Kontrolle des inneren Milieus 1. Thermoregulation - die Regulation der Körpertemperatur 2. Osmoregulation - die Regulation des Wasserhaushalts und der Solutkonzentration der Körperflüssigkeiten 3. Exkretion - die Ausscheidung von stickstoffhaltigen Endprodukten des Stoffwechsels
Regulierer und Konformer Regulierer: verwendet homöostatische Mechanismen um innere Veränderungen gegenüber äusseren Schwankungen abzuschwächen (z.b. endotherme Tiere wie Vögel, Säuger) Konformer: erlauben einigen Parametern (wie Temp.) in ihrem Körper mit externen Veränderungen zu schwanken (z.b. marine Wirbellose wie Seespinnen)
Regulierer und Konformer
Die Seespinne (ein Krebs) - ein Osmokonformer verfügen nicht über osmoregulatorische Mechanismen passen sich an Aussen welt an
Homöostase balanciert Gewinn und Verlust von Energie und Materie aus Einwärts und auswärts gerichtete Energie und Materialströme sind häufig und schwanken oft (aufrechterhalten konstanter innerer Bedingungen essentiell) Energie und Stoffzufuhr übersteigt Verbrauch (Nettozunahme an organischer Materie) nur unter bestimmten Bedingungen (e. g. Wachstum, Fortpflanzung)
Beispiel: Energie und Stoffhaushalt einer Frau im Verlauf von 10 Jahren äquivalente Menge an Material und Wärme muss abgegeben werden damit Gewicht, Temperatur und chem. Zusammensetzung gleichbleibt Fortpflanzung: Erhöhung des Stoff und Energieflusses um 4-5%
Thermoregulation - die Regulation der Körpertemperatur Das Halten der Körpertemperatur in einem Bereich in dem die Zellen am besten funktionieren (Enzyme sind sehr Temperaturempfindlich) Tierarten passen sich an verschiedenen Temperaturen an
Verschiedene Tierarten regeln ihren Wärmehaushalt unterschiedlich Endotherme: Bezieht Körperwärme vor allem aus eigenem Stoffwechsel Ektotherme: Bezieht Körperwärme hauptsächlich aus Umgebung
Endothermie und Ektothermie Endothermie: hohe und stabile Körpertemperatur hohe aerobe Stoffwechselrate hohe Aktivität bei extremen Temperaturen Grundumsatz 5500-7500 kj pro Tag Endotherme mehr Nahrung erforderlich (Mensch 20-30 x mehr als Krokodil) Ektothermie: Grundumsatz niedrig (250 kj pro Tag) wenig Nahrung notwendig für viele Lebensräume erfolgreiche Strategie
Thermoregulation: Management des Wärmeumsatzes Anpassungskategorien 1. Manipulieren der Wärmeaustauschrate zwischen Körper und Umgebung 2. Kühlung durch Verdunstung 3. Verhaltensanpassungen 4. Verändern der Produktionsrate von Stoffwechselwärme
1. Manipulieren der Wärmeaustauschrate zwischen Körper und Umgebung Körperisolation durch Haare, Federn verhindern Wärmeverlust Veränderung der Hautdurchblutung durch Vasodilatation (Wärmeabgabe durch Konduktion, Konvektion und Strahlung) oder Vasokonstriktion Gegenstromwärmeaustauscher: besondere Anordung von Arterien und Venen
Gegenstrom-Wärmeaustausch Vögel: Arterien und Venen sind eng benachbart: effizienter Wärmeaustausch, Temperaturgradient
2. Kühlen durch Verdunstung Wasserverlust durch Atmen und über die Haut Hecheln, schwitzen 3. Verhaltensanpassungen Veränderung der Körperhaltung und Ortswechsel Abwandern in ein angenehmeres Klima, Kleidungswechsel 4. Verändern der Produktionsrate von Stoffwechselwärme Nur bei Endothermen (Vögel, Säuger) Steigerung der metabolischen Wärmeproduktion wenn der Kälte ausgesetzt
