© 2019 by Elsevier GmbH

Bitte nutzen Sie das untenstehende Formular um uns Kritik, Fragen oder Anregungen zukommen zu lassen.

Willkommen

Mehr Informationen

B978-3-437-46202-3.00003-2

10.1016/B978-3-437-46202-3.00003-2

978-3-437-46202-3

Abb. 3.1

[L190]

Beispiele für die Differenzierung menschlicher Zellen. Wären die Größenrelationen zwischen den Zelltypen korrekt wiedergegeben, müsste die Eizelle im Vergleich zur Samenzelle etwa so groß sein wie die gesamte Abbildung.

Abb. 3.2

[L190]

ZellmembranAufbauDie Zellmembran unter verschiedenen Vergrößerungen. Während das Lichtmikroskop eine maximale Auflösung von etwa 0,1 µm zulässt, können mit dem Elektronenmikroskop noch Strukturen bis zu einer Größe von 0,1 nm sichtbar gemacht werden: Die mit dem Lichtmikroskop nur als dünne Linie zu erkennende Zellmembran erscheint unter dem Elektronenmikroskop dreischichtig aufgebaut. Diese Dreischichtigkeit entspricht in ihrem chemischen Aufbau der Phospholipid-Doppelschicht.

Abb. 3.3

[L190]

Schnitt durch eine ZelleAufbauZelle. Analog zum menschlichen Körper, der aus verschiedenen Organen aufgebaut ist, besteht jede einzelne Zelle wiederum aus kleinen Funktionseinheiten, den Organellen.

Abb. 3.4

[M375]

Kernhülle mit Kernporen (Pfeile) im Rasterelektronenmikroskop. Durch ein spezielles Ätzverfahren wurden die Kernporen in der Kernmembran hervorgehoben.

Abb. 3.5

[L190]

Zellkern. Deutlich zu erkennen sind die drei Hauptbestandteile des Karyoplasmas: Nuklear-Sol, Chromatin und NukleolusNukleolus.

Abb. 3.6

[L190]

Feinbau der ChromosomenFeinbauChromosomen. Das Zentromer gliedert das Chromosom in zwei meist verschieden lange Chromosomenschenkel. In dieser Abbildung befindet sich die Zelle schon in der Kernteilung: Die Chromosomenschenkel liegen doppelt in zwei identischen Untereinheiten, den Chromatiden, vor.

Abb. 3.7

[L190]

Zellausschnitt mit rauem endoplasmatischem Retikulum. Deutlich sichtbar ist die Verbindung zwischen Kernhülle und endoplasmatischem Retikulum.

Abb. 3.8

[L190]

Diktyosom des Golgi-Apparats. Die vom Rand des Diktyosoms abgeschnürten Bläschen heißen Golgi-Vesikel.

Abb. 3.9

[L190]

Mitochondrium (aufgeschnitten). Durch die innere und äußere Membran wie auch durch die mehrfachen Auffaltungen im Inneren bilden sich viele separate „Reaktionsräume“, die das Nebeneinander verschiedener Reaktionsschritte erlauben. In den rot eingefärbten Bläschen auf der zum Matrixraum gerichteten Seite der inneren Membran findet die eigentliche ATP-Synthese statt.

Abb. 3.10

[M375]

Mitochondrium im elektronenmikroskopischen Bild. Gut zu erkennen sind die äußere und innere Membran sowie die durch Auffaltungen der inneren Membran gebildeten Cristae.

Abb. 3.11

[L190]

Zwei Mikrotubuli. Die Wand eines einzigen Mikrotubulus ist aus 13 ängsgerichteten Filamenten zusammengesetzt.

Abb. 3.12

[L190]

FlüssigkeitintrazelluläreFlüssigkeitextrazelluläreDie FlüssigkeitsräumeFlüssigkeitsräume des Menschen und Stoffaustausch im Kapillargebiet. Zwischen Kapillaren und interstitiellem Raum sowie zwischen Gewebszellen und interstitiellem Raum findet ein ständiger gegenseitiger Stoffaustausch statt. Die Flüssigkeitsbewegung im Bereich der Lymphgefäße ist dagegen nur einseitig: Es fließt nur Flüssigkeit vom interstitiellen Raum zur Lymphkapillare hin, nicht umgekehrt.

Abb. 3.13

[L190]

Aktiver und passiver Transport im Vergleich. Analog zum aktiven Stofftransport verbraucht der Bär beim Besteigen der Leiter Energie – während das Herunterrutschen „passiv“ erfolgt.

Abb. 3.14

[L190]

Diffusion von Tintenteilchen in einem Wasserglas

Abb. 3.15

[L190]

Entstehung des osmotischen Drucks zwischen zwei durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran getrennte Lösungen, wobei die linke Lösung mehr (größere) Partikel enthält, welche die semipermeable Membran nicht durchdringen können (Details im Text). Der im linken Gefäß entstandene hydrostatische Druck entspricht dem osmotischen Druck.

Abb. 3.16

[L190]

Rote Blutkörperchen in Lösungen mit verschiedener Osmolarität. In hypertoner Lösung schrumpfen die roten Blutkörperchen und gehen in die sog. „Stechapfelform“ über. Hypotone Lösungen führen dagegen zum Flüssigkeitseinstrom in die Blutkörperchen (Details im Text).

Abb. 3.17

[L190]

ElektrolyteKonzentrationenElektrolytkonzentrationen von Plasma, interstitieller Flüssigkeit und intrazellulärer Flüssigkeit im Vergleich. Die K+-Konzentration in der Zelle ist am höchsten, die Na+-Konzentration dagegen am niedrigsten. Interessant ist auch, dass der Proteingehalt der interstitiellen Flüssigkeit verschwindend gering im Vergleich zum Plasma ist; große Eiweißkörper können nämlich bei der Filtration in Kapillargebieten die kleinen Poren in den Blutgefäßen nicht durchdringen und erreichen somit nicht den interstitiellen Raum. Der hohe Proteingehalt in der Zelle erklärt sich aus der Tatsache, dass jede Zelle dauernd Proteine herstellt.

Abb. 3.18

[L190]

Da aufgrund der Konzentrationsunterschiede dauernd Teilchen aus der bzw. in die Zelle diffundieren, würde der lebensnotwendige Konzentrationsgradient mit der Zeit zusammenbrechen. Um das Konzentrationsgefälle aufrechtzuerhalten, transportiert die Natrium-Kalium-Pumpe unter großem Energieverbrauch ständig Kalium gegen die KonzentrationsgradientKonzentrationsgradienten (die der rechte Bildteil zeigt) in die Zelle hinein. Umgekehrte Verhältnisse gelten für das Natrium.

Abb. 3.19

[M839]

Einteilung von Infusionslösungen im Rettungsdienst

Abb. 3.20

[L190]

Replikation der DNA. Wie ein Reißverschluss wird die DNA in der Mitte zwischen ihren korrespondierenden Basen aufgetrennt. Mit den offen liegenden Basen paaren sich sofort wieder die korrespondierenden Nukleotide, die dann zu einem neuen Strang verknüpft werden.

Abb. 3.21

[L190]

Die verschiedenen Stadien der MitoseStadienMitose. Die beschriebenen Zellteilungsvorgänge finden nicht nur in menschlichen, sondern selbstverständlich auch in tierischen und pflanzlichen Zellen statt. Wie hier in der Wurzelspitze einer Pflanze laufen ständig Mitosen ab. Als eine Art „Momentaufnahme“ sind verschiedene Mitosestadien zu erkennen.

Abb. 3.22

[L190]

Schematische Darstellung des Zellzyklus

Abb. 3.23

[L190]

Die Meiose am Beispiel der Spermienbildung im Hoden. Aus einer unreifen männlichen Keimzelle mit diploidem Chromosomensatz entstehen vier Spermien mit einem jeweils haploiden Chromosomensatz.

Abb. 3.24

[L190]

Die Meiose am Beispiel der Eizellbildung. Im Gegensatz zur Spermienbildung entsteht aus einer unreifen weiblichen Keimzelle nur eine Eizelle. Sie hat im Laufe der beiden Reifeteilungen den größten Teil des Zytoplasmavolumens übernommen, während die drei Polkörperchen zugrunde gehen.

Vor- und Nachteile gebräuchlicher InfusionslösungenInfusionslösungen

Tab. 3.1
Infusionslösung Vorteile Nachteile Indikation
Glukoselösung Kostengünstig Durch Verstoffwechselung der Glukose bleibt freies Wasser zurück, hierdurch z. B. Hirnödembildung möglich In Einzelfällen bei Patienten mit Hypernatriämie und Hyperkaliämie zu erwägen
Kochsalzlösung, Ringer-Lösung Kostengünstig
  • Unphysiologisch hoher Chloridgehalt

  • Beeinträchtigung der Nierenfunktion

  • Gefahr der Dilutionsazidose (Verdünnungsazidose)

  • Verbleibt nur zu ca. 20 % im Blutgefäßsystem

  • Spezialeinsätze, z.B. bei Patienten mit Cholera (hoher Natrium- und Chloridverlust)

  • Ansonsten kontraindiziert (z.B. S3-Leitlinie Polytrauma)

Ringer-Laktat/-Acetat/-Malat Kostengünstig
  • Erhöhung des Sauerstoffverbrauchs, insbesondere bei Ringer-Laktat

  • Verfälschung der Labordiagnostik durch Ringer-Laktat

  • Verbleibt nur zu ca. 20 % im Blutgefäßsystem

  • Ringer-Acetat und Ringer-Malat sinnvoll bei den meisten Patienten zum Volumenersatz

  • Ringer-Laktat sollte heute nicht mehr verwendet werden

HES-Lösung Verbleibt hauptsächlich in den Blutgefäßen
  • Allergische Reaktionen möglich

  • Beeinträchtigung der Nierenfunktion möglich

  • Beeinträchtigung der Gerinnung möglich

  • Volumenersatz bei größerem Blutverlust, wenn der Einsatz von kristalloiden Lösungen nicht ausreichend ist (nur als Einzelfallentscheidung)

  • Je nach Leitlinie wird Zurückhaltung oder Verzicht empfohlen!

  • Balancierte HES-Lösungen sollen bevorzugt werden

Gelatine-Lösung Verbleibt hauptsächlich in den Blutgefäßen Allergische Reaktionen häufig
  • Volumenersatz bei größerem Blutverlust, wenn der Einsatz von kristalloiden Lösungen nicht ausreichend ist

  • Je nach Leitlinie wird Zurückhaltung oder Verzicht empfohlen!

Humanalbumin Verbleibt hauptsächlich in den Blutgefäßen
  • Allergische Reaktionen möglich

  • Sehr teuer

  • Keine Lagerung > 25 °C

  • Dokumentation nach dem Transfusionsgesetz vorgeschrieben

  • Nur in Glasflaschen verfügbar

Im Rettungsdienst keine!
Hyperosmolare hyperonkotische Lösung Mobilisation von Flüssigkeit aus dem Interstitium und aus den Zellen
  • Allergische Reaktionen möglich

  • Elektrolytentgleisung möglich

  • Nur kurze Wirksamkeit

  • Beeinträchtigung der Nierenfunktion möglich

In Deutschland derzeit nicht auf dem Markt
Mannitol-Lösung Mobilisation von Flüssigkeit aus dem Interstitium führt zu Reduktion des Hirndrucks
  • Steuerung präklinisch schwierig

  • Elektrolytentgleisung möglich

Hirndrucksenkung bei einem schweren SHT

Von der Zelle zum Organismus

Ann-Kristin Helmers

Inhaltsübersicht

Zelle als elementare Funktionseinheit

  • Die Zelle ist die kleinste Funktionseinheit des Organismus.

  • Der menschliche Körper besteht aus 10 000 Milliarden Zellen.

  • Neben dem Zellkern und dem Zytoplasma spielen weitere Zellorganellen eine wesentliche Rolle.

  • Das Zytosol macht den größten Teil der Zelle aus und besteht im Wesentlichen aus Wasser.

  • Die Grenze zwischen innen und außen bildet die Zellmembran. Auf der Oberfläche dieser Membran finden sich spezielle Proteine wie z. B. negativ geladene Glykokalyx.

  • Die Membran ist nur für bestimmte Teilchen durchlässig.

Zellmembran

  • Jede Zelle ist von einer Membran umgeben, die aus einer Lipid-Doppelschicht und verschiedenen Membranproteinen besteht.

