen sich anhand der Form ihres Zellkerns weiter unterteilen in stabkernige und segmentkernige Granulocyten (䉴 Abb. 9.6). Sie wurden so benannt, da sich ihre Granula nur im pH-neutralen Bereich anfärben lassen. Sie haben einen Durchmesser von ca. 10–12 μm und stellen 50–70% aller Leukocyten. Nach ihrer Bildung verweilen sie 6–8 Stunden im Blut und wandern dann über das Endothel in die Schleimhäute. Ihre Hauptfunktion ist die antibakterielle Wirkung, und deshalb ist ihre Zahl besonders bei beginnenden Infektionen erhöht. Sie sind sehr beweglich, sind für unspezifische Abwehrreaktionen (Phagocytose) verantwortlich und verursachen im Gewebe oft Abszesse. Ihre Bildung und Ausschüttung wird durch fiebererregende Substanzen (Pyrogene) beschleunigt, die aus Bakterien oder zerfallenden Geweben freigesetzt werden. Zur Geschlechtstypisierung können die „drumsticks“ herangezogen werden. Dies sind Anhängsel des Zellkerns, die mit feinen Chroma- Leukocyten sind die Abwehrzellen des Körpers und haben viele unterschiedliche tinbrücken mit dem Zellkern verbunden sind und für weib- Formen. liche Personen typisch sind.

Eosinophile Granulocyten Nur etwa 2–4% aller Leukocyten sind eosinophile Granulocyten, die ihren Namen durch die charakteristische Anfärbbarkeit mit dem Farbstoff Eosin erhalten haben. Ihre Zahl unterliegt einer tagesrhythmischen Schwankung, die umgekehrt proportional zum Glucocorticoidspiegel des Blutes ist. Bei einem hohen Glucocorticoidspiegel (frühmorgens) sinkt die Zahl der eosinophilen Granulocyten, während bei niedrigem Glucocorticoidspiegel in der Nacht die höchsten Werte auftreten. Eosino-

ä

230

9. Funktion von Blut und Immunsystem

Anzahl pro μl Blut

Granulocyten

Leukocyten (100 %)

neutrophile Granulocyten (50–70 %) eosinophile Granulocyten (2–4 %) basophile Granulocyten (0,5–1 %) Lymphocyten (20–30 %)

Agranulocyten (mononucleäre)

stabkernige segmentkernige

4 200

165

44

B-Zellen

2 200

T-Zellen

2 200

NK-Zellen (5–10 %)

520

Monocyten (4–8 %) dendritische Zellen (4–5 %)

460 300

9.6 Die verschiedenen Formen der weißen Blutkörperchen beim Menschen, ihre prozentuale Verteilung und ihre Zahl (Mittelwert) pro Volumeneinheit Blut. (Verändert nach Engelhardt und Breves 2005.)

phile Granulocyten besitzen große Granula, die viele Enzyme enthalten (Oxidasen, Proteasen, Lipasen, Amylase und Trypsin). Ihre Hauptfunktion ist das Töten von großen nichtphagocytierbaren Erregern wie Würmern durch Degranulation. Liegt die Zahl der eosinophilen Granulocyten über dem Normbereich, spricht man von einer Eosinophilie. Sie tritt besonders bei Allergien auf.

Basophile Granulocyten Basophile Granulocyten können mit basischen Farbstoffen angefärbt werden. Sie enthalten große basophile Granula mit Histamin und Heparin und machen nur 0,5–1% aller Leukocyten aus. Sie haben im Blut eine Lebensdauer von ca. 12 h. Nach der Nahrungsaufnahme ist ihre Zahl erhöht, um mit dem aus ihren Granula vermehrt freigesetzten Heparin die Lipase im Serum zu aktivieren, wodurch die Menge an Blutfetten nach dem Essen gesenkt wird. Außerdem setzen sie bei allergischen Reaktionen Histamin frei, das zu Hautrötungen, Quaddelbildung und Bronchospasmen führt.

Leukocyten

Monocyten Speziell auf Phagocytose ausgerichtet sind die Monocyten, die mit 460 Zellen pro μl Blut etwa 4–8% aller Leukocyten stellen. Im anfänglichen Stadium sind sie klein (10– 20 μm), entwickeln sich später aber zu großen Fresszellen (Makrophagen), die dann amöboid beweglich auch in die Gewebe auswandern (Histiocyten). Ihre Verweildauer im Blut beträgt nur 1–2 Tage. Im Körpergewebe findet man sie am häufigsten in der Haut und den Schleimhäuten, auf den Epithelien der Lunge, in den Lymphknoten sowie in Leber, Milz und Knochenmark. Sie enthalten unspezifische Esterasen und bilden bei Stimulation Signalstoffe (Cytokine), die weitere spezialisierte Reaktionen von Immunzellen steuern können. Die Zahl der Monocyten ist besonders bei Infektionen mit Protozoen (Malaria) und Viruserkrankungen erhöht.

Dendritische Zellen Dendritische Zellen sind antigenpräsentierende Zellen, die primäre cytotoxische T-Zell-Reaktionen auslösen können. Im unreifen Zustand befinden sie sich als „Wächterzellen“ im nichtlymphoiden Gewebe und können unterschiedliche Antigene aufnehmen, die sie prozessieren und zusammen mit MHC-Klasse-I- und MHCKlasse-II-Molekülen an ihrer Oberfläche präsentieren. Gleichzeitig werden sie aktiviert, beginnen zu reifen und sezernieren Cytokine (z. B. Interleukin-12). Cytokine locken zusätzliche immunkompetente Zellen an den Ort der Infektion. Anschließend aktivieren die dendritischen Zellen die spezifische Immunabwehr, indem sie in die Lymphknoten einwandern und dort den naiven T-Zellen die antigenen Strukturen präsentieren.

Komplementsystem Eine Reihe weiterer Plasmaproteine bildet ein unspezifisches Abwehrsystem (Komplementsystem), das die spezifischen Reaktionen der Immunzellen (Leukocyten) unterstützt. Diese inaktiven Vorstufen werden beim Auftreten von Bakterienlysaten oder Antigen-Antikörper-Komplexen über eine Reaktionskaskade aktiviert und umhüllen die antikörperbehafteten Zellen durch Bindung am Fc-Abschnitt der Antikörper. Schließlich wird ein Membranangriffskomplex gebildet, welcher aus einem Komplex von Proteinen (Cb5-C8) besteht, sich mit C9-Molekülen in die Zellmembran einlagert, einen Tunnel bildet und so zum Ionen- und Wasserverlust und Absterben der fremden Zellen führt. Das Protein (Perforin) hat ähnliche Funktionen.

Angeborenes Immunsystem Der Körper kann eingedrungene Fremdkörper oder Krankheitserreger durch das angeborene (inate) und unspezifische Immunsystem und das erworbene (spezifische) Immunsystem bekämpfen (䉴 Abb. 9.7). Das angeborene Immunsystem ist bereits bei

231

232

9. Funktion von Blut und Immunsystem

angeborenes (inates) Immunsystem

löslich

zellvermittelt Immunsystem

löslich erworbenes Immunsystem zellvermittelt

9.7

Interferon-α und -β Cytokine (TNF-α, Interleukine) Leukotriene, Prostaglandine Histamin Komplement, Defensine Granulocyten dendrit. Zellen, Makrophagen NK-Zellen Mastzellen

Antikörper (Immunglobuline) aus B-Lymphocyten T-Zell-Cytokine B-Lymphocyten cytotoxische T-Zellen, T-Helferzellen

Übersicht über das angeborene und das erworbene Immunsystem.

der Geburt etabliert, kann aber zwischen einzelnen Erregern (Antigenen) nur sehr eingeschränkt unterscheiden. Zu den Zellen des angeborenen Immunsystems gehören die bereits besprochenen neutrophilen, eosinophilen und basophilen Granulocyten, die Monocyten (Makrophagen), die dendritischen Zellen sowie die Mastzellen (䉴 Abb. 9.1). Diese Zellen tragen Mustererkennungsrezeptoren (pattern recognition receptors, PRRs) wie die Toll-ähnlichen Rezeptoren auf ihrer Oberfläche, die Strukturen (Muster) auf der Oberfläche von Mikroben erkennen und in den Zellen spezifische Abwehrmechanismen auslösen. Solche Abwehrreaktionen sind neben der Phagocytose auch die Sekretion von Cytokinen wie Interferon-α und -β, Histamin, Prostaglandinen, Leukotrienen und Interleukinen. Diese Stoffe aktivieren Entzündungszellen und modulieren durch die Expression von Zelladhäsionsmolekülen die Entzündungsreaktionen. Makrophagen bilden einen Tumornekrosefaktor (TNF), der die Cytokinausschüttung anderer Zellen stimuliert und vielfältige Entzündungsreaktionen aktiviert. Zum angeborenen Immunsystem gehört auch das Komplementsystem, das Entzündungszellen aktiviert und Krankheitserreger zerstört. Das angeborene Immunsystem reagiert zwar sofort und verhindert die Ausbreitung von Infektionen. Es bildet aber kein immunologisches Gedächtnis, sodass die Abwehrreaktion stets ähnlich schnell abläuft und nicht mit der Zeit optimiert wird.

Erworbenes Immunsystem Das immunologische Gedächtnis wird vom erworbenen Immunsystem gebildet, das zunächst vom angeborenen Immunsystem aktiviert werden muss. Das erworbene Immunsystem (䉴 Abb. 9.7) wird auch als spezifisches Immunsystem bezeichnet. Es besteht aus B- und T-Lymphocyten, die sich in den primären lymphatischen Organen (Thymus und Knochenmark) aus Vorläuferzellen bilden und im peripheren lymphatischen Gewebe ausdifferenzieren (䉴 Abb. 9.8). Beim angeborenen Immunsystem

Leukocyten

1

1 hämatopoetisches Gewebe

2 4

3

lymphatische Drüsen Thymus

Knochenmark 5

peripheres lymphatisches Gewebe

T-Zelle

zellvermittelte Immunantwort

B-Zelle

antikörpervermittelte Immunantwort

9.8 Darstellung des Immunsystems und der Entwicklung der Lymphocyten. 1, hämatopoetische Stammzelle; 2, Lymphocyt aus dem Knochenmark; 3, Thymocyt; 4, B-Lymphocyt; 5, Entwicklung bei Säugetieren. (Verändert nach Eckert 2002.)

können sehr viele Zellen gleicher Ausstattung mit verschiedenen, aber in der Anzahl begrenzten Mustererkennungsrezeptoren schnell aktiviert werden und sofort gegen ein relativ breites Spektrum an Mikroben vorgehen. Beim erworbenen Immunsystem werden dagegen nur wenige Lymphocyten einer bestimmten Spezifität zufällig und vollkommen unabhängig von eventuell vorhandenen Mikroorganismen gebildet, dafür sind aber ca. 100 Mio. unterschiedliche Spezifitäten möglich. Diese wenigen, für die laufende Abwehrreaktion brauchbaren antigenspezifischen Lymphocyten müssen erst durch Proliferation klonal expandieren, d. h. sich vermehren, und sich zu Effektorlymphocyten ausdifferenzieren, bevor sie den laufenden Abwehrkampf unterstützen und sich auch zu Gedächtniszellen entwickeln können. Dagegen sterben die Zellen des angeborenen Immunsystems während oder nach dem Abwehrkampf ab und tragen somit nicht zum immunologischen Gedächtnis bei. Erst durch die Antigene der Krankheitserreger werden die B- und T-Lymphocyten aktiviert. Zur Erkennung der spezifischen Antigenstruktur ist ein Rezeptor notwendig, der sich entweder direkt auf den Lymphocyten befindet, in den meisten Fällen aber als Antigenbindungsstelle auf speziellen Antikörpern lokalisiert ist. Diese Antikörper werden von den B-Lymphocyten nach Bedarf hergestellt (spezifische Immunantwort). Die Antikörper können mit den gebundenen Antigenen über einen zweiten Rezeptor (Fc-Rezeptor) an T-Lymphocyten binden und deren spezifische

233

234

ä

9. Funktion von Blut und Immunsystem

Die spezialisierten Abwehrzellen des Körpers lassen sich in B-Lymphocyten (antikörpervermittelte Immunantwort) und T-Lymphocyten (zellvermittelte Immunantwort) unterscheiden.

Abwehrreaktion auslösen. T-Lymphocyten verursachen also eine zellvermittelte Immunantwort, während BLymphocyten eine antikörpervermittelte Immunantwort auslösen.

Antikörper

ä

Beim Menschen gibt es fünf Klassen von Antikörpern (Immunglobuline; Ig), die als IgA, IgD, IgE, IgG und IgM bezeichnet werden. Sie sind alle ähnlich aufgebaut und bestehen aus einer Y-förmigen Struktur, die aus vier Proteinketten gebildet wird. Ein Teil dieser Polypeptide (Fc-Fragment) ist bei allen Antikörperklassen strukturell ähnlich, ein zweiter Teil (Fab-Fragment) ist dagegen variabel und bei den Antikörpern unterschiedlich. Am variablen Ende des Antikörpermoleküls, den beiden Armen des Y, befinden sich zwei Antigenbindungsstellen, während am anderen Ende, dem konstanten Teil, die Fc-Bindungsstelle liegt, mit der die Antikörper an phagocytierende Immunzellen binden können. Das Komplementsystem kann durch eine an der Seite des Moleküls liegende Bindungsstelle aktiviert werden. Antikörper werden von B-Lymphocyten gebildet, nachdem diese durch Bindung von Antigenen aktiviert wurden. Dabei kommt es zu einer Proliferation und Reifung der B-Lymphocyten. Die Vielfalt der Antikörper entsteht durch variable Genkombinationen und eine klonale Selektion der B-Lymphocyten. Nicht für jeden potenziellen Antikörper ist ein Gen vorhanden, sondern es gibt im Genom der B-Lymphocyten variable diversity- und junction-Gene, die auf DNA-Ebene jeweils somatisch rekombiniert werden. Durch die Kombination von nur etwa 1 000 variablen Genen entsteht eine fast unbegrenzte Anzahl von Antikörpervariationen. Im Verlauf der Antikörperbildung nach einer Infektion werden zunächst IgM-Antikörper hergestellt, später dann IgG-Moleküle. Antikörper zirkulieren als Immunglobuline Die IgM-Antikörper bilden also die Primärantwort des im Blutplasma und werden von aktivierten Immunsystems bei beginnenden Infektionen, es folgt die B-Lymphocyten gebildet. Sekundärantwort durch IgG.

T-Lymphocyten Aus Stammzellen des Knochenmarks bilden sich auch die T-Lymphocyten (䉴 Abb. 9.1) über lymphoide Vorläuferzellen. Im Thymus differenzieren sie sich zu reifen TLymphocyten (䉴 Abb. 9.8). Alle T-Lymphocyten besitzen auf ihrer Zelloberfläche einen T-Zell-Rezeptor und zusätzlich CD4- oder CD8-Molekül-Komplexe. CD4positive Zellen werden auch als T-Helferzellen bezeichnet. Sie produzieren bei viralen und bakteriellen Infektionen Cytokine, die wiederum andere Immunzellen aktivieren. CD8-positive Zellen werden auch als cytotoxische Zellen (Killerzellen) bezeichnet, da sie virusinfizierte körpereigene Zellen eliminieren. Die Aktivierung von T-Zellen durch fremde Antigene (䉴 Abb. 9.9) geschieht nicht direkt, da die T-Zellen dafür keine passenden Rezeptoren besitzen. Den T-Zellen wird deshalb das fremde

Leukocyten

a Erkennung

b Internalisierung Bakterium

c Antigenpräsentation Antigen

Antikörper Antigen

Makrophage MHC-Molekül

T-Zelle

präsentierter MHC/AntigenKomplex

CD4 bzw. CD8 Antigenerkennung T-Zell-Rezeptor

Doppelsignal zur T-Zell-Proliferation

Costimulationssignal B7-Protein

CD28-Protein

d T-Zell-Aktivierung

9.9 Mechanismus der Aktivierung von T-Zellen durch Antigene, die von dendritischen Zellen präsentiert werden.

Antigen in einer aufbereiteten Form von Makrophagen präsentiert. Dazu internalisieren die Makrophagen die Krankheitserreger, spalten sie in kleine Bruchstücke (Peptide), die an MHC-(major histocompatibility complex-)Moleküle binden. Der Makrophage exprimiert den Komplex aus Antigen und MHC-Molekül auf seiner Oberfläche, der nun vom T-Zell-Rezeptor erkannt und gebunden werden kann (䉴 Abb. 9.9). Dabei spielen auch die CD4- bzw. CD8-Moleküle eine wichtige Rolle und begünstigen diese Bindung. CD8-Zellen erkennen die intrazellulären MHCKlasse-I-Komplexe, während CD4-Zellen für die Erkennung der extrazellulären MHC-Klasse-II-Komplexe zuständig sind. Wenn die Makrophagen mit T-Lymphocyten interagieren, treten das angeborene und das erworbene Immunsystem in Wechselwirkung. Für jedes fremde Antigen existiert ein genau passender T-Zell-Rezeptor. Die molekulare Vielfalt der T-Zellen entsteht ähnlich wie bei den B-Zellen durch variable Genkombinationen und klonale Selektion. Die Reifung der T-Zellen erfolgt im Thymus und hinterlässt naive T-Lymphocyten und cytotoxische T-Lymphocyten. Die T-Helferzellen (CD4-positiv) stimulieren über die Ausschüttung von Cytokinen (Interleukine) die weitere Proliferation der aktivierten T-Lymphocyten. Dabei werden sowohl weitere T-Helferzellen als auch cytotoxische T-Zellen (T-Killerzellen; CD8-positiv) gebildet. Diese können infizierte Zielzellen mithilfe von speziellen Proteinen (CD95L, Perforin) zerstören, indem sie durch CD95L eine Apoptose einleiten oder die Zellmembran perforieren. Nach einer erfolgreich abgewehrten Infektion verringert sich die Anzahl der T-Helferzellen und cytotoxischen T-Zellen wieder. Ein Teil dieser Zellen geht dabei in einen Ruhezustand über, der Jahre dauern kann. Diese T-Gedächtniszellen reifen nicht als eigene Subpopulation im Thymus. Sie entstehen erst nach antigenspezifischer klona-

235

236

9. Funktion von Blut und Immunsystem

ler Proliferation während einer adaptiven Immunantwort. Sie sind stets Gedächtniszellen von T-Effektorzellen (Th1- und Th2-Lymphocyten, cytotoxische T-Zellen und regulatorische T-Zellen). T-Gedächtniszellen können bei erneutem Bedarf sehr schnell auf ihr spezifisches Antigen reagieren, da sie alle internen Reifungsprozesse bereits durchlaufen haben. So hinterlässt eine erfolgreich abgewehrte Infektion eine Immunität, die einen erneuten Krankheitsausbruch verhindert oder zumindest abschwächt. Bei der aktiven Immunisierung führt man dem Körper abgeschwächte Erreger zu und nutzt das immunologische Gedächtnis.

B-Lymphocyten Auch die B-Lymphocyten werden aus Stammzellen gebildet, die im Knochenmark (bone marrow) heranreifen. B-Lymphocyten werden aktiviert, wenn an ihre Rezeptoren (B-Zell-Rezeptoren, BCR) passende Antigene binden. Daraufhin bilden die B-Zellen lösliche Antikörper gegen Antigene, die von den Antikörpern extrazellulär und intrazellulär gebunden und neutralisiert werden. Da diese neu gebildeten Antikörper sofort wirksam sind, bilden sie die wichtigste Komponente des Immunsystems und auch sein immunologisches Gedächtnis. Während ihrer Reifung werden diejenigen BZellen aussortiert, die körpereigene Antigene erkennen. Dadurch werden autoimmune Reaktionen wie sie bei rheumatischen Erkrankungen vorkommen normalerweise unterdrückt. Reife B-Lymphocyten wandern in Milz und Lymphknoten des peripheren lymphatischen Gewebes (䉴 Abb. 9.8) ein. Nach Bindung können die B-Lymphocyten das Antigen auch internalisieren und in einzelne Peptidfragmente zerlegen. Diese werden intrazellulär an MHC-Klasse-IIMoleküle gebunden und zusammen mit diesen auf der Membranoberfläche präsentiert. Erkennt eine auf dieses Antigen spezialisierte T-Zelle vom CD4-Typ diesen Komplex, sezerniert sie Cytokine, die über spezielle Rezeptoren der B-Zelle deren Antikörperproduktion (IgM und IgG) stimulieren. Diesen Vorgang nennt man TZell-abhängige Aktivierung von B-Lymphocyten (䉴 Abb. 9.10). Zur Optimierung der Antikörperbildung können die B-Lymphocyten durch somatische Hypermutation die Antigenbindungsfähigkeit ihrer Antikörper optimieren. So entstehen hoch spezialisierte B-Zellen, die sich zunächst als Plasmazellen im Körper verteilen und dann in das Knochenmark auswandern, wo sie weitere hoch spezifische Antikörper bilden. Ein anderer Teil der aktivierten B-Lymphocyten bleibt in der Milz als BGedächtniszellen erhalten, sodass bei einer erneuten Infektion sofort neue Antikörper durch Proliferation gebildet werden können.

Aktive und passive Immunisierung Impfung sind prophylaktische Vorbeugungsmaßnahmen gegen Infektionen und nutzen die oben genannten Eigenschaften der B- und T-Lymphocyten. Bei der passiven Immunisierung wird dem Körper ein Gemisch aus Immunoglobulinen verabreicht, die für die vermuteten Erreger spezifisch sind. Diese Art der Impfung wird eingesetzt, wenn eine Infektion bereits vorhanden ist oder wenn z. B. nach einer Verletzung eine

Thrombocyten und Hämostase

a Erkennung

b Internalisierung

Antigen B-Zell-Rezeptor

Antigen

B-Lymphocyt d B-Zell-Aktivierung CD4 T-Zell-Rezeptor

c Antigenpräsentation

MHC-Molekül präsentierter MHC/ Antigen-Komplex

e klonale Proliferation und Differenzierung

d Antikörperbildung

B-Zelle

T-Zelle

Cytokine

Signal zur Signal zur B-Zell-Proliferation Antikörperbildung

9.10 Mechanismus der T-Zell-abhängigen Aktivierung und Antikörperbildung durch BZellen.

vollständig ablaufende Bildung von eigenen Antikörpern zu lange dauern würde. Typisches Beispiel ist die routinemäßig vorgenommene passive Tetanusimmunisierung nach einer Wundversorgung. Bei der passiven Immunisierung ist zwar schnell ein wirksamer Schutz vorhanden, da aber keine Gedächtniszellen gebildet werden, hält der Schutz nicht lange vor. Bei der aktiven Immunisierung wie der vorbeugenden Immunisierung gegen Hepatitis A und B werden dem Körper abgeschwächte lebende oder abgetötete Erreger oder deren Toxine verabreicht, um eine B-Zell-Aktivierung mit anschließender Bildung von körpereigenen Antikörpern auszulösen. Diese Art der Impfung erfolgt prophylaktisch und muss gegebenenfalls mehrmals im Abstand von einigen Monaten durchgeführt werden. Sie hinterlässt einen dauerhaften Schutz, der meist über mehrere Jahre anhält.

Thrombocyten und Hämostase Über den Mechanismus der Blutgerinnung (Hämostase) werden Verletzungen des Blutgefäßsystems innerhalb weniger Minuten geschlossen. Dafür sind die Thrombocyten (Blutplättchen) und die von ihnen abgegebenen Stoffe zuständig.

237

238

9. Funktion von Blut und Immunsystem

Thrombocyten Thrombocyten entstehen aus Stammzellen des Knochenmarks und bilden sich aus Abschnürungen von Megakaryocyten (䉴 Abb. 9.2). Sie sind kernlose, flache und unregelmäßig geformte Blutzellen mit einem Durchmesse von 1–4 μm. Im menschlichen Blut haben sie eine Verweildauer von 5–11 Tagen und eine Konzentration von 150 000–200 000 pro μl Blut. Ihre Bildung (Thrombopoiese) wird durch das in der Leber gebildete Hormon Thrombopoietin reguliert, das das Wachstum der Megakaryocyten stimuliert. Thrombocyten schwimmen bevorzugt in der Randströmung des Blutes nahe der Endothelwand und werden in Milz, Leber und in der Lunge abgebaut. Sie enthalten in ihrem Randbereich ein unstrukturiertes Cytoplasma (Hyalomer) und im Innenbereich das strukturierte Granulomer, einen Cytoplasmabereich mit vielen Granula, die neben Enzymen wie Thromboxan-Synthetase auch ATP, Glykogen und verschiedene vasoaktive Substanzen wie Adrenalin und Serotonin enthalten. Daneben enthalten die Thrombocyten auch die autochthonen (eigenen) Gerinnungsfaktoren, die bei der Blutgerinnungskaskade eine Rolle spielen. Sinkt die Anzahl der Thrombocyten im Blut unter 50 000 pro μl, besteht eine erhöhte Blutungsneigung und es kommt durch unzählige kleine punktförmige Blutungen zu einer roten Färbung der Haut (thrombocytopenische Purpura). Thrombocyten reagieren sehr sensibel auf Änderungen des Umgebungsmilieus und verwandeln sich dann durch Ausbildung von tentakelartigen Protoplasmaausläufern von der scheibenförmigen Zirkulationsform in die sternförmige dendritische Form, mit der sie zur Blutstillung beitragen.

Blutstillung und Blutgerinnung Durch Verletzungen der Blutgefäße werden subendotheliale Kollagenfasern freigelegt, an die sich die Thrombocyten anheften. Diese Adhäsion wird durch den im Plasma vorhandenen von-Willebrand-Faktor vermittelt und läuft über einen rezeptorvermittelten Prozess ab, der gleichzeitig auch die Thrombocyten aktiviert. Die Thrombocyten ändern ihre Form und gehen von der scheibenförmigen in die dendritische Form über, deren Pseudopodien sich ineinander verhaken (Aggregation) und eine netzartige Struktur über der Verletzungsstelle bilden. Gleichzeitig löst diese Aktivierung die Sekretion von gefäßverengenden Substanzen wie Serotonin, Thromboxan A2 und PDGF (platelet-derived growth factor) aus, die das verletzte Blutgefäß verengen und den Blutstrom verlangsamen. Durch weitere ausgeschüttete Substanzen wie ADP und PAF (platelet-activating factor) versammeln sich weitere Thrombocyten und werden aktiviert. An der Verletzungsstelle bildet sich dadurch ein mechanischer Verschluss (Thrombus), auf dessen Oberfläche Fibrinogen gebunden wird. Dieser erste Mechanismus des mechanischen Verschlusses der Verletzungsstelle wird als Blutstillung bezeichnet. Im nachfolgenden Vorgang der Blutgerinnung entsteht durch eine Kaskade verschiedener Faktoren eine faserartig vernetzte Fibrinstruktur, die sich über den Thrombus und die verletzte Stelle lagert und diese vollständig abdichtet (䉴 Abb. 9.11).

Thrombocyten und Hämostase

239

Prothrombinaktivator Aktivierungsphase

2+

Ca

Prothrombin

Koagulationsphase

Retraktionsphase

Fibrinogen

Thrombin

Fibrin (löslich)

Fibrin (fest) 9.11 Schema der letzten Schritte der Blutgerinnungskaskade.

An diesen Vorgängen sind viele einzelne Gerinnungsfaktoren beteiligt, die vorwiegend in der Leber gebildet werden und für deren Synthese Vitamin K unerlässlich ist. Außerdem sind Ca2+-Ionen für den Ablauf verschiedener Aktivierungsschritte notwendig. Die Gerinnungsaktivierung kann über zwei Systeme erfolgen. Die langsamere endogene Aktivierung beginnt am Ort des Endotheldefekts durch den Kontakt der Kollagenfasern mit löslichen, im Plasma vorhandenen Gerinnungsfaktoren und läuft über eine Kaskade weiterer Faktoren, an der unter anderem Kallikrein beteiligt ist. Die etwas schnellere exogene Aktivierung hat ihren Ausgangspunkt in der Gewebsthrombokinase, die bei größeren Verletzungen mit dem Blut in Berührung kommt und zusammen mit Ca2+ eine Kaskade auslöst. Beide Signalwege, die endogene und die exogene Gerinnungsaktivierung, münden im Blut zusammen und führen zur Bildung des Prothrombinaktivators (Prothrombinase), der unter Mitwirkung von Ca2+-Ionen ein Ende des Prothrombinmoleküls abspaltet, wodurch Thrombin entsteht (䉴 Abb. 9.11). Diese komplizierte Aktivierungsphase geht in wenigen Schritten in die Koagulationsphase über. Thrombin aktiviert das im Blut vorhandene Fibrinogen, und es entsteht zunächst lösliches Fibrin, dessen monomere Filamente sich vernetzen. Ein letzter Gerinnungsfaktor führt zur kovalenten Verbindung Thrombocyten sind für die Blutgerinnung zuständig und enthalten gerinnungsaktive der Fibrinseitenketten und wandelt das lösliche Fibrin in und vasokonstriktorische Substanzen. unlösliches Fibrin um.

Gerinnungshemmung und Fibrinolyse Der Blutgerinnungsstatus wird ständig durch eine Gerinnungshemmung kontrolliert, die hauptsächlich durch Plasmin vermittelt wird. Plasmin entsteht aus Plasminogen, das im Blut zirkuliert und ebenfalls über eine Kaskade von Aktivatoren (Kallikrein, Plasminogenaktivator) gebildet wird. Plasmin sorgt für einen Abbau des vernetzten Fibrins (Fibrinolyse) und kann somit größere Thromben beseitigen und den Verschluss von Gefäßen (Thrombose) verhindern. Im Körper sind auch natürliche

ä

240

ä

9. Funktion von Blut und Immunsystem

Thromboseschutzproteine vorhanden (Antithrombin III, Heparin), die für ein ständiges Gleichgewicht zwischen dem Blutgerinnungssystem und dem Gerinnungssteuerungssystem sorgen. Eine Fibrolyse kann auch durch künstliche Aktivatoren ausgelöst werden. Therapeutisch wird z. B. bei Herzinfarkten das Enzym Streptokinase verwendet, das die Umwandlung von Plasminogen Blutgerinnung und Blutgerinnungshemmung werden durch zwei Systeme gesteuin Plasmin fördert. Wird diese Substanz in den ersten ert, die sich normalerweise in einem GleichStunden nach Auftreten eines Infarktes verabreicht, lässt gewicht befinden. sich der Thrombus vollständig auflösen.

Blutplasma

ä

Werden aus ungerinnbar gemachtem Blut die zellulären Bestandteile abzentrifugiert, so erhält man Blutplasma, eine wässrige Lösung, in der die niedermolekularen Ionen (hauptsächlich Na+, Cl– und HCO3–) sowie die hoch molekularen Plasmaproteine (Albumine, Globuline u. a.) vorhanden sind. Auch die Blutgerinnungsfaktoren und Proteine (Prothrombin, Fibrinogen u. a.) befinden sich im Blutplasma. Wird dagegen in der Blutprobe die Blutgerinnungskaskade z. B. durch Umrühren ausgelöst, so entsteht Fibrin, das beim Zentrifugieren mit den Blutzellen abgetrennt wird. Die wässrige Lösung wird in Im Gegensatz zu Blutplasma enthält das diesem Fall als Blutserum bezeichnet und enthält neben Blutserum keine gerinnungsaktiven Subden oben genannten Stoffen keine Blutgerinnungsfaktoren stanzen. mehr.

Körperflüssigkeiten und Ionogramm Im Blutplasma entspricht die Zusammensetzung der niedermolekularen Ionen im Wesentlichen der interstitiellen Flüssigkeit. Tabelle 9.1 vergleicht die Flüssigkeitskompartimente des menschlichen Körpers hinsichtlich ihrer hauptsächlich vorkommenden Ionen. Dieses Ionogramm bilanziert die positiv und negativ geladenen Ionen, die sich in ihrer elektrischen Ladung in einem Kompartiment jeweils entsprechen müssen. Es wird ersichtlich, dass der überwiegende Anteil der Kationen im Blutplasma durch Na+ gestellt wird und dass bei den Anionen auch die negativ geladenen Blutproteine eine wesentliche Rolle spielen. Die Konzentrationen aller dieser gelösten Substanzen führen insgesamt zu einer Plasmaosmolalität von ca. 290 mosmol kg– 1 H2O. Die Osmolalität des Blutes spielt eine große Rolle bei den Austauschvorgängen über die Kapillarendothelien und auch bei der glomerulären Filtration in der Niere.

Blutproteine Die Plasmaproteine bleiben normalerweise im Blut und können die Blutgefäße nur in geringer Menge verlassen. Ca. 60% der Plasmaproteine werden durch Albumine

Blutplasma

241

Tabelle 9.1 Ionenkonzentrationen in den Flüssigkeitsräumen des Körpers. (Für Ca2+ und Mg2+ ist nicht die Gesamtkonzentration im Cytosol, sondern nur die biologisch aktive Konzentration (ohne Speicher) angegeben.)

Kationen (mmol l–1 bzw. mval l–1)

Anionen (mmol l–1 bzw. mval l–1)

Ionen

Blutplasma

Interstitielle Flüssigkeit

Cytosol

Na+ K+ Ca2+ Mg2+

142 4,3 2,6 1,4

145 4,4 2,5 1,4

12 140 < 0,001 1,6

gesamt

150

153

154

Cl– HCO3– HPO42–/H2PO4– Proteine organische Phosphate u. a.

104 24 2 14 5,9

117 27 2,3 1 ~5

gesamt

150

153

4 12 29 55 54 154

gestellt. Sie verursachen den kolloidosmotischen Druck des Blutes und haben Vehikelfunktion für viele im Blut transportierte Stoffe. Albumine sind außerdem eine Proteinreserve des Körpers. Globuline dienen neben ihrer Rolle in der Immunabwehr (γGlobuline) hauptsächlich als Transportvehikel für Lipide, Eisen, Hormone und Spurenelemente (α- und β-Globuline). Solche speziellen Globuline werden als Transcortin (Cortisoltransport), Transcobalamin (Vitamin-B12-Transport), Apolipoprotein (Lipidtransport) und Haptoglobin (Hämoglobintransport) bezeichnet. Albumine und Globuline lassen sich durch Elektrophorese auftrennen und nachweisen (䉴 Abb. 9.1). Dazu wird eine Probe auf einen Objektträger aufgetragen und die Blutproteine werden in einem elektrischen Feld entsprechend ihrer Ladung und ihrer Molekülmasse aufgetrennt.

Blutfette Für die Gesundheitsvorsorge spielt die Bestimmung einzelner Blutproteine eine wichtige Rolle. So werden z. B. die speziellen Lipidtransportproteine in zwei wichtige Klassen unterteilt. LDL (low-density lipoproteins) transportieren Cholesterin von der Leber zu den Körpergeweben. Sie geben Cholesterin aber auch an das Blut ab, wo es sich an den Gefäßwänden ablagert. Die Menge an LDL zeigt also einen hohen Blutfettgehalt an. HDL (high density-lipoproteins) nehmen dagegen Cholesterin aus dem Blut und Plasmaproteine dienen unter anderem als Trägersubstanzen für Hormone, Vitamine den Gefäßwänden auf und transportieren es zur Leber. Sie und Blutfette. sind sozusagen die guten Lipoproteine des Blutes, d. h. eine

ä

242

9. Funktion von Blut und Immunsystem

hohe Menge an HDL ist vorteilhaft. Entscheidend für die medizinische Beurteilung der Blutfette sind jedoch nicht die absoluten Zahlen, sondern das Verhältnis von LDL zu HDL. Hohe LDL-Werte zusammen mit niedrigen HDL-Werten führen zu Arteriosklerose. Medizinisch gesehen ist also ein niedriger LDL/HDL-Quotient erstrebenswert, der normalerweise unter 3 liegen sollte. Bei einem Wert zwischen 3 und 5 besteht ein erhöhtes Risiko einer Herz-Kreislauf-Erkrankung oder eines Schlaganfalls, bei einem Wert von über 5 ist das Risiko für eine solche Erkrankung sehr hoch.

Blutersatzlösungen

ä

?

Bei einem plötzlichen Blutdruckabfall oder einer Verletzung des Gefäßsystems mit anschließendem Blutverlust muss das Blutvolumen durch eine Infusion einer geeigneten Lösung schnellstens wieder auf Normalwerte zurück gebracht werden. Geschieht dies nicht, drohen irreversible Organschädigungen. Bei solchen Notfällen wird meistens zunächst eine blutisotone Elektrolytlösung infundiert, die in ihrer osmolaren Zusammensetzung den Plasmaelektrolyten entspricht (䉴 Tab. 9.1). Sie ist äquivalent zu der physiologischen Kochsalzlösung (0,9%), Zur schnellen Wiederherstellung von Blutdie allerdings nur die Ionen Na+ und Cl– enthält und desvolumen und Blutdruck dienen Blutersatzhalb in diesem Fall nicht geeignet ist. Neben den einzelnen lösungen, die Plasmaelektrolyte in isoosmoIonenkonzentrationen ist die Osmolarität von entscheitischer Konzentration enthalten. dender Bedeutung. Ist die Osmolarität der Lösung zu groß (hyperton), entzieht die Lösung den Körperzellen Wasser, ist sie zu gering (hypoton), schwellen die Zellen durch den Wassereinstrom und platzen schließlich. Eine Blutübertragung erfolgt erst nach strenger Indikationsstellung und kann die entsprechenden Blutzellen und Faktoren wieder ergänzen. Um auf die Übertragung von Erythrocyten mit dem darin enthaltenen Hämoglobin zu verzichten, werden in Blutersatzlösungen neuerdings auch künstliche O2-Bindungsproteine verwendet.

Klausurfragen

1. Was ist der Hämatokrit, und welche Bestandteile des Blutes gibt es? 2. Aus welchen hauptsächlichen Komponenten setzt sich das Blutplasma zusammen, und was ist der Unterschied zum Blutserum? 3. Welche Blutgruppen gibt es beim Menschen, und wodurch wird die Blutgruppe eines Menschen festgelegt? 4. Welche Bestandteile des Rhesus-Systems können Rhesus-negative Menschen im Blut haben? 5. Welche Struktur haben Antikörper, und wie werden sie gebildet? 6. Was besagt die osmotische Resistenz? 7. Beschreiben Sie die Bildung und den Abbau der Erythrocyten. 8. Welche Arten von Granulocyten besitzt der Mensch, und welche Aufgaben haben sie? 9. Wie unterscheiden sich T-Helferzellen und cytotoxische T-Zellen? 10. Welche Systeme gibt es zur Blutgerinnung und zur Fibrinolyse?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 10

Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über den Aufbau und die Funktion des menschlichen Herz-Kreislauf-Systems, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Anatomischer Aufbau des Herz-Kreislauf-Systems. Bioelektrische Vorgänge in den verschiedenen Bereichen des Herzmuskels. Erstellung und Interpretation des Elektrokardiogramms (EKG). Mechanik der Herztätigkeit und ihre Autoregulation. Aufbau und Hämodynamik des Kreislaufsystems. Regulation der Kreislauffunktionen durch das vegetative Nervensystem. Einfluss von Hormonen auf die Druck- und Volumenregulation.

Aufgaben des Herz-Kreislauf-Systems Die für Stoffwechselvorgänge benötigten Nährstoffe und der Sauerstoff müssen nach der Aufnahme in den Körper verteilt werden, um jede Zelle ausreichend zu versorgen, und Abfallsprodukte Stoffwechsels müssen abtransportiert werden. Diese Aufgabe

244

ä

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

erfüllt das Kreislaufsystem mit dem Transportmedium Blut, denn einfache Diffusionsvorgänge durch Gewebe reichen für die Versorgung von vielzelligen Organismen nicht aus. Bei geschlossenen Kreislaufsystemen sind die Kompartimente des eigentlichen Systems und des interstitiellen Raums vollständig voneinander getrennt. Die Flüssigkeit im Kreislaufsystem ist das Blut; es macht nur etwa 10% der Flüssigkeit im Körper aus. Dadurch muss nur ein kleines Flüssigkeitsvolumen umgewälzt werden, und der Pumpaufwand ist relativ gering. Das Blut wird vom Herzen mit hohem Druck in das arterielle System gepresst, bevor es dann in die unzähligen dünnwandigen Kapillaren strömt. Dort findet über Diffusion und Filtration der Stoffaustausch mit dem GeweDas Herz-Kreislauf-System ist für den Transbe statt. Durch den hohen Blutdruck können auch speport der Nahrungsstoffe und der Blutgase zielle Austauschvorgänge in spezialisierten Organen, wie zuständig und ermöglicht die Versorgung z. B. die Ultrafiltration in den Glomeruli der Nieren, reaaller Zellen des menschlichen Körpers. lisiert werden.

Herz Die zentrale Pumpe des Kreislaufsystems ist das Herz (Cor). Zusammen mit den Gefäßen bildet es das kardiovaskuläre System. Neben seiner Aufgabe als Pumporgan produziert es in der Wand der Vorhöfe auch ein Hormon, das atriale natriuretische Peptid (ANP).

Entwicklung des Herz-Kreislauf-Systems

ä

Im Laufe der Wirbeltierentwicklung erfahren das Herz und Kreislaufsystem eine zunehmende Spezialisierung. Bereits bei den Fischen ist das Herz vierkammerig angelegt, sie haben aber noch eine Reihenschaltung ihrer Kapillargebiete (d. h. auf den Bereich der Kiemenkapillaren folgt der Bereich der Körperkapillaren). Dies führt durch den hohen Strömungswiderstand zu einem zweimaligen Druckabfall im Kreislaufsystem und deshalb zu besonderen hämodynamischen Problemen. Bei den Amphibien und Reptilien sind Herz und Kreislaufsystem zwar durch die zusätzliche Kompartimentierung der parallelen Vorkammern weiterentwickelt, sie besitzen allerdings eine gemeinsame Kammer, sodass dort venöses und arterielles Blut teilweise durchmischt wird. Das Kreislaufsystem der Vertebraten entErst bei den Vögeln und Säugetieren werden die artewickelt sich von einer Reihenschaltung riellen und venösen Anteile des Kreislaufsystems durch (bei Fischen) zu einer Parallelschaltung (bei eine vollständig ausgebildete Scheidewand in der Kammer Vögeln und Säugetieren). Bei Amphibien voneinander getrennt. Dadurch entstehen die beiden und Reptilien sind zwar parallele Kreisläufe vorhanden, Körperkreislauf und LungenAbschnitte des Kreislaufsystems, der Lungenkreislauf und kreislauf sind funktionell aber noch nicht der Körperkreislauf (䉴 Abb. 10.1). Das Blut fließt vom vollständig getrennt, wie dies beim Menlinken Ventrikel des Herzens über die Aorta in den Körper schen der Fall ist. und zurück über die Hohlvene und die rechte Vorkammer

Herz

Lungenarterie

Lungenvene

Lunge

li. Ventrikel

li. Atrium

Herz

re. Ventrikel

Aorta 10.1

re. Atrium

Körperkapillaren

Hohlvene

Kreislaufsystem. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005; Penzlin 2005.)

in die rechte Herzkammer. Von dort fließt es über die Lungenarterie, Lunge und Lungenvene in die linke Vorkammer und schließlich wieder in die linke Herzkammer. Auf diese Weise führt der Blutkreislauf zweimal durch das Herz, erst durch die linke und dann durch die rechte Herzhälfte.

Aufbau der Herzkammern und der Herzklappen Das Herz des erwachsenen Menschen ist ein etwa faustgroßes kegelförmiges Organ aus mehreren Kammern, das von den umgebenden Herzkranzgefäßen versorgt wird (䉴 Abb. 10.2). Es befindet sich zwischen den beiden Lungenflügeln im Mediastinum. Beim gesunden Erwachsenen hat das Herz eine Masse von etwa 300 g und ist ein asymmetrisches Organ (䉴 Abb. 10.3a). Es besteht aus zwei Hälften, die jeweils eine Vorkammer (Atrium) und eine Kammer (Ventrikel) besitzen (䉴 Abb. 10.4). Diese werden durch das Vorhof- und das Kammerseptum voneinander getrennt. Das aus der Lungenvene kommende Blut fließt in die linke Vorkammer und strömt durch die Segelklappe (Mitralklappe) in die linke Kammer. Von dort aus wird es durch die Ventrikelkontraktion durch eine Taschenklappe (Aortenklappe) in die Aorta und weiter in den Körper gepresst. Da dafür ein hoher Druck notwendig ist, besteht der linke Ventrikel anatomisch aus einem kreisförmigen, dicken, schlauchartig ausgebildeten Muskel. Die Segelklappen bestehen aus zwei Segeln, die an langen Sehnenfäden und Papillarmuskeln gehalten werden. Die Taschenklappen bestehen aus drei vollständig gegeneinander schließenden Taschen. Die rechte Herzhälfte hat anatomisch eine viel dünnere Wandmuskulatur, die der linken Herzhälfte, wie im Querschnitt sichtbar ist, halbmondförmig aufgesetzt ist (䉴 Abb. 10.3a). Das Blut strömt aus der Hohlvene in die rechte Vorkammer und wird von dort durch eine Segelklappe (Trikuspidalklappe) in den rechten Ventrikel gedrückt. Von dort aus wird das venöse Blut unter geringerem Druck (ca. 40 mm Hg)

245

246

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

Aortenbogen obere Hohlvene (V. cava superior)

Truncus pulmonalis linke Koronararterie (A. coronaria sinistra)

Pulmonalklappe rechte Koronararterie (A. coronaria dextra)

Ramus circumflexus Ramus interventricularis anterior untere Hohlvene (V. cava inferior)

10.2 Vorderansicht des Herzens mit den zu- und abführenden Gefäßen und dem Verlauf der Koronargefäße. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

a Veränderung der Herzmasse Sportler

Erwachsener

linke Kammer

rechte Kammer

Neugeborenes

20 g 300 g 500 g b Herzmechanik (Saug-Druck-Pumpe) linke Vorkammer rechte Vorkammer

Verlagerung der Ventilebene Segelklappen

rechte Kammer Systole

linke Kammer Diastole

10.3 Herzmasse und Herzmechanik. a) Asymmetrischer Aufbau des Herzens und Veränderung der Herzmasse durch Wachstum und Training. b) Veränderung der Ventilebene in Systole und Diastole.

Herz

Lungenarterie

247

Aorta

SinusHohlvene knoten

Lungenvene linkes Atrium

rechtes Atrium Trikuspidalklappe Pulmonalklappe HisBündel rechter Ventrikel

AV-Knoten Mitral-klappe Aortenklappe linker Ventrikel PurkinjeFasern

10.4

Schema des Herzens.

durch die Pulmonalklappe in die Lunge geführt. Durch abwechselnde Kontraktion und Entspannung der Vor- und Hauptkammern wirkt die Herzmechanik wie eine Saug-Druck-Pumpe, indem sich die Ventilebene der Segelklappen ständig auf und ab bewegt (䉴 Abb. 10.3b). Während der Entwicklung eines Organismus wächst die Herzmasse von etwa 20 g beim Neugeborenen auf ca. 300 g beim Erwachsenen. Durch Training kann sich die Herzmasse beim Ausdauersportler bis auf ca. 500 g vergrößern (䉴 Abb. 10.3a), da sich Myokardzellen neu bilden und die Herzmuskulatur verstärkt kapillarisiert wird. Dabei dehnen sich allerdings auch die bindegewebigen Anteile des Herzens, zu denen die Herzklappen, die innere Herzwandschicht (Endokard) und der das Herz umgebende Herzbeutel (Perikard) gehören. Wird das Training reduziert und bildet sich dadurch die Herzmuskelmasse zurück, kann es zu mechanischen Komplikationen kommen, da sich die bindegewebigen Strukturen nicht in gleichem Maße zurück entwickeln. Deshalb ist es notwendig, dass ein vergrößertes Sportlerherz durch ständiges Training auf einer gewissen Die Anatomie der Vorkammern und KamHypertrophie gehalten wird. Eine Hypertrophie des Herz- mern (Form und Wanddicke) ist für die muskels erfolgt allerdings auch bei pathophysiologischen Pumpfunktion des Herzens entscheidend. Durch Training kann die Herzmasse vergröVeränderungen wie einem hohen Blutdruck. Hier nimmt ßert werden (Sportlerherz). vor allem die Wanddicke des linken Ventrikels zu.

Aufbau der Herzwand Die Muskelschicht des Herzens wird als Myokard bezeichnet. Sie besteht aus einem Netz von quergestreiften Muskelfasern, die von Herzmuskelzellen (Myocyten) gebildet werden, welche durch Glanzstreifen verbundenen sind (䉴 Kap. 5). Das Myokard nimmt eine Sonderstellung zwischen glatter und quergestreifter Muskulatur ein. Es ist die kontrahierende Schicht der Herzwand.

ä

248

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

Endokard und Perikard Das Endokard kleidet als dünne Epithelschicht die Kammern und Vorkammern aus und bildet die innere Oberfläche des Herzens. Es überzieht auch die Klappen. Durch bakteriellen Befall kann es sich chronisch entzünden, wodurch eine lebensbedrohliche Endokarditis entstehen kann. Der Herzbeutel (Perikard) ist eine bindegewebige elastische Umhüllung des Herzens und stabilisiert dessen Lage. Er ist mit einer serösen Flüssigkeit gefüllt und beeinflusst auch die Form des Herzens, indem er eine Überdehnung des rechten Ventrikels verhindert.

Bioelektrizität des Herzens Um das Blut durch die mechanische Arbeit des Herzmuskels im Kreislauf umzuwälzen, ist das Herz als eine mehrkammrige, mit Ventilen versehene Pumpe aufgebaut. Während des Pumpvorgangs kontrahiert sich der Herzmuskel rhythmisch (Systole) und entspannt sich wieder (Diastole). Die einzelnen Zellen des Herzmuskels arbeiten dabei koordiniert zusammen, indem sie ihre elektrische Aktivität über gap junctions synchronisieren. Dabei funktioniert das Herz autorhythmisch, d. h. es generiert seinen Takt in eigenen Schrittmacherzentren.

Schrittmacher und ihre Potenziale

ä

Jede einzelne Herzmuskelzelle muss zur Muskelkontraktion zunächst ein Aktionspotenzial (AP) ausbilden. Es gibt im Herzen bestimmte Zellverbände, die sich als Schrittmacher spezialisiert haben, und beim Menschen sind diese Schrittmacherzellen umgewandelte Muskelzellen (myogene Schrittmacher). Sie besitzen ein instabiles Ruhepotenzial und generieren ständig neue APs. Beim menschlichen Herz (䉴 Abb. 10.4) liegt der Sinusknoten am rechten Vorhof und der Atrioventrikularknoten (AVKnoten) am Übergang der Vorkammern zu den Hauptkammern. Generell dominiert der Schrittmacher mit der höchsten AP-Frequenz die anderen Schrittmacher und Herzmuskelzellen. Normalerweise ist der Sinusknoten die dominierende Schrittmacherregion. Fällt er aus, können die untergeordneten Schrittmacherzellen des AVKnotens eine neue, langsamere Schrittmacherfrequenz generieren. Werden die Schrittmacheraktivitäten und die Erregungsausbreitung im Herzmuskel desynchronisiert, können einzelne isolierte Bereiche des Herzmuskels ihre eigenen lokalen Schrittmacher und davon beeinflusste, kleine Herzmuskelbezirke mit eigener Frequenz bilden. Diese Desynchronisierung führt oft zum äußerst gefährlichen Herzflimmern, bei dem die Pumpfunktion des Herzmuskels nicht mehr koordiniert ablaufen kann. Die SchrittDas Herz generiert in eigenen myogenen macherzentren werden durch Neurone des vegetativen Schrittmacherzentren autorhythmisch Aktionspotenziale. Das dominierende Nervensystems innerviert, der Sinusknoten dagegen speSchrittmacherzentrum ist der Sinusknoten, ziell durch parasympathische Neurone. Letztere hemmen der dem nachgeordneten AV-Knoten nordurch Freisetzung von Acetylcholin die AP-Frequenz der malerweise seinen Rhythmus aufzwingt. Schrittmacherzellen.

Herz

249

Schrittmacherzellen haben nur wenige kontraktile Elemente (Actin und Myosin) und ein vereinfachtes System von T-Tubuli. Sie enthalten viel Glykogen, sind sehr stoffwechselaktiv und größer als normale Herzmuskelzellen. Funktionell unterscheiden sie sich vom Arbeitsmyokard vor allem dadurch, dass sie ein instabiles Ruhepotenzial bilden, das zudem mit ca. –40 mV deutlich niedriger als das des Arbeitsmyokards (–80 mV) ist und ständig langsam depolarisiert. Diese spontane Depolarisation wird anfangs durch einen Na+-Einwärtsstrom (Schrittmacherstrom) getragen, der dann im weiteren Verlauf durch einen Ca2+-Einwärtsstrom verstärkt wird. Dazu werden zunächst Ca2+-Kanäle vom T-Typ und ab dem Schwellenwert die L-Typ-Calciumkanäle aktiviert, die den eigentlichen Depolarisationsstrom tragen. Im Gegensatz zu normalen Muskel- und Nervenzellen wird so die Depolarisation der Schrittmacherzellen hauptsächlich durch Ca2+- und nicht durch Na+-Ionen getragen. Schrittmacherzellen weisen auch kein Plateau ihres Aktionspotenzials auf. Für die Repolarisation werden die L-Typ-Calciumkanäle inaktiviert und gleichzeitig der K+Strom langsam aktiviert.

Erregungsleitungssystem Vom Sinusknoten, der sich an der hinteren Wand des rechten Vorhofs befindet, wird die spontane, rhythmische Erregungsbildung über gap junctions auf die Zellen der Vorhofmuskulatur übertragen. Darauf bilden diese Zellen eigene Aktionspotenziale und kontrahieren. Die Erregung wird weiter zum AV-Knoten geleitet (䉴 Abb. 10.4), der am Übergang vom Vorhof zur Kammer und dem Beginn der Trennwand (Septum) lokalisiert ist. Vom AV-Knoten führt ein spezialisiertes Erregungsleitungssystem (His-Bündel) von Muskelfasern im Septum bis an die Herzspitze und verzweigt sich dort in einen rechten und einen linken Kammerschenkel (Tawara-Schenkel), die in die netzartigen Purkinje-Fasern übergehen. Von ihnen wird die Erregung auf die Kammermuskulatur übergeleitet und in der Muskulatur dann über gap junctions von Zelle zu Zelle weitergegeben. Dieses spezielle Erregungsleitungssystem sorgt dafür, dass sich die Erregungswellen in den Vorkammern von oben nach unten, in den Hauptkammern aber von unten nach oben ausbreiten. Auf diese Weise wird die Kontraktionsrichtung und damit die Pumpfunktion der einzelnen Kammern festgelegt. Durch die Frequenz der Spontandepolarisationen entsteht auch die Hierarchie des Schrittmachersystems. Da die Zellen des Sinusknotens mit 60–80 APs pro Minute am häufigsten depolarisieren, fungiert dieser Knoten als primärer Schrittmacher. Die Zellen des AV-Knotens depolarisieren mit einer Frequenz von 40–50 APs pro Minute. Er wirkt deshalb als sekundärer Schrittmacher, der nur in Aktion tritt, wenn der Sinusknoten ausfällt. Auch die Zellen des His-Bündels und der Kammerschenkel depolarisieren spontan, allerdings mit einer noch langsameren Frequenz von 30– 40 APs pro Minute. Sie werden deshalb als tertiärer Schrittmacher bezeichnet. Vom Sinusknoten bis zum AV-Knoten Das Erregungsbildungs- und -leitungssystem dauert es ca. 60 ms bis das gesamte Vorhofmyokard erregt des Herzens ist hierarchisch gegliedert und ist. Am AV-Knoten wird die Erregung verzögert übergelei- bestimmt durch seinen anatomischen Verlauf die Kontraktionsrichtung der Kammern und tet, um zu vermeiden, dass die Kammern erregt werden, damit die Pumpfunktion. bevor Vorkammererregung und Kontraktion abgeschlossen

ä

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

sind. Diese AV-Überleitungszeit dauert auch etwa 60 ms. Im His-Bündel und bis zu den Purkinje-Fasern wird die Erregung mit 20 ms am schnellsten geleitet.

Bildung der Aktionspotenziale des Herzmuskels

Druck [N cm–2]

Das Aktionspotenzial einer Herzmuskelzelle hat eine spezielle Form mit einem langen Plateau (䉴 Abb. 10.5, unten). Die Depolarisation wird durch die Öffnung von Na+-Kanälen und den Einstrom von Na+ getragen. Dadurch kommt es zu einem schnellen Aufstrich des APs bis etwa +20 mV. Daran schließt sich eine kurze teilweise Repolarisation an, für die ein transienter K+-Auswärtsstrom und ein Einstrom von Cl–Ionen in der Zelle verantwortlich sind. Diese kurze Phase der Depolarisation und partiellen Repolarisation dauert wenig mehr als eine Millisekunde. An sie schließt sich eine lange Plateauphase von 200–300 ms Dauer an. Sie wird durch einen langsamen Ca2+-Einstrom, der durch spannungsabhängige Aktivierung von L-Typ-Calciumkanälen verursacht wird, hervorgerufen. Dieser positive Einwärtsstrom steht im Gleichgewicht mit den Strömen der Repolarisation, die erst die Oberhand gewinnen, wenn die Ca2+-Kanäle allmählich inaktiviert werden. Dann setzt die Repolarisationsphase durch die Aktivierung verschiedener K+-Kanäle ein. Dabei spielt der K+-Auswärtsstrom eine besonders wichtige Rolle. Durch den Ausstrom der K+-Ionen wird das Membranpotenzial wieder in den negativen Bereich umgepolt und strebt den Wert des ursprünglichen Ruhepotenzials von ca. 80–90 mV an. Während des Plateaus befindet sich die Herzmuskelzelle in der absoluten Refraktärphase, d. h. es kann während dieser Zeit kein neues Aktionspotenzial ausgelöst werden. Deshalb entsteht im Herzmuskel auch bei hoher Herzfrequenz kein Tetanus.

Kammerdruck

Spannung [mV]

R

Zeit [ms] EKG

1,0 0,5

T

P

0 Q

S Zeit [ms]

10.5

Bioelektrizität und Pumpfunktion des Herzens.

Spannung [mV]

250

Aktionspotenzial 0 –90 Zeit [ms]

Herz

251

Außerdem kommt auch nicht zu einer Superposition von Einzelzuckungen, wie es im quergestreiften Muskel der Fall ist. Die relative Refraktärphase beginnt bei der Herzmuskelzelle erst dann, wenn sich das Membranpotenzial in der Repolarisationsphase wieder auf ca. –40 mV umgepolt hat. Erst dann ist ein neues Aktionspotenzial auslösbar, das aber kleiner und kürzer ist und zudem schlechter weitergeleitet wird, sodass in dieser Durch die lange Plateauphase des Aktionspotenzials sind die Herzmuskelzellen nicht vulnerablen Phase Extrasystolen und Arrhythmien auftre- tetanisierbar. ten können.

Elektromechanische Kopplung und Herzmuskelkontraktion Die Herzmuskelzellen sind zwar durch die Glanzstreifen voneinander getrennt, aber über die gap junctions dieser Strukturen elektrisch gekoppelt (elektrische Synapsen). Ihre kontraktilen Strukturen sind denen einer quergestreiften Muskelzelle sehr ähnlich, und auch das Erregungssystem besteht, ähnlich wie in diesen Zellen, aus transversalen Tubuli (T-Tubuli) und einem speziellen sarkoplasmatischen Reticulum. Während der Plateauphase des APs öffnen sich in der Membran der T-Tubuli die L-Typ-Calciumkanäle und Ca2+ strömt in die Herzmuskelzelle. Durch diesen initialen Ca2+-Einstrom werden Ca2+-Kanäle im sarkoplasmatischen Reticulum aktiviert, sodass Ca2+ weiterhin massiv in die Zelle fließt. Dieses aktiviert das regulatorische Protein Troponin C, das wiederum den kontraktilen Apparat der Actin- und Myosinfilamente in Gang setzt. Die Herzmuskelkontraktion verläuft dann ähnlich wie in einer quergestreiften Muskelzelle.

Wirkung externer Einflüsse auf die Herztätigkeit Herzmuskelzellen können durch die Überträgerstoffe Adrenalin und Noradrenalin über b-Adrenorezeptoren aktiviert werden. Während Adrenalin über die Blutzirkulation an die Herzmuskelzellen gelangt, stammt Noradrenalin aus lokalen Speichern der sympathischen Nervenendigungen im Herzmuskel. Adrenalin und Noradrenalin wirken über G-Proteine, cAMP und Proteinkinase A auf die L-Typ-Calciumkanäle, deren Aktivität sie erhöhen und damit einen vermehrten Ca2+-Einstrom in die Zelle auslösen. Es kommt dadurch zu einer stärkeren Kraftentwicklung (positive Ionotropie) der Herzmuskelzelle. Adrenalin und Noradrenalin beschleunigen auch die Depolarisation der Schrittmacherzellen im Sinusknoten, sodass sich die Herzfrequenz erhöht (positive Chronotropie). Einen gegenteiligen Effekt (negative Chronotropie) bewirkt das vom N. vagus ausgeschüttete Acetylcholin, welches über muscarinische Rezeptoren der Sinusknotenzellen wirkt. Auch die Schrittmacherzellen des AV-Knotens werden durch sympathische und parasympathische Einflüsse moduliert. Eine sympathische Stimulation dieser Zellen bewirkt eine schnellere Fortleitung der Erregung und wird als positive Dromotropie bezeichnet. Die Erregung des N. vagus hat dagegen einen gegenteiligen Effekt (negative Dromotropie). Eine übermäßige Stimulation des AV-Knoten durch den Parasympathikus bewirkt eine vollständige Blockade (AV-Block). Kontraktionskraft und Frequenz des Herzmuskels werden auch durch Störungen des Elektrolythaushalts hervorgerufen. Hierbei spielen insbesondere Calcium, Mag-

ä

252

Überträgerstoffe des vegetativen Nervensystems oder Elektrolytverluste können die Herzfunktion in ihrer Kraftentwicklung und Schnelligkeit beeinflussen.

nesium und Kalium eine Rolle. K+-Mangel entsteht im Körper oft unbeabsichtigt durch eine unkontrollierte Verwendung von Laxantien (Abführmittel), die durch einen ständigen K+-Verlust im Stuhl zu einer funktionellen Herzschwäche führen können.

Elektrokardiogramm (EKG) Durch die zeitliche Abfolge der Aktionspotenziale aller Herzmuskelzellen ändert sich auch deren Oberflächenladung in einem regelmäßigen zeitlichen Muster. Dies macht man sich im diagnostischen Verfahren des Elektrokardiogramms (EKG) zunutze (䉴 Abb. 10.5 und 10.6), mit dem man die Erregungsbildung und Weiterleitung im Herzmuskel untersuchen kann. Die Ableitungselektroden liegen extrazellulär (䉴 Abb. 10.6a), weshalb nur die elektrischen Veränderungen im Extrazellulärraum des Herzens gemessen werden, die über die flüssigkeitsgefüllten Hohlräume des Körpers (Blutgefäßsystem) an die Körperoberfläche geleitet werden.

b Summationsvektor und Herzlage

a EKG-Ableitung

I. Ableitung

erregt rechter Arm

linker Arm

II.

Ab leit

un

g

Summationsvektor

leit Ab g

un

nicht erregt virtueller innerer Ableitungspunkt

linkes Bein

c Vektorintegration

Ableitungselektrode Erdungselektrode

III.

ä

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

Ableitungselektrode

Teilvektor rechte Kammer

Teilvektor linke Kammer Summationsvektor

10.6 Elektrokardiogramm. a) Übersicht der Ableitungspunkte. b) Summationsvektor und Bestimmung der Herzlage. c) Vektorintegration zur Bestimmung des Summationsvektors.

Herz

253

Bioelektrische Grundlagen des EKG Die Ein- und Auswärtsströme des Aktionspotenzials erzeugen an der Zelloberfläche und im extrazellulären Raum ein elektrisches Feld. Zwischen erregten und noch nicht erregten Herzmuskelzellen bildet sich dabei ein Dipol aus, der auf den unterschiedlichen Oberflächenladungen dieser Zellen beruht. Im elektrischen Feld eines Dipols wirkt eine gerichtete Kraft, die als Feldstärkevektor bezeichnet wird. Aus der Ableitung des elektrischen Feldes zwischen zwei extrazellulären Messpunkten, kann der Feldstärkevektor als räumliche Linie und Summationsvektor abgeleitet werden. Seine Größe und Richtung setzt sich aus den Teilvektoren aller gleichzeitig vorhandenen Dipole zusammen (䉴 Abb. 10.6b), und er ändert im Verlauf eines Erregungszyklus seine Größe und Richtung. Diese zeitlichen extrazellulären Feldstärkeänderungen werden im EKG als Potenzialänderungen dargestellt (䉴 Abb. 10.5, Mitte). In der klassischen Ableitungsart nach Eindhoven werden vier Elektroden am Körper angebracht, jeweils eine am rechten und linken Arm und zwei weitere am rechten und linken Bein. Die Elektrode am rechten Bein bewirkt die messtechnisch notwendige Erdung des Messverstärkers. Die anderen drei Messelektroden sind die eigentlichen Ableitungselektroden. Sie werden zu der Messung der drei Ableitungen jeweils wie folgt verschaltet (䉴 Abb. 10.6a,b): I. Ableitung zwischen rechtem und linkem Arm, II. Ableitung zwischen rechtem Arm und linkem Bein und III. Ableitung zwischen linkem Arm und linkem Bein. Jede dieser Ableitungen registriert ein EKG aus einer unterschiedlichen Projektion (Ableitungsebene). Entsprechend sind die zeitlichen Veränderungen des EKG zwar synchron, die Amplituden der abgeleiteten Signale aber verschieden groß (䉴 Abb. 10.6b).

Herzlage und elektrische Herzachse Im His-Bündel des Septums werden viele Myokardzellen in einer gradlinig durchlaufenden Erregungsrichtung aktiviert. Dadurch ist der aus der Vektoraddition hervorgehende Summationsvektor (䉴 Abb. 10.6c) am größten, was sich in der größten Amplitude (R-Zacke) des EKGs zeigt. Die R-Zacken aller drei Ableitungen können wiederum zu einem Summationsvektor addiert werden, der dann in einer zweidimensionalen Auswertung (䉴 Abb. 10.6b) der elektrischen Herzachse entspricht. Auf diese Weise kann die Lage des Herzens im Thorax auch elektrisch bestimmt werden. Normalerweise liegt das Herz mit der Spitze leicht nach links versetzt im Thorax, wie es auch in Abbildung 10.6b anhand des Summationsvektors dargestellt ist. In dieser Lage ist die R-Zacke der II. Ableitung Das Elektrokardiogramm (EKG) gibt Auf(rechter Arm – linkes Bein) am größten. Bei Schwanger- schluss über die Erregungsbildung und schaften verdrängt der Fötus das Herz oft weiter nach links -leitung des Herzens. Dazu leitet man den oben. Der Summationsvektor dreht sich dann weiter nach räumlichen und zeitlichen Verlauf der Oberflächenladung aller Myokardzellen als Sumlinks, weil die R-Zacke in der II. Ableitung kleiner und die I. mationsvektor extrazellulär an der Körperoberfläche ab. Ableitung größer wird.

ä

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

EKG-Bild Das charakteristische Bild eines EKGs, wie es z. B. die II. Ableitung registriert, wird in Abbildung 10.7 gezeigt. Man unterscheidet verschiedene Abschnitte, die für den normalen Erregungsablauf typisch sind. Als diphasisches Signal weist das EKG Ausschläge aus einer Nulllinie sowohl in den positiven als auch in den negativen Bereich auf. Man unterscheidet zwischen Wellen und Zacken. Die Bereiche zwischen den Wellen oder Zacken werden als Strecken bezeichnet. Intervalle fassen mehrere Wellen und Zacken zusammen. Das EKG beginnt mit der P-Welle, die durch die Erregung der Vorhöfe zustande kommt. Nach der Vorhoferregung kehrt das Signal in die Nulllinie zurück und wird während der PQ-Strecke über den AV-Knoten und das His-Bündel in das Septum geleitet. Die Septumerregung wird durch die Q-Zacke repräsentiert. Die Erregung der Hauptkammern geschieht im QRS-Komplex, wobei die Erregung an der Spitze der R-Zacke die Herzspitze erreicht hat. Bei der S-Zacke ist die Erregungswelle an der Herzbasis angekommen, sodass die ST-Strecke die maximale Erregung der Hauptkammern darstellt. Sie liegt in der Nulllinie, da sich jetzt alle Einzelvektoren elektrisch neutralisieren. Die Erregungsrückbildung wird durch die T-Welle angezeigt. Alle diese Vorgänge spielen sich innerhalb von ca. 0,5 s ab und die maximale Amplitude des Signals (R-Zacke) beträgt ca. 1 mV.

Störungen der Erregungsbildung und Erregungsleitung

T-Welle

ST-Strecke

QRS-Komplex

PQ-Strecke

P-Welle

Die Geschwindigkeit der Erregungsfortleitung kann man Mithilfe der Zeitintervalle beurteilen. Das PQ-Intervall (䉴 Abb. 10.7) beträgt ca. 0,2 s und ist frequenzunab-

R [ ]

Spannung mV

254

T

P

Q

10.7

Elektrokardiogramm.

S Zeit

Herz

255

hängig. Ist es verlängert, spricht das für eine Überleitungsstörung der Erregung von den Vorhöfen auf die Hauptkammern. Man bezeichnet diesen Zustand als AV-Block, von dem es verschiedene Typen gibt. Das QT-Intervall ist frequenzabhängig und beträgt bei einer Herzfrequenz von 70 Schlägen pro Minute etwa 0,35 s. Es stellt den normal physiologischen Regelbereich des elektrischen Herzzyklus dar und nimmt mit zunehmender Herzfrequenz ab. Das Intervall entspricht der Zeitdauer des Erregungsauf- und -abbaus in den Hauptkammern. Beträgt das QT-Intervall bei einer normalen Herzfrequenz in Ruhe von ca. 70 Schlägen pro Minute mehr als 0,4 s, deutet das entweder auf gestörte Erregungsleitung in den Hauptkammern (Kammerschenkelblock) oder auf eine ventrikuläre Durchblutungsstörung (Ischämie) hin. Eine Ischämie der Muskulatur der Hauptkammern führt häufig zu einer Anhebung oder Absenkung der ST-Strecke. Dies ist insbesondere im EKG nach einem frischen Herzinfarkt deutlich zu erkennen. Der geschädigte Teil der Kammermuskulatur wird nur unvollständig erregt, sodass sich die einzelnen Vektoren bei Vollerregung der Kammer nicht mehr gegenseitig in die Nulllinie ausgleichen und so ein ungleicher Summationsvektor übrig bleibt. Oft werden im Herzzyklus Rhythmusstörungen beobachtet. Während gelegentliche Extrasystolen im Allgemeinen harmlos sind, können länger anhaltende Rhythmusstörungen die Pumpfunktion vermindern oder sogar zum plötzlichen Herztod führen. Eine pathophysiologisch erhöhte Herzfrequenz bezeichnet man als Tachykardie, eine verlangsamte Fre- Das EKG zeigt ein charakteristisches Bild, quenz als Bradykardie. Bei den Tachykardien unterscheidet dessen Amplitude (Zacken, Wellen) und man noch zwischen Herzflattern und Herzflimmern, das in zeitlicher Verlauf (Strecken, Intervalle) zu diagnostischen Zwecken herangezogen Extremfällen Frequenzen bis 350 Kontraktionen pro Minute werden. erreichen kann.

Mechanik der Herztätigkeit Die von der Bioelektrizität des Herzens produzierten Kontraktionen der Myokardzellen werden durch den anatomischen Aufbau des Herzens, seiner Kammern und der angrenzenden Gefäße in eine koordinierte mechanische Arbeit umgesetzt. Das Herz sorgt als Pumpe für die kontinuierliche Zirkulation des Blutvolumens und passt die Pumpleistung durch sein reguliertes Schlagvolumen und Herzminutenvolumen rasch an die Bedürfnisse des Organismus an.