Regulation der Körpertemperatur des Menschen - Rückkopplungsmechanismen Nervenzellen welche die Thermoregulation steuern sind im Hypothalamus Gruppe von Neuronen funktionieren als Thermostat der auf Temperaturschwankungen anspricht und Mechanismen aktiviert die kühlen oder aufwärmen
Thermostatfunktion des Hypothalamus
Anpassung an Temperaturbereiche Akklimatisation: physiologisch Umstellung an einem veränderten Temperaturbereich Endotherme: Wärmeisolierung (dichteres Federkleid, dicker Pelz) Ektotherme: kompensieren eine Veränderung der Körpertemperatur (verschiedene Varianten von Enzymen, verschiedene Membranzusammensetzung, Hitzeschockproteine)
Anpassung an extreme Umweltbedingungen Torpor (Starre): physiologischer Zustand, niedrige Stoffwechselrate, Puls und Atmung langsam Winterschlaf (Hibernation): langfristiger Torpor, Körperthermostat wird heruntergeschaltet, abfallen der Temperatur auf 1-2 Grad, wiederaufwärmen durch Muskelzittern Sommerschlaf (Aestivation): langsamer Stoffwechsel, geringe Aktivität, überdauern von Wasserknappheit, Landschnecken, Krötenfrösche
Osmoregulation Ausbalancieren der chemischen Zusammensetzung von Körperflüssigkeiten erfolgt duch kontrollierte Bewegungen von Soluten zwischen Körperflüssigkeiten und externen Milieu (reguliert auch Wasserbewegung die den Soluten aufgrund von Osmose folgt)
Schlüsselfunktion der Osmoregulation Aufrechterhalten der Zusammensetzung des Cytoplasmas in den Körperzellen indirekt durch Regulation der Zusammensetzung der Körperflüssigkeit die die Zellen umgibt Spezielle Organe in komplexen Organismen: Nieren Offenes Kreislaufsystem: Hämolymphe Geschlossenes Kreislaufsystem: interstitielle Flüssigkeit - Blutzusammensetzung
Osmoregulation und Exkretion beruhen auf Transportepithelien Bewegen bestimmte Solute in kontrollierten Mengen in eine bestimmte Richtung einschichtiges Gewebe (direkt an der Oberfläche oder kleidet Kanal aus) Zellen des Transportepithels sind durch Verschluss- Kontakte (tight junctions) verbunden, stellt sicher dass jeder zwischen Organismus und Umwelt ausgetauschte Solut die Membran passieren muss Transportepithelien in Exkretionsorganen: Doppel- Funktion: Wasserbalance und Ausscheidung
Tight junctions (Verschlusskontakte zwischen Zellen)
Ausscheidungsprodukte Metabolische Abfallprodukte werden im Wasser gelöst ausgeschieden Stickstoffhaltige Verbindungen aus dem Aminosäurestoffwechsel sind ausgesprochen toxisch (Stickstoff von Katabolismus und Umwandlung von Kohlenhydraten und Lipide) Primäres Produkt: Ammoniak Umwandlung von Ammoniak zu Harnstoff oder Harnsäure (wesentlich ungiftiger als Ammoniak)
Warum ist Ammoniak so giftig? liegt in Körperflüssigkeiten als Ammoniumion (NH 4+ ) vor Gleich gross und selbe Ladung wie Kaliumion (K + ) Verstopft Kaliumkanäle - Elektrolythaushalt gestört Ammoniak ist 100000 x giftiger als Harnstoff
Die Leber Entgiftung von Stoffwechselprodukten und Ueberführung in ungiftige, wasserlösliche Stoffe. Diese Vorgang ist auch wichtig bei der Entgiftung von körpereigenen Stoffwechselprodukten wie der giftige Ammoniak der aus Aminosäuren entsteht (Harnstoffzyklus).
