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und Niebson: -die Membran ist flexibel →Verschiebbarkeit der Proteinmoleküle -in ihr sind verschiedenartige Proteine eingebettet Nachweis: Gefrierätztechnick Passive Transportvorgänge in den Zellen: ● Diffusion: Ein Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen führt. Dieser Prozess beruht auf der thermischen Bewegung von Teilchen, die sich bei ungleichmäßiger Verteilung sich aus Bereichen hoher Konzentration in Bereichen geringer Konzentration bewegen. -Diffusionsgeschwindigkeit hängt von der Größe des Konzentrationsgefälle, Temperatur und Teilchengröße Beispiel: Wenn man Farbstoff in Wasser tropft, entstehen zunächst zwei Bereiche: ein Bereich mit hoher Farbstoffkonzentration und ein Bereich mit niedriger Konzentration. Es liegt also ein Konzentrationsgradient von hoch zu niedrig vor. →nach längerer Zeit kommt es zu einem Konzentrationsausgleich. Die Farbmoleküle diffundieren, bis sie sich gleichmäßig im Wasser verteilt haben. • Osmose: Ein einseitig gerichteter Diffusionsvorgang durch eine Semipermeable (halbdurchlässig) Membran Osmotischer Druck: Druck, der durch die in einem Lösungsmittel gelösten Moleküle auf der höherkonzentrierten Seite verursacht wird und den Fluss durch eine semipermeable Membran antreibt. -mit Saugkraft vergleichbar Beispiel: Farbstoff wird durch eine semipermeable Membran von Wasser getrennt. Für Wasser ist die Membran permeabel, für Farbstoff hingegen impermeabel. Wasser fließt immer vom Ort des höheren Wasserpotenzials (weniger gelöste Teilchen), in Richtung des niedrigeren Wasserpotenzials (mehr gelöste Teilchen). Osmotischer Druck besteht solange, bis es zum Ausgleich der Konzentrationen auf beiden Membranseiten kommt. Ab diesem Zeitpunkt fließt in beide Richtungen die gleiche Menge an Wasser (isotonischer Zustand). →Volumenzunahme Hypotonische Lösung: geringere Konzentration an osmotisch wirksamen Stoffen Isotonische Lösung: osmotischer Druck ist gleich Hypertonische Lösung: höhere Konzentration an osmotisch wirksamen Stoffen ● Umkehrosmose: ● Ein Verfahren zur Beseitigung unerwünschter Bestandteile im Wasser. Meerwasser wird unter hohem Druck durch eine nur für Wassermoleküle permeable Membran gepresst. Im Unterschied zur Osmose nimmt hier das Wasser den umgekehrten Weg, da der von außen auf das Meerwasser ausgeübte Druck größer ist als der vom Meerwasser bedingte osmotische Druck Umkehrosmose Semipermeable Membran Reinst- wasser Druck Salz- wasser Das Dialyseprinzip: Ein Verfahren, mit dem das Blut eines Menschen außerhalb des Körpers gereinigt wird. Der Blutkreislauf ist über Schläuche mit dem Gerät verbunden. Das Blut wird aus einer operativ veränderter Vene über einen Schlauch in das Dialysegerät gepumpt. Es fließt durch den Dialysator und wird vom Dialysat umspült im sog. Gegenstromprinzip (Stoffe werden aneinander vorbeigeführt: vorteilhaft weil, effizienter und kostengünstiger). Es herrscht zwischen den Flüssigkeiten ein Konzentrationsgefälle, daher treten aus dem Blut die kleinmolekularen Schadstoffe (Harnstoff, Kreatinin...) in die Spülflüssigkeit über. Umgekehrt lässt sich das Blut des Patienten durch eine bestimmte Zusammensetzung der Spüllösung mit erwünschten Substanzen anreichern. Das gereinigte Blut wird dann über einen Schlauch wieder in die Vene geleitet. Die osmotische Zustandsgleichung: Osmometer: Zuckerlösung befindet sich in einer hypotonischen Lösung (Wasser). Die Lösungen sind durch eine semipermeable Membran getrennt. Aufgrund der Konzentrationsunterschied bezüglich der Zuckerteilchenkonzentration entsteht ein osmotischer Druck, was den Wassereinstrom in die Zuckerlösung bewirkt→ Wassersäule steigt im Steigrohr → hydrostatischer Druck (Gravitationsdruck) wirkt dem osmotischen Druck entgegen. Stillstand bei Kompensation des osmotischen durch den hydrostatischen Druck. Bedeutung der Zellwand: im hypotonen Medium nimmt die Zelle Wasser auf→ Zellmembran wird gegen Zellwand gepresst→ Innendruck (Turgor) →wenn osmotische Duck = Innendruck, Wasseraufnahme wird gestoppt (turgeszente Zelle) und es wird verhindert, dass die Zelle platzt. Saugkraft = Osmotischer Druck- Wanddruck • Plasmolyse: Phänomen, wenn Pflanzenzellen einer hypertonen Lösung ausgesetzt sind. Konzentrationsausgleich wird angestrebt. → Wasserausstrom aus der Zelle→ Wasserverlust, Volumenabnahme und die flexible Zellmembran löst sich von der starren Zellwand ab • Deplasmolyse: Außenmedium ist hypotonisch → Wasser diffundiert in die Zelle→ Vergrößerung des Zellinnere ● Osmoregulation bei Tieren: Möglichkeit, aktiv die Osmosität zu regulieren. Beispiel: Möwen ernähren sich von salziger Nahrung und um nicht auszutrocknen besitzen sie Salzdrüsen oberhalb der Augen. Sie dienen der Osmoregulation und scheiden über den Nasengang ein Sekret mit hoher Salzkonzentration aus. Die Salzdrüsen bestehen aus mehreren tausend Tubuli, von denen jeder von einem Transportepithel ausgekleidet und von Blutkapillaren umsponnen ist. Die Konzentrierung findet durch Gegenstromaustausch statt. Die Salzkonzentration ist hoch und daher liegt ein Konzentrationsgradient vor. Konzentrationsausgleich wird angestrebt, daher fließen NaCl-Moleküle in den Sekretionstubulus. • Atmung: Gasaustausch der Lebewesen mit ihrer Umgebung -Sauerstoffaufnahme und Kohlenstoffdioxidabgabe →Vier verschiedene Arten der Atmung: -Hautatmung: beruht auf Diffusion. In Kombination mit einem Blutkreislauf, der durch Kapillaren direkt unter der Haut den Sauerstoff aufnimmt und ihn im Körper verteilt -Lungenatmung: Lungen sind die Atmungsorgane der Wirbeltiere. Gasaustausch findet im Körper zwischen Atmungsorgan und Blut sowie zwischen Blut und Körperzelle statt. -Kiemenatmung: der Sauerstoff diffundiert von Kiemenwand in Kapillarwand und von dort ins Blut -Tracheenatmung: Aufnahme von O 2 und Abgabe von CO 2 erfolgt durch weitverzweigtes Röhrensystem (Tracheen), die sich in kleine Tracheolen verzweigen und die Atemgase direkt zur Körperzelle bzw. nach außen transportieren • Transportmechanismen: Diffusion durch die Lipid- doppelschicht * Antiport erleichterte Diffusion passiver Transport aktiver Transport Symport Passiver Stofftransport: benötigt -Transportvorgang Energiezufuhr, da er infolge Konzentrationsgefälles oder Potenzialgefälles abläuft. -2 Arten: einfache Diffusion: Stofftransport findet direkt über Zellmembranstatt. Es handelt sich vor allem um kleine unpolare Moleküle, die entlang des Konzentrationsgradienten diffundieren. Erleichterte Diffusion: Transport erfolgt über Transport Proteinen →Kanalproteinen: -durchspannen die Membran tunnelartig -tragen von Innen polare -dienen dem Transport von kleinen polare, oder geladenen Teilchen -es gibt spannungsgesteuerte (reagieren auf die Änderung des elektrischen Potenzials) und ligandengesteuerte (reagieren auf Botenstoffe, wie Hormone) →Carrier-Proteine: - können