Kontraktion des Herzens Da der kontraktile Apparat des Herzmuskels und seiner Myokardzellen dem der quergestreiften Muskelzellen entspricht, können sie die von der Skelettmuskulatur bekannten Kontraktionsformen durchführen. Die Begriffe dieser Kontraktionsformen wurden aber entsprechend der Pumpfunktion von Strecken- zu Volumenbezeichnungen geändert. Die isometrische Kontraktion des Skelettmuskels wird beim Herzmuskel als isovolumetrische Kontraktion bezeichnet. Sie entsteht, wenn der Blutausstrom bei noch geschlossener Klappe verhindert wird. Bei dieser Anspannungskontraktion wird nur der Druck erhöht, das Kammervolumen bleibt gleich.

ä

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

Der isotonen Kontraktion des Skelettmuskels entspricht die isobare Kontraktion des Herzmuskels. Ändern sich Länge und Spannung eines Muskels während einer Kontraktion gleichzeitig, spricht man von einer auxotonen Kontraktion. Beim Herzmuskel wird dies als auxobare Kontraktion bezeichnet. Normalerweise findet man am Herzmuskel eine Unterstützungskontraktion, wenn alle Strukturen, also auch die Herzklappen, funktionell intakt sind. Bei dieser Kontraktionsform kommt es erst zu einer Druck- und anschließend zu einer Volumenänderung.

Arbeit der Herzmuskulatur Die Herzarbeit errechnet sich als Veränderung des Produkts von Druck und Strömung. Dabei ist die Strömung proportional zur Volumenänderung des Herzens bei der Kontraktion. Basierend auf diesen Zusammenhängen kann man eine DruckVolumen-Beziehung jedes Ventrikels, wie in Abbildung 10.8 gezeigt, darstellen. Der gegen den Uhrzeigersinn ablaufende Zyklus beginnt bei Punkt A, wenn sich die Segelklappen öffnen und sich der Ventrikel in der Diastole entlang der Ruhedehnungskurve der Muskulatur aufweitet und mit Blut füllt. Diese Volumenerweiterung findet zwischen den Punkten A und B statt. Bei B beginnt die Systole mit dem Schließen der Segelklappen und einer isovolumetrischen Anspannungsphase zwischen B und C. Hierbei bleibt das Volumen des Ventrikels gleich, und nur der Druck erhöht sich durch die Anspannung der Ventrikelwand. Bei Punkt C ist der Druck im Ventrikel größer als in den angrenzenden Gefäßen (z. B. in der Aorta), sodass sich die Taschenklappen öffnen und das Blut in der Austreibungsphase der Systole, zwischen C und D, aus der Kammer gepresst wird. Dabei ändern sich sowohl Druck als auch Volumen; es handelt sich in diesem Abschnitt um eine auxobare Kontraktion. Das Volumen

Blutdruck

256

Schließen der Taschenklappen

Austreibungsphase (Systole) Öffnen der Taschenklappen

D C isovolumetrische Entspannungsphase (Diastole)

Öffnen der Segelklappen

Füllungsphase (Diastole) A

isovolumetrische Anspannungsphase (Systole)

Ruhedehnungskurve B Schließen der Segelklappen

Schlagvolumen Ventrikelvolumen 10.8 Mechanischer Herzzyklus. A, B, C und D, Volumina und Druck in verschiedenen Stadien des Herzzyklus. (Verändert nach Penzlin 2005.)

Herz

257

nimmt dabei bis zu einem Minimum ab, und die Aortenklappen schließen sich. Zwischen D und A kommt es zu einer isovolumetrischen Entspannungsphase der Diastole. Das Minimalvolumen bleibt gleich, während sich der Druck auf ein Minimum senkt. Bei A beginnt der Zyklus erneut, indem sich die Segelklappen öffnen und wieder Blut aus den Vorhöfen in die Ventrikel strömt. Beim linken und rechten Ventrikel läuft dieser Zyklus (Druck-Volumen-Schleife) gleichzeitig ab. Allerdings sind die Dimensionen in y-Richtung (Druck) verschieden, da der rechte Ventrikel aufgrund seiner anatomischen Beschaffenheit (halbmondförmiger Querschnitt mit dünnerer Wand) einen geringeren Druck entwickelt. Füllungsphase (A–B) und Austreibungsphase (C–D) sind gleich, da beide Ventrikel das gleiche Volumen pumpen, allerdings mit unterschiedlichem Druck. Während der linke Ventrikel normalerweise einen Austreibungsdruck von bis zu 120 mm Hg in die Aorta entwickelt, pumpt der rechte Ventrikel bis etwa maximal 40 mm Hg in die Lungenarterie, in der ein mittlerer Druck von ca. 15 mm Hg herrscht. Deshalb wird klar, wie wichtig der unterschiedliche anatomische Aufbau der Ventrikel für die Pumpleistung ist. Würden bei unterschiedlichem Druck pro Kontraktion nicht die gleichen Volumina Die Herzmuskulatur arbeitet mit ähnlichen Kontraktionsformen wie die Skelettmuskulaausgeworfen, käme es zu einer Dekompensation, die all- tur, allerdings wurden die Bezeichungen von mählich zu einer lebensbedrohlichen Volumenverschiebung Strecken- in Volumenangaben geändert. zwischen dem Körperkreislauf und dem Lungenkreislauf führen würde.

ä

Herztöne Durch die gerade beschriebenen Abläufe der Herzkontraktionen werden zwei Herztöne erzeugt. Der erste Herzton entsteht zwischen B und C (䉴 Abb. 10.8) in der isovolumetrischen Anspannungsphase, in der sich das Myokard schnell um das inkompressible Kammervolumen kontrahiert und ins Schwingen gerät. Dabei entsteht ein länger dauernder, dumpfer Ton. Der zweite Herzton ist kürzer und heller und entsteht durch die plötzliche Anspannung von Aortenklappe und Aortenwand auf dem Höhepunkt der Systole. Durch das diagnostische Verfahren der Auskultation lässt sich mithilfe der Herztöne die Funktion der Klappen beurteilen.

Regulation der Herzmechanik nach Frank-Starling Die Forscher Frank und Starling entdeckten unabhängig voneinander den Mechanismus der Regulation des Schlagvolumens. Dabei handelt es sich um das durch jeden Herzschlag transportierte Blutvolumen. Es entspricht der Volumendifferenz zwischen dem enddiastolischen Füllungsvolumen (Punkt B in Abbildung 10.8) und dem endsystolischen Füllungsvolumen (Punkt D in Abbildung 10.8), also dem vom Ventrikel ausgepumpten Volu- Nach dem Frank-Starling-Mechanismus wird men. Abhängig von den Druckverhältnissen im Kreislauf, das vom Herzen ausgeworfene Schlagvoluder Dehnbarkeit der Ventrikelwand und der Zeit, die zur men autoregulatorisch an die Erfordernisse Füllung des Ventrikels gebraucht wird, können sich Ände- angepasst. Dabei spielen das enddiastolische Füllungsvolumen und die Kammervordehrungen im Schlagvolumen sowohl durch Änderungen der nung eine entscheidende Rolle. enddiastolischen Füllung B als auch der endsystolischen

ä

258

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

Entleerung D ergeben. Diese mechanische Autoregulation des Schlagvolumens wird als Frank-Starling-Mechanismus bezeichnet. Mit ihm wird das Schlagvolumen, in Abhängigkeit von der Dehnung (Füllung) des vorhergegangenen Herzzyklus und den Druckbedingungen in den Gefäßen, mit jedem Herzzyklus neu reguliert.

Kreislauf Das vom Herzen ausgeworfene Blutvolumen strömt durch das Gefäßsystem, das aus Arterien, Kapillaren und Venen besteht (䉴 Abb. 10.9). Das geschlossene Kreislaufsystem des Menschen wird aus den zwei funktionell hintereinander geschalteten Pumpen des Herzens (䉴 Abb. 10.1) und einem System von teils parallel und teils seriell geschalteten Blutgefäßen gebildet. In ihnen werden die Atemgase O2 und CO2 befördert sowie der Transport von Nährstoffen und Metaboliten zu den einzelnen Körperzellen bzw. von Abbauprodukten von den Zellen weg organisiert. Der Bereich zwischen dem linken Ventrikel und dem rechten Atrium des Herzens, der das Blut parallel durch viele einzelne Organe führt, wird als Körperkreislauf oder auch großer Kreislauf bezeichnet. Unter dem kleinen Kreislauf oder Lungenkreislauf versteht man den

Halsschlagader (A. carotis) Aorta

Lungenschlagader (Truncus pulmonalis)

obere Hohlvene rechter Vorhof Leber untere Hohlvene Bauchaorta

Aufteilung der Aorta (Aortenbifurkation)

Lunge linke Herzkammer Herzmuskel Milz Niere Darm

Beckenschlagader (A. iliaca) Oberschenkelschlagader (A. femoralis)

10.9

Kreislaufsystem. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Kreislauf

Bereich vom rechten Ventrikel bis zum linken Atrium des Herzens. Generell lassen sich diese Bereiche jeweils in funktionell und morphologisch unterschiedliche Gefäßabschnitte unterteilen. Das Blut strömt zu Beginn der Teilkreisläufe erst in Arterien, dann über Arteriolen in Kapillaren und danach über Venolen in Venen. Der arterielle Bereich wird aufgrund seines Blutdrucks als Hochdrucksystem bezeichnet, der venöse Bereich als Niederdrucksystem. Neben den beiden Kreisläufen dient das Lymphsystem als Dränagesystem, indem es Flüssigkeit aus dem interstitiellen Raum sammelt und wieder in das Kreislaufsystem zurückführt.

Hämodynamik des Kreislaufsystems Das menschliche Kreislaufsystem ist ein in sich abgeschlossenes System, dessen Volumen konstant gehalten wird. Zum Verständnis seiner Funktionen und der Blutströmung sind die hämodynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten, also der Zusammenhang zwischen Druck, Widerstand und Strömung von Bedeutung. Da in jedem Gefäßabschnitt des Kreislaufsystems pro Zeiteinheit dasselbe Volumen fließt, wird jede lokale Volumenverminderung in einem Teil des Systems zu einer Volumenvergrößerung im restlichen Kreislaufsystem führen. Normalerweise nehmen Herz und Lunge etwa 15% des Blutvolumens auf, im arteriellen Abschnitt befinden sich etwa 10% und im Kapillarbereich etwa 5% des Blutvolumens. Der größte Teil des Blutvolumens, ca. 70%, findet sich im venösen Bereich, dessen Gefäßwände durch den Tonus der glatten Muskulatur verschieden weit eingestellt werden können. Das venöse System dient als Blutreservoir des Körpers. Die Fließgeschwindigkeit des Blutes ist abhängig vom Querschnitt des Gefäßes im betreffenden Abschnitt (䉴 Abb. 10.10). Dabei zählt bei parallel angeordneten Gefäßen, z. B. im Kapillarbereich, der Gesamtquerschnitt. Die Strömungsgeschwindigkeit ist dort am größten, wo der Gesamtquerschnitt am geringsten ist, also in der Aorta, und sie ist dort am geringsten, wo der Gesamtquerschnitt am größten ist, also im Kapillarbett. Abbildung 10.10 zeigt diesen Zusammenhang und verdeutlicht in der obersten Grafik auch den Gesamtquerschnitt des betreffenden Abschnitts. Entsprechend des Querschnitts verhält sich auch der Druckverlauf entlang des Kreislaufsystems. Abbildung 10.10 zeigt, dass der Druck von Flüssigkeit in einem System mit fortschreitender Entfernung kontinuierlich abnimmt, solange der Gefäßquerschnitt gleich bleibt. Verringert sich der Querschnitt an einer Stelle, fällt der Druck hier stärker ab. Entsprechend verhält sich der Druck im Kreislaufsystem, wo der größte Druckabfall in den allmählich enger werdenden Arterien, Arteriolen und Kapillaren stattfindet (䉴 Abb. 10.10, unten). Die Grafik zeigt im arteriellen Bereich eine rhythmische Druckveränderung (Pulswelle), die weiter unten näher erklärt wird. Im venösen Bereich (Niederdrucksystem) ist der Blutdruck so weit abgefallen, dass er gerade noch ausreicht, um das Blut in die rechte Vorkammer zu befördern. In den kleineren Gefäßen findet man eine laminare Strömung, und das Blut fließt mit einem parabolischen Strömungsprofil ohne Turbulenzen glatt an der Gefäßwand entlang. In größeren Gefäßen findet man oft eine pulsierende laminare Strömung, so z. B. in den größeren Arterien, wo das Blut bei jedem Herzschlag zunächst beschleunigt wird, sich dann aber durch die Verformung der Gefäßwand (Pulswelle) wieder

259

Fläche [ cm 2 ]

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

4000 2000

Geschwindigkeit [cm s -1]

0

40 20 0

Aorta

Hohlvene

Pulswelle [ 120

120 mm Hg

]

Druck mm Hg

260

80 40

80 mm Hg

0 Fließrichtung 10.10 Grundlagen der Hämodynamik. Abhängigkeit zwischen Querschnitt, Geschwindigkeit und Blutdruck.

verlangsamt. Bewegt sich die Strömung nicht nur in Richtung der Längsachse, sondern gleichzeitig nach allen Seiten, entsteht eine turbulente Strömung mit Strömungswirbeln, z. B. an den Herzklappen oder an Abzweigungen von Gefäßen. Im Gegensatz zu der geräuschlosen, laminaren Strömung verursachen turbulente Strömungen Vibrationen und Geräusche. Diese sind mit einem Stethoskop deutlich zu hören, z. B. die Schließgeräusche der Herzklappen oder die Strömungsverwirbelungen bei der Blutdruckmessung unterhalb der Manschette (Korotkow-Geräusche; 䉴 Abb. 10.12). Im peripheren Kreislauf kommen turbulente Strömungen nur selten vor. Durch ihre elastischen Fasern sind die Gefäßwände dehnbar, sodass im arteriellen Anteil (Hochdrucksystem) eine Pulswelle entsteht. Der arterielle Teil dient deshalb als Druckreservoir, während der venöse Anteil ein Volumenreservoir darstellt. Die

Kreislauf

Wände des venösen Anteils dehnen sich ebenfalls, sogar noch weiter als im arteriellen Teil, und können deshalb große Volumenmengen aufnehmen. Allerdings wirken sich hier selbst große Volumenveränderungen nicht stark auf den venösen Druck aus. Die Beziehung zwischen Druck und Volumenänderung im Gefäßsystem bezeichnet man als Compliance.

261

Die Hämodynamik des Blutgefäßsystems beschreibt den Zusammenhang zwischen Druck, Gefäßquerschnitt, Gefäßlänge und Strömungswiderstand.

ä

Aufbau der Gefäßwände Zwischen dem mehrschichtigen Aufbau der Gefäßwände von Arterien, Kapillaren und Venen bestehen erhebliche Unterschiede (䉴 Abb. 10.11). Alle Gefäße werden von einer inneren Schicht, dem Endothel, ausgekleidet. Bei Kapillaren besteht es aus einer einlagigen Zellschicht, bei größeren Gefäßen wird das Endothel von einer hoch elastischen Schicht aus kollagenhaltigen Bindegewebsfasern umgeben. Zwischen ihnen oder um sie herum sind glatte Muskelzellen in Längs- oder Querrichtung angeordnet. Bei größeren Gefäßen besteht die Wand aus drei Schichten, die von außen nach innen als Tunica externa (fibrinöse Mantelschicht), Tunica media (muskuläre Mittelschicht) und Tunica intima (innere Schicht der Endothelzellen mit elastischem Bindegewebe) Das Kreislaufsystem besteht aus zwei funktionell hintereinandergeschalteten Teilkreisläubezeichnet werden. Arterien haben eine dickere, mus- fen, dem Lungen- und dem Körperkreislauf. kulösere Tunica media als Venen, denen in manchen Ab- Parallel dazu verläuft das Lymphgefäßsystem. schnitten das Muskelgewebe völlig fehlt. Generell haben die Die Gefäßwände sind aus mehreren Schichten aufgebaut und unterscheiden sich im herznahen Arterien eine dickere Tunica intima als die herz- arteriellen und venösen System. fernen und sind daher elastischer.

Arterielles Hochdrucksystem Das Blut wird durch das arterielle System in die Kapillaren transportiert. Seine hoch elastischen Gefäßwände dämpfen die vom Herz erzeugten Druckschwankungen, sodass das System als Druckreservoir dient. Dabei dehnt sich die Arterienwand in der Systole unter dem Druck des ausgeworfenen Blutes zunächst aus und schwingt dann in der Diastole zurück. Dadurch wird ein Absinken des arteriellen Druckes auf zu geringe Werte vermieden und die Strömungsschwankungen gleichmäßiger verteilt.

Tunica externa Tunica media Tunica intima Endothel

Tunica externa Tunica media Tunica intima Endothel

Arterie 10.11

Vene

Aufbau der Gefäßwände von Arterien und Venen.

ä

262

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

Der erzeugte Druckpuls läuft als Pulswelle entlang des arteriellen Systems, wobei seine Amplitude durch Reflexion sogar noch verstärkt werden kann. Die Form der Pulswelle ist dabei dikrot, d. h. zweigipflig, mit einer Inzisur. Auf diese Weise entsteht der systolische und diastolische Wert des Blutdrucks, der beim gesunden Menschen in Ruhe in etwa 120/80 mm Hg beträgt.

Blutdruckmessung Der Blutdruck des Menschen ist stark von der Körperlage (stehend oder liegend) und vom Messpunkt im Gefäßsystem abhängig. Er wird deshalb in einem standardisierten Verfahren am Oberarm des Menschen in Herzhöhe gemessen. Dazu wird eine aufblasbare Manschette angelegt, deren Druckaufnehmer mit einer quecksilbergefüllten Röhre verbunden ist (䉴 Abb. 10.12). Gleichzeitig werden die Strömungsgeräusche des Blutes in der Arteria femoralis mit einem Stethoskop abgehört. Zur Blutdruckmessung pumpt man die Manschette so weit auf, dass das Blut nicht mehr durch die A. femoralis strömen kann. Im Stethoskop sind jetzt keine Strömungsgeräusche zu hören. Dann wird das Ventil leicht geöffnet und der Manschettendruck fällt allmählich ab. Unterschreitet er den systolischen Wert des Blutdrucks, beginnt das Blut wieder pulsierend durch die nun nicht mehr vollständig abgeklemmte A. femoralis zu fließen. Durch die turbulenten Strömungswirbel entstehen die sogenannten Korotkow-Geräusche, die so lange anhalten, bis der Manschettendruck den diastolischen

mm Hg

Manschettendruck systolischer Druck

120

100 diastolischer Druck 80 beginnen

deutlich

verschwinden

60

40

Korotkow-Geräusche

20

0 10.12

Blutdruckmessung. (Verändert nach Engelhardt und Breves 2005.)

Kreislauf

263

Wert unterschreitet und das Blut wieder ungehindert laminar durch das Gefäß fließt. Auf diese Weise kann der systolische Wert des Blutdrucks beim Auftreten der Geräusche und der diastolische Wert beim Verschwinden der Geräusche am Messrohr in mm Hg präzise abgelesen werden. Der Blutdruck kann aber auch in jedem Bereich des Kreislaufs sowohl zentral (durch Herzkatheter) als auch Der Blutdruck wird normalerweise über die peripher (durch Plethysmographie) gemessen werden. Ein Auskultation der Strömungsgeräusche an der Herzkatheter stellt dabei eine direkte Druckmessung dar, Armbeuge gemessen. Im arteriellen Hochdrucksystem (Druckspeicher) entsteht durch indem ein Blutgefäß geöffnet und ein Katheter mit einem die elastische Gefäßwand eine zweigipflige Druckwandler direkt an die zu messende Stelle gebracht (dikrote) Pulswelle, deren Umkehrpunkte wird. Bei einer Plethysmographie handelt es sich um eine den systolischen und diastolischen Blutdruck indirekte Druckmessung, bei der der Blutdruck, z. B. an darstellen. den Gefäßen im Bein, durch Auflegen einer aufblasbaren Manschette oder mit Infrarotsensoren durch Gefäßwand und Gewebeschichten, gemessen werden kann.

Blutdruck und Körperhaltung Gleiche Druckverhältnisse herrschen im Körper nur, wenn sich alle Teile des Kreislaufs, also auch die in den Füßen und im Kopf gelegenen, auf Herzhöhe befinden, also im Liegen. Richtet sich ein liegender Mensch in die sitzende oder stehende Position auf, so wirkt sich die Schwerkraft unterschiedlich, entsprechend der Höhe des Gefäßabschnitts, auf den Blutdruck im Gefäßabschnitt aus. Auch befindet sich das Herz als Pumpe unterhalb der Gehirn- und oberhalb der Beingefäße. Deshalb nimmt der arterielle Druck in der Kopfregion ab, in der Beinregion ist er dagegen höher als auf Herzhöhe. Verändert sich nun die Körperlage, ändert sich auch der Druck in den verschiedenen Körperabschnitten. Die Druckveränderungen können nur durch die Elastizität der Gefäße ausgeglichen werden. Dass diese anatomischen und physiologischen Besonderheiten des Gefäßsystems an unsere Lebensbedingungen auf der Erde angepasst sind, zeigt sich bei Astronauten in Schwerelosigkeit. Unter diesen Bedingungen wird ein großes Blutvolumen (ca. 2 l) von der unteren in die obere Körperhälfte verschoben. Extrem dünne Beine und ein angeschwollenes Gesicht, mit schmerzhaft aufgedunsenen Schleimhäuten von Mund, Rachen und Nase, sind die Begleiterscheinungen in den ersten Tagen einer Raumfahrt, bis sich das Kreislaufsystem langsam an diese Bedingungen angepasst hat.

Venöses Niederdrucksystem Aus dem Körpergewebe führt das Venensystem zum Herz zurück und dient aufgrund seiner Elastizität als Volumenreservoir. Es kann bis zu 70% des Blutvolumens enthalten. Dabei ist der venöse Blutdruck sehr niedrig und die Strömungsgeschwindigkeit gering. Oft wird der venöse Blutfluss durch die enge Nachbarschaft einer pulsierenden Arterie zusätzlich von außen unterstützt. Die Gefäßwände der Venen enthalten weniger elastische Anteile und sind dünner, sodass sich die Venen zwar weit

ä

264

ä

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

ausdehnen können, aber nicht wie die elastischen Arterien zurückschnellen. Venen enthalten auch Venenklappen, die nach dem Prinzip der Taschenklappen aufgebaut sind und einen Rückfluss des Blutes in das Kapillargebiet verhindern. Auch die Skelettmuskulatur, z. B. die Wadenmuskeln, können auf die Venen drücken und somit den Blutstrom Richtung Herz unterstützen. Ebenfalls unterstützend wirkt der durch die Atmung entstehende Unterdruck im Thorakalbereich, in den von unten und oben die großen Hohlvenen führen. Das adrenerge sympathische Nervensystem innerviert die Venenwand und sorgt bei Aktivierung, z. B. durch körperliche Arbeit, für einen, allerdings nur kurzzeitig, erhöhten Venentonus. Kleinere Venen werden als Venolen bezeichnet. Auch die Wandverspannung der Venen dient der Regulation der Blutverteilung im Kreislauf, z. B. bei sich ändernder Körperhaltung. Bei längerem Stehen können beträchtliDas venöse Niederdrucksystem dient als che Mengen des Blutes in den großen Venen der ExtreVolumenspeicher, und der venöse Strom mitäten versacken, sodass Ohnmacht und Kollaps eintrewird durch Venenklappen unterstützt. ten können.

Anastomosen und Kapillaren Das arterielle und venöse System ist nicht nur über Kapillaren verbunden, sondern auch über besondere Gefäße, die Anastomosen, die das Kapillarbett umgehen und den Blutstrom direkt von den Arteriolen in die Venolen leiten. Durch diese Kurzschlussstromvorrichtung wird die Kreislaufumwälzung erhalten, wenn die Kapillardurchblutung z. B. bei der Thermoregulation herunterreguliert wird. Die terminale Strombahn, die die einzelnen Zellen umgibt und für den Austausch der Atemgase und der Nährstoffe sorgt, wird als Kapillare bezeichnet. Hier findet eine Mikrozirkulation statt, die das Gewebe versorgt. Das Kapillarnetz ist so ausgedehnt und verzweigt, dass jede einzelne Körperzelle nicht mehr als 3–4 Zellen von einem Kapillargefäß entfernt liegt. Der Begriff terminale Strombahn umfasst nicht nur die Kapillaren, sondern auch die durchblutungsgesteuerten Arteriolen mit ihren präkapillaren Sphinktern sowie die Venolen und das Dränagesystem der Lymphgefäße. Arterien und Venen laufen oft mit entgegengesetzter Stromrichtung dicht nebeneinander, sodass ein Wärmeaustausch möglich ist, z. B. in Extremitäten. Diese Funktion erfüllen auch weit verzweigte Gefäßnetze (Rete mirabilia). Die terminale Strombahn teilt sich zunächst in Arteriolen, dann in Metarteriolen und schließlich in die Kapillaren. Diese treten dann zu Venolen und schließlich zu Venen zusammen. Die Wand der Arteriolen enthält glatte Muskulatur, die im Bereich der Metarteriolen allmählich weniger wird und schließlich in einem präkapillaren Sphinkter endet. Dieser kontraktile Muskelring wird über das sympathische Nervensystem angesteuert und kann die Strombahn verschließen. Die Wand der Kapillaren enthält weder glatte Muskulatur noch Bindegewebszellen, sondern besteht nur aus einer einlagigen Schicht von Endothelzellen, die auf einer Basalmembran liegen. Das Blutvolumen in den Kapillaren beträgt normalerweise etwa 5%, sie können aber bis zu 15% des gesamten Blutvolumens aufnehmen.

Kreislauf

265

Stoffaustausch über die Kapillarwand Einzelne Endothelzellen stehen über verschiedenartige intrazelluläre Verbindungen in Kontakt. Es sind dies zum einen die normalen, durch tight junctions verschlossenen, parazellulären Bereiche, zum anderen aber auch spezielle Fenestrationen, die fensterähnliche Durchlässe bilden. Das Kapillarendothel liegt auf einer Basalmembran und ist wesentlich durchlässiger für den Stoffaustausch als alle anderen Gefäßabschnitte. Die Kapillaren werden nach ihrem Wandaufbau in dichte, fenestrierte und sinusoide Kapillaren unterschieden. Dichte Kapillaren findet man z. B. im Muskelund Bindegewebe; sie sind am wenigsten permeabel. Fenestrierte Kapillaren befinden sich im Darm und im Glomerulus der Niere; sie weisen eine mittlere Permeabilität auf. Sinusoide Kapillaren bilden Knäuel und finden sich z. B. in der Leber und im Knochenmark. Sie haben durch ihre weiten parazellulären Wege die größte Durchlässigkeit. Der Stoffaustausch über die Kapillarwand erfolgt vorwiegend über Filtration durch die Interzellularfugen oder Fenestrationen und hängt von den Druckverhältnissen im Gefäß und im umliegenden Gewebe ab. Dabei hängt die Fließrichtung der Flüssigkeit und der darin gelösten Teilchen vom effektiven Filtrationsdruck ab (䉴 Kap. 13). Während der Blutdruck entlang der Kapillaren gleichmäßig abfällt, bleibt der kolloidosmotische Druck über die gesamte Länge der Kapillare konstant. Da er entgegen der Filtrationsrichtung wirkt, stellt sich als Differenz zwischen Blutdruck und kolloidosmotischem Druck auf der arteriellen Kapillarseite ein positiver effektiver Filtrationsdruck ein, der für eine Flüssigkeitsverschiebung aus der Kapillare in das umgebende Gewebe sorgt. Auf der venösen Kapillarseite ist der effektive Filtrationsdruck dagegen negativ und verursacht einen Rückfluss des Flüssigkeitsvolumens in das Blutgefäß. Auf diese Weise wird der bidirektionale Stoffaustausch im Kapillargebiet normalerweise aufrechterhalten. Sind Blutdruck oder kolloidosmotischer Druck pathophysiologisch verändert, ist dieser Stoffaustausch funktionell stark beeinträchtigt. So kann es bei Eiweißmangel zu einer übermäßigen Flüssigkeitsfiltration In der terminalen Strombahn sorgen präkain das Gewebe und massiven Hungerödemen kommen. pillare Sphinkter und Anastomosen für eine Neben den extrazellulären Routen kann der Stoffaustausch regulierte Blutverteilung und Durchblutungsmenge. Der Austausch der Nährstoffe erfolgt auch über transzelluläre Diffusion (für lipidlösliche Stof- über Fenestrationen durch Filtration. fe) und transzellulären Vesikeltransport erfolgen.

Lymphgefäßsystem Ein Teil der Gewebeflüssigkeit wird über ein besonderes Gefäßsystem, das Lymphgefäßsystem, in den Kreislauf zurückgeleitet (䉴 Abb. 10.13). Die Lymphflüssigkeit hat eine gelblich trübe Farbe, da sie keine Erythrocyten, sondern nur weiße Blutkörperchen enthält. Das Lymphgefäßsystem beginnt mit den im Gewebe blind endenden Lymphkapillaren, die in zunehmend größere Gefäße und schließlich im Lymphbrustgang (Ductus thoracicus) in die untere Hohlvene (Vene cava anterior) münden. In den großen Lymphgefäßen wird die Flüssigkeit durch rhythmische Kontraktionen der glatten Wandmuskulatur, durch die Kontraktion der Körpermuskulatur bei Be-

ä

266

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

Lungenkapillaren

Lungenarterie

Herz

Lymphbrustgang

Lungenvene

Aorta

Hohlvene

10.13

Lymphgefäßsystem.

Lymphgefäßsystem

Körperkapillaren

wegungen oder auch durch die Pulswelle benachbarter Arterien vorangetrieben. Taschenklappen in den größeren Lymphgefäßen verhindern den Rückfluss. Obwohl der Lymphstrom für die Entwässerung der Gewebe wichtig ist und eine Bildung von Ödemen verhindert, ist der tatsächliche Lymphfluss gering. Beim Menschen beträgt er nur ca. 10 ml pro Stunde. Neben der Entwässerungsfunktion des Gewebes spielt das Lymphgefäßsystem bei der Immunabwehr (䉴 Kap. 9) eine wichtige Rolle. In der Lymphe werden aber auch das im Darm absorbierte Fett, einige Vitamine und auch höhermolekulare Hormone transportiert. Werden die Lymphbahnen gestaut, z. B. durch eingedrungene Parasiten (Filariose), können extrem große Ödeme entstehen (Elefantiasis). Ähnlich kann durch die operative Entfernung von Lymphknoten der Abfluss aus den Extremitäten so behindert sein, dass Lymphbahnen äußerlich manuell behandelt werden müssen (Lymphdrainage), um Ödeme zu vermeiden.

Regulation des Kreislaufsystems Sowohl in Ruhe als auch unter Belastung müssen einzelne Organe und Gewebe unterschiedlich mit Blut versorgt werden; die Gewebedurchblutung wird deshalb organ-

Regulation des Kreislaufsystems

und gewebespezifisch reguliert. Während das Gehirn und die Nieren ständig, auch unter Belastung, eine gleichbleibende Blutversorgung benötigen, werden andere Gewebe wie Muskulatur oder auch der Magen-Darm-Trakt, abhängig von ihrer Funktion und Aktivität, stärker oder schwächer durchblutet. Deshalb muss die Durchblutung im Körper einerseits lokal durch den Tonus einzelner Gefäßabschnitte reguliert, anderseits aber auch zentral und systemisch an die Erfordernisse des gesamten Organismus angepasst werden.

Gefäßtonus und lokale Durchblutungsregulation Die glatte Muskulatur der Gefäßwand steht ständig unter einem Ruhetonus, der sich aus den lokalen Einflüssen des Stoffwechselzustands in der Gefäßwand selber (basaler Tonus) und dem durch die ansetzenden Nervenfasern des vegetativen Nervensystems vermittelten nervalen Tonus zusammensetzt. Bei den vasokonstriktorisch wirkenden Einflüssen handelt es sich hauptsächlich um die Impulse von adrenerg gesteuerten Nervenfasern des Nervus sympathicus. Eine Druckerhöhung löst in der Gefäßwand eine dehnungsinduzierte myogene Kontraktion aus. Dabei handelt es sich um eine myogene Autoregulation, die die Durchblutung in vielen Organen wie den Nieren auch bei plötzlichen Druckveränderungen konstant hält. Bei dieser zellulären Autoregulation spielen mechanosensitive Kationenkanäle eine Rolle, die über intrazelluläre Messenger einen massiven Ca2+Einstrom auslösen und damit eine Kontraktion der glatten Muskelzelle verursachen. Durch die im Stoffwechsel vieler Organe gebildeten Metaboliten wie Adenosin, die Erhöhung des CO2-Partialdrucks oder O2-Mangel kann eine metabolische Vasodilatation ausgelöst werden. Daran sind auch Gewebehormone, sogenannte Autakoide, beteiligt. Zu diesen vasoaktiven Substanzen gehört z. B. Histamin. Es wird bei Gewebeschädigungen und allergischen Reaktionen (䉴 Kap. 9) aus Mastzellen und basophilen Granulocyten freigesetzt und bewirkt über die rezeptorvermittelte Freisetzung von Stickstoffmonoxid (NO) aus der Gefäßwand eine Vasodilatation.

Sympathisch adrenerg vermittelte Vasokonstriktion Durch die Überträgerstoffe Noradrenalin und Adrenalin wird der Gefäßtonus gesteuert. Diese Catecholamine werden vom Nebennierenmark produziert und in das Blut ausgeschüttet, wo sie auch als Hormone wirken. Die terminalen Nervenfasern des Nervus sympathicus weisen in der Mediaschicht der Gefäßwand zahlreiche Varikositäten auf, die synaptische Strukturen mit den glatten Muskelzellen bilden. Bei Erregung eines vasokonstriktorischen Neurons wird aus diesen Varikositäten Noradrenalin freigesetzt, das an die a-Rezeptoren der glatten Muskelzellen bindet und eine lokale Vasokonstriktion bewirkt. Eine Erregung der b-Rezeptoren entspannt dagegen die glatten Muskelzellen und führt damit zu einer Vasodilatation. Da Adrenalin sowohl auf a- als auch auf b-Rezeptoren wirkt, kann es sowohl eine Gefäßerweiterung als auch eine -verengung hervorrufen. Da aber die Dichte der Rezeptoren und deren Empfindlichkeit stark variieren, verengen sich die Gefäße bei hohen

267

268

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

Catecholaminkonzentrationen im Blut über die a-Aktivierung, während bei niedrigen Catecholaminkonzentrationen hauptsächlich die b-Rezeptoren erregt werden, was zu einer Vasodilatation führt. Die b-adrenergen Rezeptoren werden in zwei Untergruppen unterteilt. Die b1Rezeptoren sind hauptsächlich im Herz und in den Koronargefäßen anzutreffen. Sie werden sowohl durch das im Blut zirkulierende Adrenalin als auch durch das lokal an den Varikositäten ausgeschüttete Noradrenalin angesprochen. Die b2-Rezeptoren sind dagegen nur in peripheren Gefäßen vorhanden und reagieren deshalb nur auf die im Blut zirkulierenden Catecholamine. Die Wirkung der Catecholamine wird stark durch andere Substanzen moduliert. Adenosin wird von vielen Geweben bei Hypoxie (Sauerstoffmangel) freigesetzt. Neuropeptid Y wird oft gleichzeitig mit den Catecholaminen ausgeschüttet. Auch Myokardzellen bilden offensichtlich Neuropeptid Y, das am Herz antagonistisch zu den Catecholaminen wirkt und die Kontraktion des Herzmuskels verringert. Im peripheren Kreislauf verstärkt Neuropeptid Y dagegen die Vasokonstriktion, da es die Wirkung der a-Adrenorezeptoren moduliert und so zu einer Blutdrucksteigerung führt. Angiotensin II potenziert neben dem eigenen vasokonstriktorischen Effekt auch die Freisetzung von Noradrenalin, während Prostaglandine, Acetylcholin und Histamin die Freisetzung hemmen. Eine systemische Hemmung des N. sympathicus durch Ganglienblockade oder Spinalanästhesie führt zu einer starken generellen Vasodilatation und einem Abfall des mittleren Blutdrucks auf etwa 50 mm Hg. Dies unterstreicht die zentrale Bedeutung der adrenergen Wirkung auf den Gefäßtonus.

Parasympathische cholinerge Vasodilatation Die cholinergen parasympathischen Nervenfasern in der Gefäßwand haben keinen regulatorischen Einfluss auf den basalen Gefäßtonus. Lokale Ausnahmen bilden die Koronararterien sowie die Arterien der Genitalorgane. Bei diesen wird die durch die cholinergen parasympathischen Fasern vermittelte Gefäßdilatation über die Bildung und Freisetzung von Stickstoffmonoxid (NO) vermittelt.

Systemische Durchblutungsregulation

ä

Die Aufrechterhaltung und Regulation der individuellen Organdurchblutung in Ruhe und unter Belastung wird durch eine übergeordnete systemische Kreislaufregulation kontrolliert. Sie misst den Blutdruck über Rezeptoren an bestimmten Stellen im Gefäßsystem und passt ihn über ein Die Kreislaufregulation erfolgt durch lokale Mechanismen in der Gefäßwand und durch Kreislaufzentrum und entsprechende Stellglieder an die systemische Regulation über das vegetative Erfordernisse an. Dabei wird vor allem der arterielle BlutNervensystem und Hormone. druck reguliert.

Regulation des Kreislaufsystems

Druck-, Volumen- und Chemorezeptoren Im arteriellen Bereich sind in der Gefäßwand Druckrezeptoren (Pressorezeptoren oder Barorezeptoren) vorhanden. Sie bestehen aus Nervenfasern mit mechanosensitiven Kanälen, die auf die Dehnung der Gefäßwände reagieren und in den Neuronen über spannungsaktivierte Na+-Kanäle Aktionspotenziale auslösen, deren Frequenz proportional zur Dehnung der Gefäßwand ist. Pressorezeptoren findet man nur an bestimmten Stellen im arteriellen Gefäßbereich, und zwar im Aortenbogen und im Sinus caroticus der Arteria carotis interna (䉴 Abb. 10.14). Die Reaktion der Pressorezeptoren ist sehr schnell und führt bei Reizung innerhalb von Sekunden zu einem heftigen Blutdruckabfall. Im kardiopulmonalen Bereich befinden sich in den beiden Vorhöfen Dehnungsrezeptoren, die den Druck während der Vorhofkontraktion messen und, zusammen mit Pressorezeptoren an der Einmündung der Hohlvenen in den rechten Vorhof, den Füllungszustand des venösen Niederdrucksystems regulieren. Über die Erfassung von Volumenschwankungen beeinflussen sie neben der direkten Kreislaufregulation auch osmoregulatorische Strukturen im Hypothalamus, die die Ausschüttung des antidiuretischen Hormons (ADH) steuern. Dabei greifen Osmoregulation und Kreislaufregulation ineinander (䉴 Kap. 13). Zusätzlich zu diesen Pressorezeptoren und Volumenrezeptoren wirken auch die arteriellen Chemorezeptoren im Glomus aorticum und Glomus caroticum (䉴 Abb. 10.14) auf die Kreislaufregulation, indem sie die Herzfrequenz und das Herzzeitvolumen über Veränderungen des pO2 und pCO2 und das Atemzentrum regulieren.

pressorezeptive Signale

A. carotis interna

Glomus caroticum

A. carotis externa Sinus caroticus chemorezeptive Signale

A. carotis communis

Glomera aortica

A. subclavia sinistra Truncus brachiocphalicus

Arcus aortae

A. pulmonalis

10.14 Druck- und Chemorezeptoren im Blutgefäßsystem.

269

270

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

chem. Rezeptoren (O2 , CO2 , pH) Blutvolumen Blutdruck

Reize Sinne (Hirnrinde)

Stammhirn (Medulla oblongata)

Sympathikus

Herzfrequenz Schlagvolumen Kontraktion Reizleitung

Parasympathikus

+

Herzfrequenz Schlagvolumen Kontraktion Reizleitung

10.15 Kreislaufregulation durch den Sympathikus und den Parasympathikus des vegetativen Nervensystems. (Verändert nach Eckert 2002.)

Kreislaufzentrum Die sensorischen Signale der Rezeptorengruppen werden im Gehirn in einem Kreislaufzentrum integriert. Es liegt im Pons und in der Medulla oblongata und wird als medulläres kardiovaskuläres Zentrum bezeichnet. Es ist stark mit anderen Hirnbereichen, dem Atemzentrum, dem Thermoregulationszentrum und dem Hypothalamus, vernetzt. Dieses Kreislaufzentrum regelt den basalen Gefäßtonus über die sympathischen Anteile des vegetativen Nervensystems (䉴 Abb. 10.15). Eine Aktivierung des Sympathikus steigert aber auch Herzfrequenz und Herzkontraktion, sodass neben dem peripheren Gefäßtonus auch das Schlagvolumen und damit der Blutdruck deutlich erhöht werden. Umgekehrt vermindert eine Steigerung der parasympathischen Aktivität die Herzfrequenz und die Kontraktionsstärke, sodass Schlagvolumen und Blutdruck abnehmen. Ähnlich antagonistisch wird auch die Reizleitung im Herz beeinflusst (䉴 Abb. 10.15).

Hormonelle Regulation der Kreislauffunktionen In die Regulation des Kreislaufsystems sind auch verschiedene hormonelle Regelkreise eingebunden (䉴 Abb. 10.16). Zum einen wirkt das vom Hypothalamus-Hypophysen-System freigesetzte antidiuretische Hormon (ADH) auf das Blutvolumen und die Blutosmolarität (䉴 Kap. 13). Das durch den juxtaglomerulären Apparat der Niere angesteuerte Renin-Angiotensin-Aldosteron-Hormonsystem ist für die langfristige Regulation des Blutdrucks von zentraler Bedeutung. Zusätzlich wirkt ein wei-

Regulation des Kreislaufsystems

verminderte Dehnung herznaher Anteile des Niederdrucksystems

Dehnungsrezeptoren verminderte Erregung

Sympathikotonus Steigerung ADH vermehrte Freisetzung aus Hypophysenhinterlappen

ANP Hemmung der Freisetzung aus Vorhöfen

Niere Vasokonstriktion

Renin gesteigerte Freisetzung

Angiotensin I und II vermehrte Bildung

Aldosteron vermehrte Freisetzung aus der Nebennierenrinde

Na+ und H2O gesteigerte Retention 10.16 Kreislaufregulation durch Hormone. ADH, antidiuretisches Hormon; ANP, atriales natriuretisches Hormon. (Verändert nach Klinke, Pape und Silbernagl 2005.)

teres kreislaufregulierendes Hormon in diesem komplizierten Regelsystem. Aus den Wänden der Vorhöfe wird bei Dehnung das atriale natriuretische Peptid (ANP) freigesetzt, ein schnell wirkendes Hormon, das die Na+-Ausscheidung der Niere und damit das Urinvolumen erhöht. Somit verringert dieses Hormon das Blutvolumen und den Blutdruck. Diese Wirkung wird auch durch eine Hemmung der Reninfreisetzung unterstützt. Auch hemmt ANP die ADH-Ausschüttung in der Hypophyse und ist somit ein Antagonist der beiden anderen Hormonsysteme.

Kardiovaskuläre Regulation bei Belastung Während einer körperlichen Belastung wird das Kreislaufsystem im Zusammenspiel mit anderen Regelsystemen, z. B. dem des Stoffwechsels oder der Thermoregulation,

271

272

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

geregelt. Da bei körperlicher Arbeit in erster Linie die Skelettmuskulatur beansprucht wird, muss sich wegen des erhöhten Sauerstoffbedarfs ihre Durchblutung massiv erhöhen, oft um bis zu 20%. Dies erfolgt durch eine Abnahme des peripheren Gefäßwiderstands und führt über eine sympathische Aktivierung und durch eine gesteigerte Schlagfrequenz und Kontraktionskraft zu einer erhöhten Herzleistung. Kompensatorisch werden bei dieser Regulation der Parasympathikus und damit die Aktivität vieler innerer Organe, z. B. des Darms, gehemmt. Durch diese Verschiebung des Blutvolumens zwischen Organen wird das vom Herz ausgeworfene Schlagvolumen bei Säugetieren unter körperlicher Belastung um das höchstens 1,5-fache gesteigert, sodass Kreislaufsystem und Homöostase insgesamt nicht übermäßig belastet werden. Trotz der erhöhten Belastung unter körperlicher Arbeit wird der arterielle Blutdruck nur wenig erhöht und auch pH-Wert und Partialdruck der Atemgase werden nach einer initialen Anpassungsphase relativ konstant gehalten. Weitere metabolische Reaktionen, z. B. die Ausschüttung von zusätzlichen Erythrocyten und eine erhöhte Lungenventilation, erhöhen die O2-Transportkapazität des Blutes und damit die Sauerstoffversorgung der Organe.

Kardiovaskuläre Regulation beim Tauchen Beim Tauchen werden die Atmung und damit die O2-Versorgung kurzzeitig unterbrochen. Um einen Sauerstoffmangel (Anoxie) in besonders empfindlichen Organen wie dem Gehirn zu vermeiden, muss es zu einer schnellen und lokal komplexen Umstellung der Blutversorgung kommen. Dieser Tauchreflex wird schon durch die Berührung von Rezeptoren im Gesicht mit Wasser ausgelöst. Sie reagieren auf den Kältereiz, lösen eine Atemhemmung (Apnoe) und gleichzeitig eine Verminderung der Herzfrequenz (Bradykardie) aus. Nimmt der O2-Gehalt im Blut ab, kommt es zu einer peripheren Vasokonstriktion, sodass die Durchblutung der zentralen wichtigen Organe, z. B. dem Gehirn, ungestört aufrechterhalten werden kann. Dagegen wird die Durchblutung anderer Organe wie des Darms oder der Niere deutlich reduziert. Beim Auftauchen werden durch die sich ausdehnende Lunge Dehnungsrezeptoren erregt, sodass sich die Herzfrequenz bereits kurz vor dem Erreichen der Wasseroberfläche wieder beschleunigt. Nach dem Auftauchen sind in einer kurzen Erholungsphase oft überschießende Reaktionen der Herzfrequenz, des Schlagvolumens und auch der Lactatkonzentration im Blut zu beobachten.

Sonstige Einflüsse auf die Kreislauffunktion Beim Menschen sind die Kreislauffunktionen auch von der Körperlage abhängig, da die Beingefäße in senkrechter Körperhaltung deutlich verstärkt durchblutet werden. Dieser Effekt erfolgt durch den hydrostatisch erhöhten arteriellen Druck bei zunächst gleichbleibendem venösem Druck. Dadurch nimmt das Volumen in den Beingefäßen zu, was bei längerem Stehen zu einem Kollaps führen kann (orthostatischer Effekt). Dieser Effekt wird durch eine verminderte Erregung der arteriellen Pressorezeptoren

Regulation des Kreislaufsystems

273

ausgelöst und führt zunächst zu einem gesteigerten Sympathikotonus mit überschießender Herzfrequenz. Während des Übergangs vom intra- zum extrauterinen Leben wird der fötale Kreislauf sowohl anatomisch als auch funktionell völlig umgestellt, indem der Gasaustausch über die Plazenta entfällt und stattdessen der Lungenkreislauf in Betrieb genommen wird. Im fötalen Kreislauf sind die beiden Ventrikel funktionell nicht in Serie sondern parallel geschaltet. Der linke Ventrikel versorgt vor allem die Organe der oberen Körperhälfte (Herz und Gehirn), während der rechte Ventrikel nur zum Teil die noch nicht voll entfaltete Lungenstrombahn, zum überwiegenden Teil aber den Körperkreislauf versorgt. Da die Herzscheidewand noch nicht vollständig geschlossen (Foramen ovale) und eine Verbindung zwischen Lungenarterie und Aorta (Ductus arteriosus Botalli) vorhanden ist, strömt arterielles Mischblut in den Körperkreislauf. Die bei der Geburt durch das Abnabeln unterbrochenen Umbilikalarterien und -venen lösen über einen Druckanstieg in der Aorta und eine Sogwirkung in den Hohlvenen den funktionellen Verschluss des Foramen ovale aus. Durch die sich entfaltende Lunge nimmt der Strömungswiderstand im Lungenkreislauf ab, die Wand des Ductus Botalli kontrahiert innerhalb von einigen Minuten, und nach mehreren Tagen sind die fötalen Kurzschlüsse vollständig verschlossen. Die Parallelschaltung der beiden Herzventrikel ist aufgehoben. Mit zunehmendem Lebensalter kommt es zu weiteren wesentlichen funktionellen und anatomischen Veränderungen im Kreislaufsystem. Blutvolumen und Extrazellularvolumen nehmen relativ zum Körpergewicht ab, der Blutdruck steigt allmählich und die Permeabilität des Endothels wird geringer. Auch die in der Jugendphase deutlich höhere Herzfrequenz sinkt bis zum Erwachsenenalter. Im höheren Lebensalter verrändert sich die Struktur der Gefäßwände (Arteriosklerose) und der Herzmuskelzellen. Die Elastizität der Gefäße nimmt ab, der Strömungswiderstand und damit auch der Blutdruck nehmen zu. Durch die Verminderung der Wandelastizität wird die arterielle Blutdruckamplitude größer und das Herz wird beim Auswurf aus dem Ventrikel Bei Belastung kommt es zu einer Volumenstärker belastet. Die Gefäßdichte im Gewebe nimmt ab und verschiebung des Blutes zwischen den jeweils beanspruchten Organen. Eventuell setzen führt allmählich zu einer Unterversorgung und Durchblu- spezielle Reflexe ein, wie beim Tauchen. tungsstörungen in einzelnen Körperbereichen.

ä

274

? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

10. Herz-Kreislauf- und Gefäßsystem

Klausurfragen Erklären Sie den Aufbau des Herzens (Herzkammern und Herzklappen). Welche Funktionen haben Endokard und Perikard? Beschreiben Sie den Aufbau der Gefäßwand von Arterien und Venen. Beschreiben Sie die Bildung und die Abfolge der Erregungsleitung am menschlichen Herz. Skizzieren Sie ein menschliches EKG, und bezeichnen und erklären Sie die einzelnen Abschnitte. Welche Rolle spielt die Ventilebene bei der Herzmechanik? Was ist ein Summationsvektor, und wie lässt sich die Herzlage im Thorax bestimmen? Welche Rolle spielt das vegetative Nervensystem bei der Kreislaufregulation? Wodurch entstehen die Herztöne? Welche Einflüsse führen zu einer Vasodilatation?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 11

Atmung

Fe

Fe

2+

2+

Fe

Fe

2+

2+

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über den Aufbau und die Funktion des menschlichen respiratorischen Systems, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Anatomischer Aufbau des respiratorischen Systems. Atembewegungen von Brustkorb und Lunge und ihre Messung mit der Spirometrie. Begriff des Totraums und seine Bedeutung beim Tauchen. Mechanismen des Gasaustausches über die Alveolarwand. Transport der Blutgase im menschlichen Organismus. Regulation von Gasaustausch und Atmung. Veränderung der Atmung bei körperlicher Belastung und Einfluss der Psyche. Krankheitsbilder des Atmungssystems.

276

11. Atmung

Aufgaben der Atmung Durch das respiratorische System der Atemwege und der Lunge tauscht der Körper Gase mit der Umgebung aus. Er entnimmt der Luft den für die oxidativen Vorgänge des Zellstoffwechsels (Zellatmung) notwendigen Sauerstoff (O2) und gibt das in der Zelle anfallende Endprodukt Kohlendioxid (CO2) an die Umgebung ab. Der Gasaustausch erfolgt über die Lunge. Das Blut transportiert die Atemgase durch die Gefäße zu den Geweben bzw. von ihnen weg wieder zur Lunge. Die Lunge ist über diese Vorgänge zusammen mit der Niere auch entscheidend an der Regulation des Säure-BaseHaushaltes beteiligt.

Atmungssystem des Menschen Das respiratorische System wird in die oberen Atemwege (Nase, Nebenhöhlen, Rachen) und die unteren Atemwege (Kehlkopf, Luftröhre, Bronchien, Lunge) unterteilt.

Nase Der äußerlich sichtbare Teil der Nase besteht aus den Nasenflügeln, der Nasenwurzel, dem Nasenrücken und den beiden Nasenlöchern. Die Nasenform wird von mehreren kleinen Nasenknorpeln stabilisiert. Der wesentlich umfangreichere Teil der Nase liegt als Nasenhöhle im vorderen Bereich des Gesichtsschädels. Sie bildet über dem harten Gaumen der Mundhöhle einen horizontalen Hohlraum. Die Seitenwände der Nasenhöhle werden von den Oberkieferknochen gebildet, die sich oben zum Nasenhöhlendach unter der Schädelbasis mit der Siebbeinplatte vereinigen. Die im Querschnitt etwa dreieckige Nasenhöhle wird durch die Nasenscheidewand mittig aufgeteilt. Nach hinten öffnet sich die Nasenhöhle durch die Choanen in den Rachenraum. Die mit einer Schleimhaut überzogene innere Oberfläche wird jeweils durch die obere, mittlere und untere Nasenmuschel vergrößert. Die mit Flimmerhärchen versehene gut durchblutete Nasenschleimhaut erwärmt, befeuchtet und reinigt die Atemluft. Außerdem sind in ihren speziellen Feldern die Sinneszellen des Riechepithels angeordnet (䉴 Kap. 6). Die zwischen den Flimmerepithelzellen angeordneten Becherzellen produzieren einen Schleim, der Bakterien und Staubpartikel verklebt, sodass diese durch die rhythmischen Flimmerbewegungen nach außen transportiert werden können. Je nach Durchblutung wird die Atemluft mehr oder weniger stark erwärmt, wobei die Nasendurchblutung durch die Hirnnerven N. facialis und N. trigeminus gesteuert wird. Die Nase dient außerdem wie die Nasennebenhöhlen als Resonanzraum zur Stimmbildung. In den unteren Nasenbereich mündet der vom inneren Augenwinkel kommende Tränennasengang, der überflüssige Tränenflüssigkeit, z. B. beim Weinen, in die Nase ableitet.

Atmungssystem des Menschen

277

Nasennebenhöhlen Die Nasennebenhöhlen vermindern das Gewicht des knöchernen Gesichtsschädels. Es handelt sich um vier paarig angelegte knöcherne Höhlen: die Stirnhöhle (Sinus frontales), die Kieferhöhlen (Sinus maxillares), die Siebbeinzellen (Cellulae ethmoidales) und die Keilbeinhöhlen (Sinus sphenoidales). Alle Nasennebenhöhlen münden über Verbindungsgänge in die Nasenhöhle und sind mit einer epithelialen Schleimhaut ausgekleidet, die sich bei Die Nase wärmt, befeuchtet und reinigt die Infekten eitrig entzünden kann. Wird der Abfluss des Se- Atemluft durch ihre gut durchblutete krets in die Nasenhöhle blockiert, entwickelt sich eine Schleimhaut. In ihr befinden sich auch die Nasennebenhöhlenentzündung (Sinusitis), die durch Breit- Sinnesepithelien des Riechsinns. Außerdem dient die Nase als Resonanzraum für die bandantibiotika oder gegebenenfalls durch eine operative Stimmbildung. Öffnung der Nebenhöhlen behandelt werden muss.

Rachen Auf die Mund- und Nasenhöhle folgt der Rachen (Pharynx), der vor der Halswirbelsäule liegt und in dem sich die Luft- und Speisewege überkreuzen. Die Kreuzungsstelle liegt im Kehlkopf, wo der Kehldeckel (Epiglottis) die Luftröhre beim Schlucken verschließt und so ein „Verschlucken“ verhindert. Der vom Mundraum kommende Speisebrei gleitet so über diese Stelle in die hinter der Luftröhre gelegene Speiseröhre. Der obere Teil des Rachens wird als Nasopharynx (Nasenrachen) bezeichnet. Neben den Choanen der Nase münden hier die beiden Eustachischen Röhren, die Verbindungskanäle zu den Paukenhöhlen des Mittelohrs darstellen. Sie dienen dem Druckausgleich zwischen dem Mittelohrraum und der Außenluft. Beidseitig liegen hier auch die Rachenmandeln (Tonsilla pharyngea), die lymphatische Organe zur Abwehr von Infekten darstellen. Schwellen sie bei chronischen Entzündungen an, müssen sie operativ entfernt werden (Adenotomie), was meist schon im Kindesalter geschieht. Der mittlere Bereich des Rachens wird als Oropharynx (Mundrachen) bezeichnet. Hier liegen seitlich die Gaumenmandeln (Tonsillae palatinae). Sie bilden zusammen mit den Rachenmandeln und seitlich verlaufenden Lymphbahnen (Seitensträngen) den lymphatischen Rachenring, der an der Abwehr von Infektionen beteiligt ist. Bei bakteriellen Entzündungen durch Streptokokken entsteht eine schwere Racheninfektion, die Angina tonsillaris, die mit geeigneten Antibiotika behandelt werden muss und bei chronischem Verlauf auch oft die Entfernung der Gaumenmandeln erforderlich macht (Tonsillektomie). Im unteren Rachenbereich (Laryngopharynx) befindet sich der Kehlkopf, der für den Schluckakt und zur Stimmbildung notwendig ist.

Kehlkopf Die röhrenförmige knorpelige Struktur des Kehlkopfs reicht vom Zungengrund bis zur Luftröhre und enthält die zur Lautbildung notwendigen Stimmbänder. Er besteht aus neun Knorpelstücken, die durch Muskeln und Bänder verbunden sind

ä

278

11. Atmung

(䉴 Abb. 3.10). Der vorne liegende Schildknorpel (Cartilago thyroidea) gibt als Adamsapfel dem Kehlkopf seine charakteristische Form. An seinem Oberrand sitzt der Kehldeckel (Epiglottis) und darunter die zur Luftröhre führenden Ringknorpel (Cartilego cricoidea). Die kleinen Stellknorpel (Cartilagines arytaenoidea) sind zusammen mit den Muskeln für die Lage und Spannung der Stimmbänder zuständig. Der Kehlkopf ist ebenfalls durch eine epitheliale Schleimhautschicht mit darunter liegendem Kapillarbett ausgekleidet, wodurch eine weitere Befeuchtung und Erwärmung der Atemluft möglich ist. Entzündet sich diese Schleimhaut, so kommt es zur Kehlkopfentzündung (Laryngitis), sie sich bei starker Schleimhautschwellung zu einem Larynxödem entwickeln kann, das zu einer erheblichen Verengung der Luftwege führt. Insbesondere bei Kindern können solche entzündlichen Verengungen zu Pseudokrupp-Anfällen mit bellendem Husten und Atemnot führen. Im Gegensatz zum echten Krupp-Anfall, der durch eine bakterielle Infektion (Diphtherie) hervorgerufen und mit Antibiotika behandelt wird, resultieren Pseudokrupp-Anfälle meist aus viralen Entzündungen des Rachenraums. Der Stimmapparat des Kehlkopfes wird durch Auffaltungen der Larynxschleimhaut gebildet. Diese bilden die Stimmfalten (Plicae vocales) und die darüber gelegenen Taschenfalten (Plicae vestibulares), die nicht an der Stimmbildung beteiligt sind und deshalb auch als falsche Stimmfalten bezeichnet werden. In der Mitte des Kehlkopfinneren liegen die beiden Stimmbänder (Ligamenta vocaliea), die vom oberen Rand der Stimmfalten nach hinten zu den Stellknorpeln verlaufen. Zwischen den Stimmbändern befindet sich die Stimmritze (䉴 Abb. 11.1), die durch die Anspannung der Stimmbänder vergrößert oder verkleinert werden kann. Die Stimmbänder sind mit einem verhornten Plattenepithel überzogen und ständig von Austrocknung bedroht. Durch trockene Luft und langes Sprechen können sie gereizt werden und sich entzünden. Ihr Zustand wird durch eine Spiegeluntersuchung des Kehlkopfes (Laryngoskopie) beurteilt. Bei der Stimmbildung (Phonation) werden die Stimmbänder durch den Luftstrom in regelmäßige Schwingungen versetzt. Eine Veränderung der Spannung moduliert die Tonhöhe, die Veränderung der Stimmritze ist für die Wortbildung notwendig. Die

a mittlere Atemstellung

Stimmbänder Taschenfalte geöffnete Stimmritze Stellknorpel

11.1 Stimmapparat. a) Stimmbänder und Stimmritze in mittlerer Atemstellung. b) Beim Sprechen eines Vokals wird die Phonationsstellung eingenommen. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

b Phonationsstellung

Kehldeckel geschlossene Stimmritze Taschenfalte Stellknorpel

Atmungssystem des Menschen

279

Lautstärke hängt wesentlich von der Stärke des Luftstroms ab. Bei der Lautbildung ist neben dem Kehlkopf auch die Bewegung der Luft im Resonanzraum von Mund, Nase und Rachen entscheidend. Da sich der Kehlkopf im Laufe des Wachstums vergrößert und sich damit auch die Länge der Stimmbänder verändert, senkt sich die Stimme beim Übergang zum Erwachsenenalter geschlechtsspezifisch, bei Männern stärker und zwar um etwa 3–7 Töne (Stimmbruch). Dringen Fremdkörper in den Rachenraum ein, setzt ein Hustenreflex ein, bei dem durch eine mechanische Reizung der Schleimhaut starke Muskelkontraktionen ausgelöst werden. Dabei setzt normalerweise auch sofort eine verstärkte Schleimsekretion ein, sodass es zu einem produktiven Husten, d. h. Auswurf von Sputum kommt. Ohne die Schleimsekretion kann Im Rachen befindet sich der Kehlkopf an der es zu einem trockenen Reizhusten kommen, der auf weitere Überkreuzungsstelle von Luft- und Speiseentzündliche Komplikationen wie Bronchitis hindeuten weg. Im Kehlkopf sitzt der Stimmapparat. Der Rachen kann sich bei Reizung reflektokann. Ein Bluthusten weist dagegen auf Lungentumoren, risch verengen, was zu Asthmaanfällen führt. Tuberkulose oder auch Lungeninfarkte hin.

Trachea und Bronchien Über den Mund-Rachen-Raum gelangt die Luft in die Trachea (Luftröhre) und von dort in die beiden Hauptbronchien, die sich in jedem Lungenlappen weiter baumartig verzweigen und schließlich nach ca. 16 Verästelungen in die Terminalbronchien münden (䉴 Abb. 11.2). Alle diese Gänge leiten die Atemgase hauptsächlich und neh-

Kehldeckel (Epiglottis) Schildknorpel Ringknorpel Luftröhre (Trachea) Knorpelspangen rechter oberer Lungenlappen

linker Oberlappen

rechter Hauptbronchus linker Hauptbronchus rechter Mittellappen

rechter Unterlappen linker Unterlappen rechter Lungenflügel 11.2

linker Lungenflügel

Aufbau des respiratorischen Trakts (ohne Mund- und Nasenhöhle).

ä

280

ä

11. Atmung

men nicht am Gasaustausch teil. Sie werden deshalb auch als Totraum bezeichnet. Die daran anschließenden respiratorischen Bronchiolen (17.–19. Verzweigung der Bronchien) können durch seitliche alveolare Aussackungen bereits am Gasaustausch beteiligt sein, der allerdings hauptsächlich über die Wand der Alveolen erfolgt, in denen die Bronchiolen enden und von denen ein Mensch ca. 300 Mio. besitzt. Die Atemwege (Trachea, Bronchien und Bronchiolen) besitzen in ihren primären Abschnitten knorpelige Wandspangen, damit sie nicht kollabieren. In ihrem Epithel sind auch schleimsezernierende Zellen und Cilien eingebettet, die eingedrungenen Staub und Fremdkörper verkleben und wieder nach außen befördern können. Neben dieser Reinigungsfunktion wird die eingeatmete Luft auch auf Körpertemperatur aufgewärmt und befeuchtet. In der Wandung dieser Atemwege befindet sich glatte Muskulatur, die durch das vegetative System (Sympathikus und Parasympathikus) innerviert ist. Diese Nerven steuTrachea und Bronchien leiten die Atemluft ern die Öffnungsweite der Atemwege, die bei asthmatiin die Lunge, nehmen aber selbst nicht am schen Anfällen stark eingeengt ist (Luftnot). Außerdem Gasaustausch teil. Ihr Flimmerepithel sezerniert einen Schleim, der Fremdkörper können sie über Rezeptoren in der Schleimhaut den Husbindet, die dann, oft mit Unterstützung tenreflex auslösen, der bei Reizung durch Fremdkörper des Hustenreflexes, nach außen befördert eine zusätzliche Schutzmaßnahme durch forcierte Exspiwerden. ration darstellt.

Aufbau der menschlichen Lunge

ä

Die menschliche Lunge ist ein blind endendes Organ, das mit der Außenwelt über das Atemwegsystem verbunden ist. Sie besteht aus zwei Flügeln, die rechts und links vom Herzen innerhalb des abgeschlossenen Thorakalraums liegen. Jeder Lungenflügel ist in mehrere Lungenlappen gegliedert (䉴 Abb. 11.2). Die Alveolen stellen den eigentlichen Ort des Gasaustausches in der Lunge dar (䉴 Abb. 11.3). Sie besitzen eine besonders daran angepasste dünne Wand, die aus einem Epithel mit Typ-I- und Typ-II-Zellen besteht. Während die Typ-I-Zellen durch ihre flache Form hauptsächlich für den Gasaustausch zuständig sind, sezernieren die Typ-IIZellen das sogenannte Surfactant. Es besteht aus einer Flüssigkeit mit oberflächenaktiven Substanzen (Proteine und Lipide), die sich wie ein Film über die innere Oberfläche der Alveolen legt und deren Oberflächenspannung vermindert, die sonst die Alveolen kollabieren ließe. Die Typ-I-Zellen enthalten zahlreiche epitheliale Transportsysteme für Ionen und Wasser, die für eine konstante Dicke und Konsistenz dieses Flüssigkeitsfilms Die Alveolen sind der Ort des Gasaustausorgen. Sie entwässern auch die bei der Geburt noch sches. Verschiedene Typen von Alveolarepithelzellen haben unterschiedliche flüssigkeitsgefüllte Lunge des Fötus und sorgen beim Funktionen. Typ I-Zellen bewirken den Erwachsenen ständig für eine angepasste FlüssigkeitsGasaustausch, Typ II-Zellen sezernieren Clearance aus der Lunge, damit keine Flüssigkeitsandas Surfactant. sammlungen (Ödeme) entstehen.

Atembewegungen des Brustkorbs und der Lunge

CO2-armes, O2-reiches Blut

Ventilation Mund Trachea

Lunge

Pfeile:

Diffusion von CO2 und O2

CO2-reiches, O2-armes Blut

11.3 Gasaustausch in den Alveolen. Das CO2-reiche und O2-arme Blut kommt aus der rechten Herzkammer und umströmt die Alveolen. Dort erfolgt der Gasaustausch, und der ableitende Kapillarabschnitt enthält CO2-armes und O2-reiches Blut. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Atembewegungen des Brustkorbs und der Lunge Die Lungenoberfläche liegt im geschlossenen Thorakalraum eng an dessen innerer Wand an. Dazwischen befindet sich der Interpleuralspalt, der normalerweise geschlossen und luftfrei ist. Durch eine dünne Flüssigkeitsschicht liegt die Lungenoberfläche durch Adhäsionskräfte an der Thoraxwand an und folgt jeder Bewegung. Nach ventral liegt die Lunge am Zwerchfell an, das den Brustraum nach unten verschließt (䉴 Abb. 11.4a).

Inspiration und Exspiration Um Einatmen zu können (Inspiration) und Außenluft durch die Atemwege einzusaugen, muss die Lunge gedehnt werden. Dies geschieht durch die Hebung und Vergrößerung des Brustkorbs. Um dieses zu bewerkstelligen, kontrahieren zwischen den Rippen schräg verlaufende Stränge der inneren und äußeren Intercostalmuskulatur (䉴 Abb. 11.4b). Da die Rippen an den Wirbelkörpern gelenkig aufgehängt sind, hebt sich der Brustkorb bei Kontraktion der äußeren Intercostalmuskulatur und erweitert sich nach außen. Diese inspiratorische Rippenhebung wird aus dem Atemzentrum im Gehirn über Nerven eingeleitet. Gleichzeitig mit dieser Rippenbewegung kontrahiert die Muskulatur des Zwerchfellrings, sodass sich das Zwerchfell anspannt und nach unten absenkt (䉴 Abb. 11.4a). Insgesamt vergrößert sich der Thorakalraum beim Einatmen aktiv, sodass die adhäsiv an der Thorakalwand anliegende Lunge gedehnt wird. Dagegen ist das Ausatmen (Exspiration) meistens passiv, d. h. die Stimulation der äußeren Intercostalmuskulatur und des Zwerchfells setzt aus, und beide

281

282

11. Atmung

a Lunge und offener Pneumothorax

b innere und äußere Intercostalmuskulatur Wirbelsäule Verletzung

Gelenk

innere Intercostalmuskulatur Rippen

kollabierte Lunge

Zwerchfell beim Einatmen

Zwerchfell beim Ausatmen

äußere Intercostalmuskulatur

11.4 Mechanismus der Lungenventilation und Pneumothorax. a) Die Lunge liegt normalerweise eng an der inneren Thoraxwand an. Sie erweitert sich durch die Kontraktion der äußeren Intercostalmuskulatur und durch das Senken des Zwerchfells. Durch eine Verletzung kommt es zu einem Druckausgleich im Interpleuralraum und die Lunge kollabiert (Pneumothorax). b) Innere und äußere Intercostalmuskulatur arbeiten antagonistisch und heben und senken den Brustkorb. (Verändert nach Silbernagl und Despopoulos 2007.)

ä

gehen in ihre Ruheposition zurück. Dadurch verkleinert sich der Thorax wieder, die Lunge wird zusammengepresst und stößt die Luft durch die Atemwege wieder aus. Es gibt allerdings auch eine willkürliche aktive Ausatmung, z. B. wenn man einen Luftballon aufbläst. Dabei kontraDurch Bewegungen der Intercostalmuskulatur und des Zwerchfells dehnt sich die hiert die innere Intercostalmuskulatur (䉴 Abb. 11.4b) akLunge beim Einatmen. Das Ausatmen tiv und presst den Thorax stoßartig zusammen. Gleichzeierfolgt überwiegend passiv durch die tig erschlaffen Zwerchfell und äußere IntercostalmuskuMuskelerschlaffung. latur.

Offener Pneumothorax Gelangt Luft infolge einer Verletzung der Lunge oder der Brustwand in den Interpleuralspalt, so kollabiert die Lunge und zieht sich durch ihre innere Zugspannung auf eine faustgroße Form im Thorakalraum zurück (䉴 Abb. 11.4a). Sie hat den Wandkontakt verloren und kann deshalb keine Atembewegungen mehr durchführen. Ein solcher Zustand wird als offener Pneumothorax bezeichnet und kann nur durch den Verschluss der Verletzungsstelle wieder behoben werden. Bei einem einseitigen Pneumothorax kann der intakte Lungenflügel die Atemfunktionen in Ruhelage übernehmen. Bei einem beidseitigen Pneumothorax oder bei einem sogenannten Ventilpneumothorax besteht allerdings höchste Lebensgefahr. Bei ihm wird durch die Verletzungsstelle laufend Luft in den Thorax eingesogen, die aber durch Verlegung der

283

Atembewegungen des Brustkorbs und der Lunge

Wunde, z. B. durch Gewebelappen, nicht wieder ausströmen kann. Dadurch wird der intrathorakale Druck so groß, dass der noch arbeitende andere Lungenflügel immer weiter in seiner Funktion eingeschränkt wird.

Beim Pneumothorax kollabiert die Lunge, und die Atemfunktion wird stark eingeschränkt.