Pfortaderkreislauf bringt Blut aus dem Darmbereich zur Leber Pfortader Leber Vena Cava Aorta Magen Gallenblase Gallengang Zwölffingerdarm Dickdarm Dünndarm Pankreas Blinddarm Wurmfortsatz Dünndarm weg geschnitten
Leber - Harnstoffzyklus: Entgiftung von Ammoniak CO 2 + NH 4 + + 3 ATP + Aspartat + H2O führt zu H 2 N-CO-NH 2 + 2ADP + Fumarat + AMP + PPi Zyklus braucht Energie: aus 3 ATP werden 2 ADP und AMP Kreislaufsystem transportiert Harnstoff zur Niere
Art der stickstoffhaltigen Abfallprodukte anhängig von Stammesgeschichte und Lebensraum Endotherme: verbrauchen viel Energie, essen viel, produzieren viel stickstoffhaltige Abfälle Raubtiere: Fleischnahrung, hoher Proteingehalt, grosse Mengen an Stickstoff
In Zellen muss ein Gleichgewicht zwischen osmotisch bedingten Einstrom und Ausstrom von Wasser herrschen Aufnahme und Abgabe von Wasser müssen sich ausgleichen (z.b. Zellen würden schwellen und platzen) Wasser dringt in Zellen per Osmose ein bzw. verlässt sie wieder Osmose: Bewegung von Wasser durch eine selektiv permeable Membran wenn sich die von der Membran getrennten Lösungen in ihrer Solutkonzentration unterscheiden (Osmolarität)
Osmokonformer: steuern ihre interne Osmolarität nicht aktiv, interne Osmolarität dieselbe wie des umgebenden Milieus; leben oft in Gewässern mit sehr stabiler Zusammensetzung Osmoregulierer: Tiere deren Körperflüssigkeiten nicht isoosmotisch mit der externen Umwelt sind; brauchen Energie zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts
Exkretionssysteme Regeln Ausscheidungsraten bestimmter Solute (Beseitigung von Stoffwechselabfällen) und damit die Zusammensetzung der Körperflüssigkeit
Exkretionssysteme - Uebersicht Produzieren Harn in einem zweistufigen Prozess: - Körperflüssigkeit wird gesammelt (schliesst Ultrafiltration ein) - Veränderung der Zusammensetzung der gesammelten Flüssigkeit durch selektive Resorption und/oder Sekretion von Soluten
Ultrafiltration Durch selektiv permeable Membranen von Transportepithelien Membranen halten Zellen wie auch Proteine und andere grosse Moleküle in der Körperflüssigkeit zurück Hydrostatische Druck (Blutdruck) presst Wasser und kleine Solute wie Salze, Zucker, Aminosäuren und stickstoffhaltige Abfallprodukte in das Exkretionssystem - Ultrafiltrat Ultrafiltration is weitgehend unselektiv
Reabsorption, Sekretion Essentielle kleine Moleküle werden reabsorbiert und kehren zur Körperflüssigkeit zurück Aktiver Transport für z.b. Glukose Nichtessentielle Solute oder Toxine werden Filtrat durch Sekretion beigefügt Pumpen verschiedener Solute reguliert osmotische Bewegung des Wassers
Blut Schlüsselfunktionen von (Wirbeltier) Exkretionssystemen Glomerulus in Bowman scher Kapsel Primär Filtrat 1. Blut wird an Membran unter Druck ultrafiltriert. Kleine Moleküle gelangen in den Primärharn. Urin Reabsorption ins Blut Sekretion in Harnkanal 2. Kostbare Stoffe werden aus Harnwegen ins Blut reabsorbiert und zugleich werden im Blut vorhandene überschüssige Stoffen in den Harn entsorgt. Wasser im primären Filtrat durch Rückresorption zurückgewonnen.
Uebersicht über das Exkretionssystem des Menschen
Bowman sche Kapsel:Produktion des Primärharns
Reabsorption von Wasser und Salz aus dem Primärharn 1. Verändert Zusammensetzung und Volumen des Ultrafiltrats, sezerniert Ammoniak, kontrolliert ph Wert durch Abgabe von Bicarbonat, Resorption von NaCl 2. Wasser wird osmotisch aus dem Tubulus gezogen (Entwässerung). Nicht durchlässig für Salz. steigende Osmolarität der interstit. Flüssigkeit 3. Durchlässig für Salz (aktiv und passiv) aber nicht für Wasser.
Reabsorption von Wasser und Salz aus dem Primärharn 4. Schlüsselrolle in der Regulation von Kalium und Natrium. ph Wert Regulation steigende Osmolarität der interstit. Flüssigkeit 5. Entgültige Reabsorption von NaCl. Durchlässig für Wasser aber nicht NaCl. Verlust von mehr und mehr Wasser. Harnstoff wird aufkonzentriert. Im unteren Teil diffundiert ein Teil des Harnstoff zurück (Beitrag zur hohen Osmolarität der interstitiellen Flüssigkeit). Wassersparen!
Wüstenmaus mit extrem langen Henle schen Schleifen: Wassersparen
Hormonelle Regulation der Niere durch Regelkreise mit negativer Rückkopplung ADH: Antidiuretisches Hormon, von Hypophyse freigesetzt, Zielorgane distable Tubuli und Sammelrohr
Das Renin-Angiotensin-Aldosteron System JGA: juxtaglomerulärer Apparat, umschliesst afferente Arteriole am Glomerulus, setzt Enzym Renin im Gang das Hormon Angiotensin II produziert, letzteres stimuliert den proximalentubulus der Nephrone zur Aufnahme von Wasser und NaCl und Nebennieren, Produktion vom Hormon Aldosterone