nur spezifische Stoffe transportieren -haben eine Bindungsstelle (Schlüssel- Schloss-Prinzip): bindet sich ein Substrat an einen Carrier, kann das Protein seine Konfiguration ändern und transportiert das Substrat auf die andere Membranseite (Vorgang ist reversibel: Carrier faltet sich wieder in die Ausgangsposition) -Beim Symport werden stets gleichzeitig zwei Substanzen in die gleiche Richtung transportiert und bei einem Antiport werden zwei Substanzen gleichzeitig in entgegen gesetzte Richtungen bewegt Aminosäuren Aktiver Stofftransport: keine -Transportvorgang gegen ein eines Konzentrationsgefälle→ nur unter Einsatz eines von Stoffwechselenergie möglich. -2 Arten: primär aktiver Transport: gekennzeichnet durch den direkten Energieverbrauch gewonnen aus ATP- Spaltung →An und Abkoppeln von Teilchen Sekundär aktiver Transport: indirekter Energieverbrauch → Transport findet entlang eines Konzentrationsgefälles statt, der zuvor unter Energieverbrauch mit Hilfe von z.B. Protonenpumpen (integrale Proteinmolekül), die Translokation von Protonen vermitteln, wodurch ein lonengradient aufgebaut wird. →→sie strömen zurück und der Stoff wir mitgefördert. -Unterscheidung zwischen Symport und Antiport • Endo und Exocytose Vorgänge gehören zum Stofftransport. Durch sie werden größere Partikel oder Tröpfchen aufgenommen oder abgegeben. Grundlage dieser Vorgänge ist das Fließvermögen der biologischen Membran und die Fähigkeit beim Aneinanderstoßen zu verschmelzen→ ermöglicht Einfluss von festen und flüssigen Stoffen und deren Umhüllung durch ein Membranbläschen + Wiederverschmelzung und Freigabe des Bläscheninhalts. • Bau und Funktion der menschlichen Niere: -paarig angelegtes Organ -liegen beiderseits der Wirbelsäule im hinteren Bauchbereich -regulieren den Flüssigkeitshaushalt (Osmoregulation) durch gezielte Ausscheidung von lonen -sind an der Einstellung des Säure-Base-Haushalts beteiligt - (Entgiftung des Körpers) durch Harnbildung befreien sie das Blut von Giften: In beiden Nieren werden Blutanteile abfiltriert. Aufbau der Nieren Nierenrinde Nierenpyramide Nierenkelch Nierenrinde Nierenbecken Nierenvene Nierenarterie Harnleiter -Arterie transportiert Blut zur Niere Der Harn entsteht durch drei Prozesse: -Beim Nephron (Nierenrinde:) findet die Filtration des Blutes statt. →Ein Nephron besteht aus zwei Teilen, dem Nierenkörperchen, das den Primärharn bildet, und dem proximaler Tubulus Glomerulum vas efferens peritubuläre Kapillare Henle- absteigender- Schleife aufsteigender Schenkel Ⓒphysiologie.cc Bowman- arteria radialis Kapsel (cortex) vena radialis vas afferens distaler Tubulus Nierenrinde arteria arcuata zur vena renalis Sammelrohr Nierenmark Nierenkanälchen, in dem der Sekundärharn entsteht. -Nierenkörperchen bestehen aus der bowmanschen Kapsel und einem von ihr umschlossenen Knäul von arteriellen kapillaren, dem Glomerulus 1. Primärharnbildung durch Druckfiltration: Ultrafiltration Aufgrund der Differenz zwischen Blutdruck und Kapseldruck, wird das Blut durch die Kapillarwände und die Wand der Bowman-kapsel gedrückt. Die Wände der Kapillaren und die Schlitze der Podocyten (bilden das innere Blatt der Bowman-Kapsel und umgreifen die Glomeruluskapillaren) wirken als Filter. Während Proteine und Blutzellen in den Kapillaren verbleiben, enthält die Flüssigkeit, die in den Hohlraum der Bowman-Kpsel gepresst wurde Schadstoffe wie Ammoniak, aber auch Substanzen wie Zucker, Salz (NaCL), Klium und Nährstoffe. Auf dem Weg zum Sammelrohr ändert sich die stoffliche Zusammensetzung des Primärharns. 