Spirometrie und Lungenvolumina Mit einem Spirometer (䉴 Abb. 11.5) kann die Ventilation der Lunge untersucht werden. Es ermöglicht, neben der Bestimmung verschiedener charakteristischer Größen (Lungenvolumina und Lungenkapazitäten), auch die Messung des O2-Verbrauchs.

Luft oder reines O 2 Glocke Nasenklemme

Wassermantel

Ventil

Position für Atemkalk bei speziellen Untersuchungen Spirogramm

inspiratorisches Reservevol. (ca. 3 l) Inspirationskapazität

Totalkapazität Vitalkapazität

Volumen

max. Einatmung

normale Einatmung

Atemzugvol. (ca. 0,5 l)

exspiratorisches funktionelle Reservevol. Residualkap. (ca. 1,7 l)

Atemruhelage max. Ausatmung

Residualvol. (1,3 l)

(nicht mit dem Spirometer messbar) Zeit

11.5 Messung der Atemvolumina mit dem Spirometer. Die Versuchsperson atmet in einem geschlossenen System, sodass die Atembewegungen durch Heben und Senken der Glocke aufgezeichnet werden können. Im Luftkreislauf befindet sich Atemkalk, der das Kohlendioxid absorbiert. (Verändert nach Silbernagl und Despopoulos 2007.)

ä

284

11. Atmung

Der Proband trägt eine Nasenklemme und ist über ein Schlauchsystem mit dem Spirometer verbunden. Dieses besteht aus einer Glocke, die beweglich aufgehängt ist und einen wasserummantelten Luftraum umschließt. Der Wassermantel dient der Temperaturkonstanz und gleichzeitig als Abdichtung der nach unten offenen Glocke, die sich über einen Seilzug mit Gegengewicht bei Einatmung senkt und bei Ausatmung hebt. Am Ende des Seilzugs hängen ein Gegengewicht und eine Schreibvorrichtung, die die Atembewegungen auf einer Papierrolle aufzeichnet. Durch die Umlenkung des Seilzugs wird die Einatmung auf dem Papier nach oben aufgetragen und die Ausatmung nach unten. Im Schlauchsystem befindet sich bei speziellen Untersuchungen noch eine Calciumcarbonatverbindung, die das ausgeatmete CO2 bindet (Atemkalk). Zu Beginn des Versuchs wird die Glocke mit einem bestimmten Luftvolumen gefüllt und dann nach außen dicht verschlossen. Die Versuchsperson legt die Nasenklemme und das Mundstück an und wird nach einigen einleitenden Atembewegungen durch Drehen des Ventils an das Luftvolumen der Glocke gekoppelt. Sofort beginnt sich diese im Rhythmus der Atemzüge zu heben und zu senken, und diese normalen Atembewegungen werden auf dem Schreiberpapier aufgezeichnet. Da dieses kalibriert ist, kann man durch Ausmessen der aufgezeichneten Spitzen das normale Atemzugvolumen messen, das beim Erwachsenen ca. 0,5 l beträgt (䉴 Abb. 11.5). Atmet die Versuchsperson nach einigen Atemzügen maximal ein und danach maximal aus, lassen sich zusätzlich das inspiratorische Reservevolumen (ca. 3 l) und das exspiratorische Reservevolumen (ca. 1,7 l) bestimmen. Alle drei Volumina werden als Vitalkapazität zusammengefasst, die beim Erwachsenen ca. 4,5–5,5 l beträgt. Sie bezeichnet das Volumen, das vom gesunden Erwachsenen maximal ein- und ausgeatmet werden kann. Trotz maximaler Ausatmung bleibt noch ein Restvolumen in der Lunge, das Residualvolumen (ca. 1,3 l), das sich allerdings mit dem Spirometer nicht so einfach messen lässt. Dieses Residualvolumen würde erst bei einem vollständigen Pneumothorax aus der Lunge entweichen und wird deshalb an Versuchspersonen oder Patienten über Gasverdünnungsmethoden bestimmt. Das gesamte Volumen in der Lunge, inklusive Residualvolumen, wird als Totalkapazität bezeichnet. Das inspiratorische Reservevolumen und das Atemzugvolumen ergeben zusammen die Inspirationskapazität. Als funktionelle Residualkapazität werden Residualvolumen und exspiratorisches Reservevolumen zusammengefasst. Diese Messgröße ist von klinischer Relevanz, da sie etwas über die Elastizität der Lunge aussagt, die besonders bei Personen mit starker beruflicher Belastung der Lunge (Staublunge, Trompetenspieler) erheblich nachlassen kann.

Bestimmung des Sauerstoffverbrauchs

ä

Durch den Verbrauch des Sauerstoffs und die fortwährende Absorption des ausgeatmeten CO2 an den Atemkalk wird dem abgeschlossenen Volumen in der Spirometerglocke ständig ein gewisses Mit einem Spirometer kann man die AtemVolumen entzogen. Daher verläuft die Registrierung der volumina und -kapazitäten und auch den Atemzüge nicht horizontal, sondern steigt schräg an. Füllt Sauerstoffverbrauch bestimmen. man nun zu Beginn des Versuchs statt Luft reinen Sauer-

Atembewegungen des Brustkorbs und der Lunge

stoff in die Spirometerglocke, kann dessen Verbrauch pro Zeiteinheit sehr einfach an der kalibrierten Registrierung abgelesen werden.

Totraum und Tauchen Wie bereits erwähnt, ist der Gasaustausch im Respirationstrakt auf die Alveolen beschränkt. Dahin gelangt aber nur das als Erstes eingeatmete Volumen. Der Rest bleibt im sogenannten anatomischen Totraum zurück und wird ungenutzt wieder ausgeatmet. Nehmen unter pathophysiologischen Bedingungen nicht alle Alveolen am Gasaustausch teil, existiert auch ein funktioneller Totraum, der unter diesen Bedingungen größer als der anatomische Totraum ist. Beim Tauchen verändert sich die Physiologie der Atmung sehr stark. Taucht man nur knapp unter die Wasseroberfläche, so kann man einen Schnorchel benutzen, um weiterhin kontinuierlich Außenluft zu atmen. Die Schnorchellänge ist auf ca. 40 cm begrenzt, da der Schnorchel den Totraum vergrößert und den Atemwiderstand proportional zur Rohrlänge erhöht. Auch nimmt der Wasserdruck proportional zur Tauchtiefe zu und behindert das Einatmen ebenfalls. Ab einer Tiefe von ca. 1 m ist das Atmen über einen Schnorchel unmöglich (䉴 Abb. 11.6). normaler Totraum

zu großer Totraum

Wasseroberfläche < 40 cm

Totraum Totraum

Wasserdruck

> 100 cm

Totraum und Atemwiderstand zu groß

Einatmen möglich

Wasserdruck zu groß

Einatmen unmöglich 11.6 Natürlicher und künstlicher Totraum. Der natürliche Totraum kann mit einem Schnorchel höchstens auf ca. 40 cm verlängert werden, sonst wird der Gasaustausch unmöglich. (Verändert nach Silbernagl und Despopoulos 2007.)

285

286

ä

11. Atmung

Beim Tauchen in größeren Tiefen werden Tauchgeräte benutzt, die die Inspirationsluft aus einer Druckflasche automatisch auf den umgebenden Wasserdruck einstellen, sodass immer mit normaler Kraft geatmet werden kann. Da unter dem erhöhten Inspirationsdruck aber mehr Stickstoff im Blut gelöst wird, müssen beim Auftauchen aus großer Tiefe regelmäßige Pausen eingelegt werden, um den Stickstoff aus dem Blut wieder in die Gasphase zu überführen und abzuatmen. Taucht man zu schnell auf, bilden sich in Blut und Gewebe Gasblasen aus Stickstoff, die zu Embolien und starken Schmerzen führen (Taucherkrankheit). Bereits beim Eintauchen des Gesichts in das Wasser zeigt sich ein Tauchreflex, der zu einer Verlangsamung der Herzfrequenz und einer Verringerung des Blutdrucks führt. Taucht man ohne Geräte mit angehaltener Luft, steigt der Partialdruck von CO2 (pCO2) im Blut. Chemorezeptoren nehmen den gestiegenen pCO2 wahr, und nach einiger Zeit stellt sich das Gefühl der Atemnot ein, das ein Auftauchen erzwingt. Durch Hyperventilation vor dem Abtauchen kann der pCO2 im Blut vorsorglich abgesenkt werden, um den Tauchvorgang zu verlängern. Dies birgt aber bei größerer Tauchtiefe das Risiko der Bewusstlosigkeit und des Ertrinkens, da das innere Signal zum Auftauchen zu spät kommt, um die Oberfläche noch rechtzeitig erreichen zu können. Beim Tauchen ohne Druckgerät verringert sich durch den zunehmenden Wasserdruck das Volumen der gasgefüllten Räume im Körper stark. So beträgt das Lungenvolumen bereits in 10 m Tauchtiefe nur noch die Hälfte, in 30 m Tiefe sogar nur noch ein Viertel. Auch andere Gasvolumina, z. B. im Mittelohr, werden verringert. Das kann im Exremfall zum Platzen des Trommelfells führen. Da sich diese Volumina beim Auftauchen rasch wieder ausBeim Schnorcheln spielt der Totraum eine limitierende Rolle. Beim Gerätetauchen dehnen, müssen regelmäßige Pausen mit Druckausgleich wird der hohe Wasserdruck durch einen im Ohr (Schlucken) und schrittweisem Ablassen der einerhöhten Gasdruck der Einatemluft komgeatmeten Luft erfolgen, um Lungenrisse mit Pneumothopensiert. rax und Embolien zu vermeiden.

Gasaustausch Zusammensetzung der Luft und der Atemgase

ä

Das Atemgas Sauerstoff (O2) wird vom Körper über die Lunge aufgenommen und zusammen mit den energiehaltigen Substraten umgesetzt. Dabei entsteht das Atemgas Kohlendioxid (CO2), das vom Körper wieder abgegeben werden muss. In der Luft machen die Atemgase nur einen kleineren Teil der Atemluft aus. Luft besteht zu 20,9 Vol % aus Sauerstoff, zu 0,038 Vol % aus Kohlendioxid, zu 78,1 Vol % aus Stickstoff und einem Restanteil von Der externe Gasaustausch sorgt für die AufSpurengasen wie Argon, Helium und Neon und Wassernahme und Abgabe der Atemgase Sauerstoff (O2) bzw. Kohlendioxid (CO2) in den dampf. Da das eingeatmete Volumen zum größten Teil Organismus. Das Kreislaufsystem transpornicht nutzbaren Stickstoff enthält, muss ein Mensch etwa tiert sie zu den Geweben und Zellen bzw. 26 l Luft einatmen, um daraus 1 l Sauerstoff zu extrahieren. von ihnen weg wieder zur Lunge. In körperlicher Ruhe braucht der menschliche Orga-

Gasdiffusion über die Alveolarwand

287

nismus etwa 0,3 l Sauerstoff pro Minute und muss ca. 0,25 l Kohlendioxid pro Minute abgeben. Daraus folgt, dass der Mensch in Ruhe ca. 8 l Luft pro Minute ventilieren muss, um seinen Sauerstoffbedarf zu decken. Dieser Wert wird als Atemminutenvolumen bezeichnet und setzt sich aus Atemfrequenz und Atemzugtiefe zusammen.

Gasdiffusion über die Alveolarwand Ist die Luft durch die äußere Atmung an dem für den Austausch der Atemgase in das Blut speziell ausgebildeten Atmungsepithel (Alveolargewebe) angelangt, treten die Gase durch Diffusion in das Blut über. Dazu müssen sie die einschichtigen Barrieren des Alveolarepithels und des darunter liegenden Endothels der Lungenkapillaren passieren (䉴 Abb. 11.7). Die Diffusion der Atemgase verläuft nach dem Fickschen Diffusionsgesetz: J = – D·A ·

ΔC Δx

Dabei ist J der Fluss der diffundierenden Substanz, D ist eine Diffusionskonstante, A ist die zur Verfügung stehende Fläche des Alveolarepithels, Δx ist die Dicke der beiden Epithelschichten, und ΔC ist die Konzentrationsdifferenz der diffundierenden Substanz zwischen innen und außen. Die Atemgase überwinden Barrieren (AlveoDiffundiert ein Gas, wird dabei nicht die Konzentration larepithel und Kapillarendothel) durch berücksichtigt, sondern der Partialdruck z. B. von Sauer- Diffusion. stoff (pO2) und Kohlendioxid (pCO2) (䉴 Abb. 11.7). Da der Gasaustausch durch Diffusion entlang von Druckgradienten erfolgt, sind nach dem Diffusionsgesetz eine große Austauschfläche und eine geringe Diffusionsstrecke günstig für eine hohe Diffusionsrate. Die Alveolaroberfläche beträgt beim Menschen ca. 100 m2. Ein erwachsener Mensch besitzt etwa 300 Mio. Alveolen, die von einem dichten Netz von Lungenkapillaren umschlossen werden. Eine kurze Diffusionsstrecke wird dadurch erreicht, dass die Alveolarwand, der interstitielle

13,3 kPa 100 mm Hg

Alveolarraum

O2

CO2

alveoläre Kapillarmembran

5,3 kPa 40 mm Hg Alveolarepithel (0,05–0,3 μm) interstitieller Raum (0,02–0,2 μm)

(0,2–0,6 μm)

Kapillarendothel (0,04–0,2 μm)

CO2

O2 arteriell

pO2 12,7 kPa (95 mm Hg) pCO2 5,3 kPa (41 mm Hg)

Blut

Erythrocyt

venös 5,3 kPa (40 mm Hg) 6,0 kPa (46 mm Hg)

11.7 Aufbau der Diffusionsbarriere zwischen Alveolarraum und Blut. Die Diffusionsbarrieren sind in der Lunge extrem dünn, um eine effektive Diffusion der Atemgase entlang der Partialdruckgradienten zu ermöglichen. Die Angaben gelten für einen erwachsenen Menschen.

ä

288

ä

11. Atmung

Raum und das Kapillarendothel extrem dünn sind, sodass die gesamte alveolare Kapillarmembran eine Dicke von nur etwa 0,2–0,6 μm hat. Die Atemgase diffundieren entlang ihres Partialdruckgefälles, d. h. O2 vom Alveolarraum in das Blut und CO2 vom Kapillarblut in den Alveolarraum (䉴 Abb. 11.7). Unter Normalbedingungen hat ein gesunder Erwachsener bei normal ruhiger Atmung einen alveolären pO2 von 13,3 kPa (100 mm Hg). Im venösen Kapillarblut beträgt der pO2 dagegen nur 5,3 kPa (40 mm Hg), sodass ein erheblicher Druckgradient für die Diffusion von O2 in die Lungenkapillaren besteht. Nach maximaler Sättigung beträgt der pO2 im arteriellen Blut dann 12,7 kPa (95 mm Hg). Für CO2 ist es umgekehrt. Im venösen Blut beträgt der pCO2 6,0 kPa (46 mm Hg), im alveolären Raum dagegen nur 5,3 kPa (40 mm Hg), sodass eine Diffusion von CO2 in Richtung Alveolarraum stattfindet. Dadurch sinkt der pCO2 im arteriellen Blut auf 5,3 kPa (41 mm Hg). Alle Werte sind in Abbildung 11.7 Alveolarepithel und Kapillarendothel sind extrem dünn und ermöglichen so eine dargestellt und auf Meereshöhe bezogen, da der Gasdruck effektive Diffusion der Atemgase. Dabei in einem gegebenen Volumen vom äußeren Luftdruck spielt der Partialdruck der Atemgase eine abhängig ist und deshalb für einen Vergleich standardisiert entscheidende Rolle. werden muss.

Gastransport im menschlichen Organismus Vom Kapillarblut der Lunge wird Sauerstoff über das Blut in die Kapillargebiete der Körpergewebe transportiert, wo er die Kapillaren verlässt und über das Interstitium in die Körperzellen diffundiert. Dabei ist die Transportrate im Blut (Konvektion) abhängig von der Menge Sauerstoff pro Volumeneinheit Blut und der Transportgeschwindigkeit durch den Kreislauf. Im Blut wird O2 an das Atmungspigment Hämoglobin gebunden.

Das Atmungspigment Hämoglobin Atmungspigmente sind Verbindungen aus Proteinen und Metallionen, die ihre Farbe je nach der O2-Sättigung ändern und dem Blut seine charakteristische Farbe verleihen. Beim Menschen kommt in den Erythrocyten Hämoglobin als Atmungspigment vor, das ein zentrales Eisenatom besitzt. Es gibt dem Blut bei vollständiger Beladung eine hellrote Farbe, die sich bei abnehmender O2-Sättigung in dunkelrot wandelt. Hämoglobin ist ein tetrameres Protein, d. h. das Molekül besteht aus vier Untereinheiten, zwei a-Ketten und zwei b-Ketten, von denen jede aus dem Polypeptid Globin und einer prosthetischen Gruppe, dem Häm, besteht (䉴 Abb. 11.8a). Das Häm ist aus vier Pyrrolringen aufgebaut, deren Stickstoffatome in ihrer Mitte ein zweiwertiges Eisenatom komplex binden. An dieses Fe2+-Zentralatom lagert sich ein Molekül O2 an (Oxygenierung), das aber nicht bindet, also nicht zu einer Oxidation des Fe2+ führt. Die Oxygenierung ändert aber die Konformation im Häm und sogar im Globin und erleichtert durch kooperative Bindung eine weitere Oxygenierung der benachbarten Hämmoleküle. Weitere O2-Moleküle werden mit einer zunehmenden

Gastransport im menschlichen Organismus

b Sauerstoffbindungskurve O2

α-Ketten Fe

O2

Fe

Hämgruppe mit 2+ Fe -Zentralatom

2+

Globin

Fe

Fe

2+

O2

100

O2 - Sättigung [%]

a Hämoglobinmolekül

2+

289

Zunahme

Abnahme

[2,3-DPG], [CO2] pH, Temperatur

halbmaximale Sättigung

50

O2 -Halbsättigungsdruck

2+

β-Ketten O2

0 0

5

10

15

O2 - Partialdruck (pO2 ) [ kPa]

11.8 Aufbau des Hämoglobins und Sauerstoffbindungskurve. a) Aufbau des Hämoglobinmoleküls. b) Sauerstoffbindungskurve und ihre Verschiebung durch Veränderung des Blutes. Eine Verschiebung der Kurve nach links bedeutet eine Zunahme der Sauerstoffaffinität des Hämoglobins. 2,3-DPG, 2,3-Diphosphoglycerat.

Affinität gebunden. Durch diesen allosterischen Effekt bekommt die O2-Bindungskurve des Hämoglobins eine sig- Atmungspigmente sind Verbindungen von komplexen Proteinen mit Metallen. Sie binmoidale Form (䉴 Abb. 11.8). Jedes Hämoglobinmolekül den die Atemgase und transportieren sie im kann also vier O2-Moleküle binden. Das Hämoglobin des Organismus. erwachsenen Menschen wird als HbA bezeichnet. Während der embryonalen und fötalen Entwicklung werden verschiedene Hämoglobine gebildet. Im Fötus kommt ab dem dritten Schwangerschaftsmonat das HbF vor, das den Hauptanteil des Neugeborenenhämoglobins ausmacht. Erst im Alter von etwa 1,5 Jahren erreicht das Kleinkind den Hämoglobinstatus des Erwachsenen mit annähernd 100% HbA und nur noch geringen Mengen von HbF. Die Bildung des Hämoglobins kann auch hereditär (vererbt) verändert sein und zu Krankheiten führen. Bei der Sichelzellanämie enthält die b-Kette an Position sechs statt Glutamin die Aminosäure Valin. Dies führt zu deformierten Erythrocyten. Bei den Thalassämie-Krankheitsbildern ist zwar die Aminosäuresequenz des Hämoglobins korrekt, es wird jedoch zu wenig Globin gebildet. Für den Transport im Blut lagert sich O2 in den Lungenkapillaren an das Hämoglobin an und löst sich in den Gewebekapillaren wieder von ihm. Mit O2 beladenes Hämoglo- Hämoglobin hat vier Bindungsstellen für Sauerstoff, der sich durch einen allosteribin wird als Oxyhämoglobin bezeichnet, wird das O2 schen Effekt an das Eisenzentralatom wieder abgegeben, so handelt es sich um Desoxyhämoglo- der jeweiligen Hämgruppe anlagert (Oxybin. Auch der Großteil des CO2-Transports verläuft indirekt genierung). Deshalb hat die O2-Bindungskurve des Hämoglobins eine sigmoidale über Hämoglobin (s. unten), und es dient auch als Puffer- Form. system im Blut. Kohlenmonoxid (CO) hat zu Hämoglobin

ä

ä

290

11. Atmung

eine weitaus höhere Affinität als O2. Deshalb bindet Hämoglobin bevorzugt CO, sofern es im Blut vorhanden ist, und wird dann als Carboxyhämoglobin bezeichnet.

Sauerstofftransport im Blut Veränderung der O2-Kapazität Als tetrameres Molekül kann Hämoglobin mit seinen vier Bindungsstellen vier O2-Moleküle binden (䉴 Abb. 11.8a). Die maximale Aufnahmefähigkeit aller Hämoglobinmoleküle im Blut wird als O2-Kapazität bezeichnet. 1 g Hämoglobin bindet maximal 1,39 ml O2. Bestimmt man in einer Blutprobe eines Menschen die Hämoglobinkonzentration, so kann man mit diesem Wert leicht die O2-Kapazität berechnen. Sie ist ein wichtiger Parameter für die Ausdauerleistungsfähigkeit von Sportlern. Da der Hämoglobingehalt eines Körpers unter anderem auch vom O2-Gehalt der Umgebung abhängt, werden in großer Höhe mehr Erythrocyten und damit mehr Hämoglobin gebildet (䉴 Kap. 9). So können sich Sportler durch Training in großer Höhe eine bessere Ausdauerleistungsfähigkeit verschaffen. Blutdoping oder Gabe von Erythropoetin erzielen ähnliche Effekte, was in der Dopingproblematik deutlich wird.

Veränderung der O2-Affinität

ä

Durch Protonen (Verringerung des pH-Wertes), CO2, Temperaturerhöhung und Diphosphoglycerat (2,3-DPG) wird die O2-Affinität des Hämoglobins verringert. Das organische Phosphat 2,3-DPG kommt in menschlichen Erythrocyten in hoher Konzentration vor und bindet ebenfalls an das Hämoglobin. Dadurch verschiebt sich die sigmoidale O2-Bindungskurve (䉴 Abb. 11.8) nach rechts. Fällt der pH-Wert des Blutes ab, weil z. B. in der arbeitenden Muskulatur Milchsäure gebildet wird, fallen im Blut vermehrt Protonen an. Eine weitere Ursache für eine Verringerung des pH-Wertes ist Umwandlung des CO2 in Kohlensäure, die dann zu Bicarbonat und Protonen dissoziiert (䉴 Abb. 11.9). Diese Protonen binden an das Hämoglobin und senken dessen Affinität zu O2, sodass dieses abgegeben wird und in das Gewebe diffundieren kann (䉴 Abb. 11.10). Die O2-Abgabe in das Gewebe wird auch durch die hohe Körpertemperatur bei homoiothermen Organismen begünstigt. Diese pH- und CO2Abhängigkeit der O2-Bindung an Hämoglobin wird als Bohr-Effekt bezeichnet. Bei schweren Anämien oder großen Blutverlusten wird das fehlende Hämoglobin durch Bluttransfusionen (Transfusion von Erythrocyten) ersetzt (䉴 Kap. 9). Da oft Engpässe bei Blutkonserven aus Blutspenden herrschen und darüber hinaus ein gewisses Restrisiko der Übertragung von Krankheitserregern besteht, wurden auch künstliche O2-Träger entDie O2-Affinität von Hämoglobin ist vom wickelt. So können Perfluorcarbone große O2-Volumina pH-Wert und der CO2-Konzentration abhängig. Der Bohr-Effekt beschreibt diese physikalisch lösen und im Blut transportieren. Durch ihr Abhängigkeit und die entsprechende VerHerstellungsverfahren sind diese synthetisch fluorierten schiebung der O2-Bindungskurve, wenn sich Kohlenwasserstoffverbindungen zudem garantiert keimdiese Parameter verändern. frei.

291

Gastransport im menschlichen Organismus

H+ + HCO3–

CO2 + H2 O

Bohr-Effekt

H+- Bindung senkt O2 -Affinität

Globinkette

Fe

2+

Häm

11.9 Bohr-Effekt. Werden im Blut aus der Reaktion von Kohlendioxid mit Wasser Protonen frei (pH-Wert sinkt), so binden diese an das Hämoglobin und senken dessen Sauerstoffaffinität. Dieser Vorgang wird nach seinem Entdecker als Bohr-Effekt bezeichnet.

Bohr-Effekt O2

Alveole

Gewebe

Blut

CO 2

HHb + O2

– H+ + HCO3

H2CO3CA CO2

HbO2

H2O –

Cl

O2

–

HCO3

+

CO2 + H2O

CA

H + HbO2

H2CO3

HHb

HCO3Cl

-

O2

O2

–

HCO3

Cl

–

CO2

11.10 Gasaustausch zwischen Alveole, Blut und Gewebe. Der Transport von Sauerstoff und Kohlendioxid verläuft für beide Atemgase über chemische Reaktionen in den Erythrocyten. HHb, protoniertes Hämoglobin; HbO2, Oxyhämoglobin; CA, Carboanhydrase.

292

11. Atmung

CO2-Transport im Blut Wenn das arterielle Blut im Gewebe ankommt, ist sein pCO2 geringer als in den umgebenden Zellen, da diese durch die Stoffwechselvorgänge viel CO2 bilden. Das CO2 diffundiert deshalb entlang des Druckgradienten in die Kapillaren, in denen aber nur ein geringer Teil des CO2 physikalisch im Blut gelöst wird. Der überwiegende Teil des CO2 diffundiert in die Erythrocyten und wird dort mithilfe des Enzyms Carboanhydrase schnell zu Kohlensäure (H2CO3) umgesetzt. Diese dissoziiert im intrazellulären pHMilieu der Erythrocyten (pH-Wert 7,2) sofort in Protonen (H+) und Bicarbonat (HCO3–) (䉴 Abb. 11.10). CO2 + H2O ⎯Carboanhydrase ⎯⎯⎯⎯⎯ → H2CO3 → HCO3– + H+

ä

Diese Hydratisierungsreaktion wird durch die Carboanhydrase katalytisch beschleunigt. Da im Inneren der Erythrocyten eine Ionenhomöostase herrscht, sind die meisten der neu gebildeten Bicarbonationen im Überschuss vorhanden und diffundieren über einen Anionenaustauscher (Bande-3-Protein) in das Blutplasma. Im Austausch dazu werden Cl–-Ionen in das Innere der Erythrocyten transportiert. Diesen Vorgang bezeichnet man als Chloridverschiebung. Die bei der Reaktion anfallenden H+-Ionen werden zum größten Teil durch das Hämoglobin abgepuffert. Dessen Pufferkapazität ist sehr groß, und die Pufferung wird durch die gleichzeitige Abgabe des O2 an das Gewebe begünstigt, da desoxygeniertes Hämoglobin die Protonen noch besser bindet (䉴 Abb. 11.11b). Gleichzeitig begünstigt die Protonenbindung an das Hämoglobin diese O2-Abgabe und verbessert die CO2-Aufnahme in die Erythrocyten (HaldaneEffekt; 䉴 Abb. 11.11). Etwa 5% des in das Kapillarblut diffundierten CO2 bindet direkt an NH2-Gruppen des Hämoglobins, bildet eine Carbaminoverbindung (Carbamat) und wird so in den CO2 wird im Blut in drei Formen transporErythrocyten zur Lunge transportiert. Da die Carbamattiert: zum geringen Teil (5%) als physikalisch gelöstes CO2 im Blutplasma, zum bildung durch desoxygeniertes Hämoglobin begünstigt überwiegenden Teil (90%) als Bicarbonat wird, wird das CO2 bei der O2-Beladung des Hämoglobins (HCO–3 ) und zum geringen Teil (5%) als in den Lungenkapillaren vom oxygenierten Hämoglobin Carbaminohämoglobin. wieder freigesetzt. In den Lungenkapillaren laufen die oben besprochenen Reaktionen in umgekehrter Richtung ab. Da hier das Blut einen geringeren pCO2 hat, diffundiert HCO3– aus dem Plasma in die Erythrocyten zurück und verbindet sich mit H+ zu Kohlensäure, die wieder in H2O und CO2 zerfällt. Das CO2 diffundiert dann entlang eines Druckgradienten über das Kapillarendothel und das Alveolarepithel in den Alveolarraum, aus dem es durch die Ventilation in die Umgebung abgegeben wird.

Gasdiffusion bei veränderter Ventilation Alle bisher besprochenen Werte beziehen sich auf die Ruheatmung (Normoventilation). Wird die Atemfrequenz beschleunigt oder die Atemtiefe erhöht, entsteht eine Hyperventilation, welche die Gasdiffusion in der Lunge erheblich verändert. Durch eine Hyperventilation wird der alveoläre pO2 erhöht und der alveoläre pCO2 ernie-

Regulation des Gasaustausches und der Atmung

a Lunge

O2

Globinkette

b Gewebe

Haldane-Effekt

O2 -Bindung senkt H+- und CO2 - Bindung

O2

Globinkette

2+

Häm

– + H + HCO3

293

O2 -Ablösung + erhöht H - und CO2 - Bindung

2+

Fe

Häm

CO2 + H2O

– + H + HCO 3

Fe

CO2 + H2O

11.11 Haldane-Effekt. a) Oxygenierung des Hämoglobins in den Lungenkapillaren verringert die Bindung von Protonen und Kohlendioxid an Hämoglobin. b) Desoxygenierung des Hämoglobins in den Gewebekapillaren erleichtert die Bindung von Protonen und Kohlendioxid an Hämoglobin.

drigt. Bei einer verminderten Atmung (Hypoventilation) tritt der gegenteilige Effekt ein. Besonders die Veränderung des alveolären pCO2 führt zu erheblichen Stoffwechselveränderungen. Wird nämlich bei Hyperventilation der alveoläre pCO2 unter den Normwert gesenkt, dann erhöht sich die Druckdifferenz zum Kapillarblut, und es strömt mehr CO2 aus den Lungenkapillaren in den Alveolarraum. Dadurch verändern sich die Pufferverhältnisse im Blut, dessen pH-Wert nun alkalischer wird. Es kommt zu einer respiratorischen Alkalose, die sich durch Schwindel und Schwächegefühl sofort bemerkbar macht. Diese respiratorisch ausgelöste Stoffwechselstörung wird vom Körper sofort mit einer metabolischen Gegenreaktion beantwortet. Eine solche metabolische Azidose führt dem Blut vermehrt Protonen zu, indem der Austausch von H+ und HCO3– in den Nierenführt zu einer respiratoritubuli in Sekundenschnelle verändert wird (䉴 Kap. 13). Hyperventilation schen Alkalose, die vom Körper mit einer Dies zeigt die funktionelle Kopplung von Lunge und Niere metabolischen Azidose gegenreguliert wird. in einer kompensatorischen Stoffwechselreaktion.

Regulation des Gasaustausches und der Atmung Die Atmung erfolgt sowohl unwillkürlich über regelmäßige Atmungsreflexe als auch willkürlich, wie bei bewusst verstärktem Ein- oder Ausatmen.

ä

294

11. Atmung

Funktion des Atemzentrums Für die Regulation der Atmung befindet sich im verlängerten Mark (Medulla oblongata) ein Atemzentrum, das aus Neuronengruppen mit verschiedenen Aktivitäten besteht (Inspirationszentrum, Exspirationszentrum und pneumotaktisches Zentrum) (䉴 Abb. 11.12). Diese Neuronengruppen hemmen sich teilweise gegenseitig, sodass bei ihrer über Motoneurone weitergeleiteten Aktivierung abwechselnd einund ausgeatmet wird. Der Rhythmus wird dabei vom pneumotaktischen Zentrum vorgegeben. Modulierende Atemreize kommen regelmäßig aus der Peripherie (Chemorezeptoren) oder aus höheren Hirnbereichen (bewusste Atmung). Ein rudimentär vorhandenes Schnappatmungszentrum wird erst bei höchster Atemnot aktiviert und sorgt dann für eine reflexartige Schnappatmung, die beim Ertrinkenden zum Einatmen von Wasser in die Alveolen führt.

Rezeptoren und Regelstrecken der Atmungsregulation Für die Atmungsregulation messen Rezeptoren den Partialdruck der Atemgase an zwei Messstellen im Blut. Dabei handelt es sich um Chemorezeptoren am Aortenboa Strukturen der Atmungsregulation

b Regelkreis der Atmung

Sollwerte von pCO2, pO2, pH

pneumotaktisches Zentrum

Atemzentrum HeringBreuerReflex

Glomus caroticum

Atemzentrum

Chemorezeptoren

Intercostalmuskulatur

Glomus aorticum

Intercostalmuskulatur, Zwerchfell

alveoläre Ventilation pCO2 pO2 pH

arterielles Blut, Liquor

11.12 Regulation der Lungenatmung. Die Atmung wird über das Atemzentrum im verlängerten Mark und über Chemosensoren reguliert. a) Strukturen der Atmungsregulation. b) Schematischer Regelkreis der Atmung. (Verändert nach Silbernagl und Despopoulos 2007.)

Regulation des Gasaustausches und der Atmung

295

b Transduktionsmechanismen

a Glomus caroticum Carotissinusnerv

Aktionspotenzial

pH

pCO2

pH i

O2

? Ca i

Kapillare

Transmitterfreisetzung

2+

Typ-I-Zelle Typ-I-Zelle

K +-Ausstrom 2+

Ca -Einstrom Typ-II-Zelle

Depolarisation

11.13 Periphere Chemorezeptoren am Glomus caroticum. a) Er enthält stark vaskularisierte Gewebe aus Typ-I- und Typ-II-Zellen. Typ-I-Zellen sind über gap junctions miteinander gekoppelt und stellen sekundäre Sinneszellen dar, deren Signal vom Carotissinusnerv abgeleitet wird. b) Hypoxie vermindert die Kaliumleitfähigkeit dieser Zellen und führt über die Aktivierung eines Calciumeinstroms zur Transmitterfreisetzung. Extrazelluläre Veränderungen von pH und pCO2 führen über einen abfallenden intrazellulären pH-Wert zur selben Reaktion. (Verändert nach Klinke, Pape und Silbernagl 2005.)

gen (Glomus aorticum) und an der Halsschlagader (Glomus caroticum) (䉴 Abb. 11.12a). Diese Rezeptoren besitzen spezielle Zellen (䉴 Abb. 11.13), die pH-Wert, pCO2 und pO2 messen und die Messergebnisse über Bahnen des vegetativen Nervensystems (N. vagus und N. glossopharyngeus) in das Atemzentrum der Medulla oblongata (䉴 Abb. 11.12) leiten. Weitere Chemorezeptoren befinden sich zentral im Gehirn und messen den pCO2 und den pH-Wert im Liquor. Neben diesen Chemorezeptoren gibt es Mechanorezeptoren, die auf die Dehnung des Brustkorbs reagieren. Sie schalten das Einatmen bei maximaler Dehnung des Thorax aus (Hering-Breuer-Reflex). Schließlich beeinflussen auch noch weitere, nicht rückgekoppelte Reize aus der Peripherie die Atmungsregulation, z. B. die Körper- und die Umgebungstemperatur, Hormone wie Progesteron während der Schwangerschaft, Muskelarbeit und Emotionen aus höheren Zentren des Gehirns. Alle diese Reize sind in ein rückgekoppeltes System (Regelkreis) der Atmung integriert (䉴 Abb. 11.12b). Dabei werden die Messergebnisse der Rezeptoren (Ist-Werte) mit den Soll-Werten im Atemzentrum verglichen und Atemfrequenz und Atemzugtiefe entsprechend verändert. Die Atmung wird durch Chemorezeptoren Dieses wirkt sich wieder auf pO2, pCO2 und pH-Wert in über das Atemzentrum im Gehirn reguliert. Blut und Liquor aus, deren aktuelle Werte dann wiederum Hauptsächliche Messgröße ist dabei CO2. in das Atemzentrum geleitet werden.

ä

296

11. Atmung

Tabelle 11.1 Veränderung der Atmung bei körperlicher Arbeit. Durch Erhöhung von Atemfrequenz und Atemzugvolumen kann das Atemminutenvolumen, abhängig vom Grad der Belastung, um das 10-fache gesteigert werden. Auch das Herzminutenvolumen erhöht sich bei Arbeit. AZ, Atemzüge; HS, Herzschläge. Atemzugvolumen (ml)

Atemfrequenz (AZ min–1)

Atemminutenvolumen (l)

Herzschlagvolumen (ml)

Herzfrequenz (HS min–1)

Herzminutenvolumen (l)

Ruhelage (liegend)

350

12

4

60

60

3,6

Ruhelage (sitzend)

500

16

8

80

70

5,6

2 000

25

50

100

140

starke Dauerbelastung

14

Atmung bei Sport und körperlicher Arbeit

ä

Bei körperlicher Belastung passen sich die Atemwerte der entsprechenden Situation an (䉴 Tab. 11.1). Dabei wird, abhängig vom Grad der Belastung, das Atemminutenvolumen erhöht. Es kann von ca. 4 l bei völliger Ruhelage bis auf 50 l bei höchster Belastung ansteigen. Für diese Zunahme sind nicht nur die Reize der zentralen und peripheren Chemorezeptoren verantwortlich, sondern das Atemzentrum wird auch von den motorischen Feldern des Cortex mit erregt. Bei dieser Steigerung werden sowohl das Atemzugvolumen als auch die Atemfrequenz erhöht. Das Herzminutenvolumen erhöht sich durch Steigerung der Herzschlagfrequenz und des Herzschlagvolumens um das 3- bis 4-fache. Neben körperlicher Arbeit beeinflussen auch Schmerz- und Temperaturreize die Atmung. Besonders starke Kältereize verringern den Bei starker körperlicher Belastung kann sich Atemantrieb. So kann ein plötzlicher Kälteschock, etwa das Atemminutenvolumen um das 10-fache beim Eintauchen des erhitzten Körpers in kaltes Seewasser, erhöhen. Auch das Herzminutenvolumen die Atmung reflektorisch anhalten und damit zum plötzerhöht sich dabei sehr stark. lichen Herztod führen.

Einfluss der Psyche auf die Atmung Zwischen Psyche und Atmung besteht ein enger Zusammenhang. Das Atemzentrum wird durch psychische Erlebnisse wie Angst, Zorn, sexuelle Erregung oder Freude beeinflusst, sodass die Atmung entweder gesteigert oder auch gehemmt werden kann. Vor Schreck kann einem die Luft wegbleiben, unter Stress kommt es oft zu einer gesteigerten Ventilation. Letzteren Zustand bezeichnet man als Hyperventilation. Wie bereits erwähnt, führt diese durch eine vermehrte CO2-Abgabe zu einer Alkalose des Blutes, die einen Calciummangel mit neurologischen Störungen wie Muskelkrämpfen und Ohnmacht auslösen kann. Eine solche psychogene Hyperventilation kann z. B. unter Prüfungsstress ausgelöst werden. Als Therapie ist eine Beruhigungsstrate-

Regulation des Gasaustausches und der Atmung

297

gie geeignet, die aus Gesprächen, einer CO2-Rückatmung durch Atmung in einen Plastikbeutel oder notfalls auch eine Sedierung mit Valium (Diazepam) bestehen kann. Die enge Korrelation zwischen Psyche und Atmung wird auch durch mentale Entspannungstechniken unterstrichen, die vielfach Atemübungen beinhalten. Dazu gehören autogenes Training, progressive Relaxation und auch Hypnose.

Schlafapnoe-Syndrom Da während des Schlafs die Rachenmuskulatur erschlafft, kann der Luftstrom durch Bewegungen des Gaumensegels eingeschränkt werden, was sich als Schnarchen äußert. Solange die Lunge noch einen ausreichenden Gasaustausch durchführen kann ist dieser Zustand zwar lästig, aber durchaus normal. Erst bei einer zeitweise kompletten Verlegung der Atemwege durch die erschlaffte Rachenmuskulatur kommt es zu einer obstruktiven Apnoe, bei der der Schlafende einen Sauerstoffmangel und einen erhöhten CO2-Gehalt im Blut aufweist. Dies führt zu einer erheblichen Herz-Kreislauf-Belastung und durch Schreckreaktionen und ständig unterbrochenen Schlaf zu kontinuierlicher Müdigkeit und körperlicher Leistungsstörung. Ursache von Schlafapnoe sind meist Übergewicht sowie abendlicher Alkoholkonsum. Eine Schlafapnoe wird in einem Schlaflabor durch Messung der Atem- und Kreislaufparameter sowie der Schlafstadien durch ein Elektroencephalogramm der Gehirnaktivität diagnostiziert. Durch Stress kann eine psychogene HyperEine Behandlung ist aufwendig, weil dazu meist eine dauer- ventilation ausgelöst werden. Durch Einschränkung der Atemluftzufuhr während des hafte nächtliche Überdruckbeatmung über eine Maske Schlafs kann eine Schlafapnoe entstehen. notwendig ist.

Künstliche Beatmung Bei verschiedenen Erkrankungen wie Atemlähmungen, Verengung der Luftwege durch schwere Asthmaanfälle oder Lungenversagen muss zur ausreichenden Sauerstoffzufuhr eine künstliche Beatmung durchgeführt werden. Auch bei einer Operation mit Allgemeinnarkose ist dies erforderlich. Das Beatmungsgas kann dabei aus normaler Luft, aus reinem Sauerstoff oder aus entsprechenden Mischungen und Beimischungen von Narkosegasen bestehen. Es wird der Lunge über eine endotracheale Intubation zugeführt. Dabei wird ein spezieller Schlauch (Tubus) entweder über den Mund oder die Nase und durch den Rachen in die Trachea eingeführt und dort fixiert. Die mechanische Atemarbeit wird von einem Beatmungsgerät, dem Respirator, durchgeführt, bei dem sich Atemvolumina, Beatmungsdruck und Atemfrequenz an die gewünschte Situation und Erkrankung anpassen und mit der noch bestehenden Eigenatmung des Patienten synchronisieren lassen. Neben dieser endotrachealen Intubation kann auch über eine Atemmaske oder, bei Langzeitpatienten, über eine operativ angelegte Trachealkanüle künstlich beatmet werden.

ä

298

11. Atmung

Wiederbelebungszeit Überlebenszeit völlige Lähmung Beginn Funktionsstörung

11.14 Wiederbelebungszeit. Reaktion einer Gehirnzelle aus dem Cortex auf akuten Sauerstoffmangel. Angegeben sind ungefähre Werte. (Verändert nach Klinke, Pape und Silbernagl 2005.)

10–20 s 4–6 s

freies Intervall Beginn Anoxie

3–5 min

irreversible Schädigung

0 Zelltod

Wiederbelebungszeit

ä

Fällt die Atmung komplett aus, kommt es durch die fehlende Sauerstoffversorgung zu einer Anoxie (䉴 Abb. 11.14). Damit sind nach einer Latenzzeit von etwa fünf Sekunden schwere Funktionsstörungen verbunden, die schon nach kurzer Zeit zu irreversiblen Schädigungen und zum Tod führen können. Grundsätzlich muss man zwischen zwei unterschiedlichen Szenarien unterscheiden. Ein Atemstillstand ist zunächst weniger kritisch, da die O2-Speicher im Blut durch Zirkulation noch einige Zeit weitergenutzt werden können. Kritischer dagegen ist ein Herzstillstand, bei dem die Blutzirkulation unterbleibt und nur noch die geringen O2-Speicher im Gewebe zur Verfügung stehen. Bezogen auf die O2-Versorgung der Gewebe, z. B. des Gehirns, beginnen die Funktionsstörungen nach ca. fünf Sekunden und führen nach etwa 10– 20 Sekunden zu einer völligen Lähmung. Unterhalb dieser Zeitschwelle besteht deshalb die Möglichkeit zu einer vollständigen Erholung, weshalb diese Spanne auch als Überlebenszeit bezeichnet wird. Die Zeitspanne von 3–5 Minuten ist die Wiederbelebungszeit, während der zwar Bei Atemstillstand stehen nur wenige Minuzunächst schon völlige Lähmung eintritt, die Schäden aber ten zur Rettung zur Verfügung, schon nach noch teilweise reversibel sind. Ab 5 Minuten tritt eine irrewenigen Sekunden nach einem Herzstillversible Schädigung ein, die in kurzer Zeit zum Zelltod stand sind bleibende Schäden zu erwarten. führt.

Erkrankungen des Atmungssystems Im Folgenden werden einige häufige Krankheitsbilder des respiratorischen Systems vorgestellt. Eine entzündliche Erkrankung des Lungengewebes wird als Pneumonie bezeichnet. Ursache dafür ist neben bakteriellen oder viralen Erregern oft auch eine ungenügende Ventilation vor allem der unteren Lungenlappen, z. B. bei langer Bettlägerigkeit. Die oft lebensbedrohliche Lungenentzündung muss mit Antibiotika behandelt werden unter gleichzeitiger Atemgymnastik und oftmals mit Sauerstoffbeatmung. Einer der häufigsten bösartigen Tumoren ist der Lungenkrebs (Bronchialkarzinom), bei dem die Epithelzellen in den Bronchien durch kanzerogene Stoffe, z. B. aus

Regulation des Gasaustausches und der Atmung

299

Rauch, ständig gereizt werden, sich entzünden und schließlich entarten. Sie wandern durch die Basalmembran der Bronchialschleimhaut in den Körper und bilden metastasierende Tumoren. Die Behandlung erfolgt durch chirurgische Maßnahmen oder Chemotherapie, die Prognose ist aber überwiegend schlecht. Die bakteriell ausgelöste Tuberkulose kann zwar alle Organe des Körpers befallen, betrifft aber am häufigsten die Lunge. Die durch Tröpfcheninfektion übertragenen Erreger können sich zunächst symptomlos abkapseln, später aber schleichende Entzündungen auslösen, die große Teile des Lungengewebes zerstören. Die Erkrankung kann mit einer monatelang dauernden Antibiotikagabe heutzutage meist erfolgreich behandelt werden, allerdings bilden sich zunehmend resistente Bakterienstämme. Eine der häufigsten angeborenen Stoffwechselerkrankungen, die Mukoviszidose (cystische Fibrose), wirkt sich ebenfalls besonders auf den respiratorischen Trakt aus. Durch einen angeborenen Gendefekt kommt es zu Störungen in Struktur und Regulation von Ionenkanälen, die den Na+- und Cl–-Austausch über das respiratorische Epithel bewirken und dadurch osmotisch den Flüssigkeitsfilm und die Viskosität des Bronchialschleims regulieren. Oft siedeln sich dadurch verstärkt Bakterien an, die schwere Lungenentzündungen hervorrufen. Eine Behandlung ist nur symptomatisch möglich, deshalb liegt die mittlere Lebenserwartung nur bei etwas über 30 Jahren. Durch Überreaktionen des Immunsystems der Bronchialschleimhaut kann es zu akuten und chronischen Entzündungen kommen, die eine reflektorische Verkrampfung der Bronchialmuskulatur hervorrufen und dadurch einen Asthmaanfall auslösen. Er äußert sich durch akute Atemnot, ist ohne Behandlung oft lebensbedrohlich und kann auch allergische Ursachen, z. B. durch Pollen, Tierhaare oder Hausstaubmilben, haben. Eine sofortige Bronchialerweiterung wird durch Inhalation eines Sprays erwirkt, das Cortison und Sympathikomimetika enthält. Eine heftige Atemnot und Sauerstoffmangel, der sich in einer Blaufärbung der Haut und Lippen äußert (Cyanose), entsteht auch durch eine Lungenembolie. Ursache für diese lebensbedrohliche Erkrankung ist ein Blutgerinnsel (Thrombus), der sich meist aus den Beinvenen löst und die Lungenkapillaren verschließt. Dadurch wird die Lungendurchblutung stark eingeschränkt. Therapeutisch wird das Gerinnsel durch eine Thrombolyse mit Heparin aufgelöst, in schweren Fällen ist eine Operation notwendig. In diesem Zusammenhang wird auf die natürliche Thromboseprophylase durch viel Bewegung hingewiesen. Ein Lungenemphysem entsteht häufig durch starkes Rauchen oder chronisches Asthma. Dieses Krankheitsbild gehört zu den chronisch-obstruktiven Lungenerkrankungen und resultiert in einer langsamen Veränderung des Lungengewebes und einer Einengung des Kapillarquerschnitts. Dadurch wird die Lunge nicht mehr ausreichend belüftet, und es kommt durch Rückbau der Alveolen zu einer Überblähung der Lunge und einer Ausweitung Die Krankheitsbilder des respiratorischen des Totraums. Infolgedessen nimmt auch der Blutdruck im Systems sind oft lebensbedrohlich und in Lungenkreislauf zu, und dies bewirkt eine allmähliche Schä- einigen chronischen Fällen nicht heilbar. digung der rechten Herzkammer (Cor pulmonale). Die Vor allem Rauchen schädigt das Atemsystem und ist nachgewiesen der Auslöser von Behandlung erfolgt durch neuartige gefäßerweiternde Sub- mehreren Krebsarten. stanzen wie Sildenafil (Viagra).

ä

300

?

11. Atmung

Klausurfragen

1. Beschreiben Sie den Aufbau des respiratorischen Traktes beim Menschen. 2. Welche Form hat die O2-Bindungskurve des Hämoglobins, und wodurch lässt sie sich verschieben? 3. Beschreiben Sie den Haldane-Effekt. 4. Welche Mechanismen verursachen die Ventilation der Lunge? 5. Welche Atemvolumina und Atemkapazitäten gibt es? 6. Welche Funktion hat das Residualvolumen? 7. Wie verändern sich die Atemgrößen unter körperlicher Belastung? 8. Was ist der Totraum, und welche Funktion hat er? 9. Beschreiben Sie die Atmungsregulation beim Menschen. 10. Welche Zeitabschnitte gibt es bei der Wiederbelebungszeit?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 12

Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über den Aufbau und die Funktion des menschlichen Verdauungssystems, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Anatomie des Verdauungssystems. Regulation der Nahrungsaufnahme. Verdauungsvorgänge im Mund und Funktion des Oesophagus. Regulation der Magensaftsekretion und Verdauungsvorgänge im Magen. Funktion der einzelnen Dünndarmabschnitte. Funktion von Leber, Galle und Pankreas. Resorptions- und Sekretionsvorgänge im Dickdarm.

Nahrungsquellen Der Mensch ernährt sich wie die meisten tierischen Organismen heterotroph, d. h. er nimmt energiereiche Kohlenstoffverbindungen auf, die von Pflanzen und anderen

302

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

Organismen unter Nutzung des Sonnenlichts aus den anorganischen Grundstoffen CO2 und H2O gebildet wurden. Die drei Hauptnahrungsstoffe des Menschen sind Fett, Kohlenhydrate und Proteine (䉴 Kap. 2). Der Energiegehalt der Nahrungsstoffe wird in Kalorien oder Joule angegeben. Ein ausgewachsener Mensch benötigt bei normaler körperlicher Arbeit ca. 2 500 kcal (das entspricht 10 500 kJ) pro Tag. Nach der Aufnahme wird die Nahrung mechanisch zerkleinert und dann im Verdauungssystem mithilfe von Verdauungsenzymen chemisch verdaut und in den Körper aufgenommen.

Verdauungsenzyme Die Nahrung wird mit den Verdauungsenzymen durch Hydrolyse in kleinere Moleküle zerlegt, um die Bausteine und die in ihnen enthaltene chemische Energie aufzunehmen und verwerten zu können. Diese chemischen Verdauungsvorgänge werden durch Proteasen, Lipasen und Carbohydrasen bewerkstelligt. Für die Verdauung der einzelnen Nährstoffklassen werden meist mehrere spezialisierte Enzyme benötigt (䉴 Abb. 12.1).

Proteine

Fette

Kohlenhydrate

Endopeptidasen Pepsin (Magen) Trypsin (Pankreas) Kathepsine

Gallensäuren (Leber)

Amylase (Speichel, Pankreas)

Oligopeptide

Exopeptidasen Dipeptidasen (Dünndarm u. Pankreas)

Di- und Tripeptide sowie Aminosäuren

emulgierte Fette

Oligosaccharide

Disaccharide

Lipasen Glykosidasen Disaccharidasen (Pankreas) (Dünndarm)

Fettsäuren und Glycerin

Monosaccharide

12.1 Nahrungsstoffgruppen, Verdauungsenzyme und Endprodukte der Verdauung. (Verändert nach Wehner und Gehring 2007.)

Verdauungsenzyme

Proteasen Proteasen unterteilen sich in Exo- und Endopeptidasen. Beide Gruppen lösen die Peptidbindungen von Polypeptiden und Proteinen auf, allerdings ist ihr Angriffspunkt unterschiedlich. Endopeptidasen spalten Peptide und Proteine innerhalb des Moleküls, sodass mehrere kurze Peptidstücke entstehen. Zu diesen Enzymen gehört das im Magen vorkommende Pepsin sowie die Serinproteasen Trypsin, Chymotrypsin und Elastase aus dem Pankreas. Exopeptidasen greifen die Polypeptidstücke an beiden Enden an und setzen einzelne Aminosäuren frei. Diese Peptidasen befinden sich im Mikroklima des Darmepithels, wo sie die kleineren Oligopeptide zu Dipeptiden und freien Aminosäuren hydrolysieren. Proteasen liegen meist zunächst in einer inaktiven Form vor und werden durch ein Vorläuferenzym (Proenzym) aktiviert, das ein inhibitorisches Peptid am Enzym abspaltet.

Lipasen Da Fette wasserunlöslich sind, müssen sie bei der Verdauung zunächst durch Gallensalze und Lecithin emulgiert, d. h. in kleine, in wässriger Lösung schwebende Tröpfchen zerlegt werden. Aus diesen Tröpfchen bilden sich durch weitere Gallensalze schließlich Micellen, kleine kugelförmige Tröpfchen, die nur noch aus einschichtigen, polaren Lipidlamellen bestehen. Dadurch wird die Oberfläche für einen Angriff der Lipasen aus dem Darmepithel oder Pankreas vergrößert, die den Abbau von Fetten zu Fettsäuren und Mono- und Diglyceriden katalysieren. Micellen können aber auch mit der Membran der Darmepithelzellen fusionieren und so durch Endocytose in die Epithelzellen aufgenommen werden. Als Chylomikronen werden sie dann über Lymphbahnen und Blut zur Leber transportiert, wo die Lipide weiterverarbeitet werden.

Carbohydrasen Carbohydrasen werden in Glykosidasen und Polysaccharidasen eingeteilt. Viele Polysaccharidasen sind Amylasen, die langkettige Kohlenhydrate wie Stärke und Glykogen zu Oligosacchariden und Disaccariden abbauen. Die in der Stärke vorkommenden a-glykosidischen Bindungen werden von Amylasen gespalten, der Mensch besitzt jedoch keine Enzyme, die die b-glykosidischen Bindungen der Cellulose spalten. Glykosidasen werden aus dem Pankreas freigesetzt oder befinden sich in der Glykokalyx der absorbierenden Darmepithelzellen. Die Enzyme greifen Disaccharide (z. B. Fructose, Maltose, Lactose) an, die in resorbierbare Monosaccharide zerlegt werden. Die Verwertung des Milchzuckers (Lactose) stellt für viele Erwachsene ein Problem dar, da sie das beim Säugling vorkommende Enzym Lactase oft nicht mehr besitzen. Der Milchzucker wird deshalb nicht mehr gespalten und verursacht oft erhebliche Darmbeschwerden (Lactoseunverträglichkeit).

303

304

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

Nucleasen

ä

Mit pflanzlichen und tierischen Nahrungsstoffen nimmt der Mensch auch erhebliche Mengen an genetischem Material (DNA und RNA) auf. Die Verdauungsenzyme des VerdauungsPro Tag isst ein Mensch etwa 300 mg DNA, die allerdings trakts haben eine sehr große Wirkspezifität energetisch nicht sehr wertvoll ist und vom Organismus und sind für die verschiedenen Klassen von bereits durch RNasen des Speichels und weitere Nucleasen Nahrungsstoffen spezifisch. aus Pankreas und Darmepithelzellen abgebaut wird.

Aufgabe des Verdauungssystems Das Verdauungssystem nimmt die Nahrung auf, verdaut sie zu resorbierbaren Grundbausteinen und nimmt diese dann über geeignete Transportsysteme in den Körper auf. Die unverdaulichen Stoffe werden nach der Passage durch den Verdauungstrakt ausgeschieden. Das Verdauungssystem hat auch exkretorische Funktionen und scheidet toxische Produkte aus. In seinem Aufbau und seiner morphologischen Struktur ist der Verdauungskanal auf die verfügbare Nahrung abgestimmt. Das gilt auch für die im Kanal befindliche mikrobielle Flora, die einen wesentlichen Anteil am Verdauungsgeschehen hat. Die Verweildauer der Nahrung in den einzelnen Kanalabschnitten (䉴 Abb. 12.2) wird durch die Motorik bestimmt, die durch Eigen- und Fremdreflexe autonom funktioniert. Sie durchmischt auch den Inhalt der einzelnen Abschnitte, sodass die von den Verdauungsdrüsen sezernierten Enzyme gleichmäßig angreifen können. Schließlich werden die Substanzen mittels hoch spezialisierter Resorptionsund Sekretionsmechanismen über die gastrointestinale Barriere in den Körper aufPassagezeit:

Glandula parotis

Mundhöhle Speiseröhre Magen Dünndarm Dickdarm

45 s 10 s 1–4 h 4–6 h 7–15 h

Gl. submaxillaris Gl. sublingualis Speiseröhre

Leber Gallenblase Blinddarm 12.2 Verdauungstrakt und Passagezeiten des Inhalts. Die drei paarigen Speicheldrüsen sind Glandula parotis, Gl. submaxillaris und Gl. sublingualis.

Appendix

Magen Pankreas Dünndarm Dickdarm Rektum

Regulation der Nahrungsaufnahme

genommen. Hier ist auch das körpereigene Immunsystem involviert, da der Organismus an dieser Stelle ständig Fremdstoffen und Antigenen ausgesetzt ist.

Regulation der Nahrungsaufnahme Verhalten beim Verzehr und dessen Regulation Die Nahrungsaufnahme erfolgt periodisch in Form von einzelnen Mahlzeiten. Diese sind in Größe und Anzahl unterschiedlich und werden über neuroendokrine Mechanismen reguliert. Neben äußeren Faktoren wie Licht, Geruch und visuelle Reize ist diese Regulation auch von endogenen Rhythmen und gastrointestinalen Signalen abhängig. Die Nahrungsaufnahme wird durch Faktoren eingeleitet, die das Signal „Hunger“ generieren und den Körper zur Nahrungsaufnahme stimulieren. Während Hunger allgemein zur Nahrungsaufnahme führt, bedeutet das Signal „Appetit“ das Verlangen nach einer bestimmten Nahrung. Bereits im Verlauf und vor allem nach Beendigung der Nahrungsaufnahme werden über gastrointestinale und metabolische Regelkreise andere Signale erzeugt, die zur Sättigung, d. h. Beendigung der Mahlzeit führen. Die aus den Organen stammenden peripheren Hunger- und Sättigungssignale werden im Hypothalamus zentral verarbeitet und in entsprechende Verhaltensweisen umgesetzt. Früher schrieb man dem Hypothalamus die alleinige Rolle bei der Regulation der Nahrungsaufnahme zu und bezeichnete seine ventrolateralen Bereiche als Sättigungs- und Hungerzentrum. Neuere Untersuchungen zeigten jedoch, dass das Verzehrverhalten bei Säugetieren über ein komplexes, in mehreren Hirnarealen verteiltes neuronales Netzwerk gesteuert wird, in dem auch das limbische System integriert ist. Neben den gastrointestinalen und metabolischen Signalen wird die Nahrungsaufnahme auch durch andere exogene und endogene Faktoren beeinflusst. So besteht eine inverse Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur und der Nahrungsaufnahme. Bei hohen Temperaturen nimmt die Nahrungsaufnahme ab, während sie bei niedrigen Temperaturen zunimmt. Diese Beziehung ist besonders für die Zusammenhänge zwischen Energiestoffwechsel und Temperaturregulation von Bedeutung. Die Nahrungsaufnahme des Menschen ist auch besonders während der Wachstums- und Entwicklungsphasen erhöht und erniedrigt sich in fortschreitendem Lebensalter. Ein weiterer wichtiger Zusammenhang besteht zwischen Nahrungs- und Wasseraufnahme. Da Flüssigkeit für die Verdauungs- und Stoffwechselvorgänge benötigt wird, ist die Nahrungsaufnahme bei Wassermangel unterdrückt. Es kommt zu einer Verzehrsdepression. Weitere positive Abhängigkeiten der Nahrungsaufnahme bestehen bei Gravidität und Laktation. Letztlich kommt es auch bei Erkrankungen zu einer Verzehrsdepression und Inappetenz, d. h. die Nahrungsaufnahme wird eingestellt. Dies stärkt kurzfristig die generellen Abwehrmaßnahmen, schwächt jedoch längerfristig den erkrankten Organismus zusätzlich. Die gastrointestinalen Signale spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation von Hunger und Sättigung. Sie werden nach ihrem Ursprung in verschiedene Grup-

305

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

pen eingeteilt. Von endokrinen Zellen in der Fundusregion des Magens wird das Hungerhormon Ghrelin in das Blut abgegeben (䉴 Abb. 12.3). Die Blutkonzentration dieses Peptidhormons sinkt nach einer Mahlzeit deutlich und steigt im Laufe der Zeit zwischen den Mahlzeiten wieder. Ghrelin aktiviert Neurone im Hypothalamus und bewirkt eine verstärkte Magenmotorik und Magensaftsekretion. Von den Fettzellen wird das Hormon Leptin freigesetzt, das die Nahrungsaufnahme hemmt. Obwohl es verschiedentlich als Sättigungshormon bezeichnet wird, scheint es nicht alleine zu wirken, sondern im Zusammenspiel mit den Hormonen Insulin und Adiponectin sowie weiteren, noch unentdeckten Faktoren. Die Hoffnungen auf der Basis von Leptin ein Medikament gegen übermäßige Nahrungsaufnahme (Fettsucht) entwickeln zu können, haben sich nicht erfüllt. Auch registrieren Dehnungsrezeptoren in der Magenwand die Füllung des Magens und hemmen eine weitere Nahrungsaufnahme.

appetithemmend PomC

appetitfördernd

Hypothalamus Sättigung

Neuropeptid Y

Hunger

AgRP

Cart

Insulin und Pankreashormone

Leber

Ghrelin (Hungersignal)

Fettgewebe

vegetat. NS (Dehnung) 10. Gehirnnerv

Leptin (Sättigung) Adiponectin

Gehirn

Darmhormone (GIP, GLP-1, oMX, PYY3-36)

306

Magen Pankreas Darm

12.3 Regulation der Nahrungsaufnahme. Gastrointestinale Signale dienen der Regulation von Hunger und Sättigung. Von endokrinen Zellen des Magens wird das Hungerhormon Ghrelin in das Blut abgegeben. Das Fettgewebe setzt das Hormon Leptin frei, das die Nahrungsaufnahme hemmt. Weitere Signale kommen durch verschiedene Darmhormone wie GIP (gastric inhibitory peptide), GLP-1 (glugagon-like peptide 1) und die gastrointestinalen Peptide oMX und PYY3-36. Alle Signale werden im Hypothalamus integriert. Dort lösen sie bei Hunger die Freisetzung des appetitfördernden Neuropeptids Y und von AgPR (Agoutirelated peptide) aus. Bei Sättigung werden dagegen die appetithemmenden Substanzen PomC (Proopiomelanocortin) und Cart (cocain- and amphetamin-regulated transcript) abgegeben.

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals

307

Neben diesen gastralen Signalen produziert der Darm durch Rezeptoren für Aminosäuren, Glucose und Fettsäuren auch intestinale Signale, die die Nahrungsaufnahme regulieren. Dabei sind vermutlich auch mehrere intestinale Peptidhormone beteiligt, unter anderem Cholecystokinin (CCK). Sind die Substrate vom Darm resorbiert und in das Stoffwechselgeschehen übergegangen, werden von inneren Organen (Gehirn, Leber) metabolische Signale produziert, die ebenfalls die Nahrungsaufnahme beeinflussen. Glucoseverwertung und mitochondriale Fettsäureoxidation werden auf diese Weise reguliert. Alle Signale werden im Hypothalamus integriert und lösen dort die Abgabe von entsprechenden Substanzen aus. So werden bei Hunger das appetitfördernde Neuropeptid Y und das ebenfalls hoch wirksame AgRP (Agouti-related peptide) produziert (䉴 Abb. 12.3). Letzteres verursacht im Tierversuch Fettsucht, seine Rolle beim Menschen ist noch nicht vollständig geklärt. Bei Sättigung werden dagegen die appetithemmenden Substanzen PomC (Proopiomelanocortin) und Cart (cocain- and amphetamin-regulated Die Nahrungsaufnahme des Menschen wird transcript) freigesetzt. PomC ist ein Prohormon. Sein durch Hormone und neuronale Reflexe reguMangel durch einen angeborenen Gendefekt verursacht liert. Dabei spielen sowohl äußere als auch beim Menschen ständigen Hunger und Adipositas. Cart innere Faktoren eine Rolle. Der Hypothalamus bildet stark wirksame Neuropeptide zur wirkt ebenfalls appetithemmend und verursacht ein Sät- Vermittlung von Hunger und Sättigung. tigungsgefühl.

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals Funktionell betrachtet liegt der Innenraum des Verdauungskanals außerhalb des Organismus. Am Beginn und Ende befinden sich Mund und After, die durch Verschlussmechanismen ein unkontrolliertes Eindringen von unerwünschten Substanzen bzw. die unkontrollierte Abgabe verhindern. Der Verdauungskanal (Gastrointestinaltrakt) ist morphologisch und funktionell in spezialisierte Kompartimente untergliedert.

Mundhöhle Die Nahrung gelangt durch den Mund in den Körper und wird dort für den Verdauungsvorgang vorbereitet. Sein Innenraum ist von einer Schleimhaut aus unverhornten Plattenepithelzellen ausgekleidet, in die zahlreiche Schleimdrüsen eingebettet sind. Nach außen wird die Mundhöhle von den Lippen begrenzt, hinter denen Oberund Unterkiefer mit zwei Zahnreihen liegen.

Zähne und mechanische Zerkleinerung Für die Verdauung ist eine mechanische Zerkleinerung der Nahrung notwendig. Hierfür sind im Gebiss verschiedene Zahntypen ausgebildet. Man unterscheidet zwischen Schneidezahn, Eckzahn, Mahlzahn und Backenzahn (s. 䉴 Abb. 3.9).

ä

308

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

Das Gebiss des Erwachsenen ist in Abbildung 12.4 dargestellt. Es umfasst 32 Zähne, jeweils 16 im Ober- und Unterkiefer. Nach der allgemeinen Zahnformel beginnt die Zahnbenennung mit dem ersten Schneidezahn im linken Unterkiefer im Uhrzeigersinn, unter Berücksichtigung der jeweiligen Hälften von Unter- und Oberkiefer. So wird der letzte Backenzahn im linken Oberkiefer als Zahn 28 bezeichnet, der letzte Backenzahn im rechten Unterkiefer als Zahn 48. In jedem Kiefer befinden sich vorne vier scharfkantige Schneidezähne (Incisivi), mit denen die Nahrung abgebissen wird. Darauf folgt beidseitig je ein Eckzahn (Caninus), dann je zwei Backenzähne (Praemolares) und drei Mahlzähne (Molares). Die letzten Molaren, also die Zähne 18, 28, 38 und 48, werden auch als Weisheitszähne bezeichnet, weil sie meist erst nach der Pubertät auswachsen. Jeder Zahn (Dens) besteht aus Zahnkrone, Zahnhals und einer oder mehreren Zahnwurzeln. Die Zahnkrone ragt aus dem Zahnfleisch hervor und ist mit dem harten Zahnschmelz (Enamelum) überzogen. Den Hauptteil der Zahnmasse macht das darunter liegende Zahnbein (Dentin) aus, das ähnlich wie das Knochengewebe aufgebaut ist. In der Zahnwurzel (Radix) befindet sich die Zahnpulpa (Pulpa dentis), eine Zahnhöhle, die Blutgefäße und Nerven zur Versorgung des Zahnes enthält. Zähne entstehen aus dem Hautskelett, ihr innerer Aufbau ist deshalb in Kapitel 8 in Abbildung 8.3 dargestellt. Der Mensch durchläuft in seiner Entwicklung einen Zahnwechsel. Sie erste Garnitur Zähne, die Milchzähne, brechen zwischen dem sechsten Lebensmonat und dem

2

1

1

Zählweise im Uhrzeigersinn

2 3

3

4

4 5

5 6

6 rechter linker Oberkiefer

7 8

Zahn Nr. 48

8 7

12.4 Das Erwachsenengebiss und die allgemeine Zahnformel. Zahn Nr. 28 ist der achte Zahn im linken Oberkiefer und gleichzeitig ein Weisheitszahn. Zahn Nr. 48 ist der entsprechende Weisheitszahn der gegenüberliegenden Seite im Unterkiefer. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

7

1

2

4

3

rechter

6

8

8 7

linker

6

Unterkiefer 5

5 4

4 3

3 2

1

1

2

Zahn Nr. 28

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals

zweiten Lebensjahr durch das Zahnfleisch und bleiben bis etwa zum sechsten Lebensjahr bestehen. Das Gebiss besteht in dieser Zeit, im Gegensatz zu dem eines Erwachsenen, nur aus 20 Zähnen, jeweils vier Schneide-, zwei Eck- und vier Mahlzähne pro Kiefer. Im Laufe des Lebens wird der Zahnapparat stark belastet und abgenutzt. Der Zahnhalteapparat ist bereits ab dem 30. Lebensjahr durch Parodontose bedroht. Zahnfleisch, Wurzelhaut und Haltebänder bilden sich zurück, sodass die Zähne ihren festen Halt verlieren, sich lockern und ausfallen können. Die Ursache dieser Krankheit, die heutzutage mehr als 50% der Menschen betrifft, ist weitgehend unklar, allerdings wirken schlechte Mundhygiene und Zahnsteinbildung begünstigend. Bei schlechter Zahnpflege bildet sich die Zahnfäule (Karies), bei der Zahnbein und Zahnschmelz erweichen und sich braun färben. Bei diesem Entkalkungsprozess spielen Bakterien und vor allem Kohlenhydrate in der Mundhöhle eine entscheidende Rolle, da sich durch die bakterielle Umsetzung von Zucker aggressive Säuren bilden, die die Zahnsubstanz angreifen. Eine regelmäßige intensive Zahnpflege und Mundhygiene sind deshalb unverzichtbar.

