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B978-3-437-58785-6.00003-X

10.1016/B978-3-437-58785-6.00003-X

978-3-437-58785-6

Elsevier GmbH

Abb. 3.2

[L107/R252]

Eukaryotische Zelle mit Zellorganellen. Einige Zellbestandteile, die im Schnittpräparat zweidimensional erscheinen, sind zum besseren Verständnis dreidimensional und vergrößert. 1 = Kern mit Hetero- (dunkel) und Euchromatin (heller) sowie Nukleolus; 2 = Golgi-Apparat; 3 = Mikrovilli (mit Glykokalix), 4 = Sekretgranulum mit Exozytose; 5 = Zentriolen; 6 = Kinozilie; 7 = Zonula occludens; 8 = Zonula adhaerens; 9 = Lysosom; 10 = glattes endoplasmatisches Retikulum; 11 = Peroxisom; 12 = Gap Junction; 13 = Endozytose; 14 = Desmosom; 15 = Glykogen; 16 = Interzellulärspalt; 17 = Zelleinfaltung; 18 = Teile der Basalmembran; 19 = Polysomen; 20 = Hemidesmosom; 21 = Mikrotubuli und Keratinfilamente; 22 = Mitochondrium; 23 = raues endoplasmatisches Retikulum; 24 = multivesikulärer Körper.

Abb. 3.3

[L141]

Phospholipide, Glykolipide und Cholesterin in der Zellmembran

Abb. 3.4

[L190]

Raues endoplasmatisches Retikulum (rER) und Golgi-Apparat. Im rER werden Proteine gebildet und mithilfe von Transportvesikeln zum Golgi-Apparat gebracht. Bei ihrer „Wanderung“ von der Aufnahme- zur Abgabeseite des Golgi-Apparats werden die Proteine modifiziert und nach Bestimmungsort sortiert. Die Lysosomen verbleiben in der Zelle, die Sekretgranula werden ausgeschleust.

Abb. 3.5

[L190]

Mitochondrium in der Schemazeichnung mit äußerer und innerer Membran sowie die durch Auffaltungen der inneren Membran gebildeten Cristae

Abb. 3.6

[M375]

Kinozilien. Längsschnitt von Kinozilien an der Spitze einer Epithelzelle der Tuba uterina. An den Basalkörpern (Pfeile) befinden sich feine Wurzelstrukturen, die der Verankerung dienen. Elektronenmikroskopische Aufnahme.

Abb. 3.7

[M375]

Mikrovilli. Längsschnitt durch den Bürstensaum des Dünndarms. 1 = Mikrovilli; 2 = Darmlumen. Elektronenmikroskopische Aufnahme.

Abb. 3.8

[L190]

Zellkern und Kernmembran mit Kernporen. Die 3 Bestandteile des Karyoplasmas sind zu erkennen: Nuklear-Sol, Chromatin (Gesamtheit der Chromosomen) und Kernkörperchen.

Abb. 3.9

[L190]

Chromosom. Im Bereich des Zentromers setzen an Proteinauflagerungen (Kinetocheren) bei der Teilung die Spindelfasern an. Die Telomere an den Chromosomenenden spielen bei der Replikation der DNA eine Rolle. An ihnen wie auch an den Zentromeren wird keine genetische Information abgelesen.

Abb. 3.10

[L190]

Feinbau eines Chromosoms

Abb. 3.11

[L190]

Replikation der DNA. Wie ein Reißverschluss wird die DNA in der Mitte zwischen ihren korrespondierenden Basen aufgetrennt. An die freien Basen lagern sich korrespondierende Basen an, die zu einem neuen Strang verknüpft werden.

Abb. 3.12

[L190]

Der Zellzyklus mit der Interphase und den 4 Phasen der Mitose

Abb. 3.13

[L190]

Die Meiose am Beispiel der Eizellbildung (Oogenese). Im Gegensatz zur Spermienbildung (es entstehen 4 Spermien) entsteht aus einer unreifen weiblichen Keimzelle nur eine Eizelle, während die 3 Polkörperchen zugrunde gehen.

Abb. 3.14

[L190]

Beispiele für die Differenzierung menschlicher Zellen (Größenverhältnisse zwischen den Zelltypen nicht maßstabsgetreu, insbesondere ist die Eizelle stark verkleinert).

Abb. 3.15

[L253]

Zellkontakte

Abb. 3.16

[L190]

Oben Diffusion, unten Osmose. Bei der Diffusion treten Teilchen ungehindert durch die für sie durchlässige (permeable) Membran, bis ein Konzentrationsausgleich erreicht ist. Bei der Osmose können die Teilchen nicht durch die semipermeable Membran treten, wohl aber das Lösungsmittel (beim Menschen Wasser), das entsprechend von der Seite niedriger Teilchenkonzentration zur Seite mit hoher Konzentration fließt. Nach erfolgtem Konzentrationsausgleich entspricht die hydrostatische Druckdifferenz (Höhenunterschied der Flüssigkeitssäulen) dem osmotischen Druck.

Abb. 3.17

[L190]

Endo- und Exozytose. Die Abbildung zeigt auch, dass mit der Endo- und Exozytose ein ständiger Zellmembranumbau verbunden ist.

Abb. 3.18

[G592]

Keimblätter (dritte Woche der Embryonalentwicklung). Die Chorda dorsalis stellt ein primitives Stützskelett des Embryos dar.

Abb. 3.19

[L190]

Verschiedene Epithelarten

Abb. 3.20

[L190]

Exokrine Drüsen. Links: Einteilung nach dem Aussehen der Endstücke. Rechts: Einteilung nach dem Bau des Gangsystems.

Abb. 3.21

[M375]

Kollagenes Bindegewebe. Links lockeres Bindegewebe (oben links ein kleines Blutgefäß), rechts straffes parallel-faseriges Bindegewebe.

Abb. 3.22

[L190, M375]

Knorpelarten

Abb. 3.23

[L107]

Osteoblasten, Osteoklasten und Osteozyten (Schema). Der Raum unter den Osteoklasten wird Howship-Lakune genannt.

Abb. 3.24

[M375]

Längs- und Querschnitt durch einen glatten Muskel, einen quergestreiften Muskel (Skelettmuskel) und den Herzmuskel

Abb. 3.25

[L190]

Skelettmuskel in einer stufenweise stärkeren Vergrößerung von der makroskopischen Ansicht (a) bis hin zum elektronenmikroskopisch erfassbaren Elementarstruktur (d)

Abb. 3.26

[L190]

Sarkomer und Mikrofilamente. Bei der Muskelkontraktion verkürzt sich das Sarkomer durch Ineinandergleiten der Aktin- und Myosinfilamente.

Abb. 3.27

[L190]

Der Mechanismus der Muskelkontraktion nach dem traditionellen Modell des sog. Querbrückenzyklus. Bei wiederholten Zyklen bewegt sich das Kopfteil des Myosinfilaments unter ATP-Verbrauch wie das Ruder eines Bootes.

Abb. 3.28

[L190]

Aufbau eines Neurons. Die linke, hellblau unterlegte Bildhälfte stellt die „Eingangsseite“ des Neurons da, wo Informationen aufgenommen werden; die rechte, grau unterlegte Bildhälfte die „Ausgangsseite“, die Informationen fortleitet – zu anderen Nerven-, Drüsen- oder Muskelzellen. Die Pfeile geben die Richtung der Erregungsleitung von den Dendriten über den Zellkörper zum Axon an.

Abb. 3.29

[L190]

Aufbau einer Synapse. Bei Erregung werden die in den synaptischen Bläschen gespeicherten Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt. Auf der postsynaptischen Membran befinden sich Rezeptoren, an die sich der Transmitter anheftet.

Abb. 3.30

[L190]

Links: Entwicklung einer marklosen und einer markhaltigen Nervenfaser. Bei markhaltigen Nervenfasern legt sich die Schwann-Zelle an das Axon an, umwickelt es und bildet durch mehrere Lagen ihrer Zellmembran die Myelinschicht. Bei marklosen Nervenfasern hingegen werden mehrere Axone von einer Schwann-Zelle umschlossen, eine Myelinscheide bildet sich nicht. Rechts: Längsschnitt durch eine markhaltige Nervenfaser.

Abb. 3.31

[L190]

Ladungsverhältnisse an der Zellmembran eines Neurons. Während des Ruhepotenzials, das im Wesentlichen durch Kaliumdiffusion durch die Zellmembran verursacht ist, ist das Zellinnere negativ gegenüber dem Außenraum geladen. Bei ausreichender Reizstärke nimmt plötzlich die Membranleitfähigkeit für Natrium zu und ein Aktionspotenzial entsteht. Am Höhepunkt dieser Ladungsumkehr nimmt die Membranleitfähigkeit für Natriumionen wieder ab und es kommt zu einem verstärkten Kaliumausstrom. Die Ladungsverhältnisse kehren sich wieder um (Repolarisation).

Abb. 3.32

[L190]

Spannungsverlauf an der Zellmembran bei Ablauf eines Aktionspotenzials

Abb. 3.33

[L190]

Oben: Kontinuierliche Erregungsausbreitung in einer marklosen Nervenzelle. Unten: Saltatorische Erregungsausbreitung in einer markhaltigen Nervenzelle (Schema). Die schwarzen Pfeile bezeichnen den elektronischen Stromfluss, die roten die Fortbewegung des Aktionspotenzials.

Beispiel für eine autosomal-dominante Vererbung. Eltern: Aa (kranke Mutter) und aa (gesunder Vater). A = dominant vererbtes Merkmal; a = rezessiv vererbtes Merkmal; Aa = heterozygot; aa = homozygot.

Tab. 3.1
A a
A Aa (Phänotyp krank, Genotyp krank) Aa (Phänotyp krank, Genotyp krank)
A aa (gesund) aa (gesund)

Beispiel für eine X-chromosomal rezessive Vererbung am Beispiel der Hämophilie. Eltern: XX (gesunde Mutter) und XY (hämophiliekranker Vater).

Tab. 3.2
X Y
X XX (Überträgerin/Konduktorin, Phänotyp gesund) XY (gesund)
X XX (Überträgerin/Konduktorin, Phänotyp gesund) XY (gesund)

Übersicht über die Zellen des Bindegewebes und deren Funktion FibroblastenFibrozytenLipozytenChondroblastenChondrozytenOsteoblastenOsteozyten

Tab. 3.3
Zellart Zellen Funktion
Fixe Zellen Bindegewebszellen (Fibroblasten, -zyten)

  • •

    Fibroblasten: hochaktive Zellen, die kollagenes Bindegewebe produzieren

  • •

    Fibrozyten: ruhende Zellen
Fettzellen (Lipozyten) Speicherung von Energie in Form von Fett
Knorpelzellen (Chondroblasten, -zyten) Knorpelbildung
Knochenzellen (Osteoblasten, -zyten) Knochenbildung
Freie Zellen

  • •

    Granulozyten

  • •

    Monozyten

  • •

    Mastzellen

  • •

    Melanozyten

 Abwehrfunktion

Muskelarten und deren Charakteristika

Tab. 3.4
Glatte Muskulatur Quergestreifte Muskultur Herzmuskulatur
Vorkommen

  • •

    Eingeweideorgane

  • •

    Gefäße

  • •

    Auge

  • •

    Haarmuskeln

 Skelettmuskulatur Herz
Kennzeichen

  • •

    Spindelförmige Muskelzelle

  • •

    Länge 20–200 µm

  • •

    Zellkern liegt zentral

  • •

    Innervation erfolgt über das vegetative Nervensystem (Sympathikus, Parasympathikus)

  • •

    Unterliegt weitgehend nicht der willkürlichen Kontrolle

  • •

    Kontrahiert sich langsam

  • •

    Besitzt einen höheren Ruhetonus

  • •

    In einigen Geweben wie Darm oder Harnleiter sind die Zellen mit Gap Junctions miteinander gekoppelt → Erregung breitet sich peristaltisch auf die gesamte Muskelgruppe aus

  • •

    Vielkernige Muskelfaser

  • •

    Länge bis zu 15 cm

  • •

    Zellkerne liegen peripher

  • •

    Innervation erfolgt über das somatische Nervensystem (Spinal-, Hirnnerven)

  • •

    Beinhaltet Myoglobin, das Sauerstoff binden und speichern kann

  • •

    Zur schneller Kontraktion fähig

  • •

    Ermüdbar

  • •

    Länge von 20–100 µm

  • •

    Zellkern liegt zentral

  • •

    Innervation erfolgt über das vegetative Nervensystem

  • •

    Schnelle Kontraktion

  • •

    Nicht ermüdbar

  • •

    Zellen sind unregelmäßig verzweigt, aber untereinander durch die Disci intercalares (Glanzstreifen) verbunden

Zelle und Gewebe

Abb. 3.1

[L275]

Übersicht über Zellstrukturen und Gewebearten

Lernziele

  • •

    Benennung der Eigenschaften der Zelle.

  • •

    Benennung der Zellstrukturen und deren Funktion.

  • •

    Kenntnisse über Aufbau und Funktion des Zellkerns.

  • •

    Beschreibung des Aufbaus und der Funktion der DNA.

  • •

    Benennung der Funktion und der Unterschiede von Mitose und Meiose.

  • •

    Beschreibung der Zellkontakte und deren Funktion.

  • •

    Kenntnisse über die passiven und aktiven Stofftransportmechanismen, insbesondere über Diffusion, Osmose und die Funktion der Na+/K+-Pumpe.

  • •

    Benennung der verschiedenen Gewebearten.

  • •

    Kenntnisse über die Arten der Epithelgewebe und deren Funktion.

  • •

    Kenntnisse über die Arten des Bindegewebes, deren Funktion und Vorkommen im menschlichen Körper.

  • •

    Aufzählung der 3 Knorpelgewebe, deren Funktion und Vorkommen im Körper.

  • •

    Benennung der 3 Muskelarten und deren Charakteristika.

  • •

    Kenntnisse über die Funktion des Knochengewebes und der Arten der Knochengewebe.

  • •

    Benennung der Funktion des Nervengewebes.

  • •

    Kenntnisse über die Funktion des Ruhe- und Aktionspotenzials.

3.1

Zelle

3.1.1

Allgemeines

Die Zelle$Zelle ist die kleinste Organisationseinheit des Lebens. Sie ist autonom und zum Wachstum, Erneuerung, Kommunikation und Reproduktion fähig.

Prokaryoten$Prokaryoten (Einzeller)$Einzeller besitzen keinen Zellkern, keine membranumschlossenen Organellen und sind nicht in der Lage, sich sexuell fortzupflanzen.

Eukaryoten$Eukaryoten (Vielzeller)$Vielzeller sind komplexe Zellen mit echtem Zellkern mit Hülle, Zytoplasma und können sich sexuell fortpflanzen.

Die ZelleZelle (lat. cellula = kleine Kammer, Zelle) ist die kleinste Grundeinheit des Lebens. Die Grundeigenschaften sind im Wachstum, Entwicklung, Erneuerung und Reproduktion begründet. Ferner verfügen Zellen über einen Zellstoffwechsel, welcher der Energiegewinnung in Form von ATP dient. Das ATP ist als Energieträger für den Aufbau neuer Zellbausteine, der Erhaltung des Stoffwechsels und der Ausscheidung von Endstoffen essenziell. Zellen sind zur Kommunikation fähig: Sie empfangen Reize und reagieren darauf. Grundsätzlich kann zwischen Einzellern (Prokaryoten)Einzeller und Vielzellern (Eukaryoten)Vielzeller unterschieden werden.
ProkaryotenProkaryoten sind Lebewesen ohne Zellkern. Eine DNA ist zwar vorhanden, sie liegt allerdings ringförmig angeordnet ohne eine Kernhülle. Sie besitzen keine membranumhüllten Organellen und sind nicht in der Lage, sich sexuell fortzupflanzen und damit das Gengut zu rekombinieren, was eine genetische Vielfalt ermöglicht. Prokaryoten sind kleiner als Eukaryoten-Zellen. Zu den Prokaryoten zählen Bakterien.
EukaryotenEukaryoten besitzen einen klar erkennbaren Zellkern, Zellkernhülle und Zytoplasma. Sie können als Einzeller oder Vielzeller vorkommen. Zu den Eukaryoten zählen Zellen der Algen, Pilze, Pflanzen, Tiere und Menschen.
Der menschliche Körper ist aus bis zu 100 Billionen Zellen aufgebaut. Die einzelnen Zellen sind in der Grundstruktur gleich, erfüllen im Körper aber sehr unterschiedliche Aufgaben und sehen zum Teil sehr unterschiedlich aus. Die Zelllehre wird auch Zytologie genannt.
Zellen sind zu Verbänden organisiert und bilden funktionelle Einheiten, die man Gewebe nennt. Die Gewebelehre wird auch Histologie genannt. Je nach Aufgabe der Gewebe unterscheidet man zwischen Epithel-, Binde- und Stütz-, Muskel- sowie Nervengewebe.

