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Energiestoffwechsel und Sport

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 Ziologie
Thema 2: Energiestoffwechsel und Sport
kurzfristig
- Muskulatur: Stärkene Durchblutung
Kurzfristige und Langfristige Anpassung an

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Ziologie Thema 2: Energiestoffwechsel und Sport kurzfristig - Muskulatur: Stärkene Durchblutung Kurzfristige und Langfristige Anpassung an Belastung - •Herz: - Atmung:· Atemfrequenz und Einatmungstiefe erhöhen sich • mehr 0₂ wird aufgenommen • schnellere Verteilung im Körper LERNZETTEL • mehr Muskeln aktiv -> mehr benötigte Energie (aus Energiespeichern) • Herzschlag frequenz erhöht sich • Erhöhung des Blutdrucks . ·Sonstiges: · Schweißbbildung, um eine Überhitzung zu vermeiden . langfristig - Muskulatur : ∙es bilden sich mehr Blutkappillaren, höhere Versorgung der Muskeln mit 0₂ ·bessere Abstimmung aufeinander •Dickenwachstum (Hypertrophie) -> Erhöhung Kraftfähigkeit ·Atmung:· Atemmuskeln werden kräftiger und feiner aufeinander alogestimmt • aktives Lungenvolumen vergrößert sich gesteigerte Zellatmungsrate • Mitochondrien der Muskelzellen stellen mithilfe der Zellatmung aus Sauerstoff und Glucose Energie bereit • Körper passt sich akthr an die herrschenden Verhältnisse an Herz: Herzmuskel kann sich vergrößern • mehr Blut wird transportiert • Blutrolumen und Anzahl an roten Blutzellen nimmt zu - Sonstiges: · trainierten Körper Die Zahl der Herz- schläge pro Minute wird erhöht. • Körper passt sich schneller Belastungen an Der Blutdruck wird erhöht. Auf der Haut bildet sich Schweiß. O Atemzüge und Tiefe des atmens werden erhöht. 1 Kurzfristige Anpassungen bei einer Läuferin Die Muskeln werden stärker durchblutet. 951 Zivilisationskrankheiten aufgrund von Bewegungsmangel - Schwächung der Muskulatur -7 viele Rückenleiden leistungsschwache Herzmuskel → viele Herz-Kreislauf-Erkrankungen geringes Atemrolumen →Herzinfarkt Vergleich von Atmungsorganen - Schlaganfall →Bluthochdruck -> Herzmuskelschwäche →Thrombose Vergleich der Atmungsorgane -äußere Atmung: Austausch der Atemgase 0₂ und CO₂ zwischen dem Körperinneren und der Umgebung innere Atmung in den Mitochondrien der Zelle -> Austausch der Atemgase zwischen dem Außenmedium...

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und der Körperflüssigkeit eines Tieres nur über Diffusion - jedes Gas diffundiert anhand eines Gradienten vom Ort höherer Konzentration zum Ort niedriger Konzentration Hautatmung bei Amphibien •Atemgase können über die gesamte Haut durch Diffusion ausgetauscht werden - kleinere Tiere haben meist eine große Körperoberfläche im Verhältnis zum volumen häufig kombiniert mit Lungenatmung Kiemenatmung bei Fischen, Krebsen und Muscheln - Gasaustausch mithilfe von Kiemen (gut durchblutete, dünnwandige Hautlappen) L7 Gasaustausch durch die Untertellung der großen Oberfläche L7 Gegenstromprinzip: sauerstoffhaltiges Wasser und sauerstoffarmes Blut wird aneinander vorbeigeleitet Tracheenatmung bei Insekten Atmung erfolgt über Einstülpungen der Körperoberfläche 27 Tracheen, Röhrennetz verzweigt sich im Körperinneren in zunehmend feinere Äste, die bis in das Gewebe reichen L enden an den Zellmembranen von fast allen Körperzellen - Luft in den Tracheen