Verdauung im Mund und Speichelbildung Nachdem die Nahrung durch die Mastikation (Kauvorgang) zerkleinert wurde, wird sie durch den Speichel zumindest teilweise verflüssigt. Dies ist insbesondere für die Geschmacks- und Geruchsrezeptoren wichtig. Das Speicheldrüsensekret enthält Mucin, ein Mucopolysaccharid, das als Gleitmittel zum Schlucken und zur weiteren Beförderung der Nahrung notwendig ist. Mithilfe der Zunge, die auch die Geschmacksrezeptoren enthält, wird die Nahrung durchmischt und verschluckt. Speicheldrüsen und Speichelzusammensetzung In der Mundhöhle befinden sich drei paarige Speicheldrüsen: die Ohrspeicheldrüsen (Glandulae parotis), die Unterkieferdrüsen (Glandulae mandibularis) und die Unterzungendrüsen (Glandulae sublingualis). Während die Ohrspeicheldrüsen einen rein wässrigen (serösen) Speichel absondern, sezernieren Unterkieferdrüsen und Unterzungendrüsen einen sero-mucösen Speichel, der viel Mucin enthält. Neben diesen hauptsächlichen Speicheldrüsen gibt es in der Mundschleimhaut viele weitere kleine Drüsen, die fortlaufend Speichel sezernieren. Die großen Speicheldrüsen werden durch das vegetative Nervensystem reguliert und nur bei Bedarf zur Sekretion stimuliert. Speicheldrüsen besitzen ein weit verzweigtes Gangsystem, das aus blind endenden Endstücken (Acini) besteht, die über Ausführungsgänge in einen gemeinsamen Porus münden (䉴 Abb. 12.5a). Jeweils ein Endstück (Acinus) und der darauf folgende Ausführungsgang (Kanal) bilden eine funktionelle Einheit. Um den Acinus und den Kanal winden sich viele Blutgefäße, die ein dichtes Kapillarnetz bilden. Jede funktionelle Einheit ist von Ästen des vegetativen Nervensystems (Sympathikus und Parasympathikus) innerviert. Speichel besteht aus einer wässrigen Flüssigkeit, die hauptsächlich Elektrolyte und verschiedene zusätzliche Stoffe enthält. Neben großen Mengen an Na+, K+ und Cl– findet sich auch HCO3– das als Puffersystem dient. Dadurch wird der pH-Wert des

309

310

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

a Speicheldrüseneinheit

b Mechanismus der Speichelbildung

Acinus

+ + K + K Na Cl –

Blutseite +

Primärspeichel

Acinuszelle

Na+

Speicheldrüsengang

Na+

Cl

–

H2O

_

Primärspeichel im Lumen

HCO3– K+ c Regulation der Speichelbildung Cl

–

Noradrenalin

β2

M1

Blutseite HCO3–

Acetylcholin M3

cAMP IP3

myoepitheliale Zelle Acinuszelle

Sekundärspeichel

Lumen Mucin

Proteine

12.5 Speichelsekretion. a) Aufbau der Speicheldrüse. b) Mechanismen der Speichelbildung. c) Regulation der Speichelbildung. M1 und M3 sind cholinerge Rezeptortypen, b2 ist ein adrenerger Rezeptor. IP3, Inositoltrisphosphat; cAMP, zyklisches Adenosinmonophosphat.

Speichels im neutralen bis leicht alkalischen Bereich (pH-Wert 7,2–8,4) gehalten. Der Speichel ist beim Menschen leicht hypotonisch und enthält neben den Elektrolyten Proteine wie Immunglobuline (Ig) und andere Plasmaproteine. Außerdem enthält der menschliche Speichel zur Kohlenhydratverdauung auch a-Amylase. Schließlich finden sich im Speichel des Menschen auch Rhodanidionen (SCN–), die der Desinfektion dienen. Speichelbildung Die Speichelbildung erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird von den Epithelzellen des Acinus ein isotoner Primärspeichel gebildet (䉴 Abb. 12.5b), dessen Zusammensetzung der des Blutplasmas ähnlich ist. Durch einen basolateralen Na+/K+/Cl–-Symport akkumuliert Chlorid in den Zellen und wird durch einen apikalen Cl–-Kanal in das Lumen des Acinus abgegeben. Wasser und Na+ folgen osmotisch über den parazellulären Weg. Über apikale Anionenkanäle wird auch HCO3– als Puffer in das Lumen abgegeben. Der Primärspeichel fließt aus den Acini in die Ausführungsgänge, wo er modifiziert wird. Das Epithel der Ausführungsgänge ist wasserundurchlässig, kann aber Ionen resorbieren oder sezernieren (䉴 Abb. 12.5a). Da Na+ und Cl– aus dem Ausführungsgang resorbiert und K+ und HCO3– sezerniert werden, ist der Sekundärspeichel arm an Na+ und Cl–, aber reich an K+ und HCO3–. Beim Menschen ist

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals

311

der Sekundärspeichel hypoton, was vorteilhaft für die Geschmacksrezeption in der Mundhöhle ist. Regulation der Speichelsekretion Das vegetative Nervensystem reguliert die Speichelmenge und ihre Zusammensetzung. Eine Reizung der parasympathischen Fasern des N. glossopharyngeus und des N. facialis bewirkt über die Ausschüttung von Acetylcholin eine Vasodilatation der Blutgefäße und dünnflüssiger, enzymarmer Speichel (seröser Speichel) wird vermehrt gebildet. Bei einer Reizung des Sympathikus wird über die Ausschüttung von Noradrenalin und seine Wirkung auf b-adrenerge Rezeptoren eine Vasokonstriktion der Gefäße ausgelöst und wasser- Speichel besteht aus einem mucösen und armer, enzym- und mucinreicher Speichel (mucöser Spei- einem serösen Anteil und wird in drei paarichel) ausgeschüttet (䉴 Abb. 12.5c). Auch das Neuropeptid gen Speicheldrüsen gebildet. Die Speichelsekretion wird beim Menschen nach Bedarf Substanz P wirkt auf die Epithelzellen der Speicheldrüse geregelt. und erhöht das Speichelvolumen.

Funktion des Oesophagus und Schluckvorgang Nach dem Kauen und Einspeicheln wird die Nahrung durch den Schluckvorgang über den Oesophagus in den Magen gebracht. Dieser Vorgang läuft in zwei Phasen ab. Zunächst wird die Nahrungsportion in einer willkürlichen reflektorischen Phase durch die Bewegungen der Zunge und der Backen bis zum Racheneingang transportiert. Sobald die Nahrung mechanosensitive Schluckstellen im Rachenraum berührt, wird ein reflektorischer Schluckreiz ausgelöst, der sie über die Kreuzungsstelle des Atemwegs hinweg führt und diesen dabei durch Verschluss des Kehldeckels absichert. Abwärts des Oesophagus wird die Nahrung durch eine peristaltische Welle der Ringmuskulatur weiter transportiert. Am aboralen Ende des Oesophagus befindet sich ein Sphinkter, der den Mageneingang verschließt, um einen Rückfluss des sauren Mageninhaltes in den Oesophagus zu verhindern. Er wird in Abhängigkeit von der Größe und Anzahl der Portionen reflektorisch geöffnet. In fortgeschrittenem Alter kann dieser untere Oesophagussphinkter erschlaffen und kontinuierlich sauren Mageninhalt in die Speiseröhre lassen. Dadurch entwickelt sich Sodbrennen, und bei fortwährendem Kontakt des sauren Mageninhalts mit dem empfindlichen Oesophagusepithel besteht die Gefahr eines Oesophaguskarzinoms.

Verdauungsvorgänge im Magen Durch seine Speicherfunktion ermöglicht der Magen (Ventriculus) eine unregelmäßige Nahrungsaufnahme. Der Magen folgt als Erweiterung des Verdauungskanals auf den Oesophagus und hat ein Fassungsvermögen von ca. 1,5 l. Um die Verdauungsvorgänge weiterzuführen, wird der Mageninhalt mit Speichel und Magensaftsekret durchmischt. Das Gemisch wird dann durch eine regulierte Magenentleerung in den anschließenden Dünndarm eingeleitet.

ä

312

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

Speiseröhre (Oesophagus) Cardia 12.6 Längsschnitt durch den Magen. Die innere Krümmung des Magens wird als kleine Kurvatur bezeichnet, die äußere als große Kurvatur. Die Schleimhaut der Magenabschnitte Cardia, Fundus, Corpus, Antrum und Pylorus ist unterschiedlich aufgebaut. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Oesophagealsphinkter Pylorus

Fundus

kleine Kurvatur große Kurvatur

Zwölffingerdarm (Duodenum)

Antrum Corpus

Funktionelle Anatomie des Magens Funktionell wird der Magen wird in einen proximalen Magen (Speicherung) und einen distalen Magen (Durchmischung und Aufbereitung) unterschieden. Anatomisch wird der Magen in fünf Abschnitte unterteilt: Cardia, Fundus, Corpus, Antrum und Pylorus. Die rötliche Magenschleimhaut ist in diesen Abschnitten mit unterschiedlichen Epithelien ausgekleidet (䉴 Abb. 12.6). Die Speiseröhre mündet in die Cardiadrüsenzone des Magens. Sie ist ein überwiegend drüsenloses Areal, das im proximalen Bereich mit cutaner Schleimhaut ausgekleidet ist und nur eine schmale Übergangszone zum anschließenden Fundusbereich darstellt. In der Fundus- und Corpusdrüsenzone befinden sich die hauptsächlichen Drüsen zur Sekretion des Magensaftes. Diese finden sich auch noch im Antrumbereich, der zum Magenausgang überleitet. Die Pylorusdrüsenzone enthält hauptsächlich Drüsen zur Sekretion von Gastrin, sezerniert aber auch Schleime (Mucine) und HCO3– .

Magensaftsekretion Pro Tag werden etwa 1–2 l Magensaft aus den zahlreichen Mündungen der schlauchförmigen Drüsen sezerniert (䉴 Abb. 12.7a). Das einschichtige Epithel dieser tubulären Drüsen bildet sich aus Stammzellen im Halsbereich der Drüsen und differenziert sich in Nebenzellen, Hauptzellen, Belegzellen und endokrine Zellen, deren unterschiedliche Funktionen die Zusammensetzung des Magensafts bestimmen. Die Nebenzellen sezernieren Mucine, um das Magenepithel vor Eigenverdauung zu schützen. Die Hauptzellen sezernieren Enzyme, besonders das zur Proteinverdauung notwendige Pepsinogen. Die Belegzellen sezernieren Salzsäure (HCl). Die endokrinen Zellen (G-Zellen) sezernieren das Hormon Gastrin. Auf der Oberfläche der Magenschleimhaut bildet sich durch die von den Nebenzellen sezernierten Schleimsubstanzen eine dicke zähe Schicht, sodass die sezernierten Enzyme und Salzsäure die Magenschleimhaut normalerweise nicht angreifen können. Die Hauptzellen sezernieren durch Exocytose Endopeptidasen bzw. die inaktiven Vorstufen (Pepsinogene) des proteinabbauenden Enzyms Pepsin. Pepsinogen wird durch eine autokatalytische Abspaltung von ca. 45 Aminosäuren unter Einwir-

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals

a Fundusdrüse

313

b Belegzelle

Na+ Nebenzelle

Hauptzelle

+

+

K + H – Cl

K

H

+

+

3 Na 2K

+

Cl endokrine Zelle Belegzelle

– –

H2 O

+ CO 2 CA

HCO3 K

+

12.7 Magendrüsen. a) Aufbau einer Fundusdrüse. b) Mechanismen der HCl-Sekretion in Belegzellen. CA, Carboanhydrase.

kung von HCl aktiviert. Zur Aktivierung des Pepsins ist also die HCl-Sekretion durch die Belegzellen notwendig. Die Belegzellen (䉴 Abb. 12.7b) besitzen in ihrem apikalen Bereich ein Netzwerk verzweigter Gänge (Canaliculi), die zum Lumen hin offen sind. Bei Aktivierung der Belegzellen verschmelzen zusätzliche intrazelluläre Canaliculi mit der apikalen Membran und öffnen sich nach außen, sodass die apikale Zelloberfläche um ein Vielfaches vergrößert wird. Stimulierte Belegzellen sezernieren aus diesen Canaliculi große Volumina isotoner Flüssigkeit, die HCl in Konzentrationen von bis zu 150 mM enthält. Der Sekretionsmechanismus wird durch eine apikale H+/K+-ATPase und parallel dazu vorhandene Cl–- und K+-Kanäle gebildet. Dabei stammt H+ aus dem Stoffwechsel der Zelle und wird über die Carboanhydrase freigesetzt. Ein basolateraler Cl–/ HCO3– -Antiport sorgt für den Cl–-Vorrat in der Zelle, und K+ wird über die basolaterale Na+/K+-ATPase bereitgestellt. Während K+ und Cl– die Zelle apikal entlang ihres elektrochemischen Gradienten Magen unterteilt sich funktionell in verpassiv verlassen, muss H+ durch die H+/K+-ATPase aktiv Der schiedene Schleimhautbereiche. In der Fungegen einen vielfachen Gradienten in das Lumen befördert dus- und Corpusregion sezernieren die Drüwerden. Dazu ist Energie in Form von ATP notwendig. Der sen mithilfe verschiedener Zelltypen den zur Vitamin-B12-Resorption im Dünndarm notwendige stark sauren Magensaft. Die proteolytischen Enzyme entstehen durch Aktivierung von intrinsic factor wird ebenfalls von den Belegzellen sezer- Vorstufen. niert.

Regulation der Magensaftsekretion Ähnlich wie die Speichelsekretion wird auch die Magensaftsekretion durch die Nahrungsaufnahme reflektorisch ausgelöst. Es sind Geschmacks- und Geruchsnerven beteiligt, die über bedingte Reflexe und den N. vagus auf den Magen einwirken. In der Magenwand treffen diese nervalen Einflüsse auf das Netzwerk der lokalen gastri-

ä

314

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

ECF-Zelle Acetyl+ cholin

intramurale Ganglien +

+ Belegzelle

N. vagus

Histamin +

Gastrin

G-Zelle +

+

GRP +

+ Gastrin

_

Somatostatin Rezeptor HCl

+ + D-Zelle

intramurale Ganglien

Peptide in Nahrung 12.8 Regulation der HCl-Sekretion durch Belegzellen. GRP, gastrin-releasing peptide. (Verändert nach Engelhardt und Breves 2005.)

ä

schen Reflexe. Dabei werden die einzelnen Bestandteile des Magensafts durch unterschiedliche Mechanismen reguliert. Die Pepsinogensekretion der Hauptzellen wird durch Noradrenalin, Sekretin, Acetylcholin und Cholecystokinin stimuliert. Dabei wirken Noradrenalin und Acetylcholin als Überträgersstoffe des enterischen Nervensystems. Sekretin und Cholecystokinin sind dagegen gastrointestinale Hormone, die lokal in hormonproduzierenden Zellen der intestinalen Wand gebildet werden. Für diese Hormone besitzen die Hauptzellen spezielle Rezeptoren. Die Salzsäuresekretion der Belegzellen wird ebenfalls über gastrointestinale Hormone und Überträgerstoffe reguliert (䉴 Abb. 12.8). Acetylcholin wird dabei unter dem Einfluss des N. vagus aus intramuralen Ganglien freigesetzt und wirkt auf enterochromaffine Zellen (ECF-Zellen) der Magenwand, die ihrerseits Histamin ausschütten. Dieses wirkt auf spezifische H2-Rezeptoren in der basolateralen Membran der Belegzellen und stimuliert diese zur HCl-Sekretion. Neben diesem parakrinen Effekt spielen auch gastrinproduzierende Zellen (G-Zellen) in der Magenwand eine Rolle. Sie setzen Gastrin in das Blut frei, das dann auf die Gastrinrezeptoren der Belegzellen ebenfalls stimulierend wirkt. Die G-Zellen werden ihrerseits vom N. vagus über intramurale Ganglien und die Ausschüttung von GRP (gastrin-releasing peptide) stimuliert. In der Magenwand beDie Magensaftsekretion wird durch die finden sich außerdem sogenannte D-Zellen, die das PepNahrungsaufnahme reflektorisch ausgelöst tidhormon Somatostatin abgeben, das wiederum negativ und über lokale enterale Reflexe und auf die Gastrinsekretion der G-Zellen wirkt. Da die D-ZelHormone reguliert. len ihrerseits durch die HCl-Sekretion stimuliert werden,

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals

stellt dieser Mechanismus eine negative Rückkopplung zur Vermeidung überschüssiger Säuresekretion dar.

Pathophysiologie der Magensaftsekretion Die Sekretion der Schleimsubstanzen wird ebenfalls über Acetylcholin und Prostaglandin E stimuliert. Während Acetylcholin generell über das Second-Messenger-System Diacylglycerin und Inositoltrisphosphat wirkt, wird der Effekt von Prostaglandin E über den Second Messenger cAMP vermittelt. Der wichtigste Auslöser für die Schleimsekretion ist ein niedriger pH-Wert im Magen, der über einen enterischen Reflex die Prostaglandinbildung anregt. Diese kann durch Glucocorticoide oder durch Medikamente wie Acetylsalicylsäure (Aspirin) gehemmt werden. Dadurch wird die Schleimsekretion vermindert und damit die Magenwand durch die Magensäure potenziell geschädigt, und Entzündungen der Magenschleimhaut (Gastritis) oder sogar Magengeschwüre (Ulzera) können die Folge sein. Die Magensaftsekretion verändert sich pathophysiologisch meist auch in Zusammenhang mit der mikrobiellen Besiedlung des Magens durch das Bakterium Helicobacter pylori, das sich zwischen Schleimschicht und Epithel ansiedelt und die Schutzfunktion herabsetzt.

Regulation der Magenmotorik Die Muskulatur des proximalen Magens steht unter einer gleichmäßigen Spannung, die von Reflexen des N. vagus und durch Gastrin gesteuert wird. Sie relaxiert nach dem Schlucken, um die Nahrung in den Magen aufzunehmen, und akkommodiert dann an das veränderte Volumen. Dadurch hält der proximale Magen seinen Inhalt unter einem konstant niedrigen Druck, der für die Speicherfunktion wichtig ist. Im Gegensatz dazu werden im distalen Magen von einem Schrittmacherzentrum an der großen Kurvatur regelmäßige elektrische Oszillationen erzeugt, die zu periodischen peristaltischen Kontraktionen (ca. 3 pro min) führen. Diese breiten sich über den Magencorpus und das Antrum aus, durchmischen und homogenisieren den Inhalt und befördern ihn in Richtung Pylorus. Dieser kräftig entwickelte Ringmuskel verschließt den Magenausgang tonisch und wirkt als Sphinkter. Er öffnet sich beim Herannahen einer Kontraktionswelle so weit, dass der flüssige Teil des homogenisierten Mageninhalts in das Duodenum gelangen kann, während die gröberen, noch nicht vollständig homogenisierten Teile im Magen verbleiben. Der Tonus der Magenwand wird vom Plexus myentericus (s. 䉴 Abb. 12.11) und den intramuralen Reflexen reguliert. Nur im proximalen Magen spielen externe Reflexe, ausgehend vom Oesophagus über den N. vagus eine Rolle. Reguliert wird die Magenmotorik auch von Dehnungsrezeptoren in der Magenwand und im Duodenum (enterogastrischer Reflex) sowie von den Hormonen Gastrin, Cholecystokinin, Sekretin, Glucagon und GIP (glucose-dependent insulin-releasing peptide) (䉴 Abb. 12.9). Beim Erbrechen kommen vegetative und motorische Reflexe zusammen und lösen über das Brechzentrum in der Medulla oblongata einen Schutzreflex aus, der den Mageninhalt retrograd über Oesophagus und Mundhöhle aus dem Körper befördert. Ausgelöst wird dieser Reflex durch Chemo- und Dehnungsrezeptoren im Magen-

315

316

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

Oesophagus Ductus hepaticus

Leber

_

Pepsinogen

Sekretin

Gallensynthese

+

Magen

HCI

Ductus choledochus

+ Gastrin Insulin

Gallenblase

Pankreas

+ NaHCO3 + Enzyme

+

CCK Sekretin

+

Inseln GIP

CCK

Duodenum 12.9 Gastrointestinale Hormone und ihre regulatorische Funktion. CCK, Cholecystokinin; GIP, glucose-dependent insulin-releasing peptide. (Verändert nach Eckert 2002.)

ä

Darm-Kanal sowie durch Toxine im Blut. Dem Erbrechen kann auch eine retrograde Dünndarmperistaltik vorausgehen, sodass auch Dünndarminhalt und Galle erbrochen werden können. Am Brechreflex sind im zeitlichen Zusammenspiel auch die Kontraktionen des Zwerchfells, der Bauchdeckenmuskulatur sowie die Erschlaffung des Magens und des OesophaDie Magenmotorik wird in Tonus und Rhythmus von internen und externen Reflegussphinkters beteiligt. Durch Absenken des intrathorakaxen reguliert. Dabei spielen Dehnungsrelen Drucks und kräftige Kontraktionen des Antrums wird zeptoren und intramurale Plexen eine wichder Mageninhalt dann in periodischen Wellen nach oben tige Rolle. befördert.

Erkrankungen des Magens Magengeschwüre (Ulzera ventriculi) treten besonders häufig in fortgeschrittenem Lebensalter auf. Ein besonders typisches Leitsymptom ist ein sofortiger stechender Bauchschmerz nach der Nahrungsaufnahme. Zu den medikamentösen Therapien gehören H2-Blocker, Protonenpumpenblocker, säurebindende Medikamente und Medikamente, die den Schleimhautfilm aufbauen. Größere unbehandelte Magengeschwüre können zu starkem Blutverlust führen, die an einer Schwarzfärbung des Stuhls (Teerstuhl) zu erkennen sind. Bei Perforation durchbricht das Geschwür die Magenwand, und Speisebrei gelangt in die Bauchhöhle (Peritoneum), was zu einer lebensgefährlichen Peritonitis führt. Das Magenkarzinom stellt mit etwa 20% einen Großteil der bösartigen Tumoren dar. Es wird meist zu spät entdeckt, da die Symptome lange Zeit diffus und nicht cha-

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals

rakteristisch sind und oft als „empfindlicher Magen“ beschrieben werden. Therapeutisch muss der Magen radikal entfernt werden, dennoch ist die Prognose wegen früher Leber- und Lungenmetastasierung schlecht. Bestrahlungen und Chemotherapie sind bei dieser Diagnose erfolglos.

Funktionen des Pankreas Unterhalb des Magens befindet sich das Pankreas (Bauchspeicheldrüse). Es besteht aus einem endokrinen Teil (Langerhans-Inseln) zur Produktion von Insulin und einem exokrinen Teil zur Produktion von enzymhaltigen Verdauungssäften und einem Ausführungsgang in das Duodenum (䉴 Abb. 12.9).

Endokrines Pankreas Nur ca. 2% des Pankreasgewebes bilden den inselartig über das Organ verteilten endokrinen Teil, der den Kohlenhydratstoffwechsel reguliert. Dazu sezernieren spezielle Zelltypen vier Hormone: Insulin, Glucagon, Somatostatin und das pankreatische Polypeptid. Diese Hormone wurden bereits in Kapitel 7 behandelt. Die B-Zellen sezernieren Insulin, dessen Ausschüttung von einer erhöhten Glucosekonzentration im Blut stimuliert wird. Die zellulären Mechanismen der Insulinsekretion sind in Abbildung 7.13 dargestellt. Insulin ist ein Peptidhormon und entsteht aus dem Vorläuferhormon Proinsulin durch Abspaltung einer Verbindungskette. Es wirkt auf Leber, Fettgewebe und Muskulatur und senkt den Blutzuckerspiegel drastisch. Eine gestörte Insulinausschüttung bzw. -aufnahme führt zur Zuckerkrankheit (Diabetes mellitus), die entweder auf zerstörten B-Zellen (Typ-I-Diabetes) oder auf einer verminderten Wirkung von Insulin (Typ-II-Diabetes) beruht. Glucagon, der direkte Gegenspieler von Insulin, wird in den A-Zellen der Langerhans-Inseln gebildet. Es wird beim Abfall der Blutzuckerkonzentration sezerniert und aktiviert die Bildung von Glucose aus Glykogen in Leber- und Fettzellen. Glucagon wird ebenfalls aus einer Vorstufe, dem Proglucagon, aktiviert. Das Peptidhormon Somatostatin wird von den D-Zellen der Langerhans-Inseln gebildet. Es wirkt hemmend auf viele Verdauungsvorgänge und Hormonsekretionen im Magen-Darm-Kanal. So inhibiert es die Insulin- und Glucagonsekretion im Pankreas selbst sowie Resorptions- und Sekretionsgänge und Darmmotilität. Das ebenfalls in den Langerhans-Inseln gebildete pankreatische Polypeptid entsteht nach der Nahrungsaufnahme sowie bei besonderen Stoffwechselzuständen wie Fasten oder Hyperglykämien.

Exokrines Pankreas Das exokrine Pankreas besteht ähnlich wie die Speicheldrüse aus vielen einzelnen Acini mit verzweigten Gängen, die in einen gemeinsamen Ausführungsgang münden. Die Acinuszellen sezernieren verschiedene Verdauungsenzyme (Trypsin, Chymotrypsin, Elastasen, Carboxypeptidasen, Pankreas- und Phospholipasen), die durch die Epithelzellen der Ausführungsgänge mit einer chloridreichen, alkalischen Flüssig-

317

318

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

keit komplettiert und in das Duodenum abgegeben werden. Ähnlich wie bei den proteinverdauenden Magenenzymen werden auch die Pankreasenzyme aus Vorstufen aktiviert, z. B. Trypsin aus Trypsinogen und Elastase aus Proelastase. Beim Menschen sezerniert das exokrine Pankreas, abhängig von der Verdauung, etwa 2 l Flüssigkeit pro Tag. Durch den hohen HCO3– -Gehalt des Pankreassekrets wird vom Magen stammende Salzsäure im Duodenum neutralisiert, sodass die Verdauungsenzyme im Duodenum in ihrem pH-Optimum aktiv sind. Reguliert wird die Pankreassekretion von Acetylcholin des N. vagus sowie von intestinalen Hormonen. Cholecystokinin, das aus den I-Zellen des Dünndarmepithels stammt, wirkt aktivierend auf die Enzymsekretion der Acinuszellen. Dagegen steigert Sekretin aus den S-Zellen des Dünndarms die Sekretion in den Epithelzellen der Ausführungsgänge (䉴 Abb. 12.9).

Erkrankungen des Pankreas

ä

Vorzeitige Freisetzung der Pankreasenzyme noch innerhalb des Organs kann zur Selbstverdauung und einer akuten Pankreasentzündung (Pankreatitis) führen. Sie wird durch absolute NahrungsDas Pankreas (Bauchspeicheldrüse) hat karenz behandelt und kann bei wiederholtem Auftreten einen exokrinen Teil zur Sekretion von Verdauungsenzymen und Puffern und einen in eine chronische Pankreatitis übergehen. Durch unendokrinen Teil zur Bildung von Hormonen kontrollierte Proliferation des Pankreasepithels kann ein (Insulin) für die Regulation des ZuckerstoffPankreaskarzinom entstehen, ein schnell metastasierenwechsels. der Tumor, der meist in kurzer Zeit zum Tode führt.

Leber Allgemeine Funktionen Die größte Anhangdrüse des Verdauungskanals ist die beim Erwachsenen 1,5 kg schwere, rötlich-braune Leber (Hepar). Neben vielfältigen zentralen Stoffwechselaufgaben ist sie an der Speicherung von Vitaminen, Fetten und Kohlenhydraten beteiligt, entgiftet schädliche Substanzen wie Alkohol und bildet die Galle. Die Leber liegt unter der rechten Zwerchfellkuppel, rechts vom Magen (䉴 Abb. 12.10) und ist in zwei unterschiedlich große Lappen geteilt. Über die Pfortader gelangt das venöse Blut der Bauchorgane direkt in die Leber, sodass im Darm resorbierte Nährstoffe dort direkt in den Stoffwechsel eingebracht werden können.

Leber und Gallensekretion Neben ihrer zentralen Stoffwechselfunktion bildet die Leber ein Sekret, das als Gallenflüssigkeit bezeichnet wird, weil es über die Gallenblase und den Gallengang in das Duodenum abgegeben wird (䉴 Abb. 12.9). Es enthält Gallensalze (Cholat, Desoxycholat, Chenodesoxycholat) in einer isotonen Flüssigkeit, die in der Gallenblase eingedickt wird, deren Epithelzellen eine große Menge NaCl resorbieren. Gallensalze sind Metaboliten des Cholesterins. Sie wirken als Detergenzien (Lösungsvermittler) und unterstützen bei der Vorverdauung der Lipide die Bildung von Micellen. Gallen-

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals

Zwölffingerdarm (Duodenum)

Leber Magen

Grimmdarm

Leerdarm

(Colon)

(Jejunum)

Blinddarm (Caecum)

Krummdarm (Ileum)

12.10 Magen-Darm-Trakt und die verschiedenen Dünn- und Dickdarmabschnitte. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

salze werden im terminalen Ileum teilweise resorbiert und über das Blut wieder in die Leber transportiert (enterohepatischer Kreislauf). Im Dickdarm erhöhen sie die Wasserpermeabilität des Epithels. Sekretin und Cholecystokinin stimulieren die Gallensekretion, epitheliale Sekretionsmechanismen und kontraktile Motilität der Gallenblase.

Leber- und Gallenerkrankungen Aus dem Abbau der roten Blutkörperchen bildet die Leber den Gallenfarbstoff Bilirubin. Wird dieser Stoffwechselprozess gestört oder der Gallenabfluss durch Stauung verhindert, entsteht eine Gelbsucht (Ikterus) mit einer charakteristischen Gelbfärbung von Haut und Augen. Bilden sich aus den hochkonzentrierten Gallensalzen Konkremente, dann entstehen Gallensteine, die den Abfluss blockieren und zu Gallenkoliken und Entzündungen der Gallenblase (Cholezystis) führen können. Sie müssen meist operativ entfernt werden. Verschiedene Arten von Viren rufen weitere typische Lebererkrankungen wie eine akute Virushepatitis hervor. Zurzeit sind sieben Hepatitisformen (A–G) bekannt. Gegen einige gibt es wirksame Impfungen. Eine lang anhaltende Leberentzündung (Hepatitis) führt zu einer irreversiblen Schädigung (Leberzirrhose), die als Spätkomplikation auch ein primäres Leberzellkarzinom zur Folge haben kann. Lebertumoren entstehen jedoch häufig sekundär durch Lebermetastasen, wobei der Primärtumor oft im Bereich der Pfortaderversorgung, also in Magen, Colon oder Rektum liegt. Schließlich führen übermäßiger Alkoholgenuss oder hyperkalorische Ernährung zur Fettleber, bei der die Leber meist beschwerdefrei durch Fetteinlagerungen vergrößert ist.

319

320

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

Dünndarm Der Dünndarm ist der hauptsächliche Ort für die Verdauung und Resorption von Nahrungsstoffen, Vitaminen, Elektrolyten und Flüssigkeit. Er ist beim Mensch ca. 3– 4 m lang und wird in drei Abschnitte unterteilt: Duodenum (Zwölffingerdarm), Jejunum (Leerdarm) und Ileum (Krummdarm). Nach dem Magen folgt als erster Abschnitt das Duodenum (䉴 Abb. 12.10). Es bildet eine etwa 25 cm lange, C-förmige Schlinge, in der das Pankreas liegt und in die auch der Gallengang mündet. Darauf folgt das etwa 2 m lange Jejunum, das frei beweglich durch das Mesenterium, ein bindegewebiges Band, an der hinteren Wand der Bauchhöhle aufgehängt ist. Die innere Oberfläche des Jejunums ist typischerweise mit Ringfalten und Mikrovilli stark vergrößert. Schließlich folgt das etwa 3 m lange Ileum, bei dem diese inneren Oberflächenstrukturen allmählich verschwinden, bevor der Dünndarm in den Dickdarm übergeht.

Funktionelle Anatomie des Dünndarms Abbildung 12.11 zeigt den typischen Aufbau des Dünndarms im Bereich des Jejunums. Die Oberfläche ist durch Ringfalten (Kerkring-Falten), Darmzotten und Mikrovilli enorm vergrößert. Da sich in der Mucosa (Bürstensaum) viele Verdauungsenzyme befinden, ergibt sich eine riesige funktionelle Fläche für die enzymatische Verdauung und die Resorptions- und Sekretionsvorgänge. Beim Menschen werden so täglich 8–9 l Flüssigkeit zusammen mit Elektrolyten resorbiert. Diese Vorgänge werden sowohl neuronal als auch hormonell reguliert. Im Epithel des Dünndarms liegen am Fuß der Zotten die Lieberkühn-Krypten (䉴 Abb. 12.11c), die Wasser und Elektrolyte in das Lumen sezernieren. Die Oberfläche des Epithels ist, ähnlich wie im Magen, von einer gelartigen Schleimschicht bedeckt, die von Becherzellen in Zotten und Krypten produziert wird. Schleimsubstanzen werden auch durch die BrunnerDrüsen sezerniert. Die Bürstensaumenzyme werden von den Hauptzellen des Epithels luminal sezerniert und präsentiert. Diese Enzyme sind integrale Membranproteine, die in das Lumen ragen und dort ihre Verdauungsaktivitäten vornehmen. Es handelt sich um Exopeptidasen, Lactasen und Saccharasen. Intrazelluläre Enzyme (z. B. Endopeptidasen) werden durch Absterben der Epithelzellen in das Lumen freigesetzt. Das Epithel hat eine starke Wachstumsrate und erneuert sich ständig aus Stammzellen, die in der Tiefe zwischen den Zotten lokalisiert sind. Die Zellen wandern im Laufe ihres Differenzierungsprozesses von der Tiefe der Zotten an deren Spitze, wo sie nach ca. 6–10 Tagen absterben und in das Lumen abgeschilfert werden.

Dünndarmmotorik Ein Querschnitt durch den Dünndarm (䉴 Abb. 12.11) zeigt, dass sich zwischen der äußeren Längs- und der inneren Ringmuskulatur ein dichtes Netz von Nervenzellen befindet, das regelmäßige Ganglien aufweist. Sie werden als Plexus myentericus oder Auerbach-Plexus bezeichnet. Weiter innen befindet sich ein zweites Nervengeflecht mit Ganglien, das als Plexus submucosus oder Meissner-Plexus bezeichnet wird (䉴 Abb. 12.11a,b). Diese beiden Nervennetze gehören zum enterischen Nervensys-

321

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals

a Darmquerschnitt Längsmuskulatur Ringmuskulatur Submucosa Plexus myentericus

b Darmlängsschnitt Serosa

Mucosa

Plexus submucosus

c Darmzotten

Längsmuskulatur Ringmuskulatur

Mucosa

Submucosa

KerkringFalten

Plexus myentericus

Plexus submucosus

Serosa

d Darmepithelzellen

Darmzotte

apikale Seite Mikrovilli Epithelzelle

Krypte

tight junction

Blutgefäße basolaterale Seite

12.11 Aufbau des Dünndarms. a) Darmquerschnitt mit den verschiedenen Schichten. b) Darmlängsschnitt mit Kerkring-Falten. c) Darmzotten mit Blutgefäßversorgung und Lieberkühn-Krypten. d) Anordnung der Darmepithelzellen mit Mikrovilli.

tem und regulieren die Resorptions- und Sekretionsvorgänge (Pl. submucosus) sowie die Dünndarmmotorik (Pl. myentericus). Die Bewegungsvorgänge (Darmmotorik) werden durch endogene Reflexe gesteuert, an denen sowohl sensorische als auch motorische Fasern beteiligt sind. Diese Reflexe koordinieren die Kontraktion und Erschlaffung benachbarter Muskelbezirke. So entstehen eine aufsteigende Erregung und eine absteigende Hemmung, die einen Weitertransport des Darminhalts ermöglicht. Diese endogenen Reflexe umfassen verschiedenste Nervenzelltypen, die über Interneurone komplex verschaltet sind und sowohl hemmende als auch fördernde Transmitter abgeben. Die glatten Muskelzellen der Darmmuskulatur generieren ihren eigenen bioelektrischen Rhythmus, der als basaler elektrischer Rhythmus (BER) bezeichnet wird. Durch ihn werden, im Zusammenspiel mit den endogenen Reflexen des enterischen Nervensystems, verschiedene Bewegungstypen der Darmmotilität erzeugt. Es gibt drei charakteristische Bewegungsmuster. Die propulsive Peristaltik verursacht wandernde Kontraktionswellen von oral nach aboral, die den Darminhalt in Richtung Dickdarm vorantreiben. Segmentationsbewegungen werden durch einen regelmäßigen Wechsel von Kontraktions- und Erschlaffungsphasen verursacht. Sie zerkleinern und durchmischen den Darminhalt, genauso wie die Pendelbewegungen, die aus auseinander- und zusammenlaufenden lokalen Kontraktionswellen bestehen. Alle diese Bewegungstypen laufen mit unterschiedlichen Frequenzen ab. Schließlich gibt es noch Dauerkontraktionen (tonische Kontraktionen) des Darms, die eine Verschlussfunktion haben und ausschließlich an den Sphinkteren der Darmabschnitte (z. B. Pylorus, Ileocaecalklappe) stattfinden.

322

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

Der Darm wird durch sympathische und parasympathische Fasern und viscerale Afferenzen von außen innerviert. Diese Einflüsse greifen modulierend in die lokalen Reflexe des enterischen Nervensystems ein. Sympathische Stimulation hemmt die Darmmotilität, wohingegen parasympathische Stimulation die Darmmotilität steigert. Sie wird auch durch äußere, extramurale Reflexe zwischen den einzelnen Abschnitten des Magen-Darm-Kanals koordiniert. Dazu gehören Kau-, Schluck-, Brech- und Defäkationsreflex und der gastrocolische Reflex, der bei Füllung des Magens zur vorsorglichen Entleerung des Dickdarms führt.

Resorption und Sekretion im Dünndarm Das Dünndarmepithel bildet eine Barriere, die den Transport vom Darmlumen in das Blut oder umgekehrt kontrolliert. Die transportierten Substanzen können dabei den Weg quer durch die Epithelzellen (transzellulärer Transport) oder zwischen den Epithelzellen (parazellulärer Transport) nehmen. Zur Überwindung von Konzentrationsgradienten und Zellmembranen sind dafür spezielle Transportmechanismen und Transportproteine notwendig. Sie durchspannen als Kanäle, Transporter oder Pumpen die Zellmembran. Im Dünndarm des Menschen werden pro Tag bis zu 9 l Flüssigkeit und bis zu 100 g anorganische Ionen resorbiert. Da der Dünndarm ein sehr durchlässiges Epithel besitzt, fließen je nach osmotischer Druckdifferenz zwischen Lumen und Plasma große Mengen Flüssigkeit über den parazellulären Weg. Generell resorbiert der Dünndarm große Mengen an Kochsalz (NaCl) und sezerniert Anionen (Cl–, HCO3–) in das Lumen. In Abbildung 12.12 sind diese beiden Transportwege und ihre zugrunde liegenden Mechanismen dargestellt. Natrium strömt entlang eines elektrochemischen Gradienten über einen Symport mit Glucose in die Zelle und wird durch eine Na+/K+-ATPase über die basolaterale Membran in das Blut transportiert. Dabei energetisiert der apikale Na+-Einstrom den Einwärtstransport von Glucose (sekundär aktiver Transport). Der molekularer Aufbau des Na+/Glucose-Cotransporters ist inzwischen bekannt und wird als SGLT1 bezeichnet (䉴 Abb. 12.12a). Ähnliche Systeme für den Cotransport existieren in der apikalen Membran für den Na+-gekoppelten Aminosäuretransport (z. B. Lysin und Leucin). Es gibt aber unabhängig davon auch eigenständige, neutrale Aminosäuretransporter, die ohne Na+-Kopplung arbeiten. Auch Dipeptide werden über eigenständige apikale Transportsysteme aufgenommen. Fructose wird apikal über erleichterte Diffusion (GLUT5-Transportprotein) aufgenommen. Basolateral verlassen die Zucker die Zelle entlang ihres Konzentrationsgradienten über den GLUT2-Transporter.

Erkrankungen des Dünndarms (Cholera) Da die resorptiven Mechanismen im Dünndarm normalerweise sehr effektiv arbeiten, wird mit den Salzen auch viel Flüssigkeit osmotisch aus dem Lumen eliminiert. So gelangt mit dem Dünndarminhalt täglich nur etwa 1 l Wasser weiter in den Dickdarm. Wird aber der Sekretionsmechanismus für Anionen stark angeregt, wird hauptsächlich Chlorid in den Dünndarm sezerniert und zieht osmotisch große Mengen Wasser aus dem Blut in das Lumen. In diesem pathophysiologischen Zustand gelan-

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals

323

a Resorption basolateral

apikal

–

Cl + Na

+

Na SGLT1 Glucose Aminosäuren Fructose GLUT 5

+

K

GLUT 2 Glucose Galactose

b Sekretion apikal

basolateral

Wasser +

Na +

CFTR Cl

K

–

+

+

Toxine +

cAMP

K + Na – 2 Cl + K

Na

Furosemid

12.12 Resorptions- und Sekretionsmechanismen im Dünndarm. a) Resorption. Glucose und Aminosäuren werden durch getrennte Systeme, apikal an Na+ gekoppelt, entgegen ihrem Konzentrationsgradienten aufgenommen. Der Na+/Glucose-Transporter wird als SGLT1 bezeichnet. Fructose wird apikal durch erleichterte Diffusion (GLUT5-Transportprotein) aufgenommen. Basolateral werden die Zucker, durch GLUT2 vermittelt, entlang ihres Konzentrationsgradienten in das Blut abgegeben. b) Sekretion. Die elektrogene Cl–Sekretion liefert die osmotische Triebkraft für die Na+- und Flüssigkeitssekretion. Chlorid wird basolateral über einen Cotransporter mit Na+ und K+ aufgenommen. Dieser ist durch Schleifendiuretika (Furosemid) hemmbar. Apikal verlässt Cl– die Zelle über einen Cl–Kanal (CFTR, cystic fibrosis transmembrane regulator), der durch bakterielle Toxine über intrazelluläre Signalmechanismen (cAMPvermittelt) aktiviert werden kann.

gen bis zu 20 l Flüssigkeit in den Dickdarm, der solche Volumina nicht resorbieren kann. Es kommt deshalb zu wässrigen Durchfällen. Auslöser für eine solche stimulierte Anionensekretion sind oft Toxine enteraler Bakterien. So werden z. B. von Colibakterien (E. coli) oder dem Choleraerreger Vibrio cholerae Toxine abgeben, die über apikale Rezeptoren (䉴 Abb. 12.12b) die Epithelzellen stimulieren. Über durch Second Messenger, meist cAMP oder Ca2+, vermittelte Signalwege, werden apikale Chloridkanäle (CFTR) aktiviert, sodass Chlorid entlang seines elektrochemischen Gradienten in das Darmlumen strömen kann und Wasser osmotisch nach sich zieht. Im Dünndarm wird die enzymatische VerdauEine solche Stimulation der Cl–-Sekretion kann auch durch ung der Nahrungsstoffe abgeschlossen, und körpereigene Stimuli wie Acetylcholin, VIP (vasoactive die Endprodukte werden resorbiert. Durch bakterielle Toxine kann es zu einer Wasserintestinal polypeptide) und Entzündungsmediatoren (Pro- und Elektrolytsekretion (Diarrhoe) kommen. staglandine, Leukotriene) erfolgen.

Dickdarm Der Dickdarm (Colon) (䉴 Abb. 12.13a) verläuft über einen aufsteigenden (Colon ascendens), einen querliegenden (Colon transversum) und einen absteigenden Teil

ä

324

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

(Colon descendens). Nach Einmündung des Ileums an der Ileocaecalklappe befindet sich aboral ein kurzes blind endendes Stück, der Blinddarm (Caecum) mit dem Wurmfortsatz (Appendix). Am Ende geht der Dickdarm über das Colon sigmoideum in den Mastdarm (Rektum) über. Im Dickdarm wird der Darminhalt durch die fast vollständige Resorption von NaCl und Wasser weiter eingedickt und durch die Colonmotilität zu Faeces geformt, die bis zur Defaekation gespeichert wird. Das Colon ist haustriert und besitzt längs verlaufende Bindegewebsstreifen, die Taenien. Zwischen ihnen ist die Colonwand sackartig ausgestülpt (Haustren), sodass seitliche Divertikel entstehen. Neben der Resorption von Na+ und Cl– werden im Colon K+ und HCO3– sezerniert. Na+ wird dabei, ähnlich wie im Sammelrohr der Niere, durch apikale Na+-Kanäle (ENaC) in die Zelle aufgenommen und durch eine basolaterale Na+/K+-ATPase weiter in das Blut befördert (䉴 Abb. 12.13b). Das von dieser ATPase aufgenommene K+ kann über apikale K+-Kanäle in das Lumen abgegeben werden. Gesteuert werden diese Vorgänge, ähnlich wie im distalen Nephron, durch das Nebennierenrindenhormon Aldosteron. Im Vergleich zum Dünndarm zeigt das Colonepithel nur eine geringe Oberflächenvergrößerung. Es besteht aus flächig angeordneten Oberflächenzellen und dazwischen gelagerten Krypten, aus deren Wachstumszonen die Zellen periodisch ersetzt werden. In den Kryptenzellen ist der Mechanismus der Cl–-Sekretion ebenfalls vorhanden (䉴 Abb. 12.12b), sodass auch im Colon, unter dem Einfluss von bakteriellen Toxinen oder Entzündungsstoffen, eine sekretorische Diarrhoe auslöst werden kann. Solche Mechanismen spielen auch bei entzündlichen Darmerkrankungen (ulcerative Colitis) eine große Rolle.

a Anatomie Flexura colidextra

b Resorption

Colon transversum

Flexura colisinistra Colon descendens

Colon ascendens

Blinddarm (Caecum) Wurmfortsatz (Appendix vermiformis)

apikal

Taenia terminales Ileum

Haustra Colon sigmoideum (Sigma) Mastdarm (Rektum)

+

Na

basolateral

+

Na

ENaC +

+

K

K

ROMK

+

K

After (Anus) 12.13 Anatomie und Funktion des Dickdarms (Colon). a) Anatomie der einzelnen Colonabschnitte. b) Resorption im Colon. Natrium wird apikal über den epithelialen Na+-Kanal (ENaC) in die Zelle aufgenommen und basolateral über die Na+/K+-ATPase auf die Blutseite befördert. Kalium kann apikal über spezielle K+-Kanäle (ROMK) in das Darmlumen sezerniert werden. Die Sekretion von NaCl und Wasser erfolgt in den Kryptenzellen über ähnliche Mechanismen wie im Dünndarm.

Einteilung des menschlichen Verdauungskanals

325

Ist der Coloninhalt durch Störungen der Motilität oder Resorption zu stark eingedickt, kommt es zur Verstopfung Im Dickdarm findet die finale Wasser- und zur Eindickung des Kots (Obstipation). Vielfach werden dann Abführmittel (Laxan- Elektrolytresorption statt. Auch hier können bakterielle Toxine tien) eingesetzt, die entweder die NaCl-Resorption hemmen eine pathophysiologische Sekretion auslösen. (Bisacodyl oder Rizinusöl) oder die Colonmotorik anregen. Das Dickdarm ist stark mit mikrobiellen Organismen besiedelt, die ein wichtiges, fein ausbalanciertes, mikrobielles System bilden. Colonbakterien produzieren Vitamin K und kurzkettige Fettsäuren sowie Methan. Durch Antibiotika können solche lebenswichtigen Systeme stark gestört werden und benötigen Wochen, um sich wieder zu stabilisieren. Durch Wucherungen der Dickdarmschleimhaut (Adenome) können Dickdarmpolypen entstehen, die zu Colonkarzinomen entarten können. Sie müssen deshalb frühzeitig erkannt und operativ entfernt werden. Bösartige Colon- und Rektumkarzinome stellen einige der häufigsten Krebserkrankungen dar und metastasieren schnell. Sie müssen operativ entfernt werden und haben im fortgeschrittenen Stadium eine schlechte Prognose.

Rektum Der letzte Abschnitt des Verdauungskanals wird durch den etwa 20 cm langen Mastdarm (Rektum) gebildet (䉴 Abb. 12.13a). Er liegt im kleinen Becken außerhalb der Bauchhöhle und bildet einen S-förmigen Schlauch mit glatter Muskulatur ohne Haustren. Im oberen Teil, der Ampulla recti, wird der Kot vor der Defäkation über Stunden oder bis zu 3 Tagen gespeichert. Schließlich wird er über den Anus abgegeben, der über einen inneren Schließmuskel (M. sphincter ani internus) und einen äußeren Schließmuskel (M. sphincter ani externus) verfügt. Nur der äußere Schließmuskel ist willkürlich beeinflussbar. Neben diesen beiden Muskeln tragen auch arterio-venöse Schwellkörper zum Verschluss des Anus bei. Diese bilden ein Venengeflecht dicht unter der Schleimhaut und können durch knotenartige Erweiterungen und Ausblutungen schmerzhafte Hämorrhoiden erzeugen.

ä

326

? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

12. Ernährung, Stoffwechsel und Verdauung

Klausurfragen

Über welche Faktoren wird die Magensaftsekretion reguliert? Über welche Mechanismen wird Glucose im Dünndarm resorbiert? Wie verläuft die Regulation der Nahrungsaufnahme? Beschreiben Sie die Aufgaben der Leber. Welche Abschnitte und Funktionen hat der Dünndarm? Wie ist der Magen funktionell eingeteilt? Welches sind die Aufgaben des exokrinen und des endokrinen Pankreas? Welche Zelltypen befinden sich in der Fundusdrüse, und welche Substanzen werden von ihnen sezerniert? 9. Welche Verdauungsenzyme gibt es beim Menschen? 10. Beschreiben Sie die Bewegungsmuster der Darmmotorik.

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 13

Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über den Aufbau und die Funktion des menschlichen Ausscheidungssystems, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Anatomischer Aufbau der Niere und des Ausscheidungssystems. Hormonelle Regulation der Nierenfunktion. Ablauf und Regulation der glomerulären Filtration. Juxtaglomerulärer Apparat und Renin-Angiotensin-Aldosteron-System. Funktion der einzelnen Tubulusabschnitte. Funktion der Henle-Schleife und Regulation der Wasserrückresorption. Regulation des Säure-Basen-Haushalts im Körper.

328

13. Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt

Funktion des Ausscheidungssystems Das menschliche Ausscheidungssystem (Niere und ableitende Harnwege) befreit den Körper von giftigen Stoffwechselprodukten durch den Harn, reguliert das innere Milieu des Körpers und ist an verschiedenen hormonellen Regulationsaufgaben maßgeblich beteiligt.

Exkretion von Stoffwechselendprodukten

ä

Beim Abbau von Proteinen wird die Aminogruppe (NH2) der Aminosäuren entweder für eine Neusynthese verwendet oder muss ausgeschieden werden, da alle drei Formen stickstoffhaltiger Abfallprodukte, Ammoniak, Harnstoff und Harnsäure, für den Organismus toxisch sind. Diese Substanzen haben unterschiedliche Eigenschaften und werden deshalb unterschiedlich exkretiert. Ammoniak (NH3) enthält nur ein Stickstoffatom und ist zwar sehr gut wasserlöslich, aber auch äußerst toxisch. Deshalb wird es vom Körper zunächst in die Nierentubuli ausgeschieden und dort durch Protonierung in das ebenfalls giftige Ammoniumion NH4+ überführt. Dieses ist jedoch für Zellmembranen impermeabel und wird im Urin ausgeschieden. Harnstoff enthält zwei Stickstoffatome, ist weniger giftig und baut in der Niere einen osmotischen Gradienten auf. Er ist gut wasserlöslich, und der Mensch kann über eine Harnstoffexkretion mit nur 50 ml Wasser 1 g Stickstoff ausscheiden. Harnstoff ist das bevorzugte Exkretionsmolekül des Menschen und aller Säugetiere. Harnsäure Stickstoffhaltige Exkretionsprodukte sind toxisch und werden vom Körper als enthält vier Stickstoffatome, ist in Wasser fast unlöslich Harnstoff, Harnsäure und Ammoniumund wird zu 75% über den Harn ausgeschieden, der Rest ionen überwiegend über den Harn ausüber Speichel, Schweiß und den Darm. Eine erhöhte Harngeschieden. säurekonzentration im Körper kann Gicht verursachen. Außerdem scheidet die Niere körperfremde schädliche Substanzen wie Medikamente aus und hat somit auch eine Entgiftungsfunktion.

Homöostase und Osmoregulation

ä

Homöostase ist die Aufrechterhaltung eines konstanten inneren Milieus. Dies bezieht sich sowohl auf den gesamten Organismus (Körperhomöostase) als auch auf einzelne Zellen (zelluläre Homöostase). Die einzelnen Körperzellen sind von einem Flüssigkeitsraum (Extrazellulärraum) umgeben, der wiederum durch die Haut von der Umgebung abgegrenzt ist. Somit Der Extrazellulärraum bildet gegenüber der Umgebung ein Puffermedium, in dem die ist jede Zelle durch zwei nacheinandergeschaltete BarrieZellen ihre Homöostase unabhängig von ren von der Außenwelt getrennt. Der Extrazellulärraum den Änderungen der Umgebung leicht wirkt dabei als zusätzlicher osmotischer und ionaler Pufkonstant halten können. fer und wird selbst homöostatisch kontrolliert. Zur Homöostase des Extra- und Intrazellulärraums haben die Organismen in den jeweiligen Membranen spezielle Transportsysteme für Wasser und Ionen entwickelt.

329

Homöostase und Osmoregulation

Tabelle 13.1

Elektrolytzusammensetzung in den Körperkompartimenten des Menschen. Kationen (mVal l–1) Na+

Extrazellulärraum Intrazellulärraum

Blut Interstitium

K+

Ca2+

Anionen (mVal l–1) Mg2+

Cl–

HCO3–

HPO4–

SO4–

Prot.

142 145

4 4

5 –

2 –

104 114

27 31

2 –

1 –

13 –

10

>100

3

26

2

8

95

20

55

Dabei wird Wasser stets passiv infolge der osmotischen Wirkung einer Ionenverschiebung transportiert. Die Osmolalität eines Flüssigkeitsraums wird durch den Anteil der gelösten osmotisch wirksamen Teilchen bestimmt. Das sind im Allgemeinen hauptsächlich die anorganischen Alkali- und Erdalkalisalze, die in die entsprechenden Ionen (z. B. Na+ und Cl–) dissoziieren. Allerdings sind auch organische Verbindungen osmotisch wirksam, z. B. Harnstoff oder die im Blut zirkulierenden Aminosäuren und Proteine. Letztere verursachen den sogenannten kolloidosmotischen Druck, der ähnlich wie der osmotische Druck der anorganischen Substanzen wirkt. Der extrazelluläre Raum wird weiter in den Flüssigkeitsraum des Blutes und in den interstitiellen Raum (Gewebeflüssigkeit) aufgeteilt. Die osmotische und ionale Zusammensetzung dieser beiden Extrazellulärräume ist dabei weitgehend ähnlich. Dagegen unterscheidet sich die Zusammensetzung des intrazellulären Raums sehr stark von der des extrazellulären. Während extrazellulär Na+ das hauptsächlich vorhandene Kation ist, ist dessen intrazelluläre Konzentration mit 10 mM relativ gering. Intrazellulär überwiegt K+, dessen Konzentration entsprechend der Zelltypen zwar unterschiedlich hoch ist, aber meistens über 100 mM liegt. Auch ist die intrazelluläre Cl–-Konzentration gering, doch die fehlende Ladung wird teilweise durch die von negativ geladenen Proteinen komExtrazellulärraum untergliedert sich in pensiert. Tabelle 13.1 gibt eine Übersicht über die Elektro- Der den interstitiellen Raum (zwischen den lytzusammensetzung in diesen verschiedenen Flüssigkeits- Zellen) und den mit Blut gefüllten Raum. räumen des Menschen. Abhängig vom Verhältnis der Körperoberfläche zur -masse und der Isolierung (Bekleidung) der Haut läuft der Mensch ständig Gefahr, eine beträchtliche Menge an Flüssigkeit durch Verdunstung zu verlieren. Auch über die Oberfläche der respiratorischen Organe wird Flüssigkeit abgegeben, wobei das Ausmaß stark von deren Ventilation abhängt. Die Schweißdrüsen in der Haut sind nervös reguliert und können bei Bedarf durch Schwitzen größere Flüssigkeitsmengen kontrolliert abgeben. Diese Transpiration hängt stark von den physikalischen Bedingungen der Umgebung wie Temperatur und Luftfeuchte ab. Der Mensch ist auf eine genaue Kontrolle dieses Flüssigkeitsverlustes angewiesen, da größere Wasserverluste ohne Kompensation durch sofortige Flüssigkeitsaufnahme (Trinken) zu erheblichen Störungen im extrazellulären Flüssigkeitsraum führen. Ist die Blutviskosität erhöht, sind Mangeldurchblutungen und Wärmestauungen im Gewebe die Folge. Die Flüssigkeitsaufnahme geschieht durch speziell angepasste Trinkmechanismen. Der neuronale Stimulus zum Trinken (Durst) wird durch Dehnungs- und Osmo-

ä

330

ä

13. Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt

Der Mensch verliert als landlebender Organismus ständig Wasser durch Verdunstung. Er muss diesen Verlust durch eine optimierte Regulation der Ausscheidung minimieren und durch entsprechendes Trinkverhalten kompensieren.

rezeptoren des Blutgefäßsystems ausgelöst. Dabei spielen der Hypothalamus und eine hormonelle Regulation durch das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System eine entscheidende Rolle (䉴 Abb. 13.7). Trinkfrequenz und Trinkmenge werden über Dehnungsrezeptoren in der Magenwand reguliert.

Anatomie des Ausscheidungssystems Das Ausscheidungssystem besteht aus den paarigen Nieren mit den ableitenden Harnwegen, der Blase und der Harnröhre (䉴 Abb. 13.1). Die beiden Nieren liegen unterhalb des Zwerchfells links und rechts der Wirbelsäule. Sie haben die Form einer Bohne und sind etwa 10 cm lang. Nieren und Harnleiter liegen nicht im Bauchraum, sondern dorsal davon im Retroperitonealraum. Oberhalb der Nieren befinden sich die hormonproduzierenden Nebennieren (䉴 Kap. 7).

Aufbau der Niere Die mediale Einbuchtung der Niere wird als Nierenhilus bezeichnet. Hier münden die Blutgefäße, Lymphgefäße und Nerven in und aus der Niere. Außerdem befindet Niere

Aorta

Harnleiter

V. cava inferior innerer Leistenring

Leistenkanal Samenleiter

13.1 Urogenitalsystem am Beispiel eines Mannes. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Harnblase

äußerer Leistenring Samenstrang mit A. und V. testicularis

Anatomie des Ausscheidungssystems

331

sich hier das Nierenbecken, das den Harn sammelt und über die Harnleiter ableitet. Die Niere ist von einer festen, schüt- Die paarigen Nieren liegen hinter dem Peritoneum dicht unterhalb des Zwerchfells. Sie zenden Bindegewebshülle, der Nierenkapsel, umgeben, die unterteilen sich in Rinde, Mark und Nierendie Niere auch an der hinteren Bauchwand verankert. Die becken. Am Nierenhilus münden Gefäße Nieren bestehen von außen nach innen aus den verschiede- und Nerven, und dort beginnt auch der nen Schichten: Rinde (Cortex), Mark (Medulla) und Nie- Harnleiter. renbecken mit ableitendem Harnleiter (Ureter) (䉴 Abb. 13.2). Von der Rinde reichen die Nierensäulen (Columna renales) bis in das Mark. Sie bilden die Markpyramiden, die am unteren Ende als Nierenpapillen bezeichnet werden. Hier münden die Endbereiche der Nephrone in das Nierenbecken.

Aufbau der Nephrone Nephrone bilden die funktionelle Einheit der Niere und teilen sich in zwei Typen, die corticalen und die juxtamedullären Nephrone. Corticale Nephrone liegen weiter außen in der Rindenschicht, juxtamedulläre Nephrone reichen von der Rinde bis tief in das Nierenmark. Ein Nephron besteht aus einer charakteristischen Anordnung und Abfolge von Blutgefäßen und tubulusartigen Gängen (䉴 Abb. 13.3). Es beginnt mit einer blind endenden Struktur, die auch als Bowmann-Kapsel bezeichnet wird. Sie

Kapsel Rinde Markpyramide (Nierenmark)

Nierenpapille

Columna renalis

Hilus von der Aorta

Nierenbecken Nierenarterie Nierenvene

Nierenkelch

Bogenvene zur unteren Hohlvene

Bogenarterie

Harnleiter (Ureter) Vasa recta zur Blase 13.2 Längsschnitt durch die rechte Niere. Die zu- und abführenden Gefäße und der Harnleiter münden am Hilus in die Niere. Die Blutversorgung des Nierengewebes ist im unteren Teil dargestellt, die Markpyramiden und Nierenpapillen im oberen Teil. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

ä

332

13. Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt

distaler Tubulus

BowmannKapsel Na+ Cl

–

+

proximaler Tubulus Glucose Aminosäuren H2O

Na+ K dicker aufsteigender Ast Na+ Cl

–

Sammelrohr

H2O Na+ K

+

Harnstoff dünner absteigender Ast

dünner aufsteigender Ast

HenleSchleife zum Nierenbecken 13.3

ä

Übersicht über Aufbau und Funktion eines Nephrons.

umschließt ein Kapillarknäuel, den Glomerulus, der von einer zuführenden (afferenten) Arteriole gespeist wird und in eine abführende (efferente) Arteriole mündet. Von der Bowmann-Kapsel aus führt ein Röhrensystem (Tubulus) zum Sammelrohr, das schließlich in das Nierenbecken mündet. Dieses Röhrensystem wird in verschiedene Segmente eingeteilt, die sowohl anatomisch als auch funktionell unterschiedlich sind (䉴 Abb. 13.3). Es beginnt mit dem proximalen Tubulus, der unmittelbar an die Bowmann-Kapsel anschließt und eine geknäuelte und vielfach gewundene Form (Pars convoluta) hat. Er mündet in einen proximal gestreckten Teil (Pars recta), der in eine haarnadelförmige Schleife (HenleSchleife) übergeht. Sie besteht aus einem absteigenden und einem ansteigenden Ast, die im unteren Teil sichtbar englumiger sind. Deshalb spricht man auch vom dünnen aufsteigenden Ast und vom dicken aufsteigenden Ast. Dieser geht in den ebenfalls geknäuelten distalen Tubulus über, der schließlich in das Sammelrohr mündet. Dieses zieht wieder parallel zur Henle-Schleife nach unten und mündet in das Nierenbecken. Während die Wandung der Bowmann-Kapsel aus einem einzelligen Zellverband mit speziellen FiltrationsDie corticalen und juxtamedullären Nephrone sind die funktionelle Einheiten eigenschaften besteht, sind die Innenflächen der Tubulusder Niere. Sie beginnen mit dem Glomerusegmente von Epithelzellen verschiedener Morphologie lus und sind im Tubulusbereich segmental bedeckt. Durch ihre ausgeprägten Mikrovilli vergrößern aufgebaut. sie die innere Oberfläche der Tubuli um ein vielfaches und

Anatomie des Ausscheidungssystems

333

stellen segmental unterschiedliche Austauschflächen zur gezielten Resorption oder Sekretion von Wasser und darin gelösten Stoffen dar. Die Zahl der Nephrone pro Niere ist eng mit dem Geburtsgewicht korreliert und beträgt zwischen 200 000 und 1,8 Mio. Die Henle-Schleife ist von entscheidender Bedeutung für die Harnkonzentrierung.

Blutgefäß, Lymphgefäß und neuronale Versorgung Pro Minute fließt etwa 1 l Blut durch die Nieren, was etwa 25% des Schlagvolumens des Herzens entspricht. Damit ist die Niere eines der am besten durchbluteten Organe im Körper. Für die Funktion der Nephrone ist die Anatomie der Nierengefäße von entscheidender Bedeutung. Die Gefäßquerschnitte der afferenten und efferenten Arteriole sind so ausgelegt, dass im Glomerulus ein Stauungsdruck erzeugt wird, der eine Filtration des Blutplasmas in die Bowmann-Kapsel ermöglicht. Die efferenten Gefäße vereinigen sich und führen über einen absteigenden Ast zu einem zweiten Kapillargebiet, das die Tubuli, und hier vor allem die Henle-Schleife, umgibt. Diese hintereinandergeschaltete Anordnung von zwei Kapillargebieten ist im Organismus sehr selten und deutet auf eine besondere Funktion hin. Im Bereich der HenleSchleife findet man im Kapillargebiet sogenannte Anastomosen, die einzelne Kapillarabschnitte miteinander verbinden. Diese tief in Rinde und Mark liegenden Gefäße werden auch als Vasa recta bezeichnet. Nach diesem zweiten Kapillargebiet verlässt das Blut die Niere über Nierenvenolen und die große Nierenvene und mündet in die untere Hohlvene. Lymphgefäße finden sich vor allem in der Nierenrinde, weniger im Nierenmark. Die Lymphbahnen beginnen im perivaskulären Gewebe, ziehen entlang der Gefäße zum Nierenstiel (Hilus) und verlassen die Niere dort. In der Niere finden sich auch sympathische und parasympathische Fasern des vegetativen Nervensystems. Sie entstammen vor allem dem Plexus coeliacus und ziehen zu Die Niere hat eine spezielle Gefäßversorgung den glatten Muskelzellen der Arterien und Arteriolen sowie mit zwei Kapillargebieten. Da die Nierenvereinzelt zu den Tubuli. Über die Rolle dieser Nervenbah- funktionen hauptsächlich hormonell reguliert werden, spielt die Innervierung eine untergenen ist wenig bekannt, da die Nierenfunktion hauptsächlich ordnete Rolle. hormonell gesteuert wird.

Ableitende Harnwege und Blase Ab den Nierenpapillen, wenn der Harn aus den Nephronen durch die Nierenkelche in das Nierenbecken fließt, beginnen die ableitenden Harnwege. Nach unten verengt sich das Nierenbecken zum Harnleiter, der ca. 30 cm lang ist und ebenfalls retroperitoneal nach unten in die Blase mündet. Die Eintrittstelle ist als Ventil angelegt, sodass der Harn zwar in die Blase fließen kann, aber nicht wieder zurück. Funktioniert dieser Ventilmechanismus durch eine fehlerhafte Entwicklung nicht, so kommt es zum Reflux und zu häufigen Nierenentzündungen. Es gibt drei normal physiologische Engstellen des Harnleiters: beim Abgang aus dem Nierenbecken, an der Kreuzung mit den Blutgefäßen (䉴 Abb. 13.1) und beim Durchtritt durch die Blasenwand. An diesen

ä

334

13. Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt

Stellen können sich Konkremente (Nierensteine) festsetzen und durch Stauung Nierenkoliken auslösen. Die Harnblase (Vesica urinaria) liegt direkt hinter den Schambeinen im kleinen Becken. Ihre Wand besteht aus mehreren Schichten glatter Muskulatur (M. detrusor) und ist sehr dehnbar. Nach oben grenzt sie an das Rektum bzw. an die Vagina der Frau. Die Blasenschleimhaut ist ein dehnbares Epithelgewebe, das normalerweise in Falten liegt. Von unten mündet die Harnröhre in die Blase. An dieser Stelle sitzen der innere Schließmuskel (M. sphincter internus) und der äußere Schließmuskel (M. sphincter externus). Letzterer besteht aus quergestreifter Muskulatur und kann willkürlich kontrolliert werden. Die Harnblase kann maximal etwa 800 ml Urin fassen, aber bereits bei einem Volumen von etwa 300 ml tritt ein Drang zur Blasenentleerung (Miktion) auf. Diese wird zwar willkürlich ausgelöst, läuft dann aber reflektorisch ab, wobei sich die Blasenwand und auch die Bauch- und Beckenmuskulatur kontrahiert und der innere Sphinkter erweitert. Diese Reflexe werden durch ein Miktionszentrum im Gehirn kontrolliert, das erst ab dem dritten Lebensjahr willkürlich beeinflussbar ist. Erst dann kommt es zur Kontinenz, d. h. zur bewussten Beeinflussung der Blasenentleerung.

Funktion der Niere An der Bildung des Harns in den Nephronen sind vier nacheinander ablaufende Prozesse beteiligt. Zunächst wird im Glomerulus durch Filtration ein Primärharn gebildet, von dem pro Tag etwa 200 l entstehen. Dieser Primärharn wird während seiner Passage durch den Tubulus durch Resorption und Sekretion und durch Synthese von bestimmten Substanzen so modifiziert, dass der in die Harnblase abgegebene Endharn ein hochkonzentriertes Exkret darstellt, von dem nur noch etwa 1,5 l pro Tag gebildet werden. Die einzelnen Prozesse werden nun in den folgenden Unterkapiteln im Einzelnen erläutert.

Glomeruläre Filtration Am Anfang des Nephrons befindet sich das Nierenkörperchen, das aus dem Knäuel der Glomeruluskapillaren und der umgebenden Bowmann-Kapsel besteht (䉴 Abb. 13.4a). Aus den Kapillaren werden etwa 15–20% des Wassers und der darin gelösten Substanzen in die Bowmann-Kapsel filtriert. Die Filtration beruht auf der Druckdifferenz zwischen dem Blutdruck und dem hydrostatischen Druck in der BowmannKapsel abzüglich des kolloidosmotischen Drucks der Blutproteine. Da der normale Blutdruck im Kapillargebiet nur noch ca. 48 mm Hg beträgt, bedeutet jeder größere Blutdruckabfall im Körper eine verringerte Filtration, die bei völligem Stillstand zu einer Schockniere führt; diese ist durch Kollaps und Verklebung der Tubuli irreversibel geschädigt. Deshalb ist die Aufrechterhaltung eines passablen Blutdrucks eine unbedingte Erste-Hilfe-Maßnahme bei Blutverlusten und Schockzuständen. Die Ultrafiltration hängt aber auch von der Gewebedurchlässigkeit von Kapillarendothel, Basalmembran und Kapselepithel ab. Letzteres liegt am Kapillarendothel mit

Funktion der Niere

a Glomerulus Glomerulus

335

b juxtaglomerulärer Apparat Vas afferens Macula densa

BowmannKapsel

proximaler Tubulus Filtrat

13.4

distaler Tubulus

Vas efferens

Filtrat

Aufbau von Glomerulus (a) und juxtaglomerulärem Apparat (b).

sogenannten Fußzellen (Podocyten) an. Diese haben fingerförmige Anhänge (Pedicellen), die enge Schlitze mit einer Weite von max. 50 nm bilden. Das Kapillarendothel hat Poren mit einer Weite von max. 100 nm, welche die zellulären Bestandteile des Blutes (Erythrocyten, Leukocyten, Thrombocyten) zurückhalten. Bei der Filtration werden auch die im Blut gelösten Substanzen ab einer bestimmten Molekülgröße selektiert und verbleiben im Blut. Dies führt dazu, dass unter Normalbedingungen praktisch keine Blutproteine im Primärharn vorhanden sind. Die absolute Ausschlussgrenze der Filtration liegt bei einer Molekülmasse von ca. 69 kDa, der Molekülmasse von Albumin. Neben der Molekülmasse sind aber auch die Form der Moleküle (länglich oder rund) sowie ihre elektrische Oberflächenladung ein wichtiges Kriterium für das Ausmaß der Retention. Auch die elektrischen Wandladungen der Endothelporen und der Podocyten sorgen für einen zusätzlichen selektiven Filter. Hier befindet sich ein spezielles Protein, das Nephrin, das die Filtereigenschaften entscheidend beeinflusst und bei manchen Erbkrankheiten (kongenitales nephrotisches Syndrom) defekt ist, wodurch die Filtration ge- Die Filtration ist ein passiver Vorgang, der stört wird. Im Inneren des Glomerulus zwischen den auf Druckdifferenzen und Siebeigenschaften der Trennwände in der Bowmann-Kapsel Kapillaren befinden sich die kontraktilen Mesangiumzellen, beruht. die den Innendruck der Kapsel regulieren. Die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) gibt das pro Zeiteinheit filtrierte Volumen an, das stark von der Durchblutungsmenge, dem renalen Plasmafluss (RPF), abhängt. Es beträgt beim Erwachsenen etwa 200 l pro Tag (Primärharn). Beide Größen werden autoregulativ über einen weiten Bereich des systolischen Blutdrucks (etwa 80–170 mm Hg) konstant gehalten, um eine konstante Nierenfunktion zu gewährleisten.

Segmentale Transporteigenschaften im Tubulus Während der Passage durch die verschiedenen Segmente des Tubulus wird das Volumen und die Zusammensetzung des glomerulären Ultrafiltrats stark modifiziert.

ä

336

13. Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt

Durch die segmental unterschiedlichen Transporteigenschaften der Epithelien können Substanzen sowohl resorbiert als auch sezerniert werden. Das Volumen des Endharns (Sekundärharn) wird auf diese Weise auf etwa 1,5 l pro Tag reduziert.