3.1.2

Aufbau einer Zelle

Menschliche Zellen$ZelleAufbau bestehen aus Zellmembran, Zytoplasma mit Zellorganellen und Zellkern.

Zellorganellen$Zellorganellen sind:

  • •

    Endoplasmatisches Retikulum (glattes und raues)

  • •

    Ribosomen

  • •

    Golgi-Apparat

  • •

    Lysosomen

  • •

    Zentriolen

  • •

    Mitochondrien

  • •

    Zytoskelett

Fast alle ZellenZelleAufbau im menschlichen Körper sind ähnlich aufgebaut. Sie bestehen aus einem Zellkern, der eine Art Kommandozentrale bildet, dem Zytoplasma, das den Inhalt der Zelle darstellt, und einer Zellmembran, der die Zelle begrenzt.
Das Zytoplasma ist ein flüssiges Medium, in dem sehr viele Strukturen gelöst sind (Abb. 3.2). Diese Strukturen nennt man ZellorganellenZellorganellen. Zu diesen zählen:

  • •

    Endoplasmatisches Retikulum (glattes und raues)

  • •

    Ribosomen

  • •

    Golgi-Apparat

  • •

    Lysosomen

  • •

    Zentriolen

  • •

    Mitochondrien

  • •

    Zytoskelett

Zellorganellen unterscheiden sich in ihrem Aufbau und ihrer Funktion.

ABBILDUNG 3.2

3.1.3

Zellmembran

Aufbau

Die Zellmembran$Zellmembran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht mit hydrophilen und lipophilen Anteilen. Darin finden sich Proteine, die v. a. für Stofftransport und Kommunikation zuständig sind. An der Außenseite finden sich Glykoproteine, die an der Ausbildung der Glykokalix$Glykokalix beteiligt sind. Cholesterin ist ein wesentlicher Bestandteil, der die Fluidität erhält.

Die ZellmembranZellmembran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht (Bilayer) (Abb. 3.3). Jede Schicht ist aus fettlöslichen und wasserlöslichen Bestandteilen aufgebaut. Die fettlöslichen (lipophilen), unpolaren Anteile sind einander zugewandt, also nach innen, zur Zellmembranmitte gerichtet. Die wasserlöslichen (hydrophilen), polaren Strukturen sind wie kleine runde Köpfchen an der Spitze der lipophilen Bestandteile zu finden und zeigen somit zu den beiden Außenseiten der Membran; also ins Zellinnere und nach außen.

ABBILDUNG 3.3

In der fettreichen Zellmembran, die v. a. aus Phospholipiden und Sphingolipiden bestehen, sind Eiweißmoleküle (Membranproteine) verankert, die zahlreiche Aufgaben haben. Proteine bilden 20–80 % der Membranmasse aus. Sie können in integrale Proteine, welche die gesamte Membran durchziehen, periphere Proteine, die innen oder außen an der Membran eingelagert sind, und Glykoproteine,Glykoproteine die zum extrazellulären Raum hin gerichtet sind, eingeteilt werden. Integrale Proteine bilden Systeme für den Stofftransport, eine Art Tunnel, der in beide Richtungen befahrbar ist. Diese Art Proteine bilden Ionenkanäle, Wasserkanäle (Aquaporine), Transporter und Membranpumpen. Periphere Proteine besitzen eine Rezeptorfunktion, die z. B. extrazelluläre Signalmoleküle erkennen und aufnehmen. Sie sind für die Kommunikation untereinander zuständig. Ferner sind sie an der Ausbildung von Zellkontakten beteiligt, die sowohl für den Zusammenhalt der Zellen als auch für die Kommunikation wichtig sind. An der Außenseite der Zellmembran (zum extrazellulären Raum hin gerichtet) finden sich viele Kohlenhydrat-Protein-Moleküle (Glykoproteine), die zusammengefasst als GlykokalixGlykokalix bezeichnet werden. Diese ist durch die Genetik jedes Menschen festgelegt und sehr spezifisch. Von Zelle zu Zelle zeigt sie in Anzahl und Struktur ein unterschiedliches Bild; sie fungiert als eine Art Personalausweis der Zelle. Mit ihrer Hilfe ist es dem Körper möglich, eigene Zellen zu erkennen und fremde Zellen als möglichen Eindringling zu detektieren.
Ein weiterer Bestandteil der Zellmembran, das Cholesterin,Cholesterin ist für die Fluidität (Fließeigenschaft) der Membran essenziell. Ohne Cholesterin wäre die Membran bei niedrigen Temperaturen starr und nicht beweglich, bei hohen hingegen zu flüssig.
Die Innenseite der Membranen ist fest mit dem Zytoskelett verbunden, was Zellen unterschiedliche Form geben kann, z. B. sind rote Blutkörperchen (Erythrozyten) nicht kugelig, sondern zentral eingedellte (bikonkave) Scheibchen.
Aufgaben

Aufgaben der Zellmembran: $Zellmembran Aufgaben

  • •

    Schutz nach außen und Abgrenzung gegenüber der Umgebung

  • •

    Zusammenhalt des Zellinhalts

  • •

    Oberflächenvergrößerung

  • •

    Elektrischer Isolator, Impulsgeber und Erregungsleiter

  • •

    Kontrollinstanz bei Aufnahme und Abgabe von diversen Stoffen; für polare Stoffe, z. B. Elektrolyte, undurchlässig, für Wasser, Gase und fettlösliche Stoffe gut durchgängig (semipermeabel)

  • •

    Kommunikation über Zell-Rezeptoren

Die ZellmembranZellmembranAufgaben stellt die äußere Begrenzung der Zelle dar und bietet der Zelle einen Schutz nach außen hin. Sie sorgt dafür, dass der Zellinhalt zusammengehalten wird und sich nicht aus der Zelle in den Zwischenzellraum ergießt. Dadurch wäre die Zelle nicht lebensfähig. An der Außenfläche besitzen Zellmembranen Rezeptoren, an die Signalstoffe binden und so die Kommunikation zwischen der Zelle und dem extrazellulären Raum ermöglichen. Membranen vergrößern z. B. durch Fältelung die Oberfläche, was wiederum zu einem regen Austausch mit der Umgebung führt.
Ferner fungieren sie sowohl als Impulsgenerator für Aktionspotenziale als auch als effektiver Leiter der Potenzialänderungen und elektrischer Isolator. Die Zellmembran garantiert ein weitgehend konstantes Milieu in der Zelle. Sie ist selektiv permeabel (semipermeabel): Bestimmte Stoffe können in die Zelle gelangen und auch ausgeschleust werden, für andere ist die Zellmembran undurchlässig. Für polare (elektrisch geladene) Stoffe, wie z. B. Elektrolyte wie Natrium und Kalium, ist die Membran nicht durchlässig, außer durch Proteinkanäle, wobei die Passage durch die Kanäle kontrolliert ist. Für Wasser, Gase, z. B. O2, CO2, und einige fettlösliche Stoffe, z. B. Medikamente, ist sie gut durchgängig.
Membranen finden sich auch im Zellinneren: Sie umschließen einige Zellorganellen, wie Mitochondrien, Lysosomen, Golgi-Apparat, und bilden unterschiedliche Kompartimente. Es entstehen verschiedene Reaktionsräume mit zum Teil sehr unterschiedlichen pH-Werten.

3.1.4

Zytoplasma

Zytoplasma$Zytoplasma besteht aus dem flüssigen Zytosol, in das Zytoskelett und Zellorganellen eingebettet sind.

Das ZytoplasmaZytoplasma ist die Substanz der Zelle. Sie besteht aus flüssigem Inhalt, dem Zytosol.Zytosol Im Zytosol sind das ZytoskelettZytoskelett und die Zellorganellen gelöst. Das Zytosol besteht zu 80 % aus Wasser. Andere Bestandteile sind Proteine, Lipide und Kohlenhydratverbindungen, RNA (Ribonukleinsäure) und anorganische Stoffe.

3.1.5

Zellorganellen

Ribosomen

Ribosomen$Ribosomen dienen der Proteinsynthese. Sie kommen als freie Ribosomen vor oder sind an das endoplasmatische Retikulum geheftet.

RibosomenRibosomen sind ca. 15 nm große Körnchen, die entweder frei im Zytosol schwimmen oder an das endoplasmatische Retikulum geheftet sind. Sie bestehen aus RNA und Proteinen. Die Hauptaufgabe der Ribosomen ist die Proteinsynthese.Proteinsynthese
Die freien Ribosomen produzieren Eiweiße v. a. für den Eigenbedarf der Zelle. Die an Membranen des endoplasmatischen Retikulums angelagerten Ribosomen bilden das raue endoplasmatische Retikulum (rER). Sie produzieren Proteine, die für den Export aus der Zelle gedacht sind. Zu den Exportproteinen zählen z. B. Enzyme, Hormone und Abwehrstoffe.
Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Das endoplasmatische Retikulum$endoplasmatisches Retikulum (ER) ist ein Hohlraumsystem, das aus Membranen aufgebaut ist.

  • •

    Raues ER ist mit Ribosomen besetzt und dient der Proteinbildung, die für den Export vorgesehen sind.

  • •

    Glattes ER dient als Kalzium-Speicher und als Bildungsort von Fetten und Steroidhormonen.

Das endoplasmatische Retikulumendoplasmatisches Retikulum (ER) stellt ein dreidimensionales Hohlraumsystem aus Membranen dar, das in allen Zellen außer den Erythrozyten (roten Blutkörperchen) vorzufinden ist. Sind diese Membranstapel mit RibosomenRibosomen versehen, spricht man vom rauen ER (rER). Fehlt der Besatz mit Ribosomen, ist das glatte ER (sER, s = smooth) gemeint.
Die Funktion des rauen ER ist die Bildung von Proteinen,Proteinsynthese die für die Zellmembranerneuerung benötigt werden oder aus der Zelle exportiert werden (Abb. 3.4). Das glatte ER ist zuständig für die Bildung von Fetten in der Leber, Bildung von Hormonen, z. B. Gluko- und Mineralokortikoiden, Geschlechtshormonen und deren Ausgangsstoff, das Cholesterin. Ferner ist es für die Speicherung von Kalzium in der quergestreiften Muskulatur zuständig und wird dort als sarkoplasmatisches Retikulumsarkoplasmatisches Retikulum bezeichnet.
Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat$Golgi-Apparat ist ein Hohlraumsystem, das aus Membranen aufgebaut ist. Er dient v. a. der Verpackung und Adressierung der Export-Proteine.

Der Golgi-ApparatGolgi-Apparat setzt sich aus mehreren, gestapelten Membransäckchen (Diktyosomen)Diktyosomen zusammen, die meist in der Nähe des Zellkerns liegen (Abb. 3.4). Sie sind als Hohlraumsystem konstruiert. In ihm wird der Transport der Proteine, die im ER synthetisiert wurden, für den Export vorbereitet. Die Proteine werden in Vesikeln verpackt und somit transportfähig gemacht. Die Beförderung dieser Pakete endet an der eigenen Zellmembran oder erstreckt sich über die Zellgrenze hinaus und wird mittels Exozytose ausgeschleust. Um die unterschiedlichen Ziele sicher zu erreichen, werden alle Proteinpakete durch bestimmte, zusätzlich angehängte Aminosäuresequenzen adressiert. Die Zielstrukturen erkennen diese Sequenzen und entpacken die Proteine. Darüber hinaus ist der Golgi-Apparat an der Lysosomenbildung beteiligt.
Besonders reich an rauem ER und Golgi-Organellen sind Zellen, die Sekrete bilden und z. B. an der Verdauung beteiligt sind.

ABBILDUNG 3.4

Lysosomen

Lysosomen$Lysosomen dienen der zellulären Verdauung von Schadstoffen.

LysosomenLysosomen sind kleine, membranumschlossene Organellen, die durch Abschnürungen aus dem Golgi-Apparat entstehen und als Abfalleimer der Zelle fungieren. Sie enthalten zahlreiche hydrolytische Enzyme, die ein pH-Optimum bei 5 haben, also im sauren Bereich. Sie sind in erster Linie mit der Verdauung von Schadstoffen beschäftigt. Schadstoffe sind zum einen zelleigene Stoffwechselendprodukte und zum anderen Fremdstoffe aus anderen, mit der Verdauungstätigkeit überlasteten Zellen. Die zellfremden Stoffe überwinden die Zellmembran mittels Endozytose (3.1.11), bevor sie auf die besonders stabile Membran der Lysosomen treffen. Nach Einschleusung werden zahlreiche Enzyme der Lysosomen aktiviert. Die Enzyme zersetzen das Fremdmaterial und machen es unschädlich. Andere Schadstoffe, wie z. B. Schwermetalle, können nicht verdaut werden, sie bleiben für die gesamte Lebensdauer in Lysosomen gespeichert.
Wird die Lysosomenmembran geschädigt, z. B. durch Strahlen, mechanische Ursachen oder Energiemangel, treten die zersetzenden Enzyme aus. Dabei kann eine Zelle absterben.
Peroxisomen

Peroxisomen$Peroxisomen sind Organellen, die v. a. dem Fettsäureabbau und der Beseitigung freier Radikale dienen.

PeroxisomenPeroxisomen (früher als MicrobodiesMicrobodies bezeichnet) sind, ähnlich wie Lysosomen, kleine membranumschlossene Organellen (einfache Membran), die durch Abschnürung vom endoplasmatischen Retikulum entstehen, und sind in der Lage, sich zu teilen. Sie verfügen über besondere Enzyme v. a. für den Fettsäureabbau und zur Elimination freier Radikale, die sich auf Zellbestandteile toxisch auswirken. Im Zuge der Reaktionen entsteht unter Verwendung von Sauerstoff u. a. H2O2 (Wasserstoffperoxid), das ein Zellgift darstellt und in den Folgeschritten wieder zu H2O und O2 abgebaut wird. Besonders zahlreich sind sie in den beiden Hauptentgiftungsorganen, der Leber und Niere, vertreten.
Mitochondrien

Mitochondrien$Mitochondrien dienen der Energiegewinnung$Energiegewinnung in Form von ATP. Sie werden maternal (über die Mutter) vererbt.

MitochondrienMitochondrien sind runde bis längliche Körper, die mit einer Doppelmembran ausgestattet sind und die EnergiegewinnungEnergiegewinnung der Zelle durch die Synthese von ATPATP sicherstellen (Abb. 3.5). Sie werden deshalb auch als „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet. Das Innere des Mitochondriums, die Matrix, enthält eigene Ribosomen und eigene, ringförmig angeordnete DNA (mDNA/mitochondriale DNA). Mitochondrien vermehren sich z. T. unabhängig von der Zellteilung mitotisch. Sie stammen aus der mütterlichen Eizelle, werden also maternal vererbt.
Besonders reich an Mitochondrien sind die Herzmuskulatur, die Nierentubuli und die Spremiengeißeln, also Zellen, die sehr viel leisten müssen und folglich auch sehr viel Energie benötigen. Erythrozyten besitzen keine Mitochondrien; sie gewinnen die Energie durch anaerobe Glykolyse unter Bildung von Laktat (Milchsäure).

ABBILDUNG 3.5

Zytoskelett

Das Zytoskelett$Zytoskelett wir von Mikrotubuli, Mikrofilamenten$Mikrotubuli$Mikrofilamente und Intermediärfilamenten$Intermediärfilamente gebildet. Es ist formgebend und an Transportprozessen beteiligt.