wird durch die Bewegung des Körpers / der Flügel transportiert Vorgang der Diffusion ist langsam, je größer die Diffusionsstrecke, desto besser ist die Diffusionsrate Haut Kapillare Blutgefäße Kiemenlamellen b Wasser Lungenatmung bei Säugetieren und vögeln / Wirbeltieren - Lungen sind stark gefaltet, bieten auf kleinem Raum eine sehr große Oberfläche zum Gasaustausch - Wanddicke der Lungenbläschen ist mit 1 um extremn gering deshalb ist Diffusionsstrecke der Atemgase von der Alrede in die Kappillare kurz - Diffusion über die kappillaren in den Blutkreislauf Kapillare Lungenbläschen d Strömungsrichtung des Blutes CO₂ Körperoberfläche Trachee CO. Regelung der Äußeren Atmung - Muskeln ziehen sich zusammen, dadurch verändert sich die Stoffwechsel intensität - der CO₂-Gehalt wird verringert → pH-Wert wird sauer, saure Wirkung entsteht durch das H* lon - Veränderung des Blutes wird durch die Sinneszellen (Halsschlagader) und im Gehim registriert - die Sinneszellen geben dies an das Atemzentrum in Gehirn weiter - das Atemzentrum leitet die Informationen über die Nerven zur Muskulatur in den Rippen weiter Höhe der Atemfrequenz und der Atemtiefe wird der neuen Information angepasst negative Rückkopplung reguliert diesen Vorgang (Sauerstoff mit it reagiert, wasser neutralisiert den pH-Wert) Homöostase - Fähigkeit, unabhängig von den Schwankungen der Umwelt im Inneren von Zellen, Organen und Organismen gleich bleibende Bedingung zu erhalten setzt Regelungsvorgänge voraus - Homöostase im Blut - Atemzentrum wertet (0₂ und 0₂-Gehalt, sowie den pH-Wert des Blutes ständig aus - Aufnahme durch Sinneszellen in der Halsschlagader und gewisser Hirnregionen gemessen wird: CO₂-Gehalt im Blut (nicht 0₂-Gehalt!) für 0₂-Aufnahme ins Blut durch Diffusion muss der Partialdruck Po₂ in den Lungenalreden größer sein als im Blut -> Druckgradient L7 Druckgradient: Diffusion der Gase vom Ort des höheren Partialdrucks zum Ort des niedrigen Partialdrucks - hoher 0₂-Gehalt in den Lungenalveolen wird erreicht durch die Atembewegung L7 sauerstoffreiche Luft wird in die Lunge gepumpt Sauerstoff gelangt über die Alveolen ins Blut : 0₂-Bindung an das Hämoglobin in den Lungenkappillaren Abtransport des sauerstoffs mit dem Blutstrom veränderliche Stoffwechsel- intensität z. B. durch Muskelkontraktion CO₂-Gehalt und pH-Wert im Blut H,O+CO, *H,CO, PH+HCO, H₂O Wasser ↓ saure Wirkung Sinneszellen u. a. in der Halsschlagader und im Gehirn registrieren die Veränderungen im Blut 1 Regelung der Atmung negative Rückkopplung Menge an Kohlenstoff- dioxid im Blut H₂CO3 Kohlensäure Höhe der Atemfrequenz Sinneszellen geben über Nerven Informationen an das Atemzentrum CO₂ Kohlenstoffolioxia A Rippe Muskulatur Zwerchfell Höhe der Atemfrequenz und der Atemtiefe Informationsleitung über Nerven zur Muskulatur zwischen den Rippen HCO3 Atemzentrum Rückenmark Hydrogencarbation Aufbau des Hämoglobins Hämoglobin Protein, an welches Sauerstoffmoleküle reversibel anlagern können - bestehen aus vier Protein-Untereinheiten, zwei & -Ketten mit je 141 Aminosäuren und zwei Bo-Ketten mit je 146 Aminosäuren 27 jede Protein-Untereinheit besitzt in einer vertiefung eine Häm-Gruppe mit einem zentralen Eisen-Ion (Fe²+ - lon) - Struktur des Hämoglobinmoleküls bewirkt, dass an jede Häm-Gruppe ein