Transport im proximalen Tubulus Die Epithelzellen des proximalen Tubulus vergrößern die Oberfläche durch Mikrovilli enorm und sorgen damit für eine hohe Resorptionskapazität in diesem Segment. Hier findet eine Massenresorption von Ionen, Substraten und Wasser statt. Pro Tag werden im proximalen Tubulus fast 1 kg Kochsalz und ca. 110 l Wasser resorbiert. Charakteristisch für dieses Tubulussegment ist ein Na+-gekoppelter Substrattransport, der Na+ zusammen mit Glucose oder mit Aminosäuren resorbiert (䉴 Abb. 13.5a). Daneben findet man in diesen Zellen auch Carrier für Phosphate, Sulfate, Acetat, Citrat und Vitamin C. Glucose wird im Bereich des proximalen Tubulus fast vollständig resorbiert. Sie nimmt unter den Substanzen eine Sonderstellung ein, da sie a

apikal

+

Na

basolateral

+

Na

+

K

+

K

b

apikal +

Na

basolateral +

Na

+

K

–

2 Cl

+

K

+

K – 2 Cl

13.5 Transportmodelle für die Natriumresorption in Epithelzellen aus verschiedenen Tubulussegmenten. a) Proximaler Tubulus. b) Dicker aufsteigender Ast der HenleSchleife. c) Distaler Tubulus und Hauptzellen des Sammelrohrs. Während basolateral immer eine Na+/K+-ATPase vorhanden ist, sind die apikalen Na+-Eintrittsmöglichkeiten segmental sehr unterschiedlich.

c

apikal

+

Na

basolateral

+

Na

+

+

K

K

Funktion der Niere

337

zunächst fast vollständig filtriert und anschließend im Tubulus wieder vollständig rückresorbiert wird. Deshalb Im proximalen Tubulus findet eine Massenresorption von Kochsalz, Wasser und Glucose enthält der Urin des Menschen bei normalem Blutzucker- statt. spiegel keine Glucose, sondern nur, wenn eine Zuckerkrankheit (Diabetes mellitus) vorliegt. Bei dieser Erkrankung steigt der Blutzucker infolge von Insulinmangel so stark an, dass auch der Glucosegehalt im primären Ultrafiltrat deutlich erhöht ist. Dadurch werden die Na+-gekoppelten Glucosetransporter gesättigt und stoßen an das Maximum ihrer Transportkapazität. Die überschüssige Glucose kann im weiteren Verlauf des Tubulus nicht mehr resorbiert werden, da in diesen Segmenten die geeigneten Transportsysteme fehlen. Infolge des NaCl-Transports werden im proximalen Tubulus bereits ca. 75% des filtrierten Volumens resorbiert und nur noch ca. ein Viertel des Ultrafiltrats erreicht den absteigenden Ast der Henle-Schleife. Durch die vorwiegend isoosmotischen Transportvorgänge hat sich mit ca. 300 mOsmol kg– 1 auch die Osmolalität des Ultrafiltrats gegenüber der Bowmann-Kapsel nicht geändert.

ä

Henle-Schleife Der dünne absteigende Ast der Henle-Schleife ist zwar für Wasser sehr durchlässig, es finden aber keine größeren aktiven Transportvorgänge für Ionen oder andere Substanzen statt. Diese hohe Wasserpermeabilität ist für den anschließenden Gegenstrommechanismus von großer Bedeutung (䉴 Abb. 13.8). Durch den starken Austritt von Wasser erhöht sich die luminale Osmolalität kontinuierlich, bis sie schließlich an der Spitze der Henle-Schleife ca. 1 200 mOsmol kg– 1 beträgt. Im dünnen aufsteigenden Ast der Henle-Schleife wird die Wasserpermeabilität wieder kontinuierlich geringer, bis sie schließlich im dicken aufsteigenden Ast sehr niedrig ist. Zunächst wird im dünnen aufsteigenden Ast NaCl resorbiert, eine Resorption, die im dicken aufsteigenden Ast durch ein spezielles Transportsystem vervielfacht wird (䉴 Abb. 13.5b). Dieser apikale Symport bringt, Na+- und K+-gekoppelt, zwei Cl–-Ionen in die Zelle. NaCl verlässt die Zelle auf der basolateralen Seite und reichert sich im Interstitium an. Infolge dieser starken NaCl-Resorption fällt die Osmolalität der Tubulusflüssigkeit weiter und erreicht am Anfang des distalen Tubulus ein Minimum von ca. 280 mOsmol kg– 1. Der apikale Na+/K+/Cl–-Symport lässt sich mit einem speziellen Pharmakon, dem Schleifendiuretikum Furosemid, reversibel hemmen. Furosemid wird auch als Arzneimittel zur Behandlung von Ödemen eingesetzt, da es die Rückresorption von Wasser Die Henle-Schleife baut einen osmotischen Gradienten zur Wasserresorption (Harnkonverhindert, indem es den osmotisch wirksamen Gradienten zentrierung) auf. zerstört.

Distaler Tubulus Im geknäuelten distalen Tubulus (䉴 Abb. 13.3) werden weiter Na+ aber auch Cl– und HCO3– resorbiert, während K+ und H+ sezerniert werden. Zur Na+-Resorption dient in diesem Segment erstmals ein apikaler Na+-Kanal (ENaC). Parallel dazu ist in diesen Zellen ein apikaler K+-Kanal (ROMK) vorhanden, der K+ in das Lumen entlässt (䉴 Abb. 13.5c). In diesem Segment wird weiter Wasser resorbiert, sodass sich die

ä

338

13. Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt

a antidiuretisches Hormon (ADH)

b Aldosteron

Na+

Na+ Aquaporin

K

H 2O

+

H 2O

+

H 2O H 2O

+ +

PKA cAMP

+

ADH aus Hypophyse basolateral

apikal

ENaC +

+

+

Na+

+

apikal

K

AIPs

Na+ Na

R

Na+

Na+

+

R Z

Aldosteron aus Nebennierenrinde basolateral

13.6 Zelluläre Mechanismen der hormonellen Regulation. a) Antidiuretisches Hormon (ADH) induziert apikale Wasserkanäle (Aquaporine) über einen Second-Messenger-Signalweg. b) Aldosteron wirkt über Genaktivierung und induziert Proteine (AIPs), die die apikale Natriumpermeabilität durch den Einbau von epithelialen Natriumkanälen (ENaCs) erhöhen. PKA, Proteinkinase A; cAMP, zyklisches Adenosinmonophosphat; R, Rezeptor; Z, Zellkern.

luminale Osmolalität wieder dem isoosmotischen Wert von 300 mOsmol kg– 1 nähert. Die Transportmechanismen des distalen Tubulus stehen unter hormonellem Einfluss der Nebennierenrindenhormone Aldosteron und Cortison (䉴 Abb. 13.6b).

Sammelrohr

ä

Bei der weiteren Konzentrierung des Harns spielt das Sammelrohr eine entscheidende Rolle. Es zieht parallel zur Henle-Schleife (䉴 Abb. 13.3) nach unten in das Nierenbecken. Hier wird NaCl über ähnliche Mechanismen wie im distalen Tubulus resorbiert (䉴 Abb. 13.5c). Die Zellen des Sammelrohrs enthalten aber zusätzlich spezielle Wasserkanäle (Aquaporine), die unter der hormonellen Kontrolle des antidiuretischen Hormons (ADH) stehen (䉴 Abb. 13.6a). Mit Ausnahme des Harnstoffs ist das Sammelrohr für andere Substanzen impermeabel. Bevor Im distalen Tubulus und Sammelrohr stimudie Tubulusflüssigkeit das Nierenbecken und die Harnlieren die Hormone Aldosteron und ADH blase erreicht, wird sie in diesem Segment mit bis zu die Resorption von Na+ und Wasser. 1 000 mOsmol kg– 1 wieder stark hyperosmolar.

Juxtaglomerulärer Apparat Für eine normale Nierenfunktion muss ein Gleichgewicht zwischen glomerulärer Filtration und tubulärer Resorption und Sekretion vorhanden sein. Es wird durch einen Rückkopplungsmechanismus geregelt, der dem Glomerulus den tubulären Funktionszustand meldet. Diese Funktion wird vom juxtaglomerulären Apparat übernommen (䉴 Abb. 13.4b). Diese Struktur stellt eine funktionelle Verbindung des dis-

Funktion der Niere

+

Stimulation der + Na -Resorption Aldosteron

Nebennierenrinde

allgemeine Vasokonstriktion +

Renin Angiotensinogen

Angiotensin II

Angiotensin I ACE

13.7 Hormonelle Regulation der Wasser- und Natriumresorption sowie des Blutdrucks durch das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System. ACE, angiotensin converting enzyme.

talen Tubulus mit dem Glomerulus und dort vor allem mit den afferenten und efferenten Arteriolen her. Der distale Tubulus verläuft zu diesem Zweck in einer Windung eng am Glomerulus vorbei (䉴 Abb. 13.7). Zwischen dem Tubulus und den Gefäßen liegt eine dichte Gewebeschicht, die als Macula densa bezeichnet wird. Hier wird das proteolytische Hormon Renin gebildet, das bei Bedarf in die Arteriolen freigesetzt wird. Entscheidend dafür ist die NaCl-Konzentration im distalen Tubulus. Sie wird von den der Macula densa benachbarten Epithelzellen des Tubulus gemessen. Ist ihre NaCl-Resorption verändert, wird über ATP-gesteuerte Mechanismen auch die Reninfreisetzung modifiziert. An der Regulation der Nierendurchblutung und der GFR sind vielfältige autoregulative Mechanismen beteiligt, die neben myogenen Dehnungsreflexen auch die in der Niere gebildete Signalstoffe (Kinine, Urodilatin, Prostaglandine) umfassen. Urodilatin erhöht die GFR durch Hemmung der tubulären Na+-Resorption, Bradykinin bewirkt eine lokale Vasodilatation und damit ebenfalls eine Erhöhung der GFR. Das in der rechten Herzkammer gebildete atriale natriuretische Peptid (ANP) wirkt auf Rezeptoren in der afferenten Arteriole und führt über Stickstoffmonoxid (NO) und cGMP ebenfalls zu einer Steigerung der GFR. Renin wirkt auf das von der Leber gebildete und in den Arteriolen ständig vorhandene Globulin Angiotensinogen (䉴 Abb. 13.7). Es spaltet von diesem Molekül einen Teil ab, sodass das Hormon Angiotensin I entsteht, das bereits leicht vasokonstriktorisch wirkt, aber beim Durchfluss durch die Lungenkapillaren durch ACE (angiotensin converting enzyme) in das Hormon Angiotensin II umgewandelt wird. Dieses Octapeptid wirkt im gesamten Kreislaufsystem stark vasokonstriktorisch und stimuliert darüberhinaus in fast allen Epithelien des Körpers die NaCl-Resorption. Durch

339

340

ä

13. Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt

die allgemeine Vasokonstriktion wird der Blutdruck erhöht und damit auch die glomeruläre Filtrationsrate gesteigert. Angiotensin II wirkt aber auch auf die Zellen der Zona glomerulosa der Nebennierenrinde. Hier wird das Steroidhormon Aldosteron gebildet und unter dem Stimulus von Angiotensin II vermehrt in das Blut ausgeschüttet (䉴 Abb. 13.7). Aldosteron wirkt unter anderem auf den distalen Tubulus, erhöht dort die Na+-Resorption und damit auch die osmotisch verursachte Rückresorption von Wasser. Die zelluläre Wirkungsweise von Aldosteron ist in Abbildung 13.6b gezeigt. Das lipophile Aldosteron dringt durch die basolaterale Zellmembran in die Tubulusepithelzelle ein und bindet an einen Steroidrezeptor im Cytoplasma. Der aktivierte Hormon-Rezeptor-Komplex wandert in den Zellkern und löst dort eine Genexpression aus, woraufhin sich sogenannte aldosteroninduzierte Proteine (AIPs) anreichern. Diese Proteine stellen unter anderem eine Untereinheit der basolateralen Na+/K+-ATPase dar. Andere AIPs verursachen eine Aktivierung und Neusynthese der apikal gelegenen epithelialen Na+-Kanäle (ENaCs). Dadurch strömt mehr Na+ in die Zelle und wird über die basolaterale Na+/K+-ATPase auf die Blutseite transportiert. Durch denselben zellulären Mechanismus wirkt AldostDer juxtaglomeruläre Apparat reguliert eron auch auf andere, sogenannte dichte Epithelien wie über das Renin-Angiotensin-AldosteronHarnblase, distales Colon, Lunge und Schweißdrüsen und System den Blutdruck und die glomeruläre verstärkt dort die Na+-Resorption und den darauf beruFiltrationsrate. henden osmotischen Wasserfluss.

Henle-Schleife und Gegenstromprinzip

ä

Der haarnadelähnliche Verlauf der Henle-Schleife und das parallel dazu liegende Sammelrohr bilden eine funktionelle Einheit, die der Wasserresorption und Harnkonzentrierung dient. Dabei spielt die zur Spitze der Schleife hin ansteigende Osmolalität eine besondere Rolle (䉴 Abb. 13.8). Durch die enorme NaCl-Resorption im dicken aufsteigenden Ast bei gleichzeitiger Wasserimpermeabilität, werden viele osmotisch wirksame Teilchen in und außerhalb der Henle-Schleife konzentriert. Die eng aneinanderliegenden Äste der Henle-Schleife arbeiten dabei im Gegenstromprinzip und verstärken den osmotischen Gradienten, indem der absteigende Ast ständig NaCl aufnimmt und Wasser verliert. Das Sammelrohr führt, gefüllt mit erheblichen Mengen an Wasser, unmittelbar an der Schleife vorbei. Die interstitielle Osmolalität übt auf den Inhalt des Sammelrohrs eine erhebliche osmotische Kraft aus, sodass Flüssigkeit aus dem Sammelrohr in das Interstitium austritt und dort von den langen Kapillarschlingen der Vasa recta aufgenommen und abtransportiert wird. Der Durchtritt durch das Epithel des Sammelrohrs erfolgt Die Harnkonzentrierung funktioniert über dabei über spezielle Wasserkanäle (Aquaporine), deren das Gegenstromprinzip und einen osmotiAnzahl und Permeabilität durch das antidiuretische Horschen Gradienten. mon (ADH) reguliert wird.

Funktion der Niere

Vasa recta

osmotischer Gradient

Henle-Schleife

400 H 2O

400

400

200

600

600

600

400

800

800

1000

1000

H 2O

400

H 2O

600

600

NaCl H 2O 1000

Sammelrohr

NaCl

NaCl H 2O 800

NaCl

341

800 NaCl

800

H 2O 1000

1200 alle Werte in mOsmol kg–1

1200

Na+/K+/Cl–Transporter

Aquaporin

13.8 Gegenstrommechanismus und Prinzip der Harnkonzentrierung. Henle-Schleife und Sammelrohr sind parallel angeordnet und bilden eine funktionelle Einheit. Zur Spitze der Schleife bildet sich ein osmotischer Gradient, durch den Wasser aus dem Sammelrohr in das Interstitium strömt. Der Abtransport erfolgt durch die Kapillarschleifen der Vasa recta.

Hormonelle Regulation der Wasserresorption Das antidiuretische Hormon (ADH) entstammt einer phylogenetisch alten Familie von Peptidhormonen, die alle neun Aminosäuren haben (Nonapeptide). Da es auch vasokonstriktorische Wirkungen hat, wird es auch als Vasopressin bezeichnet. Eine ähnliche Molekülvariante ist das Oxytocin, das die Milchausschüttung in den Brustdrüsen steigert und die Wehenkontraktionen bei der Geburt auslöst. Zentrale Osmorezeptoren im Gehirn steuern Produktion und Ausschüttung (Kapitel 7). ADH wird bei Bedarf in das Blut ausgeschüttet und so zu den Epithelzellen des Sammelrohrs transportiert. Es bindet an den membranständigen V2-Rezeptor in der basolateralen Membran (䉴 Abb. 13.6a), setzt dadurch eine Kaskade von intrazellulären Signalmolekülen in Gang und aktiviert über G-Proteine ein an der Membraninnenseite lokalisiertes System. Dieses System stellt den Second Messenger cAMP her, der über eine Kaskade von Reaktionen auf die Proteinkinase A wirkt, die ihrerseits Aquaporine aktiviert. Dadurch strömt Wasser entlang des osmotischen Gradienten in die Zelle und weiter auf die basolaterale Seite. Dieser Effekt des ADH ist sehr schnell und setzt innerhalb von Minuten ein. AquaADH ist ein Neuropeptid aus dem Gehirn. Es porine bilden eine eigene Familie von Kanalproteinen, die reguliert im Sammelrohr die Wasserkanäle sich im Organismus auch in anderen wasserresorbierenden (Aquaporine). Epithelien wie Darm, Lunge und Schweißdrüsen finden.

ä

342

13. Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt

Ausatmung CO2 Blut Säure CO2 Lunge

H2CO3

Niere

Base H+ + HCO3–

+ H 2O

H+ HCO3– Ausscheidung 13.9

Regulation des Säure-Basen-Haushalts durch Lunge und Niere.

Regulation des Säure-Basen-Haushalts

ä

ä

Der pH-Wert des Extrazellulärraums und des Blutes wird durch das Bicarbonatpuffersystem geregelt. Dabei spielen sowohl die CO2-Abgabe aus dem Blut in die Lunge als auch die Säuresekretion in der Niere eine wesentliche Rolle. Diese beiden Faktoren sind die entscheidenden Niere und Lunge regulieren gemeinsam den Säure-Basen-Haushalt. Stellglieder im Regelkreis und deshalb arbeiten Niere und Lunge in dieser Beziehung eng zusammen (䉴 Abb. 13.9). Der CO2-Gehalt im Organismus wird durch die Lungenventilation und die Protonenabgabe über die Niere maßgeblich beeinflusst. Ist die Lungenventilation verringert, kommt es zu einer respiratorischen Alkalose, d. h. einem Absinken des pH-Wertes im Blut, das von der Niere sofort mit einer metabolischen Azidose, d. h. einer veränderten Protonenausscheidung, kompensiert wird. Auf diese Weise wird die durch die Atmungsveränderung erhöhte HCO3–-Konzentration wieder gesenkt. Die entscheidenden Transportmechanismen zur Regulation des Säure-BasenHaushalts sind im distalen Tubulus und im Sammelrohr lokalisiert. Hier gibt es zwei Zelltypen mit unterschiedlichen Transporteigenschaften. Typ-A-Zellen besitzen in der apikalen Zellmembran eine aktive Protonenpumpe, die H+ aus der Zelle in das Tubuluslumen befördert, und einen basolateralen HCO3–/Cl–-Antiport. Auf diese Weise fungieren Typ-A-Zellen sowohl als säuresezernierende Zellen und auch als bicarbonatresorbierende Zellen. Dagegen fungieren die im selben Epithel vorkommenden Typ-B-Zellen als basensezernierende Zellen. Bei ihnen ist das HCO3–/Cl–-Austauschsystem in der apikalen Die Puffersysteme werden im Sammelrohr Zellmembran lokalisiert, weshalb die Zellen ständig HCO3– der Niere von epithelialen Typ-A- und Typin das Tubuluslumen sezernieren und H+ über eine ProtoB-Zellen reguliert. nenpumpe in der basolateralen Membran in das Blut

Nierenfunktionsuntersuchungen

343

befördern. Mit diesen beiden Zelltypen verfügt der Organismus in der Niere über ein effizientes System, um Säuren oder Basen nach Bedarf entweder aus dem Körper zu entfernen oder in den Körper zurückzuführen.

Nierenfunktionsuntersuchungen Die Nierenfunktion kann mit verschiedenen nichtinvasiven Techniken untersucht werden. Einfache Methoden sind das Sammeln des Urins und das Messen des UrinZeit-Volumens und der Konzentration von bestimmten Substanzen im Urin. Letzteres kann mit Teststreifen sehr einfach vorgenommen werden, so z. B. der Glucoseoder Proteinnachweis. Eine wichtige Methode zur Beurteilung der Nierenfunktion ist die ClearanceMethode. Die Clearance ist definiert als das Plasmavolumen, welches von der Niere pro Zeiteinheit von einer bestimmten Substanz X vollständig befreit wird. Für diese Methode sind Konzentrationsbestimmungen im Plasma (Px) und Urin (Ux), sowie die Messung des Harnvolumens pro Zeit (V) notwendig. Die Clearance (Cx) der Substanz X berechnet sich dann wie folgt: Cx =

V ·U x ml min –1 Px

Für Substanzen, die normalerweise vollständig zurückgehalten werden, ist die Clearance = 0. Für andere Substanzen kann sie durch fraktionelle Vergleiche unter Verwendung bestimmter Markersubstanzen bestimmt werden. Dadurch ist auch die Bestimmung der glomerulären Filtrationsrate (GFR) möglich. Dafür wird das stärkeähnliche Kohlenhydrat Inulin verabreicht, das vollständig glomerulär filtriert und bei der Passage durch den Tubulus weder resorbiert noch sezerniert wird. Die Inulin-Clearance ist deshalb identisch mit der GFR. Bei der fraktionellen Ausscheidung wird die Clearance-Messung einer Substanz mit der GFR ins Verhältnis gesetzt, um zu beurteilen, ob eine Substanz tubulär einer Resorption oder Sekretion unterliegt. Dafür gilt die Beziehung: Cx C = x = fraktionelle Ausscheidung C Inulin GFR

Ist die fraktionelle Ausscheidung = 1, wird die Substanz im Nephron wie Inulin behandelt, also nur glomerulär filtriert. Ist der Quotient < 1, wird die Substanz im Verlauf der Tubuluspassage resorbiert. Dies trifft z. B. für Glucose, Aminosäuren und Na+ zu. Ist der Quotient dagegen > 1, wird die Substanz zusätzlich zur glomerulären Filtration auch tubulär sezerniert. Dies trifft z. B. für Penicillin und viele organische Säuren zu. Eine andere Markersubstanz (Paraminohippursäure, PAH) wird nicht glomerulär filtriert, sondern ausschließlich tubulär sezerDie glomeruläre Filtrationsrate und die Ausniert. Die Clearance-Messung ermöglicht jedoch nur eine scheidung von Substanzen durch die Niere können durch Clearance-Messungen grobe Beurteilung der Nettobewegungen von Substanzen in bestimmt werden. Beziehung zum renalen Plasmafluss. Für eine detaillierte

ä

344

13. Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt

Beurteilung der Nierenfunktion und besonders der segmentalen Tubulusfunktionen werden klinisch aufwendigere Verfahren eingesetzt.

Erkrankungen der Niere Diabetes mellitus und Ödembildung

ä

Die pathophysiologische Ausscheidung von Glucose bei Diabetes mellitus wurde bereits erwähnt. Durch die osmotische Wirkung der Glucose im Tubuluslumen wird zusätzlich Wasser ausgeschieden, und es bildet sich eine osmotische Diurese. Bei einer weiteren Erkrankung, dem Diabetes insipidus, tritt eine übermäßige Wasserdiurese auf. Diese Krankheit kann erworben oder vererbt (hereditär) sein. Es handelt sich um einen Defekt im ADH-System, der ständig, selbst bei Wassermangel (Durst), vorhanden ist. Dabei wird entweder in der Hypophyse kein ADH ausgeschüttet, z. B. bei Hypophysentumoren oder bei Hypophysenabriss nach Schädelbasisbruch, oder ADH ist in ausreichender Menge vorhanden, hat aber keine Wirkung auf die Niere (nephrogene Form des Diabetes insipidus). Letzterer kann durch molekulare Veränderung der V2-Rezeptoren (vererbte Mutation) verursacht werden. Patienten mit Diabetes insipidus scheiden pro Tag 200 l Harn aus, der hauptsächlich aus Wasser besteht. Auch löst permanenter Bluthochdruck eine Druckdiurese aus. Generell ist die Niere ein zentrales Organ bei der Blutdruckregulation. Erkrankungen der Niere drosseln häufig die Nierendurchblutung, z. B. bei arterieller Stenose oder bei Glomerulonephritis. Dies wiederum stimuliert das Renin-AngiotensinAldosteron-System und führt zu einer renalen Hypertonie. Bei älteren Personen kommt es durch eine nachlassende Nierenfunktion oft zur Wasseransammlung (Ödem) im Gewebe. Die Patienten werden durch Verabreichung sogenannter Diuretika entwässert. Diese Medikamente verringern hauptsächlich die Na+-Resorption in den Tubulussegmenten, wodurch die osmotische Kraft zur Wasserresorption vermindert wird. Typische Diuretika sind Hemmstoffe der Carboanhydrase wie Acetazolamid, die im proximalen Tubulus den Na+/H+-Antiport indirekt hemmen. Im Bereich des dicken aufsteigenden Astes der Henle-Schleife wirken Schleifendiuretika wie Furosemid, Diuretika sind Medikamente, die bei Wasseransammlungen im Gewebe (Ödeme) während Thiazide den Na+/Cl–-Symport im distalen Tueingesetzt werden, um die Patienten zu bulus hemmen. Schließlich blockieren Amilorid und seine entwässern. Sie wirken auf epitheliale Analoga den epithelialen Na+-Kanal (ENaC) im distalen Transportsysteme in den Nierentubuli. Tubulus und im Sammelrohr reversibel.

Harninkontinenz Funktioniert die nervöse Kontrolle der Harnblase nicht oder nur eingeschränkt, dann spricht man von einer Harninkontinenz. Sie hat verschiedene Ursachen. Stressinkontinenz tritt bei einer Erhöhung des intraperitonealen Drucks auf, z. B. bei Husten oder körperlicher Anstrengung. Diese Art von Inkontinenz ist bei Frauen häufiger und tritt

Erkrankungen der Niere

infolge einer Gebärmuttersenkung oder bei einem Östrogenmangel auf. Störungen der nervösen Steuerung nach Nierensteinen oder bei zentralnervösen Erkrankungen können zu einer anfallsartigen Inkontinenz führen. Durch Nervenschädigung kann sich auch eine „Überlaufblase“ bilden, weil sich die Blase nach Dehnung nicht mehr kontrahieren kann. Durch Restharnbildung besteht hier die Gefahr von häufigen Harnwegsinfektionen.

Harnwegsinfekte Normalerweise ist der Urin keimfrei. Enthält er Bakterien (Bakteriurie), so finden sich meist auch Leukocyten, und es entwickelt sich ein Harnwegsinfekt. Ein häufiger Infekt, vor allem bei Frauen, ist die Blasenentzündung (Zystitis). Sie hat meist bakterielle Ursachen und muss oft mit Antibiotika behandelt werden. Eine Nierenbeckenentzündung (Pyelitis) führt meist auch zu einer Infektion des Nierenparenchyms (akute Pyelonephritis), die hohes Fieber hervorruft und mit hohen Antibiotikadosen behandelt werden muss. Wird sie chronisch, verändert sich meist das Gewebe, und es bildet sich, wenn nicht behandelt wird, eine Schrumpfniere. Als schwere Komplikation einer Pyelonephritis gilt die Urosepsis. Hier kommt es zu einem Übertritt der bakteriellen Infektion in das Blut, was zu einer lebensbedrohlichen Blutvergiftung (Sepsis) führt. Ein Harnwegsinfekt lässt sich durch Untersuchung des Mittelstrahlurins nachweisen, der üblicherweise morgens abgenommen wird.

Nierensteine Bilden sich bei hohen Harnkonzentrationen oder infolge von Stoffwechselstörungen Konkremente (Kristalle) im Harn, so spricht man von einer Nierensteinerkrankung (Nephrolithiasis). Besonders kleinere Steine mit einem Durchmesser von einigen Millimetern setzen sich an den schon beschriebenen drei Engstellen des Harnleiters ab und führen zu schweren, krampfartigen Schmerzen (Nierenkoliken), die in die Lenden und in den Rücken ausstrahlen. Die Schmerzen entstehen durch heftige Kontraktionen der glatten Muskulatur des Harnleiters, die das Abflusshindernis beseitigen sollen. Kleinere Nierensteine können durch reichliches Trinken und krampflösende Medikamente von selbst abgehen. Ist dies nicht der Fall, müssen sie entweder mit einer Schlinge durch den Harnleiter entfernt oder durch starke Ultraschallstoßwellen (extrakorporale Stoßwellenlithotripsie) zertrümmert werden.

Nieren- und Blasentumoren Nierentumoren und Tumoren des Nierenbeckens oder des Harnleiters sind meist bösartig, sodass sie in den meisten Fällen operativ entfernt werden müssen. Das häufigste Nierenkarzinom geht von der Nierenrinde aus, Urothelkarzinome bilden sich aus den Epithelschichten der Harnleiter. Eine genaue Ursache ist oft nicht feststellbar, als

345

346

13. Ausscheidung, Wasser und Elektrolythaushalt

Risikofaktoren gelten bestimmte krebsauslösende Substanzen (aromatische Amine) im Harn, aber auch Nikotin oder eine chronische Entzündung der Niere oder der ableitenden Harnwege. Sind die Tumoren noch auf die Niere begrenzt, wird die befallene Niere oft mit guter Prognose operativ entfernt. Häufig sind die Tumoren aber auch schon in Nachbarorgane eingewachsen oder haben Metastasen in anderen Organen gebildet. Blasentumoren bilden sich meist aus Entartungen der Blasenschleimhaut, vorwiegend bei älteren Männern. Risikofaktoren sind ebenfalls Nikotin sowie der berufsbedingte Umgang mit anilinhaltigen Farbstoffen. Bei frühzeitiger Erkennung durch z. B. blutigen Harn lassen sich die Tumoren erfolgreich endoskopisch entfernen. Bei fortgeschrittenem Blasenkrebs muss die gesamte Harnblase operativ entfernt werden.

Nierenversagen, Dialyse und Nierentransplantation Wird die glomuläre Filtration plötzlich unterbrochen, spricht man von akutem Nierenversagen. Das kritische Harnvolumen beträgt dabei etwa 0,5 l pro Tag. Ursachen können Blutdruckabfall infolge von Blutverlust oder Schädigungen durch Medikamente sein. Ein akutes Nierenversagen erfordert sofortiges Eingreifen, weil sich giftige harnpflichtige Substanzen im Blut anreichern und außerdem durch Hyperkaliämie schwere Herzrhythmusstörungen und Herzstillstand eintreten können. Auch die Niere kann irreversibel geschädigt werden (Schockniere). Chronisches Nierenversagen kann durch häufige Nierenentzündungen, langjährigen Medikamentenmissbrauch (Schmerzmittel) oder Fehlbildungen (Zystennieren) eintreten. Eine Niereninsuffizienz kann anfänglich noch mit strenger Diät und harntreibenden Mitteln (Diuretika) zum Teil kompensiert werden. Im späten Stadium ist eine Dialyse oder eine Nierentransplantation erforderlich. Wird das Nierenversagen nicht behandelt, droht eine Harnvergiftung (Urämie), die alle Organsysteme betrifft und letztlich zum Tode führt.

? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Klausurfragen Worin liegt der Unterschied zwischen corticalen und juxtamedullären Nephronen? Was ist ein juxtaglomerulärer Apparat, und welche Funktion hat er? Welche Kräfte spielen bei der glomerulären Filtration eine Rolle? Beschreiben Sie die Rolle und Funktionsweise der Henle-Schleife bei der Harnkonzentrierung. Welche drei Stickstoffexkretionsprodukte gibt es? Welche Faktoren spielen bei der Regulation des Säure-Basen-Haushalts im Organismus eine Rolle? Was sind Aquaporine, und wie werden sie reguliert? Durch welche Mechanismen wird die Entleerung der Harnblase (Miktion) gesteuert? Was versteht man unter Diabetes mellitus? Wie funktioniert die Clearance-Methode?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 14

Reproduktion und Ontogenese

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über den Aufbau und die Funktion des menschlichen Reproduktionssystems und der Ontogenese, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Anatomischer Aufbau der männlichen und weiblichen Geschlechtsorgane. Hormonelle Regulation der Sexualfunktionen. Entwicklung von Spermien und Eizellen. Ablauf des Menstruationszyklus und Empfängnisverhütung. Erkrankungen der Geschlechtsorgane und sexuelle Übertragbarkeit von Krankheiten. Entwicklung der befruchteten Eizelle zum Embryo. Verlauf von Schwangerschaft und Geburt.

348

14. Reproduktion und Ontogenese

Anatomie und Funktion der Geschlechtsorgane

ä

Die männlichen und weiblichen Geschlechtsorgane dienen der Fortpflanzung (Reproduktion) des Menschen und entwickeln sich entsprechend den vorhandenen Geschlechtschromosomen (XX oder XY). Diese verursachen eine Differenzierung der embryonal zunächst zweigeschlechtlich angelegten Keimanlage zum männlichen bzw. weiblichen Geschlecht, indem die entsprechenden Keimdrüsen und die primären, sekundären und tertiären Geschlechtsmerkmale ausgebildet werden. Primäre Geschlechtsmerkmale sind beim Mann der Penis, Hoden, Nach der Differenzierung der embryonal Nebenhoden und Samenwege, bei der Frau die Eierstöcke, angelegten Keimanlagen entwickeln sich Eileiter, Gebärmutter und Scheide. Diese Merkmale sind bei beiden Geschlechtern in verschiedenen bereits bei der Geburt ausgebildet. Die sekundären GeLebensabschnitten die primären, sekundäschlechtsmerkmale bilden sich in der Pubertät durch die ren und tertiären Geschlechtsmerkmale. Einwirkung von Hormonen. Dazu gehören beim Mann Bartwuchs und Schambehaarung, bei der Frau die Brust. Als tertiäre Geschlechtsmerkmale bezeichnet man den jeweiligen Körperbau, z. B. Körpergröße und Beckenform, sowie die geschlechtsspezifischen Verhaltensweisen und die Gefühle (Psyche).

Männliche Geschlechtsorgane Hoden (Testis), Nebenhoden (Epididymis), Samenleiter (Ductus deferens), Samenstrang (Funiculus spermaticus), Vorsteherdrüse (Prostata), Samenbläschen (Vesiculae seminales) und Cowper-Drüsen (Glandulae bulbourotheliales) gehören zu den inneren Geschlechtsorganen des Mannes. Das Glied (Penis) und der Hodensack (Scrotum) werden als äußere Geschlechtsorgane bezeichnet. Diese Organe sind in Abbildung 14.1 dargestellt.

männliche Geschlechtsorgane

weibliche Geschlechtsorgane Wirbelsäule Harnleiter (Ureter) Dickdarm Fransen (Fimbrien) Samenbläschen Dickdarm DuctusGebärmutterhals ejaculatorius Bulbourethral- (Zervix) drüsen Vagina After Nebenhoden After (Epididymis)

Harnleiter (Ureter)

Wirbelsäule

Harnblase Symphysis pubis Samenleiter (Vas deferens) Harnröhre (Urethra) Penis Glans penis Vorhaut (Praeputium)

Scrotum Hoden

Eileiter (Oviduct) Eierstock (Ovar) Gebärmutter (Uterus) Blase Symphyse Harnröhre (Urethra) Klitoris kleine Schamlippen große Schamlippen Vaginalöffnung

14.1

Die männlichen und weiblichen Geschlechtsorgane.

349

Anatomie und Funktion der Geschlechtsorgane

Hoden und Hodensack Die paarigen Hoden (Testes) sind im Hodensack elastisch gelagert. An ihrem oberen Rand befinden sich die Nebenhoden (Epididymis). Den Hoden umgibt eine Bindegewebskapsel, von der aus Septen in das Hodeninnere ziehen und den Hoden in etwa 200 Hodenläppchen unterteilen. Sie enthalten die Hodenkanälchen (Tubuli seminiferi), die in einem Epithel die Vorstufen der Keimzellen und die Sertoli-Zellen enthalten (䉴 Abb. 14.2). Hier entstehen durch Reifung und Proliferation die Keimzellen (Spermien). Die Sertoli-Zellen dienen der Ernährung der reifenden Spermien; sie produzieren Hormone wie Inhibin, das die Testosteronkonzentration senkt, und Trägerproteine für Testosteron. Außerdem verhindern die Zellen eine Zerstörung der Spermien durch das eigene Immunsystem. Um die Hodenkanälchen liegen die Leydig-Zellen, die das männliche Sexualhormon Testosteron bilden. Die Hoden entwickeln sich im Embryo zunächst in der hinteren Bauchhöhle, verlagern sich dann im dritten Schwangerschaftsmonat nach unten (Descendus testis) und wandern ab dem siebten Schwangerschaftsmonat in den vorher gebildeten b Regulation der Ovarialfunktion

a Regulation der Hodenfunktion

Hypothalamus

Hypothalamus +

GnRH +

Hypophyse

+

Hypophyse

–

LH

–

+

FSH

LH

FSH

Östradiol Progesteron Androgene Inhibin

+ Testis + LeydigZellen

+

–

GnRH

Tubuli seminiferi Inhibin

+ Östradiol

Ovar

+

Follikel

DHT

Testosteron

14.2 Hormonelle Regulation der Genitalfunktion. Vom Hypothalamus werden die Gonadotropin-Releasing-Hormone (GnRH) ausgeschüttet, die im Hypophysenvorderlappen die Bildung und Ausschüttung des luteinisierenden Hormons (LH) und des follikelstimulierenden Hormons (FSH) bewirken. a) Im Hoden wirken diese auf die Leydig-Zellen der Samenkanälchen (Tubuli seminiferi). Das im Hoden gebildete Testosteron, das Dihydrotestosteron (DHT), sowie ein inhibierender Faktor wirken hemmend auf den Hypothalamus. b) Im Ovar der weiblichen Sexualorgane bewirken LH und FSH die Bildung von Östradiol, Progesteron und im geringen Maße auch von Androgenen. Auch hier wird ein hemmend auf den Hypothalamus wirkender Faktor (Inhibin) gebildet.

350

14. Reproduktion und Ontogenese

Hodensack. Dabei nimmt der Hoden die versorgenden Blutgefäße und Nerven mit, die dann den Samenstrang bilden (䉴 Abb. 13.1). Die Lage des Hodens im Hodensack (Scrotum) ermöglicht durch die tieferen Temperaturen eine Spermienreifung, welche bei Körpertemperatur im Bauchraum nicht stattfinden könnte. Unterbleibt der Hodendescendus entsteht der Kryptorchismus, bei dem die Fruchtbarkeit vermindert ist und sich bösartige Hodentumoren entwickeln können. Eine Hodenretention muss deshalb spätestens bis zum zweiten Lebensjahr behandelt werden.

Spermatogenese Die Bildung befruchtungsfähiger Spermien aus den Vorläuferzellen findet in den Hodenkanälchen statt und dauert ca. 80 Tage. Dabei bilden sich aus den Urkeimzellen zunächst die Spermatogonien, die sich ab der Pubertät durch Mitose in die diploiden Spermatocyten erster Ordnung teilen. Durch die erste Reifeteilung bilden sich aus ihnen die haploiden Spermatocyten zweiter Ordnung, aus denen durch die zweite Reifeteilung die Spermatiden entstehen. Sie reifen schließlich zu den beweglichen und befruchtungsfähigen Spermien. Die Spermien bestehen aus einem Kopf mit dem Chromosomensatz, der auch das Akrosom, eine Struktur für das Eindringen in die Eizelle, enthält. Der Hals verbindet Kopf und Mittelstück, in dem sich die Mitochondrien zur Energieversorgung befinden. Dann folgen Haupt- und Endstück, die zusammen mit dem Mittelstück und dem Hals den Schwanz des Spermiums bilden. Die Spermien wandern zunächst in den Nebenhoden, wo sie mit Sekret angereichert reifen. Zusammen mit den Sekreten aus Prostata, Samenblasen und Cowper-Drüsen bilden sie das leicht alkalische Sperma. Wird vom vegetativen Nervensystem ein Samenerguss (Ejakulation) ausgelöst, werden 60–600 Mio. Spermien in etwa 5 ml Flüssigkeit abgegeben. Eine Ejakulation kann durch sexuelle Träume, durch Masturbation oder beim Geschlechtsverkehr induziert werden.

Geschlechtsdrüsen Als männliche Geschlechtsdrüsen bezeichnet man die Prostata, die Samenbläschen und die Cowper-Drüsen. Die kastaniengroße Prostata umschließt die Harnsamenröhre kurz vor der Harnblase und produziert die Hauptmenge des Ejakulats, das aus einem dünnflüssigen enzymatischen Sekret mit charakteristischem Geruch besteht. Die Prostata kann sich bei Männern ab dem 50. Lebensjahr, durch ein hormonelles Ungleichgewicht gutartig vergrößern (Prostatadenom), was zu einer Verengung der Harnröhre und Problemen beim Wasserlassen führt. Auch kann im fortgeschrittenen Lebensalter ein Prostatakarzinom entstehen, das häufig operativ entfernt werden muss oder hormonell mit einem Antiandrogen behandelt wird. Zur Früherkennung sollte bei älteren Männern regelmäßig die Konzentration des prostataspezifischen Antigens (PSA) im Blut bestimmt werden. Die Samenbläschen (䉴 Abb. 14.1) geben ebenfalls wie die Cowper-Drüsen ein alkalisches und zuckerreiches Sekret in das Ejakulat ab.

Anatomie und Funktion der Geschlechtsorgane

351

Äußere männliche Geschlechtsorgane Das männliche Glied (Penis) ist aus dem Penisschaft und der Eichel (Glans penis) aufgebaut (䉴 Abb. 14.1). Die äußerst dehnbare Penishaut bedeckt als Vorhaut (Praeputium) die Eichel. Im Penisschaft befinden sich die paarigen Corpus cavernosum penis und an der Unterseite der Harnröhrenschwellkörper (Corpus spongiosum penis). Füllen sich die Hohlräume dieser Schwellkörper durch Dilatation der Arterien prall mit Blut, so richtet sich gibt äußere und innere Geschlechtsder Penis auf (Erektion). Dieser Vorgang wird durch den Es organe. Die männlichen Keimzellen (SperParasympathikus gesteuert, und der neuronale Stimulus mien) werden im Hoden unter dem Einfluss wird durch Stickstoffmonoxid (NO) und den Second Mes- von Testosteron gebildet und reifen im senger cGMP auf die glatten Muskelzellen der Blutgefäße Nebenhoden. Zusammen mit den Sekreten der männlichen Geschlechtsdrüsen bilden sie übertragen. Neu entwickelte Medikamente (Sildenafil) kön- das Sperma. nen diesen Mechanismus auslösen und so bei Erektionsstörungen eingesetzt werden.

Hormonelle Steuerung der männlichen Sexualfunktionen Mit der Pubertät wird durch die Freisetzung des Gonadotropin-Releasing-Hormons GnRH im Hypophysenvorderlappen (䉴 Abb. 14.2a) die Bildung und Ausschüttung des follikelstimulierenden Hormons (FSH) und des luteinisierenden Hormons (LH) angeregt (䉴 Kap. 7). FSH stimuliert die Spermienreifung über die Sekrete der SertoliZellen, LH stimuliert in den Leydig-Zellen die Bildung von Testosteron. Diese hormonellen Funktionen halten normalerweise während des ganzen Erwachsenenlebens an. Testosteron ist das wichtigste männliche Geschlechtshormon und gehört zu der Gruppe der Androgene. Zu diesen gehört auch das noch stärker wirkende Dihydrotestosteron (DHT), das vermutlich die hauptsächlich wirkende Hormonvariante beim Menschen ist. Die Androgene haben neben ihrer Funktion bei der Spermienbildung eine Vielzahl weiterer Effekte auf den männlichen Organismus. Sie ermöglichen die Geschlechtsdifferenzierung und das Wachstum der männlichen Geschlechtsorgane wie auch die Ausbildung der sekundären Geschlechtsmerkmale (Bartwuchs) ab der Pubertät. Sie fördern durch ihre anabole Wirkung das Muskel- und Knochenwachstum, psychische Faktoren wie Aggressivität, und sie sind schließlich auch für die Auslösung des Geschlechtstriebs (Libido) verantwortlich.

Weibliche Geschlechtsorgane Die inneren Geschlechtsorgane der Frau liegen im kleinen Becken und umfassen Eierstöcke, Eileiter, Gebärmutter und Scheide. Zu den äußeren Geschlechtsorganen gehören die großen und kleinen Schamlippen, Kitzler und Scheidenvorhof (䉴 Abb. 14.1).

ä

352

14. Reproduktion und Ontogenese

Eierstöcke und Eileiter

ä

Die paarigen Eierstöcke (Ovarien) liegen seitlich im Becken (䉴 Abb. 14.3). Sie produzieren jeden Monat eine befruchtungsfähige Eizelle und bilden außerdem als weibliche Sexualhormone Östrogene (Östradiol, Östron und Östriol) und Progesteron. Mit der ersten Regelblutung (Menarche) hat bei der jungen Frau die vollständige Eibildung mit dem Eisprung eingesetzt. Sie hält im Allgemeinen bis zur letzten Regelblutung (Menopause) im Alter zwischen 45–55 Jahren an. Den Zeitpunkt danach bezeichnet man als Postmenopause. Beim Eisprung wandert das Ei in die trichterförmige Erweiterung des Eileiters. Die paarigen Eileiter (Tubera) sind ca. 15 cm lang und reichen von den Eierstöcken bis zu den oberen Ecken der Gebärmutter. Das Ei wandert entlang der Schleimhaut des Eileiters und wird durch peristaltische Muskelkontraktionen zur Gebärmutter befördert. Durch bakterielle Infektionen kann es zu einer Eierstock- und Eileiterentzündung (Adnexitis) kommen. Dadurch kommt es zu einer verminderten Durchlässigkeit der Eileiter und häufig zu Verklebungen, die eine Schwangerschaft unmöglich machen. Bösartige Tumoren der EierstöIn den paarigen Eierstöcken der Frau bilden sich als weibliche Sexualhormone Östrocke (Ovarialkarzinome) haben verschiedene histologische gene und Progesteron. Die vollständige Ausprägungen und werden oft erst sehr spät diagnostiEibildung setzt erst mit der Menarche ein ziert. Da sie sehr schnell metastasieren ist eine Früherkenund hält bis zur Menopause an. nung besonders wichtig.

Eibildung (Oogenese) Die Bildung der befruchtungsfähigen Eizelle ist kompliziert und störanfällig und kann im Extremfall viele Jahre dauern. Sie läuft in verschiedenen Phasen ab. Am Anfang stehen die aus den Urkeimzellen gebildeten Oogonien, die sich durch Mitose weiter teilen. Einige dieser Oogonien vergrößern sich und beginnen die erste Reifeteilung. In ihrer Prophase verharren sie in der Rinde der Eierstöcke und werden vom eingenistetes Ei

14.3 Querschnitt durch die weiblichen Geschlechtsorgane. Die befruchtungsfähigen Eier werden in den Follikeln der Eierstöcke gebildet und beim Eisprung in den Eileitertrichter abgegeben. Von dort wandern sie durch den Eileiter bis in den oberen Teil der Gebärmutter (Uterus), wo sie sich nach der Befruchtung normalerweise einnisten (Nidation). Der untere enge Teil der Gebärmutter wird als Gebärmutterhals (Zervix) bezeichnet, der sich bei der Geburt weitet. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Gebärmuttermuskulatur

Eileiter

Eierstock (Ovar)

reifender Follikel in verschiedenen Stadien

Gebärmutterhöhle (Cavum uteri)

Gebärmutterhals (Zervix) Portio Muttermund

Eileitertrichter (Ampulla tubae) Scheide

Harnröhre

Klitoris

Anatomie und Funktion der Geschlechtsorgane

353

Follikelepithel umgeben. Diese Struktur wird als Eibläschen (Primärfollikel) bezeichnet. Jedes Ovar enthält von Beginn an etwa 400 000 Primärfollikel, die mindestens bis zur Pubertät und längstens bis zur Menopause in diesem Zustand verbleiben. Unter hormonellem Einfluss bilden sich aus diesem Primärfollikel monatlich einige Sekundärfollikel. Sie besitzen ein mehrschichtiges Follikelepithel, eine Umhüllung der Oocyte (Zona pellucida) und eine hormonproduzierende Zellschicht (Theca folliculi). Durch weiters Wachstum und die Ansammlung von Flüssigkeit bildet sich schließlich der Tertiärfollikel, der die Oocyte enthält. Nur einer der Tertiärfollikel wandelt sich jeden Monat zum sprungreifen Graaf-Follikel, die anderen werden abgebaut. Noch vor dem Eisprung vollendet die Oocyte im Graaf-Follikel die erste Reifeteilung und beginnt mit der zweiten. In der Mitte des Monatszyklus springt eine Oocyte aus dem Graaf-Follikel in den Eileiter (Ovulation) und wird zur Gebärmutter transportiert. Die zweite Reifeteilung wird erst nach einer Befruchtung abgeschlossen, sodass erst dann eine reife Eizelle (Ovum) entsteht. Der leere Graaf-Follikel bildet sich zum Gelbkörper (Corpus luteum) um, der das Hormon Progesteron produziert.

Uterus und Scheide Die birnenförmige Gebärmutter (Uterus) ist mit einer Schleimhaut (Endometrium) ausgekleidet (䉴 Abb. 14.3). Der obere, breite Abschnitt des Uterus wird als Gebärmutterkörper (Corpus uteri) bezeichnet und hat eine kräftige Muskulatur. Der untere schmalere Teil ist der Gebärmutterhals (Zervix) und ragt mit seiner unteren Öffnung (Muttermund) in die Scheide. Die Gebärmutterhöhle (Cavum uteri) kann sich durch die äußerst dehnbare Uteruswand in der Schwangerschaft dem Fötus anpassen. Die Uteruswand besteht aus drei Schichten: Endometrium, Myometrium und Perimetrium. Ohne eine Schwangerschaft wird das Endometrium monatlich abgestoßen und erneuert (Menstruation). Im Myometrium können sich gutartige Muskeltumoren (Myome) bilden, die oft Blutungen verursachen und dann operativ entfernt werden müssen. Am Zervix bildet sich häufig das Zervixkarzinom, das vermutlich durch beim Geschlechtsverkehr übertragene Papilloma-Viren verursacht wird. Zur Vorbeugung gibt es neuerdings eine Immunisierung. Zervixkarzinome lassen sich frühzeitig durch einen Abstrich erkennen. In schweren Fällen, auch bei großen Myomen, muss oft die ganze Gebärmutter entfernt werden (Hysterektomie). Die Scheide (Vagina) ist ca. 10 cm lang und verbindet den Uterus mit dem äußeren Genital (䉴 Abb. 14.3). Das Schei- Die Eibildung kann mehrere Jahre dauern und läuft über verschiedene Follikelstruktudenepithel sondert ebenso wie das Zervixepithel ein Sekret ren ab. Nach dem Eisprung wandert das ab, das den pH-Wert in der Vagina im sauren Milieu hält. befruchtungsfähige Ei durch den Eileiter in Dadurch wird die Vagina vor dem Eindringen von infektiö- den Uterus. sen Keimen geschützt. Beim Geschlechtsverkehr wird zusätzlich ein flüssiger Schleim gebildet, der die gleitenden Bewegungen des männlichen Glieds ermöglicht. Die Scheidenöffnung ist im Kindesalter durch das Jungfernhäutchen (Hymen), eine elastische Hautfalte, teilweise verschlossen. Es reißt beim ersten Geschlechtsverkehr ein.

ä

354

14. Reproduktion und Ontogenese

Äußere weibliche Geschlechtsorgane Die Schamspalte (Rima pudendi) wird von den großen Schamlippen nach außen begrenzt (䉴 Abb. 14.1). Erst wenn sie auseinander gespreizt werden, erkennt man die kleinen Schamlippen, zwischen denen der Scheidenvorhof mit der Klitoris liegt. Beide Schamlippen enthalten zahllose Drüsen zur Talg-, Schweiß- und Duftproduktion. Sie halten auch den Scheidenvorhof feucht. In den Vorhof mündet auch die Harnröhre (Urethra) und darunter der Scheideneingang (Introitus vaginae). Die Klitoris ist stark innerviert und erektil. Da sie sich angeschwollen bis ca. 3 cm aufrichten kann entspricht sie funktionell dem Penisschwellkörper beim Mann. Ihre Stimulation verursacht eine intensive sexuelle Erregung. Als Vulva wird der gesamte Bereich des externen weiblichen Genitals bezeichnet, inklusive des Schamhügels (Mons pubis).

Hormonelle Steuerung der weiblichen Sexualfunktion Die weibliche Pubertät setzt mit der vermehrten Sekretion des GonadotropinReleasing-Hormons (GnRH) aus dem Hypothalamus ein (䉴 Abb. 14.2b). Dadurch wird die Ausschüttung der Sexualhormone follikelstimulierendes Hormon (FSH) und luteinisierendes Hormon (LH) aus dem Hypophysenvorderlappen stimuliert. FSH stimuliert die Östrogenbildung der Eierstöcke und bewirkt die Reifung der Follikel zum Graaf-Follikel in der ersten Zyklushälfte. LH wird in der Zyklusmitte in hoher Konzentration abgegeben und bewirkt den Eisprung und die Umwandlung des Graaf-Follikels in den Gelbkörper (Corpus luteum). Dieser produziert dann das Gelbkörperhormon Progesteron und in geringerem Umfang auch Östrogene. Der Verlauf der Hormonabgabe während des Menstruationszyklus ist in Abbildung 14.4 dargestellt. Die hauptsächlichen weiblichen Sexualhormone sind Östrogene und Progesteron. Östrogene bewirken die Ausprägung der sekundären weiblichen Geschlechtsmerkmale (Brust), die Eireifung und den Aufbau der Gebärmutterschleimhaut. Sie haben ebenfalls anabole Wirkungen, allerdings schwächer als Testosteron, bestimmen so aber den Aufbau des weiblichen Körpers (Knochensubstanz, Fettgehalt, Körperbehaarung) und beeinflussen schließlich auch über das zentrale Nervensystem die Psyche (Stimmungslage und Verhalten). Progesteron wird in der zweiten Zyklushälfte nach dem Eisprung abgegeben (䉴 Abb. 14.4) und bereitet die Gebärmutterschleimhaut auf das Einnisten des befruchteten Eies vor. Außerdem erhöht es die Körpertemperatur, verhindert nach der Befruchtung die Menstruation, verdichtet den Zervixschleim zum Schutz des eingenisteten Eies, steuert die Gebärmutter während der Schwangerschaft und bereitet die Milchproduktion in der Brust vor.

Menstruationszyklus Der Menstruationszyklus dauert ca. 28 Tage und läuft in vier Phasen ab (䉴 Abb. 14.4). In der ersten Phase, der eigentlichen Menstruation, löst sich die oberste Schicht des Endometriums, die Funktionalis, unter oft heftigen Blutungen und Uteruskontraktionen ab. Diese Phase dauert 3–7 Tage und geht in die Proliferationsphase (5.–14.

Anatomie und Funktion der Geschlechtsorgane

355

Hormonkonzentration

LH

Östrogene

LH

LH FSH

FSH

Progesteron

FSH Östrogene Progesteron

Follikelreifung

Eisprung

Östrogensekretion baut Schleimhaut auf

0

4 1–4 Menstruation

8

Gelbkörper

Gelbkörperrückbildung

Progesteronsekretion

12

5–14 Proliferationsphase

Tage

16

20 15–28 Sekretionsphase

24

28 Ischämiephase

14.4 Menstruationszyklus. Periodische Veränderungen der Hormone LH (luteinisierendes Hormon), FSH (follikelstimulierendes Hormon), Östrogene und Progesteron im Verlauf des weiblichen Zyklus. Auf- und Abbau der Gebärmutterschleimhaut sind schematisch dargestellt, ebenso wie der Verlauf der Follikelreifung und der Gelbkörperrückbildung. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Tag) über, in der unter dem Einfluss des ansteigenden Östrogenspiegels die Funktionalis mit ihren Blutgefäßen wieder aufgebaut wird. Die Östrogene stimulieren auch die Hypophyse, sodass FSH und LH ausgeschüttet werden und durch die Freisetzung von großen Mengen LH zur Zyklusmitte der Eisprung ausgelöst wird. Vom 15. Tag an bis kurz vor der nächsten Menstruation dauert die Sekretionsphase, die auch gestagene Phase genannt wird. Die durch Progesteron eingeleiteten Aufbauvorgänge des Endometriums bereiten unter Glykogeneinlagerung das Einnisten des befruchteten Eies vor. Wurde die gesprungene Eizelle nicht befruchtet, bildet sich in der Ischämiephase der Gelbkörper zurück, seine Progesteronsekretion nimmt ab, die Blutgefäße im Endometrium verengen sich, und durch die Mangeldurchblutung schrumpft die Funktionalis und stirbt ab. Diese Phase dauert oft nur wenige Stunden und führt zur anschließenden Menstruation. Der Menstuationszyklus beginnt in der Pubertät mit der Menarche (erste Regelblutung) und hält über ca. 40 Jahre bis zur Menopause an. Er wird nur durch eine Schwangerschaft und einen Teil der Stillzeit unterbrochen. Viele Frauen haben in der Menstruation leichtere krampfartige Der Menstruationszyklus wird hormonell Beschwerden. Treten diese in schwerer Form auf, so spricht gesteuert und beinhaltet den ständigen Auf- und Abbau der Gebärmutterschleimman von einer Dysmenorrhoe. Auch können Blutungsstär- haut. ke und -häufigkeit stark variieren. Im Klimakterium kommt

ä

14. Reproduktion und Ontogenese

es durch den starken Abfall der Hormonspiegel von Östrogenen und Progesteron oft zu Hitzewallungen, Herzrhythmusstörungen, Osteoporose und depressiven Beschwerden. Diese Symptome lassen sich durch eine niedere Kombinationsdosis von Östrogenen und Gestagenen behandeln. Neuere Studien zeigen, dass eine frühzeitige Hormontherapie beim Eintreten der Menopause weniger risikoreich ist als eine später einsetzende Langzeitbehandlung, die das Risiko für ein Mammakarzinom erhöht.

Weibliche Brust und Bildung der Milch Unter dem Einfluss von Progesteron und Östrogenen bilden sich in der weiblichen Pubertät im Verlauf von 1–3 Jahren aus Drüsenanlagen die Brustdrüsen aus. Sie bestehen aus Drüsenlappen (Lobi), die sich in kleinere Drüsenläppchen (Lobuli) unterteilen. In ihnen befinden sich die Milchsäckchen (Alveolen), die von einem Zylinderepithel ausgekleidet sind und über den Milchausführungsgang (Ductus lactiferi) auf der Brustwarze (Mamille) enden. Die Brustgröße und Form wird durch die dazwischen liegenden Fettpolster bestimmt. Die vollständige Entwicklung der Milchsäckchen ist erst nach der ersten Schwangerschaft abgeschlossen, und die Brust hat erst dann ihre endgültige Größe erreicht. Die Milchsekretion (Laktation) wird durch Hormone der Hypophyse gesteuert (䉴 Abb. 14.5). Während der Schwangerschaft entwickeln Östrogene, Progesteron, Wachstumshormone, Prolactin, Glucocorticoide und Insulin das Gangsystem weiter.

Hypothalamus PRH

+

PIH

Hypophyse

Vorderlappen

Prolactin

14.5 Regulation der Milchsekretion. Die Milchsekretion wird im Verlauf der ersten fünf Stilltage durch Prolactin aus dem Hypophysenvorderlappen stimuliert. Notwendig zum Erhalt der Stillfähigkeit ist ein Saugreiz an der Brustwarze, der reflektorisch im Hypothalamus die Ausschüttung des Prolactin-Releasing-Hormons (PRH) stimuliert und die des Prolactin-Inhibiting-Hormons (PIH) hemmt. Gleichzeitig wird aus dem Hypophysenhinterlappen Oxytocin abgegeben, das die Kontraktion der Milchausführungsgänge verursacht.

Hinterlappen Oxytocin

Milchsekretion

Saugreiz

356

Kontraktion glatter Muskelzellen

Männliche und weibliche Sexualität

357

Vor der Geburt hemmen die Östrogene und Progesteron die Milchsekretion. Nach der Geburt bildet die Milchdrüse zunächst ein fettarmes Sekret (Kolostrum); im Verlauf von 2–5 Tagen kommt es, vermittelt durch Prolactin, zur vollen Milchsekretion. Um diese zu erhalten, ist die mechanische Reizung der Brustwarzen notwendig, die über Reflexe im Hypothalamus die Bildung der Prolactin-Releasing-Hormone (PRH) verändert. Das Prolactin-Inhibiting-Hormon (PIH), das bei Nichtschwangeren die Milchbildung normalerweise unterdrückt, wird gehemmt und PRH stimuliert. Dadurch wird verstärkt Prolactin ausgeschüttet. Über denselben Reflexbogen wird aus dem Hypophysenhinterlappen gleichzeitig Oxytocin freigesetzt, das die Milchgänge kontrahiert und somit die Milchejektion fördert. Prolactin und Oxytocin hemmen auch die Ausschüttung von GnRH, weshalb der Menstruationszyklus bei der stillenden Frau normalerweise für mehrere Monate gehemmt wird. Oxytocin kontrahiert außerdem den Uterus und stimuliert die Sekretion von Stoffen, die den Uterus wieder zurückbilden. Der häufigste und bösartigste Tumor bei der Frau ist das Mammakarzinom, das sich am häufigsten im oberen äußeren Quadranten der Brust entwickelt. Da auch schon junge Frauen betroffen sind, ist eine regelmäßige Vorsorge und Selbstuntersuchung der Brust notwendig. Wird das Karzinom zu spät erkannt, haben sich meist schon Metastasen entlang der Die Milchbildung (Laktation) geschieht in Lymphabflusswege gebildet, die auch die axillären Lymph- den Milchsäckchen der Brust und wird über knoten befallen. Eine operative Entfernung des Tumors die Geschlechtshormone und Hormone des gesteuunter möglichst brusterhaltenden Verfahren ist deshalb Hypothalamus-Hypophysen-Systems ert. Zur Aufrechterhaltung sind Saugreize an unumgänglich und wird von Chemo- und Strahlentherapie der Brustdrüse notwendig. begleitet.

Männliche und weibliche Sexualität Sexualität dient biologisch gesehen zwar zur menschlichen Reproduktion, prägt aber entscheidend das männliche und weibliche Verhalten und erfüllt dabei wichtige soziale und seelische Bedürfnisse des Menschen.

Verhaltensphysiologie der Sexualität Die Sexualität zählt zu den biologischen Trieben genauso wie Hunger und Durst, ihre Rolle spielt aber für das Überleben des Individuums keine Rolle, weshalb manche Menschen auch zeitlebens ohne sexuelle Kontakte auskommen. Trotzdem wurden auch sie in ihrer Kindheit durch sexuelle Kontakte wie Zärtlichkeit und Körperberührung geprägt, weil diese Kontakte im umfassenden übergeordneten Sinn auch eine Körpersprache zur Mitteilung des menschlichen Befindens und Verhaltens bilden. Allerdings ist diese geschlechtlich geprägt. Da Männer und Frauen durch ihre Chromosomensätze biologisch unterschiedlich sind, wirken sich diese genetisch induzierten Entwicklungsprogramme ihrer Körper auch unterschiedlich auf ihre Verhaltensweisen aus. Dabei stehen vor allem die hor-

ä

358

14. Reproduktion und Ontogenese

monellen Unterschiede im Vordergrund. Sie prägen z. B. wesentlich die Bereitschaft der Frau, sich für die Entwicklung und Aufzucht des Nachwuchses (parental investment) verantwortlich zu fühlen. Allerdings kann man die biologischen Einflüsse nicht isoliert von den gesellschaftlichen Einflüsse betrachten, die im Laufe des Lebens einen starken Einfluss haben. Auch in modernen gleichberechtigten Gesellschaften wird Frauen immer noch eine andere Rolle zugewiesen als Männern, was sich z. B. in einer geringeren Entlohnung für gleiche Arbeit widerspiegelt, obwohl dies aus biologischer Sicht nicht gerechtfertigt ist. So sind Mann und Frau in verschiedenen Bereichen unserer „modernen“ Gesellschaft wie Familie oder Beruf nach wie vor nicht gleichgestellt. Diese historisch gewachsenen gesellschaftlichen Einflüsse haben auch das Bild der weiblichen und männlichen Sexualität entscheidend geprägt.

Entwicklung der Sexualität und der Sexualorgane

ä

In der Schwangerschaft unterscheiden sich männliche und weibliche Embryonen bis zur siebten Woche im Körperbau und Organstruktur nicht. Erst nach diesem Indifferenzstadium entwickeln sich die Geschlechtsorgane unter hormonellem Einfluss. Die nachgeburtliche sexuelle Entwicklung setzt erst mit der Pubertät ein, die bei Mädchen im neunten Lebensjahr und bei Jungen etwa im zwölften Lebensjahr beginnt. Wie schon beschrieben, entwickeln sich die sekundären Geschlechtsmerkmale, und die Geschlechtsdrüsen beginnen mit der Produktion von Ei- und Samenzellen. Mit 11–13 Jahren setzt dann bei Mädchen die Menstruation ein; bei Jungen erfolgt im Alter von 13–15 Jahren der erste, meist durch Träume unwillkürlich ausgelöste Samenerguss. Fortpflanzungsfähig sind beide Geschlechter aber erst jeweils ca. zwei Jahre später, wenn es zu Ovulationen kommt bzw. befruchtungsfähige Spermien gebildet werden. Neben dieser körperlichen Entwicklung der Sexualität Die Sexualität des Menschen wird genetisch finden auch im psychischen Bereich Veränderungen und und durch Umwelteinflüsse geprägt und Entwicklungen statt. Die Ablösung vom Elternhaus geht wirkt sich unterschiedlich auf das geeinher mit der Orientierung zum anderen Geschlecht. Dies schlechtsspezifische Verhaltensmuster aus. geschieht zunächst in der Gruppe, dann aber über Freundschaften und erste Zweierbeziehungen, die heutzutage etwa ab dem 15. Lebensjahr beginnen. Statistisch haben Mädchen mit 17 Jahren, Jungen mit 18 Jahren ihren ersten Geschlechtsverkehr.

Sexuelle Interaktionen bei Erwachsenen und im Alter Fast jeder Erwachsene möchte in einer Partnerschaft leben und ist oft zeitlebens auf der Suche nach ihr. Für eine erfolgreiche langfristige Partnerschaft sind verschiedene Faktoren wichtig. Dazu gehören soziale Herkunft und Bildung, Lebensstil und Lebensziele, aber auch weltanschauliche Überzeugungen. Die Partnerwahl erfolgt aber nach anderen Kriterien, die bei Männern und Frauen unterschiedlich sind. So achten Männer, oft unbewusst im Sinne der Fortpflanzung, auf ein körperlich attraktives, meist junges Erscheinungsbild von Frauen. Diese wiederum versuchen diesen

Männliche und weibliche Sexualität

359

Kriterien durch Hervorhebung der attraktiven weiblichen Reize oft bis ins hohe Alter gerecht zu werden. Frauen dagegen suchen im Sinne des parental investment meist nach einem zwar auch attraktiven, vor allem im sozialen und beruflichen Sinne verantwortungsvollen und erfolgreichen Partner. In den westlichen Industriestaaten streben etwa 90 % der Menschen eine heterosexuelle Partnerschaft an, nur etwa 10 % suchen einen gleichgeschlechtlichen Lebenspartner (Homosexualität). Teilweise wechseln sich auch Beziehungen zu Partnern beiderlei Geschlechts ab (Bisexualität). Homosexualität wurde früher als Krankheit angesehen und sogar unter Strafe gestellt. Unsere moderne Gesellschaft akzeptiert sie zwar, jedenfalls in westlichen Ländern, im sozialen Bereich leben viele Homosexuelle nach wie vor aber anonym und scheuen ein Coming Out. Die Gründe für Homosexualität sind nach wie vor umstritten, zur Diskussion stehen frühe Mutter-SohnBeziehungen, aber auch das vorgeburtliche Milieu oder genetische Faktoren. Transsexuelle sind meist Männer, die sich trotz ihres biologisch männlichen Geschlechts im Laufe der Pubertät als weiblich empfinden und einen Mann als Sexualpartner wünschen. Oft wird bei ihnen eine Operation zur Geschlechtsumwandlung vollzogen. Die Monogamie (Einehe) ist in westlichen Ländern die bevorzugte Sexualpartnerschaft, sie stellt allerdings weltweit nur etwa 15 % der üblichen Partnerschaften dar. Lebenslange Monogamie ist zwar eine gesellschaftliche Idealvorstellung und bringt soziale Vorteile für das Aufziehen von Kindern, wird aber zunehmend durch die gesellschaftlichen Bedingungen und Entwicklungen verdrängt. Heutzutage werden fast 50 % der Ehen geschieden, und etwa 20 % der Bevölkerung heiraten nie. Durch die Entwicklung der Antibaby-Pille wurde zudem der Frau ermöglicht, sich in Ausbildung und Beruf besser zu verwirklichen und auch ihr Sexualleben unabhängig vom Reproduktionswunsch individuell zu realisieren. Deshalb haben viele Menschen im Lauf ihres Lebens mehrere Sexualpartner. Sexualität im Alter wird auch heute noch häufig verschwiegen und sogar tabuisiert. Es ist jedoch unstrittig, dass Sexualität auch im Alter wichtig ist und auch praktiziert wird, wenn ein Partner vorhanden ist. Viele ältere Menschen, die von Vereinsamung bedroht sind, finden Die Form und Akzeptanz von Sexualpartnerhat sich in der westlichen Welt stark neben Gesprächen und persönlicher Zuwendung auch schaften verändert und wird von den verschiedenen sexuelle Zärtlichkeit für ihr Leben wichtig. Unsere gesell- gesellschaftlichen Gruppierungen nach wie schaftliche Organisation verhindert und tabuisiert aber sol- vor kontrovers diskutiert. che Kontakte, etwa in Altenheimen. Die sexuelle Interaktion kann auf unterschiedliche Weise stattfinden. Nur beim Koitus kommt es allerdings zu einer natürlichen Befruchtung (Konzeption). Eine künstliche Befruchtung (Insemination) kann durchgeführt werden, indem die Samenflüssigkeit mit einer Sonde dicht vor den Muttermund oder in den Uterus eingebracht wird. Bei der in vitro-Fertilisation wird die Eizelle im Reagenzglas künstlich befruchtet und dann in den Uterus eingesetzt. Um die Einnistung und eine Schwangerschaft zu ermöglichen sind dann künstliche Hormongaben notwendig. Der sexuelle Reaktionszyklus läuft bei beiden Geschlechtern in vier Phasen ab und wird vom vegetativen Nervensystem gesteuert. In der Erregungsphase werden durch Reize, z. B. Anblick des Partners, Berührung von erogenen Zonen (Eichel, Klitoris, Brustwarzen, Innenseite der Oberschenkel) erotische Empfindungen ausgelöst. Dies führt zu sexueller Erregung, die sich in gesteigertem Wohlbefinden, Pulserhöhung,

ä

360

14. Reproduktion und Ontogenese

Wärmegefühl, Erektion beim Mann und dem Anschwellen von Schamlippen und Klitoris äußert. Die Plateauphase verstärkt diese Erregungen durch gleichmäßige Bewegungen des Penis in der Scheide. In der Orgasmusphase kommt es zum nur wenige Sekunden dauernden Orgasmus, der beim Mann zum Samenerguss (Ejakulation) führt. Dabei wird die Samenflüssigkeit durch Kontraktion der Penismuskulatur und der Harnröhre in den hinteren Bereich der Scheide befördert. Bei der Frau verengt sich die Scheide durch rhythmische Kontraktionen von Uterus und Beckenbodenmuskulatur. Ein gleichzeitiger Orgasmus ist weder für eine erfolgreiche Reproduktion, noch für ein gutes Sexualempfinden notwendig. Während die Frau mehrere Orgasmen nacheinander erleben kann, kommt es beim Mann nach dem ersten Orgasmus zu einer sexuellen Unempfindlichkeit. In dieser Rückbildungsphase schwillt der Penis rasch ab, und auch bei der Frau bilden sich alle erregten Organe in den ursprünglichen Zustand zurück.