Jede Zelle besitzt im Inneren ein dreidimensionales Netz aus stützenden und strukturbildenden Elementen, die in der Gesamtheit als ZytoskelettZytoskelett bezeichnet werden. Sie bestehen aus Proteinen, die entweder feste Polymere bilden oder dissoziieren und flüssig werden. Zu den spezifischen Filamenten des Zytoskeletts zählen:

  • •

    Mikrotubuli:Mikrotubuli Lange, röhrenförmige Gebilde, welche die Zellform beeinflussen, für die Bewegung der Zelle wichtig sind und Transportvorgänge unterstützen. Sie bestehen aus dem Protein Tubulin. Sie finden sich als Bestandteil in Kinozilien, Mitosespindeln und der Zentriolen. In Nervenzellen bilden sie Leitschienen für den axonalen Transport, über den z. B. Neurotransmitter (in Vesikeln verpackt) vom Zellkörper (Soma) in die Synapse befördert werden. Die Mikrotubuli fungieren mitunter also wie ein Straßennetz.

  • •

    Mikrofilamente:Mikrofilamente Fadenförmige Strukturen, die aus Aktin bestehen und meist in Form von Filamenten (Bündeln) vorliegen. Sie sind an innerzellulären Transportprozessen und der Ausbildung der Mikrovilli beteiligt. Sie ermöglichen die Muskelkontraktion, Zellmotilität, z. B. amöboide Beweglichkeit einiger Zellen und Phagozytose (Fressvorgang, zu dem vor allem Monozyten/Makrophagen und neutrophile Granulozyten fähig sind: Sie umschließen das Fremdmaterial, nehmen es ins Zellinnere hinein und verdauen diese Partikel. Das geschieht durch Abschnürungen und Einstülpungen der Zellmembran).

  • •

    Intermediärfilamente:Intermediärfilamente Proteinstrukturen, die unter anderem der mechanischen Stabilität der Zelle dienen.

Zellfortsätze

Zellfortsätze: $Zellfortsätze

  • •

    Mikrovilli:$Mikrovilli dienen der Oberflächenvergrößerung

  • •

    Kinozilien:$Kinozilien bewegliche Zellfortsätze, die eine Transportfunktion haben

ZellfortsätzeZellfortsätze sind Ausstülpungen der Zellmembran. Sie haben je nach Vorkommen unterschiedliche Aufgaben. Zu den Zellfortsätzen zählen die Mikrovilli und Kinozilien.

  • •

    KinozilienKinozilien (FlimmerhärchenFlimmerhärchen oder Wimpern)Wimpern sind bewegliche Zellfortsätze, die aus Mikrotubuli bestehen (Abb. 3.6). Sie sind z. B. in der Luftröhre zu finden und transportieren Fremdstoffe zum Mund hin, dienen also der Reinigung der Luftwege. Weiterhin finden sich Kinozilien im Eileiter und befördern die Eizelle zur Gebärmutter hin.

  • •

    Mikrovilli:Mikrovilli Sind fadenförmige Zellfortsätze, die der Oberflächenvergrößerung der Zelle dienen und nur eingeschränkte Bewegungsmöglichkeit haben (Abb. 3.7). Sie sind v. a. im Darm oder den Nierentubuli zu finden, also an den Orten hoher Resorptionsleistung. Mikrovilli, die eng nebeneinander stehen, bilden einen Bürstensaum.

Zentriol

Ein Zentriol$Zentriol ist ein Proteingebilde, das organisierend an der Zellteilung beteiligt ist.

Das ZentriolZentriol ist ein Proteingebilde, das sich in Zellkernnähe aufhält und für die Organisation des Erbguts während der Zellteilung zuständig ist. Es bildet den Spindelapparat aus (3.1.6).
Zellkern (Nukleus)

Der Zellkern$Zellkern besitzt eine Doppelmembran. Er beherbergt die DNA (in Form von Chromosomen)$Chromosomen und stellt das Kommandozentrum der Zelle dar.

Klammert man die reifen Erythrozyten und Thrombozyten aus, ist bei allen menschlichen Zellen ein ZellkernZellkern zu finden (Abb. 3.8). Dieser ist das Kommandozentrum der Zelle und enthält die genetische Information.
Der Zellkern besitzt eine Doppelmembran. Die Innenmembran ist mit Mikrofilamenten ausgekleidet und stabilisiert den Kerninhalt. Die äußere Schicht der Membran wird von Teilen des rauen ER gebildet und stellt den Kontakt zur restlichen Zelle her.
Kleine Lücken in der Kernmembran machen den Stoffaustausch zwischen Kern und Zytosol möglich. Diese Lücken werden Kernporen genannt. Über die Kernporen können kleine Moleküle den Kern verlassen und in diesen hineintransportiert werden. Die DNA kann die Poren nicht überwinden; sie verbleibt immer im Zellkern.
Der Zellkernraum beinhaltet eine Masse, die in der Gesamtheit KaryoplasmaKaryoplasma genannt wird. Es besteht aus:

  • •

    Chromatin:Chromatin DNA, die in Form von Chromosomen vorliegt

  • •

    Kernkörperchen:Kernkörperchen können einzeln oder multipel vorkommen und dienen der Bildung der Ribosomen

  • •

    Nuklear-Sol:Nuklear-Sol proteinhaltiges, flüssiges Medium, in das Chromatin und Kernkörperchen eingebettet sind

ABBILDUNG 3.8

Chromosomen

Chromosomen$Chromosom bestehen aus DNA, die um Histonproteine$Histon gewunden sind. Sie bestehen aus 2 Chromosomenhälften, die am Zentromer miteinander verbunden sind. Menschliche Zellen enthalten 22 homologe Chromosomen (Autosomen) und ein Gonosomenpaar: bei Frauen XX, bei Männern XY.

Chromosomen:Chromosom (gr. chroma = Farbe, soma = Körper) sind die Träger der Erbanlage, die aus DNA bestehen und besonders während der Zellteilung als solche sichtbar in Erscheinung treten. Die DNA ist in einem Chromosom ganz speziell verpackt; sie ist um Proteinmoleküle (Histone)Histon) gewickelt.
Die Gesamtheit der Chromosomen nennt man Chromatin. Das Chromatin unterteilt man je nach Anfärbbarkeit in Euchromatin,Euchromatin das die aktive genetische Substanz darstellt, und Heterochromatin,Heterochromatin das an Proteine gebunden und inaktiv ist.
Menschliche Zellen enthalten 46 Chromosomen oder 23 Chromosomenpaare. Alle menschlichen Individuen erhalten die eine Hälfte des Chromosomensatzes von der Mutter und die andere Hälfte vom Vater. Jedes Chromosom kommt also doppelt vor, was auch als diploider Chromosomensatz bezeichnet wird. Die ersten 22 Chromosomen bezeichnet man als homologe Chromosomen oder Autosomen,Autosome die restlichen 2 sind Gonosomen.Gonosome Gonosomen determinieren das Geschlecht. Bei Frauen werden die 2 Gonosomen mit XX bezeichnet, bei Männern mit XY.
Aufbau
Alle ChromosomenChromosomAufbau bestehen aus 2 Chromosomenhälften (Chromatiden)Chromatid, die an einem Punkt, dem Zentromer,Zentromer zusammenlaufen (Abb. 3.9, Abb. 3.10). In der Mitte des Zentromers befinden sich die Kinetochoren,Kinetochor die für die Teilung der Chromosomen wichtig sind. Die Verschmelzung der Chromosomenhälften am Zentromer lässt 4 „Arme“ entstehen. Abgesehen vom Y-Chromosom sind je 2 lange und kurze Arme im Karyogramm (Darstellung der Chromosomen nach Größe und Bandenmuster) zu sehen. An den Enden eines Chromosoms finden sich Telomere,Telomer die für die Stabilität des Chromosoms zuständig sind. Sie werden nach jeder Zellteilung kürzer. Wenn sie eine kritische Länge erreichen, stellt die Zelle die Teilung ein. Im Embryonalstadium und in Stammzellen, aber auch in Tumorzellen findet sich ein Enzym, die Telomerase, welche die Verkürzung nach der Zellteilung wieder ausgleichen kann; diese Zellen teilen sich theoretisch unendlich.

ABBILDUNG 3.9

3.1.6

Zellteilung

Je nach Art der ZellteilungZellteilung kann zwischen Mitose und Meiose unterschieden werden. Die mitotische Zellteilung dient der Regeneration und Erneuerung von Zell- und Gewebedefekten, ferner dem Wachstum v. a. des Embryos, Fetus und von Kindern. Bei Erwachsenen findet eine Zellteilung ebenfalls statt, wenn auch nicht in diesem hohen Ausmaß. Unter pathologischen Umständen kann eine starke mitotische Aktivität im Tumorgewebe beobachtet werden. Die meiotische Zellteilung dient der Vorbereitung der männlichen und weiblichen Keimzellen auf den Befruchtungsvorgang.
Mitose

Die $Mitosemitotische Zellteilung dient der Regeneration, Erneuerung von Zelldefekten und Wachstum. Das Produkt sind 2 identische Tochterzellen mit diploidem Chromosomensatz.

Zu den Zellen mit hoher mitotischer Aktivität zählen u. a. Schleimhautzellen des Verdauungs- und Bronchialtrakts und der Haut.

Zu den Zellen mit niedriger mitotischer Aktivität zählen u. a. Leberzellen.

Nerven- und Herzmuskelzellen sind permanente Zellen ohne mitotische Aktivität.

Die MitoseMitose ist die häufigste Art der Zellteilung, bei der aus einer Mutterzelle eine zweite Tochterzelle hervorgeht. Die Dauer der Mitose beträgt ca. 2 Stunden. Im Gegensatz zur Meiose wird das genetische Material erbgleich an die Tochterzellen weitergegeben.
Voraussetzung für die Zellteilung ist die identische Replikation der bestehenden DNA, die dann auf die beiden neu entstandenen Zellen verteilt wird. Die DNA-Replikation findet in der InterphaseInterphase statt, die zeitlich vor der Mitose bzw. zwischen 2 Mitosen steht. In dieser Phase finden neben der Replikation der DNA auch ein Zellwachstum und eine erhöhte Synthese von Proteinen und RNA statt, um beide Zellen mit Inhalt zu befüllen.
Während der Replikation wird der DNA-Doppelstrang zunächst entspiralisiert und in 2 Einzelstränge (Matrizenstränge) aufgetrennt (Abb. 3.11). Im Anschluss werden an jeden Matrizenstrang korrespondierende Basen angelagert; es entsteht ein Komplementärstrang. Das Ergebnis sind 2 neue, identische DNA-Doppelstränge. Die DNA wird vor der Teilung auf eventuell vorhandene Fehler hin überprüft, z. B. Strangabbrüche, falsche Basenpaarungen, und bei Bedarf mittels Reparaturenzymen korrigiert. Erst danach kann die eigentliche Teilung stattfinden.
Im menschlichen Organismus kann zwischen sich schnell und langsam teilenden Zellen unterschieden werden. Eine permanente Zellerneuerung findet sich in der Schleimhaut des Magen-Darm-Trakts, im Urogenital-, Bronchialtrakt, in der Haut und im lymphatischen System. Eine langsame Zellteilung findet sich in der Leber und in endokrinen Organen. Bei Schädigung kann die Mitoserate jedoch stark zunehmen. Permanente Zellen ohne mitotische Zellteilung sind v. a. Herzmuskel- und Nervenzellen.
Prophase
In der ProphaseProphase (Abb. 3.12) verkürzt und verdichtet (kondensiert) sich die DNA zu Chromosomen. Der Nukleolus löst sich auf, ebenso der Golgi-Apparat. Der Spindelapparat befestigt seine Fäden an den Chromosomen und dient ihnen als Leitschiene für eine geordnete Bewegung. Die Prophase endet mit der Auflösung der Kernmembran.
Metaphase
In der MetaphaseMetaphase (Abb. 3.12) befindet sich der Spindelapparat an den beiden Polen der Zelle. Die Chromosomen organisieren sich in der Mittelebene (Äquatorialebene) und erreichen ihre maximale Dicke.
Anaphase
In der AnaphaseAnaphase (Abb. 3.12) verkürzen sich die Fäden des Spindelapparats und ziehen so die am Zentromer befestigten Chromosomenhälften zu einem Pol der Zelle. Jede entstandene Hälfte wird Chromatid genannt.
Telophase
In der TelophaseTelophase (Abb. 3.12) organisieren sich die Chromatiden um die beiden Pole der Zelle. Sie entspiralisieren sich wieder und verlieren ihre verdichtete Struktur, während die Zelle in 2 Teile abgeschnürt wird. Die Kernmembran, die Nukleolen und andere Zellbestandteile der beiden Zellen bilden sich neu. Es sind 2 Zellen entstanden.

ABBILDUNG 3.12

Meiose

Die Meiose$Meiose besteht aus 2 Reifeteilungen. In der ersten Reifeteilung entsteht ein haploider Chromosomensatz, die zweite Reifeteilung entspricht der mitotischen Teilung. Das Produkt der Meiose sind 4 Tochterzellen.

Die MeioseMeiose ist eine Zellteilung, die nur die Geschlechtszellen vollziehen. Dabei wird der diploide Chromosomensatz halbiert. Man spricht dann vom haploiden Chromosomensatz. Die Meiose besteht aus 2 Reifeteilungen. Das Produkt der Meiose sind 4 Tochterzellen (Abb. 3.13).
Erste Reifeteilung
In der ersten ReifeteilungMeioseerste Reifeteilung wird der diploide Chromosomensatz auf einen haploiden reduziert.
Prophase Prophase
Die Prophase der ersten Reifeteilung ist wesentlich länger als die der Mitose. Bei Samenzellen dauert sie ca. 24 Tage, bei der Eizelle kann sie sich über Jahre erstrecken. Die Chromosomen lagern sich paarweise an und zwar so, dass zugehörige väterliche und mütterliche (homologe) nebeneinanderliegen. In dieser Phase können unter den homologen Chromosomen winzige Stücke ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird auch als „Crossing Over“ bezeichnet. Dabei wird das genetische Material neu kombiniert und so eine genetische Vielfalt erreicht. Andererseits kann es während des Austauschprozesses zu Verlusten von Chromosomenstückchen kommen (Deletion) oder sie werden an anderen Stellen wieder eingebaut (Translokation), was meist einen Krankheitswert hat.
Metaphase Metaphase
Ähnlich wie in der mitotischen Teilung ordnen sich die Chromosomenpaare in der Äquatorialebene an.
Anaphase Anaphase
Im Gegensatz zu Mitose wandern nicht die Chromatiden, sondern die homologen Chromosomen zu den Polen.
Telophase Telophase
In der Telophase entstehen 2 Zellen mit der Hälfte der Chromosomen (haploider Chromosomensatz).
Zweite Reifeteilung
Die Meiosezweite Reifeteilungzweite Reifeteilung entspricht einer mitotischen Teilung. Die Chromatiden des haploiden Chromosomensatzes werden auf zwei weitere Tochterzellen geteilt. Das Endergebnis der Meiose sind 4 neue Zellen.

ABBILDUNG 3.13

3.1.7

Reparaturmechanismen der Zelle

Reparaturmechanismen

DNA-SchädenDNA-SchädenMeioseerste Reifeteilung können bis zu einem gewissen Grad von Reparaturenzymen behoben werden oder die Zelle geht durch Apoptose zugrunde. Bleiben Schäden bestehen, erhöht sich das Entartungsrisiko.

DNA-SchädenWährend oder vor einer Teilung einer Zelle kann es zu Schäden am Erbgut, der DNA, kommen. Sie können u. a. durch toxische Stoffwechselprodukte, Umweltgifte, radioaktive oder UV-Strahlung entstehen. Dabei können Fehler bei der Basenpaarung oder Strangbrüche entstehen. Bis zu einem gewissen Grad können die entstandenen Schäden durch Reparaturenzyme behoben werden.
Sind die Fehler so gravierend, dass sie nicht behoben werden können, startet die Zelle entweder ein sog. Selbstmordprogramm, indem sie sich selber auflöst (Apoptose),Apoptose oder die Zelle überlebt mit einer fehlerhaften DNA (mit veränderten Basenpaarung, Strangbrüchen oder DNA-Deletionen), wobei sich das Entartungsrisiko für diese Zelle deutlich erhöht. Zu den Erbkrankheiten aufgrund von DNA-Reparaturdefekten zählen z. B. Xeroderma pigmentosum (Hauterkrankung, die multiple Hauttumoren hervorbringt), erblicher Brustkrebs oder erbliche Dickdarmkarzinome (HNPCC: hereditäre non-polyposis-coli-Karzinome).
Apoptose

Die Apoptose$Apoptose ist ein programmierter Zelltod, der zur Auflösung der Zelle ohne begleitende Entzündungssymptomatik führt.