  • Die Glykokalix schützt die Zelle und spielt eine Rolle bei Kontakten zwischen den Zellen.

  • Zellmembranen sind semipermeabel.

Zellorganellen

  • Im Zellkern befindet sich die Erbinformation der Zelle. Diese ist auf 46 Chromosomen verpackt.

  • Für die Proteinbiosynthese sind Ribosomen verantwortlich. Diese finden sich teils frei im Zytoplasma, teils auf dem rauen endoplasmatischen Retikulum.

  • Der weitere Transport der hergestellten Proteine findet mithilfe des Golgi-Apparats statt.

  • Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen. Hier wird Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) generiert.

  • Das Zytoskelett besteht im Wesentlichen aus Mikrofilamenten und Mikrotubuli.

„Wasserbasis“ des Organismus

  • Der erwachsen Mensch besteht zu 60 % aus Wasser. Hiervon befindet sich ein Großteil in den Zellen.

Stofftransport

  • Der Stofftransport findet häufig entlang eines Konzentrationsgefälles statt, z. B. durch Osmose oder Diffusion.

  • Für den aktiven Transport gegen ein Konzentrationsgefälle wird Energie benötigt.

Infusionslösungen

  • Die Infusion ist das am häufigsten verabreichte Medikament im Rettungsdienst.

  • Infusionslösungen sollten möglichst über die gleiche Elektrolytkonzentration wie das Blut verfügen.

  • Infusionslösungen können Zellen zum Schrumpfen oder Aufquellen bringen.

  • Ein Großteil der Infusionslösungen bleibt nicht im Gefäßsystem.

  • Die Wahl der Infusion sollte wohlüberlegt erfolgen.

Teilung von Zellen

  • Vor der Zellteilung muss die DNA der Zelle in vielen Schritten verdoppelt werden. Anschließend kann sich die Zelle teilen.

  • Der Zellzyklus besteht aus Mitosephase und Interphase.

  • Vereinigen sich Eizelle und Spermium, so darf sich das Erbgut nicht verdoppeln. Hierfür ist die Meiose verantwortlich. An ihrem Ende steht eine Eizelle oder ein Spermium mit nur einem Chromosomensatz.

Zelle als elementare Funktionseinheit

Zellen sind die kleinsten Bau- und Funktionseinheiten des Organismus. Sie können Stoffe aufnehmen, umbauen und wieder freisetzen, also am Stoffwechsel teilnehmen. Außerdem können viele Zellen wachsen, sich teilen und auf Reize aus ihrer Umgebung reagieren.Zelle

Mensch als Vielzeller

Große Organismen, wie auch der Mensch, bestehen nicht etwa aus besonders großen, sondern aus ungeheuer vielen Zellen. Dementsprechend sind größere Lebewesen nicht „Großzeller“, sondern „VielzellerVielzeller“.
Der Körper eines erwachsenen Menschen ist aus etwa 1013 (10 000 Milliarden) Zellen zusammengesetzt. Pro Sekunde werden mehrere Millionen Zellen neu gebildet und ebenso viele gehen zugrunde.

Gewebe

Für die verschiedenartigen Aufgaben, die in einem großen Organismus zu erledigen sind, haben sich die Zellen im Dienste des Gesamtorganismus spezialisiert; dies wird als funktionelle Differenzierung bezeichnet. Zellen, die mit derselben Arbeit betraut sind, bilden üblicherweise Zellverbände, die GewebeGewebe (Kap. 4). So bestehen z. B. Drüsen aus einer Vielzahl von Zellen, die auf die Bildung von bestimmten Sekreten (wie z. B. Schleim oder Muttermilch) spezialisiert sind. Muskelzellen dagegen können sich verkürzen, wodurch der Gesamtorganismus in die Lage versetzt wird, sich fortzubewegen.

Unterschiedliche Gestalt

Aus der funktionellen DifferenzierungDifferenzierung folgt die unterschiedliche Form, Gestalt und Größe der Zellen des Körpers (Abb. 3.1). Während eine Nervenzelle wie ein Baum vielfach verzweigt ist, sind andere Zellen ellipsen- oder kugelförmig. Die reife Eizelle, mit einem Durchmesser von etwa 0,15 mm (150 µm) die größte menschliche Zelle, ist sogar mit bloßem Auge sichtbar. Zum Erkennen aller übrigen Zellen ist ein Mikroskop erforderlich – sie sind nämlich nur zwischen 7 und 30 µm groß.
Trotzdem sind alle Zellen eines Menschen aus einer einzigen befruchteten Eizelle hervorgegangen und besitzen alle den gleichen genetischen Bauplan aus der Erbsubstanz DNA.

Gemeinsamkeiten aller Zellen

Trotz der erwähnten Formenvielfalt gibt es grundlegende Gemeinsamkeiten bei allen Zellen.
Mit einfachen Lichtmikroskopen wurde schon sehr früh erkannt, dass die Zelle aus mindestens zwei Komponenten zusammengesetzt sein musste: zum einen aus der Grundsubstanz (ZytoplasmaZytoplasma), zum anderen aus dem ZellkernZellkern (NukleusNukleus).
Mit verbesserter Mikroskopiertechnik kamen dann im Vergleich zum Zellkern noch wesentlich kleinere „Zellorgane“ zum Vorschein, die ZellorganellenZellorganellen. Der Feinbau dieser OrganellenOrganellen konnte jedoch erst mithilfe des Elektronenmikroskops näher betrachtet werden (Abb. 3.2).
Die meisten Lebensvorgänge innerhalb der Zelle, die in Form chemischer Reaktionen ablaufen, können aber selbst mit dem Elektronenmikroskop nicht direkt sichtbar gemacht werden.

Zytosol

Die Zellorganellen (Abb. 3.3) nehmen etwa 50 % des gesamten Zellvolumens ein. Der verbleibende Rest des Zytoplasmas wird als Zytosol bezeichnet. Im Zytosol spielen sich die meisten Stoffwechselprozesse als komplexes Zusammenspiel chemischer Reaktionen ab.Zytosol
Das Zytosol besteht zu 70–95 % aus Wasser. Den Rest bilden die darin gelösten Moleküle, welche die Zelle benötigt, vor allem Proteine, Kohlenhydrate und Ionen sowie Fette, oft in Form größerer Vakuolen. Aufgrund des hohen Eiweißgehalts ist das Zytosol äußerst zähflüssig.

Zellmembran

Jede Zelle ist von einer hauchdünnen, etwa ein Hunderttausendstel Millimeter (10 nm = 0,01 µm) dicken Membran umschlossen, die als Zellmembran, Zytoplasmamembran oder Plasmalemm bezeichnet wird. Da auch innerhalb der Zelle zahlreiche Membranen vorkommen, die ganz ähnlich aufgebaut sind wie die Zellmembran, wird dieser Membrantyp auch als Einheitsmembran bezeichnet.Zellmembran
Chemisch gesehen bestehen MembranMembranMembranen aus einem Doppelfilm fettähnlicher Substanzen. Hauptkomponenten sind Glykolipide und – in den meisten Membranen mengenmäßig am häufigsten – Phospholipide. Ein einzelnes Lipidmolekül besitzt jeweils einen langen, Wasser abstoßenden (hydrophoben) Schwanzteil sowie einen Wasser anziehenden (hydrophilen) Kopf. In den Membranen stehen sich jeweils zwei Lipidmoleküle gegenüber und bilden so die Lipid-Lipid-DoppelschichtDoppelschicht. Unter dem Elektronenmikroskop ergibt sich ein dreischichtiger Aufbau (Abb. 3.2): Die Wasser anziehenden Köpfe sind als dunkle Schichten zu erkennen. Sie weisen nach außen und stehen mit der wässrigen Lösung innerhalb und außerhalb der Zelle in Kontakt. Die hydrophoben Schwänze zeigen zum Inneren der Membran hin, sie bilden ihre hellere Mittelschicht. Zusätzlich zu den Phospho- und Glykolipiden enthalten viele Membranen in unterschiedlichen Mengen Cholesterin, das die Beweglichkeit der Lipidmoleküle untereinander einschränkt.
Während die Lipid-Doppelschicht gewissermaßen das Gerüst der Membran darstellt, sind für die meisten Membranfunktionen Proteine verantwortlich: Membranproteine dienen als spezifische Rezeptoren, als Enzyme oder Transportproteine. Manche dieser Proteine sind nur an die Membran angelagert, andere sind teilweise eingelagert oder durchdringen sie vollständig; sie werden entsprechend als periphere, integrale oder TransmembranproteinTransmembranproteine bezeichnet.

Glykokalyx der Zelloberfläche

Ebenso wie die Membranlipide sind auch die Membranproteine an der Zellmembran sehr häufig mit antennenförmigen Zuckerketten versehen. Die äußere Zelloberfläche besteht somit zu einem großen Teil aus Kohlenhydraten, die eine Hülle, die sog. GlykokalyxGlykokalyx, um die Zelle bilden. Die Zuckerketten sind häufig verzweigt und können in der Anordnung ihrer Zucker außerordentlich vielfältig sein.
Die Glykokalyx schützt die Zelle vor mechanischen und chemischen Schädigungen und hält Fremdkörper und andere Zellen auf ausreichende Distanz, um unerwünschte Protein-Protein-Kontakte zu verhindern. Andererseits spielt die Glykokalyx aufgrund ihrer exponierten Lage an der Oberfläche eine Rolle bei vorübergehenden Kontakten zwischen einzelnen Zellen, so z. B. bei der Blutgerinnung oder bei Entzündungsreaktionen (Kap. 7.3.2).

Selektive Permeabilität der Membranen

Membranen regulieren den Durchtritt von Stoffen und bestimmen damit, welche Stoffe in die Zelle oder in die membranbegrenzten Räume im Zellinneren eintreten bzw. sie verlassen können. Diese Eigenschaft wird als selektive Permeabilität oder SemipermeabilitätPermeabilität, selektiveMembranPermeabilitätSemipermeabilität der Membranen bezeichnet. Diese selektive Durchlässigkeit hängt von mehreren Faktoren ab:
  • Molekülgröße: Sehr kleine Moleküle, z. B. Wasser oder die gelösten Gase Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2), können die Zellmembran ungehindert überwinden, während diese für große Moleküle, wie es die meisten Proteine sind, ein unüberwindbares Hindernis darstellt.

  • Fettlöslichkeit: Den weitaus größten Anteil der Zellmembran macht die fettlösliche, breite mittlere Schicht aus. Je besser eine Substanz in Fett löslich ist, desto leichter kann sie die Zellmembran überwinden. Dies trifft z. B. auf die Steroidhormone zu, die als Abkömmlinge des Cholesterins stark fettlöslich (lipophil) sind und deshalb die Membran relativ leicht passieren können (Kap. 10.1.3).

  • Elektrische Ladung der Substanz: Elektrisch geladene Teilchen (Ionen) können die Phospholipid-Doppelschicht kaum überwinden.

Hydrophile und geladene Teilchen, etwa Ionen, Zucker, Aminosäuren und viele andere Stoffwechselprodukte, müssen dennoch durch Membranen transportiert werden. Für ihren Transport ist die Zelle auf die Membrantransport-Membrantransport-ProteineProteine angewiesen. Es handelt sich hierbei ausschließlich um Transmembranproteine. Jedes dieser Proteine ist für den Transport einer einzelnen bestimmten Substanz zuständig.

Merke

Selektive Permeabilität

Die selektive Permeabilität der Zellmembran ist die Voraussetzung für die Aufrechterhaltung der für viele Stoffe unbedingt notwendigen Konzentrationsunterschiede (Gradienten) zwischen dem Zellinneren und der äußeren Umgebung (Interstitium).

Zellorganellen

Da zahlreiche chemische Reaktionen in der Zelle zur gleichen Zeit ablaufen, muss sichergestellt sein, dass diese nicht miteinander in Konflikt geraten. Deshalb ist die Zelle in ein System von getrennten Räumen unterteilt, die von den ZellorganellenZellorganellen, also sozusagen den „Organen“ der Zelle, gebildet werden. Sowohl die Gesamtzahl als auch die Typen der OrganellenOrganellen unterscheiden sich von Zelle zu Zelle entsprechend ihrer Funktion oft erheblich.

