7. Osmo- und Ionenregulation

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1 7. Aquatischer Tiere Terrestrischer Tiere Wasserbilanz Salzmangel Salzüberschuss Osmokonformer: manche marine Evertebraten (z.b Miesmuscheln: mosm) Osmoregulierer: a) Hypoosmotische (z.b. Salinenkrebschen): Osmolarität der Körperflüssigkeit ist niedriger als Umgebungsflüssigkeit Ionen dringen ein b) Hyperosmotische (z.b. Krabbe): Osmolarität der Körperflüssigkeit ist höher als Umgebungsflüssigkeit - Ionenverlust Harnproduktion der Antennendrüse der Strandkrabbe Froschhaut kompensiert: 17mmol Nal : 1 mol O 2 H A S M A Stenohaline Organismen: offenes Meer (wenig Regulationsfähigkeit) Euryhaline Organismen: Küstenregion

2 arcinus: Strandkrabbe, Mytilus: Miesmuschel, Palaemonetes: Garnele, Artemia: Salinenkrebs, Salmo: Lachs Die Zusammensetzung extrazellulärer Körperflüssigkeiten [mmol * kg -1 H 2 o] Na + K + a ++ Mg ++ l - SO -- 4 HO - 3 Osmolalität Seewasser 475,4 10,1 10,3 54,2 554,4 28,6 2, Meerestiere: Strandkrabbe ,1 17,5 23, Süßwassertiere: Teichmuschel 15,6 0,5 6 0,2 11, Wasserfrosch 109 2,6 2,1 1, ,6 215 Terrestrische Tiere: Regenwurm 105 8, Hund 150 4,4 5,3 1, Harnstoff Meerwasserfisch:

3 Marin euryhaline Krabbe Transport über das Kiemenepithel Süßwasser - Krabbe Smoltifikation Umgestaltung der Kiemen, des Magen- Darmtraktes (Nieren?), Farbwechsel bei Lachsen vor/während dem Übertritt ins Salzwasser Hormongesteuert Insulinelike Growthfactor I ortisol Tyroxin Smoltifikation Bis ca. 2 Jahre im Süßwasser Salz-, Süßwasserakklimatisation terrestrischer Tiere Wasser- und Solutgehalt von Nahrung: Wassergehalt (% Feuchtgew.) Tierische und Pflanzliche Flüssigkeiten: Pflanzensaft, Nektar: Blut: 95 Milch (meiste Säuger): 87 Milch (marine Säuger): 40 Früchte, Vegetation: Pflanzliche und Tierische Gewebe: Muskulatur, tierische Gewebe: Samen, Getreidekörner: <10

4 Wasserbilanz des Menschen: Wasserbilanz Tägliche Aufnahme (l) Nahrungsmittel 0,7 Oxidationswass. 0,3 Trinkmenge >0, Summe >1,6 Tägliche Abgabe (l) Verdunstung (Haut, Lunge) 0,8 Kot 0,1 Harn >0,7 Schweiß* Summe >1,6 * Je nach Tagesklima und Tätigkeit Merriam-Kängururatte Wasserbilanz rlf= f f 0 *100 rlf relative Luftfeuchtigkeit f tatsächlicher Wasserdampfgehalt der Luft f 0 maximal möglicher Wasserdampfgehalt der Luft Wasserbilanz r = k 1 (f 0 -f) + k 2 Dalton sches Gesetz r Verdunstungsrate k 1, k 2 : Konstanten Leben ohne Wasser Wirbeltiere: Wasserretention: physiologische Mechanismen zur Wasserwiedergewinnung Konstanter Wassergehalt Wirbellose & Wirbeltiere: Anhydrobiose: Leben ohne Wasser ( ryptobiose : verborgenes Leben) Tolerieren Entwässerung In Hitze- wie in Kältewüsten Leben ohne Wasser Wirbellose: Rädertierchen (Rotifera), Bärtierchen (Tartigrada): Überleben Austrocknung feuchter Moospolster