Die ApoptoseApoptose (gr. apo = weg, ab; ptosis = herabhängen; beschreibt den Fall der Blätter im Herbst) ist der programmierte Zelltod. Ist dieses Selbstmordprogramm eingeleitet worden, stirbt die Zelle innerhalb von Stunden. Der energieabhängige Prozess stellt einen wichtigen Mechanismus des Körpers dar, sich selbst zu erhalten.
Bereits während der Embryonalperiode erfolgt die Formgebung des neuen Lebens auch durch Apoptose. Die Häute zwischen den Fingern und Zehen werden auf diese Art entfernt. Krankhaft veränderten Zellen, wie z. B. nach einer UV-Bestrahlung, werden mithilfe des gleichen Mechanismus aus dem Körper verbannt. Die Gefahr, defekte DNA an Tochterzellen weiterzugeben, kann so auf ein Minimum reduziert werden. Der Tod der Zelle beginnt mit der Schrumpfung des Zellkerns und dem Abbau der DNA. Später löst sich die Zellmembran auf und die verbleibenden Reste werden von Makrophagen (Fresszellen) eliminiert. Eine Entzündungsreaktion wird, im Gegensatz zum Prozess der Nekrose, dabei nicht ausgelöst.

3.1.8

Grundlagen der Genetik

Genetik

Chromosomen enthalten Gene$Gene (Informationseinheiten). Die Gesamtheit der genetischen Information wird Genotyp$Genotyp genannt, das äußere Erscheinungsbild als Phänotyp.$Phänotyp

Jede menschliche Zelle besteht aus 23 Chromosomenpaaren,Chromosome die je zur Hälfte mütterlicher und väterlicher Herkunft sind. Die ersten 22 Chromosomen werden auch Autosomen oder homologe Chromosomen genannt, das letzte Chromosomenpaar Gonosomen. Sie determinieren das Geschlecht. Sie sind beim weiblichen Wesen homolog (XX), beim männlichen Wesen heterolog (XY).
Auf den Chromosomen befinden sich Gene,Gene die spezielle Informationen für Wachstum, Funktion, Teilung, Tod usw. enthalten. Als GenotypGenotyp bezeichnet man die Gesamtheit der genetischen Information. Als PhänotypPhänotyp beschreibt man das äußere Erscheinungsbild des Organismus.
Die Gene, die bei mütterlichen und väterlichen (homologen) Chromosomen an der gleichen Stelle (Genlocus) liegen, nennt man Allele.Allel Sind die Allele identisch, spricht man von einer homozygoten Anlagehomozygot oder einem homozygoten Merkmal. Sind sie nicht identisch, spricht man von Heterozygotie. Bei heterozygotenheterozygot Merkmalen kann ein Allel stärker (dominantes Allel) sein als das andere (rezessives Allel), sodass es zu Ausprägung des stärkeren (dominanten) kommt.
Aus der Auswirkung der dominanten und rezessiven Gene resultiert die Vererbung eines Merkmals oder einer Krankheit, die auf verschiedene Weise erfolgen kann:

  • •

    Autosomal-dominantautosomal-dominant (Tab. 3.1): z. B. Vielfingerigkeit (Polydaktylie), Chorea Huntington, Neurofibromatose

  • •

    Autosomal-rezessiv:autosomal-rezessiv z. B. Blutgruppe 0, Stoffwechselkrankheiten

  • •

    X-chromosomal-dominant:X-chromosomal dominant z. B. Anomalien der Haarfollikel

  • •

    X-chromosomal rezessiv:X-chromosomal rezessiv (Tab. 3.2): z. B. Hämophilie (Bluterkrankheit)

  • •

    Kodominant:kodominant z. B. Blutgruppe AB

3.1.9

Zelldifferenzierung

Zelldifferenzierung

Eine$Zelldifferenzierung befruchtete Eizelle ist zunächst omnipotent und wird durch weitere Teilungen pluripotent. Später erfolgen die Determination$Determination und die Zelldifferenzierung.

Mit der Befruchtung der Eizelle (embryonale Stammzelle) beginnt ein neues Leben, das zunächst aus wenigen Zellen und später aus Milliarden von Zellen besteht. In den ersten Stadien der Teilung kann aus jeder dieser Stammzellen noch ein Gesamtorganismus heranwachsen. Diese Fähigkeit nennt man OmnipotenzOmnipotenz oder Totipotenz.Totipotenz
Mit zunehmenden Teilungsschritten verlieren die Zellen diese Omnipotenz und werden zu pluripotentenpluripotent und multipotenten Stammzellen.multipotentStammzelle Aus diesen können sich noch sehr viele verschiedene Zellen entwickeln, z. B. Erythrozyten, Thrombozyten, Leukozyten, aber eben nicht mehr alle menschlichen Zellen. Letztlich sind die meisten Zellen für ihre Entwicklungsrichtung programmiert, was auch DeterminationDetermination genannt wird.
Es folgt die Zelldifferenzierung.Zelldifferenzierung Durch diese erhält die Zelle je nach vorgesehener Aufgabe ein spezifisches Aussehen, Form, Strukturausstattung, sodass sie die zugeteilte Funktion optimal erfüllen kann (Abb. 3.14). Unter pathologischen Bedingungen, v. a. bei Tumorerkrankungen, kann es zu einer Entdifferenzierung kommen, was bedeutet, dass die Zelle in ihrem Aussehen und ihrer Funktion nicht mehr der Ursprungszelle gleicht.
Der Grund für die Zelldifferenzierung ist im Erbgut verankert. Fast jede Zelle hat das gleiche genetische Material; es werden aber nur Bruchstücke der auf der DNA gespeicherten Information für die Differenzierung und das Leben der Zelle verwendet. Neben dem Einfluss der Genetik spielen auch Umwelteinflüsse eine Rolle, die zu einer veränderten Determination führen können.

ABBILDUNG 3.14

3.1.10

Zellkontakte

Die wichtigsten Zellkontakte$Zellkontakt sind:

  • •

    Desmosomen:$Desmosom halten Zellverbände zusammen

  • •

    Tight Junctions:$Tight Junction bilden feste Verschlüsse zwischen den Zellen und verhindern einen parazellulären Transport (Stoffaustauschbarriere)

  • •

    Gap Junctions:$Gap Junction Tunnelproteine, die für einen schnellen Stoffaustausch bzw. Weitertransport zuständig sind

Desmosom
DesmosomDesmosomen („Verankerungsknöpfe“, Maculae adhaerentes)Maculae adhaerentes sind punktartige Verbindungen zwischen 2 Zellen (Abb. 3.15). Damit können sich Zellen bis auf wenige Nanometer annähern. Die Aufgabe der Desmosomen besteht in der mechanischen Verbindung von Zellen untereinander.
Desmosomen finden sich an den Körperstellen, die eine besondere mechanische Belastung standhalten müssen, v. a. in der Haut oder im Herzmuskel. Ähnliche Strukturen, welche die Zelle mit der extrazellulären Matrix verbinden, werden als HemidesmosomenHemidesmosom bezeichnet.
Tight Junction
Tight JunctionsTight Junction (Zonulae occludentesZonulae occludentes) sind Proteinfäden, die benachbarte Zellen aneinander binden und einen sehr engen Kontakt zwischen den Zellen herstellen (Abb. 3.15). Sie sind eine sehr wichtige Stoffaustauschbarriere und verhindern einen parazellulären Transport. Die Stoffe, die hindurchtreten müssen, müssen die Kontrollinstanz der Zelle passieren; somit kann eine unkontrollierte Passage verhindert werden.
Zonulae occludentes finden sich z. B. im Gehirn, als Bestandteil der Blut-Hirn-Schranke. Diese schützt das Gehirn vor dem Übertritt schädlicher Substanzen aus dem Blut in die empfindliche Gehirnmasse. Außer Glukose und einigen Neurohormonen werden andere Substanzen stark am Durchtritt behindert oder nur sehr selektiv ins Zellinnere durchgelassen. Ausnahmen sind Alkohol und Drogen (lipophile Substanzen). Sie gehen ungehindert durch Membranen und entfalten dann im Gehirn entsprechende Wirkungen. Auch Darmepithelien verfügen über eine hohe Anzahl von Tight Junctions. Die Stoffe, die ins Blut gelangen, passieren vorher eine Bürstensaumzelle, bevor sie in den Blutkreislauf entlassen werden.
Gap Junction
Gap JunctionGap Junctions (Nexus, elektrische Synapsen)Nexus sind Tunnelproteine, die 2 Zellen verbinden und zu einem Zellverband schließen (Abb. 3.15). Sie ermöglichen den Stoffaustausch von kleinen Molekülen, z. B. Ionen oder elektrischen Impulsen. Der Austausch von Stoffen findet immens schnell statt, eine Information kann sich also rasant auf andere Zellen ausbreiten. Besonders zahlreich finden sich solche Verbindungen in der Herzmuskulatur und im embryonalen Gewebe.

ABBILDUNG 3.15

3.1.11

Stofftransport

Stofftransport

Stofftransporte$Stofftransport können aktiv (unter ATP-Verbrauch) oder passiv (ohne ATP-Verbrauch) erfolgen.

Jede Zelle des menschlichen Körpers ist von einer Membran umgeben, die eine Barriere für Transportvorgänge darstellt. Dieses Passagehindernis muss für Nährstoffe und Abfallprodukte durchlässig sein. Der Austausch der verschiedenen Stoffe kann passiv (ohne Energieverbrauch) oder aktiv (mit Energieverbrauch) erfolgen und erhält die Zelle am Leben.
Die wichtigsten Eigenschaften des Stofftransports sind die Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen und der Abtransport von Stoffwechselendprodukten.
Passive Prozesse

Passive Prozesse sind:

  • •

    Diffusion

  • •

    Osmose

  • •

    Filtration

Der passive Transport läuft ohne Energieaufwand ab. Folgende Vorgänge sind dieser Transportart zuzuordnen:

  • •

    Diffusion

  • •

    Osmose

  • •

    Filtration

Diffusion
Diffusion

Diffusion:$Diffusion Verschiebung von Teilchen vom Ort der höheren Konzentration über eine permeable Membran zum Ort der niedrigeren Konzentration, bis sich die Konzentrationen auf beiden Teilen angleichen.

Die Diffusion ist ein Prozess, bei dem sich Teilchen durch Eigenbewegung (Brown-Molekularbewegung) gleichmäßig über den gesamten (flüssigen oder gasförmigen) Raum verteilen. Sie wandern vom Ort der höheren Konzentration an die Orte der niedrigeren Konzentration, also entlang eines Konzentrationsgefälles, innerhalb einer bestimmten Zeit (Abb. 3.16). Der Prozess findet auch statt, wenn unterschiedlich konzentrierte Lösungen durch eine permeable Membran (durchgängig für Lösungsmittel und Stoff) getrennt sind. Die Geschwindigkeit ist dabei abhängig von der Größe der Teilchen, Temperatur und der Viskosität der Lösung.
Als Beispiel kann ein Gefäß mit Salzwasserlösungen unterschiedlicher Konzentration, die durch eine permeable Membran voneinander getrennt sind, dienen. Die NaCl-Moleküle sind in diesen Lösungen frei beweglich. Salzteilchen der höher konzentrierten Lösung wandern solange durch die durchlässige Membran zur niedriger konzentrierten Lösung, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Die Teilchenwanderung kommt zum Stillstand, da in beiden Lösungen jetzt die gleiche Konzentration anzutreffen ist.
Ein anderes Beispiel ist die O2- und CO2-Diffusion in den Lungen und Körperkapillaren. Die Konzentration von O2 ist in den Lungenbläschen immer höher als im Blut (permanentes Konzentrationsgefälle). Der Sauerstoff diffundiert von den Lungenbläschen in die Blutkapillare. In den Körperkapillaren ist die O2-Konzentration hoch, während sie im Interstitium und in den Zellen niedrig ist, weil es kontinuierlich verbraucht wird. Hier findet sich auch ein permanentes Konzentrationsgefälle, das den Sauerstoff in die Zellen treibt. Die Konzentration von CO2 ist in den Körperkapillaren niedrig, während es in den Zellen und Interstitium hoch ist, weil es ständig im Rahmen der Energiegewinnung produziert wird. Es diffundiert also mit dem Konzentrationsgefälle in die Blutkapillare und wird zur Lunge transportiert. In den Lungenbläschen ist die Konzentration von CO2 niedrig, sodass das CO2 aus den Blutkapillaren leicht in die Alveolen übertreten und abgeatmet werden kann.
Osmose
Osmose

Osmose:$Osmose Verschiebung von Wasser vom Ort der niedrigeren Teilchenkonzentration über eine semipermeable (nur für Wasser durchlässige) Membran zum Ort der höheren Teilchenkonzentration, bis sich die Konzentrationen auf beiden Seiten angleichen. Durch den Einstrom von Wasser in den Raum mit höherer Konzentration steigt der Wassersäulendruck (hydrostatischer Druck). Die hydrostatische Differenz zwischen beiden Räumen wird osmotischer Druck genannt.

Die Osmose ist ein Prozess, bei dem das Lösungsmittel (im menschlichen Körper Wasser) über eine semipermeable (nur für das Lösungsmittel durchlässige) Membran, die 2 unterschiedlich konzentrierte Lösungen trennt, wandert und damit die Konzentrationen angleicht (Abb. 3.16). Dabei wandert das Wasser vom Ort der niedrigeren Konzentration zum Ort der höheren Konzentration. Durch den Einstrom von Wasser in den Raum mit höherer Konzentration steigt der Wassersäulendruck (hydrostatischer Druck). Die hydrostatische Differenz zwischen beiden Räumen wird als osmotischer Druck bezeichnet.
Als Beispiel kann die Formveränderung von Erythrozyten in unterschiedlich konzentrierten Salzlösungen dienen. Bringt man Erythrozyten in eine isotone (gleiche Teilchenkonzentration auf beiden Seiten) Lösung, verändern sie ihre Form nicht. Bringt man Erythrozyten in eine hypotone (hohe Konzentration gelöster Stoffe im Erythrozyten, niedrige in der Lösung) Lösung, diffundiert das Wasser über die semipermeable Membran so lange in den Erythrozyten, der eine Kugelgestalt annimmt, bis ein Konzentrationsausgleich stattgefunden hat bzw. bis die Erythrozyten platzen und zerstört werden. Erythrozyten in einer hypertonen Lösung geben ihrerseits so lange Wasser in die Umgebung ab, bis entweder ein Konzentrationsausgleich erfolgt ist oder bis sie eine Stechapfelform erhalten und zerstört werden.
Osmolarität Osmolarität
Mit Osmolarität bezeichnet man die Molkonzentration aller in einem Liter Lösung wirksamen Moleküle. Dabei kann es sich um geladene oder ungeladene Teilchen handeln.
Osmotischer Druck osmotischer Druck
Während eines Osmosevorgangs kommt es zum Ausgleich der Konzentrationen auf beiden Seiten der semipermeablen Membran. Die Volumina der Lösungen sind aber verschieden. Der osmotische Druck ist der Druck, den man benötigt, um das höhere Volumen zum Ausgangsort zurückzubefördern.
Hydrostatischer Druck
Der hydrostatische Druckhydrostatischer Druck ist der Gewichtsdruck einer Flüssigkeit. Er kommt zustande durch die Schwerkraft der Erde, die alle Flüssigkeitsteilchen nach unten zieht, wirkt nach allen Seiten gleich und nimmt mit der Tiefe zu.
Kolloidosmotischer Druck kolloidosmotischer Druck
Der kolloidosmotische (onkotische) Druckonkotischer Druck ist derjenige Druck, der durch Kolloide (im Blut v. a. Albumine) entsteht. Kolloide üben einen Druck aus, um Wasser an sich zu binden. Er ergibt sich aus der Druckdifferenz zwischen 2 durch eine Membran voneinander getrennten Kompartimenten. Die Membran ist dabei für Wasser und Ionen, nicht aber für Proteine (Kolloide) durchlässig. Der onkotische Druck wird durch den unterschiedlichen Gehalt an Kolloiden an beiden Seiten der Membran hervorgerufen. Proteine, die nicht diffundieren können, bewirken eine Diffusion von Flüssigkeit in das kolloidreichere Kompartiment bis zum Ausgleich der Konzentration gelöster Teilchen oder bis zum Ausgleich des onkotischen und des auswärts gerichteten hydrostatischen Drucks.
Als Beispiel können Kapillaren und der interstitielle Raum dienen. An Kapillaren übersteigt der auswärts gerichtete hydrostatische Druck im Gefäß (Blutdruck) den Gewebedruck außerhalb des Gefäßes. Daher werden Wasser und darin gelöste, durch die Kapillarwände diffundierbare Teilchen aus dem Blut in den Extrazellularraum abgepresst und ein überschießender Anteil als Lymphe dem Kreislaufsystem wieder zugeführt. Die Flüssigkeit wird allerdings nicht vollständig abgepresst, da die in der Kapillare verbleibenden, nicht diffundierbaren Proteine einen onkotisch bedingten Sog aufbauen, der dem hydrostatischen Druck entgegenwirkt und so Wasser zurückhalten. Bei einem überhöhten hydrostatischen Druck gelangt zu viel Wasser in den Extrazellularraum. Bei Proteinmangel wird zu wenig Wasser im Gefäßsystem zurückgehalten. In beiden Fällen kommt es zur Ödembildung (Wasseransammlung im Gewebe; 4.4.1).
Filtration

Filtration:$Filtration Prozess, bei dem Flüssigkeiten über eine semipermeable Membran von einem Raum A in einen Raum B verschoben werden. Die Menge des Filtrats ist abhängig von der Fläche der Membran, Porengröße und hydrostatischen und onkotischen Druckdifferenz auf beiden Seiten.