Zellkern

Der ZellkernZellkern ist die größte Struktur innerhalb der Zelle und bereits mit einem einfachen Lichtmikroskop erkennbar. Die meisten Körperzellen besitzen nur einen einzigen Kern, in manchen Zellen, z. B. Skelettmuskelzellen, kommen aber auch mehrere Kerne vor. Andererseits gibt es einen Typ von Zellen, die ihren Zellkern im Laufe ihrer Reifung verloren haben: die reifen roten Blutkörperchen (Kap. 11.2.1).
Der Zellkern übt seine Hauptfunktionen zusammen mit dem Zytoplasma aus: Er ist das Steuerungszentrum des Zellstoffwechsels und beherbergt die genetische Information.
In der Zeit, in welcher sich der Kern nicht teilt, hat er ein typisches Aussehen: Er ist von zwei Membranen umgeben, die zusammen als KernhülleKernhülle bezeichnet werden. Diese Membranen sind in Abständen mit KernporenKernporen durchsetzt, die den Austausch bestimmter Moleküle mit dem Zytoplasma erlauben. Die äußere der beiden Membranen geht kontinuierlich in die Membranen des endoplasmatischen Retikulums über (Abb. 3.4).
Alle Bestandteile des Kerninnenraums werden zusammen als KaryoplasmaKaryoplasma bezeichnet (Abb. 3.5). Es besteht aus:
  • Erbsubstanz in Form der DNA, die beim Menschen in 46 Untereinheiten, den ChromosomenChromosomen, verpackt ist.

  • Einem oder mehreren Nukleoli oder Kernkörperchen. Die Nukleoli sind die Orte, an denen im Zellkern die ribosomale RNA gebildet und mit ribosomalen Proteinen zu Ribosomen-Untereinheiten verpackt wird. Die letzten Schritte der Ribosomenreifung finden dann im Zytoplasma statt.

  • Dem löslichen Anteil des Karyoplasmas, der als Nuklear-Nuklear-SolSol (früher Karyolymphe) bezeichnet wird und aus einem Gemisch aus vielen verschiedenen Proteinen besteht. Es wird angenommen, dass analog zum Zytoskelett im Zytoplasma (Kap. 3.3.6) auch im Kern ein inneres Netzwerk existiert. Dieses Kerngerüst spielt vermutlich bei der DNA-Verdopplung eine Rolle.

Chromosomen
Bei der ruhenden, sich nicht teilenden Zelle liegt die DNA wie lose, vielfach gewundene Fäden im Zellkern. Diese Fäden sind so dünn, dass sie im Lichtmikroskop nicht sichtbar sind. Sie bestehen aus sehr langen DNA-Molekülen – ausgestreckt würden sie den Zellkern tausendmal umspannen – die mithilfe spezialisierter Proteine, den HistoneChromosomenHistonen, in eine kompaktere Struktur verpackt werden. Der Komplex aus Proteinen und DNA wird als Chromatin Chromatinbezeichnet; es lässt sich durch Anfärben sichtbar machen.
Nur während der Kernteilung, die der Zellteilung vorausgeht (Abb. 3.6), sind die Chromosomen im Mikroskop sichtbar, weil sich dann die 46 angen Fäden zu 46 noch kompakteren Strukturen aufwickeln (vergleichbar mit Wollfäden, die zu Wollknäueln aufgewickelt werden). Die jetzt sichtbaren Chromosomen sind häkchenförmige Gebilde mit einer Einschnürung, dem Zentromer (Abb. 3.6). Das Zentromer gliedert das Chromosom in zwei meist unterschiedlich lange Chromosomenschenkel.
Verdoppelung der Chromosomen
Vor jeder Kernteilung werden die beiden Chromosomenschenkel verdoppelt, wodurch zwei identische Untereinheiten entstehen, die ChromatidenChromatiden. Die beiden Chromatiden sind zunächst noch am Zentromer miteinander verbunden. Im Laufe der Kernteilung werden sie am Zentromer durch die Mitosespindel (Kap. 3.6.1) auseinandergezogen.

Ribosomen

RibosomenRibosomen sind die Zellorganellen für die Proteinbiosynthese. Sie finden sich in großer Zahl in jeder Zelle und sind auch bei Betrachtung mit dem Elektronenmikroskop wegen ihrer Winzigkeit nur als Körnchen sichtbar. Es ist bekannt, dass sie aus zwei verschieden großen Untereinheiten zusammengesetzt sind und hauptsächlich aus Proteinen und verschiedenen Arten ribosomaler RNA (r-RNA) bestehen. Eine Art ribosomaler RNA ist z. B. für die Bildung der Peptidbindung während der Proteinbiosynthese verantwortlich.
Häufig lagern sich zahlreiche Ribosomen kettenförmig zusammen; sie werden dann Polysomen genannt.

Endoplasmatisches Retikulum

Das Zytoplasma aller Körperzellen enthält ein reich verzweigtes, membranumschlossenes Hohlraumsystem, das endoplasmatische Retikulum (ER; Abb. 3.7). Sein Innenraum nimmt etwa 10 % des gesamten Zellvolumens in Anspruch. Ist die Membran des endoplasmatischen Retikulums mit Ribosomen besetzt, wird es als raues ER bezeichnet, ansonsten als glattes ER.Retikulum, endoplasmatischesendoplasmatisches Retikulum
Das glatte endoplasmatische Retikulum spielt eine wichtige Rolle bei der Synthese von fast allen in der Zelle benötigten Lipiden einschließlich der Membranlipide und sorgt für deren richtige Verteilung innerhalb der Zelle. Entsprechend dominiert es in Zellen, die auf den Lipidstoffwechsel spezialisiert sind, etwa den steroidhormonproduzierenden Zellen der Nebennierenrinde.
Im rauen endoplasmatischen Retikulum werden alle Proteine synthetisiert, die entweder aus der Zelle ausgeschleust werden sollen oder z. B. für das endoplasmatische Retikulum selbst, den Golgi-Apparat (Kap. 3.3.4) oder die Zellmembran bestimmt sind. Es überwiegt in allen anderen Körperzellen.

Golgi-Apparat

In Kernnähe findet sich typischerweise ein System aus napfförmigen Membransäckchen, die in Stapeln von fünf bis zehn dicht gepackt aufeinander liegen. Ein einzelner Stapel wird als Golgi-ApparatDiktyosomDiktyosom bezeichnet (Abb. 3.8); die Gesamtheit aller Diktyosomen einer Zelle bildet den Golgi-Apparat. Vom Rand und der Innenseite der Diktyosomen schnüren sich substanzgefüllte Bläschen ab, die Golgi-Golgi-VesikelVesikel.
Im Golgi-Apparat werden die im endoplasmatischen Retikulum hergestellten Proteine in ihrer Struktur weiter verändert und die reifen Proteine portionsweise abgeschnürt. Dabei muss gewährleistet sein, dass die für den Golgi-Apparat selbst bestimmten Proteine verbleiben und die anderen an den richtigen Bestimmungsort (z. B. Plasmamembran, sekretorische Vesikel oder Lysosomen) „adressiert“ werden. Der Golgi-Apparat ist besonders ausgeprägt in Zellen mit sekretorischer Funktion, z. B. in solchen, die sich auf die Hormonbildung spezialisiert haben.
Lysosomen und Peroxysomen
Lysosomen sind winzige, von einer Membran umschlossene Bläschen, die vom Golgi-Apparat gebildet werden. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die durch Phagozytose (Kap. 3.5.8) aufgenommenen Fremdstoffe mittels der in ihnen gespeicherten Enzyme zu verdauen. Dabei verschmelzen sie mit den Phagozytosevesikeln zu sog. sekundären Lysosomen. Aber auch nicht mehr funktionsfähige zelleigene Organellen können mithilfe der lysosomalen Enzyme abgebaut und die Abbauprodukte dem Zytoplasma wieder zur Verfügung gestellt werden.PeroxysomenLysosomen
Äußerlich kaum von den Lysosomen zu unterscheiden sind die maximal 0,5 µm großen, ebenfalls membranumgebenen Peroxysomen. Sie besitzen andere Enzyme als die Lysosomen und dienen wahrscheinlich der Entgiftung von im Zellstoffwechsel entstehenden Metaboliten.

Mitochondrien

Jede lebende Zelle benötigt für ihren Stoffwechsel sowie die aktiven Membrantransportprozesse (Kap. 3.5.8) Energie. Diese wird in den Mitochondrien erzeugt, weshalb man sie auch als Kraftwerke der Zelle bezeichnet.Mitochondrien
Mitochondrien besitzen eine charakteristische schmale Eiform und sind aus einer inneren und äußeren Membran aufgebaut. Zur Oberflächenvergrößerung bildet die innere Membran zahlreiche Auffaltungen, die als Cristae bezeichnet werden (Abb. 3.9 und Abb. 3.10). Außerdem besitzen Mitochondrien eine eigene DNA, die streng mütterlich vererbt wird. Mutationen in dieser DNA können zu verschiedenen Erbkrankheiten, die häufig mit einer gestörten Energieerzeugung einhergehen, führen.
In den Reaktionsräumen des Mitochondriums findet eine komplizierte Kette von Reaktionen statt, wobei die bei der Energieerzeugung aus Nährstoffen (Kap. 2.6.1) anfallenden reduzierten Coenzyme (NADH, FADH2) ihre Elektronen auf den Sauerstoff übertragen. Die dabei entstehende Energie wird zur Regeneration des „Akkus“ Adenosintriphosphat (ATP) verwendet (Abb. 2.8); das ATP steht dann wieder für energieverbrauchende Vorgänge zur Verfügung, z. B. für das Zusammenziehen einer Muskelfaser (Kap. 6.3.5).
Die Zahl der Mitochondrien spiegelt den Energiebedarf einer Zelle wider. Herzmuskelzellen z. B. weisen eine hohe Mitochondriendichte auf, ebenso die durchtrainierten Skelettmuskeln eines Leichtathleten. Dagegen kommen wenig stoffwechselaktive Zellen, z. B. Knorpelzellen, mit nur wenigen Mitochondrien aus.

Zytoskelett und Zentriolen

Das Zytoplasma besitzt innere, stabilisierende Strukturen, die in ihrer Gesamtheit als Zytoskelett (Zellskelett) bezeichnet werden. Zu diesem Zytoskelett tragen insbesondere Mikrofilamente und Mikrotubuli bei.Zytoskelett
MikrofilamenteMikrofilamente sind lange, fadenförmige Gebilde und bestehen aus den Proteinen Aktin und Myosin. Sie lagern sich meist zu Bündeln zusammen. Solche Filamentbündel werden dann als Fibrillen bezeichnet, die in verschiedenen Zellarten in unterschiedlicher Ausprägung vorkommen. Bei Muskelzellen sind die Myofibrillen die Strukturen, welche die Muskelzelle zur Kontraktion befähigen (z. B. Abb. 6.12). Bei den auf die Vernichtung von Bakterien spezialisierten Phagozyten z. B. sind sie für die Beweglichkeit der Zelle verantwortlich.
MikrotubuliMikrotubuli sind verschieden lange, über das ganze Zytoplasma verstreut liegende, röhrenförmige Gebilde, die aus dem Protein Tubulin aufgebaut sind (Abb. 3.11). Manche dieser Mikrotubuli sind stationär, d. h., sie bilden in der Zelle ein dauerndes Gerüst, das wesentlich zur Erhaltung der Zellform beiträgt, und sind wichtige Bestandteile anderer Zellorganellen, z. B. der Zentriolen und Zilien. Andere Mikrotubuli werden nur während der Zellteilung aufgebaut. Diese heißen Mitosespindeln. Sie trennen im Teilungsprozess die beiden Chromatiden voneinander.
Einige Arzneimittel blockieren den Aufbau der Mikrotubuli und dadurch die Zellteilung. In der Tumortherapie wird versucht, durch Einsatz solcher Zytostatika (z. B. Vincristin®) die Vermehrung der Tumorzellen zu stoppen.
Die ZentriolenZentriolen (ZentralkörperchenZentralkörperchen) sind winzige, L-förmige Gebilde, die als Zentriolenpaar typischerweise in Kernnähe gelegen sind. Jedes Zentriol ist aus neun parallel angeordneten Mikrotubuli aufgebaut. Zentriolen spielen eine wichtige Rolle während der Zellteilung (Abb. 3.21), da sie die Mikrotubuli des Spindelapparats ausbilden.