2.Rückresoption lebenswichtiger Stoffe: Im proximalen Tubulus findet ein Großteil der Rückresorption an bestimmte Salz-Ionen wie NaCl, K+, Nährstoffen und Bikarbonat HCO3 statt, die durch den aktiven Transport oder einfache Diffusion zurück ins Blut gelangen. Gleichzeitig produziert das Epithel (die umgrenzenden Zellen) des vorderen Tubulus zum Beispiel Ammoniak NH3 und geben diese giftige Verbindung in den Harn ab. Dadurch werden nicht nur Stoffwechselendprodukte des Proteinstoffwechsels beseitigt, sondern auch noch der pH-Wert der Körperflüssigkeiten aufrechterhalten. Durch den lonentransport steigt der osmotische Wert der umgebenden Flüssigkeit, wodurch Wasser passiv nach Außen strömt (Osmose) Im absteigenden Ast (down) sind die Zellen, die die Tubulus-Wand bilden nur für wasserdurchlässig. In der umgebenden Flüssigkeit herrscht ein hoher osmotischer Wert, sie ist hypertonisch im Vergleich zum Ultrafiltrat. Wasserkonzentration ist dort kleiner, daher diffundieren Wassermoleküle nach außen in die umgebende Flüssigkeit. →Folge des ständigen Wasserentzugs: Konzentrierung des Harns, wodurch der osmotische Wert im Verlauf des absteigenden Asts immer zunimmt. Osmotische Wert des Ultrafiltrats passt sich dem der Umgebung: Konzentrationsausgleich findet über Osmose statt. Im aufsteigendem Ast strömen Natrium und Chlorid-lonen aus der Tubulus-Flüssigkeit nach außen. Für Wasser-Moleküle ist der aufsteigende Ast der Henle-Schleife nicht durchgängig. -Gegenstromprinzip! -Im absteigenden Ast steigt der osmotische Wert durch den Austritt von Wasser kontinuierlich an, auf sehr hohe Werte. Im aufsteigenden Ast sinkt der osmotische Wert durch die Abgabe von Natrium- und Chlorid-lonen wieder auf "normale" Werte. Mehrere Nephrone münden in Sammelrohren, die ins Nierenbacken führen, der wieder in den Harnleiter mündet, der in die Harnblase führt. Harn wird dann über Harnröhre ausgeschieden. • Verdauungstrakt: Im Mund wird die Nahrung von den Zähnen zerkleinert. Dort findet die erste chemische Verdauung statt: die Speicheldrüse bildet Speichel, der a-Amalyse (Enzym) enthält und der Verdauung von Stärke zu Maltose dient. Die Speiseröhre fördert die Nahrung in den Magen. Magen sondert Magensaft ab, indem HCI (Salzsäure) und Enzyme wie Pepsin oder Kathepsin enthalten sind, die der Verdauung von Proteinen zu Polypeptidketten dienen. -pH-Wert sinkt Im Dünndarm findet die Verdauung aller drei Nähstoffe statt: Kohlenhydrate, Proteine und Fett. Daran sind Enzyme der Darmwand, Bauchspeicheldrüse und der Gallensaft -beginnt mit dem Zwölffingerdarm→ dort mündend der Gallengang und der Gang der Bauchspeicheldrüse Darmwand setzt Lactase, Maltase (Enzyme) Frei Leber produziert Gallenflüssigkeit Bauchspeicheldrüse sondert sekret ab, das alpha-Amalyse, Lipase und Trypsin enthält, die die Peptide zu kurzen Peptidketten spalten -pH-Wert erhöht sich wieder -durch Darmwand Aufnahme der Nährstoffe in Blut oder Lymphe Im Dickdarm findet eine Wasserresorption statt durch Osmose -Dickdarmbakterien ernähren sich von gebliebener Nahrung. Der Mastdarm dient der Zwischenspeicherung des Kots. Bei Milchzuckerunverträglichkeit gelangt Lactose im Darm, wird allerdings nicht aufgespalten um dann vom Darm aufgenommen zu werden, da das Enzym Lactase fehlt. → ungespaltene Lactose wird von Darmbakterien vergoren. -Um