Die FiltrationFiltration ist ein Prozess, bei dem Flüssigkeiten über eine semipermeable Membran von einem Raum A in einen Raum B verschoben werden, wobei feste und flüssige Stoffe getrennt werden.
Als Beispiel können die Filtrationsvorgänge zwischen einer Blutkapillare (A) ins Interstitium (B) dienen. Der effektive Filtrationsdruck beschreibt die Menge der Flüssigkeit, die vom Raum A in den Raum B verschoben wird. Die Menge des Filtrats ist zunächst von der Fläche der Membran und der Porengröße abhängig. Ferner ist die Filtratmenge von der hydrostatischen und onkotischen Druckdifferenz auf beiden Seiten der Membran abhängig; also vom hydrostatischen Druck in der Kapillare (intravasal) und im Interstitium und vom onkotischen Druck in der Kapillare und im Interstitium. Der intravasale hydrostatische Druck und der onkotische Druck im Interstitium treiben die Flüssigkeit ins Interstitium, während der hydrostatische Druck im Interstitium und der onkotische Druck im Gefäß das Wasser im Gefäß halten.
Aktive Transporte

Zu den wichtigsten aktiven Transportern zählt die Na+/K+-Pumpe,$Na+/K+-Pumpe die entgegen dem Konzentrationsgefälle unter ATP-Verbrauch Na+ aus der Zelle und K+ in die Zelle transportiert.

Häufig müssen Stoffe gegen ein Konzentrationsgefälle transportiert werden. Diese Transportvorgänge sind energieabhängig (aktiv). Der wichtigste aktive Transporter ist die Na+/K+-Pumpe.
Na+/K+-Pumpe
Na+/K+-PumpeDer aktive Transport ist mit einer Pumpe vergleichbar. Unter Energieverbrauch (ATP) werden Ionen „bergauf“ gegen das Konzentrationsgefälle befördert, deswegen wird die Pumpe auch Na+/K+-ATPase genannt. Die Pumpe stellt ein integrales Protein dar, das in die Zellmembran eingebaut ist. Drei Natrium-Ionen werden aus der Zelle gepumpt. Im gleichen Vorgang werden 2 Kaliumionen in die Zelle transportiert. Der Transportvorgang ist also elektrogen. Dabei ist die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle wesentlich höher als in der Zelle. Die Verteilung der Kaliumkonzentrationen verhält sich genau umgekehrt. Durch das Ungleichgewicht der Ladungen beidseits der Zellmembran entsteht ein elektrisches Potenzial, das die Voraussetzung für die Erregbarkeit der Zelle darstellt.
Diese Natrium-/Kalium-Pumpe ist ein Antiport. Andere Pumpen transportieren Ionen nur in eine Richtung oder mehrere Ionen oder Moleküle; sie heißen Uniport-Systeme oder Symport-Systeme.
Bläschentransport
Bläschentransport

Zum Bläschentransport$Bläschentransport zählen:

  • •

    Exozytose:$Exozytose Ausschleusung von Stoffen aus der Zelle

  • •

    Endozytose:$Endozytose Einschleusung von Stoffen in die Zelle

  • •

    Transzytose:$Transzytose Hindurchschleusung von Stoffen durch die Zelle hindurch

Exozytose
ExozytoseMittels Exozytose werden größere Mengen von Substanzen nach außen geschleust. Sie werden in membranumschlossene Bläschen, sog. Vesikel, verpackt. Diese verschmelzen mit der Zellmembran und entlassen ihren Inhalt nach außen (Abb. 3.17). So können Schadstoffe, die nicht in den Lysosomen eliminiert werden können, oder Sekrete, die z. B. für die Verdauung benötigt werden, aus der Zelle entfernt werden.
Endozytose
EndozytoseMit Hilfe der Endozytose werden Partikel, die sich außerhalb der Zelle befinden, nach innen geschleust. Die Vesikel entstehen durch Einstülpungen und Abschnürungen der Zellmembran (Abb. 3.17). Die Endozytose ist der Umkehrprozess der Exozytose.
Die Aufnahme von winzigen oder flüssigen Stoffen nennt man Pinozytose.Pinozytose Werden größere Partikel, wie z. B. Bakterien, defekte Erythrozyten aufgenommen, spricht man von Phagozytose.Phagozytose
Werden Stoffe über bestimmte Signalmoleküle (Rezeptoren), die an der Außenseite der Membran lokalisiert sind, aufgenommen, bezeichnet man dies als rezeptorvermittelte Endozytose. Über diesen Vorgang wird Cholesterin über den LDL-Rezeptor in die peripheren Zellen eingeschleust.

ABBILDUNG 3.17

Transzytose
TranszytoseBei der Transzytose werden Stoffe auf der einen Seite durch (meist rezeptorvermittelten) Endozytose aufgenommen, durch die Zelle hindurch geschleust und auf der anderen Seite über den Vorgang der Exozytose wieder ausgeschleust. Die Transzytose wird an Zellen beobachtet, z. B. an Darmepithelien, die miteinander über Tight Junctions verbunden sind, also einen parazellulären Transport (zwischen den Zellen) nicht erlauben.

3.2

Gewebe

3.2.1

Allgemeines

Gewebe$Gewebe sind Zellverbände, die den gleichen Aufbau und Funktion haben. Lokal angeordnete Gewebe mit spezifischer Funktion werden Organe$Organe genannt. Mehrere Organe, die funktionell den gleichen Aufgaben nachgehen, heißen Apparat$Apparat (Trakt).$Trakt

Ein GewebeGewebe ist ein Verband von Zellen mit gleichen oder ähnlichen Funktionen und Aufbau. Die Lehre von den Geweben wird Histologie genannt. Bestimmte Gruppen von Geweben, die lokal angeordnet und eine gleiche Funktion haben, werden als OrganeOrgane bezeichnet.
Diese werden eingeteilt in:

  • •

    Parenchymatöse Organe, bestehen v. a. aus Organzellen (Parenchym) mit einer bestimmten Funktion, die mit wenig Bindegewebe „zusammengehalten“ werden. Dieses ausfüllende Bindegewebe nennt man dann Stroma oder Interstitium. Zu den parenchymatösen Organen zählen z. B. Leber und Niere.

  • •

    Muskuläre Hohlorgane sind innen hohl und außen mit einer dicken Muskelschicht versehen, z. B. Magen und Harnblase.

Eine Gruppe von Organen, die funktionell ähnliche Aufgaben haben, wird als ApparatApparat oder TraktTrakt bezeichnet, z. B. Urogenitaltrakt oder Magen-Darm-Trakt.
Ein SystemSystem beschreibt funktionell zusammengehörige Einrichtungen mit weiterer Verbreitung im Körper, z. B. Gefäß-, Nervensystem.

3.2.2

Entwicklung der Gewebearten

Gewebe und Organe entwickeln sich aus Keimblättern:

  • •

    Entoderm:$Entoderm Organe des Verdauungstrakts, incl. der Drüsen, Atemtrakt

  • •

    Mesoderm:$Mesoderm Binde- und Stützgewebe, Gefäße, Nieren, Milz

  • •

    Ektoderm:$Ektoderm Nervensystem, Sinnesorgane, Haut

Gewebe und Organe entwickeln sich im Embryo aus sog. Keimblättern. KeimblätterKeimblätter sind zunächst Zellschichten im Embryo, die sich im Laufe der Entwicklung in Gewebe und verschiedene Organe differenzieren.
Man unterscheidet 3 Keimblätter (Abb. 3.18):

  • •

    EntodermEntoderm (inneres Keimblatt): Aus dem Entoderm entwickeln sich der gesamte Verdauungstrakt vom Mund bis zum Anus, einschließlich der Drüsen wie Leber, Bauchspeicheldrüse und Schilddrüse, weiterhin der Atemtrakt, die Harnblase und die Harnröhre.

  • •

    MesodermMesoderm (mittleres Keimblatt): Aus dem Mesoderm entwickeln sich das Binde- und Stützgewebe (Knorpel, Knochen), das Muskelgewebe, das Herz, die Blutgefäße und die Blutkörperchen, weiterhin die Lymphknoten, die Niere und die Milz.

  • •

    EktodermEktoderm (äußeres Keimblatt): Aus dem Ektoderm entwickeln sich die Haut, das Nervensystem und die Sinnesorgane.

ABBILDUNG 3.18

Gewebearten
Gewebearten

Gewebearten: $Gewebearten

  • •

    Epithelgewebe

  • •

    Binde- und Stützgewebe

  • •

    Muskelgewebe

  • •

    Nervengewebe

Im menschlichen Körper werden 4 Gewebearten unterschieden:

  • •

    Epithelgewebe

  • •

    Binde- und Stützgewebe

  • •

    Muskelgewebe

  • •

    Nervengewebe

3.2.3

Epithelgewebe

Epithelgewebe

$EpithelgewebeEpithelien bedecken äußere und innere Oberflächen. Sie sitzen der Basalmembran auf. Sie werden in Oberflächen-, Drüsen- und Sinnesepithelien eingeteilt. Die Funktionen umfassen Schutz, Stabilität, Stoffaustausch und Kommunikation.

Epithelien (lat. epi = auf, darauf; lat. tela = Schicht) bilden zusammenhängende Zelllagen, die innere und äußere Oberflächen bedecken. Sie sitzen einer BasalmembranBasalmembran (Membrana basalis) auf, die als eine Trennschicht zwischen den Epithelien und anderen Geweben fungiert. Basalmembranen bestehen aus Kollagen, Glykoproteinen und Proteoglykanen.
Die meisten Epithelien unterliegen einer ständigen Erneuerung. Sie werden mangels eigener Gefäße durch Diffusion ernährt.
Im Zellverband sind Epithelien polar differenziert. Die obere (apikale) Seite zeigt nach außen (oder zum Lumen) hin, die untere (basale) Seite ist mit der Basalmembran verbunden. Die apikale Seite kann – je nach Lokalisation und Funktion – Mikrovilli oder Kinozilien tragen. Untereinander sind Epithelien durch Kontakte verbunden.
Es können folgenden EpithelartenEpithelarten unterschieden werden:

  • •

    Oberflächenepithel

  • •

    Drüsenepithel

  • •

    Sinnesepithel

Die Funktion der Epithelien umfasst:

  • •

    Begrenzung nach außen

  • •

    Mechanische Stabilität

  • •

    Schutz vor Austrocknung

  • •

    Schutz vor Eindringen von fremden Organismen

  • •

    Aufnahme von lebensnotwendigen Stoffen, z. B. Magen-Darm-Trakt

  • •

    Abgabe von Enzymen durch das Drüsengewebe

  • •

    Kommunikation durch Aufnahme und Verarbeitung von Reizen

Oberflächenepithelien
OberflächenepithelOberflächenepithelien bedecken die Oberfläche des Körpers (Haut), kleiden Hohlorgane, z. B. Magen, Harnblase, Körperhöhlen, z. B. Bauchhöhle, Brusthöhle, Gelenkinnenraum und die Innenschicht der Gefäße aus. Die Oberflächenepithelien werden nach der Form (platt, kubisch/isoprismatisch, hochprismatisch) und nach der Schichten- und Reihenbildung (einschichtig, mehrschichtig, mehrreihig) eingeteilt (Abb. 3.19).

ABBILDUNG 3.19

Einschichtiges Plattenepithel
Plattenepithel einschichtiges

Oberflächenepithelien$Oberflächenepithel bedecken äußere und innere Oberflächen:

  • •

    Einschichtiges Plattenepithel (z. B. Lungenalveolen)

  • •

    Mehrschichtiges unverhorntes Plattenepithel (Schleimhäute)

  • •

    Mehrschichtiges verhornendes Epithel (Haut)

  • •

    Übergangsepithel (ableitende Harnwege)

  • •

    Prismatische Epithelien (z. B. GI-Trakt, Nierentubuli)

  • •

    Flimmerepithel (z. B. Atemwege)

Dieses Epithel besteht aus niedrigen, breit ausgedehnten Zellen (Abb. 3.19). Sie begünstigen den Gasaustausch und den Zelldurchtritt, z. B. der Abwehrzellen von einem Hohlraum ins Gewebe und umgekehrt.
Diese Epithelart findet sich in:

  • •

    Lungenbläschen (Alveolen)

  • •

    Herzinnenraum (als Endokard/Herzinnenhaut)

  • •

    Gefäßinnenraum (als Endothel/Gefäßinnenhaut)

  • •

    Lymphgefäßen (als Endothel)

  • •

    Anderen Körperhöhlen als Serosa, z. B. Gallenblase, Pleura (Brustfell), Peritoneum (Bauchfell)

  • •

    Gelenkhöhlen als Auskleidung der Innenseite (als Synovia/Gelenkinnenhaut)

Mehrschichtiges unverhorntes Plattenepithel
Plattenepithelmehrschichtiges unverhorntesDieses Plattenepithel besteht aus mehreren Schichten, die von der Basalmembran nach oben wachsen und dann abgestoßen werden (Abb. 3.19). Nur die unterste Reihe hat Kontakt zur Basalmembran. Sie bilden sie Schleimhaut und sind mechanisch beanspruchbar.
Diese Art der Epithelien findet sich in der Mundschleimhaut, der Speiseröhre, Vagina und dem Anus.
Mehrschichtiges verhornendes Plattenepithel
Plattenepithelmehrschichtiges verhornendesDas mehrschichtige verhornende Plattenepithel ähnelt dem unverhornten Plattenepithel, zeigt aber beim Wachstum von den untersten Schichten in die oberen eine Verhornung (Abb. 3.19). Die Transitzeit der Zellen von unten nach oben beträgt ca. 30 Tage. Dieser Zellverband zeichnet sich durch eine gute mechanische Belastbarkeit aus, die Hornlamellen sind widerstandsfähig gegen Säuren und Austrocknung.
Es findet sich an der Hautoberfläche.
Übergangsepithel
ÜbergangsepithelDas Übergangsepithel, auch Urothel genannt, kommt nur in ableitenden Harnwegen vor und ist durch den Aufbau in der Lage, sich den wechselnden Dehnungsverhältnissen anzupassen (Abb. 3.19). Das Epithel besteht aus mindestens 3 Lagen Zellen, wobei sie von unten nach oben an Größe zunehmen.
Prismatische Zellen
prismatische ZellenPrismatische Zellen dienen – ähnlich wie Plattenepithelien – dem Schutz des Gewebes, sind aber auch stoffwechselaktiv. Sie haben eine Resorptions- und/oder Sekretionsfunktion. Prismatische Zellen können eingeteilt werden in isoprismatische bzw. kubische und hochprismatische (auch zylindrische Zellen genannt) (Abb. 3.19).
Isoprismatische Zellen sind genauso breit wie lang und kommen in Nierentubuli und Sammelrohren der Niere vor. Hochprismatische Zellen finden sich als Zylinderepithel im Magen-Darm-Trakt.
Flimmerepithel Flimmerepithel
Das Flimmerepithel besteht aus hochprismatischen Zellen und ist in der Regel zweireihig angeordnet, wobei die untere Reihe als eine Ersatzschicht fungiert (Abb. 3.19). Zwischen den Zellen sind Becherzellen eingelassen, die für die Schleimproduktion zuständig sind. Die Kinozilien stellen kleine Zellfortsätze dar, die durch koordinierte, wellenförmige Bewegungen Fremdstoffe, z. B. Staub oder Ruß, zum Mund hin transportieren, aber auch den Schleim an der Oberfläche verteilen.
Flimmerepithelien finden sich in den Atemwegen, im Nebenhoden und im Eileiter.
Drüsenepithelien
Drüsenepithel

Drüsenepithelien$Drüsenepithel bilden und schleusen Sekrete aus. Sie werden in endokrine und exokrine Drüsen eingeteilt.