5 Leben ohne Wasser Wirbellose: Salinenkrebs (Artemia salina) Encystierte Embryonen ( Eier ) Überleben Jahrelange Trockenperioden Leben ohne Wasser Wirbellose: Lungenschnecken (z.b. Helix pomatia) Ästivation ( Übersommerung ) Trockenperioden Stoffwechselrate sinkt Gehäuse versiegelt Körperwasserverlust Leben ohne Wasser Wirbellose: Nematoden: Arktische Formen 2-10% Wassergehalt Bis zu 15% der Trockensubstanz besteht aus Trehalose: Stabilisierende Hülle um Proteine, Lipide, Makromoleküle Wasserbilanz Transpirationsraten: [µg * cm -2 * h -1 * Pa -1 ] Arthropoden: Assel 1,65 Mauerassel 1,24 Kellerassel 0,83 Kugelassel 0,59 Küchenschabe 0,36 Mehlkäferlarve 0,04 TseTsefliegenpuppe 0,002 Wasserbilanz Transpirationsraten: [µg * cm -2 * h -1 * Pa -1 ] Reptilien: Kaiman 0,49 Ringelnatter 0,31 Schmuckschildkröte 0,18 Dosenschildkröte 0,08 Grüner Leguan 0,08 Gopher Schlange 0,07 Wüstenschildkröte 0,02 Wasserbilanz Bei Wassermangel im Körper: trinken und Essen

6 Wasserbilanz Wasser- und Solutgehalt von Nahrung: Wassergehalt (% Feuchtgew.) Tierische und Pflanzliche Flüssigkeiten: Pflanzensaft, Nektar: Blut: 95 Milch (meiste Säuger): 87 Milch (marine Säuger): 40 Früchte, Vegetation: Pflanzliche und Tierische Gewebe: Muskulatur, tierische Gewebe: Samen, Getreidekörner: <10 Wasserbilanz Bei Wassermangel im Körper: trinken und essen Wasser sparen Rückresorption Bei Wasserüberschuß: Verdunsten Ausschieden Wasserverlust terrestrischer Tiere Zwecke und Sparmechanismen Körperoberfläche zur Thermoregulation Schwitzen, hecheln Temperaturanpassung Wasserverlust terrestrischer Tiere Zwecke und Sparmechanismen Wasserverlust terrestrischer Tiere Zwecke und Sparmechanismen Körperoberfläche zur Thermoregulation Schwitzen, hecheln Temperaturanpassung Schutzmechanismen: Wachse, uticula Kot/Urin harnpflichtige Substanzen mechanische Notwendigkeit Wasserrückresorption im Endabschnitt des Gastrointestinums Sparmechanismen Wasserverlust terrestrischer Tiere Zwecke und Sparmechanismen

7 Wasserverlust terrestrischer Tiere Zwecke und Sparmechanismen Körperoberfläche zur Thermoregulation Schwitzen, hecheln Temperaturanpassung Schutzmechanismen: Wachse, uticula Kot/Urin harnpflichtige Substanzen mechanische Notwendigkeit Wasserrückresorption im Endabschnitt des Gastrointestinums Sparmechanismen Atmungsorgane In den Körper verlegt Wasserrückgewinnung im Respirationstrakt (Kängururatte) Bedarfsadaptierte Atemfrequenz (diskontinuierliche Atmung) Wasserverlust terrestrischer Tiere Zwecke und Sparmechanismen Wasserverlust terrestrischer Tiere Zwecke und Sparmechanismen Körperoberfläche zur Thermoregulation Schwitzen, hecheln Temperaturanpassung Schutzmechanismen: Wachse, uticula Kot/Urin harnpflichtige Substanzen mechanische Notwendigkeit Wasserrückresorption im Endabschnitt des Gastrointestinums Sparmechanismen Atmungsorgane In den Körper verlegt Wasserrückgewinnung im Respirationstrakt (Kängururatte) Bedarfsadaptierte Atemfrequenz (diskontinuierliche Atmung) Salzmangel Na, K im Körper Schwitzen Mangel in der Nahrung hoher Bedarf Aufnahme: Nahrung arnivore kein Problem Herbivore: Na-Mangel Mineralien kauen Präferenz ionenhaltiger Flüssigkeiten (Nahrung) Manche Insekten: Trinken großer Flüssigkeitsmengen zur Gewinnung des Na (Zahnspinner: Weitergabe an Weibchen) Salzüberschuss: Salzüberschuss: Hyperosmolarer Harn Rectaldrüsen von Elasmobranchiern Salzdrüsen von Vögeln und Reptilien