„Wasserbasis“ des Organismus

Es ist eine erstaunliche Tatsache, dass der Mensch überwiegend aus WasserOrganismusWasser besteht. Beim Neugeborenen entfallen etwa 75 % des Körpergewichts auf den Wasseranteil, bei Erwachsenen etwa 60 %. Bei Frauen ist der Wassergehalt im Vergleich zu Männern geringer, weil das relativ wasserarme Fettgewebe bei Frauen stärker ausgebildet ist.
Bezogen auf einen erwachsenen Menschen mit etwa 70 kg Körpergewicht, befindet sich mit etwa 30 l der größte Teil dieses KörperwasserKörperwassers als Hauptbestandteil des Zytosols in den Zellen (Abb. 3.12). Es wird deshalb als intrazelluläre Flüssigkeit bezeichnet.
Ihr gegenüber steht die extrazelluläre FlüssigkeitVerteilungFlüssigkeit, die in drei Kompartimente unterteilt ist:
  • Der Plasma- oder Intravasalraum wird von den Blutgefäßen gebildet. Er enthält etwa 2,7 l Blutplasma. Den Rest (2,2 l) machen die Blutzellen aus

  • Der interstitielle Flüssigkeitsraum besteht aus etwa 10 l Flüssigkeit, die alle Körperzellen wie ein dreidimensionales Kanalnetz umgibt. Jeder Stoff, der zur Zelle gelangen soll oder von der Zelle abgegeben wird, kann dies grundsätzlich nur über die interstitielle Flüssigkeit tun. Die interstitielle Flüssigkeit steht also einerseits eng mit den Zellen in Verbindung, andererseits besteht ein reger Austausch mit dem Blutplasma in den Blutgefäßen. Zur interstitiellen Flüssigkeit zählt schließlich auch die aus dem Interstitium in die Lymphkapillaren abgepresste Lymphe (Kap. 11.5.1).

  • Die transzellulären Flüssigkeiten befinden sich in geschlossenen Flüssigkeitsräumen. Dazu gehören der Magen-Darm-Trakt, die Harnblase, der Liquor cerebrospinalis, die Gelenkflüssigkeiten und andere. Ihr Anteil beträgt etwa 2 l.

2–3 l Wasser nimmt der Mensch täglich zu sich, in heißer Umgebung oder als Marathonläufer auch 10 l und mehr. Während der Mensch einige Monate ohne feste Nahrung überleben kann, stirbt er bei Wasserentzug bereits nach wenigen Tagen.
Säuglinge und Kleinkinder benötigen vergleichsweise mehr Wasser als Erwachsene, weil sie das Wasser durch das ungünstigere Oberflächen-Volumen-Verhältnis über Haut und Lungen schneller wieder abgeben.

Stofftransport

Jede Funktion der Zelle, egal ob Reproduktion, Wachstum, Kontraktion oder Erregbarkeit, erfordert einen Transport bzw. Austausch von Stoffen innerhalb des Organismus: So müssen z. B. ständig Sauerstoff und Nährstoffe an jede einzelne Zelle herangeführt werden; andererseits muss gewährleistet sein, dass Stoffwechselprodukte der Zelle, etwa das ständig anfallende Kohlendioxid (CO2), aus der Zelle abtransportiert werden.Stofftransport

Stoffaustausch zwischen Kapillaren und Interstitium

Die Grenze zwischen dem Blutplasma und dem interstitiellen Raum stellt die riesige Austauschfläche der kleinsten Blutgefäße, der Kapillaren, dar (Abb. 3.12). Hier findet ein reger Flüssigkeitsaustausch statt: Durch die Kapillarwände werden Wasser und kleine Moleküle aus dem Blut in das Gewebe abgepresst. Zellen und größere Proteine bleiben in der Regel im Plasma zurück, weil sie die Wände der Kapillaren nicht durchdringen können (Details Kap. 13.1.7).Stoffaustausch

Stoffaustausch zwischen Interstitium und Lymphkapillaren

Die interstitielle Flüssigkeit steht nicht nur mit den Blutkapillaren, sondern auch mit Lymphkapillaren in Verbindung (Abb. 3.12). Diese Lymphkapillaren vereinigen sich zu größeren Lymphgefäßen und erreichen als erste Station kleine Lymphknoten, die in praktisch jedem Winkel des Organismus zu finden sind. Stoffe, die aus dem Kapillargebiet in die Lymphe abdrainiert werden, kommen in den Lymphknoten mit dem körpereigenen Immunsystem (Kap. 5.1.2) in Kontakt.

Stoffaustausch zwischen Interstitium und Zelle

Wie erwähnt, stellen Zellmembranen Hindernisse für den Teilchentransport dar; sie sind für die meisten Stoffe nur begrenzt durchlässig (permeabel). Bei den durch diese semipermeablen Membranen stattfindenden Vorgängen werden grundsätzlich unterschieden (Abb. 3.13):
  • Passive TransportprozesseTransportprozesse, bei Transportpassiverdenen der Transport durch die Membran ohne den Verbrauch von Energie bewerkstelligt wird. Dazu gehören die Diffusion, die erleichterte Diffusion, die Osmose und die Filtration.

  • Aktive Transportprozesse, die nur unter Zufuhr Transportaktivervon Energie stattfinden können.

Passive Transportprozesse – Diffusion

Alle Teilchen (Moleküle, Ionen) im TransportpassiverDiffusionFlüssigkeitsraum eines Organismus sind aufgrund der ihnen innewohnenden kinetischen Energie in ständiger Bewegung – diese wird auch als Brownsche Molekularbewegung Brownsche Molekularbewegungbezeichnet. Die Zahl der zufälligen Zusammenstöße von Teilchen ist abhängig von der Konzentration: An einem Ort hoher Konzentration finden viele Teilchenzusammenstöße statt, an einem Ort niedriger Konzentration entsprechend weniger. Als Folge der ständigen Bewegung durchmischt sich ein Flüssigkeitsraum ständig: Die gelösten Teilchen wandern immer in größerer Zahl vom Ort höherer Konzentration zum Ort niedriger Konzentration als umgekehrt. Als Effekt findet also ein gerichteter Teilchentransport entlang des Konzentrationsgefälles statt. Dieser Transportvorgang wird als Diffusion bezeichnet.
An einem einfachen Beispiel lässt sich der Diffusionsvorgang gut veranschaulichen: Wird ein Tropfen Tinte in ein wassergefülltes Glas gegeben, so verteilt sich die Tinte so lange, bis im ganzen Gefäß die Konzentration der Tinte gleich groß und damit die Flüssigkeit einheitlich blau ist (Abb. 3.14).
Die Geschwindigkeit des Konzentrationsausgleichs (Diffusionsvorgang) hängt u. a. von der Art des Lösungsmittels, der Teilchenform und auch der Temperatur ab. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist zwar, verglichen mit anderen Transportvorgängen, sehr niedrig, trotzdem spielt die an sich langsame Diffusion bei kürzesten Distanzen, z. B. zwischen Kapillarwand und Gewebe, eine entscheidende Rolle.
Diffusion von Sauerstoff und Kohlendioxid
So diffundiert z. B. der Sauerstoff aus den Kapillaren entlang seines Konzentrationsgefälles über das Interstitium in die Zellen, wo er verbraucht wird. Durch den ständigen Verbrauch des Sauerstoffs in der Zelle findet kein Konzentrationsausgleich statt; die treibende Kraft für die Diffusion, also das Konzentrationsgefälle, bleibt erhalten.
Das genau entgegengesetzte Konzentrationsgefälle besteht für das in der Zelle ständig anfallende Kohlendioxid (CO2): Es diffundiert durch die Zellmembran in das Interstitium und von dort in das Blut, aus dem es durch Abatmung in der Lunge ständig entfernt wird.
Für die Atemgase Sauerstoff und Kohlendioxid stellt die Zellmembran praktisch kein Diffusionshindernis dar.
Erleichterte Diffusion
Aber auch andere Moleküle, Diffusionerleichtertedie entweder größer oder schlecht fettlöslich sind, können die Zellmembran durch Diffusion überwinden, wenn die entsprechenden Kanalproteine bzw. Carrierproteine (Kap. 3.2.2) für diese Moleküle vorhanden sind.
Auf diese Weise gelangen die meisten Zucker, z. B. Glukose, in die Zelle: Das Carrierprotein verbindet sich mit der Glukose und schleust diese, indem es seine Struktur verändert, entlang des Konzentrationsgradienten und ebenfalls ohne Energieverbrauch durch die Membran. Diese Diffusion, die an die Anwesenheit eines geeigneten Transportproteins gebunden ist, wird als erleichterte Diffusion bezeichnet.

Passive Transportprozesse – Osmose

Als Osmose wird ein Lösungsmitteltransport (im menschlichen Organismus immer Wasser) durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran bezeichnet, die zwei Lösungen unterschiedlicher Teilchenkonzentration voneinander trennt.Osmose
Osmotische Transportvorgänge finden statt, wenn eine selektiv permeable Membran zwar Lösungsmittelmoleküle ungehindert hindurchtreten lässt, nicht aber die größeren gelösten Teilchen, die sich z. B. in Abb. 3.15 in höherer Konzentration in der linken Gefäßhälfte befinden. Entsprechend seinem Konzentrationsgefälle diffundiert das Lösungsmittel nun von der rechten in die linke Gefäßhälfte, und zwar so lange, bis die der Diffusion entgegenwirkende Kraft, der Druck der Wassersäule (hydrostatischer Druck), den Vorgang zum Stehen bringt.

Merke

Osmotische Diffusion

Der osmotisch Diffusionosmotischebedingte Lösungsmitteltransport kann auch als Diffusionsvorgang aufgefasst werden, nur dass die Diffusionsbewegung nicht die gelösten Teilchen, sondern das Lösungsmittel betrifft. Dieser Lösungsmitteltransport erfolgt entlang des Konzentrationsgefälles vom Ort höherer Konzentration des Lösungsmittels zum Ort niedrigerer Konzentration des Lösungsmittels (Abb. 3.15).
Osmotischer Druck
Jetzt ist ein Gleichgewichtszustand erreicht: Der osmotischer DruckDruckosmotischerDruck, mit dem das Lösungsmittel in das linke Becken einströmt, ist gleich groß wie der durch den Flüssigkeitseinstrom im linken Becken erzeugte hydrostatische Druck, der die Lösungsmittelmoleküle in das rechte Becken zurückdrängt. Es wandern gleichviel Lösungsmittelmoleküle von links nach rechts und von rechts nach links. Ein- und ausströmende Flüssigkeit halten sich die Waage oder – anders ausgedrückt – es ist ein Gleichgewicht erreicht; man spricht auch von Steady State.
Der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule, die im linken Gefäß bei Erreichen des Gleichgewichtszustands aufgrund des eingeströmten Lösungsmittels entstanden ist, entspricht dem osmotischen Druck.
Seine Größe hängt ab von der Konzentration jener Teilchen, welche die semipermeable Membran nicht passieren können (Abb. 3.15): Eine hohe Teilchenkonzentration bedeutet einen starken Lösungsmitteleinstrom und damit einen hohen osmotischen Druck (und umgekehrt).
Osmolarität
Aufgrund der Abhängigkeit des osmotischen Drucks von der Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen wurde ähnlich der Konzentrationsangabe in mol/l (Molarität; Abb. 2.6) die Osmolarität eingeführt, wobei diese osmotische Wirkkonzentration entsprechend in osmol/l angegeben wird.Osmolarität
Bei Vielkomponentenlösungen wie z. B. dem Blutplasma ist die Osmolarität (bzw. der dadurch erzeugte osmotische Druck) von der Gesamtkonzentration aller osmotisch wirksamen Teilchen abhängig und beträgt beim Blutplasma etwa 0,3 osmol/l. Lösungen (z. B. Infusionen), die dieselbe Osmolarität wie das Blutplasma aufweisen, werden als isotone isotone LösungLösungen bezeichnet.
Störungen der Plasmaosmolarität
Die PlasmaosmolaritätPlasmaOsmolaritätOsmolaritätPlasmaPlasmaosmolarität muss konstant gehalten werden, da es sonst zu gefährlichen Flüssigkeitsverschiebungen zwischen den Flüssigkeitsräumen kommen kann. Das folgende Beispiel (Abb. 3.16) verdeutlicht dies eindrucksvoll:
Normalerweise befinden sich die roten Blutkörperchen im isotonen Milieu des Blutplasmas und zeigen die typische rundovale Scheibenform. Erhöht sich die Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen im Plasma (hypertone Lösung), so strömt aufgrund des Konzentrationsgefälles Wasser aus den roten Blutkörperchen und lässt diese schrumpfen. Solche „geschrumpften“ roten Blutkörperchen werden als Stechapfelform bezeichnet;ErythrozytenStechapfelform die seltsamen Ausbuchtungen entstehen durch das Zytoskelett.
Sinkt andererseits die Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen im Plasma (hypotone Lösung), so strömt aus osmotischen Gründen Wasser in die roten Blutkörperchen und lässt diese anschwellen, wobei sie eine kugelige Gestalt annehmen. Bei starkem Konzentrationsunterschied von osmotisch wirksamen Teilchen kann der Flüssigkeitseinstrom so ausgeprägt sein, dass die roten Blutkörperchen platzen.
Sowohl Stechapfelformen als auch ErythrozytenKugelformKugelformen sind in ihrer Funktion beeinträchtigt und werden vom Organismus vorzeitig abgebaut.