Exokrine Drüsen können seröse (Ohrspeicheldrüse), muköse (Magendrüsen) oder gemischte Sekrete (Unterzungen-, Unterkieferdrüse) abgeben.

Drüsenepithelien sind hochspezialisierte Epithelien, deren Aufgabe die Bildung, Speicherung und Ausschleusung von Sekreten (Flüssigkeiten) ist. Drüsen können kontinuierlich, z. B. Schweißdrüsen, oder aufgrund besonderer Reize, z. B. Speicheldrüsen, Sekrete abgeben. Man unterscheidet:

  • •

    Exokrine Drüsen:Drüseexokrine Sie geben das Sekret in ein Lumen ab.

    Beispiele: Schweißdrüsen, Duftdrüsen, Talgdrüsen der Haut, Tränendrüse, Drüsen des Magen-Darm- und Atemtrakts.

  • •

    Endokrine Drüsen:Drüseendokrine Das Sekret gelangt direkt ins Blut. Endokrine Drüsen sind Hormondrüsen, ihre Sekrete nennt man Hormone.

    Beispiele: Hypophyse, Epiphyse, Nebenniere, Schilddrüse.

Exokrine Drüsen können verschiedenartig eingeteilt werden: zum einen nach dem Aussehen der Endstücke und der Gangsysteme (Abb. 3.20), zum anderen nach der Art der Sekretionsabgabe oder nach der Sekretbeschaffenheit. Für den Heilpraktiker ist die Einteilung nach chemischer Beschaffenheit wichtig:

  • •

    Seröse Drüsen:Drüseseröse produzieren ein eiweißreiches, sehr dünnflüssiges Sekret, z. B. Ohrspeicheldrüse, Bauchspeicheldrüse

  • •

    Muköse Drüsen:Drüsemuköse produzieren einen zähen Schleim, der v. a. der Gleitfähigkeit dient, z. B. Magendrüsen, Drüsen der Speiseröhre

  • •

    Seromuköse oder mukoseröse Drüsen:DrüseseromuköseDrüsemuköseseröse produzieren gemischte Sekrete, die sowohl Schleim als auch eiweißreiche Bestandteile in unterschiedlichen Anteilen beinhalten, z. B. Unterzungen- und Unterkieferdrüse

Sinnesepithelien
SinnesepithelZu den Sinnesepithelien gehören u. a. die Geschmacksknospen, die Sinneszellen des Riech-, Gleichgewichts- und Hörorgans. Diese sind hochspezialisierte Epithelien (Kapitel 20).

3.2.4

Binde- und Stützgewebe

Binde- und Stützgewebsarten: $Stützgewebe $Bindegewebe

  • •

    Bindegewebe

  • •

    Knorpelgewebe

  • •

    Knochengewebe

Funktionen:

  • •

    Ausfüllen von Räumen zwischen den einzelnen Zellen (extrazelluläre Matrix)

  • •

    Speicherung von Fett (Fettgewebe), Wasser

  • •

    Abwehrfunktion

  • •

    Formgebung

  • •

    Mechanische Stützfunktion

  • •

    Verbindung von Strukturen

Das Binde- und StützgewebeBindegewebeStützgewebe entwickelt sich aus dem embryonalen Mesenchym, das sich zwischen den 3 Keimblättern ergießt. Dieses Gewebe ist am Aufbau aller Organe beteiligt. Zu den Binde- und Stützgeweben zählen Binde-, Knorpel- und Knochengewebe.
Bindegewebe füllt die Räume zwischen den Zellen aus und bildet die extrazelluläre Matrix. Es ist zuständig für die Wasserspeicherung und im Fettgewebe für die Speicherung von Fett. Ferner ist es an der Formgebung des Körpers beteiligt. Bindegewebe verbindet unterschiedliche anatomische Strukturen und sorgt so für einen kompakten Zusammenhalt. Als Beispiel kann die Verbindung von Muskeln über Sehnen am Knochen dienen. Durch die zahlreich vorhandenen Immunzellen ist es an den Abwehrvorgängen beteiligt.
Das Stützgewebe, zu dem das Knorpel- und Knochengewebe zählen, erfüllt v. a. mechanische Funktionen. Das Knorpelgewebe ist druckfest und toleriert (im physiologischen Rahmen) Scherkräfte. Das Knochengewebe ist widerstandsfähig gegenüber Druck-, Biegungs- und Drehkräften.
Das Binde- und Stützgewebe setzt sich aus Bindegewebszellen und der extrazellulären Matrix zusammen. Letztere besteht aus Fasern und einer Grundsubstanz.
Bindegewebe

Bindegewebe$Bindegewebe besteht aus Zellen und der extrazellulären Matrix (Fasern und Grundsubstanz):

  • •

    Zellen:

    • –

      Fibroblasten (-zyten)

    • –

      Lipozyten

    • –

      Chondroblasten (-zyten)

    • –

      Osteoblasten (-zyten)

  • •

    Fasern:

    • –

      Kollagene: zugfest

    • –

      Elastische: elastisch

    • –

      Retikuläre: gitterartig verzweigt

  • •

    Grundsubstanz: formlose Substanz, die aus Glykoproteinen und Proteoglykanen (bindet sehr viel Wasser) besteht

$Bindegewebe Arten Bindegewebsarten:

  • •

    Kollagenes Bindegewebe: kann in straffes und lockeres Gewebe eingeteilt werden, dient v. a. der Stabilität und als Füllgewebe

  • •

    Retikuläres Bindegewebe: ist gitterartig aufgebaut und beherbergt viele Leukozyten

  • •

    Fettgewebe:$Fettgewebe Energiereserve und u. a. Schutzfunktion für Organe

Das Bindegewebe besteht aus zellulären Elementen und der extrazellulären Matrix (Interzellulärmatrix). Die extrazelluläre Matrix besteht wiederum aus Fasern und einer Grundsubstanz (Kittsubstanz).
Zellen des Bindegewebes
Bindegewebe Zellen Tab. 3.3

TABELLE 3.3

Fasern des Bindegewebes
BindegewebeFasernDie Bindegewebsfasern bestehen aus Eiweißfäden, die mit Zuckerbestandteilen durchsetzt sind. Man unterscheidet:

  • •

    Kollagene Fasern:Fasernkollagene (Protein-)Bestandteile, die neben dem extrazellulären Raum in Kapseln, Sehnen, Faszien (Muskelbinden), Knorpel und Knochen zu finden sind. Sie sehen silbrig-glänzend aus und sind extrem zugfest. Sie sind zu Bündeln zusammengefasst und verleihen den genannten Strukturen Stabilität.

  • •

    Elastische Fasern:Fasernelastische Besitzen eine Proteinstruktur und sind extrem stark dehnbar. Nimmt die Dehnung ab, ziehen sie sich zusammen und nehmen die kleinste Fläche ein, die möglich ist. Häufig begleiten sie im Verlauf die kollagenen Fasern. Besonders zahlreich sind sie in der Lunge und großen Arterien vertreten.

  • •

    Retikuläre Fasern:Fasernretikuläre Zeigen eine zarte gitterartig-schwammige Struktur und kommen in Milz, Lymphknoten und Eingeweideorganen vor.

Grundsubstanz (Kittsubstanz)
GrundsubstanzKittsubstanzDie Grundsubstanz ist formlos und farblos, die – ähnlich wie eine Kittsubstanz oder Gelatine – Zellzwischenräume ausfüllt. Sie besteht aus Glykosaminoglykanen, GlykoproteinenGlykoproteine (Eiweißmoleküle, an die Kohlenhydratketten gebunden sind) und v. a. ProteoglykanenProteoglykane (Kohlenhydratketten, an die in geringen Mengen Proteinstrukturen gebunden sind). Die Proteoglykane sind negativ geladen und binden sehr viel Wasser (Gewebsflüssigkeit) und Elektrolyte, was der Grundsubstanz eine Zähigkeit verleiht. Sie fungieren als Ort des Austauschs außerhalb der Zelle (2.3.1).
Bindegewebsarten
Bindegewebe Arten

  • •

    Kollagenes Bindegewebe:Bindegewebekollagenes Kann in lockeres und straffes Bindegewebe eingeteilt werden (Abb. 3.21). Lockeres Bindegewebe fungiert als Füllgewebe zwischen verschiedenen Organen, als Verschiebeschicht und Wasserspeicher. Durch das zahlreiche Vorkommen von Abwehrzellen ist es an Entzündungsreaktionen beteiligt. Straffes Bindegewebe hat v. a. mechanische Aufgaben und findet sich in Sehnen, Bändern und Faszien.

  • •

    Retikuläres Bindegewebe:Bindegeweberetikuläres Bildet ein Gitterwerk, in dem vorwiegend weiße Blutkörperchen (Leukozyten) eingelagert sind. Es kommt vor in Milz, Knochenmark, Tonsillen und Lymphknoten.

  • •

    Fettgewebe:Fettgewebe Stellt eine Speicherform des Bindegewebes dar. Es ist stark durchblutet und kann in weißes und braunes Fettgewebe eingeteilt werden. Weißes Fettgewebe dient als Speicherfett der Energiereserve und als Baufett u. a. der äußerlichen Gestaltung des Körpers und der Polsterung, z. B. der Fußsohlen. Ferner schützt es innere Organe, z. B. die Niere, die von Fettgewebe umgeben ist, vor Stoß und Schlag. Das braune Fettgewebe ist für die (zitterfreie) Wärmebildung zuständig, was v. a. bei Neugeborenen wichtig ist. Die Fettmenge des Menschen wird hormonell reguliert und unterliegt Geschlechts- und Altersschwankungen. Erwachsene Frauen besitzen mehr Fettanteil (ca. 25 %) als Männer (ca. 15 %). Kinder verfügen über einen geringeren Fettanteil. Im Alter hingegen nimmt der Fettanteil zu. Das Fettgewebe selbst ist hormonell aktiv und bildet Östrogene, Leptin, Angiotensin II und einige Zytokine, z. B. TNF-α. Zu über 90 % besteht das Fettgewebe aus Triglyzeriden, die für den Fall einer Hungerzeit den Energiebedarf ca. 40 Tage decken können, bei einer durchschnittlichen Fettmasse von 8–10 kg, die bei einem normalgewichtigen Menschen vorkommt. Ein Überangebot an energiedichten Lebensmitteln führt zur Vermehrung des Fettgewebes und zum kranhaften Zustand der Adipositas.

Stützgewebe
Knorpelgewebe
Stützgewebe Knorpelgewebe

Knorpelgewebe$Knorpelgewebe besteht aus Chondroblasten, -zyten, kollagenen Fasern und Grundsubstanz. Es zählt zu den bradytrophen Geweben, enthält keine Blutgefäße und Nerven. Einteilung in:

  • •

    Hyaliner Knorpel: niedrige Zug-, hohe Druckfestigkeit, v. a. in Nasenknorpel, Trachealspangen

  • •

    Elastischer Knorpel: hohe Biegsamkeit, v. a. in Kehldeckel, Ohrmuschel

  • •

    Faserknorpel: hohe Zugfestigkeit, v. a. in Bandscheiben, Menisken

Das Knorpelgewebe besteht aus Zellen (Chondroblasten und Chondrozyten), kollagenen Fasern und Grundsubstanz. Es wird von ChondroblastenChondroblasten produziert und kommt z. B. in Gelenken, den Atemwegen, an der Ohrmuschel und den Zwischenwirbelscheiben vor. Chondroblasten sind teilungsfähige Zellen, welche die Grundsubstanz des kollagenen Bindegewebes bilden. Es enthält u. a. Glykoproteine, GAG (Hyaluronsäure, Keratansulfat, Chondroitinsulfat) und Proteoglykane, die für die Elastizität und Wasserbindung zuständig sind. Durch das Knorpelwachstum werden die Chondroblasten in Lakunen oder Knorpelhöhlen eingeschlossen und dann Chondrozyten genannt. Sie besitzen Zellausläufer (kommunizieren allerdings nicht, wie beim Knochengewebe mit anderen Zellen) und sind ebenfalls in der Lage, weiterhin Grundsubstanz zu bilden.
Der reife Knorpel zählt zu den bradytrophen (langsamer Stoffwechsel) Geweben, enthält keine Nerven und Gefäße, wird aber von einer Knorpelhaut (Perichondrium) umgeben, die gefäß- und nervenreich ist und dadurch ernährt und versorgt wird. Weiterhin wird der Knorpel durch die Synovialflüssigkeit ernährt. Knorpelgewebe regeneriert nur sehr begrenzt. Kleinere Defekte werden durch Faserknorpel ersetzt, größere Gewebe werden entweder durch minderwertiges Gewebe oder gar nicht ersetzt.
Das Knorpelgewebe kann in hyalinen, elastischen und Faserknorpel eingeteilt werden (Abb. 3.22):

  • •

    Hyaliner Knorpel:Knorpelhyaliner Bläulich-milchiger Knorpel mit niedriger Zug- und hoher Druckfestigkeit. Vorkommen im Nasenknorpel, Kehlkopf, Trachealspangen, als Gelenkflächenüberzug und als Bestandteil des fetalen und neugeborenen Skeletts.

  • •

    Elastischer Faserknorpel:Faserknorpel Elastinhaltiger Knorpel,Knorpelelastischer der eine hohe Biegsamkeit aufweist. Dieser Knorpel kommt u. a. im Kehldeckel, äußeren Gehörgang und in der Ohrmuschel vor.

  • •

    Faserknorpel:Faserknorpel Kollagenhaltiger Knorpel mit geringem Wasser- und Zellanteil. Er weist eine hohe Zugfestigkeit auf und ist dort zu finden, wo das Bindegewebe hohen Drücken ausgesetzt ist. Vorkommen in den Bandscheiben der Wirbelsäule und Menisken.

ABBILDUNG 3.22

Knochengewebe
Knochengewebe

Das Knochengewebe$Knochengewebe besteht aus Zellen und Osteoid (kollagene Fasern und Grundsubstanz).

Zellen des Knochens:

  • •

    Osteoblasten: bauen das Knochengewebe an

  • •

    Osteozyten: erhalten das Knochengewebe

  • •

    Osteoklasten: bauen den Knochen ab

Osteoblasten bauen, Osteoklasten klauen.

Das Knochengewebe zählt zu den aktiven Geweben, das ständig an- und abgebaut wird. Es besteht wie alle anderen Gewebearten aus Zellen, kollagenen Fasern und der Grundsubstanz (Osteoid, Knochenmatrix). Die Zellen des Knochengewebes bestehen aus 3 Arten von Zellen:

  • •

    Osteoblasten:Osteoblasten bauen das Knochengewebe an

  • •

    Osteozyten:Osteozyten erhalten das Knochengewebe

  • •

    Osteoklasten:Osteoklasten bauen den Knochen ab; sessile Makrophagen, die in Lakunen als Riesenzellen vorliegen

Osteoid$Osteoid ist die nicht verkalkte Grundsubstanz; besteht aus kollagenen Fasern und einer organischer Kittsubstanz.