Sauerstoffmolekül reversibel angelagert werden kann - ein Hämoglobinmolekül kann daher höchstens vier Sauerstoffmoleküle aufnehmen - das Sauerstoffmolekül tritt mit einem seiner freien Elektronenpaare in Wechselwirkung mit dem Eisen-Ion 27 es findet keine Oxidation statt, sondern eine Oxygenierung des Hämoglobinmoleküls - das Sauerstoffmolekül kann leicht wieder gelöst und an Körperzellen abgegeben werden Desexygenierung = Abgabe von Sauerstoffmolekülen ↳ dabei wirken die vier Protein-Untereinheiten des Hämoglobins durch wechselwirkungen zusammen Bindung eines Sauerstoffmoleküls an eine der Häim-Gruppen bewirkt, dass die anderen drei Untereinheiten in ihrer Struktur etwas verändert werden L7 kooperative Effekte 27 über kooperative Effekte werden wiederum die Strukturen der anderen drei Protein-Untereinheiten verändert -> angelagerte Sauerstoff molektile werden leichter abgegeben dadurch können sie leichter Sauerstoffmoleküle aufnehmen ↳ Schnelles Be- und Entladen mit Sauerstoffmolekülen Sauerstoffaffinität des Hämoglobins - Sauerstoffsättigung= Maß für die Oxigenierung des Hämoglobins (wie viel % des Hämoglobins oxygeniert sind, ist abhängis von 0₂-Partialdruck) La bei einem hohen 0₂ - Partialdruck ist der Anteil des mit Sauerstoff beladenen Hämoglobins sehr hoch ↳ bei einem geringen 0₂-Partialdruck light nur wenig Hämoglobin in oxydierter Form vor - ist das gesamte Hämoglobin mit Sauerstoff beladen, spricht man von einer vollständigen Sauerstoffsättigung Sauerstoff bindungskurve (verschiede Partieldrücke ergeben beim Hämoglobin einen S-förmigen Kurrenvertouf) - in den Lungen ist der Sauerstoffgehalt beim Einatmen sehr hoch ↳ Sauerstoff diffundiert aus den Lungenbläschen in die Lungenkappillaren (dort hoher Q₂-Partialbruck) Hämoglobin wird mit Sauerstoff beladen - in anderen Bereichen ist der O₂- Partialdtruck geringer, da Sauerstoff durch Zellatmung verbraucht wird oxygenierte Hämoglobin gelangt in diese Bereiche des Körpers →→ Sauerstoff wird abgegeben aufgrund der sehr geringen Konzentration in den Zellen diffundiert der sauerstoff aus den Gewebekappillaren in die angrenzenden Zellen - hone börperliche Belastung → vollständige Desoxygenierung des Hämoglobins Erythrozyten befinden sich nur für kurze Zeit in den Lungenkappillaren und Geweben ↳ Schnelle Origenierung / Desoxygenierung vorteilhaft - dient als Sauerstoff speicher in Huskelzelten Anteil des oxygenierten Proteins am Gesamtgehalt des Proteins in Prozent 100 80 60 50 40 20 Sauerstoffaffinität = die Sauerstoffaffinität beschreibt, wie stark Hämoglobin Sauerstoff anzient (Maß für das Bestreben eines Proteins, Sauerstoff zu binden) Myoglobin erleichtert ebenfalls die O2-Aufnahme ↳ besteht nur aus einer Protein-Untereinheit 0 0 -TO 5 C D T 10 Die roten Blutzellen des Menschen ver- lieren im Verlauf der Zelldifferenzierung ihren Zellkern, die Mitochondrien und den Golgi-Apparat. Erythrozyten ent- halten etwa 3-10³ Hämoglobinmolekü- le pro Zelle. 