Empfängnisverhütung

ä

Eine Empfängnisverhütung (Kontrazeption) kann auf natürlichen oder künstlichen Methoden beruhen. Die natürlichen Methoden bedienen sich der Temperaturmessung und einer periodischen Enthaltsamkeit bis zum dritten Tag nach dem Eisprung. Die Zuverlässigkeit dieser Methode kann allerdings durch Störungen des Zyklus (Stress, Infektionen) sehr beeinträchtigt sein. Auch der Coitus interuptus, bei dem der Penis kurz vor der Ejakulation aus der Scheide entfernt wird, zählt nicht zu den sicheren Verhütungsmethoden. Künstliche Verhütungsmethoden sind die Verwendung eines Kondoms oder eines Diaphragmas, das bei der Frau vor dem Verkehr in die Scheide eingeführt werden muss. Zusätzlich können spermienabtötende Cremes (Spermizide) aufgebracht werden. Eine länger andauernde Verhütung kann über das Intrauterinpessar erreicht werden. Diese sogenannte Spirale wirkt entweder auf der Basis von Gestagen (Intrauterinsystem, IUS) oder von Kupfer und wird vom Arzt in den Uterus eingebracht, wo sie mehrere Jahre verbleiben kann. Die häufigste Form der Verhütung sind jedoch orale Ovulationshemmer (Anti-Baby-Pille), die eine Kombination aus Gestagenen und Östrogenen enthalten. Die Pille wird im Allgemeinen gut vertragen, lindert nebenbei auch Menstruationsbeschwerden und Eine Befruchtung kann sich auf natürlichem verringert auch das Risiko einiger Ovarialkarzinome. Sie Weg (Konzeption) oder durch künstliche Methoden (Insemination) einstellen. Eine darf allerdings Thrombosepatientinnen, BrustkrebspaEmpfängnisverhütung (Kontrazeption) wird tientinnen und Raucherinnen über 35 Jahren nicht verebenfalls durch natürliche oder künstliche ordnet werden, da hier stark erhöhtes Risiko für bedrohMethoden (z. B. Anti-Baby-Pille) erreicht. liche Nebenwirkungen vorliegt.

Sexuelle Störungen und Erkrankungen Der sexuelle Reaktionsablauf kann beim Mann durch verschiedene Faktoren gestört sein. Es kommt dann zu Impotenz (erektile Dysfunktion), die einen befriedigenden Beischlaf verhindert aber nichts mit der Zeugungsunfähigkeit (Impotentia gene-

Schwangerschaft, Entwicklung und Geburt

361

randi) zu tun hat. Eine Impotenz kann bei verschiedenen Krankheiten (Diabetes) oder z. B. nach Alkoholmissbrauch auftreten und Folge von Medikamentennebenwirkungen sein. Bei Frauen kann infolge von psychosexuellen Konflikten ein Vaginismus entstehen, bei dem der erigierte Penis nicht in die Vagina eindringen kann. Eine Anorgasmie der Frau kann körperliche und seelische Ursachen haben. Frigidität reicht darüber hinaus und beschreibt ein geringes sexuelles Verlangen und Empfinden.

Sexuell übertragbare Krankheiten Die häufigste Geschlechtskrankheit ist die Gonorrhö (Tripper), bei der das hoch infektiöse Bakterium Neisseria gonorrhoeae durch intensiven Schleimhautkontakt übertragen wird. Die Krankheit äußert sich durch Schmerzen beim Wasserlassen und einen milchigen Ausfluss. Sie kann mit Antibiotika wirksam behandelt werden. Ohne Behandlung führt sie bei der Frau längerfristig zu Unfruchtbarkeit. Die etwas seltener vorkommende Syphilis (Lues, auch harter Schanker) wird durch Treponemen ausgelöst und kann im Frühstadium ebenfalls mit Antibiotika vollständig geheilt werden. Im Spätstadium kommt es zu schweren Schädigungen des ZNS, von Herzklappen und Aorta, die nicht heilbar sind. Weitere klassische Geschlechtskrankheiten sind der weiche Schanker und die venerische Lymphknotenentzündung, beides bakteriell verursachte Infektionen des Lymphsystems. Unspezifische Urogenitalinfektionen können durch Chlamydien und Mykoplasmen, Parasiten (Trichomonaden) und Viren hervorgerufen werden. Bei den Viren sind insbesondere die Papilloma-Viren zu nennen, die außer dem Zervixkarzinom Durch sexuellen Kontakt können nicht nur auch Warzenbildung auslösen, sowie die Herpes-genitalis- die klassischen Geschlechtskrankheiten übertragen werden, sondern auch allgemeine Infektion, die Übertragung von Hepatitis B und C und virale und bakterielle Infektionen. natürlich die HIV-Infektion, die zum AIDS-Krankheitsbild führt.

Sterilität Eine Unfruchtbarkeit (Sterilität) kann bei der Frau Folge von Eileiterverklebungen, hormonellen Störungen mit fehlendem Eisprung oder durch psychische Faktoren und zunehmendes Alter sein. Beim Mann wird die Sterilität durch mangelnde Reifung und Zahl der Spermien verursacht. Zu den Therapiemöglichkeiten gehört die in vitro-Fertilisation (Befruchtung außerhalb des Körpers). Eine Infertilität liegt bei Frauen vor, die zwar erfolgreich empfangen haben, ihre Schwangerschaft aber nicht austragen können (Fehlgeburt).

Schwangerschaft, Entwicklung und Geburt Bei der Entwicklung eines Menschen unterscheidet man den pränatalen (vor der Geburt) und den postnatalen Abschnitt (nach der Geburt). Die pränatale Entwicklung gliedert sich dabei in Keimphase, Embryonalphase und Fötalstadium.

ä

362

14. Reproduktion und Ontogenese

Besamung, Befruchtung und Einnistung der Eizelle Nach der Ejakulation befinden sich die Spermien dicht vor dem Muttermund. Sie wandern in den Uterus bis in die Eileiter. Nur etwa 500 Spermien des Ejakulats erreichen diesen Bereich und treffen auf eine befruchtungsfähige Eizelle. Bei einem Kontakt verschmelzen die Zellmembranen des Spermiums und der Eizelle, und das Spermium dringt ein (Imprägnation oder auch Besamung; 䉴 Abb. 14.6). Darauf bildet sich die rigide Zona pellucida, um ein Eindringen weiterer Spermien zu verhindern. Der Spermienkopf trennt sich vom Schwanz und bildet den Vorkern, der sich mit dem ebenfalls haploiden Vorkern der Eizelle vereinigt (Befruchtung). Die jetzt entstandene Zygote enthält also den diploiden Chromosomensatz, jeweils 23 Chromosomen vom Vater bzw. der Mutter. Innerhalb der nächsten Stunden finden die Furchungsteilungen statt, in denen sich zunächst zwei Zellen, dann vier, acht, 16 und schließlich ein kugeliger Zellhaufen, die Morula, bildet. Diese wandelt sich nach vier Tagen in die flüssigkeitsgefüllte Blastula, auch Blastocyste genannt. Die Blastula hat eine seitliche Verdickung (Embryoblast), die die Embryonalanlage enthält. Die restlichen Zellen (Trophoblast) umgeben den Embryoblast und dienen der Ernährung. Inzwischen ist die Blastocyste in den Uterus gewandert und lagert sich mit den Embryoblasten an das Endometrium an. Die Zellen des Trophoblasten sezernieren proteolytische Enzyme, sodass sich die Blastocyste tief in dem Endometrium einnisten kann (Nidation; 䉴 Abb. 14.7a). Außerdem produziert der Trophoblast das Schwangerschaftshormon humanes Choriogonadotropin (HCG), das die Gelbkörperfunktion aufrechterhält und so ein Abstoßen des Endometriums und einen Abort verhindert. Eineiige Zwillinge entwickeln sich aus einer befruchteten Eizelle, die sich ab dem Zweizellstadium bis zur Blastocyste zu zwei vollständig getrennten Organismen trennen kann. Deshalb sind diese Zwillinge monozygot, genetisch und geschlechtlich identisch. Zweieiige Zwillinge entwickeln sich nach der gleichzeitigen Befruchtung von zwei verschiedenen Eizellen durch zwei verschiedene Spermien. Sie sind dizygot und genetisch und geschlechtlich nicht ähnlicher als normale Geschwister. Entwickeln sich zwei oder mehr Embryonen gleichzeitig in der Gebärmutter, spricht man Freisetzung Anhaftung von Fusion des akrosomalen des Filaments Spermiums mit an Rezeptor der Membran Enzymen

Schwanz

14.6 Besamung und Befruchtung der Eizelle. Wenn ein Spermium auf eine befruchtungsfähige Eizelle trifft, verschmelzen die Zellmembranen des Spermiums und der Eizelle. Das Spermium dockt dabei an speziellen Rezeptoren an. Der Spermienkopf trennt sich vom Schwanz und bildet den Vorkern, der in die Eizelle eindringt und sich mit dem Vorkern der Eizelle vereinigt (Befruchtung).

Zellkern

der Eizelle

Mittelteil

Eintritt des Zellkerns

Kopf Akrosom jelly coat Rezeptoren Vitellinmembran

Zellkern der Eizelle

Plasmamembran

Besamungsmembran

Fusion der Zellkerne vom Spermium und Eizelle

Schwangerschaft, Entwicklung und Geburt

a Einnistung des Trophoblasten

b Bildung der Lakunen Lakunen

mütterliches Gefäß

Embryoblast

c Bildung der Chorionzotten mütterliche Kapillare

mütterliche Kapillare

sich bildende Chorionzotten

Uterusdrüse Syncytiotrophoblast Amnionhöhle

363

Amnionhöhle Embryoblast

Cytotrophoblast

Dottersack Spalten Chorionhöhle

Blastocystenhöhle (wird Dottersack)

Endometrium

Cytotrophoblast

Endometrium

14.7 Einnistung der Blastocyste (Nidation) in die Gebärmutterschleimhaut (Endometrium) und Bildung des Dottersacks. a) Der Trophoblast hat sich in zwei Schichten aufgeteilt: den Cytotrophoblasten, der den Embryoblast weiterhin umgibt, und den Syncytiotrophoblasten, der weiter in das Endometrium einwächst und den Embryo ernährt. b) Im Syncytiotrophoblasten bilden sich Lakunen, die mit den mütterlichen Gefäßen verschmelzen. Der Keim wird nun von der Mutter ernährt. Außerdem bilden sich Spalten um den Dottersack. c) Der Cytotrophoblast verdickt sich zum Chorion und bildet Zotten. Die Spalten vereinigen sich zur Chorionhöhle. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

von Mehrlingen. Solche Schwangerschaften müssen besonders eng überwacht werden, da sie ein erhöhtes Risiko darstellen. Normalerweise erfolgt die Nidation im oberen Uterusbereich (䉴 Abb. 14.3). Nistet sich die Blastocyste jedoch im unteren Bereich oberhalb des Muttermundes ein, entstehen Risikoschwangerschaften mit häufigen Blutungen. In seltenen Fällen kommt es auch zu einer Einnistung außerhalb der Gebärmutter (Extrauteringravidität, EUG). Am häufigsten geschieht dies im Eileiter (Tubargravidität), was zu einer lebensbedrohlichen Tubarruptur führen kann. Die Einnistung der befruchteten Eizelle im Weitere Möglichkeiten sind die Eierstockschwangerschaft Uterus (Nidation) geschieht durch hormo(Ovarialgravitität) und die Bauchhöhlenschwangerschaft nelle und enzymatische Interaktion der Blastocyste mit der Uteruswand. Sie erfolgt (Abdominalgravidität). In diesen Fällen stirbt die Frucht als normalerweise im oberen Uterusbereich. Folge von Mangelernährung meist nach etwa einem Monat ab.

Embryonalentwicklung Der Embryoblast differenziert sich etwa acht Tage nach der Befruchtung in zwei Keimschichten, die auch Keimscheiben genannt werden, und durch Einwanderung von Zellen bildet sich in der Mitte eine dritte Schicht. Letztlich entstehen auf diese Weise die drei Keimblätter. Aus dem äußeren Keimblatt, dem Ektoderm, entwickeln sich Haut, Sinnesorgane und Nervensystem. Das mittlere Keimblatt, das Mesoderm, bildet Muskeln, Skelett, Herz, Nieren und Geschlechtsorgane. Das innere Keimblatt, das Entoderm, entwickelt sich zu Darm, Lunge, Leber, Pankreas, Schilddrüse und Harnwegen. Zunächst wird die Blastocyste noch von Sekreten der Uteruswand und vom Trophoblast ernährt. Dann beginnt sich die Plazenta zu entwickeln (Placentation). Dazu

ä

364

ä

14. Reproduktion und Ontogenese

bilden sich in der äußeren Schicht des Trophoblasten, der inzwischen tief in die Uterusmuskulatur eingewachsen ist, einzelne Hohlräume (Lakunen), die immer mehr verschmelzen und in die schließlich Uteruskapillaren einsprossen (䉴 Abb. 14.7b,c). Dadurch wird der Keim vom mütterlichen Blut ernährt. Um den Keim bildet sich die Zottenhaut (Chorion), auf der sich an der dem Endometrium zugewandten Seite (Chorionplatte) Zotten bilden, die tief in das Endometrium einwachsen. Als Reaktion bildet das Endometrium eine neue, abgegrenzte Gewebeschicht, die Decidua basalis. Auf diese Weise entsteht schließlich die Plazenta, die aus der embryonalen Chorionplatte mit den weit verzweigten Zotten (Kotyledonen) und der mütterlichen Decidua basalis besteht. Die Blutversorgung des Embryos geschieht über die Plazenta. Das mütterliche Blut umspült die Zotten, und das kindliche Blut gelangt über die Nabelschnurarterie in die kleinen Gefäße der Chorionplatte und fließt nach Aufnahme des Sauerstoffs und der Nährstoffe durch die Nabelschnurvene zurück in den Embryo. Dabei wird das fötale Blut nur zu ca. 70 % mit Sauerstoff gesättigt. Außerdem bildet die Plazenta Hormone, neben HCG auch Östrogene und Progesteron, und ersetzt die Hormonproduktion des Gelbkörpers ab dem dritten Schwangerschaftsmonat vollständig. Die Plazenta dient außerdem dem Wärmeaustausch und dem Immunschutz des Fötus. Dieser wird vom Immunsystem der Mutter jedoch nicht als Fremdeiweiß erkannt und abgestoßen. Über die Plazenta gelangen sämtliche Moleküle aus dem Blut der Mutter in den Fötus, also auch Medikamente, Alkohol und Nikotin, mit Ausnahme großer Moleküle. Die Nabelschnur verbindet den Fötus mit der Plazenta. Sie enthält zwei arterielle und ein venöses Gefäß und ist außen von der Amnionhaut überzogen. Am Ende der Schwangerschaft ist sie etwa 50 cm lang und 2 cm dick. Die scheibenförmige Plazenta wiegt bei der Geburt etwa 500 g und wird als Nachgeburt abgestoßen. Der Embryo ist während der Schwangerschaft von der Fruchtblase und den Eihäuten überzogen. Zu Beginn der Entwicklung entsteht zunächst die Blastocystenhöhle, die sich zum Dottersack vergrößert und dann bis zur elften Woche verschwindet. Dann bildet sich zwischen Embryoblast und Trophoblast die Amnionhöhle, später noch um den Trophoblast die Chorionhöhle. Die Amnionhöhle füllt sich mit Flüssigkeit (Fruchtwasser) und vergrößert sich zur Fruchtblase. Sie wächst, umgibt schließlich den Embryo vollständig und schützt Während der Embryonalentwicklung ist der ihn vor Stößen. Um sie liegt die Amnionhaut, die dicht an Keim von den Eihäuten und der Fruchtblase der Chorionhaut liegt. Die beiden Schichten bezeichnet umgeben und so hermetisch von der Umgebung abgetrennt. Er wird nur über die man als Eihäute. Das Fruchtwasser wird ständig vom EmNabelschnur und die Plazenta versorgt. bryo ausgetauscht und rezirkuliert und hat vor der Geburt Diese bildet auch wichtige Hormone zum ein Volumen von bis zu 1,5 l. Es enthält fötale Zellen, die Erhalt der Schwangerschaft. im Rahmen einer Amniozentese (Entnahme von Fruchtwasser) untersucht werden können, um Aufschluss über Entwicklungsstörungen des Fötus zu erhalten.

Fötale Entwicklung und ihre Störungen Nachdem die Organe angelegt sind (䉴 Abb. 14.8) nehmen sie schon frühzeitig, ab der achten Schwangerschaftswoche, ihre Funktionen auf, reifen und vergrößern sich. Ab

Schwangerschaft, Entwicklung und Geburt

365

Labyrinthanlage Aortenwurzel Kiementasche Auge Truncus arteriosus Nasenanlage Atrium

vordere Extremitätenknospe

Ventrikel

Kardinalvene

Nabelstrang Schwanzanhang mit Wirbelanlage

Sinus venosus Kardinalvene Ductus cuvieri

hintere Extremitätenknospe

Somiten

14.8 Menschlicher Embryo (32 Tage alt). In diesem Stadium ist der Embryo etwa 8 mm lang. In der Organentwicklung haben sich fünf Kiementaschen gebildet, die von sechs Arterienbögen begrenzt werden. Die Anlage des Blutgefäßsystems folgt bei allen Säugetieren und auch beim Menschen nach dem bei den ersten Wirbeltieren (Fischen) vorliegenden Entwicklungsplan. (Verändert nach Wehner und Gehring 2007.)

diesem Zeitpunkt spricht man von der fötalen Entwicklung. Ab dieser Zeit bewegt sich der Fötus, reagiert auf Reize und kann ab der 25. Woche Schmerz empfinden. Er durchläuft Aktivitäts- und Ruhephasen und kann in der zweiten Schwangerschaftshälfte auch schmecken und schlucken. Ab der 24. Woche können Frühgeburten unter intensivmedizinischer Überwachung zwar überleben, behalten aber meist bleibende Schäden. Während der Fötalzeit ist der Blutkreislauf an die noch funktionslosen Lungen angepasst. In der Vorhofscheidewand des Herzens befindet sich ein Loch, das Foramen ovale, und die Lunge wird durch den Ductus arteriosus Botalli umgangen, sodass 90 % des Blutes von der rechten Kammer direkt in die Aorta geleitet werden. Etwa 3–4% der Neugeborenen werden mit Fehlbildungen geboren. Sie können durch Vererbung genetischer Anlagen oder durch umweltbedingte Schädigungen hervorgerufen werden. Solche SchäFehlbildungen des Embryos (Embryopathien) digungen werden durch Teratogene hervorgerufen, zu entstehen durch genetische Einflüsse und vor denen Medikamente (z. B. Contergan), Alkohol, Nikotin, allem auch durch schädigende Stoffe (TeraStrahlung und Infektionen (z. B. Röteln) gehören. Dabei ist togene), wobei der Einwirkungszeitpunkt jeweiligen Teratogens im Verlauf der der Einwirkungszeitpunkt im Verlauf der Schwangerschaft des Schwangerschaft entscheidend für das Ausentscheidend. Man unterscheidet diese Fehlbildungen ent- maß der Schädigung ist. sprechend dem Einwirkungszeitpunkt des Teratogens in

ä

366

14. Reproduktion und Ontogenese

Gametopathien, Blastopathien (0.–18. Tag), Embryopathien (18. Tag–8. SW) und Fetopathien (9.–11. SW).

Verlauf der Schwangerschaft Die Dauer der Schwangerschaft kann ab der Befruchtung (post conceptionem, pc) oder ab dem ersten Tag der letzten Regelblutung (post menstruationem, pm) berechnet werden. Nach pc berechnet beträgt sie 266 Tage, also 38 Wochen oder neuneinhalb Monate, nach pm berechnet 280 Tage, also 40 Wochen oder zehn Monate. Dabei wird der Schwangerschaftsverlauf in drei Abschnitte zu je drei Monaten aufgeteilt. In den ersten drei Monaten (erstes Trimenon) stellt sich der Organismus um, und die hohen Hormonspiegel verursachen oft Übelkeit und psychische Probleme. In dieser Phase wird die Schwangerschaft durch Hormontests und Untersuchungen erkannt und der voraussichtliche Geburtstermin berechnet. Nach der Naegele-Regel ist er wie folgt: Geburtstermin = erster Tag der letzten Regelblutung + sieben Tage – drei Monate + ein Jahr. Im zweiten Trimenon (4.–6. Monat) nimmt die Schwangere etwa 1,5 kg pro Monat zu, der etwa faustgroße Embryo wächst tastbar bis zur Nabelhöhe (䉴 Abb. 14.9a). Die Schwangere verändert sich durch Wachstum von Bauch und Brust. Pigmentierungen und Schwangerschaftsstreifen bilden sich. Im Allgemeinen fühlt sich die Frau in dieser Phase sehr gut. Bis zum Ende der Schwangerschaft nimmt sie in etwa 10 kg zu. Im dritten Trimenon ist der Bauch so groß, dass fast alle Tätigkeiten als Belastung empfunden werden. Deshalb beginnt der gesetzliche Mutterschutz sechs Wochen vor der Geburt und endet erst acht Wochen nach der Geburt. Im dritten Trimenon kommt es bei ca. 4 % der Schwangeren zu einer schwangera Schwangere

b Lage des Fötus kurz vor der Geburt Darm (Intestinum) Wirbel

Magen

Rückenmark

Leber Niere

Fötus

Gebärmutterwand

Darm

Gebärmutter Blase

Enddarm

Scheide (Vagina)

14.9 Verlauf der Schwangerschaft. a) Der Uterus ist im dritten Schwangerschaftsmonat nur faustgroß, im sechsten Monat erreicht er die Nabelgegend und im neunten Monat den Rippenbogen. Während dieser Monate liegt der Fötus mit dem Kopf nach oben. b) Im letzten Monat senkt sich der Embryo, weil der Fötus mit dem Kopf in das kleine Becken der Mutter eintritt. In der Normallage ist das Gesicht dann zum Kreuzbein der Wirbelsäule gerichtet.

Schwangerschaft, Entwicklung und Geburt

367

schaftsinduzierten Hypertonie (Bluthochdruck), der von Eiweißausscheidungen im Urin (Proteinurie) und starker Ödembildung begleitet wird. Dies stellt ein erhöhtes Risiko dar und wird lebensbedrohlich, wenn es dadurch zu Krämpfen und Koma (Eklampsie) kommt. Wird der Fötus vorzeitig abgestoßen (unter 500 g), spricht man von einer Fehlgeburt (Abort). Ein Schwangerschaftsabbruch (Abtreibung) bleibt in den ersten zwölf Wochen nach einer Pflichtberatung straffrei, ist Die Schwangerschaft wird in drei Abschnitte eingeteilt. Während dieser jedoch rechtswidrig. Ausgenommen sind medizinische In- (Trimenon) Abschnitte stellt sich der mütterliche Körper dikationen wie schwere Fehlbildungen oder Gefährdung der hormonell um und nimmt ca. 10 kg zu. Ein Mutter. Schwangerschaftsabbrüche werden medikamentös Schwangerschaftsabbruch kann nach einer (Abtreibungspille) oder durch chirurgische Eingriffe (Ab- Pflichtberatung in den ersten zwölf Wochen vorgenommen werden. saugen) meist in der 7.–10. Schwangerschaftswoche vorgenommen.

ä

Geburt und Wochenbett Während der letzten Monate der Schwangerschaft treten bereits ab und zu Kontraktionen des Uterus (Wehen) auf, die darauf hindeuten, dass die Uterusmuskulatur zunehmend sensibler für das Wehenhormon Oxytocin wird. In diesem Zeitraum wird auch der Muttermund durch Prostaglandine flexibler, die Geburt wird vorbereitet. Ab der 37. Schwangerschaftswoche spricht man von einer Termingeburt. Der Fötus gibt Hormone in das Fruchtwasser ab, die bei der Mutter eine verstärkte Prostaglandinbildung auslösen und dadurch die Geburt einleiten. Etwa vier Wochen vor der Geburt nimmt der Fötus seine endgültige Lage mit dem Kopf nach unten ein (䉴 Abb. 14.9b). In der 36. Schwangerschaftswoche haben sich etwa 90 % der Föten in die optimale Geburtslage gebracht. Bei dieser Hinterhauptslage (Schädellage) zeigt das Gesicht des Fötus zum Kreuzbein der Mutter, das Kinn ist angezogen und der Fötus tritt mit dem Hinterhaupt zuerst in den Geburtskanal ein. Andere Geburtslagen (Steißlage, Querlage oder falsche Kopflage) komplizieren die Geburt, sodass häufig ein Kaiserschnitt notwendig wird, wenn der Fötus durch Umlagerungen der Mutter nicht in die richtige Position gebracht werden kann. Die Eröffungsphase der Geburt beginnt mit den regelmäßigen Wehen und dauert bei der Erstgebärenden etwa zehn Stunden. Hat die Frau schon ein oder mehrere Kinder geboren, kann diese Phase auf fünf Stunden verkürzt sein. In dieser Phase erweitert sich der untere Teil der Gebärmutter, und der Muttermund wird durch das Eindringen des Kindes in den Geburtskanal gedehnt. Am Ende der Eröffnungsphase sind der Muttermund vollständig offen und die Fruchtblase geplatzt (Blasensprung). Jetzt beginnt die Austreibungsphase, die bei Erstgebärenden etwa drei Stunden dauert, bei Mehrgebärenden meist nur etwa eine Stunde. In dieser Phase werden die Wehen stärker und treten etwa alle 2–3 min auf. Hat der Kopf des Kindes den Beckenboden erreicht, beginnen die etwa 30 min Etwa vier Wochen vor der Geburt dreht sich dauernden Pressphasen, in denen die Gebärende den Vor- der Fötus mit dem Kopf nach unten. Eine gang aktiv unterstützen kann. Die Hebamme wird in dieser normale Geburt (Termingeburt) tritt ab der 37. Schwangerschaftswoche ein. Die Geburt Phase das Gewebe zwischen Scheide und Anus durch Hand- läuft in mehreren Phasen ab. griffe schützen, um ein Einreißen zu verhindern. Eventuell

ä

368

14. Reproduktion und Ontogenese

ist ein Dammschnitt notwendig, wenn der Geburtskanal zu eng bleibt. Ist der Kopf durch die Öffnung getreten, genügt oft eine Wehe für den Rest des Körpers. Dabei tritt der Schultergürtel in einer schraubenförmigen Bewegung durch das Becken, unterstützt von speziellen Handgriffen der Hebamme (Kopf heben). Ist das Kind geboren, so wird mit den Nachwehen auch die Plazenta abgegeben. Dann kontrahiert sich der Uterus, um die Blutungen zu stoppen. Etwa zwei Stunden nach einer normalen Geburt hat sich die Gebärende soweit erholt, dass sie kurzzeitig aufstehen kann. Bei einer Geburt können aber auch verschiedene Komplikationen auftreten. Dazu gehört der Geburtsstillstand, bei dem das Kind im Geburtskanal stecken bleibt und sich auch durch wehenfördernde Medikamente (Oxytocin) nicht weiterbewegt. Da ein Sauerstoffmangel das Kind bedroht, muss die Geburt entweder durch Kaiserschnitt (Sectio caesarea), mit der Geburtszange oder einer Saugglocke beendet werden. Auch bei Lageanomalien ist meistens ein Kaiserschnitt notwendig. Löst sich die Plazenta vorzeitig oder kommt es zu einem Nabelschnurvorfall, droht ebenfalls Sauerstoffmangel. Die Geburt kann durch vorbereitende Kurse mit Atmungs- und Entspannungsübungen erleichtert werden. Die starken Schmerzen während einer Geburt lassen sich medikamentös durch starke Schmerzmittel kupieren. Diese können allerdings die Atmung des Neugeborenen dämpfen; aus diesem Grund wird oft eine Periduralanästhesie durchgeführt, durch die die Schmerzempfindung der Mutter im Unterbauch blockiert wird. Die Tage nach der Geburt werden bei der Frau als Wochenbett bezeichnet. In dieser Zeit bildet sich der Uterus unter Einwirkung von Hormonen weiter zurück, und durch den Gewebeabbau entsteht der Wochenfluss, der noch etwa 4–6 Wochen anhält. Da er durch Bakterien sehr infektiös ist, kann durch mangelnde Hygiene der Hände infektiöses Material auf die Brust übertragen werden. Dadurch und auch durch mechanische Belastung beim Stillen kann eine Brustentzündung (Mastitis) entstehen, die unter Umständen eine Antibiotikatherapie erfordert und dann zum Abstillen führt.

?

Klausurfragen

1. Über welche hormonellen Mechanismen werden die männlichen Sexualfunktionen gesteuert? 2. Beschreiben Sie den Ablauf der Spermatogenese. 3. Welche Hormone bewirken zu welchem Zeitpunkt den Eisprung? 4. Beschreiben Sie die Funktion der Eierstöcke und der Eileiter im Zusammenhang mit der Oogenese. 5. Über welche Mechanismen werden Bildung und Abgabe der Milch gesteuert? 6. Welche sexuell übertragbaren Krankheiten gibt es? 7. Beschreiben Sie den Vorgang der Nidation. 8. Was ist ein Trophoblast? 9. Welche Besonderheiten gibt es im fötalen Blutkreislauf? 10. Welche männlichen Geschlechtsdrüsen gibt es?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 15

Humangenetik

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über den Aufbau und die Funktion der Erbsubstanz und ihre Replikation, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Aufbau der Erbsubstanz. Aufbau eines Gens und seine Transkription. Replikation und genetischer Code. Aufbau und Prozessierung der Messenger-RNA (mRNA). Ablauf von Mitose und Meiose. Mutationen und Erbkrankheiten des Menschen. Reverse Transkription und Bedeutung von Retroviren und Onkogenen. Bedeutung der Genomanalyse und der Genbanken.

370

15. Humangenetik

Aufgaben und Entwicklung der Humangenetik

ä

Die Humangenetik beschäftigt sich mit den biologischen Grundlagen unserer eigenen Existenz. Sie befasst sich nicht nur mit der Struktur und der Replikation der menschlichen Erbsubstanz, sondern hat darüber hinaus auch im Laufe der Entwicklung dieses Fachgebiets und seiner Geschichte großen Einfluss und Verantwortung in sozialen und politischen Dimensionen erlangt. Dies wird in den öffentlichen Diskussionen über das EmbryonenDas Fachgebiet der Humangenetik erforscht nicht nur die genetischen Grundlagen unseschutzgesetz, die Stammzellforschung und auch das Genrer eigenen Existenz, sondern hat darüber technikgesetz deutlich. Außerdem stellt die Humangenetik hinaus auch eine große sozialpolitische im medizinischen Bereich Methoden und Verfahren zur Verantwortung in unserer Gesellschaft. Verfügung, die eine Risikoberatung z. B. in Form einer pränatalen Diagnostik erlauben. Da eine solche Beratung zum Schwangerschaftsabbruch führen kann, trägt die Humangenetik eine außerordentliche Verantwortung für die menschliche Existenz.

Allgemeine Genetik Die allgemeine Genetik beschäftigt sich mit dem strukturellen Aufbau der Erbsubstanz, den Gesetzmäßigkeiten ihrer Vererbung und dem Ablauf der Zellteilungen.

Aufbau der Erbsubstanz Abgesehen von den Erythrocyten haben alle menschlichen Zellen einen Zellkern, in dem das Kernplasma (Nucleoplasma) enthalten und der von einer Doppelmembran umgeben ist. Neben Ionen, löslichen Proteinen und Stoffwechselmetaboliten findet man in ihm auch filamentöse Strukturen (Kernmatrix oder Kernskelett), das Kernkörperchen (Nucleolus) und die Erbsubstanz (Chromatin). Das Chromatin liegt in der Phase zwischen den Kernteilungen (Interphase) als netzartige Struktur vor, die sich nach einer Färbung unter dem Mikroskop darstellen lässt. Für die Kernteilungen (Mitose und Meiose) verdichtet es sich zu hoch organisierten Strukturen (Chromosomen), die dann durch Elemente des Cytoskeletts (Kernspindel) in die Hälften der zukünftigen Tochterzellen gezogen werden. Chromatin besteht aus DNA (Desoxyribonucleinsäure), die als Doppelhelix (䉴 Abb. 15.1a) um Strukturproteine, die Histone, gewunden ist. Histone dienen nicht nur der Stabilisierung der DNA in einer kondensierten Form, sondern können durch enzymatische Modifikation wie Methylierung verändert werden und dann auch die funktionellen Veränderungen der DNA (z. B. im Rahmen der Genregulation) beeinflussen. Die Nucleosomen bilden die strukturellen Untereinheiten des Chromatins. Sie bestehen aus einem scheibenförmigen Histonoktamer, um das die Doppelhelix des DNA-Moleküls in einer anderthalbfachen Windung gewunden ist, bevor sie über ein Verbindungsstück, den Linker, weiter zum nächsten Nucleosom zieht. So entsteht eine perlenschnurartige Struktur (䉴 Abb. 15.1b), welche die Länge der DNA bereits erheb-

Allgemeine Genetik

a DNADoppelhelix

b Nucleosomenkette

c Solenoid

d Lampenbürstenchromosom

Linker

Histon

Nucleosom

15.1 Chromatin und Chromosomenaufbau. a) DNA-Doppelhelix. b) Nucleosomenkette (DNA-Doppelstrang windet sich um Histone). c) Solenoid (die Nucleosomen sind kreisförmig angeordnet). d) Lampenbürstenchromosom (die Solenoidstränge legen sich in Schleifen). (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

lich verkürzt. Entlang dieser Chromatinstruktur gibt es auch kurze nucleosomenfreie Abschnitte, die durch andere Proteine besetzt sind. Diese Proteine haben eine regulatorische Funktion bei der Steuerung der Genaktivität. Die Nucleosomenkette ist ihrerseits zu einer schraubenförmigen Faserstruktur organisiert, die als Solenoid bezeichnet wird (䉴 Abb. 15.1c). Die Chromatinfasern legen sich in unregelmäßigen Schleifen zusammen, sodass bei einer maximalen Verdichtung schließlich die Form eines Chromosoms entsteht (䉴 Abb. 15.1d), das nur während der Metaphase der Mitose unter dem Mikroskop zu erkennen ist. Die DNA-Doppelhelix ist in dieser kondensierten Form auf etwa 2 % ihrer eigentlichen Länge verkürzt. Bei einer Genaktivierung verschieben sich die Histonoktamere auf dem Chromatin an der entsprechenden Stelle, sodass ein Bereich ohne Nucleosomenkomplexe entsteht. Die DNA-Doppelhelix wird lokal in zwei Einzelstränge getrennt und kann von dieser Stelle ausgehend abgelesen werden (Transkription). Genetisch aktive Chromatinabschnitte, die in der Interphase entspiralisiert vorliegen, werden als Euchromatin bezeichnet, im Gegensatz zu den stark kondensierten, genetisch inaktiven Chromatinabschnitten, die als Heterochromatin bezeichnet werden. Konstitutives Heterochromatin befindet sich im Bereich des Centromers und enthält keine Gene. Es scheint aber für das Abschalten von Genen (gene silencing) wichtig zu sein. Die Stilllegung eines X-Chromosoms (Bildung des Barr-Körperchens) in den somatischen Zellen weiblicher Personen geht dagegen auf fakultatives Heterochromatin zurück. Im Verlauf der Trennung und des Transports der Chromosomen in die Tochterzellen (Anaphase der Mitose) bestehen die Chromosomen vollkommen aus Heterochromatin. Der im Zellkern liegende Nucleolus (Kernkörperchen) tritt als kugelige Struktur nur während der Interphase der Zelle auf und wird während der Zellteilung aufgelöst.

371

372

ä

15. Humangenetik

Im Nucleolus befinden sich Gene, die die ribosomale RNA (rRNA) codieren, und die aus dem Cytoplasma stammenden ribosomalen Proteine. rRNA und Proteine werden im Nucleolus zu den großen und kleinen Ribosomenuntereinheiten zusammengebaut, die anschließend für die Die DNA liegt im Zellkern als Chromatin vor, das in bestimmten Phasen des ZellProteinsynthese (Translation) durch die Kernporen in das zyklus zu Chromosomen kondensiert ist. Cytoplasma transportiert werden.

Chromosomen

ä

Die in den 46 Chromosomen des Menschen (diploider Chromosomensatz) gespeicherte Erbinformation umfasst DNA-Stränge von mehreren Zentimetern Länge. Die DNA kann in dem nur wenige Mikrometer großen Zellkern nur durch eine dichte Verpackung (Kondensierung) zu Chromosomen untergebracht werden. Die 23 Chromosomenpaare des Menschen bestehen aus 22 Autosomen und den beiden Geschlechtschromosomen – beim Mann XY, bei der Frau XX. Die Chromosomen sind nur in der Metaphase der Mitose unter dem Lichtmikroskop sichtbar. In der Chromosomendiagnostik werden die Spindelapparate der zu untersuchenden Zellen mit dem Spindelgift Colchicin blockiert, sodass sich die Metaphasenchromosomen nach Anwendung spezieller Färbeverfahren gut darstellen und typisieren lassen. Solche chromosomendiagnostischen Verfahren sind inzwischen in der Humanmedizin gängige Hilfsmittel zur Beurteilung eventueller Risiken für Erbkrankheiten geworden. Für die Erforschung der Rolle Das menschliche Genom besteht aus der Gene bei der Vererbung und von Erbkrankheiten wer23 Chromosomenpaaren, von denen 22 den tierische und pflanzliche Modellorganismen (TauPaare Autosomen und ein Paar Geschlechtschromosomen sind. Chromosomen lassen fliege, Mais) verwendet, die sich in schneller Abfolge über sich nach Fixierung und Anfärbung beviele Generationen züchten lassen. So konnte man z. B. die sonders gut in der Metaphase der Mitose für die Entwicklung verantwortlichen Gene auf den Chrobeobachten. mosomen lokalisieren und kartieren.

Grundlagen der Vererbung Der Augustinermönch Gregor Mendel (1822–1884) erarbeitete mit seinen klassischen Kreuzungsexperimenten an Erbsen die Grundlagen der Vererbungslehre. Mendel vermutete, dass es bei der Fortpflanzung zu keiner Vermischung von Erbeigenschaften kommt, stattdessen führte er die Vererbung von Merkmalen auf einzelne diskrete Erbfaktoren zurück. Diese wichtige Schlussfolgerung gelang ihm, da er seine Kreuzungspartner nach eindeutig abgrenzbaren Merkmalen (z. B. Farbe der Samen) auswählte, sich seine langjährigen Versuche über mehrere Generationen erstreckten und er sie mit einer quantitativen statistischen Analyse kombinierte. Aus den dabei erhaltenen Zahlenverhältnissen der Verteilung von Merkmalen bei den Nachkommen leitete er die Existenz von einzelnen Genen ab, die diesen Merkmalen zugrunde liegen sollten. Mendel folgerte, dass diese in ihrer Substanz noch unbekannten Elemente gleichberechtigt von den Eltern auf die Nachkommen übertragen werden, wobei jeweils eines der elterlichen Elemente zufällig auf die Nachkommen übertragen wird.

Allgemeine Genetik

373

Unterscheiden sich die vom mütterlichen und väterlichen Organismus übertragenen Merkmale, so kann sich das eine gegenüber dem anderen durchsetzen. Für diese Beobachtungen führte Mendel die Begriffe dominant und rezessiv ein. Da die in einer Nachkommengeneration unterdrückten Merkmale in einer späteren Nachkommengeneration wieder in einem charakteristischen Zahlenverhältnis auftreten, vermutete Mendel, dass die Erbanlagen eines Merkmals jeweils als paarige vererbbare Elemente vorliegen. Dafür wurde später die Bezeichnung Allele eingeführt. Aus seinen Versuchen sowie aus Rückkreuzungsversuchen der Nachkommen mit den Eltern konnte Mendel Gesetzmäßigkeiten formulieren, die heute als die drei Mendel-Gesetze (oder Mendel-Regeln) allgemein anerkannt sind (Uniformitätsregel, Spaltungsregel, Unabhängigkeitsregel/Neukombinationsregel). Sie gelten für die sexuelle Fortpflanzung aller Organismen, also auch des Menschen. Im Folgenden werden sie mit den Begriffen der heutigen Genetik formuliert: • Alle Körperzellen mit einem Zellkern enthalten Elemente (Gene), die bestimmte Merkmale (Phäne) hervorrufen. • Ebenso wie die Chromosomen liegen die Gene (beim Menschen) als Paare vor (Diploidie), jeweils ein Gen stammt vom Vater und eines von der Mutter. • Die Gene eines Paares treten in verschiedenen Varianten auf (Allele). • Liegen in Bezug auf ein Merkmal genetisch identische Allele vor, spricht man von Homozygotie (Reinerbigkeit), sind die Allele genetisch unterschiedlich, so bezeichnet man dies als Heterozygotie (Mischerbigkeit). • Im Fall von Heterozygotie kann das ausgeprägte Merkmal von beiden Allelen beeinflusst werden (intermediäre Vererbung), oder das eine (dominante) Allel kann das andere (rezessive) unterdrücken. • Ein Gen kann sich ändern (mutieren). Die Mutante kann gegenüber dem anderen Allel dominant oder rezessiv sein. • Die Keimzellen (Ei- und Samenzelle) enthalten jeweils nur einen einfachen Chromosomensatz (Haploidie) und damit nur jeweils ein Allel von jedem Gen. Die Allele trennen sich bei der Bildung der Keimzellen auf (Segregation). • Die Verschmelzung der Keimzellen (Befruchtung) erfolgt zufällig, und die entstehenden Körperzellen der Nachkommen sind wieder diploid, enthalten also wieder jeweils ein Genpaar. Dabei erfolgt die Verteilung der Chromosomen eines Paares auf die Keimzellen auch zufällig. • In der zweiten Nachkommengeneration spalten sich heterozygote Gene unabhängig voneinander in bestimmten Zahlenverhältnissen auf (unabhängige Segregation), sodass völlig neue Genkombinationen auftreten können, die es bisher in der Erblinie nicht gab. (Dies gilt allerdings nur mit Einschränkungen, da zu Mendels Zeiten die Kopplung von Genen auf den Chromosomen noch nicht bekannt war.) Aus diesen Versuchen von Mendel und anderen Genetikern ergab sich eine begriffliche Unterscheidung zwischen dem äußerlich erkennbaren Phänotyp eines Organismus und dem Genotyp, d. h. der in der Gesamtheit der Erbsubstanz (Genom) festgelegten und unveränderlichen genetischen Information.

Die Mendel-Gesetze beschreiben die Grundlagen der Vererbung. Sie erfolgt auf der Basis von diskreten Erbfaktoren (Allele). Ein Genotyp ruft einen Phänotyp hervor.

ä

374

15. Humangenetik

Ablauf der Zellteilung Die Zellteilung verläuft, gemäß dem Zelltypus – Soma- oder Keimbahnzelle – unterschiedlich.

Somazellen und Keimbahnzellen Die normalen Körperzellen (Somazellen) enthalten die genetische Information in doppelter Ausführung, sind also diploid. Sie differenzieren sich während der Entwicklung des Organismus in verschiedene Stammzelltypen (z. B. Nerven- oder Leberzellen) und bilden dann durch fortwährende Zellteilung (Mitose) Gewebe und Organe mit identischen Tochterzellen. Dagegen werden alle Zellen, aus denen Geschlechtszellen (Gameten) hervorgehen, als Keimbahnzellen bezeichnet. Aus den diploiden Keimbahnzellen werden in den Reifeteilungen (Meiose) haploide Gameten (Eizellen bzw. Spermien) gebildet, indem von den Chromosomenpaaren nur ein Chromosom auf die Gameten übertragen wird. Bei der Befruchtung vereinigen sich die Chromosomensätze der Gameten in der befruchteten Eizelle und bilden die Grundlage für die Entstehung eines neuen diploiden Organismus. Die genetische Information dieser Keimbahnzellen wird auf diese Weise weitergegeben, ist also potenziell unsterblich. Diese Erkenntnisse hat Weismann bereits 1892 in der sogenannten Keimbahntheorie zusammengefasst. Sie besagt, dass bei den sich sexuell fortpflanzenden Organismen alle Individuen aus einer einzelnen Zelle, der befruchteten Eizelle, hervorgehen und dass ausschließlich die Keimbahnzellen ihre potenziell unsterbliche genetische Information von Generation zu Generation weitergeben. Das bedeutet auch, dass genetische Veränderungen (z. B. Mutationen) in den Somazellen für das betreffende Individuum zwar beträchtliche Konsequenzen (z. B. Krebs) haben können, sich aber nicht weiter an die Nachkommen vererben. Im Gegensatz dazu können Mutationen der Keimbahnzellen vererbt werden. Eine praktische Konsequenz dieser Keimbahntheorie für Menschen, die radiologisch tätig sind, ist deshalb der unbedingte Schutz der Gonaden vor Röntgenstrahlung durch eine Bleischürze.

Mitose Alle neuen Somazellen werden durch eine mitotische Zellteilung gebildet. Nur selten kommt es zu amitotischen Zellteilungen (einfache Durchschnürung der Zellen), die aber keine geregelte Weitergabe der genetischen Information auf Tochterzellen ermöglichen und deshalb meist ein Indiz für pathologische Vorgänge sind. Die Mitose läuft in vier Schritten ab (䉴 Abb. 15.2). Zwischen den Teilungsphasen befinden sich die Zellen in der Interphase, in der das Chromatin nicht kondensiert ist. Es sind keine Chromosomen erkennbar. Die erste Phase der Mitose wird Prophase genannt, weil sich die genetische Information und die Strukturen im Zellkern auf die Kernteilung vorbereiten. In dieser Phase verschwindet der Nucleolus, und die Chromatinfäden verdichten sich. Es bilden sich die Chromosomen mit ihren zwei Einzelsträngen, den Chromatiden. Diese Chromatiden sind identische Verdopplungen eines einzelnen Chromosoms und bereits vor der Prophase entstanden. An jedem Chromosom wird jetzt auch eine Einschnürung sichtbar, die die beiden Chromatiden verbindet,

Allgemeine Genetik

a beginnende Prophase

b späte Prophase Nucleolus

c Metaphase Kernhülle Spindelfasern

Centriol Chromatin

Chromosomen d frühe Anaphase

e späte Anaphase

f Telophase

Cytokinese

15.2 Ablauf der Mitose. Aus einer diploiden Elternzelle bilden sich zwei jeweils diploide Tochterzellen. a) In der beginnenden Prophase sind das Chromatin und der Nucleolus noch zu erkennen. b) In der späten Prophase werden die Chromatinfäden verdichtet, und die Einzelstränge (Chromatiden) und die Chromosomen bilden sich. Der Nucleolus verschwindet. Die Kernmembran wird abgebaut und die beiden geteilten Centriolen wandern zu entgegengesetzten Positionen. Die Chromatiden haben sich bereits verdoppelt. c) In der Metaphase sind die Chromosomen und der Spindelapparat gut zu erkennen. d) In der frühen Anaphase verkürzen sich die Spindelfasern, und die Chromosomen wandern auseinander. e) In der späten Anaphase sind die Chromosomen fast an den Polen angekommen, und die Einschnürung der Zellmembran beginnt. f) In der Telophase haben sich die Chromosomen auf die entstehenden Tochterzellen verteilt, und Kernmembran und Nucleolus bilden sich wieder. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

das Centromer. Am sogenannten Kinetochor, das sich am Centromer befindet, setzen später die Mikrotubuli der Kernspindel an, um die Chromatiden auseinander zu ziehen. In dieser Phase teilen sich im Cytoplasma auch die Centriolen und wandern zu den entgegengesetzten Teilungspolen der Zelle. Die Centriolen werden auch als Mikrotubuliorganisationszentren bezeichnet, da sich aus ihnen die Fasern der Kernspindel bilden. Jetzt wird auch die Membran des Zellkerns aufgelöst und verschwindet. Die nächste Phase der Mitose wird als Metaphase bezeichnet. Die vollständig kondensierten Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene der Zelle an, und die Spindelfasern wachsen von den Centriolen zu den Centromeren aus. In diesem Stadium lassen sich die Chromosomen besonders gut beobachten. Zu diagnostischen Zwecken wird der Spindelapparat in diesem Stadium durch Zugabe von Hemmstoffen des Cytoskeletts (Colchicin oder Colchemid) irreversibel fixiert, und die Chromosomen werden mit speziellen Farbstoffen gefärbt. In der Anaphase verkürzen sich die Spindelfasern. Die Chromatiden werden voneinander getrennt und in entgegengesetzter Richtung zu den beiden Polen gezogen. In der Telophase sind die Chromatiden nun in den entstehenden Tochterzellen angekommen und bilden den diploiden Chromosomensatz dieser Zellen. Die Chromosomenstruktur löst sich langsam wie-

375

376

15. Humangenetik

der auf, und Kernmembran und Nucleolus bilden sich. Damit ist die eigentliche Mitose beendet. In der anschließenden Cytokinese trennen sich die beiden Tochterzellen vollständig. Dazu schnürt ein kontraktiler Ring aus Actinfilamenten die Zellmembran der ursprünglichen Zelle in der Äquatorialebene ein. Nach Heranwachsen auf die doppelte Größe und Verdopplung der DNA können die Zellen anschließend sofort eine neue Mitose durchlaufen, was besonders in der Embryonalphase und dem Stadium des stärksten Wachstums der Fall ist. Später, im erwachsenen Organismus, verlieren die ausdifferenzierten Somazellen ihre Teilungsfähigkeit. In diesem Stadium erfolgen Ersatz und Neubildung von Somazellen ausgehend von sogenannten Blastemen. Dies sind Gruppen von undifferenzierten Stammzellen mit einer hohen mitotischen Teilungsfähigkeit. Bekanntes Beispiel solcher Vorgänge sind die pluripotenten Stammzellen des Knochenmarks, aus denen über verschiedene Teilungs- und Entwicklungsschritte alle Zellen des Blutes entstehen.

Meiose

ä

Da bei der meiotischen Teilung aus einer Ausgangszelle mit diploidem Chromosomensatz vier Keimzellen mit je einem haploiden Chromosomensatz entstehen, wird dieser Ablauf auch als Reduktionsteilung bezeichnet. Durch diese Reduktion des Chromosomensatzes der Keimbahnzellen wird verhindert, dass sich der Chromosomensatz bei der Vereinigung der Gameten (Syngamie) von Generation zu Generation verdoppelt. Die Meiose läuft in zwei Schritten ab, die als Meiose I und Meiose II bezeichnet werden (䉴 Abb. 15.3). Die Meiose I ist die eigentliche Reduktionsteilung. In ihr wird der diploide auf den haploiden Chromosomensatz reduziert. In der Prophase paaren sich die homologen Chromosomen, sodass in der Metaphase vier Chromatiden (d. h. zwei Chromosomen mit ihren jeweiligen Chromatiden) in einer sogenannten Tetrade eng zusammen liegen. Anschließend trennen sich die homologen Chromosomen; in der unmittelbar darauf folgenden Meiose II werden dann die Chromatiden getrennt. Während der Prophase der Meiose I können weitere wichtige Veränderungen der homologen Chromosomen stattfinden. Deshalb wurde die Meiose I in weitere Phasen eingeteilt. Zunächst treten im Leptotän die Chromosomen als dünne Chromatinfäden auf, die bereits aus zwei Chromatiden bestehen. Darauf folgt das Zygotän, in dem es zur dichten, engen Paarung der homologen Chromosomen kommt. Im Pachytän bilden je vier Chromatiden eine Tetrade, die Chromosomen verkürzen sich, und es kann durch Überkreuzung (Chiasma) von homologen Chromatiden zu einem Austausch (Crossing-over) von Nichtschwesterchromatiden kommen. Dadurch wird die genetische Information neu kombiniert (Rekombination). Auf dieses Stadium folgt das Diplotän, in dem die Chromosomen mit der Centromerregion voran wieder auseinDer Körper besteht aus somatischen Zellen ander weichen. Die einzelnen Chromatiden der Tetrade und Keimbahnzellen. Somazellen vervielfasind jetzt wieder deutlich erkennbar, sie bleiben aber an chen sich durch Mitose, in der genetisch den Überkreuzungsstellen (Chiasmata) verbunden. Dieses identische diploide Tochterzellen entstehen. Haploide Keimzellen entstehen durch MeioStadium kann besonders bei Oocyten mehrere Monate se aus Keimbahnzellen. In der Meiose wird dauern. Das Endstadium der Prophase wird Diakinese die Erbinformation durch Crossing-over neu genannt. Dabei kondensieren die Chromosomen weiter, kombiniert. sie verkürzen sich, und die Centromere bewegen sich in

Molekulare Genetik

Meiose I

Meiose II

homologes Chromosomenpaar

elterliche Zelle

Schwesterchromatiden

1

2

haploide Tochterzelle 3

4

15.3 Ablauf der Meiose. In der Meiose wird der Chromosomensatz auf den haploiden Satz reduziert. (1) Sie beginnt mit der diploiden elterlichen Zelle mit einem homologem Chromosomenpaar. (2) Die Chromosomen werden repliziert. (3) In der Meiose I verteilen sich homologe Chromosomen auf zwei haploide Tochterzellen. (4) In der Meiose II verteilen sich die Schwesterchromatiden auf jeweils zwei haploide Tochterzellen. Insgesamt entstehen so vier haploide Keimzellen. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

Richtung der Zellpole. Die Kernmembran löst sich auf, und die Spindelfasern beginnen sich zu entwickeln. Damit ist die Prophase der ersten meiotischen Teilung (Meiose I) abgeschlossen, und es folgen Metaphase I, Anaphase I und Telophase I. Unmittelbar darauf folgt die zweite meiotische Teilung (Meiose II) mit den schon bei der Mitose beschriebenen Phasen, die hier als Metaphase II, Anaphase II und Telophase II bezeichnet werden.

Molekulare Genetik Die molekulare Genetik beschäftigt sich mit dem Aufbau von DNA und RNA sowie mit ihrer Funktion und ihrer Verwendung und den gentechnischen Möglichkeiten.

Struktur der DNA Obwohl bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts eine Fülle von Informationen über die vermutete Erbsubstanz vorlag, war zu dieser Zeit nicht bekannt, dass DNA und RNA etwas mit der Speicherung und Weitergabe genetischer Information zu tun haben.

377

378

15. Humangenetik

a Einzelstrang mit Basenpaarungen

Phosphatrest

Guanin

Thymin

Desoxyribose

Cytosin

Adenin

b Doppelhelixstruktur

Basenpaarung

15.4

ä

Struktur der DNA. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

Erst in den Jahren 1940 bis 1950 gelang Avery und Kollegen der Nachweis, dass die DNA Träger der genetischen Information ist, doch erst die Aufklärung der DNAStruktur durch Watson und Crick (1953) schuf die Grundlage für ein Verständnis der Details und der Mechanismen. Die molekularen Bausteine der Erbsubstanz, die Nucleinsäuren, wurden bereits in Kapitel 2 vorgestellt (䉴 Abb. 2.6). Die DNA bildet einen Doppelstrang (Doppelhelix), dessen beide Einzelstränge zueinander spiegelbildlich und komplementär sind (䉴 Abb. 15.4). Das Rückgrat des Einzelstrangs bildet die Desoxyribose, die durch einen Phosphatrest mit der Desoxyribose des nächsten Nucleotids verbunden ist. Die Nucleotide (䉴 Abb. 2.6), die die Bausteine des DNA-Moleküls sind, unterscheiden sich in den vier Basen. Durch die Aneinanderreihung der Nucleotide ergibt sich ein langes kettenförmiges Molekül, der einzelne DNA-Strang, von dem sich wiederum zwei zu einer Doppelhelix zusammenlagern. Die DNA-Doppelhelix ist schraubenförmig verdrillt, wobei jeweils zehn aufeinanderfolgende Basen einem vollen Umlauf entsprechen. Die Reihenfolge dieser Basen wird als Basensequenz bezeichnet, sie wird laut Konvention beginnend mit dem 5'-Phosphatende zum 3'-Hydroxylende angegeben. Bei der Transkription wird einer der beiden DNA-Stränge Die Grundstruktur der Erbsubstanz ist die DNA. Sie liegt als Doppelhelix vor, von der abgelesen, und seine Sequenz wird in die einzelsträngige jeweils drei Basenpaare (Triplett) eine AmiMessenger-RNA (mRNA) übersetzt. Jeweils drei Basen der nosäure codieren. Die Reihenfolge dieser mRNA (Triplett) codieren eine Aminosäure und bilden in Basen nennt man Sequenz. ihrer Abfolge die Grundlage für den genetischen Code.

Molekulare Genetik

Replikation der DNA Für die Zellteilung muss die Erbsubstanz vor der Mitose verdoppelt werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Replikation, da identische Kopien der DNA-Stränge angefertigt werden. Dabei wird jeweils ein Strang der ursprünglichen DNA durch einen komplementären neu gebildeten DNA-Strang ergänzt. Für die Replikation sind komplizierte enzymatische Vorgänge verantwortlich. Im Folgenden werden nur die grundsätzlichen Vorgänge bei der Replikation behandelt. Im Detail sind sie viel komplizierter, da mehr als 30 einzelne Proteine und Enzyme daran beteiligt sind. Zur Replikation werden die Wasserstoffbrücken zwischen den Einzelsträngen der DNA-Doppelhelix an einer bestimmten Stelle (Replikationsursprung) gelöst. Der Bereich, in dem eine Neusynthese eines komplementären DNA-Stranges stattfindet, wird als Replikationsgabel bezeichnet (䉴 Abb. 15.5). Für den Start ist ein sogenannter Primer notwendig, der durch eine RNA-Polymerase (Primase) synthetisiert wird. Von dem Primer ausgehend werden nun nacheinander Nucleotide in 5'Æ3'-Richtung aneinander gehängt, ein Vorgang, der durch das Enzym DNAPolymerase katalysiert wird. Die Polymerase benutzt dabei je einen DNA-Einzelstrang als Matrize, d. h. seine Basensequenz wird abgelesen und komplementär durch die Nucleotide ergänzt. Die beiden Tochterstränge setzen sich also jeweils aus dem ursprünglichen Einzelstrang, der als Matrize abgelesen wurde, und aus dem dazu komplementär neu gebildeten Einzelstrang zusammen. Dieses Prinzip nennt man semikonservative Replikation. Mehrere Enzyme sind an der Replikation beteiligt. In der Replikationsgabel werden die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen durch eine Helicase gelöst. Die Primase synthetisiert einen Primer, von dem ausgehend die DNA-Polymerase zur Matrize

3

Folgestrang

5 Leitstrang

3 5

OkazakiFragment Primer

Polymerase Primase Polymerase

Helicase

5

3

15.5 Replikation. In der Replikationsgabel werden die DNA-Einzelstränge durch Helicasen voneinander getrennt. Der Leitstrang wird durch die Polymerase kontinuierlich in 5’Æ3’-Richtung synthetisiert. Der Folgestrang wird diskontinuierlich synthetisiert. Dazu bildet die Primase in bestimmten Abständen RNA-Primer, die von der Polymerase als Startpunkt für die Synthese von Okazaki-Fragmenten in 5’Æ3’Richtung verwendet werden. Eine DNA-Ligase fügt anschließend die Einzelstücke zusammen (nicht dargestellt). (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

379

380

ä

15. Humangenetik

komplementäre Nucleotide aneinander fügt. Dieses Enzym kann eine Neusynthese allerdings nur in 5'Æ3'-Richtung durchführen. Für den einen Matrizenstrang ergibt sich daher eine kontinuierliche Synthese des sogenannten Leitstranges in Richtung der wandernden Replikationsgabel (䉴 Abb. 15.5). Für den anderen Matrizenstrang verläuft die Synthese jedoch in Richtung von der wandernden Replikationsgabel weg, sodass fortwährend neue RNA-Primer synthetisiert werden müssen, die als Ausgangspunkte für die Synthese von Okazaki-Fragmenten dienen, welche später durch eine Ligase zusammengefügt werden. Die Replikation dieses Folgestranges ist daher diskontinuierlich. Die Replikation eines eukaryotischen Chromosoms erfolgt in der SPhase des Zellzyklus. Sie beginnt an bestimmten Stellen, die als Replikationsursprünge bezeichnet werden und die im eukaryotischen Chromosom, im Gegensatz zum prokaryotischen Chromosom, mehrfach vorhanden sind. Von diesen Replikationsursprüngen geht die Replikation bidirektional aus. Eventuelle Schleifen der Superhelixstruktur in der DNA werden durch Einzelstrangbrüche gelöst, aufgedrillt und nach der Replikation durch Topoisomerasen wieder geschlossen. Fehlerhaft replizierte DNA-Abschnitte können durch spezielle Reparaturmechanismen korrigiert werden. Spezifische Strukturen, die Telomere, befinden sich an den Chromosomenenden und schützen die Chromosomen vor enzymatischem Die DNA wird bei der Replikation verdopAbbau. Sie bestehen aus sich wiederholenden Sequenzen, pelt und auf die Tochterzellen verteilt. die nur durch ein spezielles Enzym, die Telomerase, repliDazu bildet sie eine Replikationsgabel, in ziert werden können. Mit zunehmendem Alter der Zelle der sich die Einzelstränge unter Enzymeinwirkung voneinander lösen und jeweils ein werden die Telomere kürzer, deshalb wird ihnen auch eine komlementärer Strang neu synthetisiert potentielle Bedeutung bei der Begrenzung der Lebenswird. spanne von Organismen zugeschrieben.

Transkription Bei der Transkription wird die genetische Information eines der beiden DNA-Stränge (codogener Strang) in RNA übertragen. Dafür wird die Sequenz des anderen DNAStranges (Matrizenstrang) genutzt. Die dabei gebildete Messenger-RNA (mRNA) ist einzelsträngig und komplementär zum DNA-Matrizenstrang. Anstatt der Base Thymin (T) wird jedoch in der mRNA die Base Uracil (U) verwendet. Die Übertragung der genetischen Information von DNA in RNA wird von RNA-Polymerasen katalysiert, die wie die DNA-Polymerase in 5'Æ3'-Richtung synthetisieren. Menschliche Gene sind wie die meisten eukaryotischen Gene in funktionelle (codierende) Abschnitte unterteilt, die man Exons nennt (䉴 Abb. 15.6). Dazwischen liegen die nichtcodierenden Bereiche (Introns). Bei der Transkription entsteht zunächst eine Prä-mRNA entsteht, die sowohl Exons als auch Introns enthält. In weiteren enzymatischen Schritten wird diese Prä-mRNA zu einer sekundären mRNA verarbeitet (RNA-Prozessierung). Dabei werden die Introns durch Spleißen entfernt und die sehr fragile mRNA an beiden Enden modifiziert. Dazu wird am 5'-Ende eine Cap-Struktur angehängt und am 3'-Ende der sogenannte Poly(A)-Schwanz, eine Sequenz aus Adeninnucleotiden. Die Cap-Struktur ist wichtig, damit die mRNA den Zellkern durch die Kernporen verlassen kann (䉴 Abb. 2.10). Sie dient außerdem als

Molekulare Genetik

DNA

Exon 3

Exon 2

Leader Exon 1 Intron 1

381

Trailer

Intron 2

Transkription primäre mRNA Spleißen mRNA

-A-A-A-A-A-A-A

Cap Translation

Poly(A)

Protein 15.6 RNA-Prozessierung. Aus dem DNA-Strang wird durch Transkription zunächst eine PräMessenger-RNA (Prä-mRNA) gebildet. Sie enthält die codierenden Bereiche (Exon 1–3) des Gens, das mit einem Leader beginnt und mit einem Trailer endet. Im Gen liegen die nichtcodierenden Bereiche (Introns), hier Intron 1 und Intron 2. Die Prä-mRNA wird prozessiert. Dabei werden die Introns entfernt (Spleißen) und am 5’-Ende eine Cap-Struktur und am 3’-Ende ein Poly(A)-Schwanz angefügt. Nachdem die reife mRNA aus dem Kern in das Cytoplasma gewandert ist, beginnt mit der Translation die Proteinsynthese. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

wichtige Initiationssequenz für den Beginn der Proteinsynthese (Translation) an den Ribosomen. Dieser Vorgang Bei der Transkription werden die Gene auf der doppelsträngigen DNA in mRNA transkriwird in Kapitel 2 beschrieben. Durch den Vorgang des Splei- biert. Das Primärtranskript enthält Exons und ßens werden nicht nur die Introns herausgeschnitten, so- Introns und wird zunächst prozessiert. Die dass die Exons in der ursprünglichen Reihenfolge bestehen Introns werden durch verschiedene Spleißmeherausgeschnitten, an das 5’-Ende bleiben, sondern es können auch Exons zusammengefügt chanismen wird eine Cap-Struktur gehängt und an das werden, die in einem Gen nicht direkt aufeinander folgen, 3’-Ende ein Poly(A)-Schwanz. oder es werden Exons miteinander verknüpft, die von verschiedenen Genen oder Chromosomen transkribiert werden, sodass sich unterschiedliche Produkte ergeben (alternatives oder differenzielles Spleißen).

Genetischer Code Der genetische Code entsteht durch Dreierkombinationen aus Basen der DNA (Tripletts). Jedes Triplett (auch Codon genannt) codiert eine der 20 Aminosäuren, die in Proteinen vorkommen. Da es in der DNA vier Basen gibt, stünden kombinatorisch maximal 64 Möglichkeiten zur Verfügung, die aber nicht alle genutzt werden – manche Aminosäuren werden von mehreren Tripletts codiert. Insgesamt werden 61 Aminosäurecodons verwendet. Bestimmte Basenkombinationen (UAA, UAG und UGA) codieren keine Aminosäuren, sondern dienen als Stoppcodon für die Translation. Als Startcodon fungiert die Kombination AUG, die die Aminosäure Methionin codiert. Die genetische Information wird beginnend mit dem Startcodon fortlaufend in Dreierschritten abgelesen. Wurde eine Base durch Mutation entfernt oder beschädigt,

ä

382

15. Humangenetik

so kann sich das Leseraster mit möglicherweise schwerwiegenden Konsequenzen verschieben. Da einige Codons dieselbe Aminosäure codieren, bezeichnet man den genetischen Code auch als degeneriert. Der Code wird nahezu universell bei allen Organismen (Tieren und Pflanzen) verwendet.

Genregulation Während prokaryotische Gene in Operons (Gruppen von eng benachbarten, proteincodierenden sog. Strukturgenen, die von einer einzelnen regulatorischen Region kontrolliert werden und eine Transkriptionseinheit bilden) organisiert sind, besitzen Eukaryoten vorwiegend Einzelgene. Die Regulation eukaryotischer Gene findet auf verschiedenen Ebenen statt, wie der Organisation des Chromatins (Heterochromatin/Euchromatin), der Initiation der Transkription, der mRNA-Stabilität, der Translation und der Proteinstabilität, um nur einige zu nennen. Epigenetische Prozesse (Vorgänge, die nicht von der primären Basensequenz abhängen) verändern die Chromatinstruktur über aktivierend oder inaktivierend wirkende Modifikationen der Histone wie Acetylierung und Methylierung. Dadurch wird die Zugänglichkeit der DNA für Transkriptionfaktoren (regulatorische Proteine, die an den Promotor binden und den Transkriptionskomplex bilden) beeinflusst. Die Regulation auf der Ebene der Transkriptionsinitiation findet u. a. durch die Aktivität verschiedener RNA-Polymerasen statt, die an unterschiedliche Promotoren binden. Für die gleichzeitige Regulation von mehreren Genen gibt es in den entsprechenden Genen gemeinsame Kontrollelemente, wobei die Kombination dieser Elemente und Faktoren die Transkriptionsrate bestimmt. Dabei binden allgemeine Transkriptionsfaktoren an Sequenzen, die bei allen Genen vorkommen, und sind für jede Transkription wichtig; spezifische Transkriptionsfaktoren kommen nur in bestimmten Zellen vor und regulieren nur bestimmte Gene. Response-Elemente liegen direkt stromaufwärts vom Promotor und binden regulatorische Proteine. Enhancer sind positiv regulatorische Sequenzen, die weiter stromaufwärts vom Promotor entfernt (teilweise aber auch im Gen und auch dahinter) liegen und an die Aktivatorproteine binden; Silencer sind negativ regulatorische Sequenzen, die weiter stromaufwärts vom Promotor entfernt liegen und an die Repressorproteine binden. Eine weitere Möglichkeit der Regulation ist der Abbau der mRNA im Cytosol. Nicht alle mRNAs haben die gleiche Stabilität. Spezifische AU-reiche Nucleotidsequenzen in einigen mRNAs markieren diese für einen schnellen Abbau durch einen Ribonucleasekomplex. Die Translation kann durch Repressoren beeinflusst werden, die an die mRNA binden und die Anheftung der Ribosomen verhindern; Aktivatoren heben die Blockierung der Translationsinitiation dagegen auf. Auch der Abbau von Proteinen ist ein Element der Regulation in Eukaryoten. Häufig wird ein Protein namens Ubiquitin mit dem Protein verknüpft, das für den Abbau vorgesehen ist. Der Protein-Ubiquitin-Komplex bindet dann an einen großen Komplex aus mehreren Polypeptiden, das Proteasom, der das Protein spaltet (z. B. die Regulation der Konzentration an Cyclinen.) Von dem DNA-Gehalt der Zellen lässt sich nicht auf die Größe des eigentlichen Genoms schließen. Vielfach haben in der zoologischen Systematik niedriger stehende Organismen einen höheren DNA-Gehalt pro Zellkern als höher eingruppierte Orga-

Molekulare Genetik

383

nismen. Dies scheint auf das Vorliegen von sich vielfach wiederholenden Gensequenzen (repetitive Sequenzen) zurückzuführen zu sein, deren Bedeutung bisher nicht näher bekannt ist. Im Jahr 2003 wurde die nahezu vollständige Sequenzierung des menschlichen Genoms abgeschlossen. Es enthält vermutlich ca. 25 000–30 000 Gene mit etwa 3 Mrd. Basenpaaren. Im Vergleich zur Pflanze Arabidopsis (ca. 25 000 Gene) oder zur Taufliege (ca. 13 000 Die Genregulation erfolgt bei Eukaryoten auf Gene) erscheint dies relativ wenig und spricht für die Mul- verschiedenen Ebenen wie der Organisation des Chromatins, der Initiation der Transkriptifunktionalität von Genen. Dies zeigen auch die Genom- tion, der mRNA-Stabilität, der Translation größen von weiteren Modellorganismen wie Maus und und der Proteinstabilität. Zebra-Fisch. Ein Vergleich von Gensequenzen bietet jetzt Aufschluss über die Abläufe der tierischen und menschlichen Entwicklung (䉴 Kap. 1) und ermöglicht so die Aufklärung von Verwandtschaftsverhältnissen. Außerdem hat man beim Menschen bisher schon etwa 1 000 Gene identifiziert, die bei Aktivierung oder Repression zu teilweise lebensbedrohlichen Erkrankungen führen. So konnten die genetischen Ursachen verschiedener Krankheiten eindeutig nachgewiesen werden.

ä

Transposons Ungefähr 45 % des menschlichen Genoms bestehen aus transponierbaren Elementen, d. h. aus DNA-Abschnitten, die ihren Ort im Genom verändern und sich an einer anderen Stelle, auch mitten in ein vorhandenes Gen, einbauen können. Solche Elemente bezeichnet man als Transposons (springende Gene), und sie kommen nicht nur im Menschen, sondern auch in anderen Organismen vor. In eukaryotischen Zellen gibt es zwei Arten von Transposons. Retrotransposons arbeiten nach dem copy and paste-Prinzip, d. h. sie erzeugen eine RNA-Kopie ihrer Sequenz, die revers in DNA transkribiert und an anderer Stelle in das Genom integriert wird. Das ursprüngliche Transposon bleibt dabei an seiner Stelle erhalten. DNA-Transposons benötigen dagegen keine RNA-Kopie, sondern werden ausgeschnitten und wandern nach dem cut and paste-Prinzip an eine andere Stelle im Genom, das dadurch in seiner ursprünglichen Länge erhalten bleibt (䉴 Abb. 15.7). Dies wird als nichtreplikativ bezeichnet. In seltenen Fällen wird auch replikativ transponiert, sodass die ursprüngliche Stelle erhalten bleibt. Es war ursprünglich umstritten, ob Transposons nur Abfall (junk-DNA) darstellen, ob sie intrazelluläre Parasiten Gene können ihren Ort im Genom verändern. „springenden Gene“ bezeichnet man sind, die sich selbst replizieren, oder ob ihnen eine wichtige Solche als Transposons. Sie spielen eine wichtige übergreifende genetische Funktion zukommt. Lagern sie Rolle bei genetischen Innovationen. sich nämlich in ein vorhandenes Gen ein (䉴 Abb. 15.7), so wird dieses funktionsunfähig oder mutiert. Auf diese Weise entstanden einige Erbkrankheiten des Menschen, z. B. die Bluterkrankheit oder auch Muskeldystrophien. Neuere Forschungen zeigen, dass Transposons durchaus auch wichtige Funktionen haben; so stammen wahrscheinlich die Immunglobuline von ihnen ab. Heutzutage spricht man Transposons auch eine wichtige Rolle als kreative Faktoren bei genetischen Innovationen zu.