Bestandteile des Knochens nach Kalkeinlagerung:

  • •

    25 % Proteine (Zugfestigkeit)

  • •

    65 % Mineralien: Kalziumphosphat, Kalziumkarbonat und Magnesiumsalze (Druckfestigkeit)

  • •

    10 % Wasser

Das Osteoid,Osteoid das von den Osteoblasten produziert wird, besteht aus kollagenen Fasern und einer organischer Kittsubstanz. Beide werden aus den Osteoblasten in die Umgebung ausgeschleust. Im Anschluss werden v. a. Kalzium-Phosphat-Kristallkomplexe (Kalzium-Hydroxylapatit) in die Grundsubstanz eingelagert, die Osteoblasten selbst eingemauert. Die ursprünglichen knochenbildenden Zellen werden jetzt Osteozyten genannt. Mit ihren Fortsätzen stehen sie miteinander (über Gap Junctions) in Verbindung, die vermutlich als Mechanosensor fungieren und für den Austausch von Nährstoffen zuständig sind. Die Osteoblastenaktivität wird u. a. von Vitamin D und Wachstumsfaktoren stimuliert. Osteoklasten werden primär durch das Parathormon aktiviert, sekundär u. a. auch von Kortisol.
Insgesamt besteht der Knochen aus 25 % Proteinanteil (kollagene Fasern) und zu 65 % aus Mineralien (Kalziumphosphat, Kalziumkarbonat und Magnesiumsalze) und zu 10 % aus Wasser. Der Proteinanteil bedingt die Zugfestigkeit des Knochens, der Mineralanteil die Druckfestigkeit.
Der Knochenabbau wird durch Osteoklasten vollzogen. Osteoklasten sind vielkernige Zellen, die von Makrophagen stammen. Sie bauen Knochengewebe ab und bilden Howship-Lakunen, die wie kleine Einsenkungen in der Knochensubstanz imponieren. Zu der Lakune hin gerichtet finden sich zahlreiche oberflächenvergrößernde Fortsätze, die als Ruffled Border bezeichnet werden und für die Resorption und Auflösung der Stoffe aus dem gelösten Knochen, v. a. Kalziumphosphat zuständig sind (Abb. 3.23).
Die Zusammensetzung des Knochens ist abhängig von Stoffwechseleinflüssen, Hormonlage und Ernährungszustand. Die höchste Knochenmasse besitzt ein Mensch im Durschnitt mit 30 Jahren (Peak Bone Mass), danach unterliegt der Knochen Abbauprozessen, bei Frauen nach der Menopause schneller als bei Männern. Die Knochenform ist genetisch determiniert, sie kann sich aber durch Beanspruchung vergrößern und bei Minderbelastung atrophieren.

ABBILDUNG 3.23

Arten des Knochengewebes
Knochengewebe Arten

  • •

    Geflecht- bzw. Faserknochen:Geflechtknochen Faserknochen Diese Knochenart kommt beim Fetus vor und besitzt einen geringen Mineralanteil. Er wird auch als „unreifer Knochen“ bezeichnet. Beim Erwachsenen findet sich diese Knochenart nur noch an den Schädelnähten und im Felsenbein.

  • •

    Lamellenknochen:Lamellenknochen Diese Knochenart hat ein lamellenartiges (geordnetes, schichtartiges) Aussehen und kommt in allen anderen Knochen des Erwachsenen vor bis auf die Schädelnähte und das Felsenbein. Er wird auch als „reifer Knochen“ bezeichnet.

3.2.5

Muskelgewebe

Muskelgewebe

Muskelgewebe$Muskelgewebe dient der Fortbewegung. Es kann eingeteilt werden in:

  • •

    Quergestreifte Muskulatur:$Muskulaturquergestreifte Findet sich im Skelettmuskel. Die Zellen sind vielkernig, lang, zur schnellen Kontraktion fähig, willkürlich aktivierbar und ermüdbar.

  • •

    Glatte Muskulatur:$Muskulaturglatte Findet sich u. a. in Eingeweideorganen. Die Zellen sind kurz, kontrahieren sich langsamer, besitzen einen höheren Ruhetonus und sind wenig ermüdbar. Sie sind nicht willkürlich aktivierbar.

  • •

    Herzmuskulatur:$Herzmuskulatur Die Zellen sind kurz, kontrahieren sich schnell und autonom und sind nicht ermüdbar.

Das Muskelgewebe ermöglicht dem Menschen eine aktive Bewegung und eine aufrechte Körperhaltung. Muskulatur produziert Wärme, die v. a. bei Kälteeinwirkung und Kältezittern auffällig wird. Für die Rotfärbung des Muskels sind Myoglobin und die gute Blutversorgung zuständig. Myoglobin ist ein Protein, das Sauerstoff – ähnlich wie Hämoglobin – über ein Porphyringerüst speichert. Die Muskelmasse unterliegt Geschlechts- und Altersunterschieden; Männer besitzen mehr Muskelmasse als Frauen, im Alter nimmt die Muskelmasse zugunsten der Fettmasse ab.
Muskelgewebe setzt sich aus MyozytenMyozyten (Muskelzellen) zusammen, die kontraktile Elemente besitzen. Ein kontraktiles Element ist erregbar, dehnbar, kann sich zusammenziehen und entspannen und somit die Länge ändern. Je nach Funktion und Aussehen der Muskelzellen unterscheidet man (Abb. 3.24, Tab. 3.4):

  • •

    Quergestreifte Muskulatur:Muskulaturquergestreifte Kommt in Muskeln vor, die für die Fortbewegung des menschlichen Körpers wichtig sind. Sie wird als „quergestreift“ bezeichnet, weil helle und dunkle Streifen (Aktin- und Myosinfilamente) regelhaft nacheinander angeordnet sind.

  • •

    Glatte Muskulatur:Muskulaturglatte Findet sich u. a. in Eingeweideorganen, Gefäßen, im Auge an Haaren und Drüsen. Sie wird deswegen als „glatt“ bezeichnet, weil sie keine Querstreifung aufweist.

  • •

    Herzmuskulatur:Herzmuskulatur Vereinigt die Eigenschaften der quergestreiften und glatten Muskulatur.

TABELLE 3.4

Muskelfeinbau
Muskelfeinbau

Der Muskelfeinbau$MuskelFeinbau von makroskopischen zu mikroskopischen Elementen: Muskel → Muskelfaserbündel → Muskelfaser → Myofibrille → Myofilamente (Aktin und Myosin, regelmäßig angeordnet)

Die kleinste kontraktile Einheit wird Sarkomer genannt.

Der Muskel ist von einer derben MuskelfaszieMuskelfaszie umhüllt (Abb. 3.25). Sie besteht aus straffem, kollagenem Bindegewebe, hält den Muskel zusammen und gewährleistet die Verschieblichkeit des Muskels gegen die Umgebung. Unter der Muskelfaszie liegt das Epimysium, das als Verschiebeschicht zwischen Muskelfaszie und Muskelfaserbündeln fungiert.
MuskelfaserbündelMuskelfaserbündel stellen im Muskel die nächst kleineren Baueinheiten dar. Sie sind aus mehreren 100 MuskelfasernMuskelfaser zusammengesetzt. Muskelfaserbündel werden vom Perimysium umgeben. Sie bestehen aus kollagenen Fasern und führen Gefäße und Nerven. An das Perimysium schließt sich das Endomysium an, das jede Muskelfaser umwickelt und ebenfalls Gefäß- und Nervenäste zur Versorgung der Muskulatur führt. Jede Muskelfaser ist dabei eine Zelle, die wie jede andere Zelle auch von einer Membran umgeben ist. Diese Zellmembran wird jedoch hier als Sarkolemm,Sarkolemm das Zytoplasma als SarkoplasmaSarkoplasma und das endoplasmatische Retikulum als sarkoplasmatisches Retikulumsarkoplasmatisches Retikulum (dient als Kalziumspeicher) bezeichnet.
Muskelfasern bestehen aus zahlreichen Myofibrillen.Myofibrille Jede Muskelfibrille besteht aus Sarkomeren,Sarkomer der kleinsten kontraktilen Einheit, die einander angereiht und durch Z-Streifen voneinander getrennt sind. Sarkomere sind wiederum aus MyofilamentenMyofilamente aufgebaut. Sie sind regelmäßig angeordnet und bilden so eine Querstreifung aus, die im Lichtmikroskop gesehen werden kann. Myofilamente bestehen aus fadenförmigen Proteinmolekülen, v. a. aus AktinAktin und Myosin:Myosin sie spielen bei der Muskelkontraktion eine entscheidende Rolle, indem sich die Filamente ineinanderschieben und das Sarkomer verkürzen (Abb. 3.26). Aktinfilamente sind dünne Proteingebilde, die mit dem Z-Streifen verbunden sind. Myosinfilamente sind dickere Fäden, die in der Mitte des Sarkomers liegen. Sie besitzen kleine Kopfteile, die beweglich sind. Sie haften während der Kontraktion an den Aktinfilamenten und schieben diese ein Stückchen zusammen. Ein weiteres Proteinelement ist das Titin, welches das ganze Sarkomer durchzieht. Es fixiert die Myosinfilamente im Sarkomer und wirkt durch die elastische Eigenschaft einer Muskelüberdehnung entgegen. Neben den o. g. Fasern besitzen Muskelzellen noch einige andere Fasern, deren Bedeutung an dieser Stelle untergeordnet ist.

ABBILDUNG 3.25

ABBILDUNG 3.26

Kontraktion eines Muskels

Die Muskelkontraktion$Muskelkontraktion erfolgt nach Stimulation der Muskelzelle durch eine Nervenzelle über die motorische Endplatte (Verbindung Synapse und Sarkolemm). Die Erregung der Muskelzelle führt zur Kalziumfreisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum, die wiederum zur ATP-abhängigen, reversiblen Bindung von Aktin und Myosin sowie Verkürzung des Sarkomers führt.

Voraussetzung für eine MuskelkontraktionMuskelkontraktion ist die Stimulation durch eine motorische Nervenzelle (Motoneuron).Motoneuron Diese erfolgt über die synaptische Knüpfung mit der Muskelzelle (motorische Endplatte).motorische Endplatte Dabei versorgt ein Neuron mehrere Fasern, was auch als motorische Einheitmotorische Einheit bezeichnet wird. Je feiner die Bewegungen eines Muskels sind, desto kleiner sind die motorischen Einheiten und umgekehrt.
Nach Ausschüttung von Acetylcholin in den synaptischen Spalt und Bindung an einen Rezeptor an der Zellmembran der Muskelzelle (Sarkolemm) wird der Impuls ins Zellinnere übertragen bzw. übersetzt. Das erfolgt in Form einer Kalziumausschüttung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum, das dann für die Anheftung der Myosinköpfchen an den Aktinfilamenten benötigt wird (Abb. 3.27). Gleichzeitig wird ATP verbraucht. Nach der Stimulation geht die Muskelzelle in eine kurze Refraktärzeit (Ruhezeit), die ca. 1 ms andauert, bevor sie wieder stimuliert werden kann.
Unter physiologischen Bedingungen sind abwechselnd einige Muskelfasern gespannt (kontrahiert) und einige entspannt, was dem Muskel einen Grundtonus (Grundspannung) verleiht. Dabei erfolgt die Regulation über Reflexbögen.

ABBILDUNG 3.27

Die Tätigkeit der Muskelzelle ist an permanente Energiezufuhr angewiesen. Zunächst greift die Zelle auf ATP-Vorräte zurück. Sind diese erschöpft, was nach wenigen Sekunden Daueraktivität erreicht ist, wird Kreatinphosphat gespalten. Dabei wird die Phosphatgruppe auf ADP übertragen, sodass ATP entsteht. Sind auch diese Reserven erschöpft, wird Glukose zu ATP – je nach Sauerstoffversorgung aerob oder anaerob – verstoffwechselt. Der aerobe Glukoseabbau liefert dabei ungleich mehr ATP als der anaerobe (2.4.1). Im Zuge des anaeroben Abbaus und gleichzeitig starker muskulärer Tätigkeit entstehen vermehrt Laktat und CO2, was eine Gefäßdilatation nach sich zieht. Weiterhin steigen das Herzminutenvolumen und das Atemminutenvolumen. Alle 3 Mechanismen tragen zu einer besseren Versorgung des Muskelgewebes bei.

3.2.6

Nervengewebe

Nervenzellen
Nervengewebe Nervenzelle

Nervenzellen$Nervenzelle bestehen aus:

  • •

    Soma$Soma (Zellleib): Ort der Bildung von Neurotransmittern, Verrechnungsstelle der ankommenden Impulse und Bildung von Impulsen, die weiter transportiert werden sollen

  • •

    Dendriten:$Dendrit bäumchenartige Fortsätze am Soma, die dem Erregungseingang dienen

  • •

    Axon:$Axon langer Zellfortsatz, der vom Axonhügel ausgeht und an der Synapse endet

Nervenzellen (Neurone)Neuron generieren und leiten elektrische Impulse weiter, wobei die Nervenzellen wie eine Kette hintereinander geschaltet sind. Die Gesamtheit aller Nervenzellkörper (Somata) bildet die graue Substanz im Gehirn und Rückenmark. Einige Somata liegen als Inseln im ZNS verstreut und werden dann GanglionGanglien genannt. Die weiße Substanz besteht aus den Fortsätzen (Axone und Dendriten) der Neurone.
Aufbau eines Neurons
Abb. 3.28

  • •

    ZellkörperZellkörper (Soma, Perikaryon):SomaPerikaryon Enthält den zentral gelegenen Zellkern und viel raues endoplasmatisches Retikulum, das in Nervenzellen Nissl-SchollenNissl-Scholle genannt wird. Im Soma werden NeurotransmitterNeurotransmitter (chemische Botenstoffe) produziert, die dann in Vesikeln verpackt werden und über den (anterograden) axonalen Transport entlang der Mikrotubuli bis zur Synapse verschickt werden. Die Vesikel lagern im synaptischen Kolben und werden in den synaptischen Spalt nach Erregung der Zelle freigesetzt. Dabei bildet eine Nervenzelle nur eine Art vom Neurotransmitter, z. B. Dopamin oder Glutamat oder Noradrenalin. Weiterhin werden die ankommenden Impulse in der Menge und Qualität (erregend oder hemmend) verrechnet und ggf. Aktionspotenziale gebildet, die dann entlang des Axons zur Synapse und von dort auf die nachgeschaltete Zelle weitergeleitet werden.

  • •

    Dendriten:Dendrit Bäumchenartig verzweigte Zellfortsätze (Zytoplasmaausläufer), die als Ort des Erregungsempfangs gelten und Impulse an das Soma weiterschicken. Dabei münden hunderte von erregenden und hemmenden Synapsen anderer Neurone am Dendritenbäumchen (und Soma).

  • •

    AxonAxon (Neurit):Neurit Entspringt am Axonhügel und zieht wie ein langes Kabel entweder zu einer anderen Nervenzelle oder zu einer Muskel- oder Drüsenzelle hin. Entlang des Axons wird die Erregung weiter bis zur Synapse geleitet. An der Synapse findet die Erregungsübertragung auf andere Zellen statt. Findet sich eine Gliascheide, die das Axon umgibt und als elektrischer Isolator dient, wird es NervenfaserNervenfaser genannt.

ABBILDUNG 3.28

Synapse
Synapse

Die Synapse$Synapse stellt eine Verbindungsstelle einer Nervenzelle mit einer nachgeschalteten Zelle dar. Nach Eingang der Erregung an der Synapse werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt entlassen und heften sich an Rezeptoren der Folgezelle an. Die wichtigsten Neurotransmitter sind Noradrenalin, Glutamat, Acetylcholin und Dopamin.