15 20 A Luft in Lungen- bläschen BA Sauerstoffpartialdruck in kPa Lungenarterie D Venen a-Kette b b B-Kette Häm-Gruppe 느 Gewebe- kapillaren. Lungen- kapillaren Lungen- vene B -Arterien a-Kette C Gewebe Häm-Gruppe Eisen- lon C Im Zentrum jeder der vier Häm-Gruppen befindet sich ein zweiwertiges Eisen-lon, das dem Hämo- globin und dem Blut seine rote Farbe verleiht. Die komplexe Bindung des Eisenatoms in der Häm- Gruppe ist die Ursache dafür, dass Sauerstoff nicht fest, sondern reversibel gebunden wird. Molekulare Angepasstheit beim Hämoglobin - verringerte, Sauerstoffversorgung (z. B. in der Höhe) Bildung und Freisetzung des Hämoglobins EPO Steigerung der Hämoglobinbildung Erhöhung der Sauerstoff - Transportkapazität Synthese bel verringerter 0₂-Versorgung des Nierengewebes unterschiedliche Sauerstoffaffinitäten bei verschiedenen Wirbeltierarten 27 meist 1 AS in der Bo-Kette durch eine Mutation verändert L7 molekulare Angepasstheit ↳ Vorteile für die Art in ihrem Lebensraum Bestimmung des Energieumsatzes bei körperlicher Aktivität negative Rückkopplung - ausgelöst durch Umwelteinflüsse EPO - nicht vererbbar - Energieumsatz: setzt sich aus Grundumsatz und Leistungsumsatz zusammen · Organismen benötigen Energie für drei Arten von Arbeit L7 zur Aufrechtung der Könperfunktionen, zur Synthese von Körpereigenen (Bau-) Stoffen, zur Muskel arbeit Energie muss in Form von Nahrung aufgenommen - Grundumsatz: Energiemenge die der Körper bei völliger Ruhe benötigt Energieumsatz Stopp der Synthese bei hoher 02-versorgung des Nierengewebes -Leistungsumsatz: Energiemenge, die bei einer Tätigkeit über den Grundumsatz hinaus beansprucht wird = Stoffaufnahme kalorisches Äquivalent sorgt für die Aktivierung der für die Protein-Untereinhelten codierenden Gene 27 Synthese von Hämoglobinmolekülen direkte Kalometrie: Ermittlung des Energieumsatzes mithilfe der Wärmeabgabe volumen abgegebenes co₂ RQ= Volumen aufgenommenes O₂ - indirekte Kalometrie: Ermittlung des Energie umsatzes über die Messung der Sauerstoff- und Kohlenstoff dioxid menge in der Atemluft - kalorisches Piquivalent: gibt an, wie viel kilojoule pro aufgenommenen Liter Sauerstoff gewonnen werden respiratorische Quotient (RQ): Verhältnis zwischen abgegebener Kohlenstoffdioxid- und aufgenommener Sauerstoffmenge

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Regelung der Äußeren Atmung - Muskeln ziehen sich zusammen, dadurch verändert sich die Stoffwechsel intensität - der CO₂-Gehalt wird verringert → pH-Wert wird sauer, saure Wirkung entsteht durch das H* lon - Veränderung des Blutes wird durch die Sinneszellen (Halsschlagader) und im Gehim registriert - die Sinneszellen geben dies an das Atemzentrum in Gehirn weiter - das Atemzentrum leitet die Informationen über die Nerven zur Muskulatur in den Rippen weiter Höhe der Atemfrequenz und der Atemtiefe wird der neuen Information angepasst negative Rückkopplung reguliert diesen Vorgang (Sauerstoff mit it reagiert, wasser neutralisiert den pH-Wert) Homöostase - Fähigkeit, unabhängig von den Schwankungen der Umwelt im Inneren von Zellen, Organen und Organismen gleich bleibende Bedingung zu erhalten setzt Regelungsvorgänge voraus - Homöostase im Blut - Atemzentrum wertet (0₂ und 0₂-Gehalt, sowie den pH-Wert des Blutes ständig aus - Aufnahme durch Sinneszellen in der Halsschlagader und gewisser Hirnregionen gemessen wird: CO₂-Gehalt im Blut (nicht 0₂-Gehalt!) für 0₂-Aufnahme ins Blut durch Diffusion muss der Partialdruck Po₂ in den Lungenalreden größer sein als im Blut -> Druckgradient L7 Druckgradient: Diffusion der Gase vom Ort des höheren Partialdrucks zum Ort des niedrigen