Kolloidosmotischer Druck

Welcher osmotische Druck zwischen zwei Flüssigkeitsräumen wirksam wird, hängt entscheidend davon ab, welche Teilchen die dazwischenliegende semipermeable Membran passieren können (Abb. 3.17). Die Gefäßbarriere (s. u.) zwischen dem Blutplasma und der interstitiellen Flüssigkeit ist für kleinmolekulare Stoffe, z. B. Glukose oder gelöste Salze, durchlässig. Als Schranke wirkt sie nur für die im Plasma gelösten riesigen Proteine (z. B. kolloidosmotischer DruckDruckkolloidosmotischerAlbuminAlbumin, das ein Molekulargewicht von über 60 000 Dalton [1 Dalton = Molekulargewicht von einem Wasserstoffatom] aufweist und zu über 90 % im Gefäßsystem verbleibt). Da solche Proteinmoleküle auch als Kolloide bezeichnet werden, wird der osmotische Druck, den sie erzeugen, kolloidosmotischer Druck genannt. Ein Synonym dafür ist der Begriff onkotischer Druck. Sinkt die Konzentration von Plasmaproteinen (insbesondere des Albumins, Kap. 11.1.4) im Blutplasma ab, so ist die Resorption von Flüssigkeit, d. h. der Übertritt von Flüssigkeit aus dem Interstitium in die Kapillaren, vermindert. Klinisch macht sich dies in Form von Ödemen bemerkbar (Abb. 12.30).
Gefäßbarriere
Die Gefäßbarriere (vaskuläre Barriere) ist die Schranke zwischen den Blutgefäßen und dem Interstitium. Sie sorgt für den Erhalt des kolloidosmotischen Druckgradienten, der in Kap. 3.5.6 bereits angesprochen wurde und eine in das Gefäß hinein gerichtete „Sogkraft“ darstellt. Wie die Gefäßbarriere für Plasmaproteine entsteht, ist jedoch komplizierter, als im Allgemeinen angenommen. Wir wissen heute, dass die vaskuläre Barriere nicht durch die Endothelzellen selbst hervorgerufen wird, sondern durch eine Struktur, die quasi den Endothelzellen aufliegt. Diese Struktur wird als endotheliale Glykokalyx (Kap. 3.2.1) oder auch als Endothelial Surface Layer bezeichnet. Die Endothelzellen tragen auf ihrer dem Blutstrom zugewandten Seite einen Saum aus membranständigen Proteinen. Membranständige Proteine sind, wie der Name sagt, in der Membran verankert. Sie durchdringen die Membran jedoch nicht. In elektronenmikroskopischen Aufnahmen ist erkennbar, dass die membranständigen Proteine nur auf einer Seite der Membran vorhanden sind.
Dieser Saum bindet u. a. Plasmaproteine und einen Teil des Plasmawassers, sodass eine gelartige Schicht zwischen der Oberfläche der Endothelzellen und dem fließenden Blutstrom entsteht. Diese gelartige Schicht entspricht einem nichtzirkulierenden Plasmaanteil, der beim Erwachsenen immerhin 500 bis 1 000 ml beträgt. Das bedeutet, dass die Glykokalyx aus membrangebundenen und löslichen Bestandteilen besteht.
Nach heutigem Kenntnisstand entsteht der entscheidende Gradient, der die Flüssigkeit in den Gefäßen zurückhält, nicht – wie früher angenommen – zwischen Intravasalraum und Interstitium. Stattdessen existiert ein schmaler Spalt direkt unterhalb der Glykokalyx, also zwischen der dem Gefäß zugewandten Seite der Endothelzellen und der Glykokalyx. Dieser zellfreie Spalt weist einen viel niedrigeren kolloidosmotischen Druck als das plasmaproteinhaltige Blut auf, das oberhalb der Glykokalyx entlangströmt. Somit wird der kolloidosmotische Druckgradient nicht über die Endothelzellen aufgebaut, wie man früher glaubte, sondern über die endotheliale Glykokalyx bzw. den Endothelial Surface Layer.
Eine Schädigung oder Zerstörung der endothelialen Glykokalyx führt nach diesem Modell zum Zusammenbruch der vaskulären Barrierefunktion. In der Folge kommt es zum massiven Ausstrom von Flüssigkeit und Kolloid. Die aktuelle Forschung zeigte, dass eine Hypervolämie, also ein Zuviel an Infusionslösungen, dies bewirken kann. Für Anwender von Infusionslösungen ergibt sich daraus eine wichtige Konsequenz: Nicht nur wenn der Patient zu wenig Flüssigkeit erhält, sondern auch dann, wenn er mit Flüssigkeit überladen wird, hat dies schädigende Auswirkungen.

Passive Transportprozesse – Filtration

Unter Filtration wird der Transport von Flüssigkeiten durch eine semipermeable Membran verstanden. Die Menge der abgefilterten Flüssigkeit (Filtrat) ist sowohl von der Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Membran als auch von der Membranfläche abhängig.Filtration
Im menschlichen Organismus erfolgt die Filtration vorwiegend im Bereich der Blutkapillaren, wobei der durch den Herzschlag erzeugte Druck in den Kapillaren, der hydrostatische Druck, zum Abpressen von Blutplasma in das Interstitium führt.
Im venösen Schenkel der Kapillaren sind die Druckverhältnisse umgekehrt: Die Flüssigkeit wird nun in das Blutgefäß zurückgepresst (Resorption; Abb. 3.18 und Kap. 13.1.6).

Aktiver Transport

Die Zellen brauchen neben allen passiven Transportmechanismen auch Transportprozesse, die an eine Energiequelle gekoppelt sind und bestimmte Moleküle aktiv und gegen ein Konzentrationsgefälle durch die Membran pumpen können. Ansonsten würden sich z. B. lebenswichtige Konzentrationsunterschiede zwischen Zellinnerem und Interstitium mit der Zeit aufheben. Diese energieverbrauchenden Vorgänge werden immer von Carrierproteinen ausgeführt. Die dafür notwendige Energie wird aus dem Zellstoffwechsel zur Verfügung gestellt.Transportaktiver
Die unterschiedlichen Ionenkonzentrationen z. B. für Na+ und K+ sind lebenswichtig (etwa für die Erregbarkeit von Nervenzellen (Abb. 3.18). Aufrechterhalten werden diese Konzentrationsunterschiede durch die Natrium-Kalium-Natrium-Kalium-PumpePumpe, ein Carrierprotein in der Membran, das Kalium-Ionen in das Zellinnere ein- bzw. Natrium-Ionen gegen das bestehende Ionen-Konzentrationsgefälle aus der Zelle ausschleust (Abb. 3.18). Energiequelle der Na+-K+-Pumpe ist die Spaltung von ATP in ADP und Phosphat. Das entstandene ADP kann dann im Wesentlichen in den Mitochondrien wieder zu ATP verarbeitet werden.

Infusionslösungen

Die Verabreichung von InfusionslösungenWirkweiseInfusionslösungen ist in der Notfallmedizin quasi Tagesgeschäft. Jeder Patient, der einen venösen Zugang erhalten hat, bekommt zumindest eine Infusion zum „Offenhalten“ des Zugangs. Nicht selten dient die Lösung auch einem therapeutischen Ziel, beispielsweise bei der Behandlung der Dehydrierung oder von Blutverlusten. Dennoch ist nicht jedem Anwender klar, was genau eigentlich in den Lösungen enthalten ist. Insbesondere können Infusionslösungen neben den erwünschten Effekten auch Nebenwirkungen unterschiedlichen Ausmaßes besitzen. In den letzten Jahren wurde diesem Thema vermehrt Aufmerksamkeit gewidmet und viele Anwender mussten erkennen, dass Lösungen, die jahrelang oder gar über Jahrzehnte unkritisch angewendet wurden, viel problematischer sind als gedacht. Dazu ein Beispiel:
Der Anwender glaubte, dass Ringer-Laktat-Lösung alle notwendigen Elektrolyte in einer angemessenen Konzentration enthält und somit nichts falsch gemacht werden könne, selbst wenn die Lösung unkritisch verabreicht wird. Ringer-Laktat-Ringer-Laktat-LösungLösung hat einen relativ normalen Gehalt an Kalium (etwas mehr als 5 mmol/l). Viele kritisch kranke Patienten haben jedoch einen deutlich erhöhten Bedarf an Kalium. Gerade in Bereichen aber, in denen keine Möglichkeit besteht, Elektrolyte zu bestimmen, kann der Einsatz gefährlich sein. So wurden viele Todesfälle bei Kindern in Entwicklungsländern beschrieben, denen aufgrund von Durchfall erhebliche Mengen Ringer-Laktat zur Rehydratation zugeführt wurden und die infolgedessen einen Kaliummangel (HypokaliämieHypokaliämie) erlitten.
Alle Anwender müssen sich bewusst machen, dass es vor allem darauf ankommt, was eine Infusionslösung im Körper bewirkt. Allein die Tatsache, dass das Produkt in der Flasche oder im Beutel als „physiologisch“ bezeichnet wird bzw. dem Anwender so erscheint, bedeutet nicht, dass es unkritisch angewendet werden darf. Es gibt leider mehrere solcher Beispiele. Grund genug also, sich die Infusionslösungen genauer anzusehen.

Infusionslösungen im Rettungsdienst

Infusionslösungenim RettungsdienstInfusionslösungen dienen im Rettungsdienst oft nur zum „Offenhalten“ des i. v. Zugangs sowie als Flüssigkeits- bzw. Volumenersatz, ggf. auch als Trägerlösung für Medikamente (Abb. 3.19, Tab. 3.1). Genau genommen ist definitionsgemäß mit Flüssigkeitsersatz gemeint, dass extrazelluläre Flüssigkeitsverluste insgesamt ersetzt werden sollen, also sowohl im Plasma als auch im Interstitium. Beim Volumenersatz geht es darum, dass das Volumen im Gefäßsystem (intravasales Volumen) aufgefüllt werden soll. Ziel ist hier die Behandlung einer Hypovolämie. Diese Definition spielt in der Praxis eine untergeordnete Rolle, denn auch ein Volumenmangel wird mit Lösungen behandelt, die den gesamten Extrazellulärraum erreichen. Im Gegenteil, bereits seit einigen Jahren wurde für die in Deutschland sehr verbreiteten HES-(Hydroxyethylstärke-)HES-LösungLösungen, die auf den intravasalen Raum abzielen (s. u.), eine strenge Indikationsstellung empfohlen. Mittlerweile werden HES-Lösungen in der Präklinik gar nicht mehr empfohlen.

Kristalloide und kolloidale Infusionslösungen

Prinzipiell werden im Rettungsdienst kristalloide und kolloidale Infusionslösungen unterschieden:
  • Kristalloide Lösungen gibt es Infusionslösungenkristalloidein unterschiedlichsten Zusammensetzungen, jedoch ist ihnen der Mangel an sog. Makromolekülen gemeinsam. Sie enthalten unterschiedliche Elektrolyte, die in Flüssigkeiten als Ionen bezeichnet werden. Das einfachste Beispiel für eine solche Lösung ist die 0,9-prozentige KochsalzlösungKochsalzlösung. Weitere, in anderen Lösungen verwendete Elektrolyte sind z. B. Kalium, Kalzium oder Magnesium. Ringer-Ringer-LösungLösung ist dafür ein Beispiel.