Eine Synapse (Abb. 3.29) ist eine Kontaktstelle, an der die Erregung auf ein anderes Neuron oder auf ein Erfolgsorgan übertragen wird. Axone besitzen am Ende eine winzige Auftreibung, den synaptischen Endkolben. Dieser Endkolben enthält sehr viele Mitochondrien und mit Transmittern gefüllte Bläschen.
Die Membran an der Basis des Endkolbens nennt man präsynaptische Membran. Die ankommenden Erregungen führen zur Transmitterausschüttung in den synaptischen Spalt. Sie binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran der Empfängerzelle. Elektrische Impulse werden also in chemische Impulse übersetzt und auf die Folgezelle weitergeleitet. Dabei besitzen Neurotransmitter erregende oder hemmende Eigenschaften. In Analogie dazu lassen sich erregende oder hemmende Synapsen unterscheiden, je nachdem, welcher Neurotransmitter vorzufinden ist.
Zu den wichtigsten NeurotransmitterTransmittern zählen:

  • •

    Adrenalin und Noradrenalin (vorwiegend erregend)

  • •

    Acetylcholin (erregend)

  • •

    Dopamin (erregend)

  • •

    Glutamat (erregend)

  • •

    GABA (hemmend)

  • •

    Serotonin (erregend)

ABBILDUNG 3.29

Nervenzellarten
Nervenzelle Arten

Nervenzellen$NervenzelleArten können eingeteilt werden in:

  • •

    Afferenzen:$Afferenz leiten sensible und sensorische Impulse dem Gehirn zu

  • •

    Efferenzen:$Efferenz leiten motorische Impulse vom Gehirn zu den Zielorganen hin

In Abhängigkeit davon, in welche Richtung Informationen geleitet werde, können folgenden Nervenzellarten unterschieden werden:

  • •

    Afferenzen:Afferenz Führen Impulse zum Gehirn hin. Man unterscheidet sensorische von sensiblen Fasern. Sensorische Fasern übertragen Impulse, die dem Sehen, Hören, Riechen und Schmecken dienen; sie sind also Bestandteile der Hirnnerven. Sensible Fasern übertragen z. B. Berührungs-, Druck-, Temperaturimpulse. Sie sind Bestandteile der Hirn- und Spinalnerven.

  • •

    Efferenzen:Efferenz Führen Impulse vom Gehirn zu den Erfolgsorganen hin. Man unterscheidet das 1. MotoneuronMotoneuron (Pyramidenbahn),Pyramidenbahn das vom Gyrus praecentralis bis hin zum Vorderhorn des jeweiligen Segments führt und am 2. Motoneuron endet. Das 2. Motoneuron beginnt am Vorderhorn, verlässt das Rückenmark an der Ventralseite und zieht im peripheren Nerv bis zum Erfolgsorgan (Kapitel 19).

Gliazellen
Gliazelle

Gliazellen: $Gliazelle

  • •

    Astrozyten:$Astrozyt Stütz-, Ernährungsfunktion, Bildung der Blut-Hirn-Schranke

  • •

    Oligodendrozyten:$Oligodendrozyt Myelinisierung im ZNS

  • •

    Ependymzellen:$Ependymzelle Auskleidung der Liquorräume

  • •

    Hortega-Zellen:$Hortega-Zelle Phagozytose

  • •

    Schwann-Zellen:$Schwann-Zelle Myelinisierung im PNS

Aufgaben der Gliazellen:$GliazelleAufgaben

  • •

    Stütz- und Ernährungsfunktion

  • •

    Ausbildung der Blut-Hirn-Schranke

  • •

    Elektrische Isolierung der Nervenzellen

  • •

    Narbenbildung

  • •

    Abwehrfunktion

NeurogliaNeuroglia ist, neben den Neuronen, die zweite Zellart, die am Aufbau des Nervensystems beteiligt ist. GliazellenGliazelle übernehmen mechanische Aufgaben wie die Stützfunktion, regulieren die Ernährung und Aktivität der Nervenzellen und dienen der elektrischen Isolierung der Nervenzellen. Weiterhin sind sie an der Ausbildung der Blut-Hirn-Schranke beteiligt. Die Narbenbildung und Abwehrfunktion zählt ebenfalls zu den Aufgaben der Gliazellen.
Zellarten

  • •

    Astrozyten:Astrozyt Gehören zu den Stützzellen des Nervensystems. Sie dienen dem Stoffaustausch der Nervenzellen, regulieren den Kaliumhaushalt und sind zur Phagozytose befähigt. Weiterhin sind sie an der Bildung der Blut-Hirn-Schranke beteiligt.

  • •

    Oligodendrozyten:Oligodendrozyt Bilden die Myelinscheide im ZNS. Zusammen mit den Astrozyten werden die beiden Zellarten auch zur Makroglia zusammengefasst.

  • •

    Ependymzellen:Ependymzelle Kleiden die Hohlräume in ZNS aus, die mit Liquor gefüllt sind.

  • •

    Hortega-ZellenHortega-Zelle (Mikroglia): Sind sessile Makrophagen und besitzen die Fähigkeit zur Phagozytose.

  • •

    Schwann-Zellen:Schwann-Zelle Bilden die Myelinschicht im peripheren Nervensystem.

Myelinisierung
MyelinisierungDie Myelinisierung geht im ZNS von OligodendrozytenOligodendrozyt und im peripheren Nervensystem (PNS) von Schwann-ZellenSchwann-Zelle aus. Diese Gliazellen umhüllen die Axone (Abb. 3.30). Das Myelin stellt die Zellmembran der Oligodendrozyten bzw. Schwann-Zellen dar und besteht v. a. aus Fett und wenig Proteinen. Je nach Myelinisierungsgrad unterscheidet man:

Die myelinisierenden Zellen sind die Oligodendrozyten im ZNS und die Schwann-Zellen im PNS.

Je nach Myelinisierungsgrad$Myelinisierung unterscheidet man:

  • •

    Markhaltige Zellen: jedes Axon besitzt eine Markscheide aus mehreren Zelllagen; dazwischen sind Ranvier-Schnürringe platziert, die der saltatorischen Erregungsleitung dienen

  • •

    Marklose Nervenfasern: besitzen keine Markscheide, Gliazellen umhüllen mehrere Axone; die Erregungsausbreitung ist kontinuierlich

  • •

    Markhaltige Nervenfaser:Nervenfasermarkhaltige Sie weisen eine Markscheide um jedes Axon auf, das aus mehreren Lagen besteht. Es gibt Ranvier-Schnürringe, welche die Markscheiden in bestimmten Abständen unterbrechen. Diese liegen zwischen 2 Schwann-Zellen. In diesem Bereich fehlt auch das Myelin, die Nervenfasern sind also marklos. Diese „Lücken“ in der Myelinisierung sind für die saltatorische (sprunghafte) Erregungsausbreitungsaltatorische Erregungsausbreitung essenziell, die mit bis zu 80 m/s sehr schnell ist.

  • •

    Marklose Nervenfasern:Nervenfasermarklose Die Gliazelle umhüllt mehrere Axone, bildet dabei aber keine Markscheide. Sie kommen im vegetativen Nervensystem vor, die Erregungsweiterleitung ist kontinuierlich, die Nervenleitgeschwindigkeit sehr langsam.

ABBILDUNG 3.30

Erregungsgenerierung und -weiterleitung
Erregungsgenerierung Erregungsweiterleitung

Erregungsgenerierung$Erregungsgenerierung und -weiterleitung$Erregungsweiterleitung

Die Membran an der Innenfläche der Zelle ist negativ geladen, an der Außenfläche positiv geladen. Das Ruhepotenzial$Ruhepotenzial beträgt dabei –70–90 mV. Es wird im Wesentlichen durch die ungleiche Verteilung von Ladungen auf beiden Seiten der Membran und die Kaliumdiffusion durch die Zellmembran verursacht.

Nervenzellen generieren und übertragen Informationen z. B. von Nervenzelle zu Nervenzelle oder von einer Nervenzelle auf eine Muskelzelle. Dies erfolgt über elektrische und chemische Generierung und Weiterleitung. Synapsen bedienen sich der Neurotransmitter und leiten Impulse auf andere Zelle weiter. Die Erzeugung eines elektrischen Impulses erfolgt über eine Potenzialänderung der Zelle durch Ionenströme.
Bevor man sich der Entstehung des Ruhe- und Aktionspotenzials zuwenden kann, muss man die Ladungsverteilung zwischen dem intrazellulären und dem extrazellulären (Plasma und Interstitium) Raum verstehen. In der Zelle finden sich hohe Kaliumkonzentrationen, niedrige Natriumkonzentrationen (positive geladene Teilchen) und hohe Konzentrationen an Anionen (negativ geladenen Teilchen) in Form von Proteinen, Hydrogenphosphat und in geringer Menge auch Chloridionen.
Im extrazellulären Raum dominieren Natriumionen (positiv geladen) und Chloridionen (negativ geladen). Die Menge an Proteinen (negativ geladen) und Kalium ist gering. Durch diese Ungleichverteilung der Teilchen und Ladungen (innen negative Ladung, außen positive Ladung) entsteht eine Spannungsdifferenz (Potenzial).
Für das RuhepotenzialRuhepotenzial der Zelle ist also maßgeblich zunächst die ungleiche Verteilung der Natrium- und Kaliumionen verantwortlich, die durch die Na+/K+-PumpeNa+/K+-Pumpe aufrechterhalten wird. Es handelt sich dabei um eine aktive Pumpe, die ATP für ihre Arbeit benötigt; deswegen wird sie auch als Na+/K+-ATPase bezeichnet. Sie transportiert 3 Natriumionen in den extrazellulären Raum und 2 Kaliumionen in die Zelle hinein. Der Transport ist also elektrogen (elektroneutral wäre der Transport, wenn die gleiche Menge an Ladungen verschoben würde), er erzeugt ein Potenzial.
So entstehen unterschiedliche Konzentrationen, die Diffusionskräfte entstehen lassen: Kalium ist bestrebt, nach außen zu wandern, Natrium in die Zelle hinein. Die Zelle ist aber für unterschiedliche Ionen unterschiedlich durchlässig. Natriumkanäle sind in Ruhe verschlossen, Kaliumkanäle aber offen. Der Kaliumkanal wird auch als Leckkanal bezeichnet. Die Kaliumionen diffundieren vom Ort der höheren Konzentration (in der Zelle) zum Ort der niedrigeren Konzentration (Extrazellularraum). Außen sammeln sich positive Ladungen an, während im Inneren der Zelle negative Ladungen überwiegen. Das mit einer sehr feinen Elektrode gemessene Potenzial beträgt ca. –70–90 mV. Durch die vielen negativen Ladungen in der Zelle kommt der Kaliumausstrom irgendwann zum Erliegen bzw. es entsteht ein Kaliumeinstrom in die Zelle, sodass ein Gleichgewicht zwischen Ausstrom und Einstrom entsteht (Abb. 3.31).

ABBILDUNG 3.31

Werden Impulse auf eine ruhende Nervenzelle übertragen, wird ein Aktionspotenzial$Aktionspotenzial ausgelöst. Das Potenzial steigt auf +30 mV, die Zelle wird depolarisiert. Begründet ist die Potenzialänderung durch Öffnung der Natriumkanäle und dem Natriumeinstrom in die Zelle. Nach einem Aktionspotenzial befindet sich die Zelle in der Refraktärphase, die Zelle ist nicht (oder sehr schlecht erregbar). Das Ruhemembranpotenzial wird wiederhergestellt.

Die Übertragung von Impulsen auf eine ruhende Nervenzelle, z. B. durch Ausschüttung von Neurotransmittern, führt zu einer Potenzialänderung der Nervenzelle. Dabei gibt es 2 Möglichkeiten der Potenzialänderung: Die Potenzialänderung kann sich noch weiter ins Negative verschieben, z. B. bis zu –110 mV, was Hyperpolarisation genannt wird. Dies erfolgt durch inhibitorische Synapsen, die an der Folgezelle ein inhibitorisches postsynaptisches Potenzial (IPSP) auslösen. Dieser Impuls führt zur Öffnung von Kalium- und Chloridkanälen. Positiv geladenes Kalium strömt nach außen, während negativ geladenes Chlorid in die Zelle strömt.
Die zweite Möglichkeit ist die Depolarisation durch erregende Synapsen der Zelle, die an der Folgezelle ein exzitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP) auslösen, und die Ausbildung eines Aktionspotenzials,Aktionspotenzial bei dem es zu einer Ladungsumkehr kommt. Dabei existiert ein Schwellenwert (ca. –60 mV), bei dem ein Aktionspotenzial ausgelöst wird (Abb. 3.32).

ABBILDUNG 3.32

Das Aktionspotenzial wird nach dem Alles-oder-Nichts-PrinzipAlles-oder-Nichts-Prinzip ausgelöst, das bedeutet, dass Impulse, welche die Reizschwelle nicht erreichen, auch keine Depolarisation bzw. Aktionspotenzial auslösen. Impulse, welche die Schwelle erreichen und übersteigen, lösen ein Aktionspotenzial aus. Das erfolgt am Axonhügel. Die Membranleitfähigkeit für Natrium nimmt durch Öffnung von Natriumkanälen schlagartig zu und Natrium strömt in die Zelle ein, sodass das Membranpotenzial auf +30 mV ansteigt. Nach der Ladungsumkehr beginnt die Repolarisationsphase, die Membranleitfähigkeit für Natrium nimmt ab (Natrium-Kanäle geschlossen) und die Leitfähigkeit für Kalium nimmt zu, was einen Kaliumausstrom aus der Zelle nach sich zieht (Abb. 3.31). Die Ausgangsbedingungen werden durch die Na+/K+-Pumpe wiederhergestellt, kurzzeitig entsteht sogar eine Hyperpolarisation, die sich durch die gesteigerte Tätigkeit der Pumpe erklären lässt.
Während eines Aktionspotenzials ist die Nervenzelle nicht erregbar; sie befindet sich in der absoluten Refraktärphase.Refraktärphase Kurz nach dem Aktionspotenzial werden viel stärkere Impulse benötigt, um ein Aktionspotenzial auszulösen; diese Zeit wird als relative Refraktärzeit bezeichnet. Wenn ein stabiles Ruhemembranpotenzial erreicht ist, ist auch die Zelle wieder erregbar.
Die Weiterleitung einer Erregung (Abb. 3.33) kann bei Nervenzellen kontinuierlich oder saltatorisch erfolgen. Bei marklosen Fasern erfolgt die Weiterleitung der Depolarisationen (und die Bildung der Aktionspotenziale) kontinuierlich, wobei die Erregungsausbreitung „kriechend“ erfolgt und relativ langsam ist (0,5–3 m/s). Bei markhaltigen Fasern entstehen die Aktionspotenziale am Ranvier-Schnürring, weil die starke Myelinisierung als elektrischer Isolator fungiert. Durch das „Hüpfen“ der Aktionspotenziale von einem zum anderen Schnürring ist die Weiterleitung sehr viel schneller (bis 80 m/s).

ABBILDUNG 3.33

Lernzielkontrolle

  • •

    Beschreiben Sie den Aufbau der Zelle!

  • •

    Benennen Sie die verschiedenen Zellorganellen einer Zelle!

  • •

    Welche Funktion hat die Zellmembran? Welche Aufgaben haben die Proteine, die in der Zellmembran eingelassen sind?

  • •

    Welche Aufgaben haben Mitochondrien? Kann ein Mensch ohne Mitochondrien leben?

  • •

    Was sind Ribosomen? Wie sind sie in einer Zelle verteilt und welche Aufgaben erfüllen sie?

  • •

    Woraus besteht der Zellkern? Welche Aufgaben hat der Zellkern? Gibt es kernlose Zellen im menschlichen Organismus?

  • •

    Welchen Aufbau und welche Aufgabe hat die DNA?

  • •

    Was sind Chromosomen? Wie viele Chromosomen finden sich in der Zelle eines Menschen?

  • •

    Welche biologische Funktion haben Mitose und Meiose?

  • •

    Was sind Zellkontakte? Welche Funktion haben sie?

  • •

    Was versteht man unter den passiven und aktiven Stofftransportmechanismen? Wodurch sind Diffusion und Osmose gekennzeichnet? Was ist die Na+/K+-Pumpe?

  • •

    Was versteht man unter Exo-, Endo- und Transzytose?

  • •

    Definieren Sie den Begriff „Gewebe“!

  • •

    Aus welchen 3 Keimblättern entwickeln sich die verschiedenen Organe des menschlichen Körpers?

  • •

    Welche Arten des Epithelgewebes kennen Sie? An welchen Stellen des menschlichen Körpers sind sie repräsentiert?

  • •

    Aus welchen Bestandteilen setzt sich das Bindegewebe zusammen? Welche Arten des Bindegewebes sind Ihnen bekannt?

  • •

    Welche Knorpelarten kennen Sie? Wo kommen sie vor?

  • •

    Woraus besteht das Knochengewebe? Welche Zellen sind an Knochenbildung, Knochenum- und -abbau beteiligt? Über welche Eigenschaften verfügen Knochen?

  • •

    Welche Besonderheiten haben die jeweiligen Muskelarten?

  • •

    Beschreiben Sie den Aufbau der Nervenzellen! Welche Haupteigenschaften hat das Nervengewebe?

  • •

    Wie entsteht das Ruhemembranpotenzial? Welchen biologischen Sinn haben Aktionspotenziale?

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