Partialdrucks - hoher 0₂-Gehalt in den Lungenalveolen wird erreicht durch die Atembewegung L7 sauerstoffreiche Luft wird in die Lunge gepumpt Sauerstoff gelangt über die Alveolen ins Blut : 0₂-Bindung an das Hämoglobin in den Lungenkappillaren Abtransport des sauerstoffs mit dem Blutstrom veränderliche Stoffwechsel- intensität z. B. durch Muskelkontraktion CO₂-Gehalt und pH-Wert im Blut H,O+CO, *H,CO, PH+HCO, H₂O Wasser ↓ saure Wirkung Sinneszellen u. a. in der Halsschlagader und im Gehirn registrieren die Veränderungen im Blut 1 Regelung der Atmung negative Rückkopplung Menge an Kohlenstoff- dioxid im Blut H₂CO3 Kohlensäure Höhe der Atemfrequenz Sinneszellen geben über Nerven Informationen an das Atemzentrum CO₂ Kohlenstoffolioxia A Rippe Muskulatur Zwerchfell Höhe der Atemfrequenz und der Atemtiefe Informationsleitung über Nerven zur Muskulatur zwischen den Rippen HCO3 Atemzentrum Rückenmark Hydrogencarbation Aufbau des Hämoglobins Hämoglobin Protein, an welches Sauerstoffmoleküle reversibel anlagern können - bestehen aus vier Protein-Untereinheiten, zwei & -Ketten mit je 141 Aminosäuren und zwei Bo-Ketten mit je 146 Aminosäuren 27 jede Protein-Untereinheit besitzt in einer vertiefung eine Häm-Gruppe mit einem zentralen Eisen-Ion (Fe²+ - lon) - Struktur des Hämoglobinmoleküls bewirkt, dass an jede Häm-Gruppe ein Sauerstoffmolekül reversibel angelagert werden kann - ein Hämoglobinmolekül kann daher höchstens vier Sauerstoffmoleküle aufnehmen - das Sauerstoffmolekül tritt mit einem seiner freien Elektronenpaare in Wechselwirkung mit dem Eisen-Ion 27 es findet keine Oxidation statt, sondern eine Oxygenierung des Hämoglobinmoleküls - das Sauerstoffmolekül kann leicht wieder gelöst und an Körperzellen abgegeben werden Desexygenierung = Abgabe von Sauerstoffmolekülen ↳ dabei wirken die vier Protein-Untereinheiten des Hämoglobins durch wechselwirkungen zusammen Bindung eines Sauerstoffmoleküls an eine der Häim-Gruppen bewirkt, dass die anderen drei Untereinheiten in ihrer Struktur etwas verändert werden L7 kooperative Effekte 27 über kooperative Effekte werden wiederum die Strukturen der anderen drei Protein-Untereinheiten verändert -> angelagerte Sauerstoff molektile werden leichter abgegeben dadurch können sie leichter Sauerstoffmoleküle aufnehmen ↳ Schnelles Be- und Entladen mit Sauerstoffmolekülen Sauerstoffaffinität des Hämoglobins - Sauerstoffsättigung= Maß für die Oxigenierung des Hämoglobins (wie viel % des Hämoglobins oxygeniert sind, ist abhängis von 0₂-Partialdruck) La bei einem hohen 0₂ - Partialdruck ist der Anteil des mit Sauerstoff beladenen Hämoglobins sehr hoch ↳ bei einem geringen 0₂-Partialdruck light nur wenig Hämoglobin in oxydierter Form vor - ist das gesamte Hämoglobin mit Sauerstoff beladen, spricht man von einer vollständigen Sauerstoffsättigung Sauerstoff bindungskurve (verschiede Partieldrücke ergeben beim Hämoglobin einen S-förmigen Kurrenvertouf) - in den Lungen ist der Sauerstoffgehalt beim Einatmen sehr hoch ↳ Sauerstoff diffundiert aus den Lungenbläschen in die Lungenkappillaren (dort hoher Q₂-Partialbruck) Hämoglobin wird mit Sauerstoff beladen - in anderen Bereichen ist der O₂- Partialdtruck geringer, da Sauerstoff durch Zellatmung verbraucht wird oxygenierte Hämoglobin gelangt in diese Bereiche des