ä

384

15. Humangenetik

DNA

Transposasegen umgekehrte Wiederholung

umgekehrte Wiederholung

proteincodierendes Gen

DNA

Transposase

unterbrochenes Gen

unterbrochenes Gen

DNA

Transposasegen

15.7 Funktion eines DNA-Transposons. Das Transposasegen katalysiert die DNA-Bewegung. Die Transposase bildet eine Schleife und bewegt die DNA an eine neue Stelle im Genom. Das Transposon kann sich in ein Gen einbauen und es unterbrechen. Dies führt zu einer funktionslosen RNA. Der Transpositionsvorgang wird durch eine umgekehrte Sequenzwiederholung unterstützt, die sich am Ende aller DNA-Transposons befindet. (Verändert nach Purves et al. 2006.)

Entstehung von Mutationen Wenn sich die genetische Information (Basensequenz) spontan verändert oder durch äußere Einwirkung (z. B. Strahlung, UV-Licht) und durch experimentelle Verfahren künstlich manipuliert wird, so spricht man von einer Mutation. Je nach Umfang dieser Veränderung kann diese folgenlos bleiben oder auch schwere Fehlfunktionen verursachen. Es gibt verschiedene Arten von Mutationen. Die einfachste ist die Punktmutation, bei der nur eine Base vertauscht wird. Findet der Austausch innerhalb einer Klasse von Basen statt, z. B. eine Purinbase wird durch eine andere Purinbase ersetzt, so spricht man von einer Transition. Wird eine Purinbase durch eine Pyrimidinbase ersetzt oder umgekehrt, so bezeichnet man dies als Transversion. Bei einer NonsenseMutation bricht die Proteinsynthese durch ein fälschlicherweise eingebautes Stoppcodon vorzeitig ab. Bei einer Missense-Mutation wird eine falsche Aminosäure in das Protein eingebaut, was meist zu einer fehlerhaften Funktion des Proteins führt. Bei einer Deletion werden Basenpaare aus der DNA-Sequenz entfernt, bei einer Insertion zusätzlich eingeführt. Dies führt zu einer Verschiebung des Leserasters, sodass fehlerhafte und funktionsunfähige Proteine synthetisiert werden. Bei einer Nullmutation wird die Aktivität eines bestimmten Gens völlig gehemmt. Um transgene Tiere für die Forschung zu erzeugen, werden solche Nullmutationen in Knockout-Experimenten künstlich verursacht. Hierbei werden fremde Gene in das Genom eingefügt, um vorhandene Gene auszuschalten. Konditional letale Mutationen werden nur unter einer bestimmten äußeren Bedingung z. B. einer veränderten Temperatur wirksam und führen dann zum Zelltod. Stumme Mutationen schließlich sind Änderungen der dritten Base eines Tripletts und haben meist keine Auswirkungen auf die Proteinsynthese.

Molekulare Genetik

385

Epigenetik Als genetische Veränderungen der Erbsubstanz bezeichnet man molekulare Veränderungen der DNA-Sequenz durch Mutationen, also z. B. Basenverluste. Bei epigenetischen Veränderungen bleibt die DNA-Sequenz dagegen unverändert, die Genaktivität wird aber dadurch beeinflusst, dass Chromosomenabschnitte oder auch ganze Chromosomen durch Methylierung der DNA oder der Histone blockiert und damit inaktiviert werden. Solche epigenetischen Veränderungen werden im Verlauf der Entwicklung eines Individuums durch klonale Aufrechterhaltung auch bei den mitotischen Zellteilungen weitergegeben und wirken sich auf den gesamten Organismus aus. Man spricht deshalb auch von Mutationen verändern die Basensequenz der epigenetischer Prägung. Bei der Keimzellbildung durch die DNA. Dadurch können Genprodukte funkwerden oder auch krankhafte VerMeiose wird diese Prägung jedoch nicht aufrechterhalten, tionslos änderungen auslösen. Bei epigenetischen sie wird also nicht an die nächste Generation weitergegeben. Veränderungen bleibt die DNA dagegen Dieser Sachverhalt ist allerdings noch umstritten, da es unverändert, die Genaktivität wird aber einige anders lautende Beispiele gibt. Die Prägung ist aller- durch Beeinflussung von ganzen Chromosomenabschnitten modifiziert. Die Modifikatiodings nicht mit dem „Baldwin-Effekt“ zu verwechseln, der nen werden aber nicht an die nächste Geneeine genetische Kanalisierung von den Prägungen für die ration weitergegeben. nächste Generation beschreibt. Dabei handelt es sich um kurzfristige epigenetische Veränderungen, die durch anschließend erfolgte Mutationen stabilisiert wurden und sich so in weiteren Generationen evolutionär auswirken konnten.

Chromosomenstörungen Chromosomenstörungen werden auch als Chromosomenaberationen bezeichnet. Sie umfassen Abweichungen von der normalen Chromosomenzahl (Aneuplodie), Veränderungen in der Chromosomenstruktur oder auch der Chromosomenanordnung. Es können alle Chromosomen betroffen sein. Chromosomenstörungen resultieren immer in schweren Erkrankungen, da die Genexpression gestört ist. Oft kommt es dadurch in der Schwangerschaft schon zu Fehl- oder Frühgeburten. Es können aber auch Missbildungen von Organen, geistige Retardierung, Krebsentstehung oder Infertilität resultieren. Chromosomenstörungen resultieren meist aus Fehlern in der Zellteilung, die sich schon bei der Entwicklung der Keimzellen auswirken können. So können sich Genabschnitte eines bestimmten Chromosoms auf andere Chromosomen verlagern (Translokation), ganze Chromosomen fehlen (Deletion) oder zusätzliche Chromosomen auftreten (Addition). Der häufigste Mechanismus, der zu solchen Störungen führt, ist die Nondisjunction, bei der sich in der Meiose die homologen Chromosomen nicht trennen und dadurch aneuploide Keimzellen mit 24 oder nur 22 Chromosomen entstehen. Nach einer Befruchtung entsteht dann entweder eine Zygote mit Trisomie oder mit einer Monosomie. Das Risiko einer Chromosomenstörung wächst mit dem Alter der Schwangeren, während sich das väterliche Alter nicht auswirkt. Folgende Chromosomenstörungen treten häufig auf: Beim Down-Syndrom (Trisomie 21) ist das Chromosom 21 dreifach statt zweifach vorhanden. Typische Symp-

ä

386

ä

15. Humangenetik

tome sind geistige Retardierung und Fehlbildungen von Organen, die sich auch in einer typischen Gesichtsform zeigt. Männliche Patienten sind meist unfruchtbar. Eine Trisomie des Chromosoms 18 wird als Edwards-Syndrom bezeichnet. Neugeborene mit diesem Syndrom sind untergewichtig und weisen schwere Fehlbildungen von Herz und Darm auf. Das Klinefelter-Reifenstein-Syndrom betrifft nur Männer, die ein zweites X-Chromosom besitzen. Es resultiert in Unfruchtbarkeit und Sprachschwierigkeiten, wird oft aber zeitlebens nicht diagnostiziert. Beim Patau-Syndrom ist das Chromosom 13 dreifach vorhanden (Trisomie 13). Es führt zu gravierenden Fehlbildungen von Gehirn, Augen aber auch Herz und Nieren. Bei einer Triploidie sind nicht einzelne Chromosomen, sondern der ganze Chromosomensatz, einschließlich der Geschlechtschromosomen dreifach vorhanden. Dadurch resultieren schon während der Schwangerschaft schwere Fehlbildungen, z. B. Defekte im Neuralrohr (Spina bifida), und die Kinder sterben oft schon im Mutterleib. Chromosomenstörungen können schon während der Schwangerschaft durch eine invasive pränatale Diagnostik festgestellt werden. Dazu wird das Fruchtwasser untersucht (Amniozentese) Chromosomenstörungen führen meist zu schweren Erbkrankheiten (Missbildungen) oder eine Chorionzottenbiopsie durchgeführt. Chromooder sogar zu Fehl- oder Frühgeburten. Es somenstörungen können nicht korrigiert, sondern nur in kann die Anzahl der Chromosomen oder ihren Auswirkungen später operativ, medikamentös oder ihre Struktur verändert sein. durch spezielle Psychotherapien gelindert werden.

Genetische Ursachen der Krebsentstehung Die Entstehung von Tumoren basiert auf genetischen Defekten, die zu einer Entartung von Zellen führen. Solche fehlentwickelten Zellen werden normalerweise durch programmierten Zelltod (Apoptose) beseitigt. Geschieht dies nicht, so stellt die Proliferation dieser Zellen ein hohes Risiko für den gesamten Organismus dar. Krebs entsteht durch Interaktion mehrerer genetischer Mechanismen. Dabei spielen drei Gengruppen eine Rolle, die mutiert sein können. Onkogene fördern die Zellproliferation und sind im normalen Zustand als nichtmutierte Protoonkogene für eine normale Zellfunktion aktiv. Tumorsuppressorgene hemmen normalerweise die Zellproliferation. Dafür müssen beide Allele aktiv sein. Ist dies durch Mutation gestört, so teilen sich die Zellen ungehemmt. Mutatorgene kontrollieren und erhalten die gesamte Genomstruktur und Genomfunktion als übergeordnete Regulatoren. Fallen sie aus, können Mutationen in den anderen beiden Gengruppen leichter entstehen. Die Entstehung einzelner Krebstypen und ihre Auswirkungen auf den menschlichen Körper werden im Detail im nächsten Kapitel besprochen.

Reverse Transkription und Retroviren Durch den Vorgang der reversen Transkription kann Information von einem RNAGenom eines Retrovirus in DNA transkribiert und diese dann in die DNA der Wirtszelle eingebaut werden. Im Gegensatz zu der in eukaryotischen Zellen üblichen Tran-

Molekulare Genetik

387

skriptionsrichtung von der DNA zur RNA ist bei der reversen Transkription die Richtung der Informationsübertragung umgekehrt. Dies ist nur durch ein spezielles Enzym möglich, das von den Entdeckern Baltimore und Temin (Nobelpreis 1975) Reverse Transkriptase genannt wurde. Es spielt eine wesentliche Rolle im Zellgeschehen, da durch seine Wirkung nicht nur virale Erbinformation in das eukaryotische Genom eingebaut werden kann, sondern auch ursprünglich abgeschaltete tumorauslösende Gene (Onkogene) der Zelle aktiviert werden können. Deshalb ist dieses Enzym auch für die Krebsentstehung von Bedeutung (䉴 Kap. 16). Die ursprünglich an Retroviren erfolgte Aufklärung dieses Vorgangs zeigt, dass die Reverse Transkriptase von dem viralen RNA-Genom zunächst eine einzelsträngige DNA-Kopie herstellt und dann die Synthese des komplementären DNA-Plusstranges katalysiert. Das resultierende doppelsträngige DNA-Stück wird in das Genom der Wirtszelle eingebaut und damit zur Synthese von viralen Proteinen benutzt (䉴 Abb. 15.8). Teilen sich diese Zellen, resultieren infizierte Tochterzellen. Bekanntestes Beispiel solcher Retroviren ist HIV (human immunodeficiency virus), das AIDS hervorruft. Es befällt die T-Lymphocyten und führt nach einer initialen, oft mehrere Jahre dauernden reverse Transkription kann als RNA Ruhephase zu einer sich ausbreitenden Immunschwäche. Durch vorliegendes fremdes Genmaterial in DNA Bei Affen tritt ein HIV-ähnliches Virus, das SIV (simian transkribiert und in das Genom integriert immunodeficiency virus) auf, das als Vorläufer des HIV gilt. werden. Solcher Mechanismen bedienen sich Im Gegensatz zur Humanmedizin, in der HIV erst seit ca. Retrovieren wie HIV. Heutzutage macht sich aber auch die Gentechnologie diesen Mecha1982 eine Rolle spielt, sind Retroviren in der Tiermedizin nismus zunutze. seit vielen Jahren als Krankheitsauslöser bekannt. HIV

Translation

5. Knospung virales Protein

1. Fusion

Wirtszelle

Virus-RNA Reverse Transkriptase

2. reverse Transkription

4. Transkription

DNA der Wirtszelle

3. Integration

Provirus

15.8

virale DNA

Infektionszyklus von Retroviren. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

ä

388

15. Humangenetik

Gentechnologie Die Entdeckung der Reversen Transkriptase und anderer Enzyme, die ein Genom gezielt an bestimmten Stellen schneiden können wie Restriktionsenzyme, haben die Wissenschaftsdisziplin der molekularen Genetik erst möglich gemacht. Sie hat sich aus ihren Anfängen in der experimentellen Grundlagenforschung inzwischen zu einer Disziplin entwickelt, die mit automatisierten Techniken industrieähnliche Analyseund Produktionsverfahren einsetzt. Neben der Analyse und Isolation von bestimmten Genen stellt die Gentechnologie Genkombinationen her, die in dieser Form in natürlichen Organismen nicht vorkommen. Man bezeichnet diese Neukombination als rekombinante DNA.

Klonierung von Genen Gene können mithilfe von Plasmiden kloniert werden. Diese meist künstlichen ringförmigen DNA-Moleküle leiten sich von natürlich vorkommenden Plasmiden aus Bakterien ab und dienen als Träger und selbstständig funktionierende Vermehrungseinheiten für das zu klonierende Gen. Für das experimentelle Arbeiten mit solchen Plasmiden sind Enzyme hilfreich, welche die DNA an bestimmten Stellen spalten (Restriktionsenzyme) oder auch wieder zusammenfügen (Ligasen) können. Diese Enzyme wurden ursprünglich aus Bakterien isoliert. Die Plasmide können in Zellen eingeschleust werden (Transformation) und verhalten sich als selbstständige genetische Einheiten, die sich in den entsprechenden Zellen vermehren und an Tochterzellen weitervererbt werden. Auch können sie mit den integrierten Fremdsequenzen in eukaryotische Zellen übertragen werden (Transfektion). Alle diese Verfahren beinhalten neben der Rekombination einer Gensequenz auch deren Vermehrung. Über solche gentechnischen Verfahren wird heutzutage von Bakterien in großen Fermentern z. B. menschliches Insulin hergestellt und damit die bisherige Verwendung von Rinder- oder Schweineinsulin mit den damit verbundenen Risiken vermieden.

Polymerasekettenreaktion Mit der Polymerasekettenreaktion (PCR) lassen sich einzelne DNA-Fragmente innerhalb weniger Stunden zu Millionen identischen Kopien vervielfachen. Deshalb ist die PCR eine der wichtigsten Techniken der molekularen Genetik. Innerhalb von wenigen Jahren wurde sie zum führenden diagnostischen Verfahren für die Erkennung von Erkrankungen wie AIDS und Hepatitis. Die PCR funktioniert nach einem relativ einfachen Verfahren. Die DNA, die das zu kopierende DNA-Fragment enthält, befindet sich in einem Reaktionsgemisch aus zwei speziell konstruierten Primern (kurze einzelsträngige DNA-Sequenzen), deren Bindungsstellen auf der DNA das DNA-Fragment flankieren, DNA-Polymerase und Nucleotiden. Das Reaktionsgemisch wird erwärmt, wodurch sich die beiden DNA-Stränge trennen (denaturieren). Anschließend wird die Temperatur gesenkt und jeder der beiden Primer lagert sich spezifisch an die entsprechende Sequenz auf einem Einzelstrang, die das zu vermehrende Fragment flankiert. Die Temperatur wird auf die für die Polymerase optimale Temperatur erhöht, und das Enzym beginnt, ausgehend von den freien 3'-Enden der

Molekulare Genetik

389

Primer, den jeweils komplementären Strang zu synthetisieren, bis die Temperatur wieder erhöht wird und die DNA- Mithilfe der Polymerasekettenreaktion (PCR) Genfragmente spezifisch vervielfacht Stränge erneut denaturieren oder das Ende des DNA-Stran- können werden. Diese Technik wird in der Medizin ges erreicht ist. Der Zyklus aus Denaturierung, Anlagerung zur molekularen Diagnostik von Krankheiten und Synthese beginnt erneut. Da jedes Produkt wieder als eingesetzt. Matrize dienen kann, erhöht sich die Zahl der Produkte exponentiell und nach ca. 30–40 Zyklen sind Millionen von Kopien des betreffenden DNA-Fragments entstanden.

Genomanalyse und Genbanken Die Gene einzelner Organismen, auch des Menschen, werden inzwischen in Genbanken (molekularen Bibliotheken) archiviert. Es gibt Banken, die das gesamte Genom eines Organismus archivieren (genomische Bank), oder solche, die die transkribierten Gene enthalten (cDNA-Bank). Alle diese Banken bestehen aus Viren oder Wirtszellen, in denen die klonierten DNA-Fragmente in Vektoren enthalten sind, die vielfach unmittelbar zur Expression des Genes benutzt werden können (Expressionsbank). Genomische Banken sind in der Regel so angelegt, dass sich die DNA-Fragmente einzelner Vektoren überlappen und somit die gesamte Information eines Gens oder gar eines Genoms abgebildet wird. So ist seit 2003 auch das menschliche Genom sequenziert und in einer solchen Bank archiviert.

Genetische Modifikation von Organismen Die Erzeugung transgener Pflanzen und Tiere steht heutzutage im Mittelpunkt einer heftigen öffentlichen Diskussion. Dabei geht es weniger um Beispiele in der Forschung wie die Herstellung von Knockout-Mäusen, sondern um die Etablierung spezifischer pflanzlicher oder sogar tierischer Linien, die unter Umständen auch für den menschlichen Verzehr vorgesehen sind. Als bewährtes Verfahren zum Gentransfer wird dabei seit vielen Jahren die DNA-Mikroinjektion in die Zellkerne befruchteter Eizellen verwendet. Dadurch können dem Genom zusätzliche DNA-Fragmente mit bestimmten erwünschten Eigenschaften beigefügt werden. Das Verfahren hat den Nachteil, dass die zugefügte DNA-Sequenz zufällig in das Erbgut integriert wird und dieser Vorgang auch oft nicht stattfindet. Zudem können im ungünstigen Fall durch die Integration des DNA-Stücks in einem wichtigen Genabschnitt auch Mutationen ausgelöst werden. Eine weitere Methode zur gezielten Veränderung im Genom ist die homologe Rekombination. Bei dieser Methode wird ein bestimmter DNA-Abschnitt durch ein homologes DNA-Konstrukt ersetzt, das in vitro in die Zelle eingebracht wird. Damit wird künstlich eine Mutation erzeugt, die zum Verlust der Aktivität des ursprünglichen DNA-Abschnittes führt.

Reproduktive und therapeutische Klonierung In der Tierzucht ist es schon seit vielen Jahren möglich, Klone von Lämmern und Kälbern aus kultivierten Zellen herzustellen. Dazu wird die DNA aus dem Zellkern einer Spenderzelle (möglichst aus dem frühen Embryonalstadium) in eine vorher entkernte

ä

390

15. Humangenetik

Dolly (Orginal)

Dolly

Euterzelle

Mikropipette mit Zellkern aus Euterzelle

entkernte Eizelle

Eizellenspender

Eizelle

entfernter Zellkern (wird verworfen)

injizierte Eizelle

Leihmutter

15.9 Klonierung des Schafes Dolly aus einer adulten Zelle. (Verändert nach Clauss und Clauss 2005.)

ä

Zelle übertragen (Nucleustransfer). Die Zelle mit dem transferierten Erbgut entwickelt sich ähnlich wie ein Embryo, der anschließend in ein Empfängertier übertragen wird. Vor einigen Jahren gelang es erstmals, diese Klonierung mit Erbmaterial aus adulten Spenderzellen durchzuführen (Schaf Dolly), ein Vorgang, den man bis dahin für unmöglich gehalten hatte (䉴 Abb. 15.9). Allerdings zeigte die kurze Lebensdauer von Dolly, die zudem bereits in jungen Jahren erhebliche Alterserscheinungen (Rheuma) aufwies, die erhebliche Problematik solcher Klonierungsversuche auf. Heutzutage gibt es in verschiedenen Staaten höchst unterschiedliche Bestimmungen zum experimentellen Klonieren und zur Nutzung embryonaler Stammzellen des Menschen. In Deutschland war die Gewinnung von menschlichen embryonalen Stammzellen für die Forschung auch vor der Änderung des Stammzellengesetzes schon verboten, nicht aber deren Import. Durch das Stammzellengesetz ist in Deutschland die Arbeit mit embryonalen Stammzellen auf wenige bereits vor dem Jahr 2002 etablierte Stammzelllinien beschränkt. Außer dem reproduktiven Klonen des Menschen ist in Deutschland derzeit nach dem Embryonenschutzgesetz auch das therapeutische Klonen zur Erzeugung von bestimmten Geweben oder gar Organen untersagt. Die Forschungsbemühungen zielen heutzutage vielmehr in Richtung der Nutzung von pluripotenten adulten Stammzellen, mit denen Gewebe zum Bioersatz erkrankter Organe erzeugt werden sollen.

Die Erzeugung genetisch veränderter (transgener) Organismen kann durch DNAMikroinjektion in den Zellkern oder mithilfe homologer Rekombination erfolgen. Man unterscheidet therapeutisches und reproduktives Klonen. Da die Verwendung von embryonalen Stammzellen gesetzlich eingeschränkt ist, wird zunehmend an der Nutzung adulter Stammzellen geforscht.

Populationsgenetik

Populationsgenetik Der Mensch lebt als Individuum in einer Population und gibt sein individuelles Genom durch Partnerwahl und Fortpflanzung innerhalb dieser Population weiter. Dabei wird sein Genom aber nicht erhalten, sondern es entwickelt sich innerhalb der Population. Für die Erhaltung einer Art ist also der einzelne Organismus von geringerer Bedeutung, vielmehr sind die Veränderung und der Fluss aller in der Population enthaltenen Allele (Genpool) entscheidend. Mit diesen Eigenschaften der Genentwicklung beschäftigt sich die Populationsgenetik. Ausgehend von den Auswirkungen der Mendel-Gesetze werden hierbei auch die durch Mutation, Selektion und Migration entstandenen Konsequenzen berücksichtigt. Praktische Anwendungen in der Humanmedizin hat die Populationsgenetik durch die Aufklärung der Epidemiologie genetischer Erkrankungen. Die Häufigkeit eines Genotyps in einer Population wird durch das Hardy-Weinberg-Gesetz beschrieben. Es befasst sich mit der Beziehung der Häufigkeit eines Gens (besser seiner Allele) und der homozygoten und heterozygoten Verteilung. Unter der Voraussetzung, dass keine Inzucht oder Auslese stattfindet, bleibt dieses Verhältnis der Genhäufigkeit von Generation zu Generation konstant. Die Panmixie (random mating) bedeutet, dass jedes Individuum dieselbe Chance hat, sich innerhalb einer Population mit jedem anderen Individuum gleicher Fruchtbarkeit zu paaren, ohne dass Mutationen, Genexport oder -import in die Umgebung der Population oder aus ihr erfolgt. Damit bleibt die Gleichgewichtsverteilung der Genotypen konstant. Panmixie findet in natürlicher Population aber meistens nicht statt. Vielmehr wird das Gleichgewicht der Genotypen durch ausgewählte Paarungen (assortativemating) verschoben. Wie schon in Kapitel 14 beschrieben, spielt bei der Partnerwahl auch der Phänotyp (Aussehen) eine Rolle. Weitere Faktoren sind religiöse und soziale Einflüsse in verschiedenen Regionen der Erde oder auch geographische Faktoren. Auch durch Mutation verändert sich der Genpool, was allmählich, zusammen mit Umwelteinflüssenn, zu einer Selektion führen und so die Lebensfähigkeit, Lebensdauer und reproduktive Fitness beeinflussen kann. Bei kleinen Populationen kann durch die limitierte Größe des Pools auch eine zufällige genetische Drift (einzelne Allele verschwinden durch ein zufälliges Ereignis aus der Population) auftreten. Durch den nun kleineren Genpool liegen die vorkommenden Allele mit größerer Wahrscheinlichkeit homozygot vor, sodass sich genetische Erkrankungen häufiger manifestieren. Von einem Gründereffekt spricht man, wenn ein ursprünglich seltenes Allel von einem Gründer ausgehend in den Folgegenerationen verbreitet. Solche Phänomene sind in Einwanderfamilien religiöser Prägung in den USA häufig, in denen durch die limitierte Populationsgröße oft eine Inzucht erfolgte. Schließlich kommen Veränderungen des Genpools durch Vermischung mit anderen Populationen (Migration) zum Tragen. Auf diese Weise hat sich z. B. die ungleiche Verteilung der Blutgruppen in Westeuropa und Asien entwickelt. Über solche Faktoren hat sich also eine genetisch bedingte interindividuelle Variabilität des Menschen entwickelt, die sich in äußerlichen körperlichen Merkmalen wie Körpergröße, Hautpigmentierung und Haarfarbe zeigt, aber auch in Blutgruppenunterschieden, Enzymmerkmalen und Ausprägungen des Immunsystems. Trotzdem gehören alle Menschen biologisch zu einer Art, dem Homo sapiens.

391

392

ä

? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

15. Humangenetik

Für die Erzeugung und Erhaltung solcher genetischer Unterschiede spielt auch die natürliche Selektion durch Adaptation an verschiedene Umweltbedingungen eine wichtige Rolle. Oft wurde durch geographische Bedingungen eine reproduktive Isolation geschaffen. AuswirkunDie Populationsgenetik befasst sich mit der Veränderung und der Weitergabe aller in gen solcher Bedingungen sind wahrscheinlich die Hauteiner Population vorhandenen Allele. Diese pigmentierung aber auch Stoffwechseleigenheiten wie die Allelpopulation ist letztlich für die ErhalLaktoseintoleranz oder die Phenylketonurie. Bei ersterer tung einer Art, also auch des Menschen, entscheidend. In der Humanmedizin hat die kann kein Milchzucker verdaut werden, bei der zweiten Populationsgenetik Bedeutung für die AufStörung wird die Aminosäure Phenylalanin nicht abgeklärung von epidemiologischen Aspekten baut und führt über Anreicherungen von Metaboliten zu von Krankheiten. schweren geistigen Entwicklungsstörungen. Das Zusammenwirken von Mutation und Selektion verändert also die Genhäufigkeiten und damit auch die Häufigkeit von Erbkrankheiten in der Bevölkerung, wobei trotz dieser Einsicht in die Zusammenhänge populationsgenetische Erkenntnisse beim Menschen keine Bedeutung für die individuelle genetische Beratung haben. Solche populationsgenetischen Erkenntnisse spielen allerdings eine wichtige Rolle für die Ernährung des Menschen, indem sie die Zucht von resistenten und ertragreichen Nutzpflanzen erleichtern.

Klausurfragen Erklären Sie die funktionellen Abschnitte eines Gens. Beschreiben Sie die Struktur eines Chromosoms. Was ist eine Tetrade, und welche Funktion hat sie? Aus welchen Phasen besteht die Mitose? Welche Vorgänge laufen an einer Replikationsgabel ab? Welche Funktion hat die Reverse Transkriptase, und wo kommt sie vor? Was passiert beim alternativen Spleißen, und wo findet dieser Vorgang statt? Was sind Onkogene, und wie funktionieren sie? Welche Arten von Mutationen gibt es? Was versteht man unter Epigenetik?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 16

Gesundheit und Krankheit

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über den gesunden Menschen und die Entstehung und Auswirkung von Krankheiten, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Grundbegriffe der Krankheitslehre. Faktoren und molekulare Mechanismen, die zur Entstehung verschiedener Krankheiten führen. Ursache und Verlauf von Krebs- und Infektionskrankheiten. Die in Deutschland zehn häufigsten letalen Erkrankungen (nach WHO 2006). Auswirkungen von Erbkrankheiten. Prävention, Verlauf, Therapie und Heilung von Krankheiten. Sterben und medizinisch/gesetzliche Definition des Todes.

Allgemeine Aspekte von Gesundheit und Krankheit Eine Balance zwischen Gesundheit und Krankheit bestimmt das ganze menschliche Leben. Die frühzeitige Erkennung der Ursachen, die Diagnostik einer Erkrankung und ihre möglichst erfolgreiche Therapie sind für das menschliche Leben überlebenswichtig.

394

16. Gesundheit und Krankheit

WHO-Definition von Gesundheit

ä

Um der Bedeutung von Gesundheit und Krankheit für die menschliche Existenz Rechnung zu tragen, wurde im Jahre 1948 die Weltgesundheitsorganisation WHO (World Health Organisation) als Organisation der Vereinten Nationen gegründet. Die WHO überwacht das Auftreten von Krankheiten weltweit, erstellt Statistiken und gibt Empfehlungen zur optimalen Therapie. Sie definiert Gesundheit als einen Zustand völligen körperlichen und seelischen Wohlbefindens. Diese Definition trifft allerdings im alltäglichen Leben nur bedingt zu, da die meisten Menschen ohne richtig krank zu sein aber an mehr oder weniger gravierenden medizinischen Einschränkungen leiden, sei es nun ein Sehfehler, eine geringe Schwerhörigkeit oder Schmerzen von einer längst verheilten Narbe. Dies trifft auch für den seelischen Bereich zu, da ein nicht unerheblicher Teil der Menschen von Problemen belastet ist und sich unwohl fühlt, ohne aber krank zu sein. Es ist deshalb hilfreicher, Gesundheit auf der Grundlage des Gleichgewichts (Homöostase) unserer Körperfunktionen zu definieren. Diese trifft dann auf alle Gewebe und Organsysteme zu, die nur perfekt funktionieren, wenn ihre Funktionen in einem bestimmten Bereich, z. B. bei der Blutzuckerkonzentration, konstant gehalten werden. Alle Abweichungen von diesem Gleichgewicht werden als krankhaft bezeichnet. Solche Gleichgewichtszustände spielen auch in Geweben eine Rolle, in denen die Zellen Die Weltgesundheitsorganisation definiert Gesundheit als einen Zustand völligen wie bei Epithelien ständig erneuert werden. Oft muss sich körperlichen und seelischen Wohlbefindens. das körperliche Gleichgewicht auch an neue UmweltbeDie meisten Menschen leben aber mit mehr dingungen anpassen, z. B. an Klimafaktoren, oder auf Inoder weniger gravierenden medizinischen Einschränkungen, ohne sich deshalb als fektionserreger reagieren, indem es neue, bisher noch krank zu bezeichnen. Hilfreicher ist, nicht vorhandene Antikörper bildet. Gesundheit ist desGesundheit als Gleichgewicht der Körperhalb kein statischer Zustand, sondern eine permanente funktionen zu definieren. Regelung der Körperfunktionen in den Normalbereich.

Disposition für bestimmte Erkrankungen Wenn die körperliche Anpassungsfähigkeit vorübergehend oder andauernd eingeschränkt ist, so bezeichnet man dies als Krankheitsveranlagung (Krankheitsdisposition). So erkranken Kinder häufiger an Erkältungskrankheiten als Erwachsene, oder Männer viel häufiger an Gicht als Frauen. Auch kommen bestimmte Krebsarten häufiger bei Asiaten, als bei Mitteleuropäern vor. Eine Krankheitsdisposition kann sich nach Alter, Geschlecht und Rasse manifestieren. Sie kann ererbt oder auch erworben sein, d. h. liegt schon eine Primärerkrankung vor, z. B. eine Tuberkulose, so ist das Risiko an Bronchitis oder Lungenentzündung zu erkranken viel größer als ohne Tuberkulose.

Grundbegriffe der Krankheitslehre In der Medizin werden krankheitsabhängige Zusammenhänge mit Fachbegriffen bezeichnet. So beschreibt die Ätiologie die äußeren und inneren Krankheitsursachen,

Faktoren für die Entstehung von Krankheiten

die Pathogenese die Krankheitsentwicklung und ihren Verlauf im Körper. Bei einer Untersuchung wird in der Anamnese die medizinische Vorgeschichte des Patienten ermittelt und die dabei aufgetretenen Krankheitszeichen (Symptome) festgestellt. Daraus ergibt sich eine ärztliche Diagnose, in der die Krankheit typisiert, bezeichnet und gegebenenfalls von den anderen Krankheiten abgegrenzt wird (Differenzialdiagnose). Daraufhin wird gegebenenfalls eine Therapie eingeleitet und unter Umständen eine Prognose zum weiteren Verlauf der therapierten Krankheit gestellt. Treten keine Komplikationen auf, so kann eine vollständige Heilung (Ausheilung) erfolgen. Neuerlichen Erkrankungen lässt sich durch eine Prophylaxe vorbeugen.

Faktoren für die Entstehung von Krankheiten Erkrankungen des Körpers können generell zwei mögliche Ausgangspunkte haben: eine Einwirkung von körperfremden Faktoren von außen oder eine innere Ursache, z. B. eine genetische Disposition für eine Erbkrankheit.

Äußere Krankheitsursachen Als äußere Krankheitsursachen gelten Umweltbedingungen. Dazu gehören krankheitsauslösende Mikroorganismen wie Bakterien und auch Viren, die Infektionen hervorrufen. Fremdstoffe in der Nahrung oder auch ein Mangel bei unausgewogener Ernährung, z. B. Vitaminmangel, können ebenso Krankheiten auslösen wie Schadstoffe in der Luft oder Strahlen- und Lärmbelastung. Soziale Krankheitsursachen sind Armut und Hunger oder z. B. ungenügende hygienische Zustände in den Slums von Großstädten in der Dritten Welt. Auch die psychische Gesundheit kann durch viele Faktoren aus der Umwelt (Überlastung, soziale Konflikte) beeinträchtigt werden. Hierbei spielt hauptsächlich die frühkindliche Entwicklung und die Kind-ElternBeziehung eine prägende Rolle (䉴 Kap. 17).

Innere Krankheitsursachen Als innere Krankheitsursachen gelten genetische Veränderungen, die zu Erbkrankheiten oder zu einer genetischen Disposition (Anfälligkeit) für bestimmte Krankheiten führen können. Außerdem führen die normalen Alterungsvorgänge zu Gewebe- und Organveränderungen, die wiederum krankheitsverursachend sein können. Je nach Art der Entstehung können genetisch bedingte Erkrankungen verschiedene Ursachen haben. Man unterscheidet die schon in Kapitel 15 beschriebenen Chromosomenabberationen und die monogen bedingten Erbkrankheiten, die auf der Mutation eines einzelnen Gens beruhen und vielfach nach den Mendel-Gesetzen vererbt werden. Beispielhaft hierfür ist die Mukoviszidose (Cystische Fibrose, CF), eine Stoffwechselerkrankung, die bei einer von 2 500 Personen der weißen kaukasischen Bevölkerung auftritt. Sie entsteht durch Mutationen im CFTR-Gen (cystic fibrosis trans-

395

396

16. Gesundheit und Krankheit

membrane conductance regulator), das auf Chromosom 7 liegt und einen Chloridkanal in der apikalen Zellmembran von Epithelien codiert (䉴 Abb. 16.1). Ausgehend vom Mutationstyp entstehen verschiedene Störungen, bei denen die CFTR-mRNA entweder nicht korrekt translatiert und der Kanal fehlerhaft eingebaut wird, oder das fehlerhafte Produkt wird auf den Weg vom Golgi-Apparat zur apikalen Zellmembran nicht weitertransportiert. Dadurch entstehen defekte oder fehlerhafte Chloridkanäle, die zu einer verminderten Cl–-Sekretion führen. Da diese Mechanismen für die Viskosität des Schleims in den Bronchien oder auch im Darmepithel verantwortlich sind,

Zellkern

endoplasmatisches Reticulum

Golgi-Apparat

Zellmembran PKA

a

Cl

Normal

b

G542X

c

I508

korrekte mRNA

entstehender CFTR-Kanal

verkürzte mRNA

keine CFTR-Synthese

fertiger CFTR-Kanal

kein CFTR in Zellmembran

Protease mutierte mRNA

baut ab

kein CFTR in Zellmembran

PKA

d

G551D

mutierte mRNA

Kanal nicht aktivierbar defekter CFTR-Kanal

e

R347P

f

3849

Cl mutierte mRNA

verminderte Leitfähigkeit

korrektes Spleißen Cl inkorrektes Spleißen

verringerte Kanalzahl

16.1 Mutationsvarianten bei Mukoviszidose. a) Normale Funktion des CFTR-Proteins. Der CFTR-Chloridkanal ist korrekt in die apikale Zellmembran der Epithelzellen eingebaut und ermöglicht eine Cl–-Sekretion, durch die Wasser nachgezogen wird und der Schleim (Mucus) viskoser wird. Es gibt fünf Mutationsklassen (b–f). b) Durch eine verkürzte mRNA wird kein CFTR gebildet. c) CFTR wird zwar gebildet, aber noch vor dem Golgi-Apparat wieder abgebaut. d) CFTR wird gebildet und in die Zellmembran eingebaut, ist aber nicht durch Proteinkinase A (PKA) aktivierbar. e) Es wird ein defekter CFTR-Kanal gebildet, der zwar in die Zellmembran eingebaut wird, aber nur eine geringere Menge Cl–-Ionen durchlässt. f) Das mRNA-Spleißen ist teilweise fehlerhaft, sodass nur eine geringe Anzahl von korrekten CFTRKanälen gebildet wird. Dies führt ebenfalls zu einer verminderten Cl–-Sekretion. Die Ziffern in der ersten Spalte bezeichnen den Mutationstyp.

Faktoren für die Entstehung von Krankheiten

397

werden bei einer Mukoviszidose in den Bronchien und der Bauchspeicheldrüse zähflüssige Drüsensekrete produziert, die eine Besiedlung durch Bakterien und Infektionen begünstigen und langfristig zu einer letalen Organschädigung führen. Die Erkrankung ist bis heute nur symptomatisch durch schleimlösende Substanzen und Antibiotika zu bekämpfen. Versuche, das korrekte CFTR-Gen oder Proteine durch eine Gentherapie einzuschleusen, waren bisher nicht erfolgreich. Multifaktorielle Erkrankungen entstehen durch die komplexen Interaktionen von genetischen und nichtgenetischen Faktoren. So kann z. B. eine genetische Disposition für eine Zuckerkrankheit (Diabetes mellitus) zusammen mit Fettsucht (Adipositas) in einem wesentlich früheren Lebensalter zum Ausbruch der Erkrankung führen. Multifaktorielle Erkrankungen vererben sich nicht nach den Mendel-Gesetzen, sind schwer vorhersehbar und deshalb auch von großer medizinischer Bedeutung, Außer diesen erwähnten genetischen Erkrankungen gibt es auch noch mitochondrial vererbte Krankheiten. Hierzu gehört die Leber-Optikusatrophie, bei der vier Mutationen gehäuft in der mitochondrialen DNA auftreten. Obwohl die Mitochondrien Bei den Auslösern von Krankheiten unterscheidet man zwischen inneren und äußeren immer über die mütterliche Linie vererbt werden, tritt die Faktoren. Zu den durch innere Ursachen herKrankheit hauptsächlich bei Männern in frühem Lebensal- vorgerufene Krankheiten gehören die ter (etwa mit 25 Jahren) auf. Der Grund ist noch nicht ge- erblichen genetischen Erkrankungen, die aber auch mit nichtgenetischen Faktoren klärt. interagieren können. Zu den äußeren UrsaMutationen der DNA in somatischen Körperzellen rufen chen gehören verschiedene UmweltbedinErkrankungen hervor, die nicht vererbt werden. Typische gungen und Mikroorganismen. Beispiele dafür sind Strahlenschäden, die häufig zu Darmkrebs führen.

Gewebe- und Organreaktionen Da sich Zellen und Gewebe ständig erneuern, sind sie zu Anpassungsreaktionen in der Lage und können sich normalerweise gut regenerieren. Auf krankheitsauslösende Faktoren können sie allerdings unterschiedlich reagieren. Wird z. B. ein Gewebe oder Organ durch verminderte Beanspruchung rückgebildet, so bezeichnet man dies als Atrophie. Dieser Vorgang ist vielfach reversibel wie bei der Muskulatur, abzugrenzen ist jedoch Altersatrophie, die einen natürlichen Rückbau der Organe darstellt. Gegenteilige Effekte ergeben sich bei Überanstrengung z. B. des Herzmuskels. Es entwickelt sich eine Hypertrophie oder Hyperplasie, d. h. eine Organ- oder Zellvergrößerung. Zell- und Gewebeschäden können durch die Einwirkung schädlicher Einflüsse (Noxen) entstehen. Sie wirken auf den Organismus oft durch die Bildung freier Radikale, die als Sauerstoffverbindungen einen oxidativen Stress verursachen, der Zellmembranen und auch DNA schädigen kann. Im weiteren Verlauf können solche Schädigungen mikroskopisch oder makroskopisch sichtbare morphologische Veränderungen hervorrufen. Sie treten als Zellhydrops (Wasseransammlung), Ablagerungen (Fett, Kalk, Harnsäure), Ödeme (Flüssigkeitsansammlungen im Gewebe) oder im schlimmsten Fall als Nekrose (Zelltod) auf. Zu den Erkrankungen, die durch Ablagerungen hervorgerufen werden, gehört auch die Arteriosklerose, die später in diesem Kapitel behandelt wird. Weitere Gewebeveränderungen sind die Fibrose, bei der zu

ä

398

ä

16. Gesundheit und Krankheit

viel kollagenes Bindegewebe gebildet wird, und Ergüsse wie ein Bluterguss oder ein Pleuraerguss als Flüssigkeitsansammlungen im Gewebe oder in Körperhöhlen. Schließlich können sich durch solche Gewebeschädigungen Entzündungen bilden, die lokal auf ein Entzündungsgebiet begrenzt sind oder auf den ganzen Organismus übergreifen können. Entzündungen rufen die charakteristischen Symptome Rötung, Schwellung, Überwärmung und Schmerz hervor. Sie führen zu einer Funktionsstörung des betreffenden Gewebes, das darauf Signalstoffe (Prostaglandine, Kinine) freisetzt, die die Entzündungsreaktion steuern. Sind Fremdkörper oder Bakterien beteiligt, so bildet sich durch die Immunabwehr oft Eiter, der auch zu einem gefährlichen Abszess führen kann. Auf Entzündungen reagiert Zellen und Gewebe reagieren auf krankder Organismus mit der Aktivierung des Immunsystems heitsauslösende Faktoren mit histologischen (z. B. Leukocyten) und in der Akutphase mit der Bildung und morphologischen Veränderungen. Oft des C-reaktiven Proteins (CRP), das im Blut nachweisbar treten auch Endzündungsreaktionen auf, diagnostisch als Entzündungsmarker dient. Meist entsteht, und die betroffenen Areale geben Sustanzen ab, die das Immunsystem aktivieren ausgelöst durch fiebererzeugende Pyrogene, Fieber (Körund andere Organe oder den ganzen pertemperatur über 39 °C) aus. Einige der speziellen EntKörper systemisch mit in die Krankheitszündungsarten und -mechanismen werden später in diesymptomatik einbeziehen. sem Kapitel behandelt.

Entartung von Zellen (Krebsentstehung) Im allgemeinen Sprachgebrauch ist Krebs ein Sammelbegriff für eine Vielzahl ähnlicher Krankheiten, bei denen Körperzellen unkontrolliert wachsen, sich unbegrenzt teilen und damit das gesunde Gewebe verdrängen. Im medizinischen Sinne versteht man unter Krebs dagegen einen bösartigen Tumor, also eine bösartige Neoplasie. Generell unterteilt man Tumoren (Geschwülste) in gutartige (benigne) und bösartige (maligne) Tumoren. Benigne Tumoren wachsen nur langsam, verdrängen zwar das umliegende Gewebe, wachsen aber nicht in dieses ein (䉴 Abb. 16.2a). Maligne Tumoren wachsen dagegen schnell, infiltrieren und zerstören das umliegende Gewebe (䉴 Abb. 16.2b) und bilden Tochtergeschwülste (Metastasen), die sich im ganzen Körper verbreiten können. Die Beurteilung, ob eine Geschwulst gut- oder bösartig ist, erfolgt durch die Pathologie, bei der eine Gewebeprobe entnommen (Biopsie) und feingeweblich untersucht wird (Histologie). a gutartiger Tumor

b bösartiger Tumor

Tumor

16.2 Unterscheidung von gutartigen (a) und bösartigen (b) Tumoren. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Blutgefäß umgebendes Gewebe

Blutgefäß

Faktoren für die Entstehung von Krankheiten

399

Die Klassifizierung von Krebstumoren erfolgt nach dem Gewebetyp, aus dem sie gebildet werden. Den größten Teil Es gibt gutartige (benigne) und bösartige (maligne) Tumoren. Letztere werden als der Krebserkrankungen bilden die Karzinome, die als Krebs bezeichnet, wachsen unkontrolliert Tumoren aus dem Epithelgewebe hervorgehen. Man unter- und bilden Tochtergeschwülste (Metastasen). teilt sie in Plattenepithelkarzinome und Adenokarzinome. Die Klassifizierung von Krebstumoren erfolgt dem Gewebetyp, aus dem sie gebildet Tumoren, die vom mesenchymalen Gewebe (Fett-, Stütz- nach werden. und Bindegewebe, Muskulatur) ausgehen, werden als Sarkome bezeichnet, sind eher selten, aber oft sehr bösartig. Gutartige mesenchymale Geschwülste sind Myome, Fibrome, Lipome und Chondrome. Hämatologische Krebsformen wie Leukämie und Lymphome gehen vom Blut und den blutbildenden Organen aus. Schließlich gibt es noch neuroendokrine Tumoren und Tumoren des embryonalen Gewebes (Teratome). Semimaligne Tumoren und Präkanzerosen sind Krebsformen, die sich noch nicht vollständig zu malignen Formen differenziert haben, aber dies mit hoher Wahrscheinlichkeit tun. Sie infiltrieren und metastasieren noch nicht. Ein Beispiel dafür ist das Basaliom, ein Tumor der basalen Hautschichten. Das Plattenepithelkarzinom wird auch Spinaliom genannt. Diese Krebsart entsteht aus den verhornten Epithelien der Haut und der Schleimhäute. Plattenepithelkarzinome sind für 40 % der Bronchialkarzinome verantwortlich und stellen damit die häufigste Form des Lungenkrebses dar. Sie kommen auch als Gebärmutterhalskrebs (Zervixkarzinom), Speiseröhrenkrebs (Oesophaguskarzinom), als Krebs der Mundhöhle und des Rachens, der Genitalien und der Harnblase vor. Als Adenokarzinom bezeichnet man einen bösartigen Tumor, der aus nichtverhorntem Epithelgewebe (Drüsengewebe) entstanden ist. Adenokarzinome manifestieren sich in vielen Organen, z. B. als Darmkrebs, Magenkrebs, Lungenkrebs, Prostatakrebs, Pankreaskarzinom, Oesophagealkarzinom, Brustkrebs, Gallengangskarzinom und Uteruskarzinom. Das maligne Adenokarzinom ist abzugrenzen von gutartigen Drüsenwucherungen (Adenom). Das adenoidzystische Karzinom ist ein seltener bösartiger Tumor, der sich ebenfalls von Drüsenzellen ableitet und vor allem im Kopf- und Halsbereich auftritt, häufig als Speicheldrüsenkrebs. Er kann aber auch in anderen Organen (Nase, Luftröhre, Bronchien, Lunge, Haut, Prostata und Gebärmutter) auftreten. Diese Tumorart wächst zwar langsam, hat aber eine hohe Infiltrationsrate in das umgebende Gewebe, was eine vollständige chirurgische Entfernung oft unmöglich macht.

Tumorentstehung In Kapitel 15 wurde bereits erwähnt, dass die Entstehung von Tumoren auf genetischen Defekten basiert. Die Krebsentstehung erfolgt durch eine Interaktion von drei Gengruppen, den Onkogenen, Tumorsuppressorgenen und Mutatorgenen. Werden die entarteten Zellen nicht durch einen programmierten Zelltod (Apoptose) eliminiert, so entwickeln sie sich über Proliferation zu einem Klon von malignen Zellen, die einen Tumor bilden. Dieser kann schließlich ein Risiko für den ganzen Organismus darstellen. Oft kann man in den Zellen des Tumorgewebes charakteristische cytogenetische Veränderungen feststellen. So findet man bei einer Form des Blut-

ä

400

16. Gesundheit und Krankheit

a normale Stammzellen Stammzellen

b Krebsstammzellen

c veränderte Vorläuferzellen

veränderte Stammzellen

veränderte Stammzellen

Krebsstammzellen

Krebsstammzellen

Selbsterneuerung

veränderte Vorläuferzellen veränderte Selbsterneuerung

Vorläuferzellen Krebsstammzellen

reife Zellen

Krebs

akuter Krebs

16.3 Die Rolle von Stammzellen bei der Tumorentstehung. a) Normale Stammzellen können sich selbst erneuern, und sie differenzieren sich über Vorläuferzellen zu reifen Zellen bestimmter Gewebe. b) Gene können Stammzellen zu Krebsstammzellen verändern, aus denen immer wieder ausdifferenzierte Krebszellen entstehen. Werden diese Krebsstammzellen bei einer Tumorbehandlung nicht vernichtet, so können potenziell immer wieder neue Krebszellen gebildet werden. c) Bei der akuten myeloischen Leukämie gibt es, jedenfalls in Tierexperimenten, Anzeichen dafür, dass Onkogene auch bereits teilweise differenzierte Vorläuferzellen wieder in pluripotente Krebsstammzellen umwandeln können.

krebses, der chronischen myeloischen Leukämie, in den entarteten Zellen des Knochenmarks und in den Leukämiezellen ein Markerchromosom (Philadelphia-Chromosom), das diese Krebsart eindeutig charakterisiert und typisiert. Die pluripotenten Stammzellen des Knochenmarks dienen als Ausgangspunkt für sämtliche Gewebedifferenzierungen (䉴 Abb.16.3a). Entarten solche Zellen, so können sich Krebsstammzellen bilden (䉴 Abb. 16.3b), die ihrerseits Ausgangspunkt für viele maligne Fehlentwicklungen darstellen. Bei der akuten myeloischen Leukämie (䉴 Abb. 16.3c) vermutet man aufgrund von Tierexperimenten, dass sich auch bereits weiter differenzierte Vorläuferzellen zu Krebsstammzellen verändern können, die dann Ausgangspunkt für gewebetypische Krebsformen bilden könnten. Jedenfalls ist eine Tumorbehandlung nicht endgültig erfolgreich, so lange diese Krebsstammzellen nicht eliminiert wurden. Man bemüht sich deshalb, bei allen Krebsformen eindeutige zelltypische Marker zu entwickeln, um Medikamente einer Chemotherapie gezielt nur zu den jeweiligen malignen Zellen zu dirigieren. Für die Tumorentstehung gibt es aber auch exogene Noxen wie Chemikalien, Strahlen oder Viren. Solche Kanzerogene lösen oft spezifische Krebsarten aus. So ist

Faktoren für die Entstehung von Krankheiten

401

ein humanes Papilloma-Virus ursächlich für die Entstehung von Gebärmutterhalskrebs, Epstein-Barr-Viren werden als auslösende Faktoren von Leukämie, Lymphdrüsenkrebs und noch anderen Krebsarten gesehen. Asbest gilt als Auslöser von Lungenkrebs, Benzol bildet nach Einatmung der Dämpfe karzinogene Metaboliten. Auch Acrylamid, das bei der Tumoren entstehen aufgrund multigenetischer Defekte oder durch unsachgemäßen Erhitzung von Lebensmitteln (z. B. Pom- faktorieller exogene Noxen wie Strahlen, Chemikalien mes frites) entsteht, gilt als karzinogen. Radioaktive Strah- oder Viren. lung ist ursächlich für Schilddrüsenkarzinome und Darmkrebs.

Metastasierung Als Metastasierung wird die Absiedlung, d. h. Verbreitung eines bösartigen Tumors oder eines Infektionsherdes im Körper bezeichnet. Metastasen (Tochtergeschwülste) bilden sich, indem sich maligne Zellen von einem ursprünglichen Tumor ablösen und über Blut oder Lymphe im Körper verbreiten. Man bezeichnet dies beim Blut als hämatogene Metastasierung (䉴 Abb. 16.4). Bildet ein Tumor Metastasen, so verschlechtern sich die Heilungschancen erheblich. Allerdings ist dies stark von der Art des Primärtumors und seiner Lokalisierung abhängig, da sich die Ausbreitungswege dementsprechend unterscheiden und die Metastasierung in unterschiedlichen Körperregionen erfolgt. Die vier häufigsten Metastasierungswege sind in Abbildung 16.4 dargestellt. Nachdem sich die Tumorzellen aus dem Primärtumor gelöst haben, dringen sie in die Blutgefäße ein, werden weitertransportiert und bleiben im nächsten Kapillargebiet hängen. So gelangen Tumorzellen aus Brust oder Prostata zum Venensystem der Wirbelsäule und bilden Metastasen im Skelett (䉴 Abb. 16.4a). Tumorzellen aus der Lunge gelangen in den Körperkreislauf und bilden häufig Metastasen in Leber, Niere, Gehirn und Knochen (䉴 Abb. 16.4b). Befindet sich der Primärtumor in Leber, Niere oder Schilddrüse, so gelangen die Tumorzellen über die Hohlvene in das Kapillargebiet der Lunge (䉴 Abb. 16.4c). Tumorzellen aus dem Magen-Darm-Kanal werden über die Pfortader zunächst in die Leber transportiert (䉴 Abb. 16.4d) und gelangen von dort eventuell weiter in die Hohlvene. Damit sich die Tumorzellen in diesen Organen ansiedeln können, müssen sie zunächst das Kapillarendothel durchdringen. Dazu präsentieren sie ein Oberflächenprotein (CD44), durch das die endotheliale Barriere durchlässiger wird. Im Gewebe setzen die Tumorzellen Faktoren frei, die die Bildung von neuen Blutgefäßen (Angiogenese) induzieren, durch die eine Versorgung und damit ein Tumorwachstum gefördert wird. Gelangen Tumorzellen in die Lymphbahnen, so setzen sie sich in den Lymphknoten fest und zerstören diese. Diese lymphogene Metastasierung kann letztlich über die Hohlvene aber auch zu einer anschließenden hämatogenen Metastasierung führen (䉴 Abb. 16.4). Bei einer Reihe von Tumorerkrankungen setzen die Tumorzellen oder benachbarte, beeinflusste Körperzellen spezifische Faktoren frei, die als Tumormarker bezeichnet werden. Dazu gehören das prostataspezifische Antigen (PSA), das karzinoembryonale Antigen (CEA) oder das Alpha-1-Fetoprotein (AFP), das spezifisch für Leberzellkarzinome ist. Auch Konzentrationsveränderungen anderer Proteine, Peptide und Hor-

ä

402

16. Gesundheit und Krankheit

a Vertebralvenentyp

Mammakarzinom, Prostatakarzinom

b arterieller Typ

=

Primärtumor

=

Metastase

Bronchialkarzinom

c Hohlvenentyp

Leberkarzinom, Nierenkarzinom

d Pfortadertyp

Magen-, Colonkarzinom, Rektumkarzinom

16.4 Hämatogene Metastasierung. a) Beim Vertebralvenentyp gelangen die Tumorzellen aus Brust oder Prostata über die Vertebralvenen in das Skelett und bilden dort Knochenmetastasen. b) Beim arteriellen Metastasierungstyp gelangen die Tumorzellen aus der Lunge über das Herz und den Körperkreislauf in die Kapillargebiete von Leber, Nebenniere, Gehirn und Skelett und metastasieren dort. c) Beim Hohlvenentyp gelangen Tumorzellen aus Leber und Niere über die Hohlvene in die Lunge. d) Beim Pfortadertyp gelangen Tumorzellen aus dem Magen-Darm-Kanal zur Leber und von dort aus eventuell weiter in die Hohlvene. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

ä

mone im Blut oder Körperflüssigkeiten können Hinweise auf einen Tumor geben. Oft sind sie allerdings nicht sehr spezifisch, sodass sie sich nicht für ein Tumor-Screening eignen, sondern eher zur Verlaufskontrolle herangezogen werden. Von Tumorzellen gebildete Substanzen können auch andere Krankheitsbilder verursachen, die man als paraTochtergeschwülste (Metastasen) bilden sich durch lymphogene oder hämatogene neoplastische Syndrome bezeichnet. So können BronMetastasierung. Die Lokalisierung der chialkarzinome das Hormon ACTH bilden, das die NeMetastasen ist dabei abhängig von der bennierenrinde stimuliert und ein Cushing-Syndrom Lokalisierung des Primärtumors. auslösen kann (䉴 Kap. 7).

Krebsbehandlung Bei malignen Tumoren muss möglichst umgehend eine onkologische Therapie eingeleitet werden, um die Ausbreitung des Tumors zu verhindern oder zu stoppen. Ist der Tumor noch nicht in benachbarte Gewebe eingedrungen und hat er noch nicht

Faktoren für die Entstehung von Krankheiten

Etoposid verhindert das Entspiralisieren der DNA, was ihre Replikation und Transkription blockiert

S-Fluoruracil blockiert die Nucleotidsynthese

DNA Arabinocytosin blockiert die DNA-Replikation

Transkription

Adriamycin blockiert die Transkription und damit die Proteinsynthese

mRNA Translation Vincristin und Taxol blockieren die Funktion der Mikrotubuli in der Mitosespindel

Zellteilungsprotein 16.5 Ansatzpunkte von Cytostatika bei einer Chemotherapie. Die verschiedenen Substanzen wirken auf der DNA-Ebene, auf Transkriptions- und Translationsebene und auf Vorgänge der Zelldynamik. (Verändert nach Purves et al. 2006.)

metastasiert, so wird er nach Möglichkeit operativ entfernt. Alternativ kann der Tumor auch durch Bestrahlung vor oder nach der Operation verkleinert werden. Schließlich lassen sich manche Tumorarten durch eine Chemotherapie mit Cytostatika eliminieren oder zumindest am Wachstum hindern. Abbildung 16.5 zeigt die Ansatzpunkte verschiedener Cytostatika. Da Cytostatika aber auch das Wachstum aller anderen Körperzellen hemmen, ist eine solche Behandlung sehr belastend und von vielen Störungen (Haarausfall, Übelkeit, Immunschwäche) begleitet. Tumoren, der Geschlechtsorgane werden häufig mit Antihormonen behandelt. Ein weiterer Ansatz ist die Stärkung des Immunsystems, damit körpereigene Mechanismen den Krebs bekämpfen.

Infektionen Als Infektionskrankheiten bezeichnet man Krankheitsbilder, die durch das Eindringen und die Vermehrung von Mikroorganismen in den Körper entstehen. Eine Übersicht über die humanpathogenen Mikroorganismen und anderen infektiösen Agenzien gibt Tabelle 16.1. Es handelt sich dabei um Bakterien, Viren, Prionen, Pilze, Protozoen, Würmer und Arthropoden. Infektionen, die von Betroffenen nicht bemerkt werden, weil sie durch das Immunsystem erfolgreich bekämpft und beseitigt

403

404

16. Gesundheit und Krankheit

Tabelle 16.1 Einteilung der humanpathogenen Parasiten, Mikroorganismen und anderen infektiösen Agenzien.

ä

Organismus

Beispiel

Bakterien

Streptokokken, Staphylokokken, Salmonellen, E. coli, Rickettsien

Viren

Grippe-, Hepatitis-, AIDS-, Herpes-, Pocken-, Mumps-, Röteln-Virus

Prionen

BSE, Kuru, Creutzfeld-Jakob-Krankheit

Pilze

Schimmelpilz (Aspergillus fumigatus), Hefepilz (Candida albicans)

Protozoen

Plasmodien: Malaria Trypanosomen: Schlafkrankheit Amöben: Amöbenruhr

Nematoden, Arthropoden

Spulwurm, Bandwürmer, Milben, Läuse

werden, bezeichnet man als inapparente Infektionen, Infektionen mit Symptomen wie Fieber und anderen Krankheitszeichen dagegen als apparente Infektionen. Eine Infektion kann auf das unmittelbare Areal des Eindringens (Stich, Wunde) beschränkt bleiben (lokale Infektion) oder auf den ganzen Körper übertreten (generalisierte Infektion) wie die Tuberkulose. Eine kurzzeitige Besiedlung des Körpers mit Bakterien ohne dauerhafte Ansiedlung bezeichnet man als Bakterieämie, eine bakterielle Streuung in die Blutbahn als Sepsis oder Blutvergiftung. Dadurch können sich beim septischen Schock schwere, lebensbedrohliche Komplikationen durch ein Kreislaufversagen ergeben. Infektionen verlaufen typischerweise in mehreren Stadien. In der Invasionsphase (Ansteckung) dringt der Erreger in den Organismus ein und vermehrt sich nach einer individuellen Latenzzeit in der Inkubationsphase. Als Inkubationszeit bezeichnet man den Zeitraum von der Ansteckung bis zum Ausbruch der Krankheit, also bis zum Auftreten typischer Symptome. In der Krankheitsphase liegen die typischen Symptome vor, bis die Überwindungsphase eintritt, in der die Erreger eliminiert und aus dem Körper entfernt werden. Gelingt diese Eliminierung nicht vollständig, so kann ein Mensch trotz überwundener Krankheit zum Dauerausscheider werden, z. B. von Salmonellen. Als Infektionsquellen kommen der Mensch selbst, z. B. durch Sputum, Tiere mit Parasitenbefall und Mikroorganismen aus der Umwelt infrage. Die Infektion kann über Schmierinfektion (Türklinke, Händeschütteln), Tröpfcheninfektion (Niesen), Staubinfektion oder orale Aufnahme erfolgen. Es sind aber auch sexuelle Übertragungswege (HIV) oder parenterale Übertragung (verunreinigte Kanülen) mögInfektionen verlaufen typischerweise in mehreren Phasen. Sie entstehen durch das lich. Um Infektionen zu verhindern sind deshalb allgeEindringen und die Vermehrung von Mikromeine Verhaltensweisen (Händewaschen) wichtig, in speorganismen im Körper. Dabei unterscheidet ziellen Fällen eine Desinfektion oder im Krankenhaus man lokale und generalisierte Infektionen. eine Sterilisation der Instrumente.

Die zehn häufigsten letalen Erkrankungen in Deutschland

a

b

Escherichia coli

Salmonellen

Staphylokokken

Streptokokken

Pneumokokken

c Spirochäten

16.6 Humanpathogene Bakteriengruppen. Die meisten humanpathogenen Bakterien lassen sich in drei Gruppen einordnen. a) Stäbchenförmige Bakterien. Escherichia coli verursacht Gastroenteriden, Harnwegsinfektionen, Meningitis, Wundinfektionen und nosokomiale Infektionen. Salmonellen verursachen Typhus und Gastroenteriden. b) Kugelförmige Bakterien. Staphylokokken verursachen Wundeiterung, Abszesse, Sepsis, Gastroenteriden und Osteomyelitiden. Streptokokken verursachen Angina, Hals- NasenOhrenentzündungen, Scharlach und Wundinfektionen. Pneumokokken verursachen Lungenentzündung, Mittelohrentzündung und Meningitis. c) Spiralförmige Bakterien. Spirochäten verursachen Syphillis. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Einige typische bakterielle Erreger, die zu schweren Erkrankungen führen können, sind in Abbildung 16.6 aufgeführt. Viel häufiger jedoch werden Menschen von viralen Erregern befallen. Diese rufen neben harmlosen Erkältungskrankheiten und typischen Kinderkrankheiten (z. B. Masern) auch schwere Erkrankungen wie Polio, Windpocken, Gürtelrose oder AIDS hervor. Seit einigen Jahren ist auch bekannt, dass es infektiöse Eiweiße (Prionen) gibt, die schwere, letale Erkrankungen (CreutzfeldJakob-Krankheit) auslösen (䉴 Kap. 2). Pilzinfektionen wurden in Kapitel 8 beschrieben. Parasitäre Infektionen (Parasitosen) wie Malaria erfolgen meist auf Reisen in tropische Gebiete. In Deutschland gibt es allerdings ebenfalls Parasiten wie Würmer, Milben und Läuse.

Die zehn häufigsten letalen Erkrankungen in Deutschland Die WHO erstellt für jedes Land Statistiken, in denen die häufigsten Krankheiten und ihre Mortalität aufgeführt werden. Tabelle 16.2 führt die neuesten Daten (Stand 2006), die einzelnen Erkrankungen und ihre Ursachen auf.

405

406

16. Gesundheit und Krankheit

Tabelle 16.2 Die zehn häufigsten Krankheiten, die im Jahr 2002 in Deutschland zum Tode führten (WHO-Statistik 2006). Krankheit

Todesfälle pro Jahr

geringere Lebenserwartung (%)

verlorene Jahre (%)

alle Todesursachen

815 000

100

100

koronare Herzkrankheit

172 000

21

16

Schlaganfall (cerebraler Insult)

79 000

10

6

Krebs von Lunge, Trachea und Bronchien

42 000

5

7

Dickdarmkrebs (kolorektales Karzinom)

32 000

4

4

21 000

3

2

Zuckerkrankheit (Diabetes mellitus)

20 000

3

2

Atemwegsinfektionen

20 000

3

2

Brustkrebs (Mammakarzinom)

19 000

2

3

Bluthochdruck (arterielle Hypertonie)

18 000

2

1

Leberzirrhose

17 000

2

4

chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD)

Koronare Herzkrankheit Der Begriff koronare Herzkrankheit (KHK) fasst alle Krankheitsbilder zusammen, die durch eine Mangeldurchblutung des Herzmuskels entstehen. Zu diesem Krankheitsbild gehören Angina pectoris, Herzinfarkt und der plötzliche Herztod. Die verminderte Durchblutung des Herzmuskels führt zu einer Unterversorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen, die sich besonders bei körperlicher Belastung oder Stress auswirkt. Als Ursache der Mangeldurchblutung kommt zwar auch eine plötzliche krampfartige Vasokonstriktion der Koronararterien infrage, meistens resultiert die verminderte Durchblutung jedoch aus einer Gefäßverengung durch Arteriosklerose (䉴 Abb. 16.7). Hierbei lagern sich fetthaltige Plaques an die Arterienwand an und verengen diese. Die Arteriosklerose ist eine multifaktorielle Erkrankung, die unter bestimmten Bedingungen entstehen kann. Zu diesen gehören Bluthochdruck, hoher Cholesterinspiegel, Adipositas, Diabetes, Rauchen, Bewegungsmangel, Stress und erbliche Faktoren. Kommen mehrere solche ungünstigen Bedingungen und Erkrankungen zusammen, so können sie sich gegenseitig verstärken und die Sklerosebildung der Arterien begünstigen. Es kommt zu einem Endothelschaden, der durch Thrombocyteneinlagerung, Intimaödem, Lipoproteineinlagerung, Bildung von Bindegewebe, Riss der Intima und Plaquebildung gekennzeichnet ist. Dies führt schließlich über Verkalkung

Die zehn häufigsten letalen Erkrankungen in Deutschland

407

Gefäßwand Lumen

Jahrzehnte

Minuten

Verletzung Gefäßverschluss

Intima mit leichten Ablagerungen

normal

ohne Beschwerden

Arteriosklerose mit Angina pectoris Herzinfarkt

16.7 Arteriosklerose und Entstehung eines Herzinfarktes. Auf der an das Blut angrenzenden Wandschicht (Intima) der Arterien (z. B. der Herzkranzgefäße) lagert sich im Laufe der Jahre eine Schicht aus Lipoproteinen und Zellen ab. Diese kann sich über Jahrzehnte dramatisch verdicken und das Gefäßlumen ohne fühlbare Symptomatik einschränken. Bei einer plötzlich auftretenden Verletzung der Intima kommt es zu einem plötzlichen Gefäßverschluss und zum Herzinfarkt.

und Blutgerinnsel zu einem Gefäßverschluss. Für die Auslösung der Arteriosklerose werden zwei Mechanismen diskutiert. Nach der response to injury-Hypothese führt eine Verletzung der obersten, an das Blut angrenzenden Arterienwandschicht (Intima) zur Initiierung des komplexen arteriosklerotischen Geschehens. Dagegen sieht die lipoprotein induced arteriosclerosis-Hypothese die oxidative Modifizierung und Aufnahme von LDL durch Makrophagen, die sich in Schaumzellen wandeln und eine Entzündung in der Arterienwand verursachen, als Auslöser. Werden weitere Bereiche und Schichten der Arterienwand von dieser Entzündung erfasst, erfolgt ein Gewebeumbau, und es entsteht an der entsprechenden Stelle eine bindegewebeartige Kappe mit einem Lipidkern (arteriosklerotischer Plaque). Bis zur Bildung der Schaumzelle ist dieser Vorgang durch Senkung der Blutcholesterinwerte reversibel. Arteriosklerotische Veränderungen können sich in jedem großen oder kleinen arteriellen Gefäß des Körpers entwi- Häufigste Todesursache in Deutschland sind koronaren Herzkrankheiten. Zu ihnen ckeln. Als Folge bilden sich an diesen Stellen Gefäßveren- die gehören Angina pectoris, Herzinfarkt und gungen und Verschlüsse. Besonders kritisch sind die Folgen, der plötzliche Herztod. Als Hauptursache für wenn sich solche arteriosklerotischen Veränderungen in den diese Erkrankungen gelten arteriosklerotiHerzkranzgefäßen (Herzinfarkt) oder in den Halsarterien sche Veränderungen der Gefäßwände. (Schlaganfall) bilden.

Angina pectoris Angina pectoris (Brustenge) ist ein Krankheitsbild, das durch anfallsartige Schmerzen in der Brust gekennzeichnet ist. Diese beruhen auf Durchblutungsstörungen der Herzkranzgefäße, die durch eine Engstelle (䉴 Abb. 16.8a) verursacht werden. Die Dauer eines Anfalls variiert zwischen Sekunden bis Minuten. Angina pectoris tritt in verschiedenen Formen auf. Bei einer stabilen Angina pectoris ist der Schmerzcharakter der Anfälle immer derselbe, und die Beschwerden lassen bei körperlicher Ruhe und Medikamenteneinnahme nach. Meist liegt dieser Form eine fast vollständige Stenose von mindestens einem Herzkranzgefäß zugrunde. Bei einer instabilen Angina pectoris sind meist mehrere Herzkranzgefäße verengt oder blockiert. Anfallhäufigkeit

ä

16. Gesundheit und Krankheit

a Verengung der Herzkranzgefäße

b EKG nach Herzinfarkt Hebung der ST Strecke

R

rechte Koronararterie (A. coronaria dextra)

linke Koronararterie (A. coronaria sinistra)

Spannung [mV]

1,0 0,5

T

S

P

0 Q

Engstelle

Bockierung

Zeit [ms]

CK (> 80 U l–1) GOT = ASAT (>19 U l–1) HBDH (> 135 U l–1)

0 1 6h 12h

2

3

pathologischer Bereich

c Herzmuskelenzyme

Aktivität

408

5 6 4 Tage nach Infarkt

16.8 Koronare Herzkrankheit. a) Typische Engstellen oder Blockierungen der Herzkranzgefäße. b) Veränderung des Elektrokardiogramms (EKG) nach einem Herzinfarkt. Typisch ist die Hebung der ST-Strecke. c) Zeitlicher Verlauf der Konzentrationsänderungen der Herzmuskelenzyme Kreatin-Kinase (CK), Aspartat-Aminotransferase (ASAT), auch als GOT bezeichnet, und Hydroxybutyrat-Dehydrogenase (HBDH). Sie geben Aufschluss über den Zeitpunkt des Infarkts und den Therapieverlauf. In Klammern stehen Werte, bei denen ein Verdacht auf einen akuten Herzinfarkt besteht. (Teilweise verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

und Schmerzcharakteristik nehmen zu, und die Anfälle erfolgen auch in Ruhe. Häufig wirken Medikamente nur unzureichend. Bei dieser Form besteht ein hohes Herzinfarktrisiko. Es gibt weitere Formen von Angina pectoris, bei denen die Anfälle im Liegen (Angina decubitus) oder nachts (Angina nocturne) auftreten. Die Angina pectoris wird therapeutisch vor allem durch Einnahme von organischen Nitraten (Glycerintrinitrat) behandelt, die Stickstoffmonoxid (NO) zur Vasodilatation freisetzen. Nach Abklärung des Zustands der Herzkranzgefäße sind unter Umständen eine Ballondilatation mithilfe eines Herzkatheders und das Einbringen eines Stents notwendig. In schweren Fällen, die eine Vorstufe zum Herzinfarkt darstellen, ist eine Bypass-Operation erforderlich.