  • Kolloidale Lösungen: Diese Lösungen enthalten Makromoleküle. Mit ihrer Hilfe kann der kolloidosmotische Druck des InfusionslösungenkolloidaleIntravasalraums ebenfalls aufrechterhalten oder erhöht werden, was dazu führt, dass eine längere intravasale Verweildauer des infundierten Volumens erreicht wird. Die Moleküle selbst haben unterschiedlichste Größen. Die Molekülgröße bzw. -masse wird als mittleres Molekulargewicht (mMG) angegeben. Man unterscheidet natürliche und künstliche kolloidale Lösungen.

    • Natürliche Kolloide: Der einzige Vertreter Infusionslösungennatürliche Kolloideder natürlichenKolloidenatürliche oder nichtsynthetischen Kolloide ist das Albumin. Es wird aus menschlichen Blutspenden hergestellt und daher auch als Humanalbumin bezeichnet. Humanalbumin-Infusionslösungen sind sehr teuer, weil sie nur über einen aufwendigen Prozess aus mehreren menschlichen Blutspenden hergestellt werden können. Dieser hohe Preis ist einer der Gründe am Interesse an künstlichen kolloidalen Lösungen, die erheblich günstiger sind. Zudem ist Humanalbumin herstellungsbedingt nur in Glasflaschen verfügbar. Dies ist für den Einsatz im Rettungsdienst nicht optimal. Außerdem muss die Gabe von Humanalbumin nach dem Transfusionsgesetz dokumentiert werden, ein logistischer Nachteil. Humanalbumin darf nicht über 25 °C gelagert werden. Abgesehen davon sprechen die bisherigen Daten auch aus medizinischer Sicht gegen einen Einsatz von Humanalbumin im Rettungsdienst.

    • Künstliche Kolloide: In Europa waren traditionell vor allem Infusionslösungenkünstliche KolloideGelatine, Dextran und Stärke (Hydroxyethylstärke-Lösung) als künstliche KolloidekünstlicheKolloide gebräuchlich. Dextran ist aufgrund des Nebenwirkungsprofils nicht mehr im Handel; es spielen nur noch Gelatine und Stärke eine Rolle. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie – im Vergleich zum körpereigenen Kolloid Albumin (Humanalbumin) – recht kostengünstig und gut lagerbar sind. Infektionen mit anschließender Erkrankung sind sehr wahrscheinlich ausgeschlossen.

Merke

Elektrolyte in Infusionen

Elektrolytein InfusionenElektrolyte sind Substanzen, die in einem Lösungsmittel in sog. Ionen zerfallen. Man kann sie sich als elektrisch geladene Teilchen vorstellen, die in einer Flüssigkeit enthalten sind. Ionen mit einer positiven Ladung werden als Kationen bezeichnet, Ionen mit einer negativen Ladung hingegen als Anionen. Betrachten wir als Beispiel das Kochsalz, das auch als Natriumchlorid (Na+Cl) bezeichnet wird: In dieser Verbindung ist Natrium das Kation, während das Chlorid das Anion ist.

Praxistipp

Glukoselösungen im Rettungsdienst

Eine Sonderstellung nimmt die GlukoselösungGlukoselösung ein: Sie enthält weder Ionen noch Makromoleküle und lässt sich so in keine der oben genannten Gruppen einordnen. Glukoselösungen im Rettungsdienst enthalten meist 5 % Glukose und sollten aufgrund ihrer Nebenwirkungen insbesondere bei Patienten, die ein Schädel-Hirn-Trauma erlitten haben, nicht mehr eingesetzt werden. Die in der Lösung enthaltene Glukose wird nämlich vom Körper verstoffwechselt, sodass freies Wasser zurückbleibt, das sich im gesamten Körper (im Gesamtkörperwasser) verteilt, auch intrazellulär! Dies kann z. B. zum Hirnödem führen.
Es gibt heutzutage kaum noch einen Grund für die Bevorratung von Glukose 5 %-Infusionslösungen im Rettungsdienst. Ausnahme stellen hier Medikamente, die nach Herstellerangabe in Glukoselösungen aufgelöst werden müssen, dar. Für die Behandlung einer HypoglykämieHypoglykämie (UnterzuckerungUnterzuckerung) wird zumeist auf höher konzentrierte Ampullen zurückgegriffen, z. B. Glukose 20–40 % oder Glukose 50 %, die dann häufig sekundär weiter verdünnt werden. Bei diesen ist aber wegen einer möglichen Venenreizung darauf zu achten, dass sie „im Bypass“ zu einer gut laufenden Infusionslösung injiziert werden.

Konzept der metabolisierbaren Anionen

Herstellungsbedingt kann in Infusionslösungen kein Bikarbonat zugemischt werden. Werden nun große Mengen Flüssigkeit verabreicht, wie etwa in der Sepsis (Kap. 5.8), kann es zu einer sog. DilutionsazidoseDilutionsazidose kommen. Dilution bedeutet so viel wie Verdünnung. Damit ist gemeint, dass die Auffüllung des gesamten Extrazellulärraums mit einer großen Menge bikarbonatfreier Infusionen zu einer Verringerung des relativen BikarbonatInfusionenBikarbonatgehalts im Blut führt, wobei der Kohlendioxidpartialdruck konstant gehalten wird. Unterm Strich entwickelt sich daher eine AzidoseAzidose (Kap. 11.2.6). Bei Verabreichung geringerer Infusionsmengen finden sich hingegen nur geringfügige Änderungen.
Der Lösungsansatz für das seit Langem bekannte Problem der Verminderung des Bikarbonatanteils besteht darin, dass sog. metabolisierbare Anionen, metabolisierbareAnionen zu den Lösungen hinzugefügt werden. Der Begriff Anion wurde bereits erklärt. Metabolisierbares Anion bedeutet, dass es sich um ein verstoffwechselbares Anion handelt. Darunter werden Basen organischer Säuren verstanden, die im Körper unter Verbrauch von Wasserstoffionen und Sauerstoff das Bikarbonat aus Kohlensäure freisetzen. Da Kohlensäure im Körper praktisch unbegrenzt vorhanden ist, scheint dies ein guter Ansatz zu sein.
Die sicherlich bekannteste und erste Lösung dieser Art war und ist Ringer-Laktat-Ringer-Laktat-LösungLösung (Laktat = metabolisierbares Anion), die bereits 1934 von Hartmann entwickelt wurde. Daher wird sie im englischen Sprachraum teilweise auch als Hartmann‘s Solution bezeichnet. Sie galt lange Zeit als Standardinfusionslösung.
Heutzutage werden anstelle von Laktat gerne andere metabolisierbare Anionen verwendet, die nicht die Nachteile des Laktats haben, z. B. Acetat oder Malat (Kap. 3.6.4). Auf diese Weise kann der Infusionslösung eine Substanz beigemengt werden, welche die Bildung von Bikarbonat bewirkt, somit einer Dilutionsazidose entgegenwirkt und zudem die Laktatdiagnostik nicht verfälscht.
Laktat und Milchsäure
Ein sehr häufig zu beobachtendes Missverständnis betrifft die Verwendung der Begriffe Laktat und MilchsäureMilchsäure. Vielen ist geläufig, dass LaktatLaktat in der Labordiagnostik als sog. Hypoxiemarker gilt. Eine Erhöhung des Laktatwerts zeigt an, dass es zum anaeroben Stoffwechsel infolge eines Sauerstoffmangels (einer Hypoxie) im Gewebe gekommen ist. Wenn man bedenkt, dass eine Lösung wie Ringer-Laktat ja u. a. den Zweck verfolgt, eine Dilutionsazidose zu verhindern, weil das beigefügte Laktat in der Leber zu Bikarbonat verstoffwechselt wird, stellt sich unweigerlich die Frage, wieso dann gleichzeitig das Vorhandensein von Laktat im Plasma (normaler Wert 1,5 mmol/l) auf einen anaeroben Stoffwechsel hindeutet. Hier scheint ein Widerspruch vorzuliegen.
Der Grund liegt darin, dass der Metabolismus (Stoffwechsel) des Körpers stets in einer sog. elektroneutralen Form erfolgen muss. Ein Teil mit positiver Ladung ist an ein anderes mit negativer Ladung gekoppelt; gemeinsam sind sie elektrisch neutral. Die vom Körper gebildete Milchsäure besteht aus dem Anion Laktat und dem Kation H+. Nach Freisetzung der Milchsäure zerfällt diese in die beiden genannten Bestandteile; der Chemiker sagt auch, sie dissoziiert. Dennoch ist in diesem Fall der Anstieg von Laktat ein Zeichen für die Bildung von Milchsäure im Organismus. Anders ist dagegen das Laktat in der Infusionslösung zu bewerten, das z. B. als Natrium-L-Laktat beigemengt wird. Manche Experten legen daher Wert darauf, dass die durch Milchsäure entstandene Azidose als LaktazodoseLaktatazidose und nicht etwa als LaktatazidoseLaktatazidose bezeichnet wird.

Kristalloide Infusionslösungen

Zu den kristalloiden Lösungen zählen 0,9-prozentige KochsalzlösungInfusionslösungenkristalloideKochsalzlösungen. Diese werden stets als „physiologische“ Kochsalzlösungen bezeichnet. Um zu belegen, dass dies nicht zutrifft, müssen wir ihre genaue Zusammensetzung betrachten: Sie beinhalten je 154 mmol/l Natrium und Chlorid. Zum Vergleich: Blutplasma enthält normalerweise ca. 142 mmol/l Natrium und 103 mmol/l Chlorid. Es stellt sich die Frage nach der Folge dieser Konzentrationsunterschiede. Der unphysiologisch hohe Gehalt an Chlorid reduziert sowohl akut als auch chronisch die Wasserrückresorption in der Niere über die Hemmung des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems (Kap. 16.3.1) und vermindert außerdem die Filtrationsrate der Niere. Außerdem fehlt der Lösung BikarbonatBikarbonat, was bei größeren Infusionsmengen zu einer Dilutionsazidose führen kann (Kap. 11.2.6).
Viele Jahre wurde 0,9-prozentige Kochsalzlösung als günstige Infusionslösung zum Flüssigkeitsersatz in Rettungsdienst und Klinik verwendet, quasi für jeden Patienten, der eine Infusionsbehandlung erhielt. Ein spezielles Einsatzgebiet waren Patienten mit unzureichender oder verloren gegangener Nierenfunktion, z. B. Dialysepatienten: Die Befürchtung war, dass es bei diesen Patienten durch Verabreichung sog. Vollelektrolytlösungen zu einem Überschuss an Kalium kommen könne, da dieses über die kranken Nieren nicht mehr ausreichend ausgeschieden werden könne. Heute wissen wir, dass entgegen dieser verbreiteten Meinung der Kaliumgehalt in balancierten Lösungen bei Niereninsuffizienz keine Hyperkaliämie bewirkt. Das Gegenteil ist der Fall; so wurde beispielweise bei Nierentransplantationen selbst in der anurischen Phase gezeigt, dass eine kaliumhaltige (bis 5 mmol/l) balancierte Lösung dem NaCl 0,9 % überlegen ist. Die S3-Leitlinie Polytrauma empfiehlt mit dem höchsten „Grade of Recommendation“: Isotone Kochsalzlösung soll nicht verwendet werden.
Eine weitere kristalloide Infusionslösung, deren Einsatz kritisch zu sehen ist, ist die Ringer-Ringer-LösungLösung. Sie zeichnet sich neben der Anreicherung mit Natrium, Kalium, Kalzium und Magnesium durch einen unphysiologisch hohen Chloridgehalt aus, der sogar noch höher ist als bei der 0,9-prozentigen Kochsalzlösung. Dies beeinträchtigt, wie für die Kochsalzlösung beschrieben, die Nierenfunktion. Außerdem ist auch bei dieser Infusionslösung aufgrund des fehlenden Bikarbonats mit der Gefahr der Dilutionsazidose zu rechnen.
Um dieses Problem zu umgehen, werden, wie beschrieben, metabolisierbare Anionen (Kap. 3.6.3) zu einer Lösung mit einem dem Blutplasma ähnlichen Gehalt an Natrium, Kalium, Kalzium und Magnesium hinzugefügt. Diese Lösungen werden auch als balancierte Vollelektrolytlösungen, balancierteVollelektrolytlösungen bezeichnet. Hierbei ergeben sich einige Vor- bzw. Nachteile der jeweils verwendeten Anionen: Laktat hat den Nachteil, dass es in der Leber metabolisiert werden muss und hierbei viel Sauerstoff verbraucht. Außerdem ist die Ringer-Laktat-Lösung leicht hypoton, was durch Osmose ein Platzen der Zellen hervorrufen kann. Schließlich kann die Zufuhr von Laktat durch Infusionen die laborchemische Messung des Laktatwerts verfälschen. Diese Nachteile machen Ringer-Laktat insbesondere für den Einsatz beim Traumapatienten vollkommen ungeeignet. Malat- und acetathaltige Lösungen werden unabhängig von der Leber verstoffwechselt, ohne den Sauerstoffbedarf in dem Umfang wie bei Laktat zu erhöhen. Diese Lösungen sind aufgrund der genannten Nachteile der Ringer-Laktat-Lösung vorzuziehen. Insbesondere das schnell metabolisierbare Acetat ist hier überlegen.