Körpers →→ Sauerstoff wird abgegeben aufgrund der sehr geringen Konzentration in den Zellen diffundiert der sauerstoff aus den Gewebekappillaren in die angrenzenden Zellen - hone börperliche Belastung → vollständige Desoxygenierung des Hämoglobins Erythrozyten befinden sich nur für kurze Zeit in den Lungenkappillaren und Geweben ↳ Schnelle Origenierung / Desoxygenierung vorteilhaft - dient als Sauerstoff speicher in Huskelzelten Anteil des oxygenierten Proteins am Gesamtgehalt des Proteins in Prozent 100 80 60 50 40 20 Sauerstoffaffinität = die Sauerstoffaffinität beschreibt, wie stark Hämoglobin Sauerstoff anzient (Maß für das Bestreben eines Proteins, Sauerstoff zu binden) Myoglobin erleichtert ebenfalls die O2-Aufnahme ↳ besteht nur aus einer Protein-Untereinheit 0 0 -TO 5 C D T 10 Die roten Blutzellen des Menschen ver- lieren im Verlauf der Zelldifferenzierung ihren Zellkern, die Mitochondrien und den Golgi-Apparat. Erythrozyten ent- halten etwa 3-10³ Hämoglobinmolekü- le pro Zelle. 15 20 A Luft in Lungen- bläschen BA Sauerstoffpartialdruck in kPa Lungenarterie D Venen a-Kette b b B-Kette Häm-Gruppe 느 Gewebe- kapillaren. Lungen- kapillaren Lungen- vene B -Arterien a-Kette C Gewebe Häm-Gruppe Eisen- lon C Im Zentrum jeder der vier Häm-Gruppen befindet sich ein zweiwertiges Eisen-lon, das dem Hämo- globin und dem Blut seine rote Farbe verleiht. Die komplexe Bindung des Eisenatoms in der Häm- Gruppe ist die Ursache dafür, dass Sauerstoff nicht fest, sondern reversibel gebunden wird. Molekulare Angepasstheit beim Hämoglobin - verringerte, Sauerstoffversorgung (z. B. in der Höhe) Bildung und Freisetzung des Hämoglobins EPO Steigerung der Hämoglobinbildung Erhöhung der Sauerstoff - Transportkapazität Synthese bel verringerter 0₂-Versorgung des Nierengewebes unterschiedliche Sauerstoffaffinitäten bei verschiedenen Wirbeltierarten 27 meist 1 AS in der Bo-Kette durch eine Mutation verändert L7 molekulare Angepasstheit ↳ Vorteile für die Art in ihrem Lebensraum Bestimmung des Energieumsatzes bei körperlicher Aktivität negative Rückkopplung - ausgelöst durch Umwelteinflüsse EPO - nicht vererbbar - Energieumsatz: setzt sich aus Grundumsatz und Leistungsumsatz zusammen · Organismen benötigen Energie für drei Arten von Arbeit L7 zur Aufrechtung der Könperfunktionen, zur Synthese von Körpereigenen (Bau-) Stoffen, zur Muskel arbeit Energie muss in Form von Nahrung aufgenommen - Grundumsatz: Energiemenge die der Körper bei völliger Ruhe benötigt Energieumsatz Stopp der Synthese bei hoher 02-versorgung des Nierengewebes -Leistungsumsatz: Energiemenge, die bei einer Tätigkeit über den Grundumsatz hinaus beansprucht wird = Stoffaufnahme kalorisches Äquivalent sorgt für die Aktivierung der für die Protein-Untereinhelten codierenden Gene 27 Synthese von Hämoglobinmolekülen direkte Kalometrie: Ermittlung des Energieumsatzes mithilfe der Wärmeabgabe volumen abgegebenes co₂ RQ= Volumen aufgenommenes O₂ - indirekte Kalometrie: Ermittlung des Energie umsatzes über die Messung der Sauerstoff- und Kohlenstoff dioxid menge in der Atemluft - kalorisches Piquivalent: gibt an, wie viel kilojoule pro aufgenommenen Liter Sauerstoff gewonnen werden respiratorische Quotient (RQ): Verhältnis zwischen abgegebener Kohlenstoffdioxid- und aufgenommener Sauerstoffmenge