Herzinfarkt Der Herzinfarkt (Myokardinfarkt) ist eine akute lebensbedrohliche Erkrankung, bei der ein Teil der Herzmuskulatur durch Mangelversorgung abstirbt. Ursache für diese Durchblutungsstörungen (Ischämie) ist eine Blockade der Herzkranzgefäße (䉴 Abb. 16.8a). Das Leitsymptom eines Herzinfarkts ist ein plötzlich auftretender starker

Die zehn häufigsten letalen Erkrankungen in Deutschland

409

Brustschmerz, der in Schultern, Arme, Unterkiefer und Oberbauch ausstrahlen kann und mehr als 20 min anhält. Oft kommt es zu Angstgefühlen, Schweißausbrüchen, Übelkeit und Erbrechen. Akut treten oft gefährliche Herzrhythmusstörungen auf. Der Herzinfarkt ist in den Industrieländern die häufigste Todesursache, in Deutschland treten jährlich pro 100 000 Einwohner etwa 300 Infarkte auf. Bei einem akuten Koronarsyndrom, d. h. bei 20 min anhaltenden starken Brustschmerzen, sollte unbedingt der Rettungsdienst verständigt werden. Es wird umgehend ein EKG angefertigt, in dem sich ein Herzinfarkt oft als Hebung der ST-Strecke zeigt (䉴 Abb. 16.8b). Jedoch ist ein Herzinfarkt häufig nicht im EKG zu sehen, weshalb in den anschließenden Stunden in Laboruntersuchungen die Konzentrationen der Herzmuskelenzyme im Blut bestimmt werden (䉴 Abb. 16.8c). Klassische Biomarker für eine Herzinfarktdiagnose sind die Kreatin-Kinase (CK), die Aspartat-Aminotransferase (ASAT), die auch als GOT bezeichnet wird, und die Lactat-Dehydrogenase, deren Isoenzym Hydroxybutyrat-Dehydrogenase (HBDH) bestimmt wird. Die Änderung der Konzentrationen dieser Enzyme gibt Aufschluss über den Zeitpunkt des Infarktbeginns, das Ausmaß des Infarkts und den Erfolg der Therapie. Neben diesen Untersuchungen wird eine Herzkathederuntersuchung vorgenommen, die durch eine Angiographie (Gefäßdarstellung) den direkten Nachweis der Engstellen und Verschlüsse erlaubt. Bei der Therapie eines Herzinfarktes sind die ersten Minuten und Stunden von entscheidender Bedeutung. Kann die Behandlung innerhalb der ersten Stunden beginnen, so bestehen gute Aussichten, den Gefäßverschluss durch eine Lysetherapie vollständig rückgängig zu machen. Bei dieser Thrombolyse werden Enzyme verabreicht, die durch eine Aktivierung des körpereigenen Plasminsystems eine Fibrinolyse des Blutgerinnsels herbeiführen. Klassische Fibrinolytika sind Streptokinase und Urokinase. Neuerdings werden auch moderne gentechnologisch hergestellte Thrombolytika wie Alteplase, Reteplase und Tenecteplase eingesetzt. Zusammen mit der anschließend über den Herzkatheder vorgenommenen Dilatation kann der Gefäßverschluss auf diese Weise meist beseitigt und eine Reperfusionstherapie eingeleitet werden. Nach einem erfolgreich behandelten Herzinfarkt müssen die Patienten lebenslang blutverdünnende Medikamente Zur Therapie des Herzinfarkts werden Enzyme eingesetzt. Ziel ist (z. B. ASS) und weitere Herzmedikamente einnehmen. thrombolytische eine möglichst schnelle Wiederherstellung Meist werden auch Statine zur Absenkung der Blutfettwerte der koronaren Durchblutung, um die abgeund des Arterioskleroserisikos verordnet. Eine Normalisie- storbenen (nekrotischen) Zellareale möglichst rung des Lebenswandels umfasst eine ausgewogene Ernäh- klein zu halten. Nach einem überstandenen Herzinfarkt müssen lebenslang blutverdünrung, Stressabbau, Gewichtsnormalisierung und strikter nende Medikamente eingenommen werden. Nikotinverzicht. Neuere Ansätze zur Therapie das infarktgeschädigten Herzens umfassen das Einbringen von Stammzellen oder von Wachstumsfaktoren (insulin like growth factors, IGF) in das betroffene Herzkranzgefäß, um die Neubildung von Gefäßen (Angiogenese) anzuregen. Nach der Wiederherstellung der koronaren Durchblutung kann es durch einen Reperfusionsschaden zu Komplikationen kommen. Dabei kommt es durch die erneute Durchblutung des ischämischen Gewebes zur Bildung von Sauerstoffradikalen, z. B. Wasserstoffperoxid (䉴 Abb. 16.9), die neben Membranschädigungen auch Granulocyten aktivieren, die sich im Gewebe ansiedeln und schädliche Substanzen freisetzen.

ä

410

16. Gesundheit und Krankheit

Reperfusion (Reoxygenierung)

O2, H2O, OH– Schädigung von Plasmamembran und ER

Signaltransduktion Endothelaktivierung

16.9 Reperfusionsschaden. Nach der Wiederherstellung der koronaren Durchblutung kann ein Reperfusionsschaden zu Komplikationen führen. Im ischämischen Gewebe werden Sauerstoffradikale gebildet, die eine Kaskade von Reaktionen in Gang setzen, die schließlich die Parenchymzellen schädigen. (Verändert nach Schmidt, Lang und Thews 2005.)

Calciumübertragung Leukocytenadhäsion

+

mikrovaskuläre Dysfunktion Permeabilität↑, Ödeme endothelvermittelte Dilatation ↓

Enzymaktivierung (z.B. Calpain) Schädigung der Funktion von Parenchymzellen

+

Schlaganfall In Deutschland erleiden jährlich etwa 350 000 Menschen einen Schlaganfall (cerebraler Insult). Nach dem Herzinfarkt steht diese Krankheit an zweiter Stelle der Todesfälle. Ist der Verlauf nicht letal, so sind die Betroffenen danach häufig pflegebedürftig. Ursächlich für den Schlaganfall ist eine Durchblutungsstörung des Gehirns, die in etwa 65% aller Fälle ebenfalls auf Arteriosklerose zurückzuführen ist. Bei stabiler Herz-Kreislauf-Funktion reicht die Mangeldurchblutung durch die verengten Gehirngefäße häufig gerade noch für eine Minimalversorgung der Gehirnzellen aus. Kommt es jedoch zu Blutdruckabfall, Herzschwäche oder Herzrhythmusstörungen oder bei älteren Menschen zur Bluteindickung infolge von Flüssigkeitsmangel, so kann ein akuter Schlaganfall auftreten. Weitere Auslöser für einen Schlaganfall sind die lokale Bildung eines Thrombus in Gehirngefäßen oder die Verlagerung eines Embolus (Blutgerinnsel), das sich z. B. an den Herzklappen gebildet hat, sich löst und die Gehirngefäße verschließt. Seltener ist der Riss einer krankhaft erweiterten Gehirnschlagader (Aneurysma) ursächlich. Ausgehend von diesen Ursachen unterscheidet man zwei Formen von Schlaganfällen, den ischämischen Insult infolge einer Mangeldurchblutung und den hämorrhagischen Insult infolge einer Hirnblutung. Beide Formen können durch die Magnetresonanztomographie (MRT) differenzialdiagnostisch typisiert werden. Akute Symptome eines Schlaganfalls sind Sehstörungen (Doppelbilder, Gesichtsfeldausfall, Pupillenerweiterung), Schwindel und Gleichgewichtsstörungen, Lähmungen und Taubheitsgefühl, Kopfschmerz, Orientierungsstörungen, Verwirrtheit und Sprachstörungen. Bei Verdacht auf Schlaganfall muss der Patient unverzüglich not-

Die zehn häufigsten letalen Erkrankungen in Deutschland

ärztlich versorgt und in eine Klinik aufgenommen werden, um möglichst schnell eine Thrombolyse einzuleiten. Meist werden die Patienten in speziellen Behandlungszentren (stroke units) versorgt. Im Focus der Nachsorge steht die neurologische Rehabilitation, die die gestörten Körperfunktionen wieder herstellen und die Wiedereingliederung in das soziale und berufliche Umfeld ermöglichen soll.

411

Ursache eines Schlaganfalls sind meist Gefäßverengungen, die durch arteriosklerotische Veränderungen hervorgerufen werden. Bei Verdacht auf einen Schlaganfall sollte unverzüglich eine notärztliche Versorgung einsetzen.

ä

Krebs von Luftröhre, Bronchien und Lunge Tumoren der Luftröhre (Trachealtumoren) sind relativ selten. Sie äußern sich in blutigem Auswurf, Kurzatmigkeit, Heiserkeit und Atemgeräuschen. In 70% aller Fälle liegt ein Plattenepithelkarzinom vor, das oft als sekundärer Tumor von Nachbarstrukturen (Oesophagus, Schilddrüse, Larynx, Pharynx) ausgeht. Als Risikofaktoren gelten Rauchen und Asbestexposition. Therapeutisch erfolgt im Frühstadium eine endoskopische Resektion, ansonsten eine Strahlentherapie. Chemotherapie wird nur palliativ angewendet. Tumoren der Bronchien (Bronchialkarzinom) werden allgemein auch als Lungenkrebs bezeichnet. Das Bronchialkarzinom macht ca. 95% aller bösartigen Tumoren der Lunge aus. Es stellt deshalb eine der häufigsten Krebsarten dar. Als Hauptursache gilt das inhalative Rauchen aber auch Asbestexposition. Auch die Inhalation des radioaktiven Gases Radon gilt als häufige Ursache. Für die Entstehung wird eine entzündliche Reizung der Bronchialzellen verantwortlich gemacht. Je nach Zelltyp können sich so die kleinzelligen Bronchialkarzinome (SCLC) oder die nichtkleinzelligen Bronchialkarzinome (NSCLC) entwickeln. Zu letzteren gehören die Plattenepithelkarzinome, die Adenokarzinome und die Riesenzellkarzinome. Bronchialkarzinome treten besonders bei Männern auf und haben eine hohe Sterblichkeitsrate, da sie meist erst spät entdeckt werden. Im frühen Stadium ist eine vollständige Resektion des Tumors und des umgebenden Lungengewebes angezeigt. Später oder begleitend wird eine Strahlen- oder Chemotherapie eingesetzt. Bronchialkarzinome metastasieren häufig in Lymphknoten, Leber, Gehirn oder Knochen. Die Behandlungsarten unterscheiden sich wesentlich je nach Tumortyp. Eine Heilung hängt stark von einer frühzeitigen Erkennung ab. Oft kann die Erkrankung nur für einige Jahre aufgehalten werden. Tumoren des Lungenparenchyms können von den Bronchialwänden ausgehen und erst in späterem Stadium Der überwiegende Teil der Lungentumoren sich als Bronchialkarzinom aus auf das Lungengewebe übergreifen. Häufig stellen sie entwickelt entarteten Epithelzellen der Bronchien. Da jedoch auch maligne Metastasen hämatogener oder lym- sie meist erst spät entdeckt werden, haben phogener Ursache dar, da die Lunge als größter Blutfilter sie eine hohe Sterblichkeitsrate. wirkt. Über 30% der extrapulmonalen Malignome metastasieren in der Lunge. Seltener findet man semimaligne Tumoren mit besserer Heilungschance oder benigne Lungentumoren (Fibrome, Lipome, Adenome), die meist operativ entfernt werden können.

ä

412

16. Gesundheit und Krankheit

Dickdarmkrebs (kolorektales Karzinom) Mehr als 95% der malignen Darmtumoren werden durch kolorektale Karzinome verursacht. Sie bilden in Deutschland die zweithäufigste Krebserkrankung. Kolorektale Karzinome entstehen überwiegend aus anfangs gutartigen Darmpolypen, die später entarten. Da diese Krebsform zunächst symptomlos verläuft, wird sie oft erst spät entdeckt. Bei früher Diagnose sind die Heilungschancen fast 100%, bei später Entdeckung liegen die Überlebensraten trotz Chemotherapie und Operation nur etwa bei 50%. Deshalb sollten Personen älter als 55 Jahre etwa alle 10 Jahre eine vorsorgliche Darmspiegelung (Koloskopie) durchführen lassen. Die meisten malignen kolorektalen Karzinome sind Adenokarzinome, die aus Drüsenzellen der Darmschleimhaut entstehen. Das Entartungsrisiko der Dickdarmpolypen kann anhand ihrer Wuchsform beurteilt werden (䉴 Abb. 16.10). Breitbasig wachsende Polypen durchbrechen die Basalmembran und dringen in die darunterliegenden Blut- und Lymphgefäße ein. Die Tumorzellen metastasieren in die regionalen Lymphknoten und später über die Pfortader in die Leber (䉴 Abb. 16.4d). Die vom Patienten spät erkennbare Symptomatik beginnt mit Blut und Schleim im Stuhl, funktionellen Darmstörungen wie Obstipation, Diarrhoe und Flatulenz, sowie später dann Schmerzen und Krämpfe. Differenzialdiagnostisch müssen diese Symptome vom Reizdarmsyndrom abgegrenzt werden, bei dem es zu gleichartigen Symptomen kommt, die aber ihre Ursache in entzündlichen Darmerkrankungen wie Colitis

breitbasiger Dickdarmpolyp

hohes Malignitätsrisiko zotttiger Dickdarmpolyp

mittleres Malignitätsrisiko gestielter Dickdarmpolyp

16.10 Dickdarmpolypen. Die verschiedenen Wuchsformen geben Hinweise auf das Malignitätsrisiko. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

niedriges Malignitätsrisiko

Die zehn häufigsten letalen Erkrankungen in Deutschland

a normal

b Colitis ulcerosa Krypten

Schleimhautinsel

Ulceration (Geschwür)

413

c Morbus Crohn Granulom

Mucosa Submucosa Muscularis

Fistel 16.11 Entzündliche Darmerkrankungen. a) Normaler Aufbau der Darmwand. b) Bei der Colitis ulcerosa bleiben die Geschwüre auf die Mucosa und Submucosa begrenzt. c) Bei Morbus Crohn befallen die Geschwüre alle Wandschichten und führen häufig zur Fistelbildung. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

ulcerosa oder Morbus Crohn haben. Bei diesen Erkrankungen bilden sich Ulcera, die ebenfalls Blutungen auslösen (䉴 Abb. 16.11). Therapeutisch wird eine vollständige operative Resektion unter Einbeziehung des zugehörigen Lymphabflussgebietes angestrebt. Eventuell wird der Tumor in einer neoadjuvanten Chemotherapie vorher verkleinert. In etwa 70% der Fälle kann der tumortragende Darmabschnitt vollständig entfernt und die verbliebenen Darmenden über eine Anastomose verbunden werden. Bei distal liegenden kolorektalen Tumoren ist oft ein künstlicher Darmausgang erforderlich. Zur Vermeidung von Rezidiven wird oft eine kombinierte Chemo- und Strahlentherapie eingesetzt. Der Einsatz von monoklonahlen Antikörpern befindet sich in der klinischen Erprobung. Die Prognose ist von der Tiefe der Infiltration in die Darmwand und dem Grad der Metastasierung abhängig. In den ersten fünf Jahren überleben etwa 50% der Betroffenen. Weitere maligne Erkrankungen des Darms sind neuroendokrine Tumoren (Karzinoide), die hauptsächlich im Kolorektale Karzinome entwickeln sich als aus entarteten Zellen, die zunächst Appendix und Dünndarm vorkommen, sowie Leiomyo- Adenome gutartige Polypen bilden. Werden sie frühsarkome der glatten Dünndarmmuskulatur. Sie sind ver- zeitig erkannt und operativ beseitigt, so ist gleichsweise selten und machen nur etwa 2% der Darm- die Prognose sehr gut. Im späten Stadium krebserkrankungen aus. Risikofaktoren für Darmkrebs sind haben sich meist schon Metastasen gebildet, und die Sterblichkeitsrate ist deshalb sehr eine familiäre genetische Vorbelastung, hohes Alter, sowie hoch. eine langandauernde falsche Ernährung mit zu wenigen Ballaststoffen.

ä

414

16. Gesundheit und Krankheit

Chronisch obstruktive Lungenerkrankung

ä

Unter einer chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) versteht man eine Gruppe von Krankheiten der Lunge, die durch Husten, vermehrten Auswurf und Atemnot gekennzeichnet sind. Umgangssprachlich werden sie auch als Raucherlunge bezeichnet. In Deutschland sind davon etwa 3–5 Mio. Menschen betroffen, und sie stellt die fünfthäufigste Todesursache dar. Ihre Häufigkeit nimmt zu, sodass man sie als Volkskrankheit bezeichnen kann. Als Hauptursache gilt inhalatives Tabakrauchen. Zum Krankheitsbild der COPD tragen drei verschiedene Erkrankungen bei, die jeweils ihre eigene Pathophysiologie zeigen. Dies sind die chronische Bronchitis, die chronische Bronchiolitis und das Lungenemphysem. Bei allen drei Krankheiten liegt eine chronische Entzündung vor, die zur Vermehrung von T-Lymphocyten, Makrophagen und neurotrophilen Granulocyten führt. Durch die Sekretion von proinflammatorischen (entzündungsfördernden) Mediatoren kommt es auch zu Schädigungen außerhalb der Lunge. COPD ist also eine systemische Erkrankung, an der auch die Blutgefäße, das Herz und Muskulatur und Knochen beteiligt sind. Es erfolgt eine neurohumorale Aktivierung des Sympathikus, die zu einer zusätzlichen Vasokonstriktion führt. Die am häufigsten auftretende chronische Bronchitis entsteht beim inhalativen Tabakrauchen durch eine ständige Reizung des Bronchialepithels, das sich zu einem Plattenepithel umwandelt (Metaplasie). Dabei degenerieren die Cilien, und die Schleimsekretion ist so gestört, dass die Selbstreinigungsfunktion der Atemwege nicht mehr funktioniert. Muköser Schleim sammelt sich vor allem über Nacht an, und am Morgen setzt ein starker Hustenreiz ein. Es können sich sackartige Ausweitungen der Atemwege (Bronchiektasen) bilden, in der Folge mit eitrigen Entzündungen, die auf die Lunge übergreifen können. Im Spätstadium der Erkrankung entsteht oft eine COPD oder ein Lungenemphysem. Als chronische Bronchiolitis wird die Entzündung der terminalen Bronchiolen bezeichnet. Beim Lungenemphysem handelt es sich um eine irreversible Überblähung der Lunge, die als Endstadium verschiedener entzündlicher Vorerkrankungen erfolgt. Da durch diese auch das Lungengewebe in Mitleidenschaft gezogen wird, kommt es durch körpereigene Proteasen und Elastasen zum Abbau der Alveolarsepten. Dadurch verliert die Lunge ihre Elastizität, und es kann keine vollständige Ausatmung mehr erfolgen. Ein Teil der verbrauchten Luft bleibt in den Alveolen, die dann auch bei der Einatmung weniger sauerstoffreiche Luft aufnehmen können. Durch diesen verminderten Gasaustausch entwickelt sich allmählich eine chronische Atemnot, zunächst nur bei Belastung, später auch als Dauerzustand (Ruhedyspnoe). Durch den verChronisch obstruktive Lungenerkrankungen (COPD) sind als Volkskrankheiten weit verminderten Sauerstoffgehalt des Blutes zeigen die Patienten breitet und meist auf Tabakrauchen zurücktypische Symptome wie eine bläulich-rote Verfärbung von zuführen. Die terminalen Luftwege sind Lippen, Fingerspitzen und Zehenspitzen. Im Spätstadium dabei durch Entzündungen geschädigt und teilweise blockiert, sodass der Gasaustausch einer COPD nimmt das Lumen der Lungengefäße ab, verringert ist und sich eine chronische sodass sich der Widerstand im Lungenkreislauf erhöht Atemnot entwickelt. Die Krankheit ist nicht und es schließlich zu einer Rechtsherzbelastung (Cor pulheilbar. monale) kommt.

Die zehn häufigsten letalen Erkrankungen in Deutschland

415

Diabetes mellitus Diabetes mellitus („honigsüßer Durchfluss“; Zuckerkrankheit) hat ihren Namen erhalten, weil der Urin von Personen mit einem erhöhten Blutzuckerspiegel einen süßlichen Geschmack hat. Der Begriff Diabetes mellitus umschreibt als Sammelbegriff verschiedene Erkrankungen (Stoffwechselstörungen), die alle zu einer Überzuckerung (Hyperglykämie) des Blutes führen. Sie beruhen entweder auf einem Insulinmangel oder einer Insulinunempfindlichkeit (Insulinresistenz). Der Blutzuckerspiegel wird durch die Hormone Insulin und Glucagon reguliert, wobei die Zellen der Langhans-Inseln in der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) eine zentrale Rolle spielen. Die Funktion dieser Zellen wurde bereits in Kapitel 7 beschrieben, in diesem Kapitel werden nun die verschiedenen Krankheitstypen des Diabetes, ihre Auswirkungen auf den Körper und ihre Behandlung und Prognose behandelt. In Deutschland gibt es ca. 4 Mio. Diabetiker, und Diabetes mellitus steht auf der WHO-Liste der Krankheiten, die in Deutschland am häufigsten zum Tod führen, an sechster Stelle (䉴 Tab. 16.2). Die Krankheit unterscheidet sich in Diabetes Typ I und II. Beim Typ-I-Diabetes handelt es sich vermutlich um eine Autoimmunerkrankung, bei der die B-Zellen im Pankreas zerstört werden, sodass nicht mehr ausreichend Insulin produziert wird. Für die Entstehung wird eine erbliche Veranlagung postuliert, wobei die Erkrankung vermutlich durch eine Virusinfektion ausgelöst wird, die eine Antikörperbildung gegen die B-Zellen des Pankreas induziert. Meist entwickelt sich die Krankheit bis zum 30. Lebensjahr, und die eigentlichen Symptome wie Zuckerausscheidung im Urin (Glucosurie) und die Abgabe großer Urinmengen (Polyurie) manifestieren sich innerhalb eines kurzen Zeitraums von wenigen Wochen bis Monaten. Die Patienten entwickeln einen großen Durst, und bei unbehandeltem Diabetes treten Übelkeit und Bewusstseinsstörungen auf. Der normale Blutzuckerspiegel des Menschen liegt zwi- Diabetes mellitus beruht entweder auf einem schen 60 mg dl– 1 und 140 mg dl– 1 (䉴 Abb. 16.12). Werte Insulinmangel oder auf einer Insulinunempfindlichkeit der Zielzellen. Unbehandelt führt unter 50 mg dl– 1 werden als Unterzuckerung (Hypoglyk- sie früher oder später zu lebensbedrohlichen ämie) bezeichnet, ab 180 mg dl– 1 spricht man von einer Komplikationen. Hyperglykämie. Die Blutzuckerwerte variieren allerdings individuell und tagesrhythmisch und auch abhängig vom Zeitpunkt der Nahrungsaufnahme. Um einen Diabetes mellitus zu diagnostizieren wird deshalb der Nüchternblutzuckerspiegel nach achtstündiger Nahrungskarenz herangezogen. Dabei liegen die Normalwerte bei 70–110 mg dl– 1, Werte zwischen 110–125 mg dl– 1 gelten als grenzwertig. Ab 125 mg dl– 1 geht man von einer Diabetes-Erkrankung aus. Etwa 90% aller Diabetiker leiden am Typ-II-Diabetes. Die Erkrankung betrifft meist ältere und übergewichtige Personen, bei denen die fortwährende Überernährung zu ständig steigenden Insulinkonzentrationen geführt hat. In der Folge werden die Insulinrezeptoren in den Geweben unempfindlicher (Insulinresistenz), sodass das Pankreas trotz ständig wachsender Insulinproduktion nicht ausreichend Insulin liefern kann. Es kommt zu einem relativen Insulinmangel und dadurch ebenfalls zu Symptomen wie Durst und Polyurie. Typ-II-Diabetiker sind auch sehr infektionsanfällig, die Krankheit lässt sich aber oft durch Diät und Gewichtsreduktion behandeln. Typ-II-Diabetes tritt allerdings häufig mit Bluthochdruck und erhöhten Blutfettkonzentrationen auf. Diese Kombination wird als metabolisches Syndrom

ä

416

16. Gesundheit und Krankheit

diabetisches Koma

Überzuckerung 10

180

7,8

140

5,5

100

2,8 16.12 Normalwerte und pathologische Veränderungen des Blutzuckerspiegels. (Verändert nach Huch und Jürgens 2007.)

Unterzuckerung

mmol l–1 Plasma

50

Nierenschwelle

physiologischer Bereich nach dem Essen physiologischer Nüchternbereich hypoglykämisches Koma

mg dl–1 Plasma

bezeichnet und stellt in diesem Zusammenhang ein hohes Mortilitätsrisiko dar (䉴 Tab. 16.2). Als akute Komplikationen eines Diabetes mellitus treten Überzuckerung und diabetisches Koma auf. Bei Nichtbehandlung einer Hyperglykämie kann sich sehr rasch in ein lebensbedrohliches diabetisches Koma (Coma diabeticum) entwickeln, das als Notfall auf einer Intensivstation behandelt werden muss. Beim Typ-I-Diabetiker entstehen durch den hochgradigen Insulinmangel Ketonkörper als Abbauprodukte des Fettstoffwechsels. Es entwickelt sich ein ketoazidotisches Koma mit einem typischen Acetongeruch in der Atemluft. Beim Typ-II-Diabetiker entwickeln sich dagegen durch die massiv erhöhten Blutzuckerwerte ein hyperosmolares Koma, das zu einem Flüssigkeitsentzug aus den Geweben (Gehirn) führt und durch massive Polyurie zu einer Austrocknung. Bei einer Hypoglykämie fallen die Werte unter 50 mg dl– 1. Die Betroffenen bekommen Heißhunger, werden unruhig und zittrig. Nehmen sie nicht schnell resorbierbare Kohlenhydrate (Traubenzucker) auf, fallen sie in einen hypoglykämischen Schock mit Bewusstseinseintrübung und neurologischen Störungen. Bei notfallmäßiger intravenöser Glucosegabe bessern sich die Symptome rasch. Im Verlauf des Lebens entwickelt sich bei Diabetikern ein diabetisches Spätsyndrom, das umso früher auftritt, je schlechter der Diabetes durch regelmäßige Insulingaben eingestellt war. Häufig auftretende Spätschäden betreffen das Blutgefäßsystem (Makroangiopathie), wobei Arteriosklerose, Herzinfarkte und Schlaganfälle auftreten. Gefürchtet sind auch arterielle Durchblutungsstörungen, die im Bereich der Beine häufig zu Amputationen führen. Mikroangiopathien der kleinen Blutgefäße führen im Auge zur Retinopathie, einer häufigen Ursache für das Erblinden. In der Niere können solche Gefäßschädigungen zu einer diabetischen Nephropathie, im Nervensystem zu einer diabetischen Polyneuropathie mit Sensibilitätsstörungen führen.

Die zehn häufigsten letalen Erkrankungen in Deutschland

417

Grundlage jeder Diabetes-Behandlung ist eine Diät, die einer normalen Vollwertkost entspricht. Allerdings muss hier streng auf die Kohlenhydrate geachtet werden, und es sollten bevorzugt langsam resorbierbare Polysaccharide verzehrt werden. TypI-Diabetiker müssen die Kohlenhydratmenge ihrer Mahlzeit möglichst genau berechnen. Maßeinheit ist die Broteinheit (BE), die einer Kohlenhydratmenge von 10–12 g entspricht, also etwa einem halben Brötchen oder einer Kartoffel. Pro Tag benötigt ein normalgewichtiger Erwachsener etwa 15–16 BE. Zusätzlich ist bei allen Typ-T-Diabetikern die parenterale Gabe (s.c.-Injektion) von Insulin notwendig, das in verschiedenen Formen (Mischinsuline, Normalinsulin und Depotinsulin) verabreicht wird. Eine internationale Einheit Insulin entspricht 0,05 mg Insulin und senkt den Blutzuckerspiegel um 30–50 mg dl– 1. Für Typ-II-Diabetiker dient eine Diät ebenfalls einer dauerhaften Gewichtsreduktion. Zusätzlich werden bei Bedarf orale Antidiabetika (Sulfonylharnstoffe) eingesetzt, in schweren Fällen auch Insulininjektionen. Bei insulinpflichtigen Diabetikern wird seit einigen Jahren auch ein chirurgisches Therapieverfahren zur Behandlung eingesetzt. Bei dieser Inselzelltransplantation werden Zellen der Langerhans-Inseln von Organspendern über das Blutgefäßsystem der Leber implantiert, damit sie sich im Körper festsetzen. Auch die Transplantation einer vollständigen Bauchspeicheldrüse ist möglich. Bei Patienten, Diabetiker werden mit Insulininjektionen, denen das Pankreas infolge einer schwerwiegenden Pankrea- oralen Antidiabetika oder seit einigen Jahren mit chirurgischen Therapieverfahren titis entfernt wurde, kann aus diesem Material auch eine auch (Inselzelltransplantation) behandelt. autologe Transplantation mit eigenem Körpergewebe erfolgen.

Atemwegsinfektionen Neben banalen viralen Infektionen wie Erkältung oder Schnupfen können im Bereich der oberen und unteren Atemwege ernsthafte bakterielle Erkrankungen auftreten. Je nach Art und Anzahl der eingedrungenen Keime entwickelt sich eine Entzündung, die durch Rötung, Schwellung, Schmerz und Funktionsverlust des betreffenden Areals gekennzeichnet ist. Im Bereich der oberen Atemwege betreffen diese Entzündungen die Ohren (Otitis), die Rachenmandeln (Tonsillitis), die Nasennebenhöhlen (Sinusitis), den Rachen (Pharyngitis) und den Kehlkopf (Laryngitis). Im Bereich der unteren Luftwege kann es zu Entzündungen der Luftröhre, der Bronchien (Bronchitis) oder der Lunge (Pneumonie) kommen. Nach der WHO-Statistik sind Pneumonien die weltweit häufigsten zum Tode führenden Infektionskrankheiten. Trotz wirksamer Antibiotika stellen sie auch in den medizinisch gut versorgten westlichen Industrieländern eine vitale Bedrohung dar und stehen in Deutschland hinsichtlich der Häufigkeit von tödlich verlaufenden Erkrankungen an siebter Stelle. Pneumonien stellen eine entzündliche Erkrankung des Lungenparenchyms dar, die durch Bakterien, Viren, Pilze, Protozoen oder Parasiten verursacht werden kann. Dabei kann der Verlauf der Erkrankung akut oder chronisch sein. Man unterteilt diese Lungenentzündungen in primäre und sekundäre Pneumonien. An einer primären Pneumonie erkrankt ein Mensch ohne besondere Risikofaktoren. Die Erreger sind meist Pneumokokken, Staphylokokken, Haemophi-

ä

418

ä

16. Gesundheit und Krankheit

lus influenzae, Mykoplasmen, Chlamydien, Legionellen oder Grippe- und Adenoviren (䉴 Abb. 16.6). Bei sekundären Pneumonien verlagert sich das Erregerspektrum auf Herpesviren, Pilze, Pneumocystis, Protozoa und anaerobe Bakterien. Hier liegt meist ein prädisponierender Faktor oder die Zugehörigkeit zu einer Risikogruppe vor. Weiter unterteilt man Pneumonien dahingehend, ob sie ambulant oder nosokomial (in der Klinik) erworben wurden. Eine dritte Form der Kategorisierung unterteilt zwischen einer typischen Pneumonie, die durch Bakterien (Pneumokokken, Staphylokokken) ausgelöst wurde, und einer atypischen Pneumonie, deren Verursacher Viren oder Pilze wird. Diese Unterscheidung erfolgt mithilfe des Röntgenbildes, da typische Pneumonien meist auf einen oder mehrere Lungenlappen begrenzt sind und mit hohem Fieber und eitrigem Auswurf einhergehen, während atypische Pneumonien oft nur mit mäßigem Fieber einhergehen und im Röntgenbild eine diffuse interstitielle Entzündung zeigen. Die Diagnose einer Pneumonie erfolgt nach einer sorgfältigen Anamnese durch Auskultation, Thoraxröntgen und durch eine mikrobielle Diagnose des Sputums oder besser von Sekret, das aus tieferen Atemwegen abgesogen wurde. Bei schweren Fällen sollte vor Beginn einer Antibiotikatherapie auch eine Blutkultur angelegt werden. Am häufigsten tritt die ambulante Pneumonie auf, die bei über 90% der Fälle bakteriellen Ursprungs ist. Pro Jahr erkranken in Deutschland ca. 800 000 Menschen an dieser Form der Lungenentzündung, 30% davon werden im Krankenhaus behandelt und etwa 2 000 Menschen sterben daran. Abhängig von der individuellen körperlichen Situation und den möglichen Begleiterkrankungen haben ambulante Pneumonien meist eine günstige Prognose. Dagegen sind nosokomiale Pneumonien schwer zu behandeln und bedürfen von Beginn an einer aggressiven Antibiotikatherapie. Bei diesen oft abwehrgeschwächten Patienten treten oft sekundäre Erkrankungen wie Tuberkulose auf. Neben allgemeinen therapeutischen Maßnahmen wie körperliche Schonung, angefeuchtete Atemluft, ausreichende Flüssigkeitszufuhr und die Gabe von Mucolytika, Aerosolen und Atemgymnastik, müssen Pneumonien in aller Regel mit Antibiotika therapiert werden. Die Auswahl des Präparats richtet sich primär nach dem Erreger und dem Antibiogramm. Häufig muss schnell eine initiale Therapie eingeleitet werden, bei der breit wirkende Antibiotika eingesetzt werden, die später eventuell spezifisch ersetzt oder ergänzt werden. Eine ambulante Pneumonie sollte mindestens fünf Tage, bei Die schwerste Atemwegsinfektion ist die Lungenentzündung (Pneumonie). Sie stellt Komplikationen 8–10 Tage antibiotisch behandelt werden, durch die Entzündung des Lungenparenin jedem Fall aber bis zur Fieberfreiheit. Differenzialchyms eine vitale Bedrohung dar und muss diagnostisch muss eine Pneumonie von anderen Lungenmit geeigneten Antibiotika bekämpft werden, wenn sie bakteriellen Ursprungs ist. erkrankungen (Bronchialkarzinom, Tuberkulose, Lungenembolie und Lungenfibrose) abgegrenzt werden. Auch die Tuberkulose (Schwindsucht) ist eine bakterielle Infektion, die am häufigsten die Lungen befällt. Sie wird meist durch Mycobacterium tuberculosis ausgelöst und durch Tröpfcheninfektion übertragen. Sind Keime im Sputum nachweisbar, so spricht man von offener Tuberkulose. Etwa ein Drittel der Weltbevölkerung ist mit Tuberkuloseerregern infiziert, etwa 9 Mio. Menschen erkranken jährlich, wovon etwa 1,6 Mio. pro Jahr daran sterben. In Deutschland gab es 2007 etwa 5 000 gemeldete Tuberkulosefälle. Nach der Infektion werden die Bakterien in den meisten Fällen

Die zehn häufigsten letalen Erkrankungen in Deutschland

419

schon in den Atemwegen abgewehrt, sodass nur etwa 10% der infizieren Menschen erkranken. Hierbei spielen eine genetische Disposition, der Ernährungszustand und auch die Menge und Häufigkeit der aufgenommenen Bakterien eine Rolle. Im Rahmen der Abwehrmechanismen nehmen die Makrophagen den Erreger in den Alveolen auf, können ihn aber nicht abtöten und kapseln ihn deshalb durch einen ringförmigen Wall aus Abwehrzellen ein. Zentral bildet sich ein nekrotischer Entzündungsherd. Die Mycobakterien verändern ihre Stoffwechselaktivität und gehen in ein Stadium der Dormanz über, einer schlummernden Primärinfektion, aus der sie jedoch jederzeit wieder erneut in einen aktiven Zustand eintreten und so eine postprimäre aktive Tuberkulose auslösen können. Eine Primärinfektion ohne Krankheitszeichen wird auch als latente Tuberkuloseinfektion bezeichnet. Die abgekapselten kleinen Knötchen in der Lunge werden als Tuberkel bezeichnet. Haben sie keinen Anschluss an das Atemwegssystem, so liegt eine geschlossene Tuberkulose vor. Sie ist nicht ansteckend, da keine Erreger ausgeschieden werden. Die Erreger können sich aber auch im Körper ausbreiten und andere Organe befallen. Dann kommt es zu einem schweren Krankheitsbild, das neben Müdigkeit, Schwäche und Appetitlosigkeit auch Husten mit blutigem Auswurf, Luftnot und Fieber zeigt. Bei etwa 10% der Patienten bricht die Krankheit erst zu einem späteren Zeitpunkt aus. Die Tuberkulosebakterien vermehren sich im Lungengewebe, zerstören es und gelangen mit dem blutigen Auswurf in die Ausatemluft. Dann liegt eine hochinfektiöse sekundäre Tuberkulose vor. Zur Diagnosestellung dienen neben der mikrobiellen Untersuchung des Sputums auch der Tuberkulin-Hauttest, Tuberkulose ist eine hochgefährliche meldepflichtige Erkrankung, die vorwiegend die Blut- und Gewebeuntersuchungen und eine röntgenologi- Lunge betrifft, sich aber auch in anderen sche Diagnostik. Auch immunologische Testverfahren (g- Organen manifestieren kann. In den letzten Interferon-Test) werden angewendet. Die Krankheit wird Jahren entwickelten sich zunehmend resisBakterienstämme, sodass eine erfolgmit einer Kombination aus verschiedenen Antibiotika be- tente reiche Tuberkulosebehandung heutzutage handelt, die als Antituberkulotika bezeichnet werden. Da wieder schwieriger geworden ist. sich die Mycobakterien sehr langsam teilen, ist die Gefahr einer Resistenzbildung besonders hoch. Deshalb dauern Behandlung und Antibiotikaeinnahme mehrere Monate. Seit einigen Jahren hat die WHO die Ausbreitung multiresistenter Bakterienstämme in Osteuropa und Zentralasien festgestellt, die eine erfolgreiche Tuberkulosebehandlung massiv erschweren. Die Tuberkulose ist eine der ältesten Erkrankungen des Menschen. Sie wurde in ägyptischen Mumien gefunden, aber auch durch typische Skelettverformungen in Fossilien des Frühmenschen Homo erectus, sodass man heute davon ausgeht, dass es die Krankheit bereits vor etwa 500 000 Jahren gab.

Brustkrebs Brustkrebs (Mammakarzinom) ist die häufigste Krebserkrankung bei Frauen. An dieser Krankheit sterben mehr Frauen als an jeder anderen Krebserkrankung. Auch in der männlichen Brust kann in seltenen Fällen Brustkrebs entstehen. Obwohl die meisten Mammakarzinome zufällig auftreten, gibt es sowohl erbliche als auch erworbene Risikofaktoren. Ca. 5% aller Mammakarzinome haben eine genetische Ursache.

ä

420

ä

16. Gesundheit und Krankheit

Dabei handelt es sich um Mutationen in einer Reihe von Genen, die zur Entwicklung von Mamma- und Ovarialkarzinomen führen. Es handelt sich dabei hauptsächlich um das Gen BRCA1, das auf Chromosom 17q21 liegt, und BRCA2 von Chromosom 13q21. Beide Gene codieren Transkriptionsfaktoren, die an der Kontrolle der Zellteilung beteiligt sind. Trägerinnen der BRCA1-Mutation haben ein 85%iges Risiko, bis zum 70. Lebensjahr an einem Mammakarzinom zu erkranken, bei BRCA2-Mutationen ist das Risiko ähnlich hoch. Das Risiko für Ovarialkarzinome liegt bei 60% bzw. etwa 15%. Männliche Träger der BRCA2-Mutation haben ein 5%iges Risiko bis zum 60. Lebensjahr ein Mammakarzinom zu entwickeln. Darüber hinaus haben Mutationsträger auch ein erhöhtes Risiko für andere Krebserkrankungen in Colon, Pankreas, Prostata und Endometrium. Obwohl die Mutationen genetisch genau lokalisiert sind, kann man heutzutage noch keine genaue Vorhersage über den Vererbungsgang in der Keimbahn einer Familie machen, d. h. es lassen sich keine genauen Prognosen stellen. Weitere Faktoren für eine Erhöhung des Brustkrebsrisikos sind östrogen- und progesteronhaltige Medikamente (Hormonersatztherapie), abhängig vom Zeitraum des Therapiebeginns nach der Menarche. Auch Strahlenexposition, Tabakrauchen, hoher Alkoholkonsum, Sonnen- und Vitamin-D-Mangel sowie endogene Faktoren wie das vasokonstriktorische Endothelin erhöhen das Risiko bzw. spielen eine prädisponierende Rolle für die Entstehung von Brustkrebs und seine Metastasierung. Entscheidend für die Prognose und Therapie des Mammakarzinoms ist die möglichst frühzeitige Erkennung, bevor der Tumor metastasiert hat und sich die Metastasen über die Vertebralvenen, Lymphabflusswege und die axillären Lymphknoten verbreitet haben (䉴 Abb. 16.4). Deshalb wird Frauen eine monatliche Selbstuntersuchung (Abtasten der Brust und der Lymphknoten) dringend empfohlen. Die Diagnose erfolgt über bildgebende Verfahren wie Sonographie (Ultraschall), Mammographie (Röntgen) und eventuelle Gewebeentnahmen (Stanzbiopsie, Vakuumbiopsie) mit anschließender histologischer Untersuchung. Neuerdings wird auch Mikrokalk (Mikrokalzifikationen) besondere Aufmerksamkeit geschenkt, da diese kleine Kalkablagerungen aus Überresten abgestorbener Zellen ein frühzeitiger Hinweis auf die mögliche Entstehung eines Mammakarzinoms sein können. Mikrokalk kommt allerdings auch bei gutartigen Brustveränderungen (Zysten, Mastopathien) vor. Der häufigste Mammakarzinomtyp ist mit 70–80% das Brustkrebs (Mammakarzinom) ist die häuAdenokarzinom, das aus dem Epithel der Milchgänge figste Krebserkrankung bei Frauen, ententsteht. Histologisch werden die Tumortypen nach der wickelt sich jedoch, wenn auch selten, bei TNM-Klassifikation in drei Gruppen unterteilt, wobei Männern. Die Heilungschancen hängen Tumorgröße, befallene Lymphknoten und Metastasen entscheidend von einer möglichst frühen Erkennung ab, da der Primärtumor sehr ausschlaggebend sind. Im Rahmen der Therapie wird der schnell metastasiert. Tumor zunächst möglichst brusterhaltend operativ entfernt. Begleitend zur Operation wird oft eine kombinierte Strahlen-, Chemo- oder (Anti)Hormontherapie eingesetzt. Letztere wird mit dem Antiöstrogen Tamoxifen durchgeführt. Oft sind auch die axillären Lymphknoten befallen und müssen operativ entfernt werden, was meist zu einem Lymphödem im Arm führt.

Die zehn häufigsten letalen Erkrankungen in Deutschland

421

Bluthochdruck (arterielle Hypertonie) Bei der arteriellen Hypertonie beträgt der systolische Blutdruck nach der WHO-Definition über 140 mm Hg und der diastolische über 90 mm Hg. Laut WHO-Statistik steht sie hinsichtlich der Häufigkeit von tödlich verlaufenden Erkrankungen an neunter Stelle der in Deutschland zum Tode führenden Krankheitsbilder (䉴 Tab. 16.2). Ursachen der arteriellen Hypertonie können Störungen des Hormonsystems, Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems sowie Nierenschädigungen sein. Dem größten Teil der Erkrankungen liegen jedoch noch weitgehend unbekannte Faktoren zugrunde. Diese werden als primäre oder essenzielle Hypertonie bezeichnet. Sie haben vermutlich eine multifaktorielle Genese, bei der genetische Ursachen eine wichtige Rolle spielen. Zwar sind einzelne Mutationen bekannt, die jedoch für sich allein die Krankheit nicht verursachen können. Die Bedeutung der genetischen Faktoren wird durch eine meist positive Familienanamnese unterstrichen. Auch Faktoren des Lebensstils (Stress, Alkohol- und Tabakkonsum sowie hohe Salzaufnahme) spielen eine Rolle. Zur Pathogenese der primären Hypertonie wird Insulin und der endothelialen NOSynthase eine wichtige Rolle im Rahmen eines metabolischen Syndroms zugeschrieben. Arterielle Hypertonie verursacht meist nur unspezifische Symptome (Kopfschmerz, Schwindel, Übelkeit) und muss im Falle einer primären Hypertonie lebenslang mit blutdrucksenkenden Medikamenten (ACE-Hemmer, Betablocker, Diuretika, Calcium- und Angiotensinantagonisten) behandelt werden. Bei 5–15% der Bluthochdruckpatienten liegt eine sekundäre Hypertonie vor, die als Ursachen nachweisbare Erkrankungen der Nieren (Entzündungen, diabetische Schäden) oder eine Verengung der Nierenarterie haben. Auch Störungen des Hormonhaushaltes durch Tumoren Die Ursachen für die häufigste Form des Blut(essenzielle Hypertonie) sind der Nebenniere, Verengungen der Gefäße (hauptsächlich hochdrucks noch nicht bekannt. Es liegen vermutlich der Aorta), spielen eine Rolle. genetische Prädispositionen vor, die zusamUnbehandelt führt eine arterielle Hypertonie zu Arterio- men mit anderen Risikofaktoren eine multisklerose und dadurch im Zusammenhang mit anderen faktorielle Ursache darstellen. Hoher Blutdruck ist langfristig letal und muss behandelt Faktoren wie Adipositas, Diabetes und Fettstoffwechselstö- werden. rungen zu einem erheblichen Risiko für koronare Herzkrankheiten. So werden in Deutschland ca. 50% der Todesfälle durch Herz-KreislaufErkrankungen mit arterieller Hypertonie in Zusammenhang gebracht.

Leberzirrhose Auf dem letzten Platz der WHO-Statistik (䉴 Tab. 16.2) steht die Leberzirrhose, deren Inzidenz in den westlichen Industrieländern bei etwa 250 pro 100 000 Einwohnern liegt. Bei dieser Erkrankung handelt es sich um das irreversible Endstadium chronischer Lebererkrankungen, dessen Entstehung über viele Jahre und Jahrzehnte dauern kann. Ursache der Zirrhose ist eine Nekrose der Leberzellen, die durch chronische Entzündungen oder Toxine verursacht werden kann. Durch die Freisetzung von Cytokinen wird das Immunsystem lokal stimuliert und verursacht einen destruktiven Umbau des Leberparenchyms mit Knoten und Bindegewebssträngen. Als Vorstufe der Zirrhose gilt die Fettleber.

ä

422

ä

16. Gesundheit und Krankheit

Mögliche Ursachen für diese Umbildung und Zerstörung des Lebergewebes sind Alkoholmissbrauch, Virushepatitis, Autoimmunhepatitis, Fettleberhepatitis, Tropenkrankheiten, eine Reihe von metabolischen Störungen sowie die Überdosierung von bestimmten Medikamenten (Methotrexat und Paracetamol). Symptome einer Leberzirrhose sind Müdigkeit, Leistungsabfall und Leberhautzeichen mit gelblicher Haut und rot gefärbten Fingerballen. Die subjektiven Beschwerden treten oft erst in einem späten Stadium auf. Durch Störungen des Leberstoffwechsels und der Entgiftungsfunktion sind vielfältige sekundäre Erkrankungen zu beobachten. Die Zirrhose gilt auch als Präkanzerose, d. h. oft entwickelt sich ein hepatozelluläres Karzinom. Im Endstadium kann es zu einem Leberkoma kommen. Die definitive Diagnose wird nach Voruntersuchungen durch eine Leberbiopsie gestellt und die Erkrankung nach Ursache und Verlauf nach dem Child Pugh-Schema in verschiedene Stadien eingeteilt, die dann auch eine Prognose erlauben. Grundlage einer Therapie ist die Beseitigung aller potenziell lebertoxischen Substanzen. Dabei kann es sich um AlkoholentDie Leberzirrhose stellt das Endstadium einer schweren entzündlichen Lebererkranzug, Virusbekämpfung durch eine Interferontherapie oder kung dar, die viele verschiedene Ursachen eine Immunsuppression handeln. Außerdem ist eine aushaben kann. Sie ist irreversibel und kann in reichende Vitamin- und Energiezufuhr wichtig. Bei einer schweren Fällen nur durch eine Lebertransmassiven Zerstörung der Leber bleibt in vielen Fällen nur plantation geheilt werden. die Lebertransplantation als letztes Mittel übrig.

Verlauf von Krankheiten Im Verlauf einer Erkrankung versucht der Körper, diese erfolgreich zu überwinden und zu einer vollständigen Heilung zu gelangen. Bei einer bakteriellen Infektion würde das bedeuten, dass die Erreger wieder vollständig aus dem Körper entfernt werden konnten und die durch die Entzündung geschädigten Gewebe wieder gänzlich durch neues Gewebe ersetzt wurden. Bleibt jedoch, z. B. nach einem Unfall, ein nicht wieder herstellbarer Schaden zurück (Amputation, Narbenbildung), so spricht man von einer Defektheilung. Tritt dieselbe Krankheit nach einiger Zeit wieder auf, so bezeichnet man dies als Rezidiv. Bei einer Chronifizierung kann die Krankheitsursache nicht beseitigt werden, und es kommt zu einem lange andauernden Krankheitsverlauf, der unter Umständen nicht mehr ausgeheilt werden kann. Die Erkrankung kann dann kontinuierliche Symptome zeigen (chronischkontinuierlicher Verlauf) oder in Schüben auftreten (chronisch-rezidivierender Verlauf), z. B. beim chronischen Asthma. Oft werden chronische Krankheiten auch funktionell kompensiert, sodass sich der Körper damit arrangieren kann. Bei einer chronischen Progredienz können sich solche Erkrankungen mit der Zeit aber auch immer mehr verschlimmern, z. B. bei der Parkinson-Erkrankung oder beim Morbus Alzheimer.

Sterben und Tod

423

Sterben und Tod Die Funktionen des menschlichen Körpers werden letztendlich wie die aller vielzelligen Organismen durch einen natürlichen Vorgang beendet (Sterben), der zu einem endgültigen, nicht mehr revidierbaren Zustand (Tod) führt. Sterben und Tod sind im Leben eines Menschen natürliche Vorgänge, die jedoch durch soziale und psychische Faktoren erheblich beeinflusst werden. Insofern erfährt jeder Mensch einen individuellen Sterbeprozess und Tod. Medizinisch wird der Begriff Tod auf drei unterschiedliche Zustände angewendet, die unterschiedlich bezeichnet werden. Der klinische Tod ist ein Zustand, bei dem die Herz-Kreislauf-Funktionen erloschen sind. In diesem Zustand gibt es keinen Herzschlag, keinen arteriellen Puls und auch keine Atemfunktionen, und der Körper befindet sich in Bewusstlosigkeit. Er kann jedoch innerhalb einer Wiederbelebungszeit (䉴 Abb. 11.14) durch Reanimationsmaßnahmen wieder ins Leben zurückgerufen werden. Ohne oder bei zu spät erfolgter Reanimation stirbt das Gehirn infolge mangelnder Durchblutung ab, und es tritt der Hirntod ein. Er ist gekennzeichnet durch einen fehlenden Pupillen- und Hornhautreflex. Von einem Teilhirntod spricht man, wenn die Reanimationsmaßnahmen zwar die Funktion der Stammhirnareale wiederhergestellt haben, die übergeordneten Großhirnareale aber funktionell erloschen bleiben. Die Herz-Kreislauf-Funktionen der Person bleiben dann zwar erhalten, die Persönlichkeit ist aber in fortdauernder Bewusstlosigkeit erloschen. Mit dem Hirntod enden die stoffliche Integrität und die persönliche Existenz des Menschen. Der Tod eines Men- Sterben ist ein natürlicher Vorgang im schen muss durch eine ärztliche Bescheinigung (Toten- menschlichen Leben, der aber für jeden Menindividuell abläuft und je nach Vorgeschein) fachlich bestätigt werden. Er ist eine öffentliche schen schichte auch sehr unterschiedlich erlebt Urkunde, die dem Standesamt die Grundlage für die Aus- wird. Eine angemessene Sterbebegleitung stellung der Sterbeurkunde gibt. Da einige Gewebe und sollte es deshalb jedem Menschen ermögOrgane von hirntoten Menschen mit Erlaubnis des Betrof- lichen, sein Leben unter menschenwürdigen Umständen zu beschließen. fenen oder seiner Angehörigen für Transplantationszwecke verwendet werden können, muss ein Hirntod durch eine unabhängige Untersuchung zweier Ärzte erfolgen, die nicht an der Transplantation beteiligt sind. Als medizinische Kriterien zur Feststellung des Hirntodes müssen die ausgefallenen neurologischen Funktionen durch Atemstillstand, Fehlen der Hirnstammreflexe und ein 30-minütiges Null-Linien-Elektroencephalogramm nachgewiesen werden. Große Bedeutung im Verlauf des Sterbens kommt einer menschenwürdigen Sterbebegleitung zu, die von den Angehörigen oder dem Personal einer Klinik oder eines Hospizes durchgeführt werden sollte. In Deutschland sterben etwa 60% der Bevölkerung im Krankenhaus oder im Hospiz. Ziel des Sterbebeistands soll es sein, den Sterbenden durch die letzte Phase seines Lebens zu begleiten und ihn in seinen Ängsten und Nöten zu stützen. Nach neueren Forschungen durchläuft ein sterbender Mensch mehrere Sterbephasen. Diese beginnen mit der Abwehrphase, in der der kommende eigene Tod gedanklich abgewehrt wird. Danach folgt die Zornesphase, in der der Mensch sich gegen sein Schicksal aufbäumt, eine Verhandlungsphase, in der versucht wird, den Zeitpunkt argumentativ zu verschieben, die Verzweiflungsphase die durch Depression und Trauer gekennzeichnet ist, und schließlich eine Phase der

ä

424

16. Gesundheit und Krankheit

Zustimmung und Hoffnung über den Tod hinaus. Wichtig für eine gute Sterbebegleitung ist es, dem Sterbenden die Angst vor der Abschiebung und vor dem Alleinsein zu nehmen und ihm das Sterben möglichst in der Gemeinschaft mit anderen Menschen erleben zu lassen.

? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Klausurfragen Erklären Sie den Begriff „Gesundheit“ nach der WHO-Definition. Welche Vorgänge führen zur Arteriosklerose? Was ist ein Reperfusionsschaden? Beschreiben Sie die verschiedenen Typen der hämatogenen Metastasierung. Welche Formen des Lungenkarzinoms gibt es, und wodurch unterscheiden sie sich? Wodurch entstehen kolorektale Karzinome? In welchem physiologischen Bereich bewegt sich der normale Blutzuckerspiegel? Welche genetischen Veränderungen erhöhen das Risiko für Brustkrebs dramatisch? Was ist eine essenzielle Hypertonie, und wodurch entsteht sie? Welche verschiedenen medizinischen Definitionen für den Tod gibt es?

✔ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ ⵧ

Kapitel 17

Humanökologie und Humanethologie

Lernziele

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Nach der Bearbeitung des folgenden Kapitels über die Stellung des Menschen in seiner Umwelt und über seine angeborenen und erlernten Verhaltensweisen, sollten Sie die Zusammenhänge und Bedeutung der folgenden Themenbereiche verstanden haben: Dynamik von menschlichen Populationen und ihre Bedeutung für die Entwicklung der Weltbevölkerung. Organisation der Lebensweisen (Verstädterung und Urbanisierung). Anpassung des Menschen an die Umweltbedingungen. Wirkung und Risiko der modernen Technik auf das Leben. Anpassung an verschiedene Infektionskrankheiten. Grundlagen des Verhaltens. Bedeutung von psychosozialem Stress und seine Wirkung auf das Leben.

426

17. Humanökologie und Humanethologie

Populationsdynamik und Lebensräume Nachdem wir uns im Verlauf des Buches mit der menschlichen Entwicklung, den biologischen Grundlagen, dem Aufbau und der Funktion des Körpers und mit den ihn bedrohenden Krankheiten beschäftigt haben, wenden wir uns nun im letzten Kapitel seiner natürlichen Lebensform zu, die sich im Verlauf der Jahrtausende entwickelt hat. Am Ende von Kapitel 1 wurde bereits die Dynamik der Entwicklung der menschlichen Population angesprochen, die sich zurzeit auf etwa 6,7 Mrd. Menschen beläuft und laut Prognosen im Jahr 2050 etwa 9,2 Mrd. erreichen wird. Im Laufe seiner Evolution hat es der Mensch geschafft, sämtliche Kontinente der Erde, mit Ausnahme der Polgebiete, erfolgreich und dauerhaft zu besiedeln. Dazu musste sich der Mensch nicht nur durch seine genetische Evolution an höchst unterschiedliche klimatische Standorte mit sehr variablen Ressourcen anpassen, sondern auch seine Kultur und sein Verhalten entwickelten sich entsprechend. Durch Erfindungen und technische Entwicklungen gelang es dem Menschen, Lebensräume zu besiedeln, in denen er ohne die modernen Errungenschaften wie Heizung oder Kühlung auf Dauer nicht hätte überleben können. Der Mensch hat also neben einer Adaption seines Körpers, z. B. an verschiedene Bereiche der Umgebungstemperatur, auch eine soziale Adaption durchlaufen, um sein Leben möglichst optimal zu organisieren, z. B. durch die gemeinsame Besiedlung von Flächen, die sich mit einer Infrastruktur von Dörfern über Städte zu Metropolen entwickelten.

Entwicklung der Weltbevölkerung

ä

Die Veränderungen der Weltbevölkerung hängen von zwei Faktoren ab, der Geburten- und der Sterblichkeitsrate. Beide Faktoren haben sich regional und zeitabhängig höchst unterschiedlich entwickelt. Während in den modernen Industrieländern ein dramatischer Geburtenrückgang eingesetzt und sich das Sterbealter ins hohe Alter verlagert hat, findet in den Entwicklungsländern weiter ein starkes Bevölkerungswachstum statt, weil die Geburtenrate zwar auch abnimmt aber noch immer viel höher ist als in den Industrieländern und das Alter der Gestorbenen sich ebenfalls weiter nach oben verschoben hat. Dadurch ist die sogenannte Alterspyramide der Bevölkerung in den verschiedenen Regionen der Erde sehr heterogen. Der Anteil der jüngeren Bevölkerung nimmt gegenüber den Personen mittleren und höheren Alters deutlich ab (䉴 Abb. 17.1). Das globale Bevölkerungswachstum wirft auch deshalb Probleme auf, weil die meisten Menschen in weniger entDie Entwicklung der Weltbevölkerung wickelten Ländern mit hohem Bevölkerungswachstum hängt von der Geburten- und der Sterbrate und wenig eigenen Ressourcen leben. Der Reichtum konab. Da diese durch geographische und kulturelle Faktoren beeinflusst werden, ist die zentriert sich auf wenige Länder der Erde mit einem gerinAlterspyramide der Bevölkerung in den vergen Bevölkerungsanteil. Von Armut betroffen ist der schiedenen Regionen der Erde sehr untergrößte Teil der Menschen in weniger entwickelten Regioschiedlich. nen. Sie geht einher mit mangelhafter Ernährung, medizi-

Populationsdynamik und Lebensräume

Alter

427

Entwicklungsländer heute

Deutschland 1920

Europa um 1960

Bundesrepublik 2030

Pagodenform

Dreiecksform

Glockenform

Urnenform

(stark wachsende Bevölkerung)

(wachsende Bevölkerung)

(stationäre Bevölkerung)

(schrumpfende Bevölkerung)

100

65

15 0

17.1 Alterspyramiden. Die verschiedenen Formen der Alterspyramide beschreiben die Altersstruktur einer Bevölkerung (blau hinterlegte Textfelder). Die Form der Pyramiden ist charakteristisch für die Bevölkerungsdynamik (grau hinterlegte Textfelder). (Verändert nach Gruppe et al. 2005.)

nischer Unterversorgung und deshalb geringerer Lebenserwartung. Es gilt, den Menschen in den Industrienationen diese Armut bewusst zu machen, damit sie begreifen, dass die ungleichen Verhältnisse auf Dauer nicht ohne Probleme für alle bleiben werden.

Verstädterung und Urbanisierung Der in Kapitel 1 angesprochene Übergang von der aneignenden Lebensweise (Jäger und Sammler) zur produzierenden Lebensweise (Viehzucht und Ackerbau), der im Neolithikum vor etwa 6 000–8 000 Jahren stattfand, führte im vorderen Orient in der Region des „fruchtbaren Halbmonds“ zur Gründung der ersten Städte. Nach heutigen Maßstäben waren sie mit bis zu 10 000 Einwohnern klein, doch sie waren auf engem Raum und mit einer Vielzahl von produzierenden Tätigkeiten (Handwerk und Dienstleistung) ökonomisch stark organisiert. Eine Verstädterung im großen Stil setzte erst mit der Industrialisierung im 19. Jahrhundert ein, und heute lebt etwa jeder zweite Mensch auf der Erde in einer Stadt. Als Verstädterung bezeichnet man die Vermehrung, Ausdehnung und Vergrößerung der Anzahl, Fläche und Einwohner der Städte, eine Urbanisierung be- Mit der Industrialisierung setzte eine Verschreibt dagegen die Ausbreitung dieser städtischen Lebens- städterung ein, sodass heutzutage etwa jeder form in einem Land. Städtische Gebiete erzeugen, besonders zweite Mensch in einer Stadt lebt. Durch den in den ärmeren Entwicklungsländern, einen großen Sog Bevölkerungsstrom in die Megacities entstehen besonders in den Entwicklungsländern und lösen einen Zuwanderungsstrom aus dem ländlichen große strukturelle Probleme. Raum aus. Deshalb nahmen die Zahl der Städte und beson-

ä

428

17. Humanökologie und Humanethologie

ders ihre Größe in den letzten Jahrzehnten dramatisch zu. Besonders in den Megacities (über 8 Mio. Einwohner) entstanden so große strukturelle Probleme in der allgemeinen Versorgung, die zu den meist im Außenbereich liegenden Elendsvierteln geführt haben. Die massive Verstädterung belastet und schädigt Mensch und Umwelt stark und ist heutzutage ein globales Problem ersten Ranges.

Epidemiologie und Gesundheit Die Epidemiologie befasst sich mit der Erforschung der Ursachen von Krankheiten und ihrer Verbreitung in einer Population. Dabei versucht sie, die Faktoren zu ermitteln, die in dem jeweiligen Lebensraum die Ausbreitung von Erkrankungen beeinflussen. Es handelt sich dabei um geographische, soziokulturelle und psychische Einflussfaktoren. Durch seine biologische Evolution ist der Mensch an ein Leben mit unterschiedlichen Krankheitserregern angepasst, und die Gesundheit einer Bevölkerung drückt auch die erfolgreiche Gestaltung ihrer Lebensbedingungen aus. Moderne epidemiologische Untersuchungen haben das Ziel, Umweltrisiken zu erkennen und zu beseitigen oder zu vermeiden und der Bevölkerung Hinweise und Anregungen für eine gesunde Lebensführung zu geben. Dazu gehört auch die Formulierung von Verbesserungsvorschlägen für die medizinische Versorgung auf Länderebene, um Krankheiten, die unter Umständen die ganze Bevölkerung bedrohen, optimal vorzubeugen oder sie gegebenenfalls einzudämmen. Im Laufe der Menschheit haben Epidemien, insbesondere von Infektionskrankheiten, die Entwicklung und die Struktur ganzer Populationen beeinflusst. Dies zeigt sich am Beispiel der Pest im Mittelalter, aber auch Pocken, Lepra, Syphilis, Cholera, Tuberkulose und heutzutage die Influenza (Grippe) haben durch ihre unkontrollierte Ausbreitung Millionen von Menschenleben gefordert. Als Epidemie bezeichnet man eine Krankheit, die in einer definierten Region plötzlich auftritt, sich rasch in der Bevölkerung verbreitet und dann nach einer gewissen Zeit wieder verschwindet. Eine Endemie ist eine Krankheit, die in einem eng begrenzten Areal vorkommt, sich dort durch die Einstellung eines Gleichgewichts zwischen Erreger und Wirt stabilisiert und dann meist lange anhält. Als Pandemie bezeichnet man eine Krankheit, die sich schnell über viele Länder ausbreitet und weltweit auftritt. Die WHO überwacht die Epidemiologie solcher Krankheiten weltweit und initiiert Maßnahmen zu ihrer Vorbeugung, gegen ihre Ausbreitung und koordiniert ihre Bekämpfung. Besondere Bemühungen gelten der Bekämpfung von Infektionskrankheiten, die von der WHO in drei Kategorien eingeteilt werden (䉴 Tab. 17.1). Weltweit werden etwa 50% der von Infektionskrankheiten bedingten Mortalität von drei Krankheiten verursacht: HIV, Tuberkulose und Malaria. Am Beispiel der Tuberkulose, einer Krankheit, die einige Zeit in vielen Gebieten erfolgreich bekämpft und zurück gedrängt wurde, zeigt sich die Wichtigkeit epidemiologischer Untersuchungen. Zunehmend verbreiten sich nämlich resistente Tuberkulose-Stämme, auch abhängig von sich ändernden politischen und soziologischen Gegebenheiten. Die Epidemiologie von Infektionskrankheiten ist heutzutage wichtiger denn je. Obwohl die Kontrollstrategien der WHO viele Infektionskrankheiten eingedämmt

Humanökologie

Tabelle 17.1 WHO.

Einteilung der bedeutendsten Infektionskrankheiten unserer Zeit durch die

Kategorie

Klassifikation

Krankheiten (Beispiele)

Strategie

1

verheerende und unkontrollierbare Krankheit

Schlafkrankheit (Trypanosomiasis, Trypanosoma brucei), DengueFieber, Leishmaniose

keine Vorbeugung oder Impfung möglich; Schutz vor Insektenstichen

2

schwere Krankheit, die fortbesteht, obwohl eine Kontrollstrategie vorhanden ist

Malaria, Schistomiasis (Bilharziose, Tuberkulose)

Schutz vor Insektenstichen, Chemotherapie, Antibiotikatherapie

3

Krankheiten, die abnehmen, weil die Kontrollstrategien erfolgreich sind; eine weltweite Eliminierung dieser Krankheiten ist absehbar

Chagas-Krankheit (Trypanosomiasis, Trypanosoma cruzi), Lepra, Elefantiasis (lymphatische Filariose), Flussblindheit (Onchozerkose)

Vektorkontrolle, Schutz vor Insektenstichen, Chemotherapie, Antibiotikatherapie

haben, verbreiten sich neuerdings resistente Erregerstämme und virale Erkrankungen und stellen ein erhebliches Risiko für die Weltbevölkerung dar.

Demographie Die Zusammensetzung und Aufgliederung einer Bevölkerung nach Geschlecht, Alter, Familienstand, Kinderzahl, regionaler Verteilung und vieler anderer Parameter wird durch die Bevölkerungswissenschaft (Demographie) untersucht. Sie erhebt nicht nur aktuelle Zustandsdaten, etwa durch regelmäßige Zählungen und Befragungen der Bevölkerung eines Landes oder einzelner Gruppen, sondern liefert auch statistisches Datenmaterial zur Prognose vielfältiger Entwicklungen. Wichtige demographische Parameter sind Fertilität, Mortalität und Migration. Erst mit solchen Daten lassen sich die Entwicklung einer Bevölkerung und die ihr zugrunde liegenden biologischen und soziologischen Prozesse verstehen. Die Demographie liefert also Daten zum Bevölkerungsaufbau und zur Bevölkerungsstruktur, wobei insbesondere die Altersstruktur einer Population ein wichtiger Indikator für die zukünftige Bevölkerungsentwicklung darstellt. Sie lässt sich am Beispiel einer Alterspyramide verdeutlichen (䉴 Abb. 17.1).

Humanökologie Die Wissenschaft der Humanökologie befasst sich mit den Beziehungen zwischen Menschen und ihrer natürlichen Umwelt. Im Mittelpunkt steht dabei die Fragestel-

429

430

17. Humanökologie und Humanethologie

lung, inwiefern Menschen als Individuen oder Gesellschaften mit ihrer Umwelt interagieren. Dies betrifft sowohl biologische als auch soziologische Gesichtspunkte. Im Laufe seiner Evolution hat sich der Mensch im Rahmen seiner biologischen Fähigkeiten sowohl selbst an die Umwelt adaptiert als auch versucht, seine unmittelbare Umwelt so umzugestalten, dass er sie als Lebensraum optimal nutzen kann. Dazu hat er sich an physikalische Umweltfaktoren wie Temperatur, geographische Standorte und Höhenlagen angepasst wie auch an Infektionsrisiken und Ernährungsressourcen. Außerdem hat er vielfältige technische Hilfsmittel geschaffen, die seine Lebensbedingungen verbessern sollten.

Adaption an die Temperatur und Standorte Da der Mensch seine Körpertemperatur in einem engen Bereich konstant halten muss (䉴 Kap. 6), wirft der Aufenthalt oder die dauerhafte Besiedlung von heißen und kalten Klimazonen besondere Probleme auf. Im Allgemeinen können sich Menschen besser an Hitze als an Kälte adaptieren. Dies hängt vermutlich mit der stammesgeschichtlichen Ursprung der Menschheit – ehemals tropische Primaten – zusammen, auf deren Umwelt die einzelnen Komponenten des Temperaturregelsystems ausgelegt sind. Für die dauerhafte Besiedlung heißer Standorte sind neben den biologischen Regulationsmechanismen aber auch umfangreiche kulturelle Verhaltensanpassungen notwendig. Zu ihnen gehören eine Umstellung des tageszeitlichen Aktivitätsmuster (Mittagsruhe), die Konstruktion von ventilierten und klimatisierten Behausungen sowie ein möglichst häufiger Aufenthalt im Schatten. Folge dieser kulturellen Anpassungen sind allerdings erheblich höhere Lebenshaltungskosten für Wasser und Energie. Für die Anpassung an kalte Standorte sind neben den biologischen Anpassungen durch Unterhautfettgewebe und energiereiche Ernährung die Anpassungen der Kultur und des Verhaltens noch entscheidender. Hierbei handelt es sich um geeignete warme Bekleidung, isolierte und gut beheizte Behausungen und ein ebenfalls tageszeitlich angepasstes Aktivitätsmuster. Auch die Ernährungsweise hat eine kulturelle Veränderung erfahren. Neben der möglichst energiereichen Nahrung ist ihre heiße Zubereitung und Verzehr, sowie die Wärmezufuhr in den Körperkern durch heiße Getränke von Bedeutung.

Adaption an Strahlung Die für das menschliche Leben wichtige Sonnenstrahlung enthält neben der Infrarotstrahlung (>750 nm) und dem Bereich des sichtbaren Lichts (400–750 nm) auch den Bereich des ultravioletten Lichts (