Merke

Balancierte Vollelektrolytlösungen

Balancierte Vollelektrolytlösungen, balancierteVollelektrolytlösungen zeichnen sich durch einen dem Blutplasma ähnlichen Gehalt an Natrium, Kalium, Kalzium und Magnesium sowie den Zusatz von metabolisierbaren Anionen aus. Als Anionen kommen z. B. Laktat, Malat und Acetat infrage; diese werden zu Bikarbonat verstoffwechselt, wodurch die Gefahr der Dilutionsazidose reduziert wird. Von den verwendeten Anionen scheint Acetat das günstigste Profil zu besitzen. Laktathaltige Lösungen werden hingegen nicht empfohlen
Ein großer Nachteil kristalloider Infusionen ist, dass sie nur zu ca. 20 % im Gefäßsystem verbleiben. Der Rest sammelt sich vor allem im Gewebe.

Kolloidale Infusionslösungen

Kolloidale InfusionslösungenkolloidaleInfusionen bestehen, wie bereits erwähnt, aus Makromolekülen gelöst in einer kristalloiden Lösung. Angemerkt sei, dass Leitlinien empfehlen, (wenn überhaupt) Kolloide zu verwenden, die in einer balancierten Lösung angeboten werden. Die Makromoleküle verbleiben im Gegensatz zu kristalloiden Lösungen zunächst mehr oder weniger (je nach Präparat) vollständig in den Gefäßen, wodurch das Volumen im Gefäßsystem erst einmal ansteigt. Grundvoraussetzung hierfür ist, dass das zugrunde liegende Krankheitsbild des Patienten keine erhöhte Permeabilität (Durchlässigkeit) der Gefäße bewirkt hat. Diese Lösungen werden mitunter auch als Plasmaersatzmittel oder Blutersatzmittel bezeichnet, was jedoch nicht korrekt ist, da sie keine Gerinnungsfaktoren enthalten (wie Plasma) und keinen Sauerstoff transportieren können (wie Erythrozyten). Der Begriff Plasmaexpander wiederum trifft nur dann zu, wenn die Lösung so beschaffen ist, dass die Auffüllung des Gefäßraums nach Verabreichung der Lösung größer ist als die infundierte Menge.
Zur Verfügung stehen als künstliche kolloidale Infusionslösungen Hydroxyethylstärke-(HES-) und Gelatine-Lösungen. Eine weitere kolloidale Lösung, die allerdings nur in der Klinik eingesetzt wird, ist die Humanalbumin-Humanalbumin-LösungLösung. Diese ist zwar sehr wirksam, aber aus Kostengründen nur eingeschränkt nutzbar. Es handelt sich hierbei nicht um ein künstlich hergestelltes Kolloid, sondern um Albumin, das aus dem menschlichen Blut gewonnen wurde (Kap. 11.1). Bei den künstlichen kolloidalen Lösungen haben sich HES-HES-Lösung und Gelatine-Gelatine-LösungLösungen durchgesetzt. Dextran-Dextran-LösungLösungen werden heute aufgrund ihres ausgeprägten negativen Einflusses auf Blutgerinnung und Nierenfunktion nicht mehr verwendet und sind in Deutschland gänzlich vom Markt verschwunden.
Gelatine- und HES-Lösungen
Gelatine- und HES-HES-LösungLösungen wurden in den letzten Jahren häufig großzügig eingesetzt, was aktuell eher kritisch gesehen wird. Gelatine-Gelatine-LösungLösung wird aus Rinderkollagen gewonnen und besteht aus einem Gemisch unterschiedlich großer Aminosäureverbindungen, während die heutige im Rettungsdienst verwendete HES-Lösung Stärkemoleküle mit einer mittleren Größe (sog. mittleres Molekulargewicht, mMG) von 130 kDa (HES 130) enthält. Nachteilig an beiden Lösungen ist ihr Potenzial, allergische Reaktionen auszulösen; die Wahrscheinlichkeit hierfür ist bei den neueren Produkten jedoch sehr gering. HES war lange Zeit ein fester Bestandteil in der Infusionstherapie auf Intensivstationen. Neuere Studien ergaben teilweise allerdings eine erhöhte Todesrate, insbesondere durch Nierenschäden, bei Patienten, die HES-Lösungen erhielten, sodass deren Einsatz mittlerweile stark umstritten ist. So zeigte sich insbesondere bei Patienten, die an einer Sepsis litten, sowohl eine erhöhte Mortalität als auch eine erhöhte Notwendigkeit für Nierenersatzverfahren.

Praxistipp

Einsatz von HES-Lösungen

Als Kontraindikationen HES-LösungKontraindikationengelten zurzeit Sepsis und Verbrennungen, wobei auch von einem Einsatz bei kritisch kranken Patienten abgeraten wird. Des Weiteren stellen schwere Nierenfunktionsstörungen und Gerinnungsstörungen sowie eine Dehydration und ein vorliegendes Schädel-Hirn-Trauma Kontraindikationen dar. Aktuell raten die Fachgesellschaften zu einem kritischen Umgang mit HES. In einer europäischen Leitlinie wird empfohlen, kolloidale Lösungen aufgrund ihrer negativen Auswirkungen auf die Gerinnungsfunktion zurückhaltend einzusetzen. In der aktuellen Version der S3-Leitlinie Polytrauma/Schwerverletzten-Behandlung wird Hydroxyethylstärke-Lösung nicht mehr empfohlen. Die Negativergebnisse vieler Kolloidstudien und die fehlende Überlegenheit gegenüber Kristalloiden haben dazu geführt, dass der noch 2011 empfohlene Einsatz von HES 130/0,4 gestrichen wurde.
Gelatine-Lösungen zeichnen sich durch weitgehende Neutralität in Bezug auf Blutgerinnung und Nierenfunktion aus. Das macht sie besonders geeignet für die Versorgung von Intensivpatienten mit eingeschränkter Nierenfunktion. Allerdings muss beachtet werden, dass ein Überlebensvorteil für Patienten, die mit kolloidalen Infusionen behandelt wurden, im Gegensatz zu Patienten, die nur kristalloide Infusionslösungen erhielten, nicht gezeigt werden konnte. Aufgrund der möglichen Nebenwirkungen wird daher zurzeit der Einsatz von kristalloiden Infusionslösungen angeraten, wobei eine Gabe als Ultima Ratio beim hämorrhagischen Schock durchaus zu erwägen ist.
Hyperosmolare hyperonkotische Infusionslösungen (HHL)
Zum Schluss soll das Konzept der hyperosmolaren LösungenInfusionslösungenhyperosmolare angesprochen werden. Man versteht darunter eine hyperosmolare (hochprozentige, 7,5-prozentige) Kochsalzlösung, die dann, wenn sie zusätzlich ein Kolloid wie z. B. HES enthält, als hyperosmolar hyperonkotisch (HHL) bezeichnet wird. Das Konzept der hyperosmolaren bzw. hyperosmolaren hyperonkotischen Lösungen beruht darauf, dass intrazelluläre und interstitielle Flüssigkeit in den Intravasalraum „gesaugt“ wird. HHL sollten allerdings nur verwendet werden, wenn sich genügend Flüssigkeit im Interstitium befindet, die resorbiert werden kann. Außerdem musste darauf geachtet werden, dass neben der Resorption aus dem Interstitium zusätzlich Flüssigkeit zugeführt wird, da die Resorptionsmöglichkeit durch das vorhandene Volumen im Interstitium begrenzt wird.
In den allermeisten Studien wird ausschließlich die reine 7,5%ige Kochsalzlösung angewendet. Hingegen ist in Deutschland immer nur die kombinierte Lösung mit HES (Hyperhaes®) oder 6 % Dextran 70 (RescueFlow®) verwendet worden. Verschiedene Probleme mit der kolloidalen HES-Lösung haben dazu geführt, dass beide Lösungen in Deutschland nicht mehr verfügbar sind.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für eine hyperosmolare Lösung ist das Schädel-Hirn-Trauma: Hier kann der Einsatz von Lösungen, die Zuckeralkohole (z. B. Mannitol) enthalten, sinnvoll sein. Zuckeralkohole kann der Körper im Gegensatz zu Glukose-Lösungen nicht verstoffwechseln, sodass diese osmotisch wirksam werden, Wasser aus dem Gewebe ziehen und so der Hirndruck gesenkt werden kann. Dieses Vorgehen sollte aber aufgrund der schlechten Steuerbarkeit auf die innerklinische Anwendung beschränkt sein.

Praxistipp

Aktuelle Empfehlungen zur Auswahl von Infusionen im Rettungsdienst

  • InfusionslösungenEmpfehlungen für den RDFür den Einsatz von 5-prozentiger Glukoselösung, Ringer-Lösung und 0,9-prozentiger Kochsalzlösung gibt es keine sinnvolle Indikation.

  • Eine (großzügige) Infusionstherapie mit Lösungen ohne metabolisierbare Anionen (z. B. Acetat) führt zu einer Dilutionsazidose; deshalb sollten Lösungen mit metabolisierbaren Anionen verwendet werden.

  • Als metabolisierbares Anion eignen sich insbesondere Acetat (und Malat); Laktat sollte hierfür nicht mehr eingesetzt werden.

  • Als kristalloide Lösung sollte heutzutage eine sog. balancierte Vollelektrolytlösung (VEL) mit Acetat verwendet werden. Diese stellt zugleich die Basis für den Volumenersatz bei allen Patienten dar, auch beim Trauma.

  • Der Einsatz von kolloidalen Lösungen sollte sehr zurückhaltend erfolgen, da diese nebenwirkungsreicher sind als kristalloide Lösungen. Wie schon erwähnt, wurde in der S3-Leitlinie Polytrauma der Einsatz von HES-Lösungen sogar gestrichen.

  • Verbrennungen und Sepsis stellen Kontraindikationen für die Gabe von HES dar.

  • Der Einsatz von hyperosmolaren Lösungen, die mit einem Kolloid angereichert sind (sog. hyperosmolare hyperonkotische Lösungen, HHL), ist derzeit in Deutschland nicht ohne Weiteres möglich, da diese Lösungen vom Markt genommen wurden.

  • Hypertone Lösungen (7,5%iges Kochsalz) könn(t)en in verschiedenen Situationen angewendet werden, sind aber in Deutschland unüblich.

  • Der Einsatz von Mannitol zur Hirndruckbehandlung sollte der Klinik vorbehalten bleiben.

Letztendlich sollte der Einsatz von Infusionslösungen immer wieder kritisch hinterfragt werden; daher sollten zukünftige Studien, die sich näher mit den Problemen der Infusionstherapie beschäftigen, immer im Auge behalten werden.

Praxistipp

Aktuelle Empfehlungen zur Steuerung der Volumentherapie beim Trauma

  • Normotensive Traumapatienten bedürfen keiner VolumentherapieVolumentherapie.

  • Beim blutenden und hypotensiven Traumapatienten ist eine Volumentherapie indiziert.

  • Bei schwerverletzten Patienten ohne führendes SHT wird ein niedrigerer Blutdruck (mittlerer arterieller Blutdruck = MAP ~ 65 mmHg, systolischer arterieller Druck ~ 90 mmHg) toleriert. Bei Kindern sind diese Werte altersgemäß anzupassen.

  • Bei schwerverletzten Patienten mit führendem SHT oder spinalem Trauma mit Neurologie wird eine Normotension angestrebt. Dies entspricht einem Ziel-MAP von 85–90 mmHg. Bei Kindern sind diese Werte altersgemäß anzupassen.