8 Salzüberschuss: Strategien der Osmoregulation Osmoregulierer: Innere Osmolarität wird unabhängig vom Äußeren Milieu aufrecht erhalten. Osmoregulation durch Gewebe + Organe: Amphibienhaut Harnblase d. Amphibien Kiemen der Fische + aquat. Evertebraten Eingeweide von Insekten Nierentubuli Gallenblase Salzdrüse (manche Vögel + Reptilien) VO Einführung in die Zoologie II (Allgemeine Physiologie) K. railsheim, 2 Std. Vorlesungsinhalt Salze und Wasser werden auch in den klassischen sorganen ausgeschieden Vorlesungsinhalt Vorlesungsinhalt

9 Vorlesungsinhalt Vorlesungsinhalt sprodukte sorgane Nahrung, H 2 O, Salze H 2 O, Salze (Schwitzen) O 2 H 2 O NH 3 Faeces, Harn (Harnstoff, Harnsäure) H 2 O, Salze NH 3, O 2 sprodukte Stoffwechselprozesse Stoffe ohne weiteren Nutzen Xenobiotica Giftige / nicht benötigte Stoffe Eliminierung dieser Stoffe = sprodukte: Ammoniak (NH 3 ): Ammoniotele Tiere (Knochenfische im Süßwasser, Protozoa) Harnstoff: Ureotele Tiere (Säuger, Amphibien, Haie) Harnsäure: Uricotele Tiere (Schlangen, Eidechsen, Vögel, meisten Insekten)

10 sprodukte (KH und F): H 2 O O 2 Ausscheidung über Atmungsorgane, Körperoberfläche, spezialisierte sorgane sprodukte (Endprodukte des Stickstoff-Stoffwechsels, Purinbasen und AS): Ammoniak (NH 3 ): Ammoniotele Tiere (Knochenfische im Süßwasser, Protozoa) Harnstoff: Ureotele Tiere (Säuger, Amphibien, Haie) Harnsäure: Uricotele Tiere (Schlangen, Eidechsen, Vögel, meisten Insekten) sprodukte: Harnsäure: Harnstoff: O HN O N H NH O NH Ammoniak: NH 3 H N O N H Harnsäure sprodukte: Harnstoff Harnsäure: HN O O N H H N N H O NH 3 Harnstoff: O NH NH Ammoniak: NH 3

11 Produktion verschiedener sprodukte in größerem Ausmaß: Hühnerembryo: Ammoniak, Harnstoff, Harnsäure Mensch: Ammoniak, Harnstoff, Harnsäure Kleine Mengen anderer N-haltiger Ausscheidungsprodukte fast immer vorhanden (auch Allantoin, Allantoinsäure, Kreatin, Kreatinin, Hippursäure, Guanin (Spinnen)) Produktion von sprodukten Abbau der Aminosäuren bis zum NH 3 : ATP Gewinn! Bildung der sprodukte Harnstoff / Harnsäure: Energieverbrauch (ATP) Säuger: Leber Vögel und Reptilien auch in der Niere Ammoniak: NH 3 Harnstoff: O NH NH sprodukte: Harnsäure: Purine Enzym fehlt bei Primaten