eine effektive Verdauung und Aufnahme der gespaltenen Nahrungsbestandteile zu ermöglichen, ist die Dünndarmschleimhaut zur Vergrößerung der Resorptionsfläche gefaltet und zusätzlich mit Zotten ausgerüstet, die mit ihren feinsten Blutgefäßen für den Abtransport der Nährsubstanzen sorgen Enzyme: -sind Proteine aus 100 bis 500 Aminosäureresten Sie sind Biokatalysatoren, die die Aktivierungsenergie (die Energiemenge, die zugeführt werden muss, damit die Reaktion starten kann) herabsetzen und so die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, indem das Enzym eine feste Bindung mit dem Substrat eingeht. -reagieren in Form von räumlichen Strukturen -besitzen ein aktives Zentrum, katalytisch wirksame Region des Enzyms →aufgrund der Anordnung der sich hier befindenden der Aminosäuren und der durch sie bewirkten Ladungsverteilung: spezifische Passform -nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip -Enzym geht über Wasserstoffbrücken, Anziehungskräfte eine lockere Verbindung mit dem Substratmolekül ein, in der das Substrat in einer für die Katalyse günstigen Orientierung gebunden wird. →Es entsteht ein Substrat-Enzym-Komplex →Bindungsenergien wirken auf das Substrat→ destabilisiert, geht in einen Übergangszustand über →Substrat hat eine große ,,Bereitschaft" für Bindungsumlagerung -Nach Umwandlung des Substrats in das Produkt, löst sich vom Enzym -Enzym geht unverändert von der Reaktion hervor • Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen sind in der Regel Temperaturabhängig. →R-G-T-Regel: bei einer Temperaturerhöhung von 10C° verdoppelt sich die Geschwindigkeit einer biochemischen Reaktion. →Enzym und Substratmoleküle bewegen sich schneller: treffen häufiger -steigen die Temperaturen weiter an bis etwa 45-50C° denaturieren sie. pH-Abhängigkeit: Elektrostatische Wechselwirkungen (lonenbindungen, Wasserstoffbrücken) bauen sekundär. + Tertiärstruktur auf →gelöste Stoffe (OH- oder H3O+) stören Bindungskräfte und führen zur Denaturierung -sie werden angegriffen -pH-Optimum für jedes Enzym unterschiedlich, (Pepsin 2, Katalase 7,6) • Abhängigkeit von Substratkonzentration -mit zunehmender Substratkonz. Nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu →E-S-K können schneller gebildet werden -ab gewisser Konzentration keine Beschleunigung mehr da alle Enzyme immer besetzt -maximale Umsetzungsgeschwindigkeit eines Enzyms spezifisch AB von Enzykon. →mit zunehmender Enzymkon. Nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit immer zu →viele ESK können gebildet werden in kurzerer Zeit, da viele Enzyme vorhanden • Substratspezifisch: -Enzym kann nur ein bestimmtes Substrat umsetzen, aufgrund des räumlichen Baus des Moleküls • Wirkungsspezifisch: -Enzym kann Substrat nur in eine bestimmte Weise umsetzen • Gruppenspezifisch: -Enzyme setzen Substrate mit gleichen funktionellen Gruppen um. Einteilung von Enzymen: Oxidoreduktasen: Enzyme, die die Oxidation und die Reduktion zweier chemischer Verbindungen katalysieren. Ligasen: Enzym, das die Bausteine der DNA miteinander verbindet. →repariert die Schäden, die durch Sonnenstrahlung entstehen Isomerasen: Enzyme, die die chemische Struktur des Substratmoleküls verändern, nicht aber dessen Summenformel. Lyasen: spalten chemische Verbindungen und benötigen dabei keine Wassermoleküle. Bildung und Spaltung von Doppelbindungen Hydrolasen: Spaltung unter Einbau von Wasser Transferasen: Übertragung von Gruppen