Teilung von Zellen

Neue Körperzellen entstehen ausschließlich durch Teilung bereits vorhandener Zellen. Tag für Tag müssen Zellen neu gebildet werden, um Wachstumsvorgänge zu ermöglichen und um die überall im Organismus zugrunde gehenden Zellen zu ersetzen. So besteht der menschliche Körper aus rund 100 Billionen Zellen. Hiervon gehen jede Sekunde 50 Millionen Zellen zugrunde und müssen wieder ersetzt werden.Zellteilung

Mitose

Die häufigste Art der Zellteilung ist die Mitose, wobei das Kernmaterial erbgleich von der Mutterzelle an die zwei entstehenden Tochterzellen weitergegeben wird. Dies erfordert, dass zuvor die Erbsubstanz der Mutterzelle, also die in den Chromosomen enthaltene DNA, verdoppelt werden muss. Dieser Vorgang heißt Replikation der DNA.Mitose
DNA-Replikation
Die Replikation der DNA findet schon vor der eigentlichen Mitose in der sog. InterphaseDNA-ReplikationInterphase statt. Dies ist die Phase zwischen (= inter) zwei Zellteilungen. Hierzu wird die DNA wie ein Reißverschluss in der Mitte, also zwischen den korrespondierenden Basen, aufgetrennt (Abb. 3.20). An die freiwerdenden Basen beider Stränge lagern sich dann, der spezifischen Basenpaarung folgend (Adenin zu Thymin, Guanin zu Cytosin), neue Nukleotide an. Diese werden unter Mithilfe von Enzymen (DNA-Polymerasen) zu einem neuen Strang verknüpft. Dies gelingt nur am Führungsstrang in einem Stück. Der andere Strang wird gestückelt (fragmentiert oder auch diskontinuierlich) hergestellt. Am Ende werden diese sog. Okazaki-Fragmente durch Ligasen miteinander verbunden. Damit sind zwei neue Doppelstränge entstanden, die mit dem ursprünglichen Doppelstrang völlig identisch sind. Diese neuen Doppelstränge bestehen jeweils aus einer „alten“ und einer „neuen“ Hälfte und nehmen auch wieder die Form der DNA-Doppelhelix an. Funktioniert dieser komplexe Mechanismus nur unzureichend, können Fehlpaarungen und somit Abweichungen vom ursprünglichen Bauplan (= Mutationen) entstehen. Zumeist werden diese Fehler schnell behoben; in einigen Fällen können sie jedoch auch fortbestehen. Faktoren, die das Entstehen von Mutationen fördern, werden als mutagen bezeichnet. Hierzu zählen z. B. UV-Strahlung, chemische Substanzen wie polyzyklische Kohlenwasserstoffe oder hohe Temperaturen.
Auf die oben beschriebene Weise wird die DNA sämtlicher Chromosomen vor der eigentlichen Zellteilung in der Interphase verdoppelt, wobei aus einem Chromosom zwei Chromatiden entstehen (Abb. 3.6). Schließlich verdoppelt sich in der Interphase auch das Zentriolenpaar.
Phasen der mitotischen Kernteilung
Die MitosePhasenKernteilungMitose, bei der als wichtigster Vorgang die Chromatiden auf zwei neue Kerne verteilt werden, verläuft in vier Kernteilungsphasen: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase (Abb. 3.21).
ProphaseProphaseDie im Ruhekern als lange, unsichtbare Fäden vorliegenden Chromosomen verkürzen sich in dieser Phase durch zunehmende Spiralisierung. Im Mikroskop ist zu erkennen, dass jedes Chromosom bereits in seiner verdoppelten Form – den am Zentromer zusammenhängenden Chromatiden (Abb. 3.6) – vorliegt. Ferner lösen sich die Nukleoli (Kernkörperchen) auf; die beiden Zentriolenpaare rücken auseinander und wandern zu den gegenüberliegenden Enden der Zelle, den Zellpolen.
Von den beiden Zentriolenpaaren ausgehend, wachsen dann Mikrotubuli (Kap. 3.3.6) auf das jeweils gegenüberliegende Zentriolenpaar zu, bis sie schließlich von einem Zellpol bis zum anderen reichen. Die so gebildete MitosespindelMitosespindel steuert zusammen mit den chromosomalen Mikrotubuli die Bewegung der Chromatiden während der weiteren Teilungsvorgänge.
Die Prophase endet mit der Auflösung der Kernhülle, wodurch die zusammenhängenden Chromatiden in das Zytoplasma freigesetzt werden.
MetaphaseMetaphaseIn der Metaphase ordnen sich die zusammenhängenden Chromatiden in der Mittelebene (ÄquatorialebeneÄquatorialebene) der Zelle zwischen den beiden Spindelpolen an und bilden dabei eine sternförmige Figur. Die inzwischen vollständig ausgebildete Teilungsspindel besteht nun aus Mikrotubuli, die
  • einerseits von Zellpol zu Zellpol reichen, andererseits aber auch

  • als Chromosomenfasern an den Zentromeren ansetzen.

AnaphaseAnaphaseDie Anaphase beginnt mit dem Auseinanderweichen der Zentromere aller Chromosomen. Die dadurch voneinander getrennten Chromatiden werden dann durch die an den beiden Zentromerenhälften ansetzenden Chromosomenfasern zu den entgegengesetzten Zellpolen bewegt. Mit der Trennung der beiden identischen („doppelten“) Chromatiden wird jedes von ihnen nun wieder als (einfaches) Chromosom bezeichnet.
TelophaseTelophaseDas letzte Stadium der Mitose, die Telophase, ist in vieler Hinsicht die Umkehrung der Prophase. Die an beiden Polen liegenden identischen Chromosomensätze werden von Membranen umgeben, wodurch neue Kernhüllen entstehen. Die Chromosomen in den neuen Kernen werden entspiralisiert, wodurch das typische Chromatin-Muster des Zellkerns in Ruhe erscheint. Die Mitosespindel verschwindet und die Nukleoli erscheinen wieder. Damit ist der Kernteilungszyklus beendet.
Zellteilung
Die KernteilungKernteilung wird üblicherweise von der ZellteilungZellteilung begleitet. Sie beginnt meist schon in der späten Anaphase und wird in der Telophase abgeschlossen. Hierbei schnürt sich die Zellmembran etwa in der Zellmitte vom Rand her zunehmend ein, bis schließlich zwei etwa gleich große Tochterzellen mit eigenem Zytoplasma und Organellen entstanden sind. Nicht jede Kernteilung muss auch von einer Zellteilung begleitet sein. Vielkernige Zellen, z. B. die Skelett- oder Herzmuskelzellen, vermehren bei Bedarf die Kernzahl ohne gleichzeitige Zellteilung.

Phasen des Zellzyklus

Ein Zellzyklus besteht aus zwei Phasen:Zellzyklus
  • Mitosephase.

  • InterphasePhasenInterphase (die Zeit zwischen zwei Zellteilungen); sie setzt sich zusammen aus G1-, S- und G2-Phase (Abb. 3.22).

Nach der Mitose tritt die neu gebildete Zelle zunächst in die sog. präsynthetische Wachstumsphase (G1-G1-PhasePhase) ein. In dieser Phase läuft die Proteinbiosynthese auf Hochtouren und trägt maßgeblich zur Vergrößerung der Zelle bei. Die Dauer dieser Phase schwankt zwischen wenigen Stunden und unter Umständen mehreren Jahren und bestimmt im Wesentlichen die Dauer des gesamten Zellzyklus.
Viele ausdifferenzierte Zellen verlassen diese Phase normalerweise nicht; sie wird dann auch als G0-G0-PhasePhase bezeichnet. Nur bei besonderen Ereignissen (Verletzung, Zellverlust) können sie wieder in den Zellzyklus eintreten. Eine Ausnahme bilden die Nervenzellen; sie können sich nicht mehr teilen (regenerieren; Kap. 8.2.1) und verbleiben daher dauerhaft in der G0-Phase.
In der sich anschließenden, etwa 5 bis 10 Stunden dauernden Synthesephase (S-S-PhasePhase) erfolgt die Verdoppelung der DNA, also die Bildung der Chromatiden. Die letzte, etwa vierstündige Phase vor der Mitose heißt postsynthetische Wachstumsphase (G2-Phase). Hier liegen die Chromosomen also bereits in verdoppelter Form als Chromatiden vor.

Meiose

Damit sich bei der Vereinigung von Eizelle und Spermium das Erbgut nicht verdoppelt, ist bei der Bildung der Keimzellen eine besondere Form der Zellteilung erforderlich (Abb. 3.23 und Abb. 3.24) Hierbei wird der normale, diploide Chromosomensatz (2 × 23 MeioseChromosomenChromosomen) auf einen haploiden Satz (1 × 23 Chromosomen) reduziert – dieser Vorgang wird auch Reduktionsteilung genannt.
Die Meiose umfasst zwei Teilungsschritte:
  • In der ersten Reifeteilung wird der diploide Chromosomensatz auf den haploiden reduziert (Reduktionsteilung).

  • Die zweite Reifeteilung entspricht einer normalen mitotischen Teilung – allerdings mit haploiden Chromosomensätzen.

In der Prophase Meioseerste Reifeteilungder ersten ReifeteilungersteReifeteilung kommt es ebenfalls zu einer Verkürzung und Verdichtung der bereits verdoppelten ChromosomenChromosomen. Danach lagern sich homologe Chromosomen (die sich entsprechenden Chromosomen väterlicher und mütterlicher Herkunft) parallel aneinander, sodass die entsprechenden Genabschnitte genau nebeneinander zu liegen kommen. Da jedes Chromosom zu diesem Zeitpunkt schon aus zwei Chromatiden besteht, entsteht ein Gebilde, eine TetradeTetrade, die aus vier Chromatiden (je zwei mütterlicher und väterlicher Herkunft) besteht. Dieses Aneinanderlagern wird anschließend wieder gelöst, wobei sich aber Abschnitte, die intensiv aneinander haften, miteinander überkreuzen können. An solchen Überkreuzungsstellen, ChiasmaChiasmata genannt, können die Chromatiden verschmelzen und derart wieder auseinanderbrechen, dass Bruchstücke des väterlichen und des mütterlichen Chromosoms vertauscht werden. Dieses Crossing Crossing OverOver führt zu einer Neuverknüpfung der Gene (RekombinationRekombination) innerhalb von Chromosomen.
In den weiteren Phasen der ersten Reifeteilung werden nicht wie bei der normalen Mitose die Chromatiden, sondern die beiden homologen Chromosomen (bestehend aus je zwei Chromatiden) auf die Tochterkerne verteilt, indem sie vom Spindelapparat zu den Zellpolen gezogen werden. Durch die parallel einsetzende Zellteilung entstehen zwei Tochterzellen mit je 23 noch verdoppelten Chromosomen.
Die sich nun anschließende Meiosezweite Reifeteilungzweite ReifeteilungzweiteReifeteilung entspricht der einer normalen mitotischen Teilung, wobei jetzt die Chromatiden auf die Tochterzellen verteilt werden.

Wiederholungsfragen

  • 1.

    Wie werden die negativ geladenen Fortsätze der Zellmembran genannt? (Kap. 3.2.1)

  • 2.

    Welche Funktion hat der Zellkern? (Kap. 3.3.1)

  • 3.

    Welche Aufgaben hat das Zytoplasma? (Kap. 3.1.5)

  • 4.

    Die Proteinbiosynthese findet durch welche Zellorganellen statt? (Kap. 3.3.2)

  • 5.

    Welche zellulären Vorgänge finden im Golgi-Apparat statt? (Kap. 3.3.4)

  • 6.

    Wie kann ein Transport gegen ein Konzentrationsgefälle stattfinden? (Kap. 3.5.8)

  • 7.

    Welchen Vorteil bietet der Einsatz von Vollelektrolytlösungen gegenüber anderen Infusionslösungen? (Kap. 3.6.6)

  • 8.

    Welche Infusionslösung sollte bei Patienten, die ein SHT erlitten haben, nicht eingesetzt werden? (Kap. 3.6.6)

  • 9.

    Welche Risiken bestehen bei der Infusion von Glukoselösungen? (Kap. 3.6.6)

  • 10.

    Benennen Sie die verschiedenen Phasen des Zellzyklus. (Kap. 3.7.1)

  • 11.

    Was ist der Unterschied zwischen Mitose und Meiose? (Kap. 3.7.1, Kap. 3.7.3)

  • 12.

    Wie kann Rekombination entstehen? (Kap. 3.7.3)

Holen Sie sich die neue Medizinwelten-App!

Schließen