12 sprodukte: Harnsäure: Schwer wasserlöslich, ungiftig, oft kristallin ausgeschieden Harnstoff: Gut wasserlöslich, hygroskopisch, immer in Flüssigkeit Ammoniak: Zytotoxisch, muss schnell ausgeschieden werden sorgane Produzieren Harn 1) Filtration 2) Sekretion 3) Reabsorption 4) Konzentrierung sorgane sorgane Wenige (kleine) Tiere ohne sorgane Protozoen (NH 3 ) Porifera (Schwämme) ABER z.b. kontraktile Vakuolen Innulin wie Glucose filtriert s organe Paramecium s organe Süßwasserschwamm

13 sorgane sorgane: Plathelminthen (Plattwürmer), Nemertini (Schnurwürmer): Protonephridien sorgane Anneliden (Regenwürmer): Metanephridien Mollusken (Schnecken, Muscheln): Molluskenniere Tintenfische: Perikardialdrüsen Arthropoden: (je nach Lage) Maxillardrüsen, Antennendrüsen, Labialdrüsen,... Malpighische Gefäße sorgane sorgane Malpighische Gefäße Malpighische Gefäße Säuger: Niere sorgane Säuger: Niere sorgane Vena cava posterior Nierenarterie und Nierenvene Aorta Harnleiter Harnblase Harnröhre Niere Nierenbecken Harnleiter Markschicht Rindenschicht

14 Säuger: Niere sorgane Juxta-medulläres Nephron orticales Nephron Rindenschicht Säuger: Niere sorgane Bowman- Kapsel Affarente Arteriole als Ast der Nierenarterie Efferente Arteriole vom Glomerulus Glomerulus Proximaler Tubulus Peritubuläre Kapillaren Distaler Tubulus Sammelrohr zum Nierenbecken Markschicht Ast der Nierenvene absteigender Ast Henle-Schleife aufsteigender Ast Vasa recta Sammelrohr Säuger: Niere sorgane Schematische Übersicht: Glomerulus stubulus Filtrat Urin Bowmansche Kapsel Blutkapillare Deckzelle Hauptstück Schematische Übersicht: Schematische Übersicht: Ultrafiltration Reabsorption Filtrat Urin Filtrat Urin

15 Schematische Übersicht: Schematische Übersicht: Sekretion Filtrat Urin Filtrat Urin Säuger: Niere Säuger: Niere 1. Glomeruläre Filtration (Ultrafilation) H 2 O + gelöste Stoffe (z.b. Harnstoff); größenseletkiv; Primärharn 3. Tubuläre Synthese NH 3 aus Desaminierung von Aminosäuren in NH Tubuläre Reabsorption (proximaler Tubulus) H 2 O + Ionen (selektiv) rückresorbiert, Glukose, Aminosäuren... Säuger: Niere 4. Tubuläre Sekretion (in den Tubulus) K + u. H + Ionen (ph-regulation) Beseitigung von Fremdsubstanzen [wurden zuvor in der Leber verändert ( konjugiert )] Säuger: Niere sorgane 1. Malpighi Körper 2. Hauptstück (proximaler Tubulus) 4. Mittelstück (distaler Tubulus) Vorgänge führen zu hyperosmotischem Harn 3. Überleitungsstück

16 Säuger: Niere 2. Hauptstück (proximaler Tubulus) passiv sorgane Harnsäure PAH Penicillin, Phenolrot Aminosären Glucose H 2 O Na + K + l - HO - 3 Na + K + l - Harnstoff SO Mittelstück (distaler Tubulus) K + H + NH 3 + sorgane Funktion Ausscheidung N-haltiger Endprodukte aus dem Eiweiß- und Purinstoffwechsel Ionen- und Osmoregulation Zusätzliche Ausscheidung über andere Organe (Haut, Kiemen!) möglich: extrarenale aktiv Extrarenale Wiederholung: Fischkieme Wasserstrom Kiemenblattlamellen (mit Kapillarnetz) Respiratorische und und Exkretorische Funktion Kiemenbogen Adduktormuskel Kiemenstrahl Extrarenale Weitere Beispiele: Froschhaut Leber Gastrointestinum